第二章 电气控制系统的基础研究概述

第一节 电气控制系统的概念研究

一、电气控制系统的基本原理、基本组成及控制方式

1．电气控制系统的基本原理

在现代科学技术的众多领域中，电气控制技术起着越来越重要的作用。所谓电气控制，是指在没有人直接参与的情况下，利用外加的设备或装置（控制装置或控制器），使机器、设备或生产过程（统称被控对象）的某个工作状态或参数（即被控量）自动地按照预定的规律运行。近几十年来，随着电子计算机技术的发展和应用，在宇宙航行、机器人控制、导弹制导以及核动力等高新技术领域中，电气控制技术更具有特别重要的作用。不仅如此，电气控制的应用现已扩展到生物、医学、环境、经济管理和其他许多领域中，成为现代社会活动中不可缺少的重要组成部分。

电气控制发展初期，是以反馈理论为基础的自动调节原理，主要用于工业控制。为了实现各种复杂的控制任务，首先要将被控对象和控制装置按照一定的方式连接起来，组成一个有机整体，这就是电气控制系统。在电气控制系统中，被控对象的输出量（即被控量）是要求严格加以控制的物理量，它可以要求保持为某一恒定值，如温度、压力、液位等，也可以要求按照某个给定规律运行，例如飞机航线、记录曲线等。控制装置则是对被控对象施加控制作用的机构的总体，它可以采用不同的原理和方式对被控对象进行控制，但最基本的一种是基于反馈控制原理组成的反馈控制系统。

2．电气控制系统的基本组成

从完成“电气控制”这一职能来看，一个系统必然包含被控对象和控制装置两大部分，而控制装置是由具有一定职能的各种基本元件组成的。在不同系统中，结构完全不同的部件却可以具有相同的职能。因此，组成系统的元部件按职能分类主要有以下几种：

（1）测量元件：其职能是检测被控制的物理量，如果这个物理量是非电量，一般要再转换为电量。

（2）给定元件：其职能是给出与期望的被控量相对应的系统输入量（即参据量）。

（3）比较元件：其职能是把测量元件检测的被控量实际值与给定元件给出的参据量进行比较，求出它们之间的偏差。常用的比较元件有差动放大器、机械差动装置、电桥电路等。

（4）放大元件：其职能是将比较元件给出的偏差信号进行放大，用来推动执行元件去控制被控对象。

（5）执行元件：其职能是直接推动被控对象，使其被控量发生变化。

（6）校正元件：也叫补偿元件，它是结构或参数便于调整的元部件，用串联或反馈的方式连接在系统中，以改善系统的性能。

3．电气控制系统的控制方式

反馈控制是自动控制系统最基本的控制方式，也是应用极广泛的一种控制方式。除此之外，还有开环控制方式和复合控制方式，它们都有各自的特点和不同的适用场合。

（1）反馈控制方式：也称为闭环控制方式，是指系统输出量通过反馈环节返回来作用于控制部分，形成闭合环路的控制方式，是按偏差进行控制的。其特点是不论什么原因使被控量偏离期望值而出现偏差时，必定会产生一个相应的控制作用来减小或消除这个偏差，使被控量与期望值趋于一致。可以说，按反馈控制方式组成的反馈控制系统，具有抑制任何内、外扰动对被控量产生影响的能力，有较高的控制精度。但这种系统使用的元件多，结构复杂，特别是系统的性能分析和设计也较麻烦。尽管如此，它仍是一种重要的并被广泛应用的控制方式，自动控制理论主要的研究对象就是用这种控制方式组成的系统。

（2）开环控制方式：是指控制装置与被控对象之间只有顺向作用而没有反向联系的控制过程。按这种方式组成的系统称为开环控制系统，其特点是系统的输出量不会对系统的控制作用产生影响，不具备自动修正的能力。

（3）复合控制方式：是开环控制和闭环控制相结合的一种控制方式。它是在闭合控制的基础上，通过增设顺馈补偿器来提高系统的控制精度，从而改善控制系统的稳态性能，主要应用于高精度的控制系统中。

