任务1 系统与控制的定性认识

3.1.1 系统与控制

系统与控制，是认识控制系统时遇到的两个概念。首先要把这两个基本概念搞清楚。

什么是系统？按钱学森的说法：“系统是控制论的研究对象。”系统，是由相互制约的各个部分组织成的具有一定功能的整体。一台设备，一个电路，一套生产流程，我们都要从控制其功能的角度出发，用系统的眼光来理解。

有系统就有控制，就要控制。什么是控制？控制就是对系统施加影响，使其达到所需要的功能状态。例如，一个电路，调节其中某个电位器或电容器，使电路具有一定电流或电压。如一台设备，调节其中某个手轮使设备具有一定转速等。

影响系统功能的因素有两种，一种是可以按人的意思加以改变的因素，通过改变这种因素去影响系统的功能状态就是控制。直接由人去改变的，称为人工控制。按人事先设定好的程序去自动改变的，称为自动控制。另一种是人无法预知、无法影响的因素，例如，电网电压的波动、负载的变化、环境湿度的变化等。这些因素变化时，会影响系统的功能状态发生变化。这类因素称为干扰或扰动。例如，电网电压升高，电动机转速会加快。负载增大，电动机转速会减慢等。

例1 如图3.1.1所示的手控供电电源系统

为了向负载RL输出一定的电压Uo和电流Io，可以手动改变调节电阻器RP的位置，即改变电阻器上的压降，从而得到

Uo=Ui-Ur=Ui-Ior

这时整个电路是一个系统，电位器就是一个控制器。改变电阻器的位置，以获得所需要的输出电压就是控制。而网压的波动，负载的变化，都在不断干扰这种控制，使输出电压偏离目标值。

例2 手控直流调速系统

如图3.1.2所示的是一个手动控制直流电力传动系统。我们希望工作机以某个恒定转速运行。为此对系统进行手动控制。办法是改变给定值调节器（即电位器）的位置，使其输出一个适当的控制电压，这就是转速的给定电压，是系统的输入控制信号。这个信号会使晶闸管触发电路生成的触发脉冲相位移相到某个位置，从而使晶闸管整流器输出一定的直流电压加到直流电动机的电枢上，电动机以转速n拖动工作机运行，n就是系统的输出。

上面举的两个例子，就是开环控制系统。开环控制系统的输出由输入决定，而输入不受输出的影响。

开环系统可以用时域函数描述为

其中r（t）、c（t）、g（t）都是以时间t为自变量的实函数，即时域函数。在例1中，r（t）是电位器调节旋钮的转角，c（t）是输出电压，g（t）则是该手控供电电源系统。在例2中，r（t）是速度给定手动输入（电位器）的转角，c（t）是电动机轴的转速，g（t）则是该手控直流传动系统。g（t）可以看成是系统的一种运算。通过这种运算，系统把输入信号r（t）变成了输出信号c（t）。这种运算通常包含微分和积分运算，研究起来非常麻烦。如何化繁为简，寓思于算，是一个大问题。

在学习电工基础时，已经遇到过这类问题。用正弦函数来表示交流电量，虽然是很准确的，但运算起来却很麻烦，思考起来也很费周章。为了化繁为简，寓思于算，我们建立了一个变换，将时域中的三角函数映射为复域中的复数——三角函数的“象”，即

用对复数的运算来代替对三角函数的运算，结果立竿见影，化难为易。现在也有类似的办法来处理控制系统研究中遇到的问题。办法就是利用拉普拉斯变换，把时域函数r（t）、c（t）、g（t）映射为复域中的映象，即

用对映象的运算来代替对原函数的运算，这时时域中的控制系统模型变成了复域中的映象，即

同样也可以达到化繁为简，化难为易，寓思于算的目的。

在数学上，拉普拉斯变换是怎么进行的？在物理上，拉普拉斯变换的真实含义要怎么理解？搞清这些问题很不容易。这也不是我们的主要目的。碰到这类问题，我们先承认，用了再说，边用边体会，日后再学习。

3.1.2 系统的扰动与调节：由开环控制到闭环控制

在控制系统中，控制与干扰是一个基本的矛盾。对于一个系统，干扰无处不在，无时不在，它常常是系统调试和运行中遇到的最头痛的问题之一。

对于例1，网压是时时在波动的，负载也是经常在变化的。要保持输出电压或电流的稳定很不容易。在手控系统中，怎么对付这些扰动呢？只有盯着电压表或电流表，一旦发现输出电压或电流偏离了给定值，就赶快调节电阻器，改变电阻器上的电压降Ur，抵消扰动引起的输出电压Uo或输出电流Io偏离给定值的变化，把输出量拉回来，或至少拉回到允许的范围中来。这种针对扰动而采取的操作控制，称为调节。这里进行的是手动调节，这是一种很粗糙的调节。

