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自然辩证法与自动控制理论的发展***（太原科技大学电子与信息工程学院控制工程学号*******）摘要：本文以自然辩证法的观点讨论了自动控制理论的发展过程。在文中，充分运用了自然辩证法的基本理论、基本方法，分析了自动控制理论的发展历史和发展现状，并根据自然辩证法的观点阐述了自动控制理论中反馈的因果关系，对自动控制理论的未来发展作出了大胆的预测。关键字：自然辩证法；自动控制理论；经典控制理论；现代控制理论一引言在从1868年至今的短短一百多年的时间里，自动控制理论无论在深度还是广度上都得到了令人难以置信的发展，并在这一个半世纪中对人类社会的方方面面产生了难以估量的影响。自动控制理论中的反馈理论的成功建立与应用，将哲学上简单的“因果关系”进一步发展成了“因果——果因”关系，反馈理论也因此深入人心。将自动控制理论上升到哲学的高度，并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，也将帮助我们更加准确的把握自动控制理论的发展趋势。二自然辩证法自然辩证法是马克思主义的自然观和自然科学观。体现马克思主义哲学的世界观、认识论、方法论的统一，构成马克思主义哲学的一个组成部分。F.恩格斯的《自然辩证法》（DialecticsofNature）所开创的研究领域。自然界本身的辩证法是通过自然科学和技术的发展日益被揭示出来的，两个方面的研究密切相联，不可分割。作为马克思主义哲学重要领域的自然辩证法，有其历史的渊源。从I.康德于1755年和P.-S.拉普拉斯于1796年提出星云说，试图揭示天体演化的历史开始，形而上学的自然观被打开了第一个缺口。19世纪以来，自然科学有了一系列发现，其中，能量转化、细胞学说和进化论，被恩格斯称之为自然科学中彻底动摇了形而上学自然观的三大发现。这一切都从不同方面揭示了自然界的历史发展和普遍联系，充分展示了整个自然科学从经验到理论、从分析到综合的发展过程。马克思主义的自然辩证法是在19世纪自然科学发展的基础上建立起来的。从哲学思想的渊源上说，它依据自然科学发展的成果，对德国古典哲学中的唯心主义辩证法进行了唯物主义的改造。马克思和恩格斯形成他们的新哲学世界观，始于19世纪40年代。他们关于自然辩证法思想的萌芽，也产生于这一时期。系统地研究、建立和阐明马克思主义自然辩证法，主要是由恩格斯从19世纪50年代后期起进行的。在《反杜林论》哲学篇和《自然辩证法》手稿中，恩格斯依据当时的自然科学成果描绘了整个自然界发展的辩证图景，运用丰富的自然科学材料阐发了辩证法的基本规律，研究了各门自然科学的辩证内容。他把自然科学所揭示的自然界的辩证法同自然科学认识发展和研究方法的辩证法联系起来研究，并认为从根本上来说认识的辩证法是客观的辩证法的反映，指出辩证法是唯一的、最高度地适合于自然观的这一发展阶段的思维方法。马克思和恩格斯很重视研究人和自然的关系，研究了自然科学和技术在社会发展中的作用和在社会中的发展规律。恩格斯提出18世纪科学和哲学结合的结果就是唯物主义、启蒙时代和法国的政治革命，科学和实践结合的结果就是英国的社会革命等著名论断。马克思在研究政治经济学的过程中，详细地研究了技术史，论述了自然科学和技术在现代生产和现代社会中的作用。自然辩证法的产生不仅对马克思主义哲学，而且对整个马克思主义革命学说有重要意义。在恩格斯逝世后，马克思主义自然辩证法得到了广泛的传播和发展。列宁在19世纪末20世纪初自然科学新发展的背景下，在捍卫马克思主义哲学的斗争中，写出了《唯物主义和经验批判主义》一书。提出了“世界图景就是物质运动和‘物质思维'的图景”的著名论点。俄国十月革命以后，列宁发表了《论战斗唯物主义的意义》一文，要求战斗唯物主义者同自然科学家结成联盟，用唯物辩证法研究自然科学革命所提出的种种哲学问题，从而为社会主义国家这方面研究工作的发展提出了一个纲领。1925年，恩格斯的《自然辩证法》一书在苏联出版。