自動化反饋控制系統(tǒng)的基本概念

船舶電氣與自動化（船舶自動化）第五章反饋控制系統(tǒng)的基礎知識

第一節(jié)反饋控制系統(tǒng)的基本概念一、反饋控制系統(tǒng)的組成反饋控制系統(tǒng)對機器設備或生產(chǎn)過程參數(shù)的控制過程實際上是直接模擬人的手動操作過程。

例1、輔鍋爐水位自動控制系統(tǒng)例2、主機冷卻水溫度自動控制系統(tǒng)

主機冷卻水溫度自動控制系統(tǒng)示意圖

在自動控制過程中，由于不需要人來干預控制過程，因此必須采用相應的自動化儀表來代替人的功能器官。比如可用溫度傳感器和變送器來代替人的眼睛，隨時測量冷卻水的實際溫度并把該值送給調(diào)節(jié)器。調(diào)節(jié)器代替人的大腦，并對冷卻水實際溫度進行分析和計算，然后輸出控制信號給執(zhí)機構(gòu)。執(zhí)行機構(gòu)代替人的雙手，改變?nèi)ㄕ{(diào)節(jié)閥的開度。不論是手動控制，還是自動控制，反饋的作用都是存在的。我們把包含反饋作用的控制過程稱為反饋控制過程。組成一個反饋控制系統(tǒng)，必須有四個最基本的環(huán)節(jié)，即控制對象、測量單元、調(diào)節(jié)單元和執(zhí)行機構(gòu)。

（1）控制對象控制對象是指所要控制的機器、設備或裝置。把所要控制的運行參數(shù)叫做被控量。在鍋爐水位自動控制系統(tǒng)中，鍋爐是控制對象，水位是被控量。在柴油機冷卻水溫度自動控制系統(tǒng)中，淡水冷卻器是控制對象，冷卻水溫度是被控量。在柴油機轉(zhuǎn)速自動控制系統(tǒng)中，柴油機是控制對象，轉(zhuǎn)速是被控量。

（2）測量單元

測量單元的作用：檢測被控量的實際值，并把它轉(zhuǎn)換成標準的統(tǒng)一信號，該信號叫被控量的測量值。在氣動控制系統(tǒng)中，其統(tǒng)一的標準氣壓信號是0.02～0.1MPa；在電動控制系統(tǒng)中，其統(tǒng)一的標準電流信號是0～10mA或4～20mA。在溫度自動控制系統(tǒng)中，測量單元采用溫度傳感器和溫度變送器；在壓力自動控制系統(tǒng)中，測量單元采用壓力傳感器和壓力變送器；在鍋爐水位自動控制系統(tǒng)中，測量單元采用水位發(fā)訊器（參考水位罐）和差壓變送器。

（3）調(diào)節(jié)單元

調(diào)節(jié)單元是指具有各種調(diào)節(jié)作用規(guī)律的調(diào)節(jié)器。把運行參數(shù)所希望控制的最佳值叫給定值，用r表示；被控量的測量值用z表示。把被控量的測量值偏離給定值的數(shù)量叫偏差值，用e表示,顯然，e=r-z。若e＞0，則說明測量值低于設定值，為正偏差；若e＜0，則說明測量值大于設定值，為負偏差；若e＝0，則說明測量值等于設定值，為無偏差。

調(diào)節(jié)器首先接收測量單元送來的被控量的測量信號，并與被控量的給定值相比較得到偏差信號，再根據(jù)偏差信號的大小和方向（正偏差還是負偏差），依據(jù)某種調(diào)節(jié)作用規(guī)律輸出一個控制信號，對被控量施加控制作用，直到偏差等于零或接近零為止。在實際應用中，調(diào)節(jié)器一般有位式調(diào)節(jié)器、比例調(diào)節(jié)器、比例積分調(diào)節(jié)器、比例微分調(diào)節(jié)器和比例積分微分調(diào)節(jié)器等五種，根據(jù)控制對象特性的不同及對被控量控制精度的要求，控制系統(tǒng)可選用不同調(diào)節(jié)作用規(guī)律的調(diào)節(jié)器。

（4）執(zhí)行機構(gòu)

執(zhí)行機構(gòu)的輸入量是調(diào)節(jié)單元輸出的控制信號，調(diào)節(jié)單元輸出的控制信號一般都要經(jīng)過執(zhí)行機構(gòu)才能作用到控制對象上，從而改變流入控制對象的物質(zhì)或能量，使之能適應控制對象的負荷變化。在氣動控制系統(tǒng)中，執(zhí)行機構(gòu)—般是氣動薄膜調(diào)節(jié)閥或氣動活塞式調(diào)節(jié)閥；在電動控制系統(tǒng)中，一般采用伺服電機。

