控制论及其成就 [复制链接]

第5版()
专栏：学术研究

控制论及其成就
陈芳允　胡世华　刘世熠　王传善
控制论是研究机器和生物中的控制与通信的科学。它是工程技术和生物科学互相渗透互相影响的结果。它为设计高级自动化机器开拓了广阔的前景。控制论机器已经在军事、工业和科学研究中开始发挥其特殊作用。资产阶级“学者”和少数科学家对控制论的唯心主义观点，使控制论披上了一层荒唐神秘的外衣。我们在肯定控制论的成就的同时，必须坚决反对关于控制论的形形色色的唯心主义谬论。
控制论是近十余年来国际上最重要的新兴科学之一。它是研究机器和生物中控制和通信的科学。它的作用影响到自动控制、电子计算机、无线有线通信、生物、心理、医学以及交通运输等各个方面。从发展来看，这种影响今后还会更深、更广。
控制论的内容
控制论既然是研究机器和生物中的控制与通信的科学，那么，有关机器和生物中的控制与通信问题又有些什么共同的东西呢？看起来基本有下面一些共同的科学问题：一、控制的问题；二、信息传递的问题；三、信息加工的问题；四、自学习和自组织的问题。
控制的问题过去在自动化工程技术方面已经研究得很多了，主要是反馈控制的问题，构成了自动控制理论的基础。生物机体，特别是动物体中一样有控制问题。它们比一般的工程控制更灵活，而且能适应环境的变化。近年来发展起来的自适应控制就更接近生物的控制特性。
信息传递虽然原来是在通信工程技术中发展起来的，但它不仅仅在工程技术方面，而且在生物机体中一样有信息传递的问题，一样有信息的变换、编码、接收，以至抗干扰等问题。
信息加工本来是人的大脑所固有的一种功能，在现实生活中也往往是由人来进行信息加工的，例如人们进行语文翻译，整理实验数据与推导数学方式等都是信息加工。电子计算机制成以后，用机器也可以实现信息加工。后来又发现，一些生物的器官本身就有初步的信息加工的作用，这又启发了科学家们来研究试制模拟生物的感觉官能的信息加工机器。
自学习和自组织的性质是生物所特有的。生物通过对其所处环境的逐步了解，积累经验，不断改进自己对环境的适应能力。生物能修理和组织自己的机体，经过学习还能在一定程度上稍为改进自己的机体组织以适应环境，通过遗传而不断进化。机器能不能也做到这些呢？当然做不到，但是让机器具有某种特定的自学习和自组织的能力却是一个具有科学价值和现实意义的问题。
这四方面的问题是互相联系的。它们是探讨机器和生物中的控制与通信的必不可少的研究问题，并构成了控制论的基本科学内容。
还可以从不同的角度来研究上述问题。从工程技术的角度研究它们时，就更多地偏重于工程实现和控制论原理的应用方面。这就形成了通常称为“工程控制论”的一支学科。从生物的角度来研究它们，主要着重于研究生物的控制和通信机理，包括研究大脑的作用、神经系统和生物感觉及效应器官的功能。这就是通常称为“生物控制论”的一支学科。从理论概括的角度来研究这些问题的时候，往往要把研究的对象抽象成为数学模型进行研究，同时也可以通过一定的实验来验证理论。这部分学科可以称为“理论控制论”或者“分析控制论”。
（一）工程控制论。它是我国科学家钱学森首先提出来的。由于他的著作发表得比较早，还没有能包括最近十年发展起来的一些新问题，而主要讨论了传统的自动控制理论，即反馈原理。通过反馈的作用可以保持控制系统调整在某一恒定值，也可以消除控制系统对某一输入信号的反应的误差。例如，用雷达跟踪飞机的时候，雷达设备中的自动控制机构就是依靠反馈的原理使得雷达天线自动转动，保证天线波束和飞机间的角度误差为最小。这种反馈控制的方法构成了将近二十年来自动控制的基本的方法，也是工程控制论的最早的一个基本内容。电子计算机的应用使得自动控制技术起了一次革命，许多复杂的控制任务赖以完成。如电力系统的经济调度需要根据系统的负荷情况来分配各电厂的发电量以保证燃料的消耗为最少，这个任务用简单的反馈系统是没有办法完成的，需要进行复杂的计算。电子计算机卓越地解决了这个控制问题，而且做得比人还好。电子计算机和电子计算机控制也是工程控制论的一个内容。严格地说，反馈控制和电子计算机都是在控制论完全形成之前就已经有了的，早就比较成熟的。它们虽然都是工程控制论的一部分，但是目前工程控制论所研究的更多偏重于一些新的更为高级的控制问题。
