第18章 控制论(1)
众所周知，19世纪乃至20世纪初的海战中，其作战方式都是面对面的舰炮对射，但是20世纪80年代的一场海战却令世人感到震惊，因为在这场海战中，作战双方都一改以往的传统作战模式，双方不用进入对方的视线之内，在几十公里乃至几百公里外就可用导弹互相攻击，而且非常准确，这就是著名的英阿马岛之战。1982年4月，英国和阿根廷在南大西洋的马尔维纳斯（福克兰）群岛附近，展开了第二次世界大战以来规模最大的海空战，也是世界上第一场动用核潜艇和空对舰导弹以及复杂电子系统的大战。5月2日，英“征服者”号核潜艇在水下发射两枚配有先进制导系统的“虎鱼”式鱼雷，击沉了阿根廷唯一的一艘3000多吨级的巡洋舰。5月4日，阿根廷使用法国制造的“超级军旗式”战斗机，在距英舰48公里左右处，发射一枚法国“飞鱼AM39”型空对舰导弹，一举击沉了英国现代化程度很高、价值约2亿美元的、英军特混舰队中的“谢菲尔德”号导弹驱逐舰。5月25日，阿方再次使用“超级军旗式”飞机发射两枚“飞鱼式”导弹，又击沉了一艘排水量为1.8万吨的英国“大西洋运送者”号运兵船。
为什么阿方空军能用一枚价值20万美元的“飞鱼”导弹，击沉了英国价值2亿美元的导弹驱逐舰呢？其实，那些导弹中都配有精密制导系统，这使得双方用不着面对面地舰炮对射，而这些精密制导系统正是控制论（自动控制技术）在军事上的一个重要应用。
控制论，顾名思义，就是关于控制的理论。“控制”这个概念，人们并不陌生。不但对它的一般含义有所了解，而且在说话、写文章的时候，也经常使用它。控制问题在现实生活中比比皆是，人们对工具的掌握和使用是控制；对火车、汽车、轮船、飞机的驾驶是控制；对机器的操作和对火箭、航天飞船及导弹等飞行的调节是控制；党和政府对经济的宏观调控是控制；用道德和法律对人们行为的约束也是控制等等。但是关于控制的思想和方法的历史却古来有之。
16.1从人类的器官解放说起——控制思想的历史演变
树有根，水有源。任何一种科学技术思想及理论的产生，既有当时的社会实践条件的影响，又有前此为思想渊源。正是这两方面在实践主体和认识主体中的相互作用，并经实践主体和认识主体的主观努力，这种科学技术、思想、理论才得以形成。控制论也是如此，下面就让我们从古代丰富的文化遗迹中来探寻一下控制论思想和方法的演变过程。
（1）古代控制思想和方法的运用在人类的器官解放过程中就得到了最初的体现。
原始社会初期的人类只能利用自己的感觉器官来感知受控对象的过程状态，用四肢来调节和控制某些运动。比如，人们用手指抠出土中植物的块根，用牙齿咬碎坚硬的骨头，用鼻子嗅辨野兽的气味，用双腿去追逐奔跑的野鹿等，由于人体器官作用非常有限，当时的人类控制能力是很低的，往往达不到控制目的。但人类的社会生活在本质上是不断实践的。经过长期的社会实践之后，人们逐渐学会了制造和使用工具，这为人们参与范围更广、种类更多的系统运动的调节和控制创造了条件。当人们学会使用石块来敲碎硬果和骨头、利用猎狗来嗅辨野兽的踪迹、借助驯服的马匹来驮物的时候，这不仅意味着人们的牙齿、鼻子、双腿等器官的解放，而且也标志着他们在改造自然界方面的进步。
随着更多工具如弓箭的发明和改进等给原始人狩猎提供了有力的武器，他们的控制能力也得到了进一步的提高。
人类在改造自然的斗争中，既需要找到能代替人类本身器官的控制自如的工具，又需要找到能代替人类本身体力的便于控制的能源。
如建造木筏是利用了流水的能量，创造帆船是利用了风的力量等等。
但是所有这些能源的利用，都只有在人们找到相应的调节和控制手段之后，才产生了人们所期望的效果，达到了预期的目的。
（2）古代控制思想和方法的运用，还表现在人们对某些自然过程的支配和驾驭的过程中。
远古时期的人类，对形形色色、光怪陆离的自然现象或过程感到很神秘，由于他们并不能理解这些现象，对某些现象的破坏作用也无能为力，所以只好听任某些自然过程的自由发展和摆布。但是，他们为了自身的生存和发展，又总是力图限制某些自然过程的自由发展，力图挣脱某些自然现象的任意摆布。他们一方面不断地探索、力求弄清各种自然现象或过程，从事认识自然的活动，另一方面又根据预期的目标进行各种条件的选择，力求控制、支配、驾驭某些自然现象或过程，使其为人类服务。
