控製論
cybernetics
研究生命體、機器和組織的內部或彼此之間的控製和通信的科學。控製論的建立是20世紀最偉大的科學成就之一,現代社會的許多新概念和新技術往往與控製論有著密切的聯係。 控製論的奠基人美國數學家 N.維納1948年為控製論所下定義是:“研究動物和機器中控製和通信的科學”。70年代以來,電子數字計算機得到廣泛的應用,控製論的應用範圍逐漸擴大到社會經濟係統,控製論的定義也因之擴展。蘇聯和東歐各國學者認為控製論是研究係統中共同的控製規律的科學,把控製論的定義又作了進一步的擴展。英文 cybernetics(控製論)一詞來源於希臘文,原意為“掌舵人”,轉意是“管理人的藝術”。1947年,維納選用cybernetics這個詞來命名這門新興的邊緣科學有兩個用意:一方麵想借此紀念麥克斯韋1868年發表《論調速器》一文,因為governor(調速器)一詞是從希臘文“掌舵人”一詞訛傳而來的;另一方麵船舶上的操舵機的確是早期反饋機構的一種通用的形式。
控製論的誕生和發展 20世紀30~40年代人們對信息和反饋有了比較深刻的認識,一些著名科學家環繞信息和反饋進行了大量的研究工作。英國統計學家R.A.費希爾從古典統計理論的角度研究信息理論,提出單位信息量的問題。美國電信工程師C.E.香農從通信工程的角度研究信息量的問題,提出信息熵的公式。美國數學家維納則從控製的觀點研究有噪聲的信號處理問題,建立了維納濾波理論,並分析了信息的概念,提出測定信息量的公式和信息的實質問題。他們幾乎在同一個時候解決了信息的度量問題。這一時期,人們逐漸深入了解反饋控製係統的工作原理。1932年美國通信工程師H.奈奎斯特發現負反饋放大器的穩定性條件,即著名的奈奎斯特穩定判據。1945年維納把反饋概念推廣到一切控製係統,把反饋理解為從受控對象的輸出中提取一部分信息作為下一步輸入,從而對再輸出發生影響的過程。巴甫洛夫條件反射學說證明了生命體中也存在著信息和反饋問題。
維納在改進防空武器時發現,動物和機器中控製和通信的核心問題是信息、信息傳輸和信息處理。維納與墨西哥神經生理學家A.羅森布盧埃特合作對這個課題進行了長達10多年(1934~1947)的研究。參加這一研究工作的還有數學家、邏輯學家、物理學家、電信工程師、控製工程師、計算機設計師、神經解剖學家、神經生理學家、心理學家、醫學家、人類學家和社會學家。他們進行了生理學、病理學和心理學方麵的許多實驗,吸收來自火力控製係統、遠程通信網絡和電子數字計算機的設計經驗,以及對預測和濾波理論等數學統計理論的研究,終於找到了控製論的核心問題。1942年 5月梅西基金會舉行的關於大腦抑製問題的科學討論會提出,通信工程和控製工程領域內已經研究成熟的信息和反饋的概念和方法,可能有助於神經生理學的研究。這時控製論的思想已經形成,但還沒有正式命名。1943年末到1944年初在普林斯頓召開了一次控製論思想的科學討論會,進一步確認了控製論思想,認為在不同領域的工作者之間存在著共同的思想基礎,一個科學領域可以運用另一個科學領域發展得比較成熟的概念和方法。1946~1953年間梅西基金會發起一係列關於反饋問題的科學討論會,對於控製論的發展產生很大的推動作用。
1948年維納發表奠基性著作《控製論》,這本書的副標題是“關於動物和機器中控製和通信的科學”,控製論的名稱因此而定。維納抓住了一切通信和控製係統的共同特點,即它們都包含著一個信息傳輸和信息處理的過程。維納指出:一個通信係統總是根據人們的需要傳輸各種不同的思想內容的信息,一個自動控製係統必須根據周圍環境的變化,自己調整自己的運動,具有一定的靈活性和適應性。通信和控製係統接收的信息帶有某種隨機性質,具有一定的統計分布,通信和控製係統本身的結構也必須適應這種統計性質,能對一類在統計上預期要收到的輸入作出統計上令人滿意的動作。
