系統控制論
正文
系統控制的理論和實踐是二十世紀對人類生產活動和社會生活發生重大影響的科學領域。關於系統的某些觀念和實踐早在兩千年前的中國和歐洲即已出現，作為一門現代科學，它的產生和發展起源於近代自然科學和技術科學的成就。二十世紀以來，物理學、化學、數學、天文學、生物學以及各種技術科學的巨大進步，激勵了科學界從不同的學科和觀點出發，對各種自然系統、社會系統和工程系統進行理論和套用方面的研究。美國科學家N.維納於1947年首次指出了控制論科學可能給人類社會帶來的影響。第二次世界大戰以來軍事技術上的進步,各種完全自動化的兵器系統的設計、製造和運行,特別是空間技術的突破,如載人登月飛行的輝煌成就,自動飛船在火星上軟著陸成功，以及照片和科學測量數據的成功傳回等等，又推動了系統控制論在更廣泛領域內的實際套用。系統控制的概念、理論和方法在社會、經濟、人口、生態等原屬於社會科學領域內的套用成功，促成了經濟控制論、人口控制論等新學科的誕生，同時也為系統控制論這門統一的技術科學的形成奠定了基礎。馬克思曾預言過：“自然科學往後將會把關於人類的科學總括在自己下面，正如同關於人類的科學把自然科學總括在自己下面一樣：它將變成一個科學。我們稱這種自然科學與社會科學成為一個科學的過程為自然科學與社會科學的一體化。”（《經濟學──哲學手稿》，1957年中文版，第91、92頁）。系統控制論這門科學的產生和發展在自然科學和社會科學之間架起了一座穩固的橋樑，為這兩類科學的融合開闢了嶄新的前景。系 統 分 析
按一定的秩序或因果關係相互聯繫、相互作用和相互制約著的一組事物所構成的體系，稱為系統。無論在自然界或人類社會中,每個具體的系統都是物質的,隨著時間的推移而不斷演化，而這種演化總是在一定的空間內展開。系統的各組成部分之間的相互作用是通過物質、能量和信息的交換而實現的。描述系統主要特徵的變數、參量的取值，或者關於系統態勢的概念集約表示系統的狀態。外部環境的影響、內部組成之間的相互作用，以及人為的控制作用，都能使系統的狀態和演化進程發生變化。系統狀態和結構的一般變化規律稱為系統的行為。系統分析是研究系統結構和狀態的變化或演化規律，即研究系統行為的理論和方法。由於人類能力的有限性，對大自然中很多系統的演化和運動過程無力施加人為的控制或影響。例如，銀河系、太陽系和月地系統，人們能夠越來越深刻地認識它們，但在今天和可以預見的未來，對它們的演化進程施加明顯的影響卻是人力所不能及的。對這類系統，系統分析的任務是辨識系統的結構，研究它的發展史，認清它的行為，預報它的發展趨勢和對人類社會生活可能產生的影響，以便人類能有意識地採取措施去適應將要發生的變化。
隨著科學技術的進步，人類認識世界和改造世界的能力不斷增大，人力能夠施加影響和實行控制的範圍也日益擴大。例如，過去人類對地球上空的大氣系統的演化進程無法施加影響。今天,通過有意識的集體努力,控制大氣演化進程，使之向著對人類生活有利的方向發展已成為可能。分子生物學的巨大突破，使過去純由自然力主宰的生物系統有可能變為人力可控制的系統。所有人造的工程系統都是可控制的。隨著社會科學的進步，人類社會生產和生活活動中所形成的系統，如政治的、經濟的、人口的、軍事的等等，越來越多地變成人力可控制的系統。這樣,從系統論的觀念看來,在自然界和人類社會中有相當數量的系統是受控系統，這是系統控制論的主要研究對象。對受控系統,系統分析的任務,除了研究它的結構、研究它的歷史和預報發展趨勢以外，最重要的是研究系統的可能的受控方式和受控行為，即以何種方式控制或影響系統演化或變化進程，使之向最有利於人們所期望的目標發展。在二十世紀的各個歷史時期，在很多技術領域中，形成了一批相對獨立的研究學科，如工程控制論、運籌學、協同學和突變論等等。所有這些學科都致力於分析所選定系統的行為，研究系統狀態的變化規律和對其演化過程進行人工干預或控制的可能性。如果人工控制是可能的，那么還要研究採用何種控制方式才能使系統儘快地，或以最好的方式達到理想的狀態。最優控制理論、大系統理論、動態規劃和微分對策等理論都是解決控制方式的最優選擇的理論和方法。
