控制系統教程

控制系統是由各種元件互連而成的系統，旨在控制和調節大型系統或過程的行為，以產生期望的輸出。因此，控制系統的主要目標是調整過程的輸入，以便獲得期望的輸出。

本篇關於控制系統的綜合教程旨在概述控制系統基本概念。本教程採用初學者友好的寫作風格，旨在幫助您建立堅實的控制系統工程基礎。

控制系統簡介

控制系統是現代工業過程的關鍵組成部分。它用於即時做出決策，以確保大型機械和複雜過程的無縫執行。控制系統在確保操作和過程安全、平穩、高效方面發揮著非常重要的作用，符合標準和法規。

如今，控制系統已成為各種行業的組成部分，例如商品製造設施、能源行業、化工行業、食品行業、紡織行業、交通控制、採礦業等等。在所有這些行業和過程中，控制系統完全負責最佳化效能、提高產品質量、維護安全和合規性。

為什麼控制系統在工業中如此重要？

在工業設施中，效率、精度和安全是最重要的考慮因素。控制系統可以控制所有這些引數，並決定過程和系統的執行方式，以確保最大效率、精度和安全，並獲得高質量的輸出。

控制系統是工業裝置中必不可少的組成部分，它使操作平穩、防止錯誤並提高效率。

控制系統的型別

控制系統大致分為以下兩種型別：

• 開環控制系統
• 閉環控制系統

開環控制系統是指沒有從輸出到輸入的反饋路徑的系統。因此，開環控制系統的輸出在某一時間點僅取決於該時間點施加的輸入。

另一方面，閉環控制系統是指具有從輸出到輸入的連續反饋路徑的系統。因此，這種控制系統是動態的和自適應的，並且它提供更精確的輸出。由於存在反饋路徑，因此閉環控制系統的輸出取決於施加的輸入以及過去的輸出。

控制系統的硬體和軟體元件

控制系統基本上是各種硬體和軟體元件的組合。典型控制系統的常見硬體和軟體元件如下：

• 可程式設計邏輯控制器 (PLC) - PLC 是控制系統最基本的元件。它們是可程式設計微控制器，用於自動化過程。
• PID控制器 - 比例-積分-微分控制器是用於精細控制過程的裝置。這些裝置用於控制系統中以最大限度地減少輸出誤差並保持系統平穩執行。
• APC系統 - APC（高階過程控制）系統是使用預測演算法即時最佳化系統性能的裝置。
• 監控控制和資料採集 (SCADA) - 控制系統的這一元件提供了人機介面。它允許操作員從遠端位置控制過程，並提供用於效能最佳化的資料和見解。

