ChúngTa.com

Khái niệm Điều khiển học

Điều khiển học là ngành khoa học của thời đại mới, nghiên cứu truyền thông và điều khiển, tiêu biểu là Cơ chế điều chỉnh phản hồi, trong cơ thể sống, máy móc và sự kết hợp của cả máy móc lẫn sinh học, ví dụ như trường hợp hệ thống kinh tế - xã hội. Thuật ngữ “Điều khiển học" được Norbert Wiener sử dụng lần đầu năm 1948, bắt nguồn từ tiếng Hy-Lạp “Kybernetes ", hay “steerman” (người thuyền trưởng). Plato là người đầu tiên của nhân loại sử dụng từ vựng tiếng Hy Lạp “Kybernetes" trong tác phẩm "Alcibiades, 135 A" trong câu "Trên một con tàu, phải chăng một vị thuyền trưởng tự do làm điều anh ta chọn, với trí tuệ sáng suốt, chỉ dẫn hành trình tuyệt vời, nắm chắc mọi điều sẽ xảy ra với con tàu và các thủy thủ của mình?"

Từ vựng này dùng với nghĩa ban đầu là Người lái tàu, tay lái, thuyền trưởng, phi công, thống đốc hay chính phủ. Nó được sử dụng cho nhiều chủ đề quan trọng và ngày một chuyên biệt hóa dưới các khái niệm mới như hệ thích nghi, hệ phức tạp, lý thuyết hệ phức tạp, hệ hỗ trợ ra quyết định, hệ năng động, lý thuyết thông tin, tổ chức học, lý thuyết hệ thống toán học, vận trù học, mô phỏng, kỹ nghệ hệ thống...

Một định nghĩa mang tính triết học hơn được Louis Couffignal gợi ý năm 1956 (cũng là một nhà tiên phong của điều khiển học) gọi điều khiển học là "Nghệ thuật đảm bảo cho hoạt động hiệu quả". Cùng với thời gian, điều khiển học dần dần được hiểu là nghiên cứu và đưa ra những nguyên lý trừu tượng của việc tổ chức những hệ thống từ đơn giản tới phức tạp.

Như vậy, Điều khiển học trở thành một thành phần căn bản của khoa học về các hệ thống (Systems Sciences), là tập hợp nhiều lĩnh vực nghiên cứu nhằm khảo sát các thuộc tính chung của sự phức tạp, sự phát triển của các hệ thống. Những thuộc tính ấy biểu lộ trong những hệ tiến hóa, hệ thích nghi phức tạp và sự sống nhân tạo.

Lịch sử của Điều khiển học

Điều khiển học khởi đầu như một ngành nghiên cứu đa lĩnh vực: điều khiển hệ thống cơ khí, lý thuyết mạng điện, mô hình lôgic và thần kinh học vào những năm 1940. Tên gọi Điều khiển học do Norbert Wiener đề xuất để đặt cho các nghiên cứu "cơ chế hoạt động có mục đích" và nêu ra trong cuốn sách "Điều khiển học: Điều khiển và Truyền thông trong Sinh vật và Máy móc" (1948).

Từ "Cybernétique" đã được biết đến và dùng trước đó, năm 1834 bởi nhà vật lý André - Marie Ampère (1775 -1836) để chỉ khoa học về Chính phủ trong hệ thống phân loại của ông về kiến thức của con người. Còn ban đầu nó cũng được nhà triết học Hy Lạp Platon sử dụng để nói về Quy luật cai trị, lãnh đạo con người. Từ cầm quyền (govern) và thống đốc (governor) cũng được dẫn ra từ cùng gốc từ Hy-Lạp đó.

