[科普中国]-控制系统类型

基本概念

控制系统意味着通过它可以按照所希望的方式保持和改变机器、机构或其他设备内任何感兴趣或可变的量。控制系统同时是为了使被控制对象达到预定的理想状态而实施的。控制系统使被控制对象趋于某种需要的稳定状态。

控制系统类型有多种，最常见的分类方式是以自动控制方式分类、以参于控制方式分类、以调节规律分类的分类方式。

控制系统类型控制系统的分类有三种方法：以自动控制方式分类、以参于控制方式分类、以调节规律分类。

以自动控制方式分类1****、开环控制系统

若计算机开环控制系统的输出对生产过程能行使控制，但控制结果---生产过程的状态没有影响计算机控制的系统，计算机\控制器\生产过程等环节没有构成闭合环路，则称之为计算机开环控制系统。生产过程的状态没有反馈给计算机，而是由操作人员监视生产过程的状态，决定控制方案，并告诉控制计算机使其行使控制作用。

2**、闭环控制系统**

计算机对生产对象或过程进行控制时，生产过程状态能直接影响计算机控制的系统，称之为计算机闭环控制系统。控制计算机在操作人员监视下,自动接受生产过程状态检测结果，计算并确定控制方案，直接指挥控制部件（器）的动作，行使控制生产过程作用。 在这样的系统中，控制部件按控制机发来的控制信息对运行设备进行控制，另一方面运行设备的运行状态作为输出，由检测部件测出后，作为输入反馈给控制计算机；从而使控制计算机-控制部件-生产过程-检测部件构成一个闭环回路。我们将这种控制形式称之为控制计算机闭环控制。计算机闭环控制系统，利用数学模型设置生产过程最佳值与检测结果反馈值之间的偏差，控制达到生产过程运行在最佳状态。

3**、在线控制系统**

只要计算机对受控对象或受控生产过程，能够行使直接控制，不需要人工干预的都称之为控制计算机在线控制或称联机控制系统。

4**、离线控制系统**

控制计算机没有直接参于控制对象或受控生产过程。它只完成受控对象或受控过程的状态检测，并对检测的数据进行处理;而后制定出控制方案，输出控制指示，操作人员参考控制指示，人工手动操作使控制部件对受控对象或受控过程进行控制。这种控制形式称之为计算机离线控制系统。

5**、实时控制系统**

控制计算机实时控制系统是指受控制的对象或受控过程，每当请求处理或请求控制时，控制机能及时处理并进行控制的系统，常用在生产过程是间断进行的场合。

以参于控制方式来分类1****、直接数字控制系统

由控制计算机取代常规的模拟调节仪表而直接对生产过程进行控制，由于计算机发出的信号为数字量，故得名DDC控制。实际上受控的生产过程的控制部件，接受的控制信号可以通过控制机的过程输入/输出通道中的数/模(D/A)转换器将计算机输出的数字控制量中转换成模拟量；输入的模拟量也要经控制机的过程输入/输出通道的模/数(A/D)转换器转换成数字量进入计算机。

2**、计算机监督控制系统**

计算机监督控制系统是针对某一种生产过程，依据生产过程的各种状态，按生产过程的数学模型计算出生产设备应运行的最佳给定值，并将最佳值自动地或人工对DDC执行级的计算机或对模拟调节仪表进行调正或设定控制的目标值。由DDC或调节仪表对生产过程各个点(运行设备)行使控制。SCC系统的特点是能保证受控的生产过程始终处于最佳状态情况下运行，因而获得最大效益。直接影响SCC效果优劣的首先是它的数学模型，为此要经常在运行过程中改进数学模型，并相应修改控制算法和应用控制程序。

3**、多级控制系统**

在现代生产企业中，不仅需要解决生产过程的在线控制问题，而且还要求解决生产治理问题，每日生产品种、数量的计划调度以及月季计划安排，制定长远规划、预告销售前景等， 于是出现了多级控制系统。DDC级主要用于直接控制生产过程，进行PID或前馈控制；SCC级主要用于进行最佳控制或自适应控制或自学习控制计算，并指挥DDC级控制同时向MIS级汇报情况。DDC级通常用微型计算机，SCC级一般用小型计算机或高档微型计算机。

4**、分布式控制或分散控制系统**

分散控制或分布控制，是将控制系统分成若干独立的局部控制子系统，用以完成受控生产过程自动控制任务。由于微型计算机的出现与迅速发展，为实现分散控制提供了物质和技术基础，近年来分散控制得以异乎平常的发展，且已成为计算机控制发展的重要趋势。 自70年代起,又出现集中分散式的控制系统,简称集散系统。它是采用分散局部控制的新型的计算机控制系统。

按调节规律分类1、程序控制

假如计算机控制系统是按着预先规定的时间函数进行控制，这种控制称之为程序控制。这里的程序是指随时间变化就有确定对应变化值，而不是计算机所运行的程序。

2、顺序控制

在程序控制的基础上产生了顺序控制，计算机如能根据随时间推移所确定对应值和此刻以前的控制结果两方面情况行使对生产过程控制的系统，称之为计算机的顺序控制。

3**、比例--积分--微分PID控制**

常规的模拟调节仪表可以完成PID控制。用微型计算机也可以实现PID控制。

4**、前馈控制**

通常的反馈控制系统中，对干扰造成一定后果，才能反馈过来产生抑制干扰的控制作用，因而产生滞后控制的不良后果。为了克服这种滞后的不良控制，用计算机接受干扰信号后，在还没有产生后果之前插入一个前馈控制作用，使其刚好在干扰点上完全抵消干扰对控制变量的影响，因而又得名为扰动补偿控制。

