1.1 自動控制系統的組成及分類

1.1.1 人工控制與自動控制

自動控制是在人工控制的基礎上發展起來的。下面先通過一個實例，將人工控制與自動控制進行對比分析，從而進一步認識自動控制系統的特點及組成。

如圖1.1（a）所示是工業生產中常見的生產蒸汽的鍋爐設備。在生產過程中將鍋爐汽包內的水位高度保持在規定范圍內是非常重要的，如果水位過低，則會影響產汽量，且鍋爐易燒干而發生事故；若水位過高，將使產生的蒸汽附帶水滴，會影響蒸汽質量，這些都是危險的。因此，對汽包液位嚴加控制是保證鍋爐正常生產必不可少的條件。

如果一切條件（包括給水流量、蒸汽量等）都近乎恒定不變，只要將進水閥置于某一適當開度，則汽包液位就能保持在一定高度。但實際生產過程中這些條件是變化的，如進水閥前的壓力變化、蒸汽流量的變化等。此時若不進行控制（即不去改變閥門開度），則液位將偏離規定高度。因此，為保持汽包液位恒定，操作人員應根據液位高度的變化情況，控制進水量。

在此，把工藝所要求的汽包液位高度稱為設定值；把所要求控制的液位參數稱為被控變量或輸出變量；那些影響被控變量使之偏離設定值的因素統稱為擾動作用，如給水量、蒸汽量的變化等（設定值和擾動作用都是系統的輸入變量）；用以使被控變量保持在設定值范圍內的作用稱為控制作用。

如圖1.1（b）所示為人工控制示意圖。為保持汽包液位恒定，操作人員應根據液位高度的變化情況控制進水量。手工控制的過程主要分為三步：

① 用眼睛觀察玻璃液位計中的水位高低以獲取測量值，并通過神經系統傳送到大腦；

② 大腦根據眼睛看到的水位高度，與設定值進行比較，得出偏差大小和方向，然后根據操作經驗發出控制命令；

③ 根據大腦發出的命令，用雙手去改變給水閥門的開度，使給水量與產汽消耗量相等，最終使水位保持在工藝要求的高度上。

在整個手工控制過程中，操作人員的眼、腦、手三個器官，分別擔負了檢測、判斷和運算、執行三個作用，從而完成測量、求偏差、再施加控制操作以糾正偏差的工作過程，保持汽包水位的恒定。

如采用檢測儀表和自動控制裝置來代替人工控制，就成為自動控制系統。如圖1.1（c）所示為鍋爐汽包液位自動控制系統示意圖。這里以此為例來說明自動控制系統的工作原理。

當系統受到擾動作用后，被控變量（液位）發生變化，通過檢測變送儀表得到其測量值；控制器接收液位測量變送器送來的測量信號，與設定值相比較得出偏差，按某種運算規律進行運算并輸出控制信號；控制閥接收控制器的控制信號，按其大小改變閥門的開度，調整給水量，以克服擾動的影響，使被控變量回到設定值，最終達到控制汽包水位穩定的目的。這樣就完成了所要求的控制任務。這些自動控制裝置和被控的工藝設備組成了一個沒有人直接參與的自動控制系統。

通常，設定值是系統的輸入變量，而被控變量是系統的輸出變量。系統的輸出變量通過適當的測量變送儀表又引回到系統輸入端，并與輸入變量相比較，這種做法稱為“反饋”。當反饋信號與設定值相減時，稱為負反饋；當反饋信號取正值與設定值相加時，稱為正反饋。輸出變量與輸入變量相比較所得的結果叫做偏差，控制裝置根據偏差的方向、大小或變化情況進行控制，使偏差減小或消除。發現偏差，然后去除偏差，這就是反饋控制的原理。利用這一原理組成的系統稱為反饋控制系統，通常也稱為自動控制系統。在一個自動控制系統中，實現自動控制的裝置可以各不相同，但反饋控制的原理卻是相同的。由此可見，有反饋存在、按偏差進行控制，是自動控制系統最主要的特點。

1.1.2 自動控制的基本方式

自動控制系統有兩種基本控制方式。通常我們按照控制系統是否設有反饋環節來對其進行分類。不設反饋環節的，稱為開環控制系統；設有反饋環節的，稱為閉環控制系統。這里所說的“環”，是指由反饋環節構成的回路。下面介紹這兩種控制系統的控制特點。

