第五章控制论研究

第五章控制论研究1、自然系统的控制论反馈是控制论的主要内容，在这里，我们更进一步研究一下反馈的原理。反馈可分为正反馈和负反馈，什么是负反馈呢?我们看下面的例子。血糖高于正常值时的负反馈人体正常的血糖含量80—120mg/dL，人体血糖的调节是通过负反馈完成的。胰脏中的胰岛是血糖调节的枢纽。人体进食以后，小肠吸收葡萄糖，血糖浓度升高，胰岛B细胞能够接受到血糖升高的信息而分泌胰岛素，胰岛素随血液循环到达肝脏、肌肉、脂肪等细胞组织中，促使肝脏、肌肉合成糖元，抑制脂肪等非糖物质转化成糖，血糖浓度开始下降。当血糖浓度降低时，胰岛中的胰岛A细胞可以接收到这个信息，分泌胰高血糖素，胰高血糖随血液进入肝脏，可促肝糖元分解，促使非糖物质转为为糖，使血糖浓度升高。因此，正常人的血糖总能保持在80—120mg/dL。一个负反馈系统可由控制者和执行者两部分组成。输给控制者的是原输信息，执行者改变后的信息是回输信息。原输信息与回输信息作用相反，就是负反馈。一个信息经负反馈系统调节后输出的信息，必须趋近目标值。也就是说要让偏大的变小，偏小的变大，逐渐接近某一目标值。当血糖浓度高于正常值时（原输信息）度高值]值勤高与胰岛分泌胰岛素肝脏合成肝糖元；分解血糖；血糖合成非糖物质。血糖浓度降低（回输信息）低浓度过当血糖浓度低于正常值时（原输信息）度高值]值勤高与胰岛分泌高血糖素肝脏分解肝糖元；非糖物质转化成葡萄糖；消化、吸收葡萄糖。血糖浓度升高（回输信息）低浓度过血糖于正常值时血糖的负反馈低于在上面的事例中，胰岛是控制者，肝、肌肉、脂肪组织是执行者。当向控制者输入血糖过高的信息后，经系统调节机制，可使血糖降低；当向控制者输入血糖过低的信息后，经系统调节，血糖可以升高。负反馈对维持各系统稳定有非常重要的作用。经负反馈调节后，系统的各种物质、状态总能保持相对稳定和平衡。在细胞系统中，广泛存在着负反馈调节，科学家已经发现的色氨酸操纵子就是一例。大肠杆菌的DNA编码了五种与合成色氨酸有关的酶的基因。在大肠杆菌的培养基上没有色氨酸时，大肠杆菌可在菌体内合成这五种酶，通过这五种酶合成色氨酸。如果培养基上有色氨酸，色氨酸就会抑制合成色氨酸有关的酶的基因表达，使这五种酶数量减少，最终使色氨酸合成减少。细胞的负反馈调节还广泛存在于转录、翻译、酶活性的水平。谷氨酸棒状杆菌能够利用葡萄糖经过复杂的代谢过程形成谷氨酸，但当终产物——谷氨酸合成过量时，就会抑制谷氨酸脱氢酶的活性，而导致合成途径中断，当谷氨酸因消耗浓度下降时，抑制就会被解除，又大量合成谷氨酸。这一个负反馈过程更为简接，控制者和执行者都有谷氨酸脱氢酶承担。在有机体内，细胞是物质合成的场所，由DNA转录成RNA，由RNA翻译成蛋白质或酶，由酶去合成某种物质。这些蛋白质或物质的合成都不是盲目的，而是受一定机制调节的。真核细胞的代谢调节远比原核细胞复杂得多，有待生物科学的研究进一步证明。细胞代谢的调节机制远不是一个负反馈可以涵盖的，细胞还往往受环境物质的影响，如激素等。但细胞总能避免物质浪费和无节性生产。这里有更复杂的调节机制有待研究。如：在肌细胞中，肌球蛋白和肌动蛋白不会过多，也不会过少。内分泌细胞中激素的合成也恰如其分。细胞中ATP的合成也不会过多或过少。这些都有复杂的调节机制。其中有一部分调节是负反馈调节。在生物个体中，负反馈调节也普遍存在。在人体中，上文提到的血糖的调节就是负反馈。人体对水分的摄取也是负反馈调节。人体水分不足时，细胞外液渗透压升高，垂体分泌抗利尿激素，促使肾脏对水分的重吸收，减少排尿，人体会产生渴的感觉，使人喝水，增加人体原输信息（—）度高值]值勤高与控制者发出指令令执行者回输信息（+）低浓度过原输信息低与目标值时系统的负反馈值原输信息（+）度高值]值勤高与控制者发出指令令执行者回输信息（—）低浓度过原输信息大于目标值时系统的负反馈标值勤的水分。人体水分过多时，细胞外液渗透压降低，垂体减少抗利尿激素的分泌，肾脏排出水分增多，排尿增加，多余的水分排出体外。