系 統 分 類
受控系統是系統控制論的主要研究對象。按照所研究問題的對象範圍，受控系統可分為三大類：工程系統、自然系統和社會系統。工程系統是人類為了生活、生產和科學研究等目的而由人工建造的系統。二十世紀以來，特別是工程控制論(錢學森,1954)這門學科形成以後,人們已經建造了成千上萬種不同用途的工程系統。它們的不間斷的、可靠的運行，構成了當代人類社會文明的支柱。幾乎每一個工程系統都是人工可控的。公元前256～前251年在四川岷江流域上修建的都江堰水利工程,公元前214年秦始皇修建的萬里長城，是中國古代著名的工程系統。在近代史上建成最早，對社會生產和生活影響最大的是電力系統和公共通信系統。前者負責能量的傳遞，後者保證社會生活中信息的交換。現代世界上最大的電力網擁有兩億千瓦的發電能力、一萬億度電能的年傳輸能力，為數億人民的生產、生活和其他活動不間斷地供應電力。為保持如此巨大的系統穩定可靠地運行，必須採用集中和分散相結合的控制方式，完成狀態監視、負荷調度、自動保護、事故處理以及計價收費等管理方面的事務。巨型電力系統的建設和運行實踐，對系統控制論這門學科的形成和發展起了歷史性的推動作用。
通信系統是現代社會須臾不能離開的受控工程系統。從十九世紀末個人之間的專用電話到現在由上億個用戶組成的全球性通信網的歷史是一種典型的工程系統的發展史。由成千上萬個分散控制的信息交換中心和由電纜、微波、光纖、衛星等連線而成的信號傳輸網路，把數億個用戶井然有序地編織於一個系統之中，使任何兩個或一組用戶之間在幾秒鐘內即可互通信息，這是現代科學技術的一項重大成就。一門研究信息計量、信息傳輸和信息處理的科學──資訊理論(C.E.香農，1940)是從通信系統的實踐中提煉和發展出來的，它的概念、理論和方法已被廣泛套用於其他領域。資訊理論已成為系統控制論的理論基礎之一。定量研究服務系統行為的學科──排隊論(A.K.埃爾朗，1948)也起源於通信系統中電話交換站的工作實踐。
地球上的生態系統和生物系統是由大自然演化而成的自然系統。早在人類出現以前，它們已經歷了不少於五億年的演化史。科學技術的進步使我們有可能認識它們的行為，並對其演化進程施加某種影響。例如，擴大和保護陸地的植被、控制大氣污染等，都是人類能動地影響生態系統的有效措施。按照達爾文的以物競天擇為主要內容的進化論所理解的生物系統，人們必定無力對它的發展施加影響。但是二十世紀生物科學的巨大進步，使我們對生物系統的行為有了相當深入的了解，從而有可能對它施加一定的控制。關於遺傳基因──脫氧核糖核酸(DNA)的分子結構的發現(J.D.沃森和F.H.C.克里克，1953）以及在細胞工程和分子生物學中一系列新的突破，使人類已能在細胞和分子水平上控制生物種的遺傳，改造已有的物種和創造新種，影響和控制個體的發育。早在人類誕生之前由大自然創造的生物界，正在變成人力可以控制的系統。研究對生物遺傳性能進行控制的學科稱為生物控制論。
包括生產、消費和積累過程的社會經濟是最重要的社會系統。資本主義社會早期的經濟學家認為社會經濟系統應該是無需政府干預的自由市場經濟。二十世紀二十年代末從美國開始的全世界經濟大蕭條的災難使人們認識到，即便是資本主義的經濟系統也必須由政府施加適度控制，才能減輕自由市場經濟本身所蘊涵的極大危險性。社會主義經濟學則認為，對社會主義經濟必須進行巨觀控制才能保證全社會的協調發展，同時還應該充分利用市場經濟的特點，發揮個人、集體和企業的能動性。這樣，在任何制度的社會中，社會經濟活動是人類必須和能夠施加控制的系統。
