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。
其实上面所说的例子不能算是一个连续的自动调节系统。骑自行车可以说是一个高级复杂的自动调节。什么?你也会骑?恭喜你,你连模糊控制都会了!
书归正传。
很久以前,我觉得自动控制很难。老师给我找到了整定口诀,我还是迷迷瞪瞪的,不知道怎么应用。
不久后来,我觉得自动控制很简单。说白了也就那么回事,夸张点说,中学生都可以掌握。
相信你们都见过那个PID整定口诀。不嫌麻烦,兹抄录如下:
参数整定找最佳, 从小到大顺序查。 先是比例后积分, 最后再把微分加。 曲线振荡很频繁, 比例度盘要放大。 曲线漂浮绕大弯, 比例毒盘往小扳。 曲线偏离回复慢, 积分时间往下降。 曲线波动周期长, 积分时间再加长。 曲线振荡频率快, 先把微分降下来。 动差大来波动慢, 微分时间应加长。 理想曲线两个波, 前高后低四比一。 一看二调多分析, 调节质量不会低。
这个口诀对不对?我可以负责任的告诉你:对,现在审视一下,没有一点错误。可是,对于当初一个初学者的我,还是不能判断怎么算绕大弯,怎么叫做快怎么叫做慢。也许是那
时候我很傻?可能。不过我估计对于诸位读者,到底怎么算快怎么算慢,也不见得几个人能说彻底。
好了,这个帖子里,最终我将要给你们个彻底的解答。
解答之前,都先别急,我一点点给你们把事情的经过说出来。
遵循讲故事的一般规律,话说历史....... 第一章 自动调节系统的发展历程
自文艺复兴以来,科学家们被无数的科学成就鼓舞着,突破一个又一个难题,最终,充分揭示了能量、质量、效率、运动之间的关系,并把们准确概括为一个个美妙的公式。宇宙的神秘面纱通过这些公式,被慢慢的揭开了。
有一门学科很神奇。
“他完全不去考虑能量,质量和效率等因素”(钱学森《工程控制论》),在别的学科中,这些因素是必须被研究的。并且,虽然他不用考虑这些因素,却完成了对这些因素的控制调节功能。如果说这个世界是艘船,那这门学科就是船舵,如果说这个世界是一辆车,那么这门学科就是车把。目前所有在从事这项工作和研究的人,却不都知道自己有这么大的权力和力量。本文的前一部分,就是要告诉你:你所从事的行业是多美伟大神奇。自豪吧,自动调节的工程师们。
是的,这门学科就是自动调节,更多的人说是自动控制。为什么咱们说“调节”而不说“控制”,咱们慢慢感悟。
自动调节,又称自动控制,如今已经涵盖了社会生活的方方面面。在工程控制领域,理所应当的属于应用最普遍的范畴,但是在生物、电子、机械、军事等各个领域。甚至连政治经济领域,似乎也隐隐存在着自动控制的原理。可是考察自动控制的发展历程,从公认的有着明确的控制系统产生的十九世纪以来,其历史也就短短的一百多年。而自动控制理论诞生的明确的成熟的标志——《控制论》,其产生时间在1948年,至今也不过60余年的历史。60年来,尤其在工程控制领域,自动控制得到了极其普遍的应用,取得了辉煌的效果。毫不夸张地说:如果没有自动控制,我们的社会就不可能发展到现在这个地步。
1-1 中国古代的自动调节系统
学术界曾经对中国古代的自动调节机构进行了发掘,认为中国古代也存在着一些符合自动调节规律的机构。因而我们可以自豪的宣称:中国古代有“自动装置”(自动控制专家万百五《我国古代自动装置的原理分析及其成就的探讨》,1965年自动化学报)。
1991年他又补充新材料为《中国大百科全书:自动控制与系统工程卷》写成新条目“我国古代自动装置”。文中例举:指南车是采用扰动补偿原理的方向开环自动调整系统;铜壶滴
漏计时装置是采用非线性限制器的多级阻容滤波;浮子式阀门是用于铜壶滴漏计时装置中保持水位恒定的闭环自动调节系统,又用于饮酒速度自动调节器;记里鼓车是备有路程自动测量装置的车;漏水转浑天仪是天文表现仪器,采用仿真原理的水运浑象;候风地动仪是观测地震用的自动检测仪器;水运仪象台采用仿真原理演示或观测天象的水力天文装置,内有枢轮转速恒定系统采用内部负反馈并进行自振荡的系统。
首先说,我们承认中国古代存在着自动调节系统的应用现象。并对万百五老师致以敬意。
