5.1  自动控制系统概述
5.1.1 自动控制系统的组成及方框图
        自动控制是指在无人直接参与的情况下，利用控制装置操纵受控对象，使受控对象的被控量等于给定值或按照预定规律进行变化。
        1. 人工控制与自动控制
        自动控制是在人工控制的基础上产生和发展起来的。下面以室温控制系统为例，说明其调节过程。
        如果用人工控制保持室温恒定，需要先观察室内温度，再和给定值进行比较，计算出偏差，手工开、关蒸汽调节阀。这一过程不仅十分繁琐，而且很难使房间内温度稳定。
        若用自动控制装置代替人工操作，完成上述控制过程，称为自动控制。如图5－1所示，是一室温自动控制系统。空气加热器置于送风管道内，它所加入的热量必须时时与通过房间围护结构的散热量相平衡，才能保持室温恒定。为了达到这个目的，可以通过室温自动控制系统来完成。这个系统是由房间内的温度传感器、温度控制器、供水管上安装的电动二通阀组成。
 

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图 5-1 室温自动控制系统
1．温度传感器 2．热水加热器 3．温度控制器 4．电动二通阀
file:///C:/Temp/ksohtml/wps_clip_image-30022.png闭环控制系统" TITLE="第5章 闭环控制系统" />—送风温度

        系统通过温度传感器测出室内温度变化，并将温度变化转变成相应的电信号输送给温度控制器，温度控制器将接受到的信号与给定值进行比较得出偏差，并根据偏差的大小和方向按照预定的调节规律转换成控制信号控制电动二通阀，决定其开启或关闭，控制热水流量，对室温进行调节。
        通过上面分析可知，室温自动控制系统用传感器代替了人工控制中眼睛的观察；用调节器代替了人工控制中人的大脑所做的分析和判断；用电动二通阀代替了人工控制中人对手动阀门的调节。
        2. 自动控制系统的组成与方框图
        从上面例子可以看出，自动控制系统是由控制设备和受控对象组成。自动控制设备一般由传感器、控制器和执行器三部分组成。由于实际的控制系统包括的具体环节种类繁多，为了简单、清楚的表示自动控制系统各组成环节间信号联系及相互关系，通常用方框图表示系统的组成。图5-2为图5-1所示的室温自动控制系统的框图。
 

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 图5-2   室温自动控制系统框图

        控制系统中的每一个组成环节用一个方框来表示，每个方框都有一个输入信号，一个输出信号；方框间的连线和箭头表示环节间的信号联系与信号传递方向，信号可以分叉与交汇。在自动控制系统中，除给定值变化外，凡是引起被控参数发生变化而偏离给定值的外因均称为干扰作用，如上例中的室外空气温度。干扰作用通过干扰通道影响被控参数，而控制作用通过控制通道影响被控参数。
5.1.2 自动控制系统的分类
        自动控制系统的分类方法较多，常见的有以下几种。
        （一）按给定值变化的规律分类
        1．定值控制系统。是指被控参数的给定值在控制过程中恒定不变的系统，这种系统在制冷空调中应用最为普遍。例如，冷藏间的温度调节，空调系统中的恒温、恒湿控制都属于定值调节。
        2．程序控制系统。是指被控参数的给定值按照某一事先确定好的规律变化的系统，即给定值为时间的函数，如冷风机的冲霜等。
        3．随动控制系统。又称为跟踪控制系统。是指被控参数的给定值事先不能确定，取决于本系统以外的某一进行着的过程，要求系统的输出量随着给定值变化。如近年来发展的中央空调负荷随动跟踪节能控制系统，可以随着负荷的不断变化而进行自动调整控制，能够获得很好的节电效果和可观的经济效益。
        （二）按系统的结构分类
        1．开环控制系统 
        开环控制系统是最简单的一种控制系统，如图5－3所示。其特点是在控制器与被控对象之间只有正向控制作用，而没有反馈控制作用。
 

