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1 測(cè)控的基本概念
測(cè)試與控制技術(shù)，簡稱測(cè)控技術(shù)，是信息科學(xué)的重要組成部分，它與計(jì)算機(jī)技術(shù)和通信技術(shù)構(gòu)成了完整的信息技術(shù)學(xué)科。測(cè)控技術(shù)廣泛應(yīng)用于國民經(jīng)濟(jì)各個(gè)領(lǐng)域， 無論是工程研究、產(chǎn)品開發(fā)，還是質(zhì)量監(jiān)控、性能試驗(yàn)等，都離不開測(cè)控技術(shù)。測(cè)控技術(shù)是人類認(rèn)識(shí)客觀世界的手段，是科學(xué)研究的基本方法。
測(cè)控技術(shù)可分為測(cè)試與控制兩大部分，兩部分相輔相成，密切相連。測(cè)試是控制的前提，而控制反過來又往往為測(cè)試提供原理或方法保障。即使是單純的測(cè)試系統(tǒng)，甚至單個(gè)的測(cè)試環(huán)節(jié)也與控制理論密切相連，如反饋式加速度傳感器、伺服指示儀表等均需在控制理論的指導(dǎo)下進(jìn)行分析設(shè)計(jì)。
測(cè)試是具有試驗(yàn)性質(zhì)的測(cè)量，是測(cè)量和試驗(yàn)的綜合，測(cè)試的目的是確定被測(cè)對(duì)象或系統(tǒng)屬性的量值。測(cè)試技術(shù)又由傳感器技術(shù)、檢測(cè)技術(shù)和數(shù)據(jù)處理技術(shù)共同構(gòu)成。其中傳感器類似于人的感覺器官，它將被測(cè)對(duì)象的輸出以及內(nèi)部的狀態(tài)等屬性量（統(tǒng)稱為 被測(cè)量 ），如力、位移、溫度等，轉(zhuǎn)換為易于量測(cè)的信號(hào)，傳遞給檢測(cè)環(huán)節(jié)；檢測(cè)環(huán)節(jié)對(duì)來自傳感器的信號(hào)進(jìn)行進(jìn)一步的處理，將信號(hào)量化為一定的數(shù)值；而數(shù)據(jù)處理則對(duì)量化后的信號(hào)進(jìn)行進(jìn)一步的運(yùn)算、分析，將其轉(zhuǎn)變?yōu)橹庇^的結(jié)果顯示給操作者或用于控制系統(tǒng)的運(yùn)行行為。
控制技術(shù)通過人或外加的輔助設(shè)備或裝置 （稱為 控制裝置 或 控制器 ） ，使得被控對(duì)象或系統(tǒng)，如機(jī)器、生產(chǎn)過程等的工作狀態(tài)或參數(shù)（即 被控量 ）按照預(yù)定的規(guī)律運(yùn)行。對(duì)無需人的直接干預(yù)即可運(yùn)行控制系統(tǒng)，稱為自動(dòng)控制系統(tǒng)。一個(gè)簡單的恒溫箱控制系統(tǒng)的例子如下圖 所示。
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（ a ） 人工控制的恒溫箱
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（ b ） 自動(dòng)控制的恒溫箱
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恒溫箱控制系統(tǒng) |
恒溫箱控制的要求是克服外界干擾（如電源電壓波動(dòng)、環(huán)境溫度變化等等），保持箱內(nèi)溫度恒定，以滿足物體對(duì)溫度的要求。顯然為了實(shí)現(xiàn)溫度的恒定控制，必須首先對(duì)箱內(nèi)溫度進(jìn)行測(cè)量。對(duì)于圖 1.1 （ a ）所示的人工控制的恒溫箱，其控制或調(diào)節(jié)過程可歸結(jié)如下：
(1) 操作者觀測(cè)由測(cè)量元件（溫度計(jì)）測(cè)出的恒溫箱內(nèi)的溫度（被控制量）。
(2) 將測(cè)得的溫度與要求的溫度值（給定值）進(jìn)行比較，得出溫度差值（稱為偏差）的大小和方向。
(3) 根據(jù)偏差的大小和方向，操作者通過調(diào)節(jié)調(diào)壓器進(jìn)行控制。當(dāng)恒溫箱內(nèi)溫度高于所要求的給定溫度值時(shí)，移動(dòng)調(diào)壓器使電流減小，溫度降低。若溫度低于給定的值，則移動(dòng)調(diào)壓器，使電流增加，溫度升到正常范圍。
顯然，人工控制的過程就是通過眼睛測(cè)量、大腦求取偏差、再通過手控制調(diào)壓器改變加熱電阻絲的發(fā)熱量以糾正溫度偏差的過程，簡言之即“檢測(cè)偏差再糾正偏差”。
