1.2 典型问题解析
讨论问题1：自动控制系统定义中的五要素是什么？
答：无人、控制器、被控对象、被控量、期望规律。
补充说明：任何自动控制系统均包含以上五要素。
如空调房间的温度控制系统，控制器为空调；被控对象为房间的气体；被控量为气体的温度；期望规律为预先采用遥控器设定的温度；整个系统的运作是无人参与的。
再如导弹系统，控制器为弹上控制系统或称控制仪；被控对象为导弹弹体；被控量为导弹的位置；期望规律为预定弹道并使最终位置与目标位置重合；整个系统的运作是无人参与的。
讨论问题2：评价自动控制系统的指标是什么?
答：稳定性、准确性、快速性。
补充说明：这是评价一个自动控制系统好坏的最精简的答案。
稳定性是基础，不稳定的系统没有实用价值；准确性和快速性根据不同系统有不同的意义。
如对于电梯系统，首先要求的是其稳定性，否则容易出安全事故；其次要求的是准确性，如果开门时电梯的箱体不能正对楼层地板，无论是比其高或者是比其低，都令人恐怖，尤其是顶楼，如果不能准确停止，电梯箱体甚至能冲破楼顶；最后是快速性，如100层以上的高楼电梯及医院等人流密集地方的电梯，需要电梯具有很好的快速性，否则容易造成拥堵。
而民航客机与战斗机的设计时考虑的侧重点则有所不同，客机自动控制系统首先考虑的是稳定、安全可靠，因此其转弯的快速性要远慢于战斗机；而战斗机考虑的是在一定稳定性的基础上，具有较强的机动性，这样在战场格斗中能占据优势，因此战斗机控制系统设计时对快速性指标的考虑要远多于民航客机。
讨论问题3：反馈的作用是什么？
答：反馈的作用就是利用误差消除误差。
补充说明：自动控制原理最早也叫反馈控制原理，因此反馈是自动控制中最重要的思想。反馈的案例无处不在，如我们伸手去拿桌上的一个杯子的过程，就是采用眼睛观测手和杯子之间的距离与方位偏差，然后大脑根据该偏差做决策，控制手的运动，最终使得该偏差越来越小，通过几次调节，直到手碰到杯子。该过程是我们日常生活中常见的一个已经使用了反馈而我们并未深思的典型例子，如图1-6所示。
图1-6 手取杯子的控制框图
大家也可以列举一下这个案例中的控制五要素分别是什么？
讨论问题4：经典反馈可以采用什么样的框图表示？
答：绝大多数经典反馈系统都可用COM框图表示，如图1-7所示。
图1-7 经典COM框图
其中，C表示上图中的控制装置或控制器Controller，O表示被控对象Control Object，M表示测量元器件Measurement Device。
补充说明：如果不考虑测量元件的延迟及比例变换特性，可以把测量模块简化为1，也就是输出被控量的测量值完全等同于其物理真实值而没有测量误差，也没有测量延迟。因此上述框图可以进一步简化为CO框图形式。
讨论问题5：开环系统是否一定不如闭环系统好？
答：开环系统简单可靠，但精度不高，如电风扇或暖气的稳定控制系统；闭环系统价格昂贵但精度高，抗干扰强，如空调的温度控制系统。
补充说明：两种方式各有优缺点，需要按照实际需求，兼顾经济效益来配置。如北方冬天大部分采用的暖气供热系统，是一个开环方式，其性价比优于空调，而且舒适；而如果房间里面既有暖气，又有空调，那么就是复合控制系统。
讨论问题6：生活中还有哪些是复合控制系统的例子？
答：我们生活中复合控制系统的经典例子有大型浴池。有些浴池的供热系统能够根据水温而进行反馈，从而调节电力供应，是典型的反馈控制系统。同时如果大批量顾客流入，如学生流高峰期，浴池老板也可以根据客流量，直接将电力阀门调整为最高功率，此时反馈控制系统仍然能正常工作。
补充说明：上述过程中老板直接根据客流量调整电力阀门，就是一种开环的根据输入的直馈控制，而根据温度的调节则为反馈控制。由于温度控制具有较大的滞后特性，因此如果没有浴池老板的直接开环控制，那么单纯反馈控制则往往难以对快速涌入的大量顾客做出及时反应，其结果将是随着顾客增多，用水量不断增大，热水供应则不足，水温将急速下降，致使顾客受凉，实际水温与设定的温度偏差增大，使得反馈控制加快工作，水温上升。但由于温度控制具有滞后的物理特性，因此可能较多的顾客在该水温缓慢上升过程中受凉。而引入直馈控制与反馈控制相结合的复合控制方式显然更合理，效果也比单独反馈控制更好。主要原因是反馈控制是通过误差来消除误差的，而一旦误差产生，再进行控制，将不可避免具有一定的滞后特性。
讨论问题7：究竟是反馈控制好还是直馈控制好？
答：反馈控制的缺点是依据误差来消除误差，具有一定的滞后性，但优点是可以消除未知的、不可预测的干扰，如空调的温度控制系统，不管室外温度如何变化，室内温度均比较稳定。如果不存在未知的干扰，或者是干扰均可以预计与测量，那么采用直馈控制就能解决问题。但自动控制或者反馈控制的最大优点在于可以解放人而自动地处理未知、不确定、或不可预知的扰动与干扰。当然，如果干扰幅值过大，也会引起自动控制系统崩溃而失去稳定性。
补充说明：在该问题的思考上，有很多同学会有疑问，既然反馈控制是根据误差而消除误差的，那么我们究竟是要误差还是不要误差？如果没有误差，好像自动控制系统又没有输出反映，如果有误差，那么意味着系统已经朝坏的方向运行。然而随着课程的深入，读者就会明白反馈控制就是一个在矛盾中统一的过程，在一定程度的误差驱动下，消除系统的误差。因此，该问题中的“度”很重要，在系统所能承受与运行的误差运行范围内，系统能够根据该误差而消除误差。如果超过这个“度”，则如同上升干扰幅值过大，就会引起系统失去稳定性。那么如何来判断系统的这个“度”，也就是本书所关心的重点问题，即系统的稳定性判断与稳定裕度定量计算问题，将在后续的内容中解释说明。
讨论问题8：学习典型输入信号有何意义？
答：在5种典型输入信号中，阶跃信号与正弦信号最为常用，经常被当作系统的测试信号。阶跃信号尽管简单，却有着普遍的物理意义。如果家庭新购某一空调，想测试空调系统是否正常工作，通常我们输入常值信号，例如22℃，如果能够控制室温稳定在22℃左右，则表明空调大概率是正常工作的。一般来说，我们无须再次尝试其他形式输入，如斜坡、正弦。此时阶跃信号就能起到最好的测试作用。另一方面，单位阶跃信号的意义在于，由于绝大部分自动控制系统都是跟踪跟随系统，其主要任务是跟随某一输入设定值。因此，如果系统能够跟踪单位阶跃响应1，则也意味着其能跟踪2，也能跟踪3，从而能够跟踪任意值（类似于一生二、二生三，三生万物），包含输入为曲线形式。但如果是曲线，往往要求输入信号是慢变信号。因此当我们考虑测试系统跟踪时变输入信号的能力时，往往采用不同频率的正弦信号来当作系统的输入信号，或者叫测试信号。此时和阶跃信号不同的是，正弦信号作为测试信号，可以描述系统在不同频率的时变信号输入作用下的跟踪能力。