控制論國內外發展情況

控制論國內外發展情況

1控制論的創立和發展上世紀30年代末起以哈佛大學醫學院教授、墨西哥生理學家

A.羅森勃呂特（Rosenblueth）和美國馬省理工學院數學教授N.維納(Wiener)

為首、不同領域的‘一群科學家來’，每月一次舉辦的關于科學方法論的討論會。A.羅森勃呂特N.維納2會議的討論非常激烈，以至于人類學家瑪格麗特?米德

(MargaretMead)在一次會議之后才發現她在會上把自己的一顆牙咬壞了。后來的會議就較為平和了，因為大家有了一系列共同的經驗，語言趨向一致，可以互相理解了。3上世紀的第二次世界大戰前后通信和自動控制技術都得到了迅速的發展。在這些技術的各自領域里分別提出了一些理論，都積累了豐富的經驗。一百多年來以調節和反饋為核心的控制和自動化技術發展為控制論的發展，提供了工程對象（即維納所稱的‘機器’）的控制理論和大量實用成果。用邏輯語言（邏輯代數）來研究開關電路系統的專著也已經在六十多年前問世了。4圖6-6生物神經元示意圖神經生理學家早已發現神經元和神經系統的“全或無”法則。而神經元的這種特性，類似于電路中的替續（繼電器）式特性、計算機中的觸發器特性。這推動了思維過程模型化的工作。5

科學的發展使專業領域（行業）分工非常細，各學者只關心自己的領域，不侵入別人的“領地”，以至于同一概念在不同領域重復著，有著不同的名稱。一個領域里的有些新概念，在另一領域已經成為‘古典’的了。專業化成為了一種必需，也是一種枷鎖.61941年起，維納受美國政府的委托研究高射炮自動瞄準飛機，這就是他的著名的維納控制系統統計動力學和濾波及預測方法。依此來設計由雷達控制的各種高射火炮的俯仰角和方位角控制，以自動跟蹤高空的高速飛機進行命中射擊，在第二次世界大戰中曾立下赫赫戰功。

7生物體的內分泌與會者發現在完全不同的領域里，有些概念是相同的：譬如生物體內的穩態（homeostasis）。機器的穩態（steady-state)，電氣工程和高等數學中的特別積分---穩態解,

都是一個概念。

動物體內這個穩態恰可以與工程控制系統中的穩態相類比。這個概念的建立，意味著人類對生命活動的認識進入一個新階段。

8上世紀1943年冬1944年初之間由維納和博弈論及二進制計算機創始人J.馮.諾依曼（vonNeumann）發起在普林斯頓召開了對信息與控制(控制論)的全面討論會。其中包括數學家、生理學家、心理學家、社會學家和經濟學家、工程師等；

9

?二次大戰結束后1946~1953年間由梅西基金會（MacyFoundation）發起的一系列關于反饋問題的討論會，對控制論的發展產生很大的推動作用。其中1946年春在紐約舉行了一個規模適度的“生物和社會系統中循環因果和反饋機制”問題的專題討論會。

與會者發現認識到人的行動和目的：從神經系統出發進入肌肉，然后通過感覺再進入神經系統的環形過程；《行動、目的和目的論》論文(1943)首次用反饋和閉環回路來代替目的論的神經生理行為。10反饋基本概念

的推廣人手從地上拾起一枝鉛筆手的震顛（目的震顛），不能拾起鉛筆，是由于小腦受傷；這種情況與 自動控制系統的自振蕩很相似。手不能拾起鉛筆還可由于所謂“運動共濟失調”病，由于梅毒 引起的脊髓癆）心跳、血壓、體溫等自動調節系統11早在1944年以前，圍繞維納和羅森勃呂特的一群科學家就已經認識到有關通信、控制和統計力學

的一系列核心問題的統一，不管這些問題是機器中的還是活的機體中的。他們發現關于這些問題的文獻缺乏統一，沒有任何共同的術語，甚至沒有一個稱呼這個領域的簡單名稱。這不適宜于這個領域未來的發展。121947年維納將反復討論的學科命名為Cybernetics，他是從希臘字?（相當于英文字“governor”原意為“掌舵人”、“駕馭者”）引用來的，漢譯為‘控制論’。并于1948年出版了他的震動世界學術界的題為《控制論：或在動物和機器中的通訊和控制的科學》（CyberneticsorControlandCommunicationintheanimalandthemachine）的著作。這宣告控制論作為一門科學的誕生。13Cybernetics這個詞是從希臘語的舵手steersman

