淺析自動控制技術

葉敬敏

（廣東嘉元科技股份有限公司，廣東梅州 514749）

1 概述

“自動控制”又稱為“自動化”、“工業自動化”等。自動控制，顧名思義，指的是在整個生產中擺脫開人為的控制、操作，而僅僅依靠生產運行前在計算機中編制的一系列控制程序進行控制，并根據計算機指令最終實現全自動、流程化生產的一種運作方式[1]。由于自動化的生產很大程度上脫離了人工操作的限制，大大提高了產業效率。

2 自動控制基本原理與組成

2.1 自動控制系統的組成

簡單控制系統是由被控對象、一個測量元件及變送器、一個控制器和一個執行器所組成的單回路負反饋控制系統[2]。它是最基本、最常見、應用最為廣泛的控制系統，約占控制回路的80%以上。

例如一個液位自動調節系統，以圖1所示。

一個液體儲罐（A）作為被控對象，一個液位變送器（LT）、一個液位控制器(LC)和一個執行器(V)組成一個簡單的控制系統，它通過執行器的開度變化調節輸出量，從而實現儲罐液面穩定保持在一定的范圍內。

圖1 電解液液位控制圖

又如一個蒸汽加熱器作為被控對象（A），一個溫度變送器（TT）、一個溫度控制器（TC）和一個蒸汽流量控制閥作為執行器(V)組成一個蒸汽加熱器溫度自動控制系統，如圖2所示。

再如一個流量自動控制系統，如圖3所示。管理系統（A）作為被控對象，一個流量計（FT）、一個流量控制器(FC)和一個流量控制閥作為執行器。

圖2 電鍋爐加熱控制圖

圖3 電解液流量控制圖

2.2 影響自動控制系統的因素

（1）信號的測量問題。流程工業生產過程的物料與能量流基本上在密閉的容器和工藝管線中傳遞，進行傳熱傳質或進行化學反應。這些物料大部分具有易燃、易爆、腐蝕和毒性等特點。工業生產過程的變量很難實現在線測量，有些雖然可以測量但不精確，特別是物料的組分以及有關產品質量的一些參數，只能通過取樣送達實驗室化驗分析才能獲得，對于負反饋控制系統而言，它完全依賴于工業生產過程信號測量的準確性。

（2）執行器特性。作為一個自動控制系統，由測量環節、控制器、被控過程和執行器四個部分組成，執行器的靜態和動態特性，直接影響控制系統的品質指標。

（3）被控過程的滯后特性。被控過程或被控對象存在各種純滯后或稱時滯。一個控制系統的輸出作用希望能盡快在被控變量中反映出來，然而由于純滯后的存在，其動態響應不及時，影響控制品質。

（4）被控對象的時間常數不一樣。如流量控制的被控對象時間常數小，而加熱或冷卻過程則時間常數大，時間常數的大小將會直接影響自動控制的品質。

（5）非線性特性。工業生產過程一般都具有非線性的特性，這種非線性特性使得控制較正和擾動在不同的工業區域會有不同的作用特性。

（6）本質不穩定性。一些化學反應過程與生化反應過程，在某些操作范圍內系統本身是不穩定的。如果過程進入不穩定的操作區域，其過程變量的變化，如化學反應溫度與壓力，可能會以指數形式增加，在這時候系統可能會進入循環振蕩而不穩定，這時自動控制系統會顯得無能為力。

3 自動控制的分類

自動控制系統的分類方法很多，可以按系統輸出信號對操縱變量的影響區分，也可按系統補償干擾的方法區分，還可按設定值的特點區分等。

3.1 按設定值的特點區分可以分為定值控制系統、隨動控制系統和程序控制系統等。

（1）定值控制系統。當設定值為不變的常數，而系統的輸入信號是干擾作用時，稱為定值控制系統。這種系統要求在干擾作用之下被控變量盡可能地不變。

（2）隨動控制系統。當設定值是系統的輸入信號時，該系統稱為隨動控制系統。工業控制系統的設定值重新調整或該控制系統為外設定工作時，就成為隨動控制系統。隨動控制系統要求系統的被控變量應盡可能地跟隨設定值一起變。

（3）程序控制系統。程序控制系統的設定值也是變化的，它是按事先設定的時間程序變化的。

3.2 按系統輸出信號對操縱變量的影響區分

（1）閉環控制系統。閉環控制系統的輸出信號的改變會返回影響操縱量，所以操縱變量不是獨立的自變量，它依賴輸出變量。閉環控制系統最常見的形式是負反饋控制系統。閉環控制系統最大的優點在于它是按偏差進行控制的，所以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。

（2）開環控制系統。開環控制系統的操縱變量不受系統輸出信號的影響。為了使控制系統的輸出滿足事先規定的要求，必須周密而精確地計算操縱變量的變化規律。一個閉環控制系統，當反饋回路斷開或控制器置于“手動操作”位置時，就成為開環控制系統。

3.3 按系統補償干擾的方法區分

（1）反饋控制系統。當干擾系使系統的被控變量發生改變時，被控變量反饋至輸入端，與設定值相比較，并得出偏差信號，經控制器和執行器影響操縱變量，以補償和減弱被控變量的變化。這種反饋作用若使輸出減弱則稱負反饋，反之若使輸出增強則稱正反饋。工業生產過程控制一般都是負反饋系統。

（2）前饋控制系統。當擾動發生時，控制系統測得擾動信號，并輸入前饋補償環節，由前饋補償環節的輸出去控制操縱變量，以達到補償和減弱被控變量變化的目的。

（3）前饋-反饋控制系統。當反饋控制系統和前饋控制系統復合在一起時，就構成了前饋-反饋控制系統。這種控制系統的優點在于當擾動產生時通過前饋控制系統使被控變量不變，若前饋補償不完全，還可以通過反饋控制系統加以修正。當控制系統受其他擾動影響或系統設定值改變時，則由反饋控制系統加以控制。

4 結束語

在迅速變化的全球環境中，過程制造企業和公司面臨激烈的市場競爭與挑戰。為了使企業能在競爭中取得成功，必須做好節能減排與安全生產、努力降低產品制造成本、延長設備使用壽命，更好地為客戶提供服務等工作[3]。大量實踐結果表明，采用工業過程自動化技術對于提高企業的效益和性能更為有效。本文通過通俗易懂的文字，將自動控制的有關組成、工作原理以及分類等進行了闡述，希望能夠得到廣大科技人員的共鳴，共同推動和提高我國工業自動化發展。

［1］李建偉.工業電氣自動化的重要性和發展趨勢［J］.科技，2013（07）：57-59.

［2］陳優昌.簡述機械制造與自動化應用［J］.商品與質量建筑與發展，2013（07）：22-23.

［3］于淼.淺析電氣自動化的發展［J］.科技信息，2011（02）：88-90.