人工控制要求操作者隨時(shí)觀察箱內(nèi)溫度的變化情況，隨時(shí)進(jìn)行調(diào)節(jié)。為了將操作者從這種機(jī)械式的重復(fù)勞動(dòng)中解脫出來，可以設(shè)計(jì)一個(gè)控制器來完成人的工作，將上面的人工控制變成如圖 1.1 （ b ）所示的自動(dòng)控制系統(tǒng)。 其中，恒溫箱的所需溫度由電壓信號(hào) u 1 給定。當(dāng)外界因素引起箱內(nèi)溫度變化時(shí)，作為測(cè)量元件的熱電偶，把溫度轉(zhuǎn)換成對(duì)應(yīng)的電壓信號(hào) u 2 ，并反饋回去與給定信號(hào) u 1 相比較，所得結(jié)果即為溫度的偏差信號(hào) Δ u = u 1 - u 2 。經(jīng)過電壓、功率放大后，用以改變執(zhí)行電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速和方向，并通過傳動(dòng)裝置拖動(dòng)調(diào)壓器動(dòng)觸頭。當(dāng)溫度偏高時(shí)，動(dòng)觸頭向著減小電流的方向運(yùn)動(dòng)，反之加大電流，直到溫度達(dá)到給定值為止。即只有在偏差信號(hào) Δ u = 0 時(shí)，電動(dòng)機(jī)才停轉(zhuǎn)。這樣就完成了恒溫箱所要求的自動(dòng)控制任務(wù)。
易見，自動(dòng)控制系統(tǒng)和人工控制系統(tǒng)的共同特點(diǎn)都是要檢測(cè)偏差，并用檢測(cè)到的偏差去糾正偏差。因此，檢測(cè)是控制的前提，而沒有偏差就不會(huì)有控制調(diào)節(jié)過程�？刂葡到y(tǒng)的工作原理可以歸納如下：
(1) 檢測(cè)輸出量的實(shí)際值。
(2) 將實(shí)際值與給定值（輸入量）進(jìn)行比較得出偏差值。
(3) 用偏差值產(chǎn)生控制調(diào)節(jié)作用去消除偏差。
在控制系統(tǒng)中，給定量又稱系統(tǒng)的輸入量，被控制量也稱系統(tǒng)的輸出量。輸出量的返回過程稱為反饋，它表示輸出量通過測(cè)量裝置將信號(hào)的全部或一部分返回輸入端，使之與輸入量進(jìn)行比較。比較產(chǎn)生的結(jié)果稱為偏差。在人工控制中，這一偏差是通過人眼觀測(cè)后，由人腦判斷、決策得出的；而在自動(dòng)控制中，偏差則是通過反饋，由控制器進(jìn)行比較、計(jì)算產(chǎn)生的。由于存在輸出量反饋，系統(tǒng)能在存在無法預(yù)計(jì)擾動(dòng)的情況下，自動(dòng)減少系統(tǒng)的輸出量與參考輸入量（或者任意變化的希望的狀態(tài)）之間的偏差，故稱之為反饋控制。而將基于反饋原理、通過 " 檢測(cè)偏差再糾正偏差 " 的系統(tǒng)稱為反饋控制系統(tǒng)。可見，作為反饋控制系統(tǒng)至少應(yīng)具備測(cè)量、比較（或計(jì)算）和執(zhí)行三個(gè)基本功能。
測(cè)控系統(tǒng)通常通過 結(jié)構(gòu)框圖或功能框圖清晰而形象地表示出來，圖給出了恒溫箱控制系統(tǒng)的功能框圖。圖中帶有箭頭的有向線段表示信息的傳遞路徑， 有向線段旁邊標(biāo)識(shí)的符號(hào)標(biāo)識(shí)該線段所代表的信號(hào)； 帶有名稱的方框表示構(gòu)成系統(tǒng)的各個(gè)部件（即測(cè)控環(huán)節(jié)），進(jìn)入方框的箭頭表示信號(hào)輸入，反之表示輸出， 各環(huán)節(jié)的作用是單向的，其輸出受輸入控制；“ ? ”代表比較元件，注意到進(jìn)入比較元件的反饋信號(hào) u 2 旁邊有一“－”號(hào)，其含義是負(fù)號(hào)，即比較元件完成給定信號(hào)與反饋信號(hào)的相減操作以獲取偏差信號(hào)產(chǎn)生控制作用，使偏差越來越小，這種控制稱為負(fù)反饋控制。負(fù)反饋控制是實(shí)現(xiàn)自動(dòng)控制最基本的方法，不同的控制系統(tǒng)盡管實(shí)現(xiàn)自動(dòng)控制的裝置可能不同，但自動(dòng)控制的實(shí)現(xiàn)建立在反饋的基礎(chǔ)之上。
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（ b ） 自動(dòng)控制的恒溫箱
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恒溫箱控制系統(tǒng)功能框圖 |
2 測(cè)控技術(shù)的內(nèi)容和任務(wù)
1) 測(cè)控技術(shù)的內(nèi)容
測(cè)控技術(shù)研究的主要內(nèi)容包括：測(cè)控原理及方法、測(cè)控?cái)?shù)據(jù)處理、測(cè)控系統(tǒng)建模、以及測(cè)控系統(tǒng)的分析和設(shè)計(jì)等幾個(gè)方面。
