自動控制基礎知識02

1、自動化控制基礎自動化控制基礎知識知識自動控制的基本知識1.1 自動控制系統(tǒng)概述1.2 自動控制系統(tǒng)的基本要求1.3 調節(jié)對象的特性1.4 調節(jié)器的分類和調節(jié)規(guī)律 什么是自動控制? 無須人的直接參與，通過控制裝置，使無須人的直接參與，通過控制裝置，使機器、設備、生產(chǎn)過程等按照預定的規(guī)律運機器、設備、生產(chǎn)過程等按照預定的規(guī)律運行，完成要求的任務，就叫自動控制。行，完成要求的任務，就叫自動控制。工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)、交通運輸、國防建設、航空航工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)、交通運輸、國防建設、航空航天事業(yè)等領域中獲得廣泛應用。天事業(yè)等領域中獲得廣泛應用。比如：人造地球衛(wèi)星的發(fā)射成功與安全返回。導彈的準確擊中目標，雷達系統(tǒng)的準確跟

2、蹤目標；交通系統(tǒng)：制造系統(tǒng)：家用電器：電扇：控制轉速電冰箱、空調、電飯煲：電冰箱、空調、電飯煲：控制溫度控制溫度洗衣機：洗衣機：控制水位、強弱、時間等控制水位、強弱、時間等各種機器人：1.1 自動控制系統(tǒng)概述1.1.1 自動控制系統(tǒng)的組成及方框圖 自動調節(jié)是在人工調節(jié)的基礎上產(chǎn)生和發(fā)展起來的。人工調節(jié)和自動控制眼眼手手腦腦測量變送測量變送執(zhí)行器執(zhí)行器控制器控制器設定設定測量儀表相當于人的眼睛，控制器相當于人的大腦，控制閥相當于人的手腳。一個自動控制系統(tǒng)就是對人工調節(jié)過程的模擬。 1、人工控制：、人工控制：進進水水水水池池要要求求水水位位實實際際水水位位出出水水水位人工控制原理圖水位人工控制原理

3、圖 如圖如圖11 所示，所示， 水水 位保持系統(tǒng)。位保持系統(tǒng)。若要求在出水量隨意的條件下，保持水位高度不變：操若要求在出水量隨意的條件下，保持水位高度不變：操作人員需先測實際水位，并在腦子中與要求的水位進行作人員需先測實際水位，并在腦子中與要求的水位進行比較。若低于要求的水位，則需開大進水閥門。否則應比較。若低于要求的水位，則需開大進水閥門。否則應關小進水閥門。若兩者正好相等，則進水閥門不動。關小進水閥門。若兩者正好相等，則進水閥門不動。根據(jù)系統(tǒng)原理圖可畫出其方框圖如圖根據(jù)系統(tǒng)原理圖可畫出其方框圖如圖12所示。所示。 要求水位要求水位執(zhí)行執(zhí)行水池水池實際水位實際水位出水量出水量測量測量比較、計

4、算比較、計算圖圖12 水位人工控制系統(tǒng)方框圖水位人工控制系統(tǒng)方框圖 該水池若改為由自動控制裝置代替操作人員：由浮子測出實際水位，與要求的水位比較。然后得偏差再由調節(jié)元件根據(jù)偏差的大小和正負產(chǎn)生控制信號。最后由執(zhí)行元件根據(jù)信號產(chǎn)生控制作用。如圖1-3所示。進水進水浮子浮子實實際際水水位位出水出水 + +- -連連桿桿電機電機M M水位自動控制系統(tǒng)原理圖水位自動控制系統(tǒng)原理圖 在此：浮子測水位，由連桿和電位器進行比較：浮子低則電位器上得到正電壓，經(jīng)放大后使電機向進水閥門開大的方向旋轉；反之，當浮子高時，電位器上得到負電壓，電機向閥門關小的方向旋轉；若水位正好，則電位器上電壓為零，電機不轉，閥門不動

5、。要求水位電電機機閥閥門門水水池池出出水水量量實實際際水水位位浮浮子子 電位器連桿比較水位自動控制系統(tǒng)方框圖水位自動控制系統(tǒng)方框圖（1）人工調節(jié)觀察：觀察室內(nèi)溫度計的示值，即室溫的測量值。比較：將室溫測量值與給定值進行比較，計算出二者間的偏差量。決策和操縱：當測量值高于給定值時，適當關小供液閥；而當測量值低于給定值時，則適當開大供液閥，即供液閥開度的大小取決于偏差的數(shù)值和符號。 人工調節(jié)是指在人直接參與的情況下，使被調參數(shù)達到給定值或按照預先給定的規(guī)律變化的過程。 nqabc 室溫自動控制系統(tǒng)室溫自動控制系統(tǒng)1溫度傳感器溫度傳感器 2熱水加熱器熱水加熱器 3溫度控制器溫度控制器 4電動二通閥電

6、動二通閥外侵熱量外侵熱量 室內(nèi)溫度室內(nèi)溫度 室外溫度室外溫度 送風溫度送風溫度（2）自動調節(jié) 下面以室溫控制系統(tǒng)為例，說明其自動調節(jié)過程。 圖示為一室溫自動調節(jié)系統(tǒng)。它是由房間內(nèi)的溫度傳感器、溫度調節(jié)器、供水管上安裝的電動二通閥組成。 系統(tǒng)通過溫度傳感器測出室內(nèi)溫度變化，并將溫度變化轉變成相應的電信號輸送給溫度調節(jié)器，溫度調節(jié)器將接受到的信號與給定值進行比較得出偏差，并根據(jù)偏差的大小和方向按照預定的調節(jié)規(guī)律轉換成控制信號控制電動二通閥，決定其開啟或關閉，控制熱水流量，對室溫進行調節(jié)。 室溫自動調節(jié)系統(tǒng)用傳感器代替了人工調節(jié)中眼睛的觀察；用調節(jié)器代替了人工調節(jié)中人的大腦所做的分析和判斷；用電動二

