自动控制 (一)

从今天开始到十月八日，我准备写一系列的文章总结这六年来自己的专业学习。内容包括自动控制、虚拟现实、导航制导、六自由度运动平台、机器人等等。我是一个喜欢百科全书的人，但百科的缺点是不深入。所以讨论的内容只是入门级的，都是就自己的理解作些归纳，中间夹杂着一些感想。同时回答一下经常被问到的到底在学什么的问题。如果您看到有不清楚或错误的地方，请告诉我，留言或者发邮件都行。libtyger@gmail.com。 

 

自动控制

        机器人

        我想先从机器人说起。小学时看变形金刚，看完大家就一起喊“汽车人，变形”，然后嘴里“突突突突”模仿擎天柱变形时引擎驱动、机械的撞击声。初中时看到了阿西莫夫的机器人三定律，在尝试着理解其意图之后，觉得这个规则挺NB的——这样机器人就伤害不到自然人了。高中时模仿卫斯理的风格写了一篇三万字的小说，讲了一个巨扯无比外表与自然人相比没有任何差别的机器人和两个少年共同挫败一起恐怖事件的故事。读本科离开家时我跟母亲说，我以后帮你做一个可以自动完成家务的机器人——当然，到现在她老人家每天还是要柴米油盐酱醋茶的里外琐事忙个没完。

         接下来介绍四部电影，《人工智能》、《我，机器人》、《变形金刚》、《终结者》。你不必对这四部电影的情节了如指掌，你只要知道这里面的机器人会做什么就可以继续往下看了。对，这些机器人都具有自然人的外形，有的还有人类的外表，可以听、说、看、做出动作、进行思考并尝试具有感情（智能），某些方面的能力超过自然人类。下面一个简单的问题，如果你想判断你旁边的人是不是机器人的话，最简单应该怎么办？如果你觉得用刀子划开他的手臂看看会不会流血是个不错的方案的话，那我建议你划它的手指，理由很简单，耗费更小且效果一样。如果里面漏出了金属质地的材料的话，千万别慌张，你可以立即问他“你能告诉我一件你自己不知道的事情吗？”。

        话说六年前我和大部分填报高考志愿的童鞋们一样，处于从专业名称推断学习内容的初级阶段，而且相比较一些家长，父母也没有将他们的人生经验传授给我助我一臂之力。于是我作了两个独立的判断：自动化就是做机器人；还有电气自动化——我的第一和第二志愿。后来我知道第一个命题部分错了，第二个基本没对。虽然概率不大，但是这几年我终于了解了一些以前不知道的东西，下面我们就转向最基本的自动控制。

 

       什么是控制

        发明小王子爱迪生先生测试了N次后终于决定用钨丝作白炽灯的灯丝，那我们今天就来说一说日光灯。用开关操作普通日光灯亮灭就是最基本的控制。我们用1表示开关闭合，用0表示开关断开，输入为1时，灯亮，输入为零，灯灭。好了，我们输入，随即产生输出，还有控制对象——灯，这就是个控制系统了。图1就是最简单控制系统的示意图.

 

 

 

       不过这个控制系统比较笨拙，它无法决定什么时候灭，什么时候亮，我们来看楼道里声控照明灯：只要有人从走廊里走动发出声响，灯就会自动点亮，而不用我们自己去摁开关了。是不是开始感觉这个系统有一点点聪明了？什么原因呢？因为系统具有了感受器——声控开关。就像我们的耳朵一样，感受器赋予了系统感知周围环境的能力。同样的，我们可以给系统装上摄像头，让它能看；装上喇叭，让它能说；装上机械臂，让它能操作。在框图中我们可以看出区别。

　　　　　　　　　　　　　　　　　　

 

 

 

传说托马斯先生曾被打的单耳失聪，你不是说声控开关相当于耳朵吗？那我们给他装一个行不？我觉得你说的有道理，咱们先往下看吧。

       接下来是控制系统的一个重要概念——控制器，我准备用空调来描述。很热嘛？你居然把空调温度设定为8度。空调接收到输入命令之后，就开始工作了，它怎么知道自己是不是把屋里的温度调整到8度了呢？很简单，它有温度感受器——它可以感知当前温度是多高，然后自己决定是不是继续致冷，就是说系统会把感受到的当前温度作为下一步决策的依据。终于，我们的控制系统有了一个完善的结构。

 

 

 

 

       如果你基本能够理解上面几个框图的含义的话，那么恭喜你，这种框图的表示形式是整个经典控制理论的基础，你已经掌握了制造机器人的基本原理了。如果你在将框图和实际系统对应方面有一些困难，也不要紧，下面是空调调温过程和自动控制系统四大机构的对应关系，或者对你会有所帮助。（你可以看到系统的输入和输出，以及传感器感受的量都是一样的——这里是温度。是不是所有的控制系统都一样呢？）

空调	控制系统
温度设定	输入
空调中的判断装置	控制器
制冷装置	执行机构
房间温度	控制对象
温度传感器	感受器
房间温度	输出

  表1  空调和控制系统各部件对应图

 

       好吧，你终于开始抓狂了，这到底和你说的兴高采烈的机器人有什么关系？哈哈，稍安勿躁，你马上就会看到了。