控制论国内外发展情况

控制论国内外发展情况

1控制论的创立和发展上世纪30年代末起以哈佛大学医学院教授、墨西哥生理学家

A.罗森勃吕特（Rosenblueth）和美国马省理工学院数学教授N.维纳(Wiener)

为首、不同领域的‘一群科学家来’，每月一次举办的关于科学方法论的讨论会。A.罗森勃吕特N.维纳2会议的讨论非常激烈，以至于人类学家玛格丽特•米德

(MargaretMead)在一次会议之后才发现她在会上把自己的一颗牙咬坏了。后来的会议就较为平和了，因为大家有了一系列共同的经验，语言趋向一致，可以互相理解了。3上世纪的第二次世界大战前后通信和自动控制技术都得到了迅速的发展。在这些技术的各自领域里分别提出了一些理论，都积累了丰富的经验。一百多年来以调节和反馈为核心的控制和自动化技术发展为控制论的发展，提供了工程对象（即维纳所称的‘机器’）的控制理论和大量实用成果。用逻辑语言（逻辑代数）来研究开关电路系统的专著也已经在六十多年前问世了。4图6-6生物神经元示意图神经生理学家早已发现神经元和神经系统的“全或无”法则。而神经元的这种特性，类似于电路中的替续（继电器）式特性、计算机中的触发器特性。这推动了思维过程模型化的工作。5

科学的发展使专业领域（行业）分工非常细，各学者只关心自己的领域，不侵入别人的“领地”，以至于同一概念在不同领域重复着，有着不同的名称。一个领域里的有些新概念，在另一领域已经成为‘古典’的了。专业化成为了一种必需，也是一种枷锁.61941年起，维纳受美国政府的委托研究高射炮自动瞄准飞机，这就是他的著名的维纳控制系统统计动力学和滤波及预测方法。依此来设计由雷达控制的各种高射火炮的俯仰角和方位角控制，以自动跟踪高空的高速飞机进行命中射击，在第二次世界大战中曾立下赫赫战功。

7生物体的内分泌与会者发现在完全不同的领域里，有些概念是相同的：譬如生物体内的稳态（homeostasis）。机器的稳态（steady-state)，电气工程和高等数学中的特别积分---稳态解,

都是一个概念。

动物体内这个稳态恰可以与工程控制系统中的稳态相类比。这个概念的建立，意味着人类对生命活动的认识进入一个新阶段。

8上世纪1943年冬1944年初之间由维纳和博弈论及二进制计算机创始人J.冯.诺依曼（vonNeumann）发起在普林斯顿召开了对信息与控制(控制论)的全面讨论会。其中包括数学家、生理学家、心理学家、社会学家和经济学家、工程师等；

9

۞二次大战结束后1946~1953年间由梅西基金会（MacyFoundation）发起的一系列关于反馈问题的讨论会，对控制论的发展产生很大的推动作用。其中1946年春在纽约举行了一个规模适度的“生物和社会系统中循环因果和反馈机制”问题的专题讨论会。

与会者发现认识到人的行动和目的：从神经系统出发进入肌肉，然后通过感觉再进入神经系统的环形过程；《行动、目的和目的论》论文(1943)首次用反馈和闭环回路来代替目的论的神经生理行为。10反馈基本概念

的推广人手从地上拾起一枝铅笔手的震颠（目的震颠），不能拾起铅笔，是由于小脑受伤；这种情况与 自动控制系统的自振荡很相似。手不能拾起铅笔还可由于所谓“运动共济失调”病，由于梅毒 引起的脊髓痨）心跳、血压、体温等自动调节系统11早在1944年以前，围绕维纳和罗森勃吕特的一群科学家就已经认识到有关通信、控制和统计力学

的一系列核心问题的统一，不管这些问题是机器中的还是活的机体中的。他们发现关于这些问题的文献缺乏统一，没有任何共同的术语，甚至没有一个称呼这个领域的简单名称。这不适宜于这个领域未来的发展。121947年维纳将反复讨论的学科命名为Cybernetics，他是从希腊字ή（相当于英文字“governor”原意为“掌舵人”、“驾驭者”）引用来的，汉译为‘控制论’。并于1948年出版了他的震动世界学术界的题为《控制论：或在动物和机器中的通讯和控制的科学》（CyberneticsorControlandCommunicationintheanimalandthemachine）的著作。这宣告控制论作为一门科学的诞生。13Cybernetics这个词是从希腊语的舵手steersman