为了进行调节，操作者要看输出电压表或电流表。一边看表，一边调节电阻器，这就是测控。调节就是测控。虽然这是很简单的测控，是人工调节，但测控的要素、调节的要素一个也没少。根据测量结果进行调节，这就是反馈控制，是测控。

反馈就是用输出量返回去影响输出量。使输入量得到增强的反馈是正反馈。使输入量受到削弱的反馈是负反馈。系统受到扰动时，输出量偏移给定值。如果输出量变大了，应该减小输入量；如果输出量变小了，应该增大输入量；这样才能把输入量拉回来。这种反馈就必须是负反馈。只有负反馈才能对抗系统的扰动，把输出量拉回来。正反馈不但不能稳定系统，而且还会“火上浇油”，使输出偏离越变越大，直至“飞车”。

没有测量，就没有控制。没有反馈，就没有调节。开环控制系统是没有反馈，没有自动调节的系统。但人工调节还是要的。如果扩大开环控制系统的范围，把操作者与系统看成一个整体，一个更大的系统，人的眼、脑、手参与系统的测控调节，那就仍然是一个负反馈控制系统。所以，绝对意义上的开环控制系统是没有的，是无法使用的。

这些概念和道理，也可以从例2中引出。在工程技术和工业生产中，类似的例子很多。能说明的例子越多，对控制系统、控制原理的理解就会越深刻。把人也包含在内的一个广义的测控系统，由人来担任测量与反馈控制这样重要的角色，必然使系统的性能大打折扣。人不适合做这种事，也做不了这种事。人适合做的，是机器无法做的事情。机器能做的事情，不该由人做。如果用自动装置来代替人的眼、脑、手进行系统的测控调节，人工控制系统就变成了自动控制系统。这才是真正的闭环控制系统，或负反馈控制系统。

例3 自控供电电源系统

把图3.1.1的手控调压电源改为自控稳压电源，就得到了自控供电电源系统，如图3.1.3所示。

图3.1.3所示是电压闭环自动控制系统。这个系统用电压采样器代替开环控制系统运行时人的眼睛；用比较放大器来代替开环控制系统运行时人的大脑；用工作在线性放大状态的晶体管作为自动电压调节器来代替图3.1.1中的手控电阻调压器，从而使自动稳压供电性能大大高于手控调压供电性能。系统的自动调节稳压过程如下。

① 采样：由采样器按一定比例采出输出电压Uo的变化量UB2，即输出电压的变化信息。

② 误差检测：采样电压UB2与给定电压UZ相比较，得出误差电压UBE2=UB2-UZ。这个电压的极性和大小代表了输出电压偏离给定值的方向和程度。这是检测获得的信息，是进行自动调节的依据。

③ 误差放大：要得到很好的调节性能，就要将检测到的误差放大，使得哪怕很微小的输出电压变化，也会得到及时有效的调节。使调节的精度和输出的稳定性大大提高。误差放大由电压放大管VT2来承担。VT2将电压信号UBE2放大，转化为集电极电流信号IC2，然后用R1进行I/U转换，将电流信号变为电压信号，即驱动调整管VT1的电压信号UBE1。UBE1的变化量△UBE1，代表了为了应对扰动，应该施加于调整管VT1的控制信息。

④ 电压调节：UCE1随着UBE1的变化而变化，其变化的大小和方向恰好抵消扰动引起的输出电压变化，把Uo拉回原位，即

Uo=Ui-UCE1

全部测控调节的过程，可以用下式来描述，即

这是一个闭合的自动调节回路，是用一个一个的因果关系串联起来的测控信息回路。这个信息回路隐藏在电路图3.1.3中，我们读懂了电路图，才把它挖出来，画成控制系统方框图，如图3.1.4所示。

例4 转速负反馈直流传动系统（把例2加上转速负反馈）

要使图3.1.2中手动控制的直流电动机以恒定的速度运行是非常困难的。电网电压的波动、工作机负载的变化，都会使直流电动机的速度改变。操作者根据所看到的速度变化去操作给定值调节器，力图使速度恢复原来的值，但由于速度测不准，眼睛看不清，手脚反应慢，实际上很难达到目的。只有改用自动调节装置来代替人的操作，构成一个自动控制直流电力传动系统，才可能解决问题。如图3.1.5所示，增加了一个测速发电机对转速进行自动测量来代替人的眼睛，增加了一个调节偏差比较器将测得的转速与给的转速进行比较，求出调节偏差，以代替操作者的估计；又增加了一个具有比例特性和时间特性的调节器，根据求出的调节偏差来发出调节指令，实时改变触发脉冲的相位，从而改变晶闸管整流器的输出直流电压，以使转速返回原值。这个自动调节系统如图3.1.5所示，调节过程如图3.1.6所示。

