第一章船舶反馈控制系统基础ppt课件.ppt

DMU 船舶电气与自动化 船舶自动化 航教楼B区205 前言 什么叫自动控制 反馈控制系统 反馈控制系统的目的 把系统参数 如温度 压力 液位 粘度和转速等控制在所希望的最佳值上 前言 自动控制 无人参与 状态或参数按预定规律变化 如电站自动控制 主机遥控等 它分为经典控制理论 现代控制理论 经典控制理论 以传递函数为基础 单输入单输出现代控制理论 以状态空间法为基础 多输入多输出反馈系统 自动控制系统的一个分支 属于经典控制理论范畴 注重单输入单输出 能够将被控量达到最佳值 第一章反馈控制系统基础 1 1反馈控制系统的基本概念 1 2自动化仪表的基本知识 1 3调节器及其调节作用规律 1 4传感器与变送器 1 5执行机构 1 6反馈控制系统的参数调整 1 1反馈控制系统的基本概念 反馈控制系统的组成 反馈控制系统的传递方框图 反馈控制系统的工作过程 反馈控制系统的品质指标 1 反馈控制系统的组成 模拟人的手动操作过程即 人眼把所察觉的现象 结果传递给大脑的过程 反馈 用手动方式干预系统运行状态 达到控制目的 反馈控制系统用自动化仪表代替人的感知器官调节器代替人的大脑执行机构代替人的双手操作 返回本节 1 1 冷却器 三通阀 淡水泵 主机 眼 脑 手 海水入口 海水出口 温度变送器 调节器 执行机构 柴油机气缸冷却水温度自动控制过程 控制对象 被控制的设备或过程 系统输出就是被控对象的输出 即控制的运行参数 或称被控量 测量单元 测量变送器 检测被控量的实际值 即被控量转换为标准 统一的信号输出 也称测量输出 送到调节器 作为反馈信号 一般包括两部分 传感器 变送器标注气压信号 0 02 0 1MP标准电流信号 0 10mA 4 20mA标准电阻信号 0 5K欧姆标准电压信号 10V 20V 0 10V 控制对象测量单元调节单元执行机构辅助单元 1 反馈控制系统的组成 1 1 1 反馈控制系统的组成 1 1 电容式电动差压变送器 废气温度传感器 调节单元 控制器 具有某种调节规律的调节器 接收测量单元送来的测量值 与希望值 设定值 比较得到偏差信号 偏差e 设定值 测量值 根据偏差按一定规律输出控制量 送至执行机构 ife 0 测量值低 e为正偏差ife 0 测量值高 e为负偏差ife 0 理想 无偏差执行机构 执行器 接受控制器送来的控制信号 作用于被控对象 实现实际控制作用 气动系统 气动薄膜调节阀 气动活塞式调节阀电动系统 采用伺服电机 1 反馈控制系统的组成 1 1 1 反馈控制系统的组成 1 1 主机气动薄膜调节器 主机电子调速器 辅助单元 除了四个基本单元外 对于一个完整的系统还应该有若干辅助单元 如 指示被控量给定值和测量值的指示单元设定给定值的给定单元 设定单元 气动系统的气源装置电动控制系统还应该有稳压电源等 1 反馈控制系统的组成 1 1 1 反馈控制系统的组成 1 1 为了分析反馈控制系统工作过程 可把四个基本单元用方框表示 用带箭头的直线来表示信号在各单元的传递关系 传递方框图 2 反馈控制系统的传递方框图 1 1 自动控制系统结构方框图 调节单元 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r t 设定值y t 被控量b t 测量值p t 控制量q t 执行量f t 扰动量 f t 2 反馈控制系统的传递方框图 1 1 特点 1 信号传递的单向性 2 闭合回路 闭环系统 3 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 4 控制单元根据偏差进行控制 因此又称偏差驱动 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 2 反馈控制系统的传递方框图 1 1 环节 在传递方框图中 代表实际单元的小方框 特点 都有输入量和输出量 用带箭头的信号线来表示 箭头指向该环节的信号线为输入量 反之为输出量 输出量的变化取决于输入量的变化以及该环节的特性 输出量的变化不会直接影响输入量 信号传递的单向性 信号线在某处有分支 各个分支的信号具有等值特性 2 反馈控制系统的传递方框图 1 1 相关概念 扰动 引起被控量变化的因素统称为扰动 