第1章 绪论

1.1 自动控制系统的工作机理与研究范围

随着信息、系统与控制等学科领域研究的不断深入和发展，各种新概念、新理论与新技术层出不穷，使得人们愈加希望能保持或调整设备或器件的状态或参数，以达成或获得期望的效果和性能目标。如何解决这些效果和性能的设定与调整，就会涉及控制理论及其应用方法的问题，对于这些问题的探讨与回答即构成了控制理论与应用的知识体系。

1.1.1 自动控制的定义

自动控制研究的对象极其广泛，几乎包括所有的机器、设备、过程等的操作和运行的各阶段与层面。简单地说，自动控制就是使用控制装置自动化，有目的地驱动或操纵被控对象，使之具有一定的状态或形态，实现期望的性能或设定的目标。依此定义，自动控制系统就是实现自动控制的组成部件及其相关要素的综合体，包括硬件设备和软件程序等；其中，实施控制的装置称为控制器；被控制的对象称为控制对象。更进一步的讨论将告诉我们，控制器与被控对象往往相互融合密切结合。比如，控制器可同时包含比较环节、决策环节和执行机构三个基本部分，视具体情况，这三部分也可独立分置。

1.1.2 开环控制与闭环控制

尽管控制系统有各种各样的形式，但就控制作用对控制对象的影响而言，可分为开环控制和闭环控制（反馈控制）两大类。当然，实际也存在开环/闭环控制方式同时作用，或交替作用的非严格反馈控制方式，如切换控制、事件触发控制等。

例如，保温瓶就是最简单、最典型的开环控制系统。这里控制器就是保温瓶胆，被控对象是热水（控制量是水温），控制目标就是保持水的温度，过程不需要人为干预，如图1-1所示。

在实际使用当中，由于瓶塞频繁开启、热水量减少以及保温材料绝热不良等原因，水温会逐渐变低，并且不会被保温瓶恢复。换言之，保温瓶只起保持作用而不起调节作用，对外部干扰的影响，控制器不能主动干预。该过程画成框图如图1-2所示。

图1-1 开环控制系统示例

总之，开环控制就是输出观测量（目标量）对控制作用量（操作量）无影响的控制方式。开环控制系统中的控制器只具有保持作用。

图1-2 开环控制系统结构框图

又比如，图1-3所示的水位控制系统则是典型的闭环控制系统。

图1-3 闭环控制系统示例

水位控制系统中，浮子、控制器刻盘以及水龙头开关三者构成控制器，被控对象是水（控制量是水位），控制目的是使水位达到预定位置。当出水流量增大或流入量减少时，水箱水位下降，出现与标准水位的偏差，该偏差由浮子检出，浮子将水位检测结果基于杠杆原理传给控制器决策环节，该环节推动水阀门打开，增加进水量以提升水位，使其恢复到设定水位。反之，当出水量减小或流入水量增多使水位上升时，反向检测偏差使决策环节关闭进水阀，使水量减少，从而达到自动控制水箱水位不变的目的。调整过程中，控制器既有保持作用又有调节作用，外部干扰能引起控制器干预，控制系统可画成如图1-4所示框图。

图1-4 闭环控制系统结构框图

总之，闭环控制就是输出观测量（目标量）对控制器作用量（操作量）有影响的控制方式，闭环控制系统中的控制器既有保持作用又有调节作用。