早在兩百多年前就有人試圖用定量方法研究社會經濟發展過程。由於當時社會統計不發達和數學工具的貧乏，他們的努力沒有成功。二十世紀三十年代和四十年代計量經濟學的萌芽，為社會經濟系統的研究開闢了道路。七十年代以後，人們開始用系統控制論的觀點、理論和方法研究社會經濟系統。經濟控制論把社會財富的生產、消費和積累過程看成為互相依賴、互相制約的經濟系統的行為而進行定量研究。政府和金融機構制定的經濟政策，是人們對社會經濟系統進行的巨觀控制措施。隨著社會統計制度的完善和計算技術的進步，社會巨觀經濟發展過程已被完全置於人們的控制之下。系統控制論的概念、理論和方法已被廣泛地套用到經濟系統中去，為巨觀控制和市場調節提供了科學依據。
一個國家或社會的人口數量和年齡結構的演化是又一個典型的社會系統。最近一百年來世界人口數量增長五倍多,中國的人口增長三倍,這個事實激起了人們對人口控制問題的關切。人口控制論學科的出現（宋健、於景元，1985），為人類有意識地控制人口發展的進程提供了新的概念、理論和方法。理論和實踐均表明，社會人口是人們完全能夠控制的一個社會系統。此外，凡屬政府管轄範圍內的社會問題幾乎都構成某種能受控制的社會系統。研究對社會系統進行控制的學科稱為社會控制論。
受控系統的特徵
有序性 系統內部的各組成部分稱為子系統。在各子系統之間總存在著有一定秩序的相互作用。通過能量或物質的傳遞和信息的交換，各子系統相互作用導致它們的狀態隨時間發生變化，從而形成系統的演變。在不同的非受控系統的演化中，有序性可以增加，也可以減少。例如，在一個封閉的熱力學系統的演化過程中，有序性總趨向於減少，這就是熱力學第二定律中所斷言的熵總有增長的趨勢。I.普里戈金在他的耗散結構理論中闡明了在某些開放的非受控系統中有序性有增長即熵減少的可能，如在生物系統中所發生的那樣。在受控系統中，人為的控制作用總是追求使系統的有序性增加，使能量更為集中（熵減少），有用信息更為濃縮（信息熵減少），使系統的演變朝著對人們有利的方向發展。關於保持系統穩定性的理論和方法，即保持持久的高度的有序性，曾經是早期控制論系統首先關注的命題。最優控制理論和最最佳化方法、線性規劃和動態規劃、對策論、排隊論等，都是使受控系統達到最大有序性的理論和方法。自適應性和自組織性 處於所研究的系統以外的部分叫做系統的環境。系統與環境的分界稱為系統的邊界。環境通過邊界對系統施加的影響稱為攝動。在自然界和人類社會中，絕對封閉和孤立的系統實際上是不存在的，任何系統都要受外界環境的影響，因而都是開放的。系統控制論所研究和追求的重要目標之一是賦予系統以自適應性，這就是說使系統在外界環境的攝動作用和內部結構不斷變化的情況下保持受控系統能正常地、穩定地運轉，原定的目標不至於受到干擾和破壞。在系統控制論中，運用狀態信息反饋的理論和方法是使系統獲得自適應能力的最重要和最有效的措施之一。反饋原理的套用能使受控系統的功能不受或少受環境攝動變化和內部結構變化的影響。此外，人們還發明了很多專門性的技術，以提高系統對特定的環境變化和內部結構變化的適應性，統稱為自適應控制理論。
系統的行為不僅依賴於它的各組成部分即子系統本身的特性，更取決於子系統之間的相互作用順序和方式，即系統的結構。系統結構的變化可以導致完全不同的系統行為。在理論上和實踐中已經證明，無論工程系統或社會系統,有可能使之具有自我組織的能力,即根據環境條件的變化或系統發展目標的轉移，受控系統能自動地改變自身的內部結構以適應外界環境的變化，或者有利於達到系統激發的新目標。在生物系統中，無論是動物界或植物界，都在一定程度上具備這種能力。把生物界中的這種自組織能力推廣到工程的和社會的系統是系統控制論中的一個重要課題，稱為系統的自組織理論。