Điều khiển học có thể nhìn xuyên suốt cho quá trình nghiên cứu hoạt động, cơ chế có mục đích (tiếng Hy Lạp là "Teleos" với nghĩa "Đích cuối"). Quay về thời kỳ 1700, nhà phát minh máy hơi nước James Wat gọi tên 'governor' cho thiết bị điều chỉnh trong động cơ hơi nước có sử dụng phản hồi âm để chỉnh tốc độ - đó là một chiếc van ly tâm. Tới năm 1868, Maxwell James xuất bản một bài báo về lý thuyết điều chỉnh governor. Năm 1935, nhà sinh học Nga P. K. Anokhin đã viết trong một cuốn sách về khái niệm sự phản hồi ("feedback afferentation"). Nhà khoa học Rumani Stefan Odobleja xuất bản Psychologie consonantiste (Paris, 1938) cũng mô tả nhiều nguyên lý của ngành điều khiển học. Vào những năm 1940 sự nghiên cứu các quá trình điều khiển/điều chỉnh và mô tả bằng mô hình toán học được tiếp tục nghiên cứu tiếp tục và năm 1034 có hai bài báo quan trọng đã được xuất bản. Đó là bài "Hành vi, Mục đích và Mục đích luận" của Arturo Rosenblueth, Norbert Wiener, và Julian Bigelow; và bài " Về tính toán logic các ý tưởng trong mạng thần kinh" của McCulloch và Walter Pitts Warren.

Trong thế giới thứ 2, với nhu cầu điều khiển các khẩu pháp của pháo binh và tên lửa phòng không, Wiener phát triển một lý thuyết chung tổ chức và quan hệ trong hệ thống điều khiển. Và đó là điều kiện phát triển kỹ thuật và lý thuyết điều khiển để rồi dần dần trở thành môn khoa học hoàn chỉnh. Điều khiển học chính thức trở thành một khoa học sau một cuộc gặp gỡ của các trí thức sau thế chiến 2, gồm có Norbert Wiener, John von Neumann, Warren McCulloch, Claude Shannon, Heinz von Forster, Gregory Bateson, F.S.C. Northrop, Conrad Lorenz, W. Grey Walter và Mead Margaret từ năm 1946 đến 1953.

Các buổi gặp mặt do Quỹ Josiah Macy Jr. nên còn được gọi là Hội thảo về Điều khiển học Macy. Ngành Điều khiển học thì lấy mốc năm 1948 làm năm ra đời ngành bởi vì vào năm cuốn sách "Điều khiển học: Điều khiển và Truyền thông trong Sinh vật và Máy móc" về Các vòng nhân quả và Cơ chế phản hồi của Wiener được xuất bản lần đầu tiên cùng lúc tại Mỹ, Anh, Pháp... Trong cuốn sách, điều khiển học được nhấn mạnh là không chỉ điều khiển và truyền thông bên trong các hệ nhân tạo được thiết kế mới mà cả trong sự phát triển của các hệ thống của tự nhiên, như sinh vật, xã hội. Như vậy, điều khiển học ngay từ đầu đã làm công việc nghiên cứu liên ngành, tìm cách phát hiện các đặc điểm chung của nhiều loại hệ thống khác nhau. Ngay sau đó, thông qua cuốn sách thứ hai “The human use of human: cybernetics and society” xuất bản năm 1950, Wiener đã đại chúng hóa các mối liên quan điều khiển học với xã hội, chỉ ra tính tương tự giữa các hệ điều khiển tự động như máy hơi nước với sinh vật và các tổ chức con người.

Cho tới năm 1950, các nhà điều khiển học đã đi đến hợp nhất với hoạt động nghiên cứu về Lý thuyết chung về các hệ thống (GST), lập ra cùng thời bởi nhà sinh học Ludwig von Bertalanffy, như một cố gắng xây dựng khoa học hợp nhất những nguyên lý chung phát triển của các hệ thống mở. GST nghiên cứu hệ thống ở mức tổng quát, trong khi Điều khiển học quan tâm riêng về xử lý điều khiển trong hệ thống. Chúng ta có thể nhìn đó là 2 bộ phận của ngành khoa học phổ quát mang tên "Khoa học về hệ thống ".

