第二章 電氣控制系統(tǒng)的基礎(chǔ)研究概述

第一節(jié) 電氣控制系統(tǒng)的概念研究

一、電氣控制系統(tǒng)的基本原理、基本組成及控制方式

1．電氣控制系統(tǒng)的基本原理

在現(xiàn)代科學(xué)技術(shù)的眾多領(lǐng)域中，電氣控制技術(shù)起著越來越重要的作用。所謂電氣控制，是指在沒有人直接參與的情況下，利用外加的設(shè)備或裝置（控制裝置或控制器），使機器、設(shè)備或生產(chǎn)過程（統(tǒng)稱被控對象）的某個工作狀態(tài)或參數(shù)（即被控量）自動地按照預(yù)定的規(guī)律運行。近幾十年來，隨著電子計算機技術(shù)的發(fā)展和應(yīng)用，在宇宙航行、機器人控制、導(dǎo)彈制導(dǎo)以及核動力等高新技術(shù)領(lǐng)域中，電氣控制技術(shù)更具有特別重要的作用。不僅如此，電氣控制的應(yīng)用現(xiàn)已擴展到生物、醫(yī)學(xué)、環(huán)境、經(jīng)濟管理和其他許多領(lǐng)域中，成為現(xiàn)代社會活動中不可缺少的重要組成部分。

電氣控制發(fā)展初期，是以反饋理論為基礎(chǔ)的自動調(diào)節(jié)原理，主要用于工業(yè)控制。為了實現(xiàn)各種復(fù)雜的控制任務(wù)，首先要將被控對象和控制裝置按照一定的方式連接起來，組成一個有機整體，這就是電氣控制系統(tǒng)。在電氣控制系統(tǒng)中，被控對象的輸出量（即被控量）是要求嚴(yán)格加以控制的物理量，它可以要求保持為某一恒定值，如溫度、壓力、液位等，也可以要求按照某個給定規(guī)律運行，例如飛機航線、記錄曲線等?？刂蒲b置則是對被控對象施加控制作用的機構(gòu)的總體，它可以采用不同的原理和方式對被控對象進行控制，但最基本的一種是基于反饋控制原理組成的反饋控制系統(tǒng)。

2．電氣控制系統(tǒng)的基本組成

從完成“電氣控制”這一職能來看，一個系統(tǒng)必然包含被控對象和控制裝置兩大部分，而控制裝置是由具有一定職能的各種基本元件組成的。在不同系統(tǒng)中，結(jié)構(gòu)完全不同的部件卻可以具有相同的職能。因此，組成系統(tǒng)的元部件按職能分類主要有以下幾種：

（1）測量元件：其職能是檢測被控制的物理量，如果這個物理量是非電量，一般要再轉(zhuǎn)換為電量。

（2）給定元件：其職能是給出與期望的被控量相對應(yīng)的系統(tǒng)輸入量（即參據(jù)量）。

（3）比較元件：其職能是把測量元件檢測的被控量實際值與給定元件給出的參據(jù)量進行比較，求出它們之間的偏差。常用的比較元件有差動放大器、機械差動裝置、電橋電路等。

（4）放大元件：其職能是將比較元件給出的偏差信號進行放大，用來推動執(zhí)行元件去控制被控對象。

（5）執(zhí)行元件：其職能是直接推動被控對象，使其被控量發(fā)生變化。

（6）校正元件：也叫補償元件，它是結(jié)構(gòu)或參數(shù)便于調(diào)整的元部件，用串聯(lián)或反饋的方式連接在系統(tǒng)中，以改善系統(tǒng)的性能。

3．電氣控制系統(tǒng)的控制方式

反饋控制是自動控制系統(tǒng)最基本的控制方式，也是應(yīng)用極廣泛的一種控制方式。除此之外，還有開環(huán)控制方式和復(fù)合控制方式，它們都有各自的特點和不同的適用場合。

（1）反饋控制方式：也稱為閉環(huán)控制方式，是指系統(tǒng)輸出量通過反饋環(huán)節(jié)返回來作用于控制部分，形成閉合環(huán)路的控制方式，是按偏差進行控制的。其特點是不論什么原因使被控量偏離期望值而出現(xiàn)偏差時，必定會產(chǎn)生一個相應(yīng)的控制作用來減小或消除這個偏差，使被控量與期望值趨于一致。可以說，按反饋控制方式組成的反饋控制系統(tǒng)，具有抑制任何內(nèi)、外擾動對被控量產(chǎn)生影響的能力，有較高的控制精度。但這種系統(tǒng)使用的元件多，結(jié)構(gòu)復(fù)雜，特別是系統(tǒng)的性能分析和設(shè)計也較麻煩。盡管如此，它仍是一種重要的并被廣泛應(yīng)用的控制方式，自動控制理論主要的研究對象就是用這種控制方式組成的系統(tǒng)。

