第20章 控制论(3)
人们在认识客观世界、从事各种科学研究时会经常碰到各种“黑箱”。
控制论的另一个创始人艾什比在《控制论导论》中说：“所有事物实质上都是‘黑箱’，我们从小到老，一辈子都在跟‘黑箱’打交道”。人的思维器官——大脑、复杂的社会系统及各种工程技术系统都属黑箱。相对黑箱，还有灰箱（对内部结构不完全了解）和白箱（对内部结构完全了解）。所谓黑箱方法，就是不打开“黑箱”，仅从外部考察系统的输入、输出及其动态过程，而不通过直接考察内部结构来定量或定性地认识系统的功能特性、行为方式以及探索其内部结构和机理的一种控制论认识方法。如果说人是一个“知人知面不知心”的黑箱，那么，这个黑箱完全可以通过“听其言，观其行”而“知其心”。这就是一种行为分析办法，运用这种方法就是黑箱方法的应用。还比如，要研究人脑对视觉、听觉信息的传递、变换和处理的功能，我们决不能把大脑打开，只能把它当作一个黑箱，通过输入图像、声音或电信号，观察、分析脑电波的输出反应来得知它内部的具体结构。如果要比较企业的经济效益，基本上也是采用黑箱方法，它只考虑企业的投入和产出，并不追究企业的内部结构、特点等。而且对于科学家们来说，黑箱方法对黑洞的研究和解决“夸克禁闭”问题也具有非常重要的意义。
掌握控制论的黑箱方法，对实际工作大有益处。中医看病通过“望、闻、问、切”等外部观测作出诊断，开出处方。有时遇到疑难病症，可以先开些试探性的药物，观察病人的反应，尔后在原来处方的基础上加以调整，再不断从病人的反应中作出诊断，直至抓住主要病症再大量下药。这种从人体输入和输出的“辨证施治”，就是把病体视为黑箱。
黑箱问题广泛存在于人们的现实生活中。如对复杂的经济系统和社会系统的研究，若用传统的分析方法，则要花费大量的人力物力，甚至超出人力所及。但是采用“黑箱”式的输入——输出模型，只需要观察研究一定数量的输入输出变量，就可以对其进行定量研究，使“黑箱”变成“白箱”。
总的说来，实施“黑箱”方法有如下几个步骤：
（1）通过分析系统输入和输出的关系研究黑箱。
（2）系统分析功能，确定几个可供选择的黑箱模型。
（3）对黑箱模型进行检验和选择。
（4）阐明黑箱的结构和运动规律并加以应用。
一般说来，经典控制论主要强调黑箱方法，而现代控制论则强调白箱方法。白箱是相对于黑箱而言的。就是如果人们对某系统的结构和机理已了解得一清二楚，这样的系统就称为白箱。此外，还可能有介于黑箱和白箱之间的系统，人们对它的内部结构和机理虽然略知一二，但是又不全知，人们就把这样的系统称为灰箱。黑箱方法一般注重从外部考察系统整体的功能，而白箱方法重在同时考察和辨识系统的运动状态和内部结构。灰箱方法也有相当广泛的应用。从一定意义上说，任何事物都包含一定的“灰色”度，都存在人们不能充分了解的地方。
所以人们在订目标时要留有余地，这样就会有一定的灵活性。人们为了提高思维的科学性和预测命中率，在管理和决策中就需要留有一定的“灰”度，正确处理好精确性和模糊性的关系，从而使决策和管理具有一定的灵活性和可调性。因此，灰色系统方法也具有重要的应用价值。
接着又有一些学者提出了“泛箱”方法。一个系统的某些鸟瞰模型和显微模型的统一体就称为“泛箱”。这一方法既观察、鸟瞰系统的外在联系或考察系统的输入输出关系，也注意考察其内部结构，既注意宏观模型，也注意微观模型。在实践中，人们并不是只用哪一种方法，而是视情况不同兼而用之。在这方面，泛箱方法提供了一种可借鉴的科学方法。
总之，白箱方法、灰箱方法和泛箱方法是继黑箱方法之后控制论方法发展的新阶段。如今，从宏观世界到微观世界，从无生命系统到生命系统，从工程技术到社会领域，这几种方法都得到了广泛的、成功的应用。
17.4鲁班发明锯子的启示——功能模拟方法
