有效的控制需要反馈

闭环与反馈改进控制，测量和监测包装，过程和定制机械。检查实际输出情况和调整命令输出帮助机械自动适应不断变化的条件。开环系统最初可以节省资金，但几乎总是效率较低，不可重复，导致更高的总拥有成本。

反馈回路可以以许多不同的方式配置，但都具有相同的基本特征。输出信号控制器类型驱动影响被控制变量的设备。该变量的测量是传递给控制器的反馈信号(图1)。控制器将期望值与测量值进行比较以确定误差，并相应地调整其输出以使误差最小化，从而形成闭环系统。这与开环系统相反，在开环系统中，没有对被控变量的测量，迫使控制器盲目操作。

关闭流程上的反馈循环具有优势;实际的例子可以帮助说明基本的设计技术。下面的安装技巧和技术改进了新的和改造反馈应用程序中的闭环控制。闭环运动控制更为复杂。(请参阅本文底部的相关文章链接。)

关闭反馈回路

简单的离散反馈系统，如检测气缸行程结束的传感器，或在设备之间使用离散握手信号，而不是定时器来调整控制器输出，改善了控制和监测。同样的道理也适用于设计合理的过程闭环反馈。

闭环控制——包括测量、计算和校正——在世界各地的工程课程中都有教授。详细研究了拉普拉斯变换和相关函数，以解释和改进闭环控制。闭环控制系统的特点和优点是有据可查的，但闭环控制超出了理论范围，包括反馈优点的识别，以及反馈在特定机器操作和过程中的应用。

反馈控制的优点

在闭环系统中使用反馈可以通过自动调节控制器输出来减小误差，从而提高控制效果。这有助于减少动态干扰的影响。反馈还为不稳定的过程增加了稳定性，确保了可重复和可靠的控制回路。表1列出了向机器或过程添加闭环反馈的一些主要原因。

多年来，许多过程都是手动“调整”的，操作员通过调整控制器输出来减少误差。随着今天的传感器和控制器技术，许多这些开环可以利用反馈和控制器来改善操作。

减少人在反馈回路中的参与大大减少了过程变化，并允许持续改进，因为控制回路参数可以不断调整以优化控制。这些调整可以通过各种方式自动进行循环优化软件算法和程序，或由经验丰富的操作人员手动。在许多情况下，使用两种方法的组合，操作人员评估环路调优软件的建议更改，并明智地实施建议。

在24/7操作中使用反馈可以减少在换班时可能发生的工艺变化和变化，因为不同的操作人员将自己的旋转置于手动回路控制上。它还可以减少所需操作人员的数量，或允许操作人员和其他工厂人员专注于其他领域，如优化操作。

通过在控制器中执行反馈和变更控制功能来启用自动控制，过程可重复性和输出质量都得到了提高。

设计闭环系统

在过程控制和测量应用中，有许多类型的反馈装置可以帮助实际输出与期望输出相匹配。反馈传感器测量许多变量，如温度、流量、压力、液位、重量和位置(图2)。这些变量中的每一个都可以通过各种传感器、变送器和检测器进行感测或测量。因为有太多的选择，成本和性能差异很大，所以必须仔细选择反馈装置。表2中包含了一个帮助处理一些常见规范的检查表，在选择适当的反馈传感器时，可以将其用作指南。

一旦选择了传感器的类型，例如温度传感器，测量范围通常是驱动要求。重要的是要为意外的更改或流程升级留下足够的空间，但不要过多，因为这会对准确性产生负面影响，增加成本，或者两者兼而有之。如果传感器测量范围被适当地指定，那么大多数其他规格将落到位。反馈传感器的精度和分辨率是其他需要仔细考虑的重要要求，无论传感元件是发射机的一部分还是使用信号调节器。

传感器注意事项

有两种主要类型的传感设备，模拟和数字，也被称为智能传感器。

对于模拟传感器，必须考虑传感设备输出的分辨率及其在控制器处对应的模拟输入。只要有可能，最好坚持使用通用的12位分辨率，因为这样可以降低成本并促进标准化。升级到更高分辨率的16位或20位设备和输入当然是可能的，但通常不是必需的。

事实上，在需要更高分辨率的情况下，通常最好使用数字或智能传感器。这些设备通过高速高分辨率数字数据链路连接到控制器。虽然比模拟传感器昂贵，但它们通常比高分辨率模拟传感器和输入卡便宜。但是，即使是高速的数字通信网络也无法与模拟的速度相匹配，因此需要非常快的响应时间的环路通常使用模拟来更好地服务。