此外，人体对体温的调节也是由负反馈机制完成的，从而使人体温度保持在37℃。甲状腺素分泌调节也属负反馈。在植物体中，植物根的向地性；植物茎的向光性；植物对水分的吸收和散失，都是通过负反馈调节的。在生态系统中，种群数量受到负反馈调节的。拿食草动物为例，食草动物数量过多时，草场破坏，许多食草动物在冬季就会冻饿而死，而且食草动物会使食肉动物的增多，食肉动物增多也会减少食草动物。食草动物数量过少时，丰富的草源就会刺激食草动物繁殖，从而使食草动物数量增加。所以生态系统中，食草动物总保持在一定数量。在生态系统中其它物种的种群也都象食草动物一样受到食物或天敌的制约，种群数量增加时，食物减少，天敌增多，使种群数量减少。种群数量减少时，食物增加，天敌减少，种群数量恢复。生态系统就是通过这种负反馈机制保持各种群数量的。生态系统的无机环境也受负反馈机制的调节，如CO2浓度升高，光合作用加强，植物吸收的CO2增多；CO2浓度减少时，光合作用减弱，CO2通过呼吸作用逐渐增多。在社会系统中，价值规律是一个典型的负反馈的实例。某种商品价格高于价值时，生产该种商品就有较高的利润，促使企业进行该商品的生产，最后该商品数量增加，供过于求，价格开始下跌；当该商品价格低于价值时，生产该商品就无利可图，促使各企业放弃该商品的生产，使该商品供不应求，价格回升。通过价值规律使价格总趋近于价值，而在价值上下波动。国家的许多税收制度的一个重要原则就是遵循负反馈的原则，从而使分配得以平衡。总之，负反馈使自然系统稳定、平衡，是自然系统持续存在的基础。负反馈遭到破坏必将给系统的生存带来威胁，使某种物质或物种过多或过少，从而影响系统的持续存在。在人体系统中，胰岛素分泌不足，血糖持续升高，就是糖尿病；体温持续升高，就是高烧；水分缺乏又不能及时补充就会脱水。这些都是人体的血糖平衡、体温平衡、水平衡受到破坏的结果。在绿色植物中，干旱的季节，植物就会通过叶萎蔫来减少水分的蒸发，长期缺水，植物将死亡。在生态系统中，人类的活动可能破坏生态平衡。过度猎杀食肉动物可能会使食草动物猛增，草原破坏。美国曾经发生过大量猎杀美洲豹而使黑唇鹿数量猛增，大量的黑唇鹿因缺乏食物冻饿而死的情况。在生物圈中，人类的工业活动造成的CO2、SO2浓度升高都是生态平衡被破坏的实例。在社会系统中，政府对经济的不正当的干涉也会导致供需失调、产品过剩等经济问题。正常负反馈机制对稳定自然系统的平衡具有非常重要的作用。和负反馈相对的是正反馈，正反馈与负反馈正好相反。当给控制者输入的原输信息是加强（或减弱）时，经系统执行后的回输信息也是加强（或减弱）的，从而使信息的强度越来强或越来越弱。使系统的输出信息偏离目标值。正反馈和负反馈相比，更为不稳定，一般时间较短。原输信息（+）度高值]值勤高与控制者发出指令令执行者回输信息（+）低浓度过原输信息不断加强的正反馈信息不负反馈链式反应是一个典型的正反馈。一个快中子轰击一个铀核时，铀核裂变成两个小核，同时释放2—3个快中子，这2—3个快中子可以轰击2—3个铀核。这2—3铀核可以释放6—9个快中子，从而使裂变的铀核越来越多，同时释放大量能量。原子弹就是利用链式反应制造的。火的点燃，树木的倒下也都是正反馈过程。一根火柴燃烧产生的热量可以使一片木柴达到着火点，这片木柴燃烧就会产生更多的热量使更多的木柴到达着火点，更多的木柴产生的热量也就更多，这样火就会越来越大。被锯断的树木会有一很小的倾角,这个倾角会产生一个重力的力矩使树木更加倾斜,树木的倾斜会使这个重力的力矩更大,这样树木就会倒的越来越快。正反馈必然有这一样一个结果，越来越多或越来越少。细胞的衰老就是一个正反馈过程。其中有一个原因就是由错误积累造成的。基因的错误可以导致蛋白质错误，而做为蛋白质的DNA聚合酶，以及复制修复系统的错误可以导致基因的进一步错误。DNA和蛋白质错误的相互作用是导致细胞衰老的一个主要原因。细胞分裂也是一个正反馈过程，分裂造成细胞数目的增加，细胞数目的增加造成分裂的增加。