什么是控制系统?
控制系统被定义为管理、命令、指导或调节其他设备或系统的行为以实现预期结果的设备系统。控制系统通过控制回路实现这一点,控制回路是一个旨在将过程变量保持在所需设定点的过程。
换句话说,控制系统的定义可以简化为控制其他系统的系统。随着人类文明日益现代化,对自动化的需求也随之增加。自动化需要控制交互设备的系统
近年来,控制系统在现代技术和文明的发展和进步中发挥了核心作用。实际上,我们日常生活的方方面面都或多或少地受到某种控制系统的影响。
您日常生活中的控制系统示例包括空调、冰箱、空调、浴室马桶水箱、自动熨斗以及汽车内的许多过程 - 例如巡航控制。
在工业环境中,我们在产品、武器系统、运输系统、电力系统、空间技术、机器人技术等的质量控制中找到控制系统。
控制理论的原理适用于工程和非工程领域。
控制系统的特点
控制系统的主要特征是系统的输入和输出之间应该有明确的数学关系。
当系统的输入和输出之间的关系可以用线性比例表示时,该系统称为线性控制系统。
再次,当输入和输出之间的关系不能用单一的线性比例表示,而输入和输出之间存在某种非线性关系时,该系统称为非线性控制系统。
良好控制系统的要求
准确度:准确度是仪器的测量容差,定义了仪器在正常操作条件下使用时所产生的误差限制。
通过使用反馈元件可以提高精度。为了提高任何控制系统误差检测器的精度,控制系统中应该存在。
灵敏度:控制系统的参数总是随着周围条件、内部干扰或任何其他参数的变化而变化。
这种变化可以用灵敏度来表达。任何控制系统都应该对这些参数不敏感,而只对输入信号敏感。
噪声:不需要的输入信号称为噪声。一个好的控制系统应该能够降低噪声影响以获得更好的性能。
稳定性:它是控制系统的一个重要特性。对于有界输入信号,输出必须是有界的,如果输入为零,则输出必须为零,则称这样的控制系统为稳定系统。
带宽:工作频率范围决定了控制系统的带宽。良好的控制系统的频率响应的带宽应该尽可能大。
速度:控制系统达到其稳定输出所花费的时间。良好的控制系统具有高速。这种系统的瞬态周期非常小。
振荡:输出的少量振荡或恒定振荡往往表明系统是稳定的。
控制系统的类型
有各种类型的控制系统,但所有这些都是为了控制输出而创建的。用于控制位置、速度、加速度、温度、压力、电压和电流等的系统是控制系统的示例。
让我们以房间的简单温度控制器为例,来明确概念。假设有一个简单的加热元件,只要打开电源,它就会被加热。
只要加热器的电源开关打开,房间温度上升,达到所需的房间温度后,电源关闭。
再次由于环境温度,室温下降,然后手动打开加热元件以再次达到所需的室温。通过这种方式,人们可以手动将室温控制在所需的水平。这是手动控制系统的示例。
该系统可以通过使用电源的定时开关装置来进一步改进,其中加热元件的电源在预定的时间间隔内被打开和关闭以达到房间的期望温度水平。
还有另一种改进的控制房间温度的方法。在这里,一个传感器测量实际温度和所需温度之间的差异。
如果它们之间存在任何差异,则加热元件起作用以减小差异,并且当差异变得低于预定水平时,加热元件停止工作。
两种形式的系统都是自动控制系统。在前一种中,系统的输入完全独立于系统的输出。只要电源开关保持打开,房间(输出)的温度就会升高。
这意味着只要电源保持开启,加热元件就会产生热量,并且最终室温对系统的输入电源没有任何控制。该系统被称为开环控制系统。
但在后一种情况下,系统的加热元件根据实际温度和所需温度之间的差异起作用。这种差异称为系统误差。
该误差信号被反馈到系统以控制输入。由于输出路径的输入和误差反馈路径创建了一个闭环,因此这种类型的控制系统被称为闭环控制系统。
因此,有两种主要类型的控制系统。他们如下
开环控制系统
闭环控制系统
开环控制系统
控制动作完全独立于系统输出的控制系统称为开环控制系统。手动控制系统也是开环控制系统。
下图显示了一个开环控制系统的控制系统框图,其中过程输出完全独立于控制器动作。
