控制論和科學(xué)方法論學(xué)習(xí)筆記

1、控制論和科學(xué)方法論筆記金觀濤華國(guó)凡著大龍?jiān)谶@里呢2018-01-26目錄序言控制論思想的源流由三條支流匯成。一條是數(shù)學(xué)和物理的發(fā)展。（吉布斯）統(tǒng)計(jì)力學(xué)，量子力學(xué)的建立。不少科學(xué)家認(rèn)為:與其說我們這個(gè)世界是建立在必然性之上的，倒不如說是建立在偶然性之上的，許多物理定律僅僅是大量事件統(tǒng)計(jì)平均的結(jié)果?？茖W(xué)的發(fā)展迫使人們回答必然性和偶然性之間的關(guān)系。于是，確定性與非確定性以及它們之間關(guān)系的研究就成為科學(xué)界最熱門的課題。概率論的成熟，熱力學(xué)中的嫡直至信息概念的提出，就是這一研究的逐步深入。另一條支流是生物學(xué)和生命科學(xué)的進(jìn)展。科學(xué)家早就發(fā)現(xiàn)，生物界不是一個(gè)充滿必然性的機(jī)械世界，生物個(gè)體行為也不能用統(tǒng)計(jì)力學(xué)

2、和量子力學(xué)所用的純或然語言來刻畫。生命的活動(dòng)既有或然性，也有必然性。生命是怎樣把必然與偶然統(tǒng)一起來的？科學(xué)家對(duì)生命的機(jī)制發(fā)生了濃厚興趣。直到提出“內(nèi)穩(wěn)定”概念，才將認(rèn)識(shí)推進(jìn)到新的階段，為控制論誕生奠定了基礎(chǔ)。第三條支流是人類對(duì)思維規(guī)律的探討。它集中地反映在計(jì)算機(jī)制造和數(shù)理邏輯的進(jìn)展。數(shù)學(xué)家特別是計(jì)算機(jī)的研制者們企圖用數(shù)學(xué)語言來模擬人的思維過程。計(jì)算機(jī)的制造成為控制論成熟的前奏。1947年，維納發(fā)表控制論。控制和反饋1.1.可能性空間共性：1.被控制的對(duì)象必須存在多種發(fā)展的可能性。2.人可以在這些可能性中通過一定的手段進(jìn)行選擇，才談得上控制。我們將事物發(fā)展變化中面臨的各種可能性集合稱為這個(gè)事物的

3、可能性空間。它是控制論中最基本的概念。1.2. 人通過選擇改造世界為什么事物的可能性空間不止一個(gè)狀態(tài)呢？因?yàn)槭挛镒兓哂小安淮_定性”。事物的矛盾性，使事物的可能性空間至少面臨著肯定自身和否定自身兩種狀態(tài)。從不確定性的角度來看待事物的發(fā)生和發(fā)展，是現(xiàn)代科學(xué)和經(jīng)典決定論的一個(gè)重要區(qū)別。事物發(fā)展的可能性空間，或事物的不確定性，是由事物內(nèi)部的矛盾決定的。人們根據(jù)自己的目的，改變條件，使事物沿著可能性空間內(nèi)某種確定的方向發(fā)展，就形成了控制。控制，歸根到底是一個(gè)在事物可能性空間中進(jìn)行有方向的選擇的過程。我們不難發(fā)現(xiàn)，人類從衣、食、住、行到變革自然的實(shí)踐活動(dòng)都和選擇密切相關(guān)，走路是不斷選擇自己在空間的位置。

4、制造工具是選擇各種材料及材料的組合?，F(xiàn)代生產(chǎn)時(shí)更復(fù)雜更嚴(yán)格的選擇過程。因此，一切控制過程，實(shí)際上都是由三個(gè)基本環(huán)節(jié)構(gòu)成的：(1)了解事物面臨的可能性空間是什么。(2)在可能性空間中選擇某一些狀態(tài)為目標(biāo)。(3)控制條件，使事物向既定的目標(biāo)轉(zhuǎn)化。1.3. 控制能力我們把實(shí)行控制前后的可能性空間之比稱為控制能力。如果某一事物的可能性空間為M,實(shí)行控制后，可能性空間縮小為m,那么控制能力就是M/m。如果可能性空間狀態(tài)為無限多，并且相互連續(xù)，我們可以用面積大小的比例來表小它0控制的方法：隨機(jī)控制，有記憶的控制，共腕控制，負(fù)反饋控制等。它們是一切復(fù)雜控制方法的基礎(chǔ)。1.4. 隨機(jī)控制控制就是可能性空間的縮

