閉環自動控制系統的基本結構分析

李紅

摘 要： 本文介紹了閉環自動控制系統的基本結構，將其規劃為三個框和六個量，假設溫度恒定的自動控制系統，在有干擾量使溫度突然上升時分析它的調節過程，通過繪制結構框圖對閉環控制系統進行形象的分析說明。

關鍵詞： 自動控制系統 閉環 調節過程

在許多的自動化控制系統中不一定都是開環控制或閉環控制，它們可以是交叉使用的。例如：洗衣機它的溫度、水位控制一定是閉環控制的，洗衣機中的電機轉速是基于開環控制的。介于開環自動控制系統比較簡單，所以我們重點研究閉環的自動控制系統。那么閉環控制系統的基本結構是怎樣的呢？

生活中看到的開環或閉環控制系統一般是比較簡單的，而工業中的自動化控制系統可能非常復雜。無論有多復雜，它們最基本的結構是不變的，它們的閉環作用關系是不變的。所以歸納和總結閉環控制系統的基本結構如下：

可以看出基本結構我們規劃了三個框和六個量。

控制器：是指在自動控制系統中為了保持輸出量的恒定所采用的控制方法。例如：家電系列產品中最多用到的開關控制方法，但在許多工業自動化控制系統中采用的還有比例積分微分控制方法，前者是斷續控制，也叫兩點調節器或位式調節器，后者是隨時間連續的調節方法，它可以用數學公式表達它們的輸入和輸出關系，通過電阻、電容和運算放大器等元件模擬它們的數學關系以達到控制的更好效果。

被控裝置：它指的是加熱器、電機、水泵和閥門等，包括與它們配合使用的設備、儀器、裝置等，還包括與之匹配的功率轉換電路，不同的被控設備需要不同的功率轉換。

反饋裝置：也叫傳感器。不同的被控量需要不同的傳感器，相同的是經過傳感器后需要對應轉換出與輸入量相同的關系量，例如電壓量、電流量。

輸入量Ur：也叫目標值、設定值或理想值。例如用0V～10V表示0度～100度，當輸入量是5V時就表示希望輸出量要恒定在50度，也可以用0V～10V表示0～10000轉/分鐘，等等。有些設備也用0mA～10mA或4mA～20mA作為設定目標值。在智能化的設備儀器中很多直接用數字設定目標值。

偏差量ΔU：它是輸入量與反饋量相減Ur—Uf。當偏差量為正偏差時說明輸出量還沒有達到目標值，反之表示輸出量超過了目標值。控制器就是根據偏差量計算出控制量決定下一步的控制量大小，以調節輸出量達到目標值或保持輸出量的恒定。

控制量Uk：它是控制器經過運算之后輸出的量。一般這個量為0V～10V，所以它不能直接去驅動被控裝置，需要功率轉換。也有輸出0mA～10mA或4mA～20mA，它可以直接提供給電流輸入型的電動閥門。

輸出量Uo：也叫被控制量、測量值或實際值。不同的系統不同的被控量。例如：溫度、轉速、壓力、流量和水位等。

反饋量Uf：是通過傳感器測量后轉換給輸入端的量。例如將0度～100度通過溫度傳感器和與其對應的電路轉換成0V～10V。

干擾量Z：它是隨機的外來作用，會對系統有不良影響的影響。

一個閉環控制系統是如何調節的，我們可以通過它們的量化之間的關系來說明。例如我們假設溫度控制系統已經恒定，這時有干擾量使溫度突然上升，則它的調節過程如下：

輸出量Uo↑（T溫度上升）→反饋量Uf↑→偏差量ΔU↓=輸入量Ur-反饋量Uf↑→控制量Uk↓→輸出量Uo↓（T溫度下降）

當溫度遇上突然下降也是一樣的，這個過程中最重要的是反饋量一定要負反饋。在實際控制系統中輸入量與反饋量一定要相減，這樣才能保證是負反饋達到調節的目的。

工業控制系統一般經過的環節多一些，往往看上去較復雜，只要根據閉環的基本結構依次分析，就能找出它們的作用關系畫出框圖。

如下圖同樣是溫度控制系統：

它的結構框圖如下：

它的作用關系與調節過程如下：當系統達到一個穩定的時候，這時溫度也基本恒定在某一個值例如150度，溫箱受到外界干擾（溫箱的密封不嚴或門的開啟）使溫度下降（T），

T溫度下降→→熱電偶輸出的電位差下降↓→→T/V轉換將電位差轉換為與給定值對應的電壓量后反饋給比較器→→因為輸入量是不變的則比較后的偏差量↑（ΔU=Ug-Uf）→→控制器根據偏差量計算出控制量提供給功率轉換單元Uk↑→→伺服電機加大轉角使可調變壓器輸出加大↑→→作用到電爐絲的電壓加大了↑→→這時溫度T就會上升。經過不斷的反復調節溫度會始終保持在一個恒定值上。

在這個過程中我們看到不都是電壓之間的作用，比如溫度和電壓的轉換、電壓與轉角的轉換、轉角與電壓的轉換、電壓與溫度的轉換，在有些系統中還會有電流與電壓的轉換、位置與電壓的轉換等。每經過一個轉換，系統就會有一個滯后，這是容易理解的，正是這個滯后會給控制系統的調節產生很復雜的影響。如何克服這些不良因素，就是調節的最終目的。