1.3 控制系统的分类
机电自动化控制系统从不同的使用角度，可以有不同的分类方法。从生产工艺的角度看，常把机电自动控制系统按被控变量的种类分为压力控制系统、流量控制系统、液位控制系统、温度控制系统等。从工业生产过程自动控制的角度看，常把自动控制系统按其结构分为闭环控制系统和开环控制系统（或简单控制系统和复杂控制系统）；而按其设定信号的形式又可分为定值控制系统、随动控制系统和程序控制系统等。
1.3.1 按控制类型分类
1.反馈控制方式（闭环控制方式）
反馈控制是机电控制系统最基本的控制方式，也是应用最广泛的一种控制系统。在反馈控制系统中，控制装置对被控对象施加的控制作用，是取自被控量的反馈信息，用来不断修正被控量的偏差，从而实现对被控对象进行控制的任务，这就是反馈控制的原理。
其实，人的一切活动都体现出反馈控制的原理。下面，通过解剖手从桌上取书的动作过程，透视一下它所包含的反馈控制机理。如图1.3所示，书的位置是手运动的指令信息，一般称为输入信号（或参据量）。取书时，首先人要用眼睛连续目测手相对于书的位置，并将这个信息送入大脑（称为位置反馈信息），然后由大脑判断手与书之间的距离，产生偏差信号，并根据其大小发出控制手臂移动的命令（称控制作用或操纵量），逐渐使手与书之间的距离（即偏差）减小。只要这个偏差存在，上述过程就要反复进行，直到偏差减小为零，手便取到了书。可以看出，大脑控制手取书的过程，是一个利用偏差（手与书之间距离）产生控制作用，并不断使偏差减小直至消除的运动过程。显然，反馈控制实质上是一个按偏差进行控制的过程，因此，它也称为按偏差的控制，反馈控制原理就是按偏差控制的原理。
图1.3 人取书的反馈控制系统方框图
通常，我们把取出的输出量送回到输入端，并与输入信号相比较产生偏差信号的过程，称为反馈。若反馈的信号是与输入信号相减，使产生的偏差越来越小，则称为负反馈，反之，则称为正反馈。反馈控制就是采用负反馈并利用偏差进行控制的过程，而且，由于引入了被控量的反馈信息，整个控制过程成为闭合的，因此反馈控制也称闭环控制。其特点是不论什么原因使被控量偏离期望值而出现偏差时，必定会产生一个相应的控制作用去减小或消除这个偏差，使被控量与期望值趋于一致。可以说，按反馈控制方式组成的反馈控制系统，具有抑制任何内、外扰动对被控量产生影响的能力，有较高的控制精度。但这种系统使用的元件多，线路复杂，特别是系统的性能分析和设计也较麻烦。尽管如此，它仍是一种重要的并被广泛应用的控制方式，自动控制理论主要的研究对象就是用这种方式组成控制系统。
2.开环控制方式
开环控制方式是指控制装置与被控对象之间只有顺向作用而没有反向联系的控制过程，开环控制系统结构框图如图1.4所示。按这种方式组成的系统称为开环控制系统，其特点是系统的输出量不会对系统的控制作用发生影响。开环控制系统可以按给定值控制方式组成，也可以按扰动控制方式组成。
图1.4 开环控制系统结构框图
按给定值控制的开环控制系统，其控制作用直接由系统的输入量产生，给定一个输入量，就有一个输出量即被控量与之相对应，控制精度完全取决于所用的元件及校准的精度。因此，这种开环控制方式没有自动修正偏差的能力，抗扰动性较差，但由于其结构简单、调整方便、成本低，在精度要求不高或扰动影响较小的情况下，这种控制方式还有一定的实用价值。目前，用于国民经济各部门的一些自动化装置，如自动售货机、自动洗衣机、产品生产自动线、数控车床以及指挥交通的红绿灯的转换等，—般都是开环控制系统。
例如，如图1.5所示的开环直流电动机速度控制系统在某一转速下运行，如果机械负载增加，则电动机转速会下降，而控制系统不可能使电动机转速保持在原有的转速上。这是开环控制系统所固有的缺点。
图1.5 开环直流电动机速度控制系统
