自动控制让机器自己工作。我们设定目标机器就能达到。比如空调保持房间温度。我们设定二十六度空调开始工作。房间温度高于二十六度空调制冷。房间温度低于二十六度空调停止。机器测量温度自己调整。这就是自动控制。

自动控制需要几个部分。测量部件看看现在情况。比较部件看看和目标的差距。计算部件决定怎么做。执行部件真正动手改变。空调里的温度计是测量部件。它把当前温度告诉控制器。控制器里有比较部件。它比较设定温度和当前温度。发现当前温度高于设定温度。计算部件开始思考。它决定启动压缩机。执行部件就是压缩机和风扇。它们启动开始吹冷风。房间温度慢慢下降。温度计持续测量。温度达到二十六度控制器让压缩机停止。这个过程循环不停。

自动控制很早就有。古代的水钟利用水流计时。水流速度保持恒定时间就准确。古人用浮子调节进水口。水位高时进水口关小。水位低时进水口开大。这就是自动控制。瓦特发明蒸汽机离心调速器。蒸汽机转动太快调速器飞球升高。飞球升高关小蒸汽阀门。蒸汽减少机器慢下来。机器慢飞球下降阀门打开。蒸汽增加机器又快起来。这样机器速度基本稳定。这些是不需要电的自动控制。

现代自动控制用电和计算机。电让控制更快速更精确。传感器代替人的眼睛。压力传感器感受力的大小。光电传感器感受光的强弱。声音传感器感受声音高低。传感器把感觉变成电信号。电信号传到控制器。控制器常常是计算机。计算机计算速度快。它每秒计算很多次。计算结果送给执行器。电动机转动阀门打开。电磁铁吸合开关闭合。机器按指令动作。

自动控制在家电里很多。电饭煲煮饭自动控制。米和水放进锅里。我们按下煮饭按钮。温度传感器测量锅底温度。控制器知道米饭熟了的温度。加热盘开始加热。水沸腾时温度保持一百度。水分慢慢蒸发。锅里温度开始上升。温度升到一定值控制器认为饭熟了。它断开加热盘电源。保温电路开始工作。温度低于某个值就微微加热。这样米饭保持温度不会变冷。洗衣机洗衣服自动控制。我们选择洗衣程序。进水阀打开水进桶里。水位传感器感觉水位够了。控制器关闭进水阀。电机转动衣服翻滚。计时器计算洗衣时间。时间到了电机停止。排水泵启动排出脏水。接着进水漂洗。最后高速脱水。衣服洗净甩干。全自动完成。

工厂里自动控制更重要。一条生产线许多机器。机器手安装零件。传送带运送产品。摄像头检查质量。所有动作连贯进行。每个环节需要精确控制。机器人焊接汽车车身。它必须焊在正确位置。传感器找到焊缝。控制器指挥焊枪移动。焊枪高度速度都要合适。温度太高会烧穿钢板。温度太低焊接不牢。控制器调节电流大小。保证每个焊点质量一致。化工厂生产化学品。反应罐需要合适温度压力。温度太高可能爆炸。压力太大可能泄漏。自动控制系统时刻监视。温度传感器压力传感器不断发送数据。控制器分析这些数据。它控制加热器冷却阀。它调节进气阀出气阀。生产安全进行产品质量稳定。

现代汽车有自动控制。发动机控制最典型。汽车速度由我们踩油门决定。油门实际控制进气量。电子节气门代替老式拉线。我们踩下油门踏板。传感器感知踏板深度。控制器计算需要多少动力。它命令节气门打开一定角度。更多空气进入发动机。喷油嘴喷出更多燃油。火花塞点火燃烧。发动机动力增加汽车加速。这个过程非常快速。它还要考虑很多情况。比如发动机温度低时需要多喷油。比如海拔高空气稀薄时减少喷油。比如突然收油门时切断燃油。自动控制让发动机有力省油清洁。

汽车刹车也有自动控制。防抱死系统现在常见。紧急刹车时车轮容易抱死。抱死的车轮不再转动。汽车容易打滑失控。防抱死系统自动工作。它感知车轮转速。发现某个车轮快要停转。它减少这个车轮的刹车力。车轮恢复转动。然后再施加刹车力。这样反复多次每秒很多次。车轮不会完全抱死。汽车可以转向避开障碍。刹车距离也可能缩短。安全得到提高。

航空航天依赖自动控制。飞机自动驾驶仪很久就有。飞行员设定航向高度。自动驾驶仪保持飞机飞行。陀螺仪感知飞机姿态。高度表测量飞行高度。空速表测量飞行速度。自动驾驶仪比较当前值和设定值。发现偏差就发出指令。舵机拉动舵面调整。飞机抬头低头转弯。长途飞行飞行员可以休息。客机飞行大部分时间自动驾驶。无人机更是全靠自动控制。地面人员设定航线。无人机自己飞行。它感知自己的位置高度。它避开障碍物。它完成侦察送货等任务。没有自动控制无人机不能飞行。

自动控制对社会生产影响很大。工厂自动化生产线产量高。机器二十四小时工作。产品规格一致质量好。生产成本降低。人们从重复劳动中解放。人们可以从事设计维护等工作。农业生产也开始自动控制。大棚自动调节温度湿度。灌溉系统按需浇水。无人机喷洒农药。粮食蔬菜生长更好。资源消耗更少。

自动控制需要人们设计调试。工程师了解被控对象特性。他们设计控制算法。最简单的算法是开关控制。空调控制就是开关控制。温度高开制冷温度低关制冷。但开关控制容易频繁动作。压缩机不停启动停止影响寿命。于是有比例积分微分控制。这种控制考虑偏差大小。考虑偏差持续的时间。考虑偏差变化的速度。计算更合理输出更平稳。空调可以调节压缩机转速。温度高时转速高冷气大。温度接近设定值时转速低冷气小。温度更平稳压缩机更平顺。这种算法应用非常广泛。

自动控制需要数学模型。工程师用数学描述对象行为。比如描述汽车运动。速度变化与油门大小有关。与路面坡度有关。与风阻有关。列出方程进行计算。控制器设计基于这些方程。仿真技术帮助验证。计算机里模拟整个系统。测试控制算法效果。不行就修改。没问题再实际使用。节约时间减少风险。

自动控制继续发展。智能控制是新的方向。传统控制依赖精确数学模型。很多对象模型难以建立。智能控制模仿人的思维。模糊控制是一种方法。它不要求精确数值。比如温度“有点高”“比较高”“很高”。控制器根据这些模糊描述决定动作。神经网络控制另一种方法。它像人脑一样学习。通过大量数据训练。它学会什么情况下该做什么。智能控制更灵活适应性强。

自动控制让生活更便利。我们享受它的成果。回家时房间温度适宜。吃饭时米饭刚刚煮好。出行时汽车安全稳定。工厂生产物品丰富廉价。自动控制隐藏在后面。它默默工作我们很少注意。理解自动控制原理很有意义。我们知道机器如何为我们服务。我们知道技术如何进步。未来自动控制会更深入生活。更多机器自主工作。人们创造更多新事物。世界继续改变。