3.1.3 闭环控制系统的基本结构和功能

与前面的开环控制系统不同，图3.1.6的系统引入了负反馈，是一个闭环控制系统。

闭环控制系统是在只有前向通道的开环控制系统上加上了反向通道。图3.1.7是闭环控制系统的基本结构框图。

如前所述，我们不用时域函数来表达控制系统的结构，而用时域函数在复域中的映象（即拉普拉斯变换）来描述控制系统，是为了使问题变得更容易、更简单。

开环系统的结构框图如图3.1.3所示，输出信号C（s）与输入信号R（s）之比就是G（s），我们称G（s）为开环控制系统的传递函数，即

有了传递函数G（s），便可由输入信号R（s）求输出信号C（s）：

C（s）=G（s）R（s）

加上反馈通道之后，系统的传递函数，即输出信号C（s）与输入信号R（s）之比会怎么变化呢？由输入信号R（s）怎么求输出信号C（s）呢？为了弄清这个问题，首先根据图3.1.8中所显示的因果关系，列出三个基本方程，即

C（s）=G（s）E（s）

B（s）=H（s）C（s）

E（s）=R（s）-B（s）

联解三个方程，便可求得输出信号C（s）与输入信号R（s）之比，即闭环控制系统的传递函数为

根据闭环系统的传递函数，可以由输入信号R（s）求输出信号C（s），即

当时，即

这是关于闭环控制系统的两个基本公式。这两个公式说明，由于加入了负反馈通道，确实改变了控制系统的特性。控制系统的性能能否满足控制的要求？向系统加上输入信号R（s）时，输出信号C（s）是否会如我们所期望的那样变化？受到扰动时，系统会如何响应？能不能进行我们所要求的调节？等等。根据这两个公式，便可以对这些至关重要的问题进行研究、判定和设计了。

3.1.4 控制系统的调节品质

调节是一个动态的过程。在受到干扰时，调节是使系统向原有状态恢复的动态过程。在改变给定信号时，调节是使系统由原有状态进入新状态的动态过程。

总之，调节使系统向一个新的目标前进。这个目标是否是我们所期望的，是否符合我们的要求？这个前进的过程是否也满足我们的要求？等等。这都涉及系统的特性，涉及系统的调节品质的问题，需要进行分析、衡量和判断。

首先要考虑的是系统的稳定性。在新的目标处，系统的输出是不是稳定的？调节能不能使系统进入一个新的、稳定运行的状态？如果能够进入这种状态，系统才有可能应用，调节才有可能进行。如果系统进入一个振荡的状态，或进入一个发散的状态，这系统还能用吗？

其次是调节的快速性和平稳性。如果系统能够进入一个新的目标状态，并稳定的运行，但进入的过程却太慢了，太不平稳了，那系统的调节品质是不好的。什么是不平稳？就是调节太过头了，称为过度超调。然后又返回来，出现不足。系统在超调与不足之间多次振荡，自然是不平稳了。要等到振荡消失，需要很长时间，自然是太慢了。如果系统在运行中频繁地受到干扰，或需要频繁的进行操作，这种不好的调节品质还能令人容忍吗？良好的调节应该是适度的、平稳的、快速的调节。

再次是调节的精确性。也就是调节过程终了时，系统的实际状态离目标状态还有多远？如果是对抗扰动的调节，系统的状态能完全回到扰动前的状态吗？如果不能完全返回，离原来的状态还有多远？如果是改变给定状态的调节，则调节完成之后，能完全到达新的目标状态吗？如果不能完全到达，距离又有多远？这些都是调节的精确性问题。很明显，调节的精确性越高，调节品质便越好。

调节是一个复杂的过程，对调节品质的衡量是多方面的。这种衡量还应该是定量的，可以测量，可以通过调试来改善的。不过作为初步的定性的认识，我们只是从上面三个基本方面论述了对调节品质的衡量与要求。这三方面的要求是互相关联、彼此制约的要求。首先要保证系统的稳定性，在系统稳定的前提下，力求提高调节的平稳性、快速性和精确性，最后做到综合满意，整体优良。

3.1.5 认识调节对象的各种传递特性

控制系统是由调节器与调节对象两部分组成的。调节与被调节，是控制系统的一个基本矛盾。认识与掌握控制系统，要把握住这个基本矛盾。调节对象，就是系统中进行能量变换的子系统，包括进行电能/电能变换和电能/非电能变换的子系统。这种变换，要求进行严格的控制。调节器，就是系统中对能量变换进行测控的子系统，包括进行非电信息/电信息变换及电信息变换的子系统，或者包括反馈通道中的信号传感器、信号调理器、信号转换器、信息采集器等，也包括前馈通道中的信号合成器、信号放大器、信号补偿器等调节器。

