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第20章 控制论学说的创立

1969年的一天,在美国斯坦福大学的实验室里,科学家们正进行一项著名的实验,看表演者“赛克”是否有办法从地面爬到屋子中间的平台上,把那里的一只箱子推下去。实验开始,赛克走向平台。只见他绕着平台足足转了20分钟,还是爬不上去。赛克显得很窘,他环顾四周,突然发现墙角处有一块斜面板。他呆呆地沉思片刻,慢慢地把斜面板搁在平台上。然后,他沿着斜面板走上了平台,并把平台上的箱子推了下来。顿时,实验室里响起了一阵热烈的掌声。赛克是一个装有电脑的机器人,科学家们用控制论的功能模拟方法孕育了他,使他降生到了人间。这是现代控制论的成果之一。本世纪40年代美国科学家维纳在医学、生物和工程技术界一些专家协作下,通过电及电子系统和生物体内发生的各种过程之间的模拟研究,创立了这门崭新的学科。

维纳从小就对数学、物理等许多学科有兴趣。在研究随机物理现象——布朗运动时,他逐步确立了统计理论思想。控制论研究对象的特点恰恰在于根据随机性的环境来决定和调整自己的行动。他在研究电滤波器的噪声与信息问题时,又形成了信息量的概念,这也是控制论的重要思想。

在哲学思想上,维纳深受罗素和莱布尼兹的影响。在他的《控制论》中曾说:“假如我必须为控制论从科学史上挑选一位守护神,那就挑选莱布尼兹。莱布尼兹的哲学集中表现在两个密切联系着的概念上——普通符号论的概念和演示的概念。今日的数学记号和符号逻辑即来源于此。”他认为,“从莱布尼兹以后,似乎再没有一个人能够充分地掌握当代的全部知识活动了。从那时候起,科学日益成为专门在愈来愈狭窄领域内进行着的事业。”这种认识启发他去开拓各门学科之间“被忽视的无人区”,促使他逐渐产生了控制论的思想。

30年代末期,维纳成为哈佛医学院神经生理学家罗森勃吕特博士主持的科学方法讨论会上的常客。与会者来自各个学科,是一批思想异常活跃,常能发表各种各样独特见解的学者。在这些讨论中,他意识到,科学发展中最有前途的领域是学科的边缘和交叉之处,他称之为“科学处女地”。这就成为维纳取得科学成果的战略思想。

1948年,《控制论》出版了,维纳一下子成了举世闻名的人物。在书中,维纳介绍了用电子元件或机械元件组成的控制系统;使用统计方法研究信息的传递和加工;指出如何用控制论方法研究大脑和神经生理活动,等等。特别是给出控制论的数学表述,它包括:处理对于不可控变量的时间序列给出数学表述的问题;设计一个将输入函数变换为输出函数的算子;在算子设计中建立起确定最优性意义的判据。由于维纳方法在本质上是属于统计学的,因此很自然地引进无偏性、最小方差以及对输入和输出函数的自相关函数和相关分析等概念。从而,维纳又创立并发展了广义调和分析,还借助于遍历定理,将它应用于每个个别的样本函数以取得所需要的信息。书中还提出了一系列科学哲学和社会学方面的重要问题,例如,信息的本质是什么?它在哲学中的地位如何?机器是否能思维;会不会最终控制人等等,好些问题至今仍是科学家以及哲学家们争论的热点。

1950年,维纳应美国读者的要求发表了一本关于控制论的通俗读物《人有人的用处》。这本书使他的名声从科学界扩大到了民众。后来,他又发表了《控制论与社会》(1958年)、《控制论新章》(1963年)等著作。

控制论的基本观点是系统观点、信息观点、反馈观点和调控观点。

①系统观点。控制论要从整体上研究事物,把事物(对象)看成是一个由若干部分,(系统或要素)构成的系统。对这个系统,要研究其各部分功能上的联系。控制论把研究的事物(系统)与其他事物的联系概括为“输入”(外界对系统的影响)和“输出”(系统对外界的影响),例如,我们把一个工厂作为一个系统来进行控制和管理时,每个车间可以看成整修工厂系统的一个子系统;同样,我们把整修车间作为一个系统来进行控制和管理时,每部机器就是它的一个系统。整修车间系统的生产和人力、物力分配就是系统的输入。而车间所生产出来的产品及它对环境的影响就是系统的输出。

