控制論國內(nèi)外發(fā)展情況

控制論國內(nèi)外發(fā)展情況

1控制論的創(chuàng)立和發(fā)展上世紀30年代末起以哈佛大學醫(yī)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(shù)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(fā)現(xiàn)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(jīng)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(zhàn)前后通信和自動控制技術都得到了迅速的發(fā)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(jīng)驗。一百多年來以調(diào)節(jié)和反饋為核心的控制和自動化技術發(fā)展為控制論的發(fā)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(shù)）來研究開關電路系統(tǒng)的專著也已經(jīng)在六十多年前問世了。4圖6-6生物神經(jīng)元示意圖神經(jīng)生理學家早已發(fā)現(xiàn)神經(jīng)元和神經(jīng)系統(tǒng)的“全或無”法則。而神經(jīng)元的這種特性，類似于電路中的替續(xù)（繼電器）式特性、計算機中的觸發(fā)器特性。這推動了思維過程模型化的工作。5

科學的發(fā)展使專業(yè)領域（行業(yè)）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(jīng)成為‘古典’的了。專業(yè)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(tǒng)統(tǒng)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(zhàn)中曾立下赫赫戰(zhàn)功。

7生物體的內(nèi)分泌與會者發(fā)現(xiàn)在完全不同的領域里，有些概念是相同的：譬如生物體內(nèi)的穩(wěn)態(tài)（homeostasis）。機器的穩(wěn)態(tài)（steady-state)，電氣工程和高等數(shù)學中的特別積分---穩(wěn)態(tài)解,

都是一個概念。

動物體內(nèi)這個穩(wěn)態(tài)恰可以與工程控制系統(tǒng)中的穩(wěn)態(tài)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(chuàng)始人J.馮.諾依曼（vonNeumann）發(fā)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(shù)學家、生理學家、心理學家、社會學家和經(jīng)濟學家、工程師等；

9

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

與會者發(fā)現(xiàn)認識到人的行動和目的：從神經(jīng)系統(tǒng)出發(fā)進入肌肉，然后通過感覺再進入神經(jīng)系統(tǒng)的環(huán)形過程；《行動、目的和目的論》論文(1943)首次用反饋和閉環(huán)回路來代替目的論的神經(jīng)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(tǒng)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(diào)”病，由于梅毒 引起的脊髓癆）心跳、血壓、體溫等自動調(diào)節(jié)系統(tǒng)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(jīng)認識到有關通信、控制和統(tǒng)計力學

的一系列核心問題的統(tǒng)一，不管這些問題是機器中的還是活的機體中的。他們發(fā)現(xiàn)關于這些問題的文獻缺乏統(tǒng)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(fā)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(diào)節(jié)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(jīng)發(fā)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(tǒng)結果（輸出）的一部分，經(jīng)過處理后再送到輸入端，以調(diào)整系統(tǒng)的再輸出。用維納的話來說，就是根據(jù)過去的操作情況去調(diào)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(xiàn)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(fā)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(zhàn)士入伍，按條例要將頭發(fā)剃短，這當然有一番道理，形成論文“頭發(fā)控制論”發(fā)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(chuàng)始人納維的定義：控制論(Cybernetics)是研究動物、機器和社會等系統(tǒng)中控制、反饋和通訊的共同規(guī)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(jīng)典和現(xiàn)代控制理論以及智能控制和人工智能的技術對復雜系統(tǒng)的通信和控制進行研究的科學；復雜系統(tǒng)包括工程系統(tǒng)、生物系統(tǒng)（包括大腦活動）、自然系統(tǒng)和社會經(jīng)濟系統(tǒng)等。18

“在科學的發(fā)展上可以得到最大收獲的領域是各種已經(jīng)建立起來的部門之間的被忽視的無人區(qū)。...。正是這些科學的邊緣區(qū)域，給有教養(yǎng)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(qū)哲學數(shù)學醫(yī)學社會學數(shù)學生理醫(yī)學社會學哲學工程19

控制論

（1948，1961）

生物控制論、醫(yī)學控制論、

神經(jīng)控制論

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

工程控制論

（1954）自然控制論？（上世紀90年代）生態(tài)控制環(huán)境控制資源系統(tǒng)氣候系統(tǒng)控制論的發(fā)展控制論在世界范圍內(nèi)推動了有關學科的發(fā)展，并孵化了一批新的學科，即控制論發(fā)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(nèi)，就有財務、金融、會計、通貨、成本、產(chǎn)品質量等二十幾種控制論的論著發(fā)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(nèi)“某某控制論”的‘提法’似乎太多，已經(jīng)成為國內(nèi)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(chuàng)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(yè)會議上討論來得出大多數(shù)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(diào)對不同部門的系統(tǒng)進行信息分析和研究信息的處理、加工內(nèi)容及過程，確定輸入、輸出；對系統(tǒng)進行閉環(huán)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(tǒng)的模型，探討系統(tǒng)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(tǒng)中有用的思想，如進化、適應、自繁殖、自組織、最優(yōu)化、特別是智能等來控制該系統(tǒng)以制造、培育、創(chuàng)建出能滿足人們目的、更好的新機器（人造系統(tǒng)）。221經(jīng)典控制原理與方法反饋控制和擾動補償