基本扰动 来自控制系统内部控制通道 调节通道 的扰动 如 给水调节阀开度的改变 三通调节阀开度的改变将等外部扰动 来自系统外部环境的扰动 如 锅炉负荷 外部用汽量 的变化将引起水位的变化 柴油机负荷的变化 海水温度的变化 淡水冷却器中水管结垢的多少等都会引起冷却水温度的变化 2 反馈控制系统的传递方框图 1 1 相关概念 基本扰动 外部扰动 系统的输入与输出 将各个基本环节看作一个整体 如下图 虚框外具有两个输入 一个输出 2 反馈控制系统的传递方框图 1 1 相关概念 反馈 系统输出的变化经测量单元送回到系统的输入端 这个过程叫反馈 符号 是一个比较算子 得到偏差值 正反馈 是指加强系统输入效应的反馈 它使偏差e增大 负反馈 是指减弱系统输入效应的反馈 它使偏差e减小 按偏差进行控制的系统必定是一个负反馈控制系统 但是 为实现某种作用规律和功能 常采用复杂的正 负反馈回路 2 反馈控制系统的传递方框图 1 1 相关概念 前向通道 在控制系统传递方框图中 从系统的输入端沿信号线方向到达系统输出端的通道称为前向通道反馈通道 从系统的输出端沿信号线方向到达系统输入端的的通道 2 反馈控制系统的传递方框图 1 1 相关概念 开环系统 系统的输出对系统的控制作用没有影响的系统 如图中A点断开 则变成了开环系统 开环系统不再是反馈控制系统分类 按给定值进行控制按扰动补偿进行控制 2 反馈控制系统的传递方框图 1 1 补充 A 外部扰动 液位开环控制系统示意图 按给定值 Q1 V2 Q2 V1 H F E 控制器 电动机 液位开环控制系统示意图 按扰动 Q1 V2 Q2 V1 H F 控制器 电动机 外部扰动 3 反馈控制系统的工作过程 1 1 稳态 控制系统在运行过程中 若输出量 被控量 不随时间变化而是稳定在给定值上或给定值附近的状态叫稳态 也叫平衡状态 静态 系统易受扰动 平衡状态 稳态 易破坏稳态是暂时的 相对的系统在受到扰动之后 被控量将围绕给定值产生波动动态 被控量随时间而变化的不平衡状态 也称瞬态 在调节器内外扰动的作用下 稳态 动态 动态 新的平衡状态不断建立 设系统处在平衡状态 稳定运行 突然外部扰动或改变给定值被控量发生变化测量单元把送被控量至调节单元在调节单元内部 计算偏差值e调节单元依据某种调节作用规律输出一个控制信号执行机构改变流入控制对象的物质或能量流量 被控量朝着偏差减少的方向变化 3 反馈控制系统的工作过程 1 1 3 反馈控制系统的工作过程 1 1 动态过程 系统从受到扰动开始到被控量稳定在新稳态值 称为动态过程 也叫过渡过程 1 2自动化仪表的基本知识 自动化仪表的主要品质指标 气动仪表的元部件及组成原理 1 自动化仪表的主要品质指标 机舱中自动化仪表应用最为广泛 用于各种控制系统中实现参数的测量 调节与显示等按所用能源分类气动仪表压缩空气作为能源 气源压力是0 14MPa气动仪表输入 输出信号为标准的气压信号 0 02 0 1MPa电动仪表电能作为能源 24V输入和输出信号是标准的0 10mA或4 20mA 1 2 1 自动化仪表的主要品质指标 按仪表的结构形式分类1 单元组合仪表 将控制系统的各个单元分别制成一台独立的仪表 彼此之间用标准的统一信号联系起来 2 基地式仪表 若把测量单元 调节单元和显示单元组装在一个壳体内 这种仪表则叫做基地式仪表 各单元已是不可分割的整体彼此之间不用标准信号加以联系 本章主要介绍气动单元组合仪表的结构 工作特性及管理要点 1 2 1 自动化仪表的主要品质指标 在机舱自动控制与监视过程中 人们总希望仪表所检测的参数与测量值完全相符 但是无论品质多好的仪表 所测结果与参数真值总有一定的差别 称之为 误差 1 基本误差 由于仪表结构中间隙 摩擦 刻度不均或分度不准等原因造成的误差 即仪表自身缺陷所致 在制造过程中通过加密加工可降低 2 附加误差 仪表在使用过程中受外界如温度 湿度 震动 压力等影响所引起的误差 一般采用相应的补偿措施加以降低 如热电偶温度传感器冷端温度补偿法 但无法彻底消除 1 2 1 自动化仪表的主要品质指标 3 绝对误差 A 又称指示误差 A A A0A为测量值 A0为被测参数的绝对真值 一般用高精度标准仪表所测的平均值获得 A不能完全反应仪表的精度 要与仪表的量程进行综合考量 4 