賽伯（自動(dòng)化）的誕生

　　從刀耕火種的年代起，人們就夢(mèng)想著省時(shí)省力地生產(chǎn)出更多的東西，來滿足人們生活的需要。人們?cè)趲浊甑纳a(chǎn)過程中，發(fā)明了很多節(jié)省力氣的工具，如在河流上建造的水車。可以通過水的沖擊帶動(dòng)輪子轉(zhuǎn)動(dòng)，實(shí)現(xiàn)灌溉、淘米等工作。

　　工業(yè)革命的到來，為自動(dòng)化的發(fā)展帶來了巨大的動(dòng)力。1788年，為了解決工業(yè)生產(chǎn)中蒸汽機(jī)的速度控制問題，瓦特在自己發(fā)明的蒸汽機(jī)上安裝了一個(gè)飛球，并將它與蒸汽機(jī)的閥門連接在一起。這樣當(dāng)蒸汽機(jī)的轉(zhuǎn)速太快時(shí)，飛球升高，使閥門開的小些，蒸汽機(jī)會(huì)減速。瓦特的這項(xiàng)發(fā)明開創(chuàng)了自動(dòng)調(diào)節(jié)裝置的應(yīng)用和研究。這項(xiàng)發(fā)明的成功表明自動(dòng)化技術(shù)已具雛形。但是這些發(fā)明都是在人們工作檢驗(yàn)中產(chǎn)生的，沒有形成理論的指導(dǎo)。直到一百多年后，美國數(shù)學(xué)家維納與墨西哥生物學(xué)家羅森布盧埃特合作，經(jīng)過從1934年到1947年的十幾年研究，最終提出了自動(dòng)化的理論基礎(chǔ)著作——控制論。標(biāo)志著自動(dòng)化技術(shù)的正式誕生。從誕生到現(xiàn)在，自動(dòng)化技術(shù)在各個(gè)領(lǐng)域大顯身手，飛機(jī)導(dǎo)航、交通運(yùn)輸、導(dǎo)彈控制中到處都是自動(dòng)化技術(shù)的應(yīng)用。

　　隨著自動(dòng)化技術(shù)的日益發(fā)展，越來越多的科學(xué)家要求給他們這個(gè)新生的“愛子”起一個(gè)響亮的名字，1970年4月，在美國芝加哥召開的首屆國際機(jī)器人大會(huì)上，有一項(xiàng)重要的議題就是給自動(dòng)化技術(shù)起一個(gè)響亮的名字。為此各國學(xué)者各抒己見，爭(zhēng)論不休。最后多數(shù)科學(xué)家主張將自動(dòng)化技術(shù)命名為“賽伯”。賽伯一詞來源于希臘文，意思為“掌舵人”，轉(zhuǎn)意為“管理人的藝術(shù)”。維納首先在他的自動(dòng)化技術(shù)的經(jīng)典著作《控制論，或關(guān)于動(dòng)物在動(dòng)物和機(jī)器中控制與通訊的科學(xué)》中，首先使用了cybernetics（賽伯）一詞。人們?yōu)榱思o(jì)念維納在自動(dòng)化發(fā)展中的巨大貢獻(xiàn)，最后決定將自動(dòng)化技術(shù)命名為賽伯。

　　但是由于人們長期以來一直使用自動(dòng)化這個(gè)詞，形成了習(xí)慣。雖然它有一個(gè)如此好聽，并且充滿寓意的名字，人們還是習(xí)慣叫它的小名自動(dòng)化，這就。好比人們喜歡稱自己熟悉的人的小名一樣。

　　賽伯溯源

　　雖然直到1788年瓦特發(fā)明蒸汽機(jī)的速度調(diào)節(jié)器，自動(dòng)化技術(shù)才開始進(jìn)入到工業(yè)生產(chǎn)的使用領(lǐng)域。但是人們?cè)趲浊甑膭趧?dòng)過程中，早已經(jīng)利用自己聰明的頭腦創(chuàng)造出了一些巧奪天工的裝置，這些自動(dòng)化裝置體現(xiàn)了朦朧的自動(dòng)化思想。

　　大家在觀看電視連續(xù)劇《三國演義》時(shí)，不知注意到了劇中提到的木牛流馬沒有。這種木牛流馬傳說就是諸葛亮發(fā)明的一種自動(dòng)裝置。它可以不用牲畜做動(dòng)力，而是使用類似彈簧的裝置來提供動(dòng)力，幫助諸葛亮的軍隊(duì)運(yùn)送戰(zhàn)略物資。這雖然只是個(gè)傳說，但是卻體現(xiàn)了人們對(duì)于自動(dòng)化裝置的向往。

　　指南車

　　如果說諸葛亮的木牛流馬只是一個(gè)傳說。而同樣是三國時(shí)期的我國古代發(fā)明家馬均發(fā)明的指南車則確有其事。這種指南車上有一個(gè)小木人，無論如何向前、向后、還是轉(zhuǎn)彎，小木人的手一直指向南方。這種裝置好像現(xiàn)代的自動(dòng)定向儀。后來在魏晉時(shí)期又出現(xiàn)了記里鼓車。記里鼓車分上下兩層，上層設(shè)一口鐘，下層設(shè)一鼓。車上有一木人，峨冠錦袍，坐于車的下層。車走十里，小木人擊鼓一次；每擊鼓十次，小木人就上升到上一層，擊鐘一次，煞是有趣。這種裝置是利用齒輪傳動(dòng)的原理來實(shí)現(xiàn)的，其實(shí)我們現(xiàn)在汽車上用的很多里程表所用原理也一樣，與這種里程鼓車沒有什么區(qū)別。

