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中华学生百科全书-第31部分
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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。
生物体的结构是多层次的，由亚细胞、细胞到器官和整体，每一层次都
有其特殊的调节和控制方式。而且，地球上现存的数百万种生物，它们的控
制和处理形式又千差万别。因此，生物控制论研究的范围是极其广泛的，它
既为生物医学服务，也为工程技术的发展作出贡献。一方面，利用控制论的
理论与方法可解决生物学中的问题，为深入了解生物医学的原理以及解决生
物医学中的实际问题提供新的方法与工具；另一方面，通过对光怪陆离的生
物世界中各种生物控制和信息处理原理的研究，反过来又为新的工程技术设
计提供新的思路。人们在这两方面都已做了大量的工作。
在生物医学领域，很需要控制论这样的跨学科的理论和研究方法。由于
生物系统十分复杂，大部分还处于疑谜阶段。比如动物和人的脑系统，它是
当前生物科学的重大研究课题。研究感觉信息加工的机理，探索学习和记忆
的奥秘，都要研究这个系统。脑与感觉器官都具有巨大的信息处理能力和灵
活性，它们不断接受、传递、加工和储存信息，并对身体各部分发出相应的
动作指令。据估计，人的大脑皮层约有 100～1000 亿个神经细胞，这些细胞
通常被称为神经元，神经元是脑内信息处理的基本单元。每一个神经元通过
称为“突触”的树枝状通道，从数以千计的其他神经元接受输入信号，又对
其他许多神经元提供输出，因而神经元之间的联系网呈犬牙交错的立体分
布。神经元通常有两种基本状态：兴奋与抑制，决定于神经元从突触接受到
的神经脉冲。神经元所传递的信号是在千分之一秒的时间内完成的局部电位
变化。当大脑皮层中的神经元兴奋而载有外界有关信息时，通过神经元内部
与外部的化学物质的作用，信号从一个神经元传递到另一个神经元，最后由
大脑中有关神经细胞进行综合处理，将它们变成所需要的决策，并对外界的
各种刺激作出反应。大脑真不愧为自然界中最高级的、最复杂的信息加工与
调节控制系统之一。
除了对人脑研究以外，应用控制论解决生理学问题也取得了重要进展。
记得前些年有一家外国报纸报道说用遗传工程的方法育成了“牛肉西红
柿’，这种新型西红柿体较硬，而且有牛肉的味道。该报道立刻引起强烈反
响，各国报纸纷纷转载，事后才知道这是在“愚人节”登出的玩笑的新闻。
如果在 20 年前有人杜撰这样一条消息，恐怕谁也不相信，而今天居然连科学
家都跟着“上当”了。这的确说明遗传工程的发展为实现人们对生物生长的
控制和调节，获得各种优良运行和植物的愿望，带来了新的曙光。尤其是遗
传工程近年来的一系列惊人成果更是引起了世人的极大关注和广泛兴趣。
1982 年，美国科学家把大白鼠的生长激素的基因植入小白鼠的受精卵
中，结果培育出来的小白鼠长得非常大，它的照片被各杂志竞相刊登，使这
只“超级小鼠”成了轰动一时的动物名星。很自然地人们立刻联想到，如果
将此项技术成功地用于渔业和畜牧业，我们不就可以获得个体大、生长快、
价格便宜的“超级鱼”、“超级鸡”、“超级鸭”、“超级猪、牛、羊”了
吗！
同样，如果用类似的技术把豆类的固氮基因转移到水稻、小麦等农作物
的细胞中，那么每一棵植物都成了小的“天然化肥厂”，不用再施化肥而获
高产；如果把抗病虫害的基因移植到农作物体内，则不需要喷洒农药而获丰
收。到那时，我们的环境必将更优美，身体会更加健康。
人口控制论
由于人口爆炸性的激增，已给全世界带来了直接或间接的社会经济问