測(cè)控原理及方法包括實(shí)現(xiàn)測(cè)量和控制所依據(jù)的物理、化學(xué)、生物等現(xiàn)象及有關(guān)定律以及相應(yīng)的實(shí)現(xiàn)方法。例如，熱電偶測(cè)量溫度時(shí)所依據(jù)的是熱電效應(yīng)、電機(jī)轉(zhuǎn)速控制所依據(jù)的是電機(jī)的運(yùn)動(dòng)特性等等。不同性質(zhì)的被測(cè)量或被控量用不同的原理進(jìn)行測(cè)量或控制，同一性質(zhì)的被測(cè)量或被控量亦可用不同的的原理去測(cè)量或控制。測(cè)控原理確定后，根據(jù)對(duì)測(cè)控任務(wù)的具體要求和現(xiàn)場實(shí)際情況，需要采用不同的測(cè)控方法，如直接測(cè)控法或間接測(cè)控法、模擬量測(cè)控法或數(shù)字量測(cè)控法等。
測(cè)控?cái)?shù)據(jù)處理包括數(shù)據(jù)的運(yùn)算、濾波及各種分析方法，其目的是獲得正確可靠的結(jié)果，提高測(cè)試和控制的可靠性及準(zhǔn)確性。
測(cè)控系統(tǒng)建模研究如何通過物理、化學(xué)、生物等有關(guān)定律建立測(cè)控系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)模型，是進(jìn)行測(cè)控系統(tǒng)理論分析和設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)。
測(cè)控系統(tǒng)的分析和設(shè)計(jì)則是在測(cè)控系統(tǒng)模型的基礎(chǔ)上，通過時(shí)域或頻域的方法分析系統(tǒng)的性能，通過外加合適的校正環(huán)節(jié)補(bǔ)償原有系統(tǒng)的不足，構(gòu)建快速、準(zhǔn)確、不失真的測(cè)控系統(tǒng)。
2) 測(cè)控技術(shù)的任務(wù)
測(cè)控技術(shù)的任務(wù)可以概括為以下五個(gè)方面：
在設(shè)備設(shè)計(jì)中，通過對(duì)新舊產(chǎn)品的模型試驗(yàn)或現(xiàn)場實(shí)測(cè)，為產(chǎn)品質(zhì)量和性能提供客觀的評(píng)價(jià)，為技術(shù)參數(shù)的優(yōu)化和效率的提高提供基礎(chǔ)數(shù)據(jù)；通過自動(dòng)控制技術(shù)的引入，提高設(shè)備的性能和工作效率；
在設(shè)備改造中，通過實(shí)測(cè)設(shè)備或零件的載荷、應(yīng)力、工藝參數(shù)和電機(jī)參數(shù)，為設(shè)備強(qiáng)度校驗(yàn)和承載能力的提高提供依據(jù)，挖掘設(shè)備的潛力；通過新增的自動(dòng)控制裝置，實(shí)現(xiàn)設(shè)備的功能升級(jí)和改善，以提高產(chǎn)量和質(zhì)量；
通過自動(dòng)控制，尤其是惡劣環(huán)境或危險(xiǎn)環(huán)境下設(shè)備的自動(dòng)控制，改善勞動(dòng)條件與工作環(huán)境，保證人的身心健康；
通過測(cè)試技術(shù)驗(yàn)證新的科學(xué)規(guī)律，從實(shí)驗(yàn)中發(fā)現(xiàn)規(guī)律，驗(yàn)證理論研究結(jié)果，實(shí)驗(yàn)與理論相互促進(jìn)，共同發(fā)展；
在工業(yè)自動(dòng)化生產(chǎn)中，通過對(duì)工藝參數(shù)的測(cè)試和數(shù)據(jù)采集，實(shí)現(xiàn)對(duì)設(shè)備的狀態(tài)監(jiān)控、產(chǎn)品質(zhì)量控制和故障診斷。
3 測(cè)控系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)和分類
1） 測(cè)控系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)
測(cè)控系統(tǒng)是指由相關(guān)的器件、儀器和測(cè)試控制裝置有機(jī)組合而成的具有獲取某種信息，并實(shí)施控制被控對(duì)象或系統(tǒng)運(yùn)行行為之功能的整體，其結(jié)構(gòu)如下圖所示。
圖中信號(hào)處理、反饋控制、顯示等環(huán)節(jié)，目前的發(fā)展趨勢(shì)是經(jīng) A/D 轉(zhuǎn)換后采用計(jì)算機(jī)等進(jìn)行分析、處理，并經(jīng) D/A 轉(zhuǎn)換控制被測(cè)控的對(duì)象。
在這里，需要指出的是為了準(zhǔn)確的獲得被測(cè)對(duì)象的信息，要求系統(tǒng)中的每一個(gè)環(huán)節(jié)的輸出量與輸入量之間必須具有一一對(duì)應(yīng)關(guān)系。而且，其輸出的變化能夠準(zhǔn)確地反映出其輸入的變化，即實(shí)現(xiàn)不失真的測(cè)試。