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图5-3开环控制系统

        开环控制系统的结构简单，控制也及时。但开环控制系统的控制精度低，抗干扰能力差。
         2．闭环控制系统
        在控制系统中，如果把系统的输出信号反馈到输入端，由输入信号和输出信号的偏差信号对系统进行控制，则这种控制系统称为闭环控制系统，也称反馈控制系统。
        图5-4是一个闭环控制系统的方框图。闭环控制的实质就是利用负反馈的作用来减小系统的偏差。因此闭环控制又称反馈控制。反馈控制系统具有较强的抗干扰能力，且精度高，适用面广，是基本的控制系统。
 

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图5-4   闭环控制系统

5.2   对自动控制系统的基本要求
5.2.1 控制系统的主要性能指标
        一个理想的控制系统，在其控制过程中应始终使被控量等于给定值。但是，由于系统中储能元件的存在以及能源功率的限制，使得运动部件的加速度受到限制，其速度和位置难以瞬时变化。所以当给定值变化时，被控量不可能立即等于给定值，而需要经过一个过渡过程，即动态过程。
       自动控制系统的过渡过程也就是系统的动态特性，评价系统优劣的性能指标是从动态过程中定义出来的，对系统性能的基本要求有三个方面。
        1. 稳定性
        稳定性是指系统受到外作用后，其动态过程的振荡倾向和系统恢复平衡的能力。如果系统受到外作用后，经过一段时间，其被控量可以达到某一稳定状态，则称系统是稳定的，见图5-7；否则称为不稳定，见图5-8。图中表示系统的输出信号，表示系统的输入信号，表示系统受到的干扰信号。
 

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       图5-7  稳定系统的动态过程                   图5-8  不稳定系统的动态过程

        对于任何一个控制系统，要能正常工作，则必须是稳定的。因此稳定性是控制系统最重要的性能，也是对控制系统最基本的要求。
        2. 瞬态特性
        对于一个稳定系统，瞬态特性是指系统在被控量在输入信号或扰动作用下，由原来的平衡状态变到新的平衡状态的过程。
        瞬态特性主要表征系统响应的快速性和平稳性。
        3. 稳态特性
        对于一个稳定系统，在输入信号的作用下，当→时系统的输出状态。稳态特性主要表征系统的准确性，反映了系统的稳态精度。准确性是由输入给定值与输出响应的终值之间的差值（稳态误差）来表征。若系统的最终误差为零，称为无差系统，反之称为有差系统。
        上述三方面的性能往往是相互制约的。在设计和调试过程中，若过分强调系统的稳定性，则可能引起系统响应迟缓和控制精度较低的后果；反之，若过分强调系统的快速性，则又会使系统加剧振荡，甚至引起不稳定。因此必须根据工作任务的不同，分析和设计自动控制系统，使其对三方面的性能有所侧重，并兼顾其他，以便更好地满足控制要求。
5.2.2 反馈控制系统的过渡响应
        1. 静态和动态
        自动控制领域内，把被控参数不随时间而变化的平衡状态称为系统的静态，把被控参数随时间而变化的不平衡状态称为系统的动态。
        处于静态的各参数（或信号），其变化率为零，即参数保持常数不变。如室温控制系统中，当进入室内的热流量与流出室内的热流量相等是，室温处于稳定的不变状态，此时称室温系统达到平衡，即处于静态。
        如果一个自动控制系统输入信号发生变化（有新的给定量或受到干扰的作用），系统的平衡态就被破坏。由于系统的输出发生了变化，自动化装置开始产生动作，不断地施加控制作用去克服干扰的影响，使系统再次恢复平衡态。从旧平衡态的破坏到新平衡态的建立，整个过程中，自动控制系统各个环节和参数都处于变化过程中，这时系统所处状态被称为动态。
        2. 控制系统的动态特性
        对于一个控制系统，由于输入的变化，将引起输出变化，它们之间的关系称为系统的动态特性。对于系统中一个元件（或环节），由于输入的变化，也将引起输出变化，它们之间的关系称为元件（或环节）的动态特性。
        由于自动控制系统是由被控对象、传感器、调节器、执行器等组成，在进行系统分析和设计中，了解这些元件的工作原理和运动过程是非常重要的，但要更深入研究系统的动态特性，首要工作就是建立控制系统的数学模型。
        描述系统在动态过程中各物理量之间相互关系的数学表达式，称为系统的数学模型。
        建立数学模型的方法有分析法和实验法，一般情况我们采用分析法进行建立。分析法是对系统各部分的运动机理进行分析，根据它们所依据的物理规律和化学规律分别列写相应的运动方程。系统的数学模型有很多种，微分方程是描述自动控制系统动态特性的最基本模型。对微分方程进行拉普拉斯变换后可以得到传递函数、动态结构图等数学模型。
        系统数学模型确定后，就可以对系统控制性能进行分析和计算。在经典控制理论中，常采用时域分析法、根轨迹法和频率特性法分析控制系统的性能。
        由于上述过程需要许多相关理论和复杂的数学计算，并不在本书研究范畴，在此不再详细叙述。
        3. 反馈控制系统的过渡过程
        对于任何一个处于平衡状态的反馈控制系统，它的被控参数总是稳定不变的。但当系统受到干扰作用后，被控参数就要偏离给定值而产生偏差，控制器等自动控制设备将根据偏差变化状况，施加控制作用以克服干扰的影响，使被控参数又回到给定值上，系统达到新的平衡状态。这种反馈控制系统在干扰和控制的共同作用下，从一个稳定状态变化到另一个稳定状态期间被控参数随时间的变化过程称为反馈控制系统的过渡过程。研究过渡过程的目的就是为了研究控制系统的质量，也就是它的稳定性、准确性和快速性。
 

