闭环控制系统使用指南

闭环系统的例子包括维持烤箱的温度，控制罐液位，或调节流程中的流量和压力。其他例子可能包括维持伺服系统中的位置或扭矩，甚至控制关键溶液中的pH值或化学比例。这些例子中的大多数都需要使用某种比例-积分-导数(PID)算法以及用于执行器的模拟控制变量和来自传感器的模拟反馈。

大多数工业控制程序要求执行器和传感器之间存在某种因果关系。反馈并不总是典型的模拟形式，如4-20 mA或0-10伏。例如，编码器和解析器将是一个封闭位置或速度环的典型传感器，PID算法的周期将明显快于一个典型的过程环。转矩控制也可以结合位置信息和伺服电机的电流，创建一个完全不同的控制模式。来自传感设备的反馈通常是确保流程顺利运行的关键部分。

即使是非关键的过程，如将油箱或容器装满“大约满”，也需要离散传感器来确保液体不会溢出油箱。“High-high”(HH)传感器可以硬连接到控制系统中，物理上关闭泵或关闭阀门以防止溢流。同样的场景也可以用于“Low-low”信号，以防止离心泵损坏。

离散系统也常被认为是一个闭环。机械执行机构，如气动或液压缸，通常具有行程结束传感器，表明它们处于最终命令位置。而不是在每个增量步骤监控执行器的位置，计时器通常用于指示执行器花费太长时间才能到达其最终位置时的故障。

以下是在决定流程中如何或是否关闭循环时需要考虑的因素:

传感器成本:在前面提到的装满水箱的例子中，使用离散液位传感器通过某种软件算法激活泵/阀以确保平稳控制可能就足够了。即使这样，也可能使用硬连线备份，例如前面提到的HH传感器。模拟传感器通常比离散传感器更昂贵，因为传感元件和控制器输入卡。在大型加工厂中，这种成本可能并不显著。

在监控和数据采集(SCADA)系统中确保所有可能的过程信息都是可访问的，即使它对过程并不关键，这是一个悠久的传统。毕竟，控制传感设备的成本只是整个安装价格的一小部分。对于原始设备制造商(OEM)设备来说，利润率可能较低，成本可能是一个重要的竞争因素。

安全:如果存在人员受伤或死亡的可能性，则有必要尽可能多地了解该过程。对于在该地区工作的人来说，关闭锅炉系统的温度或压力回路可能意味着生与死的区别。为了精确控制和监测，不仅必须关闭回路，而且法律还经常要求由第三方专业人员安装冗余系统和经过认证的燃烧器控制系统。

产品损坏:有些产品，如半导体晶圆，需要精确控制温度、时间、位置和化学剂量。任何这些相关控制系统的故障都可能意味着数千个集成电路或处理器的整个晶圆的损失。同样，在传感和精确的回路控制上，没有任何费用可以节省。医药产品和医疗器械制造业也是如此。闭环会影响人类的安全，并防止昂贵产品的损坏。

部分符合性的关键性/重要性:过了一定程度，芝士泡芙和大多数糖果块的样子还重要吗?你是否曾经收到一袋要组装的零件，却发现多了一个螺栓或螺丝，或者更糟的是，少了一个?在这些例子中，控制不那么精确的后果并不那么严重。而不是不断地监控和控制过程，最终或在线检查质量，如称秤或机器视觉可能会被使用。

同样，以向水箱注水为例，如果目标只是保持水箱相对满，则可以使用一两个离散液位传感器以及计时器和阀门或泵状态来确定水箱中是否有水。如果水太多或太少，警报可能会响起，维修技术人员将能够解决这个问题。与使用测压元件、压力传感器或其他模拟测量设备相比，这是一种成本更低的选择，可以保持罐内的精确液位。由于离散传感器不需要校准，因此所需的维护也更少。

工业控制系统中的大多数过程都以这样或那样的方式关闭。如果传送带上的零件在到达加工站的途中经过传感器，计时器和编程最终会让操作人员知道零件卡住了或在到达目的地之前被移除。

对于维持测量的模拟输入值(如压力、液位或温度)非常重要，并且需要为不同的操作设置这些值的过程，除了对输出变量进行模拟控制外，可能没有其他选择。这通常涉及到一些PID算法。传感器、执行器和控制接口卡将比数字输入/输出更昂贵，并且需要校准。对于其他可选择闭环控制的情况，应考虑上述因素。

弗兰克羊肉他是自动化咨询有限责任公司的创始人，也是控制工程编辑顾问委员会。Automation Primer是CFE Media的内容合作伙伴。由内容副经理艾米丽·冈瑟编辑，控制工程， CFE传媒，eguenther@cfemedia.com．

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关键概念

• 因素考虑闭环控制
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