　　在國外，在古代也有很多制造巧妙的裝置，2000年前的古希臘，有一個(gè)非常出色的技師叫希羅，他經(jīng)常向阿基米德等科學(xué)家請(qǐng)教、學(xué)習(xí)，制造出了許多機(jī)器。有神殿自動(dòng)門、神水自動(dòng)出售機(jī)、里程表等。神殿自動(dòng)門當(dāng)有人拜神時(shí)，點(diǎn)燃祭壇上的油火，油火產(chǎn)生的熱量就會(huì)使一個(gè)箱子里的空氣膨脹，然后膨脹的空氣就會(huì)推動(dòng)大門，使大門打開。當(dāng)拜神的人把油火熄滅后，空氣受冷縮小，大門于是就會(huì)關(guān)閉。當(dāng)時(shí)的人們由于沒有什么科學(xué)知識(shí)，還以為是神仙顯靈，為他們開門呢！其實(shí)這種裝置也就是現(xiàn)在人們經(jīng)常使用的發(fā)動(dòng)機(jī)的原理。

　　蜀錦機(jī)

　　到了17世紀(jì)中葉，工業(yè)生產(chǎn)突飛猛進(jìn)，科學(xué)技術(shù)日新月異。這個(gè)時(shí)期的人們思想異?；钴S，用機(jī)器工作的愿望比任何時(shí)候都更加強(qiáng)烈。哈格里夫斯是英國的一名普通工人，但是他卻發(fā)明了紡紗機(jī)，他的妻子是一個(gè)紡紗工人，每天都在辛苦的工作，但是還是不能滿足織布用。于是他想為自己的妻子作一個(gè)效率高的紡車，但是總也沒有好的主意。有一天他不小心將妻子的紡車碰倒了，奇怪的是，原來水平放置的紡錘直立了起來，但是線卻沒有斷，紡錘還在動(dòng)，看到了這個(gè)情景，他有了靈感。他在原來的紡車上加了好幾個(gè)紡錘，再用一個(gè)輪子帶動(dòng)它們，老紡車一下子成為了一個(gè)一次可以紡出很多紡線的新紡車。這種紡車的問世，打響了機(jī)械化生產(chǎn)的第一炮，也加快了自動(dòng)化的發(fā)展。我國古代也有了這種紡織機(jī)，蜀錦機(jī)是我國古代織造技術(shù)最高成就的代表?？椩鞎r(shí)上下兩人配合，一人拉花，一人踏桿，引緯織造。

　　人類自從開始勞動(dòng)以來，就不斷尋求著能夠代替自己進(jìn)行勞動(dòng)的機(jī)器。正是這種愿望，使一代代勞動(dòng)人民發(fā)揮他們的聰明才智創(chuàng)造出了許多的自動(dòng)化裝置，也正是這種愿望，才使我們今天的自動(dòng)化技術(shù)在各個(gè)領(lǐng)域里發(fā)揮著巨大作用。

　　炮火中的發(fā)展

　　自動(dòng)化技術(shù)從產(chǎn)生到現(xiàn)在，它的發(fā)展始終沒有離開武器裝備的需要。

　　在第二次世界大戰(zhàn)中，同盟國軍隊(duì)的主要作戰(zhàn)武器是火炮。當(dāng)時(shí)的火炮威力大、射程遠(yuǎn)，但是命中精度比較差。比如當(dāng)時(shí)的高射炮打飛機(jī)平均要3000發(fā)炮彈才能擊中一架飛機(jī)。美國的科學(xué)家為了自己的祖國，為了戰(zhàn)爭(zhēng)的需要，成立了以維納為代表的科學(xué)家集團(tuán)，運(yùn)用當(dāng)時(shí)的計(jì)算機(jī)技術(shù)，根據(jù)汽車駕駛的道理，借鑒人的行為，設(shè)計(jì)了一系列的自動(dòng)控制裝置和系統(tǒng)。這些裝置和系統(tǒng)大大提高了火炮射擊的精度，改善了雷達(dá)跟蹤目標(biāo)的能力，還解決了魚雷、飛機(jī)等導(dǎo)航的關(guān)鍵問題，大大提高了盟國軍隊(duì)的作戰(zhàn)能力。自動(dòng)化技術(shù)在抗擊德軍空中飛機(jī)轟炸、水下潛艇的攻擊等方面發(fā)揮了巨大作用，為二戰(zhàn)的最后勝利做出了巨大貢獻(xiàn)。同時(shí)，自動(dòng)化技術(shù)在實(shí)際應(yīng)用中得到不斷發(fā)展，逐步走向了理論化和系統(tǒng)化，維納的名著《控制論》也就是在二戰(zhàn)期間寫成的。如果沒有二戰(zhàn)這個(gè)巨大的實(shí)驗(yàn)場(chǎng)，自動(dòng)化技術(shù)也不會(huì)有如此大的發(fā)展。可以這樣說“軍事裝備是自動(dòng)化之父，二戰(zhàn)是自動(dòng)化誕生的產(chǎn)房”。

　　如果說軍事設(shè)備是自動(dòng)化之父，那么工業(yè)生產(chǎn)就是自動(dòng)化之母。自動(dòng)化生產(chǎn)是人們夢(mèng)寐以求的事情。大家都聽說過諸葛亮三天之內(nèi)造十萬只箭的故事吧，諸葛亮雖然沒有造出十萬只箭來，但是他從曹操那里借了十萬只箭。顯示了諸葛亮過人的計(jì)謀。但是在1789年的美國卻真發(fā)生了這樣一件事情，美國政府要求工廠主惠特尼在15個(gè)月中生產(chǎn)一萬只滑膛槍。這比諸葛亮的十萬只箭的任務(wù)還要難完成，但是惠特尼采用了一個(gè)新的方法完成了任務(wù)，他把每個(gè)造槍的工作化整為零，每個(gè)工作只生產(chǎn)其中的一種部件，然后把每種部件都放在一個(gè)袋子里，每個(gè)袋子都編上號(hào)。最后從不同的袋子里各取出一個(gè)零件就可以組裝成一條槍?；萏啬峋褪强窟@種方法完成了生產(chǎn)任務(wù)。他的這種方法也為后來的流水線生產(chǎn)打下了基礎(chǔ)。