题。目前，贫穷、疾病、灾害、愚昧、暴力、犯罪依然严重威胁着世界上大
多数国家。全世界有 70％的粮食生产要受到天灾的捉弄，人类的生存问题在
很大程度都受到自然界的摆布。
定量分析人口系统的状态并预测其变化规律，研究在各国不同人口情况
下如何调节和控制妇女生育率，改变人口结构和发展趋势，以使人口系统的
繁衍过程朝着最优化方向发展，达到人类自己掌握自己的命运这一宏伟目
标，就是人口控制论所要研究的基础内容。控制论、系统工程和电子计算机
等现代高新技术，为研究人口控制问题提供了有效的理论基础和技术手段。
人口控制论的创立和发展，进一步突破了过去那种认为不能用自然科学
方法研究社会问题的思想束缚，证明了定量研究方法对社会科学同样具有重
要的作用。
人口控制论的研究范围一般包括：
①人口系统建模：用数学模型描述人口发展变化过程；
②人口系统预测：根据系统模型预报未来人口变化规律；
③人口系统稳定性分析：用控制理论方法分析系统的稳定性；
④人口系统能控性和能观测性：分析系统是否具有能控性和能观测性；
⑤人口目标，希望达到的人口控制目标，如在本世纪末把我国人口稳定
在 12 亿左右；
③人口系统最优控制：研究为实现人口目标而应采取的控制手段，如晚
婚晚育（推迟结婚和生育年龄），一对夫妇只生一个等。
英国人口学家马尔萨斯（R．Multhus，1776～1835）是世界上公认的人类
历史上第一个提出定量研究人口发展过程的人。他于 1789 年提出了最早的描
述人口增长的数学模型。但是马尔萨斯的理论和方法，本质上是错误的，也
没有什么实用价值，在历史上曾受到多次批判。
在我国，50 年代马寅初先生就曾提出过控制人口增长的建议，但由于
“左”的思想干扰，这项建议不但没被采纳，反而将马老先生打成右派，结
果是“错批一人，误增四亿”。这不能不说是一个深刻的教训。不过近年来，
我国的控制论学者与社会科学家通力合作，在人口理论方面做出了巨大的成
绩，为我国计划生育和国民经济发展提供了有效的决策依据。
用控制论方法进行人口预测，预报未来人口变化规律，是人口理论发展
的必然结果。深入开展这方面的研究工作，对于我们这样一个世界第一人口
大国来说，无疑是十分必要的。
教育控制论
教育控制论是既属于教育学又属于控制论的一门新兴边缘学科，至今约
有 20 年的历史。
我们说，人是生物成员之一，又是社会大家庭中的一分子。人的先天特
征服从生物属性。例如遗传，通过载有遗传信息的染色体把父体和母体的生
物特征传给后代。人的后天特征又具有社会属性，只有通过社会活动才能体
现人的存在。其中最典型、最重要的社会活动就是教育。人从获得生命的那
一天起就在接受来自社会四面八方的教育，这个过程一直要延续到寿终正寝
之时。不过，除人类外，其他高级动物也都有接受教育的特征，如刚出蛋壳
的小鸡寻食捉虫，就受教于母鸡，母狮训练幼狮捕食猎物等。可见社会性、
受教性并非人所独有的本质，但“教育的优化”，即教育的目标性，也即使
受教育者“正于社会”而不“负于社会”的一面，却是人类教育异于动物“教
育”的本质特征。
如前所述，控制论是一种模型化、数学化的理论，是研究信息传递、加
工和处理的科学，而教育学正是广泛与信息打交道的学科。但是传统的教育
学虽已形成了比较完整的学科体系，总的来说仍属于经验科学，对于教育过
程中的信息处理以及各种社会因素产生的影响只能做定性的分析和描述，而
且一般说来，它不能对教育过程做可靠的预测。在现代科学技术的飞速发展
过程中应运而生的教育控制论，广泛吸取了控制论、信息论和系统论思想的
丰富营养，试图通过建立系统模型的方法来模拟教育过程，把教育过程中涉
及到的各种因素的影响看成信息传递和存储，应用反馈控制的思想，探讨最
