葉敬敏

（廣東嘉元科技股份有限公司，廣東梅州 514749）

1 概述

“自動(dòng)控制”又稱為“自動(dòng)化”、“工業(yè)自動(dòng)化”等。自動(dòng)控制，顧名思義，指的是在整個(gè)生產(chǎn)中擺脫開人為的控制、操作，而僅僅依靠生產(chǎn)運(yùn)行前在計(jì)算機(jī)中編制的一系列控制程序進(jìn)行控制，并根據(jù)計(jì)算機(jī)指令最終實(shí)現(xiàn)全自動(dòng)、流程化生產(chǎn)的一種運(yùn)作方式[1]。由于自動(dòng)化的生產(chǎn)很大程度上脫離了人工操作的限制，大大提高了產(chǎn)業(yè)效率。

2 自動(dòng)控制基本原理與組成

2.1 自動(dòng)控制系統(tǒng)的組成

簡(jiǎn)單控制系統(tǒng)是由被控對(duì)象、一個(gè)測(cè)量元件及變送器、一個(gè)控制器和一個(gè)執(zhí)行器所組成的單回路負(fù)反饋控制系統(tǒng)[2]。它是最基本、最常見、應(yīng)用最為廣泛的控制系統(tǒng)，約占控制回路的80%以上。

例如一個(gè)液位自動(dòng)調(diào)節(jié)系統(tǒng)，以圖1所示。

一個(gè)液體儲(chǔ)罐（A）作為被控對(duì)象，一個(gè)液位變送器（LT）、一個(gè)液位控制器(LC)和一個(gè)執(zhí)行器(V)組成一個(gè)簡(jiǎn)單的控制系統(tǒng)，它通過(guò)執(zhí)行器的開度變化調(diào)節(jié)輸出量，從而實(shí)現(xiàn)儲(chǔ)罐液面穩(wěn)定保持在一定的范圍內(nèi)。

圖1 電解液液位控制圖

又如一個(gè)蒸汽加熱器作為被控對(duì)象（A），一個(gè)溫度變送器（TT）、一個(gè)溫度控制器（TC）和一個(gè)蒸汽流量控制閥作為執(zhí)行器(V)組成一個(gè)蒸汽加熱器溫度自動(dòng)控制系統(tǒng)，如圖2所示。

再如一個(gè)流量自動(dòng)控制系統(tǒng)，如圖3所示。管理系統(tǒng)（A）作為被控對(duì)象，一個(gè)流量計(jì)（FT）、一個(gè)流量控制器(FC)和一個(gè)流量控制閥作為執(zhí)行器。

圖2 電鍋爐加熱控制圖

圖3 電解液流量控制圖

2.2 影響自動(dòng)控制系統(tǒng)的因素

（1）信號(hào)的測(cè)量問(wèn)題。流程工業(yè)生產(chǎn)過(guò)程的物料與能量流基本上在密閉的容器和工藝管線中傳遞，進(jìn)行傳熱傳質(zhì)或進(jìn)行化學(xué)反應(yīng)。這些物料大部分具有易燃、易爆、腐蝕和毒性等特點(diǎn)。工業(yè)生產(chǎn)過(guò)程的變量很難實(shí)現(xiàn)在線測(cè)量，有些雖然可以測(cè)量但不精確，特別是物料的組分以及有關(guān)產(chǎn)品質(zhì)量的一些參數(shù)，只能通過(guò)取樣送達(dá)實(shí)驗(yàn)室化驗(yàn)分析才能獲得，對(duì)于負(fù)反饋控制系統(tǒng)而言，它完全依賴于工業(yè)生產(chǎn)過(guò)程信號(hào)測(cè)量的準(zhǔn)確性。

（2）執(zhí)行器特性。作為一個(gè)自動(dòng)控制系統(tǒng)，由測(cè)量環(huán)節(jié)、控制器、被控過(guò)程和執(zhí)行器四個(gè)部分組成，執(zhí)行器的靜態(tài)和動(dòng)態(tài)特性，直接影響控制系統(tǒng)的品質(zhì)指標(biāo)。