一说到模拟，想必大家就会想到鲁班发明锯子的传说。2000多年前，我国的鲁班上山砍树，一不小心被茅草叶划破了手，他拿起茅草一看，发现草叶边缘有许多细齿。他从中受到启发，按照小齿的样子，用铁仿制了一把锯。第一把锯就这样诞生了。尽管这只是个传说，但是它却说明，模拟的实践在人类的历史上是源远流长的。类似的例子在历史上还有很多，如对鱼刺的模拟造出骨针、竹针、金属针等，对天然尖状木棒的模拟造出梭镖，对动物角的模拟产生了剑等等，这些都是人类对自然物的一种最简单的模拟。所谓模拟方法就是根据模型和系统原型之间的相似关系，用模型来模拟对象，通过模型来间接地研究系统原型的规律性。随着近代科学的发展，模拟技术进入了一个新的发展阶段。如为了建造一些大型的工程（大型电站、大型水库、轮船、飞机、火箭等），必须首先建造出模型，以研究其可能带来的正负面影响，然后再付诸实施，这样就可以减少因事先考虑不周而带来的不必要损失。采用模型方法必须满足三个条件：相似性（模型和系统原型之间必须具有某种相似关系）；代表性（模型在具体研究过程中要能够代替系统原型）和外推型（通过对模型的研究，能够得到关于系统原型的信息）。
模拟方法是一种传统的科学方法。在控制论中，模拟方法主要是指功能模拟。所谓功能模拟方法是指以不同系统的功能和行为相似为基础，用模型模拟系统原型的功能、行为的方法。控制论的这种方法只侧重功能、行为上的模拟，它并不要求模型与系统原型在结构上完全等同，只要在功能上达到相似或相同就可以了。即它不去深究“这是什么东西”，而是要求“它能做什么”。功能模拟的客观依据是动物、机器、人类社会或其他系统之间存在着功能和行为的相似性。没有这个条件就谈不上功能模拟。由于这些特点，功能模拟可以应用于许多不同的领域，如生物界、社会、技术系统甚至人的思维。
现在，随着科学技术的进步，功能模拟已发展到了智能模拟。智能模拟是指用电脑来模拟人脑的部分思维活动的功能。人脑的内部结构非常复杂，人类至今还未弄清其全部生理构造。但由于控制论的启示，人们可以撇开人脑的生理结构，只对它的功能进行模拟。它只要求电脑能取代人脑的部分劳动，而不要求它在形态和生理结构上与人相同。
机器人就是这样诞生的。此外，仿生技术也得到了广泛的应用。从某种程度上说，仿生也就是一种模拟，如人类根据蛙眼的功能制成了“电子蛙眼”模型；根据蝙蝠的耳朵可接受超声波的功能制造出盲人探路器等；人们还依据能够嗅出200万种不同气味的狗鼻子，制成了“电子警犬”，用来检验和测定各种不同气味，用于仓库、油库、工厂、手术室等进行气味检测。这种“电子警犬”，某些方面甚至比狗的嗅觉还要灵敏得多。
18.控制论已扩展到社会、经济、思维等领域
20世纪50年代以后控制论获得了快速发展。大家知道，控制论的产生来源于机器与动物的类比，而现在控制论的发展却远远超出了这个范围。控制论在其发展中一方面不断综合新的理论和方法，另一方面又不断将这些理论和方法应用到更加广阔的领域中去，使控制论大踏步地向前发展。
18.1控制论的纵向发展
在纵向方面，控制论的发展大致经历了如下三个阶段：
1）经典控制论（即第一代控制论）
经典控制论是20世纪40年代末至50年代发展起来的，主要研究单因素控制系统，基本分析方法是传递函数和频域法，研究的重点是反馈控制，核心装置是自动调节器，着重解决单机自动化或局部自动化。
例如，用自动调节器来控制锅炉的水位、发电机的电压及电动机的转速。更为复杂的控制系统有大炮的自动瞄准，飞机、舰艇的自动导航和舵位控制系统等。
经典控制理论应用于工程实践，最成功的例子是美国的陆军于1944年发明的自动防空火炮系统。该系统中包括雷达自动搜索和跟踪目标（敌机），同时控制高炮自动对准飞行中的敌机，自动计算出炮弹发射方向，自动装入定时起爆引信，炮弹自动上膛和发射，直到击落敌机或敌机逃跑为止。这样一个复杂的作战过程，居然能够全部自动化，而且比人操作更灵巧，命中率也高得多，在当时看来的确是个奇迹。
2）现代控制论（即第二代控制论）
现代控制论是20世纪60年代初发展起来的，主要研究多因素控制系统，基本分析方法是状态方程、时域法，研究的重点是最优控制、随机控制、自适应控制，核心装置是电子计算机，着重解决机组自动化和生物系统。现代控制论是随着导弹、人造卫星、航天工程、高能物理、电子计算机等科学技术的迅猛发展而出现的。
3）大系统理论（即第三代控制论）
