1.2.1 人工控制与自动控制

在自动控制理论的学习中，研究的对象仅限于物理系统。控制目的常常以实现保持特定物理量在某个范围或者按照一定规律变化，使得系统稳定运行，这便需要对施加作用的对象进行合理、及时的控制，以适应外界因素对预定目的的影响。控制过程中，被施加作用的对象称之为被控对象，其输出，也就是与其预期规律密切相关的量，被称作被控量或输出量，同时，这也是系统的输出量。正是因为被控量直接展示，所以在控制过程中对其变化规律有着严格的要求。

在控制被控对象抵消外界干扰的过程中，若控制本身与人工操作有关，便称为人工控制，而若是没有人类的直接操作，即纯粹依靠自动装置来完成控制过程中的调节，则称该控制为自动控制。

图1-1中，开关、电热水壶电路以及指示灯便构成了一个简易的电热水壶控制系统，系统在电源作用下进行工作，电热水壶电路、开关以及指示灯这三个物理部件构成该系统。在该系统中，被控对象为电热水壶电路，被控量是电热水壶中水的温度。

例1-2 将例1-1中需要人工启动的开关替代成使用温度传感器启动，如图1-2所示，此时在加热过程中，没有人的直接参与，因此，这个加热过程为自动控制，例1-1所示的热水壶则属于人工控制。在该过程中，温度传感器、和加热相关的电路以及指示灯这三个物理部件构成了自动控制电热水壶系统。被控对象仍然是电热水壶，被控量是电热水壶中水的温度。

图1-1 电热水壶控制系统示意图

图1-2 温度控制的电热水壶系统示意图

例1-3 图1-3为人工控制供水系统，在供水过程中，随着用户对水的消耗，水池中的水位逐渐下降，为了使水位保持恒定，需要将进水阀的开度（影响进水速度）调大，直至水位稳定在预期的水位线上。在该过程中，通过人眼观察到的水位和预期水位的差来对进水阀开度进行调节，当水位偏低时，开度需要适度调大，偏高则调小，在反复调节中达到预期水位。在该过程中，人、水池进水阀和水池水位构成了该水位调节系统，其中被控对象是水池，被控量是水位。此外，这里一直提到的预期水位，该预期值叫作给定输入，也称作预期输入、参考输入期望值，在控制系统中是极为重要的一个物理量，为控制的被控量变化规律提供了设计方向。

例1-4 例1-3为人直接参与的人工控制，如果能够找到等效替换人类角色的自动装置来代替这个环节，人工控制也就变成了自动控制。在图1-4中，该系统使用了浮子和连杆来实现自动控制。当水位下降，浮子也随之下降，然后浮子带动连杆，将进水阀开度调大。而当水位上升过快，高于预期水位的时候，浮子上升，带动连杆反方向调节进水阀，即将开度调小，然后在一段时间的反复调节后，浮子趋于稳定，水位趋于预期值。该过程中由于没有人的参与，因此实现了自动控制。

图1-3 人工水位控制系统

图1-4 简易水位自动控制系统

在等效代替人工控制的过程中，并不是只有一种自动装置，以例1-4为例，在水位改变时，也同时改变连杆位置，连杆牵动滑动电阻片的位置，然后以电压信号的形式返回，通过电路反馈，最后改变电动机转速来调节进水阀开度。在该过程中也可以添加减速环节，以减少接近预期值时变化过快导致的调节过程过长的隐患。

调节过程中，还接触到一个重要概念——被控对象的输出与给定输入的差值，通过该差值进而调整控制方向，逐渐让差值达到或接近零值。这里出现的差值一般称为偏差，而当偏差过大的时候调节速度随之也会变快，偏差过小则调节速度也会减慢，两者大小成正相关。可以看出偏差对于控制系统而言也是一个极为重要的物理量，在后续的内容中会对其重要性进行更详细的介绍。

例1-5 图1-5为交通灯控制车流量的系统，其工作原理为通过切换不同颜色的交通灯，来实现对车流通行的控制，使车辆能够有序通过路口。例如，当某车道的交通灯绿灯亮起时，相反或相碍车道显示红灯，此时绿灯车道的车辆便能获取无其他道路影响下的行驶时间。当黄灯亮起时，也会提醒车辆等待或小心行驶，为行驶提供了更多一层的保障。当驾驶员看到红灯时，其两侧的行人看到的则是绿灯，此时行人可以安全通过马路，行人的安全也因此得到了保障。最终，交通灯实现车辆和行人有序通过马路这一特定目的。在该过程中，系统由红绿灯、汽车和驾驶员三部分组成，其中系统的被控对象是汽车，汽车行驶状态为控制量。

图1-5 交通灯控制车流量系统

在控制过程中，为了实现预定的自动控制目标，被控对象常常在系统中与其他物理部件以一定的方式连接成整体，这个整体由人规划、设计，且在运行中不需要人参与，而这个整体便称为自动控制系统。在本例中，行人和驾驶员因为没有直接参与到交通灯的控制，只是机械地按照交通灯自动变化规律行动，因此也属于自动控制的范畴。