给排水水工艺仪表与控制.ppt

1、第一章自动控制基础知识,1.1自动控制系统的概念与构成,在科学技术飞速发展的今天，自动控制技术所起的作用越来越重要，无论是在宇宙飞船、导弹制导、雷达定位等尖端技术领域中，还是在机械制造工业、石油、化工、医药工业等的过程控制中，都有自动控制技术的应用，并且它所取得的成功都是巨大的。因此，自动控制技术已成为现代社会生活中不可缺少的重要组成部分。,人工水位控制：,机械式水位控制：,机电一体化水位控制：,水箱水位控制系统包括：,被控对象：水箱被控量：水箱水位控制装置：杠杆检测元件：浮球控制手段：进水阀,自动控制装置包括：,测量元件：传感器；比较元件：给定信号与测量元件比较，输出误差信号；调节元件：对误

2、差信号进行调理，并按设定调节规律输出控制信号；执行元件：在控制信号作用下，使被控制量满足要求。,控制的概念,自动控制:指在脱离人的直接干预，利用控制装置（简称控制器）使被控对象（如设备生产过程等）的工作状态或简称被控量（如温度、压力、流量、速度、pH值等）按照预定的规律运行.,自动控制系统：实现上述控制目的，由相互制约的各部分按一定规律组成的具有特定功能的整体.,自动控制系统的组成,自动控制系统组成方框图（闭环）扰动,例水箱水位控制系统,反馈控制系统的中的常用术语：给定值（参考输入值）偏差值控制量被控量扰动量(内扰,外扰)自动控制装置=传感器+控制器+给定器+执行器受控过程（受控对象）控制系统

3、=受控过程控制装置,设定器,被控过程,传感器,控制器,1按系统环节连接形式分类,闭环控制系统：,控制系统的分类,2按控制依据信号性质分类,控制器,被控过程,控制器,被控过程,控制器,被控过程,反馈控制系统,前馈控制系统,前馈-反馈控制系统,前馈-反馈控制系统,前馈-反馈控制系统即复合控制系统复合控制:闭环控制和开环控制结合的一种方式。它是在闭环控制等基础上增加一个干扰信号的补偿控制，以提高控制系统的抗干扰能力。增加干扰信号的补偿控制作用，可以在干扰对被控量产生不利影响同时及时提供控制作用以抵消此不利影响。纯闭环控制则要等待该不利影响反映到被控信号之后才引起控制作用，对干扰的反应较慢。,恒值控制

4、系统（或称自动调节系统）特点：输入信号是一个恒定的数值。恒值控制系统主要研究各种干扰对系统输出的影响以及如何克服这些干扰随动控制系统（或称伺服系统）特点：输入信号是一个未知函数，要求输出量跟随给定量变化。程序控制系统特点：输入信号是一个已知的时间函数，系统的控制过程按预定的程序进行，要求被控量能迅速准确地复现。,3按给定值变化规律分类,4按系统特性分类,线性控制系统输入与输出成正比，可用叠加原理用线性数学模型描述非线性控制系统输入与输出不成正比，不可用叠加原理用非线性数学模型描述,5按变量的时间特性分类,（1）连续时间控制系统系统各部分的信号是模拟的连续函数例：工业中普遍采用的常规控制仪表PI

5、D调节器控制的系统（2）离散时间控制系统系统的某一处或几处，信号以脉冲序列或数码的形式传递的控制系统例计算机控制系统,经典控制理论以传递函数为基础，研究单输入-单输出一类定常控制系统的分析与设计问题。这些理论由于其发展较早，现已臻成熟。,现代控制理论以状态空间法为基础，研究多输入-多输出、时变、非线性一类控制系统的分析与设计问题。系统具有高精度和高效能的特点。,自动控制系统性能要求,典型试验信号阶跃信号系统性能分析方法动态特性分析稳态特性分析,阶跃信号（StepFunction）,阶跃信号是最常用系统性能测试信号,时间,r(t),R,-单位阶跃函数,动态特性分析,动态响应:系统输出在典型测试信

