金觀濤：負反饋調節(jié)——掌控復雜系統(tǒng)的終極智慧｜雙體實驗室

大家好，我是船長。

當我們面對一個極其復雜且充滿變數(shù)的目標時，如何實現(xiàn)精準控制？在不確定性和干擾成為常態(tài)的系統(tǒng)中，是否存在一種超越精確計算、更適應動態(tài)變化的調節(jié)機制？「負反饋調節(jié)」這一控制論中的核心概念，為我們提供了一種持續(xù)逼近目標的智慧路徑。

金觀濤老師系統(tǒng)闡釋了負反饋調節(jié)的基本原理與應用場景。指出傳統(tǒng)控制方法在面對長遠距離或高度動態(tài)的系統(tǒng)時存在局限，進而提出以“目標差”為核心的反向調節(jié)機制。該系統(tǒng)通過實時比較當前狀態(tài)與目標狀態(tài)的差異，不斷做出調整，逐步縮小偏差。

另外金老師還進一步區(qū)分了“負反饋調節(jié)”與“半反饋調節(jié)”的區(qū)別。真正的負反饋是一個動態(tài)、連續(xù)、可迭代的過程，也正因為如此，它在精確性和適應性方面具有顯著優(yōu)勢。

如今，世界高速變化、充滿不確定性，負反饋思維具有極強的現(xiàn)實意義。它不僅是一種技術控制機制，更是一種應對復雜性問題的基本方法論。無論是個人、組織還是系統(tǒng)治理，這種“通過持續(xù)微調逼近目標”的思維模型，都值得被重視和實踐。

圖：《創(chuàng)造亞當》

負反饋調節(jié)：掌控復雜系統(tǒng)的終極智慧

文/金觀濤

在動態(tài)中逼近目標

如果我們選擇了某一目標，但我們所具備的控制方法達不到所需要的控制能力又怎么辦呢？

例如我們向月球發(fā)射一枚火箭，火箭要擊中距離地球大約38萬公里遠的月球，這就好像在10公里外用步槍瞄準一只蒼蠅的眼睛一樣困難。

有人會以為火箭里一定裝有一個非常精確的瞄準器，發(fā)射之前一定按照計算好的提前量對準月球發(fā)射，就像步槍打飛鳥那樣。其實這完全辦不到?；鸺谶\動中要飛越38萬公里的路程，有許多干擾根本無法事先估計到。發(fā)射前把軌道算得再精確，把發(fā)射方向控制得再準都不行。

也就是說，僅僅依靠發(fā)射時控制方向完全達不到這么大的控制能力。那么我們是不是就束手無策了呢？當然不是。我們有一些非常巧妙的方法來增強自己的控制能力。

圖：火箭發(fā)射向月球的場景

不過，要解決這個問題還要先從“負反饋”這個概念談起。

第二次世界大戰(zhàn)前后，隨著科學技術的發(fā)展，飛機的速度越來越快、性能越來越好，用老式高射炮來擊落飛機也就越來越困難了。

人們發(fā)現(xiàn)，無論怎樣提高發(fā)射炮的準確性，效果總是有限的。飛機的飛行軌道因駕駛員動作的隨機性幾乎不能預先求出，經(jīng)典的思想方法暴露出一些根本的缺陷。

其實，對于這一類在工程師眼中極為困難的問題，我們可以從自然界不少動物身上找到答案。

鷹擊長空，不但能準確地捕捉到固定目標，甚至連飛速躲避的兔子、老鼠也不能逃脫。顯然，鷹沒有也不可能事先計算自己和目標的運動方程。鷹不是按照事先計算好的路線飛行。

鷹發(fā)現(xiàn)兔子后，馬上用眼睛估計一下它和兔子的大致距離和相對位置，然后選擇一個大致的方向，向兔子飛去。在這個過程中它的眼睛一直盯著兔子，不斷向大腦報告自己與兔子之間位置的差距。

不管兔子怎么跑，大腦做出的決定都是縮小自己與兔子位置的差距。這種決定通過翅膀來執(zhí)行，隨時改變鷹的飛行方向和速度，調整鷹的位置，使差距越來越小，直到這個差距為0時，鷹的爪子就能觸碰到兔子了。

圖：電影《阿凡達》劇照

我們來仔細分析一下這個過程。實際上這個控制系統(tǒng)主要由眼睛、大腦和翅膀三部分組成（圖1），眼睛在盯住兔子的同時，也注意到了自己的位置，并把這兩者作一個比較，圖1中的⊙是一個比較符號。

經(jīng)過比較以后的信號代表鷹的位置跟兔子位置的差距，通常稱為目標差，眼睛主要是接收這種目標差信息，并把它傳遞到大腦。大腦指揮著翅膀改變鷹的位置，使鷹向目標差縮小的方向運動，這個控制重復進行，就構成了鷹抓兔子的連續(xù)動作。

圖1：鷹的控制系統(tǒng)

這里最關鍵的一點是大腦的決定始終使鷹的位置向縮小目標差的方向改變，控制論把這類控制過程稱為負反饋調節(jié)。

完整機制與兩次調節(jié)

負反饋調節(jié)的本質在于設計了一個目標差不斷減少的過程，通過系統(tǒng)不斷把自己控制的結果與目標做比較，使得目標差在一次又一次的控制中慢慢減少，最后達到控制的目的。

因此，作為一般的負反饋調節(jié)機制必定要有兩個環(huán)節(jié)：

（1）系統(tǒng)一旦出現(xiàn)目標差，便自動出現(xiàn)某種縮小目標差的反應。

（2）縮小目標差的調節(jié)要一次次地發(fā)揮作用，使得對目標的逼近能積累起來。

圖： 電影《地心引力》劇照

這兩個條件如果不完全滿足，就不能算是完善的負反饋調節(jié)。比如一般輸電線路中的保險裝置，如果電流值增大到某個限度，偏離控制目標，保險絲熔斷，使供電中斷。

高壓鍋的壓力過分偏離所允許的限度，鍋蓋上的合金塞熔開放氣，這些都是出現(xiàn)目標差時系統(tǒng)縮小目標差的調節(jié)機制。

但它們都不是完全的負反饋調節(jié)，因為它不滿足第二個條件，目標差的縮小不能通過一次次的調節(jié)積累起來。這一類“半反饋調節(jié)”在控制中被廣泛應用，但它們都不如負反饋調節(jié)來得完備和精確。

本文系摘選自《控制論與科學方法論》一書第一章節(jié)第7節(jié)。為便于閱讀，部分段落做了拆分和刪減，推文標題為編者所擬，學術討論請以原文為準。文中部分配圖來源于網(wǎng)絡，如有侵權請聯(lián)系公眾號后臺刪除。

內(nèi)容編校：穎睿

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