这部著作的问世，大大促进了马克思主义自然辩证法在苏联和世界各地的传播。在中国，自然辩证法随着恩格斯这部著作中译本于1929年的出版，逐渐在接受马克思主义的哲学工作者和自然科学工作者中间传播开来。中华人民共和国建立以后，它在广大哲学工作者和自然科学工作者中间，得到更广泛的学习和传播。毛泽东的哲学著作《实践论》和《矛盾论》，在中国科学工作者学习马克思主义认识论和辩证法、开展自然辩证法研究中，起了重要作用。自然辩证法的发展同自然科学的发展紧密联系着，20世纪以来自然科学的突飞猛进，极大地扩大和加深了人类对自然界的认识，远远超出了19世纪自然科学的眼界。20世纪自然科学的发展已经在更加广阔的范围和更加深刻的程度上揭示了自然界的辩证法和自然科学的辩证法，使辩证法的许多基本观点由于无数确凿的自然科学事实而在实际上为自然科学界所广泛接受。三自动控制理论的发展历史和发展趋势自动控制理论论是一种关于自动控制系统的构成、分析和设计的理论。自动控制理论的任务就是研究自动控制系统中变量的运动规律，并为改变这种运动规律寻找可能性和途径，为建造高性能的自动控制系统提供必要的理论手段。自动控制理论的形成远比人类对自动控制装置的应用晚得多，它产生于人们对自动控制技术的长期探索和大量实践，它的发展得到了其他学科,尤其是数学、理论力学、电工学和电子学的推动,近些年来更是受到计算机技术和微电子技术的促进。1.自动控制原理的发展历史虽然在自动控制原理中最为经典的反馈控制装置早在公元前1500年左右，就被古埃及和古巴比伦人应用于水钟上了，但是目前公认的第一篇关于自动控制原理的公开论文却只能追溯到1868年。虽然自文艺复兴以后，牛顿、拉普拉斯、瓦特等诸多科学先贤曾对控制理论中的稳定性等问题提出自己的见解，但是直到1868年由JamesClerkMaxwell所发表的《论调节器》才真正的打开了通向控制理论世界的大门。这篇论文也被认为是自动控制原理的开端。而在此之后，EdwardJohnRouth将各种有关控制系统稳定性的孤立结论统一起来，给出了现在在控制理论中广泛应用的“劳斯判据”。而在1892年，著名的数学理学家A.M.Lyapunov在自己的博士论文“运动稳定性的一般问题”中提出了在当今学术界广为应用并影响巨大的李雅普诺夫方法。这种方法成为了各种线性系统和非线性系统，甚至是混沌系统稳定性研究的重要理论依据。自此之后，以单输入单输出为主要研究对象的古典控制理论得到了极大的发展，涌现出了如HaroldBlack，HarryNyquist，HendrikBode等对控制理论做出了巨大贡献的科学家。1948年美国电信工程师W.R.Evans建立了根轨迹法，将自动控制理论的研究域从时域扩展到了频域。直到1954年中国科学家钱学森发表了《工程控制论》全面总结了古典控制理论，古典控制理论的发展也渐渐进入了尾声。此时，随着科学的发展，尤其是电子技术的进步，出现了大量的多输入多输出的控制系统。而在无数学者将古典控制理论推广到多输入多输出系统失败之后，新的控制理论的诞生成为了一件迫在眉睫的事情。1956年俄罗斯数学家Pontryagin创立了极大值原理，同年美国数学家R.E.Bellman创立了动态规划，这两个理论的建立成为了新型控制理论，即现代控制理论的基石。美国数学家RudolfEmilKalman于1959年提出了卡尔曼滤波，并于1960年提出了系统的能观性和能控性问题。同年，在第一届全美联合控制会议上通过对研究对象的区别，将控制理论分为了以单变量控制系统为研究对象的古典控制理论和以多变量控制系统为研究对象的现代控制理论。虽然两者被分别称为古典控制理论和现代控制理论，但并没有内在联系，只是研究对象不同。到了二十一世纪的今天，现代控制理论得到了长足的发展，已成为包括线性系统理论、最优控制理论、随即最优估计和控制、鲁棒控制、模糊控制、智能控制、集散控制理论（DCS）等原理的完备的理论体系。2.自动控制原理的发展现状目前在传统的但输入单输出系统中，绝大多数的场合依然应用古典控制理论，尤其是在过程控制和机电系统控制中应用PID控制。