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图 5－9 过渡过程的基本形式
(a)衰减振荡过程 (b)单调衰减过程 (c)等幅振荡过程 (d)发散振荡过程

        定值控制系统受到阶跃干扰后，过渡过程基本形式有四种，如图5-9所示。图（a）曲线是一衰减振荡过程，被控参数经过一段时间振荡后，能很快地趋向于新的平衡状态，是一种比较理想的过渡过程。图（b）曲线是单调衰减过程，这种过程是稳定的、允许的，但由于反应迟钝、控制质量差，是一种很不理想的过渡过程。图（c）曲线是等幅振荡过程，在连续控制系统中这是不稳定的过程，但在双位控制系统中只要被控参数幅值和波动频率在工艺允许的范围内，是可以采用的。图（d）曲线是发散振荡过程，被控参数变化幅度越来越大。这是一种不稳定的过程，在控制系统中应当避免。
5.2.4 反馈控制系统过渡过程中的品质指标
        评价过渡过程质量的好坏，可以从分析过渡过程的微分方程入手，也可以从分析过渡过程的曲线入手。控制系统常用的质量指标如下：
        1．衰减比file:///C:/Temp/ksohtml/wps_clip_image-1943.png闭环控制系统" TITLE="第5章 闭环控制系统" />

     衰减比是表示衰减程度的指标，如图 1－10所示，其值为前后两个波峰值之比，即file:///C:/Temp/ksohtml/wps_clip_image-32262.png闭环控制系统" TITLE="第5章 闭环控制系统" />= 4～10时系统较为理想。

        2．最大超调量file:///C:/Temp/ksohtml/wps_clip_image-24007.png闭环控制系统" TITLE="第5章 闭环控制系统" />

又称最大动态偏差。被控参数在过渡过程中，出现第一个最大峰值超出新稳态值的量，称为最大超调量file:///C:/Temp/ksohtml/wps_clip_image-24007.png闭环控制系统" TITLE="第5章 闭环控制系统" />。

最大超调量file:///C:/Temp/ksohtml/wps_clip_image-7876.png闭环控制系统" TITLE="第5章 闭环控制系统" />过大或过小，都延长了控制系统过渡过程，因此，在设计控制系统时，必须对其作出限制性规定。

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图5-10  系统受到阶跃干扰后衰减振荡过程品质指标图

3．静态偏差file:///C:/Temp/ksohtml/wps_clip_image-2429.png闭环控制系统" TITLE="第5章 闭环控制系统" />