佳控制方案，并对教育过程进行有目的的预测。教育控制论的实质在于应用
控制论的方法、手段和成果来解决教育科学（如教育心理学、教学方法论和
定向教育）所提出的问题，使传统教育学从定性研究的描述性科学过渡到定
量研究的精确科学。
然而，我们应该看到，教育过程是相当复杂的。从深度来说，如何培养
和造就高、精、尖、开拓性人才，是现代社会中最突出的问题之一；从广度
来说，除小学、中学、大学、研究生院的德、智、体、美、劳教育以外，胎
儿教育、婴儿教育、幼儿教育、成年教育、老年教育以及终身教育也已深入
普及到社会各个层次。按控制论的观点，教育系统的控制和优化必须是对广
义教育的控制和优化，而把狭义教育（即学校正规教育）作为其中最重要的
一个环节。从这个意义上讲，教育系统的最优控制问题很自然地构成了一个
多阶段性决策过程。按照我们在第一章中介绍过的贝尔曼最优性原则（即动
态规划法），整个广义教育须认真研究严肃对待。任何一个环节上的失误，
不论是对个人，还是对社会都将造成难以挽回的损失。
环境控制论
1952 年 12 月 5 日，英国伦敦上空突然浓烟滚滚，黑雾弥漫，天昏地暗。
许多居民感到胸闷气急、喉痛咳嗽，呕吐不止，在几天之内就有 4000 余人死
亡。紧接着，整个英国大雾笼罩，气温逆转，又造成了数千人死亡。人们恐
怖地称之为“杀人的烟雾”。这是怎么回事呢？
1961 年 1 月，美国得克萨斯州科罗里达河下游，突然出现了大量的死鱼，
10 千米，50 千米，一直扩散到 300 多千米的河面上。据统计，当地所有的
27 种鱼类全部死亡，连重达 30 多千克的蓝猫鱼也未能幸免。是谁杀死了这
么多的河鱼呢？
1953 年开始，日本九洲的水俣县出现了一种奇怪的病人，耳聋眼瞎，四
肢麻木，精神亢奋，一会儿酣睡如泥，一会儿又兴奋异常，身体渐渐弯曲，
最后惨痛呼叫而死。到 1972 年，全镇有 180 多人患了这种“水俣病”。这究
竟是什么原因呢？
现代社会中发生的诸如此类的致命灾害，引起了世界各国人民和科学家
的密切关注。美国海洋生物学家卡逊女士经过详细调查研究，于 1962 年写成
了近代环境污染对生态的严重影响，唤起了人们对古老生态学的兴趣，被人
们誉为开创了一个新的“生态学时代”。卡逊在书中通过大量骇人听闻的材
料表明，人类如果破坏了赖以生存的生态环境系统，必然会遭到自然界的严
重报复。她的呼吁，立刻得到了各国科学家的热烈响应。通过对生态和环境
污染的系统研究，许多谜团被解开了。比如上面提到的英国伦敦烟雾事件，
原来是英国大多数居民家的取暖烧煤排气中，含有三氧化二铁成分，能促进
空气中的二氧化硫氧化，生成液态酸沫，附着在烟尘上或凝聚在雾核中，进
入人的呼吸系统，使人突然发病，并加速慢性病患者的死亡。美国科罗里达
河的死鱼事件，则是一家生产农药的工厂长期排放污水的恶果。日本的水俣
病，也是因为该河流上游有个工厂排放含汞废水而酿成的灾难。
大量事实说明，人作用于环境，环境也反作用于人。随着现代工农业生
产的发展，生态环境的污染程度日益加剧，严重影响着人类社会的发展速度、
动植物的正常生存，这不仅关系到当代人们的身体健康，而且关系到子孙后
代的繁衍昌盛。污染控制和环境保护无疑已成为世界各国政府刻不容缓的重
要任务，“保护环境，造福人类，功在当代，利有千秋”的思想，已为世人
普遍接受，环境控制论正是在这一浪高过一浪的呼声中诞生了。
顾名思义，环境控制论是专门研究生态环境的质量变化、污染控制与处
理、环境保护与优化的科学原理及技术措施的一门科学，其范围涉及到地球
生物圈（包括大气、海洋、湖泊、河流、土壤等）和人类生产活动的各个领
域。它以生态学和地球化学为基础，以控制论、现代控制理论和大系统理论
的思想方法为工具，并利用化学、生物学、物理学、医学和工程技术知识研