（3）被控過(guò)程的滯后特性。被控過(guò)程或被控對(duì)象存在各種純滯后或稱時(shí)滯。一個(gè)控制系統(tǒng)的輸出作用希望能盡快在被控變量中反映出來(lái)，然而由于純滯后的存在，其動(dòng)態(tài)響應(yīng)不及時(shí)，影響控制品質(zhì)。

（4）被控對(duì)象的時(shí)間常數(shù)不一樣。如流量控制的被控對(duì)象時(shí)間常數(shù)小，而加熱或冷卻過(guò)程則時(shí)間常數(shù)大，時(shí)間常數(shù)的大小將會(huì)直接影響自動(dòng)控制的品質(zhì)。

（5）非線性特性。工業(yè)生產(chǎn)過(guò)程一般都具有非線性的特性，這種非線性特性使得控制較正和擾動(dòng)在不同的工業(yè)區(qū)域會(huì)有不同的作用特性。

（6）本質(zhì)不穩(wěn)定性。一些化學(xué)反應(yīng)過(guò)程與生化反應(yīng)過(guò)程，在某些操作范圍內(nèi)系統(tǒng)本身是不穩(wěn)定的。如果過(guò)程進(jìn)入不穩(wěn)定的操作區(qū)域，其過(guò)程變量的變化，如化學(xué)反應(yīng)溫度與壓力，可能會(huì)以指數(shù)形式增加，在這時(shí)候系統(tǒng)可能會(huì)進(jìn)入循環(huán)振蕩而不穩(wěn)定，這時(shí)自動(dòng)控制系統(tǒng)會(huì)顯得無(wú)能為力。

3 自動(dòng)控制的分類

自動(dòng)控制系統(tǒng)的分類方法很多，可以按系統(tǒng)輸出信號(hào)對(duì)操縱變量的影響區(qū)分，也可按系統(tǒng)補(bǔ)償干擾的方法區(qū)分，還可按設(shè)定值的特點(diǎn)區(qū)分等。

3.1 按設(shè)定值的特點(diǎn)區(qū)分可以分為定值控制系統(tǒng)、隨動(dòng)控制系統(tǒng)和程序控制系統(tǒng)等。

（1）定值控制系統(tǒng)。當(dāng)設(shè)定值為不變的常數(shù)，而系統(tǒng)的輸入信號(hào)是干擾作用時(shí)，稱為定值控制系統(tǒng)。這種系統(tǒng)要求在干擾作用之下被控變量盡可能地不變。

（2）隨動(dòng)控制系統(tǒng)。當(dāng)設(shè)定值是系統(tǒng)的輸入信號(hào)時(shí)，該系統(tǒng)稱為隨動(dòng)控制系統(tǒng)。工業(yè)控制系統(tǒng)的設(shè)定值重新調(diào)整或該控制系統(tǒng)為外設(shè)定工作時(shí)，就成為隨動(dòng)控制系統(tǒng)。隨動(dòng)控制系統(tǒng)要求系統(tǒng)的被控變量應(yīng)盡可能地跟隨設(shè)定值一起變。

（3）程序控制系統(tǒng)。程序控制系統(tǒng)的設(shè)定值也是變化的，它是按事先設(shè)定的時(shí)間程序變化的。

3.2 按系統(tǒng)輸出信號(hào)對(duì)操縱變量的影響區(qū)分

（1）閉環(huán)控制系統(tǒng)。閉環(huán)控制系統(tǒng)的輸出信號(hào)的改變會(huì)返回影響操縱量，所以操縱變量不是獨(dú)立的自變量，它依賴輸出變量。閉環(huán)控制系統(tǒng)最常見的形式是負(fù)反饋控制系統(tǒng)。閉環(huán)控制系統(tǒng)最大的優(yōu)點(diǎn)在于它是按偏差進(jìn)行控制的，所以不論什么原因引起被控變量偏離設(shè)定值，只要出現(xiàn)偏差，就會(huì)產(chǎn)生控制作用，使偏差減小或消除，達(dá)到被控變量與設(shè)定值一致的目的。

