自动调节原理的基本知识

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1、自动调节原理的基本知识（一）20090316 11:36:19自动调节原理的基本知识杨过出了一会神，再伸手去会第二柄剑，只提起数尺，呛一声，竟然脱手掉 下，在石上一碰，火花四溅，不禁吓了一跳。原来那剑黑黝黝的毫无异状，却是沉重之极，三尺多长的一把剑，重量竟自 不下七八十斤，比之战阵上最沉重的金刀大戟尤重数倍。杨过提起时如何想得到，出乎不意的 手上一沉，便拿捏不住。于是再俯身会起，这次有了防备，会起七八十斤的重物自是不当 一回事。看剑下的石刻时，见两行小字道：“重剑无锋，大巧不工。四十岁前恃之横行天下。”过了良久，才放下重剑，去取第三柄剑，这一次又上了个当。他只道这剑定 然犹重前剑，因此提剑时力

2、运左臂。那知拿在手却轻飘飘的浑似无物，凝神一看，原来是 柄木剑，年深日久，剑身剑柄均已腐朽，但见剑下的石刻道：“四十岁后，不滞于物，草木竹石均可为剑。自此精修，渐进于无剑胜有剑金庸笔下的一代大侠杨过，为什么会发生连续两次发生拿 剑失误呢？原因很简单，因为他没有学过自动调节系统啊！可 见自动调节系统存在于生活的方方面面，何其平常，又何其重 要！吹一下牛皮先。下面咱们就来说说自动调节系统，它到底是怎么回事，到 底是谁先发现的，到底该怎么应用。自动调节系统说复杂其实也很简单。其实每个人从生下来 以后，就逐渐地从感性上掌握了自动调节系统。比方说桌子上放个物体，样子像块金属，巴掌大小。你心 里会觉得这个

3、物体比较重，就用较大力量去拿，可是这个东西 其实是海绵做的，外观被加工成了金属的样子。手一下子“拿 空了”，打住了鼻子。这是怎么回事？比例作用太强了。导致 你的大脑发出指令，让你的手输出较大的力矩，导致“过调”还是那个桌子，还放着一块相同样子的东西，这一次你会 用较小的力量去拿。可是东西纹丝不动。怎么回事？原来这个 东西确确实实是钢铁做的。刚才你调整小了比例作用，导致比 例作用过弱。导致你的大脑发出指令，命令你的手输出较小的 力矩，导致“欠调”。还是那个桌子，第三块东西样子跟前两块相同，这一次你 一定会小心点了，开始力量比较小，感觉物体比较沉重了，再 逐渐增加力量，最终顺利拿起这个东西。为什么

4、顺利了呢？因 为这时候你不仅使用了比例作用，还使用了积分作用，根据你 使用的力量和物体重量之间的偏差，逐渐增加手的输出力量， 直到拿起物品以后，你增加力量的趋势才得以停止。这三个物品被拿起来的过程，就是一个很好的整定自动调 节系统参数的过程。前面咱们说的杨过拿剑也是一个道理。当他去拿第二柄剑 的时候，心里已经预设了比例带，可惜比例带有点大了，用的 力量不够，所以没有拿起来。他第二次拿重剑，增强了比例作 用，很容易就拿起来重剑。可是当他拿第三柄剑的时候，没有根据被调节对象的情况 进行修改，比例作用还是很大，可是被调量已经很轻了，所以 “力道”用过头了。1 自动调节系统的发展历程1-1 没有控制理

5、论的世界虽然说人甚至连动物都是从生下来就在掌握自动 调节系统，并且在儿童时期就是一个自动调节系统的高手，可 以应付很复杂的自动调节系统了，那么我们国家5000 年的文 明，就没有发展出一条自动调节理论么？很遗憾地告诉您，没有。自动调节系统的理论，是针对工业过程的控制理论。以前 我们国家没有一个完整的工业结构，所以几乎不可能发展出一 条自动调节理论的。即使是工业化很早了的欧美，真正完整的 自动控制理论的确立，也是很晚时期的事情了。咱先把理论的事情放到一边，先说说是谁先弄出一套真正 的自动调节系统产品的吧。咱大家都知道蒸汽机是瓦特发明的。可是实际上在此之前 还有人在钻研蒸汽推动技术。不嫌累赘的话，