究环境综合治理和优化，是一门多学科交叉和综合的边缘性学科。环境控制
论的出现，人类自觉运用科学手段来研究和保护环境，是社会文明的一大进
步，是现代科学向深度和广度进军的一个重要标志。
环境控制论首先面临的是环境污染问题。所谓环境污染，是指由于人为
的或自然的因素，使环境中原来的组成元素或状态发生了变化，扰乱并破坏
了生态系统与人们的正常生活条件，致使人类生存的环境恶化；或者污染物
质进入生态系统，沿着食物链（比如说“大鱼吃小鱼，小鱼吃虾米，虾米吃
稀泥”（藻类））转移、循环和聚集，最后进入人体，危害人体的身体键康。
现代社会中环境污染的主要来源如下图所示。
面对如此众多和复杂的污染源，要做到环境综合治理和优化，首先应利
用控制论的黑箱方法（即系统辩识方法），建立环境系统的动态数学模型，
并在此基础上提出环境保护的有效措施。由于电子计算机技术的发展，要做
到这一点并非难事，特别是计算机的仿真技术，更为我们分析和模拟环境系
统提供了有效手段。
利用系统分析方法研究环境自净能力，是环境控制论的另一项重要内
容。我们知道，自然环境对污染物质都有一定的净化能力。比如，污染物质
进入河流，会慢慢稀释，然后在光合和微生物的作用下氧化、分解、还原、
沉淀，水质会逐渐恢复常态。进入土壤的污染物质，同样会在土壤中微生物
的作用下分解、还原。这些都是自然界生态系统内部反馈控制作用的结果，
当然这种反馈控制实现系统动态平衡的作用是有限的。因此我们应认真摸索
自然界对不同污染物质的不同净化能力，掌握它们的规律，据此制定污染控
制和环境保护的有效措施。
随着现代经济向纵深发展，环境科学的重要性也日益显著。可以预见，
在未来的历史长河中，环境问题仍将伴随着我们，困扰着我们，使我们不得
不在发展生产与保护环境二者之间不断的进行平衡和调整，以使脆弱的生态
系统不至于受到严重破坏。为了保证人类社会和经济的健康发展，我们就必
须从根本上摸清地球上各种生态、环境系统的内部变化规律，掌握其发展趋
势，提出合理开发和保护生态环境系统的最优方案。诚然，环境控制论还只
是一门尚未完善的学科，仍有许多领域是一片未知的海洋，需要我们用全部
的智慧去探索和研究。
军事控制
众所周知，军事系统是一个规模庞大、结构复杂、因素众多、功能综合、
信息分散的大系统。军事控制论正是要运用大系统理论、系统理论、数学和
计算机技术，研究军事系统的建模、信息传递和处理以及控制自动化的问题。
控制论应用于军事，就是为了在各种因素的制约下（如敌我力量对比、气象、
环境等条件），对军事大系统进行科学的规划、设计、制造和使用，使其达
到信息、能量和物质的综合平衡，取得整体控制的最佳效果。这对于指挥员，
尤其是高级指挥员来说，是不可缺少的指挥控制艺术。
现代战争是总体战，战场已从传统的海、陆、空范围向外层空间和海底
两极扩展，规模空间增大。在此情况下，只有全面统一地实施进攻和防御，
才能获取战争的全面胜利。把大系统理论用于军事决策，能帮助指挥员把握
全局，制定出最佳战略、战役行动方案，真正做到“运筹于帷幄之中，决胜
于千里之外”。运用计算机仿真技术，将敌多双方力量以及各种外界环境因
素输入电子计算机，可以在“兵不血刃”的情况下，分析研究战争的发展趋
势，从而寻找出最佳作战方案。
在战争舞台的长宽高都在无限延伸、军事斗争日趋大型化的当今时代，
要在浩瀚广阔的战场上得心应手地指挥千军万马，指挥员必须具备高瞻远
瞩、统帅全盘的系统思想，军事控制论则为实现这一目标开辟了新的有效途
径。
社会控制论
人类社会进入本世纪 50 年代，特别是 60 年代以后，已越来越受到世界
性的 5 大社会问题的困扰，即人口激增、能源短缺、资源破坏、粮食不足和
