如何快速入门《控制工程》？这些基础知识是关键

首先，我们先来看一下控制工程的作用：使被控制量按照给定量的变化规律而变化，从而使被控对象的某些物理量准确地按照预期规律变化。
看完书面描述是不是还有点疑惑，举一个直观的例子：
手里拿着一个磁体，磁体下面有几枚硬币。上下移动磁体，用磁力平衡铁块的重力，使硬币悬浮起来。想要让人去实现，那是不可能完成的，因为这个被控对象本身是不稳定的。
而要使硬币悬浮在空中，我们可以借助控制工程，精心设计一个控制方法，计算出磁铁的高度（随时间变化），使得硬币保持在一个很小的高度区间内，当这个区间小到被允许的范围值时，即可实现硬币的悬浮。
在大致了解了控制工程的作用后，我们来看一下它是怎么实现我们需要的功能的：反馈是控制工程的基本方式。
反馈就是把输出量（硬币的高度）送回到系统的输入端，并与输入信号（磁铁的高度）比较的过程。
根据反馈信号对输入信号的影响不同将其分为正反馈和负反馈。
人用手取桌子上的书，就是一个负反馈系统。这个负反馈控制系统的基本组成及工作原理可以用一个闭环的方框图表示。
什么是开环控制、闭环控制？
我们来看两个控制系统：
说得直白一点就是系统的输出信号对控制系统有无影响。
比如下面就是一个机床的开环系统：
开环系统的信号从输入到输出无反馈，单向传递。控制精度不高，无法抑制扰动。结构简单。
当开环系统加上反馈回路后：
其结构复杂，但控制精度高可以实现自动纠偏。
开环与闭环控制系统的比较：
闭环控制系统的优点是采用了反馈，系统中真正起调节作用的信号是偏差信号。所以闭环系统的响应对外部干扰和内部系统的参数变化不敏感。
从稳定性的角度出发，开环控制系统比较容易建立。闭环系统可能出现超调误差，从而导致系统做等幅振荡或变幅振荡。
下面是一个完整的反馈控制系统的基本组成：
用方框表示各个元件，用单向箭头表示各种不同的信号和流向。自动控制系统的基本变量及表示符号统一表示为如下形式：
输入信号r(t)：给定量，代表输出的期望值。
输出信号c(t)：被控制量，表征对象过程的状态和性能。
反馈信号b(t)：正反馈使控制作用加强，负反馈使控制作用减小。
偏差信号e(t)：比较元件的输出，等于输入信号与主反馈信号之差。
误差信号e(t)：输出信号的期望值与实际值之差。预定性能和预定输出的信号。
前向通道（ForwardPath）：信号从输入端沿箭头方向到达输出端的传输通道。
反馈通道（FeedbackPath）: 与前向通道信号传递方向相反的通道。
从输出端到输入端的反馈称为主反馈(Main Feedback)。
从中间环节到输入端或从输出端到中间环节的反馈称为局部反馈(Local Feedback)。
单回路系统：只包含一个主反馈通道的系统。
多回路系统：有两个或两个以上反馈通道的系统。
单位反馈（UnitFeedback）系统：系统的主反馈信号直接取自系统的输出端而不经过任何变换。
非单位反馈系统：系统的主反馈信号是由输出信号经反馈元件变换而得。
接下来我们看一下控制系统的分类：
一、按给定信号的特征分类 ：
（一）恒值控制系统(或称自动调节系统)
特点：输入信号是一个恒定的数值。主要研究各种干扰对系统输出的影响以及如何克服这些干扰，使被控量保持恒定的希望值 ，基本控制 过程是抗扰过程(自动调节过程)，所以也称为自动调节系统。
（二）过程控制系统(或称程序控制系统)
特点：输入信号是已知的时间函数，系统的控制过程按预定的程序进行，要求被控量能迅速准确地复现。
（三）随动控制系统
特点：输入信号是一个未知的时间函数，给定量的变化规律是事先不知道的或不需要知道的。
二、按描述系统的数学模型不同来分：
 （一)线性系统
由线性元件构成的系统叫线性系统。其运动方程为线性微分方程。若各项系数为常数，则称为线性定常系统。线性系统的主要特点是具有叠加性和齐次性，即当系统的输入分别为r1(t)和r2(t)时，对应的输出分别为c1(t)和c2(t)，则当输入为r(t)=Ar1(t)+Br2(t)时，输出量为c(t)=Ac1(t)+Bc2(t)（A、B为常系数）。
