中华学生百科全书-第30部分

快捷操作: 按键盘上方向键 ← 或 → 可快速上下翻页 按键盘上的 Enter 键可回到本书目录页 按键盘上方向键 ↑ 可回到本页顶部! 如果本书没有阅读完，想下次继续接着阅读，可使用上方 "收藏到我的浏览器" 功能 和 "加入书签" 功能！


而那位健壮刚强的小伙子却敏捷的闪开了……奴隶主们注视着这一惊险纷呈
的场面，不由得大声叫喊起来，或者得意忘形，或者懊丧至极。原来，他们
正在进行一场奇导的赌博，而且下了一笔可观的赌注呢！
　　　　在这场雄狮与奴隶的生死搏斗中，狮子总想尽早扑住对手美餐一顿，而
人则要设法躲避求得安宁。这是一场惊心动魄、扣人心弦的角斗。但是，谁
又能料到，在这场事件背后竟然蕴含着深奥的对策论的朴素思想呢？
　　　　拿活生生的人去与残忍的雄狮角斗取乐，这在世界文明的今天是不可思
议的，然面在古罗马的奴隶制社会却是司空见惯。假如您读过小说《斯巴达

克思》的话，您就会不以为怪了。
　　　　对抗的双方都要运用自己的聪明才智，充分发挥自身的优势，尽量利用
对方的弱点，选择最优策略，最终战胜对方。对策论就是一门利用数学的观
点和方法研究竞争或斗争现象中，是否存在一方战胜另一方的最优策略以及
如何制定最优策略的科学。由于我国古代把下棋玩牌这类活动叫做博奕，所
以对策论又叫博奕论。
　　　　对策论的相互思想还可以追溯到公元前若干世纪。其中我国古代田忌赛
马的故事已成为脍炙人口的对策问题的范例。这个故事给我们这样一个启
发：只要策略得当，实力并不是取胜的唯一因素。这也深刻地反映了对策的
极端重要性。
　　　　对策论虽然渊源久远，但它真正成为一门独立的学科，还是　1944　年数学
家冯·诺依曼和经济学家摩根斯坦合著的《对策论与经济行为》一书出版以
后的事。而该书则被认为是对策论发展的一块里程碑。冯·诺依曼不仅创立
了对策论，他还是电子计算机的奠基人。1946　年以后，由于电子计算机的发
明和应用，大大简化了对策论中的复杂计算，才使对策论不再仅仅是纸上谈
兵了。进人　60　年代，对策论与最优控制相互渗透，使对策论得到了长足的发
展。
　　　　在对策论发展的基础上，美国的依萨克斯博士通过对军事上追逃问题的
深入研究，开创了微分对策的研究工作，提出在追逃问题中，追逃双方都能
自由决策的新的对策，即微分对策理论。
　　　　形形色色的对策现象，一般都具有三个最基本的要素：（1）局中人。具
有决策权的参与对策的各方叫做局中人。局中人既可以理解成个人（如狮子
与奴隶、齐王与田忌等），也可以理解成集体（如参加比赛的球队）。从人
类与大自然进行斗争的角度理解，也可以把大自然作为局中人，同时把那些
得失一致的参加者看作是一个局中人。（2）策略集。对策过程中每个局中人
可以采取的方案称为该局中人的策略。一个局中人可能采取的所有策略则称
为他的策略集。（3）得失函数。一局对策结束之后，每个局中人都有自己的
得与失，它与各局中人所采取的策略有关，故称为得失函数。
　　　　只有两个局中人的对策叫二人对策，三人以上叫多人对策。在二人对策
中，如果胜者之所得就是负者之所失，双方得失之和为零，则称此种对策为
二人零和对策。实际生活中许多问题都可以归结为二人零和对策问题，如人
狮之斗、田忌赛马及各种追踪问题。如果对策各方得失之和大于零，即是互
相协助、合作的，则称这种对策为合作对策。
　　　　对策论的应用很广，尤其是作为新一代更复杂的微分对策理论，由于与
控制理论特别是最优控制理论紧密相联，已经能够解决许多实际问题，在军
事部署、自动控制、海洋捕捞、农业抗灾、贸易竞争、外交谈判、疾病医治
以及各种体育比赛中被广泛应用。进入　70　年代后，对策论更加向纵深发展。
如模糊数学是新近发展起来的一个数学分支，在对策论中也得到了应用。借
助模糊数学，可开辟对策论研究的新领域，用以探讨如周围环境、对策策略、
合作关系等在模糊情况下的对策问题。
　　　　毋庸讳言，对策论，尤其是微分对策理论，毕竟还只是一门年轻的科学，
其理论和应用不论在广度或是深度方面都有许多问题，等待着广大有识之士
去开垦、去发掘、去探讨。相信在不远的将来，在对策论这片土地上，会绽
开更多、更美的花朵。