（2）開環(huán)控制方式：是指控制裝置與被控對象之間只有順向作用而沒有反向聯(lián)系的控制過程。按這種方式組成的系統(tǒng)稱為開環(huán)控制系統(tǒng)，其特點是系統(tǒng)的輸出量不會對系統(tǒng)的控制作用產(chǎn)生影響，不具備自動修正的能力。

（3）復(fù)合控制方式：是開環(huán)控制和閉環(huán)控制相結(jié)合的一種控制方式。它是在閉合控制的基礎(chǔ)上，通過增設(shè)順饋補償器來提高系統(tǒng)的控制精度，從而改善控制系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)性能，主要應(yīng)用于高精度的控制系統(tǒng)中。

二、電氣控制系統(tǒng)的分類

電氣控制系統(tǒng)有多種分類方法：按控制方式可分為開環(huán)控制系統(tǒng)、反饋控制系統(tǒng)、復(fù)合控制系統(tǒng)等；按元件類型可分為機械系統(tǒng)、電氣系統(tǒng)、機電系統(tǒng)、液壓系統(tǒng)、氣動系統(tǒng)、生物系統(tǒng)；按系統(tǒng)功能可分為溫度控制系統(tǒng)、位置控制系統(tǒng)等；按系統(tǒng)性能可分為線性系統(tǒng)和非線性系統(tǒng)、連續(xù)系統(tǒng)和離散系統(tǒng)、定常系統(tǒng)和時變系統(tǒng)、確定性系統(tǒng)和不確定性系統(tǒng)等；按參據(jù)量變化規(guī)律又可分為恒值控制系統(tǒng)、隨動控制系統(tǒng)和程序控制系統(tǒng)等。一般，人們?yōu)榱巳娣从匙詣涌刂葡到y(tǒng)的特點，常常將上述各種分類方法組合應(yīng)用。

1．線性連續(xù)控制系統(tǒng)

這類系統(tǒng)可以用線性微分方程式描述。按其參據(jù)量的變化規(guī)律不同，又可將這種系統(tǒng)分為恒值控制系統(tǒng)、隨動系統(tǒng)和程序控制系統(tǒng)。

2．線性定常離散控制系統(tǒng)

離散控制系統(tǒng)是指系統(tǒng)的某處或多處的信號為脈沖序列或數(shù)碼形式，因而信號在時間上是離散的。連續(xù)信號經(jīng)過采樣開關(guān)的采樣就可以轉(zhuǎn)換成離散信號。一般，在離散系統(tǒng)中既有連續(xù)的模擬信號，也有離散的數(shù)字信號，因此離散系統(tǒng)要用差分方程描述。工業(yè)計算機控制系統(tǒng)就是典型的離散系統(tǒng)。

3．非線性控制系統(tǒng)

系統(tǒng)中只要有一個元部件的輸入-輸出特性是非線性的，這類系統(tǒng)就稱為非線性控制系統(tǒng)，這時，要用非線性微分（或差分）方程描述其特性。非線性方程的特點是系數(shù)與變量有關(guān)，或者方程中含有變量及其導(dǎo)數(shù)的高次冪或乘積項。由于非線性方程在數(shù)學(xué)處理上較困難，目前對不同類型的非線性控制系統(tǒng)的研究還沒有統(tǒng)一的方法。但對于非線性程度不太高的元部件，可采用在一定范圍內(nèi)線性化的方法，將非線性控制系統(tǒng)近似為線性控制系統(tǒng)。

三、對電氣控制系統(tǒng)的基本要求

電氣控制理論是研究自動控制共同規(guī)律的一門學(xué)科。盡管電氣控制系統(tǒng)有不同的類型，對每個系統(tǒng)也有不同的特殊要求，但對于各類系統(tǒng)來說，在已知系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)和參數(shù)時，我們感興趣的都是系統(tǒng)在某種典型輸入信號下，其被控量變化的全過程。對每一類系統(tǒng)被控量變化全過程提出的共同基本要求都是一樣的，可以歸結(jié)為穩(wěn)定性、快速性和準(zhǔn)確性，即穩(wěn)、快、準(zhǔn)的要求。

