控制论

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  控制论(cybernetics),研究不同领域的各种控制系统的共性,研究各种控制过程及相应的信息传递、变换与处理过程的共同规律,研究适用于各种控制系统的分析方法与设计原理的技术科学。控制论一词来源于希腊文,原义是掌舵术。后“控制”术语的应用已经泛化,包括调节、操纵、管理和指挥等含义。控制论与信息论、系统论密切联系,它们是继相对论、量子力学之后,20世纪的又一重大科学成就。控制论跨越了工程与生物领域之间的鸿沟,研究机器与生物有机体中控制和通信的理论。它突破了自然科学与社会科学的分界,既研究自动控制与调节装置,又研究生命活动与行为,还探讨社会现象与经济管理问题,促进社会科学的数学化。控制论横跨技术、生物、社会和思维等领域,是一门横向科学。

形成和发展

  控制论是随着生产实践与学科发展的需要而形成与发展的。控制论的奠基人N.维纳曾经从事防空火炮自动控制系统的研究工作,为了提高火炮的命中率,需要预测飞机的速度和航向,他从统计学观点给出了由时间序列的过去数据对未来的行为进行预测的方法,建立了维纳最优滤波理论。这里,维纳把信息作为控制与通信过程的本质因素,从具体系统的物质和能量形态中抽象出来,用概率统计方法来统一处理控制与通信系统中的随机性问题。突破了牛顿力学的传统框架与机械论的束缚,奠定了随机过程论的理论基础。同时,为了改善炮手操纵火炮的性能,减少瞄准误差,提高操纵速度,保证火炮伺服系统的稳定性,在设计中采用了负反馈原理(见反馈),并研究反馈系统稳定的条件。1943年,N.维纳、A.S.罗森布拉斯和J.比奇洛合作发表了《行为、目的和目的论》一文,用反馈原理分析了目的性行为,阐明了神经系统与自动机器之间在控制方面的共性:无论是机器还是生物有机体,或者社会、经济系统,反馈都是系统稳定的关键因素,通过反馈获取信息,是各种控制系统实现有目的行为的重要条件。可以认为,这是孕育控制论思想的第一篇论文。

  由于不同领域的各种专家,包括控制、通信、计算机工程师、数学家、生理、病理学家等的共同努力,对共同关心的信息和反馈问题进行了多次研讨、交流启发,在自动控制、通讯工程、计算技术、神经生理学、病理学、数学等多学科相互渗透、相互结合的基础上产生了新的横向学科——控制论。1948年维纳总结了有关成果,出版了奠基性著作《控制论》一书,宣告了关于机器和生物的通讯和控制的科学——控制论的诞生。

  控制论学科的发展,可以分为3个阶段:第一阶段为形成期(40年代),从1943年第一篇控制论思想的论文《行为、目的和目的论》的发表到1948年奠基性著作《控制论》的出版,标志着控制论学科进入了形成时期。第二阶段为成长期(50~60年代),控制论出现两个新学科分支工程控制论和生物控制论。1954年,钱学森的《工程控制论》的出版,奠定了工程控制论学科分支的基础,总结了经典控制理论的成果,开拓了新的研究领域,促进了现代控制理论的深入发展。W.R.艾什贝的《脑的设计》问世,是生物控制论学科分支的代表作。作者运用控制论的观点和方法,研究和阐述了生物有机体的生理调节过程和神经系统的控制和信息处理问题,促进了人工智能与仿生学的发展。第三阶段为发展期(70年代以后),控制论向社会、经济领域渗透,从工程领域向非工程领域扩散,在更宽广范围内得到应用和发展。在此期间,不仅出现了经济控制论、社会控制论和人口控制论等多方面的论者,而且产生和发展了大系统控制论。

概念和方法

  信息是控制论的基本概念之一。维纳认为,信息既不是物质,也不是能量。信息、物质和能量是现实世界的三大要素,是人类社会文明的三大支柱。信息与控制相联系,它是在各种控制与通讯过程中,进行传递、变换和处理的本质因素。信息的正常流通是各种控制系统正常运转的基本条件。

  由于把握了控制与通讯过程的基本因素——信息,控制论才能从信息的传递、变换、处理过程,统一认识和解决控制和通讯技术问题。由于利用了信息存在的普遍性及其相对独立性,控制论才能把信息从具体的物质构造和能量形态中抽象出来,研究各种不同领域的控制系统和通讯系统的共性,揭示出各种控制和通讯过程中信息运动的共同规律。

  反馈 控制论中的基本概念和基本原理。所谓反馈,就是把被控制对象在控制信息作用下产生的输出信息返回传送给控制器,以便根据控制效果来调整控制作用。根据反馈的方式和特性的不同,可以分为负反馈与正反馈、软反馈与硬反馈、单路反馈与多路反馈、输出反馈与状态反馈等等。如果反馈信号的变化方向与输入信号的变化方向相反便是负反馈。它可以用来减少或消除被控制对象的运行状态与预期的目标状态的偏差,保持系统的稳定性,改善系统的控制性能,克服外界干扰的影响,完成有目的性的控制任务。由于通过反馈获取了关于控制效果的信息,才能检验控制作用是否达到了预期目标,所以,反馈是各种控制系统实现其目的性行为的重要条件。反之,如果反馈信号的变化方向与输入信号的变化方向相同,便是正反馈。它在一些情况下破坏系统稳定性,但可强化控制作用或产生所需的增益。特别是社会经济系统要求有好的经济效益,则需正反馈。一般地讲,系统总存在无规则的“涨落”,不断发生小规模的变化,通过正反馈使之增大,最终会导致系统的变革。正反馈与负反馈是对立的统一,彼此相互作用。对于一个处于变革状态的系统来说,正反馈起主导作用。