維納的《控製論》發表以後,科學家們沿著兩個不同的方向發展控製論。心理學家、神經生理學家和醫學家用控製論方法研究生命係統的調節和控製問題,促進了對生命有機體的了解,建立了神經控製論、生物控製論和醫學控製論。維納本人對生物控製論和神經控製論表現了極大的興趣,曾於1946年與羅森布盧埃特進行了一係列直接涉及反饋主題的神經生理學實驗,為生物控製論奠定了基礎。控製理論家用控製論方法研究工程係統的調節和控製問題。中國科學家錢學森創立了工程控製論,並於1954年在美國出版了《工程控製論》的專著。他提出,工程控製論的對象是控製論這門學科能夠直接應用於工程設計的那些部分。到了60年代,蘇聯和東歐各國出現了軍事控製論,把控製論的思想和方法應用於軍事指揮和武器控製。
70年代以後,由於科學技術的高度發展,人類麵臨著複雜的社會經濟問題,同時由於微電子技術的發展,計算機得到廣泛應用,全球信息係統逐漸形成,為控製論的發展提供了條件。1965年在華沙出版了《經濟控製論導論》一書。1975年在布加勒斯特召開的第三屆國際控製論與係統大會上以控製論與經濟係統作為主題,確認了經濟控製論這一新興學科。與此同時,在西歐和日本、美國還出現了管理控製論。1978年在荷蘭阿姆斯特丹召開的第四屆國際控製論與係統大會上以控製論與社會作為主題,確認了社會控製論這一獨立的分支學科。1979年,中國控製論科學家宋健等人用控製論的思想和方法解決了人口發展趨勢的中長期預報和最優控製等問題,並在中國人口控製的社會實踐中取得成功,從而創立了人口控製論。
控製論的核心問題 控製論的核心問題是信息,包括信息提取、信息傳播、信息處理、信息存儲和信息利用等一般問題。控製論與信息論的主要區別是:控製論是在理論上用較抽象的方式來研究一切控製係統(包括生命係統、工程係統、經濟係統和社會係統)的信息傳輸和信息處理的特點和規律,研究用不同的控製方式達到不同的控製目的,不考慮具體信號的傳輸和處理問題;信息論研究信息的測度,並在此基礎上研究與實際係統中信息的有效傳輸和有效處理有關的問題(如編碼、譯碼、濾波、信道容量和傳輸速率等)。
通信和控製之間存在著不可分割的關係。人控製機器,或者,計算機控製機器,都是一種雙向信息流的過程。研究動物和機器中的控製和通信的關係,是控製論的基本出發點。
控製論的對象是一切控製係統,控製論著重研究係統中控製和信息這兩個方麵。有效的控製必然是一種雙向信息流的過程,這就是說有效的控製一定要有信息反饋。一切係統為了達到預定的目的必須經過有效的控製。有效控製的全過程包括信息提取、信息傳輸和信息處理。
人們獲取信息和利用信息的過程就是對外界環境中的種種偶然性進行調節並在這個環境中有效地生活的過程。所謂有效地生活,就是在擁有足夠的信息量的條件下生活。因此,信息和反饋是與適應有聯係的。
反饋具有能用過去的行為來調節未來行為的性能。反饋可以是像普通反射那樣的反饋,也可以是比較高級的反饋,即過去的經驗不僅用來調節特定的動作,而且用來調節行為的全盤策略。這種策略性質的反饋還具有學習的性質。因此,信息和反饋是與學習有聯係的。
生命體在進化的過程中一方麵表現有多向發展的自發趨勢,另一方麵又有保持自己祖先的模式的趨勢。這兩種效應結合,通過自然選擇就淘汰掉那些不適應周圍環境的有機體。留下來的是能夠適應周圍環境的生命形式的剩餘模式,這種剩餘模式就是廣義的合目的性的表現。這就說明,信息和反饋是與進化有聯係的。
人們根據神經細胞的新陳代謝現象和神經細胞之間形成突觸的隨機性質,認識了信息與係統結構的關係。可以認為,記憶的生理條件以至於學習的生理條件,就是組織性的某種連續,即把來自外界的信息變成結構或機能方麵比較經久的變化。
控製論的數學理論 控製論的數學理論基礎就是用吉布斯統計力學來處理控製係統的數學模型。任何一個控製係統都有兩組狀態變量,一組是可控的,一組是不可控的。控製論問題就是如何根據不可控變量從過去到現在的信息來適當地確定可控變量的最優值,使係統達到最合適和最有利的狀態(即預期的目標)。控製論向人們提供解決這樣一些問題的方法和途徑。維納為了解決這個數學問題,在1954年建立了非線性隨機理論,後來又在此基礎上建立了自組織理論和學習理論。