　　　　　　　　　控制论的发展
　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　
控制论在科学史上的位置


　　　　在人们认识世界、改造世界的漫漫长夜中，不时闪烁着智慧的火花；在
广阔的科学处女地上，遍布着开拓者们的足迹。环顾仰视，我们不难发现一
座座人类科技史上的丰碑。
　　　　这里是牛顿等著名科学家建造的一座宏伟殿堂——经典物理学，它庄
严、博大、精湛。那浑然一体的坚强柱石，那硕大的穹隆，无不令人肃然起
敬。它不愧是一代科学之宫，领导了　200　多年的世界科学潮流，造成了以机
器、轮船、铁路、电力、汽车和飞机等为代表的工业革命。
　　　　然而，较之本世纪初比肩崛起的另两座巍巍丰碑…量子力学和相对论来
说，经典物理学之宫却显得低矮陈旧了一点。站在这两座丰碑之巅，人类的
视野更加开阔，科学技术开始冲破传统范围，导致了本世纪整个自然科学在
纵深方向的一场革命，形成了探测微观世界和洞察宏观宇宙的两个前沿阵
地。
　　　　不过人们也注意到，量子力学、相对论领导的这场自然科学革命，尽管
它的理论高度大大超过了经典物理学体系，却没有像经典物理学那样引起生
产与社会文明的爆发性飞跃。
　　　　正当物理学家们步履艰难地迈着沉重步伐攀登之时，人们惊奇而又欣喜
地发现：一个前所未有的科学技术与生产突飞猛进的新时代，就诞生在第二
次世界大战的废墟之上。它并不直接来源于自然科学纵深方向的发展，而是
来源于科学技术的横向突破。新时代的科学技术革命几乎深入到人类活动的
所有领域，汇成了波澜壮阔的强大浪潮，并迅速构筑了那一片高耸入云的摩
天大厦，而支撑这片大厦的擎天柱就是系统论、信息论和控制论，简称为三
论。
　　　　无论是系统论、信息论，还是控制论，都与以往的任何学科不一样的，
它们不是以客观世界的某种物质结构、属性和运动形式作为研究对象，而是
一类别开生面的“横断科学”，就控制论而言，是似各种物质结构及其内部
运动规律的共同特点——信息传递和变换为研究对象，即研究各种现实系统
共同的控制规律。它既不限于自然科学，也不属于社会科学，而是横跨各个
学科，超出了其他学科的局限性，为各门学科找到了共同的内涵。控制论揭
示了机器与生物系统信息控制的共同规律，把反馈控制的原理扩展到生物、
经济和社会系统，为后来控制理论在非工程系统中的应用提供了理论基础。
究其本质而言，控制论是一门方法论学科，它是集当代哲学、社会科学、自
然科学和数学之大成而产生出来的多学科综合体，即具有形成结构上的多学
科性，研究方法上的综合性等显著特点。因此，控制论享有“交叉科学”、
“边缘科学”和“横断科学”的美称。
　　　　我们可以看到，当今众多的学者和科技人员，都在他们自己的领域，如
政治学、经济学、社会学、工程学、生物学、医学、教育学等方面，探讨和
运用以控制论方法为主的现代科学方法。控制论与每门学科的具体方法有机
地结合以后，又产生了一个又一个的边缘学科。


