宋极群:自动控制让未来世界充满智慧

2016/10/17 15:18:59 人评论 次浏览 分类:过程控制  文章地址:http://yunrun.com.cn/tech/1092.html

本文节选自宋极群《过程控制系统基础与实践》一书,通过回顾自动控制的发展历程和展望自动控制的未来,让大家真切的感受到存在于我们身边的自动控制,悄悄融入我们生产的自动控制让未来世界充满智慧。

自动控制的发展历程
再让我们回顾一下自动控制的发展历程。有人说懒人促进了社会的进步,这话虽然有些片面,但是还是有一定道理的,从刀耕火种的年代起,人们就梦想着省时省力地生产出更多的东西,来满足生活的需要,工具的发明使人类摆脱了大自然的束缚,与其他低等动物产生巨大差别,进人到更高的生物体系。

自动控制的发展经历了四个主要阶段:原始萌芽阶段,经典控制理论阶段,现代控制理论阶段以及智能控制理论阶段。
1、原始萌芽阶段
中国古代能工巧匠发明许多原始自动装置,以满足生产、生活和作战的需要。指南车、铜壶滴漏、记里鼓车、漏水转浑天仪、候风地动仪、水运仪象台等就是其中比较著名的发明。

①指南车
指南车(见图1-4) 远在公元前26世纪的中国黄帝时代就发明了指南车,指南车是一种马拉的双轮独校车,车箱上立一伸臂的木人。车箱内装有能自动离合的齿轮系。当车子转弯偏离正南方向时,车辙前端就顺此方向移动,而后端则向相反方向移动,并将传动齿轮放落,使车轮的转动带动木人下的大齿轮向相反方向转动,恰好抵消车子转弯产生的影响。车向正南方向行驶时,车轮和木人下的大齿轮是分离的,木人指向不变。因此,无论车转向何方,都能使木人的手臂始终指向南方。车的齿轮系虽然非常简单,但它能够自动离合,在技巧上优于记里鼓车的齿轮系。从自动控制原理来看,指南车是利用扰动补偿原理的开环定向自动调节系统。被控制量是木人的指向。车子转弯时,车轮带动齿轮系使木人沿着与车子转动方向相反的方向转动,恰好补偿了车的转角。
指南车

②铜壶滴漏
自动计时漏壶是中国古代的自动计时装置,又称刻漏或漏刻。漏壶的最早记载见于《周礼》。这种计时装置最初只有两个壶,由上壶滴水到下面的受水壶,液面使浮箭升起以示刻度(即时间),这里的浮箭可看作是一种自动检测装置。保持上壶的水位恒定,则是自动调节的问题,这种计时装置是一种开环自动调节系统。

③记里鼓车
记里鼓车(见图1-5)是中国古代能自报行车里程的装置。据王振铎考证,记里鼓车是东汉以后出现的,由汉代鼓车改装而成,车中装设具有减速作用的传动齿轮和凸轮杠杆等机构。车行一里,车上木人受凸轮牵动,由绳索拉起木人右臂击鼓一次,以表示行车的里程。

记李鼓车

④漏水转浑天仪

公元二世纪、东汉的天文学家张衡创制了一种天文表演仪器。它是一种水运浑象,和现代的天球仪相似,可以用来实现天体运行的自动仿真。浑象是在一个直径4尺多(约1.5m)的铜球上刻有二十八宿、中外星官、黄赤道、南北极、二十四节气、恒显圈、恒隐圈等。漏水转浑天仪就是把浑象与漏壶结合起来,以漏壶滴水控制浑象,使它与天球同步转动,用来表演星空的运动,如恒星的出没和中天等。

⑤候风地动仪
这是公元132年,东汉的张衡发明的一种观察地震的自动检测仪器。它的工作原理不仅涉及反映信号的方向问题,而且还包含着“小偏差内稳定,大偏差内不稳定”等自动控制原理。

⑥水运仪象台
水运仪象台高约12m,宽约7m,它既能演示或观测天象,又能计时或报时。水运仪象台利用铜壶滴漏的恒定水流作动力来推动枢轮,使它每天转400周,枢轮又带动浑象和浑仪两个齿轮系,由顶部的杠杆装置(即天衡)控制框轮作恒速转动,天衡使受水壶达到恒定水位后,便自动脱离受水位置而下降,起自动调节器的作用。框轮转动时,受水壶中的水陆续泄入退水壶,使合成的驱动转矩减小(相当于一个负反馈作用),枢轮被天关挡住,下一个空受水壶就接受水流。因此,天衡还起着类似钟表中擒纵器的作用。而整个框轮转速恒定系统则是一个采用内部负反馈并进行自振荡的系统。水运仪象台装有自动机构,在每个时辰初、正和每刻相应地有木人摇铃、打钟和击鼓。

