自动化反馈控制系统的基本概念ppt课件

1、船舶电气与自动化船舶自动化.第五章 反响控制系统的根底知识 第一节 反响控制系统的根本概念 一、反响控制系统的组成反响控制系统对机器设备或消费过程参数的控制过程实践上是直接模拟人的手动操作过程。 例1、辅锅炉水位自动控制系统例2、主机冷却水温度自动控制系统 .主机冷却水温度自动控制系统表示图. 在自动控制过程中，由于不需求人来干涉控制过程，因此必需采用相应的自动化仪表来替代人的功能器官。比如可用温度传感器和变送器来替代人的眼睛，随时丈量冷却水的实践温度并把该值送给调理器。调理器替代人的大脑，并对冷却水实践温度进展分析和计算，然后输出控制信号给执机构。执行机构替代人的双手，改动三通调理阀的开度。

2、不论是手动控制，还是自动控制，反响的作用都是存在的。我们把包含反响作用的控制过程称为反响控制过程。 组成一个反响控制系统，必需有四个最根本的环节，即控制对象、丈量单元、调理单元和执行机构。 . 1控制对象 控制对象是指所要控制的机器、设备或装 置。把所要控制的运转参数叫做被控量。 在锅炉水位自动控制系统中，锅炉是控制 对象，水位是被控量。 在柴油机冷却水温度自动控制系统中，淡 水冷却器是控制对象，冷却水温度是被控量。 在柴油机转速自动控制系统中，柴油机是控制对象，转速是被控量。. 2丈量单元 丈量单元的作用：检测被控量的实践值，并把它转换成规范的一致信号，该信号叫被控量的丈量值。 在气动控制系

3、统中，其一致的规范气压信号是0.020.1MPa；在电动控制系统中，其一致的规范电流信号是010 mA或420mA。 在温度自动控制系统中，丈量单元采用温度传感器和温度变送器；在压力自动控制系统中，丈量单元采用压力传感器和压力变送器；在锅炉水位自动控制系统中，丈量单元采用水位发讯器参考水位罐和差压变送器。. 3调理单元 调理单元是指具有各种调理作用规律的调理器。把运转参数所希望控制的最正确值叫给定值，用 r 表示；被控量的丈量值用 z 表示。把被控量的丈量值偏离给定值的数量叫偏向值，用 e 表示,显然，e = r - z 。假设e 0，那么阐明丈量值低于设定值，为正偏向；假设e 0，那么阐明丈

4、量值大于设定值，为负偏向；假设e 0，那么阐明丈量值等于设定值，为无偏向。 .调理器首先接纳丈量单元送来的被控量的丈量信号，并与被控量的给定值相比较得到偏向信号，再根据偏向信号的大小和方向正偏向还是负偏向，根据某种调理作用规律输出一个控制信号，对被控量施加控制造用，直到偏向等于零或接近零为止。 在实践运用中，调理器普通有位式调理器、比例调理器、比例积分调理器、比例微分调理器和比例积分微分调理器等五种，根据控制对象特性的不同及对被控量控制精度的要求，控制系统可选用不同调理作用规律的调理器。 . 4执行机构 执行机构的输入量是调理单元输出的控制信号，调理单元输出的控制信号普通都要经过执行机构才干作

5、用到控制对象上，从而改动流入控制对象的物质或能量，使之能顺应控制对象的负荷变化。在气动控制系统中，执行机构般是气动薄膜调理阀或气动活塞式调理阀；在电动控制系统中，普通采用伺服电机。 . 以上四个根本单元在组成反响控制系统中是缺一不可的。但对于一个完好的反响控制系统，普通还设有显示单元，用来指示被控量的给定值和丈量值。同时，对气动控制系统来说，应设有气源安装和定值器；对电动控制系统尚需设稳压电源等辅助安装。.二、自动控制系统传送方框图控制单元执行机构被控对象丈量单元图5-2 反响控制系统传送方框图R(t)设定值 z(t)丈量值 e(t)偏向值 y(t)被控量 q(t) 执行量 p(t) 控制量

6、d(t)外部扰动值A. 1环节 在控制系统传送方框图中，代表实践单元的每个小方框称为一个环节。每个环节都有输入量和输出量，并用带箭头的信号线来表示。其中箭头指向该环节的信号线为输入量，箭头分开该环节的信号线为输出量。 任何环节输出量的变化均取决于输入量的变化以及该环节的特性，而输出量的变化不会直接影响输入量，这叫信号传送的单向性。 .2扰动控制对象作为反响控制系统的组成环节，其输出量是被控量，而引起被控量变化的要素统称为扰动。扰动可分为两类：外部扰动、根本扰动。根本扰动是指来自控制系统内部控制通道调理通道的扰动。根本扰动经过调理通道影响被控量。例如，在水位控制系统中，给水调理阀开度的改动将引起

7、水位的变化；在冷却水温度控制系统中，三通调理阀开度的改动将引起水温的变化，等等。 .外部扰动是指来自系统外部环境的扰动，外部扰动经过扰动通道影响被控量。例如，以锅炉为控制对象的水位控制系统，水位是被控量，锅炉负荷外部用汽量的变化将引起水位的变化；在柴油机气缸冷却水温度控制系统中，水温是被控量，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。这种扰动是由于设备负荷或外界环境的扰动变化而导致控制对象内部的能量平衡遭到破坏而引起的。.3系统的输入与输出 前面提到的输入和输出的概念都是针对环节而言的；假设从系统的角度来看，作为一个整体，系统具有两个输入，即设定值

