第二章第七节自动化控制系统
控制器——系统的大脑
自动控制系统中，控制器起着重要的作用，扮演着系统管理和组织核心的角色。系统性能的
优劣很大程度上取决于控制器的好坏。我们可以通过比较人工控制系统和自动控制系统的工
作原理来弄清控制器的作用。
首先我们介绍人工控制系统(如图2-1)。例如要求恒温箱中的温度保持恒定，为了测量恒温
箱中的温度，安装一个温度计来指示恒温箱中的温度，这个温度就是系统的输出量，或称被
控制量。操作者始终观察温度计的温度，当小于恒温箱给定时，就增大加热装置的电流；相
反当大于恒温箱给定时，就减小电 流。这样恒温箱就能保持给定的温度。人在这个
系统中有以下的作用：
1观察恒温箱中温度。
2比较恒温箱中温度与给定温度的差值。
3调节加热电流的大小。
了解了人工控制系统的原理，我们只要用一些设备模仿和代替人的智能，就可以把它变
成自动控制系统。首先用热电偶来代替温度计来测量温度的值，然后用比较放大电路代替人
对温度的比较，用电机代替人手来转动恒温箱的电流调节装置。只要放大电路的极性和电机
的转动方向合理选择，就可以完成自动控制恒温箱温度的工作。自动控制系统的结构图如图
2-2所示。
从图2-1和图2-2可以看出，人工控制系统和自动控制系统非常相似：热电偶就相当于人的眼
睛；比较电路完成人大脑的功能，电机代替人的肌体；人工控制系统和自动控制系统虽然采
用不同的装置，但是它们的原理很是相似。在自动控制系统，我们经常把比较放大电路以及
其他附加装置（主要起校正作用）称为控制器，而把执行机构（电机）和控制对象（恒温箱
）称为受控对象。这样可以得到控制系统的一般结构图，见图2-3。
从图2-3中可以看出控制器实际上就是代替了人工控制系统中人的大脑的作用，它根据输
入信号和反馈信号来确定控制信号。在控制系统的设计时，往往受控对象是不能够被改变的
，要想系统满足性能要求，关键是要看控制器设计的如何。一个好的控制器可以使系统很好
地工作，反之系统是不能满足要求的。这和一个头脑比较笨的人往往不如聪明人做工作好是
一样的道理。控制器有各种形式，按照信号的性质分，可以分成模拟控制器和数字控制器两
种。前者信号主要是模拟形式的；后者主要采用数字形式进行计算，输入和输出端有D/A和A
/D转换器。控制器的结构有的复杂而有的比较简单，上面恒温箱控制中的比较放大电路就是
比较简单的控制器。复杂系统的控制器往往很复杂，有的控制器甚至就是一台计算机。
传感器——系统的耳目
自动控制系统能够按照人的设计，在人不参与的情况下完成一定的任务，其关键就在于反馈
的引入。反馈实际上是把系统的输出或者状态，加到系统的输入端与系统的输入共同作
用于系统。系统的输出状态实际上是各种物理量，它们有的是电压，有的是流量、速度等。
这些量往往与系统的输入量性质不同，并且取值的范围也不一样。所以不能与输入直接合并
使用，需要测量并转化。传感器正是起这个作用，它就像是控制系统的眼睛和皮肤，感知控
制系统中的各种变化，配合系统的其他部分共同完成控制任务。
人类为了从外界获得信息，必须借助于感觉器官。但是人的感觉器官并不是万能的，要
想获得更为丰富的信息，进一步研究自然现象和制造劳动工具，人的感官显得不够了。
作为一种代替人的感官的工具，传感器的历史比近代科学的出现还要古老。天平作为测重量
的工具在古埃及就开始使用了，一直沿用到现在。利用液体膨胀特性的温度测量在16世纪就
已经出现。以电学的基本原理为基础的传感器是在近代电磁学发展的基础上产生的，但是随
着真空管和半导体等有源元件的可靠性的提高，这种类型的传感器得到了飞速发展，现在谈
到传感器大都指有电信号输出的装置。
传感器就像自动控制系统的眼睛、鼻子、耳朵一样，对于一个控制系统的性能起着重要
作用。可靠、灵敏的传感器是自动控制系统工作的前提。就像双目失明的盲人是不可能很准
确地拿到所要拿的东西一样，如果控制系统的传感器不能正常工作时，自动控制系统也
就没有办法代替人来完成工作了。
有力的臂膀——执行器
如果把传感器比喻成人的感觉器官的话，那么执行器在自动控制系统中的作用就是相当
于人的四肢，它接受调节器的控制信号，改变操纵变量，使生产过程按预定要求正常执行。
在生产现场，执行器直接控制工艺介质，若选型或使用不当，往往会给生产过程的自动控制
带来困难。因此执行器的选择、使用和安装调试是个重要的问题。
执行器由执行机构和调节机构组成。执行机构是指根据调节器控制信号产生推力或位移
的装置，而调节机构是根据执行机构输出信号去改变能量或物料输送量的装置，最常见的有
调节阀。
执行器按其能源形式分为气动、电动和液动三大类，它们各有特点，适用于不同的场合。
液动执行器推力最大，一般都是机电一体化的，但比较笨重，所以现在很少使用，比如三峡
的船闸用的就是液动执行器。
电动执行器的执行机构和调节机构是分开的两部分，其执行机构分角行程和直行程两种，都
是以两相交流电机为动力的位置伺服机构，作用是将输入的直流电流信号线性的转换为位移
量。
气动执行器的执行机构和调节机构是统一的整体，其执行机构有薄膜式和活
塞式两类。活塞式行程长，适用于要求有较大推力的场合；而薄膜式行程较小，只能直接带
动阀杆。由于气动执行机构有结构简单、输出推力大、动作平稳可靠，并且安全防爆等优点
，在化工、炼油等对安全要求较高的生产过程中有广泛的应用。
随着自动化和计算机技术的发展，现在越来越多的执行机构器向智能化发展，很多执行器已
经带有通讯和智能控制的功能，比如很多厂家的产品都带现场总线接口。我
们相信，今后执行器和其他自动化仪表一样会越来越智能化，这是大势所趋。
受控对象——温柔的羔羊
所谓受控对象是指在一个控制系统中被控制的事物或生产过程,比如发电机的端电压，
火炮的角度和方向,锅炉气包温度等等。虽然受控对象完全是由控制系统来决定，是个温柔
的羔羊，但是也不是任人摆布的，一定要摸透其脾气来进行控制。在设计和分析一个控制系
统时，了解控制对象的特性是非常重要的。
不同的场合和行业的受控对象的复杂程度是不一样的，也可以按照不同需要对控制对象
进行划分。在简单系统中可以把单个对象看成孤立的，但是在复杂系统中，每个对象之间就
会有着各种联系，如何简化和划分对象就显得较为重要了。即使是同一类型的受控对象，其
静态和动态特性也会有很大差别，比如说延迟时间的不一样，等等。如果忽略了这些因素，
往往设计出来的系统是不稳定的，至少是非最优的。
要得到受控对象的数学描述，一般有两种方法，即系统建模和系统辨识。如果受控对象
的物理和数学机理比较清楚或者对象比较简单，比如一些机械和电气装置，那么为受控对象
建立数学模型就比较可行和方便。对于复杂对象或其机理不能用现有的数学描述的对象，一
般用系统辨识的方法，化工和热工生产中很多对象特性就是这样描述的。