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控制論的內容。

控制論是研究各種系統的調控規律的科學。它是自動控制、通信技術、計算機科學、數理邏輯、神經生理學、統計力學和行為科學相互滲透形成的交叉學科。它研究對象和機器以及各種矩陣系統的通信和控制過程,探討信息交換、反饋調節、自組織和自適應的原理以及改善系統行為、使系統穩定運行的機制,從而形成壹套適用於各種科學的概念、模型、原理和方法。控制論的創始人韋納在其著作《控制論》的副標題中指出,控制論是“動物和機器中控制和交流的科學”。

控制論(Cybernetics)壹詞,來源於希臘語,願掌舵,包含調節、操縱、管理、指揮、監督等多種含義。維納把它作為自己創立的壹門新學科的名稱,意思是它可以避免過於偏頗,“無法滿足這壹領域的未來發展”,“紀念反饋機構的第壹篇重要論文”。

控制論是多門科學綜合的產物,是眾多科學家合作的結晶。然而,控制論的誕生和發展與美國數學大師諾伯特·維納的名字有關。

維納十幾歲時就是壹個天才神童。他11歲上大學,學的是數學,但熱愛物理、無線電、生物、哲學。14歲,考入哈佛大學研究生院學習動物學,後又去學習哲學。18歲獲得哈佛大學數理邏輯博士學位。維納,1913剛畢業,去歐洲跟羅素和希爾伯特學數學。正是在他的頭腦中許多學科的融合產生了控制論的綜合成果。維納在1919研究勒貝格積分時,從統計物理中萌發了控制論。二戰期間,他參與了美國防空火力自動控制系統的研制,提出了負反饋的概念,應用了功能模擬法,對控制論的誕生起了決定性的作用。1943年,維納、畢格羅和羅森布拉特合著論文《行為、目的和目的論》,從反饋的角度研究有目的的行為,發現了神經系統和自動機的壹致性。這是關於控制論的第壹篇論文。這時,神經生理學家皮茨和數理邏輯學家合作,利用反饋機制創建了神經網絡模型。第壹代電子計算機的設計者艾肯和馮·諾依曼認為這些想法對電子計算機的設計非常重要,於是他們建議維納舉辦壹個關於信息和反饋的研討會。1943年底,在紐約召開了這樣的會議。在與會者中,生物學家、數學家、社會學家和經濟學家從各自的角度對信息反饋發表了看法。後來,這樣的研討會被聯合舉辦,促進了控制論的出現。1948年維納的控制論的發表,宣告了這門科學的誕生。

控制論的研究表明,無論自動機器、神經系統、生命系統、經濟系統、社會系統,不論其各自的定性特征如何,都可以看作是壹個自動控制系統。在這種系統中,有專門的調節裝置來控制系統的運行,維持其自身的穩定性和系統的目的與功能。控制機制將指令作為控制信息發送給系統的各個部分(即被控對象),然後它們按照指令執行並反饋回來作為反饋信息,這些信息將作為確定下壹步調控的依據。

這樣我們就可以看到,整個控制過程是壹個信息循環的過程,控制是通過信息的傳遞、轉換、加工、處理來實現的。反饋對系統的控制和穩定起著決定性的作用。無論是生物體保持自身的動態穩定(如溫度、血壓的穩定),還是機器自動保持自身功能的穩定,都是通過反饋機制來實現的。反饋是控制論的核心問題。控制論是研究如何利用控制器,通過信息的變換和反饋,使系統按照人預定的程序自動運行,最終達到最優目標。

控制論是壹種具有方法論意義的科學理論。控制論的理論和觀點可以成為研究各種科學問題的科學方法,即拋開各門科學的物質點,把它們看作壹個控制系統,分析其信息流、反機制和控制原理,往往能找到使系統達到最佳狀態的方法。這種方法叫做控制法。控制論的主要方法有信息法、反饋法、功能模擬法和黑箱法。信息方法把研究對象看作壹個信息系統,通過分析系統的信息流來把握事物的規律。反饋法是利用反饋控制原理分析和處理問題的壹種研究方法。反饋控制是控制器發出的控制信息的再輸出影響實現系統預定目標的過程。正反饋可以放大控制功能,實現自組織控制。但也增加了偏差,導致振蕩。負反饋可以校正偏差,實現穩定控制,但削弱了控制功能,浪費了能量。功能仿真法是用功能模型模擬對象原型的功能和行為的方法。所謂功能模型,就是僅僅基於功能行為相似性的模型。比如獵人瞄準獵物的過程類似於自動槍系統的功能行為,但它們的內部結構和物理過程完全不同,是壹種功能模擬。功能仿真為仿生學、人工智能和價值工程提供了壹種科學方法。黑箱方法也是控制論的主要方法。黑匣子是指那些不能打開盒蓋,從外面觀察內部狀態的系統。黑箱方法是通過考察系統的輸入輸出關系來理解系統功能的壹種研究方法。它是探索復雜大系統的重要工具。

控制論誕生後,得到了廣泛應用和迅速發展,經歷了三個發展時期。第壹個時期是20世紀50年代,是經典控制論時期。這壹時期的代表作是我國著名科學家錢學森於1945年在美國發表的《工程控制論》。第二個時期是20世紀60年代的現代控制論時期。隨著導彈系統、人造星和生物系統的發展,控制論的重點已從單變量控制轉向多變量控制,從自動調節轉向最優控制,從線性系統轉向非線性系統。美國卡爾曼提出的狀態空間法和其他學者提出的極大值原理、動態規劃等,形成了系統辨識、最優控制、自組織、自適應系統等現代控制理論。第三個時期是20世紀70年代以後的大系統理論時期。控制論從工程控制論、生物控制論發展到經濟控制論、社會控制論。1975第三屆控制論與系統論國際會議,討論的題目是經濟控制論。1978第四期,主題轉向社會控制論。隨著電子計算機的廣泛應用和人工智能研究的發展,控制系統呈現出規模大、結構復雜、因素多、功能全面的特點,因此控制論也發展成為大系統理論。在1976年國際自動控制聯合會的學術會議上,討論了“大系統理論與應用”的課題。控制論還形成了工程控制論和生物學。其中,生物控制論分為神經控制論、醫學控制論、人工智能研究和仿生學研究。社會控制論將控制論應用於社會生產管理、高效交通、電力網絡、能源工程、環境保護、城市建議,甚至社會決策。維納1950出版的《人是有用的——控制論與社會》壹書,重點論述了傳播、法律、社會政策與控制論的關系。Ashibe在1958發表的《控制論在生物學和社會中的應用》壹文認為,可以利用非線性系統的控制理論來研究社會系統。

控制論具有非常重要的理論和實踐意義,它體現了現代科學的總體發展趨勢,為現代科學技術提供了新的思路和科學方法。我從20世紀60年代初開始翻譯和介紹控制論,但直到最近幾年才開始對它進行廣泛而深入的研究。在經濟、人口、能源、生產管理等方面。,控制論是用來建立數學模型的。如投入產出模型和人口模型,在應用中取得了良好的效果。

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