经典控制理论重点概念梳理

控制问题的三个基本类型

即：Regulation, Tracking 和 Program-based control。

1、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。

        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）。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。

        在调节问题中，reference input应当是一个已知的常值。注意这里输入是对整个系统来讲的，而不是对被控系统（plant）或者过程（process）来讲的。在上图应该是R(s)，而并不是控制器的输出U(s)，不要搞混。

        调节问题的目标就是设计一个控制器（controller）或者叫补偿器（compensator），我们也常称调节问题的控制器为调节器（regulator），使得plant或者process能够维持在设定的set point（set point由reference input确定），并且在受到外来干扰时，控制器需要做出动作，自动调节系统状态以再次到达原来设定的set point。除此之外，我们自然还希望调节的速度越快越好，调节的准确度越高越好，并且控制器输出信号功率越小越好（节能）。这便设计到了控制品质的探讨，我们在以后会讨论。

2、跟踪问题Tracking

        跟踪问题（Tracking）是实现控制系统的输出实时地跟踪参考输入信号的问题，是一类控制的基本问题，也是极具挑战的问题。我们很容易联想到导弹跟踪飞机这样的场景，这正是典型的跟踪问题。

        Tracking问题的描述是设计一个控制器能够产生控制量，控制plant的输出总是跟踪输入的未知参考信号。注意这里未知的含义，输入参考信号本身就是随机的，人和被控系统都无法预测未来某一秒的输入。我们在设计时如果知道参考信号的特点，比如知道是正弦信号，但不知道幅值和相位，这会大大有利于设计。如果我们面对的完全随机的信号，设计时就要考虑全面，跟踪难度也会增加。

        实现tracking的系统结构和regulation相差是不大的，凭直觉我们就能猜到，两种问题均要使用到输出与输入的误差信息。所以从这个角度看，tracking问题仍然需要闭环结构的控制系统来实现。注意与regulation问题不同的是，tracking的输入信号通常会是一个未知信号，且变化速度很快时，控制器设计的要求就会比较高，对控制器来说是一个极大的挑战。从这个角度来说，tracking的实现比regulation是要难的。

3、程序控制 Program-based control

        程序控制不同于regulation和tracking 问题，完全可以采用开环结构解决（open-loop structure），但也并不是说所有程序控制都不采用闭环。程序控制中的参考信号一般都是预定规律随时间变化的函数，被控对象只需要复现此信号即可。

        我们的常规的交通信号灯，按照一定时间间隔切换红绿黄三色的交替，切换的规律就是事先预定并且由控制器负责执行的，这个过程并不需要知道某一时刻马路上的交通情况，输入并没有受到输出影响。

        自动门的控制也是一种程序控制，检测到有物体出现（输入），预定的程序就会控制电机开启自动门，然后便关闭，门的开闭状态并不会影响到输入。

        在控制精度要求不高或者干扰很小、干扰可知的场合中，多数的程序控制问题会采用开环控制，这样系统的响应速度能大大加快。工业制造上的机械手，数控机床和PLC等都是程序控制的案例，它们根据事先编好的程序进行运行，而不需要输出信息来干预输入。

总结：

        控制问题的三个基本类型，即：Regulation, Tracking和Program-based control。我们常见的自动原理课程都在讨论如何解决regulation和tracking，而程序控制讲的比较少，不过它确实也是作为一种控制手段影响着我们的生活和生产。有一些专门讲解PLC，数控机床控制的书籍，他们会更关注计算机控制。在经典控制理论中， 我们以后会主要关注regulation和tracking两类问题。

 

参考：

2. 控制问题的类型 - 知乎 (zhihu.com)