多伦多大学机械工程课程辅导——控制系统原理

控制系统是由集成元素组成的系统，其功能是维持过程变量在期望值或期望值范围内。控制系统监视一个或多个过程变量，然后采取一些措施来保持期望的系统参数。一个实际应用的好例子是通过使用恒温器监控房屋温度的中央供暖装置。当房屋温度降到预设值时，炉子会打开提供热源。房屋温度升高直到恒温器上的开关导致炉子关闭。

一、控制系统输入输出

控制系统输入是从外部源施加到控制系统的刺激，以产生控制系统的指定响应。在上述讨论的中央供暖装置示例中，控制系统输入是由恒温器监控的房屋温度。

控制系统输出是从控制系统获得的实际响应。在上述中央供暖装置示例中，恒温器上的温度降到预设值会导致炉子打开，提供热量以提高房屋温度。控制系统根据负责激活控制系统以产生输出的数量进行分类。两个一般分类是开环和闭环控制系统。

二、开环控制系统

开环控制系统是控制行为与输出无关的系统。化工应用中的一个开环控制系统示例是带有可变速控制的化学添加泵。维持系统化学正确性的化学品投加速率由操作员确定，操作员不是系统的一部分，泵不能在没有操作员行动的情况下通过调整其投加速率(速度)做出响应。

三、闭环控制系统

一个闭环控制系统是指其控制动作取决于输出的系统。反馈是闭环控制系统中有关过程变量状态的信息。该变量与期望的状态进行比较，以在过程上产生适当的控制动作。这些信息不断地通过反馈传递给控制电路，响应于控制动作。

闭环控制系统的典型例子是储罐中的液位控制，如下所示：该控制系统通过持续感知储罐中的液位并调整供水阀来增加或减少水量，以维持水位。所需水位由不属于控制系统的操作员预设。由液位传感器感知的实际储罐液位是液位控制器的反馈。将此反馈与期望的水位进行比较，以产生所需的控制动作，从而将液位控制调整到维持期望水位所需的位置。

四、自动控制系统

自动控制系统是一种预设的闭环控制系统，无需操作员操作。这假设过程保持在控制系统的正常范围内。自动控制有两个与之相关的过程变量：被控变量和操纵变量。

五、被控变量与操纵变量

被控变量是在指定值或指定范围内维持的过程变量，例如上述示例中的储罐液位。

操纵变量是被控制系统作用于其上，以维持被控变量在指定值或指定范围内的过程变量。在前面讨论的例子中，供水到储罐的流速就是操纵变量。

六、自动控制功能

自动控制具有四个基本功能，即：测量、比较、计算、修正。

在上述水箱水位控制系统中，水位传感器测量水箱内的水位。水位传感器将代表水箱水位的信号发送到水位控制设备，该设备将其与期望的水箱水位进行比较，然后计算需要打开供水阀的程度，以纠正实际水位与期望水位之间的差异。

七、自动控制系统的功能元素

执行自动控制系统功能所需的三个功能元件是：测量元素、误差检测元素、最终控制元素。

测量元素通过感知和评估受控变量来执行测量功能。误差检测元素首先将受控变量的值与期望值进行比较，然后在实际值与期望值之间存在偏差时发出错误信号。最终控制元素通过校正过程的操纵变量来响应错误信号。

自动控制器是一种对误差敏感的自调节设备。它从过程中获取信号并将其反馈到过程中。因此，闭环控制被称为反馈控制。

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