7、通閥代替了人工調節(jié)中人對手動閥門的調節(jié)。 自動調節(jié)是指在無人直接參與的情況下，使被調參數(shù)達到給定值或按照預先給定的規(guī)律變化的過程。2.自動調節(jié)系統(tǒng)的組成與方框圖（1）自動調節(jié)系統(tǒng)的組成 自動調節(jié)系統(tǒng)是由自動調節(jié)設備和調節(jié)對象組成。自動調節(jié)設備一般由傳感器、控制器和執(zhí)行器三部分組成。 （2）自動調節(jié)系統(tǒng)的方框圖室溫自動控制系統(tǒng)框圖 控制系統(tǒng)中的每一個組成環(huán)節(jié)用一個方框來表示，每個方框都有一個輸入信號，一個輸出信號；方框間的連線和箭頭表示環(huán)節(jié)間的信號聯(lián)系與信號傳遞方向，信號可以分叉與交匯。 1.1.2 自動調節(jié)系統(tǒng)中常用的術語 1.受控對象 被調節(jié)的設備稱作調節(jié)對象，簡稱對象。如被調節(jié)的恒溫室。

8、2.傳感器 傳感器又稱敏感元件和一次儀表，是將被測量按一定規(guī)律轉換成便于處理和傳輸?shù)牧硪环N物理量的元件。 3.調節(jié)器 調節(jié)器又稱控制器，將輸入為偏差，輸出為調節(jié)信號的裝置稱作調節(jié)器。如溫度控制器。 4.執(zhí)行器 將輸入為調節(jié)信號，輸出為調節(jié)作用的裝置稱作執(zhí)行器。如電動二通閥。 5.被調參數(shù) 被調參數(shù)又稱被控量，是受控對象中要求實現(xiàn)自動調節(jié)的物理量。如空調房間內(nèi)的溫度。 6.給定量 給定量又稱設定值，即通過控制系統(tǒng)的作用，使被調參數(shù)達到要求的數(shù)值。 7.主反饋 輸出的被調參數(shù)通過傳感器轉換的，與輸出成正比例或某種函數(shù)關系，但其量綱與設定值相同的信號。 8.偏差 給定值與反饋量之差。在自動調節(jié)系統(tǒng)中

9、規(guī)定偏差為給定值減去主反饋量。 9.干擾 又稱擾動。在調節(jié)系統(tǒng)中，凡是使被調參數(shù)偏離給定值或影響其按照預期規(guī)律變化的各種因素統(tǒng)稱干擾。如房間熱負荷的變化，室外空氣溫度的變化等。 10.調節(jié)量 又稱操作量。它是為了使被調參數(shù)在受到干擾后，恢復到新的給定值而需要通過調節(jié)機構向被控對象輸入或從對象中輸出的能量。一、恒值系統(tǒng)：1. 定義r(t)為常值的系統(tǒng)。2. 目的保證c(t)恒定。3. 例如：調速系統(tǒng)（當ug不變時），水池水位控制系統(tǒng)，空調、冰箱、恒溫箱及爐溫控制系統(tǒng)等。1.1.3 按給定值的特點分：按給定值的特點分：D DA AA AD D放大濾波放大濾波熱電偶熱電偶電爐電爐電阻絲電阻絲TP30

10、1-BTP301-B單單板板機機 期望T期望T計算機計算機D/AD/A觸發(fā)器觸發(fā)器晶閘管晶閘管爐體爐體環(huán)溫環(huán)溫T TA/DA/D- -放大濾波放大濾波熱電偶熱電偶電阻爐微機溫度控制系統(tǒng)電阻爐微機溫度控制系統(tǒng)恒值系統(tǒng)（續(xù)）恒值系統(tǒng)（續(xù)） 上圖所示為電阻爐微機溫度控制系統(tǒng)，電阻絲通過晶閘管主電路加熱，爐溫期望值用計算機鍵盤預先設置，實際爐溫由熱電偶檢測，并轉換成電壓（mv），經(jīng)放大濾波后，由模/數(shù)轉換器（A/D）將模擬信號數(shù)字信號送入計算機。在計算機中與所設置的期望值比較后產(chǎn)生偏差信號。計算機便根據(jù)預定的控制算法（即控制 規(guī)律）計算相應的控制量，再經(jīng)D/A轉換變?yōu)楹阒迪到y(tǒng)（續(xù)）4. 優(yōu)點優(yōu)點: 計

11、算機溫度控制系統(tǒng)，具有精度高、功能 強、經(jīng)濟性好、無噪聲、顯示醒目、讀數(shù) 直觀、打印存檔方便、操作簡單、靈活性 和適應性好等一系列優(yōu)點。 010mA的電流，通過觸發(fā)器控制晶閘管的控制角，從而改變晶閘管的整流電壓，也就改變了電阻絲中電流的大小，達到控制爐溫的目的。恒值系統(tǒng)（續(xù)）3. 例如：跟蹤目標的雷達系統(tǒng)、火炮群控 制系 統(tǒng)、導彈制導系統(tǒng)、參數(shù)的自動檢驗系統(tǒng)、 X-Y記錄儀、船舶駕駛舵位跟蹤系統(tǒng)、飛機自 動駕駛儀等等。 如圖113所示為船舶駕駛舵角位置跟蹤系統(tǒng)。 1.定義：給定值隨意變化而事先無法知道的系統(tǒng)。2.目的：使c(t)按一定精度跟蹤r(t)的變化。二、隨動系統(tǒng)二、隨動系統(tǒng)U Ui i