相对误差 仪表的绝对误差所占该仪表指示值的百分数 不能够反应仪表的精度 A A 100 4 精度 0 最大指示误差 Amax占仪表最大测量范围 量程 A 的百分数 常用去掉 即 Amax A 的精度等级来衡量 如0 1 2 0 2 5等 0 Amax A 100 1 2 1 自动化仪表的主要品质指标 5 灵敏度S 仪表开始对输入信号开始有反应的灵敏程度 若仪表的输入变化量为 x 相对应的输出量变化为 y 则 S y x可见 S越大 越能测出微小的输入变化 1 2 1 自动化仪表的主要品质指标 6 不灵敏区d由于仪表活动部件的摩擦 间隙 弹性元件滞后等现象存在 当输入信号有一微小变化时 仪表输出仍然不变 该微小变化区的绝对值称为不灵敏区 7 灵敏限 0 或称灵敏阈 引起仪表输出有一微小变化 Ymin时 所需要输入量的最小值 Xmin称为灵敏阀或灵敏限指测量装置能够区分被测量最小变化量的能力一般认为不灵敏限等于1 2不灵敏区 1 2 1 自动化仪表的主要品质指标 8 变差 又称滞环误差 回程误差 n 变差表示在外界条件不变的情况下 仪表的输入作增大与减小变化时 对于同一真值 其输出指示值之间的最大误差 即仪表的正向特性与反向特性不一致的程度注 仪表的不灵敏区是由输入量的变化来表示 而变差是以输出量的变化来表示的 而这皆为仪表结构不完善度的标志 1 2 1 2自动化仪表的基本知识 1 2 2 气动仪表的元部件及组成原理1 气动仪表的主要元部件及分类弹性元件节流元件气体容室喷嘴挡板机构功率放大器 1 2 2 气动仪表的元部件及组成原理 1 弹性元件弹性元件有弹性支承元件和弹性敏感元件两类弹性支承元件 如螺旋弹簧和片簧 用于支承 平衡或增强弹性敏感元件的刚度弹性敏感元件 将承受的压力或轴向推力转变成位移信号 弹性敏感元件的刚度正较小 灵敏度 刚度的倒数 较大螺旋弹簧刚度较大 通常与弹性敏感元件组合使用 以增加其刚度 也多用于调整性敏感元件的初始位置 如图所示 弹性元件组合示意图 1 2 2 气动仪表的元部件及组成原理 弹性敏感元件有 波纹管 金属膜片 橡胶膜片 弹簧管和金属膜盒等 主要弹性敏感元件 1 2 2 气动仪表的元部件及组成原理 波纹管设波纹管的输入气压为P 其输出的位移量S为 输出量与输入量之间是成线性比例关系的实验表明 波纹管的压缩变形比拉伸变形具有更好的线性关系若初始让波纹管处于自由状态 其工作过程中是处于拉伸变形 则它的变形量不大就进入了非弹性变形区在实际安装波纹管时 常采用预压缩的办法来提高波纹管的线性使用范围 Fe是波纹管的有效面积 E是波纹管和支承弹簧 如有支承弹簧 的总刚度 1 2 2 气动仪表的元部件及组成原理 金属膜片金属膜片在弹性变形范围内的变形量很小 为增加它的线性范围 常制成状弹簧管弹簧管有单圈弹簧管和多圈弹簧管 单圈弹簧管自由端位移量较小 如果在弹性变形范围内要得到较大的变形 可采用多圈弹簧管 橡胶膜片橡胶膜片很软 在小的工作范围内 其刚度可近似看成为零 即没有弹性在实际使用中 往往制成波纹状且中间加硬芯 1 2 2 气动仪表的元部件及组成原理 2 节流元件在气动仪表中 节流元件起着阻碍气体流动的作用 它能产生压降和改变气体的流量节流元件按其工作特点可分为恒节流孔和变节流孔两种类型 a 恒节流孔 常用的有两种 毛细管式 可用不锈钢或玻璃管制成 直径为0 18 0 3mm小孔式 内径有几种规格 即0 25mm 0 30mm 0 50mm 长度为4mm 1 2 2 气动仪表的元部件及组成原理 b 变节流孔 常用的有两种 是指节流孔的流通面积是可以调整和改变的其结构形式有 圆锥 圆锥型 圆柱 圆锥型 圆球 圆锥型等 如图所示常用变节流孔组成变节流阀 用于调整比例带 积分时间和微分时间 1 2 2 气动仪表的元部件及组成原理 c 气阻R气阻是衡量节流元件特性的参数 常用气阻R来表示节流元件对气体流动阻碍作用的大小 若气体在节流孔中处于层流状态时 有如下关系 由于恒节流孔内径不能改变 气阻不能调整 所以常称为恒气阻或固定气阻由于变节流孔的流通面积是可调的 故在产生相同 P压降的情况下 其流量是不同的 即气阻R不同 所叫可调气阻 1 2 2气动仪表的元部件及组成原理 3 气体容室简称气容 能存储或放出气体 对压力变化起惯性作用 目前有定容气室及弹性气室两种气容 