1.3 控制系统

1.3.1 控制系统的结构

在工业领域对产品的制造或生产过程，通常涉及设备或系统的控制及自动调整。根据被控对象不同，控制系统可分为过程控制系统和运动控制系统，本书以过程控制系统为核心进行分析。过程控制系统是指对一个或多个变量进行分析处理或控制的系统。其典型应用领域有石油化工生产、食品加工、车辆装配、电力生产和机械制造业等。通常过程控制系统中的变量包括温度、湿度、速度、压力、流速、位置、流量和液位等。根据被控系统的复杂程度，过程控制系统可以采用多种控制方法和控制工具。其中，PLC因其可靠的数学运算和处理模拟量功能，而被广泛地应用于工业过程控制领域。通过PLC等控制器中的用户程序，可以实现对生产过程和机器设备的实时监控和远程操作。过程控制系统主要由传感器、信号调理、控制器、执行元件和人机界面（Human Machine Interface, HMI）组成，如图1-2所示。

1．传感器

传感器从生产过程的内部或外部环境提取输入信号，如将压力、温度、湿度、流速和位置等物理信号转换为可处理或传输的电信号；该电信号可以反映物理信号的变化特征，用来监视或重新输入控制系统进行控制。

2．信号调理

信号调理的作用是将传感器检测的电信号转换为可以使用的形式，或将控制系统中上一级的输出信号转换为下一级可接收的信号。当传感器输出的信号比较微弱时，需要对信号进行放大、滤波等操作。当传感器输出的是模拟信号，而下一级设备只能接收数字信号时，还需要在中间进行模拟信号——数字信号的转换等。对信号进行调理的方法一般有放大、衰减、过滤、定标、模——数（A-D）转换和数——模（D-A）转换等。

3．控制器

控制器的输入为各传感器检测的信号或设定值，控制器根据系统输入信号按照内部用户程序的逻辑分析做出决策，产生输出信号，来控制执行元件的运行。控制器是控制系统的核心部件，是连接输入设备和输出设备的重要纽带。

4．执行元件

执行元件通常有流量控制阀、泵、位置驱动器、变速驱动器、离合器、制动器、步进电动机、伺服电动机、指示灯、显示屏、仪表等。执行元件按功能可以分为以下三类：

（1）将系统输出电信号转换为电信号或物理信号的执行元件。

（2）监视过程变量状态的执行元件，如通过指示灯、显示器等设备实时显示系统运行状态的执行元件。

（3）能够把控制器的输出信号直接上传到上位机，进行数据存储和结果分析的执行元件。

5．HMI

HMI是可供用户操作的界面。其作用有允许用户设置初始状态或改变过程操作，允许用户通过各种开关、键盘和控制装置输入信号，根据提供的输入信号（如改变速度、运行模式、急停等）进行操作。

1.3.2 控制系统的性能

控制系统的性能可以从多个方面来评价，可归纳为稳定性、准确性和快速性。其中，最重要的特性是稳定性，其是控制系统最基本的特性。稳定性表明系统能够平滑地控制，没有激荡或过校正，在较长的时间内能够保持控制系统的稳定状态。准确性表示系统接近预设值的程度。预设值与实际运行时的稳定输出值的差值称为误差，它用来衡量系统的准确性。误差越小，说明控制系统的准确性越好。控制系统的理想状态是系统稳定后的输出等于预设值，即零误差，但在实际应用中零误差是不可能实现的，因为系统总会受到外界的扰动，并且系统内部的元器件也会受外部温度、时间的影响。实际应用中允许一定的误差存在，但误差越小越好。例如，在一个温度控制系统中，温度预设值为500℃，允许有±2℃的误差存在，这就意味着在实际系统中当系统的温度值在498～502℃波动时，认为系统处于稳定状态。快速性是表征系统能否对输入信号进行快速响应的特性。在复杂的系统中，响应速度对整体系统的控制速度影响很大，因此快速性是控制系统的另外一个重要特性。但是，响应速度并非越快越好，响应速度越快，系统的稳定性和准确性会受到影响。控制系统的三个特性之间相互关联、相互影响、相互制约，需要选择最优的参数，使系统的整体性能达到最优。