開環(huán)控制和閉環(huán)控制
實(shí)際的控制系統(tǒng)，根據(jù)有無反饋?zhàn)饔每梢苑譃殚_環(huán)控制系統(tǒng)、閉環(huán)控制系統(tǒng)和半閉環(huán)控制系統(tǒng)。
開環(huán)控制系統(tǒng)
如果系統(tǒng)只是根據(jù)輸入量和干擾量進(jìn)行控制，而輸出端和輸入端之間不存在反饋回路，輸出量在整個(gè)控制過程中對(duì)系統(tǒng)的控制不產(chǎn)生任何影響，這樣的系統(tǒng)稱為開環(huán)控制系統(tǒng)。圖所示的數(shù)控機(jī)床進(jìn)給系統(tǒng)，由于沒有反饋通道，所以是一個(gè)開環(huán)控制系統(tǒng)。系統(tǒng)的輸出量僅受輸入量的控制。
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數(shù)控機(jī)床工作臺(tái)進(jìn)給開環(huán)控制系統(tǒng)
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開環(huán)控制系統(tǒng)的輸入量與輸出量之間有明確的對(duì)應(yīng)關(guān)系，但如果在某種干擾的作用下，使得系統(tǒng)的輸出偏離了原始值，則由于不存在反饋，控制器無法獲得關(guān)于輸出量的實(shí)際狀態(tài)，系統(tǒng)將無法自動(dòng)糾偏，所以，開環(huán)系統(tǒng)的控制精度通常較低。但是如果組成系統(tǒng)的元件特性和參數(shù)值比較穩(wěn)定，而且外界的干擾也比較小，則這種控制系統(tǒng)也可以保證一定的精度。開環(huán)控制系統(tǒng)的最大優(yōu)點(diǎn)是系統(tǒng)簡單，一般都能穩(wěn)定可靠地工作，因此對(duì)于要求不高的系統(tǒng)可以采用。開環(huán)控制系統(tǒng)的一般結(jié)構(gòu)如圖所示。
2 ．閉環(huán)控制系統(tǒng)
如果系統(tǒng)的輸出端和輸入端之間存在反饋回路，輸出量對(duì)控制過程產(chǎn)生直接影響，這種系統(tǒng)稱為閉環(huán)控制系統(tǒng)，如前述的恒溫箱自動(dòng)控制系統(tǒng)就是一個(gè)閉環(huán)控制系統(tǒng)。閉環(huán)控制系統(tǒng)的一般結(jié)構(gòu)如圖所示。
閉環(huán)控制系統(tǒng)的突出優(yōu)點(diǎn)是不管遇到什么干擾，只要被控制量的實(shí)際值偏離給定值，閉環(huán)控制就會(huì)自動(dòng)產(chǎn)生控制作用來減小這一偏差，因此，閉環(huán)控制精度通常較高。
閉環(huán)控制系統(tǒng)也有它的缺點(diǎn)，這類系統(tǒng)是靠偏差進(jìn)行控制的，因此，在整個(gè)控制過程中始終存在著偏差，由于元件的慣性（如負(fù)載的慣性），若參數(shù)配置不當(dāng)，很容易引起振蕩，使系統(tǒng)不穩(wěn)定，而無法工作。
3 ．半閉環(huán)控制系統(tǒng)
如果控制系統(tǒng)的 反饋信號(hào) 不是直接從系統(tǒng)的輸出端引出，而是 間接 地取自中間的測(cè)量元件，例如在數(shù)控機(jī)床的進(jìn)給伺服系統(tǒng)中，若將位置檢測(cè)裝置安裝在傳動(dòng)絲桿的端部，間接測(cè)量工作臺(tái)的實(shí)際位移，則這種系統(tǒng)稱為 半閉環(huán)控制系統(tǒng) 。
半閉環(huán)控制系統(tǒng)一般可以獲得比開環(huán)系統(tǒng)更高的控制精度，但由于只存在局部反饋，在局部反饋之外的部分所導(dǎo)致的輸出擾動(dòng)將無法通過自動(dòng)調(diào)節(jié)的方式消除，因此，其精度往往比閉環(huán)系統(tǒng)要低；但與閉環(huán)系統(tǒng)相比，它易于實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的穩(wěn)定。目前大多數(shù)數(shù)控機(jī)床都采用這種半閉環(huán)控制進(jìn)給伺服系統(tǒng)。
1.3.1 .2 閉環(huán)控制系統(tǒng)的組成
圖所示為一個(gè)較完整的閉環(huán)控制系統(tǒng)。由圖可見，閉環(huán)控制系統(tǒng)一般應(yīng)該包括給定元件、反饋元件、比較元件、放大元件、執(zhí)行元件及校正元件等。
1 ．給定元件
主要用于產(chǎn)生給定信號(hào)或輸入信號(hào)。
2 ．反饋元件