相传在4000多年前，我国黄河流域洪水横流，到处泛滥成灾。草木长得很高，五谷不丰收，禽兽比人还厉害，兽蹄鸟迹，遍布各地。但是，当古人们认识到其危害之后，没有听任这种自然过程的摆布，而是决心对这种自然现象进行控制，以减少其对人类的危害程度。最初，鲧奉帝尧之命去治水，他看到洪水滔滔，无法止住，他便用息石、息壤去堵填。治水九年，没得成功。鲧的儿子禹接替了父亲的重任后，接受教训，又得四岳协助，遍访九州，考察山川地势，选得了“顺水之性”变“湮”（堵塞）为“疏”（疏导）的最佳控制方案，重点治理下游，开沟修渠，引水归道，顺流入海。同时治理上游，上通下泄，控制下游水患。前后奔忙13年后，既根治了水害，又有利于农田灌溉，一举两得。使洪水按照预期控制目标，循道东流入海。这是我国古代人民运用控制思想和方法调节和驾驭自然过程的一个成功的范例。
（3）古代控制思想和方法的运用，还体现在统治者们在对国家和社会的管理之中。
早在2600年前，我国就有了某些社会控制思想的萌芽。公元前1100年，周公（姬丹）曾提出顺“天命”管理国家的思想；殷人则提倡“德治”、“礼治”来维护统治阶级政权。公元前550年，计然主张由国家设官市，调节和控制粮价，均衡农民与商人（称为“末”）的利益，推进经济发展。这是一种早期的朴素的经济控制思想和方法的运用。
从上可见，我国古代的控制论思想方法是很丰富的，但是这种控制论思想并不是科学的而是朴素的。
在控制论的发展史上，第一次提出控制论概念的是古希腊哲学家柏拉图。在公元前4世纪，柏拉图在《理想国》一书中首先使用“控制”一词，最初，他将控制论赋予操纵船的技术的涵义，后来他又转意应用，把管理国家的艺术叫作控制论，并初步阐述了控制论的启蒙思想和方法。柏拉图对控制论的构思是以后成熟起来的控制论思想和方法的胚胎，但他并没有给“控制论”赋予科学的内容。
公元1834年，法国物理学家和数学家安培出版《科学的哲理》一书，引用控制论一词，并定义为管理者的科学。他从管理国家的意义上把“控制论”解释为研究控制社会各种方法的学问，并提出过建立控制论新学科的设想。尽管这种设想是富有远见的，但受当时生产和科技水平所限，并没有真正实现。真正对控制论的创立起了决定性作用的是著名的数学家维纳。
维纳（NorbertWiener，1894~1964），美籍俄裔数学家、控制论的创始人。生于美国哥伦比亚城。其父是哈佛大学斯拉夫语言和文学教授，对幼年的维纳进行了早期智力开发。维纳4岁开始读书，7岁能读科学文献，9岁进入中学，12岁进入塔夫茨学院成为少年大学生，14岁获学士学位，15岁时进哈佛大学，18岁时获数理逻辑博士学位。1913年到英国剑桥大学向罗素学习数理逻辑和哲学，1915年到德国格丁根，在哈代、希尔伯特指导下钻研数学。以后在美国一些大学讲授逻辑学和数学，并曾一度从事新闻记者工作。1919年任麻省理工学院讲师，1932年成为教授。
维纳从1919年研究勒贝格积分时就已经开始接触到控制论思想，他批判并改造了台布斯的古典统计力学，把控制论建立在统计理论的基础上。维纳提出控制论所面对的是解决自动控制系统问题，这是牛顿力学的传统方法无法解决的，建立控制理论必须突破传统的力学方法，摆脱拉普拉斯的机械决定论。
20世纪20~30年代，维纳在麻省理工学院工作，他与工程技术人员合作，引起了对机器运算的兴趣，产生了用数字计算机代替模拟计算机的观点。193l年，维纳到清华任教，大量时间用在研究电话理论和改善滤波器的设计工作，与教授李郁荣合作，对李的控制论学术成果及其贡献作了充分的肯定。他认为与李郁荣教授合作的电网络设计研究工作是创立控制论的重要基础，这说明控制论的产生也有中国人的一份贡献。维纳说，1935年中国之行是他作为一个数学家和控制论专家的分界线。在中国和欧洲之行中，他接触到了各专业的科学家，使他认识到各门学科间相互渗透已成为科学发展的一种潮流，必须组织各学科的科学家共同研究边缘科学问题。
16.2动物和机器是否有关系——现代控制论的创立