1.3.3 开环控制系统与闭环控制系统

控制系统可分为开环控制系统和闭环控制系统。开环控制系统将期望达到的设定值输入控制器，控制器控制系统进行理想控制，并通过输出执行元件接收控制器的输出结果。开环控制系统框图如图1-3所示。很明显开环控制系统无法了解实际控制效果，也不会对控制过程进行任何调整，其控制存在单向性和盲目性。

虽然开环控制系统存在不确定的因素，输出结果不可调整，控制精度较低，但开环控制系统的复杂程度和成本都较低，因此，在许多工业自动化应用场合仍然应用开环控制系统。例如，在低速度、小功率的条件下，PLC通常以开环控制方式驱动步进电动机实现位置的移动。步进电动机作为执行元件，可以将电信号转换成角位移或线位移。步进电动机的线圈连接在控制器的输出端，通电的线圈产生磁场，从而带动步进电动机的转子产生旋转。控制器按照程序指令发送信号（即脉冲序列）给步进电动机，步进电动机接收控制器发出的脉冲序列，进行对应步数的连续步进运动。该控制系统中没有检测步进电动机是否按照程序指令进行相应运动，但默认步进电动机受步进脉冲顺序驱动且能够正确地旋转。

典型的闭环控制系统中，系统输出端的传感器不断地测量实际输出值，并反馈到系统输入端，与输入设定值相减，得到的差值作为控制系统的输入，从而决定系统的输出，因此又称为反馈控制。闭环控制系统与开环控制系统的主要区别在于过程输出是否作为反馈量传递给输入控制信号。开环控制系统中控制器的输入为设定值，而闭环控制系统中控制器的输入为设定值与实际输出值的差值。闭环控制系统中控制器对输出进行连续调整，直到设定值与实际输出的差值保持在用户允许的范围内。闭环控制系统框图如图1-4所示。

虽然闭环控制系统结构复杂，不利于系统调整或校正，但是它的输出能够得到实时监控，并使产生的输出更加精确，在高精度的控制系统中被广泛应用。闭环控制系统各组成部分的定义如表1-2所示。

药片自动装瓶控制系统就是一个典型的闭环控制系统，药片生产加工后，传输至自动装瓶设备的震动分粒台，使药片均匀散落在沟槽中，并沿着斜坡向下移动，药片移动到沟槽终端自由掉落至漏斗中，在药片掉落过程中通过红外传感器计数，累计达到设定药片数值时，控制器输出信号使漏斗下端的开关打开，药片全部进入药瓶，完成一次装瓶过程。在这个过程中：

（1）红外传感器检测药片数量，并传输给控制器。

（2）红外传感器反馈的累计数量与预设药片数量相减。

（3）只要输入信号与反馈信号的偏差大于零，控制器就会一直保证漏斗的闭合状态。

（4）当偏差变为零时，控制器输出信号打开漏斗。

1.3.4 PID控制

控制器的控制类型一般可以分为开/关控制、比例（Proportion, P）控制、积分（Integral, I）控制、微分（Derivative, D）控制、比例积分（Proportion Integral, PI）控制、比例微分（Proportion Derivative, PD）控制、比例积分微分（Proportion Integral Derivative, PID）控制等。下面主要介绍开/关控制、比例控制、比例积分控制、比例微分控制和比例积分微分控制。

1．开/关控制

开/关控制只有两种输出状态：开或关，因此也称为通/断控制或继电器控制。当被测量大于设定值时，控制器输出开（或关）；当被测量小于设定值时，控制器输出关（或开）。因此，开/关控制的执行元件不是接通就是断开，没有第三种状态存在。

