自動(dòng)化反饋控制系統(tǒng)的基本概念

船舶電氣與自動(dòng)化（船舶自動(dòng)化）第五章反反饋饋控制系系統(tǒng)的基基礎(chǔ)知識(shí)識(shí)第一節(jié)反反饋饋控制系系統(tǒng)的基基本概念念一、反饋饋控制系系統(tǒng)的組組成反饋控制制系統(tǒng)對(duì)對(duì)機(jī)器設(shè)設(shè)備或生生產(chǎn)過程程參數(shù)的的控制過過程實(shí)際際上是直直接模擬擬人的手手動(dòng)操作作過程。。例1、輔鍋爐爐水位自自動(dòng)控制制系統(tǒng)例2、主機(jī)冷冷卻水溫溫度自動(dòng)動(dòng)控制系系統(tǒng)主機(jī)冷卻卻水溫度度自動(dòng)控控制系統(tǒng)統(tǒng)示意圖圖在自動(dòng)控控制過程程中，由由于不需需要人來來干預(yù)控控制過程程，因此此必須采采用相應(yīng)應(yīng)的自動(dòng)動(dòng)化儀表表來代替替人的功功能器官官。比如如可用溫度傳感感器和變變送器來代替人人的眼睛睛，隨時(shí)時(shí)測(cè)量冷冷卻水的的實(shí)際溫溫度并把把該值送送給調(diào)節(jié)節(jié)器。調(diào)節(jié)器代替人的的大腦，，并對(duì)冷冷卻水實(shí)實(shí)際溫度度進(jìn)行分分析和計(jì)計(jì)算，然然后輸出出控制信信號(hào)給執(zhí)執(zhí)機(jī)構(gòu)。。執(zhí)行機(jī)構(gòu)構(gòu)代替人的的雙手，，改變?nèi)ㄕ{(diào)節(jié)節(jié)閥的開開度。不不論是手手動(dòng)控制制，還是是自動(dòng)控控制，反反饋的作作用都是是存在的的。我們們把包含含反饋?zhàn)髯饔玫目乜刂七^程程稱為反饋控制制過程。組成一個(gè)個(gè)反饋控控制系統(tǒng)統(tǒng)，必須須有四個(gè)個(gè)最基本本的環(huán)節(jié)節(jié)，即控制對(duì)象象、測(cè)量單元元、調(diào)節(jié)單元元和執(zhí)行機(jī)構(gòu)構(gòu)。（1）控制對(duì)對(duì)象控制對(duì)象象是指所要要控制的的機(jī)器、、設(shè)備或或裝置。把所所要控制制的運(yùn)行行參數(shù)叫叫做被控量。在鍋爐水水位自動(dòng)動(dòng)控制系系統(tǒng)中，，鍋爐是是控制對(duì)象，水水位是被被控量。。在柴油機(jī)機(jī)冷卻水水溫度自自動(dòng)控制制系統(tǒng)中中，淡水冷卻器器是控制制對(duì)象，，冷卻水水溫度是是被控量量。在柴油機(jī)機(jī)轉(zhuǎn)速自自動(dòng)控制制系統(tǒng)中中，柴油油機(jī)是控制對(duì)象象，轉(zhuǎn)速速是被控控量。（2）測(cè)量單單元測(cè)量單元元的作用用：檢測(cè)測(cè)被控量量的實(shí)際際值，并并把它轉(zhuǎn)換換成標(biāo)準(zhǔn)準(zhǔn)的統(tǒng)一一信號(hào)，，該信號(hào)號(hào)叫被控控量的測(cè)量值。。在氣動(dòng)控控制系統(tǒng)統(tǒng)中，其其統(tǒng)一的的標(biāo)準(zhǔn)氣氣壓信號(hào)號(hào)是0.02～0.1MPa；在電動(dòng)動(dòng)控制系系統(tǒng)中，，其統(tǒng)一一的標(biāo)準(zhǔn)電流流信號(hào)是是0～10mA或4～20mA。在溫度自自動(dòng)控制制系統(tǒng)中中，測(cè)量量單元采采用溫度度傳感器和和溫度變變送器；；在壓力力自動(dòng)控控制系統(tǒng)統(tǒng)中，測(cè)量單元元采用壓壓力傳感感器和壓壓力變送送器；在在鍋爐水位自動(dòng)動(dòng)控制系系統(tǒng)中，，測(cè)量單單元采用用水位發(fā)發(fā)訊器（參考水水位罐））和差壓壓變送器器。