6、号下随时间变化的特性y(t)-输出x(t)-输入y（t）=f(x（t）),x(t),y(t),t,t,自动控制系统被控量变化的动态特性,(a)单调过程(b)衰减振荡过程(c)等幅振荡过程(d)渐扩振荡过程,(1)稳定性-自动控制系统的最基本的要求(2)快速性-在系统稳定的前提下，希望控制过程（过渡过程）进行得越快越好，但如果要求过渡过程时间很短，可能使动态误差（偏差）过大。合理的设计应该兼顾这两方面的要求。(3)准确性-即要求动态误差和稳态误差都越小越好。,自动控制系统性能要求,系统的数学模型:描述系统各变量之间关系的数学表达式如微分方程、传递函数控制系统的数学模型关系到对系统性能的分析结果和

7、控制过程。,自动控制系统的数学描述,建模举例,单容水箱已知:流入量Qi,流出量Qo,截面A;液位H求:以Qi为输入，H为输出的系统动态方程式.解:根据物质守恒定律中间变量为Qo据流量公式线性化处理:规范化,Qi,Qo,A,H,建模举例,RLC电路求:以Ui为输入，Uo为输出的系统动态方程式.解:由基尔霍夫定律消中间变量,Ui,Uo,C,L,R,i,建立模型,确定系统的输入、输出变量；根据系统的物理、化学等机理，依据列出各元件的输入、输出运动规律的动态方程；消去中间变量，写出输入、输出变量的关系的微分方程。,拉普拉斯(Laplace)变换,定义1.拉氏变换的定义其中x(t)_原函数,X(s)_象

8、函数,复变量s=+j2.拉氏反变换的定义,拉氏变换的性质,1、线性定理,2、微分定理,3、积分定理,4、延迟定理,5、初值定理与终值定理,1、指数函数,2、常数,3、正弦函数,常见函数的拉氏变换,4、余弦函数,5、冲激函数,传递函数,定义零初始条件下系统输出信号的拉氏变换与输入信号的拉氏变换之比设输入为r(t),输出为y(t),则系统的传递函数为:,单容水箱:,零初始条件下对微分方程进行拉氏变换,令,G(s),Qi(s),H(s),传递函数的引入,1)传递函数只与系统本身的结构与参数有关，与输入量的大小和性质无关2）实际系统的传递函数是S的有理分式（nm）3）传递函数与微分方程有相通性，两者可

9、以相互转换4）传递函数只适用于线性定常系统,传递函数的性质,控制系统的微分方程与传递函数,控制系统的微分方程：是在时域描述系统动态性能的数学模型，在给定外作用及初始条件下，求解微分方程可以得到系统的输出响应。但系统中某个参数变化或者结构形式改变，便需要重新列写并求解微分方程。传递函数：对线性常微分方程进行拉氏变换，得到的系统在复数域的数学模型为传递函数。传递函数不仅可以表征系统的动态特性，而且可以研究系统的结构或参数变化对系统性能的影响。传递函数是经典控制理论中最基本也是最重要的概念,传递函数概念的进一步说明,由基尔霍夫定律,消去中间变量i(t)，,图RC电路,输入ur(t),输出uc(t),

10、第一项称为零状态响应，由ur(t)决定的分量；第二项称为零输入响应，由初始电压uc(0)决定的分量。,图RC网络的阶跃响应曲线,当ur(t)=u01(t)时，（阶跃函数，即t=0时接通电压u0）,若uc(0)=0，（零初始条件）则微分方程做拉氏变换有:,当输入电压ur(t)一定时，电路输出响应的拉氏变换Uc(s)完全由1/(RCs+1)所确定，写为:,用下式来表征电路本身特性，称做传递函数，即：,式中T=RC,上图表明了电路中电压的传递关系，即输入电压Ur(s)，经过G(s)的传递，得到输出电压Uc(s)=G(s)Ur(s)。,注意：拉氏变换是一种线性积分变换，因此传递函数的概念只是用于线性定

11、常系统；传递函数完全取决于系统内部的结构参数；传递函数只表明一个特定的输入、输出关系，取不同的输出量或不同位置输入其传递函数不同；传递函数是在零初始条件下建立的，因此它是系统的零状态模型，不能反映零输入的特征；设定零初始条件是指：t=0时输入量、输出量及各阶导数均为零。,课题：典型环节的动态特性和传递函数,要求：掌握典型环节的动态特性和传递函数难点：微分环节、惯性环节,比例环节,动态方程:y(t)=Kx(t)直线方程，输入信号放大K倍。传递函数:G(s)=Y(s)/X(s)=K阶跃响应:0,特点:输入与输出成比例,Qx=Qi-Q0,例,积分环节,动态方程:传递函数:阶跃响应:,t,0,X(t)