5、小。隨機(jī)控制也是可能性空間縮小的過程，不過它有一個(gè)特點(diǎn)，就是在隨機(jī)控制過程中，系統(tǒng)的可能性空間只有在達(dá)到目標(biāo)值時(shí)才縮小，不達(dá)到目標(biāo)值時(shí)，可能性空間不縮小。隨機(jī)控制方法也稱為尋找或探索。隨機(jī)控制的應(yīng)用非常廣泛，效果又很直觀。人們遇到棘手的科學(xué)問題時(shí)，即使對(duì)解決問題所必需的條件完全不了解，對(duì)于對(duì)象的性質(zhì)一無所知，仍然可以采用隨機(jī)控制的方法來找到問題的答案。隨機(jī)控制在很大程度上依賴選擇速度。第二，目標(biāo)要在探索范圍之內(nèi)。1.5. 有記憶的控制隨機(jī)控制的缺點(diǎn)是如果碰得不巧，要花費(fèi)很長(zhǎng)時(shí)間才能碰上目標(biāo)。這樣我們就面臨著改進(jìn)隨機(jī)控制的問題。一個(gè)常用的辦法是加一個(gè)記憶裝置，使隨機(jī)控制成為有記憶的。所謂一個(gè)選擇

6、者具有記憶力，就是指，凡被證明不是目標(biāo)的狀態(tài)就不再當(dāng)作選擇對(duì)象了，這些狀態(tài)將從下一個(gè)可能性空間中排除出去。與無記憶的控制比較，有記憶控制的可能性空間在到達(dá)目標(biāo)值之前是隨著選擇次數(shù)逐一縮小的。很明顯，這就提高了控制的效率，可以較迅速地找到目標(biāo)。1.6. 共腕控制一件工具發(fā)明出來，開始的時(shí)候它的使用范圍也是有限的，人們?yōu)榱送瓿筛鼜?fù)雜的工作，又得研究使用工具的方法以及使用工具的工具。人類在自己歷史的每一個(gè)階段，總要面臨著一大堆在當(dāng)時(shí)擁有的控制手段無法直接完成而又需要完成的工作，也就是擴(kuò)大自己的控制范圍的問題。當(dāng)人們要擴(kuò)大控制范圍的時(shí)候，通常要用到一種叫共腕控制的方法。它包含了一切工具的控制原理，它專

7、門研究如何將一件人們無法完成的工作變成能夠完成的工作。象的重量轉(zhuǎn)換成石頭的重量的過程用L表示，稱出石頭的重量用A表示，將石頭的重量轉(zhuǎn)換成象的重量用L-1表示。三步連起來L-1AL,大象的重量就出來了。數(shù)學(xué)書一般把L-1AL稱作A過程的共腕過程。我們將L-1AL稱作與A共腕的控制方法，它通過L變換和L-1變換，把我們?cè)瓉聿荒芸刂频氖伦優(yōu)榭梢钥刂频腁過程去完成，A的控制范圍在實(shí)行了L和L-1變換后擴(kuò)大了?，F(xiàn)代自動(dòng)控制設(shè)備中，L稱為感受器，L-1稱為效應(yīng)器。眼睛是感受器，手是效應(yīng)器。人類使用共腕控制的方法還可以追溯到數(shù)字和語言的起源。人類只有在把思想變換成語言和符號(hào)來交流和思維之后，才真正使大腦發(fā)達(dá)

