以控制观点看自然铁则有得必有失-JSJK加深加广.PDFVIP

以控制觀點看自然鐵則 ─有得必有失 交大電機系 陳永平 編 10. 以控制觀點看自然鐵則以控制觀點看自然鐵則─有得必有失─有得必有失 以控制觀點看自然鐵則以控制觀點看自然鐵則──有得必有失有得必有失 控制科技的發展過程是漫長的 ，除了受控本體、致動器、感測器與控制器 實體的開發外 ，還包括控制器中各種控制理論的研究 ，這些控制理論正是系統中 運籌帷幄的總司令 ，乍聽之下，總司令似乎是威風八面，系統必言聽計從 ，朝著 終極目標前進 ；但在實際狀況下卻是總司令戰戰兢兢，系統時有不從，即使銜命 前進也未必如願達 成目標，這些狀況就好像我們在處理事情時所受的遭遇一般， 究其原因 ，正是「有得必有失」的自然鐵則所致 。 「有得必有失」早已是一般人的經驗與認知 ，因為凡事要面面俱到是不可 能的 ，此外人們總希望能在事先便看穿得失 ，讓事情的處理過程更加平順 ，只是 古諺有云 ：「塞翁失馬，焉知禍福」，要想看穿得失 ，必須要有足夠的智慧 ，通常 人們只能「事後諸葛」加以評斷 ，畢竟周遭環境是動態的 ，要想隨時掌 握住所有 影響事情的因素 ，根本是不可能的，所以人們在事情順利完成之後 ，每有慶幸大 喜之感。話說至此 ，難道爾後我們面對事情時，除了自身努力外，非得默默祝禱 祈求神佛上帝庇佑 不可 ？底下將以部分篇幅先談談控制理論的發展與系統的本 質，再來說明在控制的研究過程中，有那些觀念可以當作我們處理事情的借鏡或 權衡得失的準則 。 控制控制理論的發展理論的發展 控制控制理論的發展理論的發展 控制理論的發展可先從電磁 學大師麥克斯威爾談起 ，他不僅以敏銳的眼光 洞穿電磁現象 ，提出麥克斯威爾方程式統一電磁理論 ，還曾在早年率先 以數學方 法探討瓦特用來控制蒸氣機轉速的飛球系統，發表了世上第一篇關於控制回饋理 論的論文 ，自此數學便成為探究控制理論的重要工具 。 控制理論的發展約可分為五個階段 ：(1)傳統控制 ，(2)最佳化控制 ，(3)穩健 (4)自動化控制 ，以及(5)智慧型控制 ，每個階段在年代上多有重疊較難區 控制 ， 分，以下將以特性上的差異來加以劃分 。 首先是傳統控制 ，它以單純的系統 為對象 ，所使用的控制理論也易懂實用 ， 其中最經典的就是 PID 控制 ，但是傳統控制在系統規格的要求較不嚴謹，因此 試誤法 (trial-and-error)扮演著相當重要的角色 ，由於傳統控制易懂實用，至今仍 廣泛使用在單純的系統上 。 當控制理論漸趨成熟 ，設計者自認 對系統已能掌握 ，便開始有最佳化的考 量，希望達到反應最快 、成本最省、出力最小等最好的控制目的，不幸的是，這 1 以控制觀點看自然鐵則 ─有得必有失 交大電機系 陳永平 編 些最好的控制目的 ，還是無法背離「有得必有失」的自然鐵則 ，當完成某個最好 的控制目的 ，同時也將失去某些好的 系統特性 ，例如當系統被設計成反應最快 時，它的輸入就必須 最大 ，經常導致不合理的輸入 量，所以傳統控制轉換為最佳 化控制的過程如曇花一現 ，「最不可能的控制」成為最佳化控制的代名詞 ，它無 法改變系統 「有得必有失」的宿命。不過值得一提的是，雖然最佳化控制難以實 現，與它息息相關的最佳化理論卻在許多不同的領域中開花結果 。 在最佳化控制的發展過程中 ，除了無法背離「有得必有失」的自然鐵則外 ， 設計者自認為能 夠完全掌握系統的想法也 是一個致命傷 ，因為系統不確定量的存 在終究是個事實 ，幸好經過一陣短暫的摸索後，終於發展出能夠消除或容忍系統 不確定量的穩健控制 ，在1990 年代穩健控制理論的研究與運用 達到高峰 ，對於 系統的非線性行為提出了許多修正的控制法則 ，包括適應控制、可變結構控制、 H∞控制等 ，都是穩健控制階段的產物 。 在穩健控制發展的時期