结果细胞数目越来越多。癌细胞的分裂是生物个体典型的正反馈现象。如把大白鼠肝大部分切除，在头4天内肝的再生很快，1天内约增殖10亿个细胞，可是到了第7天时，肝再生接近完成，细胞增殖速度立即下降，恢复到正常水平，基本不再分裂。这说明正常组织的分裂会随着组织长大，完成而逐渐停止，这里可能存在着负反馈的调节机制。而肝癌细胞却不同，它可不受控制地一直增殖下去，并不因癌组织长大而增殖速度减慢，从而使癌组织越来越大。直到病人的死亡。在人体中，许多疾病的恶化是恶性循环的正反馈过程。肠胃炎可导致营养吸收困难，而当人体缺乏营养时，免疫功能下降，免疫功能下降使得细菌进一步繁殖，加重肠胃炎。吸毒成瘾的过程也是一个正反馈过程，正常人的快欣感是由人体分泌的类吗啡物质产生的，当人体注射上吗啡时，就会产生快欣感，同时会抑制人体产生类吗啡物质，人体的类吗啡物质分泌的不足时就会产生痛苦的感觉，促使人注射更多吗啡。长期注射吗啡使人体对吗啡的耐受性增强，只有注射更多的吗啡才能消除痛苦和产生快欣感。人体对吗啡依赖也就越来越强，注射剂量也越来越大，一个吗啡成瘾者注射的剂量可以是正常人剂量的10倍，而这个剂量是正常人的致死剂量。吗啡注射剂量的增加也是毒瘾逐步加深的过程。人体的发育和衰老过程也是一个正反馈过程。在生态系统中，个体的繁殖是一个正反馈，一个大肠肝菌在条件适宜的情况下20—30分钟分裂一次，经一昼夜可生成4722×109万个细菌。在正常情况下，种群的数量受食物和天敌的控制，是一个负反馈。但当负反馈机制不成立时，生态平衡就要受到破坏。一般地讲，负反馈使系统平衡，而正反馈则使系统远离平衡。正反馈是发展因素，负反馈是制约因素。正因为正反馈迅速膨胀和缩小的特性，正反馈存在时间一般较短。在社会系统中，普遍存在正反馈，正反馈是社会系统贫富分化的主要原因。在奴隶社会，奴隶没有财产。财富的两极分化是在平民和奴隶主之间展开的。奴隶主因为占有奴隶的劳动，因而比较富有，即使是荒年，也有足够的粮食生活。平民依靠自己的劳动生活，丰年生活都十分拮据，荒年往往难以生存，不得不向富人奴隶主借债，一些债务累累而无力偿还的人，只好把子女甚至自身作为奴隶抵债。这样就造成了穷者更穷，富者更富的两极分化。在封建社会，两极分化是以土地兼并的形式进行的。放高利贷则是地主阶级兼并土地的主要手段。农民和奴隶相比有一定的财产，甚至有少量的土地。当农民遇到天灾人祸无法生活，或者青黄不接、缺乏口粮时，地主便乘机发放高利贷；在农民无法交租时，地主也往往把地租作价行息。由于利息很高，农民常无法偿还，最后只得把少量土地、耕牛等重要生产资料买给地主。康熙三十六年(1691)，山西汾阳县闹灾荒，不少农民被迫拿着地契送上大地主大门，以不及平时十分之二的低价出售。明宪宗时，皇亲王源最初受赐的田庄只有27顷，后来兼并民产，竟占田1200余顷，几乎扩张了50倍。这样地主的土地越来越多，农民土地越来越少。形成了封建社会的两极分化。据清代官方记载，在江淮流域，占人口9%的地主阶级，竟占有土地的96。5%，而占人口87%以上的佃农和雇农，则基本上没有土地。封建土地兼并，引起的两极分化，最终会出现“朱门酒肉臭，路有冻死骨”的情况，在农民生存不下去的时候，只能揭竿而起，进行起义。起义和革命的过程也是一个正反馈，起义由起义领袖发起，生存困难的农民纷纷响应，起义的队伍逐渐壮大，起义军攻占城池，扩展地盘，壮大队伍，直至推翻封建王朝。陈胜、吴广起义最初只有900人，后来沿途农民响应义军，队伍壮大到数万人。清朝末年，洪秀全领导的太平天国起义最初只有二万人，最后发展到百万大军，转占18个省，占领了六百多个大小城镇。在资本主义社会，企业兼并是主要的两极分化形式。资本主义企业之间的竞争十分激烈，它们之间的竞争主要是争夺市场。在竞争中，能够适应市场，采用新技术，提高生产率，降低成本的企业将在竞争中获胜，取得较大的利润。它们凭借着这种经济上的优势，排挤吞并其它企业。这样竞争中胜利的企业越来越大，竞争中失败的企业逐渐倒