1．穩(wěn)定性

穩(wěn)定性是保證控制系統(tǒng)正常工作的先決條件。穩(wěn)定性是指系統(tǒng)受到外作用后，其動態(tài)過程的振蕩傾向和系統(tǒng)恢復(fù)平衡的能力。如果系統(tǒng)受到外作用后，經(jīng)過一段時間，其被控量可以達到某一穩(wěn)定狀態(tài)，則稱系統(tǒng)是穩(wěn)定的。還有一種情況是系統(tǒng)受到外作用后，被控量單調(diào)衰減。在這兩種情況中系統(tǒng)都是穩(wěn)定的，否則稱為不穩(wěn)定。另外，若系統(tǒng)出現(xiàn)等幅振蕩，即處于臨界穩(wěn)定的狀態(tài)，這種情況也可視為不穩(wěn)定。線性自動控制系統(tǒng)的穩(wěn)定性是由系統(tǒng)結(jié)構(gòu)決定的，與外界因素?zé)o關(guān)。

2．快速性

為了很好地完成控制任務(wù)，控制系統(tǒng)僅僅滿足穩(wěn)定性要求是不夠的，還必須對其過渡過程的形式和快慢提出要求，一般稱為動態(tài)性能。快速性是通過動態(tài)過程時間長短來表征的，系統(tǒng)響應(yīng)越快，說明系統(tǒng)復(fù)現(xiàn)輸入信號的能力越強。

3．準(zhǔn)確性

理想情況下，當(dāng)過渡過程結(jié)束后，被控量達到的穩(wěn)態(tài)值應(yīng)與期望值一致。但實際上，由于系統(tǒng)結(jié)構(gòu)、外作用形式，以及摩擦、間隙等非線性因素的影響，被控量的穩(wěn)態(tài)值與期望值之間會有誤差存在，稱為穩(wěn)態(tài)誤差。穩(wěn)態(tài)誤差是衡量控制系統(tǒng)精度的重要標(biāo)志。若系統(tǒng)的最終誤差為零，則稱為無差系統(tǒng)，否則稱為有差系統(tǒng)。

四、電氣控制系統(tǒng)中常用名詞與術(shù)語

為后文敘述方便，下面集中介紹控制系統(tǒng)中常用名詞、術(shù)語的基本意義。

1．控制和調(diào)節(jié)

“控制”和“調(diào)節(jié)”的含義十分接近，兩者都是為達到預(yù)期目的而按照某種規(guī)律對被控對象施加作用；如“調(diào)節(jié)原理”和“控制理論”都是指同一學(xué)科。但在有些場合兩者也不完全通用，例如通常把開環(huán)系統(tǒng)中的動作稱為控制，而該裝置稱為控制器，在閉環(huán)系統(tǒng)中則分別稱為調(diào)節(jié)和調(diào)節(jié)器。還有“自控”一詞包括了各種形式的自動控制，不能稱為“自調(diào)”；又如“超調(diào)”是指控制系統(tǒng)在動態(tài)過程中瞬時值與穩(wěn)態(tài)值的偏差，不能稱為“超控”，等等，這些都是由于人們的用詞習(xí)慣形成的。

2．自動控制

自動控制是指在沒有人直接參與的情況下，利用外加的設(shè)備或裝置，使機器、設(shè)備或生產(chǎn)過程的某個工作狀態(tài)或參數(shù)自動地按照預(yù)定的規(guī)律運行的控制機制。

3．控制對象和被控變量

為保證生產(chǎn)設(shè)備能夠安全、經(jīng)濟運行，必須組成一個控制系統(tǒng)，對其中某個關(guān)鍵參數(shù)進行控制，此時這臺設(shè)備就成為控制對象，這個關(guān)鍵參數(shù)就是被控變量。

4．電氣控制系統(tǒng)

電氣控制系統(tǒng)是由研究自動控制裝置（也稱控制器）和被控對象組成，能自動地對被控對象的工作狀態(tài)或其被控量進行控制，并具有預(yù)定性能的廣義系統(tǒng)。

5．目標(biāo)值和定值控制系統(tǒng)

目標(biāo)值也稱為設(shè)定值，就是希望被控變量保持的數(shù)值。如果目標(biāo)值是恒定不變的，這種自動控制系統(tǒng)就稱為定值控制系統(tǒng)。