控制论的诞生

　　　　美国科学家维纳是世界公认的控制论的奠基人。他于　1048　年出版发行的
《挖掘论》一书被认为是控制论学科诞生的重要标志。
　　　　说起维纳创立控制论学科的过程，还有一段传奇般的故事呢！
　　　　那是在本世纪　30　年代末期，美国马萨诸塞州府波士顿市附近的剑桥，一
家装修并不豪华的小酒店里，每月都可看到一群年轻人在这里围着了一张大
圆桌饮酒、交谈。有的衣冠楚楚、西装革履，有的衣衫不整、不修边幅，让
人猜不透这群人的真实身份。他们偶尔轻言细语偶尔又争论不休。交谈和争
论的话题也是海阔天空、相当广泛，涉及数学、物理、生物、医学、工程、
机械、社会、经济等。他们的思想和观点，在当时是非常新颖而略显出格的，
但听了使人耳目一新。
　　　　别以为这是一群年轻人在发酒疯、过酒瘾，其实是哈佛医学院的神经生
理学家阿托罗·罗森勃吕特博士领导的关于科学方法论的午餐讨论会。讨论
会的成员包括许多学科的年轻科学家，大都在本专业和其他科学领域有着广
博的知识，思想异常活跃，具有独特的科学见解。该讨论会的一些积极成员，
后来都成为名闻遐迩的大科学家，如诺伯特·维纳（创立控制论）、冯·诺
依曼（V·Neuman）（计算机科学之父）、C．E．申农（Shannon）（信息论的
奠基人）等。
　　　　正是因为积极参与这个讨论会，维纳的思想受到极大的影响。首先，维
纳认识到，在科学发展上可以得到最大收获的领域，是已经建立起来的各门
学科之间容易被人忽视的科学边缘（维纳称之为“科学处女地”）。控制论
的创立正是他在这块“科学处女地”上辛勤耕耘的结果。其次，讨论会集中
了大批的各种学科的杰出人材，讨论中往往是从不同科学领域的不同角度去
谈论问题，同时也从本学科的角度去理解别人提出的问题。这使维纳极大地
开阔了眼界，增长了见识，活跃了思想，融汇贯通了他自己过去在许多领域
中的独特见解。再加上他本人渊博的知识，以及与几位合作者（如罗森勃吕
特、别格罗以及当时在麻省理工学院任教的中国学者李郁荣博士等）的共同
研究，最后才形成了控制论的基本思想。
　　　　诺伯特·维纳不仅勤奋好学，还十分聪慧。正如他自己在自传《昔日神
童》中写的：“我曾经是个名副其实的神童。因为我不到十二岁就进入大学，
不到十五岁就获得学士学位，不到十九岁就成了哈佛大学的哲学博士。”他
又是一位数学家，曾经在赫赫有名的英国数学家罗素教授的影响下专攻数
学，在纯数学理论上取得了很大进展。但是他成长为一个著名的数学家却相
当缓慢。他从小无书不读，家庭教育过分苛刻，使他成为一个性格奇特的人。
他对数学、物理学、博物学等许多学科都有着浓厚的兴趣，加上他严谨的科
学态度、孜孜不倦的探索精神和敢于创新的意识，使他成为一个对社会、对
人类大有贡献的杰出人物。


钱学森与控制论


　　　　与控制论其他分支比较起来，工程控制论是最早形成的一门学科，其研
究方法也最为成熟。而其他控制论分支大多是借鉴工程控制论的分析方法，
在各自领域内开展研究。工程控制论，也就是人们通常说的控制理论，是我
国著名科学家钱学森创立的。他于　1954　年出版的专著《程控制论》，标志着