（3）調(diào)節(jié)單單元調(diào)節(jié)單元元是指具具有各種種調(diào)節(jié)作作用規(guī)律律的調(diào)節(jié)節(jié)器。把把運(yùn)行參參數(shù)所希希望控制制的最佳佳值叫給給定值，，用r表示；被被控量的的測(cè)量值值用z表示。把把被控量量的測(cè)量量值偏離離給定值值的數(shù)量量叫偏差差值，用用e表示,顯然，e=r--z。若e＞0，則說明明測(cè)量值值低于設(shè)設(shè)定值，，為正偏差；若e＜0，則說明明測(cè)量值值大于設(shè)設(shè)定值，，為負(fù)偏差；若e＝0，則說明明測(cè)量值值等于設(shè)設(shè)定值，，為無偏差。調(diào)節(jié)器首首先接收收測(cè)量單單元送來來的被控控量的測(cè)測(cè)量信號(hào)號(hào)，并與與被控量量的給定定值相比比較得到到偏差信信號(hào)，再再根據(jù)偏偏差信號(hào)號(hào)的大小小和方向向（正偏偏差還是是負(fù)偏差差），依依據(jù)某種種調(diào)節(jié)作作用規(guī)律律輸出一一個(gè)控制制信號(hào)，，對(duì)被控控量施加加控制作作用，直直到偏差差等于零零或接近近零為止止。在實(shí)際應(yīng)應(yīng)用中，，調(diào)節(jié)器器一般有有位式調(diào)節(jié)節(jié)器、比比例調(diào)節(jié)節(jié)器、比比例積分分調(diào)節(jié)器器、比例例微分調(diào)調(diào)節(jié)器和和比例積積分微分分調(diào)節(jié)器器等五種，，根據(jù)控控制對(duì)象象特性的的不同及及對(duì)被控控量控制制精度的的要求，，控制系系統(tǒng)可選選用不同同調(diào)節(jié)作作用規(guī)律律的調(diào)節(jié)節(jié)器。（4）執(zhí)行機(jī)機(jī)構(gòu)執(zhí)行機(jī)構(gòu)構(gòu)的輸入入量是調(diào)調(diào)節(jié)單元元輸出的的控制信信號(hào)，調(diào)調(diào)節(jié)單元元輸出的的控制信信號(hào)一般般都要經(jīng)經(jīng)過執(zhí)行行機(jī)構(gòu)才才能作用用到控制制對(duì)象上上，從而而改變流流入控制制對(duì)象的的物質(zhì)或或能量，，使之能能適應(yīng)控控制對(duì)象象的負(fù)荷荷變化。。在氣動(dòng)動(dòng)控制系系統(tǒng)中，，執(zhí)行機(jī)機(jī)構(gòu)—般是氣動(dòng)動(dòng)薄膜調(diào)調(diào)節(jié)閥或或氣動(dòng)活活塞式調(diào)調(diào)節(jié)閥；；在電動(dòng)動(dòng)控制系系統(tǒng)中，，一般采采用伺服服電機(jī)。。以上四個(gè)個(gè)基本單單元在組組成反饋饋控制系系統(tǒng)中是是缺一不不可的。。但對(duì)于于一個(gè)完完整的反反饋控制制系統(tǒng)，，一般還還設(shè)有顯顯示單元元，用來來指示被被控量的的給定值值和測(cè)量量值。同同時(shí)，對(duì)對(duì)氣動(dòng)控控制系統(tǒng)統(tǒng)來說，，應(yīng)設(shè)有有氣源裝裝置和定定值器；；對(duì)電動(dòng)動(dòng)控制系系統(tǒng)尚需需設(shè)穩(wěn)壓壓電源等等輔助裝裝置。二、自動(dòng)動(dòng)控制系系統(tǒng)傳遞遞方框圖圖控制單元元執(zhí)行機(jī)構(gòu)構(gòu)被控對(duì)象象測(cè)量單元元圖5-2反饋控制制系統(tǒng)傳傳遞方框框圖R(t))－設(shè)定值值z(mì)(t))－測(cè)量值值e(t))－偏差值值y(t))－被控量量q(t))－執(zhí)行行量p(t))－控制制量d(t))－外部擾擾動(dòng)值A(chǔ)（1）環(huán)節(jié)在控制系系統(tǒng)傳遞遞方框圖圖中，代代表實(shí)際際單元的的每個(gè)小小方框稱稱為一個(gè)個(gè)環(huán)節(jié)。