大系统理论是20世纪70年代中期发展起来的。主要研究内部因素众多、机制复杂的控制系统，研究的重点是大系统多级递阶控制，核心装置是电子计算机联机系统，着重解决综合自动化和社会系统（包括经济系统、管理系统、生态与环境系统等）。大系统研究主要有两个方向：即巨系统和人的神经系统。因为大系统理论可以用来解决大系统最优设计、最优管理和最优控制等问题，所以在国际上受到了日益广泛的重视。随着大系统理论的发展，控制论也已不仅仅是研究动物和机器的控制与通信问题，而进入到政治、经济、军事、环境、医学、社会学、心理学，甚至哲学、美学和艺术等各个领域。目前，控制论已经成为一门具有广泛适用性的方法论学科。
18.2几种应用控制理论的类型
从20世纪40年代末控制论形成至今，经过半个多世纪的发展，控制论已渗透到了人类活动的各个领域，形成了以理论控制论为中心，包括工程控制论、生物控制论、社会控制论和智能控制论四大分支在内的庞大的学科体系，是与信息论、系统论同时期形成的、具有浓厚方法论的横断科学理论。
1）工程控制论
工程控制论，也就是人们通常说的控制理论，是我国著名科学家钱学森创立的。1954年，他的专著《工程控制论》出版，标志着这门学科的诞生。该书从技术观点出发对各种工程控制系统的自动控制原理作了全面总结和探讨，奠定了工程控制论的基础，指出了工程控制论的发展方向，推动了自动化技术在工程中的广泛应用，是世界所公认的工程控制论经典著作。与控制论其他分支比较起来，工程控制论是最早形成的一门学科，其研究方法也最为成熟。而其他控制论分支大多是借鉴工程控制论的分析方法，在各自领域内开展研究。工程控制论是控制论的基本理论和方法与反馈放大器理论、伺服机构理论相结合的产物，是电子线路、电力机械、气动和液动等自动化系统的理论基础。随着计算机的发展，该理论在思想、理论和方法上有了新的发展。
2）生物控制论
生物控制论是一门崭新的边缘学科，其基本思想就是根据控制论的思想和方法，研究生物体各部分以及生物体内与周围环境之间的信息传递、加工和自动调节规律以及有关生物医学的信息加工和控制问题。20世纪60年代以来，随着现代控制理论和大系统理论在生物学中的广泛应用，生物控制论的研究对象不断扩大，开始向研究更复杂、更综合的生物系统的方向发展。由于研究范围的扩大和深入，形成了医学控制论、神经控制论等分支。主要研究目的有两个：一是将其他科学方法和技术用于生物科学，以弄清这些生物控制系统的机理和规律。
二是运用生物在亿万年的进化过程中形成的极其灵敏、完善的控制方式，为仿生控制论提供丰富的思想源泉。
3）社会控制论
社会控制论的基本内容是把控制论中取得的丰硕成果推广应用于社会的生产管理、交通运输、能源管理、资源开发、环境保护、城乡建设以及人类社会的各个方面。控制论研究者认为，人类社会是一个充满活力、生机勃勃的自适应、自组织系统，存在着内涵丰富的信息交流和反馈机制。社会控制论不仅从整体上研究社会发展的内在规律，而且运用控制论的基本原理分析各类复杂的社会现象，比如说国家领导体制的改革，社会精神文明的建设、社会犯罪问题的综合治理等。目前，控制论已广泛应用于社会学、经济学、法学以及国家管理、企业管理、军事指挥等不同的社会领域。例如，运用控制论研究复杂的社会经济问题的经济控制论，就是运用控制论的基本原理和方法，结合系统工程、运筹学等当代科学技术手段，把社会经济作为一个动态系统，通过系统辨识，建立经济模型，对社会经济作出定性、定量的分析和预测，并由此得出计划和管理经济的最优策略。
4）智能控制论
智能控制系统是要研究智能的模拟问题。在智能控制中，最主要的使用人工智能。人工智能是使用控制论的观点，把计算机和人脑进行类比，用计算机模拟人脑（包括神经系统）的功能，探索和模拟人的感觉及思维过程的规律，以便用机器来承担通常需要人的智能才能完成的任务。为了实现这个目标，控制论与自动机、神经网络与脑模型、仿生学、人工智能等学科结合在一起，形成了智能控制研究的多种途径与方法。智能控制系统的产生，是由于人类实践的需要和科学技术自身逻辑发展的必然。实践的需要是指为了适应生产和科学的发展，需要有智能控制论的产生。目前，智能系统的研究已见成果，已经能够通过智能机器来模拟人的某些智能活动。例如，人们研制出的智能机器主要有：学习机、识别机、翻译机、联想机和智能机器人等。