或

helmsman（相当于英文字“governor”）。(以纪念J.Maxwell的“OnGovernors”论文“关于调节器”---1868年）“控制论”被认为是综合性、边缘性、基础性的科学。

14反馈方法反馈概念已经发展成为一种处理问题的方法，称为反馈方法。其含义是将系统结果（输出）的一部分，经过处理后再送到输入端，以调整系统的再输出。用维纳的话来说，就是根据过去的操作情况去调整未来的行为。反馈方法已成为人们观察和出处理问题的重要思维和方法之一。无论什么科学都用到它。15例如，一本控制论的教科书自称“重点在‘现代控制理论’”；国外著作《ThecontrolofPerception》被译为《认知控制论》，“量子控制论”论文的英文标题被译为“quantumcontroltheory”，译著者可能有其理由，但很易使人将控制论与控制理论等同起来。发生这类情况较多。有的论著宣称控制论就是‘控制的理论’；更有部队新战士入伍，按条例要将头发剃短，这当然有一番道理，形成论文“头发控制论”发表。对于控制论的理解上存在一些失误：（1）控制论=控制理论=控制的理论

=需要进行控制的道理和议论；（2）控制论是…一种“方法论”…。什么是控制论？16首先，按照控制论的创始人纳维的定义：控制论(Cybernetics)是研究动物、机器和社会等系统中控制、反馈和通讯的共同规律的科学。

没多久“动物”二字就被“生命体”所替代。德国生物控制论学者Drischel,H.说过，到1973年一共提出过超过100个“控制论”的定义。17目前“控制论”的定义适宜更新表述为：利用经典和现代控制理论以及智能控制和人工智能的技术对复杂系统的通信和控制进行研究的科学；复杂系统包括工程系统、生物系统（包括大脑活动）、自然系统和社会经济系统等。18

“在科学的发展上可以得到最大收获的领域是各种已经建立起来的部门之间的被忽视的无人区。...。正是这些科学的边缘区域，给有教养的研究者提供了最丰富的机会”。罗森勃吕特和维纳共同认为：图1-8

哲学家眼中的控制论科学体系无人区哲学数学医学社会学数学生理医学社会学哲学工程19

控制论

（1948，1961）

生物控制论、医学控制论、

神经控制论

军事控制论（上世纪60年代）经济控制论（1975）管理控制轮社会控制论（1978）人口系统控制（1979）

工程控制论

（1954）自然控制论？（上世纪90年代）生态控制环境控制资源系统气候系统控制论的发展控制论在世界范围内推动了有关学科的发展，并孵化了一批新的学科，即控制论发展出各分支：

图1-4作出突出贡献的中国科学家钱学森20

目前在管理控制论的范畴内，就有财务、金融、会计、通货、成本、产品质量等二十几种控制论的论著发表。国际上通行的做法是只有够得上分支或亚分支的才冠以“某某控制论”。对较小问题的控制论成果的表述方式为“基于（或应用）控制论对….的研究”（…Cyberneticapproachto…）。因此，国内“某某控制论”的‘提法’似乎太多，已经成为国内有关学术界一种值得注意的倾向。学者们应用控制论的观点、方法试图解决某一具体问题，有一定的新见解，不等于已创立一个新的“控制论分支”。哪些够得上新的分支是较为慎重的事情，应由广大控制论学者、专家在大型专业会议上讨论来得出大多数人认同的结论。21控制论的方法论

控制论和其他独立的学科一样，有它自己独特的方法论。方法论从学科中提炼、升华出来，但它又不是学科本身，两者不能混同。本书认为，控制论的方法论可以归纳为：它强调对不同部门的系统进行信息分析和研究信息的处理、加工内容及过程，确定输入、输出；对系统进行闭环和反馈及其因果性质的分析；通过‘黑箱’和功能模拟方法建立系统的模型，探讨系统的特性等；采用计算机进行仿真；采用类比的方法引进其他部门系统中有用的思想，如进化、适应、自繁殖、自组织、最优化、特别是智能等来控制该系统以制造、培育、创建出能满足人们目的、更好的新机器（人造系统）。221经典控制原理与方法反馈控制和扰动补偿