以上四四個基基本單單元在在組成成反饋饋控制制系統(tǒng)統(tǒng)中是是缺一一不可可的。。但對對于一一個完完整的的反饋饋控制制系統(tǒng)統(tǒng)，一一般還還設有有顯示示單元元，用用來指指示被被控量量的給給定值值和測測量值值。同同時，，對氣氣動控控制系系統(tǒng)來來說，，應設設有氣氣源裝裝置和和定值值器；；對電電動控控制系系統(tǒng)尚尚需設設穩(wěn)壓壓電源源等輔輔助裝裝置。。二、自自動控控制系系統(tǒng)傳傳遞方方框圖圖控制單單元執(zhí)行機機構(gòu)被控對對象測量單單元圖5-2反饋控控制系系統(tǒng)傳傳遞方方框圖圖R(t)－設定定值z(t)－測量量值e(t)－偏差差值y(t)－被控控量q(t)－執(zhí)執(zhí)行量量p(t)－控控制量量d(t)－外部部擾動動值A（1）環(huán)節(jié)節(jié)在控制制系統(tǒng)統(tǒng)傳遞遞方框框圖中中，代代表實實際單單元的的每個個小方方框稱稱為一一個環(huán)節(jié)。每個個環(huán)節(jié)節(jié)都有有輸入入量和和輸出出量，，并用用帶箭箭頭的的信號號線來來表示示。其其中箭箭頭指指向該該環(huán)節(jié)節(jié)的信信號線線為輸輸入量量，箭箭頭離離開該該環(huán)節(jié)節(jié)的信信號線線為輸輸出量量。任任何環(huán)環(huán)節(jié)輸輸出量量的變變化均均取決決于輸輸入量量的變變化以以及該該環(huán)節(jié)節(jié)的特特性，，而輸輸出量量的變變化不不會直直接影影響輸輸入量量，這這叫信信號傳傳遞的的單向性性。（2）擾動動控制對對象作作為反反饋控控制系系統(tǒng)的的組成成環(huán)節(jié)節(jié)，其其輸出出量是是被控控量，，而引起被被控量量變化化的因因素統(tǒng)稱為為擾動。擾擾動可可分為為兩類類：外部擾擾動、、基本本擾動動?；緮_擾動是指來來自控控制系系統(tǒng)內(nèi)內(nèi)部控控制通通道（（調(diào)節(jié)節(jié)通道道）的的擾動動?；緮_擾動通通過調(diào)節(jié)通通道影響被被控量量。例例如，，在水水位控控制系系統(tǒng)中中，給給水調(diào)調(diào)節(jié)閥閥開度度的改改變將將引起起水位位的變變化；；在冷冷卻水水溫度度控制制系統(tǒng)統(tǒng)中，，三通通調(diào)節(jié)節(jié)閥開開度的的改變變將引引起水水溫的的變化化，等等等。。外部擾擾動是指來來自系系統(tǒng)外外部環(huán)環(huán)境的的擾動動，外外部擾擾動通通過擾動通通道影響被被控量量。例例如如，以以鍋爐爐為控控制對對象的的水位位控制制系統(tǒng)統(tǒng)，水水位是是被控控量，，鍋爐爐負荷荷（外外部用用汽量量）的的變化化將引引起水水位的的變化化；在在柴油油機氣氣缸冷冷卻水水溫度度控制制系統(tǒng)統(tǒng)中，，水溫溫是被被控量量，柴柴油機機負荷荷的變變化、、海水水溫度度的變變化、、淡水水冷卻卻器中中水管管結(jié)垢垢的多多少等等都會會引起起冷卻卻水溫溫度的的變化化。這這種擾擾動是是由于于設備負負荷或或外界界環(huán)境境的擾動動變化化而導導致控控制對對象內(nèi)內(nèi)部的的能量量平衡衡遭到到破壞壞而引引起的的。（3）系統(tǒng)統(tǒng)的輸輸入與與輸出出前面提提到的的輸入入和輸輸出的的概念念都是是針對對環(huán)節(jié)節(jié)而言言的；；若從從系統(tǒng)統(tǒng)的角角度來來看，，作為為一個個整體體，系系統(tǒng)具具有兩兩個輸輸入，，即設設定值值和外外部擾擾動，，以及及一個個輸出出，即即被控控量。。（4）反饋饋調(diào)節(jié)器器的輸輸出經(jīng)經(jīng)執(zhí)行行機構(gòu)構(gòu)改變變控制制強度度，即即改變變流入入控制制對象象的物物質(zhì)或或能量量的流流量，，引起起被控控量的的變化化（即即系統(tǒng)統(tǒng)輸出出變化化），，而系系統(tǒng)輸輸出的的變化化經(jīng)測測量單單元又又送回回到系系統(tǒng)的的輸入入端，，這個個過程程叫反饋。