q q 定容气室 弹性气室 1 2 2气动仪表的元部件及组成原理 气容概念 C 一个气体容室储存空气量的能力 即气容内每升高单位压力所需增加的空气量 两种气容的储蓄特性如下图所示 体积越大 C越大 因为 气体容室储蓄特性 1 2 2气动仪表的元部件及组成原理 4 喷嘴挡板机构输出压力随喷嘴挡板的开度成比例变化 即将位移信号转换为气压输出 恒节流孔 背压室 喷嘴 挡板 喷嘴挡板机构结构示意图 气源 输出 1 2 2气动仪表的元部件及组成原理 喷嘴直径D要比节流孔直径d大得多 保证在挡板4全开时背压室压力接近大气压力 挡板4全关时 背压室压力接近气源压力 0 14MPa 实际喷嘴挡板起到起到变气阻的作用 1 2 2气动仪表的元部件及组成原理 若把挡板开度的变化 h作为输入量 把背压室的压力变化作为输出量 p 两者的变化关系如下图所示 k为比例系数 0 10MPa 0 02MPa 10 22 h um MPa 喷嘴挡板机构的静特性曲线 p t k h t 1 2 2气动仪表的元部件及组成原理 5 气动功率放大器是控制仪表中常见的比例环节 它把输入信号按照一定的系数进行比例放大 作为输出 由于喷嘴挡板很难直接驱动执行机构 且传输距离短 为此 几乎所有的气动仪表都在喷嘴挡板机构的输出端串联一个气动功率放大器气动功率放大器主要有两种 一种是放大对喷嘴挡板输出的流量放大 压力不变一种是对流量 压力都放大 如耗气型 1 2 2气动仪表的元部件及组成原理 I II III S P输入F P0 Pa 耗气型气动功率放大器的结构原理 球阀 锥阀 I期间阀杆下移 弹簧片松弛 II期间阀杆无位移 弹簧片预紧 弹簧片 金属膜片 III期间阀杆下移 克服弹簧片预紧 p出 k p入 1 2 2气动仪表的元部件及组成原理 2 气动仪表的基本环节放大环节 要求具有较高的灵敏性和足够大的功率输出反馈环节 把仪表的输出信号送到仪表的输入与输入信号进行综合比较环节 对输入信号及反馈信号进行比较处理 气动仪表的组成原理 1 2 2气动仪表的元部件及组成原理 1 气动仪表的放大环节几乎所有气动仪表 在喷嘴挡板机构的输出端 都要串联一个气动功率放大器在结构上两者往往组成一体 称为二级气动功率放大器 其中喷嘴挡板机构为一级放大 耗气型气动功率放大器的结构原理 球阀 锥阀 弹簧片 金属膜片 K K1 K2是二级气动放大器的放大倍数K1是喷嘴挡板机构的放大倍数K2是耗气型气动放大器的的放大倍数 1 2 2气动仪表的元部件及组成原理 前提 功率放大器输出信号须保证为0 02 0 1Mpa 假定功率放大器只能进行流量放大 则喷嘴挡板机构应输出气压信号0 02MPa 0 1MPa 放大器同样等比输出如果同时进行压力放大 10倍 则输入 喷嘴挡板的输出 信号应是0 02 0 1MPa的1 10 它只占喷嘴挡板机构静特性曲线很小的一段 如图a b段 放大器将工作在曲线更陡 更接近直线部分 如a b段 仪表能获得较高的灵敏度 精度和工作的稳定性 1 2 2气动仪表的元部件及组成原理 如果工作在a b 段或a b 段反之起步压力一般通过调换刚度不同的金属膜片 或改变弹簧片的预紧力来实现 不过仪表在出厂前已经调好 在使用中不可轻意改动 1 2 2气动仪表的元部件及组成原理 2 气动仪表的反馈环节在气动仪表中 总是把输出端的输出信号引回到输入端 构成负反馈气路在调节器中引用不同的反馈气路 就可以实现比例 积分和微分的作用规律常用的反馈气路包括 1 节流分压器 2 节流盲室 3 比例惯性环节 1 2 2气动仪表的元部件及组成原理 1 节流分压器又称节流通室 它是由可调气阻RF 流通气室p1及恒节流孔R串连而成 两个气阻一般都工作在层流状态流通气室容积很小 可不考虑对其压力变化的惯性影响 p1为输出量 控制信号为p0 节流分压器的输人量为p2 一般为大气压力 之间的关系 1 2 2气动仪表的元部件及组成原理 根据气体流动的连续性定理 在稳定情况下 G1 G2 如果气体密度在节流孔前后保持不变 则 如果p2通大气 即p2 0 则上式可简化为在调节器中 利用节流分压器作为反馈环节 可实现比例作用 改变变节流阀的可调气阻可用来调整调节器的比例带 变节流阀全开时 RF 0 p1 p0 当变节流阀全关时 RF p1 0 节流分压器的特性曲线 1