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自动控制原理及其应用

AI&Robots Ins. (Institute of Artificial Intelligenceand Robots),即人工智能与机器人研究所,是隶属于北京工业大学控制科学与工程学科的研究机构,自然地,其所致力于研究的,是人工智能(ArtificialIntelligence)和机器人(Robot)。

Robot是大家熟悉的一个英文名词,常常被译作“机器人”。

然而,无论就其形态或结构,还是就其运动方式或行为方式,多数Robot 不象人。

准确地说,Robot是一种自动机器,一种仿生的自动机器,具有类似生命的特征,具有类似生物的行为,甚至具有类似生物的智慧。

《控制论》之父Wiener有一句名言:“就其控制行为而言,所有的技术系统都是模仿生物系统的,然而,决没有哪一种生物系统是模仿技术系统的。

”Wiener 所说的“技术系统”(Technical System)就是人造系统,就是机器,准确地说,就是自动机器。

AI&Robots 旨在研究具有智能的自动机器,并努力使机器具有生命特征和生物行为,具有感知能力和认知能力,包括记忆和学习的行为能力。

实际上,AI&Robots 的研究领域是综合而宽广的,是一个多学科融合的科学研究领域,其中:•控制论(Cybernetics)•人工智能(Artificial Intelligence)•机器人学(Robotics)扮演着重要角色。

在AI&Robots 的标识中,黄色代表着“控制论”,红色代表着“人工智能”,蓝色代表着“机器人学”。

AI&Robots渗透着《控制论》的思想。

1948年,美国科学家Norbert Wiener 将机器与动物类比,将计算机与人脑类比,创立了《控制论》。

Wiener 是一个天才,8 岁上中学,11 岁上大学,14岁大学毕业,18岁获得博士学位,其后,师从英国数学家和哲学家Rosu。

虽然主修数学和哲学,Wiener 却始终思索着动物和机器的辨证关系。

Wiener 的《控制论》是关于动物和机器共性的科学,是关于动物和机器同一性和统一性的科学。

Wiener 兴趣广泛,在理论物理学、生物学、神经生理学和心理学、哲学、文学等领域都有涉猎和建树。

正是Wiener 广博的知识,使《控制论》成为科学融合的艺术。

正如Wiener 在《控制论》中所指出:“我们正研究这样一种自动机器,它不仅通过能量流动和新陈代谢,而且通过信息流动和传递信号,引起动作流动,并和外界有效地联系起来。

自动机器接收信息的装置相当于人和动物的感觉器官;相当于动作器官的可以是电动机或其它不同性质的工具。

自动机器接收到的信息不一定立即使用,可以储存起来以备未来之需,这与记忆相似。

自动机器运转时,其操作规则会依历史数据产生变化,这就象是学习的过程。

”在《控制论》中,Wiener虚拟设计了一个机器蠕虫,模拟蠕虫的负趋光行为,以阐明动物和机器的共性。

Wiener的机器蠕虫具有类似动物神经的反射弧结构:感觉器官:一对左右对称的光电管传入神经:带信号放大器的输入线路神经中枢:一个用于平衡两个光电管输出的电桥传出神经:带功率放大器的输出线路动作器官:两个推电动马达其中,光电管受光刺激并将光信号变换为电信号;电信号放大后经输入线路送达电桥;电桥对来自不同光电管的信号进行鉴别和比较,给出关于运动方向的指令信号;指令信号经功率放大后送达运动机构,驱动电马达,于是,蠕虫就避开光,向光线较弱的方向运动。

Wiener 的机器蠕虫是《控制论》的一个思想实验,其深刻的思想,既是控制科学与工程的源泉,也是人工智能和机器人学的源泉。

《控制论》是一种理念,一部哲学;是世界观和方法论;是AI&Robots 一切科学活动的思想基础。

阮晓钢2006年4月6日星期四诺伯特·维纳(Norbert Wiener)(1894年11月26日-1964年3月18日),美国应用数学家,在电子工程方面贡献良多。