在工程技术中，有很多问题过去用机器是难以解决的。机器一般只能根据设计者所规定的方案和步骤来工作，在很多情况下设计者对机器所将要工作的环境不太清楚，就难以设计出一台优良的机器。对于人来说情况就不一样，他可以在一个完全新的环境中工作，通过实践逐步积累经验。人能够抽象出概念，能够进行逻辑推理。能不能设计出一类机器使它们能够部分地模拟人的智能呢？这是许多科学家和工程师所梦寐以求的。用机器模拟人的智能问题的关键之一，是如何使机器能象人那样也会“学习”。一九五九年赛缪尔设计成功了一架会学习下棋的机器，这台机器在开始下棋时走得很不高明，但它能在失败中吸取教训，累积经验，经过十到二十小时的对弈之后，它竟然能战胜了它的设计者。后来又出现了一些其他的有“学习”能力的机器，如罗逊勃拉脱的“感知器”等。除了这些专门的“自学习”机器之外，用通用电子计算机也可以为它们编排“学习”的程序，使得计算机能在运算中自动改进计算程序。这种“自学习”机器的研究构成了近年来工程控制论的一个主要内容。最近“自学习”的问题又发展为“自组织”的问题，即不仅要使机器会“学习”，而且要使机器会“自己组织结构”，“自己修理故障”等。本来，“自学习”系统也一定是“自组织”的，但“自组织”的范围要更广一些。
机器在工作的时候，总是处在某一个特定的环境中，机器从环境接受信息，并通过机器的输出信息而反作用于环境。机器和环境的联系是通过信息的交换的。对于不同的环境应该设计怎么样的机器，机器对于信息的加工过程又是怎样呢？这个问题是信息论所讨论的问题的发展，是现在工程控制论的另一个重要内容。用机器识别语言，识别文字和图案，对情况进行分类和判别等是信息加工问题的一种类型，在科学上通称为“模式识别”问题。机器翻译，机器自动检索科学技术情报等，也都属于信息加工问题。信息加工的机器可以是“自学习”的，也可以不是。假如机器的设计者对于所需加工的信息事先有足够的研究了解，已经知道信息加工的最好的方法，那么就可以设计一台规定它加工方法的机器。否则就要设计一台“自学习”的机器，让机器自己找出合适的信息加工方法。
机器在工作的时候往往需要和人一起共事。实际上很多工程系统中往往是许多人和许多机器共同工作。因此需要解决人和机器的协调匹配问题。如在空战的时候歼击机驾驶员和飞机的控制机构共同组成了飞行的控制系统，为了使飞机设计得作战性能更好，就需要把驾驶员的控制特性和飞机驾驶机构的特性合在一起来考虑。其他如大型企业的集中控制系统，防空系统等在设计中也都有类似的问题。这类所谓“人——机系统”问题和与此性质近似的所谓“系统工程”问题也都是工程控制论的研究领域之一。
（二）生物控制论。根据维纳的意见，生物控制可以分成神经控制和医学控制两个方面。这样分法也未必恰当，因为有些问题也很难算是属于这两方面的问题。我们觉得，可以把生物控制分为下面两个方面（先暂时不加命名）：
生物控制论的第一方面，主要是讨论生物体内的信息传递和信息加工的问题。这方面很多年来一直是以神经元和神经系统的研究为中心，从实验上研究了神经元的功能，并且提出了一些神经元和神经系统的数学模型。人脑的思维作用一直是科学家们企求阐明的，曾作了不少探索，但尚远不能称为成功，由于人脑的信息加工以统计与逻辑为运算基础，而且这些运算又主要是非线性的，因此它的模拟研究便特别复杂。生物器官的信息加工的研究也是开展得很多的工作，并且取得了一些有趣的结果。例如，对青蛙眼睛的研究发现蛙眼对感觉到的形象有初步加工作用，它仅仅分辨出四种不同的情况，以便能区分可吃的昆虫和危险的敌人，并不象人们以前所想象那样它能真正看清楚昆虫或其他物体的形状。