在最简单的温度控制系统中，就是利用对制热模块的开/关控制进行温度调节。如果温度低于设定值，制热模块被打开，温度逐渐升高；如果温度高于设定值，制热模块被关闭，温度受外界环境影响逐渐降低。系统运行过程中，控制器通过控制制热模块的开和关实现恒定温度的调控。

从图1-5可知，当温度高于设定值时，输出断开；当温度低于设定值时，输出接通。开/关控制模式简单，但是输出变量在设定值附近以一定幅值和频率振荡，在设定值出现超调和反复的时候，对于某些系统是不利的。输出的幅值和频率大小由系统的控制能力和响应时间决定。振荡是开/关控制器的典型特征。通过增加控制器的灵敏度，可以降低振荡的幅值，但同时会使控制器接通和关断的频率变高，对控制元件不利。

当微小的波动引起控制器对位置进行微小的调整时，控制器就会产生振荡。一般为了减弱开/关控制系统的振荡，通常在设定值附近设置一个死区。控制器的死区是可以选择的，一般确定死区后再确定设定值的偏差范围。过程被控变量如果一直处于死区范围，则控制器将不产生输出。死区的引入避免了控制设备在设定值附近产生不规则的振荡。根据开/关控制的特点，开/关控制器通常应用在控制精度要求不高、设备开/关频率不高、被控变量改变较缓慢的大滞后系统和报警系统等场合。

2．比例控制

比例控制器的输出u(t)与偏差e(t)成比例关系，偏差e(t)是测量值与设定值的差值，对应关系如式（1-1）所示。比例系数将偏差放大，从而提高系统的响应速度。

式中KP—比例系数。

比例控制也是一种简单的控制方法，选择合适的比例参数可以大大减弱开/关控制的反复和不规则振荡，末级控制元件可以处于全通和全关之间的任何位置，从而达到相较于开/关控制更为精确的控制目的。

比例控制阀是一种电动机驱动模拟量类型的执行元件。一般情况下，比例控制阀的执行元件从控制器的输出端接收4～20mA的电流输入信号，经过驱动装置，驱动阀门做线性移动，控制阀门定位在某个开度。

4～20mA的电流信号和0～5V的电压信号是在工业自动化控制环境下常用的控制信号，与电压信号相比，电流信号不容易受连接线路的阻抗变化和来自其他信号的噪声干扰的影响，因此远距离传输的模拟量信号常常采用电流信号进行控制。传输电流信号通常使用双绞线来降低来自电动机、变压器等磁场共模干扰的影响。4mA信号对应于阀门开度的最小值（通常是0）,20mA信号对应于阀门开度的最大值（满量程）。在最小值与最大值之间的任意值与输入的4～20mA之间的电流信号是成比例关系的，如表1-3所示。图1-6所示为比例控制阀的结构。

在利用比例控制调节液位高度的实例中，控制器的输出通过调整阀门开度控制流入存储槽的液体体积。起始时，存储槽的液位为0，与设定值50mm之间偏差最大，阀门起始开度是100%（全开），随着液体流入，液位逐渐升高，越来越接近高度的设定值，控制器输出按照不同的比例进行阀门开度调节，使液位快速到达且稳定在设定值，如图1-7所示。

比例控制可以用比例脉宽调制技术实现，即短暂间歇性地接通和关断末级控制元件，通过改变接通时间和关断时间的比例来输出需要的数值。例如，在通过比例脉宽调制技术控制温度的实例中，利用比例脉宽调制技术控制加热器的接通时间t1和关断时间t2，从而达到不同的输出功率。若系统需要控制温度在（300± 20）℃，控制时长为20s，则加热系统比例脉宽控制区域的详细数据如表1-4所示。

