控制论与无线电电子学

1940年至1950年是科学上许多部门十分活跃的一段时期。当时无线电电子学已经得到蓬勃的发展，并深入到各个科学部门中去。自动搜索运动目标的雷达，自动进行复杂运算的电子计算机，自动控制的伺服系统，先后得到广泛的应用。电子数字计算机的发明，使人们看到，机器不仅能使体力劳动机械化、自动化，而且能使有规律的脑力劳动机械化、自动化。因此，有人把电子计算机比作电子脑，比作中枢神经系统。在这种情况下，世界各国的科学家都感到，深入研究人脑的控制作用，用电子技术来模拟人脑的机制，用电子计算机来代替人在生产中的管理、控制和调节活动，是十分迫切的事情。1948年，美国数学家诺伯特·维纳首先发表了反应这种科学思潮的著作：《控制论》。按照维纳的定义，控制论是一门研究机器和生命有机体中的普遍控制规律的科学。维纳的成绩在于，把机器和生命有机体这两种不同的控制系统联系起来，提出了研究它们共同的控制规律的任务。

控制是随着生命的产生而发生的，生命有机体存在与进化的过程。就是复杂的控制过程。人在生产劳动中，不断地改变客观世界，同时也改变着人本身。人在生产斗争中积累起来的丰富经验，经过思维的抽象和概括，形成了科学理论，制成了能摹仿人脑活动的电子计算机和各种自动控制系统。

人为了进行有目的性的活动，一般讲来，要有三个步骤：第一步是研究周围客观世界，即通过各种感受器官（例如眼、耳）不断从周围环境中收集必要的信息。第二步是拟定控制策略，也就是由中枢神经系统（脑髓和脊髓）来分析和综合所收集到的信息，根据记忆和经验（即以前所积累的信息），拟定出达到预期目的的方法和程序。第三个则是实行控制策略，即由各种执行器官（如手、脚等）根据拟定的方法和程序对外界发生反应。这些活动一般是由感受器-中枢神经系统-效应器通过条件反射和非条件反射来完成的，其方块图如图1。

外部世界使感受器受到刺激，即有新的信息进入感受器，感受器受到刺激以后就产生信息脉冲，通过感觉神经传递到中枢神经系统。中枢神经系统根据信息脉冲进行分析和综合，即进行信息的交换、处理和贮积，然后发出控制脉冲，把反应的信息通过运动神经传递给效应器，使效应器发生相应的动作，反作用于外界。如果效应器对外界的反应没有能够达到预期的目的，感受器就从外界接受新的信息，通过中枢神经系统来改变效应器的动作，也就是实现信息的反馈。这样看来，所谓控制过程就是信息的循环和处理的过程，而信息和反馈则是控制的两个基本特征。

在技术控制系统中也有类似的情形。例如，军事上的防空系统，就是用雷达—计算机—伺服系统来实现信息的循环和处理过程的。其方块图如图2。

雷达的任务是不断地确定运动目标（例如敌机）的坐标，即获得系统外部条件的初始信息，起着生命有机体中感受器的作用。计算机的任务是根据运动目标过去的信息以及外部条件的补充信息（如风力、炮弹初速等）来确定运动目标未来的轨道，形成控制武器动作的信号（反应信息），即起着生命有机体中中枢神经系统的作用。伺服系统的任务则在于放大计算机所发出的控制信号，并根据这种信号尽可能正确地控制武器的位置和瞄准方向，即起着生命有机体中效应器的作用。

如果把高射炮的雷达控制系统推广到其它高级技术控制系统，就得到图3的方块图。

不难看出，信息搜索机的作用就相当于生命有机体中感受器的作用，信息变换机相当于中枢神经系统，而信息执行机则相当于效应器的作用。

这样看来，技术控制系统的作用与生命有机体的机制有着许多相似的地方，遵循着共同的控制规律。控制论的研究任务就是要揭露生命有机体、技术控制系统等不同类型的控制系统所遵循的共同控制规律，找出一般控制模型及各种特殊的控制模型，以便用电子技术来模拟高级神经活动及其它生理心理现象，并利用人脑控制系统的特点来设计新型高级控制系统。控制论还可以用来研究生命有机体的遗传机制、遗传信息的编码规律及生物形态的进化规律等。可以看出，控制论的研究有极远大的前途，将对人类的生产和生活发生深刻的影响。