8、和外部扰动，以及一个输出，即被控量。. 4反响 调理器的输出经执行机构改动控制强度，即改动流入控制对象的物质或能量的流量，引起被控量的变化即系统输出变化，而系统输出的变化经丈量单元又送回到系统的输入端，这个过程叫反响。 正反响是指经反响能加强闭环系统输入效应，即使偏向e增大。 负反响是指经反响能减弱闭环系统输入效应，即使偏向e减小。 .5前向通道与反响通道 在控制系统传送方框图中，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；而相反方向的通道那么称为反响通道。.6闭环系统 在反响控制系统传送方框图中，前一环节的输出就是后一环节的输入，系统的输出又经反响通道送回到系统的输入端。这样

9、，控制系统就构成了一个封锁的控制回路，称为闭环系统，反响控制系统必定是闭环系统。 开环系统不再是反响控制系统，无法根据偏向来实现设备或消费过程的参数自动控制。.三、反响控制系统的任务过程反响控制系统按给定值的变化规律分类方法： 1、定值控制系统 系统的给定值是恒定不变的，为某个确定值，那么该系统称为定值控制系统。 例如锅炉水位与蒸汽压力控制系统，柴油机气缸冷却水温度控制系统，燃油粘度控制系统，发电机的原动机转速控制系统等都属于定值控制系统。 . 2、程序控制系统 系统的给定值是变化的，而且是按人们事先安排好的规律进展变化，那么该系统称为程序控制系统。 例如船舶主机遥控系统中的转速控制，其给定值

10、就是按车钟设定转速的预定发送速率规律而变化的。. 3、随动控制系统 系统的给定值是恣意变化的，且变化规律是事先无法确定的系统，那么该系统称为随动控制系统。 例如自动舵的随动操舵系统，其舵角给定值完全取决于当时的航行情况。.反响控制系统的任务过程：设系统处在平衡形状即系统稳定运转时忽然遭到一个外部扰动，被控量将分开初始稳定值发生变化，丈量单元将把被控量的实践值送至调理器，在调理器内部，被控量的给定值与丈量值进展比较，得到偏向值e，调理器根据某种调理作用规律输出一个控制信号，经过执行机构改动流入控制对象的物质或能量流量，被控量朝着偏向减少的方向变化，这一信号又经过丈量单元送至调理器，反复上述过程，

11、最终使被控量又回到给定值或给定值附近，系统到达一个新的平衡形状。.四、评定控制系统动态过程质量的目的 反响控制系统的扰动方式是随机的，很难用一个数学表达式来准确地描画，但可以归纳为四种扰动方式： 阶跃方式、 线性方式、脉冲方式、正弦方式。 . 阶跃扰动STtr(t)0Rtr(t)0Rttr(t)01/2Rt2线性扰动加速度扰动tr(t)0正弦扰动.脉冲扰动STr(t)01/hhh0时，称为理想的单位脉冲函数，记作(t)。r(t)0r(t)tth0. 为了便于分析和研讨反响控制系统的性能，通常以阶跃信号作为系统的给定值或扰动，由于阶跃信号是反响控制系一致种最常见的输入信号，而且不论是作为给定值或

12、者扰动量，对系统是最严重的冲击，最容易引起系统发生不平衡形状.根据控制系统接受的扰动途径，可以分为两种情况：一种情况是外部扰动不变，改动给定值如随动控制；另一种情况是给定值不变定值控制，改动外部扰动。由于控制器控制规律或系统参数的不同，控制系统的动态过程将表现为不同的方式。. 在阶跃信号输入时，被控量变化的动态过程有以下四种： 1发散振荡过程 2等幅振荡过程 3单调过程非周期过程 4衰减振荡过程.图5-3 过程曲线根本类型b)yt)td)yt)ta)yt)ttc)yt)发散振荡等幅振荡衰减振荡单调过程.1稳定性目的 衰减率和振荡次数N衰减率，是指在衰减振荡中，第一个波峰值y1减去第二个同相波峰

13、值y3除以第一个波峰值y1，即： 0 发散振荡过程， 0 1 衰减振荡过程 =0 等幅振荡过程， =1非周期过程 普通希望=0.750.9.1稳定性目的 与衰减率相对应的是另一种衡量目的是衰减比。所谓衰减比是第一个波峰值y1和第二个同相波峰值y3的比值，即y1/y3。 衰减率是衡量系统稳定性目的，要求 =0.750.9。当 =0.75时，y1是y3的4倍，此时衰减比4:1。 振荡次数N，是指在衰减振荡中，被控量的振荡次数。普通要求被控量振荡23次就应该稳定下来。 .图5-4 定值控制系统的动态过程ttst0y1y2y3y0emax0y)dt)tdt0yt)0.图5-5 随动控制系统的动态过程ttst0y1y2y3remaxrt)trt0yt)r0y0t1y)t22.2准确性目的 最大动态偏向 emax :是指在衰减振荡中第一个波峰的峰值，它是动态精度目的。 Emax大，阐明动态精度低，要求小些为好，但不是越小越好，由于太小，有能够使动态过程的振荡加剧。 静态偏向: 动态过程终了后,被控量新稳态值与给定值之间的差值。 越小阐明控制系统的静态精度越高。 有差调理 无差调理 超调量p：是指在衰减振荡，第一个