生物控制论的第二个方面，主要是讨论生物体的恒室内环境的保持，自我调整与自学习等问题。我们在日光下能见雪而在无月的星光下也能见物，表示人脑有惊人的自我调整能力。在整个信息流中，人常仅采用其一部分便能进行仔细的中枢加工，表示人脑有惊人的自学习能力。活的有机体的高度自我调整与自学习机能主要靠反馈，但反馈有不同的水平，它们常常是复杂原始反馈与多级适应反馈叠加的产物，而阐明上述机制的确具有十分重要的意义。此外，遗传与进化也是生物所特有的，探讨这些问题也有重要的控制论意义。
生物控制中有许多问题和工程控制是有交叉的。例如，前面提到过的“人——机系统”问题。人是生物，机器是工程产物。人和机器在一起既有生物控制的问题也有工程控制的问题，可以从不同的角度不同的重点来进行研究。因此，既可以算它是生物控制论范围，也可以算成是工程控制论范围。
（三）理论控制论。从上面所介绍工程控制论和生物控制的主要内容来看，虽然它们的具体研究对象不同，但基本问题的性质仍是类似的，主要还是我们在前面已经指出的四类问题：控制的问题，信息传递的问题；信息加工的问题，自学习和自组织的问题。显然，这些问题可以抽象成数学形式来进行研究和分析，也可以用物理模型来实验。例如，自动机的理论就涉及到大量的数学问题，是以数理逻辑和算法论为其基本数学基础。关于信息加工的基本理论的研究也是重要的内容，这方面的问题原来是从信息论发展起来，应用到随机过程和数理统计的数学工具，现在已经超出传统的信息论的范围。在实验方面用计算机模拟学习过程是多年来的重点工作，最近据报道国外还进行了生物遗传和进化的模拟实验。理论控制论的发展是十分快的，现在有很多问题已经走在工程实践的前面。
除了上面所介绍控制论的三方面内容之外，我们还必须提到另外一个重要的新学科——仿生学。自然界生物的机构最为奥妙，生物的控制和通信远远优于人造的任何机器。因此，摸清和模拟生物的控制与信息加工机理，并设法推广到工程技术中去应用是一个重要的科学任务。这门科学就是仿生学。仿生学既有生物控制论的内容，又有工程控制论的内容，它正如一座桥梁，架在二者之间，沟通了二者的交流。仿生学的研究对于促进工程技术的发展有很大的作用。
控制论机器
有许多人认为控制论很玄妙，但没有什么实际用处，事实上并不是那样。控制论的研究不仅在原则上指出了工程控制系统和自动机器的发展方向，提出了新的理论基础和设计方法，而且实际上在工程技术上已经起了很大的作用。控制论的原理已经被应用来设计一些十分复杂的工程系统。根据控制论的方法已经设计出来一系列新的自动机器——控制论机器。
所谓控制论机器（信控机器）是泛指一些能够部分地拟模生物的智能的实用的机器（不是模型和玩具）。这些机器绝大多数通过电子技术来实现，也可以被看作是一些特殊的电子计算机，也有一些控制论机器是以通用电子计算机作为它的一个核心的组成部分的，因此有些文献也就把它们称做计算机。
目前已经研究并制造出来的控制论机器，主要有学习机、模式识别机、逻辑机、信息加工机以及设计机等等。下面介绍几个应用的例子，至于它们的工作原理则比较复杂，一时不易介绍清楚，只好从略了。
工业产品的质量检查是一项重要的工作。对于电子设备来说，这工作不仅重要而且非常复杂。现代一些大型的电子设备和电子仪器在生产的时候需要大量的人力来进行调整检查。根据国外文献的报道，最近已经有些企业应用逻辑机器来代替人来做这个工作。有一个电子计算机工厂应用逻辑机自动检验计算机部件，提高劳动生产率四十倍。另一个电子设备工厂用逻辑机器进行电子仪器和部件的自动检验，节省了大量费用。
自动控制对象的特性有时候是很复杂的，控制系统的设计者有时候不能对它知道得很清楚。例如化工、冶金等生产过程的控制特性，就还没有搞得很清楚，也有些控制对象事先根本不可能知道它的特性。这时按照既定程序工作的电子计算机就很难发挥其理想作用。已经研究出一些“自学习机”来控制这类生产过程，并取得较好的效果。最近有的国家研究成功了一台“自学习机”，据称能控制任何不知道特性的对象。也有的国家的科学院宣称研究成功一种“自学习”机器能进行油田含油层的判别，比有经验的工程师可以减少错误五倍。
