1.5现代控制系统举例 9 人情十○典老农制接一我布一→牙至口拆色 期输出 测量缩出 传器☐小+ 反 图1.9描述基本闭环控制的负反馈系统框。控制装置也常称为控制器 图1.10所示的是一个能调节容器内液面 位置的基本的人工闭环控制系统。其中，系统 输入（预期输出）是按规定应该保持的液面参考 位置（参考位置存放在操作手的脑海中），控制 放大器是操作手本人，而传感器则是他的眼晴。 操作手比较实际液面与预期液面的差异，通过 打开或关闭阀门（脚执行机构）调节输出流量， 达到维持液面高度的目的。许多类似的系统都 具有图1.9所示的基本构成。冰箱有预期或设 定的温度，恒温器测量实际温度以及它与设定 图1,10道过出口阀门调节容器内液面位置 盗度的偏差，压缩机则起着功率放大器的作用。 的人工控制系统。操作手通过容器边上 家用的电烤箱（炉）、热水器等都是有关的例子。 的宝孔观察液面位置 在工业上，还有速度控制、温度控制、压力控制、位置控制、厚度控制、配方控制和质量控制等 实例[14,17,18]。 在现代应用中，自动化可以定义为利用程控指令对指定对象进行操纵，并通过信息反馈 确认指令是否被正确执行的一项工程技术。自动化通常应用于过去由人工操作的场合，一且 实现了自动化，系统就可以不要人工干预或协助，而且还能比人工操作运行得更准确、更快 捷。 一个半自动化的系统则同时箭要人工操作和机器操作。例如，许多汽车自动装配线需要 操作人员与机器人的密切配合。 机器人是一种与自动化技术密切相关、由计算机控制的机器。工业机器人就是自动化的 一个特定分支，它是指专门用于替代人工劳动的自动化机器[19,27,33]，因而它具有某些拟 人化的特征。最常见的拟人化机器是机械手，它能在一定程度上模拟人的手臂和手腕。不过我 们认为，某些工作适合于由自动机器完成，而有些工作则最好由人来完成，表1.2对此作了说明。 表1,2任务难度：人和自动机器的对比 机器难以完成的任务 人难以完成的任务 在高温、有毒环境中检系统 不平 在珠室首饰中认最的首饰 飞机在穷大气和夜晚者陆 控制技术的另一类重要应用是现代汽车的控制[19,20】，汽车上已经采用了悬挂减震控 制系统、驾驶操纵控制系统、引擎控制系统等。许多新型汽车还装配了4轮驱动导向控制系
\.5 现代控制罩辑举例 , 测量输出 反馈 固1. 描埠基本闭环控制的负反幢罩挠框圈 。控制羁置也常称为胆创器 图1. 10 所示的是 个能调节容器内液面 位置的基本的人工闭环控制罩统。真中，系统 输入(预期输出)是接规定应该保持的液面垂考 位置(垂考位置存放在操作手的脑海中) ，控制 敢大器是操作 本人.而传感稽则是他的眼睛。 操作手比较实际植面与预期液面的盖异.通过 打开或关闭阀门(即执行机构)调节输出由量， 达到维持幢面 度的目的。许多类似的罩统都 具有图 1.9 所示的基本梅成。冰箱有预期在设 定的温度，恒温器测量实际温度以且它与设定 温度的偏差，应缩机则起着功率放大器的作用。 享用的电情箱(伊)、热在器等都是有关的例子。 、. 1. 弘输JJ 圄l.1O 通过出口阀门调节事睡内擅面也置 的人工擅制系挠@操作手通过容德国上 的窗孔舰'再幢面位置 在工业上，还有速度担制、温度控制、压力控制、位置控制、厚度控制、配方控制和质量控制等 实例 [14 17 18J 在现代应用中，自动化可以定义为利用程控指令对指定对靠进行操纵，并通过信息反馈 确认指令是否被正确执行的一事工程技术。自动化通常应用于过去由人工操作的场合， 实现了自动化，系统就可以不要人工干预或协助，而且还能比人工操作运行得Jl! 