闭环自动控制系统的基本结构分析

李红

摘 要： 本文介绍了闭环自动控制系统的基本结构，将其规划为三个框和六个量，假设温度恒定的自动控制系统，在有干扰量使温度突然上升时分析它的调节过程，通过绘制结构框图对闭环控制系统进行形象的分析说明。

关键词： 自动控制系统 闭环 调节过程

在许多的自动化控制系统中不一定都是开环控制或闭环控制，它们可以是交叉使用的。例如：洗衣机它的温度、水位控制一定是闭环控制的，洗衣机中的电机转速是基于开环控制的。介于开环自动控制系统比较简单，所以我们重点研究闭环的自动控制系统。那么闭环控制系统的基本结构是怎样的呢？

生活中看到的开环或闭环控制系统一般是比较简单的，而工业中的自动化控制系统可能非常复杂。无论有多复杂，它们最基本的结构是不变的，它们的闭环作用关系是不变的。所以归纳和总结闭环控制系统的基本结构如下：

可以看出基本结构我们规划了三个框和六个量。

控制器：是指在自动控制系统中为了保持输出量的恒定所采用的控制方法。例如：家电系列产品中最多用到的开关控制方法，但在许多工业自动化控制系统中采用的还有比例积分微分控制方法，前者是断续控制，也叫两点调节器或位式调节器，后者是随时间连续的调节方法，它可以用数学公式表达它们的输入和输出关系，通过电阻、电容和运算放大器等元件模拟它们的数学关系以达到控制的更好效果。

被控装置：它指的是加热器、电机、水泵和阀门等，包括与它们配合使用的设备、仪器、装置等，还包括与之匹配的功率转换电路，不同的被控设备需要不同的功率转换。

反馈装置：也叫传感器。不同的被控量需要不同的传感器，相同的是经过传感器后需要对应转换出与输入量相同的关系量，例如电压量、电流量。

输入量Ur：也叫目标值、设定值或理想值。例如用0V～10V表示0度～100度，当输入量是5V时就表示希望输出量要恒定在50度，也可以用0V～10V表示0～10000转/分钟，等等。有些设备也用0mA～10mA或4mA～20mA作为设定目标值。在智能化的设备仪器中很多直接用数字设定目标值。

偏差量ΔU：它是输入量与反馈量相减Ur—Uf。当偏差量为正偏差时说明输出量还没有达到目标值，反之表示输出量超过了目标值。控制器就是根据偏差量计算出控制量决定下一步的控制量大小，以调节输出量达到目标值或保持输出量的恒定。

控制量Uk：它是控制器经过运算之后输出的量。一般这个量为0V～10V，所以它不能直接去驱动被控装置，需要功率转换。也有输出0mA～10mA或4mA～20mA，它可以直接提供给电流输入型的电动阀门。

输出量Uo：也叫被控制量、测量值或实际值。不同的系统不同的被控量。例如：温度、转速、压力、流量和水位等。

反馈量Uf：是通过传感器测量后转换给输入端的量。例如将0度～100度通过温度传感器和与其对应的电路转换成0V～10V。

干扰量Z：它是随机的外来作用，会对系统有不良影响的影响。

一个闭环控制系统是如何调节的，我们可以通过它们的量化之间的关系来说明。例如我们假设温度控制系统已经恒定，这时有干扰量使温度突然上升，则它的调节过程如下：

输出量Uo↑（T温度上升）→反馈量Uf↑→偏差量ΔU↓=输入量Ur-反馈量Uf↑→控制量Uk↓→输出量Uo↓（T温度下降）

当温度遇上突然下降也是一样的，这个过程中最重要的是反馈量一定要负反馈。在实际控制系统中输入量与反馈量一定要相减，这样才能保证是负反馈达到调节的目的。

工业控制系统一般经过的环节多一些，往往看上去较复杂，只要根据闭环的基本结构依次分析，就能找出它们的作用关系画出框图。

如下图同样是温度控制系统：

它的结构框图如下：

它的作用关系与调节过程如下：当系统达到一个稳定的时候，这时温度也基本恒定在某一个值例如150度，温箱受到外界干扰（温箱的密封不严或门的开启）使温度下降（T），

T温度下降→→热电偶输出的电位差下降↓→→T/V转换将电位差转换为与给定值对应的电压量后反馈给比较器→→因为输入量是不变的则比较后的偏差量↑（ΔU=Ug-Uf）→→控制器根据偏差量计算出控制量提供给功率转换单元Uk↑→→伺服电机加大转角使可调变压器输出加大↑→→作用到电炉丝的电压加大了↑→→这时温度T就会上升。经过不断的反复调节温度会始终保持在一个恒定值上。

在这个过程中我们看到不都是电压之间的作用，比如温度和电压的转换、电压与转角的转换、转角与电压的转换、电压与温度的转换，在有些系统中还会有电流与电压的转换、位置与电压的转换等。每经过一个转换，系统就会有一个滞后，这是容易理解的，正是这个滞后会给控制系统的调节产生很复杂的影响。如何克服这些不良因素，就是调节的最终目的。