概述
控制論(cybernetics)的誕生是20世紀最偉大的科學(xué)成就之一?,F代社會(huì )的許多新概念和新技術(shù)都與控制論有密切聯(lián)系??刂普撌亲詣?dòng)控制、電子技術(shù)、無(wú)線(xiàn)電通訊、計算機技術(shù)、神經(jīng)生理學(xué)、數理邏輯、語(yǔ)言等多種學(xué)科相互滲透的產(chǎn)物,它以各類(lèi)系統所共同具有的通訊和控制方面的特征為研究對象,不論是機器還是生物體,甚或是社會(huì ),盡管各屬不同性質(zhì)的系統,但它們都是根據周?chē)h(huán)境的某些變化來(lái)調整和決定自己的運動(dòng)??刂普摰膭?chuàng )始人是美國數學(xué)家諾伯特·維納(Norbert Wiener,1894~1964)。
1948年,他出版了他的奠基性著(zhù)作《控制論》,標志著(zhù)這門(mén)新興的邊緣學(xué)科的誕生。該書(shū)的副標題是“關(guān)于在動(dòng)物或機器中控制或通訊的科學(xué)”,這就是他對控制論所下的定義。cybernetics一詞來(lái)源于希臘文kubernan,原意為steersman,即“掌舵人”,轉意是“管理人的藝術(shù)”。
信息反饋問(wèn)題的提出
20世紀30~40年代,人們對信息(information)和反饋(feedback)有了比較深刻的認識,一些著(zhù)名科學(xué)家圍繞信息和反饋進(jìn)行了大量的研究。英國統計學(xué)家費希爾(RonaldAylmerFisher,1890~1962)從古典統計理論的角度研究了信息理論,提出了單位信息量的問(wèn)題;美國電信工程師香農(Claude Elwood Shannon,1916~2001)從通信工程的角度研究了信息量的問(wèn)題,提出了信息熵的公式;維納則從控制的觀(guān)點(diǎn)研究了有噪聲的信號處理問(wèn)題,建立了維納濾波理論,并分析了信息的概念,提出了測定信息量的公式和信息的實(shí)質(zhì)問(wèn)題。他們幾乎同時(shí)解決了信息的度量問(wèn)題。這一時(shí)期,人們逐漸深入了解到反饋控制系統的工作原理。1932年,美國通信工程師奈奎斯特(Harry Nyquist1889~1976)發(fā)現了負反饋放大器的穩定性條件,即著(zhù)名的奈奎斯特穩定判據。1945年,維納把反饋概念推廣到一切控制系統,把反饋理解為從受控對象的輸出中提取一部分信息作為下一步輸入,從而對再輸出發(fā)生影響的過(guò)程。巴甫洛夫條件反射學(xué)說(shuō)也證明了生命體中也存在信息和反饋問(wèn)題。 維納與他人的合作
維納在改進(jìn)防空武器時(shí)發(fā)現,動(dòng)物和機器中控制和通信的核心問(wèn)題是信息、信息傳輸和信息處理。維納與美國神經(jīng)生理學(xué)家羅森布盧斯(Arturo Rosenblueth,1900~1970)合作研究這個(gè)課題長(cháng)達10余年(1934~1947)之久。羅森布盧斯是墨西哥人,是當時(shí)哈佛大學(xué)醫學(xué)院著(zhù)名生理學(xué)家坎農(Walter Bradford Cannon,1871~1945)教授的同事和合作者,深受坎農的器重。在20世紀30年代,羅森布盧斯每個(gè)月都要舉行關(guān)于科學(xué)方法的討論會(huì )。維納此時(shí)也在哈佛大學(xué)醫學(xué)院工作,維納和許多哈佛醫學(xué)院的青年科學(xué)家,包括數學(xué)、物理、電子、工程、生理、心理、醫學(xué)等各行各業(yè)的專(zhuān)家,都參加了由羅森布盧斯領(lǐng)導的討論會(huì )。他們每次都圍著(zhù)圓桌聚餐,一起自由談話(huà),毫無(wú)拘束。飯后,由他們集體中的一員,或者是一位邀請來(lái)的客人,宣讀一篇關(guān)于某個(gè)科學(xué)問(wèn)題的論文,一般是關(guān)于方法論問(wèn)題的論文。宣讀者必須經(jīng)受一通尖銳的批評,批評是善意的,但是毫不留情的。這對于那些思想半通不通的人,不曾有充分自我批評的人,那種過(guò)分自信而妄自尊大的人,真是一劑良好的瀉藥,受不了的人下次就不再來(lái)了。但對這些參加聚餐和討論會(huì )的??蛡?,不少人感到獲益匪淺,對于科技的發(fā)展有重要的、經(jīng)久性的促進(jìn)作用。 維納和羅森布盧斯早就認識到,現代科學(xué)技術(shù)的發(fā)展,一方面日益成為專(zhuān)門(mén)家在愈來(lái)愈狹窄的領(lǐng)域內進(jìn)行的事業(yè),使一些科學(xué)家淪為狹隘分工的奴隸;另一方面又出現各門(mén)學(xué)科相互交叉走向綜合的趨勢,提出了許多需要各門(mén)學(xué)科共同研究的問(wèn)題,這與原有的狹隘的專(zhuān)業(yè)分工,發(fā)生了尖銳的矛盾。如何解決這些矛盾呢?他們認為,正是這些科學(xué)的邊緣區域,給有修養的研究者提供了最豐富的機會(huì )。也就是說(shuō),只要打破原有的狹隘的專(zhuān)業(yè)分工界限,集合一批既是他自己領(lǐng)域的專(zhuān)家,又對他的鄰近的領(lǐng)域有較多知識的人。如讓數學(xué)家、數理邏輯學(xué)家、生理學(xué)家去接觸工程,讓工程師熟悉生理學(xué)。這樣,到未被開(kāi)發(fā)的科學(xué)處女地去勘查、開(kāi)墾和耕耘,就能在科學(xué)上得到最大的收獲。