二、电气控制系统的分类

电气控制系统有多种分类方法：按控制方式可分为开环控制系统、反馈控制系统、复合控制系统等；按元件类型可分为机械系统、电气系统、机电系统、液压系统、气动系统、生物系统；按系统功能可分为温度控制系统、位置控制系统等；按系统性能可分为线性系统和非线性系统、连续系统和离散系统、定常系统和时变系统、确定性系统和不确定性系统等；按参据量变化规律又可分为恒值控制系统、随动控制系统和程序控制系统等。一般，人们为了全面反映自动控制系统的特点，常常将上述各种分类方法组合应用。

1．线性连续控制系统

这类系统可以用线性微分方程式描述。按其参据量的变化规律不同，又可将这种系统分为恒值控制系统、随动系统和程序控制系统。

2．线性定常离散控制系统

离散控制系统是指系统的某处或多处的信号为脉冲序列或数码形式，因而信号在时间上是离散的。连续信号经过采样开关的采样就可以转换成离散信号。一般，在离散系统中既有连续的模拟信号，也有离散的数字信号，因此离散系统要用差分方程描述。工业计算机控制系统就是典型的离散系统。

3．非线性控制系统

系统中只要有一个元部件的输入-输出特性是非线性的，这类系统就称为非线性控制系统，这时，要用非线性微分（或差分）方程描述其特性。非线性方程的特点是系数与变量有关，或者方程中含有变量及其导数的高次幂或乘积项。由于非线性方程在数学处理上较困难，目前对不同类型的非线性控制系统的研究还没有统一的方法。但对于非线性程度不太高的元部件，可采用在一定范围内线性化的方法，将非线性控制系统近似为线性控制系统。

三、对电气控制系统的基本要求

电气控制理论是研究自动控制共同规律的一门学科。尽管电气控制系统有不同的类型，对每个系统也有不同的特殊要求，但对于各类系统来说，在已知系统的结构和参数时，我们感兴趣的都是系统在某种典型输入信号下，其被控量变化的全过程。对每一类系统被控量变化全过程提出的共同基本要求都是一样的，可以归结为稳定性、快速性和准确性，即稳、快、准的要求。

1．稳定性

稳定性是保证控制系统正常工作的先决条件。稳定性是指系统受到外作用后，其动态过程的振荡倾向和系统恢复平衡的能力。如果系统受到外作用后，经过一段时间，其被控量可以达到某一稳定状态，则称系统是稳定的。还有一种情况是系统受到外作用后，被控量单调衰减。在这两种情况中系统都是稳定的，否则称为不稳定。另外，若系统出现等幅振荡，即处于临界稳定的状态，这种情况也可视为不稳定。线性自动控制系统的稳定性是由系统结构决定的，与外界因素无关。

2．快速性

为了很好地完成控制任务，控制系统仅仅满足稳定性要求是不够的，还必须对其过渡过程的形式和快慢提出要求，一般称为动态性能。快速性是通过动态过程时间长短来表征的，系统响应越快，说明系统复现输入信号的能力越强。

3．准确性

理想情况下，当过渡过程结束后，被控量达到的稳态值应与期望值一致。但实际上，由于系统结构、外作用形式，以及摩擦、间隙等非线性因素的影响，被控量的稳态值与期望值之间会有误差存在，称为稳态误差。稳态误差是衡量控制系统精度的重要标志。若系统的最终误差为零，则称为无差系统，否则称为有差系统。

四、电气控制系统中常用名词与术语

为后文叙述方便，下面集中介绍控制系统中常用名词、术语的基本意义。

1．控制和调节

“控制”和“调节”的含义十分接近，两者都是为达到预期目的而按照某种规律对被控对象施加作用；如“调节原理”和“控制理论”都是指同一学科。但在有些场合两者也不完全通用，例如通常把开环系统中的动作称为控制，而该装置称为控制器，在闭环系统中则分别称为调节和调节器。还有“自控”一词包括了各种形式的自动控制，不能称为“自调”；又如“超调”是指控制系统在动态过程中瞬时值与稳态值的偏差，不能称为“超控”，等等，这些都是由于人们的用词习惯形成的。