12、,x0,Y(t),特点：T大则积分慢,微分环节,动态方程:(理想)(实际)阶跃响应:反映信号的变化速度传递函数:,Td：微分作用时间,惯性环节,动态方程:传递函数:阶跃响应:,t,x=x0,Tc,Kx0,特点:,Tc决定过渡过程时间,K决定稳态输出值.,振荡环节,动态方程:传递函数:单位阶跃响应:特点:决定了振荡特性,n决定振荡周期.,t,y,1,迟延环节,如图履带输送装置，若某一时刻输入流量发生突变Q，则需要时间后漏斗的流量才开始变化。给排水系统或水处理系统都具有大迟延特性。,动态方程:传递函数:阶跃响应:,t,y(t)=x0t,x=x0,Y(t),特点:y(t)比x(t)迟延了一段时间.,

13、双位逻辑控制系统,昨晚最新新闻“哗哗哗”水从32楼不停往下流，漫过楼梯，流进住户的家中这是昨晚8时许发生在八宝街万和苑的一幕，因为浮球阀损坏，楼顶巨大水箱中的水不停被抽出发生漫溢，万和苑C座的约200余户居民不得不用尽各种办法来对抗这突如其来的“水灾”。昨晚11时本报记者柯娟为您报道,水从32层高楼来200住户黑夜惊魂2008-10-1107:56:53信息来源:成都商报编辑：吴希,住户正在清除家中积水王勤摄,控制系统的过渡过程及品质指标,一个控制系统的时间响应，不仅取决于系统本身的结构与参数，还取决于系统的初始状态以及加在系统上的外作用信号。为了比较系统性能的优劣，需要对外作用信号和初始状态

14、做典型化处理。规定系统初始状态均为零状态，各阶导数也为零。规定了一些具有特殊形式的实验信号作为系统的输入信号。,单位阶跃函数,单位斜坡函数,单位加速度函数,单位脉冲函数,正弦函数,常用的典型输入信号,单位阶跃函数,单位斜坡函数,单位加速度函数,单位脉冲函数,正弦函数,动态过程与稳态过程,动态过程：系统在典型信号作用下，系统输出量从初始状态到最终状态的响应过程。又称过渡过程或瞬态过程。稳态（静态）过程：系统在典型信号作用下，当时间t趋于无穷时，系统输出量的表现方式。又称稳态响应。,动态性能与稳态性能,动态性能：在零初始条件下，给系统一单位阶跃输入，其输出为单位阶跃响应，记为h(t)。将h(t)随

15、时间变化状况作为指标，一般称为系统的动态性能指标。稳态性能：稳态误差是系统控制精度或抗扰动能力的一种度量，是指t时，输出量与期望输出的偏差。,0,2,4,6,8,10,12,14,16,18,20,0,0.1,0.9,1,1.2,1.4,h(t),h(inf),td,tr,ts,t,tp,0.5,5误差带,td延迟时间，h(t)到稳态值一半的时间,tr上升时间，h(t)从10到90所用的时间，有时也取t=0到第一次穿越的时间（对有超调的系统）,tp峰值时间,ts调节时间，进入误差带且不超出误差带的最短时间,自动控制方式,双位控制：在给排水系统中逻辑控制方式仍大量采用，特点是简单，控制方便。但控

16、制精度不高，需要电动机、电磁阀等执行机构频繁起停，容易损坏。,比例控制_P：控制器的输入与输出之间有一一对应的比例关系。在给排水系统中的浮球液位控制系统就是典型的比例控制系统。,比例/积分控制_I：比例控制是一种有差控制，积分控制特性是当输入信号存在时其输出就会积累下去，因此积分环节能够消除偏差直至偏差为零。,比例积分控制器输出是比例控制作用与积分作用的叠加。比例控制粗调（响应时间快），积分控制细调（响应时间慢）。,比例/积分/微分控制_D：微分控制规律是根据被调参数的变化趋势（变化速度）而输出控制信号，具有明显的超前作用。,微分控制主要作用在于解决控制对象存在大容量滞后和大时间常数的条件，被