　　福特發(fā)明的汽車生產(chǎn)線是最成功的早期生產(chǎn)線，1913年福特創(chuàng)建了由專用機(jī)床組成的“運(yùn)動(dòng)中的組裝線”在這種生產(chǎn)線上，要組裝的部件由傳送帶運(yùn)到一個(gè)個(gè)工人面前，每一個(gè)工人只完成一種操作。組裝汽車就像流水一樣運(yùn)行得有條不紊，大大提高了生產(chǎn)效率。這種生產(chǎn)線使福特成為“汽車大王”，也使汽車走入了普通百姓的家中。從流水線問世至今，生產(chǎn)自動(dòng)化的發(fā)展跨越了幾個(gè)階段，現(xiàn)在已經(jīng)發(fā)展到完善的階段即無人工廠，也就是CIMS技術(shù)。

　　自動(dòng)化技術(shù)為生產(chǎn)力的發(fā)展起了巨大作用，實(shí)現(xiàn)了人們擺脫繁重的勞動(dòng)的愿望。同時(shí)自動(dòng)化技術(shù)也在應(yīng)用中得到不斷發(fā)展和完善。

　　賽伯（自動(dòng)化）原理仔細(xì)看

　　人們?yōu)榱诉_(dá)到節(jié)省體力，提高生產(chǎn)效率的目的, 發(fā)明了許多自動(dòng)化機(jī)器和設(shè)備，這些設(shè)備和機(jī)器可以在人不直接參與的情況下, 按照人們預(yù)先設(shè)計(jì)的要求，根據(jù)給定的指標(biāo)完成原來需要人自己做的很多工作，使人從生產(chǎn)過程中解放出來。這些設(shè)備和機(jī)器種類繁多，形式千差萬別，所完成的功能各不相同。有工業(yè)中的生產(chǎn)過程自動(dòng)化，也有軍事上的導(dǎo)彈制導(dǎo)和飛機(jī)導(dǎo)航。是什么原因使他們具有了如此巨大的魔力呢？我們可以看下面一個(gè)簡(jiǎn)單的例子，它會(huì)告訴我們其中的奧妙。

　　我們現(xiàn)在作一個(gè)游戲，讓張三和李四分別去拿放在一張桌子上的杯子，張三把自己的雙眼蒙上，而李四卻不用蒙上雙眼。看看他們誰能順利地拿到杯子。結(jié)果是很明顯的,張三很有可能要試很多次才能拿到杯子，但是李四會(huì)很順利地拿到杯子。這是為什么呢？有人會(huì)說，這太簡(jiǎn)單了，因?yàn)閺埲床灰?。但是為什么看不見就拿不到呢？可能就回答不出了。我們來分析一下拿杯子這個(gè)動(dòng)作完成的過程，就會(huì)清楚其中的秘密。人在打算拿桌子上的杯子時(shí)，首先要看一下，杯子的位置與自己手的距離有多少，然后人的大腦會(huì)命令自己的手做出動(dòng)作，向減少這個(gè)距離的方向移動(dòng)，同時(shí)不斷的觀察兩者之間的距離還有多少，直到人的手碰到了杯子，大腦就命令手停止運(yùn)動(dòng)，杯子也就拿到了。這個(gè)過程可以用下邊的圖來表示。

　　人就是通過這個(gè)過程來完成拿杯子這個(gè)動(dòng)作的。游戲中的張三被蒙住了雙眼，自然他就無法知道自己的手和杯子之間的距離還有多少，自然也就不容易拿到杯子。正是由于沒有了眼睛，所以圖中的反饋就無法形成，人這個(gè)“機(jī)器”也就工作不正常了。

　　自動(dòng)化設(shè)備和機(jī)器的關(guān)鍵就在于反饋的存在，正是有了他的存在，才使自動(dòng)化成為可能。反饋就是我們上面所提問題的答案, 是自動(dòng)化的奧妙所在。其實(shí)反饋存在于很多地方，無論是機(jī)器還是我們?nèi)梭w里，反饋都起著重要的作用。

　　一個(gè)自動(dòng)化系統(tǒng)無論結(jié)構(gòu)多么復(fù)雜都是由下面幾部分組成：

　　第一，檢測(cè)比較裝置。所起作用相當(dāng)于人眼在上面例子中的作用，主要是獲得反饋，并且計(jì)算我們要達(dá)到的目的與現(xiàn)在的實(shí)際情況之間的差值。

　　第二，控制器。所起作用相當(dāng)于大腦在上面例子中的作用，主要是用來決定應(yīng)該怎樣做。

　　第三，執(zhí)行機(jī)構(gòu)。主要所起作用相當(dāng)于人手在上面例子中的作用，完成控制器下達(dá)的決定。

　　第四，控制量。也就是所要達(dá)到的目的，相當(dāng)于手和杯子之間的距離。控制量是我們自動(dòng)化機(jī)器所要達(dá)到的最終目的。

　　通過上面的例子，大家應(yīng)該明白了自動(dòng)化工作的基本原理了。其實(shí)每個(gè)人都可以按照上面的例子，來分析自己身邊的一些自動(dòng)化設(shè)備和機(jī)器的工作原理。

　　正反饋和負(fù)反饋

　　自動(dòng)化技術(shù)的核心思想就是反饋，通過反饋建立起輸入（原因）和輸出（結(jié)果）的聯(lián)系。使控制器可以根據(jù)輸入與輸出的實(shí)際情況來決定控制策略，以便達(dá)到預(yù)定的系統(tǒng)功能。根據(jù)反饋在系統(tǒng)中的作用與特點(diǎn)不同可以分正反饋（positive feedback）和負(fù)反饋（passive feedback）兩種。下面通過例子來說明兩種反饋在系統(tǒng)中的作用。