或

helmsman（相當于英文字“governor”）。(以紀念J.Maxwell的“OnGovernors”論文“關于調節器”---1868年）“控制論”被認為是綜合性、邊緣性、基礎性的科學。

14反饋方法反饋概念已經發展成為一種處理問題的方法，稱為反饋方法。其含義是將系統結果（輸出）的一部分，經過處理后再送到輸入端，以調整系統的再輸出。用維納的話來說，就是根據過去的操作情況去調整未來的行為。反饋方法已成為人們觀察和出處理問題的重要思維和方法之一。無論什么科學都用到它。15例如，一本控制論的教科書自稱“重點在‘現代控制理論’”；國外著作《ThecontrolofPerception》被譯為《認知控制論》，“量子控制論”論文的英文標題被譯為“quantumcontroltheory”，譯著者可能有其理由，但很易使人將控制論與控制理論等同起來。發生這類情況較多。有的論著宣稱控制論就是‘控制的理論’；更有部隊新戰士入伍，按條例要將頭發剃短，這當然有一番道理，形成論文“頭發控制論”發表。對于控制論的理解上存在一些失誤：（1）控制論=控制理論=控制的理論

=需要進行控制的道理和議論；（2）控制論是…一種“方法論”…。什么是控制論？16首先，按照控制論的創始人納維的定義：控制論(Cybernetics)是研究動物、機器和社會等系統中控制、反饋和通訊的共同規律的科學。

沒多久“動物”二字就被“生命體”所替代。德國生物控制論學者Drischel,H.說過，到1973年一共提出過超過100個“控制論”的定義。17目前“控制論”的定義適宜更新表述為：利用經典和現代控制理論以及智能控制和人工智能的技術對復雜系統的通信和控制進行研究的科學；復雜系統包括工程系統、生物系統（包括大腦活動）、自然系統和社會經濟系統等。18

“在科學的發展上可以得到最大收獲的領域是各種已經建立起來的部門之間的被忽視的無人區。...。正是這些科學的邊緣區域，給有教養的研究者提供了最豐富的機會”。羅森勃呂特和維納共同認為：圖1-8

哲學家眼中的控制論科學體系無人區哲學數學醫學社會學數學生理醫學社會學哲學工程19

控制論

（1948，1961）

生物控制論、醫學控制論、

神經控制論

軍事控制論（上世紀60年代）經濟控制論（1975）管理控制輪社會控制論（1978）人口系統控制（1979）

工程控制論

（1954）自然控制論？（上世紀90年代）生態控制環境控制資源系統氣候系統控制論的發展控制論在世界范圍內推動了有關學科的發展，并孵化了一批新的學科，即控制論發展出各分支：

圖1-4作出突出貢獻的中國科學家錢學森20

目前在管理控制論的范疇內，就有財務、金融、會計、通貨、成本、產品質量等二十幾種控制論的論著發表。國際上通行的做法是只有夠得上分支或亞分支的才冠以“某某控制論”。對較小問題的控制論成果的表述方式為“基于（或應用）控制論對….的研究”（…Cyberneticapproachto…）。因此，國內“某某控制論”的‘提法’似乎太多，已經成為國內有關學術界一種值得注意的傾向。學者們應用控制論的觀點、方法試圖解決某一具體問題，有一定的新見解，不等于已創立一個新的“控制論分支”。哪些夠得上新的分支是較為慎重的事情，應由廣大控制論學者、專家在大型專業會議上討論來得出大多數人認同的結論。21控制論的方法論

控制論和其他獨立的學科一樣，有它自己獨特的方法論。方法論從學科中提煉、升華出來，但它又不是學科本身，兩者不能混同。本書認為，控制論的方法論可以歸納為：它強調對不同部門的系統進行信息分析和研究信息的處理、加工內容及過程，確定輸入、輸出；對系統進行閉環和反饋及其因果性質的分析；通過‘黑箱’和功能模擬方法建立系統的模型，探討系統的特性等；采用計算機進行仿真；采用類比的方法引進其他部門系統中有用的思想，如進化、適應、自繁殖、自組織、最優化、特別是智能等來控制該系統以制造、培育、創建出能滿足人們目的、更好的新機器（人造系統）。221經典控制原理與方法反饋控制和擾動補償