8、起來，成為一個(gè)有文明的物種共腕控制揭示了人類使用工具過程的本質(zhì)。也許有人會(huì)問，把使用工具這么一件直觀的事情表述成那樣復(fù)雜的一種結(jié)構(gòu)，有什么意義呢？其意義在于運(yùn)用控制論方法后，就可以用數(shù)學(xué)語言來確切地描述這一過程了，并且可以把很多數(shù)學(xué)上關(guān)于共腕控制的成果運(yùn)用到制造和使用工具的研究中去，得出許多憑直觀想象不到的結(jié)論來。1.7. 負(fù)反饋調(diào)節(jié)負(fù)反饋調(diào)節(jié)機(jī)制必定要有兩個(gè)環(huán)節(jié)：1 .系統(tǒng)一旦出現(xiàn)目標(biāo)差，便自動(dòng)出現(xiàn)某種減少目標(biāo)差的反應(yīng)；2 .減少目標(biāo)差的調(diào)節(jié)要一次一次地發(fā)揮作用，使得對(duì)目標(biāo)的逼近能積累起來。1.8. 負(fù)反饋如何擴(kuò)大了控制能力負(fù)反饋是一種趨向目的的行為。當(dāng)一次控制能力不能達(dá)到目的時(shí)，可以用負(fù)反

9、饋調(diào)節(jié)放大控制能力。1.9. 正反饋與惡性循環(huán)正反饋描述目標(biāo)差越來越大的過程。信息、思維和組織2.1. 什么是知道所謂“知道”，是指人獲得信息的過程，而怎樣才能“知道”，就是信息怎樣傳遞，怎樣獲得信息的過程。所謂“知道”，實(shí)際上就是我們頭腦中關(guān)于事物變化可能性空間變大或變小的過程。在絕大多數(shù)情況下，可能性空間變小。必然發(fā)生的概率為1,必然不發(fā)生的概率為0;使用以2為底的負(fù)對(duì)數(shù)來計(jì)算信息量,單位稱為比特。信息概念量化以后，人們找出了許多有關(guān)信息傳遞和存儲(chǔ)的規(guī)律，使有關(guān)通訊和控制的理論變得既嚴(yán)密又精確，成為真正現(xiàn)代意義下的科學(xué)。2.2. 信息的傳遞信息源、信息的接受者、傳遞通道。所謂傳遞，就是信息

10、源和接受者兩個(gè)系統(tǒng)之間的聯(lián)系，就是一事物對(duì)他事物的影響。信息的傳遞是指可能性空間縮小過程的傳遞。信息和控制的這種依存關(guān)系反映了認(rèn)識(shí)論中知和行的統(tǒng)一，知表示獲得信息，行表示實(shí)行控制。人們只有對(duì)外部世界有所認(rèn)識(shí)，才可以能動(dòng)地去改造它。反之，人們只有參與對(duì)外部世界的改造，才能夠獲得對(duì)它們的真知。傳遞信息和實(shí)行控制的過程都貫穿著事物可能性空間的變化，并且它們之間存在著一定的質(zhì)和量的約束關(guān)系，這就深刻地揭示了知和行在本質(zhì)上是統(tǒng)一的。2.3. 信息是一種客體嗎信息是主客體之間的橋梁，不是純粹的客體2.4. 通道容量控制論中有一條原理：在單位時(shí)間里要傳遞某一數(shù)量信息時(shí)，選擇的通道容量不要太大，也不要太小，最

11、好等于你所要傳遞的信息量。為什么呢？通道容量太小，信息量不能及時(shí)地傳出去，這是顯而易見的。那么通道容量太大了又有什么壞處呢？一是沒必要，并且可能造成浪費(fèi)。二是隨著通道容量的增大，信息受到的干擾也會(huì)增加，搞得不好會(huì)得不償失。當(dāng)信息傳遞時(shí)，可辨狀態(tài)的控制能力減弱或失去控制能力時(shí)，我們說，信息的傳遞受到了干擾。根據(jù)信息傳遞過程的三個(gè)基本環(huán)節(jié)可以把干擾分為三類：1 .干擾發(fā)生在人控制通道的可辨狀態(tài)過程中，這稱為控制干擾；2 .干擾發(fā)生在信號(hào)自然傳遞中，或某些外來因素影響了通道的可辨狀態(tài)，這稱為自然干擾或噪音。3 .干擾發(fā)生在人接受信號(hào)過程中，這通常稱為主觀干擾。干擾使信息畸變、失真，使人們的認(rèn)識(shí)不能正