12、u u0 0i0-+Mnu u電壓放大功率放大負載船舶駕駛舵角位置跟蹤系統(tǒng)船舶駕駛舵角位置跟蹤系統(tǒng)隨動系統(tǒng)（續(xù)）隨動系統(tǒng)（續(xù)）其任務是使船舵角位置按給定指令變化，即要求0跟隨i:0(t)=i(t)。uiu0uiu0-=u u圖圖1 11414 電位計電壓放大功率放大電機船舵-i0船舶駕駛舵角位置跟蹤系統(tǒng)方框圖隨動系統(tǒng)（續(xù)）隨動系統(tǒng)（續(xù)）該系統(tǒng)由船舵（受控對象）、電位計（測量、比較元件）、電機、減速器、電壓和功率放大器等組成。 由兩個電位計組成橋式連接，u=ui-ua。若0=i， 則預先整定ui=u0 ,則u=0， 電機不動，系統(tǒng)處于平 衡狀態(tài)。若i 變了，而0 未變，則有0i ， uiu0，u

13、0 ，從而使電機轉動，帶動船舵角位 置0向i 要求的位置變化，直至0=i ，u=0 ， 電機才停止。系統(tǒng)重又平衡。隨動系統(tǒng)（續(xù)）隨動系統(tǒng)（續(xù)）4. 優(yōu)點：控制對象簡單，指令信號事先無法知道其變化規(guī)律?？捎霉β屎苄〉闹噶钚盘柌倏v功率很大的工作機械，還可進行遠距離控制。三、程控系統(tǒng)：三、程控系統(tǒng)：1. 定義：給定值或指令輸入信號按預定程序變化的 系統(tǒng)。1. 目的：c(t)按預定的程序去運行。2. 例如：順序控制器、數(shù)控機床、仿形機床等。 如圖116所示為數(shù)控機床，將輸入處理， 插補計算和控制功能可由邏輯電路實現(xiàn)， 也可由計算機來完成。 一般都將加工軌跡編好程序。并轉換成脈 沖輸入，再將工作臺移動軌

14、跡也換算成脈 沖側出來與輸入脈沖比較后再換算成模擬 信號用以控制SM。進給脈沖比較放大SM齒輪箱工作臺測量反饋脈沖數(shù)控機床控制系統(tǒng)方框圖程控系統(tǒng)（續(xù)）程控系統(tǒng)（續(xù)） 2.按系統(tǒng)的結構分類 （1）開環(huán)控制系統(tǒng) 開環(huán)控制系統(tǒng)是最簡單的一種控制系統(tǒng)。其特點是在調節(jié)器與被控對象之間只有正向控制作用，而沒有反饋控制作用。開環(huán)控制系統(tǒng)開環(huán)控制系統(tǒng)開環(huán)控制系統(tǒng)：1. 定義：開環(huán)控制控制器與被控對象之間只 有順向作用而沒有反向聯(lián)系的控制過程。2. 特點：被控量對系統(tǒng)的控制作用不產(chǎn)生影響， 需要控制的是c(t)，而測量的只是r(t).+ + +u ug g- -U Ua a功功放放n n負負載載uguguaua

15、n n電動機電動機功放功放開環(huán)直流調速系統(tǒng) 例如：直流電機開環(huán)調速系統(tǒng)如圖所示。 給定電壓放大后得到電樞電壓ua，從而控制轉速n。 改變ugua改變n改變，ug與n一一對應。但是，當負載變化時（干擾量），會使n改變，即使ug不變，n 也改變。ua（ug）與n的關系不精確，抗擾動能力差，系統(tǒng)控制精度難以保證，應用少。（2）閉環(huán)控制系統(tǒng)1.定義：閉環(huán)控制被控量與給定值比較后用其偏差對系統(tǒng)進行控制。亦稱反饋控制。2.特點：不論什么原因使被控量偏離期望值而出現(xiàn)偏差時，必定會產(chǎn)生一個相應的控制作用去減小或消除這個偏差，使被控量與期望值趨于一致。需要控制的是c(t)、而測量的是c(t)對r(t)的偏差。只

16、要c(t)出現(xiàn)偏差，系統(tǒng)就自行糾正。閉環(huán)控制系統(tǒng)閉環(huán)控制系統(tǒng)+ + + + +- -+ +- -TGTGMMu ug gu uu u1 1u ua a- -n nu un n= =n n電壓電壓放大放大功率功率放大放大負載負載u ug gu uu u1 1u ua an nu un n- -電電壓壓放放大大測測速速機機電電機機功功率率放放大大閉環(huán)直流調速系統(tǒng)閉環(huán)直流調速系統(tǒng)閉環(huán)控制系統(tǒng)（續(xù)）閉環(huán)控制系統(tǒng)（續(xù)） 負載TL(TeTL)nunuu1ua n 或溫度TRaEnunuu1ua n系統(tǒng)精度高、抗干擾能力強、應用廣泛。閉環(huán)控制系統(tǒng)（續(xù)）閉環(huán)控制的實質: 就是利用負反饋的作用來減小系統(tǒng)的偏差。