系統模型與時域分析法

傳遞函數與頻域分析法控制系統分析與綜合2非線性系統控制方法

相平面法描述函數法分叉與混沌

現代頻域分析法3現代控制理論與方法

狀態空間模型能控性與能觀性狀態估計系統辨識最優控制自適應控制與預測控制大系統理論與系統工程4智能控制方法

人工智能與模式識別模糊控制神經網絡專家控制學習控制智能算法智能系統

控制論學者的“工具箱”：23

控制理論應是自動控制理論，但它僅是控制論所應用的一種工具或方法，基本方法應包括有經典控制理論、現代控制理論、大系統理論、智能控制和智能系統四者的原理與方法。而錢學森1954年旅美時出版《EngineeringCybernetics》（中譯本《工程控制論》）是控制論用于工程和物理系統，是分析、設計自動控制系統的理論和技術，一般認為工程控制論也即是自動控制理論。

控制論與控制理論?24三論“系統論”、“信息論”和“控制論”自動控制系統是動態系統的一個代表。“系統”本身是“系統科學”這個科學技術部門的研究和應用的對象。其中直接用于改造客觀的工程方法和技術，稱為系統工程。而其中用于揭示系統普遍性質和一般規律的基礎科學，稱為“系統論”。“系統論”、“信息論”和“控制論”一起俗稱“三論”，以“三論”為代表的新興學科及其所孕育的科學方法論，是20世紀以來最偉大的科學研究理論成果之一。它的崛起為人類認識世界和改造世界提供了新的有力的武器。?25

然而，控制論的整個或部分觀點，一開始在前社會主義陣營多數國家受到官方支持的某些學者的抵制和批判。1956年的前蘇聯《大百科全書》稱控制論為“反動的偽科學”控制論的歷史遭遇?26一本前蘇聯1954年再版的著名的自動調整（控制）教科書的緒論（中譯本）稱：“控制論者的主要目的是要用機器來代替人，而在思想活動方面要建立一支能服從帝國主義需要的思維的機器。…”。幸好出于意識形態的偏見和自然科學和社會科學‘水火不容’的這種教條在上世紀50年代中期后通過學術討論逐步被克服。后期前蘇聯則企圖用控制論改進其中央計劃經濟體制。27《人有人的用處，控制論與社會》（TheHumanUseofHumanBeings,CyberneticsandSociety）

這是1950年維納在出版的小冊子，其中，著重論述了通信、法律、社會政策等等與控制論的聯系。進一步認為控制論在社會系統中應用的可能性已經出現。28控制論的其他概念

認知控制必需變異度定律

自組織系統二階控制論29Macy基金會支持的這些會議的主席、MIT教授沃倫?麥卡洛克（WarrenMcCulloch）是擴大控制論范疇上的一位重要人物。認知控制30神經生理學

Neurophysiology

+

數學

Mathematics

+

哲學

PhilosophyW.麥卡洛克作為一位經過訓練的精神病專家，他將自己在神經生理學、數學與物理的知識結合起來以更好地理解非常復雜系統。31…而知識通常被認為是不可見的，是抽象的，麥卡洛克

認識到知識是在人體的一個物理器官中形成的，即大腦。心靈（mind

）事實上是大腦與想法、物質的與抽象的，科學與哲學的交匯處。32

物質的 抽象的

BrainMind Knowledge

大腦心靈 知識心靈事實上是大腦與想法、物質的與抽象的，科學與哲學的交匯處。33實驗認識論ExperimentalEpistemology麥卡洛克根據自己對物理與哲學交集的研究建立了一個新的領域。他將此稱為”實驗認識論“(Experimentalpistemology)，用神經生理學來研究知識。目的在于要解釋神經網絡的活動是怎樣產生我們所體驗的感覺與想法的。Philosophical

哲學的Physical物理的34最早的人工神經元模型是M.麥克洛克（McCulloch）與W.皮茨（Pitts）于1943年提出的論文

《內在于神經活動中的思想邏輯計算》

（Alogicalcalculusoftheideasimmanentin

nervousactivity），

一般簡稱為M-P神經元模型，它可以完成

“與”、“非”、“或”等基本的邏輯運算，是目前

許多神經元模型的基礎。刊于《MathematicalBiophysics》,5:115-133pp.18-27（1943）。35一個重要的概念就是必需變異度律。當一個系統變得越來越復雜的時候，系統的控制者一定也要變得更為復雜，因為有更多的功能需要調節。換言之，要調節的系統越復雜，系統的調節者就必須越復雜。LawofRequisiteVariety必需變異度定律

W.R.阿什比

（Ashby）提出36同樣的原理適用于活器官。人類具備任何一種動物中最為復雜的神經網絡與大腦。這使得人能夠從事許多不同的活動，具備復雜的身體。37.相反，某些動物，例如海星….海參

