自動(dòng)化控制系統(tǒng)的基本知識(shí)

在工業(yè)生產(chǎn)過(guò)程或生產(chǎn)設(shè)備運(yùn)行中，為了維持正常的工作條件。往往需要對(duì)某些物理量（如溫度、壓力、流量、液位、電壓、位移、轉(zhuǎn)速等）進(jìn)行控制，使其盡量維持在某個(gè)數(shù)值附近，或使其按一定規(guī)律變化。要滿(mǎn)足這種需要，就要對(duì)生產(chǎn)機(jī)械或設(shè)備進(jìn)行及時(shí)的操作和控制，以抵消外界的擾動(dòng)和影響。這種操作和控制，即可用人工操作完成，又可用自動(dòng)裝置的操作完成，前者稱(chēng)為人工控制或手動(dòng)控制，后者稱(chēng)為自動(dòng)控制。

人工控制的過(guò)程是：測(cè)量→求偏差→控制→再測(cè)量→再求偏差→再控制這樣一種不斷循環(huán)的過(guò)程。其控制目的是要盡量減小偏差，使被控量盡可能地保持在期望值附近。

閉環(huán)反饋控制系統(tǒng)的基本組成主要有以下幾種：

(1)給定元件：給出與期望輸出對(duì)應(yīng)的輸入量。

(2)比較元件：求輸入量與反饋量的偏差，常采用集成運(yùn)算放大器(簡(jiǎn)稱(chēng)集成運(yùn)放)來(lái)實(shí)現(xiàn)。

(3)放大元件：由于偏差信號(hào)一般較小，不足以驅(qū)動(dòng)負(fù)載，故需要放大元件，包括電壓放大及功率放大。

(4)執(zhí)行元件：直接驅(qū)動(dòng)被控對(duì)象，使輸出量發(fā)生變化。常用的有電動(dòng)機(jī)、調(diào)節(jié)閥、液壓馬達(dá)等。

(5)測(cè)量元件：檢測(cè)被控量并轉(zhuǎn)換為所需要的電信號(hào)。在控制系統(tǒng)中常用的有用于速度檢測(cè)的測(cè)速發(fā)電機(jī)、光電編碼盤(pán)等；用于位置與角度檢測(cè)的旋轉(zhuǎn)變壓器、自整機(jī)等；用于電流檢測(cè)的互感器及用于溫度檢測(cè)的熱電偶等。這些檢測(cè)裝置一般都將被檢測(cè)的物理量轉(zhuǎn)換為相應(yīng)的連續(xù)或離散的電壓或電流信號(hào)。

(6)校正元件：也叫補(bǔ)償元件，是結(jié)構(gòu)與參數(shù)便于調(diào)整的元件，以串聯(lián)或反饋的方式連接在系統(tǒng)中，完成所需的運(yùn)算功能，以改善系統(tǒng)的性能。根據(jù)在系統(tǒng)中所處的位置不同，可分別稱(chēng)為串聯(lián)校正原件和反饋校正元件。

在控制系統(tǒng)中，反饋的概念非常重要。，如果將反饋環(huán)節(jié)取得的實(shí)際輸出信號(hào)加以處理，并在輸入信號(hào)中減去這樣的反饋量，再將結(jié)果輸入到控制器中去控制被控對(duì)象，我們稱(chēng)這樣的反饋為負(fù)反饋；反之，若由輸入量和反饋量相加作為控制器的輸入，則稱(chēng)為正反饋。

在一個(gè)實(shí)際的控制系統(tǒng)中，具有正反饋形式的系統(tǒng)一般是不能改進(jìn)系統(tǒng)性能的，而且容易使系統(tǒng)的性能變壞，因此不被采用。而且有負(fù)反饋形式的系統(tǒng)，它通過(guò)自動(dòng)修正偏離量，使系統(tǒng)趨向于給定值，并抑制系統(tǒng)回路中存在的內(nèi)擾和外擾的影響，最終達(dá)到自動(dòng)控制的目的。通常，反饋控制就是指負(fù)反饋控制。

與開(kāi)環(huán)系統(tǒng)比較，閉環(huán)控制系統(tǒng)的最大特點(diǎn)是檢測(cè)偏差，糾正偏差。從系統(tǒng)結(jié)構(gòu)上看，閉環(huán)系統(tǒng)具有反向通道，即反饋；其次，從功能上看：

1) 由于增加了反饋通道，系統(tǒng)的控制精度得到了提高，若采用開(kāi)環(huán)控制，要達(dá)到同樣的精度，則需高精度的控制器，從而大大增加了成本；

2) 由于存在系統(tǒng)的反饋，可以較好地抑制系統(tǒng)各環(huán)節(jié)中可能存在的擾動(dòng)和由于器件的老化而引起的結(jié)構(gòu)和參數(shù)的不穩(wěn)定性；

3) 反饋環(huán)節(jié)的存在，同時(shí)可較好地改善系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)性能。當(dāng)然，如果引入不適當(dāng)?shù)姆答?，如正反饋，或者參?shù)選擇不恰當(dāng)，不僅達(dá)不到改善系統(tǒng)性能的目的，甚至?xí)?dǎo)致一個(gè)穩(wěn)定的系統(tǒng)變?yōu)椴环€(wěn)定的系統(tǒng)。

工程上常把對(duì)自動(dòng)控制系統(tǒng)的基本要求歸納為穩(wěn)定性、準(zhǔn)確性、快速性三個(gè)方面來(lái)衡量自動(dòng)控制系統(tǒng)。 穩(wěn)定性（穩(wěn)） 穩(wěn)定工作是對(duì)所有自動(dòng)控制系統(tǒng)的基本要求，是一個(gè)系統(tǒng)能否工作的前提。不穩(wěn)定的系統(tǒng)根本無(wú)法完成控制任務(wù)?？紤]到實(shí)際系統(tǒng)工作環(huán)境或參數(shù)的變動(dòng)，可能導(dǎo)致系統(tǒng)不穩(wěn)定，因此除要求系統(tǒng)穩(wěn)定外，還要求其具有一定的穩(wěn)定裕量。

準(zhǔn)確性（準(zhǔn)） 穩(wěn)態(tài)精度是指系統(tǒng)過(guò)渡到新的平衡狀態(tài)以后，或系統(tǒng)對(duì)抗干擾重新恢復(fù)平衡后，最終保持的精度。穩(wěn)態(tài)精度與控制系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)、參數(shù)及輸入信號(hào)形式有關(guān)?？焖傩裕欤?控制系統(tǒng)不但要求穩(wěn)定，而且要求被控量能迅速地按照輸入信號(hào)所規(guī)定的規(guī)律變化。即要求系統(tǒng)具有一定的響應(yīng)速度。