控製論的數學問題可表述為:①對不可控變量的時間序列作出恰當的數學描述。維納用樣本函數與概率空間相對應的方法來構造隨機變量,這一過程被稱為維納過程,用以決定輸入函數族。②設計一個將輸入函數變換為輸出函數的非線性算子。③在設計算子時確定最優性判據。
維納方法屬於統計方法的範疇,因而產生無偏性、最小方差、輸入輸出函數的自相關函數和相關分析等概念。用廣義調和分析和遍曆定理,可從每個個別的樣本函數獲取所需信息。維納就是用這種方法建立了時間序列的預測和濾波理論,通常稱為維納濾波。非線性算子可展開成正交算子的級數,對於處理自組織和自繁殖問題很有用處。非線性隨機理論已在生物控製論和經濟控製論方麵得到廣泛的應用。非線性隨機理論不但是控製論的數學理論基礎,而且是處理一切大規模複雜係統的重要數學工具。
控製論的基本方法 控製論是從信息和控製這兩個方麵來研究係統。控製係統的作用就是以某種智能方式從外界提取必要的信息(稱為輸入),按一定的法則進行處理,產生新的信息(稱為輸出)反作用於外界,以達到一定的目的。輸入輸出變量不僅可以表示行為,也可以表示信息。
係統的輸入輸出變量確定以後,還要找出兩種變量之間存在的函數關係,也就是建立該係統的數學模型。根據係統的輸入輸出變量來建立係統模型的方法,就是著名的黑箱方法。黑箱方法是一種重要的控製論方法,可用來研究複雜的大係統和巨係統,現在已經發展成為係統辨識分支學科。
為了建立係統模型,就要引入僅與該係統有關的狀態變量,從而可能用兩組方程來描述這一係統。一組稱為轉移方程(又稱狀態方程),用以描述係統的演變規律;一組稱為作用方程(又稱輸出方程),用以描述係統是怎樣與外界發生作用的。設x是輸入向量,y是狀態向量,z是輸出向量,t為時間變量,Δt為時間增量,則係統的數學模型可以表達為:
y(t+Δt)=f(x(t),y(t),t)
z(t+Δt)=g(x(t),y(t),t)
其中第一個方程是轉移方程,第二個方程是作用方程。經過這樣抽象之後,便可對係統進行一般性的研究,確定係統的類別和特性。係統的特性是通過係統特定的結構產生的(如伺服係統存在反饋,自適應係統要有一定容量的記憶),所以同一類係統往往有同一類結構。這樣就可以進一步研究這種結構如何發揮作用。這種控製論推理方式,使控製論適用於一切控製係統的領域,而對於研究大規模的複雜的控製係統,尤有獨特的作用。
上述建立控製係統數學模型的方法並不是惟一的。在自動機理論中還常常采用狀態轉移表或狀態轉移圖的方式。自動機理論的研究成果充分證明了這種控製論方法有其獨特的優點。控製論方法有助於人們對控製係統一般特性的研究。用控製論方法來研究大係統和巨係統時往往需要使用同態和同構的概念,以及分解和協調的概念。
控製論的跨學科性質 控製論通過信息和反饋建立了工程技術與生命科學和社會科學之間的聯係,因此控製論具有明顯的跨學科性。這樣一來,不但可以把一個科學領域中已經發展得比較成熟的概念直接用於另一科學領域,促進其發展,避免不必要的重複的研究工作,而且可以采用類比的方法特別是功能類比的方法(又稱功能模擬法)得到許多新的啟發,產生新的設計思想和新的控製方法,取得意想不到的成果。例如,生物控製論與人造係統控製論(包括工程控製論、經濟控製論和社會控製論)之間存在著類比關係。自動控製、自適應、自學習這三種類型的係統均可與生物係統進行類比以了解其功能,這就能向工程師提出某些實際問題的解決途徑。
參考書目
N.維納著,郝季仁譯:《控製論》,科學出版社,北京,1963。(N.Wiener, Cybernetics,or Control and Communication in the Animal and the Machine, MIT Press, Cambridge, MA.,1948.)