环境污染的严重威胁。如何利用现代科学知识，合理解决这些问题，使社会
正常发展，明显改善人类生存环境，是全世界人民所面临的一个挑战性任务。
幸运的是，社会控制论的出现，拓广了人们的视野，使我们在迷罔困惑之中
看到了希望的曙光。
社会控制论的基本内容是把控制论中取得的丰硕成果推广应用于社会的
生产管理、交通运输、能源管理、资源开发、环境保护、城乡建设，以至人
类社会的各个方面。控制论研究者认为，人类社会是一个充满活力和生机勃
勃的自适应、自组织系统，存在着内涵丰富的信息交流和反馈机制。社会控
制论不仅从整体上研究社会发展的内在规律，而且运用控制论的基本原理分
析各类复杂的社会现象，比如说国家领导体制的改革，社会精神文明的建设、
社会犯罪问题的综合治理等。人类社会的存在和发展，既需要社会变革，也
需要社会的稳定和正常的社会秩序。安居才能乐业，这是人所共知的真理。
无论是哪个朝代，哪个社会，都试图建立一个稳定的社会秩序，使人民生活
安定，生产迅速发展。从控制论的观点来看，社会秩序、社会稳定都是与社
会控制紧密相连的。离开有效的社会控制，就不会有安定团结的社会局面。
因此，社会控制论的研究还与社会政治、法纪法制、伦理道德等诸多因素有
关。所以我们说，在应用控制论研究复杂社会现象时，绝不能摆脱辩证唯物
主义和历史唯物主义的科学分析法，否则也很难得出正确的结论。
应当承认，社会控制论的研究还处于刚刚起步的初始阶段，但控制论及
其在社会各个领域的应用已经或正在成为人们认识世界和改造世界的强有力
工具。随着社会控制论这一边缘学科的进一步深入研究，它在社会发展过程
中必将发挥愈来愈显著的作用。
计算机时代的控制论
计算机控制
计算机控制是指利用计算机来实现自动控制的功能。由此构成的自动控
制系统，叫做计算机控制系统。计算机控制的应用范围很广。控制对象从小
到大，从简单到复杂，都可以由计算机参与控制。电子计算机可以控制单台
机或一个简单生产过程（如炉温、轧钢机等），也可以控制和管理某个车间，
甚至整个工厂都可交由大型计算机控制而成为所谓的“无人工厂”。计算机
控制可以是简单的反馈控制，也可以是复杂的多变量控制、最优控制、自适
应控制乃至具有人类智慧的“智能控制’。
计算机控制系统的基本组成一般包括控制对象、硬件和软件三大部分。
计算机控制系统的发展，是和电子计算机本身的发展密切相关的。电子
计算机自 1946 年问世以来，发展极为迅速，大致是十年左右更新换代一次。
特别是大规模集成电路技术的突破，使计算机的性能价格比显著提高，极大
地推动了电子计算机在各行各业中的应用。
然而，与科学计算、气象预报和数据处理等应用相比，计算机在控制领
域的应用起步相对较晚，早期应用进展也比较慢。造成这种现象的主要原因，
不是因为计算机不适合控制应用，也不是由于理论方面准备不足，而是因为
早期计算机的可靠性不高等原因。显然，计算机用于生产过程控制，对可靠
性的要求是比较严格的。
本世纪 50 年代中期，计算机开始用于工业控制。但总的来说，这阶段为
数不多的计算机控制系统，控制规律比较简单，如对原有人工控制系统提供
操作指导，或对原有系统提高最佳设置（系统输入）。计算机大量的时间主
要用于其他非控制作业，如制订生产规划，打印生产报表等。另外，由于早
期的计算机价格昂贵，为了充分利用，总是将各种不同的任务罗织在一起，
这就在原本可靠性不高的基础上，又增加了因组织复杂造成的新的可靠性问
题。由于这诸多原因，所以早期计算机控制技术进展缓慢。
尽管如此，也有一些比较成功的例子。如 1959 年美国的波特阿瑟（Port
Arther）炼油厂�
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