开环控制系统的实例
日常生活中开环控制系统的例子包括:
电动干手器——只要您将手放在机器下方,热空气(输出)就会流出,无论您的手干了多少。
自动洗衣机——无论洗涤完成与否,机器都会按照预设的时间运行。
面包烤面包机- 无论烘烤是否完成,本机都会按调整的时间运行。
自动茶/咖啡机——这些机器也只能在预先调整的时间运行。
基于定时器的干衣机——这台机器在预先调整的时间内烘干湿衣服,不管衣服烘干了多少。
灯开关——无论是否需要灯,只要灯开关打开,灯就会发光。
立体声系统上的音量 – 无论输出音量水平如何,都可以手动调节音量。
开环控制系统的优势
开环控制系统的优点包括:
结构和设计简单。
经济。
易于维护。
一般稳定。
使用方便,因为输出难以测量。
开环控制系统的缺点
开环控制系统的缺点包括:
他们是不准确的。
他们是不可靠的。
无法自动更正输出中的任何更改。
闭环控制系统
输出对输入量有影响,输入量会根据产生的输出自行调整的控制系统称为闭环控制系统。
通过提供反馈,可以将开环控制系统转换为闭环控制系统。由于外部干扰,这种反馈会自动对输出做出适当的改变。
这样,闭环控制系统就称为自动控制系统。下图显示了闭环控制系统的框图,其中反馈来自输出并馈入输入。
闭环控制系统实例
日常生活中开环控制系统的例子包括:
自动电熨斗- 加热元件由熨斗的输出温度控制。
伺服电压稳定器- 电压控制器根据系统的输出电压运行。
水位控制器——输入水由水库的水位控制。
导弹发射和雷达自动跟踪——通过比较导弹的目标和位置来控制导弹的方向。
空调——空调的功能取决于房间的温度。
汽车冷却系统- 它的运行取决于它控制的温度。
闭环控制系统的优势
闭环控制系统的优点包括:
即使存在非线性,闭环控制系统也更加准确。
由于反馈信号的存在,任何出现的错误都得到纠正,因此高度准确。
带宽范围大。
促进自动化。
可以使系统的灵敏度变小以使系统更稳定。
该系统受噪声影响较小。
闭环控制系统的缺点
闭环控制系统的缺点包括:
它们更贵。
它们设计起来很复杂。
需要更多的维护。
反馈导致振荡响应。
由于反馈的存在,整体增益降低。
稳定性是主要问题,需要更加谨慎地设计稳定的闭环系统。
开环与闭环控制系统
下表比较了开环和闭环控制系统。
开环控制系统 | 闭环控制系统 | |
1 | 反馈元素不存在。 | 反馈元素始终存在。 |
2 | 错误检测器不存在。 | 错误检测器始终存在。 |
3 | 这是一个稳定的。 | 它可能会变得不稳定。 |
4 | 易于构建。 | 施工复杂。 |
5 | 这是经济的。 | 这是昂贵的。 |
6 | 带宽小。 | 拥有大带宽。 |
7 | 这是不准确的。 | 这是准确的。 |
8 | 更少的维护。 | 更多的维护。 |
9 | 这是不可靠的。 | 这是可靠的。 |
10 | 示例:干手器、茶壶 | 示例:伺服稳压器、排汗 |
闭环控制系统中的反馈回路
在设计控制系统时,反馈是一种常用而强大的工具。反馈回路是考虑系统输出并使系统调整其性能以满足系统期望结果的工具。
在任何控制系统中,输出都会因环境条件的变化或任何类型的干扰而受到影响。因此,从输出中取出一个信号并反馈到输入。
该信号与参考输入进行比较并产生误差信号。该误差信号被施加到控制器并且输出被校正。这样的系统称为反馈系统。下图显示了反馈系统的框图。
当反馈信号为正时,系统称为正反馈系统。对于正反馈系统,误差信号是参考输入信号和反馈信号的相加。
当反馈信号为负时,系统称为负反馈系统。对于负反馈系统,误差信号由参考输入信号和反馈信号之间的差值给出。
控制系统中反馈的影响
以下标签适用于下图:
R = 输入信号
E = 误差信号
G = 正向路径增益
H = 反馈
C = 输出信号
B = 反馈信号
反馈对控制系统有以下影响:
减少了系统输入和系统输出之间的误差。
系统增益降低了 1/(1±GH)。
改善不敏感(即对变化的反应较小)。
稳定性得到改善。