在比例脉宽调整控制区域以内，输出接通和关断的比例根据测量值与设定值的偏差决定，如图1-8所示。在设定值（比例控制区域的中心点，如300℃）处，输出接通时间与关断时间的比例是1:1，即接通时间与关断时间相等。如果实际温度值与设定值存在偏差，则输出接通时间和关断时间与温度偏差是成比例的。如果温度低于比例控制区域下限，则输出保持常开；如果温度高于比例控制区域上限，则输出保持常闭。

从理论上来讲，比例控制能满足过程控制的所有需要。系统输出产生的任何变化，控制器的输出都会做出适当的改变对其进行调整。然而，比例控制器会导致系统最终的稳态值与设定值之间存在一个过程偏差，称为稳态误差。这个误差是比例控制无法消除的，如图1-9所示。

3．比例积分控制

积分作用又称为无静差调节，反映偏差信号的大小和持续时间，因此积分控制器的输出是偏差的数学积分。当过程变量值与设定值不相等时，产生了偏差信号。积分控制器可以实现对误差的累计，因此只要存在偏差，即使偏差很微小，也能引起积分控制器输出的改变，这种改变将一直持续到偏差消失。比例积分控制中偏差与输出的关系如式（1-2）所示。

式中TI—积分时间常数。

只采用比例控制的系统中，系统达到稳态时仍然存在稳态误差，这样的系统称为有差系统；积分控制系统中，积分作用能够消除稳态误差，这样的系统称为无差系统。比例积分控制结合了比例控制和积分控制的特点。系统输出的实时变化通过设定值与输出值的偏差体现，并输入控制器来控制输出达到设定值。比例控制将使偏差成比例并产生相应输出；积分作用通过对偏差的累计，起到消除偏差的作用。比例积分控制模式主要用于过程变量改变不频繁或改变量较小的系统。

4．比例微分控制

比例积分控制虽然可以实现系统的快速响应，并消除稳态误差，但是比例控制在进行快速响应的情况下，容易产生较大的超调量，影响系统的动态性能。微分控制是对偏差变化率进行响应的，即对偏差的未来变化趋势进行评估，偏差改变越大，输出调节量也越大，系统的调节速度随着偏差变化率的增大而加快。微分控制在一定可选择的时间间隔内输出变化量，时间间隔通常以min为单位。由微分引起的控制器输出的改变量是通过输入改变量的微分计算出来的，这样可以增强系统的响应性能，其关系如式（1-3）所示。实际上，微分控制是通过快速转移到比例区域内，抑制偏移或偏差的产生而起作用的。

式中TD—微分时间常数。

比例微分控制用于偏差改变速度较快的过程控制系统。把微分控制加到比例控制中，控制器的输出就能响应变化量的速度及大小。

5．比例积分微分控制

比例积分微分（PID）控制器是较成熟并广泛应用于工业自动化系统的控制器。PID控制器根据系统偏差信号的大小、偏差的时间累积和变化速率，产生控制输出。PID控制是将比例控制、积分控制、微分控制并联起来的综合控制方法。其结构框图如图1-10所示。系统突加的干扰会破坏系统原有的状态，而PID控制能够迅速地将系统的偏差减为零，这是因为它有一个积分器和一个微分器，积分器能够提高控制精确性，消除稳态误差，微分器能够降低瞬时性干扰的超调。PID控制可以用来控制阀门位置、温度计、流量计等工业设备。但是，对于每一个控制系统，控制器都要进行常规调整。PID控制器需要事先设定好比例系数（KP）、积分时间常数（TI）、微分时间常数（TD）等。参数设定直接影响控制器的性能，每个控制系统因其被控对象及系统本身的特性，PID参数均有不同，这些参数都可以根据系统实际运行效果进行调整，直到适合本系统为止。