17、因此閉環(huán)控制又稱反饋控制。反饋控制系統(tǒng)具有較強的抗干擾能力，且精度高，適用面廣，是基本的控制系統(tǒng)?？煞譃榫€性控制系統(tǒng)和非線性控制系統(tǒng) 線性系統(tǒng)的數(shù)學描述： 線性函數(shù)，如線性微分方程、線性差分方程、 線性代數(shù)方程。線性系統(tǒng)具有齊次性和疊加 性，其優(yōu)點是數(shù)學處理簡便，理論體系完整。 非線性控制系統(tǒng)： 用非線性方程描述的系統(tǒng)，不滿足疊加原理。4 按數(shù)學描述分類5 按時間信號的性質分類可分為連續(xù)控制系統(tǒng)和離散控制系統(tǒng)： 連續(xù)控制系統(tǒng)：系統(tǒng)中各變量均對時間連續(xù)。 離散控制系統(tǒng)：系統(tǒng)中一處或幾處的變量為離 散信號，如計算機控制系統(tǒng)或采樣控制系統(tǒng)。0t連續(xù)信號0t離散信號 定常系統(tǒng)： 系統(tǒng)的參數(shù)不隨時間變化

18、的系統(tǒng)。描述其 動態(tài)特性的微分方程或差分方程的系數(shù)為 常數(shù)。 時變系統(tǒng)： 系統(tǒng)的參數(shù)隨時間而變化。描述其動態(tài)特性 的微分方程或差分方程的系數(shù)不為常數(shù)。 可分為定常系統(tǒng)與時變系統(tǒng)6 按系統(tǒng)參數(shù)是否隨時間變化分類典型干擾作用1.1.4 干擾分析干擾分析 階躍干擾在 時刻作用于系統(tǒng)，干擾量不隨時間而變化，也不再消失。當干擾作用 =1時，稱為單位階躍干擾，其時域方程為： 1 0 階躍干擾對于控制系統(tǒng)是最不利的干擾，是最便于計算和易于實現(xiàn)的干擾形式。在分析系統(tǒng)特性時，常以階躍干擾為輸入進行分析。0t)(tf)(tf0tt 0tt 1.2 對自動調節(jié)系統(tǒng)的基本要求1.2.1 控制系統(tǒng)的主要性能指標 自動調

19、節(jié)系統(tǒng)的過渡過程也就是系統(tǒng)的動態(tài)特性，評價系統(tǒng)優(yōu)劣的性能指標是從動態(tài)過程中定義出來的，對系統(tǒng)性能的基本要求有三個方面。 1.穩(wěn)定性 穩(wěn)定性是指系統(tǒng)受到外作用后，其動態(tài)過程的振蕩傾向和系統(tǒng)恢復平衡的能力。如果系統(tǒng)受到外作用后，經(jīng)過一段時間，其被調參數(shù)可以達到某一穩(wěn)定狀態(tài)，則稱系統(tǒng)是穩(wěn)定的；否則稱為不穩(wěn)定。 穩(wěn)定系統(tǒng)的動態(tài)過程穩(wěn)定系統(tǒng)的動態(tài)過程 不穩(wěn)定系統(tǒng)的動態(tài)過程不穩(wěn)定系統(tǒng)的動態(tài)過程 結論：對于任何一個控制系統(tǒng)，要能正常工作，則必須是穩(wěn)定的。因此穩(wěn)定性是控制系統(tǒng)最重要的性能，也是對控制系統(tǒng)最基本的要求。 2.瞬態(tài)特性 對于一個穩(wěn)定系統(tǒng)，瞬態(tài)特性是指系統(tǒng)的被調參數(shù)在輸入信號或擾動作用下，由原來的平

20、衡狀態(tài)變到新的平衡狀態(tài)的過程。 瞬態(tài)特性主要表征系統(tǒng)響應的快速性和平穩(wěn)性。 3.穩(wěn)態(tài)特性 穩(wěn)態(tài)特性主要表征系統(tǒng)的準確性，反映了系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)精度。準確性是由輸入給定值與輸出響應的終值之間的差值（穩(wěn)態(tài)誤差）來表征。若系統(tǒng)的最終誤差為零，則稱為無差系統(tǒng)；否則稱為有差系統(tǒng)。 上述三方面的性能往往是相互制約的。在設計和調試過程中，若過分強調系統(tǒng)的穩(wěn)定性，則可能引起系統(tǒng)響應遲緩和控制精度較低的后果；反之，若過分強調系統(tǒng)的快速性，則又會使系統(tǒng)加劇振蕩，甚至引起不穩(wěn)定。因此必須根據(jù)工作任務的不同，分析和設計自動調節(jié)系統(tǒng)，使其對三方面的性能有所側重，并兼顧其他，以便更好地滿足控制要求。1.2.2 反饋控制系統(tǒng)的過

21、渡響應 1.靜態(tài)和動態(tài) 自動調節(jié)領域內(nèi)，把被調參數(shù)不隨時間而變化的平衡狀態(tài)稱為系統(tǒng)的靜態(tài)，把被調參數(shù)隨時間而變化的不平衡狀態(tài)稱為系統(tǒng)的動態(tài)。 靜態(tài)是暫時的、相對的、有條件的，而動態(tài)才是普遍的、絕對的、無條件的。 2.控制系統(tǒng)的動態(tài)特性 對于一個控制系統(tǒng)，由于輸入的變化，將引起輸出變化，它們之間的關系稱為系統(tǒng)的動態(tài)特性。對于系統(tǒng)中一個元件（或環(huán)節(jié)），由于輸入的變化，也將引起輸出變化，它們之間的關系稱為元件（或環(huán)節(jié)）的動態(tài)特性。 3.反饋控制系統(tǒng)的過渡過程 在動態(tài)階段，自動調節(jié)系統(tǒng)的被調參數(shù)是不斷變化的，這種被調參數(shù)隨時間變化的過程稱為自動調節(jié)系統(tǒng)的過渡過程。研究過渡過程的目的就是為了研究控制系統(tǒng)