每個(gè)環(huán)環(huán)節(jié)都有有輸入量量和輸出出量，并并用帶箭箭頭的信信號(hào)線來來表示。。其中箭箭頭指向向該環(huán)節(jié)節(jié)的信號(hào)號(hào)線為輸輸入量，，箭頭離離開該環(huán)環(huán)節(jié)的信信號(hào)線為為輸出量量。任任何環(huán)環(huán)節(jié)輸出出量的變變化均取取決于輸輸入量的的變化以以及該環(huán)環(huán)節(jié)的特特性，而而輸出量量的變化化不會(huì)直直接影響響輸入量量，這叫叫信號(hào)傳傳遞的單向性。（2）擾動(dòng)控制對(duì)象象作為反反饋控制制系統(tǒng)的的組成環(huán)環(huán)節(jié)，其其輸出量量是被控控量，而而引起被控控量變化化的因素素統(tǒng)稱為擾動(dòng)。

擾動(dòng)動(dòng)可分為為兩類：：外部擾動(dòng)動(dòng)、基本本擾動(dòng)。基本擾動(dòng)動(dòng)是指來自自控制系系統(tǒng)內(nèi)部部控制通通道（調(diào)調(diào)節(jié)通道道）的擾擾動(dòng)。基基本擾動(dòng)動(dòng)通過調(diào)節(jié)通道道影響被控控量。例例如，在在水位控控制系統(tǒng)統(tǒng)中，給給水調(diào)節(jié)節(jié)閥開度度的改變變將引起起水位的的變化；；在冷卻卻水溫度度控制系系統(tǒng)中，，三通調(diào)調(diào)節(jié)閥開開度的改改變將引引起水溫溫的變化化，等等等。外部擾動(dòng)動(dòng)是指來自自系統(tǒng)外外部環(huán)境境的擾動(dòng)動(dòng)，外部部擾動(dòng)通通過擾動(dòng)通道道影響被控控量。例例如，，以鍋爐爐為控制制對(duì)象的的水位控控制系統(tǒng)統(tǒng)，水位位是被控控量，鍋鍋爐負(fù)荷荷（外部部用汽量量）的變變化將引引起水位位的變化化；在柴柴油機(jī)氣氣缸冷卻卻水溫度度控制系系統(tǒng)中，，水溫是是被控量量，柴油油機(jī)負(fù)荷荷的變化化、海水水溫度的的變化、、淡水冷冷卻器中中水管結(jié)結(jié)垢的多多少等都都會(huì)引起起冷卻水水溫度的的變化。。這種擾擾動(dòng)是由由于設(shè)備負(fù)荷荷或外界界環(huán)境的擾動(dòng)變變化而導(dǎo)導(dǎo)致控制制對(duì)象內(nèi)內(nèi)部的能能量平衡衡遭到破破壞而引引起的。。（3）系統(tǒng)的的輸入與與輸出前面提到到的輸入入和輸出出的概念念都是針針對(duì)環(huán)節(jié)節(jié)而言的的；若從從系統(tǒng)的的角度來來看，作作為一個(gè)個(gè)整體，，系統(tǒng)具具有兩個(gè)個(gè)輸入，，即設(shè)定定值和外外部擾動(dòng)動(dòng)，以及及一個(gè)輸輸出，即即被控量量。（4）反饋調(diào)節(jié)器的的輸出經(jīng)經(jīng)執(zhí)行機(jī)機(jī)構(gòu)改變變控制強(qiáng)強(qiáng)度，即即改變流流入控制制對(duì)象的的物質(zhì)或或能量的的流量，，引起被被控量的的變化（（即系統(tǒng)統(tǒng)輸出變變化），，而系統(tǒng)統(tǒng)輸出的的變化經(jīng)經(jīng)測(cè)量單單元又送送回到系系統(tǒng)的輸輸入端，，這個(gè)過過程叫反饋。正反饋是指經(jīng)反反饋能加加強(qiáng)閉環(huán)環(huán)系統(tǒng)輸輸入效應(yīng)應(yīng)，即使使偏差e增大。負(fù)反饋是指經(jīng)反反饋能減減弱閉環(huán)環(huán)系統(tǒng)輸輸入效應(yīng)應(yīng)，即使使偏差e減小。