理解控制的含义及其在生产和生活中的应用 了解控制系统的类型，熟悉简单控制系统的 基本组成和工作过程
了解并能确定控制系统的主要参量
能画出简单控制系统的方框图，理解其中各 环节的作用
学习目标
第一节 了 解 控 制
一、控制
我们经常可以听到“控制情绪”“控制病情”“控制温度”
等说法。“控制”这个词看似神秘，但却普遍存在于我们日常生 活之中（图4-1）。当你用遥控器操作玩具、电视机、空调等家 用电器时，我们已经在进行控制。骑自行车时，如果觉得车速太 快，我们会使用刹车，使车速正常；当感觉室内亮度不够时，我 们会打开电灯，使屋内明亮；当我们的学习成绩不够理想时，我 们会增加学习时间或改进学习方法，以提高学习成绩等，这些都 是在“控制”。
人类利用控制技术为自身服务的历史很久远。古老的水车
（图4-2）就是一个控制系统。它以流水作为动力，通过水轮将水 提升到需要的位置，在一些农村，现在还可以看到这样的装置。
控制（control）存在于当今社会的各个方面。现代化的汽车 生产线、城市中的交通指挥系统、家用电器中的遥控器、恒温的 蔬菜大棚等都是控制技术的应用实例。
2007年10月24日18:05搭载着我国首颗探月卫星“嫦娥一号”的运载火箭在西昌卫星 发射中心三号塔架点火发射。经过13天飞行、4次变轨、1次中途修正、3次近月制动，于 11月7日卫星顺利进入高度为200 km、周期为127 min的工作轨道（图4-3）。发射圆满完 成。在长达13天的奔月过程中，卫星能在规定的时间做出规定动作，依靠的就是精确和可 靠的控制。
图4-1 日常生活中的各 种控制
图4-3 “嫦娥一号”奔月过程 图4-2 水车
200 km
200 km 工作轨道
3.5 h轨道
12 h轨道 48 h轨道
24 h 16 h 轨道 轨道 调相轨道段
地月转移轨道段 600 km
51 000 km 71 400 km
卫星在地月转 移轨道需飞行 1 1 4 h 实 施 一 次轨道修正 121 700 km
大禹是中国古代最有名的治水英雄。
当尧还在世的时候，中原地带洪水泛滥，
水患给人民带来了无边的灾难。尧决心要消灭 水患。
经群臣和各部落的首领都推举，尧把治水 的任务交给大禹的父亲——鲧。
鲧治水治了9年，用石头、泥土围堵洪水，
大水不但没有消退，反而更加肆虐。后来舜开 始操理朝政，革去了鲧的职务，起用鲧的儿子 禹来治水。
大禹欣然接受了这一任务，跋山涉水，风餐露宿，走遍了当时中原大地的山山水水。
他吸取了父亲采用堵截方法治水的教训，发明了一种疏导治水的新方法（图4-4），使得 水能够顺利地东流入海。
他治水三过家门而不入，一共花了13年的时间。在大禹整治之后，咆哮的河水失去了 往日的凶恶，驯驯服服地平缓地向东流去，农田变成了粮仓，人民又能筑室而居，过上幸 福富足的生活。
为什么禹的父亲治水失败而禹能治水成功？
如果我们希望某一事物按照自己的意愿发展，就要对其进行干预，这种根据自己 的目的，通过一定的方法使事物沿着某一确定的方向发展，就形成了控制。
图4-5至图4-8是控制技术在生产、生活中应用的一些例子。
图4-5 汽车自动化生产线 图4-6 恒温蔬菜大棚 图4-4 大禹治水
例2
骑自行车（图4-10）出行是同学们常选择的交通 方式。在骑车的过程中，我们实际是在随时观察自行 车的行驶方向或路线，如果出现偏差，我们就会控制 自行车的行驶方向，及时纠正。
例3
图4-11是瓦特式速度调节器基本工作原理的简化 示意图。在这个系统中，有一组齿轮将发动机的速度 反馈到离心调节器。当发动机的速度高于希望值时，
调节器的两臂将伸开，使控制阀向下移，下移的控制 阀减小了输油管的通油缝隙，使供给发动机的燃油减
例1
投掷飞镖（图4-9）是同学们都很熟悉的运动。我们在投掷飞镖时，首先会在脑子里 确定一个希望射中的目标（如靶心），然后根据场地的情况及自己的经验，控制手臂的投 掷动作，将飞镖掷出。显然，在飞镖掷出后，飞镖的飞行就不可控制了，能否命中目标，
很大程度上取决于飞镖在脱离投掷者手时的初始状态。
图4-7 骑自行车的学生 图4-8 “勇气号”火星车
图4-9 投掷飞镖
图4-10 骑自行车
预期行驶方向 实际行驶方向
少，从而使发动机的转速降低，如图4-11（a）所示；当发动机的转速低于希望值时，调 节器的两臂将回收，控制阀将向上移，供给发动机的燃油将增加，发动机的转速提高，如 图4-11（b）所示。通过上述控制作用，可使发动机达到希望的转速。
图4-11 瓦特式速度调节器基本工作原理简图
例4
控制技术在军事上也有着广泛的应用。图4-12为一种电 视制导导弹，其工作原理很像人的行为。假如你要抓住一个在 前面奔跑的同学，实际上是用眼睛盯着目标，不断修正自己的 跑动路线，直到赶上他。电视制导的原理与上述过程很相似。
在导弹发射时，先用电视摄像机瞄准目标，并将目标的图像存 在导弹中，导弹发射后，弹头前的摄像机不断将导弹前方的图 像送到导弹内的信号处理单元，信号处理单元将摄像机送回的
图像与存储的图像进行比较，并根据它们的误差调整飞行方向，最终击中目标。