控製論
cybernetics
研究不同領域的各種控製係統的共性,研究各種控製過程及相應的信息傳遞、變換與處理過程的共同規律,研究適用於各種控製係統的分析方法與設計原理的技術科學。控製論一詞來源於希臘文,原義是掌舵術。後“控製”術語的應用已經泛化,包括調節、操縱、管理和指揮等含義。控製論與信息論、係統論密切聯係,它們是繼相對論、量子力學之後,20世紀的又一重大科學成就。控製論跨越了工程與生物領域之間的鴻溝,研究機器與生物有機體中控製和通信的理論。它突破了自然科學與社會科學的分界,既研究自動控製與調節裝置,又研究生命活動與行為,還探討社會現象與經濟管理問題,促進社會科學的數學化。控製論橫跨技術、生物、社會和思維等領域,是一門橫向科學。
形成和發展 控製論是隨著生產實踐與學科發展的需要而形成與發展的。控製論的奠基人N.維納曾經從事防空火炮自動控製係統的研究工作,為了提高火炮的命中率,需要預測飛機的速度和航向,他從統計學觀點給出了由時間序列的過去數據對未來的行為進行預測的方法,建立了維納最優濾波理論。這裏,維納把信息作為控製與通信過程的本質因素,從具體係統的物質和能量形態中抽象出來,用概率統計方法來統一處理控製與通信係統中的隨機性問題。突破了牛頓力學的傳統框架與機械論的束縛,奠定了隨機過程論的理論基礎。同時,為了改善炮手操縱火炮的性能,減少瞄準誤差 ,提高操縱速度,保證火炮伺服係統的穩定性,在設計中采用了負反饋原理(見反饋),並研究反饋係統穩定的條件 。1943年 ,N.維納 、A.S.羅森布拉斯和 J.比奇洛合作發表了《行為、目的和目的論》一文,用反饋原理分析了目的性行為,闡明了神經係統與自動機器之間在控製方麵的共性:無論是機器還是生物有機體,或者社會、經濟係統,反饋都是係統穩定的關鍵因素,通過反饋獲取信息,是各種控製係統實現有目的行為的重要條件。可以認為,這是孕育控製論思想的第一篇論文。
由於不同領域的各種專家,包括控製、通信、計算機工程師、數學家、生理、病理學家等的共同努力,對共同關心的信息和反饋問題進行了多次研討、交流啟發,在自動控製、通訊工程、計算技術、神經生理學、病理學、數學等多學科相互滲透 、相互結合的基礎上產生了新的橫向學科控製論 。1948 年維納總結了有關成果 ,出版了奠基性著作《控製論 》一書 ,宣告了關於機 器和生物的 通 訊和控 製 的科學控製論的誕生。
控製論學科的發展,可以分為3個階段 :第一階段為形成期(40年代) ,從1943年第一篇控製論思想的論文 《 行為 、目的和目的論》的發表到 1948 年奠基性著作《控製論》的出版,標誌著控製論學科進入了形成時期。第二階段為成長期(50~60年代),控製論出現兩個新學科分支工程控製論和生物控製論。1954年,錢學森的《工程控製論》的出版,奠定了工程控製論學科分支的基礎,總結了經典控製理論的成果,開拓了新的研究領域,促進了現代控製理論的深入發展。W.R.艾什貝的《腦的設計》問世,是生物控製論學科分支的代表作。作者運用控製論的觀點和方法,研究和闡述了生物有機體的生理調節過程和神經係統的控製和信息處理問題 ,促進了人工智能與仿生學的發 展 。第 三階段為發展期(70年代以後),控製論向社會、經濟領域滲透,從工程領域向非工程領域擴散,在更寬廣範圍內得到應用和發展。在此期間,不僅出現了經濟控製論、社會控製論和人口控製論等多方麵的論者,而且產生和發展了大係統控製論。
概念和方法 信息是控製論的基本概念之一。維納認為,信息既不是物質,也不是能量。信息、物質和能量是現實世界的三大要素,是人類社會文明的三大支柱。信息與控製相聯係,它是在各種控製與通訊過程中,進行傳遞、變換和處理的本質因素。信息的正常流通是各種控製係統正常運轉的基本條件。