调节对象的变换功能是构成系统的基础，调节器的测控功能是系统的主导。基础与主导的结合、变换与测控的结合就构成了控制系统的完整功能。要处理好调节器与调节对象的关系、构成一个优良的调节系统，应该以调节对象的特性为依据，从分析认识调节对象的特性入手。

调节对象的特性，就是能量流、信息流在调节对象中进行变换传递的特性。调节对象是由一些能量变换环节，如电能变换中的电动机、发电机、整流器、变频器、电阻、电容等，以及非电环节如管道中的流体、贮槽中的液位、气体或液体的压力等等组成的。这些环节的传递特性各有特点，组合在一起，就构成了调节对象的特性。

所以，要认识系统，必须认识系统中调节对象的特性。要认识调节对象的特性，必须认识组成调节对象的各个传递环节的特性。具体问题要具体分析、具体解决。

在工业调节对象中，典型的传递环节如下。

① 比例传递环节：输出量与输入量成正比。例如，分压器，测速发电机等。

② 积分传递环节：输出量是输入量对时间的积分。例如，电力拖动系统中转速是加速转矩对时间的积分。

③ 一阶惯性传递环节：输出量按指数规律随输入量上升，例如，RL串联电路中通过电感的电流、RC串联电路中电容上的电压、直流电动机励磁绕组中的磁通、直流电动机电枢电路的电流。

④ 二阶振荡传递环节：输出量跟随输入量增加，并通过衰减振荡延迟。例如，RLC串联电路中电容器上的电压、直流电机等。

⑤ 超前传递环节（理想微分环节或PD环节）：输出量与输入量的变化速率成正比。例如，直流电机励磁绕组的电流。

⑥ 缓冲环节（实际微分环节）：输出量与输入量及输入量的变化速率成正比，并随时间衰减。

⑦ 延迟传递环节：输出量与输入量成正比，但在时间上有一个固定的延迟。例如，晶闸管相控整流器。

各种实际设备的传递特性，要进行准确的定量分析是比较复杂的。这里我们只作一个定性的理解，并记住实际存在的几种输入—输出关系：比例（P），积分（I），微分（D），惯性（P-T），以及延迟（P-T）。

经过以上这些分析我们可以明白，在调节对象中进行的电能/电能变换或电能/非电能变换并不是那么简单的。被变换的能量每经过一个传递环节，都要打上这个环节的印记，带上这个环节的特性。从信息传递的角度来看，传入的控制信息也会随之发生变形。输出信号与输入信号相比，不仅比例会发生变化，相位和波形也会发生变化——可能产生了误差，也可能发生延迟或超前，还可能发生波形畸变，甚至还会出现振荡等。实际的输出量可能不是我们所期望的输出量。

3.1.6 对调节过程进行信息采样

要使调节过程的相关变量特别是输出量符合调节的要求，就要进行信息采样，将变量的实际大小、相位、波形信息都采出来，才能进行有的放矢、对症下药的调控。

首先要解决的是采什么，采哪里。这要从分析能量变换的过程和原理来选择和确定。基本原则是控什么，采什么；控哪里，采哪里。其最重要的是输出量的信息采样。输出量是电压，就要采电压；是电流，就要采电流；是转速，就要采转速。输出量有多个时，要控制哪一个？要稳压，采电压；要稳流，采电流；要调速，采转速。除了输出量外，有些中间环节、中间变量，如果需要控制，也需要采样。

采样的对象各不相同，但采样目的和要求是一样的。把目的要求搞清楚了，才能正确的进行采样，理解采样。

采为控，控要采。采样的目的，是要采集控制过程中的信息，即能量变换过程中的信息。稳压电源要采集的是电压波动的信息；稳流电源要采集的是电流波动的信息。调速系统要采集的，是转速变化的信息。采集这些波动与变化的信息，以便抑制和消除波动与变化。这些信息总附着在电压中、电流中、转速中，为了调控，要把它们采出来。因为采样的目的是为了获得调控所需要的信息，所以采样的共同要求是，不管用什么方法进行采样，都要保持信息的完整性、真实性、准确性、实时性。离开了这些要求，采样就没有意义了。要采样的信息存在于采样信号中，对采样信号的获得、变换、处理和传送，都必须记住这些要求。

