有“头脑”的机器——自动控制系统

人类自从有史以来就不断寻求生活上的进步。凭着他的天才，他发明了机器使许多人省却身体上的劳力。可是他并不以此为足，因此他继续发明别的机器为他分担部份的精神劳力。人所发明的机器愈来愈方便，现在已达到能作自我管制的程度，而且比以前任何时期都快捷得多。这种控制系统实现了人类久已怀着的一个理想——自动机器！

现时自动机器在许多人的生活上已成为一日不可或缺的东西。由使你一室温暖如春的自动调温器和准时催你起床的闹钟，至为你把面包烘成金黄松脆的烘面包炉，你都会从一种复一种的自动化设计获益。

稍为了解自动化装置的基本原则可以帮助我们从脑中袪除科学幻想的气氛。虽然控制系统的范围从家庭用具伸展至繁复的太空卫星指示系统，它们的基本原则其实是相当简单的。若能了解一些较简单的系统的作用，我们甚至对最复杂的系统也可窥见一斑。

外围控制系统

为了进一步看看控制系统怎样发生作用，让我们以大家都熟悉的面包片烤炉为例。你若要将面包片烤到什么程度，只须将指挥器转至适当位置便行了。这是命令符号，也是对烤炉的“输入”凭着这项输入的命令，你告诉烤炉你要那一种面包片，那便是说，你要它作怎样的输出。你所移动的转盘其实是一个计时器，控制着烤炉中实际工作的部分，即发热的电丝。这包括较简单的控制系统的基本因素，工程师称之为外围控制系统。我们可以用以下的插图加以说明：

这种系统的两个主要部份指示选择器和活动单位。指示选择器的工作是将输入命令“翻译”为活动单位可以“明白”和“服从”的术语。以自动烘面包炉而言，指示选择器是作为计时器的转盘，开动发热部份的时间长度便由此决定。输入的命令是面包片所烤至的理想程度，——浅色，较深，深色。这种形式的输入命令对活动单位是毫无意义的。因此，指示选择器须要将输入命令“翻译”为预先决定的时间长度，并使活动单位依照输入命令的新“言语”行事。借着这种方法，指示选择器将输入命令“传达”给活动单位其明白执行。发热部份构成了活动单位，因为它将任务加以执行或做着这个系统的所能做的工作，那便是，将面包片烘好。

当然，要想获得一片恰如理想的烘面包，你可以用手持叉，将面包在火炉上烘，但是你须要将其反复转动和留心看着，所以须要你不断留意和费力。但借着运用上述的简单控制系统，你不但能对出品的品质有相当程度的控制，而且省却用手工作所费的精神气力。借着这种方法，简单的控制系统达成了自动机器的目的。

可是这种系统何以称为外围控制系统呢？当输入命令传达给系统时，控制的工作其实已完成了。从这时起，机器便依照指挥而行，正如图一所示一般。其间并没有再进一步的控制。在正常的情况下，系统中各部门进行顺利时，最后的产品或输出必然与输入的命令相符。

可是，倘若进行得不顺利又如何呢？若有意外的因素出现又如何呢？以面包比正常的较干来说。系统中没有什么东西可以通知活动系统，使其改变作用或加以补救。因此，你最终也许会获得一片焦黑的面包，虽然你仅将转盘搅向较深的部份而已。系统内部没有附设任何东西可以改变或纠正它的运行，即使出品不如理想也没有办法。输出的东西不能影响或控制系统的运行。因此这种系统称为外围控制系统。

很显然地，这种缺点的补救方法只有在发现出品品质不对时调整控制系统。在纯是外围控制的系统中，补救方法只能由人手执行。当你看见面包片在炉里出烟时，你可以调整炉外的“烤烘程度”选择器。或者，看到面包颜色烘得不够深时，可以转至较深部位。借着这种方法，你可以亲自调整控制系统以改善出品的品质。你可以任意调整机器的进行使出品符合理想的品质。

闭环控制系统

当然，在真正自动的控制系统里，所要完成的反馈行动应该不用人手指挥而是由机器里装置的设备来担当“监管”的责任，而且比人更快和更准。这种系统称为闭环或反馈控制系统。

为了观察一下简单的闭环控制系统如何产生作用，让我们研究另一个常见的例子，家庭用的自动调温暖气系统。此种系统含有上述外围控制系统的一切特色。当然，实际上使室内空气暖和的活动单位乃是发热器。指示选择器是自动调温器的温度计，而自动调温器本身又是反馈系统的附属物。这几个基本部份大致由图二加以说明。

假设你希望房间保持舒适的华氏74度。因此你将温度计转至理想的温度。这便是对系统的输入命令。于是输入系统便开动发热器并加以控制。在发热器继续开动之际，房间的温度开始上升而逐渐达到预定的温度。当室内温度达到74度时，它扳动自动调温器把指示传给发热器的控制部份而将发热器熄掉。

一般地说来，在发热器关闭后温度仍然会稍为上升，终于达到最高点而开始下降。当然，这种升降不会离开预定的温度太远。在室内温度降回74度时，自动调温器再行活动，发热器又再度开动以阻止温度继续降低。借着这种方法，发热-调温双管齐下形成一种自动机器使室内保持指定的温度。在这个事例中，自动调温器成为系统中的“脑”而发挥监管和调整的作用。

反馈作用

从上述对外围和闭环控制系统所作的简单分析中，若将图一和图二作一比较，你可以很容易发现两者之间的基本分别是在于反馈作用的有无。这种作用乃是自动控制系统的心脏。反馈作用使系统发生“自动”的性能。反馈的基本作用在衡量输出及将其与输入比较。在多数的例子中这种作用均由电力发动；这通常是最方便和最准确的方法。

一般称为电功率转送器的设备被用来将各种物理性质如温度、压力、排水量、速率、加速、光线等改变为电力符号。这种符号可以被衡量和甚至记录下来，以便不断测量系统中的动态。较多人知的电功率转送器包括光电管、回转仪和压电晶体等。这些东西的设计和运用本身便是一种非常引人入胜的学问。

虽然今日自动控制系统方面的科学突飞猛晋，它的历史却是相当晚近的，只有半世纪左右。在这段短短时间中，我们看到自动系统的理论出现发展和实践。这方面的急速进步可归功于两个主要原因。

最首要的是，电气和电子技术的不断进步供给控制学工程师所需的工具和“金属零件”去建设他们的系统。其次是，工业的需求促使科学家加紧研究，结果使控制系统的科学和艺术达到现行的程度。

今日在许多地方都不难看到家庭中装置各种自动用具，办公室挤满商业机器和电算机，工厂的全部生产过程从原料以至精良的出品，均一律由自动控制系统担任。不错，自动控制系统的进步史充分表明创造主赋予人的能力，使人可以研究和运用一切来自上帝的物质和法则。

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图一外围控制系统

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图二闭环控制系统略图