控制系统

控制系统使用控制循环管理、指挥、指导或规范其他设备或系统的行为。它可以从使用恒温器控制家用锅炉的单个家庭供暖控制器到用于控制过程或机器的大型工业控制系统。

对于连续调制控制，反馈控制器用于自动控制过程或操作。控制系统将被控制的工艺变量（PV）的值或状态与所需的值或设置点（SP）进行比较，并将差异用作控制信号，使工厂的工艺变量输出与设置点相同。

对于顺序逻辑和组合逻辑，使用软件逻辑，例如在可编程逻辑控制器中。

常见的控制动作分为两类：开环和闭环。在开环控制系统中，控制器的控制动作与过程变量无关。一个例子是仅由定时器控制的中央加热锅炉。控制动作是打开或关闭锅炉。过程变量是建筑温度。无论建筑物的温度如何，该控制器都会以恒定时间运行供暖系统。

在闭环控制系统中，控制器的控制动作取决于所需的和实际过程变量。在锅炉类比的情况下，这将使用恒温器来监控建筑物温度，并反馈信号，以确保控制器输出将建筑物温度保持在接近恒温器上的温度设置。闭环控制器有一个反馈环，确保控制器执行控制操作，以与设置点相同的值控制过程变量。因此，闭环控制器也称为反馈控制器。

在线性反馈系统中，会安排一个包括传感器、控制算法和执行器在内的控制回路，试图在设置点（SP）上调节变量。一个日常的例子是公路车辆的巡航控制；其中山丘等外部影响会导致速度变化，司机有能力改变所需的设定速度。控制器中的PID算法通过控制车辆发动机的功率输出，以最佳方式将实际速度恢复到所需速度，并尽量减少延迟或超调。

控制系统包括对他们试图实现的结果的一些感知，正在利用反馈，并在某种程度上适应不同情况。开环控制系统不利用反馈，仅以预先安排的方式运行。

工业和商业机械的逻辑控制系统历来是由使用梯子逻辑的互连电继电器和凸轮计时器实现的。今天，大多数此类系统都是用单片机或更专业的可编程逻辑控制器（PLC）构建的。梯子逻辑符号仍然用作PLC的编程方法。

逻辑控制器可能对开关和传感器做出反应，并可能通过使用致动器使机器启动和停止各种操作。在许多应用中，逻辑控制器用于对机械操作进行排序。例子包括电梯、洗衣机和其他具有相互关联操作的系统。自动顺序控制系统可以触发一系列按正确顺序执行任务的机械执行器。例如，各种电动和气动传感器可能会折叠并粘合纸板箱，将其装满产品，然后密封在自动包装机中。

PLC软件可以用许多不同的方式编写——阶梯图、SFC（顺序函数图）或语句列表。

开关控制使用反馈控制器，在两种状态之间突然切换。一个简单的双金属家用恒温器可以称为开关控制器。当房间里的温度（PV）低于用户设置（SP）时，加热器就会打开。另一个例子是空气压缩机上的压力开关。当压力（PV）低于设定点（SP）时，压缩机就通电了。冰箱和真空泵包含类似的机制。像这样简单的开关控制系统既便宜又有效。

线性控制系统使用负反馈产生控制信号，将受控光伏保持在所需的SP。线性控制系统有几种类型，具有不同的能力。

比例控制是一种线性反馈控制系统，其中对受控变量进行校正，该校正与所需值（SP）和测量值（PV）之间的差额成正比。两个经典的机械例子是马桶浮子比例阀和飞球调速器。

比例控制系统比开关控制系统更复杂，但比汽车巡航控制系统等中使用的比例积分派导（PID）控制系统更简单。开断控制适用于不需要高精度或响应性，但对快速及时的校正和响应无效的系统。比例控制通过在避免不稳定的增益水平上调制操纵变量（MV），如控制阀，从而克服了这一点，但通过应用最佳比例校正量，尽可能快速地进行校正。

比例控制的一个缺点是它无法消除剩余的SP-PV误差，因为它需要误差来生成比例输出。可以使用PI控制器来克服这种情况。PI控制器使用比例项（P）来消除总误差，并使用积分项（I）通过随着时间的推移将误差积分来消除残余偏移误差。

在某些系统中，MV的范围有实际限制。例如，加热器可以产生多少热量是有限制的，阀门只能打开到目前为止。对增益的调整同时改变了MV在这些限制之间的误差值范围。这个范围的宽度，以误差变量的单位，因此以PV为单位，称为比例带（PB）。