采样的目的要求都一样，采样的方法却各有不同。首先要分清连续采样和离散采样这两类不同的采样方法。如果是连续量模拟控制系统，需要的是连续采样。设系统的输出量为y=y（t），即y是时间的函数。由于扰动的原因或调控的原因，y（t）随时间而变化。我们希望通过调控使y（t）保持不变，就要对y（t）进行采样，采出y（t）变化的信息。这y（t）可能是电压、电流、功率、频率、相位、转速、压力、温度、流量、液体等。通过采样，应得到与y（t）按一定比例k1或k1相似的电压信号y1（t）或y2（t）。图3.1.8是采样信号与采样对象的关系图。

y1（t）与y（t）的关系应该为

y1（t）=k1y（t）

如果y（t）是温度，用温度传感器采样后得到的y1（t）变为电压信号。电压信号中的信息与温度的信息应该是相同的。若电压太低，如果是mv级的，则不能直接使用，就要经过调理放大器放大后再使用。调理放大器的输入信号是y1（t），输出信号是y2（t），设调理放大器的放大倍数为k2，则

y2=k2y1（t）=k2k1y（t）

经过调理放大后的信号，才能送入温变控制系统中。这就是模拟控制系统的采样过程，如图3.1.9所示。这个可以表示为

y（t）→y1（t）=k1y（t）→y2（t）=k2k1y（t）

由y（t）→y1（t），是温度信号到电信号的变换；由y1（t）到y2（t），是微弱电信号到规范电信号的变换。这些变换由变换系数k1和k2来描述。k2是一个无量纲数，k1则是一个有量纲数，量纲是℃/V。无论怎么变换，有一个东西应该保持不变，那就是调节对象温度变化的信息。我们要求这个采样信息保持完整性、真实性、准确性、实时性。但实际情况是信号在变换过程中会发生失真，也同样会打上信号所经历过的各个传递环节的印记，发生相位、波形等的畸变。

如果是连续量计算机控制系统，则要求采用离散采样。离散采样过程示意如图3.1.10所示。

离散采样与连续采样有共同之处。实际上，离散采样时，信号也要经过传感器—信号调理变送器的信号变换过程。如果是模拟控制系统，这样得出的信号y2（t）就可以用了。但对数字控制系统，这个信号还不能用。还要经过两道工序，一道是把连续变量y2（t）按一定的采样频率进行离散采样，变为与连续变量y2（t）接近的阶梯变量y3（t）。由于y3（t）仍然是实数，即只在采样时刻才跳变的连续实数，所以还要把这个由十进制表示的实数转化为相近的二进制数。显然这两道工序都造成了一些信息损失。但以此作代价，换来数字控制系统的智能性、灵活性、易扩展性、可联网性和抗干扰性，还是很合算的。

3.1.7 传感器的特性测量

传感器是整个闭环中的一个重要环节。它的特性是系统控制特性的一部分。为了准确的了解系统和调试系统，需要对传感器的传递特性进行测量。

根据传递函数的含义，传感器的特性测量就是要测定传感器输出与输入的关系。测量方案图如图3.1.11所示。

图3.1.11中x表示传感器的输入信号，即需要传感的物理量，如温度、压力、流量、液位、转速、位移、电压、电流、功率等。u表示传感器的输出信号，通常都是电压信号。输入端的画法是示意的。如果x是电量，传感器便有两个端子，画法如图3.1.11所示。如果x是非电量，就没有电信号输入端子了，而是以接收非电量输入信号的传感头代之。

要按图3.1.11选择好输入信号x的调整给定方法。如果x是电信号，用调压器，分压器就可以办到。如果是非电信号，就要根据实际情况确定。例如，如果x是温度，可以用水作热源，通过加热来改变温度信号。然后，在输出端要接上一个适当的假负载，用来模拟传感器下一个传递环节的输入电阻。例如，如果后续环节是信号调理器，就用信号调理器的输入电阻作负载，这样测出的特性才切合实际。

再次，要选择适当的、合格的、经过校验的测量仪器，包括输入端和输出端的测量仪表。准备好数据记录和处理的表格和画图的坐标纸，测量就可以开始了。

给定x的一个值，记下u的对应值。x的变化范围，应该是传感器实际使用时被测量的变化范围，或传感器的额定检测范围。

测量完成之后，对数据进行处理。剃除疏失数据，将有效数据画到坐标图上，即得到传感器输出量/输入量的关系曲线，如图3.1.12所示。

这根曲线应该是一条直线。如图3.1.12所示的那样，如果不是直线，这个传感器就不好用了。

在数据处理表中或在坐标图上，可以计算输出量与输入量的比值或，这个比值表征了传感器的特性。

3.1.8 电压采样和电流采样

应用最多的电压采样方法是分压电路采样，电流采样方法是分流电路采样。这两种采样方法最简单、最便宜。

分压采样电路中可以设电位器，以便于调节采样电压信号的大小。分压采样电路应与负载并联。要注意把采样电阻放在GND端，而不能放在电源端。其原因是，所有的电压信号都是以GND为参考点来计算的。采样电阻放在电源端，或放在分压电路的中段都不可能与电路的其他部分有共同的电位参考点。此外，在远离GND处取采样电压，还可能使信号调理器输入端被传入过高的共模电压而损坏。分压采样电路的正确接法如图3.1.13所示。分压电阻选用精密电阻，最好用锰铜丝绕制。

