对自动控制的再认识

上大学时,学过自动控制原理,最近读书,又接触到了这概念,对自动控制又有了新的认识。自动控制的精髓,在于回路和反馈,有了这两项东西,它能够产生出以出人意料的效果。

一堆不精确的部件,简单串联或并联在一起,每个部件的不精确性可能都会被放大,使得系统产生不可控的输出。如果用上控制回路,则可以达到“涌现”的效果:每个部件都是简单的、不精确的,但通过一定的方式聚集在一起,引发“质变”,能够产生出精确的输出。

这里有个例子。在1948年以前,钢铁行业中的一代又一代技术人员想要生产出厚度统一的薄板,却都失败了。他们发现,影响轧钢机扎出的钢板厚度的因素不下六七个,比如轧辊的速度、钢铁的温度以及对钢板的牵引力。他们花费了很多年时间不遗余力地一项项调整,然后又花了更多的时间进行同步协调,却没有任何效果。控制住一个因素会不经意的影响到其他因素。减慢速度会升高温度;降低温度会增加拉力;增加拉力又降低了速度,等等。所有的因素都在互相影响。整个控制进程处在一个互相依赖的网络的包围之中。因此当扎出的钢板太厚或者太薄的时候,要想在6个相互关联的疑犯中追查到那个祸首,往往是徒劳无功。如何解决?答案在于回路控制!实施过程中,以一个厚薄规测量新扎出的金属板的厚度(输出),然后把这个信号传送回控制拉力变量的伺服电机上,这信号在钢材进入轧辊之前,一直维持它对钢材的影响。凭着这样一个简单的单回路,就理顺了整个过程。因为所有的因素都是相关联的,所以只要你控制住其中一个对产品的厚度直接起作用的因素,那么你就等于间接地控制住了所有的因素。不管出现偏差的倾向来自不平整的金属原料、磨损的轧辊,或是不当的高温,其影响都不太重要。重要的是这个自动回路要进行调节,使最后一个变量弥补其他变量。如果有足够的余地调节拉力(确实有),来弥补过厚或热处理不当的金属原材料以及因为轧辊混入了铁屑而导致的偏差,那么最终出来的将会是厚度均匀的钢板。尽管每个因素都会干扰其他因素,但由于这种回路具有连续性和几乎瞬间响应的特性,因此仍然可以把这些因素间的那个深不可测的关系网络引向一个稳定的目标,即稳定的厚度。

这其中蕴含着控制论的一般性原理:如果所有的变量都是紧密相关的,而且如果你真正能够最大限度的控制其中一个变量,那么你就可以间接的控制其他所有变量,即使你不清楚这些变量间具体的关联关系。

有人将自动控制的发展分成三个阶段:由蒸汽机所引发的能量控制是第一阶段,对物质在微米、纳米力度的精确控制(如硅芯片)是第二阶段,对信息本身的控制是第三阶段。对能量的控制征服了自然的力量,对物质的控制带来了可以轻易获取的物质财富,对信息的控制,我们能做到什么程度?又将产生怎样的效果?在这个信息爆炸的时代,信息控制无处不在,这些问题的答案,也有待进一步揭晓!

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