提起閉環(huán)控制會有人感覺陌生，但閉環(huán)控制的原理在我們?nèi)粘Ｉ钪蟹浅Ｆ毡椤１热缥覀円獙⒁槐ㄟ^水龍頭注滿，這樣的日常非常簡單的事情，很多人都認為很簡單，但這是一個閉環(huán)的過程，假想如果是一個盲人注水，會怎樣？他如何判斷水是否注滿？通常盲人注水是無法達到想要的水位的。

（本圖源自第五項修煉書）

其實人來在為杯子加水的過程是：我們注視著水杯的水位，監(jiān)測移動的水位與我們想要的水位之間的距離，當杯中的水接近想要的水位的時候，我們調(diào)整水龍頭使水流慢下來，直到加好水而水龍頭關(guān)進。如下示意圖：

（本圖源自第五項修煉書）

盲人注水的過程卻少了所感知的差距這個環(huán)節(jié)（是開環(huán)），因而無法將水注到期望的水位。

其實我們注水的過程就是一個涉及五項變數(shù)的閉環(huán)系統(tǒng)：目標水位，杯子現(xiàn)在的水位，兩者的差距，水龍頭的位置與水的流量。

（本圖源自第五項修煉書）

這就是一個最簡單的閉環(huán)控制的應用，而對應的盲人注水，則因為缺少了感知的差距的環(huán)節(jié)，而只是開環(huán)，因而無法精準控制水位。

瓦特將蒸汽機由開環(huán)控制升級為閉環(huán)控制

很多人都認為蒸汽機是瓦特發(fā)明的，但事實上，蒸汽機很早就有，但因為早期的蒸汽機無法控制，無法大規(guī)模使用。1788年，瓦特發(fā)明了飛球調(diào)節(jié)器，推動了蒸汽機在工業(yè)的廣泛應用。傳統(tǒng)的蒸汽機是開環(huán)的不能被很好的利用，瓦特發(fā)明的調(diào)解器形成閉環(huán)，開啟了工業(yè)革命。

下圖就是瓦特發(fā)明的離心式飛球調(diào)節(jié)器，這個調(diào)解器用于控制蒸汽機的閥門，構(gòu)成了蒸汽機的閉環(huán)自動調(diào)節(jié)系統(tǒng)。

這個調(diào)節(jié)閥的原理是：蒸汽出口閥門由飛球調(diào)節(jié)器控制，當出口蒸汽量大的時候，推動設備旋轉(zhuǎn)速度增加，轉(zhuǎn)速增加離心力增加，讓小球飛的高度變高，通過傳統(tǒng)機構(gòu)會減小閥門，減少出氣量；蒸汽量減少后，旋轉(zhuǎn)速度降低，小球降落，通過傳動機構(gòu)，加大閥門增加出氣量。從而將出氣量維持在一個穩(wěn)定的水平。

瓦特的離心式飛球調(diào)節(jié)器，會遇到一種現(xiàn)象：當蒸汽流量偏離設定目標非常大，比如蒸汽流量遠遠大于目標流量，出氣量導致轉(zhuǎn)速增加很大，從而讓飛球轉(zhuǎn)速快速增加，導致飛球快速升高，進而讓閥門快速關(guān)閉；導致蒸汽的流量迅速下降，飛球迅速下降，又讓閥門快速打開。這樣快速的閥門打開、關(guān)閉，會形成蒸汽流量的變化也快速振動，不能讓蒸汽量維持在穩(wěn)定的設定目標，而是以設定目標為中心，上下快速振動，這樣的系統(tǒng)就不穩(wěn)定。

所以自動化理論主要是研究如何設定系統(tǒng)，保持一個穩(wěn)定的狀態(tài)。

如圖所示，控制理論是希望讓設定的系統(tǒng)的輸出和目標之間按a,b兩張圖的軌跡發(fā)展，而避免出現(xiàn)c、d兩張圖的情況。

a,b兩張圖的系統(tǒng)是收斂的，而c,d兩張圖是發(fā)散的。

為了避免C、D兩種情況發(fā)生，在輸出量與設定目標比較接近的時候，需要調(diào)節(jié)讓輸出量的變化速率降低，慢慢接近設定目標值，這就需要增加阻尼，這個效果類似于積分；在輸出量與設定目標偏差較大的時候，需要調(diào)節(jié)輸出量，讓輸出量快速接近設定目標值，這個效果類似于微分。

所以最流行的控制系統(tǒng)，包括按比例的反饋調(diào)節(jié)控制P，降低偏差小的調(diào)節(jié)速率的微分控制I，和增加偏差大的調(diào)節(jié)速率的微分控制D。這就是歷史最久、應用最廣、適應性最強的控制方式PID（Proportional-Integral-Differental)控制，PID控制占控制算法的85％－90%。

正反饋與負反饋

系統(tǒng)設計中，當偏差值偏離目標的時候，會有一個調(diào)節(jié)量，如果調(diào)節(jié)量的值增加偏離目標量，就會形成振蕩，而調(diào)節(jié)量的增值是降低偏離目標量，就會收斂。

如圖a,b，當輸出值偏離目標值的時候，調(diào)節(jié)方向是指向目標方向的。因而調(diào)節(jié)會讓輸出逐步收斂。

而如圖c,d，輸出值偏離目標值的時候，調(diào)節(jié)方向是背離目標方向的，因而調(diào)節(jié)會讓輸出發(fā)散。

都是時間滯后惹的禍

對于控制來說，希望讓輸出逐步收斂。為什么會有正反饋現(xiàn)象？

完全理想狀況下，調(diào)節(jié)機構(gòu)是按理想狀態(tài)沒有時間差來設計的。但是調(diào)節(jié)機構(gòu)需要有檢測、控制環(huán)節(jié)，這些環(huán)節(jié)都會有一個時間滯后，當時間滯后的調(diào)節(jié)指向目標值的時候，因為輸出值變化太快，輸出值已經(jīng)從一個方向的偏差變成了另外一個方向的偏差，這個時候偏差方向與調(diào)節(jié)方向一致，就形成了正反饋。

例如一個淋浴設備，是老舊的設備，從轉(zhuǎn)動水龍頭到水溫的改變，有一個意見的滯后。這個調(diào)節(jié)環(huán)路如圖示。

當你循一個帶有時間滯延的箭頭看下去的時候，在你增強熱度十秒滯后，水依然是冷的。你沒有得到對自己行動的反應，因此你認為自己的動作不起作用，接下來反應是增強熱度。當熱水終于到達，水龍頭流出的是高溫的水，你挑開并把它轉(zhuǎn)回去，在另一次時間滯延滯后，水又是冷的。通過條件環(huán)路，不斷地調(diào)試。

當行為越積極，越是猛烈地轉(zhuǎn)水龍頭，達到所需要的溫度的時間越久。

而只有慢慢調(diào)節(jié)水龍頭，不斷嘗試，才能獲得期望的水溫。

自動控制原理主要描述的是閉環(huán)、負反饋的系統(tǒng)。保證系統(tǒng)能夠閉環(huán)。