2．自动控制

自动控制是指在没有人直接参与的情况下，利用外加的设备或装置，使机器、设备或生产过程的某个工作状态或参数自动地按照预定的规律运行的控制机制。

3．控制对象和被控变量

为保证生产设备能够安全、经济运行，必须组成一个控制系统，对其中某个关键参数进行控制，此时这台设备就成为控制对象，这个关键参数就是被控变量。

4．电气控制系统

电气控制系统是由研究自动控制装置（也称控制器）和被控对象组成，能自动地对被控对象的工作状态或其被控量进行控制，并具有预定性能的广义系统。

5．目标值和定值控制系统

目标值也称为设定值，就是希望被控变量保持的数值。如果目标值是恒定不变的，这种自动控制系统就称为定值控制系统。

6．检测装置

检测装置用来感受控制对象被控变量的大小，并将其转换和输出的相应信号作为控制的依据，通常由某种传感器或变送器组成。

7．偏差

偏差是指由反馈装置检测得出的被控变量实际值与目标值之差。在自动控制过程中存在的偏差称为“残余偏差”或“余差”，在静态情况下存在的偏差则称为“静差”。

8．调节器

调节器是根据偏差大小及变化趋势，按照预定的调节规律给执行器输出相应的调节信号的装置。

9．执行器

执行器接收调节器送来的调节信号，根据信号的数值大小输出相应的操作变量来对控制对象施加作用，使被控变量保持目标值。

10．操作变量

由执行器输出到被控对象中的能量流或物料流，称为操作变量。

11．扰动或干扰

被控对象在运行过程中受到某种外部因素的影响导致被控变量的变化，这些破坏稳定的不利因素统称为扰动或干扰，如负载变化、电源电压波动、环境条件改变等。

12．阶跃扰动

在分析控制对象受到扰动后的变化时，也就是研究控制对象的动态特性时，设想在某一瞬间t0把某个参数突然改变为另一个数值，其增量为X并维持不变，这种扰动就称为阶跃扰动。

13．控制对象的时间常数和时滞

控制对象受到阶跃扰动后，被控变量需要推迟一段时间才能按其本身特性变化，再经过一定时间后稳定到一个新的数值，此时间称为“滞后时间”，即“时滞”。从起点上升到终点高度所需的时间称为控制对象的时间常数。

14．闭环与开环

执行器输出操作变量到被控对象以改变被控变量，而被控变量的变化又通过检测装置输出的信号来影响操作变量，这样的信息传递过程构成了闭合环路，这种系统称为闭环控制；如果不存在这种信息传递的闭合回路，那么被控变量的变化对执行器输出的操作变量不发生影响，这样的系统称为开环控制。

15．系统的静态和动态

当自动控制系统的输入（设定值和扰动）及输出（被控变量）都保持不变时，整个系统处于一种相对平衡的稳定状态，这种状态称为静态；当系统的输入发生变化时，系统的各个部分都会改变原来的状态，力图达到新的平衡，这个变化过程就称为系统的动态。

16．断续作用和连续作用

断续作用的调节器的输出信号只有两种完全不同的状态，例如开关的“接通”或“断开”，没有中间状态。连续作用的调节器的输出信号可以从弱到强连续改变，因而这种方式能够更准确反映控制系统偏差的大小或控制动作的强度，从而可以取得更好的效果。

五、常用控制系统的基本类型

常用的控制系统有单回路控制系统、多回路系统、串级系统、比值系统、复合系统等五种基本类型。

1．单回路控制系统

单回路控制系统又称为单参数控制系统或简单控制系统，它是由一个被控对象、一个检测变送装置、一个调节器和一个执行器组成的单闭环控制系统。这种系统的作用特点是：被控对象不太复杂，系统结构比较简单。只要合理地选择调节器的调节规律，就可以使系统的技术指标满足生产工艺的要求。单回路控制系统是实现生产过程自动化的基本单元，由于它结构简单，投资少，易于整定和投入运行，能满足一般生产过程自动控制要求，尤其适用于被控对象滞后时间较短，负荷变化比较平缓，对被控变量的控制没有严格要求的场合，因而在工业生产中获得广泛的应用。