...…還有海葵就沒有中心大腦，而只有簡單的神經網絡，要調節簡單的身體及這些海洋生物的功能，有這些就足夠了。總而言之，生物體越復雜，大腦就需要越復雜。38調節鍋爐這樣的復雜對象，需要多個調節器解耦控制

去耦裝置1給水流量W蒸汽溫度

汽包水位H

控制器1

執行機構1燃料量B

控制器2

執行機構2

去耦裝置2鍋爐對象的2輸入量2輸出量部分框圖39必需變異度律不只可運用于控制機器和人體，還可用于社會系統。例如，為了控制犯罪，不需要也不可能警察與公民的比例為1：1，因為警察并不需要管公民的所有活動。警察只需要管違法的行為就可以了。因此，每1000個公民有1－2名警察就可以控制違法行為了。40在這個例子中，調節者與被調節的系統之間的相互吻合不僅在于增加了調節者的復雜度，而且在于減少了被調節系統的復雜度。也就是說，我們不需要增加警察的數量，只要決定被管理的人的少量的必需行為就可以了。41Self-OrganizingSystems

自組織系統生物體就是一種典型的和天然的自組織系統。它們能自動修復缺損和排除故障，以恢復正常的結構和功能。

壁虎受到襲擊時,常自斷其尾,以保全性命。斷掉的尾巴,不久又會重新長出來。42

自組織系統就是一個在走向平衡的過程中更有組織的系統。

R?阿什比

觀察到每一個系統，只要它的內在過程或者互動規律沒有變化，這個系統就是一個自組織系統。控制論導論

1958

Entropy熵:Aprobablisticmeasureofvariety.熵值越大，混亂無序的程度越大。43

例如，一群散亂地站著在等車的人…

…車來了，他們會自動排隊，因為過去的經驗告訴他們排隊是一個讓大家得到服務的實用而公平的方式。這些人就組成了一個自組織系統。應用到社會系統44即使一瓶混合的沙拉油和醋也是一個自組織系統。搖動一會兒后，這瓶油暫時就混合成一種穩定的液體了。當沙拉油趨于平衡后，混合液體的結構發生了變化，油醋自動分離。我們說混合液體組織了自身。45沙拉油和醋分離擾動—搖動沙拉油和醋混合成穩定的液體調節混合液+-46自組織概念導致了一個普遍的設計原理。為了改變一個物體，將物體放入到一個環境中，其中物體與環境的互動改變物體，成為你所想要的物體。我們再來看一個例子…

47你會了解：“孟母三遷”

為什么？在每個例子中，已知的系統互動規律都被用來產生出想要的結果。48實際孟子模式孟子孟母環境+-孟母所要求的孟子模式搬遷49

控制論不只是講對機器的反饋控制和通信可以應用到生物、社會；事實上生物、社會這些方面的控制論概念：自組織、自治（主）系統、自繁殖、自學習（智能）、自適應和進化等使機器控制的研究出現新的局面。控制論各分支間概念、思想互相移植例如自組織控制系統，自適應控制系統等等。?50控制系統中引用（移植）了生物系統中的自組織、自適應系統的概念，建成如自適應控制系統，自適應的變結構系統、自尋最優調節器、控制器參數自調整的控制系統等等。器官移植手術中其它如‘繁殖’的概念，形成‘黑箱’方法促成系統辨識分支的發展;“移植”、自學習（智能）的概念，促成人工智能、智能控制系統的發展。?51自動控制系統的自組織（自適應控制系統）自組織自動控制系統自尋最優的自動控制系統自整定PID參數的自動控制系統自調諧調節器（self-tuningregulator）圖5-19自校正控制系統結構框圖521960年代晚期，美國的控制論專家H·馮·福埃斯特

(

HeinzVonFoerster).,.

..

二屆控制論的創意者

二級控制論

SecondorderCybernetics53..…上述幾人開始將控制論的原理運用于理解觀察者的角色。這被稱為二階控制論。二階控制論StuartUmpleby54.一階控制論研究的是被控制的系統，二階控制論研究的是自治

(autonomoussystems

orself-reference)系統。55將控制論原理運用與社會系統引起了對系統觀察者的角色的注意…觀察者的角色

RoleoftheObserver56.觀察者在試圖研究和理解一個社會系統時，是無法將自己與系統分離開來的，也無法阻止自己對系統產生影響。?要忽視觀察者的角色就不可能了。57例如，像著名人類學家瑪格麗特?米德

這種研究人類及其文化的科學家，肯定會對她所研究的人群產生影響的。因為她就居住在自己所研究的社會中，居民們會自然地、時不時地想要