第三章 控制论的一般性方法
控制论是一门具有方法论特点的学科。虽然如此，对于什么是控制论方法，它应该包括哪些主要内容，至今还不是很明确。本章将首先简单介绍控制论的一般性方法，下一章重点论述控制论的数学模型化方法。本章介绍的控制论方法主要包括以下三种：反馈控制方法、功能模拟方法和黑箱辨识方法。
第一节 反馈控制方法
控制论是研究具有通信和控制功能的系统，通信的目的是为了控制，而要实现控制就必须有反馈。因此，反馈既是控制论的一个基本原理，也是控制论的一种重要方法。
反馈作为现代科学技术中的一个重要概念，经历了一个漫长的发展演化过程。反馈概念萌芽于自动装置的技术经验。20世纪二三十年代，反馈思想被引入无线电技术中，形成了电子学的一个重要概念。战后控制论的创立，使反馈概念又扩展为控制论的一个基本原理。在控制论中，系统的控制过程就是通过信息的传输和反馈以实现系统有目的的活动的过程。控制部分有控制信息输入到受控部分，受控部分也有反馈信息返送到控制部分，从而形成闭合回路。控制部分正是根据反馈信息才能比较，纠正和调整它发出的控制信息，从而实现控制的。事实上，反馈控制是一切客观事物相互作用的一种普遍形式。没有反馈，客观事物就难以存在和发展，人类也就失去了对自然、社会和思维的控制能力，整个世界就会处于混沌和混乱之中。可见，反馈比其他的科学概念有着更大的适用性。概括起来，反馈经历了技术经验——电子学——控制论——哲学四个阶段。
维纳曾明确指出，反馈是控制论的一种方法，即将系统以往的操作结果再送入系统中去。它的特点是根据过去的操作情况去调整未来的行为。这种以系统活动的结果来调整系统活动的方法即反馈方法。
从一般的角度讲，任何控制系统，特别是人工控制系统，都是由施控和受控系统两个子系统构成的。其反馈控制过程是：施控系统将输入信息变换成控制信息，控制信息作用于受控系统后产生的结果通过反馈通道再被返送到原输入端，并对受控系统的再输出发生影响，起到控制作用，达到预定目的（见图3-1）。
图3-1 反馈控制方法示意图
输入信息、控制信息、输出信息、反馈信息以及环境变化引起的随机干扰信息，它们之间存在着一定的函数关系，可以进行定量描述。
任何控制系统和控制过程，由于环境变化的干扰信息的作用，总会使受控系统的输出状态偏离给定状态。反馈控制的依据，就是受控系统运行的现实状态与给定状态之间的偏差信息。反馈控制就是根据这种系统偏差信息，调整和改变受控系统的输入信息（控制信息）。
要实现控制的目的，必须不断解决“系统的偏差与反馈控制措施”之间的矛盾。反馈控制措施的实施，可能产生两种不同的效果。正反馈是系统偏差不断扩大的过程，而负反馈则是不断消除系统偏差的过程。
例如，某企业作出生产某种产品的决策，产品投放市场后，由于规格型号不符合用户要求而滞销，这个信息反馈回来后，企业的决策机构马上改变产品的规格型号，使自己的产品适销对路，这就是典型的负反馈。但如果企业的决策者是个官僚主义者，听信了虚假汇报，不仅不改变生产方案，而且片面追求更高产量，结果造成严重的产品积压，使整个企业陷入困境，这就是典型的正反馈。
由上可见，反馈控制方法是最重要、最基本的控制论方法。今天，反馈控制方法已被广泛运用到各个领域。
第二节 功能模拟方法
控制论把模拟方法发展到功能模拟的新阶段。功能模拟方法是模拟方法的高级形式，它集中体现了控制论的思想特点。功能模拟方法既是控制论的基本方法，又是具有相对独立性的科学研究方法。
模拟方法简单地说就是用模型模仿原型的方法。它依据的是模型和原型之间的相似关系。模拟方法的萌芽，可以追溯到遥远的古代。直观模拟是人类最初对自然物的形态的简单模仿。正是这样大量地对自然物的模拟，人类逐渐过渡到对人造工具的模拟阶段，这个转变具有划时代的意义。随着近代实验科学的产生和发展，模拟方法进入一个新的发展阶段——模拟实验阶段。即先设计与某一自然现象或过程相似的模型，然后通过模型间接地研究原型。上述的模拟方法，不论是对自然物的模仿或人造工具的仿制，还是对近代科学研究的模拟实验，都是以认识了原型事物的结构及其运动过程为前提的，失去了这个条件，传统的模拟方法就会失去意义。在对象的物质结构以及内部关系尚不清楚的条件下，传统的模拟方法就暴露出它所固有的局限性。