随着技术的迅速发展，控制系统类型越来越多，如综合控制、复杂控制系统等层出不穷，但单回路控制系统仍然是最基本的控制系统，掌握单回路控制系统设计的一般原则是很重要的。

生产过程是由若干台工艺设备或装置组成的，它们之间必然相互联系、相互影响，在设计控制系统时必须从整个生产过程出发来考虑问题。为此，自动控制专业人员必须与生产工艺专业人员密切配合，根据生产工艺过程特点选择被控变量和操作变量，选择合适的检测装置，选用适当的调节器、执行器及辅助装置等，组成工艺上合理、技术上先进、安装调试和操作方便的控制系统，使全套设备运转协调。在充分利用原料、能源、资金的情况下，安全优质、高效低耗地进行生产，获得良好的经济效益。

（1）被控变量和操作变量选择：选择被控变量和操作变量是设计单回路控制系统首先要考虑的问题。被控变量应能反映工艺过程，体现产品质量主要指标；操作变量应能满足控制稳定性、准确性、快速性等方面的要求，还应具有工艺上的合理性和经济性。

被控变量的选择是系统设计的核心问题。在一个生产过程中影响设备正常运行的因素很多，不可能全部进行控制，需要深入分析生产过程，找出对产品的产量和质量以及生产安全和节能等方面有决定性作用的变量作为被控变量。要注意的是，这些变量必须是可以测量的，如果需要控制的变量是温度、压力、流量或液位等，则可以直接将这些变量作为被控变量来组成控制系统，因为测量这些参数的仪表在技术上是很成熟的。

当选定被控变量之后，就要选择哪个参数作为操作变量。被控变量是控制对象的输出，而影响被控变量的外部因素则是控制对象的输入。被控对象的输入往往有若干个，这就要从中选择一个作为操作变量，而其余未被选用的输入则成为系统的干扰。从控制的角度来看，干扰是影响控制系统正常稳定运行的破坏性因素，它使被控变量偏离目标值，而操作变量则抑制干扰的影响，把已经变化了的被控变量拉回目标值，使控制系统重新恢复稳定运行。通过深入分析控制对象各种输入变量对被控变量的影响，不难找出对被控变量影响最大的物理量，将其作为操作变量。

（2）检测装置的选择：在控制系统中，被控变量要经过检测装置转换为电信号才能与目标值进行比较，得出偏差值再送到调节器。检测装置通常由传感器和变送器组成，传感器是用来将被控变量转换为一个与之相对应的信号，变送器则将传感器的输出信号转化为统一的标准信号，如4～20mA或1～5V的直流信号。

控制系统对检测装置的基本要求是：测量值能正确反映被控变量的数值，其误差不超过规定的范围；测量值能及时反映被控变量的变化，即有快速的动态响应；在工作环境条件下能长期可靠操作。

这些要求与传感器和变送器的类型、仪表的精度等级和量程，传感器和仪表的安装使用及防护措施都有密切的关系。

（3）调节器控制规律的选择：调节器的控制规律对控制系统的运行影响很大，不仅与系统的控制品质密切相关，而且对系统的结构和造价有很大的影响。下面对工业控制系统常用的调节器作简要陈述。

①位式调节器：常见的位式调节器是双位式调节器。一般适用于滞后时间较短，负荷变化不大也不剧烈，控制质量要求不高，允许被控变量在一定范围内波动的场合。双位式调节器的输出只有“接通”与“断开”两种截然不同的状态，这类控制元件品种很多，如温度开关、压力开关、液位开关、料位开关、光敏开关、声敏开关、气敏开关、定时开关、复位开关等。它们的结构比较简单、价格相对低廉，与之配套的执行器通常也选用开关器件，如继电器、接触器、电磁阀、电动阀等，组成控制系统相当方便而且节省资金，能够满足一般的使用要求，因而应用相当广泛。

位式调节器是一种断续作用的调节器，接下来介绍的几种调节器都是连续作用的调节器，不仅需要使用能连续反映被测参数变化的检测装置，而且配套的执行器也必须根据调节器输出信号的强弱来改变施加给控制对象的操作变量的大小，这种连续调节系统比位式调节系统要复杂得多。

