自然辩证法在控制领域中的应用及对社会的影响--姬海超

自动化学院 姬海超  632081102004

摘要 自然辩证法是关于自然界和科学技术发展的一般规律以及人类认识自然和改造自然的一般方法的科学。双控是以工程领域内的控制系统为主要研究对象的。人和控制系统都是自然的一部分，所以双控的产生和发展无时无刻不与自然辩证法来相联系。本文将就自然辩证法主要观点以及其在控制理论与控制工程中的应用及其对社会的影响作简要分析。

关键词 自然辩证法；双控；控制系统；社会影响

引言  

控制理论与控制工程是研究运动系统的行为、受控后的运动状态以及达到预期动静态性能的一门综合性学科。研究内容涵盖从基础理论到工程设计与实现技术的多个层次，应用遍及从工业生产过程到航空航天系统以及社会经济系统等极其广泛的领域。控制理论因此而上升到哲学的高度，用自然辩证法的观点和方法认识分析它，不仅将有助于我们更加深入的认识和理解自然辩证法，也将更有助于人们对控制规律的探索和发展。

1.自然辩证法的内涵

自然辩证法是马克思主义哲学的重要组成部分，是关于自然界和科学技术发展的一般规律以及人类认识和改造自然的一般方法的科学。它是马克思主义关于认识自然和改造自然已有成果的概括和总结，是随着科学技术的发展而不断丰富和发展着的开放的理论体系[1]。

自然辩证法包括三部分：自然界发展的一般规律，即自然界发展的辩证法；科学技术发展的一般规律，即科学技术发展的辩证法；人类认识自然和改造自然的一般规律，即科学技术研究的辩证法，亦即辩证唯物主义的自然观、科学技术方和科学技术观[2]。它和各门具体科学技术一样，都是研究自然界、科学技术及其研究方法的规律性探索，这表明了它具有科学技术特性。

自然辩证法是集中研究自然界和科学技术的辩证法，是唯物主义在自然界和科学技术领域中的应用，它的原理和方法主要适用于自然领域和科学技术领域， 能够很好地指导我们进行科学研究活动。

2. 控制理论与控制工程中的自然辩证法

2.1控制理论与控制工程具有自然属性

控制论与信息论、系统论作为20世纪40年代诞生的新兴学科，同时又是相互密不可分的学科, 影响了20世纪后半叶的人类社会, 改变了人类的观念和思维方式, 虽然它们没有获过类似诺贝尔奖那样的世界大奖, 但它们仍然无愧是20世纪的重大成就。虽然这些都是在人类社会科学的高度发达的结晶，但仍是自然的一部分。现在的社会中几乎充满着机械化和信息化，但每一个机械化和信息化的系统都是来自于自然界，它们是客观实在的自然物在经过人的作用之后的物品，虽然它们可以已经不着一丝自然物的痕迹，但在马克思主义哲学中仍然属于自然界，同时它的使用者——人，也属于自然界，即客观存在的物。所以说控制理论与控制工程具有自然属性。

2.2研究方法来源于自然辩证法中的科学技术方

    控制理论作为一门科学,它的萌芽可追溯到18 世纪中叶英国的第一次技术。1765 年,瓦特(J ams Watt ,1736～1819) 发明了蒸汽机,进而应用离心式非锤调速器原理控制蒸汽机转速,标志着人类以蒸汽为动力的机械化时代的开始。后来,工程界用自动控制理论讨论调速系统的稳定性问题。1868 年麦克斯韦(Maxwell) 发表的《关于调速器》一文指出,控制系统的品质可用微分方程来描述,系统的稳定性可用特征方程根的位置和形式来研究。1872 年劳斯( E·J ·Routh ,1831～1907) 、10 年赫尔维茨(Hui2witz) 先后找到了系统稳定性的代数判据即系统特征方程根具有负实部的充分必要条件。12 年学者李雅普诺夫(AMLyapunov ,1857～1918) 发表的《论运动稳定性的一般问题》的博士论文,提出了用适当的能量函数—李雅普诺夫函数在正定性及其导数的负定性上鉴别系统的稳定性准则,从而总结和发展了系统的经典时域分析法。

