第19章 控制论(2)
今天的智能机器人就是突破了动物和机器的界限，把人的目的性行为赋予了由电子元件和机械而装置起来的机器，使它能有人的功能。
（2）控制论是研究复杂系统控制规律的科学，它是从信息和控制这个断面，研究自控系统的功能。
这实际上是一种行为方法。这一方法只考虑自控系统的动作方式，而不管这个系统是机器还是动物，这样就可以运用从信息输入再观察其输出情况的方法去研究那些内部结构是“黑盒”（无法打开）的复杂系统。因此可以看出，它只是从控制方面来研究系统的功能。它不着重研究系统此时此地的行为，而研究所有可能的行为方式、状态及其变动趋势；它不研究物质结构或运动形式，而研究普遍的结构和行为方式，控制论的规律是普遍的规律。
（3）控制论是一门综合性的横断科学。控制论抓住了当代科学的特点，认识到各门科学之间相互渗透已成为科学的一种潮流。控制论是多种学科相互渗透的产物，但不是多学科的混合物，而是从它们之间抽出内在联系，总结提高后形成独特的科学体系。控制论研究的对象是控制系统，不管是哪种物质结构，哪个物质层次，只要构成控制系统，有信息和控制过程，就都可以用控制论进行研究。控制论的范围包括多种运动形式和物质层次，横跨技术、生物、社会和思维四大领域。控制论抵制各门科学日益四分五裂和相互隔绝的那种趋势。它给各门学科提出了许多共同的问题，建立了一套概念，把分散在各门科学里的许多原理统一起来，力求用一套共同的概念和范畴给不断分化的各门科学的综合趋势奠定基础，控制论的目的是寻找学科之间的纽带。维纳说：“控制论的目的在于创造一种语言和技术，使我们有效地研究一般的控制和通信问题，同时也寻找一套恰当的思想和技术，以便通信和控制问题的各种特殊表现都能借助一定的概念加以分类。”正因为有了这个特点，才产生了功能模拟法，才有了今天的智能机器人。
17.现代“掌舵”技术的应用——控制论的基本方法
在前面说过，“控制”一词含有“掌舵”之意。控制方法就是关于给系统“掌舵”、导向的一门艺术。
控制论的形成与创立与方法论的研究是分不开的，它是不同学科的理论和方法移植和渗透的结果。传统的科学方法在控制论中得到应用和发展。类比方法使控制论沟通了机器、生物有机体及社会这三大类不同性质的系统的联系，发现了它们在追求目标时的同一性和统一的机制。模型方法能使控制论采用高度抽象的方法，舍弃不同质系统的具体形状、质量等因素以及这些系统内部各子系统之间的物质和能量方面与控制无关的联系，只就与控制有关的信息联系加以考虑。数量化、最优化等数学方法使控制论的基本思想得以具体化，而对社会进步产生直接影响。带有控制论鲜明特征的主要方法有信息方法、反馈方法、黑箱方法及功能模拟方法等。
17.1信息方法
信息方法着重从信息方面来研究系统的功能，认为系统借助于信息的获取、传递、加工和处理，以实现它的运动。
信息方法揭示了机器、生物机体和社会生活等不同运动形态之间的信息联系，揭示了事物运动更深层次的规律。并对以往难以理解的一些现象提供了科学说明。如人们运用信息方法揭示了64种不同核苷酸三元组遗传信息密码的奥秘。信息方法还帮助人们提高了掌握和运用客观规律的能力，如人们洞察了生物信息通信的秘密，就可以趋利避害，为人类造福。
17.2信息与控制的桥梁——反馈
从控制论的形成过程可以看到，控制论就是研究各种系统（包括机器、生物和社会）共同存在的控制规律的科学。也就是说，在各种系统中，反馈都对系统的稳定起着至关重要的作用。反馈机制还可以使自动机表现出和生物类似的目的性行为，甚至表现出学习能力。反馈是控制的核心，因而有人认为，控制论就是关于反馈的科学。维纳在《控制论》中明确提出了关于控制论的两个基本概念，即信息和反馈。它们揭示了机器、生物和人所遵从的共同规律——信息变换和反馈控制。
这一规律为机器模拟人和动物的行为或功能提供了理论依据。这里着重介绍一下反馈以及与其相关的“前馈”和“退馈”。
1）反馈