维纳等人抛开机器和生命机体的不同物质基质和具体的运动形式，只在行为和功能方面寻找二者的统一性和相似性，把传统的模拟方法发展到功能模拟的新阶段。所谓功能模拟方法，就是以功能和行为的相似为基础，用模型模仿原型的功能和行为的一种方法。所模拟的是一切具有通信和控制功能系统的合乎目的性的行为。这里的通信和控制功能系统，就是指控制论系统。
从控制论的角度说，机器、动物以及人类社会等系统，虽然在物质基质、结构和具体运动形式上各不相同，但它们之间存在着行为和功能的相似性，即通过信息的变换和反馈机制，自动调整自身的运动，以适应环境的变化。因此，这类系统都可以从通信和控制方面用模型模仿原型。功能模拟方法的作为在于，通过对模型的功能和行为的研究得出关于原型的知识。
一般地说，采用功能模拟方法是因为不认识或不完全认识研究对象的结构，才从功能研究入手的。它所提出的问题不是“这是什么东西”，而是“它能做什么”，即着眼于功能的相似性。它改变了传统的模拟方法以结构与功能严格对应的相似性的理论基础，为人类利用结构不同的物质去实现相同的功能提供了有力的方法。
概括起来，功能模拟方法与传统的模拟法相比，具有以下特点：
（1）它只以功能和行为的相似为基础；
（2）不追求模型的结构与原型相同；
（3）在传统模拟中，模型只是一种认识原型的手段，而在功能模拟中，模型本身就是研究的一个目的。
功能模拟方法使模拟由单纯认识原型的手段，发展成改造世界的直接手段，这一点具有重大的理论意义和实践意义。
控制论的创立者们正是运用功能模拟法，研究制造出电子计算机。他们运用五个与大脑功能相似的部件，创造了用电脑代替人脑的部分功能的奇迹。具体地讲，用输入装置模拟人的感受器官来接受外来信息；用存储器模拟人的记忆功能，将外来信息存储起来，并可供随时提取；用运算器模拟人脑的判断、选择、计算功能；用控制器模拟人脑思维运动有条不紊地指挥各部件协调一致地工作。用输出装置来模拟人对外界环境的反映，输出有关计算结果。随着控制论向智能科学发展，将促进计算机向智能机发展，也必将带来认识和实践手段的新飞跃。
第三节 黑箱辨识方法
控制论的创始人维纳曾认为，所有的科学问题都可作为“闭盒”，研究它们的唯一途径是利用闭盒的输入和输出。1956年，艾什比在«控制论导论»中写道，所有事物实质上都是“黑箱”，并对黑箱方法作了比较系统的描述。艾什比所称的黑箱，也就是维纳所称的闭盒。那么什么是黑箱？
黑箱是指人们一时无需或无法直接观测其内部结构，只能从外部的输入和输出去认识的现实系统。在这里，黑箱、系统、客体都是等价的概念。现实的系统作为认识的客体之所以被称为黑箱，是因为对于人类认识的相对性来说，在人类认识的一定阶段上，任何客体总有许多情况是人们不曾了解的。这些尚未被认识的东西，如同装在一个不透明且封闭的箱子里，一时无法或无需进行直接观测，人们只能在系统之外进行研究。正是在这种意义上，控制论把人们认识和改造的对象称为黑箱。
既然黑箱是相对于人这个认识主体而言的，那么，被考查的对象能否作为黑箱来对待，这不仅取决于客体本身的性质，而且更重要的是取决于认识的主体。如果对一个确定的被考查对象一无所知，或者说系统内部结构不能直接观测，那么它就是黑箱；如果既不是一无所知，也不是无所不知，或者说部分可直接观测，那么它就是灰箱；如果认识达到了无所不知，或者说可直接观测，那么它就是白箱。
例如，一台电视机，对于外行人来说，只会看电视节目，对其内部构造、机理一无所知，是黑箱；但对电视机专家而言，是白箱；还有些人对其略知一二，但又不太清楚，是灰箱。
黑箱概念是相对的，在不同的时间，随着科学技术的进步，人们认识和改造客观世界的能力提高，许多原先是黑箱的事物可以转化为灰箱，乃至白箱。
控制论的贡献不在于把一无所知的系统视为黑箱，而在于它提供了认识黑箱的方法，即黑箱方法。所谓黑箱方法，就是通过建立相应的输入和输出关系，了解系统的功能和行为，并进而去认识其内部结构。