②信息的观点。控制论要解决的是对系统的控制问题,而对各系统的控制要以一定的信息为依据。没有信息则无法进行控制,所以要正确研究系统的信息流通与信息的交换。信息论着眼于对信息的认识(描述和度量)。控制论则着眼于信息的利用(处理和控制)。在某种意义上可以认为,控制论是建筑在信息论的基础上。这个信息的变换过程,可以简化为信息→输入→存贮→处理→输出→信息。在这个过程中存在着反馈信息。

③反馈的观点。反馈的概念是控制论中广泛应用的一种原理和方法。几乎一切控制都带有反馈。系统输送出的信息(又称给定信息)作用于被控制对象后产生的结果(真实信息)再输送回来,并对信息的再输出发生影响。人们常把这种过程叫反馈。反馈又称“回输”。

反馈有正反馈与负反馈两种。凡是反馈(回输)信息与原输入信息起相同作用,使总输出增大,叫正反馈,凡是反馈(回输)信息与原输入信息起相反作用,使总输出减少,叫负反馈。反馈原理就是原因和结果不断的相互作用,以完成一个共同功能目的。这是控制论的核心思想。

④调控的观点。控制论的最终目的是要对系统实行最优控制,根据反馈原理,调整各部分的功能,以达到系统的最佳状态、最佳效果。

控制论于40年代末诞生至今,大致经历了三个发展时期:①经典控制论时期(40年代末~50年代),主要应用于军事与工业生产领域的各种自动调节系统;②现代控制论时间(60年代),控制范围从单变量控制向多变量控制发展,广泛应用于军事与工业生产和科研领域,如导弹系统、人造卫星、航天系统等;③大系统理论时期(70年代至今),控制论已经从工程控制领域深入发展到生物领域、经济领域、社会领域和思维领域,形成了工程控制论、生产控制论、社会控制论、人工智能控制论等分支学科。

控制论是自动控制、电子技术、无线电通讯、电子计算机技术、神经生理学、心理学、数理逻辑、统计力学、综合学等多种学科相互渗透的产物,体现了现代科学技术整体化的发展趋势。从维纳创立控制论的历史回顾中不难发现,无论就其科学研究的战略思想,还是具体的研究方法,都有许多重要的方法论启示。

维纳等人之所以能创立这门新学科,正是由于他在战略思想上有独到之处,高屋建瓴,统观全局,从而能由此及彼,触类旁通,及时抓住当代科学技术发展的特点,认识到各门学科之间的相互渗透已成为科学发展的一种潮流,最终导致“控制论”破土而出,开辟出一个崭新的研究领域。

维纳把控制论又称为“关于在动物和机器中控制和通讯的科学”。这就明确地指出,他所创立的这门新学科,既突破了动物和机器的界限,又突破了控制工程与通讯工程的学科界限。他把动物的目的性行为赋予机器,将动物和机器某些机制加以类比,从而抓住一切通讯和控制系统中所共有的特征。站在一个更概括的理论高度加以综合,形成一门具有更普遍意义的新理论。他把寻找学科之间共同联系的纽带作为创立控制论的目的,把既是机器又是动物中的控制和通讯理论的整修领域叫控制论。

维纳在控制论研究工作中,还突破了传统方法的束缚,为现代科学技术研究提供了新方法。他根据自动控制系统随周围环境的某些变化来决定和调整自己运动的特点,摒弃了牛顿和拉普拉斯的机械决定论,把控制论建立在新的统计理论的基础上。他撇开对象的物质和能量的具体形态,着重从信息方面来研究系统的功能。他不是研究系统此时此地的行为,而是着重研究所有可能的行为方式和状态及其变动趋势。他把功能模拟法、系统方法、反馈方法、信息方法作为科学方法自觉地运用于控制和通讯系统的研究中。这些方法有力地促使科学理论间整体化、系统化、综合化方向发展,具有普遍的方法论意义,已广泛地运用于生物学、神经生理学、心理学、医学、工程技术以至经济管理和社会管理等许多领域,并取得了显著成就。同时,控制论对现代经济与社会管理也产生了极为深远的影响。

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