正反饋饋是指經(jīng)經(jīng)反饋饋能加加強閉閉環(huán)系系統(tǒng)輸輸入效效應，，即使使偏差差e增大。。負反饋饋是指經(jīng)經(jīng)反饋饋能減減弱閉閉環(huán)系系統(tǒng)輸輸入效效應，，即使使偏差差e減小。。（5）前向向通道道與反反饋通通道在控制制系統(tǒng)統(tǒng)傳遞遞方框框圖中中，從從系統(tǒng)統(tǒng)的輸輸入端端沿信信號線線方向向到達達系統(tǒng)統(tǒng)輸出出端的的通道道稱為為前向向通道道；而而相反反方向向的通通道則則稱為為反饋饋通道道。（6）閉環(huán)環(huán)系統(tǒng)統(tǒng)在反饋饋控制制系統(tǒng)統(tǒng)傳遞遞方框框圖中中，前前一環(huán)環(huán)節(jié)的的輸出出就是是后一一環(huán)節(jié)節(jié)的輸輸入，，系統(tǒng)統(tǒng)的輸輸出又又經(jīng)反反饋通通道送送回到到系統(tǒng)統(tǒng)的輸輸入端端。這這樣，，控制制系統(tǒng)統(tǒng)就形形成了了一個個封閉閉的控控制回回路，，稱為為閉環(huán)系系統(tǒng)，反饋饋控制制系統(tǒng)統(tǒng)必定定是閉閉環(huán)系系統(tǒng)。。開開環(huán)環(huán)系統(tǒng)統(tǒng)不再再是反反饋控控制系系統(tǒng)，，無法法根據(jù)據(jù)偏差差來實實現(xiàn)設設備或或生產(chǎn)產(chǎn)過程程的參參數(shù)自自動控控制。。三、反反饋控控制系系統(tǒng)的的工作作過程程反饋控控制系系統(tǒng)按給定定值的的變化化規(guī)律律分類類方法法：1、定值值控制制系統(tǒng)統(tǒng)系統(tǒng)的的給定定值是是恒定定不變變的，，為某某個確確定值值，則則該系系統(tǒng)稱稱為定定值控控制系系統(tǒng)。。例例如鍋鍋爐水水位與與蒸汽汽壓力力控制制系統(tǒng)統(tǒng)，柴柴油機機氣缸缸冷卻卻水溫溫度控控制系系統(tǒng)，，燃油油粘度度控制制系統(tǒng)統(tǒng)，發(fā)發(fā)電機機的原原動機機轉(zhuǎn)速速控制制系統(tǒng)統(tǒng)等都都屬于于定值值控制制系統(tǒng)統(tǒng)。2、程序序控制制系統(tǒng)統(tǒng)系統(tǒng)的的給定定值是是變化化的，，而且且是按按人們們事先安排排好的的規(guī)律律進行行變化化，則則該系系統(tǒng)稱稱為程程序控制系系統(tǒng)。。例如船船舶主主機遙遙控系系統(tǒng)中中的轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)速控控制，，其給定值值就是是按車車鐘設設定轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)速的的預定定發(fā)送送速率率規(guī)律而變變化的的。3、隨動動控制制系統(tǒng)統(tǒng)系統(tǒng)的的給定定值是是任意意變化化的，，且變變化規(guī)規(guī)律是事先先無法法確定定的系系統(tǒng)，，則該該系統(tǒng)統(tǒng)稱為為隨動動控制系統(tǒng)統(tǒng)。例如自自動舵舵的隨隨動操操舵系系統(tǒng)，，其舵舵角給給定值完全全取決決于當當時的的航行行情況況。