随着通讯及信息处理技术的迅速发展,电气工程师们发展了以实验为基础的频域响应分析法,1932年美国贝尔实验室工程师奈奎斯特(H·Nyquist) 发表了《反馈放大器稳定性》的著名论文,给出了系统稳定性奈奎斯特判据。后来,苏联学者米哈依诺夫(A·BMihaynov) 又把奈奎斯特判据推广到条件稳定和开环不稳定的一般情况。在二次大战期间,由于军事上的需要,雷达及火力控制系统有较大发展,频率法被推广到离散系统、随机过程和非线性系统中。美国著名的控制论创始人维纳(N·Wiener ,14～19) 系统地总结了前人的成果,于1948 年发表了《控制论—或关于在动物和机器中控制和通讯的科学》著作,书中论述了控制理论的一般方法,推广了反馈的概念,为控制理论这门学科的产生奠定了基础。

随着生产的发展,控制技术也在不断发展,尤其是计算机的更新换代,更加推动了控制理论不断地向前发展。控制理论的发展过程一般可分为三个阶段:

第一阶段,时间为上世纪40～60 年代,称为“古典控制理论”时期。古典控制理论主要是解决单输入单输出问题。主要采用传递函数、频率特性、根轨迹为基础的频域分析法,所研究的系统多半是线性定常系统。

第二阶段,时间为上世纪60～70 年代,称为“现代控制理论”时期。此时,进入了空间技术时代。控制工程向高性能方向发展,并利用了数学计算机进行分析设计和实时控制,因而需要处理时变、非线性以及多输入- 多输出等复杂控制系统问题。

第三阶段,时间为上世纪70 年代末至今。70 年代末,控制理论向着“大系统理论”和“智能控制”方向发展,前者是控制理论在广度上的开拓,后者是控制理论在深度上的挖掘。“大系统理论”是用控制和信息的观点,研究各种大系统的结构方案、总体设计中的分解方法和协调等问题的技术基础理论。而“智能控制”是研究与模拟人类智能活动及其控制与信息传递过程的规律,研制具有某些仿人智能的工程控制与信息处理系统。

这些控制理论的创立是一代又一代的科学家和工程师在客观复杂的整个时代的发展中通过大量实验和观察中总结出来的，在这个过程中自然辩证中的归纳和演绎的运用是显而易见的。归纳和演绎是自然辩证法中科学技术方的科学思维方法，实验法是科学抽象中重要的思想模型。控制科学中的一切事物都是现象和本质的统一。控制科学是一门以实验为基础的学科，它需要通过试验获得数据，经验。但这只是科学认识的基础，我们要通过归纳和演绎将它上升到理性认识——规律、理论，这样就可以反过用理论来指导实践，从而将其应用到生产生活中去。

应该知道，工程控制有它自身的运行规律和规则，我们需要从方上去探索和认识。工程控制的方原则主要有以下几个方面：

（1）协制原则

在现代工程控制过程中，其中一个重要的方原则就是协制。其实，有许多场合，工程控制系统不仅要求自治，而且需要协调，即控制的任务是保持各被控对象的控制过程之间的某种协调关系，这种协调关系主要表现为函数关系、均衡关系、同步关系、关联关系、协同关系等。协制原理要求，建立工程控制系统的协调联系，保留或加强被控对象中有益的联系，抵消或削弱工程控制系统中有害要素的相互作用，使系统特性适应于协制的需要，实现工程控制系统的协调和稳定。

（2）系统集成原则

由于工程控制系统的复杂性和综合性，在工程控制系统模型化、工程控制系统分析与工程控制系统综合方面，需要多学科、多专业、多技术相结合的系统集成方法，特别是系统科学与计算机科学相结合，控制论、运筹学与人工智能相结合，系统工程与知识工程相结合的方法。工程控制的系统集成原则，强调将工程控制系统的各要素如人、信息、技术、目标、物资、机械、资金、方法、时间等有机结合起来，通过要素的整合与对象的集成控制，形成系统优化，使工程控制系统总体上达到相应完备的程度。