准确、豆快 -个半自动化的革统则同时需要人工操作和机器操作 例如，许~汽车自动草配线需要 操作人员与机器人的密切配合。 机器人是 种与自动化技术密切相关、自计算机控制的机器。工业机器人就是自动化的 一个特寇分立.它是指专门用于替代人工劳动的自动化机器 [19 27 33 ]，因而它具菁某些拟 人化的特征。量常且的拟人化机器是机械手，它能在一定程度上模拟人的手晴和手腕。不过我 们认为，某些工作适合 由自动机器完成，而有些工作曲 最好由人来完成，表1. 对此作了说明。 亵1. 任务难lf ，人和自劫机帽的对比 机辑难以完血的任务 瞌查苗圃中的幼苗 在崎岖不平的地区驾驶车辆 在珠宝首饰中辩认量贵重的曹饰 人难以完成的任务 在高温 有毒环捕中植茸革属 不断重草地接配钟表 飞机在嚣靠天气和在跪着陆 控制挂靠的男一类重要应用是现代汽车的控制 [19 20 ]，汽车上已经来用了量挂减震控 制"统、驾驶操纵控制"镜、引擎控制革统等。许多新型汽车还整配 74 轮驱动导向控制革
10 第一章控制系统导论 统和防滑控制系统。 图1.11所示的是用于检查半导体芯片镀膜层的三轴控制系统。该系统采用特制电机分 别沿xy、2方向将每个轴驱动到预期的位置，并保证每个轴的运动既平稳又精确，它是半导 体制造业的一个重要的控制系统。 轴电机 图1.1配有高灵敏度像机、用于检查半导体芯片膜层的三轴控制系统 近几年来，人们就控制工程中理论与实际应用之间存在的差距进行过深人的讨论。在控 制工程的许多方面，理论发展超前于实际应用是顺理成章的。然而，有趣的是，在美国规模最 大的工业一电力工业中，理论和应用的差距却微平其微。电力工业关心的基本问题是能量的 贮存、控制和传输，电力工业广泛采用越来越多的计算机控制，提高了能源利用效率，而且发电 厂（站）也越来越重视实施废物排放控制。发电量达几佰兆瓦的大型现代化发电厂（站），需要控 制系统妥善处理生产过程中各个变量间的关系以提高发电量。这通常需要协同控制多达90余 个操作变量。图1.12所示的大型蒸汽发电机简化模型给出了几个重要的控制变量。这个例子 也说明了对多个变量如压力和氢气等，同时讲行州置的重要性，放些测量值为计算机实篇制 提供了依据。据估计，全美已安装使用的计算机控制系统多达40余万套[14,16,36,39]，图1.13 给出了计算机控制系统框图，其中计算机起着控制器的作用。可见，电力工业及时采用了控制 工程最新和最突出的应用成果。在过程工业中，控制理论与实际应用之间存在差距的重要原 因，是缺乏对所有重要的过程变量（包括产品的质量特性和成分）进行测量的仪器。我们可以相 信，随着新型测量仪器的不断涌现，现代控制理论在工业系统中的应用将显著增加。 冶金工业是另一个在自动控制方面取得相当成就的行业。事实上，在很多场合，控制应 用甚至超前于控制理论。如投资上亿美元的热轧厂对温度、板材的宽度、厚度和质量等都实 施了控制。 飞速增长的能源消耗和所面临的能源枯竭的威胁促使人们作出新的努力，对能源进行有 效的自动化管理。工业部门采用计算机进行鲍源管理，统筹安排生产，使得耗能负荷平稳均
