自動(dòng)化反饋控制系統(tǒng)的基本概念選編課件

船舶電氣與自動(dòng)化（船舶自動(dòng)化）船舶電氣與自動(dòng)化第五章反饋控制系統(tǒng)的基礎(chǔ)知識(shí)

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(duì)機(jī)器設(shè)備或生產(chǎn)過(guò)程參數(shù)的控制過(guò)程實(shí)際上是直接模擬人的手動(dòng)操作過(guò)程。

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

第五章反饋控制系統(tǒng)的基礎(chǔ)知識(shí)第一節(jié)反饋控制系統(tǒng)的基自動(dòng)化反饋控制系統(tǒng)的基本概念選編課件主機(jī)冷卻水溫度自動(dòng)控制系統(tǒng)示意圖主機(jī)冷卻水溫度自動(dòng)控制系統(tǒng)示意圖

在自動(dòng)控制過(guò)程中，由于不需要人來(lái)干預(yù)控制過(guò)程，因此必須采用相應(yīng)的自動(dòng)化儀表來(lái)代替人的功能器官。比如可用溫度傳感器和變送器來(lái)代替人的眼睛，隨時(shí)測(cè)量冷卻水的實(shí)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(duì)冷卻水實(shí)際溫度進(jìn)行分析和計(jì)算，然后輸出控制信號(hào)給執(zhí)機(jī)構(gòu)。執(zhí)行機(jī)構(gòu)代替人的雙手，改變?nèi)ㄕ{(diào)節(jié)閥的開(kāi)度。不論是手動(dòng)控制，還是自動(dòng)控制，反饋的作用都是存在的。我們把包含反饋?zhàn)饔玫目刂七^(guò)程稱為反饋控制過(guò)程。組成一個(gè)反饋控制系統(tǒng)，必須有四個(gè)最基本的環(huán)節(jié)，即控制對(duì)象、測(cè)量單元、調(diào)節(jié)單元和執(zhí)行機(jī)構(gòu)。

在自動(dòng)控制過(guò)程中，由于不需要人來(lái)干預(yù)控制過(guò)程，因此必須

（1）控制對(duì)象控制對(duì)象是指所要控制的機(jī)器、設(shè)備或裝置。把所要控制的運(yùn)行參數(shù)叫做被控量。在鍋爐水位自動(dòng)控制系統(tǒng)中，鍋爐是控制對(duì)象，水位是被控量。在柴油機(jī)冷卻水溫度自動(dòng)控制系統(tǒng)中，淡水冷卻器是控制對(duì)象，冷卻水溫度是被控量。在柴油機(jī)轉(zhuǎn)速自動(dòng)控制系統(tǒng)中，柴油機(jī)是控制對(duì)象，轉(zhuǎn)速是被控量。（1）控制對(duì)象

（2）測(cè)量單元

測(cè)量單元的作用：檢測(cè)被控量的實(shí)際值，并把它轉(zhuǎn)換成標(biāo)準(zhǔn)的統(tǒng)一信號(hào)，該信號(hào)叫被控量的測(cè)量值。在氣動(dòng)控制系統(tǒng)中，其統(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn)氣壓信號(hào)是0.02～0.1MPa；在電動(dòng)控制系統(tǒng)中，其統(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn)電流信號(hào)是0～10mA或4～20mA。在溫度自動(dòng)控制系統(tǒng)中，測(cè)量單元采用溫度傳感器和溫度變送器；在壓力自動(dòng)控制系統(tǒng)中，測(cè)量單元采用壓力傳感器和壓力變送器；在鍋爐水位自動(dòng)控制系統(tǒng)中，測(cè)量單元采用水位發(fā)訊器（參考水位罐）和差壓變送器。（2）測(cè)量單元

（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(yùn)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(cè)量值用z表示。把被控量的測(cè)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(shuō)明測(cè)量值低于設(shè)定值，為正偏差；若e＜0，則說(shuō)明測(cè)量值大于設(shè)定值，為負(fù)偏差；若e＝0，則說(shuō)明測(cè)量值等于設(shè)定值，為無(wú)偏差。

自動(dòng)化反饋控制系統(tǒng)的基本概念選編課件調(diào)節(jié)器首先接收測(cè)量單元送來(lái)的被控量的測(cè)量信號(hào)，并與被控量的給定值相比較得到偏差信號(hào)，再根據(jù)偏差信號(hào)的大小和方向（正偏差還是負(fù)偏差），依據(jù)某種調(diào)節(jié)作用規(guī)律輸出一個(gè)控制信號(hào)，對(duì)被控量施加控制作用，直到偏差等于零或接近零為止。在實(shí)際應(yīng)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(duì)象特性的不同及對(duì)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。

調(diào)節(jié)器首先接收測(cè)量單元送來(lái)的被控量的測(cè)量信號(hào)，并與被控量的給

（4）執(zhí)行機(jī)構(gòu)

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

（4）執(zhí)行機(jī)構(gòu)