由於把握了控製與通訊過程的基本因素——信息,控製論才能從信息的傳遞、變換、處理過程,統一認識和解決控製和通訊技術問題。由於利用了信息存在的普遍性及其相對獨立性,控製論才能把信息從具體的物質構造和能量形態中抽象出來,研究各種不同領域的控製係統和通訊係統的共性,揭示出各種控製和通訊過程中信息運動的共同規律。
反饋 控製論中的基本概念和基本原理。所謂反饋,就是把被控製對象在控製信息作用下產生的輸出信息返回傳送給控製器,以便根據控製效果來調整控製作用。根據反饋的方式和特性的不同,可以分為負反饋與正反饋、軟反饋與硬反饋、單路反饋與多路反饋、輸出反饋與狀態反饋等等。如果反饋信號的變化方向與輸入信號的變化方向相反便是負反饋。它可以用來減少或消除被控製對象的運行狀態與預期的目標狀態的偏差,保持係統的穩定性,改善係統的控製性能,克服外界幹擾的影響,完成有目的性的控製任務。由於通過反饋獲取了關於控製效果的信息,才能檢驗控製作用是否達到了預期目標,所以,反饋是各種控製係統實現其目的性行為的重要條件。反之,如果反饋信號的變化方向與輸入信號的變化方向相同,便是正反饋。它在一些情況下破壞係統穩定性,但可強化控製作用或產生所需的增益。特別是社會經濟係統要求有好的經濟效益,則需正反饋。一般地講,係統總存在無規則的“漲落”,不斷發生小規模的變化,通過正反饋使之增大,最終會導致係統的變革。正反饋與負反饋是對立的統一,彼此相互作用。對於一個處於變革狀態的係統來說,正反饋起主導作用。
沒有反饋的控製係統,稱為開環控製係統,隻有前饋的控製信息通道,應用於簡單的場合。一般情況下,控製係統都具有反饋信息通道,與前饋控製信息通道相聯係,組成閉環控製係統,即閉環的信息流的回路,“控製信息→反饋信息→控製信息”形成閉環的信息通道,可以應用於各種場合,完成具有各種目的性的控製任務。按照反饋信息通道的多少,單路或多路反饋可以構成多級閉環控製係統。為了進一步提高控製性能,還可以采用相互耦合的方法,構成開環與閉環複合控製係統。
黑箱和類比 控製論的基本方法是黑箱方法和類比方法,從方法學的角度來看,對黑箱和類比方法的創造性運用和發展,是控製論的重要貢獻。
黑箱是指不知其內部構造細節,隻知其外部功能特性的係統。所謂黑箱方法,就是通過對係統的輸入(外界對係統的影響)和輸出(係統對外界的影響)的外部觀測,而不需要對係統內部結構進行剖析,來對係統的功能和行為特性進行分析和研究的方法。利用黑箱方法,可以不考慮係統內部具體的物質構造細節和能量轉換形態,隻需將其中的信息傳遞、變換和處理過程抽象出來,通過對輸入與輸出的信息觀測、分析研究,就可以探索各種不同領域的、不同物質構造和能量形態的控製係統的內部的過程和機理。特別是利用黑箱方法,可以研究那些難以剖析其內部構造細節的係統。例如,活的有機體,人的腦組織等,通過從外部功能和行為進行研究,去揭示其內部的某些過程和機理,所獲得的研究效果,更是十分顯著的。從控製論的角度看,人腦可以看作是特大黑箱,即不能打開的特大係統,一旦打開便失去活腦的功能。通常可采用黑箱方法從功能上模擬人腦開展研究。以電子計算機為支持手段的人工智能,基本上還是這種功能模擬。然而,結構與功能是辯證統一的,神經網絡從結構和功能兩個方麵模擬人腦,將會進一步放大人的智力。
類比就是類似、比較的意思。類比方法是基於各種不同事物之間的相似性(共性),進行模擬、比較、聯想、推理的科學方法。在控製論中,利用類比方法,研究了自動機器與生物有機體之間的相似性,發現了它們在控製與通信過程中都以獲取反饋信息作為實現有目的性行為的重要條件的共同規律。並且,從生物的自適應、自學習、自組織、自修複、自繁殖等控製和調節機製中得到啟發,提出了自動機器設計的新概念、新原理,產生和發展了控製論係統的新的設計思想;研製了具有類似於動物的某些行為,被稱之為控製論動物的自動裝置,例如,申農研製的能自動學習走迷宮的機器“老鼠”就是這種自動裝置的一例。