6．檢測裝置

檢測裝置用來感受控制對象被控變量的大小，并將其轉(zhuǎn)換和輸出的相應(yīng)信號作為控制的依據(jù)，通常由某種傳感器或變送器組成。

7．偏差

偏差是指由反饋裝置檢測得出的被控變量實際值與目標(biāo)值之差。在自動控制過程中存在的偏差稱為“殘余偏差”或“余差”，在靜態(tài)情況下存在的偏差則稱為“靜差”。

8．調(diào)節(jié)器

調(diào)節(jié)器是根據(jù)偏差大小及變化趨勢，按照預(yù)定的調(diào)節(jié)規(guī)律給執(zhí)行器輸出相應(yīng)的調(diào)節(jié)信號的裝置。

9．執(zhí)行器

執(zhí)行器接收調(diào)節(jié)器送來的調(diào)節(jié)信號，根據(jù)信號的數(shù)值大小輸出相應(yīng)的操作變量來對控制對象施加作用，使被控變量保持目標(biāo)值。

10．操作變量

由執(zhí)行器輸出到被控對象中的能量流或物料流，稱為操作變量。

11．?dāng)_動或干擾

被控對象在運行過程中受到某種外部因素的影響導(dǎo)致被控變量的變化，這些破壞穩(wěn)定的不利因素統(tǒng)稱為擾動或干擾，如負(fù)載變化、電源電壓波動、環(huán)境條件改變等。

12．階躍擾動

在分析控制對象受到擾動后的變化時，也就是研究控制對象的動態(tài)特性時，設(shè)想在某一瞬間t0把某個參數(shù)突然改變?yōu)榱硪粋€數(shù)值，其增量為X并維持不變，這種擾動就稱為階躍擾動。

13．控制對象的時間常數(shù)和時滯

控制對象受到階躍擾動后，被控變量需要推遲一段時間才能按其本身特性變化，再經(jīng)過一定時間后穩(wěn)定到一個新的數(shù)值，此時間稱為“滯后時間”，即“時滯”。從起點上升到終點高度所需的時間稱為控制對象的時間常數(shù)。

14．閉環(huán)與開環(huán)

執(zhí)行器輸出操作變量到被控對象以改變被控變量，而被控變量的變化又通過檢測裝置輸出的信號來影響操作變量，這樣的信息傳遞過程構(gòu)成了閉合環(huán)路，這種系統(tǒng)稱為閉環(huán)控制；如果不存在這種信息傳遞的閉合回路，那么被控變量的變化對執(zhí)行器輸出的操作變量不發(fā)生影響，這樣的系統(tǒng)稱為開環(huán)控制。

15．系統(tǒng)的靜態(tài)和動態(tài)

當(dāng)自動控制系統(tǒng)的輸入（設(shè)定值和擾動）及輸出（被控變量）都保持不變時，整個系統(tǒng)處于一種相對平衡的穩(wěn)定狀態(tài)，這種狀態(tài)稱為靜態(tài)；當(dāng)系統(tǒng)的輸入發(fā)生變化時，系統(tǒng)的各個部分都會改變原來的狀態(tài)，力圖達到新的平衡，這個變化過程就稱為系統(tǒng)的動態(tài)。

16．?dāng)嗬m(xù)作用和連續(xù)作用

斷續(xù)作用的調(diào)節(jié)器的輸出信號只有兩種完全不同的狀態(tài)，例如開關(guān)的“接通”或“斷開”，沒有中間狀態(tài)。連續(xù)作用的調(diào)節(jié)器的輸出信號可以從弱到強連續(xù)改變，因而這種方式能夠更準(zhǔn)確反映控制系統(tǒng)偏差的大小或控制動作的強度，從而可以取得更好的效果。

五、常用控制系統(tǒng)的基本類型

常用的控制系統(tǒng)有單回路控制系統(tǒng)、多回路系統(tǒng)、串級系統(tǒng)、比值系統(tǒng)、復(fù)合系統(tǒng)等五種基本類型。

1．單回路控制系統(tǒng)

單回路控制系統(tǒng)又稱為單參數(shù)控制系統(tǒng)或簡單控制系統(tǒng)，它是由一個被控對象、一個檢測變送裝置、一個調(diào)節(jié)器和一個執(zhí)行器組成的單閉環(huán)控制系統(tǒng)。這種系統(tǒng)的作用特點是：被控對象不太復(fù)雜，系統(tǒng)結(jié)構(gòu)比較簡單。只要合理地選擇調(diào)節(jié)器的調(diào)節(jié)規(guī)律，就可以使系統(tǒng)的技術(shù)指標(biāo)滿足生產(chǎn)工藝的要求。單回路控制系統(tǒng)是實現(xiàn)生產(chǎn)過程自動化的基本單元，由于它結(jié)構(gòu)簡單，投資少，易于整定和投入運行，能滿足一般生產(chǎn)過程自動控制要求，尤其適用于被控對象滯后時間較短，負(fù)荷變化比較平緩，對被控變量的控制沒有嚴(yán)格要求的場合，因而在工業(yè)生產(chǎn)中獲得廣泛的應(yīng)用。

