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控制論

 控制論

 

知道各位有沒有以下經驗:當雙眼被遮蓋著的時候,即使杯子只是距離你兩尺遠,但你就是觸不到它。表面上這是理所當然,但其實這個經驗反映了人類運動的機 制。以伸手去拿杯子為例,大腦首先會借著眼睛所接收到的映像,判斷手掌跟杯子的距離,然后大腦會送出指示,要將手向著杯子的所在位置移動,與此同時眼睛繼 續觀察手掌跟杯子的距離。直到當手掌觸碰到杯子,和眼睛看見這個景象的時候,腦部便停止傳送指示,手部亦因此停止活動。整個活動可以簡化為下面的流程圖。

上的例子讓我們看到,當大腦明白現在的目標是拿杯子的時候,它便借著從感覺器官(眼睛、皮膚)所收集得來的信息(杯子的位置、手掌是否有拿著東西等等), 決定下一步行動,而毋須再依靠額外的指令,亦懂得自行完成任務。在科學及工程學上,這種機制稱為「反饋」(Feedback)。明顯地,如果要制造一只能 夠完成以上工作的機械臂,那就要在機械臂引用「反饋」機制。從宏觀的角度來看,「反饋」是屬于一門稱為「控制學」(Control theory)的學說。

 

「控 制學」的應用范圍由軍事、工業生產、信息科技、醫學等等,甚至連商業市場的運作也離不開它的「魔掌」,可說是無孔不入。學術上,「控制學」所涵蓋的數學理 論亦很廣泛,其中較重要的研究是一套系統(System)如何利用接收得來的信息,自行決定要如何執行下一項任務,亦即是所謂「自動 化」(Automation)概念。事業上,人類自有文明以來便希望制造懂得自動工作的機器,來替代人類的勞動需要。由中國北宋年間的水運儀象臺到十八世 紀歐洲的工業革命,人們一直努力不懈地在這方面研究,但多年來卻沒有一套系統化的理論去解釋有關自動化的概念。

中國北宋年間研發的水運儀象臺

1866年英國J. M. Gray設計出第一艘全自動蒸汽輪船「東方號」(Great Eastern)

 

1948年情況終于有所轉變。美國麻省理工學院數學教授諾伯特維納(Norbert Wiener)撰寫了《控制論──或關于在動物和機器中控制和通訊的科學》(Cybernetics or Control and Communication in the Animal and Machine)一書。“Cybernetics”一詞來自希臘語,意思為「掌舵術」,包含了調節、操縱、管理、指揮、監督等多方面的涵義。由于《控制 論》的內容涉及很多深奧的數學理論,因此筆者不打算介紹其內容。


雖然早在《控制論》面世前,相關的數學理論經已存在,不少科學家及數學家亦發表了有關的論文,但均未能為控制學提供一幅完整的藍圖。由于《控制論》是第一 套以數學方法,具體和綜合地描述自動化和系統控制(System control)的運作概念,維納教授因而被視為「控制學」的創始人。《控制論》所帶來的影響無遠弗屆。在機械人的發展方面,《控制論》的影響就更加明 顯。由汽車生產工場用的機械臂,到為人熟悉的ASIMO兩足機械人用作平衡身體的控制系統,無一不是建基于「控制學」。由此可見,如果沒有《控制論》,沒 有維納教授,機械人的發展,甚至社會的發展,還可能要滯延很長的時間。

汽車生產工場用機械臂

ASIMO機械人

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