电流不大时，采样分流电阻应该用锰铜丝制作。电阻值要用电桥精确量出。电流大于30A以上的分流电阻，应选用标准分流器。标准分流器并不标电阻值，而是标示分流器的额定电流与额定电压两个参数。要按照这两个参数来选择和使用分流器。额定电压就是通过额定电流时分流器两个电位端钮的电压，有30mV、45mV、75mV、100mV、150mV、300mV六种规格供选用。分流器实际上是一个电流/电压变换器，它把流过分流器的电流转变为电压信号。作为一个电流传感器，分流器有两个输入端钮和两个输出端钮。两个做在外端的较大的端钮就是电流信号输入端钮，应该与被检测电路串联连接。两个做在内端的较小的端钮是电压信号输出端钮，用于输出代表电流大小的电压信号。分流器与被测电路串联时，不能在电路中任意处随意串联接入，只能在电路的GND端串联接入。否则，分流器的两输出端可能将集成运算放大器承受不了的高共模电压传到运放上，造成损坏。分流器采样电路的接线方法如图3.1.14所示。

分流器的外形有明显的特征，查看设备电路时很容易找到。对于一台自己不熟悉的设备，查看电路时，先找到分流器，会对自己查清电路有帮助。因为找到了分流器，就找到了反馈信号线，反馈信号线的另一端，就是控制电路。设备的电路中，最难理清也最需要理清的，就是控制电路。

3.1.9 信号调理变送器和信号的规范化

控制信号的规范化，就是用于传送信息的信号必2015-12-29须符合电信号的相关标准。

电信号标准化是一个非常重要的问题。控制系统中有各种各样的设备，控制系统还可以连成网络。所有设备都按标准化信号来设计、制造和使用，才能实现设备的互相连接和协同工作。如果没有信号的标准化，要把设备组成系统，连成网络，简直是不可能的。

电信号分为电压信号和电流信号两类。两类信号各有特点，各有用途。电压信号适合设备内部传送信息。一般设备采用的都是电压信号，以电压信号形式来输入信息。输入计算机的电压信号，以及在控制检测仪表中的电压信号，早期用的是DC0～5V。如果以这种信号来表示0～100℃的温度，则0℃应该用0V来表示。100℃应该用5V来表示。如果温度的检测范围是0～200℃，则应以5V代表200℃。这种信号标准有一个缺点：在0点附近检测或传送的量误差大、不可靠。这是由二极管、晶体管的非线性特征引起的。PN结有一个死区电压，硅管约为0.5V，锗管约为0.2V。靠近死区的一段特性线，是曲线而不是近似直线。以0V来代表0点，信号的误差便很大。所以，为了避开这段非线性区，后来就将控制信号的标准由0～5V改为1～5V。若采用这个标准来表示0～1000r/min的转速，则1V表示0，5V表示转速为1000r/min。

除了计算机外，控制系统中还有各种电子器件，使用这些器件时，也要注意它们的电源电压。例如，DTL、TTL、STL、LSTTL器件的电源电压为+5V，HTL的电源电压为+15V，ECL器件的电源电压为-5.2V，-4.5V，CMOS器件的电源电压为+5V，+10V，+15V，+18V。微型继电器的电源电压为12V，24V等。各自的信号电平随其电源电压而变。用各种器件传送电压信号时，必须考虑其电压范围。把信号电平不同的电路连接起来时，必须进行电平隔离和转换，为此要选用相应的电平转换器。

电压信号、电平信号的缺点是抗干扰性能不强。厂区、车间里的干扰信号是很强的。烧电炉，拉开关，启动或切除大电机或重负荷，变频器、电焊机的工作，都会在电网中造成严重的干扰，并通过电网或空间传播，影响用电设备的运行。信号传输越远，影响越大，因为信号线上感应的噪声电压是与线的长度成正比的。有用的电压信号很容易被噪声淹没。尤其是反馈信号对干扰特别敏感。所以，传送电压信号要采取系统的抗干扰措施。例如，采用屏蔽双绞线作信号线，让两线上感应出相同的共模干扰，互相抵消；采用屏蔽线传送信号，并将屏蔽层接地；信号线穿管敷设；信号线远离动力线；避免信号线与动力线平行等。

