自动控制系统的组成

自动控制系统的组成

自动控制系统是在人工控制的基础上产生和发展起来的。为对自动控制有一个更加清晰的了解，下面对人工操作与自动控制作一个对比与分析。

图1-1所示是一个液体贮槽，在生产中常 用来作为一般的中间容器或成品罐。从前一个 工序出来的物料连续不断地流入槽中，而槽中 的液体又送至下一工序进行加工或包装。当流 入量Qi(或流出量Q0)波动时会引起槽内液位的 波动，严重时会溢出或抽空。解决这个问题的 最简单办法，是以贮槽液位为操作指标，以改 变出口阀门开度为控制手段，如图1-1所示。 当液位上升时，将出口阀门开度开大，液位上 升越多，阀门开得越大；反之，当液位下降时， 则关小出口阀门，液位下降越多，阀门关得越 小。为了使液位上升和下降都有足够的余地，选择玻璃管液位计指示值中间的某一点为正常工作时的液位高度，通过改变出口阀门开度而使液位保持在这一高度上，这样就不会出贮槽中液位过高而溢出槽外，或使贮槽内液位抽空而发生事故的现象。归纳起来，操作人员所进行的工作有以下三个方面。

① 检测 用眼睛观察玻璃管液位计（测量元件）中液位的高低。 ② 运算、命令 大脑根据眼睛所看到的液位高度，与要求的液位值进行比较，得出偏差的大小和正负，然后根据操作经验，经思考、决策后发出命令。

③ 执行 根据大脑发出的命令，通过手去改变阀门开度，以改变出口流量Q0，从而使液位保持在所需要高度上。

眼、脑、手三个器官，分别担负了检测、运算/决策和执行三个任务，来完成测量偏差、操纵阀门以纠正偏差的全过程。

若采用一套自动控制装置来取代上述人工操作，就称为液位自动控制。自动化装置和液体贮槽一起，构成了如图1-2所示的自动控制系统。

下面结合图1-2的例子介绍Q 几个常 用术语。 液位检① 被控对象 需要实现控 测、变送装 制的 设备、机械或生产过程称为被控对 液 位 Q0 图1-2 液位自动控Q图1-1 液位人工控Q玻璃管液

象，

简称对象，如图1-2中的液体贮槽。

② 被控变量 对象内要求保

持一定数值（或按某一规律变化）的

物理量称为被控变量，如图1-2中的

液位。被控变量即为对象的输出变量。

③ 控制变量（操纵变量） 受

执行器控制，用以使被控变量保持一定数值的物料或能量称为控制变量或操纵变

量，如图1-2所示的出料流量。

④ 干扰（扰动） 除控制变量以外，作用于对象并引起被控变量变化的

一切因素称为干扰，如图1-2中的流入贮槽的液体流量。

⑤ 设（给）定值 工艺规定被控变量所要保持的数值，如图1-2中的液

位高度。

⑥ 偏差 偏差本应是设定值与控制变量的实际值之差，但能获取的信息

是被控变量的测量值而非实

际值，因此，在控制系统中通常把设定值与测量值之

差定义为偏差。

图1-2所示的液位自动控制系统可用图1-3的方块图来表示。每个方块表示

组成系统的一个环节，两个方块之间用一条带箭头的线条表示其相互间的信号联

系，箭头表示进入还是离开这个方块，线上的字母表示相互间的作用信号。

设r比较机偏ey(t液位 控制测量值 执行器 （控制被控对象 （液位贮被控变量 z(t液位测量、变送装置 图 1-3 自动控制系统方块图

由图1-3可见，图1-2所示的液位自动控制系统由比较机构、控制器、执行器、被控对象及测量/变送环节四部分组成。事实上，图1-3所示的结构也就是一个典型的简单控制系统的基本组成。控制系统各部分的功能如下。

① 检测与变送环节 它测量被控变量z(t)，并将被控变量转换为特定的信号y(t)。

② 比较机构及控制器 它接受来自于变送器的信号，与设定值进行比较得出偏差e(t)=r(t)-y(t)，并根据一定的规律进行运算，然后将运算结果用特定的信号发送出去。比较机构是控制器的一个组成部分。

③ 执行器 它根据控制器送来的信号相应地改变控制变量，以达到控制被控变量的目的。

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