我跳过了关于控制的一些绪论和历史,相信许多教材的开头都比我讲的好。我在本文简单讲讲控制问题的基本分类。待学完经典控制理论,回过头来看如何用学过的工具来解决这些问题。
我会把许多名词以及英语一起写出来,为了让大家适应英语,第一次出现后,我之后会渐渐完全用英语代替。
控制系统在我们身边随处可见。
我们说最常见的case
case1:过马路时的交通信号灯不断交替更换,帮助车辆和人顺利通行,这背后就存在了信号控制系统,被控的对象就是信号灯,被控量就是灯的亮灭状态。
case2:我们走进商场,滑门自动打开,随后又自动关闭,这背后同样存在一套自动控制系统,被控对象就是大门,被控制量就是门的位移,也可以说是门的开关状态。
case3:室内用的空调,当我们用遥控器设定温度后,室内的温度自动地和设定的温度保持了一致,被控对象是房间,被控量是温度。
case4:颁奖晚会上,某明星走红毯,所有的聚光灯和照相机全都对准了她,这背后也蕴藏著控制的逻辑,被控对象是聚光灯和镜头,被控量是它们的对准方向。
说了这么多,实际上控制原理应用是非常广泛的,远不止教科书上那些枯燥又乏味的例子,清一色都是机械结构,电路结构,飞机导弹,卫星者之类的。之所以说他们枯燥,是因为几乎所有的教科书都是这些例子,如果有人以case4为例讲控制你是不是突然就感兴趣了呢? 当然因为那些都是工程上比较常见的系统,也和控制技术的发展历史有很大关系,它们依旧是被作为例子来讲解控制。
仔细观察上面几个例子,然后思考更多的例子,翻阅教科书,观察生活,我们不难总结出控制问题的三个基本类型,即:Regulation, Tracking 和 Program-based control。
调节/镇定问题Regulation
调节问题,也叫镇定问题(regulation)是控制系统输出并保持到某一个预定的工作点(set point)的问题,是一类控制的基本问题。最早的调节问题研究的就是蒸汽机的进气量问题,为了解决该问题,Maxwell才从数学角度研究了控制。我们上面讲到case3也属于这类问题。
空调温度控制系统工作时要保证室内的温度稳定在设定的温度,即参考输入(reference input),从另外一个温度开始工作到最终稳定在这个温度的过程就是控制过程,被控对象在控制过程结束后进入的状态称为稳态(steady state)。显然控制系统理想的状态下,最后稳态就是我们设定的工作点。但实际中不可能完全那么精确地到达工作点。根据感测器(senor)的测量结果,我们还会设定一个误差范围,用于判定系统最后是否进入了稳态。如果是的控制器就发出指令让指令装置停止工作。如果温度又升高到了某一温度,与我们所设定的温度不符合(超出了稳态范围),那么控制系统就会根据检测到的温度误差(error),重新输出新的控制信号,由空调的制冷器再次启动开始对房间降温,如此循环。如果设定工作点发生改变,则系统会重新平衡至新的工作点。