这门学科的诞生。该书从技术观点出发对各种工程控制系统的自动控制原理
作了全面总结和探讨，奠定了工程控制论的基础，指出了工程控制论的发展
方向，推动了自动化技术在工程中的广泛应用，是世所公认的工程控制论经
典著作。
　　　　纵观控制理论几十年的发展过程，人们习惯上把它分为经典控制理论、
现代控制理论和大系统理论　3　个阶段，下面我们就分别加以叙述。
　　　　1．经典控制理论（40～50　年代末）
　　　　本世纪　40　年代，为了改善工业自动调节系统，特别是第二次世界大战中
为解决军事装备自动控制系统的性能，逐渐形成了以分析和设计单变量（即
一个物理量）控制系统的经典控制理论和方法。这期间，着重研究的是单机
自动化或局部自动化。例如，用自动调节器来控制锅炉的水位、发电机的电
压及电动机的转速。更为复杂的控制系统有大炮的自动瞄准、飞机、舰艇的
自动导航和舵位控制系统等。经典控制理论应用于工程实践，最成功的例子
是美国的陆军于　1944　年发明的自动防空火炮系统。该系统中包括雷达自动搜
索和跟踪目标（敌机），同时控制高炮自动对准飞行中的敌机，自动计算出
炮弹发射方向，自动装入定时起爆引信，炮弹自动上膛和发射，直到击落敌
机或敌机逃跑为止。这样一个复杂的作战过程，居然能够全部自动化，而且
比人操作更灵巧，命中率也高得多，在当时看来，的确是个奇迹。
　　　　2．现代控制理论（60　年代初～现在）
　　　　50　年代以来，控制理论在航空航天部门的应用进展很快，许多更复杂、
更精密的自动控制系统相继出现，如自寻目标导弹、人造卫星、登月飞行、
火星着陆、载人飞船等。与此同时，随着电子计算机技术的发展和普及，许
多重要的工业生产部门也逐渐由局部自动走向综合自动化，因为这样可以最
大限度地提高劳动生产率和产品质量，节约原材料和能源，从而实现现代化
生产的最优化。
　　　　随着自动化水平的不断提高，控制系统本身也日渐复杂，系统中的控制
变量数也随之增多，对控制性能的要求也逐步提高，很多情况都要求系统的
性能是最优的，如时间最短，误差最小、燃料最省、产量最高、成本最低、
效益最大等，而且要求对环境的变化有较强的适应能力，但现在所依据的稳
定性、快速性和准确性等设计指标难以满足新的控制要求。为了适应航空航
天事业和生产综合自动化的需要，1960　年出现了以状态空间描述为基础，以
最优控制理论为核心的现代控制理论。现代控制理论这一概念，最早是在
1960　年由美国著名科学家、控制理论界权威人士卡尔曼（R．E．Kalman）（时
年仅　27　岁）提出的。其主要标志是卡尔曼提出的能控性和能观测性的新概
念，还有贝尔曼的动态规划和庞特里亚金的极大值原理和卡尔曼滤波器。
　　　　3．大系统理论（70　年代初～现在）
　　　　70　年代以来，控制理论向深度和广度进一步发展，进入了所谓的“大系
统理论”阶段。因为大系统理论可以用来解决大系统最优设计、最优管理和
最优控制等问题，所以在国际上受到了日益广泛的重视。一方面，许多国家
的研究机构、大学、军事部门，都在积极进行各种大系统的研究、分析、设
计等工作；另一方面，国际上相继成立了跨国的大研究机构，如　1972　年在维
也纳成立的国际应用系统分析研究所（ⅡASA），旨在专门研究涉及全世界范
围的大系统问题，如地球资源问题、能源问题、人口问题、世界模型等。
　　　　但是，什么是大系统呢？因为它尚处于不断发展和完善之中，很难给它

下一个确切的定义。通常所说的大系统，指的是包括工程技术、社会经济、
生物、生态等各个领域的复杂系统。如各类文献中提到的大型钢铁厂、化工
厂的多级计算机控制与管理系统；区域性火力电网的动态稳定、自动保护与
最佳运营系统；水源供应系统、农田水力灌溉网、输油、输气管道系统；铁
路、航空、城市交通管理与控制系统等等。


