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从自动化理论看工业互联网——开篇
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xuyongshuo 个人主页 给TA发消息 加TA为好友 发表于:2018-11-09 09:25:30 楼主

缘起1

一年半以前(2017年3月),《中国机械工程》副主编郭伟老师,邀请我作为杂志审稿专家,同时向我约稿,“从XX理论看智能制造”,当时就提出了写“从自动化理论看智能制造”的文章方向。

在构思文章的时候,发现控制原理可以应用到智能制造的方方面面,其中负反馈的原理,可以应用到从宏观的公司战略,企业经营管理方面,微观到设备控制,从长期的产品生命周期闭环,到及时的单个设备的闭环控制。在智能制造的方方面面都体现着控制原理的闭环控制。

构思的内容太多,反而不知从哪里开始写起,所以一直没有写出来。

缘起2

10月中旬(2018年),兰光创新的朱铎先老师,将与赵敏老师合著的《机.智 从数字化车间走向智能制造》一书赠送给我,通篇浏览后,有很多方面想写一下。

喜欢阅读朱铎先和赵敏的文章,他们的文章信息量大,又很有启发性。我的很多观点是在阅读了朱铎先的文章后,受启发而产生的,比如《中国制造新起点:服务业革命开启服务业文明》一书的核心观点就是在阅读了他的一篇文章后,让我从产业历史和分工的维度思考而提出来,后来根据这个观点整理出书。


在《机.智》一书中,关于CPS的一段论述:

Cyber-Physical System中的Cyber是Cybernetics的字根,来源于希腊语,远意为掌舵术,包含了调节、操纵、管理、指挥、监督等方面的含义。


Cyber这个词最早用于科学术语,是美国数学家、控制论创始人维纳在1948年出版的《Cybernetics》(中文版被翻译为《控制论》)一书中提到的,于是,很多人将Cybernetics称之为控制论,但“控制论”也不能完整表达Cybernetics的意思,建议音译为赛博学为宜。


朱铎先认为Cybernetics的涵义远远多于控制领域本身,这个观点我是认同的。但我的观点稍微有些差异:控制(自动化)理论本身可以应用于很多领域,但传统的学科领域把自动化束缚住了。


计划以此为核心观点,阐述控制理论在智能制造各个方面的应用,写一系列文章。

控制论实际上是将控制原理抽象应用于其他领域

在《机.智》一书中提到:

维纳在《控制论》中提出“闭环反馈,自稳定系统能够‘自我’调整行为和学习的机器的魔力”

控制论对闭环反馈的推广有非常大的促进作用,因为控制论的影响力大,所以很多人认为闭环反馈是维纳提出来,其中上个世纪有一本畅销书《第五项修炼》中,也认为闭环反馈是维纳提出来的。书中如下纪录:


系统思考是“看见整体”的一项修炼。....出自两个来源:控制论(Cybernetics)的“回馈”(feedback)概念与“伺服机制”(servo-mechnaism)工程理论。


从《第五项修炼》的文字上,认为闭环控制出自控制论(cybernetics),而事实上,闭环控制原理最早是麦克斯韦提出来的,因为cybernetics学术地位高,提到了回馈并被,以下引自《控制论》


我们决定把这个关于既是机器中,又是动物中的控制和通讯理论的整个领域叫控制论(Cybernetics),这个字我们从希腊“掌舵人”演变而来,在选择这个字时,我们用它来纪念关于反馈机构的第一篇重要论文,这是麦克斯韦在1868年发表的一篇关于调速器的文章,而拉丁文调速器(governor)一字是从掌舵人讹误引申而来的,我们也想提到这个事实:船舶的操舵机的确是反馈机构的一种最早而且最发达的形式。


从发展上看,现有了闭环控制原理,才有了控制论。控制论是维纳将经典控制理论归纳总结,应用于其他领域。[其实控制论算是数学名著]

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我们看控制论的结构:

第一章:回顾总结科学思想和科学方法论趋势。通过对牛顿力学的相对性、局限性分析,指出“即便在引力天文学中也有逐渐衰减的摩擦过程,没有一门科学完全符合严格的牛顿式样。”