“反馈”的英文是Feedback。“Feed”有“喂”、“输入”的意思，“Feedback”就是“反过来喂”。中文的“馈”有“送”之意，“反馈”就是信息的反向输送。具体来说，反馈是指控制系统把输入的信息输送出去，又把输出信息作用的结果返送到原输入端，并对信息的再输出产生影响，起到控制作用，以达到预期目的。这就是控制论所揭示的控制的反馈机制。人工制造的各种装置具有反馈机制，有些装置在古代就已存在，如中国古代的“铜壶滴漏”、指南车和记里鼓车等以及19世纪蒸汽机上的离心调速器、现代轮船上的操舵机等都是反馈装置。在生物界，生物在其长期进化中也形成了自己独特的反馈机制。动物的血压、体温、血糖含量的自我调节，高级神经活动的条件反射，冬天来临时蛇、青蛙等的冬眠，北鸟南飞，树木停止发芽等都是反馈现象。管理也是一种反馈机制。反馈又可分为正反馈和负反馈。
（1）正反馈。凡是回输信息与原输信息起相同作用，使总输出增大的，叫正反馈。也就是说，如果反馈的信号强化了原来过程或继续加大原输出端的信息输出，从而使系统越来越偏离预定目标，甚至失去控制的，称为“正反馈”。冷战时期，美国和前苏联军备竞赛的不断升级就是一种正反馈式的恶性循环。在两个超级大国之间，每一方得知对方发明了一种新式武器就立即研制一种更厉害的武器来对付。于是，原子弹、氢弹、远程导弹、逆火式轰炸机、多弹头导弹、中子弹……就这样不断地被制造出来，远远偏离了“缓和”这种平衡目标值。正反馈有时会使系统发生振荡，甚至崩溃。如果在蒸汽机中拆下负反馈装置——节速器，让其进行正反馈运转，那么飞轮就会越转越快，最终超过极限，损坏机器。可见，仅仅利用正反馈原理是不能造出自动机的。这样说来，似乎正反馈只起消极、破坏作用，其实不然。在某些系统中恰恰需要正反馈的作用。例如，在原子弹的引爆装置中，就要用到裂变链式反应，这种裂变链式反应就是一种正反馈过程。当用慢中子碰撞铀时，所放出的能量和中子就是越来越大、越来越多的。又如在植物保护中，为了消灭有害的昆虫，往往用大量繁殖这种害虫的天敌来灭虫，这也是一种正反馈过程。在社会生活中，正反馈原理表现在教育和生产的相互促进上，由于生产的发展促进教育事业的发展，而教育事业的发展又将进一步促进生产的发展。由此，我们在学习控制论的基本理论时，不能由此而推论出正反馈是不重要或是可以忽视的。国外有些学者从20世纪60年代提出所谓第二代、第三代控制论，强调了正反馈的作用。
（2）负反馈。凡是回输信息与原输入信息起反作用，使总输出减少的，就是负反馈。简单地说，就是指反输的信号减少了系统的再输出量或减弱了原来的过程，使系统减少偏差或振荡、导致系统越来越趋向预定目标的叫负反馈。负反馈的特点就是检出偏差、纠正偏差，从而达到目标。具有负反馈回路的系统一般是相对稳定的。千万年来自然界之所以维持生态平衡，主要是负反馈规律起作用的结果。
负反馈原理的发现也打破了机器与动物之间的界限。如翱翔天空的猎鹰发现了一只在岩石边吃草的野兔，脑子里立即产生一个念头：抓住它并吃掉它。同时形成了一个达到这一目的的相应的“程序”。在接近野兔时，野兔察觉了危险，立即调头逃跑，此时猎鹰不得不在其“经验”和通过感官获得情报信息的基础上，改变自己的飞行路线。显然，猎鹰没有也不可能事先计算自己和目标的运动方程，猎鹰不是按照事先计算好的路线飞行的。猎鹰发现野兔后，马上用眼睛估计一下它和野兔的大致距离和相对位置，然后选择一个大致的方向向野兔飞去。
在这个过程中它的眼睛一直盯着野兔，不断向大脑报告自己的位置跟野兔之间的差距。不管野兔怎么跑，大脑作出的决定都是缩小自己跟野兔位置的差距。这种决定通过翅膀来执行，随时改变着猎鹰的飞行方向和速度，调整猎鹰的位置，使差距越来越小。直到这个差距为0时，猎鹰的爪子抓到野兔了。由此可见，猎鹰抓捕野兔的过程就是一个通过负反馈不断修正自己飞行路线并最终达到目标的过程。这样的负反馈作用在人们设计、制造的许多控制论装置中使用着。如在防空系统中，要自动解决导弹击中飞行目标的问题。人们就可以按照负反馈的观点和方法，给导弹配上大脑——电子计算机；安上翅膀——姿态控制装置；再给它装上能起检测作用的眼睛——红外线寻的装置。这时，具有负反馈调节方式的导弹就可以像猎鹰捕捉野兔那样，跟踪飞机，直到把它击落。
