第一章反馈控制系统的基础知识.ppt

1、第一章反馈控制系统的基础知识,第一节反馈控制系统的基本概念一、反馈控制系统的组成例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示意图,（1）控制对象控制对象是指所要控制的机器、设备或装置。把所要控制的运行参数叫做被控量。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）测量单元测量单元的作用：检测被控量的实际值，并把它转换成标准的统一信号，该信号叫被控量的测量值。在气动控制系统中，其统一的标准气压信号是0

2、.020.lMPa；在电动控制系统中，其统一的标准电流信号是010mA或420mA。在温度自动控制系统中，测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，测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，测量单元采用水位发讯器（参考水位罐）和差压变送器。,（3）调节单元调节单元是指具有各种调节作用规律的调节器。把运行参数所希望控制的最佳值叫给定值，用r表示；被控量的测量值用z表示。把被控量的测量值偏离给定值的数量叫偏差值，用e表示,显然，e=r-z。调节器首先接收测量单元送来的被控量的测量信号，并与被控量的给定值相比较得到偏差信号，再根据偏差信号的大小和方向（正偏差还是负

3、偏差），依据某种调节作用规律输出一个控制信号，对被控量施加控制作用，直到偏差等于零或接近零为止。,（4）执行机构执行机构的输入量是调节单元输出的控制信号，执行机构的输出量是调节阀的开度。调节单元输出的控制信号经执行机构直接改变调节阀的开度，从而可改变流入控制对象物质或能量流量，使之能符合控制对象负荷的要求，被控量会逐渐回到给定值或给定值附近。,以上四个基本单元在组成反馈控制系统中是缺一不可的。但对于一个完整的反馈控制系统，一般还设有显示单元，用来指示被控量的给定值和测量值。同时，对气动控制系统来说，应设有气源装置和定值器；对电动控制系统尚需设稳压电源等辅助装置,二、自动控制系统传递方框图,（1

4、）环节任何环节输出量的变化取决于输入量的变化及环节的特性，而输出量的变化不会影响输入量。（2）扰动引起被控量变化的一切因素称为扰动或扰动量，扰动可分为两类：外部扰动、基本扰动。,（3）闭环系统反馈控制系统必定是闭环系统。（4）反馈被控量的变化经测量单元又反送到调节器的输入端，这个过程叫反馈。正反馈是指经反馈能加强闭环系统输入效应，即使偏差e增大。负反馈是指经反馈能减弱闭环系统输入效应，即使偏差e减小。,三、反馈控制系统的分类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，则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，

5、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行变化，则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任意变化的，且变化规律是事先无法确定的系统，则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。,四、自动控制系统的动态过程,1、动态过程特点系统从受到扰动开始到被控量稳定在新稳态值，系统达到新的平衡状态的过程，也就是被控量随时间的变化规律，称为动态过程（过渡过程）。,2

6、、评定控制系统动态过程品质的指标反馈控制系统的扰动形式是随机的，很难用一个数学表达式来精确地描述，但可以归纳为四种扰动形式：阶跃形式、线性形式、脉冲形式、正弦形式。,为了便于分析和研究反馈控制系统的性能，通常以阶跃信号作为系统的给定值或扰动，因为阶跃信号是反馈控制系统一种最常见的输入信号，而且不论是作为给定值或者扰动量，对系统是最严重的冲击，最容易引起系统发生不平衡状态,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,（1）稳定性指标对于定值控制系统可用衰减率表示，=AB/A0发散振荡过程，01衰减振荡过程=

7、0等幅振荡过程，=1非周期过程一般希望=0.750.9,对于改变给定值的控制系统可用超调量p表示:,=YmaxY（）/Y（）100%,一般要求30%,振荡次数N，一般要求23次。（2）准确性指标最大动态偏差emax、静态偏差（3）快速性指标过渡过程时间ts、振荡周期TW,第二节调节器的作用规律,一、双位式作用规律1、双位式作用规律的概念例：辅锅炉水位浮子式双位控制系统,水位的动态过程,2、压力调节器（压力开关）,幅差：被控量（压力）上、下限之间的差值。幅差调整：通过改变给定弹簧的预紧力可调整压力的下限值Px，通过改变幅差弹簧的预紧力可调整压力的上限值Pz。幅差的计算公式：=0.07+（0.25

8、0.07)X/10X是幅差旋纽(幅差螺钉)的刻度调大幅差弹簧与主杠杆上作用螺钉之间的间隙,则上限值减小,下限值不变,幅差减小。,二、比例作用规律（P作用规律）,1、定义及数学表达式调节器的输出变化量与输入偏差成比例,2、比例带PB（）的概念比例带PB或比例度是指调节器的相对输入量与相对输出量之比的百分数,式中：e是被控量的变化量（偏差值），Xmax。是被控量允许变化的最大范围，叫全量程。被控量的变化量与全量程的比值e/Xmax是调节器的相对输入量。P是调节阀开度的变化量，Pmax是调节阀开度的最大变化量，即调节阀从全关到全开或全开到全关叫全行程，调节阀开度变化量与全行程的比值P/Pmax是调节