同时，为了能够得到更好的控制精度，史密斯预估器和大林工业算法等由PID控制方法改进的控制算法也被广泛应用。而随着电子信息技术的快速发展，尤其是计算机技术和大规模集成电路的飞跃式发展，现代控制理论中的线性系统理论和最优控制理论被广泛应用。特别是在一些计算机控制的系统中，将原始的连续系统离散化后，利用线性系统理论中的降维观测器和极点配置的状态反馈，以及最优控制理论中的极大值原理和线性二次型控制方法（LQR）都使得控制系统既得到了良好的控制精度，也能够保证系统的稳定性、鲁棒性、可靠性等系统性能指标。然而，随着相关科学技术的发展，出现了越来越多的高维、非线性、时变、分布参数、不确定的控制系统，对于这些新型的系统，无论是古典控制理论还是传统的现代控制理论都难以满足控制系统应用的需要。而将自动控制、人工智能和运筹学统一起来的智能控制就很好的解决了这一点。基于智能模拟、知识表达和问题求解的智能控制如今已经被广泛应用于各种非线性系统、时变系统、高维系统，甚至是灰色系统领域。3.自动控制理论的发展趋势在21世纪来临之际，欧美的一些自动控制学者组织了一个《关于控制、动力学和系统未来发展方向》的专题小组，并完成了《信息爆炸时代的控制》(ControlinanInformationRichWorld)的专题报告。在此报告中，专家们指出：为了充分实现应用于新型领域的控制潜力，必须发展新的方法和技术。下列几个问题可以帮助我们理解面临的挑战。(1)具有符号和连续动力学系统的控制。下一代的系统将把逻辑运算（如何符号推理和决策）和连续量(如电压、位置和浓度)结合起来。目前的理论不能有效地处理这样的系统，特别是描述大系统的时候。(2)分布、异步和网络环境中的控制。(3)高层次的协调与自主。(4)控制算法的自动综合，且具有集成的验证和确认。未来的工程系统需要能够快速地进行设计、再设计和实现控制的软件。研究人员需要开发功能更强大的设计工具，使得从建模到环路中含有硬件的仿真(hardware-in-the-loopsimulation)的整个控制系统设计过程能自动完成，这包括系统软件验证和确认。(5)利用不可靠的部件建立可靠的系统。从上述报告发表至今，以上所列的五个问题仍然是当今自动控制研究和发展所面临的最主要问题和研究热点。而生物信息学、智能交通系统、智能空间系统、复杂系统的平行控制和管理也成为了自动控制理论发展的新的学科领域。四结束语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，自动控制理论作为一门科学技术理论，它的发展与其他科学技术理论一样，同样遵循着科学技术发展的一般规律。只有充分应用自然辩证法的观点和方法来深入剖析自动控制理论，我们才能够更加精确而深入的认识自动控制理论发展的过去、现在和未来。当我们拥有了自然辩证法这把神奇的钥匙，我就可以用它来开启科学认知的大门。也只有这样，我们才能够更好的回首过去、把握现在、展望未来，精确而深入地把握自动控制理论的发展方向，更好地学习、利用并发展自动控制理论。[参考文献][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]周立凯.自然谈辩证法和计算机语言发展.科技信息，2007,17:13[3]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[4]ControlinanInformationRichWorld——ReportofthePanelonFutureDirectionsinControl,Dynamics,andSystems.2002[5]Richard.Murray,Karl.Astrom,StephenP.BoydRogerW.BrockettandGunterStein.FutureDirectionsinControlinanInformation-RichWorld——Asummaryofthereportofth