17、调参数变化量不显著，但变化率很高的情况。,作业：P671235812,课题：系统方框图等效变换,要求：掌握方框图等效变换基本概念，等效变换规则,难点：系统方框图等效变换的具体应用,1基本概念,（一）方框图的概念右图RC网络的微分方程式为:,(5.1),(5.2),即,对二式进行拉氏变换，得,(5.2a),(5.1a),:,图(a)描绘了图(b)表示了将图(a)、图(b)合并如图(c)，得RC网络的结构图。,图中符号表示信号的代数和，箭头表示信号的传递方向，称作“加减点”或“综合点”。,（二）系统结构图的建立其步骤如下：（1）建立控制系统各元部件的微分方程。（2）对各元件的微分方程进行拉氏变换，

18、并作出各元件的结构图。（3）按系统中各变量的传递顺序，依次将各元件的结构图连接起来，置系统的输入变量于左端，输出变量于右端，便得到系统的结构图。,（三）结构图的等效变换等效变换-方框图合并和分解变换前后输入输出关系不变，效果等同。结构图的运算和变换，就是将结构图化为一个等效的方框，使方框中的数学表达式为总传递函数。结构图的变换应按等效原理进行。,结构图的基本组成形式,结构图的基本组成形式可分为三种：（1）串联连接方框与方框首尾相连。前一个方框的输出，作为后一个方框的输入。（2）并联连接两个或多个方框，具有同一个输入，而以各方框输出的代数和作为总输出。（3）反馈连接一个方框的输出，输入到另一个方

19、框，得到的输出再返回作用于前一个方框的输入端。,A处为综合点，返回至A处的信号取“+”，称为正反馈；取“-”，称为负反馈。负反馈连接是控制系统的基本结构形式。,图反馈连接,结构图中引出信息的点（位置）常称为引出点。,2等效变换规则（1）串联方框的等效变换,图串联结构的等效变换,由图可写出,图n个方框串联的等效变换,n个传递函数依次串联的等效传递函数，等于n个传递函数的乘积。,图n个方框并联的等效变换,（2）并联连接的等效变换G1(s)与G2(s)两个环节并联连接，其等效传递函数等于该两个传递函数的代数和，即：,G(s)=G1(s)G2(s),（3）反馈连接的等效变换,由图(a)得：,图(a):

20、反馈连接的一般形式，图(b):其等效变换,消去E(s)和B(s)，得:,得:,上式为系统的闭环传递函数。注:式中分母的加号，对应于负反馈；减号对应于正反馈。,H(s)=1，常称作单位反馈，此时:,（4）综合点与引出点的移动a.综合点前移挪动前的结构图中，信号关系为:,图(a)原始结构图(b)等效结构图,挪动后，信号关系为:,b.综合点之间的移动,图(a)原始结构图(b)等效结构图,挪动前，总输出信号:挪动后，总输出信号:,c.引出点后移,图(a)原始结构图(b)等效结构图,挪动后的支路上的信号为:,d.相邻引出点之间的移动,图相邻引出点的移动,若干个引出点相邻，引出点之间相互交换位置，完全不会

21、改变引出信号的性质。,3应用举例例:简化下图系统的结构图，求系统传递函数GB(s)即C(s)/R(s)。,解:1)将综合点后移，然后交换综合点的位置，化为图(a)。2)对图(a)中由G2，G3，H2组成的小回路实行串联及反馈变换，简化为图(b)。,图系统结构图的变换,3)对内回路再实行串联及反馈变换，只剩一个主反馈回路,如图(c)。4)变换为一个方框，如图(d)。系统总传递函数：,思考：第一步的变换是否可采用其它的移动办法?,简化结构图求总传递函数的一般步骤：1.确定输入量与输出量。2.若结构图中有交叉关系，应运用等效变换法则，将交叉消除，化为无交叉的多回路结构。3.对多回路结构，由里向外进行