如果长期运行的工业自动化系统一直在平衡状态下运行，则控制将非常简单。但是，系统若经常发生变化，控制将变得非常复杂。在过程控制中的重要参数是时间，即任何输入变化引起输出改变所需要的时间。系统时间常数可以从几秒到几小时不等。PID控制器可以根据不同的过程时间常数做出调整，因此能及时处理系统的变化。PID控制器根据偏差值和信号的变化速率，以特定的数学方式调整控制器的输出。为了快速和准确地消除控制系统的波动，通常采用数学公式来解决。这些数学公式称为算法。对于PLC来讲，算法就是固定的一组指令，用来在一定的程序段内解决特定类型的问题。在PLC控制系统中，CPU执行这些指令，处理被发送到过程执行元件的数据。

实现PID控制的常用模拟PID公式如式（1-4）所示。

式中u (t)—控制输出；

e (t)—偏差，等于给定值减去测量值；

KP—比例系数；

TI—积分时间常数（每分钟的改变量）；

TD—微分时间常数；

bias—输出偏置值。

PID控制算法如果应用在PLC控制系统或其他控制系统中，则PLC等控制器虽然处理速度极快，但是无法处理连续的模拟信号，需要通过采样处理将连续信号离散化，离散系统的PID公式如式（1-5）所示。

式中uP(n)=KPe(n)—比例项；

PLC可以通过两种方法进行PID控制：一种方法是使用适合PLC带有PID控制功能的特殊的I/O功能模块，另一种方法是使用自带的能实现PID控制功能算法的数学函数。PID实质上是利用式（1-5）来处理数据变量。例如，PLC用于PID控制回路中，压力传感器检测压力并产生反馈，PLC的用户程序通过比较反馈值与设定值产生偏差信号；PLC中的PID程序对偏差信号按式（1-5）进行数据处理，并产生控制输出命令，进而改变出水电磁阀的位置来调整偏差。

PID控制回路通过改变比例增益、积分时间常数和微分时间常数实现调节。对PID控制回路进行测试时通常使设定值发生突变，然后观察系统的响应速度。PID控制器中参数的作用如表1-5所示。

PID控制已经发展的比较成熟，在使用中最关键的步骤是PID参数的设置和调整。参数的设置和调整包括调整增益（比例区域）、速率（微分）和过渡时间（积分），使它们的值能满足控制系统的需要。一般来说，PID控制器的调整有以下三种方式。

1）手动方式

手动方式即操作人员估计使系统达到预期响应的各参数的值；根据工程经验，不断尝试对比例、积分和微分参数进行单独校正或调整。常用的参数调整方法一般有临界比例法、反应曲线法和衰减振荡法。虽然手动方式主要依赖操作人员的工程经验，但也有一定的规律可以遵循。一般来说，手动方式的标准步骤如下：

（1）把所有的参数调到零。

（2）调节比例系数，使系统开始振荡。

（3）减小比例系数使振荡停止，再把当前比例系数减小20%或更多。

（4）增加微分项，使系统的稳定性增强。

（5）增加积分项，使其比系统达到不稳定时的积分参数再小一点。

按照上述方法得到的PID参数应该可以满足系统稳定的需求，稳态时无稳态误差或具有可接受的较小误差，对设定值变化和扰动可进行充分响应。

2）自动调整

依据系统的数学模型，进行理论计算得到PID参数。其过程如下：测量传感器检测过程变量，控制器计算偏差、误差和偏差变化率，根据PID算法计算期望输出并更新控制器的参数。但是，这种方式仍然需要在实际运行中对参数进行调整，以达到实际运行的最优效果。

3）智能化调整

这种方式在工业领域中也称为模糊逻辑控制。控制器利用人工智能方式，根据系统实际运行过程中的需要不断调整PID参数才能实现高精度的智能控制。与利用公式计算输出不同，模糊逻辑控制器利用评价规则进行PID参数的智能调整。具体过程如下：

（1）把偏差和偏差改变量“模糊化”为语言变量，如“不大于”“小于或等于”等。

（2）利用简单的“如果——那么”规则评价产生输出，输出必须经过反模糊化变为连续变量值，才能用来控制如比例阀的开度等连续变化的物理量。