（3）矛盾分析原则

矛盾分析是唯物辩证法的基本方法之一。按照矛盾分析原则，正确处理工程控制系统各对象、各要素、各变量之间主要矛盾与次要矛盾的关系，以及矛盾的主要方面和次要方面等，在工程控制中学会“弹钢琴”的方法，根据工程控制系统的现状、变化和发展趋势，抓主要矛盾，牵住工程控制系统中的牛鼻子，解决工程控制中的问题。

3.自动化对社会的影响

自动化广泛用于工业、农业、军事、科学研究、交通运输、商业、医疗、服务和家庭等方面。采用自动化技术不仅可以把人从繁重的体力劳动、部分脑力劳动以及恶劣、危险的工作环境中出来，而且能扩展人的器官功能，极大地提高劳动生产率，增强人类认识世界和改造世界的能力[4]。因此，自动化是工业、农业、国防和科学技术现代化的重要条件和显著标志。

    过程自动化  石油炼制和化工等工业中流体或粉体的化学处理自动化。一般采用由检测仪表、调节器和计算机等组成的过程控制系统，对加热炉、精馏塔等设备或整个工厂进行最优控制。采用的主要控制方式有反馈控制、前馈控制和最优控制等。

     管理自动化 工厂或事业单位的人、财、物、生产、办公等业务管理自动化，是以信息处理为核心的综合性技术，涉及电子计算机、通信系统与控制等学科。一般采用由多台具有高速处理大量信息能力的计算机和各种终端组成的局部网络。现代已在管理信息系统的基础上研制出决策支持系统（DSS），为高层管理人员决策提供备选的方案。

    对社会的影响  自动化是新的技术的一个重要方面。自动化技术的研究、应用和推广，对人类的生产、生活等方式将产生深远影响。生产过程自动化和办公室自动化可极大地提高社会生产率和工作效率，节约能源和原材料消耗，保证产品质量，改善劳动条件，改进生产工艺和管理，加速社会的产业结构的变革和社会信息化的进程。

三、结论

只有用科学的思维方法认识事物，才能够正确而清楚的了解该事物的过去、现在和未来，而科学技术理论也同样遵循着科学技术发展的一般规律。关于自然界和科学技术发展的一般规律以及人类认识自然和改造自然的一般方法的科学自然辩证法，在控制理论与控制工程中得到了广泛的应用，这一点是毋庸质疑的。从控制的自然属性到自然辩证法的科学方与控制科学的研究方法的联系，再到自然辩证法在控制科研中的应用，每个方面都折射出自然辩证法的影子。所以说，控制科学的发展离不开自然辩证法。一部控制科学的发展进步史，就是自然辩证法在其中的应用史。

参考文献

[1] 周立凯.自然谈辩证法和计算机语言发展.科技信息，2007:3-6

【1】王庆林.自动控制理论的早期发展历史（经典控制理论部分）.中国自动化学会社区

[2]许晓鸣，孙优贤，熊刚.智能控制理论及应用的发展现状.电子技术应用，1997,8：4-6

[3]郑大钟.线性系统理论（第2版）.北京：清华大学出版社，2002

[4]胡寿松.自动控制原理（第4版）.北京：科学出版社，2001

　　【4】Control in an Information Rich World——Report of the Panel on Future Directions in Control, Dynamics, and Systems.2002

　　【8】胡寿松，王执铨，胡维礼等.最优控制理论与系统.南京：东南大学出版社，1995

　　【9】高金源，夏洁.计算机控制系统.北京：清华大学出版社，2007

　　【10】王毅，张早校.过程装备控制技术及应用（第二版）.北京：化学工业出版社，2007

　　【11】王广雄，何朕.控制系统设计.北京：清华大学出版社，2008

　　【12】董景新.控制工程基础（第3版）.北京：清华大学出版社，2009

　　【13】全国工程硕士政治理论课教材编写组.自然辩证法——在工程中的理论与应用.北京：清华大学出版社，2008

　　【14】栾玉广.自然辩证法原理（第3版）.合肥：中国科学技术大学出版社，2007

　　【15】教育部社会科学研究与思想政治工作司.自然辩证法概论.北京：高等教育出版社，2004