自动控制系统:机器是如何进化成机器人的?

自动控制系统是一个应用极其广泛工程分支,不论是民用还是军用,一般科技还是尖端科技都可以见到。比如无人驾驶,机器人,客机自动飞行,精确制导导弹等等。由于本文主要以介绍控制系统的基本概念为主,而关于上述黑科技的讲解我们会在后期的文章中陆续推出,感兴趣的请不要错过。

控制系统在人类世界的完美诠释

在造物主神奇的创造杰作之下,人类,当然也包括自然界一切生物,他们的行为活动都可以完美地诠释控制系统的本质。即便我不告诉你什么是控制系统,你天生早就掌握了它的精髓,只不过后人系统地用数学模型把他们拼凑并总结,从而形成了一套完整的体系。

介绍控制系统之前,首先要介绍控制理论,也就是control theory。

好,请你现在站起来,然后抬起一条腿,接下来闭上眼。如果你能坚持五秒钟以上,我就可以说你已经掌握了控制理论的精髓!

~~~Wft,就这玩意?

实际上没那么简单。我们不妨来拆解一下这个过程。首先,这个系统当然是你,而你的目标是站住不倒。但是由于重心的不平衡会使你有摔倒的趋势,于是你的脚掌和胳膊就在全力配合去克服这个摔倒的趋势:当你向左倾的时候,你的胳膊和身躯自然而然地向另一端倾斜,脚掌也开始向左用力支撑。而克服了向左倾的趋势后,很快你又开始向右倾斜,于是你又手舞足蹈地重复着和之前相反的动作。

在这个过程中,你的大脑还有小脑就在不断地诠释着控制理论。因此,控制理论的实质就是如何使一个系统产生的结果尽可能地达到设定的预期,而这个预期通常是一个稳定的状态,比如平稳地站立,匀速地运动,恒定的功率等等。

控制系统的基本构成

明白了控制理论以后,控制系统就很容易理解了。控制系统分为开环(open loop system)和闭环(closed loop system),后者要比前者稍微复杂一些,但却更加实用。

先说closed loop。一套完整的闭环控制系统包括以下几个部分:输入,输出,控制单元,处理单元和反馈,他们之间的关系如下图:

如何理解这张图呢?举个例子。虽然来到北美之后已经用惯了洗衣机和烘干机,但是作为勤劳的中国人,我们每一个曾经都过洗衣服的经验,所以我们就把手洗衣服这个过程看作是一个控制系统。那么每一个部分就很容易理解了。

输入:你的双手搓洗衣服的力度

输出:衣服最终的干净程度,比如白净的衬衣领

反馈:你的眼睛

控制单元:根据你眼睛反馈回来的信息,来取决于你应该增加输出还是减小输出

处理单元:接收控制单元得出的结论后,继续执行搓洗步骤

用文字叙述的话,整个控制系统就是这样工作的:你打算把你的衬衫衣领洗干净【目标】,于是倒了水和洗衣液之后你就开始清洗【输入】。由于看到衣领很脏【反馈】,你决定加大力度【控制单元决定】,接下来开始使劲地搓【处理单元执行】。整个环节是不断重复的,也就是说,你要一边洗一边看,等你觉得已经洗干净的之后就可以停止了。

再说open loop。同样是洗衣服,如果是人洗,就是闭环系统。而如果换成了洗衣机洗,就是开环系统,这也就是为什么本文一开始就提到了,人类本身就是一个绝佳的控制系统。

为什么洗衣机是开环系统呢?很简单,因为缺少反馈,也就是说,你只能设定洗衣机是洗一个小时还是两个小时,是用冷水还是热水等等。之后,洗衣机就会按照你的输入执行命令,然而到底有没有洗干净洗衣机并不知道。

综上所述,开环系统就是在上图中把反馈的部分去掉。相比于闭环系统来说,操作和结构更加简单,然而由于缺少了反馈,最终的结果很有可能与预期相距甚远。

所以这就是为什么现在很多大型产品或服务类的公司都在大量收集客户反馈的原因,因为这是确保公司朝着既定目标发展的一个重要环节。

问题1:“打个巴掌给个枣”是开环系统还是闭环系统?

自动化控制:将机器进化成机器人

如果控制系统只是靠人脑或一些简单的机械结构得以实现,那么面对精密,复杂,繁重且重复化的系统时就爱莫能助了。举一个很典型的例子。某学校施工近一年耗资数百万打造出来的环保洗手间里,洗手池的水龙头都是红外线感应自动出水,这样的好处是可以防止拧水龙头开关时引起的交叉感染。

在这个系统里,红外线传感器取代了人眼作为反馈系统,电子控制器替代了人脑作为判断是否应该出水的控制单元,而生成的指令由电动出水阀门完成,因此整个系统无需人为操作,全部依靠电子系统就可以完成一整套流程。

提问2:根据之前讲过的开环和闭环原理,这种红外线感应水龙头是开环控制还是闭环控制呢?

复杂的系统往往需要非常精准且不间歇地进行控制,而且经常需要同时处理多项命令。所以这些任务都必须依靠强大的电子系统来完成,而当以电子系统为大脑的控制系统被应用在机器上时,这个机器就不简简单单是一个四肢发达的铁疙瘩了,而是一个集判断能力,计算能力,记忆能力,执行能力等等于一身的有机系统,而具备这样能力的机器也就是我们所说的机器人。

写到这里,控制系统的基本介绍也就告一段落。尽管作者尝试用通俗易懂的语言介绍这门学科,然而由于文字功底非常有限,所以只能写到这个程度,而读了几遍之后作者都觉得略显枯燥。。。感谢能一直读到这一段的朋友们~~~以后我们会陆续介绍更高阶的控制系统的应用,比如无人驾驶,机器人,客机自动飞行,精确制导导弹等等,相信这些内容会更有意思。

作者:扑天雕

编辑:小李广

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  • 原文链接http://kuaibao.qq.com/s/20180128G0A25T00?refer=cp_1026
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