反饋元件通常是一些用電量來測(cè)量非電量的元件，即傳感器 , 它量測(cè)被控制量或輸出量，產(chǎn)生主反饋信號(hào)。一般，為了便于傳輸，主反饋信號(hào)多為電信號(hào)。
必須指出，在機(jī)械、液壓、氣動(dòng)、機(jī)電、電機(jī)等系統(tǒng)中存在著內(nèi)在反饋。這是一種沒有專設(shè)反饋元件的信息反饋，是系統(tǒng)內(nèi)部各參數(shù)相互作用而產(chǎn)生的反饋信息流，如作用力與反作用力之間形成的直接反饋。內(nèi)在反饋回路由系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)特性確定，它所構(gòu)成的閉環(huán)系統(tǒng)是一個(gè)動(dòng)力學(xué)系統(tǒng)。例如，機(jī)床工作臺(tái)低速爬行等自激振蕩現(xiàn)象，都是由具有內(nèi)在反饋的閉環(huán)系統(tǒng)產(chǎn)生的。
3 ．比較元件
用來接收輸入信號(hào)和反饋信號(hào)并進(jìn)行比較，產(chǎn)生反映兩者差值的偏差信號(hào)。
4 ．放大元件
對(duì)偏差信號(hào)進(jìn)行放大的元件。例如，電壓放大器、功率放大器、電液伺服閥、電氣比例 / 伺服閥等。放大元件的輸出一定要有足夠的能量，才能驅(qū)動(dòng)執(zhí)行元件，實(shí)現(xiàn)控制功能。
5 ．執(zhí)行元件
直接對(duì)受控對(duì)象進(jìn)行操縱的元件。例如，伺服電動(dòng)機(jī)、液壓（氣）馬達(dá)、伺服液壓（氣）缸等。
6 ．校正元件
為保證控制質(zhì)量，使系統(tǒng)獲得良好的動(dòng)、靜態(tài)性能而加入系統(tǒng)的元件。校正元件又稱校正裝置。串接在系統(tǒng)前向通路上的稱為串聯(lián)校正裝置；并接在反饋回路上的稱為并聯(lián)校正裝置。
盡管一個(gè)控制系統(tǒng)包含許多起著不同作用的元部件，但從總體上看，任何一個(gè)控制系統(tǒng)都可認(rèn)為僅由控制器（完成控制作用）和控制對(duì)象兩部分組成。如圖 1.8 中，比較元件、放大元件、執(zhí)行元件和反饋元件等共同起著控制作用，為控制器部分。圖 1.8 還包括了擾動(dòng)信號(hào)，擾動(dòng)信號(hào)是由于系統(tǒng)內(nèi)部元器件參數(shù)的變化或外部環(huán)境的改變而造成的，不管是何種擾動(dòng)，其最終結(jié)果都是導(dǎo)致輸出量即被控制量發(fā)生偏移，因此直接將擾動(dòng)信號(hào)集中表示在控制對(duì)象上。考慮到輸出量的偏移所產(chǎn)生的偏差可以通過反饋?zhàn)饔糜枰宰詣?dòng)糾正，采用上述表示方法是合適的。
2） 測(cè)控系統(tǒng)的分類
測(cè)控系統(tǒng)的種類很多，在實(shí)際應(yīng)用中，可以從不同的角度對(duì)測(cè)控系統(tǒng)進(jìn)行分類。
按控制輸入量的特征分類
1 ．恒值控制系統(tǒng)
這種系統(tǒng)的控制輸入量是一個(gè)恒定值，一經(jīng)給定，在運(yùn)行過程中就不再改變（但可定期校準(zhǔn)或更改輸入量）。恒值控制系統(tǒng)的任務(wù)是保證在任何擾動(dòng)下系統(tǒng)的輸出量為恒值。
工業(yè)生產(chǎn)中的溫度、壓力、流量、液面等參數(shù)的控制，有些原動(dòng)機(jī)的速度控制，機(jī)床的位置控制，電力系統(tǒng)的電網(wǎng)電壓、頻率控制等，均屬此類。
2 ．程序控制系統(tǒng)
這種系統(tǒng)的輸入量不為常值，但其變化規(guī)律是預(yù)先知道和確定的�？梢灶A(yù)先將輸入量的變化規(guī)律編成程序，由該程序發(fā)出控制指令，在輸入裝置中再將控制指令轉(zhuǎn)換為控制信號(hào)，經(jīng)過全系統(tǒng)的作用，使控制對(duì)象按指令的要求而運(yùn)動(dòng)。計(jì)算機(jī)繪圖儀就是典型的程序控制系統(tǒng)。
工業(yè)生產(chǎn)中的過程控制系統(tǒng)按生產(chǎn)工藝的要求編制成特定的程序，由計(jì)算機(jī)來實(shí)現(xiàn)其控制。這就是近年來迅速發(fā)展起來的數(shù)字程序控制系統(tǒng)和計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)。微處理機(jī)控制將程序控制系統(tǒng)推向更普遍的應(yīng)用領(lǐng)域。
圖表示一個(gè)用于機(jī)床切削加工的程序控制系統(tǒng)。
3 ．隨動(dòng)系統(tǒng)