二、开环控制和闭环控制
同学们可能都玩过点鼻子、画眼睛的游戏：在墙上贴一张画有娃娃脸轮廓的头像，
参加游戏的同学在画前几米的地方蒙上双眼，然后走向头像，并用手中的画笔在画上添上 鼻子或眼睛，一般情况下总会画得东倒西歪。如果不蒙双眼，会怎样呢？肯定画得又准又 好，其差别在于不蒙眼睛时，我们可以调整自己前进的路线和画笔的落点；反之，由于看 不到目标，我们无法对前进的路线和画笔的落点进行调整。
这个游戏，其实就是一个控制过程。通过眼睛，我们把自己前进的路线和画笔的落点 反馈给大脑，大脑将希望的结果与实际情况进行比较，如果有误差，便调整手、脚的动作 并及时纠正。
能将控制的结果反馈回来，形成比较量，并与希望值（又叫给定量、基准量）
进行比较，并根据它们的差别（误差）及时调整控制作用，使控制的误差减小的系
图4-12 电视制导导弹
（a） （b）
齿轮组
负载 负载
发动机 发动机
输油管 弹簧
燃油
控制阀 调节臂
统，称为闭环控制系统（closed-loop control system）。而不能将控制的结果反馈回 来影响控制作用的系统，称为开环控制系统（open-loop control system）。系统中将 控制结果反馈回来的部分，称为反馈环节（feedback link）。闭环控制系统都有反馈 环节，所以有时又称闭环控制系统为反馈控制系统（feedback control system）。反馈 环节是闭环控制系统的重要特征。
例1
图4-13是一个工人正在调节容器内的液面位置。液面的预期位置在操作工人的脑海 中，在工人用手控制阀门的同时，通过眼睛观察实际液面，大脑根据实际液面与预期液面 的差异大小，通过手调节阀门，控制液体的输出量，从而达到维持液面高度的目的。在这 个控制系统中，人的眼睛就是系统的反馈环节，大脑根据反馈的信息不断调整控制作用，
所以调节液面的过程，就是一个闭环控制的过程。由于人已经成为整个控制系统的一部 分，所以我们称这个系统为人工闭环控制系统。
例2
图4-14是全球卫星定位系统（global position system，GPS）的示意图。
在大海中航行的船只通过GPS可获得自己当前的地理位置，然后将这个位置与计算机 中保存的期望位置进行比较，发现误差及时调整，使船保持在正确的航线上。GPS就是整 个自动导航系统中的反馈环节。
GPS能够提供精确的地理位置信息，所以在航海、航空和城市交通管理等领域有着广 泛的应用。
图4-13 人工调节液面 图4-14 GPS导航
闭环控制系统由于能够不断地修正控制的误差，所以一般可以得到较好的效果。但如 果系统的输入量能预先知道，并且不存在任何扰动（或系统对扰动的影响不敏感），则采 用开环控制更为合适。例如，家用电风扇（图4-15）的转速调节系统，实际上就是一个开 环控制系统。虽然我们要根据需要得到不同的转速，但通常只要有风量大小的感觉就可以 了，这时对影响转速发生微小变化的一些干扰就可忽略不计，所以开环控制系统就能很好 地完成这个任务。房间里的电灯开关、厨房里的水龙头等都是简单的开环控制系统，它们 都能很好地完成我们需要的控制目的。只有当存在着无法预计的扰动和（或）系统中元件
的参数存在着无法预计的变化时，闭环控制系统才具有优越性。
通常开环控制系统成本较低，在可能的情况下，应当采用开环控 制。如果能将开环控制与闭环控制适当地结合在一起，不但比较 经济，而且还能够获得满意的综合系统性能。
判断一个控制系统是否为闭环控制的简单方法是考察分 析。当控制结果（即被控量）发生变化时，例如给被控对象或 被控量施加一些干扰，控制系统能否做出相应的调整去改变控 制的结果（即被控量），以减少控制误差，如果能，则为闭环 控制，否则是开环控制。
打印头的位移控制
喷墨打印机（图4-16）可以打印出精美的图文，是由 打印头在打印过程中不断地移动而将图文一点点“描绘”
出来的。可见，确保打印头在打印过程中做精确的位移是 至关重要的。驱动打印头移动的是一种称为步进电动机的 电器，这种电动机每输入一组脉冲信号，其转子就精确地 转动一个固定的角度，所以只要控制输入的脉冲数就可控 制转子转动的总角度，通过相应的传动装置，使打印头做 精确的位移。除打印机外，如绘图仪、数控机床等，都广 泛地采用了步进电动机。
由于步进电动机的转动角度与输入的脉冲数有精确的对应关系，所以在特定的 条件下，采用步进电动机不需要反馈环节就能提供较精确的机械位移。这种没有反 馈环节的控制系统属于开环控制系统。
三、手动控制和自动控制
有些时候，控制系统必须在人的直接干预下才能完成控制任务（如图4-13的人工调节 液面），这种控制系统，我们称为手动控制系统（manual control system）。而在控制的过 程中如果不需要人的干预，就可按期望规律或预定程序进行的控制系统称为自动控制系统
（automatic control system）。前面介绍的瓦特式速度调节器和电视制导导弹的控制系统就 是自动控制系统。
图4-15 电风扇
图4-16 喷墨打印机