　　負(fù)反饋的特點(diǎn)可以從“負(fù)”字上得到很好的理解，它主要是通過輸入、輸出之間的差值作用于控制系統(tǒng)的其他部分。這個(gè)差值就反映了我們要求的輸出和實(shí)際的輸出之間的差別?？刂破鞯目刂撇呗允遣煌p小這個(gè)差值，以使差值變小。負(fù)反饋形成的系統(tǒng)，控制精度高，系統(tǒng)運(yùn)行穩(wěn)定。我們通過介紹自動(dòng)化原理時(shí)用到的例子來說明負(fù)反饋的工作過程。當(dāng)人打算要拿桌子上的水杯時(shí)，人首先要看到自己的手與杯子之間的距離，然后確定自己手的移動(dòng)方向，手始向水杯移動(dòng)。同時(shí)人的眼睛不停觀察手與杯子的距離（該距離就是輸入與輸出的差值），而人腦（控制器）的作用就是不停控制手移動(dòng)，以消除這個(gè)差值。直到手拿到杯子為止，整個(gè)過程也就結(jié)束了。從上面的例子可以看出，由負(fù)反饋形成的偏差是人準(zhǔn)確完成拿杯子動(dòng)作的關(guān)鍵。如果這個(gè)差值不能得到的話，整個(gè)動(dòng)作也就沒有辦法完成了。這就是眼睛失明的人不能拿到杯子的緣故。負(fù)反饋一般是由測(cè)量元件測(cè)得輸出值后，送入比較元件與輸入值進(jìn)行比較而得到的。

　　正反饋在自動(dòng)控制系統(tǒng)中主要是用來對(duì)小的變化進(jìn)行放大，從而可以使系統(tǒng)在一個(gè)穩(wěn)定的狀態(tài)下工作。而且正反饋可以與負(fù)反饋配合使用，以使系統(tǒng)的性能更優(yōu)。大家熟悉的核反應(yīng)就是一個(gè)正反饋的例子。鈾－235、钚－239這類重原子核在中子轟擊下，通常會(huì)產(chǎn)生兩個(gè)中等質(zhì)子數(shù)的核，并放出２－３個(gè)中子和２００兆電子伏能量（相當(dāng)于３.２×1011焦耳）。放出的中子有的損耗在非裂變的核反應(yīng)中或漏失到裂變系統(tǒng)之外，有的則繼續(xù)引起重核裂變。如果每一個(gè)核裂變后能引起下一次核裂變的中子數(shù)平均多于１個(gè)，裂變系統(tǒng)就會(huì)形成自持的鏈?zhǔn)搅炎兎磻?yīng)，中子總數(shù)將隨時(shí)間按指數(shù)規(guī)律增長。這樣反應(yīng)堆中越來越多的核子發(fā)生裂變，放出更多的能量，從而達(dá)到發(fā)電的目的或者用來做其他用途。在反應(yīng)堆工作之前，要通過幾個(gè)觸發(fā)中子來使系統(tǒng)工作起來。一旦反應(yīng)開始后。系統(tǒng)自己會(huì)產(chǎn)生大量的中子來維持反應(yīng)的進(jìn)行。利用這種正反饋機(jī)制可以形成大規(guī)模的核反應(yīng)。但是正反饋總是起放大最用，這樣就會(huì)使系統(tǒng)中的作用越來越劇烈，最后會(huì)使系統(tǒng)損壞。所以一般正反饋都與負(fù)反饋配合使用，有的時(shí)候會(huì)在正反饋后面加上非線性環(huán)節(jié)（如限幅環(huán)節(jié)）。在核反應(yīng)堆中，就是通過控制反應(yīng)堆中鉛棒（鉛棒可以吸收中子）與反應(yīng)物接觸的面積來控制核反應(yīng)的劇烈程度，否則我們就沒有辦法控制核電站發(fā)電多少了。

　　控制器——系統(tǒng)的大腦

　　自動(dòng)控制系統(tǒng)中控制器在整個(gè)系統(tǒng)中起著重要的作用，扮演著系統(tǒng)管理和組織核心的角色。系統(tǒng)性能的優(yōu)劣很大程度上取決于控制器的好壞。我們可以通過比較人工控制系統(tǒng)和自動(dòng)控制系統(tǒng)的工作原理來認(rèn)清控制器的作用。

　　首先我們介紹人工控制系統(tǒng)，圖1是恒溫箱的人工控制系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)圖。要求恒溫箱中的溫度保持恒定。為了測(cè)量恒溫箱中的溫度，安裝一個(gè)溫度計(jì)來指示恒溫箱中的溫度，這個(gè)溫度就是系統(tǒng)的輸出量，或稱被控制量。操作者始終觀察溫度計(jì)的溫度，當(dāng)小于恒溫箱給定時(shí)，就增大加熱裝置的電流；相反當(dāng)大于恒溫箱給定時(shí)，就減小電流。這樣恒溫箱就能保持給定的溫度。人在這個(gè)系統(tǒng)中有以下的作用：

　　1．觀察恒溫箱中溫度。

　　2．比較恒溫箱中溫度與給定溫度的差值。

　　3．調(diào)節(jié)加熱電流的大小。

　　圖１人工控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

　　了解了人工控制系統(tǒng)的原理，我們只要用一些設(shè)備模仿和代替人的智能，就可以把它變成自動(dòng)控制系統(tǒng)。首先用熱電偶來代替溫度計(jì)來測(cè)量溫度的值，然后用比較放大電路代替人對(duì)溫度的比較，用電機(jī)代替人手來轉(zhuǎn)動(dòng)恒溫箱的電流調(diào)節(jié)裝置。只要放大電路的極性和電機(jī)的轉(zhuǎn)動(dòng)方向合理選擇，就可以完成自動(dòng)控制恒溫箱溫度的工作。自動(dòng)控制系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)圖如圖2所示。

　　圖２自動(dòng)控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

　　從圖1和圖2可以看出，人工控制系統(tǒng)和自動(dòng)控制系統(tǒng)非常相似，熱電偶就相當(dāng)于人的眼睛；比較電路完成人大腦的功能，電機(jī)代替人的肌體；人工控制系統(tǒng)和自動(dòng)控制系統(tǒng)雖然采用不同的裝置，但是它們的原理很是相似。在自動(dòng)控制系統(tǒng)，我們經(jīng)常把比較放大電路以及其他附加裝置（主要起校正作用）稱為控制器，而把執(zhí)行機(jī)構(gòu)（電機(jī)）和控制對(duì)象（恒溫箱）稱為受控對(duì)象。這樣可以得到控制系統(tǒng)的一般結(jié)構(gòu)圖：

