【失控】控制簡史

自動控制的發展

當我們討論自動控制的時候,就將我們的討論對象限定為非生物體;因為任何一個生物、或者生態系統,都是可以“自動控制”的。那么我們的范圍可以再進一步縮小,這里我們討論的對象是人造的系統。
自動控制,就是物體本身有一套完善的反饋回路,系統本身可以根據外在的變化觸發自身的反饋系統,然后對系統本身做出改變。
所以,自動控制系統,就是一個可以自我調節、自我管理、自我控制的非生物體。從這個意義上來說,它也就變成了第一個在生物學范疇之外誕生的自我。

最早的控制系統

中國歷史上的指南車可以說是最早的控制系統之一。

指南車效果圖

指南車又稱司南車,是中國古代用來指示方向的一種裝置。它與指南針利用地磁效應不同,它不用磁性。它是利用齒輪傳動系統來指明方向的一種機械裝置。其原理是,靠人力來帶動車輛行走(《宋史》則說原有“駕士”十八人),由車輪的轉動來帶動齒輪的轉動,再由齒輪的轉動來帶動車上的木人指示方向。不論車子轉向何方,木人的手始終指向南方,“車雖回運而手常指南”。

指南車原理圖.jpg

類似于相同的控制系統可以參考:中國古代自動裝置
嚴格的說,指南車并不是一個真正意義的自動控制系統。這個裝置只是以一種明顯的方式告訴他的主人,想要保持某種狀態就需要做出調整,真正做出調整動作的是人類本身。按照現代思維術語來說,人類是回路的一部分。要成為真正的自動控制裝置,那么當方向偏離的時候,指南車就應該自己做出調整方向的動作。
事實上,真正的自動控制裝置,比指南車早很多就出現了。

第一個自動控制系統

克特西比烏斯是古希臘的工程師、發明家。早在公元前三世紀,他就發明了第一個自動控制系統,并且這個系統一直沿用至今。


浮球閥

在國內,上面圖中的設備叫做浮球閥。它是有史以來第一個自動控制系統。


浮球閥結構圖

以下是互動百科對浮球閥工作原理的解釋

浮漂始終都要漂在水上,當水面上漲時,浮漂也跟著上升。漂上升就帶動連桿也上升。連桿與另一端的閥門相連,當上升到一定位置時,連桿支起橡膠活塞墊,封閉水源。當水位下降時,浮漂也下降,連桿又帶動活塞墊開啟。
浮球閥是通過控制液位來調節供液量的。滿液式蒸發器要求液面保持一定高度,一般適合采用浮球膨脹閥。浮球閥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,去控制一個閥門的開啟或關閉。浮球室置于滿液式蒸發器一側,上下用平衡管與蒸發器相通,所以兩者的液面高度一致。當蒸發器中液面下降時,浮球室液面也下降,于是浮球下降,依靠杠桿作用使閥門開啟度增大,加大供液量。反之亦然。

克特西比烏斯的這個調節閥是有史以來第一個可以自我調劑、自我管理以及自我控制的非生物體。它是第一個在生物學范疇之外誕生的自我。這是一個真正自動的物體——從內部產生控制。它也被看做是自動裝置的鼻祖,因為它讓機器第一次能像生物一樣呼吸。

反饋回路的力量-工業革命

蒸汽機的發明對人類的歷史進程有著不可估量的推動作用。而促成蒸汽機穩定工作的,是一個完整的反饋系統,其中一個很重要的模塊,就是離心調速器。從某種角度上可以說,正是這樣一個反饋系統,促成了工業革命的發生,從而成就了今天的世界。


離心調速器原理.jpg

離心調速器是使用的最古老的自動控制系統及反饋系統,在公元1788年前后,是瓦特改進蒸氣機的一個重要標志,促進了工業大生產的進程。離心調速器已有二百多年的歷史,到目前仍在廣泛使用。
當蒸汽機啟動后,通過錐齒輪 將轉動傳動到離心調速器的轉軸上,帶動連桿機構上的兩個鋼球1繞轉軸轉動,鋼球的慣性令其做離心運動,而彈簧則對兩個鋼球提供向心力。鋼球的離心運動帶動套筒2向上運動,杠桿3將套的運動傳遞到蒸汽閥門5,調節閥門的開度,而閥門的開度又調節了蒸汽進給量,調節蒸汽機轉速。在蒸汽機運轉過程中,當轉速超過設定轉速時,彈簧的彈力小于鋼球所需向心力,做離心運動,帶動蒸汽閥門,減小開度,進氣量降低,蒸汽機轉速降低。當蒸汽機轉速小于設定轉速時,彈簧彈力大于鋼球所需向心力,鋼球向轉軸靠攏,帶動蒸汽閥門增大開度,進氣量增大,蒸汽機轉速增加。從而,離心調速器通過彈簧和鋼球所需的向心力達到調節蒸汽機轉速的目的,令蒸汽機轉速始終保持在一個穩定的設定值。

這個反饋系統讓人類能夠駕馭蒸汽在膨脹時如同火山般爆發的力量,蘊藏于煤炭中的能量,蒸汽膨脹時所釋放出的巨大能量,第一次被人類馴服了。就像一條惡龍,終于為人類所用。這個反饋系統的本質,其實是信息的傳遞,控制信息的傳遞。
所以說是信息,而不是煤炭,讓機器的力量為人類所用。表面上看這是工業革命,其本質,是反饋系統、控制系統的進步。
把世界拖入信息時代的,是那些粗糙的蒸汽機,而不是那些微小的芯片。

時間外的往事

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