6、咱罗列一下研究 蒸汽推动的历史。没有兴趣的可以隔过不看。1606 年，意大利 人波尔塔（公元15381615 年）在他撰写的灵学三问中， 论述了如何利用蒸汽产生压力，使水槽中的液位升高。还阐述 了如何利用水蒸汽的凝结产生吸力，使液位下降。在此之后， 1615 年，法国斯科，1629 年，意大利布兰卡，1654 年，德国 发明家盖里克，1680 年，荷兰物理学家惠更斯，法国物理学家 帕潘，随后的英国军事工程师托玛斯沙弗瑞都先后进行了研 究。这些研究仅仅是初步探索阶段，还用不到自动调节。17 12年英国人托玛斯纽考门（公元1 6631 729年）发 明了可以连续工作的实用蒸汽机。可是为什么我们都说

7、蒸汽机 是瓦特发明的，不说是纽考门发明的呢？因为他的蒸汽机没有 转速控制系统，转速不能控制的话，后果可想而知。纽考门的 蒸汽机因为无法控制，最终不能应用。瓦特因为有了转速控制系统，蒸汽机转速可以稳定安全的被控制在合理范围内，瓦特 的名字就被写到了教科书上。那么瓦特是怎么实现转速控制的 呢？上图就是瓦特的转速控制的模型。蒸汽机的输出轴通过几 个传动部分，最终连接着两个小球，连接小球的棍子的另一端 固定。蒸汽机转动的时候，传动部分带动两个小球旋转，小球 因为离心力的原因张开，小球连杆带动装置控制放汽阀。如果 转速过快，小球张开就大，放汽阀就开大，进汽减少，转速就 降低。可以看出，这是个正作用调节系

8、统。虽然没有任何电子元 器件，可是它确确实实就是一个自动调节系统。虽然咱没有资 料表明它如何调节参数，可是咱可以想象影响调节参数的因素 小球的位置。小球越靠近连杆根部，抑制离心力的力量就越小 比例作用越大。瓦特发明了蒸汽机，瓦特又发明了转速控制系统？我总是 怀疑，这不应该是一个人的功劳。一个人的能力再大，也不可 能搞了这个又搞那个。很可能是一批人共同的成果，或者说， 瓦特发明了主要的蒸汽机，其它的东西都寄到瓦特的名下了。 不过史书里没有说，咱就权且都当成瓦特一个人的发明吧。从瓦特之后，工业革命的大门就打开了。我们记住了瓦特 一部分原因就是：他有了可靠的自动调节系统。否则，他的蒸 汽机就没有办法

9、控制，要么转速过低，要么转所过高造成危险 事故。而瓦特之前的那些人的努力，一部分原因是因为他们没 有自动调节系统，我们要找到他们，大约要到大型图书馆某个 积满灰尘的角落里了。瓦特之后的一段时间内，工业革命虽然发展迅速，自动调 节系统也有了一个方法，可是他们没有一个清晰的理论作指导 自动控制始终不能上一个台阶。我们搞自动的都知道，工业控制的对象千差万别，我们不 能够都用瓦特的小球进行控制吧？这个理论指导直到二十世纪 四十年代才诞生科学的发展有时候也真够艰难的。1-2 控制论许多人都迷信英雄人物，总是相信某一个时代，有那么一 个人物横空出世，一下子就解决了一切问题，后人所做的只有 是崇拜和赞美了。

10、其实远不是那么一回事。一切事物的发展都有着清晰的脉 络的。即使是爱因斯坦，在他发现相对论之前，前人也为这个 伟大理论的诞生作了很多铺路的工作。20 世纪末，人们认为物 理学的发展似乎已经到了极致，后人似乎不可能在物理大厦上 再增加一层楼了，后人所能做的也不过是拧个螺丝，修补窗户 什么的工作。当时的科学家们确实发现了物理大厦上有几个螺 丝没有拧。他们把这几个螺丝叫做“物理学的天空飘着那么几 朵乌云”。科学家们对这几朵乌云深究细考费尽了脑筋，也诞 生了许多解释办法，但是解释得都不彻底。突然有那么个爱因 斯坦，提出物理大厦要拧紧这几个螺丝，就必须要再增加几层 楼相对论诞生了。有人说，是爱因斯坦一个人

11、凭空想象出 了相对论，这是不切合实际的。咱们的控制论也是这样的。20 世纪之前，人们在考虑怎么控制的时候，总是专注于对 被控对象和控制手段，控制水平始终上不了台阶，当然，也可 能跟当时对控制水平的要求不高有关。20 世纪3040年代，人们开始发现控制信息的重要。英美 一些数学家或者工程学家对信息在工程中的应用，提出了理论。 1932年美国通信工程师H.奈奎斯特发现电子电路中负反馈放 大器的稳定性条件，即著名的奈奎斯特稳定判据。至此，自动控制的准备工作已经做足，只等着一个英雄人 物横空出世了。1945 年，美国数学家维纳把乃奎斯特的反馈概念推广到一 切工程控制中，1948 年维纳发表奠基性著作控