系统模型与时域分析法

传递函数与频域分析法控制系统分析与综合2非线性系统控制方法

相平面法描述函数法分叉与混沌

现代频域分析法3现代控制理论与方法

状态空间模型能控性与能观性状态估计系统辨识最优控制自适应控制与预测控制大系统理论与系统工程4智能控制方法

人工智能与模式识别模糊控制神经网络专家控制学习控制智能算法智能系统

控制论学者的“工具箱”：23

控制理论应是自动控制理论，但它仅是控制论所应用的一种工具或方法，基本方法应包括有经典控制理论、现代控制理论、大系统理论、智能控制和智能系统四者的原理与方法。而钱学森1954年旅美时出版《EngineeringCybernetics》（中译本《工程控制论》）是控制论用于工程和物理系统，是分析、设计自动控制系统的理论和技术，一般认为工程控制论也即是自动控制理论。

控制论与控制理论♣24三论“系统论”、“信息论”和“控制论”自动控制系统是动态系统的一个代表。“系统”本身是“系统科学”这个科学技术部门的研究和应用的对象。其中直接用于改造客观的工程方法和技术，称为系统工程。而其中用于揭示系统普遍性质和一般规律的基础科学，称为“系统论”。“系统论”、“信息论”和“控制论”一起俗称“三论”，以“三论”为代表的新兴学科及其所孕育的科学方法论，是20世纪以来最伟大的科学研究理论成果之一。它的崛起为人类认识世界和改造世界提供了新的有力的武器。♣25

然而，控制论的整个或部分观点，一开始在前社会主义阵营多数国家受到官方支持的某些学者的抵制和批判。1956年的前苏联《大百科全书》称控制论为“反动的伪科学”控制论的历史遭遇♣26一本前苏联1954年再版的著名的自动调整（控制）教科书的绪论（中译本）称：“控制论者的主要目的是要用机器来代替人，而在思想活动方面要建立一支能服从帝国主义需要的思维的机器。…”。幸好出于意识形态的偏见和自然科学和社会科学‘水火不容’的这种教条在上世纪50年代中期后通过学术讨论逐步被克服。后期前苏联则企图用控制论改进其中央计划经济体制。27《人有人的用处，控制论与社会》（TheHumanUseofHumanBeings,CyberneticsandSociety）

这是1950年维纳在出版的小册子，其中，着重论述了通信、法律、社会政策等等与控制论的联系。进一步认为控制论在社会系统中应用的可能性已经出现。28控制论的其他概念

认知控制必需变异度定律

自组织系统二阶控制论29Macy基金会支持的这些会议的主席、MIT教授沃伦•麦卡洛克（WarrenMcCulloch）是扩大控制论范畴上的一位重要人物。认知控制30神经生理学

Neurophysiology

+

数学

Mathematics

+

哲学

PhilosophyW.麦卡洛克作为一位经过训练的精神病专家，他将自己在神经生理学、数学与物理的知识结合起来以更好地理解非常复杂系统。31…而知识通常被认为是不可见的，是抽象的，麦卡洛克

认识到知识是在人体的一个物理器官中形成的，即大脑。心灵（mind

）事实上是大脑与想法、物质的与抽象的，科学与哲学的交汇处。32

物质的 抽象的

BrainMind Knowledge

大脑心灵 知识心灵事实上是大脑与想法、物质的与抽象的，科学与哲学的交汇处。33实验认识论ExperimentalEpistemology麦卡洛克根据自己对物理与哲学交集的研究建立了一个新的领域。他将此称为”实验认识论“(Experimentalpistemology)，用神经生理学来研究知识。目的在于要解释神经网络的活动是怎样产生我们所体验的感觉与想法的。Philosophical

哲学的Physical物理的34最早的人工神经元模型是M.麦克洛克（McCulloch）与W.皮茨（Pitts）于1943年提出的论文

《内在于神经活动中的思想逻辑计算》

（Alogicalcalculusoftheideasimmanentin

nervousactivity），

一般简称为M-P神经元模型，它可以完成

“与”、“非”、“或”等基本的逻辑运算，是目前

许多神经元模型的基础。刊于《MathematicalBiophysics》,5:115-133pp.18-27（1943）。35一个重要的概念就是必需变异度律。当一个系统变得越来越复杂的时候，系统的控制者一定也要变得更为复杂，因为有更多的功能需要调节。换言之，要调节的系统越复杂，系统的调节者就必须越复杂。LawofRequisiteVariety必需变异度定律

W.R.阿什比

（Ashby）提出36同样的原理适用于活器官。人类具备任何一种动物中最为复杂的神经网络与大脑。这使得人能够从事许多不同的活动，具备复杂的身体。37.相反，某些动物，例如海星….海参

