当前课程知识点：自动控制理论（1） > 第二周：控制系统的概念及数学模型 > 控制的基本概念 > 视频
现在我们正式开始
自动控制原理这门课程的讲述
在本节中呢
我们先介绍几个基本的控制概念
首先是反馈控制这个概念
那么作为控制系统
它最核心的一个理念就是反馈
那么在介绍这个概念之前呢
我们首先来看一看如果没有反馈
那么系统是不是一定能工作
这是所谓的开环系统
在开环系统中
我们通过给定作用到控制器
再从控制器输出的控制量
来作用到对象上
形成对我们所关心的
被控量的一个调整
尽管没有从被控量的
这个反馈的这个环节
但是仍然可以体现出
控制的一些基本的思想
通过我们计算
我们发现不同的给定会形成不同的被控量
所以在某种意义上来讲
调整 给定也可以形成被控量的不同变化
那么我们给两个生活中非常常见的例子
第一个是一个电风扇
第二个是一个电热管
来形成对水的加热
从这两个例子中可以看出
由于我们对于控制的要求不高
也就是我们并不是非常关心
风扇的转速具体是多少值
我们也不是非常的关注
水温的这个加热功率是多少
所以我们可以采用这种价格低廉
非常方便的开环控制
但是如果我们想像另外一种场景
假设我们通过这个风扇的控制
来构建一个对于飞机的风洞实验场环境
或者说我们通过电热管来形成一个
化工控制过程的一个温度控制
那么我们这样的一个控制过程
将无法满足要求
所以我们总结一句话
开环控制的特点是不精确
不迅速 也不鲁棒
因此很自然的一个想法
就是我们要引入反馈控制的概念
反馈控制在我们的生活中是比比皆是的
除了我们非常熟悉的冰箱的温度控制
空调的温度控制
事实上人在完成各种动作的时候
也都采用了反馈控制的一个方式
在这里我们选取一个非常典型的
大家都非常熟悉的例子
就是抽水马桶
抽水马桶的发明
远在控制能够成一门专门的控制技术
和控制学科之前
我们这里通过一个动画来看一看
抽水马桶是如何工作的
首先当我们摁开扳手的时候呢
这个水就会冲下去
冲完之后这个冲水阀门会关闭
之后水位就会重新升高
完成水的注入
那么在这个过程中
我们控制的目的是什么呢
我们最关心的控制目的
就是我们不希望这个注水量过多
以至于溢出
所以我们必须要保证
这个注水的高度达到我们预定的要求
那么这样一个系统
是如何实现这样一个控制过程
我们再看一遍这个动画
当水冲出去以后
阀门打开水开始注入
那么当水注入的时候
在水中放了一个浮物
这个漂浮物随着水位的升高也一块升高
那么当达到某一个高度的时候
这个漂浮物就会控制注入阀门使它关闭
使得这个水位停在某一高度
所以我们可以看到
在这样一个很久以前发明的一个
我们生活中的常用品中
就已经体现了反馈控制的思想
那么接下来
我们把这个反馈控制的抽象化
我们看一看
从整体上反馈控制将如何来描述
这是一个非常典型的反馈控制系统的
一个最简单的一个结构图
那我们可以看到
与前面的开环控制相比
它最大的差别就在于输出量
实际上经过一个测量
再与输入 也就是给定相比较
然后根据误差来进行控制
那我们把这个概念重新归纳一遍
所谓的负反馈就是将给定量
与被控量进行比较
也就是相减得到偏差信号
利用偏差产生控制作用
作用于被控对象
以达到减小或者消除偏差的目的
那么之所以叫负反馈
是因为我们这里
采用的是一个相减的操作
当然也存在着正反馈的概念
那么这里的符号减号会变为加号
正反馈在很多情况下会导致发散
所以并不是一种非常标准的控制模式
所以在一般情况下
我们所谓的反馈基本上是指负反馈
那么进一步我们把这个抽象图
对应到一个实际的图中
我们可以看看
一个正常的反馈控制系统
大概是有哪些部分主要组成
首先我们有输入的给定信号
那么这个给定信号
并不是直接作用到系统中去
往往经过了一个整定的环节
整定的目的是把一个物理量
对应到一个我们可以控制的一个量
往往是一个电压信号
或者一个电流信号
那么同样被控量
也要通过一个测量的环节
转化为一个我们可以用来
比较的一个电压量或者电流量
那么这两量相比较以后
再进入到控制器
控制器的组成一般有几个方面
一个是放大与变换的部分
另外就是校正
也就是我们所谓的控制器部分
最终通过某一个执行机构
再作用到对象上
