控制的故事

通过这篇文章，我们来谈谈机器控制。

人类总是不断尝试改造世界。时至今日，我们通过控制机器改造我们所处环境的力量已经远远超出了人力自身的极限。机器是人类智慧和想象力的化身，它的进步历程谱写了工业自动化不断革新、不断创造的光辉历史。

机器从手工进化到自动，机器控制的历史一幕幕记载了人类如何将自己的智慧逐步地移植到机器上，一点一滴、循序渐进地使它们越来越“生物化”。

我们步步为营，砥砺前行，迈进今天的物联网时代。站在工业互联网和数字世界的时代大门前，我们更应带着一颗对先贤们尊敬感恩之心，迎接万物互联的到来。

图1：中国古代指南车

机器的自动控制经历了三个发展阶段，推动了近代三次人类工业文明的跃迁^【1】。第一阶段是通过蒸汽发动机实现对能量的控制。第二阶段是通过电气化实现能量的精准控制。第三个阶段是对信息本身的控制，通过深度反馈和信息流的循环，提升各个控制环节的效率。

纵观整个控制史，第一阶段以机械为载体，第二阶段以电为载体，第三阶段以数字化为载体。

最初的控制器是安装在机器上的机械反馈装置，用于自动控制机器运行中的相关物理量，如速度、压力、温度等。

控制器通过调节燃料供应或蒸汽流量来控制内燃机、蒸汽机的转速，从而使发动机在任何情况下都能保持在我们需要的速度运行。对控制的发展史感兴趣，尤其是对水电涡轮机控制感兴趣的人， Heinz Fasol）关于水电控制史的著作^【2】。

与主流观点相反，詹姆斯·瓦特（James Watt，1736-1819）并没有发明蒸汽机，他的创新之处在于借用风车控制原理改进了蒸汽机飞球调速器。瓦特发明的飞球调速器是一个可以自动调节蒸汽机速度的机械反馈控制装置^【3】。

这一发明让人类利用蒸汽更加得心应手，具有自我调节输出功率的蒸汽机引发了人类第一次工业革命。

图2：飞球调速器

在这个时代，受蒸汽机调速器的启发，同样具有革命性意义的信息和反馈控制理论应运而生，极大加速了人类工业文明的进程，带来了现代化的生活方式。

蒸汽机调速器等机械式控制器实际上是由机械零件构成的“原始大脑”，它通过测量、传输和处理信息来控制早期的机器。

时至今日，我们仍在使用这种古老的控制装置，如抽水马桶里的浮球式水位调节器。

图3：浮球式水位调节器

反馈控制的先驱们所做的工作为后来的同行奠定了坚实的基础，之后的几十年里后继者不断完善机械式控制器，使其达到极致。

先驱们建立了反馈控制的数学模型，解决了闭环控制的稳定性问题，提出了动态系统的稳定性条件，制定了实用的设计导则，改善了控制回路的动态性能。经过不懈的努力，最终有了著名的Hurwitz判据，并建立了闭环控制系统设计导则，从而保证了机器的稳定性和可操控性。

著名控制工程师E. Hunt在1858年2月20日写给《工程师（伦敦）》杂志的信中提出^【2】：“完美的控制器不应仅是根据速度变化被动响应，而是主动预判，在速度发生变化之前进行必要的调整，做到未雨绸缪”。

由此可见，在第一次工业革命中，先贤们高瞻远瞩，眼光远超他们所处的时代。先驱们所做的工作，使机械控制器发展成为当时的工业奇迹。这些高灵敏度和准确度的控制器以机械方式实现了比例、积分、微分（PID）控制， PID控制以最简洁优雅的方式实现了Hunt的设想。

“P”（比例动作）响应当前的速度变化; “I”（积分动作）将过去的速度变化反馈到当前的动作，消除过去的累积误差；“D”（微分动作）在速度变化发生之前预判并提前行动。

无论设计如何精雕细琢，都无法克服机械控制器的固有局限。控制参数只能通过变更连杆的传动比，换用不同强度的弹簧或使用新的节流阀等来改变^【2】。

不但实现控制算法的机械结构不易改变，而且控制参数只能在有限的范围内进行调整。因此机械控制器在动态特性及快速响应方面有着无法突破的原生缺陷。

机械控制器很长时间后才被电液伺服系统所取代。尽管电气化时代在机器控制的历史上扮演了一个短暂的过渡性角色，但它的到来终结了漫长而著名的机械控制时代。使人们对于机器的研发，进入了新的时代。

在这个时代，人类通过控制电实现了对能量和信息的控制。机器转速信息通过传感器被感应为连续的电流或电压信号，并反馈到模拟处理电路中进行计算，进而得到正确的命令，通过控制节流阀实现对机器的控制。

电子控制器提高了能量控制的精准度，与上一代机械控制器相比，基于信息流进行调节的电子控制器更具有操作性，彻底变革了机器的控制方式。

在电气化时代，工程师不必像机械时代一样为每台机器设计专属的控制器。只要机器的运行状态能被感知和测量，我们就可以很容易地控制和调节它，使得制造通用性电子控制器成为现实。与机械控制相比，电子控制器可以相互叠加，将更多的人类智慧注入机器之中。