（5）前向通通道與反反饋通道道在控制系系統(tǒng)傳遞遞方框圖圖中，從從系統(tǒng)的的輸入端端沿信號(hào)號(hào)線方向向到達(dá)系系統(tǒng)輸出出端的通通道稱為為前向通通道；而而相反方方向的通通道則稱稱為反饋饋通道。。（6）閉環(huán)系系統(tǒng)在反饋控控制系統(tǒng)統(tǒng)傳遞方方框圖中中，前一一環(huán)節(jié)的的輸出就就是后一一環(huán)節(jié)的的輸入，，系統(tǒng)的的輸出又又經(jīng)反饋饋通道送送回到系系統(tǒng)的輸輸入端。。這樣，，控制系系統(tǒng)就形形成了一一個(gè)封閉閉的控制制回路，，稱為閉環(huán)系統(tǒng)統(tǒng)，反饋控控制系統(tǒng)統(tǒng)必定是是閉環(huán)系系統(tǒng)。開開環(huán)環(huán)系統(tǒng)不不再是反反饋控制制系統(tǒng)，，無法根根據(jù)偏差差來實(shí)現(xiàn)現(xiàn)設(shè)備或或生產(chǎn)過過程的參參數(shù)自動(dòng)動(dòng)控制。。三、反饋饋控制系系統(tǒng)的工工作過程程反饋控制制系統(tǒng)按給定值值的變化化規(guī)律分分類方法法：1、定值控控制系統(tǒng)統(tǒng)系統(tǒng)的給給定值是是恒定不不變的，，為某個(gè)個(gè)確定值值，則該該系統(tǒng)稱稱為定值值控制系系統(tǒng)。例例如鍋爐爐水位與與蒸汽壓壓力控制制系統(tǒng)，，柴油機(jī)機(jī)氣缸冷冷卻水溫溫度控制制系統(tǒng)，，燃油粘粘度控制制系統(tǒng)，，發(fā)電機(jī)機(jī)的原動(dòng)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速速控制系系統(tǒng)等都都屬于定定值控制制系統(tǒng)。。2、程序控控制系統(tǒng)統(tǒng)系統(tǒng)的給給定值是是變化的的，而且且是按人人們事先安排好好的規(guī)律律進(jìn)行變變化，則則該系統(tǒng)統(tǒng)稱為程程序控制系統(tǒng)統(tǒng)。例如船舶舶主機(jī)遙遙控系統(tǒng)統(tǒng)中的轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)速控制制，其給定值就就是按車車鐘設(shè)定定轉(zhuǎn)速的的預(yù)定發(fā)發(fā)送速率率規(guī)律而變化化的。3、隨動(dòng)控控制系統(tǒng)統(tǒng)系統(tǒng)的給給定值是是任意變變化的，，且變化化規(guī)律是事先無無法確定定的系統(tǒng)統(tǒng)，則該該系統(tǒng)稱稱為隨動(dòng)動(dòng)控制系統(tǒng)。。例如自動(dòng)動(dòng)舵的隨隨動(dòng)操舵舵系統(tǒng)，，其舵角角給定值完全取取決于當(dāng)當(dāng)時(shí)的航航行情況況。反饋控制制系統(tǒng)的的工作過過程：設(shè)系統(tǒng)處處在平衡衡狀態(tài)（（即系統(tǒng)統(tǒng)穩(wěn)定運(yùn)運(yùn)行）時(shí)時(shí)突然受受到一個(gè)個(gè)外部擾擾動(dòng)，被被控量將將離開初初始穩(wěn)定定值發(fā)生生變化，，測(cè)量單單元將把把被控量量的實(shí)際際值送至至調(diào)節(jié)器器，在調(diào)調(diào)節(jié)器內(nèi)內(nèi)部，被被控量的的給定值值與測(cè)量量值進(jìn)行行比較，，得到偏偏差值e，調(diào)節(jié)器器依據(jù)某某種調(diào)節(jié)節(jié)作用規(guī)規(guī)律輸出出一個(gè)控控制信號(hào)號(hào)，通過過執(zhí)行機(jī)機(jī)構(gòu)改變變流入控控制對(duì)象象的物質(zhì)質(zhì)或能量量流量，，被控量量朝著偏偏差減少少的方向向變化，，這一信信號(hào)又通通過測(cè)量量單元送送至調(diào)節(jié)節(jié)器，重重復(fù)上述述過程，，最終使使被控量量又回到到給定值值或給定定值附近近，系統(tǒng)統(tǒng)達(dá)到一一個(gè)新的的平衡狀狀態(tài)。