（2）開環(huán)控制系統(tǒng)。開環(huán)控制系統(tǒng)的操縱變量不受系統(tǒng)輸出信號(hào)的影響。為了使控制系統(tǒng)的輸出滿足事先規(guī)定的要求，必須周密而精確地計(jì)算操縱變量的變化規(guī)律。一個(gè)閉環(huán)控制系統(tǒng)，當(dāng)反饋回路斷開或控制器置于“手動(dòng)操作”位置時(shí)，就成為開環(huán)控制系統(tǒng)。

3.3 按系統(tǒng)補(bǔ)償干擾的方法區(qū)分

（1）反饋控制系統(tǒng)。當(dāng)干擾系使系統(tǒng)的被控變量發(fā)生改變時(shí)，被控變量反饋至輸入端，與設(shè)定值相比較，并得出偏差信號(hào)，經(jīng)控制器和執(zhí)行器影響操縱變量，以補(bǔ)償和減弱被控變量的變化。這種反饋?zhàn)饔萌羰馆敵鰷p弱則稱負(fù)反饋，反之若使輸出增強(qiáng)則稱正反饋。工業(yè)生產(chǎn)過(guò)程控制一般都是負(fù)反饋系統(tǒng)。

（2）前饋控制系統(tǒng)。當(dāng)擾動(dòng)發(fā)生時(shí)，控制系統(tǒng)測(cè)得擾動(dòng)信號(hào)，并輸入前饋補(bǔ)償環(huán)節(jié)，由前饋補(bǔ)償環(huán)節(jié)的輸出去控制操縱變量，以達(dá)到補(bǔ)償和減弱被控變量變化的目的。

（3）前饋-反饋控制系統(tǒng)。當(dāng)反饋控制系統(tǒng)和前饋控制系統(tǒng)復(fù)合在一起時(shí)，就構(gòu)成了前饋-反饋控制系統(tǒng)。這種控制系統(tǒng)的優(yōu)點(diǎn)在于當(dāng)擾動(dòng)產(chǎn)生時(shí)通過(guò)前饋控制系統(tǒng)使被控變量不變，若前饋補(bǔ)償不完全，還可以通過(guò)反饋控制系統(tǒng)加以修正。當(dāng)控制系統(tǒng)受其他擾動(dòng)影響或系統(tǒng)設(shè)定值改變時(shí)，則由反饋控制系統(tǒng)加以控制。

4 結(jié)束語(yǔ)

在迅速變化的全球環(huán)境中，過(guò)程制造企業(yè)和公司面臨激烈的市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)與挑戰(zhàn)。為了使企業(yè)能在競(jìng)爭(zhēng)中取得成功，必須做好節(jié)能減排與安全生產(chǎn)、努力降低產(chǎn)品制造成本、延長(zhǎng)設(shè)備使用壽命，更好地為客戶提供服務(wù)等工作[3]。大量實(shí)踐結(jié)果表明，采用工業(yè)過(guò)程自動(dòng)化技術(shù)對(duì)于提高企業(yè)的效益和性能更為有效。本文通過(guò)通俗易懂的文字，將自動(dòng)控制的有關(guān)組成、工作原理以及分類等進(jìn)行了闡述，希望能夠得到廣大科技人員的共鳴，共同推動(dòng)和提高我國(guó)工業(yè)自動(dòng)化發(fā)展。

［1］李建偉.工業(yè)電氣自動(dòng)化的重要性和發(fā)展趨勢(shì)［J］.科技，2013（07）：57-59.

［2］陳優(yōu)昌.簡(jiǎn)述機(jī)械制造與自動(dòng)化應(yīng)用［J］.商品與質(zhì)量建筑與發(fā)展，2013（07）：22-23.

［3］于淼.淺析電氣自動(dòng)化的發(fā)展［J］.科技信息，2011（02）：88-90.