22、的質量，也就是它的穩(wěn)定性、準確性和快速性。 過渡過程的基本形式過渡過程的基本形式 （1）衰減振蕩過程，被調參數(shù)經(jīng)過一段時間振蕩后，能很快地趨向于新的平衡狀態(tài)，是一種比較理想的過渡過程。 （2）單調衰減過程，這種過程是穩(wěn)定的、允許的，但由于反應遲鈍、控制質量差，是一種很不理想的過渡過程。 （3）等幅振蕩過程，在連續(xù)控制系統(tǒng)中這是不穩(wěn)定的過程，但在雙位控制系統(tǒng)中只要被調參數(shù)幅值和波動頻率在工藝允許的范圍內(nèi)，是可以采用的。 （4）發(fā)散振蕩過程，被調參數(shù)變化幅度越來越大。這是一種不穩(wěn)定的過程，在控制系統(tǒng)中應當避免。 4.反饋控制系統(tǒng)過渡過程中的品質指標反饋控制系統(tǒng)過渡過程中的品質指標系統(tǒng)受到階躍干擾后

23、系統(tǒng)受到階躍干擾后衰減振蕩過程品質指標圖衰減振蕩過程品質指標圖 控制系統(tǒng)常用的質量指標如下： （1）衰減比 衰減比是表示衰減程度的指標，其值為前后兩個波峰值之比。 （2）最大超調量 又稱最大動態(tài)偏差。被調參數(shù)在過渡過程中，出現(xiàn)第一個最大峰值超出新穩(wěn)態(tài)值的量，稱為最大超調量。它反映了調節(jié)系統(tǒng)的動態(tài)誤差和穩(wěn)定性。其值越大，動態(tài)誤差越大，穩(wěn)定性越差；其值越小，動態(tài)誤差越小，穩(wěn)定性越好。nnpM （3）靜態(tài)偏差 又稱穩(wěn)態(tài)偏差、殘余偏差。它表示控制系統(tǒng)受干擾作用后，達到新的平衡時，被調參數(shù)的新穩(wěn)定值與給定值之差。 靜態(tài)偏差是表征控制精度的一個重要指標，因此要根據(jù)需要和可能慎重取值。以次房間為例：一般空調

24、系統(tǒng)允許有一定的靜態(tài)偏差。如某空調系統(tǒng)，冬季溫度設計值為 23 2 ，則該系統(tǒng)的給定值為23 ，要求靜態(tài)偏差 2 ；對于制冷系統(tǒng)，對靜態(tài)偏差要求一般較高，如某冷庫溫度設計為-15 1 ，即靜態(tài)偏差 1 。 )(y)(y)(y （4）動態(tài)偏差 動態(tài)偏差表示在調節(jié)過程中被調參數(shù)相當于給定值的最大偏差。穩(wěn)定調節(jié)系統(tǒng)的動態(tài)偏差常出現(xiàn)在第一個波峰。如定值調節(jié)系統(tǒng)中，動態(tài)偏差為被調參數(shù)的最大值與原穩(wěn)態(tài)值之差，而原穩(wěn)態(tài)值又規(guī)定為零，故定值調節(jié)系統(tǒng)的動態(tài)偏差就是被調參數(shù)的最大值。因此其物理意義與最大超調量相同，僅是參考點不同而已。maxy （5）調節(jié)時間 又稱過渡過程時間，是指控制系統(tǒng)受到干擾作用，被調參數(shù)從

25、開始波動過渡到新穩(wěn)態(tài)值的2%5%范圍時所需的時間。st1.3 調節(jié)對象的特性 調節(jié)對象特性是指其在輸入作用下，其輸出變量即被調參數(shù)隨時間變化的特性，包括靜態(tài)特性和動態(tài)特性兩部分。1.3.1 對象的負荷 當自動調節(jié)過程處于穩(wěn)定狀態(tài)時，在單位時間內(nèi)流入或流出對象的物料量或能量稱為對象的負荷。例如在恒溫室中，當被調參數(shù)（室內(nèi)的空氣溫度）保持恒定時，單位時間內(nèi)流入或流出恒溫室的熱量就是對象的負荷。1.3.2 調節(jié)對象的容量及容量系數(shù) 任何一個調節(jié)對象，都能貯存一定的能量或物料。對象貯存能量或物料的能力稱為對象的容量。調節(jié)對象之所以具有貯存能量或物料的能力，是由于其內(nèi)部存在著某種阻力，阻礙能量或物料從調

26、節(jié)對象中流出。 液位調節(jié)對象液位調節(jié)對象 (a) 立式立式 (b) 臥式臥式圖中，直接影響被調參數(shù)變化的是容量系數(shù)。圖中，直接影響被調參數(shù)變化的是容量系數(shù)。 C 容量系數(shù)是一個表征調節(jié)對象慣性的容量系數(shù)是一個表征調節(jié)對象慣性的量。容量系數(shù)越大，慣性越大，調節(jié)對象在量。容量系數(shù)越大，慣性越大，調節(jié)對象在受干擾后，其被調參數(shù)的波動越小，變化速受干擾后，其被調參數(shù)的波動越小，變化速度也較慢，這對調節(jié)是有利的，說明它有較度也較慢，這對調節(jié)是有利的，說明它有較好的穩(wěn)定性和抗干擾性。好的穩(wěn)定性和抗干擾性。 dHdV 容量系數(shù)可以是常數(shù)（如圖a），也可以是變數(shù)（如圖b）。容量系數(shù)C只與調節(jié)過程初始和終了兩個

