绪论7，控制系统分类

        我们再简单的来讨论一下控制系统有一些什么类型。这里还说的控制系统还基本上都是说的反馈控制系统有一些什么类型，当然这里头有很多概念，同样是一个相对的，比如说我们首先要谈到的开环控制系统和闭环控制系统。

        开环控制系统是一个什么概念？我们先来看这个例子，这实际上是一个数控工作台的一个驱动系统。

        数控工作台这是工作台，它通过滚珠丝杆，通过是由电机通过滚珠丝杆带动它运动，那么如果像早期的工作说明工作台用步进电机来驱动，那么步进电机给他输入指令，他就转一个多少角度，这个多少角度通过滚珠示范就驱动工作台移动多少位置，这是这样一个概念。那么这样一个驱动过程，比如说我现在输入一个指令，让工作台输出移动位置的移动量，是假如说我们让它输出100个毫米，那么在按照这样一种系统的构成形式，它如果因为某种原因只输入到9，额我刚才说的是多少？（一百毫米），只输出到95就不动了。那么这个时候我还有没有办法让他还是到100去？有没有办法？刚才有同学在摇头，没有了，没有办法，因为什么？作为我的大脑，比如说我这里有一发出指令的大脑，不管是计算机还是我们的人，我现在是看不到输出在什么位置，我只知道我命令发出去了，我要他走100毫米的命令发出去了，他达没达到100毫米的位置，我还知不知道，我不知道，没有任何一个测量环境，我能够知道它实际在什么位置上，对不对？就像我指挥你去干什么事你去干，你干不干我也不去问你了，就这个意思。

        所以这样的一个系统在各个工作过程当中就形成的是一种所谓的开环系统，就是按照我们前面反馈的概念，它的输出没有再反过来作用在系统上，这就是所谓的开环的概念，系统的输出对系统没有控制作用，没有反馈，但是我要给大家说的话，这是一个相对的概念，实际上把每一个环节都算成一个一个独立的东西，实际上没有考虑系统内部，比如说这个里头系统内部有没有反馈，我们没去管它，对不对？把它作为一个整体，再看这里头有没有反馈，我们没去管它。所以这实际上是一个相对的概念，就是从你的考虑问题的角度，发现它这个输出量没有在作用，在我们整个过程当中，但这里头本身也许它有它的内反馈，但是我们没去管它，我们把它作为一个整体来考虑，不再去考虑它里头的，所以这是按照这个概念，这是一个开环系统，实际当中应该也有很多，比如说我们洗衣机什么东西，我设定一个时间，洗没洗干净，我是不管它的，这就是我只是命，开环系统说到底就是我只管发命令，不管结果，就是这样一个概念，这是所谓的开环系统。

        那么闭环系统就是跟相反的了，一定要具备反馈控制的这样一个效应的，我们就认为是，它的闭环系统要具有反馈控制效应的，我们说了要能够检测偏差，要能够纠正偏差，这就构成了一个闭环。只要有就检有检测偏差和就诊偏差的功能的话，肯定就构成了一个闭环系统。

        所以所谓的闭环系统就是系统的输出，对系统有控制作用，这实际上就包含了反馈的概念在里头有反馈。所以这就是一个闭环，由反馈构成了一个从输入到输出，再由输出又回到输入，为什么叫闭环？形成了一个闭合的环，所以叫闭环。对不对？这就是一个闭环例子，当然很多就像刚才说的控制数控工作台的控制，假如说我们这里增加了一个东西，工作台走到哪个位置，我是有个检测站再来检测的，检测把这个位置量检测回来，再跟我输入指令进行比较，有没有偏差？我原来这个输入指令，比如说对应的是它应该走到哪个位置，我把它检测回来，是不是在那个位置上面，如果不是就让他继续读，直到他试为止，这就构成了一个闭环。所以从输入端开始到经过传递过程，然后到输出检测回来，构成了一个闭合的链，闭合的一个缓，所以叫闭环。

        那么这个例子当然有很多了，我们前面讲的很多例子都构成了一个闭环系统，反馈控制本身一就是一个闭环控制系统，这就构成了这样一个，这就是所谓的闭环控制系统。实际上刚才我们说到洗衣机，假如说我们洗衣机里头有一个检测装置能够检测你的衣服洗干净了没有，然后根据检测信号再来控制你的洗衣服的过程还继不继续进行，这就是构成了一个闭环的洗衣机。