隨動(dòng)系統(tǒng)在工業(yè)部門又稱伺服系統(tǒng)。這種系統(tǒng)的輸入量的變化規(guī)律是不能預(yù)先確定的。當(dāng)輸入量發(fā)生變化時(shí)，則要求輸出量迅速而平穩(wěn)地跟隨著變化，且能排除各種干擾因素的影響，準(zhǔn)確地復(fù)現(xiàn)控制信號(hào)的變化規(guī)律（此即伺服的含義）�？刂浦噶羁梢杂刹僮髡吒鶕�(jù)需要隨時(shí)發(fā)出，也可以由目標(biāo)物或相應(yīng)的測(cè)量裝置發(fā)出。
按系統(tǒng)中傳遞信號(hào)的性質(zhì)分類
1 ．連續(xù)系統(tǒng)
系統(tǒng)中各部分傳遞的信號(hào)都是連續(xù)時(shí)間變量的系統(tǒng)稱為連續(xù)系統(tǒng)。連續(xù)系統(tǒng)又有線性系統(tǒng)和非線性系統(tǒng)之分。用線性微分方程描述的系統(tǒng)稱為線性系統(tǒng)，不能用線性微分方程描述、存在著非線性部件的系統(tǒng)稱為非線性系統(tǒng)。
2 ．離散系統(tǒng)。
系統(tǒng)中某一處或數(shù)處的信號(hào)是脈沖序列或數(shù)字量傳遞的系統(tǒng)稱為離散系統(tǒng)（也稱數(shù)字測(cè)控系統(tǒng)）。在離散系統(tǒng)中，數(shù)字測(cè)量、放大、比較、給定等部件一般均由微處理機(jī)實(shí)現(xiàn)，計(jì)算機(jī)的輸出經(jīng) D/A 轉(zhuǎn)換加給伺服放大器，然后再去驅(qū)動(dòng)執(zhí)行元件；或由計(jì)算機(jī)直接輸出數(shù)字信號(hào)，經(jīng)數(shù)字放大器后驅(qū)動(dòng)數(shù)字式執(zhí)行元件。
由于連續(xù)系統(tǒng)和離散系統(tǒng)的信號(hào)形式有較大區(qū)別，因此在分析方法上也有明顯的不同。連續(xù)系統(tǒng)以微分方程來描述系統(tǒng)的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)，并用拉氏變換法求解微分方程；而離散系統(tǒng)則用差分方程來描述系統(tǒng)的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)，用 Z 變換法引出脈沖傳遞函數(shù)來研究系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)特性。
此外，還可按照系統(tǒng)部件的物理屬性分為機(jī)械、電氣、機(jī)電、液壓、氣動(dòng)、熱力等測(cè)控系統(tǒng)。
4 對(duì)控制系統(tǒng)的基本要求
不同場合的測(cè)控系統(tǒng)有著不同的性能要求。但各種測(cè)控系統(tǒng)均有著一些共同的基本要求，即穩(wěn)定、準(zhǔn)確、快速。
�。�.穩(wěn)定性
由于測(cè)控系統(tǒng)都包含儲(chǔ)能元件，若系統(tǒng)參數(shù)匹配不當(dāng)，能量在儲(chǔ)能元件間的交換可能引起振蕩。穩(wěn)定性就是指系統(tǒng)動(dòng)態(tài)過程的振蕩傾向及其恢復(fù)平衡狀態(tài)的能力。對(duì)于穩(wěn)定的系統(tǒng)，當(dāng)輸出量偏離平衡狀態(tài)時(shí)，應(yīng)能隨著時(shí)間收斂并且最后回到初始的平衡狀態(tài)。穩(wěn)定性是保證測(cè)控系統(tǒng)正常工作的先決條件。
２.精確性
測(cè)控系統(tǒng)的精確性即測(cè)控精度，一般以穩(wěn)態(tài)誤差來衡量。所謂穩(wěn)態(tài)誤差是指以一定變化規(guī)律的輸入信號(hào)作用于系統(tǒng)后，當(dāng)調(diào)整過程結(jié)束而趨于穩(wěn)定時(shí)，輸出量的實(shí)際值與期望值之間的誤差值，它反映了動(dòng)態(tài)過程后期的性能。這種誤差一般是很小的。如數(shù)控機(jī)床的加工誤差小于 0.02mm ，一般恒速、恒溫控制系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)誤差都在給定值的 1% 以內(nèi)。
�。�.快速性
快速性是指當(dāng)系統(tǒng)的輸出量與輸入量之間產(chǎn)生偏差時(shí)，消除這種偏差的快慢程度�？焖傩院玫南到y(tǒng)，它消除偏差的過渡過程時(shí)間就短，就能復(fù)現(xiàn)快速變化的輸入信號(hào)，因而具有較好的動(dòng)態(tài)性能。
由于測(cè)控對(duì)象的具體情況不同，各種系統(tǒng)對(duì)穩(wěn)定、精確、快速這三方面的要求是各有側(cè)重的。例如，調(diào)速系統(tǒng)對(duì)測(cè)控的穩(wěn)定性要求較嚴(yán)格，而隨動(dòng)系統(tǒng)則對(duì)測(cè)控的快速性提出較高的要求。
