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自动控制的故事

晨枫

作者简介：晨枫，旅居加拿大，据说是老三届的。本文涉及自动控制

的方方面面，包括理论及应用，很通俗，远比教科书清楚。本文揭开

了一些看似神秘的概念、掩盖在复杂数学公式下的思想以及理论的实

践应用，真是一篇自动控制科普的雄文。

写完聚乙烯的故事，就有写自动控制的故事的念头，但一直没有

动笔。这个题目太大了，大得都不知道从何说起。既然大家看聚乙烯

的故事还有一点意思，四一在催，马鹿要“一”什么的，那就接着写

自动控制的故事吧。反正是故事，别太当真，看着好玩就接着看，看

着枯燥就拍桌子，看着有错就提个醒，看着糊涂的尽管问，看着不耐

烦了呢，也言语一声，我好闭上嘴不再烦人。哈哈。

（一）

小时候喜欢看杂书，没什么东西看，不正在文化大革命嘛？不过

看进去了两个“化”：机械化和自动化。打小就没有弄明白，这机械

化和自动化到底有什么差别，机器不是自己就会动的吗？长大了，总

算稍微明白了一点，这机械化是力气活，用机器代替人的体力劳动，

但还是要人管着的，不然机器是不知道该干什么不该干什么的；这自

动化嘛，就是代替人的重复脑力劳动，是用来管机器的。也就是说，

自动化是管着机械化的，或者说学自动化的是管着学机械的……啊，

不对，不对，哪是哪啊！

有人考证古代就有自动化的实例，但现代意义上的自动控制开始

于瓦特的蒸汽机。据说纽考门比瓦特先发明蒸汽机，但是蒸汽机的转

速控制问题没有解决，弄不好转速飞升，机器损坏不说，还可能说大

事故。瓦特在蒸汽机的转轴上安了一个小棍，棍的一端和放汽阀连着，

放气阀松开来就关闭，转速增加；按下去阀就打开，转速降低；棍的

另一端是一个小重锤，棍中间某个地方通过支点和转轴连接。转轴转

起来的时候，小棍由于离心力的缘故挥起来。转速太高了，小棍挥会

挥得很高，放汽阀就被按下去打开，转速下降；转速太低了，小棍挥

不起来，放汽阀就被松开来关闭，转速回升。这样，蒸汽机可以自动

保持稳定的转速，即保证安全，又方便使用。也就是因为这个小小的

转速调节器，瓦特的名字和工业革命连在一起，而纽考门的名字就要

到历史书里去找了。

类似的例子在机械系统里很多，家居必备的抽水马桶是另一个例

子。放水冲刷后，水箱里水位降低，浮子随水面下降，进水阀打开。

随着水位的升高，进水阀逐渐关闭，直到水位达到规定高度，进水阀

完全关闭，水箱的水正好准备下一次使用。这是一个非常简单但非常

巧妙的水位控制系统，是一个经典的设计，但不容易用经典的控制理

论来分析，不过这是题外话了。

这些机械系统设计巧妙，工作可靠，实在是巧夺天工。但是在实

用中，如果每次都需要这样的创造性思维，那太累，最好有一个系统

的方法，可以解决“所有”的自动控制问题，这就是控制理论的由来。

从小大人就教我们，走路要看路。为什么呢？要是不看着路，走

路走歪了也不知道，结果就是东撞西撞的。要是看着路呢？走歪了，

马上就看到，赶紧调整脚步，走回到正道上来。这里有自动控制里的

第一个重要概念：反馈（feedback）。

反馈是一个过程：

1、设定目标，对小朋友走路的例子来说，就是前进的路线。

2、测量状态，小朋友的眼睛看着路，就是在测量自己的前进方

向。

3、将测量到的状态和设定的目标比较，把眼睛看到的前进方向

和心里想的前进方向作比较，判断前进方向是否正确；如果不正

确，相差有多少。

4、调整行动，在心里根据实际前进方向和设定目标的偏差，决

定调整的量。

5、实际执行，也就是实际挪动脚步，重回正确的前进方向。

在整个走路的过程中，这个反馈过程周而复始，不断进行，这样，

小朋友就不会走得东倒西歪了。但是，这里有一个问题：如果所有的

事情都是在瞬时里同时发生的，那这个反馈过程就无法工作。要使反

馈工作，一定要有一定的反应时间。还好，世上之事，都有一个过程，

这就为反馈赢得了所需要的时间。

小时候，妈妈在锅里蒸东西，蒸好了，从锅里拿出来总是一个麻

烦，需要抹布什么的垫着，免得烫手。

但是碗和锅的间隙不大，连手带抹布伸进去颇麻烦，我常常不知

天高地厚，自告奋勇地徒手把热的碗拿出来。只要动作快，手起碗