...…还有海葵就没有中心大脑，而只有简单的神经网络，要调节简单的身体及这些海洋生物的功能，有这些就足够了。总而言之，生物体越复杂，大脑就需要越复杂。38调节锅炉这样的复杂对象，需要多个调节器解耦控制

去耦装置1给水流量W蒸汽温度

汽包水位H

控制器1

执行机构1燃料量B

控制器2

执行机构2

去耦装置2锅炉对象的2输入量2输出量部分框图39必需变异度律不只可运用于控制机器和人体，还可用于社会系统。例如，为了控制犯罪，不需要也不可能警察与公民的比例为1：1，因为警察并不需要管公民的所有活动。警察只需要管违法的行为就可以了。因此，每1000个公民有1－2名警察就可以控制违法行为了。40在这个例子中，调节者与被调节的系统之间的相互吻合不仅在于增加了调节者的复杂度，而且在于减少了被调节系统的复杂度。也就是说，我们不需要增加警察的数量，只要决定被管理的人的少量的必需行为就可以了。41Self-OrganizingSystems

自组织系统生物体就是一种典型的和天然的自组织系统。它们能自动修复缺损和排除故障，以恢复正常的结构和功能。

壁虎受到袭击时,常自断其尾,以保全性命。断掉的尾巴,不久又会重新长出来。42

自组织系统就是一个在走向平衡的过程中更有组织的系统。

R•阿什比

观察到每一个系统，只要它的内在过程或者互动规律没有变化，这个系统就是一个自组织系统。控制论导论

1958

Entropy熵:Aprobablisticmeasureofvariety.熵值越大，混乱无序的程度越大。43

例如，一群散乱地站着在等车的人…

…车来了，他们会自动排队，因为过去的经验告诉他们排队是一个让大家得到服务的实用而公平的方式。这些人就组成了一个自组织系统。应用到社会系统44即使一瓶混合的沙拉油和醋也是一个自组织系统。摇动一会儿后，这瓶油暂时就混合成一种稳定的液体了。当沙拉油趋于平衡后，混合液体的结构发生了变化，油醋自动分离。我们说混合液体组织了自身。45沙拉油和醋分离扰动—摇动沙拉油和醋混合成稳定的液体调节混合液+-46自组织概念导致了一个普遍的设计原理。为了改变一个物体，将物体放入到一个环境中，其中物体与环境的互动改变物体，成为你所想要的物体。我们再来看一个例子…

47你会了解：“孟母三迁”

为什么？在每个例子中，已知的系统互动规律都被用来产生出想要的结果。48实际孟子模式孟子孟母环境+-孟母所要求的孟子模式搬迁49

控制论不只是讲对机器的反馈控制和通信可以应用到生物、社会；事实上生物、社会这些方面的控制论概念：自组织、自治（主）系统、自繁殖、自学习（智能）、自适应和进化等使机器控制的研究出现新的局面。控制论各分支间概念、思想互相移植例如自组织控制系统，自适应控制系统等等。۞50控制系统中引用（移植）了生物系统中的自组织、自适应系统的概念，建成如自适应控制系统，自适应的变结构系统、自寻最优调节器、控制器参数自调整的控制系统等等。器官移植手术中其它如‘繁殖’的概念，形成‘黑箱’方法促成系统辨识分支的发展;“移植”、自学习（智能）的概念，促成人工智能、智能控制系统的发展。۞51自动控制系统的自组织（自适应控制系统）自组织自动控制系统自寻最优的自动控制系统自整定PID参数的自动控制系统自调谐调节器（self-tuningregulator）图5-19自校正控制系统结构框图521960年代晚期，美国的控制论专家H·冯·福埃斯特

(

HeinzVonFoerster).,.

..

二届控制论的创意者

二级控制论

SecondorderCybernetics53..…上述几人开始将控制论的原理运用于理解观察者的角色。这被称为二阶控制论。二阶控制论StuartUmpleby54.一阶控制论研究的是被控制的系统，二阶控制论研究的是自治

(autonomoussystems

orself-reference)系统。55将控制论原理运用与社会系统引起了对系统观察者的角色的注意…观察者的角色

RoleoftheObserver56.观察者在试图研究和理解一个社会系统时，是无法将自己与系统分离开来的，也无法阻止自己对系统产生影响。♣要忽视观察者的角色就不可能了。57例如，像著名人类学家玛格丽特•米德

这种研究人类及其文化的科学家，肯定会对她所研究的人群产生影响的。因为她就居住在自己所研究的社会中，居民们会自然地、时不时地想要