控制论是什么?

控制论研究的对象是包括人在内的生物系统和各种非生物系统(如工程系统、化工系统、通讯系统、经济系统等)。所谓系统，是由相互制约的各个部件组成的具有一定功能的整体。

恒温箱就是一个简单的系统。如图所示，构成系统的基本部件是：电源、开关、加热电阻丝、箱体和执行动作的人。因为我们的目标是要保持恒温箱内的温度不变，所以这就是一个控制系统，受控对象是箱内温度，控制方式是接通或断开电源开关。

如果我们希望箱内的温度保持在20℃(假定环境温度低于20℃)，那么当操作员观察到温度计的数值低于20℃时，就合上开关，接通电源加热，使箱内的温度升高。等升到20℃，操作员又将开关断开了一段时间后，箱内温度就会因为散热而下降，这时操作员又得合上开关为箱子加热。重复上述过程，操作员眼睛观察温度计，手控制电源开关，就能基本上保证箱内的温度维持在20℃。

如果我们采用自动控制技术来代替人的劳动，就成为自动恒温系统。它与人工恒温系统不同的是减少了操作员，但增加了一根弹簧、一个继电器和有关线路。温度计底部及20℃处，各有一根导线连到电源上，这些增加部件的功能就是代替人工操作。当继电器回路的电源接通时，就会产生吸力，将开关拉开(断开)，因此加热电阻不工作(停止加热)。如果继电器回路中电源断开，继电器不产生吸力，那么开关受弹簧拉力的作用而闭合，接通加热器回路的电源，加热器开始加热。

这个系统是怎样实现自动控制的呢?原理很简单。因为温度计内的水银是可以导电的，所以当箱内温度低于规定值20℃时，继电器回路是断开的，不产生吸力，弹簧把开关拉紧(闭合)，加热器回路有电，电阻丝发热，箱内温度持续升高。一旦温度升到20℃时，水银使继电器回路接通，因为继电器产生的吸力大于弹簧的拉力，所以将开关断开，加热器停止工作。由此可见，在自动恒温系统中，弹簧与继电器接替了操作员双手的工作合上或断开开关；而温度计上的接线相当于人双眼的观察，它能依据箱内是否达到规定值而使继电器动作，从而实现了自动恒温的目的。

从上面这个简单例子可以归纳出自动控制系统的一个突出特点，即系统自动控制过程就是信息传递和变换的过程。但是一旦系统中信息传递受阻，又会发生什么情况呢?我们再以一个美国独立战争时期发生的一件事来说明。

当时，英国殖民主义者为了巩固它在美国的殖民统治地位和有效***美国人民的起义，曾组织了一次重要的战役。英军指挥者设想一支军队从加拿大出发，同另一支从纽约出发的军队，在一个名叫萨拉托加的地方汇合，对那里的起义队伍形成两面夹击的进攻阵势，企图一举消灭起义军队。但是战役的结果却并不像英军指挥者设想的那样。当其中一支部队到达指定地点时，却始终不见另一支英军前来汇合，结果形成了孤军奋战的被动局面，惨遭失败。事后才查明，原因是由于疏忽，行动命令只发给了一支部队，另一支部队根本就没有接到命令。

显而易见，英军失败的主要原因是信息受阻。其下属根本没有收到上级的任何指示，因为英军的信息传递只有自上而下(命令)，而没有自下往上的信息反馈。所谓反馈(Feed-back)，是指当指挥者控制系统发出的指令信息(也叫系统输入)输入后，通过系统内部变换后又将信息作用的结果(也叫系统输出)返回到系统输出端，并根据系统输出与系统输入(规定值)是否吻合，再对系统施加作用的过程。这也正是控制论创始人维纳所提出的双向通讯的慨念，既有从系统输入到系统输出的正向信息传递和变换，也有从系统输出端返回输入端的反馈信息。从控制论的观点来看，系统的自动控制过程正是通过双向通讯的信息反馈联系而实现的。信息在系统中的这种循环往返过程中，不断变换形式，最终实现控制目标。这就是控制论所揭示的自动控制系统的反馈机制，它是自动控制系统的第二个特点。