【失控】控制简史

自动控制的发展

当我们讨论自动控制的时候,就将我们的讨论对象限定为非生物体;因为任何一个生物、或者生态系统,都是可以“自动控制”的。那么我们的范围可以再进一步缩小,这里我们讨论的对象是人造的系统。
自动控制,就是物体本身有一套完善的反馈回路,系统本身可以根据外在的变化触发自身的反馈系统,然后对系统本身做出改变。
所以,自动控制系统,就是一个可以自我调节、自我管理、自我控制的非生物体。从这个意义上来说,它也就变成了第一个在生物学范畴之外诞生的自我。

最早的控制系统

中国历史上的指南车可以说是最早的控制系统之一。

指南车效果图

指南车又称司南车,是中国古代用来指示方向的一种装置。它与指南针利用地磁效应不同,它不用磁性。它是利用齿轮传动系统来指明方向的一种机械装置。其原理是,靠人力来带动车辆行走(《宋史》则说原有“驾士”十八人),由车轮的转动来带动齿轮的转动,再由齿轮的转动来带动车上的木人指示方向。不论车子转向何方,木人的手始终指向南方,“车虽回运而手常指南”。

指南车原理图.jpg

类似于相同的控制系统可以参考:中国古代自动装置
严格的说,指南车并不是一个真正意义的自动控制系统。这个装置只是以一种明显的方式告诉他的主人,想要保持某种状态就需要做出调整,真正做出调整动作的是人类本身。按照现代思维术语来说,人类是回路的一部分。要成为真正的自动控制装置,那么当方向偏离的时候,指南车就应该自己做出调整方向的动作。
事实上,真正的自动控制装置,比指南车早很多就出现了。

第一个自动控制系统

克特西比乌斯是古希腊的工程师、发明家。早在公元前三世纪,他就发明了第一个自动控制系统,并且这个系统一直沿用至今。


浮球阀

在国内,上面图中的设备叫做浮球阀。它是有史以来第一个自动控制系统。


浮球阀结构图

以下是互动百科对浮球阀工作原理的解释

浮漂始终都要漂在水上,当水面上涨时,浮漂也跟着上升。漂上升就带动连杆也上升。连杆与另一端的阀门相连,当上升到一定位置时,连杆支起橡胶活塞垫,封闭水源。当水位下降时,浮漂也下降,连杆又带动活塞垫开启。
浮球阀是通过控制液位来调节供液量的。满液式蒸发器要求液面保持一定高度,一般适合采用浮球膨胀阀。浮球阀工作原理是依靠浮球室中的浮球受液面作用的降低和升高,去控制一个阀门的开启或关闭。浮球室置于满液式蒸发器一侧,上下用平衡管与蒸发器相通,所以两者的液面高度一致。当蒸发器中液面下降时,浮球室液面也下降,于是浮球下降,依靠杠杆作用使阀门开启度增大,加大供液量。反之亦然。

克特西比乌斯的这个调节阀是有史以来第一个可以自我调剂、自我管理以及自我控制的非生物体。它是第一个在生物学范畴之外诞生的自我。这是一个真正自动的物体——从内部产生控制。它也被看做是自动装置的鼻祖,因为它让机器第一次能像生物一样呼吸。

反馈回路的力量-工业革命

蒸汽机的发明对人类的历史进程有着不可估量的推动作用。而促成蒸汽机稳定工作的,是一个完整的反馈系统,其中一个很重要的模块,就是离心调速器。从某种角度上可以说,正是这样一个反馈系统,促成了工业革命的发生,从而成就了今天的世界。


离心调速器原理.jpg

离心调速器是使用的最古老的自动控制系统及反馈系统,在公元1788年前后,是瓦特改进蒸气机的一个重要标志,促进了工业大生产的进程。离心调速器已有二百多年的历史,到目前仍在广泛使用。
当蒸汽机启动后,通过锥齿轮 将转动传动到离心调速器的转轴上,带动连杆机构上的两个钢球1绕转轴转动,钢球的惯性令其做离心运动,而弹簧则对两个钢球提供向心力。钢球的离心运动带动套筒2向上运动,杠杆3将套的运动传递到蒸汽阀门5,调节阀门的开度,而阀门的开度又调节了蒸汽进给量,调节蒸汽机转速。在蒸汽机运转过程中,当转速超过设定转速时,弹簧的弹力小于钢球所需向心力,做离心运动,带动蒸汽阀门,减小开度,进气量降低,蒸汽机转速降低。当蒸汽机转速小于设定转速时,弹簧弹力大于钢球所需向心力,钢球向转轴靠拢,带动蒸汽阀门增大开度,进气量增大,蒸汽机转速增加。从而,离心调速器通过弹簧和钢球所需的向心力达到调节蒸汽机转速的目的,令蒸汽机转速始终保持在一个稳定的设定值。

这个反馈系统让人类能够驾驭蒸汽在膨胀时如同火山般爆发的力量,蕴藏于煤炭中的能量,蒸汽膨胀时所释放出的巨大能量,第一次被人类驯服了。就像一条恶龙,终于为人类所用。这个反馈系统的本质,其实是信息的传递,控制信息的传递。
所以说是信息,而不是煤炭,让机器的力量为人类所用。表面上看这是工业革命,其本质,是反馈系统、控制系统的进步。
把世界拖入信息时代的,是那些粗糙的蒸汽机,而不是那些微小的芯片。

时间外的往事

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