说到控制论的创立，让我们先来了解一个定律。在生物学中，动物大脑的一个神经元在接受外界刺激后，只要这个刺激量达到了这个神经元作出应答所必需的数量限度，那么它就会作出应答，即大脑的神经元处于兴奋状态；否则，它就完全不作应答，此时大脑神经元处于抑制状态。而且在作应答时，它的信号的大小总是一样的。我们可以将大脑神经元的“兴奋”或“抑制”状态抽象为“1”或“0”。即“兴奋”状态代表“1”，“抑制”状态就代表“0”。这在生物学上就叫做“全或无定律”，或“1或0定律”。其实，自然界的任何有无现象都可以看作是“1”或“0”的化身。声音的有无、恒温器的电热器开关等都是这两种状态中的“非此即彼”的一种。机器与动物大脑尽管有着本质上的不同，但它们在都只处于开与关、“1”与“0”中的一种状态，都服从“全或无定律”这一点上却有着惊人的相似。应用类比方法加以研究，就可以发现生物和机器都遵循某种共同的规律。这正是控制论产生的“秘诀”。维纳高人一筹，看到了这个奥妙，突破了动物和机器的界限，创立了控制论。
现代控制论创立的直接原因是出于第二次世界大战期间研制火炮自动控制系统的需要。在战争初期，德国法西斯在进行了侵略战争的长期准备之后采用了闪电战术，他们占有很强的空军优势，无论在技术装备与飞行员训练上都是如此。德国飞机的高速度、不断变化的战术和驾驶技巧使得老式高射炮的观测、计算和射击系统失效。这是因为德国飞机的速度很快，飞行员又可采取飞曲线、翻筋斗等狡猾的战术动作，因此，发射高射炮弹时，必须预测飞机将要达到的位置才能命中。
为此，既要有相应的高速度计算，以便作出判断，并迅速地对炮位、方向以及角度加以调节与操纵。显然，这些要求是当时已有的自动装置和伺服机构理论所无法实现的。这就必须另谋出路，研制自动高射火炮。
在第一次世界大战期间，维纳在阿伯丁射击场参加过编制高射炮射击表的工作，当时他已认识到高速计算机的必要性。第二次大战期间（1940年前后），美国政府专门委托维纳和工程师毕格罗（J.H.Bigelow）等人研究解决这个问题。从理论的探讨来说，这里包括两个问题，一个是高速计算问题，一个是在复杂情况下的预测问题。就前者说，维纳在1940年已经开始研究过如何发展计算技术以解偏微分方程的问题，在研制新型的电子计算机方面，他本人也提出了一些重大的建议。事实上，从这以后不久，专用的与通用的电子计算机陆续出现，为这个问题的解决提供了必要的技术条件。对于后一个问题，他指出，尽管飞行员所能采取的战术技巧可以十分复杂，但他却没有任意操纵飞机的完全自由，他必然要受到一定条件的约束，只要引入相应的方法与数学工具，特别是统计数学工具，对飞行曲线的预测问题是可以得到某种解决的。这两个问题本来都属于人的智能范围，就是说只有研制出一种新型的自动装置，使之能代替人的这类智能，这两个问题才能获得解决。维纳后来回忆实现这一任务的过程时指出，为了解决这个技术问题，不得不研究相关的生物科学，如神经解剖学、神经生理学以及心理学和语言学等等。这实质上就是要在理论上将技术科学与生物科学沟通起来，使两者相互渗透，在技术上研制出能够进行智能模拟的自动机器。
到了1943年，维纳、毕格罗、罗森勃吕特合作发表了《行为、目的和目的论》一文，从反馈角度研究了目的性行为，找出了神经系统和自动机之间的一致性。这是关于控制论的第一篇论文。这篇论文被看作是控制论萌芽的重要标志。
1948年，维纳所著《控制论》一书出版。这是一部奠基性的著作，它的发表标志着控制论这一新兴学科的正式诞生。维纳把控制论称为“关于在动物和机器中控制和通信的科学”。这就是说控制论既突破了动物和机器的界限，又突破了控制工程与通信工程的学科界限。机器和动物具有同构性质，它们都是由操纵机构、受控对象、直感通道和反馈通道这四个部分构成的有组织系统。控制之所以具有普遍的理论意义，正是由于它把动物的目的性行为赋予了机器，将动物和机器的某些机制加以类比，从而抓住一切通信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。由于控制论把反馈方法、系统方法、信息方法和功能模拟方法综合运用于控制和通信系统的研究中，所以它为现代科学技术研究提供了新的方法，具有普遍的方法论意义。
16.3控制论的特点
控制论，概言之，就是从信息与控制这个横断面，着重研究特定系统（人、动物和机器）及其行为、功能的科学。作为一门研究不同系统的共同控制规律的科学，它有如下几个特点：
（1）突破了动物和机器的界限，又突破了控制工程与通信工程的学科界限，运用类比的方法，把动物的目的性行为赋予机器。