图3-2 黑箱系统
设某一控制系统S的行为取决于它的输入值X1，X2，…，Xn和输出值Y1，Y2，…，Yn（见图3-2）。
在对这一系统观察一段足够的时间后，便可获得反映系统行为的大量数据。据此便可建立反映系统行为规律的数学模型。即Y＝f（X）
黑箱方法的最大特点在于几乎完全不涉及系统内部结构，只考查系统的输入和输出。这样，即使我们不打开黑箱，不知道它的内部结构，仍然可以了解系统在功能和行为上的某些特性。
黑箱方法的基本步骤如下。
（1）建立主体和客体的耦合系统
首先根据研究目的，把作为黑箱看待的研究对象从周围环境中“分离”出来（划定两者的边界），使它成为一个相对独立的系统。
其次，使主体和客体耦合。耦合就是相互作用。主体和客体的相互作用归结为两部分：一部分是主体对客体施加的各种影响和作用。它们反映在客体的输入中，被称为可控制变量。另一部分是客体对主体的反向影响和反作用。它们反映在客体的输出中，被称为可观测变量。这样主体和客体就构成了有反馈的耦合系统。
（2）通过输入和输出考查黑箱
在主体和客体的耦合系统中，通过可控制变量，主体对客体实施控制；通过可观测变量，主体对客体进行观察。可见，这个耦合系统，为人们通过输入和输出主动考查黑箱创造了条件。
现实的系统可能有多种输入，同样输出也可能有多种。主动考查实际上就是考查主体对客体施加某种典型输入，观测其输出反应，取得输入和输出两组数据，作为认识客体黑箱的依据。
（3）建立模型辨识黑箱
在获得了关于黑箱客体的大量输入和输出的数据后，往往还不能直接说明黑箱，因而必须对获得的数据进行综合整理，以排除试验过程中出现的特殊状态。
根据整理后的数据，建立关于阐明黑箱的模型。凭借模型，可以探讨黑箱系统的功能和特性，进而对其结构和机理作出某些推测，达到对系统辨识的目的。
假如我们把黑箱的输出看成是输入的函数，那么我们就可以依靠该数学模型，给黑箱一个适当的输入，从而得到所需要的输出。
经济学中著名的“投入－产出”生产函数模型就是黑箱辨识方法的例子。
假定依据西方经济学家Cobb-Douglass的生产函数，即生产过程的产出水平取决于劳动力和资本的投入水平。
式中：Yt为总产出量；
Lt为劳力投入量；
Kt为资本投入量；
A（t）为技术进步因子（它包括生产技术、管理技术等对总产量的作用。在短时期内可近似为常数）；
a、b分别表示劳力产出和资本产出弹性系统（衡量由劳力变化和资金变化引起产出变化的程度）。
通过给定t时刻的Lt和Kt，观察相应时刻的Yt，，就可获得一系列输入输出数据组。
通过取对数，可把上面的非线性回归方程化为线性回归方程，便可辨识其中的参数a和b。
控制论的黑箱方法是一种崭新的认识论方法，是科学方法论的突破。它是研究结构复杂巨系统的有效工具，是研究尚不能打开系统的唯一手段。黑箱问题的普遍性，决定了控制论的黑箱方法是人类认识和改造世界普遍有效的方法。黑箱永远有，白箱永不白，这是艾什比反复阐述过的思想。这就是说，控制论的黑箱方法，在人类认识的任何阶段，都不失为一种重要的实践手段。
第四节 一般的启示
在本章的最后，主要谈谈控制论一般性方法对企业整体优化的一些启示，以便为讨论控制论在管理中的应用做个铺垫。
一、强化反馈控制，优化企业行为
根据控制论的反馈方法，我们可以把生产企业看成一个系统，把商品市场看成另一个系统，企业向市场输出商品，引起市场商品供求状况的变化，商品市场的这种变化状况，或供大于求，或供小于求，作为一种信息再将其输入给生产企业，生产企业根据这种信息调整产品结构。如供大于求，则减少该产品的生产；如供小于求，则扩大生产量。这个过程就是反馈，而对于扩大产量或减少产量的决策选择则可以根据反馈方法作出。
反馈方法应用于企业整体优化，其作用在于调节系统的运行，实现对企业行为的有效管理。根据控制论的原理，对企业系统可采用以下几种类型的基本调节方法。