　　圖３控制系統(tǒng)一般結(jié)構(gòu)圖

　　從圖3中可以看出控制器實(shí)際上就是代替了人工控制系統(tǒng)中人的大腦的作用，它根據(jù)輸入信號(hào)和反饋信號(hào)來確定控制信號(hào)。在控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)時(shí)，往往受控對(duì)象是不能夠被改變的，要想系統(tǒng)滿足性能要求，關(guān)鍵是要看控制器設(shè)計(jì)的如何。一個(gè)好的控制器可以使系統(tǒng)很好地工作，反之系統(tǒng)是不能滿足要求的。這和一個(gè)頭腦比較笨的人往往不如聰明人做工作好是一樣的道理?？刂破饔懈鞣N形式，按照信號(hào)的性質(zhì)分，可以分成模擬控制器和數(shù)字控制器兩種。前者信號(hào)主要是模擬形式的；后者主要采用數(shù)字形式進(jìn)行計(jì)算，輸入和輸出端有D/A和A/D轉(zhuǎn)換器?？刂破鞯慕Y(jié)構(gòu)有的復(fù)雜而有的比較簡(jiǎn)單，上面恒溫箱控制中的比較放大電路就是比較簡(jiǎn)單的控制器。復(fù)雜系統(tǒng)的控制器往往很復(fù)雜，有的控制器甚至就是一臺(tái)計(jì)算機(jī)。

　　傳感器——系統(tǒng)的耳目

　　自動(dòng)控制系統(tǒng)能夠按照人的設(shè)計(jì)，在人不參與的情況下完成一定的任務(wù)。其關(guān)鍵就在于反饋的引入，反饋實(shí)際上是把系統(tǒng)的輸出或者狀態(tài)，加到系統(tǒng)的輸入端與系統(tǒng)的輸入共同作用于系統(tǒng)。系統(tǒng)的輸出狀態(tài)實(shí)際上是各種物理量，他們有的是電壓，有的是流量、速度等。這些量往往與系統(tǒng)的輸入量性質(zhì)不同，并且取值的范圍也不一樣。所以不能與輸入直接合并使用，需要測(cè)量并轉(zhuǎn)化。傳感器正是起這個(gè)作用，它就像是控制系統(tǒng)的眼睛和皮膚，感知控制系統(tǒng)中的各種變化，配合系統(tǒng)的其他部分共同完成控制任務(wù)。

　　人類為了從外界獲得信息，必須借助于感覺器官。但是人的感覺器官并不是萬能的，要想獲得更為豐富的信息，進(jìn)一步研究自然現(xiàn)象和制造勞動(dòng)工具，人的感官顯得很是不夠了。作為一種代替人的感官的工具，傳感器的歷史比近代科學(xué)的出現(xiàn)還要古老。天平作為測(cè)重的工具在古埃及就開始使用了，一直沿用到現(xiàn)在。利用液體膨脹特性的溫度測(cè)量在十六世紀(jì)就已經(jīng)出現(xiàn)。以電學(xué)的基本原理為基礎(chǔ)的傳感器是在近代電磁學(xué)發(fā)展的基礎(chǔ)上產(chǎn)生的，但是隨著真空管和半導(dǎo)體等有源元件的可靠性的提高，這種類型的傳感器得到了飛速發(fā)展，現(xiàn)在談到傳感器大都指有電信號(hào)輸出的裝置。

　　傳感器可以被用來測(cè)量各種物理量。根據(jù)測(cè)量的物理量不同，傳感器可以分成溫度傳感器、流量傳感器、壓力傳感器等很多種類。但是所有傳感器工作原理都是基于各種物理定律，如果出現(xiàn)了新的現(xiàn)象或在特定物質(zhì)中，在某方面出現(xiàn)了奇異的效應(yīng)，就可以利用這些現(xiàn)象和效應(yīng)來研制傳感器。經(jīng)常被用來制作傳感器的物理現(xiàn)象和效應(yīng)有霍爾效應(yīng)、多普勒效應(yīng)、壓阻效應(yīng)、應(yīng)變效應(yīng)等。但是并不是所有研制出來的傳感器都能夠使用，因?yàn)閭鞲衅饕獫M足可靠性的要求，為了從傳感器的輸出信號(hào)中得到被測(cè)量的原始信息，如果傳感器不穩(wěn)定，那么對(duì)同樣的輸入信號(hào)，其輸出信號(hào)就不一樣，則傳感器會(huì)給出錯(cuò)誤的輸出信號(hào)，使傳感器的作用失靈。就像人的鼻子當(dāng)對(duì)環(huán)境適應(yīng)了后，對(duì)于氣味的感覺就會(huì)失去靈敏度一樣。

　　傳感器就像自動(dòng)控制系統(tǒng)的眼睛、鼻子、耳朵一樣，對(duì)于一個(gè)控制系統(tǒng)的性能起著重要作用?？煽俊㈧`敏的傳感器是自動(dòng)控制系統(tǒng)工作的前提。就像雙目失明的盲人是不可能很準(zhǔn)確地拿到所要拿的東西一樣，如果控制系統(tǒng)的傳感器部分不能正常工作時(shí)，自動(dòng)控制系統(tǒng)也就沒有辦法代替人來完成工作了。

　　有力的臂膀——執(zhí)行器

　　如果把傳感器比喻成人的感覺器官的話，那么執(zhí)行器在自動(dòng)控制系統(tǒng)中的作用就是相當(dāng)于人的四肢，它接受調(diào)節(jié)器的控制信號(hào)，改變操縱變量，使生產(chǎn)過程按預(yù)定要求正常執(zhí)行。在生產(chǎn)現(xiàn)場(chǎng)，執(zhí)行器直接控制工藝介質(zhì)，若選型或使用不當(dāng)，往往會(huì)給生產(chǎn)過程的自動(dòng)控制帶來困難。因此執(zhí)行器的選擇、使用和安裝調(diào)試是個(gè)重要的問題。