需要指出的是，對(duì)于一個(gè)測(cè)控系統(tǒng)而言，穩(wěn)、準(zhǔn)、快是相互制約的。提高快速性，可能會(huì)使得系統(tǒng)發(fā)生強(qiáng)烈振蕩；改善了穩(wěn)定性，測(cè)控過程又有可能過于遲緩，甚至精度也會(huì)變差。分析和解決這些矛盾，正是測(cè)控理論所要討論的主要內(nèi)容之一。
5 測(cè)控技術(shù)的發(fā)展趨勢(shì)
測(cè)控技術(shù)是一門新型的技術(shù)科學(xué)，也是一門邊緣科學(xué)。早在一千多年以前，我國就先后發(fā)明了銅壺滴漏計(jì)時(shí)器、指南針以及天文儀器等多種自動(dòng)測(cè)控裝置，這些發(fā)明促進(jìn)了當(dāng)時(shí)社會(huì)經(jīng)濟(jì)的發(fā)展。即使從 1788 年瓦特（ J.Watt ）發(fā)明蒸汽機(jī)飛球調(diào)速器算起，測(cè)控工程也已有了二百多年的歷史。然而，測(cè)控工程作為一門學(xué)科，它的形成并迅速發(fā)展卻是最近五六十年的事。
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銅壺滴漏計(jì)時(shí)器 |
瓦特發(fā)明的飛球調(diào)節(jié)器 |
1） 控制工程的發(fā)展概況
二次世界大戰(zhàn)前，控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)因缺乏系統(tǒng)的理論指導(dǎo)而多采用試湊法。二次大戰(zhàn)期間，由于建造飛機(jī)自動(dòng)駕駛儀、雷達(dá)跟蹤系統(tǒng)、火炮瞄準(zhǔn)系統(tǒng)等軍事裝備的需要，推動(dòng)了控制理論的飛躍發(fā)展。 1948 年威納（ N.Wiener ）發(fā)表了著名的《控制論》，從而基本上形成了經(jīng)典控制理論，使控制工程有了扎實(shí)的理論支撐。經(jīng)典控制理論以傳遞函數(shù)為基礎(chǔ)，主要研究單輸入 - 單輸出系統(tǒng)的分析和控制問題。
除了威納之外，在經(jīng)典控制理論的形成和發(fā)展過程中作出重大貢獻(xiàn)的還有： 1868 年，馬克斯威爾（ J.C.Maxwell ）發(fā)表了《調(diào)速器》一文，首先提出了 " 反饋控制 " 的概念； 1875 年，勞思（ E.J.Routh ）和 1895 年，赫維茨（ A.Hurwifz ）先后獨(dú)立地提出了判別系統(tǒng)穩(wěn)定性的代數(shù)判據(jù)； 1932 年，尼奎斯特（ H.Nyquist ）提出了著名的尼奎斯特穩(wěn)定性判據(jù)；此后，博德（ H.W.Bode ）總結(jié)了負(fù)反饋放大器； 1948 年，埃文斯（ W.R.Evans ）提出了根軌跡法，進(jìn)一步充實(shí)了經(jīng)典控制理論。
二次世界大戰(zhàn)后，控制理論擴(kuò)展到民用，在化工、煉油、冶金等工業(yè)部門得到了進(jìn)一步的應(yīng)用，控制理論也日漸成熟。 1954 年，我國科學(xué)家錢學(xué)森發(fā)表了《工程控制論》這一名著，為控制工程這門技術(shù)科學(xué)奠定了理論基礎(chǔ)。
20 世紀(jì) 50 年代末和 60 年代，控制工程又出現(xiàn)了一個(gè)迅猛發(fā)展時(shí)期，這時(shí)由于導(dǎo)彈制導(dǎo)、數(shù)控技術(shù)、空間技術(shù)發(fā)展需要和電子計(jì)算機(jī)技術(shù)的成熟，控制理論發(fā)展到了一個(gè)新的階段，產(chǎn)生了現(xiàn)代控制理論。它是以狀態(tài)空間分析法為基礎(chǔ)，主要分析和研究多輸入 - 多輸出、時(shí)變、非線性等系統(tǒng)的最優(yōu)控制問題。特別是近十幾年來，在計(jì)算機(jī)技術(shù)和現(xiàn)代應(yīng)用數(shù)學(xué)高速發(fā)展的推動(dòng)下，現(xiàn)代控制理論在最優(yōu)濾波、系統(tǒng)辨識(shí)、自適應(yīng)控制、智能控制等方面又有重大進(jìn)展。
對(duì)現(xiàn)代控制理論作出貢獻(xiàn)的有： 1892 年，俄國的李稚普諾夫（ A.M. Лияпунов）提出的判定系統(tǒng)穩(wěn)定性的方法被廣泛應(yīng)用于現(xiàn)代控制理論； 1956 年，前蘇聯(lián)的蓬特里亞金（Л .C. Понтрягин）提出了極大值原理； 1956 年，美國的貝爾曼（ R.I.Bellman ）提出了動(dòng)態(tài)規(guī)劃理論； 1960 年，美國的卡爾曼（ R.E.Kalman ）提出了卡爾曼濾波理論。
