控制系统的组成、分类和性能评价

1.控制系统的组成

一个简单的自动控制系统由4个基本部分组成：

被控制对象

传感器（变送器）

控制器

执行器（执行机构）

下面分别介绍控制系统的各个组成部分。

1）被控制对象、被控制量和操作量

被控制对象（Contolled Object） 是控制系统的工作对象。控制就是控制器对被控制对象施加一种控制作用，以达到人们所预期的目标。如一个温度需要加以控制的房间就是一个被控制对象，温度控制器根据实际室温与设定的室温之间的差，产生控制作用，增大或减小制冷量，使房间的温度达到所期望的室温。

被控制对象五花八门，从简单的的温度、湿度控制到复杂工业过程控制：从民用工业过程的控制到导弹、卫星和飞船的发射及运行控制：从技术过程到社会、经济、环境和生物过程等。但从控制的角度看，被控制对象在运动过程中所表现出来的动态行为（DynamicalBehavior） （也称对象特性）有相似之处，可以用共同形式的数学模型加以描述，这就是被控制对象的动态数学模型（Mathematical Model）。

被控制对象的数学模型是控制系统设计的主要依据，这就是为什么控制科学可以广泛地用于各种不同领域，不管是技术过程还是社会、经济和生物过程等。

建立被控制对象的动态数学模型，实际上就是要找出被控制对象的输出与输入之间的动态关系，即输入与输出之间的因果关系。建立被控制对象的动态数学模型的方法很多，依据不同的分类方法，可分为：

机理的方法（Mechanism Based）;依据被控制对象内在的机理，运用各种物理、化学、社会和经济规律建立模型的方法：

辩识方法（IenficaTIon）：不管内在的机理如何，仅依据动态过程中被控制对象的输出和输入数据，经过一定的数据处理，并采用特定的算法建立数学模型的方法。这种方法又称‘黑箱‘（Black Box）方法。 这种方法的理论基础系统辩识理论已经成为控制理论的一个重要分支。

由于实际被控制对象的复杂性，如：非线性、时变性、分布参数、系统内部相互耦合等，以及各种干扰的存在，获得各种不同被控制对象的动态数学模型是一件复杂而繁重的任务，是控制工作者的重要研究课题。

对具体的控制要求用被控制量（Contolled Vanable）来描述。被控制量可以是一一个， 也可以是多个。如对房间的控制要求可以只是温度，也可以是温度、湿度、气压和二氧化碳含量。为使被控制量达到预定目标所要改变的参量称为操作k（Manipulated Vanable）。 被控制量不同，所采用的操作量也不同，如通过加热或制冷来控制温度，通过加湿或干燥来控制房间的湿度等。在前述蒸汽机离心式调速器的例子中，蒸汽机是被控制对象，蒸汽机的转速是被控制量，蒸汽量是操作量。

2）传感器和变送器

传感器（Sensor） 是技术过程和生物过程的控制系统获得反馈信号所必不可少的。如果把人体看成一个被控制对象的话，控制人体去从事-切有目的活动的是许多复杂的控制系统，而人的眼睛、耳朵、鼻子、皮肤等就是传感器。

技术过程使用的传感器将各种物理量、化学量、生物量转换成易于处理和使用的弱电信号，如热电偶将温度转换成毫伏，压电晶体将压力转换成微弱电信号等。

常用的待转换量有：

热工量：温度、压力、流量、液位等;

机械量：长度、厚度、位置、速度、加速度、角度、角加速度等：电工量：电压、电流、电功率、电频率等化工量：组份、PH值、分子量、糖化率等：生物量：白血球数、红血球数等。

变送器（ Tasmitter ）不仅将热工量、机械量电工量、化工量等转换成微弱电信号，且进行必要的信号处理、工程量转换和仪表化，使之成为能适应各种工程环境和要求的仪表。变送器的核心是传感器。

研究新的传感器技术、设计出体积小、转换快、精度高、性能稳定可靠的传感器和变送器是控制和仪表工作者的重要任务之一。在现有的科学技术条件下， 仍有很多新的传感器和变送器有待去研究开发。

3）控制器：

控制器（Cotoller）的作用是接受传感器（变送器）来的测量信号，并与被控制量的设定值（Set Point） 进行比较（见图2）， 得到实际测量值与设定值的偏差，然后根据偏差信号的大小、变化率和被控制对象的动态特性，经过思维和推理，决定采用什么样的控制规律，以使被控制量快速、平稳、准确地到达所预定的目标值。

控制规律（Contol Law）是自动化系统功能的主要体现。最普遍的是比例-微分积分控制（ ProporTIonal plus Integral plus DenivaTIve Contol-PID）。

比例控制作用：输出与偏差成比例比例控制作用简单，但不能消除系统的稳态偏差微分控制作用：输出与偏差的微分成比例。微分作用能根据偏差的变化趋势进行控制，因而能改善控制系统的性能。

积分控制作用：输出与偏差的积分成比例。积分作用能消除系统的稳态偏差。积分控制常与比例控制或比例微分控制一起组成比例积分控制或比例-微分积分控制。

控制器是自动化系统的大脑和神经中枢。控制器可以是电子装置，也可以是电子一机械装置

4）执行器（执行机构） ：

执行器（Actuator） （也称执行机构）执行自动化系统的大脑一控制 器所输出的控制作用，是自动化系统的手和脚。执行器（执行机构）可以是电动机、阀门或由它们所组成的复杂的电子一机械装置。