有「頭腦」的機器——自動控制系統

人類自從有史以來就不斷尋求生活上的進步。憑著他的天才，他發明了機器使許多人省卻身體上的勞力。可是他並不以此為足，因此他繼續發明別的機器為他分擔部份的精神勞力。人所發明的機器愈來愈方便，現在已達到能作自我管制的程度，而且比以前任何時期都快捷得多。這種控制系統實現了人類久已懷著的一個理想——自動機器！

現時自動機器在許多人的生活上已成為一日不可或缺的東西。由使你一室溫暖如春的自動調溫器和準時催你起床的鬧鐘，至為你把麵包烘成金黃鬆脆的烘麵包爐，你都會從一種復一種的自動化設計獲益。

稍為了解自動化裝置的基本原則可以幫助我們從腦中袪除科學幻想的氣氛。雖然控制系統的範圍從家庭用具伸展至繁複的太空衛星指示系統，它們的基本原則其實是相當簡單的。若能了解一些較簡單的系統的作用，我們甚至對最複雜的系統也可窺見一斑。

外圍控制系統

為了進一步看看控制系統怎樣發生作用，讓我們以大家都熟悉的麵包片烤爐為例。你若要將麵包片烤到什麼程度，只須將指揮器轉至適當位置便行了。這是命令符號，也是對烤爐的「輸入」憑著這項輸入的命令，你告訴烤爐你要那一種麵包片，那便是說，你要它作怎樣的輸出。你所移動的轉盤其實是一個計時器，控制著烤爐中實際工作的部分，即發熱的電絲。這包括較簡單的控制系統的基本因素，工程師稱之為外圍控制系統。我們可以用以下的插圖加以說明：

這種系統的兩個主要部份指示選擇器和活動單位。指示選擇器的工作是將輸入命令「翻譯」為活動單位可以「明白」和「服從」的術語。以自動烘麵包爐而言，指示選擇器是作為計時器的轉盤，開動發熱部份的時間長度便由此決定。輸入的命令是麵包片所烤至的理想程度，——淺色，較深，深色。這種形式的輸入命令對活動單位是毫無意義的。因此，指示選擇器須要將輸入命令「翻譯」為預先決定的時間長度，並使活動單位依照輸入命令的新「言語」行事。藉著這種方法，指示選擇器將輸入命令「傳達」給活動單位其明白執行。發熱部份構成了活動單位，因為它將任務加以執行或做著這個系統的所能做的工作，那便是，將麵包片烘好。

當然，要想獲得一片恰如理想的烘麵包，你可以用手持叉，將麵包在火爐上烘，但是你須要將其反覆轉動和留心看著，所以須要你不斷留意和費力。但藉著運用上述的簡單控制系統，你不但能對出品的品質有相當程度的控制，而且省卻用手工作所費的精神氣力。藉著這種方法，簡單的控制系統達成了自動機器的目的。

可是這種系統何以稱為外圍控制系統呢？當輸入命令傳達給系統時，控制的工作其實已完成了。從這時起，機器便依照指揮而行，正如圖一所示一般。其間並沒有再進一步的控制。在正常的情況下，系統中各部門進行順利時，最後的產品或輸出必然與輸入的命令相符。

可是，倘若進行得不順利又如何呢？若有意外的因素出現又如何呢？以麵包比正常的較乾來說。系統中沒有什麼東西可以通知活動系統，使其改變作用或加以補救。因此，你最終也許會獲得一片焦黑的麵包，雖然你僅將轉盤攪向較深的部份而已。系統內部沒有附設任何東西可以改變或糾正它的運行，即使出品不如理想也沒有辦法。輸出的東西不能影響或控制系統的運行。因此這種系統稱為外圍控制系統。

很顯然地，這種缺點的補救方法只有在發現出品品質不對時調整控制系統。在純是外圍控制的系統中，補救方法只能由人手執行。當你看見麵包片在爐裡出煙時，你可以調整爐外的「烤烘程度」選擇器。或者，看到麵包顏色烘得不夠深時，可以轉至較深部位。藉著這種方法，你可以親自調整控制系統以改善出品的品質。你可以任意調整機器的進行使出品符合理想的品質。

閉環控制系統

當然，在真正自動的控制系統裡，所要完成的反饋行動應該不用人手指揮而是由機器裡裝置的設備來擔當「監管」的責任，而且比人更快和更準。這種系統稱為閉環或反饋控制系統。

為了觀察一下簡單的閉環控制系統如何產生作用，讓我們研究另一個常見的例子，家庭用的自動調溫暖氣系統。此種系統含有上述外圍控制系統的一切特色。當然，實際上使室內空氣暖和的活動單位乃是發熱器。指示選擇器是自動調溫器的溫度計，而自動調溫器本身又是反饋系統的附屬物。這幾個基本部份大致由圖二加以說明。

假設你希望房間保持舒適的華氏74度。因此你將溫度計轉至理想的溫度。這便是對系統的輸入命令。於是輸入系統便開動發熱器並加以控制。在發熱器繼續開動之際，房間的溫度開始上升而逐漸達到預定的溫度。當室內溫度達到74度時，它扳動自動調溫器把指示傳給發熱器的控制部份而將發熱器熄掉。

一般地說來，在發熱器關閉後溫度仍然會稍為上升，終於達到最高點而開始下降。當然，這種升降不會離開預定的溫度太遠。在室內溫度降回74度時，自動調溫器再行活動，發熱器又再度開動以阻止溫度繼續降低。藉著這種方法，發熱-調溫雙管齊下形成一種自動機器使室內保持指定的溫度。在這個事例中，自動調溫器成為系統中的「腦」而發揮監管和調整的作用。

反饋作用

從上述對外圍和閉環控制系統所作的簡單分析中，若將圖一和圖二作一比較，你可以很容易發現兩者之間的基本分別是在於反饋作用的有無。這種作用乃是自動控制系統的心臟。反饋作用使系統發生「自動」的性能。反饋的基本作用在衡量輸出及將其與輸入比較。在多數的例子中這種作用均由電力發動；這通常是最方便和最準確的方法。

一般稱為電功率轉送器的設備被用來將各種物理性質如溫度、壓力、排水量、速率、加速、光線等改變為電力符號。這種符號可以被衡量和甚至記錄下來，以便不斷測量系統中的動態。較多人知的電功率轉送器包括光電管、回轉儀和壓電晶體等。這些東西的設計和運用本身便是一種非常引人入勝的學問。

雖然今日自動控制系統方面的科學突飛猛晉，它的歷史卻是相當晚近的，只有半世紀左右。在這段短短時間中，我們看到自動系統的理論出現發展和實踐。這方面的急速進步可歸功於兩個主要原因。

最首要的是，電氣和電子技術的不斷進步供給控制學工程師所需的工具和「金屬零件」去建設他們的系統。其次是，工業的需求促使科學家加緊研究，結果使控制系統的科學和藝術達到現行的程度。

今日在許多地方都不難看到家庭中裝置各種自動用具，辦公室擠滿商業機器和電算機，工廠的全部生產過程從原料以至精良的出品，均一律由自動控制系統擔任。不錯，自動控制系統的進步史充分表明創造主賦予人的能力，使人可以研究和運用一切來自上帝的物質和法則。

［第27頁的圖片］

圖一外圍控制系統

［第29頁的圖片］

圖二閉環控制系統略圖