隨著技術(shù)的迅速發(fā)展，控制系統(tǒng)類型越來越多，如綜合控制、復(fù)雜控制系統(tǒng)等層出不窮，但單回路控制系統(tǒng)仍然是最基本的控制系統(tǒng)，掌握單回路控制系統(tǒng)設(shè)計的一般原則是很重要的。

生產(chǎn)過程是由若干臺工藝設(shè)備或裝置組成的，它們之間必然相互聯(lián)系、相互影響，在設(shè)計控制系統(tǒng)時必須從整個生產(chǎn)過程出發(fā)來考慮問題。為此，自動控制專業(yè)人員必須與生產(chǎn)工藝專業(yè)人員密切配合，根據(jù)生產(chǎn)工藝過程特點選擇被控變量和操作變量，選擇合適的檢測裝置，選用適當(dāng)?shù)恼{(diào)節(jié)器、執(zhí)行器及輔助裝置等，組成工藝上合理、技術(shù)上先進、安裝調(diào)試和操作方便的控制系統(tǒng)，使全套設(shè)備運轉(zhuǎn)協(xié)調(diào)。在充分利用原料、能源、資金的情況下，安全優(yōu)質(zhì)、高效低耗地進行生產(chǎn)，獲得良好的經(jīng)濟效益。

（1）被控變量和操作變量選擇：選擇被控變量和操作變量是設(shè)計單回路控制系統(tǒng)首先要考慮的問題。被控變量應(yīng)能反映工藝過程，體現(xiàn)產(chǎn)品質(zhì)量主要指標(biāo)；操作變量應(yīng)能滿足控制穩(wěn)定性、準(zhǔn)確性、快速性等方面的要求，還應(yīng)具有工藝上的合理性和經(jīng)濟性。

被控變量的選擇是系統(tǒng)設(shè)計的核心問題。在一個生產(chǎn)過程中影響設(shè)備正常運行的因素很多，不可能全部進行控制，需要深入分析生產(chǎn)過程，找出對產(chǎn)品的產(chǎn)量和質(zhì)量以及生產(chǎn)安全和節(jié)能等方面有決定性作用的變量作為被控變量。要注意的是，這些變量必須是可以測量的，如果需要控制的變量是溫度、壓力、流量或液位等，則可以直接將這些變量作為被控變量來組成控制系統(tǒng)，因為測量這些參數(shù)的儀表在技術(shù)上是很成熟的。

當(dāng)選定被控變量之后，就要選擇哪個參數(shù)作為操作變量。被控變量是控制對象的輸出，而影響被控變量的外部因素則是控制對象的輸入。被控對象的輸入往往有若干個，這就要從中選擇一個作為操作變量，而其余未被選用的輸入則成為系統(tǒng)的干擾。從控制的角度來看，干擾是影響控制系統(tǒng)正常穩(wěn)定運行的破壞性因素，它使被控變量偏離目標(biāo)值，而操作變量則抑制干擾的影響，把已經(jīng)變化了的被控變量拉回目標(biāo)值，使控制系統(tǒng)重新恢復(fù)穩(wěn)定運行。通過深入分析控制對象各種輸入變量對被控變量的影響，不難找出對被控變量影響最大的物理量，將其作為操作變量。

（2）檢測裝置的選擇：在控制系統(tǒng)中，被控變量要經(jīng)過檢測裝置轉(zhuǎn)換為電信號才能與目標(biāo)值進行比較，得出偏差值再送到調(diào)節(jié)器。檢測裝置通常由傳感器和變送器組成，傳感器是用來將被控變量轉(zhuǎn)換為一個與之相對應(yīng)的信號，變送器則將傳感器的輸出信號轉(zhuǎn)化為統(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn)信號，如4～20mA或1～5V的直流信號。

控制系統(tǒng)對檢測裝置的基本要求是：測量值能正確反映被控變量的數(shù)值，其誤差不超過規(guī)定的范圍；測量值能及時反映被控變量的變化，即有快速的動態(tài)響應(yīng)；在工作環(huán)境條件下能長期可靠操作。