12、制论。这本 书的副标题是“关于动物和机器中控制和通信的科学”。在此之前西方没有控制论这个词。维纳先生根据希腊词Kubernetes （舵手）创造了一个词：cybernetics。舵手是干什么的？ 控制船的方向的。“cyber” 一词在今天已经被重新定义为“对电 子、机械和生物系统的控制过程的理论性研究，特别是对这些 系统中的信息流动的研究。”由最初的“舵手”变成了后来的 “指导者”和“统治者”，由“驾驭航向”转变为“控制别人”。且慢，维纳说：控制论是“对电子、机械和生物系统的控制 过程的理论性研究”？电子需要控制论，机械需要控制论，生 物也需要？恩，咱开头就说了，人们生产活动都离不开的。虽 然

13、你在泡妞的时候，从没有想过那讨厌的比例积分微分什么的 概念，但是你实际上切切实实无意识地一直在运用控制论的方 法。维纳运用自己丰富的学识敏锐的观察深刻的分析，把这些 基本原理提炼出来，最终，创立了控制论。维纳少年时期就是天才，用咱们的话说是神童。咱不了解 美国 20 世纪初的教育制度，我很惊讶维纳 11 岁就上了大学， 学习数学（这个时候我还在上小学学习解应用题），是不是当 时美国的大学数学研究的项目是鸡兔同笼？否则一个 11 岁的 小孩子迷惑中。这个天才兴趣广泛，除了专业之外，还喜 欢物理、无线电、生物和哲学。这在当时可能都属于比较热门 的学科。 14 岁他又考入了哈佛大学研究生学院，学习生

14、物学和 哲学（这个时候我在上初中，背诵为什么社会主义取代资本主 义是历史的必然）。 18 岁获得了哈佛大学数理逻辑博士学位。 可能是他的成绩比较突出，后来又专门去欧洲向罗素和希尔伯 特学习数学。那么罗素和希尔伯特有什么了不起？这两个人无 论在当时还是在科学史上都是不可忽视的人物，都是世界级的 大腕啊！。前者写出好多论哲学之类的豆腐块文章，曾经 一度在国内很流行；后面那个希尔伯特曾提出了 20 世纪数学的 23 个问题，哄着数学家们都一古脑的研究那些问题。名师出高 徒，维纳越来越来牛了。好了，不罗列他上学的内容了。深厚而又广博的学识，为 维特将来的工作奠定了坚实的基础。同时，因为他对多种学科 都

15、有深入的研究，使得它能够触类旁通，并且能把相邻学科的 一些知识方法，应用到另外的学科当中。有些人可能对这一点 不太理解。80、90 年代，国内兴起一种理论，叫做方法论，它 就是专门研究不同学科之间的研究方法的应用的。下面咱们还 要说到维纳的广博知识对他的研究起到的作用。第二次世界大战期间，维纳参与研究美国军方的防空火力 自动控制系统的工作。咱们可以大致说一下这种系统的情况。假如前面来了一辆敌机，当时要打下来这辆敌机，需要知 道敌机的方位、高度、速度这些个量，然后根据这两个量算出 提前量。也就是说，防空炮要把目标指向飞机前面一段距离， 等到打出去的炮弹到达飞机的高度的时候，飞机正好飞到炮弹 周围

16、。注意，不是要炮弹贯穿飞机，那样概率太低，而是让炮 弹在这个时候正好爆炸，依靠爆炸的力量把飞机摧毁。这种情 况下，我们不仅仅需要敌机的方位、高度、速度，还要计算出 提前量和爆炸时间，并且有专门一个人管炸弹的引信，设定几 秒钟后爆炸。这样一个系统是比较复杂的，维纳在研究过程中，提出了 一个重要概念：负反馈。咱们搞自动控制的都知道，一个控制 系统中，负反馈回路可以使得系统稳定，正反馈使得系统发散。1-3 负反馈咱们前面说了，维纳在上学期间，精通数学、物理、无线 电、生物和哲学。而在电子领域，乃奎斯特已经提出了负反馈 回路可以使得系统稳定这个概念。维纳通过在电子学领域的知 识，在控制领域取得了重大突破。其实瓦特的蒸汽转速控制系统，本身也