5**、最优控制(最佳控制)系统**

控制计算机如能有受控对象处于最佳状态运行的控制系统称之为最佳控制系统。如用计算机控制系统就是在现有的限定条件下，恰当选择控制规律(数学模型)，使受控对象运行指标处于最优状态。

6**、自适应控制系统**

上述的最佳控制,当工作条件或限定条件改变时，就不能获得最佳的控制效果了。假如在工作条件改变的情况下，仍然能的控制系统对受控对象的控制处于最佳状态，这样的控制系统称之为自适应系统。这就要求数学模型体现出在条件改变的情况下，如何达到最佳状态。控制计算机检测到条件改变的信息，按数学模型给出的规律进行计算，用以改变控制变量，使受控对象仍能处在最好状态。

7**、自学习控制系统**

假如用计算机能够不断地根据受控对象运行结果积累经验，自行改变和完善控制规律，使控制效果愈来愈好，这样的控制系统被称为自学习控制系统。以上讲到的最优控制、自适应控制和自学习控制都涉及到多参数、多变量的复杂控制系统，都属于近代控制理论研究的问题。系统的稳定性的判定，多种因素影响控制的复杂数学模型研究等，都必须有生产治理、生产工艺、自动控制、检测仪表、程序设计、计算机硬件各方面人员相互配合才能得以实现。由受控对象要求反应时间的长短、控制点数多少和数学模型复杂程度来决定选用计算机规模。一般来说需要功能很强（速度与计算功能）的计算机才能实现。 上述诸种控制，可以是单一种也可不是单一的，可以几种形式结合对生产过程实现控制。这要针对受控对象的实际情况，在系统分析、系统设计时确定。

自动控制系统分类自动控制系统的形式很多，下面介绍常用的一些分类形成1。

根据给定量的性质分类1、定值控制系统

给定值为恒定的控制系统，也称镇定控制系统。例如，锅炉的水位、蒸汽压力、蒸汽温度的自动控制系统，汽轮机转速，抽汽压力的自动控制系统均属此类。

2、跟踪控制系统

给定量随时间变化的控制系统。又分:

(1)伺服系统

给定量为时间的任意函数的控制系统，也称随动系统，例如雷达跟踪系统、自动记录仪等；

(2)程序控制系统

给定量按预定规律而变化的控制系统，例如仿型铣床、热处理炉的温度控制系统等；

(3)比例控制系统

两个变量需要保持一定比例时，系统的给定量为另一系统的被控量的控制系统。例如锅炉的自动燃烧系统就是燃料与空气成比例的控制系统。

根据被控量分类1、自动调节系统

被控量是转速、电压、频率等物理量并要求保持恒定的系统。

2、伺服机构

被控量是机械装置的位置,姿态等跟踪系统。

3、过程控制系统

被控量为温度、压力、流量、液位、浓度等定值系统。

根据控制作用分类1、连续控制系统

控制作用在空间和时间上都是连续的系统。一般应用线性摸拟调节器或校正装置的控制系统均属此类。

2、断续控制系统

(1)开关控制系统

控制作用在空间上不连续的系统，例如两位式、三位式锅炉水位和压力等自动控制系统。

(2)离散控制系统

控制作用在时间上不连续的系统，也称采样控制系统，例如采用数字调节器的控制系统，用数字计算机直接控制的系统等。

根据系统的参数分类1、集中参数和分布参数系统

用常微分方程描述的系统称为集中参数系统。例如施转运动的系统,电回路等一般是集中参数。

2、定常系统和时变系统

参数不随时间变化的系统称为定常系统,也称时不变系统。其微分方程式的系数均为常数。

根据系统中元件的输入一输出特性分类1、线性系统

每个元件的输入一输出特性为线性特性或描述系统的运行方程式是线性微分方程式的系统。

2、非线性系统

系统中有的元件其输入一输出特性为非线性特性,或用非线性微分方程式描述的系统。

根据系统的输入和输出量的维数分类1、单变量系统

只有一个输入量和一个输出量的系统。例如凝汽式汽轮机转速自动调节系统为单变量系统。

2、多变量系统

有一个以上输入量或一个以上输出量的系统。例如双抽汽汽轮机自动调节系统是三输入三输出的多变量系统。锅炉压力一水位自动控制系统是输入两输出的多变量系统。

根据输入量是否为固定时间函数分类1、确定系统

给定量或扰动量为固间时间函数的系统。例如汽轮机转速和锅炉水位、蒸气压力等自动控制系统可视为确定系统。

2、随机系统

给定量和扰动量不能用固定时间函数表示,或输入量杂有噪音的系统。例如雷达伺服系统输入量是目标运动的轨迹,它是随机变化的,不能用固定时间函数加以描述。