Càng về sau, từ điều khiển học sản sinh ra các ngành khoa học hiện đại như: khoa học máy tính, đặc biệt là Lý thuyết Thông tin, Lý thuyết automata (Automata theory), Trí tuệ Nhân tạo và Mạng thần kinh nhân tạo, Mô hình hóa và mô phỏng bằng máy tính, Những hệ thống động (Dynamical Systems), kỹ thuật rôbôt, và sự sống Nhân tạo. Rất nhiều khái niệm cơ bản của các lĩnh vực này, như Sự phức tạp (complexity), Tự tổ chức, Tự sản sinh, Chọn lọc (selection), Tự trị (autonomy), Kết nối (connection), và Sự thích nghi, được đề xướng và phát hiện ra bởi các điều khiển gia. Trong quãng thời gian 1940 – 1950, có Kiến trúc máy tính của Von Neumann, lý thuyết trò chơi, và cellular automata, và McCulloch giới thiệu Mô hình thần kinh nhân tạo, Mạng nơron, perceptrons và classiffers.

Phạm vi nghiên cứu của Điều khiển học

Trong giới hạn lý thuyết, điều khiển học nghiên cứu các hệ thống và cơ chế điều khiển của nhiều loại hệ thống khác nhau, không giới hạn chỉ một loại hiện tượng cụ thể. Điều khiển gia nhhấn mạnh tìm hiểu các quan hệ chức năng giữa các bộ phận của cùng một hệ thống, hơn là tìm hiểu những thành phần khác nhau. Quan hệ chức năng ấy bao gồm sự trao đổi thông tin và vòng quan hệ phản hồi (feedback) mà kết quả rõ nét của nó là hiện tượng Tự tổ chức ( Humberto Maturana, Varela và Ricardo Uribe phát hiện), Tự sản sinh - autopoiesis ( Francisco phát hiện). Ý tưởng cốt lõi của điều khiển học là hình thành lĩnh vực tập trung về tính mục đích: sự định hướng mục đích là do các vòng phản hồi âm giảm bớt sự chênh lệch giữa mục đích - tình trạng mong muốn với trạng thái đã đạt được. Tương tác xã hội cũng là phạm vi nghiên cứu của điều khiển học bởi trong hiện tượng xã hội con người đề xuất yêu cầu về mục đích, thỏa thuận, hợp tác và giám sát các phản hồi để đạt được các mục đích.

Nhiều người cũng hay nhầm lẫn điều khiển học với những ngành liên quan đến máy tính hay kỹ thuật robot do các khái niệm:'computer', 'robot', ' cyberspace ', ' cybercrime’, ‘cyborg’... do đã được đại chúng hóa từ năm 1960 trong cuộc sống cũng như trong văn học, điện ảnh...

Điều khiển học xây dựng các khái niệm và lý thuyết có quan hệ với Thông tin

Mối quan tâm chính của Điều khiển học là tìm kiếm những thuộc tính giống nhau ở các kiểu hệ thống khác nhau, ví dụ như: Liệu có sự giống nhau giữa hai hệ thống rất khác biệt về vật lý như một chiếc máy tính và bộ não người? Để mô tả sự tương tự về mặt tổ chức (cấu trúc) của 2 hệ thống, điều khiển học đã xây dựng ra ngôn ngữ hình thức với các khái niệm như tổ chức, cấu trúc, trật tự, sự đa dạng, sự ràng buộc, ngẫu nhiên, tự do, sự phức tạp... Và khi hệ thống vận hành, thay đổi thì điều khiển học dùng các khái niệm của mình là sự phát triển, tự tổ chức, sự tăng trưởng, xuất hiện mới (emergence), sự học tập, sự thích nghi và tiến hóa.... Chúng ta gọi các khái niệm như vậy mang tính quan hệ, bởi vì chúng chỉ rõ các quan hệ giữa những thành phần hoặc trạng thái của hệ thống, hơn là chỉ rõ tính vật chất cụ thể của nó.

