PDF《关于反馈的作用及能力的认识》

转自《自动化博览》2003 年第一期,pp.

1-3. 关于反馈的作用及能力的认识 郭雷(中国科学院数学与系统科学研究院 100080) 摘要 反馈现象无处不在,它在人类进步、社会发展和技术创新中起着不可或缺的重要作用. 反馈是控制论中最基本的概念, 也是对付复杂系统的一条基本的系统学原理. 在控制系统中, 反馈的主要作用是对付系统中存在的内部和外部不确定性. 反馈的有效利用常常对工程技术 领域的发展产生重大影响.在控制论中,两个基本的问题是:如何有效利用反馈?反馈的能 力究竟有多大?本文将首先简述对反馈作用的定性认识,接着介绍几种典型的反馈设计方 法,最后介绍近几年在探索反馈机制的能力与局限方面所得到的某些定量认识. 关键词:系统、控制、反馈、信息、动态性、不确定性、非线性、复杂性、鲁棒性、适 应性、稳定性. 一 对世界上事物的发展变化,从量子系统,到工程系统,再到社会经济系统,如果人类都 可以做出准确无误的预测, 那么世界肯定是另外一番景象. 现实世界中充满了各种未知因素、 不确定因素和不可预测因素, 而人们常常又不得不面对这些复杂因素, 适时地作出各种决策, 然后针对系统的实际运行情况来进一步不断调整和修正这些策略, 这就是一个反馈和适应过 程. 从我国改革开放初期的 摸着石头过河 到近来常说的 与时俱进 ,本质上都是适应 反馈过程.事实上,反馈无处不在.物种的进化、人类文明的进步、社会的发展、科学与技 术的创新无不与自适应反馈有密切的关系.正如控制论创始人维纳在其著作[1]中说明的, 反馈普遍存在于动物和机器中,它实际上存在于一切有目的的行为中. 为什么需要反馈呢?这主要是客观实际系统的复杂性所致, 也是人类能力的局限性与智 能性的体现.我们知道,客观世界具有多层次结构,并且它是各种事物相互联系、相互作用 和相互影响的一个统一整体. 为了使对某一具体问题的研究能够深入下去, 且能给出可行的 解决方案, 我们不得不将研究精力集中于一个适度大小的范围内, 这就形成了针对这一具体 问题的具体系统(严格来讲,通常是开放系统) .系统外部通常就称为环境,环境的变化通 常当作扰动来处理.即使集中到这样一个系统内部,由于其多层次性、环境影响以及微观层 次上各不同部分之间相互作用的复杂性, 通常也无法根据第一原理 (或在理想实验条件下证 实的基本科学定律) 来写出描述动态系统实际发展变化的合适数学模型, 故而必须再作进一 步简化和抽象;

在很多情况下由于系统机理很难弄清楚(或不可能弄清) ,作这种简化和抽 象也困难,还必须依靠系统辨识或统计方法来处理(这样做的建模精度也有限) .因此,在 对复杂系统内部结构描述的模型中存在不确定性是必然的. 不仅如此, 这些不确定性还可能

1 随着系统动态的演化和环境的影响而也在不断变化. 由于我们的控制或决策方案无法全部或精确考虑与预测这些系统内部和外部实际存 在的不确定性及其变化,因此实际系统运行的行为和我们所期望的行为之间一定存在偏差, 而反馈可以根据这个偏差的大小(而不必管偏差的起因) ,来进一步实时地修正先前的控制 和决策方案,使系统动态行为的偏差逐渐减少(甚至消失) .在这里,反馈的作用很明显是 不可替代的,关键的问题是如何设计出行之有效的反馈规律.大量实事证明,为了控制一个 复杂动态系统达到某个给定目标, 并不需要系统结构的全部知识. 常常可以基于相当简单的 模型,通过有效的反馈就可实现对复杂系统的控制.这是一条十分宝贵的经验. 反馈通常分为负反馈和正反馈.负反馈能保持系统稳定并可减少(或消除)系统动 态性能的偏差, 在工程控制系统中多数采用负反馈;