在控制工业炉温度时，通常xxx根据炉子目前的需要，控制燃油阀的开启。这有助于避免热冲击，并更有效地应用热量。

在低收益时，当检测到错误时，只应用少量纠正措施。该系统可能安全稳定，但可能因不断变化的条件而缓慢。错误将在相对较长的时间内得不到纠正，系统将过度阻尼。如果比例增益增加，此类系统的反应会更强，错误处理速度也会更快。当整个系统被称为临界阻尼时，增益设置有一个最佳值。在此点之后，环路增益的增加会导致光伏振荡，并且这样的系统被破坏了。调整增益以实现临界阻尼行为称为调整控制系统。

在未打水箱的情况下，炉子加热很快。一旦达到设定点，加热器子系统和炉壁中的存储热量将保持测量温度的升高超过要求。上升到设定点以上后，温度回落，最终再次加热。加热器子系统再加热的任何延迟都允许炉温进一步低于设定点，循环重复。阻尼炉控制系统产生的温度振荡是不可取的。

在临界阻尼系统中，当温度接近设定点时，热量输入开始减少，炉子的加热速度有时间放慢，系统避免过冲。在过阻尼系统中，也避免过冲，但过阻尼系统在最初达到设置点时速度不必要，以应对系统的外部变化，例如打开炉门。

纯比例控制器必须在系统中具有剩余误差。尽管PI控制器消除了此错误，但它们仍然可能缓慢或产生振荡。PID控制器通过引入导数（D）动作来解决这些最终缺陷，以在提高响应性的同时保持稳定性。

导数关注误差随时间的变化率：如果测量变量快速接近设定点，则执行器会提前后退，使其滑行到所需的水平；相反，如果测量值开始快速离开设定点，则施加额外的努力——与该速度成正比，以帮助它返回。

在涉及移动车辆上枪支或相机等重型物品运动控制的控制系统上，调谐良好的PID控制器的衍生动作可以使其比大多数熟练的人类操作员更好地到达和维护设置点。然而，如果导数动作被过度应用，可能会导致振荡。

积分项放大了长期稳态误差的影响，在消除误差之前付出了越来越大的努力。在上述炉子在不同温度下工作时的例子中，如果施加的热量不使炉子上升到设定点，无论出于何种原因，积分作用都会越来越多地移动相对于设定点的比例带，直到光伏误差降至零并达到设定点。

一些控制器包括限制“每分钟拉升%”的选项。此选项非常有助于稳定小型锅炉（3 MBTUH），特别是在夏季，在轻负荷期间。公用事业锅炉“可能需要以高达每分钟5%的速度更换负载（IEA Coal Online - 2，2007）”。

可以过滤PV或错误信号。这样做可以通过减少系统对不希望频率的反应来帮助减少不稳定或振荡。许多系统都有共振频率。通过过滤掉该频率，可以在振荡发生之前应用更强的整体反馈，使系统响应更快，而不会抖动自己。

反馈系统可以组合。在级联控制中，一个控制循环将控制算法应用于针对设置点的测量变量，然后为另一个控制循环提供不同的设置点，而不是直接影响过程变量。如果一个系统有几个不同的测量变量需要控制，那么每个变量将存在单独的控制系统。

在许多应用中，控制工程产生的控制系统比PID控制更复杂。此类领域应用的示例 线控机控制系统、化工厂和炼油厂。模型预测控制系统是使用专门的计算机辅助设计软件和待控制系统的经验数学模型设计的。

模糊逻辑是试图将逻辑控制器的简单设计应用于复杂连续变化系统的控制。基本上，模糊逻辑系统中的测量可以部分正确。

系统的规则是用自然语言编写的，并翻译成模糊逻辑。例如，炉子的设计将从：“如果温度过高，减少炉子的燃料。如果温度太低，增加燃料到炉子。”

与布尔逻辑相反，来自现实世界的测量（如炉子温度）被模糊化，逻辑被计算为算术，输出被解模糊以控制设备。

当一个健壮的模糊设计简化为单一的快速计算时，它开始类似于传统的反馈循环解决方案，并且似乎没有必要进行模糊设计。然而，模糊逻辑范式可能会为大型控制系统提供可伸缩性，因为传统方法变得笨重或推导成本高昂。

模糊电子学是一种使用模糊逻辑而不是数字电子学中更常用的双值逻辑的电子技术。