1. 開環控制系統

若系統的輸出信號對控制作用沒有影響，則稱為開環控制系統，即系統的輸出信號不反饋到輸入端，不形成信號傳遞的閉合環路。

在開環控制系統中，控制裝置與被控對象之間只有順向作用而無反向聯系。例如，家用洗衣機便是開環控制系統的實際例子。洗衣機從進水、洗滌、漂洗到脫水的整個洗衣過程，都是根據設定的時間程序依次進行的，而無須對輸出信號（如衣服清潔程度、脫水程度等）進行測量。顯然，開環控制系統不是反饋控制系統。

又如，圖1.2所示的數控加工機床中廣泛應用的精密定位控制系統，也是一個沒有反饋環節的開環控制系統。其工作流程如下：預先設定的加工程序指令通過運算控制器（可為微機或單片機）去控制脈沖的產生和分配，發出相應的脈沖；再由這些脈沖（通常還要經過功率放大）驅動步進電機，通過精密傳動機構帶動工作臺（或刀具）進行加工。此系統的被控對象是工作臺；加工程序指令是輸入量；工作臺位移是被控變量，它只根據控制信號（控制脈沖）而變化。系統中既不對被控變量進行測量，也無反饋環節，輸出量（被控變量）并不返回來影響控制部分，因此這個定位控制系統是開環控制。

此系統結構比較簡單，但不能保證消除誤差，圖中，步進電機是一種由“脈沖數”控制的電機，只要輸入一個脈沖，電機就轉過一定角度，稱為“一步”。所以根據工作臺所需要移動的距離，輸入端給予一定的脈沖數。如果因為外界擾動，步進電機多走或少走了幾步，系統并不能“覺察”，從而造成誤差。

開環控制系統的原理方框圖如圖1.3所示。

由此可見，由于開環控制方式不需要對被控變量進行測量，只根據輸入信號進行控制，所以開環控制方式的特點是：無反饋環節；系統結構和控制過程均很簡單；操作方便；成本比相應的閉環系統低。由于不測量被控變量，也不與設定值比較，所以系統受到擾動作用后，被控變量偏離設定值，且無法消除偏差，因此開環控制的缺點是抗擾動能力差，控制精度不高。

一般情況下開環控制系統只能適用于對控制性能要求較低的場合，其具體應用原則如下：當不易測量被控變量或在經濟上不允許時，采用開環控制比較合適；在輸出量和輸入量之間的關系固定，且內部參數或外部負載等擾動因素不大（或這些擾動因素產生的誤差可以預先確定并能進行補償）的情況下，也應盡量采用開環控制系統。但是當系統中存在無法預計的擾動因素、并且對控制性能要求較高時，開環控制系統便無法滿足技術要求，這時就應考慮采用閉環控制系統。

2. 閉環控制系統

凡是系統的輸出信號對控制作用有直接影響的控制系統，就稱為閉環控制系統。在閉環控制系統中，系統的輸出信號通過反饋環節返回到輸入端，形成閉合環路，故又稱為反饋控制系統。

圖1.1（c）中的鍋爐汽包液位自動控制系統就是一個具有反饋環節的閉環控制系統，其原理方框圖如圖1.4所示。

從圖1.4中可以看出，為使被控變量穩定在工藝要求的設定值附近，閉環控制系統均采用負反饋方式。在一個負反饋控制系統中，將被控變量通過反饋環節送回輸入端，與設定值進行比較，根據偏差控制被控變量，從而實現控制作用。因此，“采用負反饋環節，按偏差進行控制”是閉環控制系統在結構上的最大特點。不論什么原因引起被控變量偏離設定值，只要出現偏差，就會產生控制作用，使偏差減小或消除，達到被控變量與設定值一致的目的，這是閉環控制的優點。這一優點使得閉環控制系統具有較高的控制精度和較強的抗擾動能力。因此，在實現對生產過程進行自動控制的過程控制系統中，均采用閉環控制。

