1.1 控制与反馈控制

人们在日常生活和生产中，不论做什么事都希望按照自己期望的或规定的目标和要求发展，当发现事物的发展偏离期望目标和要求时，就会对事物进行调整。例如，驾驶人总是期望汽车能安全、快速地沿着期望道路行驶，在驾驶过程中就依据汽车行驶状态和道路状况对其进行各种驾驶操作，使之达到期望的行驶要求。在这里，“事物的发展偏离期望目标和要求”是对事物进行调整的依据，调整的目的就是希望事物按照期望的和规定的目标和要求发展。这种调整实际上就是对事物施加某种操作或作用，从广义上看就是对事物的控制。

在控制工程领域，需要调整或控制的对象是各种工程系统，如电气系统、机械系统、化工过程系统等。具体地说，就是电力系统的电流/电压控制、机械系统的位置/速度控制、化工过程的压力/流量控制、建筑物的振动控制等。这些工程系统虽然各自具有不同的物理属性，但是从控制的角度来看，它们都是被控制对象或系统，都具有输入信号和输出信号，其输入信号实际就是对系统的控制作用，其输出信号就是系统对输入信号控制作用的响应，并且这种响应输出信号一般要求达到或接近某种目标。因此，控制就是对系统施加某种输入信号，使系统输出信号达到保持规定或要求的运动目标/性能的过程。当这种输入控制作用不是由人直接控制，而是由某个或某些装置自动实现时就是自动控制。

下面分析两个实例。

实例1

图1.1所示为一个恒温箱控制系统。恒温箱的恒定温度（作为控制的目标温度或设定温度）由输入信号u1设定，当恒温箱内的温度与设定温度一致时，设定的输入信号u1和温度传感器的输出信号u2就相等，驱动装置和传动装置保持恒定工作状态，调压装置输出恒定电压，使恒温箱内加热器保持恒定加热状态。此时，恒温箱内的加热和散热达到平衡，其内部温度就恒定在设定温度上。当某种原因使得恒温箱内的温度发生变化时，温度传感器的输出信号u2就与设定的输入信号u1形成偏差信号Δu=u1-u2，使驱动装置和传动装置改变原工作状态，调压装置的输出电压使加热器按照减小温度变化的方向（使Δu趋于0的方向）改变热量，直到恒温箱内的温度再次保持在设定温度值上为止。本实例中的恒温箱就是控制对象，加热器上的电压对这个系统施加作用，箱内的实际温度（由温度传感器检测得到的温度）就是恒温箱控制系统对上述电压的响应输出。显然，改变加热器上的电压可以改变恒温箱内的温度，那么利用反映设定温度与实际温度之差的信号Δu来调节加热器上的电压，即调节恒温箱的输入作用，就可使恒温箱内的温度达到并保持设定温度值，从而实现恒定温度的自动控制。

图1.1 恒温箱的控制系统

实例2

图1.2所示为水箱的水位控制系统。水箱应保持的水位（需要控制的目标水位）由输入电位器设定，当水箱的水位与设定水位一致时，检测装置的输出信号Δu=0，此时，进水阀门的开度保持不变；当水箱的进/出水量不一致时，水箱的水位就会偏离设定水位，这时检测装置的输出信号Δu≠0，驱动装置通过传动装置对进水阀门的开度进行调节，直到水箱的水位再次达到设定水位为止。在本实例中，由水箱和进/出水阀门等组成的系统是控制对象，开/闭进水阀门就是对该系统施加作用，水箱的实际水位就是对该“施加作用”的响应输出。可见，改变进水阀门的开度可以改变水箱的水位，利用检测装置的输出信号可自动调节进水阀门的开度，使水箱的水位达到并保持设定的水位。因此，水箱的水位控制属于自动控制。

图1.2 水箱的水位控制系统

从图1.1和图1.2所示的两个不同系统的控制过程可以看出，对某个系统实施控制时，必须实时检测系统输出信号是否达到或实现期望的目标和要求，检测的结果决定对控制对象施加的控制影响。这种对系统输出信号进行检测并将检测结果引入被控系统输入端实施控制，使其输出信号达到或接近期望目标的过程称为反馈控制，这类控制系统称为反馈控制系统。

图1.1和图1.2所示控制系统的结构和控制作用各不相同，但从反馈控制过程的共同特点来看，它们都可以抽象为图1.3所示的反馈控制系统的框图。在图1.3中，给定的输入信号r（t）一般为控制系统应达到的目标信号，称为系统的参考输入或输入量；输出信号y（t）一般是系统在给定输入信号r（t）作用下的实际输出，称为系统的响应或输出量，也称为被控制量。输出信号通过测量装置引入给定输入端的过程称为反馈，其目的是将反馈信号b（t）与给定的输入信号进行比较，以得到反映控制目标是否实现的偏差信号e（t）。控制装置对偏差信号e（t）进行计算处理后产生的控制信号u（t）称为系统的控制量，它作用于控制对象，使之产生输出信号y（t）。

图1.3 反馈控制系统的框图

从上述分析可知，这种将系统输出信号引入输入端，利用可供比较检测的偏差信号进行的反馈控制过程，实际上是一种“检测偏差—纠正偏差”的过程，并且这个控制过程没有人的直接参与，控制系统自动完成测量反馈、比较检测和控制调节作用。