  没有反馈的控制系统,称为开环控制系统,只有前馈的控制信息通道,应用于简单的场合。一般情况下,控制系统都具有反馈信息通道,与前馈控制信息通道相联系,组成闭环控制系统,即闭环的信息流的回路,“控制信息→反馈信息→控制信息”形成闭环的信息通道,可以应用于各种场合,完成具有各种目的性的控制任务。按照反馈信息通道的多少,单路或多路反馈可以构成多级闭环控制系统。为了进一步提高控制性能,还可以采用相互耦合的方法,构成开环与闭环复合控制系统。

  黑箱和类比 控制论的基本方法是黑箱方法和类比方法,从方法学的角度来看,对黑箱和类比方法的创造性运用和发展,是控制论的重要贡献。

  黑箱是指不知其内部构造细节,只知其外部功能特性的系统。所谓黑箱方法,就是通过对系统的输入(外界对系统的影响)和输出(系统对外界的影响)的外部观测,而不需要对系统内部结构进行剖析,来对系统的功能和行为特性进行分析和研究的方法。利用黑箱方法,可以不考虑系统内部具体的物质构造细节和能量转换形态,只需将其中的信息传递、变换和处理过程抽象出来,通过对输入与输出的信息观测、分析研究,就可以探索各种不同领域的、不同物质构造和能量形态的控制系统的内部的过程和机理。特别是利用黑箱方法,可以研究那些难以剖析其内部构造细节的系统。例如,活的有机体,人的脑组织等,通过从外部功能和行为进行研究,去揭示其内部的某些过程和机理,所获得的研究效果,更是十分显著的。从控制论的角度看,人脑可以看作是特大黑箱,即不能打开的特大系统,一旦打开便失去活脑的功能。通常可采用黑箱方法从功能上模拟人脑开展研究。以电子计算机为支持手段的人工智能,基本上还是这种功能模拟。然而,结构与功能是辩证统一的,神经网络从结构和功能两个方面模拟人脑,将会进一步放大人的智力。

  类比就是类似、比较的意思。类比方法是基于各种不同事物之间的相似性(共性),进行模拟、比较、联想、推理的科学方法。在控制论中,利用类比方法,研究了自动机器与生物有机体之间的相似性,发现了它们在控制与通信过程中都以获取反馈信息作为实现有目的性行为的重要条件的共同规律。并且,从生物的自适应、自学习、自组织、自修复、自繁殖等控制和调节机制中得到启发,提出了自动机器设计的新概念、新原理,产生和发展了控制论系统的新的设计思想;研制了具有类似于动物的某些行为,被称之为控制论动物的自动装置,例如,申农研制的能自动学习走迷宫的机器“老鼠”就是这种自动装置的一例。

  在控制论的研究中,运用黑箱方法和类比方法,还进一步发展了系统辨识与系统仿真方法和技术。所谓系统辨识就是利用实验观测数据,建立系统的数学模型,辨识模型的参数。所谓系统仿真,就是用数学模型、物理模型或技术模型,对实际系统的功能和行为特性,进行模拟试验和分析研究。

哲学问题

  从认识论的角度分析,如果说,在40年代,由自动控制、通讯工程、计算技术和神经生理学、病理学等学科的相互渗透,产生了控制论,是人们对控制系统从特殊认识到一般认识的飞跃和发展的话,那末,从50年代以后,控制论分为工程控制论、生物控制论、社会控制论、智能控制论等分支,就是人们对控制系统从共性认识到个性认识的再次飞跃和深入发展;而大系统控制论的产生和发展,着眼于各种不同领域(工程技术、社会经济、生物生态、人脑思维)大系统的共性的研究,这将是对控制系统再一次从特殊认识到一般认识的新的飞跃和发展。

  在控制论的哲学争论中,主要集中在信息的本质与机器思维两个问题上。这涉及哲学的基本问题,即精神与物质、意识与存在的问题。诸如提出信息究竟是物质还是精神,或者是与这两者并列的“第三种东西”?这涉及唯物主义和唯心主义两个基本哲学派别的划分。因此,需要对信息作具体分析。一方面,信息离不开物质载体,但它本身不是物质,而是物质的结构、状态和属性的表征,是物质系统序性的标志。把信息归结为物质的观点是不能成立的。另一方面,信息是处于各个不同发展阶段的物质系统的组织程度,只有最高级的物质系统的信息才体现出主观性。把全部信息都概括为精神的观点也是站不住脚的。第三种观点认为信息既非物质又非精神,而是与物质和精神并列的“第三种东西”,并断言信息概念消灭了唯物主义与唯心主义的根本对立,这种观点也是错误的。信息概念有助于揭示从无感觉物质到有感觉物质的过渡,揭示从物理反映到意识反映的不同水平,从而更确凿地阐明意识从物质派生的过程,而决不会消除唯物主义与唯心主义的对立。信息概念具有重大的哲学意义。人们从认识质量和能量到认识信息是人类认识史上的一次巨大飞跃,必定会使唯物主义的形式发生改变。随着控制论的发展和逐步完善,必将深刻地展示着信息的本质,辩证唯物主义的内容将更加丰富,更加新颖。