在控製論的研究中,運用黑箱方法和類比方法,還進一步發展了係統辨識與係統仿真方法和技術。所謂係統辨識就是利用實驗觀測數據,建立係統的數學模型,辨識模型的參數。所謂係統仿真,就是用數學模型、物理模型或技術模型,對實際係統的功能和行為特性,進行模擬試驗和分析研究 。
哲學問題 從認識論的角度分析,如果說,在40年代 ,由自動控製、通訊工程、計算技術和神經生理學、病理學等學科的相互滲透,產生了控製論,是人們對控製係統從特殊認識到一般認識的飛躍和發展的話,那末,從50年代以後 ,控製論分為工程控製論、生物控製論、社會控製論、智能控製論等分支,就是人們對控製係統從共性認識到個性認識的再次飛躍和深入發展;而大係統控製論的產生和發展,著眼於各種不同領域(工程技術、社會經濟、生物生態、人腦思維)大係統的共性的研究,這將是對控製係統再一次從特殊認識到一般認識的新的飛躍和發展。
在控製論的哲學爭論中,主要集中在信息的本質與機器思維兩個問題上。這涉及哲學的基本問題,即精神與物質 、意識與存在的問題。諸如提出信息究竟是物質還是精神,或者是與這兩者並列的“第三種東西”?這涉及唯物主義和唯心主義兩個基本哲學派別的劃分。因此,需要對信息作具體分析。一方麵,信息離不開物質載體,但它本身不是物質 ,而是物質的結構、狀態和屬性的表征,是物質係統序性的標誌。把信息歸結為物質的觀點是不能成立的。另一方麵,信息是處於各個不同發展階段的物質係統的組織程度,隻有最高級的物質係統的信息才體現出主觀性。把全部信息都概括為精神的觀點也是站不住腳的。第三種觀點認為信息既非物質又非精神,而是與物質和精神並列的“第三種東西”,並斷言信息概念消滅了唯物主義與唯心主義的根本對立,這種觀點也是錯誤的。信息概念有助於揭示從無感覺物質到有感覺物質的過渡,揭示從物理反映到意識反映的不同水平,從而更確鑿地闡明意識從物質派生的過程,而決不會消除唯物主義與唯心主義的對立。信息概念具有重大的哲學意義。人們從認識質量和能量到認識信息是人類認識史上的一次巨大飛躍,必定會使唯物主義的形式發生改變。隨著控製論的發展和逐步完善,必將深刻地展示著信息的本質,辯證唯物主義的內容將更加豐富,更加新穎。
控製論是“關於在動物和機器中控製和通訊的科學”,是自動控製、電子技術、無線電通訊、神經生理學、心理學、醫學、數學邏輯、計算機技術和統計力學等多種學科相互滲透的產物。控製論的奠基人是維納,他於1943年在《行為、目的和目的論》中,首先提出了“控製論”這個概念,第一次把隻屬於生物的有目的的行為賦予機器,闡明了控製論的基本思想。1948年維納又發表了《控製論》,為控製論奠定了理論基礎,標著著它的正式誕生。控製論、係統論和信息論是現代信息技術的理論基礎。
控製論是研究各類係統的調節和控製規律的科學。它是自動控製、通訊技術、計算機科學、數理邏輯、神經生理學、統計力學、行為科學等多種科學技術相互滲透形成的一門橫斷性學科。它研究生物體和機器以及各種不同基質係統的通訊和控製的過程,探討它們共同具有的信息交換、反饋調節、自組織、自適應的原理和改善係統行為、使係統穩定運行的機製,從而形成了一大套適用於各門科學的概念、模型、原理和方法。控製論創始人維納在他的《控製論》一書的副標題上標明,控製論是“關於在動物和機器中控製和通訊的科學”。
控製論一詞Cybernetics,來自希臘語,原意為掌舵術,包含了調節、操縱、管理、指揮、監督等多方麵的涵義,維納以它作為自己創立的一門新學科的名稱,正是取它能夠避免過分偏於哪一方麵,“不能符合這個領域的未來發展”和“紀念關於反饋機構的第一篇重要論文”的意思。