        有没有这样的东西？有。现在的很多洗衣机里头有这个功能，我记得是10年前，你10年前就应该有一句很有名的一个广告，我现在忘记了是哪一个品牌的洗衣机，有一句很著名的话叫做人工智能模糊控制，这是它的广告词，就是它的洗衣机具备人人工智能的功能，采用的是模糊控制的方法，所以它的广告词就是人工智能模糊控制，模糊控制以后大家可能感兴趣会学，我们课堂上可能涉及不到。模糊控制是现在的一个智能化的控制方法，是属于智能控制的范畴，那么它就说它里头具备了人工智能模糊控制的这种方式，实际上它里头就是多了一个浑浊度的水的浑浊度的检测，还有它可以检还可以检测到，你丢进去试试它的形成闭环控制的主要是根据你的浑浊度，你浑浊度在一个什么样子里头，他认为还没洗干净，他就继续洗。实际上它的原理，然后当然浑浊度在一个什么量值，然后还要继续洗多久，这个它是所采用的所谓的模糊控制的方法，它有一个模糊量表等等。那个级别在什么级别的时候继续写的级别在什么地方，反正这个是它我具体不谈这个原理，那么所以它就构成了一个闭环的洗衣机，所以别认为洗衣机就是个闭环的，这就是个开环，大家通常用的可能是开环，这是有很多实际的例子，我想也不用多举这方面的例子。

        好，在刚才所谓的开环和闭环是从反馈的角度来说的，输出如果没有反过来作用，在系统我们就认为是开环，如果输出我们有检测检测到输出，然后返回来作用在系统上面形成了一个反馈控制，那么我们就认为这是一个闭环控制系统，这是按照有没有反馈回路在说话，还有可以从不同的角度，任何一个东西的分类，它都根据不同的角度，然后可以不同的类型，比如说我们人我也可以根据性别是一种类型，是一种分类的方法，根据年龄是一种分类的方法，对不对？根据你的知识水平也是一个分类的方法，所以有不同的分类的角度。

        刚才说的开闭环是从反馈的角度在说话，然后还有从其他的角度，比如说从输出量的变化规律来分类，如果输出量我们的对输出的设定是希望它维持一个恒值，维持一个定值，这个时候叫做所谓的自动调节系统或者叫恒值系统。我们前面例子当中应该有不少是这样的系统，离心调速机构是这样的系统，页面控制是这样的系统，对不对？还有甚至像恒温箱、冰箱等等，实际上都是这样的形式。我们是设定一个恒值，当然这个恒值不一定是绝对的恒值，尤其是温度控制通常是一个范围，都认为是恒指。

        好，这是这一类系统，既然它是要使输出量保持常量，显然它需要检测输出有没有偏差，然后还要调节让它保持常量，所以这个过程里头肯定也包含有什么？反馈控制，所以肯定是一个闭环系统，对吧？好，然后这是输出量是希望它保持恒值，还有输出量不一定，输出量可能是在变化，我期望的输出量在变化，这是在哪些情况下？这里实际上已经给出了一些例子，目标气势目标值在变化，这是什么？

        这里说的最典型的就是什么？比如说我们去打飞机，我们的目标肯定是对准飞机，飞机在动，所以我们这个目标设定的位置是要随时动的，那么控制要求是什么？叫做敌动我动，这一种形式实际当中有很多，所以我们刚才说的典型的就是这种系统在在50年代这种系统它是一个很先进能够实现这种随动的是一个很先进的系统了。然后还有一种反形加工，现在大家可能见不到反形加工机床了，原来没有数控机床的时候，有很多特殊型面的加工是要靠仿形来加工，版型是什么概念？我先用先用木头做成一个我要加工的形面的形状，然后把它作为一个控制的基准，然后就让我的实际的刀具是根据形状来走刀，不要配钥匙，现在还存在的一种最简单的款型加工，这就是一个最简单的百姓交流，就是一个协作系统。所以我们归结起来什么叫谁动系统，谁做动输入随着输出来动，或者说我们的输入随着这个目标来动，随着目标的变动而变动，这是谁动系统？还有一种按照输出来说的话，是一种所谓的程序控制系统，以前没有这种分类，这个系统的输出是按预定程序变化的，比如说我们现在的数控机床的输出，数控加工过程当中输出，我事先把加工的前面设定好，就按照在作为输入量，我来去操作工作台的一些变化，工作台的运动要按照我设定的程序来运行，那么显然在这种情况下，这一个系统可以是开放，也可以是闭环，就是我们前面说的工作台的控制，都适合于这种情况。开环就是我只管按照设定的程序把这些指令送出去，他走没走到我不管，闭环我就是还有一个反馈来纠正他是不是按照我这个指令在走。所以这种控制方式既可以是开环，也可以是闭环，这是所谓的程序控制。