按扰动控制的开环控制系统是利用可测量的扰动量，产生一种补偿作用，以减小或抵消扰动对输出量的影响，这种控制方式也称顺馈控制或前馈控制。例如，在一般的直流速度控制系统中，转速常常随负载的增加而下降，且其转速的下降与电枢电流的变化有一定的关系。如果我们设法将负载引起的电流变化测量出来，并按其大小产生一个附加的控制作用，用以补偿由它引起的转速下降，就可以构成按扰动控制的开环控制系统。这种按扰动控制的开环控制方式是直接从扰动取得信息，并以此来改变被控量，其抗扰动性好，控制精度也较高，但它只适用于扰动是可测量的场合。
3.复合控制方式
反馈控制在外扰影响出现之后才能进行修正工作，在外扰影响出现之前则不能进行修正工作。按扰动控制方式在技术上较按偏差控制方式简单，但它只适用于扰动是可测量的场合，而且一个补偿装置只能补偿一个扰动因素，对其余扰动均不起补偿作用。因此，比较合理的一种控制方式是把按偏差控制与按扰动控制结合起来，对于主要扰动采用适当的补偿装置实现按扰动控制，同时，再组成反馈控制系统实现按偏差控制，以消除其余扰动产生的偏差。这样，系统的主要扰动已被补偿，反馈控制系统就比较容易设计，控制效果也会更好。这种按偏差控制和按扰动控制相结合的控制方式称为复合控制方式。
1.3.2 按给定量的运动规律分类
1.恒值控制系统
这种控制系统参考输入是个恒定值，可维持被控量恒定的反馈控制。如电机自动调速系统，当输入量恒定时，即使存在扰动的影响，仍可维持转速的基本恒定。
2.程序控制系统
这种控制系统参考量不为常值，但其变化规律是预先知道和确定的。如热处理炉的温度调节，要求温度按一定的时间程序和规律变化（自动升温、保温及降温等）。
3.随动控制系统
一个反馈系统控制，如其参考量变化规律为无法预先确定的时间函数，则其被控量能以一定的精度跟随参考量变化。这样的系统称为随动控制系统，简称为随动系统或伺服系统。随动系统中，被控量通常是机械位移、速度或加速度等。
1.3.3 按元件特性分类
1.线性控制系统
各组成元件或环节不包含非线性元件，各元件的输入输出特性都是线性的。线性系统的性能可用线性微分方程描述。线性系统中，可以使用叠加原理。
2.非线性控制系统
含有非线性特性元件的系统，称为非线性控制系统，简称非线性系统。非线性系统不能采用叠加原理。分析非线性系统的工程方法常用相平面法和描述函数法。
1.3.4 按控制元件的物理性能分类
1.电气控制系统
2.液压控制系统
3.机械控制系统
4.机电一体化控制系统
5.热能控制系统
1.3.5 按信号作用特点分类
1.连续控制系统
连续控制系统亦称为模拟控制系统，系统中各个组成元件输出量都是输入量的连续函数。
2.断续控制系统
系统中包含断续元件，其输入量是连续量，而输出量是断续量。目前有三种断续控制系统。
（1）继电器系统，亦称为开关控制系统。
（2）脉冲系统，又称采样控制系统。脉冲系统将输入的信号变成一串脉冲信号输出，脉冲的幅度、宽度及符号取决于采样时刻的输入量。
（3）数字控制系统。数字控制系统中，信号以数码形式传递。
1.3.6 按自动控制系统的功能分类
1.自动调节系统
自动调节系统即恒值控制系统。
2.最优控制系统
最优控制系统是指控制系统实现对某种性能指标为最佳的控制。
3.自适应控制系统
自适应控制系统是一种能够连续测量输入信号和系统特性的变化，自动地改变系统的结构与参数，使系统具有适应环境的变化并始终保持优良品质的自动控制系统。不少对象的特性是随时间和环境变化而变化的，例如飞机特性随飞行高度、空气速度而变化；轧钢机张力随卷板机卷绕钢板多少而变化，等等。在这些情况下，普通固定结构的反馈系统就不能满足需要，因此要求采用自适应系统。
4.自学习系统
它具有辨识、判断、积累经验和学习的功能。在控制特性事先不能确切知道或不能确切地用数学模型描述时，采用自学习控制可以在工作过程中，不断地测量、估计系统的特性，并决定最优控制方案，实现性能指标最优控制。