智慧型性 關於系統的概念和論述早在古代哲學家的著作中即已有所涉及，十九世紀和二十世紀上半葉更有眾多的思想家和自然科學家對系統學做過研究。例如，L.von貝塔朗菲所建立的關於開放系統的概念,對系統科學的發展起了推動作用。但是，系統學特別是系統控制論之所以只是最近才成為有實際套用價值的科學技術，主要是由於控制論及其相鄰學科的發展和電子計算機科學和微電子技術的巨大進步和實用化。具有每秒數億次運算速度、數千兆位元組快速存儲能力的計算機，為系統分析、系統控制和系統決策等提供了強大的技術手段。計算機技術除具有強大的數值計算能力以外，還具有文字處理、圖像處理和邏輯運算能力，以及模擬人類專家和技師的智慧和經驗的能力。能從可變的原始信息導出所期望的邏輯結論的算法論所處理問題的範圍日益擴大。能準確而快速記憶和瞬時調用大百科全書所含信息規模的資料庫技術，為對大型或巨型系統分析奠定了物質技術基礎。對不同民族語言表達的信息的自動翻譯技術和計算機輔助設計技術為決策科學提供了強大武器。在現代計算技術的支持下，在凡是人類的認識能力和判斷能力所能達到的領域，無論問題多么複雜和所依賴的初始信息如何繁多，系統分析工作都能有條不紊地進行下去，直至得到所期望的結果為止。在系統控制論中，除命題必須由人提出以外，信息的採集，信息的處理，無論是文字的、數值的、邏輯的、圖形的，都能藉助計算機技術自動地完成，並且按初始命題的要求給出合乎邏輯的判斷，提出可能的決策方案，這就是智慧型性的含義。
自動控制系統
無需人力直接參與而能獨立地、自動地完成某種特定任務的受控工程系統稱為自動控制系統。設計和建造自動系統去代替或部分代替人的體力勞動和腦力勞動的努力可追溯到人類古代文明時期。中國東漢時期建造的指南車被認為是人類歷史上最早關於“控制論”機械的記錄。英國發明家J.瓦特(1736～1819)創造的蒸汽機轉速調節器是歐洲產業革命時期出現的自動控制系統的代表。二十世紀以來，人們研究和製造了成千上萬種自動控制系統，作為生產資料大批量生產供應，廣泛套用於生產勞動、社會服務、軍事工程和科學研究等活動之中。各種自動控制系統的設計與製造已構成了一種新興產業，成為支持和推動新技術革命的主要動力。自動控制系統通常由控制器、執行機構和信息反饋裝置三部分組成。反饋裝置的任務是監視和測量執行機構和工作對象的狀態變化和執行結果，把這些信息反饋給控制器。控制器則根據任務的定義和當前執行情況決定以後應該採取的措施，以機械的、光電的或其他的物理方式向執行機構發出指令，以便後者準確地加以執行。執行機構可能是某種工作母機，如工具機、化學反應器、作戰武器的發射器等。控制器是一台數字計算機或模擬計算機，按照設計者預先規定的目標和計算程式以及反饋裝置提供的信息，對控制對象的狀態和執行機構的動作作出分析，向執行機構發出新的指令。控制器還可以根據工作任務的轉變，自動地改變整個系統的工作目標和程式，調換執行機構，更換反饋裝置，轉移或擴大接收反饋信息的範圍，以適應新任務的需要。所有這些轉變都應該在沒有人工直接干預的情況下自動地完成。數字計算機正在賦予自動控制系統越來越大的智慧型性。從簡單的速度或位置的機械自動調節器發展到今天的綜合自動化系統，如機械製造業中的柔性製造系統、綜合自動化加工系統等，後者能獨立地完成過去要靠上百名工人的分工努力才能完成的複雜任務。
自動控制系統的意義不僅在於代替人們繁重的體力勞動和簡單的腦力勞動，更重要的是開闢了過去靠人的體力和腦力所不能達到的活動領域。在很多社會性大系統中，如銀行的資金清算，巨型系統工程的管理，鐵路、航空等交通運輸網路的調度指揮等，都要採集、記憶和處理隨時都在變化的巨大信息流，單靠人力已無法及時完成，只有具有龐大的信息存儲和處理能力的智慧型控制系統才能勝任。
人類的研究活動已擺脫了地球生物圈的束縛而廣泛地進入外層空間和海洋深處。對月球和太陽系其他行星的探測，對太陽系以外的宇宙進行考察，對數千米以下的海底的研究，都是目前單靠人力所不能及的。自動控制系統正在代替人們去完成這些任務。在戰場上的軍事活動中，在惡劣環境條件下的生產勞動中，凡不宜於由人直接承擔的任務，均有人工設計和建造的自動控制系統在工作。自動控制系統已成為人類現代社會活動中不能須臾離開的東西。