維納自己也說(shuō):在上述共同工作中,數學(xué)家(他本人就是數學(xué)家)不需要有領(lǐng)導一個(gè)生理學(xué)實(shí)驗的本領(lǐng),但卻需要有了解一個(gè)生理學(xué)實(shí)驗、批判一個(gè)實(shí)驗和建議別人去進(jìn)行一個(gè)實(shí)驗的本領(lǐng);生理學(xué)家(羅森布盧斯就是生理學(xué)家)不需要有證明某一個(gè)數學(xué)定理的本領(lǐng),但是必須能夠了解數學(xué)定理中的生理學(xué)意義,能夠告訴數學(xué)家他應當去尋找什么東西。
1942年5月梅西基金會(huì )舉行的關(guān)于大腦抑制問(wèn)題的科學(xué)討論會(huì )提出,通信工程和控制工程領(lǐng)域內已經(jīng)研究成熟的信息和反饋的概念和方法,可能有助于神經(jīng)生理學(xué)的研究。此時(shí)控制論的思想已經(jīng)形成,但還沒(méi)有正式命名。1943~1944年之交在普林斯頓召開(kāi)了一次控制論思想的科學(xué)討論會(huì ),進(jìn)一步確認了控制論思想,認為在不同領(lǐng)域的工作者之間存在共同的思想基礎,一個(gè)科學(xué)領(lǐng)域可以運用另一個(gè)科學(xué)領(lǐng)域發(fā)展得比較成熟的概念和方法。1946~1953年間,梅西基金會(huì )發(fā)起了一系列關(guān)于反饋問(wèn)題的科學(xué)討論會(huì ),對于控制論的發(fā)展產(chǎn)生很大的推動(dòng)作用。
維納控制論的正式提出
維納抓住了一切通信和控制系統的共同特點(diǎn),即它們都包含著(zhù)一個(gè)信息傳輸和信息處理的過(guò)程。他指出:一個(gè)通信系統總是根據人們的需要傳輸各種不同的思想內容的信息,一個(gè)自動(dòng)控制系統必須根據周?chē)h(huán)境的變化,自己調整自己的運動(dòng),具有一定的靈活性和適應性。通信和控制系統接收的信息帶有某種隨機性質(zhì),具有一定的統計分布,通信和控制系統本身的結構也必須適應這種統計性質(zhì),能對一類(lèi)在統計上預期要收到的輸入做出統計上令人滿(mǎn)意的動(dòng)作。維納與他的合作者們終于在1947年成功地創(chuàng )立了“控制論”這個(gè)嶄新的學(xué)科,翌年,出版了《控制論》一書(shū),引起國際學(xué)術(shù)界的廣泛矚目。
除維納外,方法論聚餐會(huì )的參加者后來(lái)都各有建樹(shù):羅森布盧斯也是控制論和人工智能的開(kāi)拓者之一;馮。諾伊曼(Johnvon Neumann,1903~1957)成為博弈論的奠基人,二進(jìn)位制電子計算機的創(chuàng )始人之一;別格勞(Julian Himely Bigelow,1913~2003)是電子計算機設計的最早參加者;麥克卡洛(Warren Sturgis Mc Culloch,1898~1969)和匹茨(Walter Pitts,1923-1969)成為神經(jīng)控制論和人工智能的奠基人。事實(shí)證明,正是這些年輕科學(xué)家,在“各種已經(jīng)建立起來(lái)的部門(mén)之間的被人忽視的無(wú)人區”里得到了最大收獲,大大豐富和發(fā)展了科學(xué)。 控制論的貢獻
對生理學(xué)來(lái)說(shuō),控制論的貢獻是巨大的。最突出的是把工程概念中的反饋概念(feedback idea)引入到生物系統中來(lái)。大大豐富和發(fā)展了生理學(xué)。由克勞德·伯爾納于上世紀提出的“內環(huán)境恒定”概念,進(jìn)而被坎農發(fā)展為穩態(tài)(homeostasis)理論,成為生命科學(xué)中現代基本概念之一,其意義是重大的;但如果沒(méi)有反饋性自動(dòng)調節機制,那將是完全不可思議的。
控制論的應用
1949年,美國內分泌生理學(xué)家豪斯金斯(Roy Graham Hoskins,1880~1964)響應維納的建議,首先把反饋概念引入到內分泌領(lǐng)域,指出甲狀腺與垂體之間存在反饋機制。1956年瑞典的馮。奧伊勒(UlfSvon Euler,1905~1983)等注射少量甲狀腺素于垂體前葉,使甲狀腺釋放的放射性碘隨之減少,從而更進(jìn)一步證實(shí)了負反饋是機體機能精確調節的不可缺少的重要環(huán)節。