1 基本概念
1.1 定义
被控对象是自动控制系统中接受控制作用并产生相应输出的对象，也称控制对象或被控制系统。它可以是一个物理过程、设备、机构，或某一生产环节。控制系统通过改变输入，使其输出朝着预定目标变化。
1.2 在自动控制系统中的位置
在典型自动控制系统中，被控对象处于执行链的核心位置。控制器先依据设定目标与反馈信息生成控制信号，再由执行机构作用于被控对象，最终使系统输出满足要求。因此，被控对象的动态性质直接影响整个系统的控制难度与性能上限。
1.3 与控制器、执行器的关系
控制器负责运算和决策，执行器负责把控制信号转换为实际作用力或能量，而被控对象则对这种作用作出响应并形成输出。三者构成闭环控制的基本链条：控制器“算”，执行器“做”，被控对象“变”。如果对象特性复杂，即使控制器性能较高，也可能需要更合适的执行机构与测量方案配合。
1.4 被控对象的输入与输出
被控对象的输入通常是外加的控制作用，如电压、流量、力矩、阀门开度或加热功率等；输出则是系统希望调节的物理量，如温度、液位、速度、位置或压力。除了主要输出外，对象还会受到外界扰动和内部状态变化影响，因此实际输入与输出关系往往并不简单。
2 分类
2.1 按系统性质分类
2.1.1 线性被控对象
线性被控对象在一定工作范围内，输入与输出之间近似满足线性关系，便于分析和设计。其响应通常可以用叠加原理处理，因此在工程建模中常作为基础近似对象。
2.1.2 非线性被控对象
非线性被控对象的输入输出关系不再保持比例特征，系统行为会随工况改变而明显变化。常见情形包括饱和、死区、摩擦、间隙以及材料特性变化等，往往需要采用更灵活的控制方法。
2.1.3 时不变被控对象
时不变被控对象的参数在分析时间尺度内保持稳定，其动态规律不随时间显著改变。这类对象更容易建立统一模型，也便于重复调试和性能预测。
2.1.4 时变被控对象
时变被控对象的特性会随时间、环境或工况变化而变化，例如负载波动、介质性质改变或设备老化。对这类对象进行控制时，通常需要考虑参数自适应或在线调整。
2.2 按参数特征分类
2.2.1 集中参数对象
集中参数对象可用有限个状态变量描述，其状态在空间上可视为均匀分布。多数常规机械、电气和简单热系统都可近似为集中参数对象。
2.2.2 分布参数对象
分布参数对象的状态量在空间中连续分布，时间和空间变量都不可忽略。典型例子包括长管道温度场、传热板、输送带过程等，其建模通常更复杂。
2.3 按行业应用分类
2.3.1 机械系统被控对象
机械系统中的被控对象常包括电机负载、机器人关节、传动机构和加工平台等。这类对象强调运动精度、响应速度与机械刚度之间的平衡。
2.3.2 热工系统被控对象
热工系统被控对象主要涉及炉温、换热器、反应釜温度、干燥过程等。由于热惯性较大，响应往往较慢，且容易受到环境温度与热损失影响。
2.3.3 电气系统被控对象
电气系统被控对象包括电机、功率变换装置、供电回路及相关负载。其特点通常是响应快、采样要求高，并常伴随电磁干扰问题。
2.3.4 化工过程被控对象
化工过程被控对象多见于流量、液位、压力、浓度和反应速率等环节。由于过程耦合明显、扰动源多，常需要综合考虑安全、稳定和效率。
3 动态特性
3.1 惯性
惯性是被控对象对输入变化作出反应时的迟缓性。对象惯性越大，输出变化越慢，系统越容易出现调节滞后，设计时通常需要兼顾响应速度与稳定性。
3.2 滞后
滞后是指输入发生变化后，输出不会立即响应，而是在一段时间后才体现作用。滞后可能来自传输延迟、热交换过程、测量延时或机械传动间隙。
3.3 超调与振荡
某些被控对象在受到控制作用后，输出可能先超过目标值，随后回落，这种现象称为超调。若系统反复偏离目标并来回摆动，则表现为振荡。它们通常提示系统阻尼不足或参数匹配不当。
3.4 非线性特征
非线性特征使被控对象在不同工作点呈现不同响应。小信号下稳定的系统，在大输入或极限工况下可能出现饱和、失真或突变，因此控制策略不能简单依赖单一固定模型。
3.5 时变特征
时变特征指对象特性会随时间推移而改变。设备磨损、温度漂移、负载变化和工艺波动都可能使对象参数偏离原始设定，从而影响控制精度。
4 数学模型
4.1 传递函数模型
传递函数模型用输入与输出在拉普拉斯域中的关系描述对象动态，适合线性定常系统分析。它形式简洁，常用于频域分析、控制器设计和系统辨识后的快速表征。
4.2 状态空间模型
状态空间模型通过状态变量、输入和输出共同描述对象行为，适用于多输入多输出以及较复杂系统。它能够较全面地反映内部状态演化，因此在现代控制理论中应用广泛。
4.3 微分方程模型
微分方程模型直接从物理规律出发，描述输入、状态和输出之间的时间变化关系。对于机理明确的系统，这种模型具有较强解释性，也便于分析系统的本质动态。
4.4 离散时间模型
离散时间模型适合采样控制系统和数字控制平台。由于实际控制常由计算机、PLC或嵌入式设备实现，离散化模型在工程中非常常见。
