《荒土帝国》佚名n

50、数字控制与身后迷局

　　北冥西南1600㎞沧溟市环岛纪年361年中期
　　稀稀落落的车流在城郊的林荫公路之间穿行，驶向远处的山谷或是返回另一侧的城区。
　　其中有一辆黄绿色的重型卡车从远处的山谷之中驶来，宽大的车厢之中堆满了闪闪发光的精工钢材。
　　与同行的其它车辆不同，它并没有驶向城区，而是车头一转，驶入了旁边的一条小路。从铺满落叶的路面上来看，这里应该并不是经常有人问津。
　　穿过小路和尽头一座平坦的路桥，桥头道闸随着车辆的到来缓缓升起。一座大型工厂赫然显现在了群山脚下的密林之中。
　　穿过厂房外货物堆积的方场，进入成群的白色低矮厂房。
　　办公室内的显示屏前，数名工程人员正在忙碌的操控着键盘和鼠标，而它们面前的屏幕上，是各式各样的彩色三维模型。
　　隔壁的车间内，几名工程人员正聚在一起讨论着什么。而在他们的身旁，一台机身由精钢制成，占地数平米的机器正安静的躺在那里。
　　正在这时，一名男子从门外走了进来，几人也随即转过头去，停下了手中的工作。
　　“望海先生，您终于来了。”
　　望海的目光环视四周，最后在那台机器上落了下来：“准备工作进行的怎样？”他问道。
　　“材料已准备就绪，模型也已经导入机床，机器可以随时开始作业。”领头的工程人员说道。
　　“很好，开始吧。”望海向机器的方向走了过去。
　　这台机器便是漠岭精工机械制造厂生产的，环岛之上的第一台数字加工设备——数控机床。
　　在这一年的时间里，随着第一批改良型电学计算器的售出，漠岭精工机械制造厂的名声也在帝国之内变得越来越大。
　　其规模和市值更是在一夜之间连翻十几倍，从漠岭市一家名不见经传的小厂，跻身为帝国境内的区域性大型工厂。
　　环岛科学院也在指定科研项目的联合投资下，成功研发出了一种可供长期存储的器件——浮栅场效应管。
　　这是绝缘栅型场效应管的一种改版，在其栅极上加装一块可以储存电荷的金属氧化物，就像浮空的电容器一样带有电势，可以储存电信号，并且利用隧道效应读取和擦除。
　　通俗一点讲，就是靠一个浮空的小球储存电荷，依靠对小球的充放电实现对数据的存储和擦除。这解决了依靠机械存储时体积过于庞大的问题。
　　在有了存储能力的基础上，便可以在机器中存储字库，逻辑库等数据信息，通过编码器和译码器调用和运算，从而实现复杂操作。
　　“嗡”随着工程人员将按键按下，机身上的指示灯相继亮起，机器也随之启动起来。
　　这台机器，便是环岛之上第一次将复杂算法逻辑应用于闭环控制的机器——数控机床，也是一台时代的里程碑。
　　只见原料钢材被机器从物料槽中取出固定，机器一端的刀头随着另一头夹持物料的固定器推进，将钢管的表面削出了一条完美光滑的弧线。
　　实际上，那并不是一条真正的弧线，而是机器通过插补法，将刀头走过微小的阶梯状路线，实现高次曲线的数字积分插补。
　　所谓数字控制，因为信号是01数字的缘故，不可能走出光滑的曲线。
　　只要规定好起点位置，步长和所需加工曲线的函数，刀头便会自动走完要求加工的路径。这种精密的操作，是元能引擎和人工较难实现的。
　　而数控机床之所以可以实现这种操作，依靠的是脉冲电机（注①）内部磁极轮番通电完成精准控速，以及脉冲宽度调制给电机输送的精准电压。
　　几趟切削过后，一根中空的镂空钢管便呈现在眼前。
　　实际上，虽然已经提前设定好了电机运动的要求量，但是电机并不一定会按照理想状态转动，因为通常在系统之中会存在扰动，让理论和输出上产生误差。
　　比如有人卡住了电机转轴，这就是输入的扰动。
　　要解决这种误差，就需要用到前馈控制或反馈控制，通过即时测量误差，反馈调节电机输出至指定的量值。
　　这种控制的理论实现，需要从环岛数学和基础控制学说起。
　　任何系统都可以建立自己的数学模型，同阶系统的模型相似，比如一个钟摆系统的数学模型和RLC电路的模型都为二阶微分方程，那么它们的数学模型则是基本一样的。
　　为了实现反馈调节，需要将被控对象的数学模型与控制系统的模型相结合，构成一个整体模型。
　　设定好需要的输出之后，将测量结果与要求值之间的差值（误差）反馈到整体系统的输入端，通过模型的运算后作为被控对象的输入，这就能使被控对象获得想要的输出。
　　但实际上，加入控制器的闭环控制系统并不一定稳定，这就需要通过对系统的稳定性进行分析，使输入信号下的微分方程的解趋于稳定（微分方程是描述系统随时间变化的方程，自变量x（t）是系统的输入，其解y（t）是系统的输出，此时需要消除无限个齐次解，保证系统输出值不会随着时间的流逝而发散），实现方法为将加入控制器后的系统模型的极点配置于复平面的左侧（注②）。
　　环岛控制学理论中的最原始的控制模型便是PID控制算法（控制器），在与被控对象一起构成控制模型时，PID控制算法可以在完成反馈调节的同时，使系统保持稳定。
