控制论方法

（一）控制论方法及其特点

控制是指根据一定的条件和预定目标，对系统及其发展过程施加影响的行动。存在控制过程的系统就是控制系统。控制系统的基本要素是控制者和被控制者。控制者和被控制者也称作施控系统和受控系统，控制也就是施控系统对受控系统的作用。

控制论是研究系统控制的一般规律的科学。而控制论方法就是通过信息处理的能动过程，使系统保持稳定状态或最佳状态，从而实现系统目标的方法。在控制系统中，施控系统和受控系统之间是相互作用、相互影响的。同时，它又与外部环境产生相互作用和影响。人们把施控系统对受控系统的作用和影响叫作输入，把受控系统对外部环境的作用和影响叫作输出。控制系统可以根据输入和输出的关系分为不同的类型。一种是开环控制系统。在这种系统中输入直接控制着输出，但输出不能反过来控制输入，因而缺乏调节机制，系统运动容易受到外界环境的干扰，容易偏离控制目标。控制系统的另一种类型是闭环控制系统。一方面，这种系统的输入控制着输出，另一方面，输出也控制着输入。这种受控系统是由输入和输出共同控制的系统，在输入和输出之间存在着反馈联系，因此，这类系统也称作反馈控制系统。反馈的作用就在于它使系统的输入和输出有了调节的机制。

在受控系统按规定的系统目标运行过程中，根据系统输出的情况，不断地把符合或偏离目标的状态信息输出到施控系统中来。状态信息被施控系统接收后，经过分析、加工和处理，判明系统的实际状态，并与给定状态加以比较，再输出指令到受控系统，以保持或调整系统状态。受控系统接到指令后，根据指令保持或调整状态，并输出新的状态信息到施控系统中来。通过这种信息输入输出的不断循环，使系统在控制下按预定目标运动。

控制论方法的主要特点是：①它撇开不同系统的物质和能量的具体形态，着重从信息方面来研究系统的功能，它不是着重研究系统此时此地的行为，而是研究所有可能的行为方式和状态及其变动趋势。②施控系统可以通过信息反馈作用不断纠正被控系统偏离目标的行为，保证系统预定目标的实现。应用这种方法可以随机处理各种问题，提高排除各种干扰的能力，保证控制系统的正常运行。

（二）功能模拟法

在控制论的创立过程中，类比和模拟方法起了很大作用。同时，控制论又把模拟方法发展到功能模拟的新阶段。控制论揭示了不同系统在行为和功能上的相似性，并认为这种行为和功能上的相似性在生物系统、社会系统和技术系统中是普遍存在的。功能模拟法就是以行为和功能的相似性为基础，用模型去模仿原型的行为和功能的科学方法。

功能模拟法与传统的模拟法相比，具有以下特点：①它以行为和功能的相似性为基础，不需要去分析系统内部的物质组成、各要素之间的相互关系以及能量的转换形式。②它不要求模型和原型在结构和形态上完全相同，而只要求模型和原型输入输出相同。③在传统模拟中，模型只是一种认识原型的手段，而在功能模拟中，模型是具有目的性行为的机器，它本身就是研究的目的。

功能模拟法在现代科学技术中具有重要作用：①功能模拟法使电脑（电子计算机）代替人脑的部分思维功能成为可能，为人工智能的研究提供了有效的方法。②功能模拟法开辟了向生物界寻求科学技术设计思想的新途径，使仿生学的发展进入到一个新的阶段。③运用功能模拟法可以使电子计算机代替部分实验，使得过去一些非进行不可的、耗费大量财力、物力和大量精力的实验成为多余。

（三）黑箱方法

所谓黑箱是指内部构造和机制尚不清楚，只能通过外部观测和试验去认识其功能和特性的系统。黑箱有两个特点：①我们只能给它以信息输入，观察它的信息，而不知其内部结构。②黑箱是相对于一定的认识主体而言的。一个系统对于不同的人来说，既可能是黑箱，也可能是灰箱或白箱。（灰箱是指其内部构造和机制部分被认识的系统，而白箱是内部构造和机制已经被认识的系统）。就是黑箱本身，也会随着科学技术的进步和人们认识能力的提高，逐步转化为灰箱或白箱。

黑箱是我们无法直接观测其内部结构的系统，但我们可以借助于黑箱方法去加以认识。所谓黑箱方法就是不直接考察系统的内部结构，而是利用外部观测和试验来考察系统的输入和输出及其动态过程，研究系统的功能和特性，探索其结构和机制的科学方法。

黑箱方法具有不同于传统科学方法的特点。①它通过研究系统的输入输出，而不是打开系统的途径去认识事物，这就具有不破坏事物的原有结构和完整性的优点，有利于从整体的、综合的、全局的角度来研究事物。②它不是孤立地去研究系统本身，而是从系统与环境的相互作用和互通信息中来研究事物。这就具有不割断系统与环境相互联系的优点。③它不是从系统的结构入手来研究问题，而是通过考察系统的输入输出、行为和功能，进而来推知系统的结构和机理，这就省去了许多麻烦，而且认识活动也不影响系统的正常运行。

黑箱方法的基本步骤是：

第一，确认黑箱。根据研究对象的性质和研究任务的要求，把作为黑箱研究的对象的相关因素，从环境中分离出来，确定它的边界，同时找出它与环境相互作用中的主要矛盾，并有目的地造成某种输入，预期某种输出的结果。在确认黑箱时，不应先对黑箱的性质和内容作任何假定，但必须明确研究的范围和目标，以便确定黑箱的类型。

第二，考察黑箱。确定了黑箱之后，接着就是通过观测和试验对其考察，即考察黑箱的输入、输出及其动态过程。观测考察一般是指对系统不加干预，只采取观察方法测量其输入、输出的变化及数据；试验考察往往是指有意识地在输入端加入某种典型的测试信号，然后观察其输出响应，以获得黑箱更多的信息，使系统特性更明显地表现出来。

第三，阐明黑箱。经过考察黑箱，取得了关于系统输入、输出的数据之后，还要进行比较分析，并运用已有的理论和知识，推导事物的内部状态、结构和过程，这就是阐明黑箱。对于复杂的黑箱，由于输入输出的数值较多，关系错综复杂，在获取输入输出的数据之后还不能阐明黑箱，这就需要综合整理数据，对数学式所用的基本量进行科学抽象、简化和标定，并根据数学式建立黑箱模型，然后依据模型对黑箱的功能及特性进行定性的、定量的、静态的、动态的分析评价，对其内部的结构和机制作出某些推测和假说，并通过试验去加以验证。

黑箱方法对于现代科学研究具有重要意义。它为复杂巨系统、不能打开或不便打开的物质系统的研究提供了有效的工具，特别是对生命科学的研究具有独特的作用。但由于它不打开黑箱，对于外部功能和行为相同的事物，运用黑箱方法还无法确定它们的区别。因此，我们在运用这种方法时要同其他方法结合起来，相互补充，以克服黑箱方法的局限性。