经典控制理论的一般概念

一、基本概念

自动控制：是指在没有人直接参与的情况下，利用自动控制装置（简称控制器） 使机器、设备或生产过程（称为被控对象）的某个工作状态或参数（称为被控量）自动地按照预定的规律进行。

自动控制系统：是指能够对被控对象的工作状态进行自动控制的系统。一般由控制装置和被控对象组成。

被控制对象：是指那些要求实现自动控制的机器、设备或生产过程。

控制装置：是指对被控对象起控制作用的设备总体。控制装置又可分为下列几个部分：

1. 测量元件（或测量装置）：用于测量被控量的实际值或对被控量进行物理量变换的装置。
2. 比较元件（或比较器）：它将被控量的实际值（常取负号）与被控量的要求值（常取正号）相比较，得到偏差的大小和符号。
3. 调节元件：通常包括放大器和校正装置。它能将偏差信号放大，并使输出控制信号与偏差信号之间具有一定的数值运算关系（也称为调节规律或控制算法）。
4. 执行元件：接受调节元件的输出控制信号，产生具体的控制效果，使被控制量产生预期的改变。

其中测量元件、比较元件和执行元件是控制装置中必不可少的。

自动控制系统的变量：

1. 输入信号（给定值，参考信号）：系统输出信号期望达到的数值或者与期望值对应物理量纲的值。
2. 输出信号（被控量）表征控制对象运动规律或者状态的物理量
3. 干扰信号（扰动）：使系统输出量偏离期望值的信号
4. 控制信号：控制器生成，作用在被控对象上的信号

自动控制的基本方式：开环控制 、闭环控制、复合控制

二、闭环控制术语

反馈控制系统的一般组成如下面两图所示（可以对比着看）：

相关术语：

• 测量元件: 测量被控量
• 主反馈: 与输出成正比或某种函数关系，但量纲与给定信号相同；
• 偏 差: 给定信号与主反馈信号之差的信号；
• 控制单元: 接受偏差信号，通过转换与运算，产生期望的控制量；
• 扰 动: 对系统输出产生不利影响的信号；
• 反馈环节: 检测输出信号并转换与给定输入信号相同量纲的信号。
• 给定信号: 输入到控制系统中的指令信号；
• 控制量u: 从控制器输出并作用于被控制对象的信号；
• 输出c：反馈控制系统的被控制量，即被控制对象的输出量；
• 比较环节：将参考输入与主反馈信号进行比较的环节， 它的输出等于参考输入与主反馈信号的差值即偏差e,比较环节又称为偏差检测器。
• 控制对象：被控制的机器，设备，过程或系统

三、控制系统的分类

自动控制系统有多种分类方法。例如：按控制方式、按元件类型、按系统功用、按系统性能、按参 考量变化规律等,常见分类如下：

分类依据	类别1	类别2	类别3
控制方式	开环控制	闭环控制	复合控制
按参考输入形式	恒值系统	随动系统	程序控制系统
照系统内信号的传递形式	连续系统	离散系统
按组成系统的元件特性	线性系统	非线性系统
输入输出系统信号的数量	单输入－单输出系统SISO	和多输入－多输出系统MIMO
按照控制系统的结构、参数	定常系统/时不变系统	时变系统

四、控制系统基本要求

稳：要求系统稳定（被控制信号能跟踪已变化的输入信号）

稳定性是保证系统正常工作的先决条件；平稳性是对动态响应过程的评价，主要指标包括超调量以及振荡次数等。

准：稳态性能, 要求准确，输出跟随精度高.

准确性是指在理想情况下，当过渡过程结束后，被控量达到的稳态值（即平衡状态）应与期望值一致。主要指标是稳态误差。

快：暂态性能，要求快速平稳收敛.

快速性也是对系统动态响应过程的评价，主要指标包括系统的过渡时间、上升时间、峰值时间等。

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