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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
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