②比例控制：比例控制是最基本的控制规律，它的输出与输入成比例，当负荷变化时克服扰动的能力强，过渡过程时间短，但过程终了时存在余差，而且负荷变化越大余差也越大。比例控制适用于系统滞后时间较短，时间常数也不大，扰动幅度较小，负荷变化不大，控制质量要求不高，允许有余差的场合。

③比例积分控制：由于引入的积分作用能够消除余差，所以比例积分控制是使用最多、应用最广的控制规律。但是加入积分作用后要保持原有的稳定性必须加大比例度（削弱比例作用）而使最大偏差和振荡周期相应增大，过渡过程时间延长。对于滞后时间较短，负荷变化不大，工艺上不允许有余差的场合，比例积分控制可以获得较好的控制效果。

④比例微分控制：由于引入的微分有超前控制作用，所以比例积分控制能使系统的稳定性增加，最大偏差减小，加快了控制过程，改善了控制质量，适用于过程滞后时间较长的场合。对于滞后时间很短和扰动作用频繁的系统，不宜采用比例微分控制。

⑤比例积分微分控制：微分作用对于克服滞后有显著效果，在比例基础上增加微分作用能提高系统的稳定性，加上积分作用能消除余差。如比例积分微分控制调节器有三个可以调整的参数，因而可以使系统获得较高的控制质量。它适用于容量滞后大，负荷变化、控制质量要求较高的场合。

2．多回路系统

有些控制对象动特性比较复杂，滞后和惯性都很大，在采用单回路系统不能满足要求时，常常从对象本身再设法找一个或几个辅助变量作为辅助控制信号反馈回去，这样就构成了多回路系统。辅助变量的选择原则是它要比被控量变化快，且易于实现。在大多数情况下，往往还选择辅助变量的微分，以便反映变量的变化状况和趋势。比如直流电动机转速控制系统往往选电压和电流作辅助变量，或再加电压微分反馈，形成多回路系统。又比如锅炉汽包液面控制系统也要求引入水量和蒸汽流量作为辅助量而构成多回路系统。

3．串级系统

串级系统是多回路系统的另一种类型。它由主、副两个控制回路构成，被控量的反馈形成主控回路，另外把一个对被控量起主要影响的变量选作辅助变量形成副回路。串级系统与一般多回路系统的根本区别和主要特点在于，副回路的给定值不是常量，而是一个变量，其变化情况由被控量通过主调节器来自动校正。因此，副回路的输入是一个任意变化的变量。这就要求副回路必须是一个随动系统，这样其输出才能随输入的变化而变化，使被控量达到所要求的技术指标。

我们以晶闸管供电的直流电动机调速系统为例，来说明串级控制系统的必要性。这时系统的被控对象（广义对象）是一个具有时滞的大惯性环节。如果我们只采用转速反馈的单回路系统，虽然转速反馈可以克服所有干扰对转速的影响，但由于被控对象的特性，控制质量并不理想。这是电源电压的波动和负载的干扰造成的后果，只有等被控量（转速）发生了变化，通过转速反馈回去与给定值比较，产生偏差，然后才能用偏差信号来克服干扰的影响。显然，这是不及时的。为了克服这种控制过程的滞后，我们会想到使用微分调节器。但是微分调节器并不能克服滞后特性对控制质量的不利影响，同时微分调节器还有放大噪声的缺点。那么，怎样解决这个问题呢？我们知道，当电源电压波动或负载改变等干扰出现时，总是引起电动机电流的变化，在电动机启动、制动时，为了得到最大的加速度和减速度，我们会希望电流保持正的或负的最大值。如果我们把对转速起主要影响的电流作为辅助变量，组成一个电流控制回路，当干扰引起电流变化但尚未引起转速显著变化时，电流控制回路就进行了控制，从而能够更快地克服干扰对转速的影响，这就解决了转速单回路控制过程的滞后现象。如果只要电流控制回路而没有转速控制回路行不行呢？显然是不行的，因为电流控制回路只能保持电流的恒定，而不能保持转速的恒定，只有电流控制回路是不能实现转速控制的。必须两种控制回路同时采用，才能起到互相补充、相辅相成的作用。现在的问题是，这两个控制回路如何构成？转速要求恒定，所以转速给定应为恒值。对电流的要求却不是恒定的，在启动和制动时，为使电动机尽快升速和减速，希望电动机保持正的或负的最大值；当负载改变时，为使转速保持恒定，也希望电流做相应的改变。所以电流控制回路的给定值应能适应转速的要求，其大小和变化应根据转速来决定。为使系统不致过于复杂，尽量不增加新的随转速而变化的电流给定装置，这时我们把转速调节器的输出作为电流控制回路的给定就可以完成上述要求。从结构上看，是把电流控制回路串联在速度回路里了，所以这种控制系统叫作串级控制系统。在直流电动机调速系统中，转速控制回路是主回路，电流控制回路是副回路，相应地，我们把主回路的调节器叫作主调节器，副回路的调节器叫作副调节器。

