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自动控制的过去与现在

2007-09-25 21:54 控制·综述, 自动控制 ⁄ 共 5813字 ⁄ 字号 暂无评论

在二十世纪三十年代,美国的哈佛医学院,有位教授若荪布鲁斯(Rosenblueth)每月召集一个谈话会。地点是在万德柏厅(Vanderbilt Hall)大家在一个圆桌上聚餐,随后是聚谈。出席的人以医生为最多,可是并不限于医生。饭后,由其中的一个人,或邀请一个人,讲一段心得。思想可以是半生不熟,体裁可以是未经裁剪,也许有时是过分自信,也许有时是过分夸张,当然最谈不到的是谨严。

有些参加的人,不能忍受,来一回就不再来了。不过大多数的人,以为这个会很有价值。因为参加的人并不是仅仅是医生或医学家,还有物理学家、生物学家。麻省理工学院距离很近,那里的教授也来了好多人。其中一个人是温纳(Nobert Wiener)。

这个由各个方面专门学问中走来的科学家们,是没有共同语言可谈的。但为什么越谈越有兴趣呢?他们究竟谈些什么大家全能欣赏的题目呢?又有什么题目可以引出个人有价值的言论,可以提起团体的兴趣呢?

他们所根据的是每个人专门的学问。而所谈的,是使大家能领悟的,是根据个人的观点所了解的科学方法。

生物学家的术语,数学家不会理解,但生物学家所用的方法,数学家可能领悟;物理学家的语言,医生不会明了,可是物理学家所用的方法,医生却有了然的可能。这个谈话会是三十六行,但话题却集中在科学方法上,所以可以说是科学方法谈话会。

自从莱布尼兹(Leibniz)而后,世界上再没有统摄整个科学领域的通才。到了十九世纪,几位大的科学家,也只是称雄一面。十九世纪没有出莱布尼兹,而只有出高斯(Gauss),法拉第(Faraday),达尔文(Darwin)这类大人物,我们把他们名为数学家、物理学家、生物学家等。可是到了二十世纪,配称数学家的也不见了,对于一位专门的大家,在称呼时必加以限制,如拓扑学的数学家;或光学的物理学家等。

这种过度的分工,是不得不然的,是越演越烈的。由一行分成三十六行,由三十六行分成三百六十行,由三百六十行,分成三千六百行,二十世纪的科学家,不下三万六千行了。

这种局面的形成,产生了两个副作用,第一、是行与行间形成了许多无人管的地带,第二、甲行所研究出的程序、方法、或设备,可能对乙行有极大的效用,但乙行常无从利用起,依然是从头开始。哈佛医学院的谈话会,正是在这种气候下产生的。而就由这个会中产生了『自动控制』的基本观念。

第一道源泉-反馈的观念

有一位医生在这个谈话会中,作了这样的报告:有一种病人,坐在椅子上,与健康的人毫无差别。但你如果给他一支香烟,他伸手接烟时,总对不准香烟的位置,不是左摇就是右偏,他的手变成摇来摇去的运动,而始终接不到香烟。

这位病人的肌肉是强壮的,身体是健康的。但是却不能有系统的组织他的动作。

这个现象很像一个舵手把舵时,把船身形成了左右摆动一样。人所以不能接一支香烟,是因为人的动作是受制于一种信号,而这个信号的大小却为正在进行中的反应所左右。换句话说,一个原因产生一个相应的结果,而这个结果又成为一个新的原因刺激到原来的系统上。把随时所产生的效果变成了原因的一部分。如果把原因结果的相互关系图解出来,如右图:

谈话会的这个观念,形成以后,忽然大家觉得天朗气清起来。并不只是速度控制器操纵着火车的速度,而火车的速度无时不在操纵着速度控制器的行为;并不只是人的神经在控制着手的位移方向,而且位移方向随时左右着手的神经。某一原因施于一物体,产生一相应的结果,我们叫做直接程序,结果的行为又成了原因的一部份,而重施于该物体上,我们叫做反喂程序。

这门学问的性质似乎与别的学问全不相同,它是一种分析上的观点,正因为是一种观点,所以施用到各方面都可以产生出一个新天地来。

这时候,谈话会的人,不自然的而然的想到经济结构上可以利用,政治体制上可以利用,商业经营上可以利用。

比如福特(Ford)当年以独特的眼光,给工人加薪,那时,他曾辩论说,给工人加薪似乎是成本高,但工人又买汽车坐,汽车销路就大了,汽车的销路一大,成本就减低了。他这套理论很像反喂的观念的利用。