十→ 10 . - . 控制罪辑导论 统和防滑控制系统 图1. 11 所示的是用于幢查半导体芯片幢腹层的三袖控制罩统 该革统果用特制电机分 别沿 方向将每个轴驱动到预期的位置，并保证曙个轴的运动既平稳卫精确，它是半导 体制造业的 个重要的控制系统 圄1. 11 Ië有高血幢匮幢矶 用于徨直半导体芯片幢圄属的 "撞倒矗民 近几年来，人们就控制 程中理论与实际应用之间存在的差距进行过深入的讨论 在控 制工程的许事方面，理论监腥跑前于实际应用是顺理血章的。然而.有趣的是，在费圈规模最 大的工业一一电力工业中，理论和应用的整距却微乎其微 电力工业关心 的基本问 量能量的 贮存 控制和传输，电力工业广泛景用越辈越多的计算机控制，提高了能帽利用效率，而且盎电 厂(站 也越来越重砚实施废物排撞撞刷 童电量达几伺施瓦的大型现代化童电厂(站) ，需要控 制系统妥善处理生产过程中各个变量间的关矗以提高发电量。这通常需要协同控制要这 90 个操作变量 图1.1 所示的大型藕汽盎电机简化模型编出了几个重要的控制变量 这个例于 也说明了对多个变量如压力相氧气等，同时进行测量的重要性，这些测量值为计算机实施控制 提供 依据 据估计.全费巳置装使用的计算机控制系就要这咽最万牵[1 16 36 39) ，回1. 13 蜡出了 it算机控制Jí，统植图，其中计算机起着控制器的作用 可见，电力 业且时罪用了控制 程量赢利最突出的应用成果 在过程工业中，控制理论与实际应用之间存在 距的 要原 因，是缺王对所有重要的过程变量(包括产品的质量特性租成分)进行测量的仪器 我们可以相 情.随曹新型测量仪器的不断涌现，现代控制理论在工业系统中的应用将显著增加 情盘工业是另-个在自动控制方面取得相当成就的行业 事实上，在很多场合，控制应 用甚至跑前于控制理论 如投资上亿费元的热轧厂对温度 植树的宽度 厚度和质量带都要 跑了撞制 飞速增仕的能源消艇和所面临的能源楠蝇的威胁促使人们作出新的努力，对能源进行再 蝇的自动化管理 工业部门*用计算机进行能源管理，统'量持生产，使得能能负葡平稳均
1.5现代控制系统举例 11 匀，以便节省燃料消耗。 门 ]实际发电量 发自机 闲门 力湖是 计算 预期的氧气含量、租度、压力、发电量 1.12汽发电机的协调控制系统 出 潮量 图1.13计算机控制系统 近来，在自动仓贮和库存管理中，也采用了反馈控制的概念，而且农业对自动控制的需求也 日益高涨，开发了自动控制的保鲜饲料室和自动拖拉机，并已经通过了试验。此外，对风力发电 机、太阳能取暖和制冷装置、汽车引性能的自动控制也都是重要的现代控制系统实例[0,21]： 控制系统理论还在生物医学试验、病理诊断、康复医学和生物控制系统中有了众多应用 [22,23,51】,所研究的控制系统从细胞层次直到中枢神经系统，涉及温度调节和神经系统、呼 吸系统、心血管系统等。大多数生物控制系统都是闭环系统，但控制回路中并不只有单个控 制器而是包含着另外的控制回路，从而形成了一种多层次的系统结构。分析家对生物过程建 模时，总是面临高阶棋型和复杂的系统结构。专门设计的廉复医疗设备为残疾人提供了自动 化的帮助，在全美已有4600万人享受着这种帮助[22,27,42]。图1.14给出的是一幅人工假 手的照片，这只手由截肢者的生物电控制信号（称为肌电信号）控制，并具有力反馈机制。 最后要提到的是，社会、政治和经济领域也盛行着尝试用反馈方法进行建模分析。这种 有益的尝试目前尚不成熟，但已显示出了令人乐观的前景。社会系统显然包含了许多反馈系 统和调节环节，如全美贸易协会和联邦储备委员会就是社会系统中的控制器，它们对社会系 统施加多种力量，以便维持预期的社会产出。图1,15给出的是国民收人反馈控制系统的概 好1正
