反馈控制系统的基本概念汤.ppt

1,轮机自动化基础,主讲： 汤 旭 晶,2,第一章 反馈控制系统的基本概念,第五章 频率特性法,第四章 时域分析法,第三章 控制对象的动态特性,第二章 自动控制系统的数学模型,第六章 控制器作用规律,轮机自动化基础,本章的基本要求,第一章 反馈控制系统的基本概念,1-1 引言 1-2 自动控制系统的基本方式 1-3 反馈控制系统的概念 1-4 自动控制系统的性能要求 ,第一章 反馈控制系统的基本概念,自动控制：是指在没有人参与的情况下利用控制器使被控对象 (指生产设备或生产过程）自动地按预定的规律运行。 发展：机械化 电气化时代自动化、信息化、智能化,控制理论的发展：(工程控制论） 1、经典控制理论 4050年代形成 (Single-input &.Single-output system) 基于：二战军工技术 目标：反馈控制系统的镇定 基本方法：传递函数，频率法，PID调节器 (频域),2、现代控制理论 6070年代形成 (Multi-input &.Multi-output system) 基于： 冷战时期空间技术，计算机技术 目标：最优控制 基本方法：状态方程 （时域）,1-1 引言,3、智能控制技术 60年代中期开始发展 专家系统 模糊控制 神经网络 4、正在发展的各个领域 自适应控制 大系统理论 H鲁棒控制 非线性控制（微分几何，混沌，变结构）,自动控制发展的历程(王广雄教授) 百家讲坛录像,1-1 引言,人们普遍认为最早应用于工业过程的自动反馈控制器, 是James Watt于1769年发明的飞球调节器，它被用来控制蒸汽机的转速。后来此机械装置被广泛应用。,1-1 引言,用于船舶推进器中的离心式调速器,1-1 引言,用于船舶推进器的电子式调速器,1-1 引言,1-2 自动控制的基本方式,1.开环控制系统(open-loop) 控制系统的输出量对系统的控制作用没有任何影响。 按给定值控制（测量给定值） 按扰动补偿（测量破坏系统正常运行的扰动）,自动控制系统=控制器+控制对象 Automatic Control Systems = Controller+plant,Fig.1-1,闭环系统实质：通过偏差消除偏差,主要特点为： 闭环负反馈控制，即按偏差调节； 抗扰性好，控制精度高； 系统参数要适当选择，否则可能不能正常工作。,Fig.1-2,1-2 自动控制的基本方式,3.复合(compound)控制系统,为了提高系统的快速性和精度，除了主反馈回路以外前置滤波或扰动补偿装置，这种开环与闭环结合的系统称为复合控制系统。 开环控制粗调 闭环控制细调,Fig.1-3,1-2 自动控制的基本方式,1-3 反馈控制系统的概念,反馈控制系统的组成 反馈控制系统的结构方框图 反馈控制系统的分类,、控制对象：被控制的设备或过程（冷却器）。系统的输出就是指被控对象的输出（或称被控量）。 、控制器（或称调节器）：根据偏差按一定规律输出控制量，送至执行机构。它有两个输入，即设定值输入和测量值输入。 偏差 = 设定值 测量值 、执行器（执行机构）：接受控制器送来的控制信号，驱动调节机构，作用于被控对象。 、测量变送器（测量单元）：将被控对象的物理输出量，即被控量转换为标准信号输出（也称测量输出），送到调节器，作为反馈信号。,Fig.1-4,1.反馈控制系统的组成,1-3 反馈控制系统的概念,2.反馈控制系统的结构框图,特点: 信号传递单向性 ； 闭合回路（闭环系统）； 负反馈：反馈通道的信号与前向通道的信号相减。 反之，则为正反馈。 控制单元根据偏差进行控制，因此又称偏差驱动。,Fig.1-5,若控制单元、测量单元和执行单元合为一体，则称为基地式控制仪表；若三者分开，则称为组合式控制仪表。,1-3 反馈控制系统的概念,3.反馈控制系统的分类,1. 按给定值的形式： （a）定值控制；（b）程序控制；（c）随动控制。 2. 按动作方式： （a）连续控制；（b）断续控制（双位控制或多位控制） 3. 按控制精度： （a）有差调节；（b）无差调节 4. 按变量数： （a）单变量控制；（b）多变量控制 5. 按系统性质： （a）线性控制系统；（b）非线性控制系统 6. 按应用理论： （a）基于经典理论的控制； （b）基于现代控制理论的控制（最优控制、自适应控制）； （c）智能控制（模糊、神经、专家、自学习控制）,1-4 自动控制系统的性能要求,1.自动控制系统的稳态与动态 稳态(Static)：被控量不随时间变化的平衡状态。