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自动控制的过去与现在

自动控制的过去与现在

点击数:7839 次   录入时间:03-04 12:03:00   整理:http://www.55dianzi.com   电工技术

开始的那一天,我们的主任工程师永远不会忘记的,因为那天他刚过了二十四岁生日。 在这位二十四岁的工程师领导下所建的世界上第一个数字计算器有多大呢?是比当时的任何最大型计算器大一千倍。 这个计算器的能力相当于5,000人的计算能力。桌用计算器要作二十个钟头的题目,这个计算器作十秒就完成了。

多大呢?三十呎宽五十呎长屋子才能放下这个计算器。多重呢?三十吨。用多少电呢?相当于一个大广播电台。 它的名字叫做ENIAC(Electronic Numerical Integrator and Computer)。

消息发布了以后,苏联政府马上要向宾夕法尼亚大学买一部。苏联的这个企图没有成功。 后来把这架计算搬到马里兰州一个镇上。一九四七开始运用的。不久就变成了一匹工作的良马。天气预报的计算用它、 氢弹的计算用它、宇宙线的测定计算用它、风洞的设计计算用它。

几乎一夜之间,计算器变成了一个新的企业,打入了商业、管理、军事、工业....,几乎是无孔不入。

于是自动控制学中,加入一个新的生力军,数字计算器也成为一个组件了。

电子数字计算器,就是由大量电子线路所组成的极为复杂的自动装置。预先编就的一定程序对数字作大量的算术、 逻辑及其它操作。

所谓算术操作,是加法、减法、乘法与除法。所谓逻辑操作是比较两数、选择大小、确定符号、确定数值等。

处理大量数字与复杂程序,最主要的一个关键是必须精确,十进制的数字制是不能产生精确值的。最好的办法是用二进制制。

二进制只有两个数0与1,如果拿电路的开路叫做0,闭路叫做1,则永远不会产生误差,因为电路非关即闭。

只有两个数字0及1,但任何数全可以由这两个数代表出来,表列如下︰

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37在二进制中是100101,正如我们在写37时,我们的意思是37=3.101+7.100我们在写100101时意思是

至于加减乘除,所用的法则,与普通所用的,也无大异,比如62×5是

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利用这种数字制度,而又用电路的开否代表1或0,于是数字计算器的准确可靠性大为增加。

至于计算器的构成大致分为五大部份,说明如图所示:

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由自控机构到自控观点

上面所说的由三十年代到五十年代所发展起来的几个大观念,逐渐聚合,逐渐形成了一门新的学问,而这门新的学问的内容, 也无时不在那里补充与改变。

按照史实说,自动控制应该由瓦特时代的蒸汽机上的控速器说起,应该由马克士威尔的对控速器的分析算起。 我们可以说这是把自动控制当成一个机件来看待的时代。

到了二次大战期间,由控制炮位,到控制飞机,到控制航舰等,可以说把自动控制当成一套机构来看待的时代。

我们看一看下个例子:

我们如转动把手R成一新的角度,Q接触点即向上移,于是P与Q间发生电位差,差值是e,作用在放大器A上, 由A产生的电压,影响发电机G,于是电动机受影响而转动,电动机的负荷,即炮身,即跟着转动。炮自转动时P点也上行, 终于PQ电位又复相等,电位差e等于零,一切都不再动了。

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这是一套机构,而是自动的连带作用。我们如画个写意图是如下例:

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电位计的作用很像触觉神经,它可以感觉出来负荷的情况,这个结果成为原因的一部份,重新作用到系统上。 把手的命令标准是多少角度,炮身一步一趋的遵守命令。这一套机构看来像个有头脑的奴隶, 所以我们又把这套机构叫做奴隶机构(servomechanisms)[伺服机构]。

等到自动控制成了一种观点以后,很多大大小小的程序都可以看作自动系统。大而至于人造卫星的整个控制系统, 自导飞弹的整个控制系统,小至于一个单纯的电位计,都可以看成自动控制系统,很容易找出自动控制所具备的组件来。

比如一个简单线路如下图,可以看成一个自动反喂系统如下图:

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又如一个单独的电动机,也可视为一个自足的自动系统。回电压(Back emf)正是在反喂线路上。 英国人在这方面作了好多有趣的分析工作。

由古典控制论到适应控制论

五十年代末,到六十年代初,上面所说的自动控制系统,已成为典型的看法。但是在这个时候产生了一个新的潮流。 即是:一个控制系统的环境不会不变,一个控制系统各种组件本身也不会不变。假如内或外有所改变时, 在自动控制学上应该作些什么处理,于是产生了一门新的自动控制学,即适应控制论(Adaptive Control)。

适应控制论与古典控制论主要不同的地方,是系统本身,随时在认识环境,认识自己,用计算器,算出新的措置, 从而统摄整个系统。

如用图解,说明如下:

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适应控制系统比起古典自动系统来主要多出几种东西,一是测量环境认识自我特性的认识器(Identifier), 一种是作裁决作用的计算器(Decision computer),由认识环境到自我改变组织,正是现在研究的大方向。 英国的艾士倍(Ashby)美国贝尔门(Bellman)和苏联的艾兹曼(Azerman)均是适应控制的开拓者。

艾士倍大声疾呼制造与生物相同的智能,只是一个时间问题与价钱问题,他并不认为是一个性质上的问题。

生物机构的再研究

自动控制学既是起源于病人一种病态的分析,经过了二三十年的发展以后,目标又转回生物的研究上。换句话说, 工程师们向上帝的创造设计觅取灵感。

一九六一年度,美国政府与欧洲政府的英、法、意、德、瑞士、南美的智利、阿根廷等国的科学机构订了好多合同, 研究的题目是希奇古怪,比如研究蛙的眼睛,章鱼的学习能力等。

于是,有人就猜了,说是美国政府诚心让外国科学家去做毫无意义的工作,而让美国科学家作重要的国防研究。 但是这些批评的人不晓得,美国政府在国内所花的这类的钱,要比在国外还多。而事实上,苏联也是向这方面拼命的努力。

就以蛙的眼睛来说罢?蛙只吃活着的昆虫。它的眼睛可以立时看到一个飞的苍蝇而把它吃掉。 但你如放一堆死的苍蝇在它周围,蛙即毫无感觉,目无所见。这是因为蛙的眼并不是把它所看到的所有的东西都报告它的大脑, 而是只报告对它生存有需要的事物。蛙的眼睛对于它的敌人的一举一动都看得见,而对于并无威胁的东西一无所见。

如果工程师能建立一种类似蛙眼的机构,可以辨认敌机于各种混乱信号之中岂不使现代雷达系统大为增强效力?

蛙眼机构如果成功就是对平时也有用处,比如现在大的飞机场每年亦有二千万架次,到一九七五年可以增至四千万架次。 机场必须建立有高度辨识能力自动系统,来解决这个头痛的大难题。

这不过是一个这方面研究的例子。美国在去年就有二万个生物学家参加这方面的研究工作。比十年以前的人数增加一倍。

自动控制学,由生物学界到数学界,到工程界,再到生物学界,江流越聚越多,波涛越来越壮阔了。

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