在这个时代，反馈控制理论趋于成熟，被充分掌握。PID控制被推崇为标准的控制方式。控制器通过运算放大器和电容、电感、电阻等组成的电子电路实现，控制参数由电位计来调节。

运算放大器网络构成的机器"大脑”，以更加快捷的方式实现了加、减、乘、除、微分和积分等运算。通用性电子控制器可适用于所有的机器，由此控制和仪器仪表工业应运而生。

图4：模拟电子控制器

然而，这种翻译、实施和延伸人类智慧的电子方式也有很强的局限性。和机械控制器一样，电子控制器的结构不易改变，时间推移会导致其性能老化，温度波动会导致其性能偏移。

每当工程师想要改变控制策略时，不得不构建新的电路，难度可想而知。而在今天，只需改变几行代码即可。

尽管我们已进入数字时代，在特定的行业中，电子控制器仍无法替代，如广泛应用于航空工业的伺服系统。

与数字化时代信息以 “0”和“1”的形式相比，电子控制器仍然束缚着人类想象力的发挥，社会发展需要一个更为强大的数字大脑。尽管电子控制器曾短暂存在，但为数字时代机器的爆炸式增长铺平了道路。

当人类学会控制信息时，控制器可以分层次的嵌入机器，多层级的控制已经使机器更加自动化、反应灵敏、功能强大、满足更多需求。

现代控制器是一台紧凑的多处理器数字化装置，可以实现各种闭环、开环、前馈控制、优化及基于物理模型的控制，同时可以实现监测、诊断、故障检测、处理和预测等功能。

面向图形的设计语言（框图、流程图）又称为基于模型的设计，其可以实现控制算法的任意配置、调整或更改。控制程序在计算机上完成设计、模拟和验证后，再自动编码植入数字控制器。

图5：数字控制器

在数字时代，控制器的设计达到了极致。数字控制器还具备一些附加功能，如确定最优控制，及过程信号采集以观察更多的物理量，例如温度、压力、流量、功率、扭矩等。数字控制器还允许增加更多的控制功能，例如监测、自动化、可视化、与其他机器通信等。

随着信息技术和数字化技术的发展，如有必要，人类可以将所有的智慧赋能于机器。如今人类可以通过无限的反馈和信息环路来强化控制系统。将机械控制器数字化后，我们在机器上安装了越来越多的传感器，我们逐层建立更多的控制环路，比如，温度控制环、湿度控制环、压力控制环、物料控制环……，最后也许是社会控制环。机器越来越智能化，并与人类密不可分。

它推动我们继续学习成长，同时，我们把更多的知识和智慧赋予机器，让它得以进化，改变人类生活，改变世界。

在工业互联网时代，万物互联，我们正在进入控制的新纪元。人-人、人-机器、机器-机器的互联产生了海量信息，需要一个有机的生态系统来驾驭与控制。数字化时代，控制器设计在本地计算机上进行；智能控制时代，控制器设计将迁移到云端，远程实现协同设计、配置、部署。

图6：万物互联时代

“但是所谓更多的信息，就好像未受控制的蒸汽，除非能自我驾驭，否则毫无用处。”- 凯文·凯利^【1】

在机器的历史上，人类一直试图在机器内部克隆自己——按自己的方式控制和使用机器。因此，让控制器像人的大脑一样思考并进行社会化的分工协作是机器进化的终极目标。

在智能控制时代，机器与机器之间需要相互协作，构建它们所处现实环境的模型，并利用这个模型来模拟和预测未来，以确保工业生态系统充满活力。

技术领域的下一个重大突破是研发具有自适应能力的极致机器，它能够不断自我学习进步发展壮大。我们只有对机器赋能，才能实现机器的智能控制，数以亿计的智慧机器相互关联、按需授权、自主运行。

人脑是一个不可思议的信息控制器，它处理来自各种反馈回路的数据，认知、理解所处的环境，以改造世界，响应未来。人的意识^【4】是一种特定的意识形式，它通过收集和评估各种反馈回路的信息，参考过去、感知当前、预测未来，做出决策，实现目标。沿着同样的思路，未来的智能控制器也应采用人脑的双系统思考机制^【5】。控制器通过机器学习来整合积累过去的经验。

系统1将当前的反馈信息与所存储的信息进行匹配，以找到最佳方案并立即提供响应。系统2基于物理知识构建机器所处的环境模型，设定条件，进行仿真模拟，以捕捉未来的最佳机会。

最后，在未来的机器生态系统中，一个常驻云端的超级控制器，将掌控工业互联网中所有的控制器。这个超级控制器（工业大数据引擎）集中处理传输到云端的信息，并将结果反馈给各个机器，使整个工业生态系统永远保持最优状态。

为避免超级控制器被来自数十亿远端机器的信息淹没，我们必须进行分层设计工业生态系统，并采用稀疏通信方式，确保超级控制器只需要做最重要的决策。

超级控制器只与其直属或同级的控制器通信。超级控制器将是整个工业互联网的“CEO”，通过做出最重要的决定来规范和优化整个工业互联网的运行。

易维通