1.1 控制系统中信息的不确定性

1.1.1 控制系统中的信息流程

美国学者N.维纳于1948年出版了《控制论，或关于在动物和机器中控制与通信的科学》，创立了控制论，为自动控制技术奠定了理论基础。维纳发现，动物和机器中控制和通信的核心问题是信息、信息传输和信息处理。一旦建立了一个被控过程的模型，控制系统设计本质上就是信息的变换和处理。

所有的工业生产过程都是物料经过若干加工步骤而成为产品的过程，控制系统的任务是以生产过程中的信息量作为被控量，选用适宜的技术手段，实现生产过程的控制目标。因此，从本质上说，控制系统的作用是如何利用信息促进能量和物质的有效利用。图1.1示出了单变量闭环控制系统的基本结构。

图1.1 单变量闭环控制系统的基本结构

由反馈作用组成的闭环控制系统是控制系统最重要的结构。通过检测与变送仪表采集系统的输出信号（信息获取）作为反馈信息，经过处理和控制器的作用，由执行机构送出控制信号（信息应用），驱动被控对象。因此，从信息技术的角度看，控制系统涉及信息获取、信息传输、信息处理（信息控制也是一种信息处理）与信息应用，则图1.1所示系统可表示为图1.2的形式。

图1.2 控制系统中的信息流程

1.1.2 控制系统中的信息不确定性

由于客观世界复杂的内部和外部环境、测量设备精度以及人的认知水准的局限性，控制系统所获取、传输、处理和应用的信息往往带有不确定性。

由于受到各种噪声和测量条件变化的影响，检测与变送仪表所测量的数据存在不准确的现象，另外，在实际系统中有些信息还无法测量。例如，在外界的干扰下，在一定时间间隔内，测量仪器输出量发生与输入量无关的或不需要的变化情况，即发生漂移，包括零点漂移和灵敏度漂移等，如图1.3所示。这是在采用仪器确定现存事物状态时发生的不确定性，或者说系统所获取的反馈信息存在不确定性。

在长期运行过程中，由于磨损、老化以及不同工况等造成执行器特性变化，导致控制信号发生变化，使执行器特性信息存在不确定性。例如，调节阀产生动作迟缓或开关不能完全到位的现象。同时，在运行条件发生变化时，还存在运行环境信息的不确定性。

由于在建模过程中往往使用假设、近似和降阶等方法，使系统的被控对象以及控制器模型结构和参数也存在不确定性。例如，采用直线拟合非线性特性，选取不同的方法拟合直线，会得到不同的线性度及不同的误差，如图1.4所示。

图1.3 测量仪器的漂移

图1.4 几种拟合方法比较

信息的不确定性增加了模型的复杂性，甚至使模型无法建立。

产生不确定性现象的根本原因有两个，一是人们对事物变量值或类属做出判断或处理时掌握的信息不充分，没有达到充分条件的要求。另外，人们对某些概念的认识以及在控制策略的选取中也隐含不确定性。决策的不确定性是指当人们根据主观感觉对事物类的归属做出判断时所发生的不确定性，如人们对某些决策方案的优劣性判断、对某些事物类属的判断。显然，控制系统中的信息不确定性包括信息不完全、数据不准确和决策概念的不准确。

信息不确定性不仅存在于控制系统中，客观世界中的绝大多数现象也都具有不确定性。所谓确定的现象只是在一定的前提和特定的边界条件下发生的。因此，不确定性是普遍存在的信息属性，对于信息不确定性的研究十分有意义。