控制系统实例分析

1.温度控制系统

图1-1所示为由人工控制的恒温箱（一种人工控制系统），其控制过程如下：人通过测量元件（温度计）观察出恒温箱的温度，与所希望的温度值进行比较，得到实际温度与希望温度的偏差的大小与方向，据此来调节调压器，进行箱温的控制。例如：当箱温低于希望温度时，向右旋转调压器的触头，增加电阻丝的电流，使箱温上升到希望温度。反之，当箱温高于希望温度时，向左旋转调压器的触头，以减少电阻丝的电流，使箱温下降到希望温度。这种控制称为人工定值控制。

图1-1　由人工控制的恒温箱

人在这种控制中的作用是观测、求偏差及纠正偏差。将以上人工的作用用一个自动控制器来代替，于是一个人工调节系统就变成一个自动控制系统。图1-2所示为恒温箱自动控制系统。在这个系统中，图1-1中的温度计由热电偶代替，并增加了指令电位器、电动机及减速器等装置。设温度给定值对应的电压为V1，热电偶测量出的电压信号为V2，测量值V2经反馈后与V1进行比较。当外界干扰引起箱内温度变化时，产生了温度的偏差信号ΔV=V1-V2。ΔV经电压及功率放大后，控制电动机的旋转速度及方向，又经传动机构及减速器使调压器的触头移动，使电阻丝的电流增加或减小，直至箱内温度达到给定值为止。这时偏差信号ΔV=0，电机停止转动，完成控制任务。这样箱内温度经自动调节，始终保持在给定值上。

图1-2　恒温箱自动控制系统

将以上人工控制系统与自动控制系统对比，可以看出：

（1）测量，前者靠操纵者的眼睛，后者由热电偶来测量；

（2）比较，前者靠操纵者的大脑，后者靠比较电路；

（3）执行，前者靠操纵者的手，后者由电动机等完成执行功能。

为了便于对一个自动控制系统进行分析，以及了解其各个组成部分的作用，经常把这个自动控制系统画成方框图的形式。

恒温箱自动控制系统方框图，如图1-3所示。图中方框表示系统的各个组成部分；直线箭头代表信号作用的方向；在其上的标注表示对方框的输入及输出物理量；⊗代表比较元件。热电偶是置于反馈通道中的检测装置。由图1-3可以明显地看出系统是有反馈的。反馈就是指将输出量的全部或部分通过检测装置返回输入端，并与输入量相比较，比较的结果称为偏差。

(www.xing528.com)

图1-3　恒温箱自动控制系统方框图

由图1-3还可以清楚地看出，系统的输入量就是给定的电压信号，系统的输出量（即被调节量）就是被控物理量-温度。控制系统是按偏差的大小与方向来工作的，最后使偏差减小或消除，从而使输出量随输入量的变化而变化。

一般在自动控制系统中，偏差是基于反馈建立起来的。自动控制的过程实质上就是按偏差进行控制的过程，这一原理又称为反馈控制原理。利用此原理组成的系统称为反馈控制系统，即为控制论的中心思想。

控制论的创始人维纳（N.Wiener）指出：“一切有目的的行为，都可以看作是需要负反馈的行为，通过行为把反馈和目的联系起来，实质上找到了机器模拟人的动作的机制”。

2.速度调节系统

图1-4所示为离心式调速机构示意图，图1-5为其原理图，图1-6为其系统方框图。调速器广泛用于水轮机、汽轮机和内燃机，作用是使这些工作机器保持转速恒定。

图1-4　离心式调速机构示意图

图1-5　离心式调速机构原理图

图1-6　离心式调速机构系统方框图

当发动机转动时，通过圆锥齿轮带动一对飞球做水平旋转。飞球通过铰接杆可带动套筒上下滑动，套筒内装有平衡弹簧，套筒上下滑动时可拨动连杆，通过连杆调节燃料阀的开度。在发动机正常运行时，飞球旋转所产生的离心力与弹簧的反弹力相平衡，套筒保持某个高度，使阀门处于一个平衡位置。如果由于扰动，使发动机转速ω下降，则飞球因离心力减小而使套筒向下滑动，引起动力活塞向上运动，增大了燃料阀的开度，从而使发动机的转速回升。同理，如果发动机的转速ω增加，则飞球因离心力增加而使套筒向上滑动，引起动力活塞向下运动，减小了燃料阀的开度，迫使蒸汽机转速减慢，直至达到希望的转速为止。