這些要求與傳感器和變送器的類型、儀表的精度等級和量程，傳感器和儀表的安裝使用及防護措施都有密切的關(guān)系。

（3）調(diào)節(jié)器控制規(guī)律的選擇：調(diào)節(jié)器的控制規(guī)律對控制系統(tǒng)的運行影響很大，不僅與系統(tǒng)的控制品質(zhì)密切相關(guān)，而且對系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)和造價有很大的影響。下面對工業(yè)控制系統(tǒng)常用的調(diào)節(jié)器作簡要陳述。

①位式調(diào)節(jié)器：常見的位式調(diào)節(jié)器是雙位式調(diào)節(jié)器。一般適用于滯后時間較短，負(fù)荷變化不大也不劇烈，控制質(zhì)量要求不高，允許被控變量在一定范圍內(nèi)波動的場合。雙位式調(diào)節(jié)器的輸出只有“接通”與“斷開”兩種截然不同的狀態(tài)，這類控制元件品種很多，如溫度開關(guān)、壓力開關(guān)、液位開關(guān)、料位開關(guān)、光敏開關(guān)、聲敏開關(guān)、氣敏開關(guān)、定時開關(guān)、復(fù)位開關(guān)等。它們的結(jié)構(gòu)比較簡單、價格相對低廉，與之配套的執(zhí)行器通常也選用開關(guān)器件，如繼電器、接觸器、電磁閥、電動閥等，組成控制系統(tǒng)相當(dāng)方便而且節(jié)省資金，能夠滿足一般的使用要求，因而應(yīng)用相當(dāng)廣泛。

位式調(diào)節(jié)器是一種斷續(xù)作用的調(diào)節(jié)器，接下來介紹的幾種調(diào)節(jié)器都是連續(xù)作用的調(diào)節(jié)器，不僅需要使用能連續(xù)反映被測參數(shù)變化的檢測裝置，而且配套的執(zhí)行器也必須根據(jù)調(diào)節(jié)器輸出信號的強弱來改變施加給控制對象的操作變量的大小，這種連續(xù)調(diào)節(jié)系統(tǒng)比位式調(diào)節(jié)系統(tǒng)要復(fù)雜得多。

②比例控制：比例控制是最基本的控制規(guī)律，它的輸出與輸入成比例，當(dāng)負(fù)荷變化時克服擾動的能力強，過渡過程時間短，但過程終了時存在余差，而且負(fù)荷變化越大余差也越大。比例控制適用于系統(tǒng)滯后時間較短，時間常數(shù)也不大，擾動幅度較小，負(fù)荷變化不大，控制質(zhì)量要求不高，允許有余差的場合。

③比例積分控制：由于引入的積分作用能夠消除余差，所以比例積分控制是使用最多、應(yīng)用最廣的控制規(guī)律。但是加入積分作用后要保持原有的穩(wěn)定性必須加大比例度（削弱比例作用）而使最大偏差和振蕩周期相應(yīng)增大，過渡過程時間延長。對于滯后時間較短，負(fù)荷變化不大，工藝上不允許有余差的場合，比例積分控制可以獲得較好的控制效果。

④比例微分控制：由于引入的微分有超前控制作用，所以比例積分控制能使系統(tǒng)的穩(wěn)定性增加，最大偏差減小，加快了控制過程，改善了控制質(zhì)量，適用于過程滯后時間較長的場合。對于滯后時間很短和擾動作用頻繁的系統(tǒng)，不宜采用比例微分控制。

⑤比例積分微分控制：微分作用對于克服滯后有顯著效果，在比例基礎(chǔ)上增加微分作用能提高系統(tǒng)的穩(wěn)定性，加上積分作用能消除余差。如比例積分微分控制調(diào)節(jié)器有三個可以調(diào)整的參數(shù)，因而可以使系統(tǒng)獲得較高的控制質(zhì)量。它適用于容量滯后大，負(fù)荷變化、控制質(zhì)量要求較高的場合。

2．多回路系統(tǒng)

有些控制對象動特性比較復(fù)雜，滯后和慣性都很大，在采用單回路系統(tǒng)不能滿足要求時，常常從對象本身再設(shè)法找一個或幾個輔助變量作為輔助控制信號反饋回去，這樣就構(gòu)成了多回路系統(tǒng)。輔助變量的選擇原則是它要比被控量變化快，且易于實現(xiàn)。在大多數(shù)情況下，往往還選擇輔助變量的微分，以便反映變量的變化狀況和趨勢。比如直流電動機轉(zhuǎn)速控制系統(tǒng)往往選電壓和電流作輔助變量，或再加電壓微分反饋，形成多回路系統(tǒng)。又比如鍋爐汽包液面控制系統(tǒng)也要求引入水量和蒸汽流量作為輔助量而構(gòu)成多回路系統(tǒng)。