（1）稳定调节。上面列举的对企业生产过程进行的调节就是这种情况。在生产中一般存在着实际产量和预期产量的不对等性，两者之间存在着差额，要么实际产量超出预期产量，要么实际产量低于预期产量。不论这两种情况中的哪一种情况出现，都将影响企业再生产，干扰企业生产过程中的稳定性。在企业生产管理过程中，生产管理部门就需要根据所获得的反馈信息，采取消除实际产量和预期产量之间的偏差的决策，以调节生产过程，使实际产量和预期产量之间大体维持平衡状态，以便保持整个企业生产系统相对的稳定性。
（2）计划调节。它的作用是保证企业管理系统的输出变量按照既定计划进行变化。输出变量可以依时间和空间的形式变化而变化，也可以根据企业系统结构的状态变化而变化。计划调节是依靠编制的企业计划程序，控制企业系统的运行，保证在这种条件下仍能实现既定的企业计划。
（3）跟踪调节。这种调节是企业管理系统事先并未制定确切的计划，而是通过跟踪被观察系统的行为。这种调节方法往往是在无法确认输出可能产生什么结果的情况下使用，或者在由输出到反馈的周期很长的情况下使用。这种调节，既考虑到企业的目标计划，又涉及市场因素。
（4）市场调节。这种调节是以市场变化因素来调节系统行为的方式。如企业根据市场对于某产品的需求量，来不断地调整自己生产该产品的产量，引导其生产经营活动。
另外，我们可以运用控制论中关于开环系统和闭环系统的理论来进一步分析反馈在企业管理领域中的作用。在过去纯计划指令控制下的企业是开环系统，这种体制下的企业只受计划控制，完成生产指标，然后输出产品，它不考虑也不需要考虑产品输出后的情况，这是生产型企业。由于它无视市场情况，无需根据市场反馈的信息调整生产，所以其经济效益和社会效益都比较差。在有计划的市场经济体制下的企业是闭环系统，它必须建立反馈回路，因为它不仅要生产，而且还要负责销售，是生产经营型企业。所以它要重视市场因素，根据市场反馈的信息调整生产，因而其经济效益和社会效益都会比生产型企业要好。总之，从企业的生产经营效果来看，反馈调节对于现代企业管理具有十分重要的作用。
二、重视功能模拟，优化企业决策
将功能模拟方法应用于企业整体优化，主要用以帮助企业进行经济决策。20世纪70年代，国外学者运用功能模拟方法来解决企业经济决策问题，取得了显著效果，并研制出专门用于决策的系统——决策支持系统，用于战略规划决策和管理控制决策。随着电子计算机的广泛应用，仿真技术得到迅速发展，功能模拟方法在企业经济决策中的作用也越来越明显，特别是对那些难度大、风险大、责任大的企业经济决策，更需要运用功能模拟方法。借助电子计算机作大量的比较计算和试验模拟工作，可以获得最佳的企业决策方案，避免并非不可避免的经济损失。
功能模拟方法是保证企业决策科学化的重要而有效的工具。某个企业经济决策是否正确，最终当然是由企业实践来作出检验。但是，对关系企业兴衰存亡的重大经济决策，如果等到由实践来作出其正确与否的判断，那么，企业所付出的代价就可能太多了、太大了。而今世界经济发展极为迅速，国际市场竞争日益激烈，企业如果没有能够抓住机会进行正确决策，就可能导致失败，甚至倒闭。功能模拟方法是一种“实验”手段，我们可以而且应该用它来判断企业重大经济决策的科学性、可靠性和适用性，运用它来减少或剔除企业决策中的经验性、不可靠性和不适用性。
三、运用黑箱方法，优化企业经营
根据控制论的观点，对企业整体优化的认识也可以运用黑箱方法来处理。我们要了解一个企业的生产经营情况的好坏，就可以从它的输出和输入的关系入手，而不必首先分析它的结构。只要这个企业生产的产品多，并获得了较好的经济效益，这就表明该企业产销对路，生产经营情况良好。对企业的经济考核主要看它的投入产出关系（输入和输出），这也可以避免主管部门对企业的过多干预，使企业处于生产经营的主体地位。
对于企业整体优化的外部环境——市场的认识，也可以运用黑箱方法。市场是商品交易的场所，主要特性就是商品的流通，即商品的输入和输出。商品流通畅顺，表明市场兴旺，供需平衡；商品流通滞胀，表明市场萧条，供需失调。所以，我们通过分析市场的输入和输出关系，就能了解在某些时期某种商品市场的功能和行为，从而实现对市场的认识，把握市场的状态。这种分析无须涉及市场结构，而又认识了市场结构，对于及时调整企业自己的生产行为具有十分重要的意义。