1.4　控制系统的分类

自动控制系统的分类方法有很多。例如，按被控变量的不同，可以分为温度控制系统、流量控制系统、压力控制系统、液位控制系统、成分控制系统等。按控制器的控制规律，可分为比例控制系统、比例积分控制系统、比例微分控制系统、比例微分积分控制系统等。但是，在分析自动控制系统的特性时，常常采用下述几种分类方法。

1.4.1　按给定值的变化规律划分

①定值控制系统　也称为恒值控制系统。定值控制系统的给定值在系统运行过程中是恒定不变的，因此称为“定值”。控制系统的输出（即被控变量）应稳定在与给定值相对应的工艺指标上，或在规定工艺指标的上下一定范围内变化。在生产过程中，大多数场合要求被控变量保持恒定或在给定值附近。例如，换热器的温度控制系统常要求被加热物料出口温度达到一个定值。因此，定值控制系统在生产过程控制中最常见。

②随动控制系统　随动控制系统的给定值是一个不断变化的信号，而且这种变化不是预先规定好的，即给定值的变化是随机的。这类系统的主要任务是使被控变量能够迅速地、准确无误地跟踪给定值的变化，让被控变量以尽可能小的误差，以最快的速度跟随给定值变化，因此又称为自动跟踪系统。在生产过程中，多见于复杂控制系统中。在化工生产中，有些比值控制系统就属于随动控制系统。例如要求甲流体的流量与乙流体的流量保持一定的比值，当乙流体的流量变化时，要求甲流体的流量能快速而准确地随之变化。由于乙流体的流量变化在生产中可能是随机的，所以相当于甲流体的流量给定值也是随机的，故属于随动控制系统。

③程序控制系统　程序控制系统的给定值也是一个不断变化的信号，但这种变化是一个已知的时间函数，即给定值按一定的时间程序变化。这类系统在间歇生产过程中的应用比较广泛，如食品工业中的罐头杀菌温度控制、造纸工业中制浆蒸煮温度控制等，它们要求的温度指标不是一个恒定的数值，而是一个按工艺规程规定好的时间函数，具有一定的升温时间、保温时间、降温时间等。

1.4.2　按系统输出信号对操纵变量影响的方式划分

①开环控制　开环控制系统的操纵变量不受系统输出信号的影响，即不存在输出信号的反馈回路。控制器只是根据输入信号来进行控制。为了使系统的输出满足事先规定的要求，必须周密而精确地计算操纵本来的变化规律。一个工业控制系统，当反馈回路断开或控制器置于“手操”位置时，就成为开环控制系统。

②闭环控制　在闭环控制系统中，系统输出信号的改变会返回影响操纵变量，所以操纵变量不是独立的变量，它依赖于输出信号，控制的目的是减少被控变量与给定值之间的偏差。当操纵变量使系统的输出信号增大时，反馈影响操纵变量的结果使输出信号减小。

如前所述，图1-3所示的自动控制系统无须操作者干预其运行即可自动克服干扰作用的影响，使被控变量保持在给定值的附近。其控制作用依赖于对被控变量的测量。自动控制通过控制器输出的控制信号实现：控制器根据给定值与被控变量偏差信号的大小产生相应的控制作用，改变操纵变量，克服干扰作用的影响。

1.4.3　按系统的复杂程度划分

①简单控制系统　一般称图1-3所示的控制系统为简单控制系统。这类控制系统只有一个简单的反馈回路，所以也可称为单回路控制系统，或称为单输入单输出控制系统。

②复杂控制系统　工程上的控制系统常常比较复杂，它们可表现为在系统中包含多个控制器、检测变送器或执行器，从而形成系统中存在有多个回路或者在系统中存在有多个输入信号和多个输出信号。为了和简单控制系统相区别，称其为复杂控制系统。图1-6所示的夹套式反应器温度控制系统就是具有两个回路的控制系统。该反应器的温度T1通过进入夹套的蒸汽量加以控制。图中TC为温度控制器，TT为温度测量变送器。图1-7为该控制系统的方框图。

从图1-7中可以看出，这是具有两个反馈回路的控制系统，工程上又称为串级控制系统。此外，还可以有更多的回路或更为复杂的形式。

1.4.4　按系统克服干扰的方法划分

①反馈控制系统　如图1-8所示，当干扰d（t）使系统的被控变量发生改变时，被控变量反馈至系统输入端与给定值相比较并得到偏差信号，经控制器及控制阀影响操纵变量以减弱或消除被控变量的变化。

②前馈控制系统　如图1-9所示。当干扰d（t）引起被控对象的输出c2（t）改变时，控制系统测得干扰信号的大小，并输入前馈补偿器（或称前馈控制器），由前馈补偿器的输出去控制操纵变量m（t），引起被控对象输出c1（t）的改变，并且c1（t）与c2（t）的方向相反，由此减弱或消除被控变量c（t）受干扰影响而产生的变化。当前馈完全补偿时，有c（t）=c1（t）+c2（t）=0。

③前馈-反馈控制系统　当以上两种控制系统复合在一起时，就构成了前馈-反馈控制系统，如图1-10所示。这种系统当受到干扰d（t）的影响时，可以通过前馈控制器使被控变量不变。若前馈补偿不完全，还可以通过反馈控制系统加以修正。控制系统受其他因素影响，或系统的给定值发生改变时，则由反馈控制系统加以控制。

1.4.5　按控制作用的形式划分

①连续控制系统　控制系统中所有环节之间信号的传递是不间断的，且各环节的输入量和输出量之间存在着连续的函数关系，因而控制作用也是连续的。

②离散（断续）控制系统　控制系统中至少有一个采样元件把连续信号转换为有一定周期的脉冲信号，因而控制作用是不连续的。例如，在计算机控制系统中，由于信号是以断续的脉冲形式出现的，它和一般连续信号有别，因而称为离散控制系统或采样控制系统。

③继电作用控制系统　控制系统中某一环节具有继电特性，即该环节的输出量幅值保持恒定，但其有无输出或输出的方向和大小取决于输入量的大小。继电器的双位控制系统即属此例。

1.4.6　按控制系统的特性划分

①线性控制系统　指控制系统的所有元件、部件都是线性的，系统输入与输出之间可以用线性微分方程来描述。

②非线性控制系统　指控制系统中存在非线性元件、部件，系统输入与输出之间需要用非线性微分方程来描述。

描述控制系统的微分方程中，输入量、输出量及各阶导数都是一次的，且没有交叉项，则该方程代表的是线性控制系统。如果描述线性控制系统的微分方程的各系数均为常数（即线性定常微分方程）， 则系统称为线性定常控制系统。

在工程上控制系统的形式多种多样，各具特点，分类方法很多。随着自动控制技术的不断进步和完善以及智能化仪表和计算机控制的应用，自动控制系统的形式越来越多，有些控制系统可以是不同类型系统的组合，这里不再一一说明。在所有的自动控制系统中，最常用最基本的控制系统是线性、定常、闭环、单输入单输出控制系统。