Sử dụng các khái niệm đó, các nhà khoa học có thể toán học hóa tổ chức của những hệ thống cũng như sự biến đổi của hệ thống theo thời gian. Cơ sở của việc này có liên quan tới lý thuyết toán học về quá trình truyền thông của Shannon. Trong lý thuyết của mình, năm 1948 ông đưa ra khái niệm entropi như sự đo đạc độ bất định như là xác suất về các khả năng xảy ra sự kiện, và bit là đơn vị đo xác suất ấy. Dù cho Shannon từ chối dùng từ "thông tin" mô tả phép đo này, vì nó thuần túy mang tính hình thức, bỏ qua ý nghĩa của tín hiệu nhưng lý thuyết này đến nay vẫn được gọi là Lý thuyết Thông tin. Nó có vai trò quan trọng trong lý thuyết mã hóa, mật mã và những hệ thống động. Entropi thống kê được đề xướng như cách đo cho một số khái niệm: tính tổ chức, sự phức tạp. Nó gần giống nhưng không đồng nhất với khái niệm entropi nhiệt động của một hệ vật lý để đo khoảng cách tới trạng thái cân bằng (equilibrium)

Định luật 2 của nhiệt động học được Shanon phát biểu mở rộng thành định luật 10 của Shannon trong ngữ cảnh phi nhiệt động như sinh học, sinh thái học, kinh tế học, xã hội học và kinh tế học... - "Bất kỳ hệ vật chất nào nếu không tiếp nhận thêm năng lượng từ bên ngoài môi trường thì chiều biến đổi nó là tăng liên tục entropi (thông tin cấu trúc giảm dần) cho đến khi trình độ tổ chức suy giảm và tiến tới mất cấu trúc, thành một thứ đồng nhất rất ít biến đổi và vận động." Như vậy, trong sự tiến hóa về cơ bản có sự bất đối xứng: phương hướng thay đổi từ không ổn định đến ổn định có xác suất lớn hơn là theo hướng ngược lại.

Một quy luật khác quan trọng là định luật về sự đa dạng cần thiết của Ashby phát biểu năm 1958 như sau: "Để duy trì được ổn định thì sự đa dạng trong một hệ thống phải lớn hơn hoặc bằng sự đa dạng của những hỗn loạn bên ngoài". Có nghĩa rằng sự hỗn loạn từ bên ngoài, truyền sự đa dạng vào trong hệ thống, phải được điều chỉnh cho ảnh hưởng ít nhất tới việc hệ đạt mục đích của mình, vậy trong hệ phải có sẵn sàng các hoạt động cao hơn độ đa dạng của bên ngoài.

Những phân biệt giữa Cơ học và Sinh học

Nhờ kỹ thuật tiên tiến thời sau chiến tranh, các nhà điều khiển học sớm mong muốn thăm dò những giống nhau giữa kỹ thuật học và hệ thống sinh vật, và giới hạn của một cơ chế giải thích. Được trang bị bởi lý thuyết thông tin, mạch số, đại số logic Boole và lý thuyết cellular automata, nó không tránh được giả thiết rằng các hệ thống thông tin mô phỏng "bộ não" còn phần máy giống “cơ thể".

Đóng góp căn bản nhất của điều khiển học là giải thích tính mục đích hay hành vi hướng đích, một đặc trưng quan trọng của trí não và sự sống bằng những khái niệm quan hệ điều khiển. Minh họa đơn giản nhất điều này là máy điều hòa, cho việc đạt và duy trì một nhiệt độ riêng có thể xem như mục đích của nó. Những chức năng máy điều hòa chống lại bất kỳ sự chênh lệch nào so với nhiệt độ lý tưởng: nếu bên ngoài mát hơn nhiệt độ phòng, máy điều hòa cảm thấy sự lệch (qua việc xử lý thông tin), và chuyển sang đốt nóng (hoạt động) cho tới lúc nhiệt độ theo quy định (đạt mục đích). Chúng ta nói rằng máy điều hòa điều khiển nhiệt độ căn phòng bởi sự bù đắp bất kỳ hỗn loạn nào đẩy nó ra ngoài phạm vi lý tưởng.

Những vòng điều khiển cơ bản như vậy giả thuyết là cơ sở sự tự trị mô tả đặc điểm các cá thể, tổ chức: mà hành vi của nó, từ nảy sinh ý muốn đến hành động được xác định từ môi trường bên ngoài. Đó là đặc điểm của "tác nhân độc lập". Như vậy, điều khiển học thấy trước nhiều việc cho kỹ thuật rôbôt và những đại diện tự trị (cyborgs & autonomous agents).