4.5 建模方法
4.5.1 机理建模
机理建模依据质量守恒、能量守恒、电路定律或运动学规律建立模型。其优点是物理意义明确，但在复杂对象中可能面临参数难以精确获取的问题。
4.5.2 数据驱动建模
数据驱动建模主要利用观测数据建立输入输出映射关系，不必完全依赖详细机理。它适合难以完整描述内部规律的对象，但对数据质量和样本覆盖范围要求较高。
4.5.3 试验辨识建模
试验辨识建模通过施加特定激励并记录响应，反推对象参数和模型结构。该方法在工业现场较为实用，常用于获得可用于控制设计的近似模型。
5 典型指标
5.1 稳态特性
稳态特性描述系统在足够长时间后达到的输出状态及其误差水平。对于控制任务而言，稳态误差越小，通常说明对象与控制系统的匹配越好。
5.2 动态响应性能
动态响应性能关注系统对输入变化的反应速度、超调量、调节时间和振荡程度。它反映对象在过渡过程中的行为，是判断控制方案优劣的重要依据。
5.3 灵敏度
灵敏度表示对象输出对输入或参数变化的敏感程度。灵敏度过高时，系统虽然反应快，但也更容易受扰动影响；灵敏度过低则可能导致调节迟缓。
5.4 抗扰动能力
抗扰动能力是对象在外部干扰存在时维持正常输出的能力。良好的抗扰动性能有助于系统在复杂环境下保持稳定和一致的运行效果。
5.5 可控性与可观测性
可控性表示对象状态能否通过输入有效调节，可观测性则表示内部状态能否由输出推断出来。这两个指标对系统设计十分关键，直接关系到控制可实现性与监测能力。
6 控制与分析
6.1 开环分析
开环分析是在不考虑反馈修正的情况下研究对象的响应特性。它常用于初步了解系统惯性、增益和时间常数，为后续控制设计提供基础。
6.2 闭环分析
闭环分析研究反馈存在时对象与控制器共同作用下的整体表现。通过闭环结构，系统能够自动修正偏差，但也会引入稳定性和参数整定方面的新问题。
6.3 稳定性分析
稳定性分析用于判断对象在扰动或输入变化后能否恢复到平衡状态。对于实际工程系统，稳定性往往是控制设计的首要前提。
6.4 鲁棒性分析
鲁棒性分析关注对象在参数不确定、环境变化或模型误差存在时的表现。鲁棒性强的系统即使面对一定偏差，也能维持较好的控制效果。
6.5 参数整定与优化
参数整定与优化是根据对象特性选择控制器参数，使系统在响应速度、超调、稳定性之间取得平衡。工程上常通过经验法、试验法或优化算法反复调整。
7 常见对象示例
7.1 温度控制对象
温度控制对象常见于加热炉、恒温箱和反应釜。其特点是惯性大、响应慢，且容易受到环境散热和负载变化影响。
7.2 液位控制对象
液位控制对象多见于储罐、槽体和供水系统。它往往具有明显的积分特性，输入流量与液位变化之间的关系较为直接。
7.3 速度控制对象
速度控制对象常见于电机和传动系统，目标是使转速保持在设定值附近。其扰动通常来自负载变化，因此对响应速度和稳态精度都有较高要求。
7.4 位置控制对象
位置控制对象包括平台定位、伺服机构和机器人关节等。此类对象强调轨迹跟踪能力，往往需要兼顾精度、平滑性和抗冲击能力。
7.5 压力控制对象
压力控制对象常用于气体管路、液压系统和容器设备。压力变化受流量、阀门开度和介质压缩性影响明显，控制中需特别注意安全边界。
8 工程实现
8.1 传感器配置
传感器用于获取被控对象的输出状态，是反馈控制的基础环节。选择时需综合考虑量程、精度、响应速度、安装位置和抗干扰能力。
8.2 执行机构匹配
执行机构应与对象功率需求、动作范围和响应特性相匹配。若执行能力不足，系统难以达到目标；若过强，则可能造成过调或机械冲击。
8.3 采样与信号处理
数字控制中，采样周期会影响系统对动态变化的捕捉能力。信号处理通常包括滤波、放大、转换和去噪，以提高测量可靠性。
8.4 干扰因素与补偿
实际对象常受到环境变化、负载波动、摩擦、噪声和供能不稳等影响。工程中可通过前馈补偿、滤波、模型修正或控制律优化来减轻干扰。
8.5 安全保护与故障处理
被控对象在运行过程中可能出现过载、超温、泄漏、失效或通信中断等异常。为避免设备损坏和过程失控，通常需要设置报警、限幅、联锁和紧急停机机制。
9 相关概念
9.1 控制系统
控制系统是由被控对象、控制器、执行机构和检测环节组成的整体，用于实现自动调节和目标跟踪。被控对象是其中承受作用并产生结果的核心部分。
9.2 控制量与被控量
控制量是施加给对象的输入变量，被控量则是希望维持或调节的输出变量。两者之间通过对象的动态关系联系起来。
9.3 反馈
反馈是将输出信息返回到输入侧，以便根据实际结果修正控制作用的机制。它能提高系统精度，也有助于抑制扰动和参数变化带来的影响。
9.4 扰动
扰动是指除控制输入之外，对被控对象输出产生影响的外部或内部因素。扰动可能来自环境变化、负载波动、材料差异或设备磨损。
9.5 调节过程
调节过程是系统从初始状态过渡到目标状态的变化阶段。这个过程通常包括偏差产生、控制作用介入、输出修正以及最终稳定等环节。