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自动控制和现代控制科普 小时候喜欢看杂书， 没什么东西看， 不正在文化大革命嘛？无非 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不少， 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 阀彻底关闭， 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，无非这是题外话了. 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， 即将就看到，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，我往往不知天 高地厚，自告奋勇地徒手把热 的碗拿出来。只要动作快，手起碗落，可以不烫手。固然喽，要是捧 着热碗再东晃晃， 西荡荡， 那手上感觉的温度最终会和热碗一样， 肯 定要把手心、手指烫熟不可的。在从接触碗到皮肤温度和碗表面一样， 这里面有一个逐渐升温的过程，这就是动态过程(dynamic process)。 这里面有两个东西要注意： 一个是升温的过程有多快， 另一个是最终 的温度可以升到多少。 要是知道了这两个参数， 同时知道自己的手可 以耐受 多少温度，理论上可以计算出热的碗在手里可以停留多少时 间而不至于烫手。 反馈过程也叫闭环(closed loop)过程。既然有闭环，那就有开 环(open loop)。开环就是没有反馈的控制过程，设定一个控制作用， 然后就执行， 不根据实际测量值进行校正。 开环控制惟独对简单的过 程有效，比如洗衣机和烘干机 按定时控制，到底衣服洗得怎么样， 烘得干不干，彻底取决于开始时的设定。对于洗衣机、烘干机这样的 问题，多设一点时间就是了，稍微浪费一点，但可以保证效 果。对 于空调机，就不能不顾房间温度，简单地设一个开 10 分钟、关 5 分 钟的