27、狀態(tài)有關，與調節(jié)過程本身無關。因此，容量系數(shù)是一個表征調節(jié)對象靜態(tài)特性的量。 雙容調節(jié)對象雙容調節(jié)對象l閥閥1 2閥閥2 3閥閥3 實際生產(chǎn)中調節(jié)對象往往有兩個 或多個容量，圖示雙容對象由兩個容 量串聯(lián)而成，閥3構成兩容量之間的阻 力。若無此閥，則兩容器液面將趨于 相等，即 ，調節(jié)對象就只有一個容量了。1h2h1.3.3 調節(jié)對象的自平衡和傳遞系數(shù) 當調節(jié)系統(tǒng)受到干擾，平衡遭破壞時，調節(jié)對象能夠不借助調節(jié)裝置的作用而只依靠本身的變化，使系統(tǒng)重新達到平衡，被調參數(shù)趨向一個新的穩(wěn)定值。調節(jié)對象的這種性能叫調節(jié)對象的自平衡。 調節(jié)對象自平衡能力的大小常用自平衡系數(shù)來表示。 式中： 為自平衡系數(shù)； 為

28、干擾前的庫溫； 為干擾后的庫溫； 為熱負荷變化幅度。 自平衡系數(shù)的物理意義是被調參數(shù)每變化1個測量單位所能克服的干擾量。 12ttQ1t2tQ 自平衡系數(shù)的倒數(shù)稱為調節(jié)對象的傳遞系數(shù)，也叫放大系數(shù)。 式中， 為傳遞系數(shù)，其數(shù)值等于被調參數(shù)新舊穩(wěn)定值之差與干擾幅度之比。 傳遞系數(shù) 表征調節(jié)對象的靜態(tài)特性，與被調參數(shù)的變化過程無關，而只與過程的始態(tài)和終態(tài)數(shù)值有關。K1KK 一個調節(jié)對象的傳遞系數(shù)值越大，表示輸入信號（干擾）對輸出信號（被調參數(shù)）的穩(wěn)態(tài)值影響越大；傳遞系數(shù)值小，影響也小。當輸入量與輸出量是線性關系時，該對象為線性對象；若輸入量與輸出量為非線性關系時，則稱為非線性對象。 傳遞系數(shù)的輸入

29、、輸出關系：傳遞系數(shù)的輸入、輸出關系： 對象靜態(tài)特性對象靜態(tài)特性lK值大值大 2K值小值小 3非線性非線性 傳遞系數(shù)大的對象，自平衡能力較小，調節(jié)起來比較靈活，但穩(wěn)定性差；傳遞系數(shù)小的對象，自平衡能力大，調節(jié)不太靈活，但穩(wěn)定性好。1.3.4 調節(jié)對象的反應曲線與時間常數(shù) 調節(jié)對象在階躍干擾作用下，被調參數(shù)隨時間的變化的曲線稱為調節(jié)對象的反應曲線或飛升曲線。它反映了調節(jié)對象的動態(tài)特性，故也稱為動態(tài)特性曲線。 反應曲線與時間常數(shù)反應曲線與時間常數(shù) 該曲線是冷藏間在受到階躍干擾作用后，溫度隨時間的變化是一單調上升的指數(shù)曲線。時間常數(shù) 在數(shù)值上等于對象受到階躍干擾后，被調參數(shù)到達新穩(wěn)定值的63.2所需

30、的時間。在工程上認為，經(jīng)35 的時間以后，系統(tǒng)已經(jīng)進入穩(wěn)定狀態(tài)了。 在相同的干擾作用下，對象的時間常數(shù)越大，慣性越大，系統(tǒng)越穩(wěn)定，但調節(jié)時間也長；時間常數(shù)越小，慣性越小，調節(jié)時間越短，但系統(tǒng)的穩(wěn)定性差。 TT1.3.5 調節(jié)對象的時間延遲 在生產(chǎn)實際中，不少調節(jié)對象在受到干擾作用或調節(jié)作用后，被調參數(shù)并不立即隨著變化，而要延遲一段時間才發(fā)生變化，這段時間間隔在控制技術中稱為調節(jié)對象的時間延遲（也叫滯后時間）。 調節(jié)對象的時間延遲有傳遞延遲和容量延遲兩部分。 1.傳遞延遲 （也叫純延遲） 傳遞延遲產(chǎn)生的原因是，從調節(jié)機構到調節(jié)對象、從調節(jié)對象到敏感元件之間總會有一段距離，物料或能量的傳遞需要一定

31、時間。 0 2.容量延遲 （也叫過渡滯后） 傳遞延遲與容量延遲盡管在本質上不同，但在實際對象中往往兩者同時存在，很難嚴格區(qū)分開來，通常把兩種延遲合起來稱為總時間延遲，即e0時間延遲時間延遲是表示對象受干擾作用后，被調參是表示對象受干擾作用后，被調參數(shù)發(fā)生變化過程中的參數(shù)，也屬于動態(tài)參數(shù)。數(shù)發(fā)生變化過程中的參數(shù)，也屬于動態(tài)參數(shù)。 e1.4 調節(jié)器的分類和調節(jié)規(guī)律1.4.1 調節(jié)器的分類 在一個自動調節(jié)系統(tǒng)中，調節(jié)器輸出信號隨輸入信號而變化的規(guī)律稱為調節(jié)規(guī)律。 調節(jié)器按其調節(jié)規(guī)律或調節(jié)信號的特性分類，主要有如下幾類： （1）雙位調節(jié)器；（2）比例調節(jié)器P；（3）積分調節(jié)器I；（4）比例積分調節(jié)器P