        那么在实际上控制系统还有很多种方面的分类，大家以后可能都会逐步的涉及到这些类型。我们这里对其他的类型我们不多讲，但是大家要知道有这个概念存在，比如说按这个系统当中的控制的类型，我们刚才说的反馈控制系统里头，我们刚才说特别要让大家关注哪些量是特别值得关注的，这是里头的一些变量。这些变量如果都是连续量，那么这个系统就叫连续控制系统。如果都是连续的，如果这些系统当中只要有一个量，注意到只要有一个量不是连续量，那就是叫离散控制系统，不是所有的是只要有一个是离散的，就这个系统就是离散控制系统，我们教材上面有一章谈离散控制系统，但是我们课堂上我们在课堂期间我们不谈它，后面有一门课叫计算机控制系统，针对离散系统，为什么计算机控制系统就是一种离散系统，为什么呢？计算机它接受的指的是数字量，它的输出也指的是数字量，数字量的就属于一种离散的，而且它不光是时间上面离散，它的赋值上面都是离散的，对不对？计算机输出的赋值上面都是离散的，所以它是一种更特殊的离散量。通常我们说的离散量还只是说在那个时间上面离散，他不是在每一个时刻都有职务，可能是在一些离散点上有职务，但是它的辅值可以是连续的，辅值可以是11.11.21.31~一点几下去，你多少小时我都可以。计算机里头的数字量指的是要么是一，要么是二，要么是三，没有其他没有中间的那些，所以它辅磁上面都是0。

        好，这是按信号的类型在说，还有按系统的性质，如果这个系统它的数学模型表达出来是一个线性的，那么是一个线性系统，否则就是一个非线性控制系统。非线性控制系统在我们教材上面也有一张非线性系统初步，但是我们课堂上面也不涉及到以后，大家也许也会涉及到，我们现在在经典控制工程当中，都是把我们碰到的对象碰到的系统都把它假设为线性控制系统，假设对工程来说，在有在很多情况下，实际上我们工程当中大量的系统并不是现行制度，并不是线性系统，在某些情况下，我们同可以通过一些近似的处理，把非线性系统或者是线系统里头某些非线性环节把它进行线性化处理，然后近似把它作为一个线性系统来考虑，这是我们经典控制工程的基本的方法，我们经典工程只针对线性控制系统，不针对非线性，只是在有些情况下，我可以把它近似的来线性化考虑，而我们机械工程当中可以说绝大部分都是属于非线性系统，所以我们经典控制系统用在很多实际的工程系统当中，经典控制方法用在很多经典，用在很多实际的工程问题当中，很多时候是一种近似，更不用说有些非线性系统本质上面就是一个本质的非线性，根本都不能解释。在我们课堂当中我们是作为控制工程的基础，所以我们只涉及到控制系统，但是线性系统我们暂时先不谈非线性系统。

        还有一种就是按参数的变化，就是我们动力学方程中的那些系数，那是控制系统当中的一些参数，比如说我们 MCK系统 M值、MCK这都是属于系统当中的参数。那么我们在经典控制工程当中主要讨论的是定残，也就是说这些参数都是确定的，不随时间变化的，如果说我这些参数随时间变化，它就是一种时变系统，这是所以按参数的变化来说，分为定参控制系统和时变控制系统。这两个的区别是在是体现在这个参数随不随时间变化，在实际的工程当中很多参数是随时间的变化，但是我们在控制工程基础当中，我们是假设这些参数不随时间变化，大家要是调电路的时候会经常头疼一个问题，或者大家以后进行一工程一些检测的时候，调检测仪调检测系统的时候，经常会碰到一个非常伤脑筋的问题，零飘实际上就是参数在变化，系统的参数在变化，随着温度的变化在变化，所以实际很多工程系统当中这些参数是在变化，但是在我们经典控制工程当中，我们一般只是假设它不变化，所以我们只涉及到定参。

        还有以后大家涉及到实际的物理系统，更多可能还还有一种按被控量的形式在分类，比如说你涉及到对你涉及到控制系统是要设计一个位移控制系统或者叫位置控制系统，你是在控制温度，所以你是在做一个温度控制系统，你是在控制一个力，所以你叫一个力控制系统，还有速度控制系统，这就是按照被控量本身的在说话，所以有很多这种分类的方式，我们不一一的说下去。