控制系统教程

控制系统是由各种组件互连而成的系统，旨在控制和调节大型系统或过程的行为，以产生期望的输出。因此，控制系统的主要目标是调整过程的输入，以便获得期望的输出。

本篇关于控制系统的综合教程旨在概述控制系统基本概念。本教程采用初学者友好的写作风格，旨在帮助您建立坚实的控制系统工程基础。

控制系统简介

控制系统是现代工业过程的关键组成部分。它用于实时做出决策，以确保大型机械和复杂过程的无缝运行。控制系统在确保操作和过程安全、平稳、高效方面发挥着非常重要的作用，符合标准和法规。

如今，控制系统已成为各种行业的组成部分，例如商品制造设施、能源行业、化工行业、食品行业、纺织行业、交通控制、采矿业等等。在所有这些行业和过程中，控制系统完全负责优化性能、提高产品质量、维护安全和合规性。

为什么控制系统在工业中如此重要？

在工业设施中，效率、精度和安全是最重要的考虑因素。控制系统可以控制所有这些参数，并决定过程和系统的运行方式，以确保最大效率、精度和安全，并获得高质量的输出。

控制系统是工业装置中必不可少的组成部分，它使操作平稳、防止错误并提高效率。

控制系统的类型

控制系统大致分为以下两种类型：

• 开环控制系统
• 闭环控制系统

开环控制系统是指没有从输出到输入的反馈路径的系统。因此，开环控制系统的输出在某一时间点仅取决于该时间点施加的输入。

另一方面，闭环控制系统是指具有从输出到输入的连续反馈路径的系统。因此，这种控制系统是动态的和自适应的，并且它提供更精确的输出。由于存在反馈路径，因此闭环控制系统的输出取决于施加的输入以及过去的输出。

控制系统的硬件和软件组件

控制系统基本上是各种硬件和软件组件的组合。典型控制系统的常见硬件和软件组件如下：

• 可编程逻辑控制器 (PLC) - PLC 是控制系统最基本的组件。它们是可编程微控制器，用于自动化过程。
• PID控制器 - 比例-积分-微分控制器是用于精细控制过程的设备。这些设备用于控制系统中以最大限度地减少输出误差并保持系统平稳运行。
• APC系统 - APC（高级过程控制）系统是使用预测算法实时优化系统性能的设备。
• 监控控制和数据采集 (SCADA) - 控制系统的这一组件提供了人机接口。它允许操作员从远程位置控制过程，并提供用于性能优化的数据和见解。

控制系统术语

以下是与控制系统相关的一些非常常见和重要的术语：

1）反馈

反馈是闭环控制系统的一个重要组成部分，它将输出连接到输入以实现稳定性和性能优化。

2）数学模型

数学模型是使用数学概念和语言开发的控制系统的抽象描述。它们对于设计和分析控制系统非常重要。

3）方框图和信号流图

方框图是图形化地显示控制系统不同组件互连的示意图。信号流图是控制系统代数方程的图形表示。

4）时域响应分析

时域响应分析用于分析和理解控制系统随时间的变化行为。

5）稳定性分析

稳定性分析是控制系统工程中的另一个基本概念。此工具用于确定系统在不同运行条件下的稳定性。

6）根轨迹和频率响应分析

根轨迹是一种图形工具，用于确定闭环控制系统的根如何随着某些系统参数（例如反馈环路中的增益）的变化而变化。频率响应分析是在频域中分析控制系统性能的工具。

7）补偿器和控制器

补偿器是控制系统的重要组成部分，用于改善系统对输入的响应。而控制器是根据施加的输入和反馈信号来调节控制系统行为的设备。

8）状态空间模型和分析

状态空间模型和分析是用于设计和分析控制系统的高级技术之一。状态空间模型是控制系统的数学表示，它由输入、输出、状态变量和微分方程组成。

谁应该学习控制系统？

本控制系统教程主要面向在电气、电子、控制工程、自动化和工业工程领域工作的学生和专业人士。

本教程以初学者友好的风格解释了控制系统的所有基本概念，使其适合绝对初学者。但是，它也可以作为实践控制工程师的参考。

学习控制系统的先决条件是什么？

本教程旨在为绝对初学者解释控制系统工程的基本概念。但是，为了充分受益于本教程，您应该掌握诸如数学、基础电气和电子工程、线性代数、力学、信号与系统和拉普拉斯变换等基本学科。

关于控制系统的常见问题解答

在本节中，我们收集了一套关于控制系统的常见问题及其答案：

1. 什么是控制系统？

控制系统可以定义为一个相互连接的组件或设备组，可以根据命令控制和调节其他系统或过程的行为。

典型的控制系统由各种传感器、控制器和其他自动化设备组成。控制系统的主要功能是监控输出并对输入进行必要的更改以产生期望的输出。

2. 控制系统用于何处？

控制系统是现代工业的组成部分。它们广泛用于以下应用：

• 在制造业中用于过程控制和自动化。
• 在汽车中用于巡航控制、自动驾驶、自动刹车等。
• 在家用自动化中，例如空调、冰箱、房间加热器、安全系统等。
• 在医疗设备中，例如呼吸机等。
• 在电力行业中用于能源生产和分配自动化等。

3. 控制系统的四个基本要素是什么？

典型的控制系统包含以下四个基本元件：输入信号、被控过程或系统、处理输入信号并调节过程的控制器以及与所施加输入对应的输出。

4. 控制系统是如何工作的？

下面解释了典型控制系统的逐步工作原理：

步骤 1 - 应用输入信号。

步骤 2 - 测量过程的当前状态或系统的输出。

步骤 3 - 将测得的状态或输出与参考值进行比较。

步骤 4 - 计算参考值与实际输出值之间的误差或差值。

步骤 5 - 控制器根据误差调整过程或系统的输出。

步骤 6 - 反馈新的输出以再次重复上述过程。

5. 最常见的控制系统是什么？

闭环控制系统是各种行业中最常用的控制系统类型。这种控制系统之所以受欢迎，是因为它能够自动校正错误。

6. 控制系统有多重要？

由于以下关键原因，控制系统在工业设施中非常重要：

• 它们有助于减少误差并最大限度地减少人工干预。
• 它们提高了输出质量并保持其一致性。
• 它们减少了能源浪费并节约了能源。
• 它们通过引入自动化等措施来提高安全性。

7. 什么是简单的控制系统？

冰箱就是一个非常简单的控制系统示例。它有一个温控器来测量冰箱内的温度，并向控制算法提供反馈。

消费者在温控器上设置所需的温度作为输入值。如果冰箱内的温度超过设定值，控制机制将关闭冷却过程。

8. 梅森增益环的公式是什么？

梅森增益环公式 用于计算控制系统的增益以确定其传递函数。其公式为：

$$T=\frac{\sum_{i=1}^N P_{i}\Delta_{i}}{\Delta}$$

其中：

• T 为传递函数；
• P_i 为第 i 个前向路径的前向路径增益；
• Δ_i = 1 – [所有不与第 i 个前向路径相接触的环路增益之和]；

Δ 为图的行列式，其计算公式如下：

Δ = 1 – [所有单个环路增益之和] + [所有可能的两个不相接触环路增益乘积之和] – [所有可能的三个不相接触环路增益乘积之和] + …

9. 什么是控制系统工程？

控制系统工程是一个多学科的工程分支，它处理在机械、电气、电子、通信等各个行业中控制系统的设计、分析和应用的研究。