温纳把这门学问铸了一个备用的字Cybernetics这个字是源于希腊,意思是舵手。安培曾把这个字当作政府管理学。马克士威尔有一篇文章专说控速器,这个字Governor是源于拉丁。不论是希腊字,还是拉丁字。有人用在操纵的意义上,有人用在舵向的意义上,有人用在管理的意义上,有人用在限制的意义上。于是这个意义贯穿了物理、数学、生物、经济以及政治等。我们把这门学问模糊的译出意义来,是『自动控制学』(Automatic Control)。

第二道源泉-模拟的观念

战时的麻省理工学院,是一个研究中心。不但英国来了好多科学家,就是美国好多名大学的科学家也征召到这里。麻省的剑桥成了一个大熔炉,关心的事务很多,但最重要的还是这些科学家的大集会。这时英国的受击一天比一天加厉,高射炮火的研究一天比一天重要,而反喂观念,就在工程上、科学上的各部门在传染。

由雷达侦察飞机,到高射炮自动开火,是一个有反喂观念自动控制过程。可是这个系统所涉及的部门,却不是单纯的一件东西,有机械、电机、流控、气控各种形式的信号的流动。如何研究这些信号,不是一个性质上的问题,而是一个数量上的问题。于是模拟的观念加强起来。

重要的贡献者,有伽得诺(Gardner)、布朗(Brown)、堪布(Campbell),尼克斯(Nichiols)等。有的在建立电机与机械的模拟,有的在建造化工、气体的仿真。

究竟什么是模拟的观念呢?

我们在讲力学时,总讲牛顿第二定律:所加于物体的力与物体所产生的加速度成比例。这个比例常数是该物的质量。换句话说,如果加速度小,就表示质量大,如果加速大,就表示质量小。我们又把质量的这种特殊牲质叫做惰牲。

在讲电学时,我们又遇到一个定律叫做法拉第定律,所加于线圈的电压与线圈所产生的电流之变率成比例,我们把这个比例常数叫电感。电感有时候我们称为线圈的惰性。

在学电学时,总是觉得这是一个很难理解的现象。于是我们就想,线圈对电压的阻挠,正相当于质量对力的阻挠一样。于是就明白了。

再举一个例,一个RLC线圈如右图:

我们如列出它的微分方程式来,应是

现在有一机械系统,我们如果列出它的微分方程式来应是

一个是电系统,一个是机械系统,所用的定律全不相干,可是列出的式子却极相像。我们如想知道这个机械系统运动的情况,可以由线路上面电流运动的情况而领悟出来。

我们把这个电的线路叫做这个机械系统的仿真,而这机械系统叫做该线路的模拟。一个电机工程师可以对机械全不在行,但当他知道了质量相当于电感,摩擦相当于电阻,弹性相当于电容时,他立刻由线路上电流所应有的行为,领悟到这个机械系统应有的速度的情况。

摸拟的观念是古已有之的。凡是不容易说通的地方,就可用摸拟的办法以助人明了。我国的孟子、庄子,处处在用模拟的方法,圣经里有不知多少模拟的故事与成例。

可是在性质上的模拟,不易用于科学。但自从这种定量的仿真成功以后,效用就展开了。

所以一个包含各式各样复杂成份的机械,均可以用模拟的办法变成单纯的模型,理解起来,就方便多了。

伽得诺于是把电的组件与机械的组件,作了极详细的比拟。堪布把热力上的程序、化工上的程序、气控上的程序、流控上的程序,均作了极详细深刻的电的模拟的研究。

看来渺不相关的东西,在模拟的观点下,是一样的。比如大至鱼雷,小至电流计,可以互相模拟,飞机的操作,可以与潜艇的运行相模拟,至于在数量上的仿真,几乎所有物理系统均可以用电子管组成模型,这方面发展的极致成了电子仿真计算器(Electronic Analogue Computer)。

第三道源泉-数字计算器

在战事正在进行中的一九四三年,费城的宾夕法尼亚大学有一个二十四岁的助教,叫做艾克特(Eckert),另外还有一个顾问叫做毛士莱(Manchly),他们领导着十二位科学家,作了200,000工时,完成了世界第一架数字电子计算器。

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︰

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

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:

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。

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:

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:

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:

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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