第四章  控制与设计

第二节：控制系统的组成和描述

（广东版）《技术与设计2》课文内容

2012年7月第3版第17次印刷

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一、控制系统的组成

通过前面的学习，我么可以看到，具体的控制系统是多种多样的。为了方便对控制系统进行分析、描述，我们可以以框图的形式描述一个控制系统。以投掷飞镖和骑自行车为例子，可分别用图4-20、图4-21描述它们的控制过程。

（期望值）→大脑→肢体→飞镖→（落点）

图4-20  投掷飞镖的控制过程

（说明：括号中的文字为线上的文字，下同）

（期望值）→大脑→肢体→自行车→（行驶方向）→

（行驶方向）→眼睛→大脑

图4-21  骑自行车的控制过程

在图4-21中期望值（即基准量）——是指道路的方向，大脑——就是指比较器和控制器，肢体是执行器，自行车（主要指车头）——是被控对象，行使方向——是被控量，眼睛（包括神经传输系统）——是反馈环节。

比较图4-20和图4-21，我们可以发现，图4-21比图4-20在结构形式上多了一个将实际行使方向反馈到输入端的反馈环节，即我们的眼睛。正是由于有了眼睛这个反馈环节，我们才可以使自行车始终行使在正确的道路上，由于反馈环节的存在，使图4-21在信号的流动上形成了如图4-22的闭合回路，这也就是我们把带有反馈环节作为构成闭环控制系统必要条件的原因。

输入→信号处理→输出

输出→反馈环节→输入

图4-22  闭合的信号回路

图4-20和图4-21都是对一个具体的控制实例进行的描述。如果我们将每个控制系统都用这样的方法进行描述，由于控制系统的多样性，每个框图的具体内容会有很大的不同，这对分析、描述控制系统带来了很多不便，我们能不能用一种更一般的形式表示各种控制系统呢？

讨论与分析

如果将我们的身体看成是一个控制系统，在你从书架上拿出一本你想要的书的过程中，身体各部分分别完成什么功能（表4-1）？如果我们是去搬一张凳子，结论会有什么变化？

一个工程领域的控制系统的控制过程与人进行控制的过程是相似的，两者都有控制指令的发出者，控制指令的执行者，如果是闭环控制，还存在反馈环节。可见不管控制系统构成有多么不同，它们的基本架构是相似的，由此我们引入了控制器（controller）与控制量（control variable）、被控对象（controlled plant）与被控量（controlled variable）等概念。

在图4-20和图4-21中，人的大脑都是控制命令（信号）的发出者，我们将这一部分称为控制系统的控制器。

控制系统都有确定的控制目的。骑自行车要控制的是自行车的前进方向；投掷飞镖的目的是击中靶心，即控制飞镖的落点。所以自行车的行驶方向、飞镖的落点就是这两个控制系统中的被控量。

要对被控量进行调整，在骑自行车的例子中，是通过对自行车的控制实现的，而在投掷飞镖的例子中，是通过对飞镖的控制实现的。自行车和飞镖就是这两个控制系统中的被控对象。

有时，控制器发出的命令并不能直接对被控对象产生影响。在骑自行车和投掷飞镖的过程中，大脑发出的生物信号，并不能直接影响自行车或飞镖的状态，而是要通过肢体去控制自行车和飞镖。这种将控制器发出的信号转换成能影响被控对象的信号的装置，称为执行器（actuator）。图4-20和图4-21中人的肢体就是执行器。

肢体动作能够控制自行车和飞镖的状态，实际上是对他们施加了一定的力。这种能对被控对象产生作用，从而使被控量发生变化的量，称为控制量。

在第一节例1和例2中，飞镖和自行车都是被控对象，但由于这两个被控对象的特性不同，所以两个控制系统也有很大的差别，飞镖掷出后不再受控，所以控制系统只能是开环结构。可见，正确了解被控对象的特性，对分析、设计一个控制系统是非常重要的。