他是随机过程和杂讯过程的先驱,又提出了“控制论”一词。

1894年11月26日,美国数学家、控制论的创始人诺伯特·维纳(Norbert Wiener) (1894~1964)诞生。

1894年11月26日生于美国密苏里州的哥伦比亚,1964年3月18日卒于斯德哥尔摩。

维纳于1909年毕业于塔弗茨大学,获文学士学位,1912年获哈佛大学博士学位。

后留学英国和法国,回国后先在哈佛大学等校任教,1919年到马萨诸塞州理工学院任教,直到1960年退休。

维纳在第二次世界大战期间从事雷达和防空火力控制的研究,以后研究通信和控制技术,于1948年发表了有名的《控制论》一书,用统一的数学观点讨论了通信、计算机和人类的思维活动,提出了自动化工厂、机器人、由数字电子计算机控制的装配线等新概念,促进了通信、计算机、机器人和人工智能等理论的发展。

他生于密苏里州哥伦比亚,父亲里奥·维纳是波兰籍犹太移民,母亲是德国籍犹太人。

里奥是哈佛大学斯拉夫语族的讲师,他用他自创的高压方法培育诺伯特。

凭他的天份再加上父亲的培育,他成为神童。

1903年,他开始上学;1906年(12岁),高中毕业,同年9月入读塔夫斯学院修读数学;1909年(15岁)时他已取得学士学位,入读哈佛大学研究动物学。

一年后他往康乃尔大学转读哲学。

1912年,18岁的他取得数理逻辑的博士学位。

他到英国剑桥随罗素、哈代学习,1914年又到德国格丁根跟大卫·希尔伯特和埃德蒙·兰道。

之后他回到剑桥,再回到美国。

1915至16年,他在哈佛教授哲学,其后为通用电气和大美百科全书工作。

战争期间在马里兰州阿伯丁试验场钻研弹道学。

战后他在麻省理工教授数学。

他讲课技巧恶劣,常常闹的笑话或心不在焉。

在麻省理工任教时,他不时到欧洲。

1926年和一名德国移民结婚。

他们有两个女儿。

他主要在格丁根和剑桥,研究布朗运动、傅里叶变换、调和分析、狄利克雷问题和Tauber型定理等。

二战时,他在枪炮控制方面工作,引发了他对通讯理论的兴趣,促成了控制论的诞生。

战后发生了一件怪事。

他邀请了人工智能、计算机科学和神经心理学的年轻学者到麻省理工。

当这批学者来到时,他却突然断绝所有来往。

这可能由他的神经质性格引起。

二战后,他对科学研究的政治影响和科学的军事用途更为关注。

他拒绝为军事机械工作。

1964年他在瑞典斯德哥尔摩逝世。

目录••简述••昔日神童••现代大师••成果[显示全部]简述编辑本段回目录维纳是美国数学家,控制论的创始人。

维纳1894年11月26日生于密苏里州的哥伦比亚,1964年3月18日卒于斯德哥尔摩。

维纳的父亲列奥?维纳是语言学家,又有很高的数学天赋。

他出生于俄国,智力早熟,13岁就会好几种语言;他朝气蓬勃,富于冒险精神,18岁那年单独一个漂洋过海,移居美国;他刻苦自学,凭掌握40多种语言的才能,成为哈佛大学斯拉夫语教授。

这位才气横溢、不畏艰难而又性情急躁的人决心要使儿子在学术上超人一等。

维纳认为他父亲是天生的学者,集德国人的思想、犹太人的智慧和美国人的精神于一身。

从童年到青年,维纳一直在他的熏陶下生活,并逐步成长为一个学者。

作品《行为、目的和目的论》《控制论:或关于在动物和机器中控制和通讯的科学》自传:1953年 Ex-Prodigy: My Childhood and Youth(旧神童:我的童年与青年时代)1956年 I am a Mathematician(我是数学家)昔日神童编辑本段回目录幼受庭训维纳是一个名符其实的神童。