1.s 理代控制罩蝇举例 11 匀，以便节省燃料消耗。 司门 d<t 罐' 空气. III I1'J氧气禽量 温度 童电量 圃1.1 藕t'I.!t电机的 协调擅割草辑 ，考 司' 铺盖 输入 计算机控制罩辑 近来，在自动仓贮相库存管理中，也采用了反馈控制的慨念，而且农业对自动控制的需事也 日益高涨，开盘丁自动控制的保鲜饲料室和自动拖拉机.并已经通过了试验。此外，对风力童电 机、太阳能取暖和制畸辑置、汽车引擎性能的自动控制也都是重要的现代控制革统实例[20.21] 控制革统理论还在生物医学试验、病理诊断、康童医学和生物控制罩统中布了众多应用 [22 23 51 ]，所研究曲控制矗镜且细胞层次直到中枢神经矗镜，涉及温度调节和神经罩镜、呼 吸革统、心血管系统等 大多数生物控制革统都是闭环矗统，但控制固路中并平只有单个控 制黯而是但吉蕾另外的控制回麟，从而形成了一种事层次的系统结构.分析家对生物过程建 模时，总是面临高阶模型和复杂的革统结构。专门设计的康茸医疗设备为残疾人提供了自动 化的帮助，在圭费已高 刷万人事曼着这种帮助 [22.27 42] 。图1. 14 给出的是一幅人工假 手的照片，这只手由截肢者的生物电控制信号(称为肌电信号}控制，井具高力反馈机制 最后要提到的是 桂舍 政治和经济领域也盛行着尝试用反馈方法进行建模分析。这种 有益的尝试目前尚不成熟，但已显示出了令人乐观的前景。社会系统显然包吉了许多 馈罪 统和调节环节，如圭量贸墨协击和联邦储备委员会就是社生矗统中的控制棍，古们对社会矗 统施加多种力量，以惺维持预期的社壶产出。图1.1 给出的是国民收入反馈控制矗统的概 圃1.1 JI~111 iliIJ lil 1
2 第一章控制系统导论 括性模型。这类模型有助于分析家理解政府控制措施（如果它存在的话）对社会经济系统的 影响，有助于分析政府支出对社会经济系统的动态影响。当然还存在许多未建模的控制回 路，例如模型中没有包含赤字回路，若没有赤字，政府支出就不能超出税收，而赤字（预算、财 政)本身就是一个包含国内税收部门和国会的控制回路。在社会主义国家中，与消费者相关 的市场调节回路被忽视，政府控制则受到重视。这种情况下，控制回路中的测量环节必须作 出既准确又快速的响应。如果社会系统中官僚主义盛行，则无论在社会主义社会还是在资本 主义社会中，经济控制和调节手段都将难以实施。上述社会或政治经济系统的反馈模型尽管 不够严格，但它们的确提供了新的信息，有助于深化人们对社会或致治经济系统的认识。 1UwT头巧机装手，由它大学工计中心和然 设计开发 1有1 动执 的合物驱动。 和3个手指 作用了合物健，该手我在大集友特 私人商业投资 预期的 ○改府 商品生产 ◆国昆收入 国民收人 府支出 消费者支出 统计量 消资者 图1.15国民牧人反锁控制系统模型 总之，反馈控制系统在工业生产中应用最为广泛。图1.16所示为一个实验室机器人，目 前在用的工业和实验室机器人已有几千台，有的能提起重达几百磅的重物，并能以小于0,1
[2 ，事 章位倒系辑导地 括性幢型 这提檀型有助于卦忻*理解政府控制措施{如JI!'!Z存在的话)对社合经挤矗统的 Ii响.有助于分析最府支出对社合经济革统的功在影响 当然还存在件事未噩檀的控制回 111. 例如檀盟中班高包吉#字回路，者世膏赤宇，踵府主出就本能跑出税收，而赤字(预算 政)本身就是一个也吉国内扭曲部门和国舍的控制回蹄 在桂合主且国在中，与捕'者相关 的市场圃节目路植扭扭，政府控制则曼到重视 这种情配下，撞制回路命的圃量环节盛攫作 出既幢幢丑幢璋的响应 如果社会革绕中官由主且盛行，则主拮在社舍主且性会还是在匮本 主且社告中，经讲控制和调节手段都将难以实施 上述桂i!14t敢情噩事"统的巨惯模型扉曹 不够严幅，但它们的确提供了新的信息，有助于深化人们对社舍戒政拍经挤"统的认识。 L4 tahlMIT 量巧饥'戴手.