现代经济控制论


　　　　对于一个家庭而言，每个月的经济总收入是有限的，而要消费和支出的
项目又很多，如衣、食、住、行，购买书籍、文具和其他娱乐消费等。如何
合理安排和控制各项开支，做到既满足生活要求，又能略有节余以应不时之
急需，乃是家政管理的一大学问。
　　　　对一个家庭是如此，对一个企业、一个地区乃至一个国家，更是如此。
国民经济发展水平，是衡量一个国家综合国力的重要依据。而对国民经济的
宏观遥控和微观搞活，就正如一个善于理财、精打细算的好管家对于一个家
庭一样，是国民经济适度增长的必要保证。
　　　　经济学，作为一门完整的学科，已有数百年的历史。发展到今天，就像
是一棵大树，深植在社会经济活动的土壤中，其粗壮的主干上分枝丛生，花
繁叶茂，色彩缤纷。近几十年来人们尝试用控制论的思想和方法给这棵古老
的参天大树嫁接上一枚并不显眼的新芽。在斗艳争芳的盛况中，在绿叶浓荫
的掩映下，这枚嫩芽默默地成长着。通过母体发达的根系吸收土壤中的养分，
以自己强大的生命力，迅速成长壮大起来。短短时间里，崭露头角，成了经
济学这棵大树上独树一帜的新分支——经济控制论。特别是近十几年来，这
一新的分支更是奇葩竞放，硕果累累，令人刮目相看。
　　　　我们说，控制论与经济学的结合产生了新的边缘学科经济控制论。但这
并不意味着是先有控制论，而后才有经济控制论。事实上，早在控制论诞生
之前，从古典经济学起，就有大量的经济学者在研究经济系统的调节、反馈、
控制及稳定性问题，只是他们还没有上到控制论的高度来分析罢了。很明显，
无论是古典政治经济学家还是现代经济学家，都在一定程度上认识到价值规
律对经济发展起着重要的“调节器”作用，任何一种社会经济过程中都存在
着某种自动调节与控制现象，用控制论的术语来说，就是“负反馈调节”。
　　　　经济控制论的最终形成是建立在现代自然科学和社会科学基础上的。
1952　年在法国巴黎召开的世界控制论大会上，与会学者首先提出了“经济控
制论”一词。1951～1953　年间，美国加利福尼亚大学史密斯教授运用电子模
拟装置模拟资本主义经济体系，分析体系的稳定性和各种干扰影响的反应，
指出了资本主义危机的必然性与周期性。1953　年，英国电子工程学教授　A．
图斯丁（A·Tustin）发表了《经济系统的机制》，把二次世界大战中发展起
来的经典控制理论应用于进行控制的问题上，1954　年和　1957　年，美国数学
家　A．菲利甫斯（A．Phillips）在《封闭经济中的稳定政策》和《稳定政策与
滞后反应的时间形式》等文中，开始用二次常微分方程来描述宏观经济系统，
讨论了它的开环控制与闭环控制问题，并提出了一种新的控制方案来改进经
济政策的稳定性。
　　　　随后，运筹学、系统工程、现代控制理论、大系统理论、微分对策理论
等新的现代科学理论被陆续引用到经济学的研究领域，极大地推动了经济控

制论进一步向前发展。
　　　　现代经济控制论的一个主要内容，是将控制论与数量经济学、管理学、
经济系统学、运筹学等学科相结合，对具体的经济过程实现控制与管理。这
类经济控制论问题把人和物及各种参数均视为被动的受控对象。典型的应用
包括：宏观经济的最优控制、建立最优经济增长模型、最佳消费投资比例、
最佳广告费用、有价证券选择、金融市场最优控制、基本建设投资优化问题
等等。
　　　　现代经济控制论的另一方面是由对策论发展起来的。在这里，经济控制
论把人视为其内在的动力因素，人与人之间的关系是既协作又竞争的，这种
关系形成社会经济的唯一主动结构，从而形成了经济系统的控制功能，简单
地说，这类经济控制论问题研究的是人的积极性、主动性，涉及到物质刺激、
责任问题、竞争的控制功能等等。所谓“小智善于治事，大智善于治人，睿
智善于立法”，就可喻指为控制的几个不同层次。
　　　　现代经济控制论作为一种管理过程的科学的基本工具，在社会主义经济
中有着巨大的潜力。经济控制论的重要性表现在两个方面：一是它提供了一
种关于使经济管理有效、准确和可靠的精确分析工具；二是它发展了一种处
理和解决问题的合适的思想方法，我们称之为“控制论思想”。其实，经济
控制论的原理和方法并非高深莫测，全部思想方法也都是辩证唯物的。大家
都来学点经济控制论知识，对我们的国家、对我们的企业、对我们的人民，
都将是有百利而无一害的。


生物控制论


　　　　我们知道，工程自动控制系统可以无需人的直接干预而完成各种生产任
务，这是由于其内部有完善的通讯和反馈控制机制。同样，大千世界中存在
数百万种生物，在长期的进化过程中，沿着从无序到有序、从低级到高级的
发展途径，在其体内形成了复杂精巧的自动调节系统，使得生物能在千变万
化的竞争环境中生存和发展。自然界中每一种生物都能按照自己的方法，适
应各自所处的环境，就像一部部最灵巧的自动机器。正是由于自动机器和生
物都具有反馈控制的共性，人们创立了生物控制论这一崭新的边缘学科，其
基本思想就是根据控制论的思想和方法，研究生物体各部分以及生物体内与
周围环境之间的信息传递、加工和自动调节规律，以及有关生物医学的信息
加工和控制问题。
　　　　生物体的结