四、評(píng)定定控制系系統(tǒng)動(dòng)態(tài)態(tài)過程品品質(zhì)的指指標(biāo)反饋控制制系統(tǒng)的的擾動(dòng)形形式是隨隨機(jī)的，，很難用一一個(gè)數(shù)學(xué)學(xué)表達(dá)式式來精確確地描述述，但可以歸歸納為四四種擾動(dòng)動(dòng)形式：：①階躍躍形式、、②線線性形式式、③脈脈沖形式式、④正弦形形式。階躍擾動(dòng)動(dòng)STtr(t))0Rtr(t))0Rttr(t))01/2Rt2線性擾動(dòng)動(dòng)加速度擾擾動(dòng)tr(t))0正弦擾動(dòng)動(dòng)脈沖擾動(dòng)動(dòng)STr(t))01/hhh→0時(shí)，稱為為理想的的單位脈脈沖函數(shù)數(shù)，記作作δ(t))。r(t))0r(t))→∞tth→0為了便于于分析和和研究反反饋控制制系統(tǒng)的的性能，，通常以以階躍信號(hào)號(hào)作為系統(tǒng)統(tǒng)的給定定值或擾擾動(dòng)，因因?yàn)殡A躍躍信號(hào)是是反饋控控制系統(tǒng)統(tǒng)一種最最常見的的輸入信信號(hào)，而而且不論論是作為為給定值值或者擾擾動(dòng)量，，對(duì)系統(tǒng)統(tǒng)是最嚴(yán)嚴(yán)重的沖沖擊，最最容易引引起系統(tǒng)統(tǒng)發(fā)生不不平衡狀狀態(tài)根據(jù)控制制系統(tǒng)接接受的擾擾動(dòng)途徑徑，可以以分為兩兩種情況況：一種種情況是是外部擾擾動(dòng)不變變，改變變給定值值（如隨動(dòng)控制制）；另一一種情況況是給定定值不變變（定值控制制），改變變外部擾擾動(dòng)。由由于控制制器控制制規(guī)律或或系統(tǒng)參參數(shù)的不不同，控控制系統(tǒng)統(tǒng)的動(dòng)態(tài)態(tài)過程將將表現(xiàn)為為不同的的形式。。在階躍信信號(hào)輸入入時(shí)，被被控量變變化的動(dòng)動(dòng)態(tài)過程程有以下下四種：：（1）發(fā)散振振蕩過程程（2）等幅振振蕩過程程（3）單調(diào)過過程（非非周期過過程）（4）衰減振振蕩過程程圖5-3過程曲線基本類型（b)y（t)t（d)y（t)t（a)y（t)tt（c)y（t)發(fā)散振蕩蕩等幅振蕩蕩衰減振蕩蕩單調(diào)過程程（1）穩(wěn)定性性指標(biāo)衰減率和和振蕩次次數(shù)N衰減率，，是指在在衰減振振蕩中，，第一個(gè)個(gè)波峰值值y1減去第二二個(gè)同相相波峰值值y3除以第一一個(gè)波峰峰值y1，即：φ＜0發(fā)散振蕩蕩過程，，0＜φ＜1衰減振蕩過程程φ=0等幅振蕩蕩過程，，φ=1非周期過過程一般希望望ψ=0.75～0.9（1）穩(wěn)定性性指標(biāo)與衰減率率相對(duì)應(yīng)應(yīng)的是另另一種衡衡量指標(biāo)標(biāo)是衰減比。所謂衰衰減比是是第一個(gè)個(gè)波峰值值y1和第二個(gè)個(gè)同相波波峰值y3的比值，，即y1/y3。衰減率是衡量系系統(tǒng)穩(wěn)定定性指標(biāo)標(biāo)，要求求ψ=0.75～0.9。當(dāng)ψ=0.75時(shí)，y1是y3的4倍，此時(shí)時(shí)衰減比比4:1。振蕩次數(shù)數(shù)N，是指在衰衰減振蕩蕩中，被被控量的的振蕩次次數(shù)。一一般要求求被控量量振蕩2～3次就應(yīng)該該穩(wěn)定下下來。圖5-4定值控制系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)過程ttst0εy1y2y3y0emax0y（∞)d（t)tdt0y（