22、变换，直至变换为一个等效的方框。,引言第一节典型输入作用和时域性能指标第二节一阶系统的时域分析第三节二阶系统的时域分析第四节零极点分布对系统动态响应的影响第五节高阶系统的动态响应及简化分析第六节控制系统的稳定性与代数判据第七节控制系统的稳态误差分析及误差系数习题课,时域分析引言,系统加入典型输入信号后，分析其输出响应特性的动态性能和稳态性能，研究其是否满足生产过程对控制系统的性能要求。时域分析是直接在时间域中对系统进行分析的方法，因而时域分析具有直观和准确的优点。系统输出量的时域表示可由微分方程得到，也可由传递函数得到。在初值为零时，利用传递函数进行研究，用传递函数间接评价系统的性能指标。具体

23、是根据闭环系统传递函数的极点和零点来分析系统的性能。,时域分析以阶跃响应为主（因为阶跃典型,极端),过渡过程-系统在外作用下由一个稳态转移至另一个稳态的过程.例阶跃响应典型过渡过程反映系统性能,时域性能指标定量说明系统性能,课题:第一节时域性能指标,要求:掌握时间响应的基本概念.正确理解时域性能响应指标重点:时域性能响应指标：p%,tr,tp，ts,ess,这表明，在外作用加入系统之前系统是相对静止的，被控制量及其各阶导数相对于平衡工作点的增量为零。,典型初始状态规定控制系统的初始状态均为零状态，即在时,第一节典型输入作用和时域性能指标,典型输入作用,理想单位脉冲函数：定义：，且，其积分面积为

24、1。,其拉氏变换后的像函数为：,脉冲函数：,t,0,阶跃函数：,A为阶跃幅度，A=1称为单位阶跃函数，记为1（t）。,其拉氏变换后的像函数为：,X(t),A,t,斜坡函数,B=1时称为单位斜坡函数。,抛物线函数,C=1时称为单位抛物线函数。,其拉氏变换后的像函数为：,其拉氏变换后的像函数为：,X(t),t,X(t),t,提示：上述几种典型输入信号的关系如下：,正弦函数：，式中，A为振幅，为频率。,其拉氏变换后的像函数为：,分析系统特性采用何种典型输入信号，取决于系统在正常工作情况下最常见的输入信号形式。当系统的输入具有突变性质时，选择阶跃函数为典型输入信号；当系统的输入是随时间增长变化时，选择

25、斜坡函数为典型输入信号。,瞬态过程的性能指标通常以阶跃响应来衡量系统控制性能的优劣和定义瞬态过程的时域性能指标。稳定的随动系统（不计扰动）的单位阶跃响应函数有衰减振荡和单调变化两种。,tr,tp,ts,ess,yr,y,tc,yp1,yp2,5%y,（一）衰减振荡,1)超调量(百分比超调POPercentageOvershoot)(%)2)上升时间3)峰值时间-y(t)到达第一个峰值的时间,对有振荡系统（响应曲线从零上升到第一次到达稳定值所需时间）,阶跃响应指标,4)调整时间-y(t)稳定至指定的误差限(如5%y()内所需时间5)振荡周期-两个峰值间的时间6)稳态误差:响应的稳态值与希望的给定

26、值之间的偏差,（二）单调变化,单调变化响应曲线如图所示：,这种系统只用调节时间来表示快速性。,tr、tp表征系统响应初始阶段的快慢;ts表示系统过渡过程持续的时间,从总体上反映了系统的快速性;反映系统响应过程的平稳性;ess是衡量系统准确性(精度)的重要指标.,课题：第二节一阶系统的时域分析,要求：掌握一阶系统数学模型和单位阶跃响应了解一阶系统单位斜坡响应和单位脉冲响应重点：一阶系统的单位阶跃响应,典型的一阶系统的结构图：,其闭环传递函数为：,称为时间常数。,第二节一阶系统的时域分析,其传递函数的特征方程Ts+1=0是s的一次方程。,第二节一阶系统的时域分析,输入传递函数输出阶跃响应,单位阶跃

