Hello自动化,自动化从哪里来?从蒸汽机到人工智能

新闻??????? 2019-09-20???来源:张哥谈车

导语:自动化是一个好东西,不用去管它,自己就动上了。更加高级一点,还会揣摩人的心思,还没使唤,就知道应该去干什么了。在迪士尼卡通电影《机器人总动员》里,人们衣来伸手,饭来张口,什么都是自动的,省心省事,这确实符合一些人对自动化的期望。

Hello自动化,自动化从哪里来?从蒸汽机到人工智能

自动化是什么?就是衣来伸手、饭来张口吗


01

自动化从哪里来


从电饭煲到核电站,从汽车到航天飞机,自蒸汽机到人工智能,自动化贯穿于科技与生活的各个层面。自动化并非自己就能动,且自动化并不神秘。自动化的世界充满了故事,在造福人类的同时还富有趣味,这是数学、计算机、电子、机械、化工和其他领域的融汇。自动化应用的成功还取决于设计与使用的互动,自动化的很多概念更是可以推广到其他领域,其他领域的概念也可以延伸到自动化领域中来。

有人考证,古代就有自动化的实例,但现代意义上的自动控制开始于瓦特的蒸汽机。蒸汽机的原理并不复杂,用煤炭的火力把锅炉里的水烧开,产生高压蒸汽,进入汽缸后,推动活塞往复运动,然后就可以通过曲轴转化为转轴的旋转运动,这就可以带动各种机械了。问题是,受到煤质和鼓风风力的影响,锅炉的火力忽大忽小,产生的蒸汽压力也随之变动;另一方面,机械负载也时大时小,对于蒸汽供应量的需求也随之变化,导致蒸汽压力变动。除非有人时时刻刻盯着压力,随时调整汽阀,否则转速可能忽高忽低,甚至失控,造成机械损坏甚至人身伤亡。托马斯·纽考门比詹姆士·瓦特先发明蒸汽机,但瓦特临门一脚,不仅改进了蒸汽机的热力学循环,大大提高了蒸汽机的热效率,还首先研制成实用的离心调速器,使得蒸汽机实现持续可靠的运作,把英国真正推入工业革命的时代。

Hello自动化,自动化从哪里来?从蒸汽机到人工智能

严格来说,蒸汽机在瓦特之前已经发明了

但缺乏有效控制的蒸汽机容易过热过压引起爆炸

瓦特蒸汽机在热力学上有改进

但成功的核心在于离心调速器


瓦特在蒸汽机的转轴上安装了一根小棍,小棍的一端与转轴相连,另一端是一个小重锤。转轴转动时,重锤在离心力的作用下扬起升高,带动小棍挥起。小棍通过连杆、提环和杠杆系统控制汽阀开度,自动调节进入汽缸的蒸汽流量。这样,在正常情况下,重锤、小棍、汽阀都处在平衡位置,转速保持在要求的数值。如果转速意外升高,重锤挥舞得更高,小棍就通过支点和连杆把汽阀关小,使得蒸汽流量降低,转速下降;如果转速太低,重锤垂下来,汽阀就被开大,蒸汽流量增加,转速回升。这样,蒸汽机不需要人的照看,就可以自动保持稳定的转速,既保证安全,又方便使用。也就是因为这个小小的离心调速器(转速调节器),瓦特的名字和工业革命连在一起,而纽考门的名字就要到历史书里去找了。

类似的巧妙设计在机械控制系统里有很多,家居必备的抽水马桶是另一个例子。放水冲刷后,水箱里水位降低,浮子随水位下降,通过杠杆将进水阀打开。随着水位的升高,浮子通过杠杆将进水阀逐渐关闭。水位达到规定高度时,进水阀正好完全关闭,水箱水位不再升高,储水正好准备下一次使用。这是一个非常简单但非常巧妙的水位控制系统,是一个经典的设计,但不容易用经典的控制理论来分析,不过这是题外话了。