电流信号与电压信号的特点相反。电流信号用于设备内部的工作不方便，但用于外部的信息传输却较电压信号更理想。因为电流信号是用电流的大小来代表信息。而干扰信号是以电平形式出现的。它们不能直接影响电流的大小。所以在工业控制中，用电流信号来载送测控信息是更好的选择。早期采用的电流信号标准是0～20mA。例如，如果用0～20mA电流信号来传送0～20MPa的压力信号，则1mA就代表1MPa，20MPa就对应于20mA。由于零点附近误差大，后来就将电流信号的标准改成了4～20mA，即以4mA来表示被检测量为0。

标准电压信号和电流信号都采用了零点迁移的办法，使信号检测更精确、更可靠。但要注意，零点迁移并没有改变信号中的信息，只是把信息保存得更好了。在控制系统中，传感器都装在现场的设备或管道上，控制装置则放在控制室里，两者的距离近的十几米，几十米，远的成百上千米。信号要传送这么远，是先把信号规范化后再传送，还是传送到控制室再规范？这是一个需要研究的问题。在现场要规范信号困难些，但规范后的信号更强，有利于传送中抗干扰。如果需要传送的是模拟信号，这个问题确实两难。一般是把信号送到控制室后，再规范，这样更容易做到。现在的计算机控制系统，都采用现场总线来传送数字测控信号了。系统的测控点有很多，分布在现场各处，现场总路线却只有两根，用特制的电缆像电话线一样敷设到了每一个测控点。各测控点的数字信号则在计算机或PLC的统一指挥下分时有序的轮流跑。这样做使系统大为简单，节省了大量的信号传输成本。按照这种测控模式。检测信号的标准化规范化必须在现场就地制作，就地完成，变成规范的数字信号。

传感器输出的电压信号，有的是V级的，有的是mV级的，甚至有μV级的。mV级的、μV级的信号不能直接用，必须先进行放大处理，变成标准化的模拟信号。这在前面已讲了一点。怎样把微弱的电压信号变成标准模拟电压信号呢？办法是用集成运算放大器构成信号放大电路进行放大。例如，LM324是工业电能变换与测控中广泛使用的一种封装了四个独立运放的集成运算放大器件，只需其中一个就可以构成一个简单的同相放大器，如图3.1.15所示。

把四个运放都用完，则可以做成一个精密的并具有很强的射极输出的信号放大器，如图3.1.6所示。

上述两个放大器是纯量值的放大器，图3.1.17所示的是某控制系统采用的反馈信号调理放大器，结构和功能更复杂，不仅有信号的量值放大，还有量值迁移及相位补偿，这些进一步的功能含义，留待后面再讨论。

从采样电阻采得的电流信号u2，与给定信号u1相减，经过运放U1作加法放大，得到中间信号u01=k1（u1-u2）。u01又经过运放U2进行比例积分放大，得到中间信号。再用迁移信号电压，将u02进行迁移，得到调理器输出信号。最后将经调理后的电流信号ui送到PWM控制器的误差放大器中，调控PWM的脉冲宽变。

反馈通道中的调节信息采样、采样信号调理、信号传输问题，就讨论到这里。从式（3.1.1）可知，输出信号为

当时，忽略分母中的1，可得近似式

可见，输出信号由输入信号R（s）与反馈通道传递函数

共同决定，基本上不受前向通道传递函数

的影响，这启示我们要认识反馈控制系统的两个重要特点：

① 加入负反馈后，系统输出信号对前向通道中的参数变化的敏感度降低，也就是系统的稳定性、可靠性得到提高。

② 输出信号对反馈通道中的参数非常敏感，调整传感器、信号调理器的参数（如放大倍数）对输出量的影响很大。懂得这个道理，对系统的调试、运行和故障分析非常重要。例如，如果系统在运行中突然变得不稳定，不能调节，输出量急剧增加，出现过载、超速、“飞车”，那就要好好检查反馈信号是否正常。

3.1.10 控制信号的给定

给定什么样的控制信号，与控制目的有关。按控制目的来区分，有定值控制和动值跟踪控制两类。

定值控制就是输出量应该是一个固定的输出值，实际输出值围绕这个给定的输出值波动。一旦输出偏离这个定值，系统就进行自动调节。力图尽快尽准回到原定值。给定值可以是某个电压、某个电流、某个转速、某个温度等。

动值跟踪控制，输出量应该跟踪某个变化的给定值变化。例如，给定了一个器件的轮廓和尺寸，切削刀具的运动轨迹应沿这个给定的轮廓走。给定了热处理炉子温度随时间而变化的曲线，实际的炉温度随这条给定的炉温曲线走，这样的系统，是随从控制系统。复杂的情况是，动值是不能给定的，它是按自身的规律而变化的，你不可能改变它，只能检测它，跟着它走。例如，中频感应电炉的负载频率，在熔炼过程中自动变化，中频电炉的逆变频率，必须跟随负载振荡频率的变化而变化，所以称为频率跟踪自动控制。中频感应电炉控制的关键问题就在这里。