来完成我们整个的控制过程
第三个部分是关于控制系统的分类
控制系统的分类
可以按照不同的标准分为多种形式
我们接下来分别加以介绍
第一个是从系统实现的目标上分
可以分为恒值系统和伺服系统
所谓的恒值系统
就是它的控制输入是一个恒定值
要求被控量保持给定值不变
比如电热水器
在热水器中
我们一般希望我们设定的温度保持不变
即使在发生这个水流变化的情况下
我们也希望
这个水温能保持在一定的温度下
而伺服系统与之相反
它的控制输入是随时间变化的函数
那么系统的任务是指被控量
能够跟随输入的变化
并于输入信号的误差
始终保持在一个规定范围内
一个典型的例子就是一个导弹的控制
因为我们导弹的目标
是击落这个飞行的目标
而飞行的目标像飞机
往往是自主机动的
它的输入的信号不断发生变化
所以要求我们对导弹的控制
能够实现不断的调整
能够跟随我们的目标的变化
下一个是根据输入输出变量的个数来分
我们可以分为
单输入单输出系统简称SISO
以及多输入多输出系统
简称MIMO
所谓单输入单输出系统
通常被称为单变量系统
这种系统只有一个输入
当然不包括扰动输入和一个输出
如上面提到的恒温系统
我们主要关心的是一个温度
那么输入可以是一个电压
而MIMO系统通常被称为多变量系统
有多个输入或者多个输出
例如飞机的控制系统
在生活中大量的系统基本上
我们可以认为都是多变量系统
但是为了分析的方便
以及为了这个简化系统
我们可以它转化为单变量系统
也就是所谓的单输入单输出系统
我们还可以从信号的性质来分
可以分为连续 离散和混合
所谓连续控制系统
是指在系统的各环境之间的信号
均是时间的连续函数
比如流量控制阀
离散控制系统中
则指某处或几处的信号
是脉冲序列或数字编码的形式
典型的例子比如步进电机
电机的运动是一步一步来实施的
另外一般而言
凡有计算机参与的自动控制系统
都属于离散控制系统
因为计算机的运作
往往是基于一步一步或者所谓的节拍
当然更常见的系统是混合控制系统
也就是系统中既包含有连续信号
也包含有离散信号
比如机器人
机器人的运动应该是连续的
但它的控制部分很有可能是离散的
从数学描述分
可以分为线性系统和非线性系统
所谓线性系统
就是同时满足叠加性与均匀性的系统
例如常见的RLC电路系统
非线性系统呢
则是不能满足或者不能同时满足
叠加性和均匀性的系统
如放大器的饱和现象
电动机的不灵敏区以及继电器的滞环
在生活中大量的系统
应该都是非线性系统
但是为了分析方便
我们都是从线性系统的角度
来对一个实际系统进行逼近
因为我们在线性系统方面的
准备更为充分
从控制方式上分
可以分为按偏差控制
按扰动控制和复合控制
所谓的按偏差控制系统
也就是反馈控制系统
按照输入输出偏差确定来控制作用
以使输出量保持在期望值上
如前面的流量控制阀
按扰动控制系统
则利用外扰信号直接控制输出
从而迅速有效地补偿
外扰对输出的影响
但是前提是
引起输出量变化的外扰是可以检测的
比如电网控制系统中某些扰动
就是可以测量并可以进行抑制
而复合系统
就是同时包含按偏差的闭环控制
和按扰动
或者输入的开环控制的控制系统
如水库的水位控制
最后一个概念就是对于控制的基本要求
我们控制一个对象或控制一个系统
总希望我们的系统能达到某种效果
那么为此呢
我们希望对这样的
一个控制系统进行评估
所以我们就要兼顾品质和性能
提出一系列指标
一般指标分为三个方面
分别为稳定性
静态指标和动态指标
那么接下来呢
我们可以通过一个简单的曲线
来看看控制和能产生的效果
这是三个控制过程
分别由三个曲线代表
我们可以看到
第一个绿色曲线
它的这个反应过程相对慢一些
第二个曲线要比它快一些
并且产生一点点超调
第三个曲线反应更快
但是超调的震荡会变得加剧一些
但总的来说三个系统都是稳定的
而且误差都在我们所希望的范围之内
但是动态性能差别还是必须大的
一般而言
我们无法说哪一个系统会效果会更好
这与控制的目的相关
但一般来讲
我们在控制的过程中
还是希望能够兼具稳定性
静态的误差和动态的指标
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