维纳的父亲列奥很早就发现了儿子的天赋,并坚信借助于环境进行教育的重要性,他从一开始学习就实施的教育计划,用一种多少无情的方式驱使他不寻常的儿子。

维纳三岁半开始读书,生物学和天文学的初级科学读物就成了他在科学方面的启蒙书籍。

从此,他兴致勃勃,爱不释卷的埋首于五花八门的科学读本。

七岁时,开始深入物理学和生物学的领域,甚至超出了他父亲的知识范围。

从达尔文的进化论、金斯利的《自然史》到夏尔科、雅内的精神病学著作,从儒勒·凡尔纳的科学幻想小说到18、19世纪的文学名著等等,几乎无所不读。

维纳怀有强烈的好奇心,而他父亲却以系统教育为座右铭,两者正好相得益彰。

维纳自己学习科学,而他父亲则用严厉的态度坚持以数学和语言学为核心的教学计划。

维纳极好地经受了这种严格的训练,他的数学长进显著。

六岁那年,维纳有一次被A乘B等于B乘A之类的运算法则迷住了。

为了设法弄清楚,他画了一个矩形,然后移转90°,长变宽、宽变长,面积并没变。

维纳的拉丁语、希腊语、德语和英语也变成一种印在记忆中的书库,不论何时何处,都可以拿出来就用。

在其他小男孩想当警察和火车司机的时候,维纳就渴望当一名博物学家,立志献身于科学了。

父母几次设法送他到学校去受教育,但不寻常的智力和训练使维纳在学校里很难被安排。

他的阅读远远地走在书写的前面,他刻苦地学习并掌握了初等数学,但仍需要扳着手指做算术。

直到9岁时,才作为一名特殊的学生,进了艾尔中学,不满12岁就毕业了。

通才教育列奥很明智,决定送维纳进塔夫茨学院数学系就读,而不让他冒参加哈佛大学紧张的入学考试的风险,并避免由于把一个神童送进哈佛,而过分惹起人们的注意。

在数学方面,维纳已超过大学一年级学生的水平,没有什么课程能确切地适合他的要求。

于是他一开始就直接攻读伽罗瓦的方程论。

列奥仍常和儿子讨论高等数学问题。

就数学和语言学来说,维纳跨学科学习的惯例没有变。

在这两方面,列奥依然是他的严师。

维纳兴趣广泛,大学第一年,物理和化学给他的印象远比数学深。

他对实验尤其兴致勃勃,与邻友—道做过许多电机工程的实验。

他曾试图动手证实两个物理学方面的想法。

一是供无线电通讯用的电磁粉末检波器,另一个设想是试制一种静电变压器。

维纳的这两个想法都很出色。

第二年,维纳又为哲学和心理学所吸引。

他读过的哲学著作大大超出了该课程的要求。

斯宾诺莎和菜布尼茨是对他影响最大的两位哲学家,前者崇高的伦理道德和后者的多才多艺,都使维纳倾倒。

他还贪婪地阅读了詹姆士的哲学巨著,并通过父亲的关系,认识了这位实用主义大师。

在同一年,维纳又把兴趣集中到生物学方面。

生物学博物馆和实验室成了最吸引他的地方,动物饲养室的管理员成了他特别亲密的朋友。

维纳不仅乐于采集生物标本,而且经常把大部分时间用在实验室的图书馆,在那里阅读著名的生物学家贝特森等人的著作。

维纳用三年时间读完了大学课程,于1909年春毕业。

之后便开始攻读哈佛大学研究院生物学博士学位。

维纳改学生物,并不是因为他知道自己能够干这一行,而是因为他想干这一行。

从童年开始,他就渴望成为一名生物学家。

但是,维纳的实验工作不幸失败了。

他动手能力差,缺乏从事细致工作所必需的技巧和耐心,深度近视更增添了麻烦。

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