需要解决

如果温度变送器与0至100℃范围和<0.02℃分辨率工作与应用程序，一个12位模拟输入卡将足以保持所需的精度。在另一个例子中，压力变送器具有11位分辨率。将变送器的总量程除以2048，显示变送器模拟输出中相应变化所需的压力变化。使用常见的0-100 psi压力传感器，100/2,048 = 0.05，因此传感器将每0.05 psi压力变化一步改变其输出。这种分辨率水平对于大多数应用来说是足够的，特别是考虑到整个系统测量和控制的变幻莫测。

如果存在多个反馈设备，则反馈输出信号应尽可能保持一致。混合4至20 mA, 0至20 mA, 0至5 V dc, 0至10 V dc， +/-10 V dc，热电偶和RTD信号可以增加控制系统的复杂性。反馈输出信号可以指定在一个共同的信号水平，如4至20 mA，或插入设备可用于将其他信号转换为标准的4至20 mA。

环境问题

为环境指定适当的反馈装置是一个重要的设计考虑。刺激性的化学物质会迅速损坏不适当指定的设备，腐蚀性的液体和气体会加速标准反馈设备的恶化。使用化学电阻图检查反馈装置的选择是一个很好的做法，同时询问知识渊博的供应商并将规格与环境进行比较。例如，带有NEMA 4X规格的设备将适用于美国国家电气制造商协会(NEMA)列出的户外区域。

对重要过程的反馈必须加以处理并仔细指定，冗余和故障安全反馈技术通常是必要的。如果机器或过程在发生故障时必须继续，则应考虑备份系统或重复反馈控制方法，如果机器或过程在发生故障时必须自动关闭，也应考虑备份系统或重复反馈控制方法。动态响应，或信号响应时间，应该审查。对于大多数应用程序来说，达到50%全尺寸变化的典型动态响应时间为0.5秒。然而，一些传感器的响应速度可能会慢得多或快得多，从而影响反馈回路的性能。较慢的动态变化可以平滑和提高系统稳定性，但过快的响应会使环路不稳定。

反馈控制系统的应用

虽然大多数工程项目都教授传感器反馈和闭环控制，但有些人为了节省前期成本而在传感器上吝啬，往往忽略了闭环控制的长期好处。提高效率和减少过程浪费是控制系统中反馈的真正好处;尽管它们比前期成本更难评估，但仍必须仔细计算和考虑。

通过适当的反馈，可以提高精度、增加吞吐量和提高质量。例如，在灌装机的料斗中保持稳定，可靠的产品头部压力是通过反馈传感器实现的，这是提高精度的简单解决方案。提供一致和规范的原料供应可以提高产品质量。小心，自动控制的材料饲料减少溢出和提高生产率，并要求的变化是自动启用适当的反馈和闭环控制的设计。

一个可编程逻辑控制器或可编程自动化控制器(PAC)在许多闭环系统中提供逻辑，并提供重要的配置选项。智能继电器和低成本plc可以配置为以编程方式响应反馈。控制加热元件的接触器的接通时间百分比是简单闭环控制的一个例子。虽然这种类型的反馈和控制在许多应用中都有效，但它对输入干扰以及更复杂的手段(如比例-积分-导数(PID)控制或高级控制方法)没有响应。

高端的制度

高端plc将内置PID控制，这将提供更高程度的控制，特别是如果PID参数设置正确。PID控制输出通常发送到模拟输出通道，或者可以用作离散输出上的时间比例。通过模拟控制，输出也可以用作串级控制的另一个回路的设定值。

在设计控制系统时，反馈和闭环系统可以大大提高性能。确定反馈可以改善和优化机器操作和过程控制的领域。从各种可用的过程控制和测量传感器中仔细选择，并确保每个回路都用正确的参数编程。遵循这些步骤将改善您的机器和流程的操作，同时减少劳动力需求并提高质量。

Bill Dehner是AutomationDirect的工程师;内容经理马克·t·霍斯克编辑，控制工程，mhoske@cfemedia.com．

关键的外卖

• 反馈和闭环系统可以大大提高控制系统的性能，改善和优化机器的运行和过程控制。
• 选择适当的传感器以提供可靠的测量。
• 确保每个控制回路都用正确的参数编程。

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关于作者:Bill Dehner在他10年的工程生涯中，大部分时间都在为石油和天然气、电力和包装处理行业设计和安装工业控制系统。他拥有电气工程学士学位，目前在AutomationDirect担任工程师。

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