自动控制方式与机理

张鑫洋 马瑛超 常馨予 刘 帅

青岛理工大学环境与市政工程学院（266033）

1 自动控制系统基础知识

1.1 自动控制系统的概念

自动控制系统是指在人不直接参与的情况下，使用一些外加的设备和装置,通过外加控制对生产工艺的参数和流程进行控制，使设备或工艺流程自动地按照设定值和运行规律进行运转；当设备受到外界影响而远离既定值时,被控量也可以按照预定要求调节到设备所允许的数值范围内[1]。

1.2 自动控制系统的分类

1.2.1 开环结构控制系统

开环控制系统是指只接收给定值，信号只通过受控对象进行输入，控制装置无反向联系的系统。包括按给定值控制和按干扰补偿控制。这种控制方式的控制原理简单、造价低、成本低；但是控制精度较低，不适用于对精度要求高的设备和生产工艺[2]。

1.2.2 闭环结构控制系统

闭环系统需要控制的是被控量，将控制系统输出量通过一定方法和装置反送回系统的输入端，测量的是被控量和给定值，将比较的结果的偏差施加于系统进行控制，避免系统偏离预定目标[3]。闭环控制系统的信号按箭头方向传递，是封闭的。闭环控制系统的控制精度高、抗干扰能力强，但造价高。

图2 闭环控制原理图

2 自动控制系统典型环节的动态特性

在分析研究自动控制系统的稳定性和过渡时期时，按照其构造和功能来分类并不适用，应根据其动态特性来进行分类。按照这个思路，构造、原理不同的元件和装置也可以通过相同的微分方程来进行描述。

2.1 比例环节

比例环节（Proportional link）也称放大环节。放大系数K用于表示输出信号和输入信号之间的比值，比例系数是比例环节的特征参数，在输入的信号相同时，放大系数K值越大，输出越大。

2.2 积分环节

积分环节（integration loop）是控制系统中一类典型的环节，输入信号做阶跃变化时，他们的输出信号将等速地一直变化到最大或最小。积分时间Ti和比例系数K为积分环节的两个特征参数，积分时间Ti越短，输出变化速度越快，积分曲线越陡。

2.3 微分环节

微分环节分为理想微分环节和实际微分环节，微分作用的输出变化与微分时间和输入信号的变化速度成比例，而与输入信号的大小无关。微分作用的输入信号变化的速度愈快，微分时间愈长，微分环节的输出信号愈大。在输入信号加入的瞬间，输出信号已经有显著变化，起到了超前反应的作用，所以微分环节又叫超前环节。

3 自动控制系统在水位控制中的应用

在水位自动控制系统中，浮子是测量元件，连杆是比较元件，电位器输出电压反映水位偏差，放大器等为执行元件。

如图3所示，图中的箭头方向表示各环节之间相互作用的因果关系，指向方框的箭头为该环节的输入信号，背离该环节的为输出信号，它是环节在输入信号作用下的变化结果。信号只能按照图中的箭头方向行进，不能逆行，否则将使环节的输入、输出关系紊乱，这是方框图的单向传递特性。

图3 水位自动控制方框图