縱觀控制工程發(fā)展歷程，它是與控制理論、計(jì)算機(jī)技術(shù)、現(xiàn)代應(yīng)用數(shù)學(xué)的發(fā)展息息相關(guān)的。目前，控制理論正在與模糊數(shù)學(xué)、分形幾何、混沌理論、灰色理論、人工智能、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)、遺傳基因等學(xué)科的交叉、滲透和結(jié)合中不斷發(fā)展。
2） 測(cè)試技術(shù)的發(fā)展
先進(jìn)技術(shù)的發(fā)展日新月異，測(cè)試技術(shù)應(yīng)該適應(yīng)這種發(fā)展。根據(jù)先進(jìn)制造技術(shù)發(fā)展的要求以及測(cè)試技術(shù)自身的發(fā)展規(guī)律，不斷拓展著新的測(cè)量原理和測(cè)試方法，以及測(cè)試信息處理技術(shù)。
就機(jī)械工程而言，測(cè)控技術(shù)在以下幾個(gè)方面需要發(fā)展：
1）測(cè)量方式的多樣化
2）視覺測(cè)控技術(shù)
3）尺寸繼續(xù)向兩個(gè)極端發(fā)展
測(cè)量方式的多樣化
① 多傳感器融合技術(shù)在制造現(xiàn)場中的應(yīng)用 多傳感器融合是解決測(cè)量過程中測(cè)量信息獲取的方法，它可以提高測(cè)量信息的準(zhǔn)確性。由于多傳感器是以不同的方法或從不同的角度獲取信息的，因此可以通過它們之間的信息融合去偽存真，提高測(cè)量精度。
② 積木式、組合式測(cè)量方法 增加測(cè)試系統(tǒng)的柔性，實(shí)現(xiàn)不同層次不同目標(biāo)的測(cè)試目的。
③ 便攜式測(cè)量儀器 如便攜式光纖干涉測(cè)量儀、便攜式大量程三維測(cè)量系統(tǒng)等，用于解決現(xiàn)場大尺寸的測(cè)量問題。
④ 虛擬儀器 虛擬儀器是虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)在精密測(cè)試領(lǐng)域的應(yīng)用，一種是將多種數(shù)字化的測(cè)試儀器虛擬成一臺(tái)以計(jì)算機(jī)為硬件支撐的數(shù)字式的智能化測(cè)試儀器；另一種是研究虛擬制造中的虛擬測(cè)量，如虛擬量塊、虛擬坐標(biāo)測(cè)量機(jī)等。
⑤ 智能結(jié)構(gòu) 它屬于結(jié)構(gòu)檢測(cè)與故障診斷，是融合智能技術(shù)、傳感技術(shù)、信息技術(shù)、仿生技術(shù)、材料科學(xué)等的一門交叉學(xué)科，使監(jiān)測(cè)的概念過渡到在線、動(dòng)態(tài)、主動(dòng)的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)與控制。
視覺測(cè)控技術(shù)
視覺測(cè)試技術(shù)是建立在計(jì)算機(jī)視覺研究基礎(chǔ)上的一門新興測(cè)試技術(shù)。與計(jì)算機(jī)視覺研究的視覺模式識(shí)別、視覺理解等內(nèi)容不同，視覺測(cè)試技術(shù)重點(diǎn)研究物體的幾何尺寸及物體的位置測(cè)量，如三維面形的快速測(cè)量、大型工件同軸度測(cè)量、共面性測(cè)量等。它可以廣泛應(yīng)用于在線測(cè)量、逆向工程等主動(dòng)、實(shí)時(shí)測(cè)量過程。
兩個(gè)極端發(fā)展
兩個(gè)極端就是指相對(duì)于現(xiàn)在測(cè)量尺寸的大尺寸和小尺寸。通常尺寸的測(cè)量已被廣為注意，也開發(fā)了多種多樣的測(cè)試方法。近年來，由于國民經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展和迫切需要，使得很多方面的生產(chǎn)和工程中測(cè)試的要求超過了我們所能測(cè)試的范圍，如飛機(jī)外形的測(cè)量、大型機(jī)械關(guān)鍵部件測(cè)量、高層建筑電梯導(dǎo)軌的準(zhǔn)直測(cè)量、油罐車的現(xiàn)場校準(zhǔn)等都要求能進(jìn)行大尺寸測(cè)量；微電子技術(shù)、生物技術(shù)的快速發(fā)展，探索物質(zhì)微觀世界的需求，測(cè)量精度的不斷提高，又要求進(jìn)行微米、納米測(cè)試。納米測(cè)量也多種多樣，有光干涉測(cè)量儀、量子干涉儀、電容測(cè)微儀、 X 射線干涉儀、頻率跟蹤式法珀標(biāo)準(zhǔn)量具、掃描電子顯微鏡 (SEM) 、掃描隧道顯微鏡 (STM) 、原子力顯微鏡 (AFM) 、分子測(cè)量機(jī) M3(molecular measuring machine) 等。
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