这些机械系统构思巧妙、工作可靠,实在是巧夺天工。但是在实用中,如果每次都需要这样的创造性思维,那就太累了,最好有一个系统的方法,可以解决“所有”的自动控制问题,这就是控制理论的由来。

02

走路要看路

反馈与动态


从小大人就教导我们,走路要看路。为什么呢?要是走路不看路,走歪了也不知道,结果就是东撞西撞的。要是走路看着路呢,走歪了,马上就可以看到,赶紧调整脚步,走回正道上来,就不会东撞西撞了。这里有自动控制里的第一个重要概念:反馈(feedback)。


Hello自动化,自动化从哪里来?从蒸汽机到人工智能

看路走路是一个反馈过程

反馈是一个过程:

1)设定目标:以小朋友走路的例子来说,就是规定好前进的路线。

2)测量状态:小朋友的眼睛看着路,就是在测量自己的前进方向。

3)将测量到的状态和设定的目标比较:把眼睛看到的前进方向和心里想的前进方向做比较,判断前进方向是否正确;如果不正确,确定相差有多少。

4)调整行动:在心里根据实际前进方向和设定目标的偏差,决定调整的量。

5)实际执行:也就是实际挪动脚步,重回正确的前进方向。

在整个走路的过程中,这个反馈过程周而复始、不断进行,这样,小朋友就不会走得东倒西歪了。但是,这里有一个问题:如果所有的事情都是在瞬时同时发生的,那这个反馈过程就无法工作了。要使反馈工作,一定要有一个过渡、渐变的过程,要有一定的反应时间。还好,世上之事都有这样一个过程,这就为反馈赢得了所需要的时间。这就是动态的概念。


Hello自动化,自动化从哪里来?从蒸汽机到人工智能

动态过程的变化有一个过程,一开始有一个滞后,然后开始上升(或者下降),升到一定程度后,上升速度慢下来,最终稳定在新的状态。

一阶过程(粗实线)在滞后之后直接上升,二阶过程(粗虚线)有一个加速过程,然后转入迅速上升,最终上升速度放慢,稳定在新的状态。二阶过程除了这样单调上升(正式称呼为过阻尼),还可以振荡(也就是欠阻尼)

俗话说,心急吃不了热豆腐。这是说,滚热的豆腐不等凉下来就急着吃,那是要烫嘴的。但要是耐心等一会儿,豆腐就凉下来了。到底需要等多久,取决于豆腐的块儿有多大,豆腐有多热,还有就是房间里有多通风、多凉快。豆腐凉下来是一个逐渐降温的过程,这就是动态过程(dynamic process)。这里面有两个东西很关键:一个是降温的过程有多快;另一个是最终的温度可以降到多少。这就是时间常数和增益。要是知道了这两个参数,知道一开始豆腐有多烫,同时又知道自己舌头的耐受温度,理论上就可以计算出热豆腐需要凉多久才能吃了不烫嘴。


Hello自动化,自动化从哪里来?从蒸汽机到人工智能

豆腐的降温过程

(豆腐大小、房间温度及通风情况、锅子保温能力,都影响豆腐的降温速度)

时间常数有长有短。电网波动是分分秒秒的事情,要是有个三长两短,瞬息之间停电就可以波及很大一片地区;但全球暖化却是一两百年甚至更长远的事情。船小好掉头也是一样的道理。“泰坦尼克”号看到冰山已经来不及避让了,但要是小快艇,可能一扭身就让过去了。


Hello自动化,自动化从哪里来?从蒸汽机到人工智能

船小好掉头,是因为转向的时间常数较短

增益有大有小:点一堆篝火在理论上增加了全球暖化,但实际上对全球暖化的作用微乎其微,这就是微小增益的情况;但是,一堆篝火对烧开一壶水的作用却很大,这时的增益很大。增益也可正可负:一把火加上去,温度是上升的,这就是正增益;一桶冷水浇下去,温度是下降的,这就是负增益。

