自動控制方式與機理

張鑫洋 馬瑛超 常馨予 劉 帥

青島理工大學環境與市政工程學院（266033）

1 自動控制系統基礎知識

1.1 自動控制系統的概念

自動控制系統是指在人不直接參與的情況下，使用一些外加的設備和裝置,通過外加控制對生產工藝的參數和流程進行控制，使設備或工藝流程自動地按照設定值和運行規律進行運轉；當設備受到外界影響而遠離既定值時,被控量也可以按照預定要求調節到設備所允許的數值范圍內[1]。

1.2 自動控制系統的分類

1.2.1 開環結構控制系統

開環控制系統是指只接收給定值，信號只通過受控對象進行輸入，控制裝置無反向聯系的系統。包括按給定值控制和按干擾補償控制。這種控制方式的控制原理簡單、造價低、成本低；但是控制精度較低，不適用于對精度要求高的設備和生產工藝[2]。

1.2.2 閉環結構控制系統

閉環系統需要控制的是被控量，將控制系統輸出量通過一定方法和裝置反送回系統的輸入端，測量的是被控量和給定值，將比較的結果的偏差施加于系統進行控制，避免系統偏離預定目標[3]。閉環控制系統的信號按箭頭方向傳遞，是封閉的。閉環控制系統的控制精度高、抗干擾能力強，但造價高。

圖2 閉環控制原理圖

2 自動控制系統典型環節的動態特性

在分析研究自動控制系統的穩定性和過渡時期時，按照其構造和功能來分類并不適用，應根據其動態特性來進行分類。按照這個思路，構造、原理不同的元件和裝置也可以通過相同的微分方程來進行描述。

2.1 比例環節

比例環節（Proportional link）也稱放大環節。放大系數K用于表示輸出信號和輸入信號之間的比值，比例系數是比例環節的特征參數，在輸入的信號相同時，放大系數K值越大，輸出越大。

2.2 積分環節

積分環節（integration loop）是控制系統中一類典型的環節，輸入信號做階躍變化時，他們的輸出信號將等速地一直變化到最大或最小。積分時間Ti和比例系數K為積分環節的兩個特征參數，積分時間Ti越短，輸出變化速度越快，積分曲線越陡。

2.3 微分環節

微分環節分為理想微分環節和實際微分環節，微分作用的輸出變化與微分時間和輸入信號的變化速度成比例，而與輸入信號的大小無關。微分作用的輸入信號變化的速度愈快，微分時間愈長，微分環節的輸出信號愈大。在輸入信號加入的瞬間，輸出信號已經有顯著變化，起到了超前反應的作用，所以微分環節又叫超前環節。

3 自動控制系統在水位控制中的應用

在水位自動控制系統中，浮子是測量元件，連桿是比較元件，電位器輸出電壓反映水位偏差，放大器等為執行元件。

如圖3所示，圖中的箭頭方向表示各環節之間相互作用的因果關系，指向方框的箭頭為該環節的輸入信號，背離該環節的為輸出信號，它是環節在輸入信號作用下的變化結果。信號只能按照圖中的箭頭方向行進，不能逆行，否則將使環節的輸入、輸出關系紊亂，這是方框圖的單向傳遞特性。

圖3 水位自動控制方框圖