Vấn đề phân biệt cơ học và sinh học là liệu có phương pháp nào để phân biệt sự sống với không sống về nguyên tắc, hay hiểu là làm rõ được bản chất sự sống.

Quá trình vòng (cicular process) - là một ý tưởng có từ các nhà điều khiển học là những quá trình vòng tròn. Ở một vòng cơ sở, quá trình đánh giá tương lai nào đó phụ thuộc vào không chỉ những yếu tố bên ngoài mà còn cả những giá trị quá khứ. Quá trình như vậy mô tả như quan hệ phản hồi và có 2 dạng:

- Nếu sự tăng một số lượng giá trị để sản sinh kết quả dẫn tới tăng số lượng giá trị, thì quan hệ là một phản hồi dương. Nhiều các phản hồi Dương tính có thể sinh ra một tăng trưởng bùng nổ, ví dụ như trong những cuộc chạy đua vũ trang, sự độc quyền và sáng tạo đem lại trong kinh tế học, và những dây chuyền - phản ứng dẫn tới bùng nổ hạt nhân.

- Nếu sự tăng một số lượng giá trị sản sinh một giảm sút kết quả dẫn tới giảm số lượng giá trị, thì quan hệ là một phản hồi âm. Điều này sản sinh giá trị ổn định về số lượng, chống trả lại các hỗn loạn môi trường. Điều này là cơ chế bên dưới quan hệ điều khiển nhắm hướng mục đích giới thiệu ở trên.

Điều khiển phản hồi âm (negative feedback) là nền tảng trung tâm của Điều khiển học. Nó ở khắp mọi nơi trong các hệ thống điều khiển cơ khí, hệ sinh thái, cân bằng xã hội, ổn định thị trường, và cả những quá trình hóa sinh như chu trình Insulin. Nói chung, nó hình thành cơ sở khả năng trở lại tới ổn định sau khi bất kỳ hỗn loạn nào.

Điều khiển gia sử dụng khái niệm điều khiển trong các mô hình hệ thống tâm lý và sinh vật, xã hội, kinh tế. Ta xem các hệ thống thực tế như được mô tả đặc điểm bởi nhiều lớp tương tác có thứ bậc (cao thấp) những phản hồi âm và dương. Phản hồi âm là điều kiện quan trọng cho điều khiển và sự bền vững, còn phản hồi dương gắn với sự tăng trưởng, tự tổ chức, và sự khuếch đại tín hiệu yếu.

Động học hệ thống (System dynamics) lĩnh vực hệ thống toán học thử mô hình hóa những hệ phức tạp trong các vòng các phản hồi âm và dương. Nó đã được áp dụng thành công cho một xã hội, sinh thái, và những mô hình sinh học đa dạng. Ứng dụng nổi tiếng nhất có lẽ là ở chương trình phổ biến Tăng trưởng giới hạn (Limits of Growth) của Câu lạc bộ Rome, đi tiên phong bởi mô phỏng máy tính của Jay Forrester. Động học Hệ thống đã được phổ biến đại trà trong phần mềm trò chơi SimCity.

Điều khiển gia trừu tượng hóa mức cao vấn đề lặp lại trong phản xạ. Những ví dụ có thể được tìm thấy trong lý thuyết hàm đệ quy, nghịch lý lôgíc, và fractal. Những hệ sinh học chỉ được mô tả bởi những vòng điều khiển, nhưng cả bởi khả năng tái sản xuất bản thân. Von Neumann phân tích quá trình lặp tái sản xuất là sự tự xây dựng. Đóng góp cơ bản của ông cho lý thuyết sinh học là thấy trước về lập trình di truyền (genetic code). Những ví dụ khác về lý thuyết Điều khiển học bao gồm làm việc trên sự tự tham khảo (self-reference), như những người quan sát của Von Forster tự xử lý tư duy, và autopoiesis tự sản quá trình một hệ thống sống sản sinh trong một mạng tương tác với chính mình, như vậy tự định nghĩa như một thực thể tự trị .