3．串級系統(tǒng)

串級系統(tǒng)是多回路系統(tǒng)的另一種類型。它由主、副兩個控制回路構(gòu)成，被控量的反饋形成主控回路，另外把一個對被控量起主要影響的變量選作輔助變量形成副回路。串級系統(tǒng)與一般多回路系統(tǒng)的根本區(qū)別和主要特點在于，副回路的給定值不是常量，而是一個變量，其變化情況由被控量通過主調(diào)節(jié)器來自動校正。因此，副回路的輸入是一個任意變化的變量。這就要求副回路必須是一個隨動系統(tǒng)，這樣其輸出才能隨輸入的變化而變化，使被控量達到所要求的技術(shù)指標(biāo)。

我們以晶閘管供電的直流電動機調(diào)速系統(tǒng)為例，來說明串級控制系統(tǒng)的必要性。這時系統(tǒng)的被控對象（廣義對象）是一個具有時滯的大慣性環(huán)節(jié)。如果我們只采用轉(zhuǎn)速反饋的單回路系統(tǒng)，雖然轉(zhuǎn)速反饋可以克服所有干擾對轉(zhuǎn)速的影響，但由于被控對象的特性，控制質(zhì)量并不理想。這是電源電壓的波動和負(fù)載的干擾造成的后果，只有等被控量（轉(zhuǎn)速）發(fā)生了變化，通過轉(zhuǎn)速反饋回去與給定值比較，產(chǎn)生偏差，然后才能用偏差信號來克服干擾的影響。顯然，這是不及時的。為了克服這種控制過程的滯后，我們會想到使用微分調(diào)節(jié)器。但是微分調(diào)節(jié)器并不能克服滯后特性對控制質(zhì)量的不利影響，同時微分調(diào)節(jié)器還有放大噪聲的缺點。那么，怎樣解決這個問題呢？我們知道，當(dāng)電源電壓波動或負(fù)載改變等干擾出現(xiàn)時，總是引起電動機電流的變化，在電動機啟動、制動時，為了得到最大的加速度和減速度，我們會希望電流保持正的或負(fù)的最大值。如果我們把對轉(zhuǎn)速起主要影響的電流作為輔助變量，組成一個電流控制回路，當(dāng)干擾引起電流變化但尚未引起轉(zhuǎn)速顯著變化時，電流控制回路就進行了控制，從而能夠更快地克服干擾對轉(zhuǎn)速的影響，這就解決了轉(zhuǎn)速單回路控制過程的滯后現(xiàn)象。如果只要電流控制回路而沒有轉(zhuǎn)速控制回路行不行呢？顯然是不行的，因為電流控制回路只能保持電流的恒定，而不能保持轉(zhuǎn)速的恒定，只有電流控制回路是不能實現(xiàn)轉(zhuǎn)速控制的。必須兩種控制回路同時采用，才能起到互相補充、相輔相成的作用。現(xiàn)在的問題是，這兩個控制回路如何構(gòu)成？轉(zhuǎn)速要求恒定，所以轉(zhuǎn)速給定應(yīng)為恒值。對電流的要求卻不是恒定的，在啟動和制動時，為使電動機盡快升速和減速，希望電動機保持正的或負(fù)的最大值；當(dāng)負(fù)載改變時，為使轉(zhuǎn)速保持恒定，也希望電流做相應(yīng)的改變。所以電流控制回路的給定值應(yīng)能適應(yīng)轉(zhuǎn)速的要求，其大小和變化應(yīng)根據(jù)轉(zhuǎn)速來決定。為使系統(tǒng)不致過于復(fù)雜，盡量不增加新的隨轉(zhuǎn)速而變化的電流給定裝置，這時我們把轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器的輸出作為電流控制回路的給定就可以完成上述要求。從結(jié)構(gòu)上看，是把電流控制回路串聯(lián)在速度回路里了，所以這種控制系統(tǒng)叫作串級控制系統(tǒng)。在直流電動機調(diào)速系統(tǒng)中，轉(zhuǎn)速控制回路是主回路，電流控制回路是副回路，相應(yīng)地，我們把主回路的調(diào)節(jié)器叫作主調(diào)節(jié)器，副回路的調(diào)節(jié)器叫作副調(diào)節(jié)器。