12、確地反映客觀世界的本來面目。人類意識(shí)的能動(dòng)性不僅在于對(duì)客觀世界的改造作用，而且還貫穿在整個(gè)認(rèn)識(shí)過程的始終。人類從開始傳遞信息的第一天起，就在和干擾作斗爭(zhēng)，這在控制論中稱為“濾波”。它反映了人類能動(dòng)地認(rèn)識(shí)世界的一個(gè)重要方面，使人類的觀察力區(qū)別于鏡子的反射。因此，研究有關(guān)濾波的理論，不僅是通訊工程的任務(wù)，也是認(rèn)識(shí)論的一項(xiàng)重要課題。2.5. 濾波：去偽存真的研究千百年來，人們積累了許多對(duì)付干擾的方法，其中許多已被科學(xué)家和工程師采納，在通訊技術(shù)中形成了一整套濾波理論，有的被人們廣泛地應(yīng)用于實(shí)踐，成為科學(xué)方法論的一個(gè)部分。下面我們來研究幾種與濾波有關(guān)的方法問題。1 .最直觀的方法是讓信息沿著同一通道重復(fù)

13、傳遞。（把得到結(jié)果相互核對(duì)。對(duì)于排除隨即發(fā)生的、偶然的干擾有效）2 .更好的一種濾波方法是，用完全不同的通道來傳遞同一個(gè)信息，再把各種結(jié)果拿來對(duì)比、分析。（防止系統(tǒng)的、有規(guī)則發(fā)生的干擾）3 .“阻抗濾波法”：無線電中電容器通不過低頻信號(hào)但能通過高頻信號(hào)，電感則相反。所謂阻抗濾波，就是找到干擾和攜帶信息信號(hào)的本質(zhì)差別，用一種裝置或手段讓干擾信號(hào)通不過去，而攜帶信息的信號(hào)能順利通過。4 .當(dāng)信息傳遞中遇到的干擾主要是主觀干擾時(shí)，通常采用的濾波法是：讓信息和它的重要性放在一起傳遞出去，用控制論的術(shù)語說就是讓信息帶上“情調(diào)”。（如焦急的語調(diào)，交通信號(hào)燈的顏色等）。5 .反饋濾波法：利用收到的有用信號(hào)和

14、通道相互作用，以便抑制無用信號(hào)通過。（如嘈雜環(huán)境中的講話）。6 .同步濾波：利用信號(hào)和開關(guān)的同步來濾波。有信息打開，無信息關(guān)閉。在信息傳輸?shù)倪^程中，信息量服從一條規(guī)律：它只會(huì)在傳輸過程中不斷減少，不會(huì)增加。（不確定性增大，因?yàn)橛懈蓴_存在）2.6. 信息的儲(chǔ)存信息的保存實(shí)際上也是一種傳遞性變換，把不穩(wěn)定的可辨狀態(tài)變換成一種穩(wěn)定的可辨狀態(tài)?！坝洃洝北旧戆恕坝洝焙汀皯洝眱蓚€(gè)部分，前者意味著Lab,后者意味著Lbc。把我們現(xiàn)在的行為與過去的行為聯(lián)成一氣，使我們具有學(xué)習(xí)和積累經(jīng)驗(yàn)的能力，也使我們具有高度控制，調(diào)節(jié)與適應(yīng)的能力。2.7. 信息加工和思維信息加工的形式：1 .邏輯推理邏輯思維中最簡(jiǎn)單的推

15、理形式是三段論。三段論包括三個(gè)簡(jiǎn)單判斷，每個(gè)判斷都含有一定的信息量。三段論的實(shí)質(zhì)是把大前提和小前提的信息加工成結(jié)論的信息。這種加工方式通?？梢杂每赡苄钥臻g來表示。包含關(guān)系的集合運(yùn)算。邏輯推理的重要內(nèi)容是從一些已知判斷求出新的判斷。推理的過程是信息加工的一種方式，它告訴我們可能性空間怎樣縮小是合理的。邏輯思維主要研究概念、判斷和推理。人的思維空間分為形象空間和概念空間。2 .自由聯(lián)想3 .創(chuàng)造性和自我意識(shí)2.8. 信息和組織所謂組織過程是事物之間聯(lián)系的可能性空間從大變小的過程?；蛘哒f是從混輪無序發(fā)展到有秩序的過程，是一個(gè)建立聯(lián)系的過程?？刂?、信息和組織都可以描述成可能性空間的縮小。差別在于可能性空間的狀態(tài)不同。在組織中可能性空