由于串级控制系统由主、副两个控制回路构成，利用具有快速作用的随动副回路将加在被控对象的干扰在没有影响被控量以前就加以克服，剩余的影响或副回路无法克服的干扰由主回路克服。因此，串级控制系统适用于对象有滞后、惯性较大、干扰作用较强和频繁的系统，例如化工或热工方面的精馏塔塔釜温度与流量串级控制系统，加热炉出口温度或燃料流量与压力或气体比值的串级控制系统等等。

在拟定串级控制方案时应考虑以下几点：

（1）控制回路应包括主要干扰和尽量多的干扰因素在内，以便减小它们对被控量的影响，提高系统的抗干扰能力。

（2）使副控制回路包括系统广义对象的滞后和惯性较小的部分，以减小滞后影响和提高副回路的快速性，这样包括在副回路的干扰对被控量的影响较小。

（3）使主、副回路对象的时间常数适当匹配，一般使之比为3～10。

（4）副回路的选择应考虑在工艺上的合理性，以及实现上的可能性与经济性。副回路的被控量（副变量）应为决定被控量（主变量）的主要因素。

（5）因副变量的给定值需要自动校正而采用串级控制时，被控量和主回路应能及时反映操作条件的变化。副回路应保证副变量快速而准确地跟踪主调节器的输出。

4．比值系统

比值系统是使系统中一个或多个变量按给定的比例自动跟随另一个或多个变量的变化而变化的控制系统。比如异步电动机的变频调速系统，要使定子电压与频率成比例地改变，而在低频（低速）时，由于定子电阻压降所占整个阻抗压降的比例增大，如果仍按比例变化，则转矩降低，甚至使电动机无法工作。因此电压与频率必须按一定的函数关系进行变化，这一关系叫作比值系统的控制规律。可见，比值系统的控制规律不一定就是线性比例关系，它可能是一个任意函数关系。这一函数关系是由工艺情况决定的。当然也有只要求按一定比例进行控制的，例如加热炉中煤气和空气进入量必须保持一定的比例才能保证理想的燃烧情况。

事实上，比值系统可以看作是更普遍的所谓指标控制系统的一种特例。有时一些工艺过程采用直接可测变量作为控制变量时并不能达到生产上的要求，或者能作为控制变量的量无法测量，这时必须测量一些间接变量再经过一定计算而得到所需要的变量。例如电弧炼钢炉中的功率控制，通过测出电流和电压，经乘法计算就可以得到功率，化工或热工生产控制过程中的热焓控制也是这类指标控制的例子。

这类系统与一般系统的主要区别在于系统中必须有一个完成比值或指标计算的计算元件。

5．复合系统

以上几种都是根据反馈原理组成的控制系统。按反馈原理组成的系统，只有在干扰引起被控量出现偏差以后才能对系统进行控制，也就是当干扰引起“恶果”以后，才来采取纠正的措施，比较被动。由于干扰总是引起被控量变化，如果我们直接测量干扰，抢先一步，在事前就把干扰通过一个补偿环节再作用于被控对象，使它产生的作用正好和干扰直接作用在被控对象时产生的作用相反，两者抵消，自然就可以消除干扰的不利影响，因此，把这种方法称为前馈或正馈控制。显然，只有正馈也不能构成理想的系统，往往在采用正馈的同时还采用反馈，这样就组成了既有正馈又有反馈的复合控制系统。