锅炉给水人工调节示意图如图1-1所示。给水经过给水调节阀5，省煤器3加热后进入汽包。用以调节汽包水位。为了使水位保持在要求的数值上或在一定范围内变化，必须在汽包上设置一个水位计6，操作人员根据水位计的指示，不断地改变调节阀5的开度，控制进入汽包的水量，从而使水位维持在某个要求的范围内。例如，当操作人员从水位计上观察到的数值低于要求的水位值时，则开大阀门，增大给水流量，使水位上升到要求的数值；当从水位计上观察到的数值高于要求的水位值时，就关小阀门，减小给水流量，使水位下降到要求的数值。归纳起来，操作人员所进行的工作是：? 1．观察水位计的指示值；?
2．将汽包水位的指示值与汽包水位要求的数值比较，并算出两者的差值；?
3．当偏差值偏高时，则关小给水调节阀门，而当偏差值偏低时，则开大给水调节阀门，阀门开大或关小的程度与偏差的大小有关。?
将上述三步工作不断重复下去，直到水位计指示值回到要求的数值上，这种由人来直接进行的操作就叫做人工调节。?
从上述可知，要进行人工调节，必须有一个测量元件(如上例中的水位计)和一个被人工操纵的器件(如上例中的给水调节阀)。人们把指示水位与要求水位进行比较，就会得到水位偏差的大小，根据这个偏差大小进行判断，并决定如何去控制阀门，使偏差得到纠正。所以人在调节过程中起到了观测、比较、判断和控制的作用。人工调节就是“检测偏差，纠正偏差”的过程。?
如果用一整套自动控制仪表(自动调节器)来代替操作人员的作用，使生产过程不需操作人员的直接参与而能自动地执行调节任务，这就叫做自动调节。?
锅炉给水汽包水位自动调节示意图如图1-2所示。
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5 给水 w 3 26 h 蒸汽 D 测量单元 执行单元 调节单元 给定单元 图1-2 汽包锅炉给水自动调节示意图 1. 过热器；2. 汽包；3.省煤器； 5. 给水调节阀；6. 水位计。
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图中测量单元、给定、调节单元、执行单元、代替操作人员完成调节给水的任务。测量单元(相当于人的耳目)用来测量水位的大小，并把水位信号转变成与之成一定关系(一般为比例关系)便于远距离传送的电流或电压信号。调节单元(相当于人的大脑)接受
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测量单元来的测量信号，并把它与水位希望保持的值（由给定单元给出）进行比较，当有偏差时，调节单元发出一定规律的指挥指令、给执行单元。执行单元(相当于人的手)按照调节单元这一命令去操作调节机构(给水调节阀)，调节效果如何，再由测量单元测出水位的变化，并将这一信号给调节单元，与水位希望保持的数值再比较，根据偏差，调节器再发出调节指令，执行单元再次改变给水调节阀，直到调节系统达到一个新的平衡状态为止即调节过程结束。这样就实现了用自动控制仪表代替人工调节的自动调节。 从图1-1到图1-2表示了从人工调节到自动调节的演变过程。从这个演变过程中，可以看出：人工调节中人用眼睛、大脑、手完成观测、比较、判断和控制的任务。自动调节中则用测量单元、调节单元、执行单元完成，也就是说用这套控制仪表完全能代替人。在人工调节中，人是凭经验支配双手操作的，其效果在很大程度上取决于经验，而在自动调节中，调节单元是根据偏差信号，按一定规律去控制调节阀的，其效果在很大程度上决定于调节单元的调节规律选用的是否恰当。?
通过上述实例可以概括出自动调节中的一些常用术语。? 1．被调量（被控制量）?
表征生产过程是否正常运行并需要加以调节的物理量。例如图1-1中的水位h 。? 2．给定值?
按生产要求被调量必须维持的希望值。简称给定值。在许多情况下给定值是不变的(如正常运行时锅炉的汽包水位，汽机转速等)，但在有些情况下给定值是变化的，如汽轮机启动过程中转速的给定值就应不断改变。? 3．控制对象（被控对象）?
被调节的生产过程或设备称为控制对象。例如图1-1中的汽包。?
4．调节机构?
可用来改变进入控制对象的物质或能量的装置称为调节机构。? 5．控制量（调节量）?
由调节机构(阀门、挡板等)改变的流量(或能量)，用以控制被调量的变化。称为控制量。例如图1-1中的给水量W 。? 6．扰动?
引起被调量偏离其给定值的各种原因称为扰动。如果扰动不包括在控制回路内部(例外界负荷)，称为外扰。如果扰动发生在控制回路内部，称为内扰。其中，由于调节机构开度变化造成的扰动，称为基本扰动。变更控制器的给定值的扰动称为给定值扰动有时也称控制作用扰动。?
7．控制过程（调节过程）?
原来处于平衡状态的控制对象，一旦受到扰动作用，被调量就会偏离给定值。要通过自动控制仪表或运行人员的调节作用使被调量重新恢复到新的平衡状态的过程，称为调节过程。?
8．自动控制系统?
自动控制仪表和控制对象通过信号的传递互相联系起来就构成一个自动控制系统。
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运用上述术语来表述，控制就是根据被调量偏离给定值的情况，适当地动作调节机构，改变控制量，最后抵消扰动的影响，使被调量恢复到给定值。
? 第二节 自动控制系统分类?
自动控制系统的分类方法很多，其中最基本的方法是：? 一、按工作原理分类?
1．反馈控制系统?