閉環控制需要增加檢測、反饋比較、控制器等部件，這會使系統較為復雜、成本提高。特別需要指出的是，閉環控制會帶來使系統的穩定性變差甚至造成不穩定的副作用。這是由于閉環控制系統按偏差進行控制，所以盡管擾動已經產生，但在尚未引起被控變量變化之前，系統是不會產生控制作用的，這就使控制不夠及時。此外，如果系統內部各環節配合不當，則會引起劇烈振蕩，甚至會使系統失去控制。這些是閉環控制系統的缺點，在自動控制系統的設計和調試過程中應加以注意。

1.1.3 自動控制系統的組成

在研究自動控制系統時，為了更清楚地說明控制系統各環節的組成、特性和相互間的信號聯系，一般都采用方框圖來表示自動控制系統的原理。方框圖也是過程控制系統中的一個重要概念和常用工具之一。

如圖1.5所示，為通用的自動控制系統原理方框圖，對該方框圖說明如下。

（1）圖中每個方框表示組成系統的一個環節，兩個方框之間用一條帶箭頭的線段表示它們相互間的信號聯系（而不表示具體的物料或能量），箭頭方向表示信號傳遞的方向，線上的字母說明傳遞信號的名稱。

（2）進入環節的信號為環節輸入，離開環節的信號為環節輸出。輸入會引起輸出變化，

而輸出不會反過來直接引起輸入的變化，環節的這一特性稱為“單向性”，即箭頭具有“單向性”。

（3）在方框圖中，任何一個信號沿著箭頭方向前進，最后又回到原來的起點，構成一個閉合回路。閉環控制系統的閉合回路是通過檢測元件及變送器，將被控變量的測量值送回到輸入端與設定值進行比較而形成的，所以自動控制系統是一個負反饋閉環控制系統。

（4）方框圖中的各傳遞信號都是時間函數，它們隨時間而不斷變化。在定值控制系統中，擾動作用使被控變量偏離設定值，控制作用又使它恢復到設定值。擾動作用與控制作用構成一對主要矛盾時，被控變量則處于不斷運動之中。

圖1.5所示的方框圖采用下列符號：

① x（t）——設定值；

② z（t）——測量值；

③ e（t）——偏差，e（t）=x（t）-z（t）；

④ u（t）——控制作用（控制器輸出）；

⑤ y（t）——被控變量；

⑥ q（t）——操縱變量；

⑦ f（t）——擾動。

由圖1.5可以看出，一般自動控制系統包括被控對象、檢測變送單元、控制器和執行器。

1.被控對象

被控對象也稱被控過程（簡稱過程），是指被控制的生產設備或裝置。工業生產中的各種塔器、反應器、換熱器、泵和壓縮機及各種容器、儲槽都是常見的被控對象，甚至一段管道也可以是一個被控對象。在復雜的生產設備中（如精餾塔、吸收塔等），一個設備上可能有幾個控制系統，這時在確定被控對象時，就不一定是生產設備的整個裝置，只有該裝置的某一個與控制有關的部分才是某一個控制系統的被控對象。

在圖1.1中，被控對象就是鍋爐汽包。

2. 檢測變送單元

檢測變送單元一般由檢測元件和變送器組成。其作用是測量被控變量，并按一定規律將其轉換為標準信號輸出，作為測量值，即把被控變量y（t）轉化為測量值z（t）。例如，用熱電阻或熱電偶測量溫度，并用溫度變送器轉換為統一的氣壓信號（20~100kPa）或直流電流信號（0~10mA或4~20mA）。

3.控制器

控制器也稱調節器。它將被控變量的測量值與設定值進行比較得出偏差信號e（t），并按某種預定的控制規律進行運算，給出控制信號u（t）。

需要特別指出的是，在自動控制系統分析中，把偏差e（t）定義為e（t）=x（t）-z（t）。然而在儀表制造行業中，卻把[z（t）-x（t）]作為偏差，即e（t）=z（t）-x（t），控制器以e（t）=z（t）-x（t）進行運算給出控制信號。兩者的符號恰好相反。

4. 執行器

在過程控制系統中，常用的執行器是控制閥，其中以氣動薄膜控制閥最為多用。執行器接收控制器送來的控制信號u（t），直接改變操縱變量q（t）。操縱變量是被控對象的一個輸入變量，通過操作這個變量可以克服擾動對被控變量的影響，操縱變量通常是執行器控制的某一工藝變量。