控制系統術語

以下是與控制系統相關的一些非常常見和重要的術語：

1）反饋

反饋是閉環控制系統的一個重要組成部分，它將輸出連線到輸入以實現穩定性和效能最佳化。

2）數學模型

數學模型是使用數學概念和語言開發的控制系統的抽象描述。它們對於設計和分析控制系統非常重要。

3）方框圖和訊號流圖

方框圖是圖形化地顯示控制系統不同元件互連的示意圖。訊號流圖是控制系統代數方程的圖形表示。

4）時域響應分析

時域響應分析用於分析和理解控制系統隨時間的變化行為。

5）穩定性分析

穩定性分析是控制系統工程中的另一個基本概念。此工具用於確定系統在不同執行條件下的穩定性。

6）根軌跡和頻率響應分析

根軌跡是一種圖形工具，用於確定閉環控制系統的根如何隨著某些系統引數（例如反饋環路中的增益）的變化而變化。頻率響應分析是在頻域中分析控制系統性能的工具。

7）補償器和控制器

補償器是控制系統的重要組成部分，用於改善系統對輸入的響應。而控制器是根據施加的輸入和反饋訊號來調節控制系統行為的裝置。

8）狀態空間模型和分析

狀態空間模型和分析是用於設計和分析控制系統的高階技術之一。狀態空間模型是控制系統的數學表示，它由輸入、輸出、狀態變數和微分方程組成。

誰應該學習控制系統？

本控制系統教程主要面向在電氣、電子、控制工程、自動化和工業工程領域工作的學生和專業人士。

本教程以初學者友好的風格解釋了控制系統的所有基本概念，使其適合絕對初學者。但是，它也可以作為實踐控制工程師的參考。

學習控制系統的先決條件是什麼？

本教程旨在為絕對初學者解釋控制系統工程的基本概念。但是，為了充分受益於本教程，您應該掌握諸如數學、基礎電氣和電子工程、線性代數、力學、訊號與系統和拉普拉斯變換等基本學科。

關於控制系統的常見問題解答

在本節中，我們收集了一套關於控制系統的常見問題及其答案：

1. 什麼是控制系統？

控制系統可以定義為一個相互連線的元件或裝置組，可以根據命令控制和調節其他系統或過程的行為。

典型的控制系統由各種感測器、控制器和其他自動化裝置組成。控制系統的主要功能是監控輸出並對輸入進行必要的更改以產生期望的輸出。

2. 控制系統用於何處？

控制系統是現代工業的組成部分。它們廣泛用於以下應用：

• 在製造業中用於過程控制和自動化。
• 在汽車中用於巡航控制、自動駕駛、自動剎車等。
• 在家用自動化中，例如空調、冰箱、房間加熱器、安全系統等。
• 在醫療裝置中，例如呼吸機等。
• 在電力行業中用於能源生產和分配自動化等。

3. 控制系統的四個基本要素是什麼？

典型的控制系統包含以下四個基本元件：輸入訊號、被控過程或系統、處理輸入訊號並調節過程的控制器以及與所施加輸入對應的輸出。

4. 控制系統是如何工作的？

下面解釋了典型控制系統的逐步工作原理：

步驟 1 - 應用輸入訊號。

步驟 2 - 測量過程的當前狀態或系統的輸出。

步驟 3 - 將測得的狀態或輸出與參考值進行比較。

步驟 4 - 計算參考值與實際輸出值之間的誤差或差值。

步驟 5 - 控制器根據誤差調整過程或系統的輸出。

步驟 6 - 反饋新的輸出以再次重複上述過程。

5. 最常見的控制系統是什麼？

閉環控制系統是各種行業中最常用的控制系統型別。這種控制系統之所以受歡迎，是因為它能夠自動校正錯誤。

6. 控制系統有多重要？

由於以下關鍵原因，控制系統在工業設施中非常重要：

• 它們有助於減少誤差並最大限度地減少人工干預。
• 它們提高了輸出質量並保持其一致性。
• 它們減少了能源浪費並節約了能源。
• 它們透過引入自動化等措施來提高安全性。

7. 什麼是簡單的控制系統？

冰箱就是一個非常簡單的控制系統示例。它有一個溫控器來測量冰箱內的溫度，並向控制演算法提供反饋。

消費者在溫控器上設定所需的溫度作為輸入值。如果冰箱內的溫度超過設定值，控制機制將關閉冷卻過程。

8. 梅森增益環的公式是什麼？

梅森增益環公式 用於計算控制系統的增益以確定其傳遞函式。其公式為：

$$T=\frac{\sum_{i=1}^N P_{i}\Delta_{i}}{\Delta}$$

其中：

• T 為傳遞函式；
• P_i 為第 i 個前向路徑的前向路徑增益；
• Δ_i = 1 – [所有不與第 i 個前向路徑相接觸的環路增益之和]；

Δ 為圖的行列式，其計算公式如下：

Δ = 1 – [所有單個環路增益之和] + [所有可能的兩個不相接觸環路增益乘積之和] – [所有可能的三個不相接觸環路增益乘積之和] + …

9. 什麼是控制系統工程？

控制系統工程是一個多學科的工程分支，它處理在機械、電氣、電子、通訊等各個行業中控制系統的設計、分析和應用的研究。