（静态） 动态(dynamic)：被控量随时间变化的不平衡状态。（瞬态）,Fig.1-4b,2.自动控制系统的过渡过程,根据过渡过程的特点，控制系统可分为： （1）发散过程 （2）等幅振荡过程 Fig.1-14 （3）衰减过程 （4）非周期过程 其中， （1）、（2）称为不稳定过程；（3）、（4）称为稳定过程。,Fig.1-8,过渡过程(transient)：指自动控制系统在动态中被控量随时间的变化过程。或者说是从一个平衡态过渡到另一个平衡态的过程。,1-4 自动控制系统的性能要求,为便于系统分析，定义几种常见的系统输入信号： （1）阶跃输入： Fig.1-9 （2）速度输入 ： Fig.1-10 （3）加速度输入： Fig.1-11 （4）脉冲输入： Fig.1-12 （5）正弦输入： Fig.1-13 其中，阶跃输入对系统的工作最为不利。,1-4 自动控制系统的性能要求,3.自动控制系统的典型输入信号,4自动控制系统过渡过程的性能要求 方法：给系统施加阶跃输入，得到系统过渡过程曲线，分析系统过渡过程的各项性能指标。 采用阶跃输入的原因： （1）信号的阶跃变化在实际中比较常见（近似的阶跃变化）； （2）阶跃信号的数学处理比较简单； （3）阶跃输入对系统的工作最为不利。 评定系统过渡过程性能指标的三个方面： （1）稳定性；（2）准确性；（3）快速性。,1-4 自动控制系统的性能要求,fig.1-14,4自动控制系统过渡过程的性能要求 过渡过程评定指标: （1）稳定性：系统受到扰动之后能够恢复到稳定状态的能力。实际控制系统，至少要求是衰减过程或非周期过程，以衰减为佳。 评定指标：衰减率 ，衰减比N （a）定值控制系统：给定值不变，外部扰动发生阶跃变化； fig.1-15 （b）随动控制系统：假定外部扰动不变，给定值阶跃变化。 fig.1-16 ,闭环系统稳定是前提,1-4 自动控制系统的性能要求,4自动控制系统过渡过程的性能要求 （2）准确性：被控量偏离给定值的程度 评定指标： （a）定值控制系统：最大动态偏差emax；静态偏差ys fig.1-15 （b）随动控制系统：最大动态偏差emax；超调量；静态偏 差ys 。 fig.1-16 ,1-4 自动控制系统的性能要求,4自动控制系统过渡过程的性能要求 （3）快速性： 评定指标：过渡过程时间 ts从扰动发生到被控量又重新 趋于稳定达到新的平衡态所需的时间 此外还有振荡频率、振荡次数等 fig.1-15 fig.1-16 ,1-4 自动控制系统的性能要求,过渡过程的性能指标的要求(总结）： （1）定值控制： （a）动态偏差和静态偏差要小； （b）衰减率最好在0.750.9之间； （c）过渡过程时间要短 （2）随动控制： （a）超调量要小； （b）过渡过程时间要短； （c）振荡次数要少,1-4 自动控制系统的性能要求,本章的基本要求,第一章 反馈控制系统的基本概念,Q1,V2,Q2,V1,H,F,Fig.1-1 液位控制系统示意图,fig.1-1 液位控制系统示意图,Q1,V2,Q2,V1,H,F,+E,+E,浮子,控制器,电动机,Fig.1-2 液位控制闭环系统示意图,fig.1-2 液位控制闭环系统示意图,fig.1-3 复合控制系统结构方框图,控制 装置,执行 机构,控制 对象,反馈 装置,被控量,给定信号,+,-,前馈 装置,扰动 补偿,外部 扰动,fig.1-4 电动仪表控制的主机冷却水温度控制系统,温度变送器,控制器,伺服放大器,执行器,蝶阀机构,温度传感器,主机入口,主机出口,冷却器,海水,fig.1-4a 柴油机气缸冷却水温度手动控制过程,冷却器,三通阀,淡水泵,主机,眼,脑,手,海水入口,海水出口,手动控制过程：,Fig.1-4b,温度计,fig.1-4b 柴油机气缸冷却水温度自动控制过程,冷却器,三通阀,淡水泵,主机,手,海水入口,海水出口,自动控制过程：,温度变送器,调节器,执行机构,Fig.1-4,温度传感器,fig.1-5 自动控制系统结构方框图,控制 单元,执行 单元,控制 对象,测量 单元,p(t),q(t),y(t),b(t),r(t),e(t),+,-,e(t)偏差信号 e(t)=r(t)-b(t) y(t)被控量 p(t)控制量 f(t)扰动量,f(t),fig.1-8 自动控制系统过渡过程曲线,fig.1-9,t,r(t),0,R,t,r(t),0,Rt,t,r(t),0,1/2Rt2,fig.1-10,fig.1-11,t,r(t),0,fig.1-13,fig.1