Nhận thức luận (epistemology)

Điều khiển học nhìn những hệ sống phức tạp như hệ điều khiển điều chỉnh hoạt động trong các quan hệ vòng với môi trường. Do điều khiển gia xem xét những vấn đề sâu như bản chất sự sống, trí tuệ và xã hội. Điều ấy thật tự nhiên đưa ta đến gần hơn việc suy xét triết học .

Riêng câu hỏi về nhận thức luận ( nhánh triết học về kiến thức) Điều khiển học chỉ ra xu hướng coi tri thức mang tính Kiến tạo luận (Contructive) tức là kiến thức không là một dạng phản ánh bị động thực tế bên ngoài giống một bức tranh khách quan, mà là kết quả của một quá trình hệ thống tích cực xây dựng hiểu biết.

Trước hết, kiến thức thế giới của chúng ta được điều chỉnh tất yếu bởi các quá trình cảm nhận của chúng ta, với nghĩa - cảm giác về hỗn loạn. Kết quả là một mô hình chủ quan những khía cạnh của thế giới phù hợp với các mục đích hệ thống. Ít nhất là ta có thể biết thu được các mô hình hiệu quả từ môi trường của mình.

Một giải thích thái quá cái nhìn này có thể dẫn tới thuyết duy ngã, hoặc không có khả năng để phân biệt bản thân với môi trường ngoài. Một giải thích thực dụng hơn là mọi mô hình xây dựng bởi người quan sát nào đó, thì mô hình ấy phải chứa cả người quan sát. Trong Điều khiển học, điều này dẫn tới “Điều khiển học thế hệ 2", tự hệ thống thử nghiệm mô hình về bản thân mình trong quá trình mô hình hóa thế giới.

Cuối cùng, quan điểm Kiến Tạo Luận cho rằng điều khiển học luôn luôn tập trung về quá trình mô hình hóa, đặc biệt trong xây dựng các mô hình mà xuyên qua nhiều lớp các hệ thống. Cụ thể, Điều khiển học đóng góp cho tâm lý học và nhận thức luận bao gồm sự quan sát của Gregory Bateson, về bản chất trong vòng tâm lý, và lý thuyết hội thoại của Gordon Pask, một mô hình hình thức quá trình các cá nhân đạt đến thỏa thuận chung. Điều khiển gia đã đóng góp quan trọng trở lại tâm lý học, động học tổ chức, và quản lý như Mô hình Hệ thống có thể sống được của Stafford Beers.

Điều khiển học hôm nay

Mặc dầu đóng một vai trò lịch sử quan trọng trong nguồn gốc của Khoa học máy tính, Điều khiển học, và Khoa học về các hệ thống nhiều lãnh vực khác. Bởi vậy, nhìn chung điều khiển học không được xem như môn khoa học độc lập. Tuy vậy, như thuở nào, các ý tưởng cơ bản của Điều khiển học vẫn gắn kết nhau trong miền nghiên cứu rộng, nhiều lãnh vực đặc biệt tăng trưởng nhanh ngày nay như Khoa học Máy tính, Trí tuệ Nhân tạo, Khoa học Thông tin, Truyền thông và Kỹ nghệ Điều khiển.

Điều khiển học tiềm tàng trong những ngành khác, và ở đó chúng tiếp tục đem đến sự phát triển khoa học. Có lẽ quan trọng nhất là sự bùng nổ của Khoa học các hệ Phức tạp, Những hệ thống thích nghi phức tạp. Điều khiển học trong mô hình toán của mình phát triển về Sự sống nhân tạo gắn với giải thích nguồn gốc sự sống và mô phỏng những hệ sinh học. Theo thời gian, các ngành như khoa học quản lý, điều trị tâm lý... sẽ tiếp tục phát triển, mở rộng thêm cho nghiên cứu theo như khái niệm và lý thuyết của điều khiển học. Nói chung, điều khiển học mở ra cách thức cho nhân loại tìm hiểu sự phức tạp đầy đủ của thế giới quanh ta và cung cấp cả công cụ mô phỏng máy tính đối với các hệ thống trong thế giới này.

Sơ đồ lịch sử điều khiển học & khoa học hệ thống