通常將系統中控制器以外的部分組合在一起，即將被控對象、執行器和檢測變送環節合并為廣義對象。因此，也可以將自動控制系統看成是由控制器和廣義對象兩部分組成的。

1.1.4 自動控制系統的分類

自動控制系統的分類方法有多種，每一種分類方法都反映了控制系統某一方面的特點。這里為了便于分析反饋控制系統的特性，按設定值的變化情況，將自動控制系統分為三類，即定值控制系統、隨動控制系統和程序控制系統。

1. 定值控制系統

設定值保持不變（為恒定值）的反饋控制系統稱為定值控制系統。在定值控制系統中，由于設定值是固定不變的，擾動就成為引起被控變量偏離設定值的主要因素，因此定值控制系統的基本任務就是要克服擾動對被控變量的影響，使其保持為設定值。所以也把僅以擾動量作為輸入的系統叫做定值控制系統。本書敘述的自動控制系統均為定值控制系統。

工業生產中大多數都是定值控制系統，如各種溫度、壓力、流量、液位等控制系統，恒溫箱的溫度控制，穩壓電源的電壓穩定控制等。換熱器出口溫度控制系統和圖1.1（c）所示的鍋爐汽包水位自動控制系統即屬于定值控制系統。

如圖1.6（a）所示，是一個用電阻絲加熱的恒溫箱溫度控制系統。控制變壓器活動觸點的位置即改變了輸入電壓，使通過電阻絲的電流產生變化，從而將恒溫箱控制在不同的溫度值上。所以，控制活動觸點的位置可以達到控制溫度的目的。這里的被控變量是恒溫箱的溫度，經熱電偶測量并與設定值比較后，其偏差經過放大器放大，控制電動機的轉向，然后經過傳動裝置，移動變壓器的活動觸點位置，其控制結果使偏差減小，直到溫度達到設定值為止。其系統方框圖如圖1.6（b）所示。

2. 隨動控制系統

隨動控制系統也稱跟蹤控制系統。這類控制系統的特點是設定值在不斷變化，而且沒有確定的規律，是時間的未知函數，并且要求系統的輸出（被控變量）隨之而變化。自動控制的目的是要使被控變量能夠及時而準確地跟蹤設定值的變化。例如，雷達跟蹤系統就是典型的隨動控制系統；各類測量儀表中的變送器本身亦可以看做是一個隨動控制系統，它的輸出（指示值）應迅速、正確地隨著輸入（被測變量）而變化。

如圖1.7（a）所示，是工業生產中常用的比值控制系統。現以加熱爐燃料與空氣的混合比例控制系統為例說明其控制過程。在該系統中，燃料量是按工藝過程的需要而手動或自動地不斷改變的，控制系統應使空氣量跟隨燃料量而變化，并自動按規定的比例增、減空氣量，保證燃料經濟地燃燒。如圖1.7（b）所示是該系統的方框圖，從圖中可以清楚地看出，該系統也是一個隨動控制系統。

3. 程序控制系統

程序控制系統的設定值是根據工藝過程的需要而按照某種預定規律變化的，是一個已知的時間函數，自動控制的目的是使被控變量以一定的精度、按規定的時間程序變化，以保證生產過程順利完成。程序控制系統主要用于實現對周期作業的工藝設備的自動控制，如某些間歇式反應器的溫度控制、冶金工業中退火爐的溫度控制以及程序控制機床等。

如圖1.8所示，是某電爐爐溫程序控制系統示意圖。給定電壓U0由程序裝置給出（根據需要按時間變化，由時鐘機構和凸輪產生），并與熱電偶所產生的熱電勢U1比較。若U1≠U0，則放大器輸入端有偏差電壓U=U0-U1產生，此電壓經放大后送到電動機。電動機根據偏差大小和極性而動作，經減速器改變電爐電阻絲的電流，使電爐內的溫度發生變化，直至U1=U0為止。此時，放大器輸入的偏差電壓U=U0-U1=0，電動機不轉動。當U0按一定程序變化時，電爐溫度也隨之而變化，使熱電勢U1時刻跟蹤給定電壓U0。

上述各種反饋控制系統中，各環節間信號的傳送都是連續變化的，故稱為連續控制系統或模擬控制系統，通稱為常規過程控制系統。在石油、化工、冶金、電力、陶瓷、輕工、制藥等工業生產中，定值控制系統占大多數，是主要的控制系統，其次是程序控制系統和隨動控制系統。