通常,动态系统的响应是一路上升或者一路下降的,但复杂系统可以在上升或者下降的过程中还晃荡几下。比如说,给一个弹簧秤吊上一只鸡,最后肯定是把弹簧拉下去。但弹簧不是老老实实地直接被拉下去,而是上下来回弹几下,最后才稳定在较低的位置。这里,上下反弹的幅度和频率与弹簧的“松”或者“紧”有关,或者说与弹簧的阻尼因子有关,阻尼因子其实是时间常数的特殊表现。


Hello自动化,自动化从哪里来?从蒸汽机到人工智能

动态响应不仅可以单调上升下降,还可以振荡几下

更加复杂一点的动态过程还可以曲里拐弯绕两下,才最后上升到顶点或者下降到底点。比如说,烧水时水开了往水壶里加水后,水壶里的水位在开始的时候可能出现暂时的反向响应。一般说来,往水壶里加水,水位应该是上升的。但水壶里的水是热的,还可能因为沸腾泡沫造成水位虚高而漫出来。另一方面,新加的水是冷的,刚加入时,反而“压”住热水,尤其是压掉了泡沫,造成水位下降的表象。但水壶里的水毕竟是比先前多了,继续加水的话,最终是会缓过来的,水位会重新开始上升。这就是典型的暂态反向响应的例子,最初的响应方向与最终的响应方向是反的。煮饺子时也一样,煮开了,加点冷水把沸水“压”下去,在短时间里,锅里的水位不是上升,而是下降了。加水不是使水更容易漫出来吗?加太多了当然还是会漫出来,但加得刚好把沸水“压”住,还是可以不使其漫出来的。这就是巧妙利用沸水水位反向响应的例子。

还有一种逆天的响应是非对称响应。比如说,烧一壶水,猛开煤气,水温很快上升;但关掉煤气,水温要靠自然散热才能降下来,水温变化就要慢得多。另一种特别逆天的响应会随过程条件而改变响应的方向,也就是说,根据系统状态的不同,正的增益可能变成负的增益,或者反过来。比如说,用引自山洞里的恒温泉水在室外玻璃暖房的水池里养殖珍贵鱼,水池一头注水、一头出水,所以水位保持不变。注入的泉水温度是固定的,但玻璃暖房里的温度随季节而变:冬天泉水温度高于池水温度,注水导致池内升温;夏天泉水温度低于池水温度,注水则导致池内降温。这样,用泉水控制池水温度就有趣了,池水温度太高的话,冬天要减少新加泉水的流量,但夏天则要增加新加泉水的流量。春秋换季的时候,池水温度可能反复与泉水温度错肩而过,控制增益就要随之反向,否则该加泉水的时候反而减少,该减少的时候反而增加,池水温度就要失控,珍贵鱼就要死掉了。实际中,这样的过程很罕见,即使对于泉水养鱼这样的问题,我们更可能通过夏天通风和冬天取暖来保持室温,间接使得池水恒温,而不是浪费稀缺的泉水资源。但真要是碰上了这样可以增益反向的过程,就要异常小心了。

动态系统不光出现在自然过程中,也出现在社会和人文过程中。经济危机时政府出手救市,这就是一个典型的动态过程。有的措施很给力,立刻可以产生很大的效果,这就是高增益的情况;有的措施要很长时间才能体现效果,这就是大时间常数的情况。2009年世界性经济危机时,中国政府4万亿砸下去,要过几年才逐渐显示出全部效果;2015年中国央行调整人民币汇率时,隔夜就在全世界各大金融市场引起强烈反应。这就是不同经济过程具有不同时间常数的例子。

动态过程是一个很有用的概念。很多时候,心不能太急,换句话说,要是做法对头,要给点时间才能看到效果,这就是动态系统的概念。世界市场原油价格下跌,加油站汽油价格要好一阵子才跌下来,说是石油公司现有库存还是高价原油时买进来的,要等到降价原油逐渐顶替掉高价原油库存后,加油站的汽油价格才能降下来。说起来,这倒也是动态系统的概念。不过原油涨价的时候,汽油价格立刻涨上去了,尽管库存原油还是低价时买进来的。动态系统可不带这么玩的,这是滥用动态系统概念了。