系統(tǒng)模型與時域分析法

傳遞函數(shù)與頻域分析法控制系統(tǒng)分析與綜合2非線性系統(tǒng)控制方法

相平面法描述函數(shù)法分叉與混沌

現(xiàn)代頻域分析法3現(xiàn)代控制理論與方法

狀態(tài)空間模型能控性與能觀性狀態(tài)估計系統(tǒng)辨識最優(yōu)控制自適應控制與預測控制大系統(tǒng)理論與系統(tǒng)工程4智能控制方法

人工智能與模式識別模糊控制神經(jīng)網(wǎng)絡專家控制學習控制智能算法智能系統(tǒng)

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(jīng)典控制理論、現(xiàn)代控制理論、大系統(tǒng)理論、智能控制和智能系統(tǒng)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(tǒng)，是分析、設計自動控制系統(tǒng)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(tǒng)論”、“信息論”和“控制論”自動控制系統(tǒng)是動態(tài)系統(tǒng)的一個代表?！跋到y(tǒng)”本身是“系統(tǒng)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(tǒng)工程。而其中用于揭示系統(tǒng)普遍性質和一般規(guī)律的基礎科學，稱為“系統(tǒng)論”?！跋到y(tǒng)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(shù)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(lián)《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(lián)1954年再版的著名的自動調(diào)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(tài)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(lián)則企圖用控制論改進其中央計劃經(jīng)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(lián)系。進一步認為控制論在社會系統(tǒng)中應用的可能性已經(jīng)出現(xiàn)。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(tǒng)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(jīng)生理學

Neurophysiology

+

數(shù)學

Mathematics

+

哲學

PhilosophyW.麥卡洛克作為一位經(jīng)過訓練的精神病專家，他將自己在神經(jīng)生理學、數(shù)學與物理的知識結合起來以更好地理解非常復雜系統(tǒng)。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(jù)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(jīng)生理學來研究知識。目的在于要解釋神經(jīng)網(wǎng)絡的活動是怎樣產(chǎn)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(jīng)元模型是M.麥克洛克（McCulloch）與W.皮茨（Pitts）于1943年提出的論文

《內(nèi)在于神經(jīng)活動中的思想邏輯計算》

（Alogicalcalculusoftheideasimmanentin

nervousactivity），

一般簡稱為M-P神經(jīng)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(jīng)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(tǒng)變得越來越復雜的時候，系統(tǒng)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(diào)節(jié)。換言之，要調(diào)節(jié)的系統(tǒng)越復雜，系統(tǒng)的調(diào)節(jié)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(jīng)網(wǎng)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?？蜎]有中心大腦，而只有簡單的神經(jīng)網(wǎng)絡，要調(diào)節(jié)簡單的身體及這些海洋生物的功能，有這些就足夠了?？偠灾?，生物體越復雜，大腦就需要越復雜。38調(diào)節(jié)鍋爐這樣的復雜對象，需要多個調(diào)節(jié)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(zhí)行機構1燃料量B

控制器2

執(zhí)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(tǒng)。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(diào)節(jié)者與被調(diào)節(jié)的系統(tǒng)之間的相互吻合不僅在于增加了調(diào)節(jié)者的復雜度，而且在于減少了被調(diào)節(jié)系統(tǒng)的復雜度。也就是說，我們不需要增加警察的數(shù)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(tǒng)生物體就是一種典型的和天然的自組織系統(tǒng)。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(tǒng)就是一個在走向平衡的過程中更有組織的系統(tǒng)。

R?阿什比

觀察到每一個系統(tǒng)，只要它的內(nèi)在過程或者互動規(guī)律沒有變化，這個系統(tǒng)就是一個自組織系統(tǒng)?？刂普搶д?/p>

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(jīng)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(tǒng)。應用到社會系統(tǒng)44即使一瓶混合的沙拉油和醋也是一個自組織系統(tǒng)。搖動一會兒后，這瓶油暫時就混合成一種穩(wěn)定的液體了。當沙拉油趨于平衡后，混合液體的結構發(fā)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(wěn)定的液體調(diào)節(jié)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(huán)境中，其中物體與環(huán)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(tǒng)互動規(guī)律都被用來產(chǎn)生出想要的結果。48實際孟子模式孟子孟母環(huán)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(tǒng)、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(xiàn)新的局面?？刂普摳鞣种чg概念、思想互相移植例如自組織控制系統(tǒng)，自適應控制系統(tǒng)等等。?50控制系統(tǒng)中引用（移植）了生物系統(tǒng)中的自組織、自適應系統(tǒng)的概念，建成如自適應控制系統(tǒng)，自適應的變結構系統(tǒng)、自尋最優(yōu)調(diào)節(jié)器、控制器參數(shù)自調(diào)整的控制系統(tǒng)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(tǒng)辨識分支的發(fā)展;“移植”、自學習（智能）的概念，促成人工智能、智能控制系統(tǒng)的發(fā)展。?51自動控制系統(tǒng)的自組織（自適應控制系統(tǒng)）自組織自動控制系統(tǒng)自尋最優(yōu)的自動控制系統(tǒng)自整定PID參數(shù)的自動控制系統(tǒng)自調(diào)諧調(diào)節(jié)器（self-tuningregulator）圖5-19自校正控制系統(tǒng)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(chuàng)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(tǒng)，二階控制論研究的是自治

(autonomoussystems

orself-reference)系統(tǒng)。55將控制論原理運用與社會系統(tǒng)引起了對系統(tǒng)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(tǒng)時，是無法將自己與系統(tǒng)分離開來的，也無法阻止自己對系統(tǒng)產(chǎn)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(chǎn)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