中国古代对自动控制技术的研究还是很深入的。

2、经典控制理论阶段

公元18世纪,詹姆斯.瓦特(James Watt)为控制蒸汽机速度而设计了离心调节器(见图1-6),这是自动控制领域的第一项重大成果。在控制理论发展初期,在众多学者中做出过重大贡献的有迈纳斯基(Minorsky)、黑曾(Hezen)和奈奎斯特(Nyquist)。1922年迈纳斯基研制出船舶操纵自动控制器,并且证明了如何从描述系统的微分方程中确定系统的稳定性。1932年奈奎斯特提出了一种相当简便的方法,根据对稳态正弦输入的开环响应,确定闭环系统的稳定性。1934年,黑曾提出了用于位置控制系统的伺服机构的概念,讨论了可以精确跟踪变化的输入信号的继电式伺服机构。
瓦特离心式调速器对蒸汽机转速的控制
20世纪40年代,频率响应法为工程技术人员设计满足性能要求的线性闭环控制系统提供了一种可行的方法。20世纪40年代末到50年代初,伊凡恩(Evans)提出并完善了根轨迹法。频率响应法和根轨迹法是经典控制理论的核心。由这两种方法设计出来的系统是稳定的,并且或多或少地满足一组独立的性能要求。一般来说,这些系统是令人满意的,但它不是某种意义上的最佳系统。从50年代末期开始,控制系统设计问题的重点从设计许多可行系统中的一种系统,转变到设计在某种意义上的一种最佳系统。

3、现代控制理论阶段
大约从1960年开始,由于数字计算机的出现以及工业、军事特别是空间技术的需求,以时域方法为主的诸多分析设计方法得以迅猛发展,在原有“经典控制理论”的基础上,又形成了所谓的“现代控制理论”,这是人类在自动控制技术认识上的一次飞跃。为现代控制理论的状态空间法的建立做出开拓性贡献的有:1954年,贝尔曼(P.Bellman)的动态规划理论;1956年,庞特里雅金(L.S.Pontryagin)的极大值原理;1960年,卡尔曼(R.E.Kalman)的多变量最优控制和最优滤波理论。

在20世纪50年代,控制理论的发展主要集中在复平面上及根轨迹的发展。同时,在这一时期,控制的对象从单输入-单输出发展到多输入-多输出,从确定性系统发展到随机系统,由于数字计算机在控制系统中的普遍应用,以及一些新的控制部件的使用,把控制变得更加精确、快速。

状态空间法属于时域方法,其核心是最优化技术。它以状态空间描述(实质上是一阶微分或差分方程组)作为数学模型,利用计算机作为系统建模分析、设计乃至控制的手段,适应于多变量、非线性、时变系统。它不仅在航天、航空、制导与军事武器控制中有成功的应用,在工业生产过程控制中也得到逐步应用。

1954年,我国学者钱学森出版了专著《工程控制论》,系统地揭示了控制论对自动化、航空、航天、电子通信等工程技术领域的意义和深远影响。这标志着控制论学科分化而产生的第一个分支学科“工程控制论”的诞生。

1960年到1980年这段时间内,不论是确定性系统和随机性系统的最优控制,还是复杂系统的自适应和学习控制,都得到了充分研究。

4、智能控制理论阶段
近年来,把传统控制理论与模糊逻辑、神经网络、遗传算法等人工智能技术相结合,充分利用人类的控制知识对复杂系统进行控制,逐渐形成了智能控制理论的雏形。智能控制是一种能更好地模仿人类智能的、非传统的控制方法。内容包括最优控制、自适应控制、鲁棒控制、神经网络控制、模糊控制、仿人控制等。
智能控制的概念和原理主要是针对被控对象、环境、控制目标或任务的复杂性提出来的,它的指导思想是,依据人的思维方式和处理问题的技巧,解决目前那些需要人的智能才能解决的控制问题。被控对象的复杂性体现为模型的不确定性、高度非线性、分布式传感器和执行器、动态突变、多时间标度、复杂的信息模式、庞大的数据量以及严格的特性指标等。而环境的复杂性则表现为变化的不确定性和难以辨识。虽然智能控制体系形成的历史不长,理论还未完全成熟,但其已有的应用成果和理论发展说明了一点,智能控制正成为自动控制的前沿学科之一。

自动控制的未来

自动控制技术已经从简单的设备控制发展成为复杂的系统控制。在使用单一自动控制设备时,我们完成的是简单的劳动,仅仅是由设备替代人的工作而已,比如汽车从整体来看也算是一种自动控制设备,它需要人的驾驶才能行动,但是,随着汽车的增多,以及应用的推广,交通事故、交通拥堵、环境污染、能源的大量消耗等开始逐步困扰着人类的进步。未来汽车技术的发展,使得自动驾驶成为可能,自动避险功能可以实现,自动导航技术也会快速发展,假如再把自动驾驶纳入整体管理,形成一套可控的、优化的方案,那么,是不是就会形成智慧交通呢?到那个时候,我们只需要按下某个按钮,在高速公路上行驶的时候就可以安心睡大觉了。自动控制技术的未来会向两个方向发展,一个方向是控制理论的深入研究,融合管理技术的智能控制理论的深入进步;另一个方向是应用范围的扩展,导致人类生活的极大改变,比如现在的物联网发展,如果没有自动控制的基础研究和应用发展,就不会有它的出现。

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