从控制论的观点来看，现代电子技术的最高成就——电子计算机在技术控制系统中的作用与人脑在生命有机体中的作用是相似的。但是，人脑控制系统是世界上最完美的控制系统。据国外生理学家估计，人脑约有一百亿个神经细胞，而且这些神经细胞能灵活地进行随机联结，具有记忆、学习和创造的能力。至于现代最完善的计算机也只有十几万个活性元件。其特点则是速度极快（做一次加法只要百万分之一秒），而且可靠精确（在一万亿亿次运算中才出现一次错误），但是，它十分笨拙，不能识别输入模式，缺乏学习能力。

从计算机与大脑的对比中间，愈来愈多的科学家意识到创造一种接近大脑机能的控制机是人类脑力劳动走向高度自动化的重要任务。目前已经制造成功能够直接识别图像和字母的知觉机；能够根据口述进行打字或操作机器的控制机；把听到的语言翻译成另一种语言或文字的翻译机；能根据各种客观条件进行判断。推理，得出正确结论的逻辑机；能诊断疾病的诊断机；能回答各种问题的询问机；能自动查找科学文摘的情报机；能进行学习的自动机；以及根据外界条件变化自动改变工作程序的自适应机。所有这些机器，都能或多或少地代替一部分非创造性的脑力劳动。

应当认为，用现代电子技术来制造出愈来愈接近于人脑作用的控制机是唯物的想法。但是同时应当看到，电子计算机是人手和人脑劳动的产物，是人进行劳动的工具，它只是人手和人脑的延长和加强，它永远也不会代替人脑的无穷无尽的智慧和创造性的劳动，至于“电子计算机将比人更聪明”等等说法，更是十分荒谬的。

根据目前世界科学技术的发展情况来看，控制论是在无线电电子学的高度发展——电子计算机的基础上产生的，是人们在对比电子计算机与大脑的控制作用中产生的，但是控制论本身的发展又进一步推动了无线电电子学的发展。为了制造模拟人脑作用的大型电子数字计算机，对电子技术提出了愈来愈高的要求。为了适应这种要求，最近几年来，不仅出现了像台面式晶体管，隧道二极管，超导管，冷子管，分谐波振荡器，量子放大器等新型无线电元件，而且诞生了两个新的学科：仿生电子学及生物无线电学。

仿生电子学专门研究用电子技术来模拟生命有机体神经生理活动，特别是人脑的活动，并根据大脑的构造和生理机制来设计仿生电子元件和仿生电子线路，特别是设计高级控制线路。这门科学对于高级神经活动的定量研究，对于设计高度灵活、高度可靠的复杂控制系统，对于制造接近大脑机制的控制机及接近人类感觉器官作用的各种知觉机，将起很大的作用。生物无线电学则是研究生命有机体与外界环境的电磁场联系，生命有机体内部的无线电联系，以及著名的“脑场”问题。目前已经证明人体能发射150千赫的无线电波，也能接收300～500千赫的无线电波。关于电磁波对动植物生理机制的影响，也正在进行大量的实验。生物电控制的假手假脚已经制造成功，用生物无线电波来控制机器也已经提到日程上来。目前还很难预料，这门科学将对电子学、生理学、心理学、以及工农业生产有多么巨大的影响。可以看出，现代自然科学的研究重心，正在逐渐转向生物科学。在控制论、生物学及无线电电子学的边界上还留着一大块空白的处女地，等待着科学家和广大无线电爱好者来耕耘和收获。（陈中基）