金观涛：负反馈调节——掌控复杂系统的终极智慧｜双体实验室

大家好，我是船长。

当我们面对一个极其复杂且充满变数的目标时，如何实现精准控制？在不确定性和干扰成为常态的系统中，是否存在一种超越精确计算、更适应动态变化的调节机制？「负反馈调节」这一控制论中的核心概念，为我们提供了一种持续逼近目标的智慧路径。

金观涛老师系统阐释了负反馈调节的基本原理与应用场景。指出传统控制方法在面对长远距离或高度动态的系统时存在局限，进而提出以“目标差”为核心的反向调节机制。该系统通过实时比较当前状态与目标状态的差异，不断做出调整，逐步缩小偏差。

另外金老师还进一步区分了“负反馈调节”与“半反馈调节”的区别。真正的负反馈是一个动态、连续、可迭代的过程，也正因为如此，它在精确性和适应性方面具有显著优势。

如今，世界高速变化、充满不确定性，负反馈思维具有极强的现实意义。它不仅是一种技术控制机制，更是一种应对复杂性问题的基本方法论。无论是个人、组织还是系统治理，这种“通过持续微调逼近目标”的思维模型，都值得被重视和实践。

图：《创造亚当》

负反馈调节：掌控复杂系统的终极智慧

文/金观涛

在动态中逼近目标

如果我们选择了某一目标，但我们所具备的控制方法达不到所需要的控制能力又怎么办呢？

例如我们向月球发射一枚火箭，火箭要击中距离地球大约38万公里远的月球，这就好像在10公里外用步枪瞄准一只苍蝇的眼睛一样困难。

有人会以为火箭里一定装有一个非常精确的瞄准器，发射之前一定按照计算好的提前量对准月球发射，就像步枪打飞鸟那样。其实这完全办不到。火箭在运动中要飞越38万公里的路程，有许多干扰根本无法事先估计到。发射前把轨道算得再精确，把发射方向控制得再准都不行。

也就是说，仅仅依靠发射时控制方向完全达不到这么大的控制能力。那么我们是不是就束手无策了呢？当然不是。我们有一些非常巧妙的方法来增强自己的控制能力。

图：火箭发射向月球的场景

不过，要解决这个问题还要先从“负反馈”这个概念谈起。

第二次世界大战前后，随着科学技术的发展，飞机的速度越来越快、性能越来越好，用老式高射炮来击落飞机也就越来越困难了。

人们发现，无论怎样提高发射炮的准确性，效果总是有限的。飞机的飞行轨道因驾驶员动作的随机性几乎不能预先求出，经典的思想方法暴露出一些根本的缺陷。

其实，对于这一类在工程师眼中极为困难的问题，我们可以从自然界不少动物身上找到答案。

鹰击长空，不但能准确地捕捉到固定目标，甚至连飞速躲避的兔子、老鼠也不能逃脱。显然，鹰没有也不可能事先计算自己和目标的运动方程。鹰不是按照事先计算好的路线飞行。

鹰发现兔子后，马上用眼睛估计一下它和兔子的大致距离和相对位置，然后选择一个大致的方向，向兔子飞去。在这个过程中它的眼睛一直盯着兔子，不断向大脑报告自己与兔子之间位置的差距。

不管兔子怎么跑，大脑做出的决定都是缩小自己与兔子位置的差距。这种决定通过翅膀来执行，随时改变鹰的飞行方向和速度，调整鹰的位置，使差距越来越小，直到这个差距为0时，鹰的爪子就能触碰到兔子了。

图：电影《阿凡达》剧照

我们来仔细分析一下这个过程。实际上这个控制系统主要由眼睛、大脑和翅膀三部分组成（图1），眼睛在盯住兔子的同时，也注意到了自己的位置，并把这两者作一个比较，图1中的⊙是一个比较符号。

经过比较以后的信号代表鹰的位置跟兔子位置的差距，通常称为目标差，眼睛主要是接收这种目标差信息，并把它传递到大脑。大脑指挥着翅膀改变鹰的位置，使鹰向目标差缩小的方向运动，这个控制重复进行，就构成了鹰抓兔子的连续动作。

图1：鹰的控制系统

这里最关键的一点是大脑的决定始终使鹰的位置向缩小目标差的方向改变，控制论把这类控制过程称为负反馈调节。

完整机制与两次调节

负反馈调节的本质在于设计了一个目标差不断减少的过程，通过系统不断把自己控制的结果与目标做比较，使得目标差在一次又一次的控制中慢慢减少，最后达到控制的目的。

因此，作为一般的负反馈调节机制必定要有两个环节：

（1）系统一旦出现目标差，便自动出现某种缩小目标差的反应。

（2）缩小目标差的调节要一次次地发挥作用，使得对目标的逼近能积累起来。

图： 电影《地心引力》剧照

这两个条件如果不完全满足，就不能算是完善的负反馈调节。比如一般输电线路中的保险装置，如果电流值增大到某个限度，偏离控制目标，保险丝熔断，使供电中断。

高压锅的压力过分偏离所允许的限度，锅盖上的合金塞熔开放气，这些都是出现目标差时系统缩小目标差的调节机制。

但它们都不是完全的负反馈调节，因为它不满足第二个条件，目标差的缩小不能通过一次次的调节积累起来。这一类“半反馈调节”在控制中被广泛应用，但它们都不如负反馈调节来得完备和精确。

本文系摘选自《控制论与科学方法论》一书第一章节第7节。为便于阅读，部分段落做了拆分和删减，推文标题为编者所拟，学术讨论请以原文为准。文中部分配图来源于网络，如有侵权请联系公众号后台删除。

内容编校：颖睿

编发 审定：船长

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