　　只是单凭环岛机械的运算水平，实现此算法显然是得不偿失的，但随着电学的出现，这一切将会有所不同。
　　这款来源于早期环岛狂热算法设计师的算法虽然原始，但在实现上却十分简便，所以被望海选择在这台数控机床上使用。
　　PID控制器是一个典型的控制黑箱，但与元能那种深不可测的黑箱相比，简直不值一提。
　　之所以说是黑箱，是因为在P（比例）I（积分）D（微分）三个环节参数的设定上，大多数情况下是凭借感觉进行的。
　　比例环节的作用是将测量后返回的误差（即需求值减测量值）通过乘以比例系数，让输出结果以线性趋近设定值。比如跑50米，在起点时误差为50，输入量为距离，现在人为设定比例系数为0.5（选的过大会超调）。
　　这是一个数学模型的输入等于输出的简单系统（为了举例方便），实际情况下比例系数通常会乘以电流或者转速之类的量值，所以可以设到很大。
　　人在起点时输出为0，误差为50，将误差返回输入，则新输出=0.5（比例系数）×50（误差）=25，此时更新输出为25，误差为25，然后依次类推，输出会为37.5、43.75......
　　最后，跑步者会停在无限趋近于50米的地方。
　　如果是控制电机的话，则输入量是电压，输出量为转速，只是中间要通过一个较为复杂的数学模型，其道理是一样的。
　　积分环节则是为了弥补比例调节无限趋近不可达的缺憾，在未达要求量以前一直做积分运算，可以消除稳态误差，同样需要设定积分系数。
　　而微分环节则能预测输出变化趋势，让系统输出更快变得稳定，避免超调，同样需要选定微分系数。
　　就是这么一个控制模型，只要保证其可以收到传感器测得的误差信号并处理，再将处理后的信号加在被控对象（如电机）输入端之前，甚至可以在不知道被控对象数学模型的情况下，调节系统到达要求的输出。
　　就这样，曾经需要大型机器才能制成的控制器，被成功的集成到了一个以MCU（芯片）为核心的可编程控制器上，只靠一张并不大的芯片就能完成所有需要的运算。
　　望海从机床旁边的平台上拿下了已经加工好的镂空铁管，手感上还带着些许的滚烫。
　　“只要数控机床投入批量化生产，环岛工业将进入全自动化生产的阶段，生产力不足的问题也会得到解决。”望海手持钢管观看了片刻后，便将其放入了一旁的物料箱中。
　　“是的先生，应您的要求，这种数控机床已经全面投入公司的生产日程，第一批产品也会在不久之后完工，加入到各大企业的机械化生产之中。”领头的工程人员说道。
　　望海听后没有再说什么，他沉思一会儿后，便掠过一旁正在讨论的工程人员，从车间的大门走了出去。
　　厂房外，望海神色凝重的穿行在堆放货物的方场上。
　　他并不担心数控机床的市场问题，但是沧溟分厂作为帝国内首个数控机床的制造厂，最近在产品销售方面确实遇到了一些不小的麻烦。
　　至于这一问题的源起，还是要从前一阵沧溟市市政大臣全面换水的事件说起。
　　精工制造厂刚刚在这里设立分厂时，商业环境对于他们来讲还是十分友好的。
　　在厂内相关部门的努力下，企业与市政方面的各个部门以及各路官员一直保持着较好的合作关系。
　　但是不知什么原因，沧溟市原有官员在突如其来的一月之内经历了一场巨大的换水，很多与企业关系良好的官员都不知去向，而剩下的即便还认识，态度也发生了较大改变。
　　就在官员换水之后不久，沧溟市便出台了新的地方税法，其中有一条更像是专门针对精工制造厂一般，对电学机械的出售与出口加征了巨额税款。
　　这一举动，无疑对数控机床的销售造成了剧烈的冲击，盈利预算也随之一跌再跌。
　　数控机床受到政策上的阻挠，岛内加工生产水平上的进步无疑也会受到巨大的钳制。
　　而最近帝国各地海岸萦绕的阴云，以及随时都可能降临的未知灾难很可能会在短时间内摧毁这尚未成熟的新兴工业体系。
　　究竟是什么样的人会这样做？他又能从中获得什么？想到这里，望海陷入了沉思。
　　权力？利益？还是不为人知的理由？
　　电学产业的停滞，只会使荒土人类距离世界背后的真相越来越远，与世界的发展背道而驰。在混乱之中迷失自我的人类，也会逐渐失去其存在的信念与意义。
　　望海抬头望了一眼阴暗的天空。
　　只有人类自己的抉择，才能决定他们未来的命运。

　　注①：可以理解为带闭环反馈的步进电机或伺服电机。系统可以根据电机反馈的转速，反馈调节电机中多个线圈的输入电压，从而控制电机的转矩输出。
　　注②：将描述系统的微分方程进行拉普拉斯变换后，会出现极点和零点的概念，极点实际上是一种根，可以通过反馈等方法进行配置，而极点的位置，则影响着系统的稳定性。
　　通俗的讲，拉普拉斯变换就是将函数扔到三维空间，在这个维数更高的空间中，分析和求解都会变得方便。（使用这种方法，可以将微分方程变为代数运算，求出微分方程的解再逆变换回去后，就是方程解的普通形式）