如何优化控制系统的目标？

无论我们在哪个层级去关注一个系统，控制子系统（控制器）的主要目的是产生信号，驱动（也可能通过人工干预的方式）被控过程，使得被控过程按照期望的方式运行。在控制子系统和被控过程间至少存在一种物理接口，在反馈环中有两个接口：传感器接口和执行器接口。

在有些情况下，这些接口只是直接的物理连接。例如，在瓦特的蒸汽机例子（例8.1）中，对飞球的位移与阀门位置的位移通过机械方式联系在一起，控制蒸汽的流动。

在其他例子中，控制器输出存在于不同的物理域，这些物理域存在于输入信号、被控对象或传感器中。传感器从物理域中将信号转换出来，对于互联的实现有着重要的作用。例如，控制器计算出代表下一时刻的输入信号，这个输入量必须转化为恰当的过程变量，如门的位置、电动机绕组的电压、力矩、电动机的转速或光波的强度等。在工程系统中，转换通常包括了电子器件和电气执行机构的使用，电气执行机构通过电动机连接到相对应的物理量范围内。在人体中也有相类似的过程，代表神经系统运动的电化学过程必须在运动发生前传递到肌肉组织。这一过程的发生通过肌肉神经接点的化学过程：运动神经元刺激突触释放出神经传导物质，然后传递到肌肉纤维的受体上，使肌肉产生收缩的反应。

基于控制目标、被控过程的知识（过程模型及其他关于干扰的相关信息）和测量数据，控制器可以计算出系统下一步所要执行的动作。

常见的控制目标包括：

●调节控制或扰动抑制，典型的例子为蒸汽机调速器。目标是在存在干扰的前提下保持转速在预定的水平，存在的干扰为由于燃烧器条件的变化导致蒸汽压力的变化。在灌溉系统（见3.3节）中，需要调节供应渠道的水位，使得农民有足够大的势能覆盖田地。在灌溉系统中，干扰是用水需求的变化。

●轨迹跟踪控制，典型的例子为射电望远镜（见3.4节）。目标是跟踪星球的位置，星球的位置相对于天文台随时间变化。外部干扰（如风）必须被抑制。跟踪往往也要考虑抑制干扰的要求。

●顺序控制，在启动或关闭阶段所必需的。在过程达到稳态前，调节或跟踪为主要目标。例如，在速度调节器能控制速度之前，蒸汽必须达到足够的温度和压力。从冷的条件下启动蒸汽机，需要一个事件序列：给锅炉充水，检查水位，启动燃烧器，打开空气阀，打开燃油阀，启动点火，检查燃烧，达到运行条件。在关闭蒸汽机的时候也需要类似的程序。在大部分过程中存在一个类似的程序以及应急程序。在灌溉系统中，渠道在启动时必须被注满水。雨水事件会导致渠道紧急关闭。射电望远镜在大风速情况下必须暂停避免损坏。在其他应用中，如间歇反应器、洗衣机或洗车，排序是主要的控制任务（见第3章中描述的应用）。

1）自适应控制，在出现重大变化的时候，仍然希望保持系统的性能，通常需要大幅度调整控制系统。由于控制动态发生变化，应该适当地调整控制子系统，以确保控制系统采取的行动是合适的。天线系统（见3.4节）的机械谐振频率随着天线指向角的变化而变化，影响到控制输入的允许带宽，控制器需要自适应地调整，以应对这一变化。

2）最优控制，有时需要优化某个变量，而不是调节某一变量至一个特定水平，如达到最大的效率，或最高功率输出。最优控制目标是使调节变量的导数为零。实现这种任务的具体控制算法已经存在，如极值搜索方法，与自适应控制和学习控制方法密切相关。

3）故障检测和过程重构，从监测被控过程的响应来识别报警条件，并且通过控制系统来采取相应的行动。在这种方式中，可以避免不安全的操作条件，满足紧急情况下的要求，或为操作员提供可行的操作指导。在某些情况下，报警可能需要重新配置控制系统，特别是当执行结构失效时。重新组合冗余的执行机构，控制系统基于故障检测和报警条件可以实现重构，以保证被控过程的安全运行。

4）监督控制，应用于在有许多层次控制的情况下，如大型供电网络。供电网络随着运行条件的变化而变化，或网络结构本身的变化（切换），或组件失效。对新的运行条件进行评估通常会导致需要对控制目标进行重新评估，以便确定其时时能有效保持。并基于这种评估，指导低层级的控制子系统动作。大型模拟和情景评价在控制设计中处于核心位置。

5）协调控制，通常是运行在最高层的控制任务，特别是存在清晰的控制子系统层次结构时。协调控制确保子系统正常协调工作。本地控制子系统指导和提供参考或设定值。在处理大型复杂过程的时候，每个子过程都有自己的目标，要与总体目标一致。协调控制确保局部目标实现，使得达到这整个过程的全局目标。它还有助于启动、关闭以及应急程序。(www.xing528.com)

6）学习控制，可以利用被控系统运行时收集的信息来实现学习过程。首先采集被控系统响应的新信息，随后学习与自适应控制技术捕捉到这一信息，方便以后使用，如优化被控过程的响应。学习过程应用于反馈控制中，会导致非常复杂的系统行为。目前，这种复杂行为仍然是不完全清楚的。即使对于最简单的例子，也不能被排除控制系统的混沌行为。针对不同的对象会催生出不同的控制方法和技术：从基于逻辑和基于事件的，到离散时间控制器，再到来源于人工智能思想的智能控制系统。就像诺伯特·维纳在他的著作Wiener（1961）所论述的那样，控制系统会模仿一些我们从自身行为体会到的经验。

不同的控制方式来自对自身的分析和设计工具。在现代应用中，都是协调运用多种技术达到预期的解决方案。迄今为止，控制工程理论和实践还没有发展到一个标准的软件“控制工程（4.13b）”，可以从问题的开始就引导我们选出合适的控制解决方案。

例子：

让我们重新讨论蒸汽机如图7-8，以及人在回路内的情形，如图8-4所示。

图8-4 水位和水温控制

我们主要的目标是制造满足需求的蒸汽，当然还要保持被控对象处于正常状态，也就是水位、合适的燃烧条件和安全的压力级别等。控制单元就是确保水位和水温都被正常的调节。

如图8-4所示，操作员可以通过显示面板去监视被控对象工作的全过程。操作员可以跟踪系统的变化，然后调节设置。他通过程序指令根据需要制造出不同的蒸汽产品（改变压力、温度、流量）。操作员同样可以引入逻辑程序，包括启动或停止，或者跳到待机模式。

在更为复杂的操作里，控制单元可以监督许多的运行环境，并且能够自动地改变被控对象或控制。例如，基于燃料的经济价格，火炉能够在气和油之间切换，或者控制目标能够在备用锅炉的等待模式和跟踪调节之间转换，甚至调节子系统的控制器实现蒸汽流量动态变化时，调节水位高度。主控制器的从属控制器目标是在环境许可的烟道煤气范围内，将锅炉的效益最大化。

控制系统必须能够对故障作出反应，例如，紧急开关会在水位过低的情况下关闭锅炉，以至于不对锅炉本体造成物理伤害。

在第3章中，我们描述了所有上述系统可以预见的相似状况。