閉環(huán)自動(dòng)控制系統(tǒng)的基本結(jié)構(gòu)分析

李紅

摘 要： 本文介紹了閉環(huán)自動(dòng)控制系統(tǒng)的基本結(jié)構(gòu)，將其規(guī)劃為三個(gè)框和六個(gè)量，假設(shè)溫度恒定的自動(dòng)控制系統(tǒng)，在有干擾量使溫度突然上升時(shí)分析它的調(diào)節(jié)過(guò)程，通過(guò)繪制結(jié)構(gòu)框圖對(duì)閉環(huán)控制系統(tǒng)進(jìn)行形象的分析說(shuō)明。

關(guān)鍵詞： 自動(dòng)控制系統(tǒng) 閉環(huán) 調(diào)節(jié)過(guò)程

在許多的自動(dòng)化控制系統(tǒng)中不一定都是開(kāi)環(huán)控制或閉環(huán)控制，它們可以是交叉使用的。例如：洗衣機(jī)它的溫度、水位控制一定是閉環(huán)控制的，洗衣機(jī)中的電機(jī)轉(zhuǎn)速是基于開(kāi)環(huán)控制的。介于開(kāi)環(huán)自動(dòng)控制系統(tǒng)比較簡(jiǎn)單，所以我們重點(diǎn)研究閉環(huán)的自動(dòng)控制系統(tǒng)。那么閉環(huán)控制系統(tǒng)的基本結(jié)構(gòu)是怎樣的呢？

生活中看到的開(kāi)環(huán)或閉環(huán)控制系統(tǒng)一般是比較簡(jiǎn)單的，而工業(yè)中的自動(dòng)化控制系統(tǒng)可能非常復(fù)雜。無(wú)論有多復(fù)雜，它們最基本的結(jié)構(gòu)是不變的，它們的閉環(huán)作用關(guān)系是不變的。所以歸納和總結(jié)閉環(huán)控制系統(tǒng)的基本結(jié)構(gòu)如下：

可以看出基本結(jié)構(gòu)我們規(guī)劃了三個(gè)框和六個(gè)量。

控制器：是指在自動(dòng)控制系統(tǒng)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(chǎn)品中最多用到的開(kāi)關(guān)控制方法，但在許多工業(yè)自動(dòng)化控制系統(tǒng)中采用的還有比例積分微分控制方法，前者是斷續(xù)控制，也叫兩點(diǎn)調(diào)節(jié)器或位式調(diào)節(jié)器，后者是隨時(shí)間連續(xù)的調(diào)節(jié)方法，它可以用數(shù)學(xué)公式表達(dá)它們的輸入和輸出關(guān)系，通過(guò)電阻、電容和運(yùn)算放大器等元件模擬它們的數(shù)學(xué)關(guān)系以達(dá)到控制的更好效果。

被控裝置：它指的是加熱器、電機(jī)、水泵和閥門(mén)等，包括與它們配合使用的設(shè)備、儀器、裝置等，還包括與之匹配的功率轉(zhuǎn)換電路，不同的被控設(shè)備需要不同的功率轉(zhuǎn)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(jīng)過(guò)傳感器后需要對(duì)應(yīng)轉(zhuǎn)換出與輸入量相同的關(guān)系量，例如電壓量、電流量。

輸入量Ur：也叫目標(biāo)值、設(shè)定值或理想值。例如用0V～10V表示0度～100度，當(dāng)輸入量是5V時(shí)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(zhuǎn)/分鐘，等等。有些設(shè)備也用0mA～10mA或4mA～20mA作為設(shè)定目標(biāo)值。在智能化的設(shè)備儀器中很多直接用數(shù)字設(shè)定目標(biāo)值。

偏差量ΔU：它是輸入量與反饋量相減Ur—Uf。當(dāng)偏差量為正偏差時(shí)說(shuō)明輸出量還沒(méi)有達(dá)到目標(biāo)值，反之表示輸出量超過(guò)了目標(biāo)值?？刂破骶褪歉鶕?jù)偏差量計(jì)算出控制量決定下一步的控制量大小，以調(diào)節(jié)輸出量達(dá)到目標(biāo)值或保持輸出量的恒定。