又称稳态偏差、残余偏差。它表示控制系统受干扰作用后，达到新的平衡时，被调参数的新稳定值与给定值之差。

file:///C:/Temp/ksohtml/wps_clip_image-19061.png闭环控制系统" TITLE="第5章 闭环控制系统" />>0，则为有差系统。

静态偏差是表征控制精度的一个重要指标，因此要根据需要和可能慎重取值。一般舒适性空调系统允许有一定的静态偏差。如某空调系统，冬季温度设计值为 23℃ ± 2℃ ，则该系统的给定值为23℃ ，要求静态偏差file:///C:/Temp/ksohtml/wps_clip_image-22381.png闭环控制系统" TITLE="第5章 闭环控制系统" />≤1℃ 。

4．动态偏差file:///C:/Temp/ksohtml/wps_clip_image-698.png闭环控制系统" TITLE="第5章 闭环控制系统" />

动态偏差表示在调节过程中被调参数相当于给定值的最大偏差。稳定调节系统的动态偏差常出现在第一个波峰。其物理意义与最大超调量相同，仅是参考点不同而已。根据生产工艺要求，低温冷藏间的动态偏差file:///C:/Temp/ksohtml/wps_clip_image-24291.png闭环控制系统" TITLE="第5章 闭环控制系统" />≤5℃。

        5．调节时间file:///C:/Temp/ksohtml/wps_clip_image-20010.png闭环控制系统" TITLE="第5章 闭环控制系统" />

又称过渡过程时间，是指控制系统受到干扰作用，被控量从开始波动过渡到新稳态值的±2%～5%范围时所需的时间。令这一范围为file:///C:/Temp/ksohtml/wps_clip_image-868.png闭环控制系统" TITLE="第5章 闭环控制系统" />或更小。

对于制冷与空调系统，由于被调参数（如温度）变化较慢，对file:///C:/Temp/ksohtml/wps_clip_image-29396.png闭环控制系统" TITLE="第5章 闭环控制系统" />。因此给自动控制系统的设计和调试带来方便。

5.3  PID的调节原理
        在工程实际中，应用最为广泛的调节器控制规律为比例、积分、微分控制，简称PID控制，又称PID调节。PID控制器问世至今已有近70年历史，它以其结构简单、稳定性好、工作可靠、调整方便而成为工业控制的主要技术之一。当被控对象的结构和参数不能完全掌握，或得不到精确的数学模型时，控制理论的其它技术难以采用时，系统控制器的结构和参数必须依靠经验和现场调试来确定，这时应用PID控制技术最为方便。即当我们不完全了解一个系统和被控对象，或不能通过有效的测量手段来获得系统参数时，最适合用PID控制技术。PID控制，实际中也有PI和PD控制。PID控制器就是根据系统的误差，利用比例、积分、微分计算出控制量进行控制的。
        1. 比例（P）控制
        比例控制是一种最简单的控制方式。其控制器的输出与输入误差信号成比例关系。当仅有比例控制时系统输出存在稳态误差（Steady-state error）。
        2. 积分（I）控制
        在积分控制中，控制器的输出与输入误差信号的积分成正比关系。对一个自动控制系统，如果在进入稳态后存在稳态误差，则称这个控制系统是有稳态误差的或简称有差系统（System with Steady-state Error）。为了消除稳态误差，在控制器中必须引入“积分项”。积分项对误差取决于时间的积分，随着时间的增加，积分项会增大。这样，即便误差很小，积分项也会随着时间的增加而加大，它推动控制器的输出增大使稳态误差进一步减小，直到等于零。因此，比例+积分(PI)控制器，可以使系统在进入稳态后无稳态误差。
         3. 微分（D）控制
        在微分控制中，控制器的输出与输入误差信号的微分（即误差的变化率）成正比关系。自动控制系统在克服误差的调节过程中可能会出现振荡甚至失稳。其原因是由于存在有较大惯性组件（环节）或有滞后（delay）组件，具有抑制误差的作用，其变化总是落后于误差的变化。解决的办法是使抑制误差的作用的变化“超前”，即在误差接近零时，抑制误差的作用就应该是零。这就是说，在控制器中仅引入“比例”项往往是不够的，比例项的作用仅是放大误差的幅值，而目前需要增加的是“微分项”，它能预测误差变化的趋势，这样，具有比例+微分的控制器，就能够提前使抑制误差的控制作用等于零，甚至为负值，从而避免了被控量的严重超调。所以对有较大惯性或滞后的被控对象，比例+微分(PD)控制器能改善系统在调节过程中的动态特性。

