系统和控制理论是一个相对年轻的学科,它发端于控制论,后者是由诺伯特·维纳(1948,1961)在二战后提出的一个术语。在系统理论方面与一些常见的动力系统理论相似,它是数学的一个分支,在某种意义上是一个热力学的抽象概念。系统理论和动态系统理论之间的区别是在系统理论中我们总是处理输入和输出或所谓的开放系统,而在动态系统理论中输入并不扮演重要的角色。当系统作为模块来构建更大的系统通过互联时,输入和输出都是至关重要的。
系统的概念可能是在热力学方面的文章中首创的。但这绝对是一个被过度使用的术语,因为它被用在大多数科学中。从控制理论意义出发,电力网络或电气系统的研究通常被认为起源于系统研究。正是在电力系统、电力或远程通信应用中,工程系统中第一次达到一定程度的复杂性,这就要求一个更抽象的、系统的综合处理方法。(见例Anderson和Vongpanitlerd 2006;Belevitch 1968。)
控制工程永远是被科技驱动的。初期的工业革命中,政府对瓦特蒸汽引擎的行为分析促进了第一次系统分析。19世纪末20世纪初电力和通信系统的出现为此提供了足够的动力。在20世纪,航空电子设备和太空竞赛极大地刺激了控制工程的发展。今天无线传感器/执行器网络技术,以及潜在的新的生物工程工业革命均刺激了该领域的发展。该领域的历史至少可以追溯到1955年的班纳特(1979,1993)。
信号与系统的课程如今是电气工程的必修课程,也是其他一些类似学科的专业必修课,如航空、机械、化学或通信。支持和相关开放课程可以在互联网找到。相关教学书籍有很多,Haykin and Van Veen(2002)和Oppenheim(1982)等。最需要的知识基础是线性代数和微积分。更多现代的方法可在Lee and Varaiya(2003)中找到。
在von Bertalanffy(1980)中提出并概括了系统理论的思想,这样它可以无缝处理生物学、物理学、热力学和等领域中的问题。
源于系统行为的系统理论的发展是近期发展起来的,代表人物是JanC.Wil- lems、Polderman和Willems(1998)。所谓的行为方式具有可实现性和现代公理性可证性,为系统研究打下了基础。
系统和控制领域有相当活跃的研究组织。美国电气和电子工程师协会(IEEE),控制系统协会(CSS),自1954年以来提供了控制系统领域的研究。国际自动控制联合会(IFAC)是一个国际组织(见www.ifaccontrol.org),自1957年以来致力于系统理论的研究及其应用,具有更广泛的意义。IFCA会举办许多座谈会,每三年举行一次国际会议,后者则吸引超过2000多名学者。数学理论网络和系统(MTNS)是两年一次的会议,致力于将数学方面的系统理论和互联网络中心搬上舞台。
有许多大型跨国公司的主要业务和服务都与控制和自动化有关。像IBM、霍尼韦尔、罗克韦尔自动化、欧姆龙和西门子等公司都是主要的参与者。商业软件如Matlab[14]和LabView[15]以及开源软件SciLab[16]等软件平台支持了教学、研究和工程的开发,它们在控制、自动化和更广泛的系统工程中都有应用。
[1]这一术语变得清晰,但目前一个系统只是一个集合术语,用来表示一个过程、一个物理机器或者
一个工具的实例,任何可以用某种形式处理信息的东西。
[2]来自希腊语,保持不变的状态。
[3]利用该定律,图1-3的方框图可以表示如下:(pl,po)=A(e,x,s),(r,x)=L(pl,s),和e=
O(po,r,s)。
[4]此处,传声器不会记录所有的声音,因为需要的最低能量是为了登记声音。
[5]距离决定延迟,即距离除以声音的速度,以及扬声器和传声器之间的声音功率的损失。
[6]这个词由JanC.Willems引入,他是个使人发人深省、鼓舞人心的老师。(www.xing528.com)
[7]有一个明显的例外,就是所谓的自动机描述的系统,他们的核心数字计算机是自动机,其中只有
有限的多种可能性,所以其行为是有限的。
[8]开普勒,1571~1630年。德国数学家和天文学家,曾在Tübingen大学学习,并在Linz大学做
演讲。
[9]这个例子改编自J.C.Willems的成果(1997年)。
[10]牛顿,1643~1727年,英国物理学家和数学家,被誉为有史以来最伟大的头脑。
[11]NorbertWiener,1894~1964年,美国数学家和工程师,他14岁大学毕业获得数学学位,18岁在
哈佛大学获得博士学位。他是麻省理工学院的教授,为现代信号处理和控制理论奠定了基础,他
是控制论之父。
[12]Cybernetics是希腊单词“英国”,意思是“掌舵”:通信和控制理论方面尤其是自动控制系统的
比较研究的科学(如神经系统和大脑以及机械电气通信系统)。
[13]我思考,所以我存在,RenéDescartes的名言,他是法国哲学家和数学家,1596~1650年。
[14]MathWorks公司的软件,http://www.mathworks.com/.
[15]可从美国国家仪器获得的软件,http://www.ni.com/labview/.
[16]http://www.scilab.org/.
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