反饋控控制系系統(tǒng)的的工作作過程程：設系統(tǒng)統(tǒng)處在在平衡衡狀態(tài)態(tài)（即即系統(tǒng)統(tǒng)穩(wěn)定定運行行）時時突然然受到到一個個外部部擾動動，被被控量量將離離開初初始穩(wěn)穩(wěn)定值值發(fā)生生變化化，測測量單單元將將把被被控量量的實實際值值送至至調(diào)節(jié)節(jié)器，，在調(diào)調(diào)節(jié)器器內(nèi)部部，被被控量量的給給定值值與測測量值值進行行比較較，得得到偏偏差值值e，調(diào)節(jié)節(jié)器依依據(jù)某某種調(diào)調(diào)節(jié)作作用規(guī)規(guī)律輸輸出一一個控控制信信號，，通過過執(zhí)行行機構(gòu)構(gòu)改變變流入入控制制對象象的物物質(zhì)或或能量量流量量，被被控量量朝著著偏差差減少少的方方向變變化，，這一一信號號又通通過測測量單單元送送至調(diào)調(diào)節(jié)器器，重重復上上述過過程，，最終終使被被控量量又回回到給給定值值或給給定值值附近近，系系統(tǒng)達達到一一個新新的平平衡狀狀態(tài)。。四、評評定控控制系系統(tǒng)動動態(tài)過過程品品質(zhì)的的指標標反饋控控制系系統(tǒng)的的擾動動形式式是隨隨機的的，很難用用一個個數(shù)學學表達達式來來精確確地描描述，，但可以以歸納納為四四種擾擾動形形式：：①階階躍形形式、、②線線性性形式式、③③脈沖沖形式式、④正弦弦形式式。階躍擾擾動STtr(t)0Rtr(t)0Rttr(t)01/2Rt2線性擾擾動加速度度擾動動tr(t)0正弦擾擾動脈沖擾擾動STr(t)01/hhh→0時，稱稱為理理想的的單位位脈沖沖函數(shù)數(shù)，記記作δ(t)。r(t)0r(t)→→∞tth→0為了便便于分分析和和研究究反饋饋控制制系統(tǒng)統(tǒng)的性性能，，通常常以階躍信信號作為系系統(tǒng)的的給定定值或或擾動動，因因為階階躍信信號是是反饋饋控制制系統(tǒng)統(tǒng)一種種最常常見的的輸入入信號號，而而且不不論是是作為為給定定值或或者擾擾動量量，對對系統(tǒng)統(tǒng)是最最嚴重重的沖沖擊，，最容容易引引起系系統(tǒng)發(fā)發(fā)生不不平衡衡狀態(tài)態(tài)根據(jù)控控制系系統(tǒng)接接受的的擾動動途徑徑，可可以分分為兩兩種情情況：：一種種情況況是外外部擾擾動不不變，，改變變給定定值（（如隨動控控制）；另另一種種情況況是給給定值值不變變（定值控控制），改改變外外部擾擾動。。由于于控制制器控控制規(guī)規(guī)律或或系統(tǒng)統(tǒng)參數(shù)數(shù)的不不同，，控制制系統(tǒng)統(tǒng)的動動態(tài)過過程將將表現(xiàn)現(xiàn)為不不同的的形式式。在階躍躍信號號輸入入時，，被控控量變變化的的動態(tài)態(tài)過程程有以以下四四種：：（1）發(fā)散散振蕩蕩過程程（2）等幅幅振蕩蕩過程程（3）單調(diào)調(diào)過程程（非非周期期過程程）（4）衰減減振蕩蕩過程程圖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)散振振蕩等幅振振蕩衰減振振蕩單調(diào)過過程（1）穩(wěn)定定性指指標衰減率率和振振蕩次次數(shù)N衰減率率，是是指在在衰減減振蕩蕩中，，第一一個波波峰值值y1減去第第二個個同相相波峰峰值y3除以第第一個個波峰峰值y1，即：：φ＜0發(fā)散振振蕩過過程，，0＜φ＜1衰減振蕩過過程φ=0等幅振振蕩過過程，，φ=1非周期期過程程一般希望ψ=0.75～0.9（1）穩(wěn)定性指指標與衰減率相相對應的是是另一種衡衡量指標是是衰減比。所謂衰減減比是第一一個波峰值值y1和第二個同同相波峰值值y3的比值，即即y1/y3。衰減率是衡量系統(tǒng)統(tǒng)穩(wěn)定性指指標，要求求ψ=0.75～0.9。當ψ=0.75時，y1是y3的4倍，此時衰衰減比4:1。振蕩次數(shù)N，是指在衰減減振蕩中，，被控量的的振蕩次數(shù)數(shù)。一般要要求被控量量振蕩2～3次就應該穩(wěn)穩(wěn)定下來。。圖5-4定值控制系統(tǒng)的動態(tài)過程ttst0εy1y2y3y0emax