基本介紹
- 中文名：閉環過程自動控制系統
- 外文名：closed loop process automatic control system
- 別名：閉環控制系統、反饋控制系統等
- 領域：自動化控制
- 釋義：把輸出量反饋到輸入端構成閉環
- 組成：控制器、被控對象和反饋通路
簡介,原理,系統組成,與開環控制系統的區別,與開環控制系統的優缺點比較,
簡介
自動控制技術幾乎滲透到國民經濟的各個套用領域及社會生活的各個方面，如在工農業生產、交通運輸、航空航天、家用電器等許多領域獲得了越來越廣泛的套用。為了實現各種複雜的控制任務，首先要將被控制對象和控制裝置按照一定的方式連線起來，組成一個有機的總體，這就是自動控制系統。在自動控制系統中，被控對象的輸出量即被控量是要求嚴格加以控制的物理量，它可以要求保持為某一恆定值，例如溫度、流量、液位、或壓力等；而控制裝置則是對被控對象施加控制作用的機構的總體，它可以採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於開、閉環控制的自動控制技術。
系統的輸出量對系統的控制作用不產生任何影響，即系統的輸出端與輸入端之間不存在反饋，這種系統稱開環控制系統。
把輸出量直接或間接地反饋到輸入端構成閉環，實現自動控制的系統稱為閉環控制系統。它是指由信號正向通路和反饋通路構成閉合迴路的自動控制系統，又稱反饋控制系統。
原理
閉環過程自動控制系統是基於反饋原理建立的自動控制系統。所謂反饋原理，就是根據系統輸出變化的信息來進行控制，即通過比較系統行為（輸出）與期望行為之間的偏差，並消除偏差以獲得預期的系統性能。在反饋控制系統中，既存在由輸入到輸出的信號前向通路，也包含從輸出端到輸入端的信號反饋通路，兩者組成一個閉合的迴路。因此，反饋控制系統又稱為閉環控制系統。
反饋控制是自動控制的主要形式。自動控制系統多數是反饋控制系統。在工程上常把在運行中使輸出量和期望值保持一致的反饋控制系統稱自為動調節系統，而把用來精確地跟隨或實現某種過程的反饋控制系統稱伺為服系統或隨動系統。
反饋控制系統由控制器、被控對象和反饋通路組成（圖1）。圖中帶叉號的圓圈為比較環節，用來將輸入與輸出相減，給出偏差信號。這一環節在具體系統中可能與控制器一起統稱為調節器。以爐溫控制為例，受控對象為爐子；輸出變數為實際的爐子；輸溫入度變數為給定常值溫度，一般用電壓表示。爐溫用熱電偶測量，代表爐溫的熱電動勢與給定電壓相比較，兩者的差值電壓經過功率放大後用來驅動相應的執行機構進行控制。
圖1
系統組成
閉環過程自動控制系統的結構組成如圖1所示。
（1）控制器：是指在自動控制系統中為了保持輸出量的恆定所採用的控制方法。例如：家電系列產品中最多用到的開關控制方法，但在許多工業自動化控制系統中採用的還有比例積分微分控制方法，前者是斷續控制，也叫兩點調節器或位式調節器，後者是隨時間連續的調節方法，它可以用數學公式表達它們的輸入和輸出關係，通過電阻、電容和運算放大器等元件模擬它們的數學關係以達到控制的更好效果。
（2）被控對象：它指的是加熱器、電機、水泵和閥門等，包括與它們配合使用的設備、儀器、裝置等，還包括與之匹配的功率轉換電路，不同的被控設備需要不同的功率轉換。
（3）反饋環節：也叫測量變送。不同的被控量需要不同的感測器，相同的是經過感測器後需要對應轉換出與輸入量相同的關係量，例如電壓量、電流量。
（4）給定值：即輸入量，也叫目標值、設定值或理想值。例如用0V~10V表示0度~100度，當輸入量是5V時就表示希望輸出量要恆定在50度，也可以用0V~10V表示0~10000轉/分鐘，等等。有些設備也用0mA~10mA或4mA~20mA作為設定目標值。在智慧型化的設備儀器中很多直接用數字設定目標值。
（5）偏差量△U：它是輸入量與反饋量相減。當偏差量為正偏差時說明輸出量還沒有達到目標值，反之表示輸出量超過了目標值。控制器就是根據偏差量計算出控制量決定下一步的控制量大小，以調節輸出量達到目標值或保持輸出量的恆定。
（6）控制量Uk：它是控制器經過運算之後輸出的量。一般這個量為0V~10V，所以它不能直接去驅動被控裝置，需要功率轉換。也有輸出0mA~10mA或4mA~20mA，它可以直接提供給電流輸入型的電動閥門。
（7）輸出量Uo：也叫被控制量、測量值或實際值。不同的系統有不同的被控量，例如：溫度、轉速、壓力、流量和水位等。
（8）反饋量Uf：是通過感測器測量後轉換給輸入端的量。例如將0度~100度通過溫度感測器和與其對應的電路轉換成0V~10V。
（9）干擾量Z：它是隨機的外來作用，會對系統有不良影響的影響。
與開環控制系統的區別
（1）開環控制系統不能檢測誤差，也不能校正誤差。控制精度和抑制干擾的性能都比較差，而且對系統參數的變動很敏感。而閉環控制系統不管出於什麼原因（外部擾動或系統內部變化），只要被控制量偏離規定值，就會產生相應的控制作用去消除偏差。控制精度和抑制干擾的性能都比較差，而且對系統參數的變動很敏感。因此，一般僅用於可以不考慮外界影響，或慣性小，或精度要求不高的一些場合。
（2）開環系統沒有檢測設備，組成簡單，但選用的元器件要嚴格保證質量要求。閉環系統具有抑制干擾的能力，對元件特性變化不敏感，並能改善系統的回響特性。
（3）開環控制系統的穩定性比較容易解決。閉環系統中反饋迴路的引入增加了系統的複雜性。
與開環控制系統的優缺點比較
主要從三方面比較：
（1）工作原理：開環控制系統不能檢測誤差，也不能校正誤差。控制精度和抑制干擾的性能都比較差， 而且對系統參數的變動很敏感。 因此，一般僅用於可以不考慮外界影響，或慣性小，或精度要求不高的一些場合。 閉環控制的優點是充分發揮了反饋的重要作用，排除了難以預料或不確定的因素，使校正行動更準確，更有力。但它缺乏開環控制的那種預防性。如在控制過程中造成不利的後果才採取糾正措施。因此，一般廣泛套用於對外界環境要求比較高、高精度場合。
（2）結構組成：開環系統沒有檢測設備，組成簡單，但選用的元器件要嚴格保證質量要求。閉環系統具有抑制干擾的能力，對元件特性變化不敏感，並能改善系統的回響特性。
（3）穩定性：開環控制系統的穩定性比較容易解決。閉環系統中反饋迴路的引入增加了系統的複雜性。
