自动控制与计量技术

　　在现代化的建设中，自动化与控制是推动新技术革命和新的产业革命的核心技术。随着现代工业的发展，控制论和自动化技术得到了空前的发展，特别是机器人、自动化生产线、无人工厂和各种自动化技术的应用，为现代社会的发展创造了巨大的财富，正在改变着社会、生产和生活面貌。

　　自动控制促社会现代化

什么叫自动化与控制？自动与控制就是人们采用信息技术与电子机械相结合，在没有人直接操纵的情况下，机器设备或生产管理过程，通过自动检测、信息处理、分析判断，自动地实现预期的操作或某种过程，也就是能完成人们预定的目标的一切技术的科学。自动化包括各种各样的自动机、机器人，比如自动取款机，自动包饺子机等。其实自动化技术包括生产控制自动化、经营管理自动化两个方面，它们是相互联系、相互渗透、相互促进的。比如近程和远程的自动控制是按预定程序运行各种信息收集、处理和控制的机器操作等。自动控制是系统工程与人身体的结构和工作机理有相似之处，自动控制系统中有相当于人大脑和神经系统控制装置，也有相当于人的手、脚及肌肉执行机构。传感器用于检测指令信息，外界变化信息以及被控对象的状态信息，并将其变换成电信号传给控制装置。控制装置则计算出被控对象的当前状态，也称为被控量，或系统的输出量，与所希望的状态（称为输入信号）之差，并根据这一偏差（称为误差信号）按一定规律产生出控制信号，然后经过放大，送给操作执行机构。操作机构用于驱动被控对象运动，直到它的状态达到所希望的状态为止。这种把系统的输出或系统的另外一些受控变量和系统的输入做比较后，形成的控制称为闭环控制或反馈控制。开环控制是一种比较简单的控制系统，它只是由控制装置改变被控对象的状态。在这种控制中，系统的输出量对系统的控制作用没有影响，既不需要对输出量进行检测，也不需要将输出量反馈到系统输入端与输入量进行比较。比起大规模的自动控制系统中还包括的许多小的系统，结构就比较复杂、多样，影响因素也多，常带有随机性质。比较好的控制系统能自动适应环境变化，并使性能优良的自适应控制系统，自动识别图像和自然语言，会学习、会推理，进行规划和决策的智能控制度高。

自动化与控制的发生和发展有着深厚的科学基础。如果说，蒸汽机、电力和原子能的应用只是人手的延长和强化，电子计算机的应用是人脑部分思维的机械化，那么，自动控制就是把这两种技术有机地结合起来，让电子机械能像人那样既能完成能量转换，又能完成信息转换，把人类从繁杂的重复性劳动中解放出来。这样，许多人类过去所想像的工作、工程现在靠自动控制奇迹般地完成了。自动控制是立足在能量变换和计算机技术充分发展的基础上，而当它向智能方向迈进时，它的发展又取决于生物学、心理学、神经生物学、医学、数理逻辑和数理统计等其他学科的发展。因此我们说，自动控制是一门综合性很强的技术科学。
自动控制应用十分广泛，计量测试检测中是离不开自动化控制技术的，采用自动化控制不但能提高产品质量，使科学研究的成果更加优良。还有综合性的自动化钢铁企业，采用计算机分级管理的全国性或区域性的铁路自动化调度系统、大电网自动调度系统，电子警戒雷达网、反导弹系统、情报自动检索和数据处理系统等等，它给人类提供了准确、高产、优质、低耗的物质实惠，极大地扩展了人类控制和改造自然的能力。现在各个国家都在不遗余力地向高度的自动控制技术投资，期待取得更好更多的回报，比如无人化工厂、导弹、巡航、反导弹系统、航空航天、海洋开发、微观世界的探测、生物基因研究、生态控制、交通运输、公益事业等等，这种采用自动化控制技术的局面竞争越来越激烈。我们相信不久的将来，在微电子学、计算机技术、光纤技术等科学的发展，社会发展的各个方面，包括家庭都会进入自动化控制的时代。

　　自动控制在不断发展

控制论是二十世纪四十年代末期出现的一门新兴学科。它是在自动调节、无线电通讯、电子计算机技术和数学、生物学、生理学、语言学等学科相互渗透、高度综合的基础上形成的。历经了工程控制论、生物控制论、经济控制论和社会控制论等发展阶段，我国科学家又提出了自然控制论的新观点，为人类能动地最优化地改造和利用自然界做出不可替代的贡献。

早在第二次世界大战初期，为了有效地对付德国空军的优势，许多科学家把注意力转向防空武器自动控制装置的研究，设法寻找一种能预测飞机飞行未来位置的方法，这样就能提高高射炮或高射武器的命中率。他们把通讯和控制的各种复杂系统和有机体的某些控制机制进行类比，在信息论的基础上，研究了机器和生物中信息传输、交换、处理和控制的一般规律，并明确地提出了关于在动物和机器中控制和通信的科学思想。从而控制论的基本思想就初步形成。第二次世界大战后，武器系统中追踪、瞄准、发射、导航等操作系统及生活过程均先后实现自动化。历代电子计算机又成为控制论的主要工具，这就使控制论得到更加迅猛的发展。

在上世纪４０年代至５０年代的这段时期，由于工业现代化的发展要求，经典控制论得到了发展和应用。人们在武器装备、工业生产等方面开始采用各种自动调节器、伺服系统与有关电子设备，侧重于研究单机自动化。例如，用伺服系统使雷达自动跟踪目标运动，控制火炮自动瞄准射击，构成飞机、舰艇的自动操轮系统等，用自动调节器来控制锅炉的水位，蒸汽的温度、发电机的电压等。这些工程控制随着工业、国防发展需求得到一定的发展。

到了上世纪６０年代，现代控制论被开发应用，在国防现代化建设中尤为突出，远程攻击，航天航空，人造卫星等科学技术发展很快，过去的单变量控制已不能满足要求，逐步的开展多变量控制，这样就需要从自动调节发展为最佳控制系统。比如，要实现人造卫星的准确入轨而处最佳的轨道位置、导弹的命中率的最佳化、企业工厂的自动控制技术保证产品的质量最好，以此实现企业的技术经济指标最好等等。实现多参量、全方位生产过程的控制已成为科技人员的追求目标。到了七十年代以后，大系统，全方位控制论迅速兴起。从多变量的局部性控制到总体性控制，规模越来越大，结构越来越复杂，功能越来越综合，计量检测参数越来越多。比如综合自动化的钢铁厂，从矿山开采、选矿、冶炼、轧钢、剪切到包装、运输，实现了大系统的最佳控制；从工程控制领域开始深入到了生物领域，进而又深入到了社会领域和生命领域。如利用控制论的方法研究社会经济问题形成了经济控制论，以此实现了经济管理的科学化。拟人技术代替部分人脑功能的研究，推动了人工智能化的发展，从工业机器人向智能机器人方向发展，从而推动着控制论的不断发展。上世纪６０年代以后，由于自动控制的发展，电子计算机的应用，机器人的发明，以及柔性控制系统的出现，综合自动化得到极大发展。无人化工厂、卫星姿态控制、精确制导、大规模集成电路等高精密的机械加工都能实现自动化精细控制。

　　（作者单位：中国计量科学研究院）