自動控制(二)

2021-05-07 20:30:45 字數 2334 閱讀 2903

抓蘋果和反饋

關於人類的大腦有個簡單的悖論:如果我們能夠理解自己的大腦,那麼它必須足夠簡單以至於我們無法理解它。我們的大腦有

1000

億個神經細胞,這些細胞之間靠生物電脈衝和化學物質傳遞訊號。從整體上看,這些單個無意識的神經元組成的網狀結構,形成了人類有意識的大腦為核心的神經系統。目前為止,人類製造的所有控制系統的控制器都無法與這個經過數億年進化的精密的大腦相匹敵。

一味模仿別人會讓你失去自我,但仔細分析我們神經和軀體的工作方式並對其進行模擬,不僅會讓我們對自動控制有新的理解,還能幫助我們設計出聰明的機械人。下面我們就來做個遊戲:請你右手拿乙隻簽字筆,左手拿著筆蓋,閉上眼,然後把筆蓋合到簽字筆上去。(其實我之前想的是我們一起把電腦的滑鼠拔掉

:))怎麼樣?是不是有些困難?

再考慮伸手拿桌上的蘋果的動作過程,開始是我們看到蘋果,然後伸手,於是手與蘋果之間的距離逐漸縮小,當二者距離為零時,蘋果順利的被我們抓到了。至於你要拿起來吃還是要向我丟過來,我們待會兒討論。話說在這個過程中,我們身上最重要的感受器之一——眼睛,一直在不辭勞苦的持續獲得手和蘋果距離的資訊,然後提供給大腦,讓其做出接下來是往左還是往右或者繼續往前的決定,也許你已經看出來了,這個過程可以和前面控制系統框圖吻合的絲毫不差!

哎呀,我就知道你要問為什麼從輸出到輸入反向的線要用紅線標示出來。因為如果你嘗試去畫前面合簽字筆筆蓋的系統圖時,這兩條線是不存在的——在那裡被蒙上的眼睛無法工作了。我看到你已經用蘋果瞄準我了,明顯答非所問。好吧,感受器的作用就是反饋,它讓輸出和輸入之間形成了乙個偉大的閉環。這個閉環讓控制器及時地知道了被控制物件當前的狀態,據此隨時調整自己發給執行器的命令,讓輸出朝著自己想要的方向前進。

舉個例子吧,你在追乙個

mm,你打**發簡訊寫郵件託人捎話站在樓頂大聲發誓說你要是不做我女朋友我就回五樓去了!但是由於某些奇怪的原因,你無法看到她,也聽不到她講話,總而言之你得不到她的任何反饋。你傻眼了,你不知道她到底是靦腆還是徹底視你為固態空氣,也不知道自己下一步是直接拎著禮品奔她們家還是繼續在樓頂吶喊。你憂鬱啊痛苦啊撓頭啊脫髮啊換洗髮水啊,知道問題的根源在哪兒嗎?沒有反饋。在我的指點下,你找到了

mm的密友

nn,讓

nn充當你們這個系統的感受器,

mm的一舉一動你都瞭如指掌,於是你根據她的表現即時調整戰術,兩天之後你們順利出雙入對。哇噻,你終於眉開眼笑了,我就知道你捨不得用那個比雞蛋還小的蘋果扔我。

正反饋和負反饋

如果1000

億個神經細胞聯網可以產生智慧型,那

1000

億台計算機連起來會產生什麼呢?會不會現在的網際網路已經產生了智慧型,而這種智慧型本身也已經知道要隱藏實力直至某天可以一下控制全人類?那我們要將所有系統聯網的想法豈不是自掘墳墓?

到現在為止你已經知道了反饋是自動控制的核心思想了,如果你不想繼續聽我羅嗦,那我推薦你本書吧——康德的《純粹理性批判》,隨便哪個版本都行。事實上,控制的核心是什麼在自動化專業研究生入學面試時經常被問到,如果你能在回答「反饋」時加上「負」字,那老師很可能會對你青眼有加。因為反饋其實分成以下兩種:正反饋和負反饋,如圖5。

在資訊獲取成本越來越低的今天,我們周圍充滿了重複的沒有任何價值即使有價值我們也注意不到的注意到了也利用不起來的資訊。所以你要是能一眼看出上面倆框圖的區別,我不得不說你有很有兩把刷子。正、負反饋的關鍵差別就是感受器的輸出訊號和系統輸入訊號的合成方式,如果反饋訊號對輸入有抑制作用(用「

-」表示),那我們就說這是負反饋,反之若有加強輸入訊號的能力(用「

+」表示),就是正反饋。

接下來我們將要進行到現在為止最簡單的乙個推理,以此證明負反饋是控制系統反饋方式的首選。考慮空調調溫的過程,你設定的溫度(輸入)是

24度,現在真實溫度(當前的輸出和感受器輸出)是

28度,要讓系統輸出趨於

24度,控制器會求得輸入和感受器輸出的差值(

28-32= -4

),作為自己的輸入,然後讓執行機構去將當前溫度減小

4度,這樣慢慢的,溫度就會被調整到我們的期望溫度——

24度。然後假設現在測量的溫度是

18度,那控制器一樣會求得差值(

28-24=4

),作為輸入,之後讓執行機構去完成將溫度增加

4度的任務,直到輸出達到

24度——這個時候差值為零,於是空調終於可以休息了,不用再製冷了,你也不用擔心咱家的電費這個月又超了。

相應的,我們想象如果溫度控制中是正反饋會出現什麼情況,系統的輸出會越來越遠離我們的期望值。我知道你可能沒理解,不過這是我表達的問題,跟你沒關係,你可以從本段的開始再看一遍,直到你準備去找康德。嘻嘻。

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自動控制原理

被控物件 被控變數 期望目標 頻域 描述閉環控制系統 訊號 輸入量 輸出量控制量 反饋量偏差量 控制系統分類 依據結構 依據輸入訊號特徵 依據輸入訊號變化特徵 按系統固有內在特性 程式控制系統 線性系統 疊加性 多輸入等於各自單獨作用之和 均勻性 輸入比例增大,輸出等比例增大 非線性系統 不同時滿足...