（二）非线性系统
在构成系统的环节中有一个或一个以上的非线性环节时，该系统为非线性系统。非线性系统不满足叠加性或齐次性。
【注】：非线性的理论研究一般只能近似的定性描述和数值计算。
严格来说，任何物理系统的特性都是非线性的。
三、按系统传递信号的性质分类
（一）连续系统
系统各部分的信号都是时间的连续函数。如电动机速度自动控制系                统。
（二）离散系统
系统的某一处或几处，信号以脉冲序列或数码的形式传递的控制系 统。其主要特点是：系统中用脉冲开关或采样开关，将连续信号转变为离散信号。可分为脉冲控制系统和数字控制系统。
四、按系统的输入/输出信号的数量来分类：
（一）单输入单输出系统：
系统只有一个输入量和一个输出量，而不考虑系统内部的通道与结构。
（二）多输入多输出系统：
具有多个输入信号和多个输出信号的系统。
五、按微分方程的性质分类
（一）集中参数系统
系统中的参量是定常的或是时间的函数，系统的各状态（输入量输出量及中间量）都是时间的函数。
（二）分布参数系统
至少有一个环节需用偏微分方程描述其运动，系统的输出将不再单纯是时间变量的函数，而且还是系统内部状态变量的函数。
六、其它分类方法
（一）按控制系统的功能来分：
温度控制系统
速度控制系统
位置控制系统
（二）按系统元件组成来分：
机电系统
生物系统
液压系统
（三）按不同的控制理论分支设计的新型控制系统来分：
1、最优控制系统
2、自适应控制系统
3、预测控制系统
4、模糊控制系统
5、神经网络控制系统
控制系统的性能要求：
系统的控制过程以被控量随时间的变化来表征的。被控量随时间变化的曲线称为控制过程曲线或响应曲线。一般来说，可能有以下几种形式：
对于稳定系统（如图a,c）来说，当系统受到各种干扰或者人为改变参考输入量时，被控量就会发生变化，通过系统的自动控制作用，经过一定的过渡过程，被控量又恢复到给定值或一个新的稳定值。
不稳定系统（b,d,e）,被控量为发散或等幅振荡曲线。被控量处于变化状态的过渡过程称为系统的动态过程，被控量处于平衡的状态称为静态或稳态。
在实际系统中，由于总是存在着不同性质的储能元件，当输入突然改变时，相应的输出需经过一个渐变的过渡过程，即具有“惯性”,从控制的任务看，我们希望响应曲线越逼近期望值越好，响应的动态过程越短越好，响应过程越平稳越好。
工程上通常以系统的响应曲线情况来评价系统的性能。
一、稳定性(Stability)
稳定性就是指动态过程的振荡倾向和系统能够恢复平衡状态的能力，自动控制系统的最基本的要求。
二、快速性(Agility)
指稳定系统响应的动态过程的时间长短。它反映了系统快速复现输入信号的能力。
三、准确性(Accuracy)
指控制系统进入稳态后，跟踪给定信号或纠正扰动信号影响的准确度。最后，我们来看一下锅炉液位控制系统：
为了保证锅炉正常运行，需要维持锅炉液位为正常标准值。锅炉液位过低，易烧干锅而发生严重事故；锅炉液位过高，则易使蒸汽带水并有溢出危险。因此，必须通过调节器严格控制锅炉液位的高低，以保证锅炉正常安全地运行。下图为锅炉液位控制系统方框图。图中，锅炉为被控对象，其输出为被控参数液位。
只要实际液位高度与正常给定液位高度之间出现了偏差，调节器均应立即进行控制，去开大或关小给水阀门，使液位恢复到给定值。
在我们通常以微分方程建立的数学模型来描述控制系统，而求解微分方程则是控制工程必备的技能，不同于高等数学中的求解方法，控制工程以拉普拉斯变换（拉氏变换）为主，下期将为大家分享拉氏变换，及其求解微分方程。
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