控制系统的基本概念

在开始控制系统概念之前，让我们先讨论一下系统。

System

一个系统是不同组件的排列，它们作为一个集体单元协同工作以执行特定任务。物理系统被定义为系统中物理对象的集体动作以执行一个目标，例如教室。教室配有长椅、桌子、风扇、灯、黑板等，共同构成一个物理系统。

风筝由棍子和纸组成，湖中的水也是一种物理系统。

控制系统

控制意味着调节或指挥。因此，控制系统是各种物理元件的互连，以某种方式连接以调节或指挥自身或其他系统。

让我们考虑一个日常生活中使用的最佳例子，空调。

它通过遥控器获取用户的输入，处理指令，并将空气输送到相应的房间。空调中存在的温度控制设备将温度维持在用户要求的水平。当达到所需温度时，空调会自动关闭压缩机。一旦温度开始变化，它将再次打开压缩机。设置可以通过遥控器手动完成。

空调有三个控制装置，温度控制、湿度控制和风量控制。温度控制控制温度，湿度控制控制相对湿度，风量控制控制房间内的气流。

因此，我们可以得出结论，控制系统是物理组件的互连，以提供所需的功能并进行一些控制操作。

现在，让我们讨论一些在教程中会很有用的基本术语。

植物

要被控制或调节的系统部分被称为过程的被控对象。在控制系统中，它通常被称为传递函数，它指定了系统输入和输出之间的关系，而没有反馈。这意味着被控对象可以是任何有输入并提供输出的东西。

被控对象可以有一个或多个输出和输入。传感器用于测量被控对象的输出，而执行器驱动被控对象的输入。

被控对象的图示如下所示

系统中的输入变量通常称为参考输入，输出称为控制器输出。

控制器

控制器是系统的元件。它也可以位于系统外部。控制器的功能是控制被控对象或过程。每个系统都会接受一个输入，并在分析输入性质后定义输出。控制系统中的控制器是一种机制，它减少了系统实际值和期望值之间的差异。这里，实际值表示真实值，而期望值是设定点或目标值。

输入

它是来自外部能源的信号，应用于控制系统以产生所需的输出。

或

这是能够产生系统响应的期望动作。

控制系统中使用的常见输入类型是SISO（单输入单输出）和MIMO（多输入多输出）。SISO 表示系统为单个输入产生单个输出，而 MIMO 为多个输入产生多个输出。它显示如下

控制系统中的参考输入也称为设定点，即期望值。它用作使用负反馈进行误差控制的误差控制调节的基础。

输出

它是控制系统应用输入信号的实际响应。输入被激励到系统中，输出是这些输入的处理结果。输出是过程的一小部分或整个过程的结果。

干扰

干扰是一种不利地影响控制系统输出值的信号。干扰可以是内部的或外部的。系统内部产生的内部干扰和系统外部产生的外部干扰。这种干扰充当系统的额外输入和正常输入，并进一步影响系统的输出。

控制系统的术语

控制系统的术语被分为

• 自动控制系统
• 手动控制系统
• 线性控制系统
• 时变控制系统
• 时不变控制系统

自动控制系统

在没有任何人为干预的情况下，自动控制系统被称为自动控制系统，例如自动驾驶仪控制系统。它是一种动态系统，其中微分方程通常描述过程。自动控制系统的其他示例包括冰箱、自动售票机等。

在反馈的帮助下，闭环系统允许系统纠正输出中的干扰，这使得系统成为一个自动控制系统。

手动控制系统

通过人为干预调节的控制系统被称为手动控制系统。它定义了人类在系统外部执行的手动控制。示例包括签署文件和银行对账。手动控制的主要功能是干扰或修改流程。

控制系统可以是自动的、手动的，也可以两者兼而有之。当系统涉及大量类似性质的交易时，需要自动控制。手动控制基于所需的判断。

线性控制系统

顾名思义，它描述了输入和输出之间的线性关系。或者

输入和输出关系由线性微分方程描述的系统称为线性系统。此类系统也遵循叠加原理。

时变控制系统

输入和输出关系由具有可变系数的微分方程描述的系统称为时变系统。

时不变控制系统

输入和输出关系由具有常系数的微分方程描述的系统称为时不变系统。

负反馈

闭环系统的框图如下所示

当输入被激励到控制器时，它会产生一个激励信号，该信号控制被控对象。在这种情况下，输出会自动调整，直到达到所需的响应。反馈帮助系统纠正输出中的变化并从中删除错误。因此，闭环系统也称为自动闭环系统。

我们都熟悉控制系统中的反馈路径。反馈路径有助于分析错误。传递函数最好地描述了输入和输出之间的关系，因此有助于通过反馈分析错误。

控制系统的基本概念

控制系统定义了各个组件之间的互连。系统的各个组件可以是电气、液压、机械、热力或化学性质。一个设计良好的控制系统倾向于为整个系统产生最佳响应。它还可以有效地处理外部、内部和时间相关的干扰。控制系统的基本概念是

1. 最小化误差
2. 最小化时间响应

实际值和期望值之间的误差越小，系统的响应就越好。这是因为没有任何系统想要任何错误。系统的最小时间响应有助于加载系统中的更改。

示例

让我们考虑一个水-位控制系统的例子。当泵打开时，它允许水流入水箱。一旦水箱注满到所需水平，泵将关闭。

水-位控制系统的框图如下所示

有些人使用随机方法来指示水箱已满，并手动切换开和关按钮。但是，在有许多水箱和大型系统的行业和工作场所中，该过程会自动进行。传感器向系统提供信号。

工作方式

水位传感器向系统发出信号，通知水箱中存在的液位。系统将该液位与所需的水位进行比较。系统进一步提供适当的响应以获得水箱中所需的水位。如果水位低于期望值，它会打开泵，并且来自入口的水流入水箱。这是一个反馈控制系统的例子，其中传感器信号从输出提供反馈。它将系统的实际输出与所需值进行比较，并相应地进行调整。