控製論是多門科學綜合的產物也是許多科學家共同合作的結晶。但是,控製論的誕生和發展是與美國數學諾伯特.維納的名字聯係在一起的。 維納少年時是一位天才的神童,他11歲上大學,學數學,但喜愛物理、無線電、生物和哲學,14歲考進哈佛大學研究生院學動物學,後又去學哲學,18歲時獲得了哈佛大學的數理邏輯博士學位。1913年剛剛畢業的維納又去歐洲向羅素和希爾伯特這些數學大師們學習數學。正是多鍾學科在他頭腦裏的匯合,才結出了控製論這顆綜合之果。維納在1919年研究勒貝格積分時,就從統計物理方麵萌發了控製論思想。第二次世界大戰期間,他參加了美國研製防空火力自動控製係統的工作,提出了負反饋概念,應用了功能模擬法,對控製論的誕生起了決定性的作用。1943年維納與別格羅和羅森勃呂特合寫了《行為、目的和目的論》的論文,從反饋角度研究了目的性行為,找出了神經係統和自動機之間的一致性。這是第一篇關於控製論的論文。這時,神經生理學家匹茨和數理邏輯學家合作應用反饋機製製造了一種神經網絡模型。第一代電子計算機的設計者艾肯和馮.諾依曼認為這些思想對電子計算機設計十分重要,就建議維納召開一次關於信息、反饋問題的討論會。1943年底在紐約召開了這樣的會議,參加者中有生物學家、數學家、社會學家、經濟學家,他們從各自角度對信息反饋問題發表意見。以後又連接舉行這樣的討論會,對控製論的產生起了推動作用。1948年維納的《控製論》出版,宣告了這門科學的誕生。
控製論的研究表明,無論自動機器,還是神經係統、生命係統,以至經濟係統、社會係統,撇開各自的質態特點,都可以看作是一個自動控製係統。在這類係統中有專門的調節裝置來控製係統的運轉,維持自身的穩定和係統的目的功能。控製機構發出指令,作為控製信息傳遞到係統的各個部分(即控製對象)中去,由它們按指令執行之後再把執行的情況作為反饋信息輸送回來,並作為決定下一步調整控製的依據。 這樣我們就看到,整個控製過程就是一個信息流通的過程,控製就是通過信息的傳輸、變換、加工、處理來實現的。反饋對係統的控製和穩定起著決定性的作用,無論是生物體保持自身的動態平穩(如溫度、血壓的穩定),或是機器自動保持自身功能的穩定,都是通過反饋機製實現的。反饋是控製論的核心問題。控製論就是研究如何利用控製器,通過信息的變換和反饋作用,使係統能自動按照人們預定的程序運行,最終達到最優目標的學問。
控製論是具有方法論意義的科學理論。控製論的理論、觀點,可以成為研究各門科學問題的科學方法,這就是撇開各門科學的質的物點,把它們看作是一個控製係統,分析它的信息流程、反機製和控製原理,往往能夠尋找到使係統達到最佳狀態的方法。這種方法稱為控製方法。控製論的主要方法還有信息方法、反饋方法、功能模擬方法和黑箱方法等。信息方法是把研究對象看作是一個信息係統,通過分析係統的信息流程來把握事物規律的方法。反饋方法則是動用反饋控製原理去分析和處理問題的研究方法。所衷腸反饋控製就是由控製器發出的控製信息的再輸出發生影響,以實現係統預定目標的過程,正反饋能放大控製作用,實現自組織控製。但也使偏差愈益加大,導致振蕩。負反饋能糾正偏差,實現穩定控製,但它減弱控製作用、損耗能量。功能模擬法,就是用功能模型來模仿客體原型的功能和行為的方法。所謂功能模型就是隻以功能行為是相似為基礎而建立的模型。如獵手瞄準獵物的過程與自動火炮係統的功能行為是相似的,但二者的內部結構和物理過程是截然不同的,這就是一種功能模擬。功能模擬法為仿生學、人工智能、價值工程提供了科學方法。黑箱方法也是控製論的主要方法。黑箱就是指那些不能打開箱蓋,又不能從外部觀察內部狀態的係統。黑箱方法就是通過考察係統的輸入與輸出關係認識係統功能的研究方法。它是探索複雜大係統的重要工具。
研究生物(包括人類)和機器中的控製和通信的普遍原則和規律的學科。有工程控製論、生物控製論、經濟控製論等分支。主要研究控製過程的數學關係,而不涉及過程內在的物理、化學、生物、經濟等方麵的現象。控製論涉及信息論、電子計算機理論、自動控製理論、現代數學和對動物神經係統的科學分析等學科。廣泛應用於工業、交通、軍事等方麵。