控制量Uk：它是控制器經(jīng)過(guò)運(yùn)算之后輸出的量。一般這個(gè)量為0V～10V，所以它不能直接去驅(qū)動(dòng)被控裝置，需要功率轉(zhuǎn)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(dòng)閥門(mén)。

輸出量Uo：也叫被控制量、測(cè)量值或?qū)嶋H值。不同的系統(tǒng)不同的被控量。例如：溫度、轉(zhuǎn)速、壓力、流量和水位等。

反饋量Uf：是通過(guò)傳感器測(cè)量后轉(zhuǎn)換給輸入端的量。例如將0度～100度通過(guò)溫度傳感器和與其對(duì)應(yīng)的電路轉(zhuǎn)換成0V～10V。

干擾量Z：它是隨機(jī)的外來(lái)作用，會(huì)對(duì)系統(tǒng)有不良影響的影響。

一個(gè)閉環(huán)控制系統(tǒng)是如何調(diào)節(jié)的，我們可以通過(guò)它們的量化之間的關(guān)系來(lái)說(shuō)明。例如我們假設(shè)溫度控制系統(tǒng)已經(jīng)恒定，這時(shí)有干擾量使溫度突然上升，則它的調(diào)節(jié)過(guò)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(dāng)溫度遇上突然下降也是一樣的，這個(gè)過(guò)程中最重要的是反饋量一定要負(fù)反饋。在實(shí)際控制系統(tǒng)中輸入量與反饋量一定要相減，這樣才能保證是負(fù)反饋達(dá)到調(diào)節(jié)的目的。

工業(yè)控制系統(tǒng)一般經(jīng)過(guò)的環(huán)節(jié)多一些，往往看上去較復(fù)雜，只要根據(jù)閉環(huán)的基本結(jié)構(gòu)依次分析，就能找出它們的作用關(guān)系畫(huà)出框圖。

如下圖同樣是溫度控制系統(tǒng)：

它的結(jié)構(gòu)框圖如下：

它的作用關(guān)系與調(diào)節(jié)過(guò)程如下：當(dāng)系統(tǒng)達(dá)到一個(gè)穩(wěn)定的時(shí)候，這時(shí)溫度也基本恒定在某一個(gè)值例如150度，溫箱受到外界干擾（溫箱的密封不嚴(yán)或門(mén)的開(kāi)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(zhuǎn)換將電位差轉(zhuǎn)換為與給定值對(duì)應(yīng)的電壓量后反饋給比較器→→因?yàn)檩斎肓渴遣蛔兊膭t比較后的偏差量↑（ΔU=Ug-Uf）→→控制器根據(jù)偏差量計(jì)算出控制量提供給功率轉(zhuǎn)換單元Uk↑→→伺服電機(jī)加大轉(zhuǎn)角使可調(diào)變壓器輸出加大↑→→作用到電爐絲的電壓加大了↑→→這時(shí)溫度T就會(huì)上升。經(jīng)過(guò)不斷的反復(fù)調(diào)節(jié)溫度會(huì)始終保持在一個(gè)恒定值上。

在這個(gè)過(guò)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(zhuǎn)換、電壓與轉(zhuǎn)角的轉(zhuǎn)換、轉(zhuǎn)角與電壓的轉(zhuǎn)換、電壓與溫度的轉(zhuǎn)換，在有些系統(tǒng)中還會(huì)有電流與電壓的轉(zhuǎn)換、位置與電壓的轉(zhuǎn)換等。每經(jīng)過(guò)一個(gè)轉(zhuǎn)換，系統(tǒng)就會(huì)有一個(gè)滯后，這是容易理解的，正是這個(gè)滯后會(huì)給控制系統(tǒng)的調(diào)節(jié)產(chǎn)生很復(fù)雜的影響。如何克服這些不良因素，就是調(diào)節(jié)的最終目的。