32、I；（5）比例微分調節(jié)器PD；（6）比例積分微分調節(jié)器PID。1.4.2 調節(jié)器的調節(jié)規(guī)律調節(jié)器的調節(jié)規(guī)律1.雙位調節(jié)器雙位調節(jié)器 （1）雙位控制規(guī)律）雙位控制規(guī)律房間溫度房間溫度雙位控制系統(tǒng)雙位控制系統(tǒng) 1鉑熱電阻鉑熱電阻 2冷風機冷風機3電磁閥電磁閥 4控制器控制器 雙位調節(jié)器的執(zhí)行機構只有開和關兩種狀態(tài)。只有被調參數(shù)達到上限或下限時，調節(jié)器才動作，控制執(zhí)行機構全開或全關。被調參數(shù)處于差動范圍之內(nèi)時，調節(jié)器的輸出觸點保持原有狀態(tài)。（2）雙位調節(jié)器的靜態(tài)特性靜態(tài)特性曲線靜態(tài)特性曲線 調節(jié)器輸調節(jié)器輸出觸點出觸點“斷開斷開”與與“閉合閉合”時時相對應的被調相對應的被調參數(shù)之差參數(shù)之差 稱為調節(jié)

33、器的稱為調節(jié)器的差動范圍差動范圍 。X 差動范圍小的雙位調節(jié)器能使被調參數(shù)的波動小，控制質量較高，但調節(jié)器動作頻繁。因此，在滿足生產(chǎn)工藝要求的前提下，應盡量將調節(jié)器的差動范圍調大些，以延長調節(jié)器和執(zhí)行機構的壽命。 （3）雙位調節(jié)器的動態(tài)特性曲線 雙位調節(jié)器的動態(tài)特性曲線，是指雙位控制系統(tǒng)的過渡過程曲線。無遲延時間的雙位控制過程曲線無遲延時間的雙位控制過程曲線 無遲延時間的雙位控制過程曲線是一個不衰減的等幅振蕩過程。123為控制過程的一個周期。 具有遲延時間的雙位控制器控制過程曲線具有遲延時間的雙位控制器控制過程曲線 由于遲延時間的存在，使被調參數(shù)波動幅度增大，動態(tài)偏差增大，控制過程周期也較無遲

34、延時間時有所增長。對這類控制系統(tǒng)，除了選用差動范圍小于生產(chǎn)工藝規(guī)定的被調參數(shù)波動范圍的調節(jié)器外，設計和安裝時應盡量減少控制對象的遲延時間，以保證控制質量。（4）雙位調節(jié)器及其控制過程的特點：雙位調節(jié)器的結構簡單，價格低廉，易于調整。執(zhí)行機構的動作是間斷的，只有“全開”和“全關”兩個位置。屬于非線性控制?？刂七^程是一個周期性、不衰減的等幅振蕩過程。改變調節(jié)器的差動范圍，就可以改變被調參數(shù)的波動范圍。 2.比例調節(jié)器 （1）比例調節(jié)器的控制規(guī)律 調節(jié)器的輸出信號與輸入信號成比例的調節(jié)器叫比例調節(jié)器，簡稱P調節(jié)器。其控制規(guī)律為式中： 為比例調節(jié)器的輸出信號； 為被調參數(shù)偏差值，即輸入信號； 為比例系

35、數(shù)。eKPPPePK浮球液位比例控制系統(tǒng)的液位控制示意圖浮球液位比例控制系統(tǒng)的液位控制示意圖1液泵液泵 2浮球浮球 3連桿連桿 4杠桿杠桿 5閥桿閥桿 6調節(jié)閥調節(jié)閥 圖示為浮球液位比例控制系統(tǒng)，被調參數(shù)是容器的液位。系統(tǒng)由容器、連桿、杠桿、浮球、調節(jié)閥和流出端的液泵所組成。 當系統(tǒng)平衡時，流入量等于流出量，液位穩(wěn)定在一定的高度；當流出側流量突然減小時，液位逐漸升高，浮球帶著杠桿上移，通過杠桿使調節(jié)閥逐漸關小，流入量也隨之減少。當液位升高到某一個高度時，流入量與流出量相等，使液位保持在一個較原來液位為高的水平上；同理，若流出量突然增加時，液位逐漸下降，浮球通過連桿、杠桿帶動調節(jié)閥逐漸開大，使流

36、入量也逐漸增大。當液位下降到某一位置時，流入量又與流出量相等，液位穩(wěn)定在一個較原來液位為低的水平上。 hmabKPmhPK式中：式中：為執(zhí)行機構位移，輸出信號；為執(zhí)行機構位移，輸出信號；為液位高度變化，輸入信號；為液位高度變化，輸入信號；為比例系數(shù)。為比例系數(shù)。mh 可見，當系統(tǒng)中液位一旦產(chǎn)生偏差，調節(jié)機構立即可見，當系統(tǒng)中液位一旦產(chǎn)生偏差，調節(jié)機構立即有一個位移，此位移與偏差成比例，即調節(jié)閥的位移有一個位移，此位移與偏差成比例，即調節(jié)閥的位移與液位的變化與液位的變化成比例。成比例。 工業(yè)生產(chǎn)中也常用比例帶來表示比例調節(jié)器的控制作用。常以輸入、輸出相對值表示，即%100MH 比例帶的物理意義是