由于串級控制系統(tǒng)由主、副兩個控制回路構(gòu)成，利用具有快速作用的隨動副回路將加在被控對象的干擾在沒有影響被控量以前就加以克服，剩余的影響或副回路無法克服的干擾由主回路克服。因此，串級控制系統(tǒng)適用于對象有滯后、慣性較大、干擾作用較強和頻繁的系統(tǒng)，例如化工或熱工方面的精餾塔塔釜溫度與流量串級控制系統(tǒng)，加熱爐出口溫度或燃料流量與壓力或氣體比值的串級控制系統(tǒng)等等。

在擬定串級控制方案時應(yīng)考慮以下幾點：

（1）控制回路應(yīng)包括主要干擾和盡量多的干擾因素在內(nèi)，以便減小它們對被控量的影響，提高系統(tǒng)的抗干擾能力。

（2）使副控制回路包括系統(tǒng)廣義對象的滯后和慣性較小的部分，以減小滯后影響和提高副回路的快速性，這樣包括在副回路的干擾對被控量的影響較小。

（3）使主、副回路對象的時間常數(shù)適當(dāng)匹配，一般使之比為3～10。

（4）副回路的選擇應(yīng)考慮在工藝上的合理性，以及實現(xiàn)上的可能性與經(jīng)濟性。副回路的被控量（副變量）應(yīng)為決定被控量（主變量）的主要因素。

（5）因副變量的給定值需要自動校正而采用串級控制時，被控量和主回路應(yīng)能及時反映操作條件的變化。副回路應(yīng)保證副變量快速而準(zhǔn)確地跟蹤主調(diào)節(jié)器的輸出。

4．比值系統(tǒng)

比值系統(tǒng)是使系統(tǒng)中一個或多個變量按給定的比例自動跟隨另一個或多個變量的變化而變化的控制系統(tǒng)。比如異步電動機的變頻調(diào)速系統(tǒng)，要使定子電壓與頻率成比例地改變，而在低頻（低速）時，由于定子電阻壓降所占整個阻抗壓降的比例增大，如果仍按比例變化，則轉(zhuǎn)矩降低，甚至使電動機無法工作。因此電壓與頻率必須按一定的函數(shù)關(guān)系進行變化，這一關(guān)系叫作比值系統(tǒng)的控制規(guī)律?？梢姡戎迪到y(tǒng)的控制規(guī)律不一定就是線性比例關(guān)系，它可能是一個任意函數(shù)關(guān)系。這一函數(shù)關(guān)系是由工藝情況決定的。當(dāng)然也有只要求按一定比例進行控制的，例如加熱爐中煤氣和空氣進入量必須保持一定的比例才能保證理想的燃燒情況。

事實上，比值系統(tǒng)可以看作是更普遍的所謂指標(biāo)控制系統(tǒng)的一種特例。有時一些工藝過程采用直接可測變量作為控制變量時并不能達到生產(chǎn)上的要求，或者能作為控制變量的量無法測量，這時必須測量一些間接變量再經(jīng)過一定計算而得到所需要的變量。例如電弧煉鋼爐中的功率控制，通過測出電流和電壓，經(jīng)乘法計算就可以得到功率，化工或熱工生產(chǎn)控制過程中的熱焓控制也是這類指標(biāo)控制的例子。

這類系統(tǒng)與一般系統(tǒng)的主要區(qū)別在于系統(tǒng)中必須有一個完成比值或指標(biāo)計算的計算元件。

5．復(fù)合系統(tǒng)

以上幾種都是根據(jù)反饋原理組成的控制系統(tǒng)。按反饋原理組成的系統(tǒng)，只有在干擾引起被控量出現(xiàn)偏差以后才能對系統(tǒng)進行控制，也就是當(dāng)干擾引起“惡果”以后，才來采取糾正的措施，比較被動。由于干擾總是引起被控量變化，如果我們直接測量干擾，搶先一步，在事前就把干擾通過一個補償環(huán)節(jié)再作用于被控對象，使它產(chǎn)生的作用正好和干擾直接作用在被控對象時產(chǎn)生的作用相反，兩者抵消，自然就可以消除干擾的不利影響，因此，把這種方法稱為前饋或正饋控制。顯然，只有正饋也不能構(gòu)成理想的系統(tǒng)，往往在采用正饋的同時還采用反饋，這樣就組成了既有正饋又有反饋的復(fù)合控制系統(tǒng)。