自動控制系統：機器是如何進化成機器人的？

自動控制系統是一個應用極其廣泛工程分支，不論是民用還是軍用，一般科技還是尖端科技都可以見到。比如無人駕駛，機器人，客機自動飛行，精確制導導彈等等。由於本文主要以介紹控制系統的基本概念為主，而關於上述黑科技的講解我們會在後期的文章中陸續推出，感興趣的請不要錯過。

控制系統在人類世界的完美詮釋

在造物主神奇的創造傑作之下，人類，當然也包括自然界一切生物，他們的行為活動都可以完美地詮釋控制系統的本質。即便我不告訴你什麼是控制系統，你天生早就掌握了它的精髓，只不過後人系統地用數學模型把他們拼湊並總結，從而形成了一套完整的體系。

介紹控制系統之前，首先要介紹控制理論，也就是control theory。

好，請你現在站起來，然後抬起一條腿，接下來閉上眼。如果你能堅持五秒鐘以上，我就可以說你已經掌握了控制理論的精髓！

~~~Wft,就這玩意？

實際上沒那麼簡單。我們不妨來拆解一下這個過程。首先，這個系統當然是你，而你的目標是站住不倒。但是由於重心的不平衡會使你有摔倒的趨勢，於是你的腳掌和胳膊就在全力配合去克服這個摔倒的趨勢：當你向左傾的時候，你的胳膊和身軀自然而然地向另一端傾斜，腳掌也開始向左用力支撐。而克服了向左傾的趨勢後，很快你又開始向右傾斜，於是你又手舞足蹈地重複著和之前相反的動作。

在這個過程中，你的大腦還有小腦就在不斷地詮釋著控制理論。因此，控制理論的實質就是如何使一個系統產生的結果儘可能地達到設定的預期，而這個預期通常是一個穩定的狀態，比如平穩地站立，勻速地運動，恆定的功率等等。

控制系統的基本構成

明白了控制理論以後，控制系統就很容易理解了。控制系統分為開環（open loop system）和閉環（closed loop system），後者要比前者稍微複雜一些，但卻更加實用。

先說closed loop。一套完整的閉環控制系統包括以下幾個部分：輸入，輸出，控制單元，處理單元和反饋，他們之間的關係如下圖：

如何理解這張圖呢？舉個例子。雖然來到北美之後已經用慣了洗衣機和烘乾機，但是作為勤勞的中國人，我們每一個曾經都過洗衣服的經驗，所以我們就把手洗衣服這個過程看作是一個控制系統。那麼每一個部分就很容易理解了。

輸入：你的雙手搓洗衣服的力度

輸出：衣服最終的乾淨程度，比如白凈的襯衣領

反饋：你的眼睛

控制單元：根據你眼睛反饋回來的信息，來取決於你應該增加輸出還是減小輸出

處理單元：接收控制單元得出的結論後，繼續執行搓洗步驟

用文字敘述的話，整個控制系統就是這樣工作的：你打算把你的襯衫衣領洗乾淨【目標】，於是倒了水和洗衣液之後你就開始清洗【輸入】。由於看到衣領很臟【反饋】，你決定加大力度【控制單元決定】，接下來開始使勁地搓【處理單元執行】。整個環節是不斷重複的，也就是說，你要一邊洗一邊看，等你覺得已經洗乾淨的之後就可以停止了。

再說open loop。同樣是洗衣服，如果是人洗，就是閉環系統。而如果換成了洗衣機洗，就是開環系統，這也就是為什麼本文一開始就提到了，人類本身就是一個絕佳的控制系統。

為什麼洗衣機是開環系統呢？很簡單，因為缺少反饋，也就是說，你只能設定洗衣機是洗一個小時還是兩個小時，是用冷水還是熱水等等。之後，洗衣機就會按照你的輸入執行命令，然而到底有沒有洗乾淨洗衣機並不知道。

綜上所述，開環系統就是在上圖中把反饋的部分去掉。相比於閉環系統來說，操作和結構更加簡單，然而由於缺少了反饋，最終的結果很有可能與預期相距甚遠。

所以這就是為什麼現在很多大型產品或服務類的公司都在大量收集客戶反饋的原因，因為這是確保公司朝著既定目標發展的一個重要環節。

問題1：「打個巴掌給個棗」是開環系統還是閉環系統？

自動化控制：將機器進化成機器人

如果控制系統只是靠人腦或一些簡單的機械結構得以實現，那麼面對精密，複雜，繁重且重複化的系統時就愛莫能助了。舉一個很典型的例子。某學校施工近一年耗資數百萬打造出來的環保洗手間里，洗手池的水龍頭都是紅外線感應自動出水，這樣的好處是可以防止擰水龍頭開關時引起的交叉感染。

在這個系統里，紅外線感測器取代了人眼作為反饋系統，電子控制器替代了人腦作為判斷是否應該出水的控制單元，而生成的指令由電動出水閥門完成，因此整個系統無需人為操作，全部依靠電子系統就可以完成一整套流程。

提問2：根據之前講過的開環和閉環原理，這種紅外線感應水龍頭是開環控制還是閉環控制呢？

複雜的系統往往需要非常精準且不間歇地進行控制，而且經常需要同時處理多項命令。所以這些任務都必須依靠強大的電子系統來完成，而當以電子系統為大腦的控制系統被應用在機器上時，這個機器就不簡簡單單是一個四肢發達的鐵疙瘩了，而是一個集判斷能力，計算能力，記憶能力，執行能力等等於一身的有機系統，而具備這樣能力的機器也就是我們所說的機器人。

寫到這裡，控制系統的基本介紹也就告一段落。儘管作者嘗試用通俗易懂的語言介紹這門學科，然而由於文字功底非常有限，所以只能寫到這個程度，而讀了幾遍之後作者都覺得略顯枯燥。。。感謝能一直讀到這一段的朋友們~~~以後我們會陸續介紹更高階的控制系統的應用，比如無人駕駛，機器人，客機自動飛行，精確制導導彈等等，相信這些內容會更有意思。

作者：撲天雕

編輯：小李廣

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