第1章 緒論

1.1 自動控制系統的工作機理與研究范圍

隨著信息、系統與控制等學科領域研究的不斷深入和發展，各種新概念、新理論與新技術層出不窮，使得人們愈加希望能保持或調整設備或器件的狀態或參數，以達成或獲得期望的效果和性能目標。如何解決這些效果和性能的設定與調整，就會涉及控制理論及其應用方法的問題，對于這些問題的探討與回答即構成了控制理論與應用的知識體系。

1.1.1 自動控制的定義

自動控制研究的對象極其廣泛，幾乎包括所有的機器、設備、過程等的操作和運行的各階段與層面。簡單地說，自動控制就是使用控制裝置自動化，有目的地驅動或操縱被控對象，使之具有一定的狀態或形態，實現期望的性能或設定的目標。依此定義，自動控制系統就是實現自動控制的組成部件及其相關要素的綜合體，包括硬件設備和軟件程序等；其中，實施控制的裝置稱為控制器；被控制的對象稱為控制對象。更進一步的討論將告訴我們，控制器與被控對象往往相互融合密切結合。比如，控制器可同時包含比較環節、決策環節和執行機構三個基本部分，視具體情況，這三部分也可獨立分置。

1.1.2 開環控制與閉環控制

盡管控制系統有各種各樣的形式，但就控制作用對控制對象的影響而言，可分為開環控制和閉環控制（反饋控制）兩大類。當然，實際也存在開環/閉環控制方式同時作用，或交替作用的非嚴格反饋控制方式，如切換控制、事件觸發控制等。

例如，保溫瓶就是最簡單、最典型的開環控制系統。這里控制器就是保溫瓶膽，被控對象是熱水（控制量是水溫），控制目標就是保持水的溫度，過程不需要人為干預，如圖1-1所示。

在實際使用當中，由于瓶塞頻繁開啟、熱水量減少以及保溫材料絕熱不良等原因，水溫會逐漸變低，并且不會被保溫瓶恢復。換言之，保溫瓶只起保持作用而不起調節作用，對外部干擾的影響，控制器不能主動干預。該過程畫成框圖如圖1-2所示。

總之，開環控制就是輸出觀測量（目標量）對控制作用量（操作量）無影響的控制方式。開環控制系統中的控制器只具有保持作用。

又比如，圖1-3所示的水位控制系統則是典型的閉環控制系統。

水位控制系統中，浮子、控制器刻盤以及水龍頭開關三者構成控制器，被控對象是水（控制量是水位），控制目的是使水位達到預定位置。當出水流量增大或流入量減少時，水箱水位下降，出現與標準水位的偏差，該偏差由浮子檢出，浮子將水位檢測結果基于杠桿原理傳給控制器決策環節，該環節推動水閥門打開，增加進水量以提升水位，使其恢復到設定水位。反之，當出水量減小或流入水量增多使水位上升時，反向檢測偏差使決策環節關閉進水閥，使水量減少，從而達到自動控制水箱水位不變的目的。調整過程中，控制器既有保持作用又有調節作用，外部干擾能引起控制器干預，控制系統可畫成如圖1-4所示框圖。

總之，閉環控制就是輸出觀測量（目標量）對控制器作用量（操作量）有影響的控制方式，閉環控制系統中的控制器既有保持作用又有調節作用。