囱眈宫大学工程由计中份和 MIT 人工 .111 罢'鱼直 世计开监.具有 [8 个自囱度:'f:囱 个Mo/: ro/ 68明)()微处理"撞倒 .W 36 个商佳能 电子气制执行机何通过高强厦的If食宿瞄厦驱截 该乎有 个大拇捕相 个手捕， 惶用了触置传"籍制'随合物筋'摩。 (Mieha!l MiJoc hîk 蝠，也 大挚友情提供) 国昆收入 回1.1 1Ii~收入 馈位制系统.11 主.&馈控唰矗撞在工业生产中应用最为广泛。困 1.16 所最为一个宴瞌直机揭人，目 前在用的工业和实验直矶'人已有几千亩，有的幢提起重达几百爵的重物，并能以小子。 •
1.7控制系统前确 13 英寸的精度将重物放置在指定的位置[28] 1.6自动装配与机器人 为家庭，学校和工厂设计的自动化设备通常特别适合于 承担有春副作用、重复性强、枯燥乏味或简单易行的工作 工业上使用的自动化装卸，切割、烨接或铸造设备能使加工 更精密，使生产更安全、更经济和更高效[14,27,28]。有些 作家早就预见到了能像人一样工作，集成有计算机的自动化 机器。1923年，Kar阳1Capek在他的名为“R.U.R"的著名戏 图L,16用于样本准备工作的 剧中[48]，将人工制造的工人称为robots,该词来源于捷克语 度到塞满株品的容器中探测取 中的robota,本意为“工作”。 样。(HP公司版权所有，1993 如前所述，机器人就是可编程的集成有计算机的机器，年。经允许后复制) 通常用来替代人工从事某种特定的重复性工作。有些机器人具有拟人化的工作机制，例如我 们能认可的机械臂、机械腕和机械手[14,27,28]。机器人最广泛的应用领城是空间探素和装 配生产。如图1.17所示，机器人是装配生产线上既准确又灵活的好帮手。 存在 型计算机中 (8 摄影，“科学美国人”杂老友情提供。】 1.7控制系统前瞻 控制系统不懈努力的目标是使系统具有更好的柔性和更高的自主性。柔性和自主性这
1.7 徨制系统前瞻 真寸的精度将重物$:置在指定的位置 28J 1. 6 自动装配与机器人 为在庭、学世刷工厂设计的自喃化设备通常特别适合于 承担有毒副作用 重复 性强 枯蝇王昧"简单岛行的 工业上使用的自动化革卸 回割 焊擅革铸造世备能使加工 更楠曹.使生产更安圭 更经桥和 高雄 14. 27 28 作:1早就预见到了酷悻人 悻工作 集成有计算凯的自动化 机晤 923 年， Karel Capek 在他的名为自 R" 的著~戏 剧中 [48 胡人工制造的工人牌为 roOOt 诙词章醺于捷克晤 中的 bo阳，本意为" 作" 如前所埠，机帽人就是可蛐程的靠血荷叶算机的机器. 13 回1. 16 用于样本准备工作的 实验室用机辅 人. 宫'摩操作低管 之费的小 井'也以目高的直 置到事满样品的容器命擦'因敲 HP 司版权所有。 1993 年.桂先 年后豆制) 通常用来曾代人工从事;在种特定的重复性工作 有些机器 具在拟人比的工作机制例如我 们能认可的帆械' 机幢JIIi租帆械手 [14.27.28 帆器 人矗 臣的应用 费城是 间探章相辈 配生产 如图 1. 17 示，机器人是靠配生产线上既准确卫 梧的好晤 圄1. 17 可编程饥"人簸配'由可在 42 秒内为商用汽车的直流发电饥装 配口个零件 '段在边 是-个位'而 111.宫lIt徽合饥 11 人如何动作 动作浪理 碍t:在小型钟算饥咿 BenR '匠~，"科学费国人"杂草友情组 1. 7 撞制系统前睡 控嗣革班草帽费力的目悻矗使Ko.统具布置好的靠性和更高的自 重性和自主性ì!