这种系统的基本工作原理是根据被调量与其给定值之间的偏差进行调节，最后达到减小或消除偏差，简单说就是“按偏差调节”。为了取得偏差信号，必须要有被调量测量值的反馈信号，因而将系统构成一个闭合回路，如图1-3所示。这种系统也称为闭环控制系统。
反馈控制的特点一是按偏差调节，由于需要反复调节则控制过程时间长，但可以克服各种扰动。二因是闭环系统则需要进行稳定性分析。三是由于存在被调量的反馈，所以调节的精度是可测的，反馈控制可以消除被调量的稳态偏差。。? 2．前馈控制系统?
这种控制系统的基本工作原理是根据扰动信号进行调节，即利用扰动信号产生的调节作用去补偿(抵消)扰动对被调量的影响。简单说就是按“扰动调节”或“扰动补偿”。? λ λ 扰动通道 调节机构 扰动通道 y 调节通道 前馈调节测量变送 调节通道 y - r 调节器 图1-4 前馈控制系统
图1-3 反馈控制系统
图1-4表示一个前馈控制系统，扰动λ是引起被调量y的变化原因，而前馈调节器在扰动出现的同时就根据扰动信号λ进行调节，用此控制作用去抵消扰动λ对被调量的影响。如果完全抵消，被调量就可保持不变。在前馈控制系统中，没有被调量(及其它)
的反馈信号，所以系统是不闭合的，因此也称开环控制系统。
前馈控制的特点，一是按扰动调节快于按偏差调节，这就可以有效地制止被调量的变化，并且控制过程时间短，但只能克服某种扰动。二是因为属于开环系统就不存在稳定性分析问题。三是因为不存在被调量的反馈，所以调节的精度是不可以检测的（不易
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得到静态偏差的具体数值）。这种系统实际上不能单独使用。
3．前馈─ 反馈控制系统
在反馈控制系统的基础上加入前馈控制就称为前馈─ 反馈复合控制系统 。将经常发生的主要扰动（负荷）作为前馈信号，由于前馈信号快于被调量的偏差信号故可以进行“立即”调节，及时克服主要扰动对被调量的影响。利用反馈来克服其它扰动，使系统的被调量在稳态时能准确地控制在给定值。在复合控制系统中把前馈控制称为粗调，把反馈控制称为细调。只要充分利用前馈与反馈的优点，可以提高控制质量。? 前馈——反控制系统是目前广泛应用的系统。?
二、按给定值特点分类?
生产过程不同，被调量应保持的希望数值也可能不同。可分为下面三种情况。?
1.定值控制系统
这种系统的给定值保持恒定，或给定值在某一很小范围内变化。定值控制系统是过去和现阶段热工过程控制中广泛应用的一种自动控制系统。例如锅炉汽包水位控制系统，炉膛负压控制系统等。?
2.随动控制系统
这种系统的给定值是按预先不能确定的一些随机因素而变化(变化规律事先末知)。因而要求其被调量以一定精度跟随给定值变化。例如，在锅炉滑压运行时，主蒸汽压力的给定值随外界负荷而变化，其变化规律是未知的，要求主蒸汽压力(测量值)紧紧跟随其给定值变化而变化。随动控制系统在热工过程自动控制中应用日益增多，特别是在参与调峰调频的大型单元机组系统中得到广泛应用，例如，锅炉燃烧控制系统等。? 3．程序控制系统?
这种系统的给定值是预定的时间函数。例如，在汽轮机的自起动过程中，预先拟定转速的给定值随时间的变化规律，要求汽轮机的实际转速按预先拟定的这个规律变化。
此外，还有其它一些分类方法，不一一叙述。有些系统后面遇到时再作介绍。
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第三节 控制系统的性能指标 ?
自动控制系统调节品质的优劣，表示了控制系统克服外来干扰能力的大小。?
自动控制系统所要克服的干扰有小有大，有的变化快，有的变化比较缓慢。一般来说缓慢的干扰总是比突然的干扰更容易克服些。我们常把一种突然地从一个数值变化到另一个数值，而且一经加上就持续下去不再消除的干扰称为阶跃干扰。如图1-5所示阶跃干扰是最不利的干扰形式，如果一个控制系统能很好地克服阶跃干扰的影响，那么它对于其它形式的干扰，也就不难克服，所以我们常把对阶跃干扰的反映作为判别系统抗干扰能力好坏的标准。阶跃干扰也是一种最典型的最经常出现的扰动形式，因此把阶跃干扰作为研究控制系统调节品质的标准输入信号。在热工过程自动控制中最常用的是单位阶跃输入，其数学表达式为：?
?0,xt??1?t????1，当t?0时，??当t?0时。?单位阶跃输入的函数曲线如图1-6所示。
X（t） ? X（t） 图1-5 阶跃干扰 图1-6 单位阶跃输入函数曲线?
△X t
1(t) t
一个控制系统的调节品质，可用控制系统在受到单位阶跃输入作用后(可以是阶跃干扰作用或阶跃给定作用)，被调量在控制过程中的变化曲线来分析。? 一、控制过程的基本形式?
当系统受到阶跃干扰作用时，系统的控制过程有以下几种基本形式，如图1-7所示。曲线(a)是发散的振荡过程，被调量的变化幅度越来越大，这是一种不稳定的过程，在自动控制系统中是应避免的。曲线(b)是等幅振荡过程，在连续控制系统中一般认为它是不稳定的和不允许的，但在双位调节系统中，只要被调量的波动幅值及波动频率在工艺所允许的范围内，还是可以采用的。曲线(c)是一个衰减的振荡过程，被调量经过一段时间的振荡后，能很快地趋向于一个新的平衡状态，这种控制过程是比较理想的。曲线(d)是非振荡的调节过程，又称单调过程。这种控制过程是允许的，但由于控制过程时间太长，一般认为很不理想。综上所述，曲线(a)及(b)是不稳定的调节过程，而曲线(c)和(d)是稳定的调节过程，大多数情况下，都希望得到象曲线(c)那样的衰减振荡过程。
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