模式识别机器研究成功的也已经不少。其中文字的识别机是比较最成功的，如有的国家已有一种能识别印刷体文字及数字的机器，并已开始生产。能识别手写的文字及数字的机器也已经在试验室研究成功。例如上面提到的“感知器”这类模式识别机可以作为计算机的输入装置，还可以用于许多经济部门，节省人力，提高工作效率。“自学习”的模式识别机器已经能帮助分析航空摄影，据报道，这类机器在原则上能用在反导弹的防空体系中，来识别洲际导弹的真弹头及其引诱物（假弹头）。
用机器来帮助人设计机器已经成为事实。有的国家已经研究成功了一种机器，当人们向它提出了技术条件之后，能够自动设计出所需的计算机及自动电路原理图和工艺接线图；另外有一种机器能帮助设计新型汽车，给出设计图纸，把原来要三个月的工作量在三十分钟内完成。一些科技情报加工机器，可以帮助科学工作者根据不完全的线索在极短的时间内查到所需的文献。
控制论机器作为体现控制论的作用的具体的形式，已经在军事、工业和科学研究中开始发挥其特殊的作用。这种机器比起传统的自动化机器有更为卓越、更为灵活的性能，可以被认为是自动化机器的进一步发展。今后工业生产自动化的程度将愈来愈高，在航空和宇宙航行等特殊领域中则更需要高度机动的自动控制，看来我们已处在控制论机器广泛应用的前夕。
正确对待控制论的科学技术成就
控制论科学的成就是卓越的。历史证明，科学上的每一个重大的成就，往往被资产阶级的御用“学者”们利用来宣传他们反动的哲学观点，现在他们又有意夸大和歪曲控制论的科学技术内容，宣传“机器比人聪明”、“机器有感情”、“机器统治世界”等等。与此同时，也还有一部分人看到控制论在探讨机器的内部结构和机器之间的联系得到成功，而错误地想把控制论用来研究人类社会的问题。他们完全抹煞了人的阶级性，并且看不到人和机器之间的本质上的差别，当然就会得到完全荒谬的结论。
多年来，资产阶级“学者”的这种对控制论的歪曲宣传，再加上少数科学家在其控制论学术著作中的唯心主义观点，使得控制论这门真正的科学披上了一层荒唐的神秘的外衣。当然，想要歪曲利用控制论来打击辩证唯物主义是不可能得到任何效果的。然而，他们的宣传烟幕却在一定程度上阻碍了人们对控制论这门科学的正确的了解，阻碍了控制论的健康的发展。
我们应该怎样正确地对待这个问题呢？首先我们要肯定控制论在科学技术上的重要价值。控制论是二十世纪重要科学成就之一，它沟通了生物科学和技术科学，研究解决生物和机器行为上的最重要的一些问题，并且使它们的研究成果能相互启发促进。在军事、工业和科学的一些重要方面控制论已经开始发挥作用，今后的作用还会更大。国外有大量的研究机构和科学家正在进行控制论的研究。这些都是需要我们特别注意的。
其次，我们也要看到在国外发表的控制论文献中也的确存在着大量反动的唯心主义的观点，特别是在所谓“社会控制论”或“经济控制论”中，反动论点尤其泛滥。对于这些我们必须坚决批判驳斥，不能为其迷惑。控制论是现代最重要的科学技术之一。对待它我们不能不加批判地照搬外国的论点，也不能简单粗暴地给以全盘否定。控制论是一门有理论和实用价值的科学，根据控制论原理可以研制出一系列高级的自动化机器出来，这些机器在完成某些特定的任务的时候完全有可能做得比人更加快速与完善，它们也可能有一定的“学习”能力，通过“积累经验”而完成一些机器的设计者事先未能考虑得到的工作。但这一切并不说明机器比人聪明。归根到底，机器是人设计出来的供人使用的工具；机器的一切特性，包括“学习”的能力都是人所赋与的。虽然机器在工作速度、解题能力等很多方面能超过人的生理限度，但机器所能做的也只是人所规定它能做的事。在机器和人的关系上，决定的因素无疑是人而不是机器。此外，人是有阶级性的，机器是没有阶级性的。虽然人和机器在某些信息传递、加工和控制动作等可以用共同的原理来说明，终究不能把人和机器等同起来。把机器之间的关系推广到人和人之间的关系，把机器的法则推广到阶级社会是绝对错误与荒诞的。只要我们正确地看待这些问题，把控制论的研究工作导向正确的方向，我们相信将会使控制论科学有更快更大的发展，并在我国社会主义建设中起到应有的作用。