人們研製和套用自動控制系統，在不少情況下是受生物界的啟發。高級動物的體溫控制、瞳孔反射、皮膚變色、某些生物激素的應急釋放，以及對生態環境變化的適應性變異等，都是自然界中結構精巧而原理複雜的自動控制系統。對生物界這些自然系統的研究和模仿導致了一門新學科──仿生學的誕生。每年建造數萬個具有初等智慧型的機器人並投入工業運行是這方面的最新成就。從人類文明進化的觀點來看，由科學技術創造的各種自動控制系統是人類體力和腦力的延伸。跟蹤和適應這個潮流是世界各民族的天責。
系統控制技術和新技術革命
第二次世界大戰以來的四十多年中，特別是六十年代以後，在一切已開發國家和很多開發中國家，人們的生產方式和生活方式都發生了巨大的變化。這種變化最重要的標誌是：在社會勞動時間不斷縮短的情況下，社會勞動生產率和人均國民收入都增長了大約十倍，人的平均壽命大大延長。促成這種急劇變化的主要原因是科學技術的進步，所以普遍認為人類正在經歷著一場新的技術革命。在科學技術領域裡對新技術革命貢獻最大的是兩個相互緊密聯繫的領域：一是信息技術（微電子技術、計算機技術和通信技術等）的重大突破；二是系統科學的概念、理論和方法的工程化套用。前者是後者得以成功的物質基礎，後者又為前者的發展開闢了道路。關於系統科學特別是系統控制論的工程套用技術稱為系統工程。信息系統和系統工程相結合大大提高了社會財富的生產、運輸和消費分配的自動化程度。在社會生產領域裡，以機器人和柔性製造系統為代表的高度自動化生產方式已趨普及。1986年全世界已有16萬台機器人在生產線上工作，能代替幾百萬人的體力勞動和部分腦力勞動。機器人產量正以每年百分之三十的速度增長，九十年代初每年將有10萬個智慧型機器人進入生產勞動崗位。計算機輔助設計(CAD)和計算機輔助製造(CAM)代替了人們在產品設計和工藝方面的大部分腦力勞動。計算機集成製造系統(CIMS)包含了從原料設計、加工、裝配、搬運到市場分配、計畫決策、銷售經營等整個企業生產運輸過程的自動化控制。系統控制的理論和方法為整個生產過程實現計畫、調度、管理、運輸、銷售和維修服務的最佳化和高度自動化提供了巨大的可能性。用智慧型機械編組的“無人工廠”即全自動化生產系統已經投入運行（日本，1981）。已經開始的這場新技術革命將在系統控制技術的推動下，把人類生產活動的智慧型自動化和勞動生產率提高到一個新的、前所未有的程度。
在信息技術的支持下，政府或社會職能部門用系統工程的方法和手段對社會政治、經濟、軍事、教育、科技、人口、衛生等大系統和巨系統定量地進行狀態分析、態勢預測、政策評價、最佳化和仿真等，已成為各社會管理部門廣泛的工程實踐。蓬勃興起的辦公自動化技術和能把人的經驗和知識轉變為人工智慧的各種專家系統，已成為社會管理系統工程的強大技術手段和組成部分。所以，系統工程也被稱為關於組織管理的技術。由於人口數量在增長，人類的社會活動範圍在擴大，內容在增多，複雜程度和規模在變大，沒有系統控制的觀念和手段，社會管理部門將難以保持人類各種生產活動和生活節奏的秩序和協調性，各種利益衝突難以得到及時調整，社會生活安定性易於受到破壞。這在經濟領域裡的金融系統中表現得最為突出。在商品經濟發達的社會中，銀行業務的電子化,清算系統的系統化和自動化,對社會經濟活動狀態和發展趨勢的系統分析，是實現對全社會經濟活動的有效監督，是保證金融政策、貨幣政策、稅收政策、投資和消費政策的正確性和有效性的關鍵。不準確的信息和系統分析能力的缺乏，都會導致政策的失誤，以至經濟生活的紊亂和衰退。在現代的交通運輸、能源供應、社會安全、人口系統以及軍事系統中都有類似的情況。包括系統控制論在內的關於系統的概念、理論、方法以及系統工程的技術實踐，是人類認識社會、改造社會和引導社會發展的強大武器。
