本章的目的是使读者熟悉以下几方面的内容:
- 什么是控制系统。
- 控制系统的重要性。
- 控制系统的基本组成部分。
- 控制系统应用例子。
- 为什么绝大多数控制系统均具有反馈。
- 控制系统的分类。
在过去的50年里，控制系统在现代文明和技术的发展和进步中发挥着越来越重要的作用。它几乎影响着我们日常活动的方方面面。例如在家中，我们需要控制房间内的温度和湿度以使生活舒适。在工业上，制造过程中的大量产品需要达到一定的指标，这些指标要满足精度和成本利润的要求。一个人要能够完成包括做各种决策在内的各种类型的任务。有些任务通常是-一种程序化的方式，例如捡起物体后从一个地方走到另外一个地方。在某些情况下，一些任务需要按照尽可能好的方式去完成。例如在百米短跑中，运动员希望以尽可能短的时间跑完全程。而对于一名马拉松选手来说，他不仅需要尽可能快地跑完，还需要控制好在这个过程中的能量消耗并设计最好的比赛策略。为了实现这些“目标”，通常需要引人能够执行某种控制策略的控制系统。
控制系统已经大量应用到工业的各个部门，比如产品质量控制、自动装配线、机床控制、空间技术、计算机控制、交通系统、电力系统、机器人、微机电系统( MEMS)、纳米技术等，甚至包括社会与经济系统。具体地说，控制系统的应用领域包括:
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过程控制，实现工业环境下的自动化和批量生产。
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机床，改善精度并提高生产效率。
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机器人系统，实现运动和速度控制。
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运输系统，现代汽车和飞机的各种功能涉及控制系统。
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微机电系统，微型机电装置，如微型传感器和微型执行器。
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芯片实验室，在只有几毫米至几平方厘米大小的芯片上同时进行用于医疗诊断或者是环境监测的几项实验任务。
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生物力学和生物医学，人造肌肉、药物输送系统和其他辅助技术。
1.1 控制系统的基本组成部分
控制系统的基本组成部分包括:
- 控制目标。
- 控制系统(元件)。
- 结果或输出。
$$ 图1-1 控制系统的基本组成部分 $$
上述三部分之间的基本关系如图1-1所示，此控制框图提供了一种图形化的方法来描述控制系统的元件如何进行交互。我们稍后将在第4章中进行讨论。在这种情况下，控制目标可由输入(或者称为激励信号 u)和输出(或者称为被控变量 y)确定。一般而言，控制系统的目标在于通过输入，经由控制元件, 以某种预先设定的方式来控制输出。