第二章:为控制论建立了一种统计理论。

第三章:提出了时间系列的统计力学问题。

第四、五章:对反馈系统的稳定性和计算机的记忆、运算和控制装置的特点分析,讨论了神经系统活动的某些机制和病理学的问题。

第六章:介绍群扫描概念和多级反馈系统的概念,讨论了视觉生理的某些问题和用一种感官来弥补另一种感官缺陷的问题。

第七章:结合对电子计算机工作可靠性的讨论,从控制论的观点研究这些机制的可能性。

第八章,运用控制论的观点去分析社会发展的问题。


总结:控制论的内容,更多的是将闭环控制原理,进一步抽象化,在更多的领域应用,所以将控制论当作一种基础学科。应用于动物和机器中,控制和通讯。而在控制论之前,

1、瓦特改良蒸汽机,增加反馈机构;

2、1868年英国麦克斯韦尔发表“论调速器“指出,不应该单独研究飞球调速器,必须从整个系统分析控制的不稳定性,建立系统微分方程,分析是否会出现不稳定的现象;麦克斯韦尔的论文是被公认的自动控制原理的开端;

3、1875年劳斯提出代数稳定判据;

4、1932年奈奎斯特提出奈氏稳定判据;

5、1936年英国的考伦德(A Callender)和斯蒂文森(A Stevenson)等人给出了PID控制方法;而PID控制是最经典的控制方法。

1848年维纳出版《控制论》,形成完整的经典控制理论,标志着经典控制科学的诞生。


在控制领域是先有了实践和控制原理;将控制原理进一步抽象化称为一门科学并应用于动物和机器中的控制和通讯,从而称为一门学科。


自动化的实践是控制论诞生的基础,基于这个基础,抽象称为一门学科被多个领域应用,成为控制论,控制论是用自动控制的原理(反馈机制)应用于控制、通讯等领域。

控制论将工程信息用数学表示

控制论是研究动物(包括人类)和机器内部的控制与通信的一般规律的学科,着重于研究过程中的数学关系。综合研究各类系统的控制、信息交换、反馈条街的科学,是跨及人类工程学、控制工程学、通讯工程学、计算机工程学、一般生理学、神经生理学、心理学、数学、逻辑学、社会学等众多学科的交叉学科。


控制论主要包括:信息论、自动控制理论。


信息论主要是关于各种通路(包括机器、生物机体)中信息的加工传递和贮存的统计理论。


维纳把控制系统所接收和加工的信息流看作一个时间系列(如电话线中随时间迅速变化着的电压系列就是一个时间系列。控制系统接收和加工的信息具有一定的随机性,具有某种统计分布。如果从时间系列观点,一个控制系统可能接收和加工大量不同的时间系列,各个不同的时间系列的出现都会有一定的概率,这就需要控制系统能接收和加工各个时间系列构成的统计,其中每一个时间系列都是其中的一个元。这样就解决了控制系统所接收和加工信息流的统计性质的数学表示。


有了时间系列的统计,就可以从过去的时间系列的统计来推知未来,预测未来;而一些信息被噪声干扰后,通过技术手段恢复原来的信息流,实际上也是用了统计方法,也是一种预测。


自动控制系统的理论主要是反馈论,包括从功能的观点对机器和物体中(神经系统、内分泌及其他系统)的调节和控制的一般规律的研究。


通常自动控制系统,希望实现负反馈。

比如船舶上的操舵机,将驾驶盘的转动,作用到一个与舵柄相连的装置上,通过这个装置调节操作舵机的气门,使得舵柄朝着这些气门关闭的方向转动。舵柄这样转动后,就使其门调节装置的另一端回到正中位置,这样驾驶盘的转角位置就再现为舵柄的角位置,而减少另一边气门的蒸汽量,就增加了使得舵柄达到所要求位置上的转矩。从而实现反馈。


本文作为从自动化理论看工业互联网的第一篇文章,首先介绍了《控制论》,以及控制论的地位。下一篇将用大家能够理解的方式介绍自动控制的基本原理(会引用很多《第五项修炼》中的内容。)


 来源:微信号xuyongshuo-work

作者:许永硕

该作品已获作者授权,未经许可,禁止任何个人及第三方转载。


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