9、器的相对输出量。RPmax/Xmax叫量程系数，在单元组合仪表中，R1。这样，显然，比例带PB与放大倍数成反比。,3、比例带大小对控制系统动态过程的影响,当组成控制系统的控制对象确定以后，比例带PB的大小，对控制系统动态过程品质好坏起着决定性的影响。若比例带PB增大，使比例作用减弱，系统动态过程稳定性提高，即衰减率增大，但最大动态偏差emax增大，过渡过程时间ts加长，静态偏差增大。若比例带PB选定太小，比例作用很强，有一点偏差e调节阀开度的变化量就很大，相对扰动来说，调节阀开度的变化量会过头，造成被控量的大起大落，系统的振荡倾向明显增大，降低了系统的稳定性。同时，由于被控量的振荡不息，会加长

10、过渡过程时间ts。,对一个实际控制系统来说，要根据控制对象的特性，调定合适的比例带PB，以保证一个控制系统具有最佳的动态过程。在调节器上装有比例带调整旋钮，用来设定比例带。比例带的可调范围，对不同类型的调节器不尽相同，一般是在5300之内。4、比例调节作用的特点：比例调节对被控量的控制比较及时，但是系统存在静态偏差。K大，静态偏差越小。,三、比例积分作用规律（PI作用规律）,1、积分作用规律（I）调节器的输出量与输入偏差对时间的积累成比例,2、积分作用的特点：控制作用很不及时，容易使被控量超调和振荡。与纯比例调节相比较，使系统最大动态偏差增大，稳定性下降，过渡过程时间变长。优点是能够消除系统的

11、静态偏差,b,3、比例积分作用规律定义及表达式积分时间的测定：,当时间进行到t=Ti时，P（t）2Ke，即PI调节器的输出是比例输出的两倍，也就是积分输出等于比例输出，BC=AB。由此可见，积分时间Ti的物理意义是，在给PI调节器输入一个阶跃偏差信号时，积分输出等于比例输出所需的时间就是积分时间Ti。Ti越小，积分输出达到比例输出的时间越短，积分作用越强。,4、积分时间对系统动态过程的影响,在整定Ti值时，切忌把Ti值整定太小，否则由于积分作用太强，系统动态过程振荡激烈，被控量长时间稳定不下来。如果Ti值不能进行准确地整定，那么选取Ti值时，要宁大勿小。Ti值偏大一些，积分作用偏弱，只是消除静

12、态偏差的时间稍长一些。积分时间Ti的整定范围是在3s至20min之内。控制对象惯性大的控制系统，选取Ti值要大一些。控制对象惯性小的控制系统，选取Ti值可小一些。,在比例积分调节器上，如果把积分时间Ti整定到，则切除了积分作用，而成为纯比例调节器，会使系统存在静态偏差。如果调节器要加进积分作用（其Ti不是），则此时比例带PB要比纯比例调节器的比例带PB大一些，以抵制由于积分作用而使系统动态过程振荡倾向的增加。,四、比例微分作用规律（PD作用规律）,1、微分作用规律（D作用规律）调节器的输出量与输入偏差的变化速度成比例,2、微分作用的特点：具有超前控制作用，能及时克服扰动，被控量不会出现较大的偏

13、差，可以提高系统的稳定性，缩短过渡过程时间，改善系统的动态性能但不能消除系统的静态偏差。微分作用多用于对象时间常数较大的系统。,3、比例微分作用规律的定义及表达式,给比例微分调节器施加一个阶跃的偏差输入信号后，它首先有一个阶跃的比例加微分的输出，然后微分输出逐渐消失，最后消失在比例输出上。微分时间Td表示微分输出消失的快慢，或微分输出保留得时间长短。若Td大，说明微分作用消失慢，或微分作用保留时间长，则微分作用强。若Td小，说明微分作用消失得快，或微分作用保留时间短，则微分作用弱。因此，微分时间Td的大小，是衡量微分作用强弱的参数。如果把微分时间旋钮调整到Td=0，相当于切除微分作用，这时调节器就成为纯比例调节器。在比例微分调节器中，加进微分作用后，其比例带PB可比纯比例控制的比例带PB小一点。,4、微分时间对系统动态过程的影响,五、比例积分微分作用规律（PID作用规律）,1、比例积分微分作用规律的定义及表达式2、对系统动态过程的影响微分作用对干扰信号非常敏感，因此液位控制系统不能采用微分。,在使用中，往往把积分时间Ti整定得比微分时间Td长，它们之间的关系大致为Ti（45）Td。在比例积分微分调节器中