负反馈是控制的机制，它在系统达到稳定工作的重要保证。以负反馈为基础的控制原理在任何自动控制系统中都存在。例如航行中的船只，必须不断地排除一切干扰因素，缩小“目标差”，以准确地达到目的地；我国准确地向指定海域发射导弹；美国“勇气”号和“机遇”号火星探测器准确地登上火星进行考察；国家通过税收、银行贷款等经济手段来调节企业和国家之间的物质利益关系，以保证经济稳定、均衡发展等等，都是负反馈起了很大的作用。通常所说的“吃一堑，长一智”、“前事不忘，后事之师”、“失败是成功之母”等，也都是负反馈调整人们认识作用的通俗说明。可见，负反馈是控制得以实现的重要保证。总之，反馈过程就是通过原因和结果不断地相互作用，以完成一个共同的功能目的的过程，这是控制论的核心思想。
反馈控制给我们带来了许多好处，然而“尺有所短”，反馈控制也有短处，它毕竟是在施控结果与施控目标发生偶然偏差之后，才依据偏差的反馈信息实行调节的，会产生“反馈延迟”现象，因而它毕竟是“事后诸葛亮”。况且，在实际控制中还有可能因反馈不足或反馈过度而导致被控系统发生恶性振荡以至毁坏。但是，解决这一难题的办法是有的，这就是20世纪70~80年代发展起来的“前馈”控制和“退馈”控制方法。讲反馈不讲前馈和退馈是不全面的，“三馈”才是完整的控制方法。
2）前馈和退馈
前馈（Feedforward）控制是指尽可能地在系统发生偏差之前，根据预测的信息，采取相应的措施加以纠正的方法。把这种前馈控制方法与反馈控制方法结合起来，就构成前馈——反馈控制系统，这种系统能达到更好的控制效果。目前这种控制系统已广泛应用于工程技术系统和社会系统中。但是，前馈的思想萌芽却可以追溯到春秋时期，据《史记·货殖列传》记载，范蠡通过预测市场价格变化和商品供求情况，发现了“贵上极则反贱，贱下极则反贵”的客观存在的振荡现象。为了预防反馈滞后可能带来的影响，他又提出了“水则资车，旱则资舟”，“贵出如粪土，贱取如珠玉”的前馈思想。即主张发水灾时要准备车的买卖，大旱时要做船的生意；物价上升时，像粪土一样抛售，物价下跌时，就像珠玉一样收购。这实际上是提醒人们要注意寻找输入与输出之间的因果关系，对输出结果进行预测，在偏差未发生之前就注意纠正偏差。在当今这个瞬息万变的时代，对于大多数管理者来说，只运用简单的反馈方法是不够的，如企业推销员不能光向经理报告滞后的产品销售信息，而必须多预测销售前景，使经理可以超前调整生产、超前作出决策。当今出现的未来学研究实际上就是一种关于前馈控制的研究，即为了未来社会进行最优控制而预先进行超前研究。在今天的生产管理、地面和空中交通管理、人才人口预测、市场预测等实践中，如果善于运用前馈方法，会避免许多不必要的损失，收到更好的效果。前馈方法也不是对反馈方法的否定，而是作为复杂反馈的一种方法包含在反馈方法体系中，它是对简单反馈缺陷的一种弥补。
前馈虽然有用，但也并不是十全十美。反馈也好，前馈也好，都是把人作为系统之外的观察者而言的。如果人处于系统之内，那又怎么能发现偏差、纠正偏差呢？这就需要另一种控制方法——退馈方法。
退馈（Pullback）是指在系统之内的观察者后退几步，做到综观全局、高瞻远瞩，用“广角镜”窥“全貌”，从大系统或巨系统的角度观察和控制系统。如“人站高处觉眼新”、“退一步海阔天空”说的就是这个道理。退馈方法的最大优点在于它适用于及时发现和纠正大系统运行的偏差，有助于人们在应用反馈控制方法时坚持系统整体性原则。退馈方法的应用效果在第三次控制论和系统研究大会上就已经得到公认了。
反馈方法、前馈方法和退馈方法各有特色、互为补充，构成了完整的、多层次的控制方法体系。在实践中不能偏颇于哪一种方法，要根据实际情况，将它们综合运用，这样才会收到良好的效果。
17.3黑箱——白箱——灰箱——泛箱方法