　　執(zhí)行器由執(zhí)行機(jī)構(gòu)和調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)組成。執(zhí)行機(jī)構(gòu)是指根據(jù)調(diào)節(jié)器控制信號(hào)產(chǎn)生推力或位移的裝置，而調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)是根據(jù)執(zhí)行機(jī)構(gòu)輸出信號(hào)去改變能量或物料輸送量的裝置，最常見的有調(diào)節(jié)閥。

　　執(zhí)行器按其能源形式分為氣動(dòng)，電動(dòng)和液動(dòng)三大類，它們各有特點(diǎn)，適用于不同的場(chǎng)合。

　　液動(dòng)執(zhí)行器推力最大，現(xiàn)在一般都是機(jī)電一體化的，但比較笨重，所以現(xiàn)在很少使用，比如三峽的船閥用的就是液動(dòng)執(zhí)行器。

　　電動(dòng)執(zhí)行器的執(zhí)行機(jī)構(gòu)和調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)是分開的兩部分，其執(zhí)行機(jī)構(gòu)分角行程和直行程兩種，都是以兩相交流電機(jī)為動(dòng)力的位置伺服機(jī)構(gòu)，作用是將輸入的直流電流信號(hào)線性的轉(zhuǎn)換為位移量。電動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)安全防爆性能差，電機(jī)動(dòng)作不夠迅速，且在行程受阻或閥桿被扎住時(shí)電機(jī)容易受損。盡管近年來電動(dòng)執(zhí)行器在不斷改進(jìn)并有擴(kuò)大應(yīng)用的趨勢(shì)，但從總體上看不及氣動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)應(yīng)用得普遍。

　　氣動(dòng)執(zhí)行器的執(zhí)行機(jī)構(gòu)和調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)是統(tǒng)一的整體，其執(zhí)行機(jī)構(gòu)有薄膜式和活塞式兩類?；钊叫谐涕L，適用于要求有較大推力的場(chǎng)合；而薄膜式行程較小，只能直接帶動(dòng)閥桿。由于氣動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，輸出推力大，動(dòng)作平穩(wěn)可靠，并且安全防爆等優(yōu)點(diǎn)，在化工，煉油等對(duì)安全要求較高的生產(chǎn)過程中有廣泛的應(yīng)用。

　　執(zhí)行器是廣泛應(yīng)用在化工和供水中的兩種執(zhí)行器。它們主要通過接收控制器傳送來的標(biāo)準(zhǔn)電壓或電流信號(hào)，來控制內(nèi)部電機(jī)驅(qū)動(dòng)閥門的開度來決定所要傳送液體或氣體的流量。二者的主要不同就是閥門活動(dòng)的方式不同，旋轉(zhuǎn)式的閥門采用旋轉(zhuǎn)的方式來決定閥門開度的大小，而直線式采用直線運(yùn)動(dòng)來完成該任務(wù)。

　　隨著自動(dòng)化，電子和計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展，現(xiàn)在越來越多的執(zhí)行機(jī)構(gòu)已經(jīng)向智能化發(fā)展，很多執(zhí)行機(jī)構(gòu)已經(jīng)帶有通訊和智能控制的功能，比如很多廠家的產(chǎn)品都帶現(xiàn)場(chǎng)總線接口。我們相信，今后執(zhí)行器和其他自動(dòng)化儀表一樣會(huì)越來越智能化，這是大勢(shì)所趨。

　　受控對(duì)象——溫柔的羔羊

　　所謂受控對(duì)象是指在一個(gè)控制系統(tǒng)中被控制的事物或生產(chǎn)過程,比如發(fā)電機(jī)的端電壓，火炮的角度和方向,鍋爐氣包溫度等等。雖然受控對(duì)象完全是由控制系統(tǒng)來決定，是個(gè)溫柔的羔羊，但是也不是任人擺布的，一定要摸透其脾氣來進(jìn)行控制。在設(shè)計(jì)和分析一個(gè)控制系統(tǒng)時(shí)，了解控制對(duì)象的特性是非常重要的。因?yàn)椋绻麑?duì)象的特性不一樣，其所需要的控制策略也會(huì)大相徑庭的,最終控制效果也大不相同。我們可以用微分方程，狀態(tài)方程或傳遞函數(shù)等數(shù)學(xué)方法來描述受控對(duì)象，并可以用其它傳統(tǒng)和現(xiàn)代的方法來分析受控對(duì)象的特性,設(shè)計(jì)和校正相應(yīng)的控制系統(tǒng)，達(dá)到對(duì)受控對(duì)象的有效和優(yōu)化控制。

　圖１典型的熱交換器

　　不同的場(chǎng)合和行業(yè)的受控對(duì)象的復(fù)雜程度是不一樣的，也可以按照不同需要對(duì)控制對(duì)象進(jìn)行劃分。在簡(jiǎn)單系統(tǒng)中可以把單個(gè)對(duì)象看成孤立的，但是在復(fù)雜系統(tǒng)中，每個(gè)對(duì)象之間就會(huì)有著各種聯(lián)系，如何簡(jiǎn)化和劃分對(duì)象就顯得較為重要了。即使是同一類型的受控對(duì)象，其靜態(tài)和動(dòng)態(tài)特性也會(huì)有很大差別，比如說延遲時(shí)間的不一樣等等，如果忽略了這些因素，往往設(shè)計(jì)出來的系統(tǒng)是不穩(wěn)定的，至少是非最優(yōu)的。