如果要求输出的是正弦电压或电流，应该给定所要求的正弦曲线，系统的输出量瞬时值准确地跟着这条给定曲线变化。或者给定正弦量的频率、相位和有效值等，然后让电能变换装置按一定方式去生成相对应的正弦量。

我们现在主要是学习定值控制系统，这里只讲定值控制系统的给定值如何产生和调试。定值控制系统的给定值要符合几个要求：

① 给定值必须是一个稳定的直流信号，如果不稳定，输出量也会跟着不稳，所以，给定电路必须由稳定的直流电源供电。

② 给定值必须可以调整，所以，给定值电路必须有质量可靠，阻值及功率合适的电位器，碳膜电位器是不可靠的，应该选用绕线式电位器。

③ 给定值必须有一定的变化范围，这个变化范围应该与反馈信号的变化范围一致。例如，如果受控的是炉子的温度，其变化范围是0～1000℃，如果选用1～5VDC来表示0～1000℃，则1V代表0℃，2V代表250℃，3V代表500℃，4V代表750℃，5V代表1000℃。信号调理器的输出范围应该是1～5V，不能超出，也不能不足。给定信号的变化范围也应该是1～5V，不能超出，也不能不足。

给定电路如图3.1.18所示。

图3.1.18中，图3.1.18（a）的给定下限为ugmin=0V，给定上限为，所以。如果选用RP=3kΩ的电位器，则应选R=3×3=9kΩ，并且在调试时应该通过测量来证实给定信号的下限确实是0V，上限确实是5V。如果上限不对，应更换电阻R。

图3.1.18（b）电路的给定范围是1～5V。调试时，应在RP的输出端接一合适的电压表，将电位器转到下限位，即

再将电位器转到上限位，即

这两个方程中选定的量有三个，即R1，R2，RP，所以有无穷多组解，如果先选定RP=3kΩ，则方程组变为

剩下的未知数就只有R1和R2了，解方程就可以求得R1，R2。

更简单的办法是直接看图计算，即

计算值可以作为设计依据，但不能作为调试结果。调试应通过测量来确认ugmin=1V，ugmax=5V。如果达不到，应改变电阻。

信号给定电路中设有稳压管VD，以确保RP不会超过设计范围，因为ug要送到运算放大器的输入端，运算放大器对过电压是很敏感的。

3.1.11 给定信号、反馈信号、保护信号的综合

给定信号、反馈信号、保护信号要分别从调节器的入口送进去，经过运算放大，综合成为一个总的调控信号，对受控对象进行调控。所以，总的调控信号中，包含各种调控信号成分。系统正常运行时，保护信号没有输入，只有给定信号和反馈信号输入，调节系统的工作。如果系统出现故障，保护信号立即输入信号综合电路，并成为在总的调控信号中起决定作用的信号，封锁系统中控制信号的传递和电能变换的进行，实时实现对系统的快速保护。

信号综合，通常是采用反相加法运算放大电路，在其反相输入电路中来实现。我们先来看给定信号与反馈信号的综合。在控制系统方框图（见图3.1.4、图3.1.5）中，信号综合器称为误差检测器，表示如图3.1.19所示。

在电路图中，给定信号为ug，反馈信号为-uf，误差信号为ue=ug-uf，电路如图3.1.20所示。

由图3.1.20可知

根据KCL得

图3.1.20中，运算放大器同相输入端是接地的，所以反相输入端是接“虚地”的。因为运算放大器的输入阻抗近似为∞，开环电压放大系数也近似为∞，前一个∞使反相端无输入电流i-=0，后一个∞使反相输入端与同相输入端间的输入电压为0，即u-+=0，这种特有的“两无”（无输入电流，无输入电压）才导致了“虚地”的产生：似地非地，非地似地。电位为0，电流为0。根据虚地概念，可以画出图3.1.21的等效电路图如图3.1.21所示。

由图3.1.21得

代入式（3.1.2）得

最后得到电压放大倍数，即

式（3.1.3）说明什么？说明反相输入反馈运算放大电路的输入端确实得到了一个误差信号ue=ug-uf，它是给定信号ug与反馈信号uf的差。虽然这个信号在图上未画出，但它是确实存在的，并且经过反相放大倍后输出。

在实际设备中，反馈信号可能不止一个，而且还有各种保护信号。这些信号都并联在反相运算放大器的输入端，根据同样原理进行综合。图3.1.22是某中频感应电炉的信号综合与调节电路。

不难想象，每一路信号，都是由具有相应功能的一部分电路产生并传送过来的。可见，信号综合器是各路信号汇聚之所，是关键信号的必经之地。要弄清整个系统的原理，这是关键的地方。抓住这里，对于系统的设计、调试、运行、分析都至关重要。