1.3　控制系统的方框图

在研究控制系统的过程中，为了能够更清楚更直观地表示出控制系统中各个组成部分之间的相互影响和信息的联系，一般采用方框图来表示控制系统的组成以及各部分的作用。所谓方框图就是表示系统各单元、部件之间信号传递关系的一种数学图示模型，这是控制理论中描述复杂系统的一种简便方法，适用于线性和非线性系统。

方框图由信号线、分支点、相加点和方框图单元组成，如图1-2所示。

方框图中的圆圈称为“加法器”，也称为合点，用于信号相加或相减，用“+”或“-”标在圆圈外。图中的“┬ ”称为分点，它表示经过该分点后，信号沿两条线路传递，而且两条线路上的信号都与输入分点的信号相等。

图1-2（d）中的方框图单元表示对信号进行拉普拉斯变换（拉氏变换），其输出量等于方框图单元的输入量与传递函数的乘积，即

X2=G（s）X1　　 （1-1）

由图1-2各部分组合构成的一简单控制系统的方框图如图1-3所示。

图1-3中的每一个小方框代表控制系统的一个组成部分，称为“环节”，代表自动控制装置和控制对象的一个部件或几个部件的组合。环节具有单向性，即任何环节既有“输入信号”，也有“输出信号”，分别称为输入（量）和输出（量），只能由输入得到输出，不能逆行。连接两个环节的带箭头的线条表示控制系统中信号的传递途径和方向。从整个系统来看，给定值信号和干扰信号是输入信号，被控变量或其测量值是系统的输出信号。

图1-3所示系统中常用的变量含义如下。

①被控变量（也称系统输出）c（t）　指需要控制的工艺参数，如锅炉汽包的水位、反应器的温度、燃料流量等。它是被控对象的输出信号。在控制系统方框图中，它也是自动控制系统的输出信号。但它是理论上的真实值。

②给定值（或设定值，或给定输入）r（t）　对应于生产过程中被控变量的期望值。当其值由工业控制器内部给出时，称为内给定值。最常见的内给定值是一个常数，它对应于被控变量所需保持的工艺参数值；当其值产生于外界某一装置，并输入至控制器时，称为外给定值。

③测量值b（t）　由检测元件得到的被控变量的实际值。

④操纵变量（或控制变量）m（t）　受控于控制阀，用以克服干扰影响，具体实现控制作用的变量称为操纵变量，它是控制阀的输出信号。在图1-1所示的例子中，就是锅炉的给水流量。化工、炼油等工厂中流过控制阀的各种物料或能量，或者由触发器控制的电压或电流都可以作为操纵变量。

⑤干扰（或外界扰动，或扰动输入）d（t）　引起被控变量偏离给定值的，除操纵变量以外的各种因素。最常见的干扰因素是负荷改变，电压、电流的波动，流量波动，环境变化等。锅炉水位控制中，蒸汽需求量的变化就是一种干扰。

⑥偏差信号e（t）　在理论上应该是被控变量的实际值与给定值之差，而能够直接获取的信号是被控变量的测量值。因此，通常把给定值与测量值的差作为偏差，即e（t）=r（t）-b（t）。在反馈控制系统中，控制器根据偏差信号的大小去控制操纵变量。

⑦控制信号u（t）　控制器将偏差按一定规律计算得到的输出量。

在图1-3中，从控制系统输出c（t）引出的信号，经过测量变送器成为b（t），再经过合点，反馈到控制器输入。信号b（t）称为反馈量（简称反馈），以削弱（取负号）控制器输入信号的方式起作用，故称为负反馈。在该系统中，被控变量经过测量变送器输入到控制器中，进一步影响被控变量，由此构成了信号传递的闭合回路，因而称为反馈控制系统，也称为闭环控制系统。

例1-1　　如图1-4所示是一反应器温度控制系统示意图。A、B两种物料进入反应器进行反应，通过改变进入夹套的冷却水流量来控制反应器内的温度。图中TT表示温度变送器，TC表示温度控制器。试画出该温度控制系统的方框图，并指出该控制系统中的被控对象、被控变量、操纵变量及可能影响被控变量变化的扰动各是什么？

解　该反应器温度控制系统是一个典型的反馈控制系统，其中被控对象为反应器；被控变量为反应器内温度；操作变量为冷却水流量；干扰为A、B物料的流量、温度、浓度，冷却水的温度、压力及搅拌器的转速等。反应器的温度反馈控制系统的方框图如图1-5所示。