　　要得到受控對(duì)象的數(shù)學(xué)描述，一般有兩種方法，即系統(tǒng)建模和系統(tǒng)辨識(shí)。如果受控對(duì)象的物理和數(shù)學(xué)機(jī)理比較清楚或者對(duì)象比較簡(jiǎn)單，比如一些機(jī)械和電氣裝置，那么為受控對(duì)象建立數(shù)學(xué)模型就比較可行和方便。對(duì)于復(fù)雜對(duì)象或其機(jī)理不能用現(xiàn)有的數(shù)學(xué)描述的對(duì)象，一般用系統(tǒng)辨識(shí)的方法，化工和熱工生產(chǎn)中很多對(duì)象特性就是這樣描述的。

　　圖一是一個(gè)簡(jiǎn)單而典型的熱交換器，它是通過控制進(jìn)出口的閥門，來控制冷熱水的流量從而來得到符合需要的溫度。在這個(gè)系統(tǒng)里，冷熱水的溫度就是受控對(duì)象，而電磁閥是執(zhí)行器。

　　穩(wěn)定性——不可或缺

　　自動(dòng)控制系統(tǒng)的種類很多，完成的功能也千差萬別，有的用來控制溫度的變化，有的卻要跟蹤飛機(jī)的飛行軌跡。但是所有系統(tǒng)都有一個(gè)共同的特點(diǎn)才能夠正常地工作，也就是要滿足穩(wěn)定性的要求。

　　什么叫穩(wěn)定性呢？我們可以通過一個(gè)簡(jiǎn)單的例子來理解穩(wěn)定性的概念。如下圖所示，一個(gè)鋼球分別放在不同的兩個(gè)木塊上，A圖放在木塊的頂部，B圖放在木塊的底部。如果對(duì)圖中的鋼球施加一個(gè)力，使鋼球離開原來的位置。A圖的鋼球就會(huì)向下滑落，不會(huì)在回到原來的位置。而B圖中的鋼球由于地球引力的作用，會(huì)在木塊的底部做來回的滾動(dòng)運(yùn)動(dòng)，當(dāng)時(shí)間足夠長時(shí)，小球最終還是要回到原來的位置。我們說A圖所示的情況就是不穩(wěn)定的，而B圖的情況就是穩(wěn)定的。

　　穩(wěn)定性示意圖

　　上面給出的是一個(gè)簡(jiǎn)單的物理系統(tǒng)，通過它我們對(duì)于穩(wěn)定性有了一個(gè)基本的認(rèn)識(shí)。穩(wěn)定性可以這樣定義：當(dāng)一個(gè)實(shí)際的系統(tǒng)處于一個(gè)平衡的狀態(tài)時(shí)（就相當(dāng)于小球在木塊上放置的狀態(tài)一樣）如果受到外來作用的影響時(shí)（相當(dāng)于上例中對(duì)小球施加的力），系統(tǒng)經(jīng)過一個(gè)過渡過程仍然能夠回到原來的平衡狀態(tài)，我們稱這個(gè)系統(tǒng)就是穩(wěn)定的，否則稱系統(tǒng)不穩(wěn)定。一個(gè)控制系統(tǒng)要想能夠?qū)崿F(xiàn)所要求的控制功能就必須是穩(wěn)定的。在實(shí)際的應(yīng)用系統(tǒng)中，由于系統(tǒng)中存在儲(chǔ)能元件，并且每個(gè)元件都存在慣性。這樣當(dāng)給定系統(tǒng)的輸入時(shí)，輸出量一般會(huì)在期望的輸出量之間擺動(dòng)。此時(shí)系統(tǒng)會(huì)從外界吸收能量。對(duì)于穩(wěn)定的系統(tǒng)振蕩是減幅的，而對(duì)于不穩(wěn)定的系統(tǒng)，振蕩是增幅的振蕩。前者會(huì)平衡于一個(gè)狀態(tài)，后者卻會(huì)不斷增大直到系統(tǒng)被損壞。

　　既然穩(wěn)定性很重要，那么怎么才能知道系統(tǒng)是否穩(wěn)定呢？控制學(xué)家們給我們提出了很多系統(tǒng)穩(wěn)定與否的判定定理。這些定理都是基于系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型，根據(jù)數(shù)學(xué)模型的形式，經(jīng)過一定的計(jì)算就能夠得出穩(wěn)定與否的結(jié)論，這些定理中比較有名的有：勞斯判據(jù)、赫爾維茨判據(jù)、李亞譜若夫三個(gè)定理。這些穩(wěn)定性的判別方法分別適合于不同的數(shù)學(xué)模型，前兩者主要是通過判斷系統(tǒng)的特征值是否小于零來判定系統(tǒng)是否穩(wěn)定，后者主要是通過考察系統(tǒng)能量是否衰減來判定穩(wěn)定性。

　　當(dāng)然系統(tǒng)的穩(wěn)定性只是對(duì)系統(tǒng)的一個(gè)基本要求，一個(gè)另人滿意的控制系統(tǒng)必須還要滿足許多別的指標(biāo)，例如過渡時(shí)間、超調(diào)量、穩(wěn)態(tài)誤差、調(diào)節(jié)時(shí)間等。一個(gè)好的系統(tǒng)往往是這些方面的綜合考慮的結(jié)果。

　　魯棒性——健康的系統(tǒng)

　　控制系統(tǒng)的魯棒性研究是現(xiàn)代控制理論研究中一個(gè)非?；钴S的領(lǐng)域,魯棒控制問題最早出現(xiàn)在上個(gè)世紀(jì)人們對(duì)于微分方程的研究中。Black首先在他的1927年的一項(xiàng)專利上應(yīng)用了魯棒控制。但是什么叫做魯棒性呢？其實(shí)這個(gè)名字是一個(gè)音譯，其英文拼寫為Robust。也就是健壯和強(qiáng)壯的意思?？刂茖＜矣眠@個(gè)名字來表示當(dāng)一個(gè)控制系統(tǒng)中的參數(shù)發(fā)生攝動(dòng)時(shí)系統(tǒng)能否保持正常工作的一種特性或?qū)傩浴＞拖笕嗽谑艿酵饨绮【母腥竞?，是否能夠通過自身的免疫系統(tǒng)恢復(fù)健康一樣。