可是如果按照这样朝自动理论上靠的话,那么我们甚至可以说张衡的地动仪也应用到了自动调节——小球的力学传动有比例作用的影子;弩发射机构也是比例作用中比例带很小的机构;中医的望闻问切是对反馈的重视等等。所有这些都只是对于自动调节原理的某一个侧重点的应用,它是不完整的,不能算的上是自动调节机构的。
我们公认的自动调节机构的诞生,应该是瓦特的蒸汽机转速调节机构(见下图)。其中包含了自动调节的几个必要条件:
1、 输出执行机构有效控制被调量
2、 被调量参与调节
3、 调节参数可以修改(修改小球的重量或者摆干的长度)
而我们目前所看到的中国古代自动调节例子都不能全部符合上述特征。有的情况只是跟自动调节系统中某一个特点有些类似。严格的说,他们不能算得上自动调节机构
同样的道理,我们考察欧洲的自动发展历程,也不能把水钟等物品纳入严格的自动调节系统的范畴。
1-2 指南车的可行性分析
指南车据说皇帝时候就有了。崔豹《古今注》卷上:“作司南车以示四方??”后来,有历史记载的张衡、马均、祖冲之等人都造出了指南车。黄帝时期的指南车是什么样子的,没有留下记载。后来所造的指南车都声称“追修古法”(《南齐书·祖沖之传》),可是是否跟黄帝时候的司南车原理一致,没有详细的记载不好下结论。历代所造的指南车也都没有留下图纸。我们现在所说的指南车原理,都是自己想当然的设计。万百五老师说指南车是采用扰动补偿原理的方向开环自动调整系统,网络上不知名作者说“指南车使用了差动齿轮装置”都是根据记载想象出来的。没有切实的依据的。
虽然如此,现代人不管根据什么原理,所复原的指南车,都有以下特征:
1、 蓄力拖动
2、 车轮转动,车轮将转动的角度传给指南机构
3、 齿轮传动
4、 机械制造
那么,所有这种原理的指南车存在如下问题:
1、 指南车在行进过程中,不可避免的存在地面摩擦与轮轴传动摩擦的矛盾。如果轮轴等一系列传动摩擦大于车轮与地面摩擦的时候,就可能发生车轮停止转动的情况。如果某一段地面较为光滑,就会发生指南车方向错误。
黄帝时期,即使算是青铜时代,克服传动摩擦的水平也不会很高,所以在黄帝时期,这种原理的指南车不会太可靠。何况中国传统上讲,轮毂轴承一般都采用木制,摩擦力很大。方向误差会更大。
而汉朝张衡以后,金属制造工艺发展,这种原理的指南车会较为可靠。
2、 马车带动指南车在野外快速行走的时候,会产生较大颠簸,一旦车轮一侧腾空,车轮旋转虽有惯性,但是还会使得该侧车轮变慢甚至停转。不管变慢还是停转,都会使得指向误差产生。
3、 当时行军打仗,人力已经无法辨别方向,即使有大雾产生也说明行军线路况较为复杂。而上述两个问题的发生几率不可忽视,而且会产生累加。作为行军的指向工具,行驶了数百公里后,最终指南车将变得不可靠,不能作为指向工具。千军万马的生命,甚至国家的命运,都寄托在这样一个不可靠的指向工具上面,有点近于儿戏的感觉。
综上所述,除非我们更换更可靠的思路,否则这种靠车轮带动、机械传动的指向工具在行军打仗中,基本不可信。
所以,我更倾向于至少黄帝时期的指南车不靠机械传动的思路。根据当时发展状况,有可能是车上装载磁铁指向。虽然说黄帝时期还没有被明确认为发明了指南针,但是偶然的发现被应用于实践的可能性是存在的。
而汉朝以后有了金属零件的的指南车,只是作为新奇的构想,或者皇帝仪仗的显摆工具,采用机械传动倒较为可信。 1-3 没有控制理论的世界
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。这个问题在本章的附文中,咱们会专门探讨。
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,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1538—1615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。1712年英国人托玛斯·纽考门(公元1663~1729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。