27、响应,分析：3,4T后y(t)yt=0,则初速=1/Tess=0T0,惯性环节比例环节T,惯性环节积分环节,T,2T,3T,4T,0.632,0.865,0.950,0.982,1.0,ts(5%)=3T,ts(2%)=4T,课题：第三节二阶系统的时域分析,要求：掌握二阶系统的数学模型及阶跃响应，取不同值时的特征根在平面上的位置及相应的响应曲线，并能以图表示之重点：典型二阶系统的单位阶跃响应,引言:在工程实际中，三阶或三阶以以上的系统，可以近似或降阶为二阶系统处理。,典型二阶系统的结构图,z称为阻尼比，wn称为无阻尼自然振荡频率.,2,其闭环传递函数为,第三节二阶系统的时域分析,二阶系统的特征

28、根及对应的单位阶跃响应曲线欠阻尼标准二阶系统的动态性能指标计算,二阶系统的特征根及对应的单位阶跃响应,标准式：n2s2+2ns+n2,特征方程：s2+2ns+n2=0特征根：s1,2=-nn(2-1),）1,过阻尼,)=,临界阻尼,）01,-n,n(1-2),s2,n,s1,S1,2,1,欠阻尼,1,)=0,s2,无阻尼,s1,5)-10,负阻尼,-n,n(1-2),s2,s1,不同值下的有相应的二阶系统单位阶跃响应曲线,1,二阶系统单位阶跃响应曲线单调上升=1,单调上升的特性中较1时短01,阶跃响应曲线振荡特性加强=0,阶跃响应曲线等幅振荡0,阶跃响应曲线发散振荡0.40.8,比=1时小,振

29、荡特性不严重工程上希望二阶系统工作在0.40再进行下一行元素的计算例:s3-3s+2=0方程中s2项的系数为0，s项系数为负，由系统稳定的必要条件知，相应系统不稳定。s31-3s202令r2,1=0,则s22s1s1(-3-2)/0s02可见变号两次，该方程有两个根在s右半平面,劳斯表计算时零元素的处理,某一行元素全为零时处理:用上一行元素构成辅助多项式例:s6+2s5+8s4+12s3+20s2+16s+16=0s6182016s5212160s421216同除2后为168S4S2S0s3000经处理后为412412S3Ss2380s14/3s08,5).劳斯判据的应用,(1)分析系统参数对

30、稳定性的影响例R（s）C（s）求使系统稳定的K。解：G(s)=K/s(0.1s+1)(0.25s+1)+K系统特征方程:s3+14s2+40s+40K=0,s(0.1s+1)(0.25s+1),K,-,劳斯表:s3140s21440Ks1(560-40K)/14s040K系统稳定条件：560-40K040K0即0K14，系统才稳定,(2)检验系统的相对稳定性,利用劳斯判据确定的是系统稳定或不稳定，即绝对稳定性。在实际系统中，需要知道系统离临界稳定有多少裕量，这即相对稳定性或稳定裕量问题。,相对稳定性概念：根平面虚轴为稳定边界，若把此边界左移，针对新边界的系统稳定性为相对稳定性。相对稳定性反映了

31、系统稳定的深度。左移距离被称为稳定裕量。,用劳斯判据检验系统的相对稳定性的做法：先移轴变换，s=z-，再用劳斯判据。,讨论相对稳定性除了考虑极点离虚轴远近外，还要考虑共轭极点的振荡情况。对于共轭极点，其实部反映响应的衰减快慢，虚部反映响应的振荡情况。对于极点，对应的时域响应为。所以，越小，衰减越慢，越大，振荡越激烈。如下图示意：,可用共轭极点对负实轴的张角来表示系统的相对稳定性。当时，表示极点在虚轴上，系统为临界稳定。越小，稳定性越高。相对稳定性越好。,课题：第七节控制系统的稳态误差分析及误差系数,要求：正确理解误差的定义和稳定误差的概念，会计算不同典型输入信号及不同系统型别的稳态误差，会计算扰动作用下的稳态误差明确终值定理的使用条件重点：稳定误差的概念，稳定误差计算方法,第七节控制系统的稳态误差分析及误差系数,1).稳态误差概念稳态误差：输出设定值-输出稳态值给定稳态误差：针对给定值的改变扰动稳态误差：针对扰动量的改变ess=0无差系统ess0有差系统,由设定输入信号引起的误差反映系统跟踪输入信号的能力;由扰动输入信号引起的误差反映系统抑制扰动的能力,终值定理:若Lx(t)=X(s),且X(s)在平面s的右半平面及除原点外的虚轴上解析,则