　　20世紀(jì)六七十年代，狀態(tài)空間的結(jié)構(gòu)理論的形成是現(xiàn)代控制理論的一個(gè)重要突破。狀態(tài)空間的結(jié)構(gòu)理論包括能控性、能觀性、反饋鎮(zhèn)定和輸入輸出模型的狀態(tài)空間實(shí)現(xiàn)理論，它連同最優(yōu)控制理論和卡爾曼濾波理論一起，使現(xiàn)代控制理論形成了嚴(yán)謹(jǐn)完整的理論體系，并且在宇航和機(jī)器人控制等應(yīng)用領(lǐng)域取得了驚人的成就。但是這些理論要求系統(tǒng)的模型必須是已知的，而大多實(shí)際的工程系統(tǒng)都運(yùn)行在變化的環(huán)境中，要獲得精確的數(shù)學(xué)模型是不可能的。因此很多理論在實(shí)際的應(yīng)用中并沒有得到很好的效果。到了1972年，魯棒控制這個(gè)術(shù)語在文獻(xiàn)中首先被提出，但是對(duì)于它的精確定義至今還沒有一致的說法。其主要分歧就在于對(duì)于攝動(dòng)的定義上面，攝動(dòng)分很多種，是否每種攝動(dòng)都要包括在魯棒性研究中呢？盡管存在分歧，但是魯棒性的研究沒有受到阻礙，其發(fā)展的勢(shì)頭有增無減。

　　魯棒控制理論發(fā)展到今天，已經(jīng)形成了很多引人注目的理論。其中 控制理論是目前解決魯棒性問題最為成功且較完善的理論體系。Zames在1981年首次提出了這一著名理論，他考慮了對(duì)于一個(gè)單輸入單輸出系統(tǒng)的控制系統(tǒng)，設(shè)計(jì)一個(gè)控制器，使系統(tǒng)對(duì)于擾動(dòng)的反映最小。在他提出這一理論之后的20年里，許多學(xué)者發(fā)展了這一理論，使其有了更加廣泛的應(yīng)用。當(dāng)前這一理論的研究熱點(diǎn)是在非線形系統(tǒng)中 控制問題。另外還有一些關(guān)于魯棒控制的理論如結(jié)構(gòu)異值理論和區(qū)間理論等。

　　魯棒控制理論的應(yīng)用不僅僅用在工業(yè)控制中，它被廣泛運(yùn)用在經(jīng)濟(jì)控制、社會(huì)管理等很多領(lǐng)域。隨著人們對(duì)于控制效果要求的不斷提高，系統(tǒng)的魯棒性會(huì)越來越多地被人們所重視，從而使這一理論得到更快的發(fā)展。

　　極點(diǎn)——控制系統(tǒng)的精靈

　　在實(shí)際的應(yīng)用中，雖然各種控制系統(tǒng)所完成的功能不同，被控制的物理量也未必相同。系統(tǒng)的輸出會(huì)有許多的變化形式。有的逐漸逼近期望的輸出值，有的會(huì)在期望值的附近震蕩，有的會(huì)離期望值越來越遠(yuǎn)，達(dá)不到控制的目的。為什么會(huì)有這種不同呢?是什么決定了系統(tǒng)的特性呢？是否有一只神秘的上帝之手在操縱控制系統(tǒng)呢?

電容放電

　　要回答這個(gè)問題，首先得清楚什么叫做微分方程。其實(shí)在自然界中，各個(gè)物理量之間的變化關(guān)系都可以用函數(shù)的形式表示，而這些函數(shù)同時(shí)滿足微分方程。讓我們看一個(gè)簡(jiǎn)單的例子，圖是一個(gè)電容C通過電阻R放電的物理過程。根據(jù)物理學(xué)的知識(shí)，電容電壓U滿足下面的微分方程： ，我們用數(shù)學(xué)方法將上面的微分方程解出，就可以求出U按時(shí)間變化的過程。微分方程的解的形式是由微分方程的特征方程的解決定的，而特征方程的解就叫做系統(tǒng)的極點(diǎn)?？梢园凑障旅娴囊?guī)則求出一個(gè)微分方程的特征方程，把微分符號(hào)換成X，幾次微分就是X的幾次方，保留微分方程的其他部分，就可以得到一個(gè)微分方程的特征方程。根據(jù)上面的原則，上面例子的特征方程就是：RCX+1=0。解出X的值就是系統(tǒng)的極點(diǎn)。

　　系統(tǒng)的極點(diǎn)的形式有實(shí)數(shù)和復(fù)數(shù)兩種。對(duì)于實(shí)數(shù)的極點(diǎn)，在微分方程的解中就會(huì)有一個(gè)指數(shù)項(xiàng)與它相對(duì)應(yīng)。這個(gè)指數(shù)是以e為底的，它可以是不斷減少的，也可以是不斷增大的。對(duì)于復(fù)數(shù)形式的極點(diǎn)，微分方程的解就會(huì)有一個(gè)振蕩的項(xiàng)同它對(duì)應(yīng)，并且振幅會(huì)根據(jù)復(fù)數(shù)極點(diǎn)的實(shí)部的大小不停的變化。正是由于每個(gè)控制系統(tǒng)都有不同的微分方程，從而有不同的極點(diǎn)。這樣不同極點(diǎn)對(duì)應(yīng)解的不同部分，這些不同變化特點(diǎn)的部分最終形成了我們能夠看到的宏觀結(jié)果即控制系統(tǒng)的輸出。這樣使各個(gè)控制系統(tǒng)有了千差萬別的性能特點(diǎn)。

　　人們?yōu)榱耸箍刂葡到y(tǒng)的性能滿足一定的要求，研究了很多控制方法。這些方法雖然采用不同的控制原理，不同的數(shù)學(xué)方法。但是所有這些方法的最終目的是使系統(tǒng)的極點(diǎn)合理分配，從而得到好的控制效果。所以說極點(diǎn)是決定控制系統(tǒng)性能特點(diǎn)的上帝之手。