有了动态过程,反馈就“玩”得起来了。反馈过程也叫作闭环(closed loop)过程。既然有闭环,那就有开环(open loop)。说起来挺绕口,闭环其实是睁着眼睛的,开环反而是盲目的,一厢情愿的。


Hello自动化,自动化从哪里来?从蒸汽机到人工智能

开环控制就是只有愿望、不看实际的“我下命令、你执行”,执行结果到底怎么样,对于下一步命令没有影响,这对于结果只要差不多就行了的简单过程是够用的


Hello自动化,自动化从哪里来?从蒸汽机到人工智能

闭环控制不光根据愿望下命令,还要看执行结果,并根据观察到的执行结果调整下一步的命令,这个过程循环反复,最终逐渐使得结果与愿望相符

开环是没有反馈的控制过程,只设定一个控制作用,然后就执行,不看实际结果到底怎么样,不根据实际测量值进行校正。

对于简单过程,开环控制是有效的,比如洗衣机和烘干机按定时控制,到底衣服洗得怎么样,烘得干不干,完全取决于开始时的设定。对于洗衣机、烘干机这样的简单问题,凭经验设定一般无大错,否则多设一点时间就是了,稍微浪费一点,但可以保证效果。但要是换了空调,就不能不顾房间温度,简单地设一个开10min、关5min的循环,而应该根据实际温度做闭环控制,否则房间里的温度天知道到底会达到多少。对于政府行为,更不能只顾计划不顾变化,盲目瞎指挥。

在20世纪80年代时,报告文学很流行。作家徐迟写了一个《哥德巴赫猜想》,于是全国人民都争当科学家,小说家也争着写科学家。成就太小不行,所以要语不惊人死不休。某大家写了一篇《无反馈快速跟踪》,据说可以消除反馈过程的本质滞后,革命性地再造自控。不过从头看到尾,也没有看明白到底是怎么无反馈快速跟踪的。现在想想,小说就是小说,不过这无良作家也太扯了,无反馈还要跟踪,不看着目标,不看着自己跑哪了,这跟的什么踪啊,这和永动机差不多了,怎么不挑一个好一点的题目,冷聚变、暗能量什么的,至少在理论上还是可能的(这是题外话了)。

反馈本身分正反馈和负反馈。在平常日子里,正面的事情总是比负面的强,正能量总是比负能量给力。但在反馈世界里,倒是负反馈通常是好孩子,正反馈是坏孩子。说到底,反馈就是根据观察到的偏差修正控制量,修正的控制量使得偏差减少,这就是负反馈;修正的控制量使得偏差变大,这就是正反馈。

自然界和社会上不乏负反馈的例子。肉食动物和猎物的生态平衡就是典型的负反馈:肉食动物太多了,猎物不够吃,肉食动物自然减员;肉食动物减员太多了,猎物繁殖一发不可收拾,肉食动物又有吃的了,也繁殖增速;然后开始新的循环。正常的股市也是一个负反馈:股票价格低了,买家大买,推高股值;股值高了,卖家出手,股值回跌;如此往复。

通常控制系统都是负反馈,要是进入正反馈,那就糟糕了,无轨电车一开起来就一发不可收拾了。不过跳出狭义的自动控制的话,有时候正反馈也可以是好事情。比如说,在经济领域里,有一个良性循环的说法,说的就是一旦条件建立好了,发展会像滚雪球一样,越来越快,自己给自己加劲,这就是正反馈了,这时就是好事。但要是青少年叛逆,做了错事,告诉他们不能这么做,还偏拧着干,变本加厉,这样的正反馈就不好了。

未完待续

以上内容节选自:


Hello自动化,自动化从哪里来?从蒸汽机到人工智能

这是一本人人都能读懂的自动化入门书