5.5  PID控制器的参数整定
        PID控制器的参数整定是控制系统设计的核心内容。它是根据被控过程的特性确定PID控制器的比例系数、积分时间和微分时间的大小。PID控制器参数整定的方法很多，概括起来有两大类：一是理论计算整定法。它主要是依据系统的数学模型，经过理论计算确定控制器参数。这种方法所得到的计算数据未必可以直接用，还必须通过工程实际进行调整和修改。二是工程整定方法，它主要依赖工程经验，直接在控制系统的试验中进行，且方法简单、易于掌握，在工程实际中被广泛采用。PID控制器参数的工程整定方法，主要有临界比例法、反应曲线法和衰减法。三种方法各有其特点，其共同点都是通过试验，然后按照工程经验公式对控制器参数进行整定。但无论采用哪一种方法所得到的控制器参数，都需要在实际运行中进行最后调整与完善。现在一般采用的是临界比例法。利用该方法进行 PID控制器参数的整定步骤如下：(1)首先预选择一个足够短的采样周期让系统工作；(2)仅加入比例控制环节，直到系统对输入的阶跃响应出现临界振荡，记下这时的比例放大系数和临界振荡周期；(3)在一定的控制度下通过公式计算得到PID控制器的参数。
        1．PID调试的一般原则
        1） 在输出不振荡时，增大比例增益P。
        2） 在输出不振荡时，减小积分时间常数Ti。
        3） 在输出不振荡时，增大微分时间常数Td。
        2．PID调试的一般步骤
        1）确定比例增益P
        确定比例增益P 时，首先去掉PID的积分项和微分项，一般是令Ti=0、Td=0（具体见PID的参数设定说明），使PID为纯比例调节。输入设定为系统允许的最大值的60%~70%，由0逐渐加大比例增益P，直至系统出现振荡；再反过来，从此时的比例增益P逐渐减小，直至系统振荡消失，记录此时的比例增益P，设定PID的比例增益P为当前值的60%~70%。比例增益P调试完成。
        2）确定积分时间常数Ti
        比例增益P确定后，设定一个较大的积分时间常数Ti的初值，然后逐渐减小Ti，直至系统出现振荡，之后在反过来，逐渐加大Ti，直至系统振荡消失。记录此时的Ti，设定PID的积分时间常数Ti为当前值的150%~180%。积分时间常数Ti调试完成。
        3）确定积分时间常数Td
       积分时间常数Td一般不用设定，为0即可。若要设定，与确定 P和Ti的方法相同，取不振荡时的30%。
       4）系统空载、带载联调，再对PID参数进行微调，直至满足要求。
       3. PID控制器参数的工程整定,各种调节系统中PID参数经验数据
       以下可参照：
       温度T: P=20~60%,T=180~600s,D=3-180s
       压力P: P=30~70%,T=24~180s,
       液位L: P=20~80%,T=60~300s,
       流量L: P=40~100%,T=6~60s。
       4. PID常用口诀：
       参数整定找最佳，从小到大顺序查；先是比例后积分，最后再把微分加
       曲线振荡很频繁，比例度盘要放大；曲线漂浮绕大湾，比例度盘往小扳
       线偏离回复慢，积分时间往下降；曲线波动周期长，积分时间再加长
       曲线振荡频率快，先把微分降下来；动差大来波动慢。微分时间应加长
       理想曲线两个波，前高后低4比1；一看二调多分析，调节质量不会低