自动化控制系统的基本知识

在工业生产过程或生产设备运行中，为了维持正常的工作条件。往往需要对某些物理量（如温度、压力、流量、液位、电压、位移、转速等）进行控制，使其尽量维持在某个数值附近，或使其按一定规律变化。要满足这种需要，就要对生产机械或设备进行及时的操作和控制，以抵消外界的扰动和影响。这种操作和控制，即可用人工操作完成，又可用自动装置的操作完成，前者称为人工控制或手动控制，后者称为自动控制。

人工控制的过程是：测量→求偏差→控制→再测量→再求偏差→再控制这样一种不断循环的过程。其控制目的是要尽量减小偏差，使被控量尽可能地保持在期望值附近。

闭环反馈控制系统的基本组成主要有以下几种：

(1)给定元件：给出与期望输出对应的输入量。

(2)比较元件：求输入量与反馈量的偏差，常采用集成运算放大器(简称集成运放)来实现。

(3)放大元件：由于偏差信号一般较小，不足以驱动负载，故需要放大元件，包括电压放大及功率放大。

(4)执行元件：直接驱动被控对象，使输出量发生变化。常用的有电动机、调节阀、液压马达等。

(5)测量元件：检测被控量并转换为所需要的电信号。在控制系统中常用的有用于速度检测的测速发电机、光电编码盘等；用于位置与角度检测的旋转变压器、自整机等；用于电流检测的互感器及用于温度检测的热电偶等。这些检测装置一般都将被检测的物理量转换为相应的连续或离散的电压或电流信号。

(6)校正元件：也叫补偿元件，是结构与参数便于调整的元件，以串联或反馈的方式连接在系统中，完成所需的运算功能，以改善系统的性能。根据在系统中所处的位置不同，可分别称为串联校正原件和反馈校正元件。

在控制系统中，反馈的概念非常重要。，如果将反馈环节取得的实际输出信号加以处理，并在输入信号中减去这样的反馈量，再将结果输入到控制器中去控制被控对象，我们称这样的反馈为负反馈；反之，若由输入量和反馈量相加作为控制器的输入，则称为正反馈。

在一个实际的控制系统中，具有正反馈形式的系统一般是不能改进系统性能的，而且容易使系统的性能变坏，因此不被采用。而且有负反馈形式的系统，它通过自动修正偏离量，使系统趋向于给定值，并抑制系统回路中存在的内扰和外扰的影响，最终达到自动控制的目的。通常，反馈控制就是指负反馈控制。

与开环系统比较，闭环控制系统的最大特点是检测偏差，纠正偏差。从系统结构上看，闭环系统具有反向通道，即反馈；其次，从功能上看：

1) 由于增加了反馈通道，系统的控制精度得到了提高，若采用开环控制，要达到同样的精度，则需高精度的控制器，从而大大增加了成本；

2) 由于存在系统的反馈，可以较好地抑制系统各环节中可能存在的扰动和由于器件的老化而引起的结构和参数的不稳定性；

3) 反馈环节的存在，同时可较好地改善系统的动态性能。当然，如果引入不适当的反馈，如正反馈，或者参数选择不恰当，不仅达不到改善系统性能的目的，甚至会导致一个稳定的系统变为不稳定的系统。

工程上常把对自动控制系统的基本要求归纳为稳定性、准确性、快速性三个方面来衡量自动控制系统。 稳定性（稳） 稳定工作是对所有自动控制系统的基本要求，是一个系统能否工作的前提。不稳定的系统根本无法完成控制任务。考虑到实际系统工作环境或参数的变动，可能导致系统不稳定，因此除要求系统稳定外，还要求其具有一定的稳定裕量。

准确性（准） 稳态精度是指系统过渡到新的平衡状态以后，或系统对抗干扰重新恢复平衡后，最终保持的精度。稳态精度与控制系统的结构、参数及输入信号形式有关。快速性（快） 控制系统不但要求稳定，而且要求被控量能迅速地按照输入信号所规定的规律变化。即要求系统具有一定的响应速度。