37、：調節(jié)器輸出值變化 100% 時，所需輸入變化的百分數(shù)。 比例帶比例帶與控制器輸入和輸出之間的關系與控制器輸入和輸出之間的關系 上圖中輸入液位（被調參數(shù)）處于給定值時為50%，輸出調節(jié)機構位移與給定液位相對應的閥門開啟度為50%，圖中 點表示當調節(jié)器的輸入液位比給定液位高30%時，其輸出達最小值0%；圖中 點表示當調節(jié)器的輸入液位比給定液位低30%時，其輸出達最大值100%，被調參數(shù)在給定值附近變化60%時，輸出已經(jīng)變化了100%，即比例帶 為60%。ab 被調參數(shù)只要在比例帶內(nèi)變化，調節(jié)器的輸出就與輸入成比例，執(zhí)行機構就起控制作用；如果被調參數(shù)的變化超過了比例帶的范圍，調節(jié)器的輸出就不能跟著

38、變化，失去了比例控制作用。所以，也有把比例帶稱為比例界限或比例度。 （2）比例調節(jié)器的靜態(tài)偏差 在浮球液位比例控制系統(tǒng)中，當系統(tǒng)受到干擾作用后，在比例調節(jié)器的控制作用下，通過改變調節(jié)閥的開啟度，使液位重新穩(wěn)定在一個新穩(wěn)態(tài)值上，被調參數(shù)的新穩(wěn)態(tài)值與給定值之間出現(xiàn)的偏差就是比例調節(jié)器的靜態(tài)偏差。對于比例調節(jié)器所組成的控制系統(tǒng)，在過渡過程結束時，靜態(tài)偏差是不可避免的。 比例調節(jié)器的控制作用隨被調參數(shù)的偏差增大而增強，能較快地克服干擾引起的被調參數(shù)的波動，但控制過程有靜態(tài)偏差。如果被調對象的靜態(tài)控制質量要求較高，則需采用其他控制性能更好的調節(jié)器。 3.比例積分調節(jié)器 （1）積分調節(jié)器 比例調節(jié)器的缺點

39、是控制系統(tǒng)一定存在靜態(tài)偏差，采用積分調節(jié)器能夠消除靜態(tài)偏差。積分調節(jié)器的控制規(guī)律是輸出的變化速率與輸入成正比。即式中： 為積分調節(jié)器的輸出信號； 為被調參數(shù)偏差值，即輸入信號； 為積分系數(shù)。edtTPi1PeiT 積分調節(jié)器的輸出信號不但與被調參數(shù)偏差的大小有關，而且還與偏差存在時間有關。因此，系統(tǒng)中只要有偏差存在，調節(jié)器就始終動作，直至靜態(tài)偏差消除，被調參數(shù)回復到給定值。積分調節(jié)器適用于延遲時間小、時間常數(shù)小而反應迅速的壓力、流量和液位調節(jié)對象中。積分控制規(guī)律 （2）比例積分調節(jié)器 比例控制規(guī)律使調節(jié)器反應迅速，積分控制規(guī)律能消除系統(tǒng)靜態(tài)偏差。在控制質量要求較高的場合，選用比例積分調節(jié)器。其

40、作用特性如下式所示：edtTeKPiP1比例積分控制規(guī)律 積分時間 不同的各調節(jié)過程曲線iT 4.比例微分調節(jié)器 （1）微分調節(jié)器 如果利用被調參數(shù)的變化速度（即被調參數(shù)對時間的導數(shù)）作為調節(jié)器的輸入信號，就可克服偏差控制作用不及時的現(xiàn)象，這就引入了微分調節(jié)器。理想微分調節(jié)器的輸出信號與輸入信號變化速度成正比。即式中： 為微分調節(jié)器的輸出信號； 為輸入信號，即被調參數(shù)偏差值； 為微分時間。dtdeTPdPedT 微分調節(jié)器的輸出信號與偏差的大小無關，只與偏差的變化速度有關，只要被調參數(shù)的導數(shù)等于零，調節(jié)作用消失。因此實際應用時，常和比例調節(jié)器或比例積分調節(jié)器組合使用，在調節(jié)器中納入微分調節(jié)器的

41、優(yōu)點，形成比例微分（PD）或比例積分微分（PID）調節(jié)器。階躍輸入時微分調節(jié)器 （2）比例微分調節(jié)器）比例微分調節(jié)器 比例微分調節(jié)器的動作規(guī)律為：比例微分調節(jié)器的動作規(guī)律為： 比例微分調節(jié)的動態(tài)指標較好，這是由于比例微分調節(jié)的動態(tài)指標較好，這是由于增加了微分的作用，因而增加了系統(tǒng)的穩(wěn)定增加了微分的作用，因而增加了系統(tǒng)的穩(wěn)定性，從而可使比例帶減小，調節(jié)時間縮短。但性，從而可使比例帶減小，調節(jié)時間縮短。但由于沒有積分作用，因此調節(jié)系統(tǒng)在調節(jié)動作由于沒有積分作用，因此調節(jié)系統(tǒng)在調節(jié)動作結束后，仍有靜差。但由于比例帶的減小，故結束后，仍有靜差。但由于比例帶的減小，故靜差可以減小。靜差可以減小。dtdeTeKPdC 5.比例積分微分調節(jié)器 比例積分微分調節(jié)器具備了上敘單一調節(jié)規(guī)律的優(yōu)點，克服了它們單獨調節(jié)的缺點。由于比例、積分、微分調節(jié)規(guī)律起主導作用的時間不同，它們相互配合，可以取長補短，獲得優(yōu)良的動態(tài)品質。因而比例積分微分調節(jié)器得到了廣泛應用。PID調節(jié)規(guī)律1.4.1 其他控制方法 多回路控制系統(tǒng)主要分串級控制、前饋控制、分程控制、自動選擇控制等系統(tǒng)。 1.串級調節(jié)系統(tǒng) 串級控制系統(tǒng)由主控制回路和副控制回路串接組成。主調節(jié)器的輸出信號，作為副調節(jié)