以上四個(gè)基本單元在組成反饋控制系統(tǒng)中是缺一不可的。但對(duì)于一個(gè)完整的反饋控制系統(tǒng)，一般還設(shè)有顯示單元，用來(lái)指示被控量的給定值和測(cè)量值。同時(shí)，對(duì)氣動(dòng)控制系統(tǒng)來(lái)說(shuō)，應(yīng)設(shè)有氣源裝置和定值器；對(duì)電動(dòng)控制系統(tǒng)尚需設(shè)穩(wěn)壓電源等輔助裝置。以上四個(gè)基本單元在組成反饋控制系統(tǒng)中是缺二、自動(dòng)控制系統(tǒng)傳遞方框圖控制單元執(zhí)行機(jī)構(gòu)被控對(duì)象測(cè)量單元圖5-2反饋控制系統(tǒng)傳遞方框圖R(t)－設(shè)定值z(mì)(t)－測(cè)量值e(t)－偏差值y(t)－被控量q(t)－執(zhí)行量p(t)－控制量d(t)－外部擾動(dòng)值A(chǔ)二、自動(dòng)控制系統(tǒng)傳遞方框圖控制單元執(zhí)行機(jī)構(gòu)被控對(duì)象測(cè)量單元圖

（1）環(huán)節(jié)

在控制系統(tǒng)傳遞方框圖中，代表實(shí)際單元的每個(gè)小方框稱為一個(gè)環(huán)節(jié)。每個(gè)環(huán)節(jié)都有輸入量和輸出量，并用帶箭頭的信號(hào)線來(lái)表示。其中箭頭指向該環(huán)節(jié)的信號(hào)線為輸入量，箭頭離開(kāi)該環(huán)節(jié)的信號(hào)線為輸出量。

任何環(huán)節(jié)輸出量的變化均取決于輸入量的變化以及該環(huán)節(jié)的特性，而輸出量的變化不會(huì)直接影響輸入量，這叫信號(hào)傳遞的單向性。

（1）環(huán)節(jié)

在控制系統(tǒng)傳遞方框圖中，（2）擾動(dòng)

控制對(duì)象作為反饋控制系統(tǒng)的組成環(huán)節(jié)，其輸出量是被控量，而引起被控量變化的因素統(tǒng)稱為擾動(dòng)。

擾動(dòng)可分為兩類：外部擾動(dòng)、基本擾動(dòng)。

基本擾動(dòng)是指來(lái)自控制系統(tǒng)內(nèi)部控制通道（調(diào)節(jié)通道）的擾動(dòng)?；緮_動(dòng)通過(guò)調(diào)節(jié)通道影響被控量。例如，在水位控制系統(tǒng)中，給水調(diào)節(jié)閥開(kāi)度的改變將引起水位的變化；在冷卻水溫度控制系統(tǒng)中，三通調(diào)節(jié)閥開(kāi)度的改變將引起水溫的變化，等等。

（2）擾動(dòng)

控制對(duì)象作為反饋控制系統(tǒng)的組成環(huán)節(jié)，其輸出量是被外部擾動(dòng)是指來(lái)自系統(tǒng)外部環(huán)境的擾動(dòng)，外部擾動(dòng)通過(guò)擾動(dòng)通道影響被控量。

例如，以鍋爐為控制對(duì)象的水位控制系統(tǒng)，水位是被控量，鍋爐負(fù)荷（外部用汽量）的變化將引起水位的變化；在柴油機(jī)氣缸冷卻水溫度控制系統(tǒng)中，水溫是被控量，柴油機(jī)負(fù)荷的變化、海水溫度的變化、淡水冷卻器中水管結(jié)垢的多少等都會(huì)引起冷卻水溫度的變化。這種擾動(dòng)是由于設(shè)備負(fù)荷或外界環(huán)境的擾動(dòng)變化而導(dǎo)致控制對(duì)象內(nèi)部的能量平衡遭到破壞而引起的。外部擾動(dòng)是指來(lái)自系統(tǒng)外部環(huán)境的擾動(dòng)，外部擾動(dòng)通過(guò)擾動(dòng)通道影響（3）系統(tǒng)的輸入與輸出

前面提到的輸入和輸出的概念都是針對(duì)環(huán)節(jié)而言的；若從系統(tǒng)的角度來(lái)看，作為一個(gè)整體，系統(tǒng)具有兩個(gè)輸入，即設(shè)定值和外部擾動(dòng)，以及一個(gè)輸出，即被控量。（3）系統(tǒng)的輸入與輸出

前面提到的輸入和輸出的概念都是針對(duì)

（4）反饋

調(diào)節(jié)器的輸出經(jīng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)改變控制強(qiáng)度，即改變流入控制對(duì)象的物質(zhì)或能量的流量，引起被控量的變化（即系統(tǒng)輸出變化），而系統(tǒng)輸出的變化經(jīng)測(cè)量單元又送回到系統(tǒng)的輸入端，這個(gè)過(guò)程叫反饋。

正反饋是指經(jīng)反饋能加強(qiáng)閉環(huán)系統(tǒng)輸入效應(yīng)，即使偏差e增大。

負(fù)反饋是指經(jīng)反饋能減弱閉環(huán)系統(tǒng)輸入效應(yīng)，即使偏差e減小。

（4）反饋（5）前向通道與反饋通道

在控制系統(tǒng)傳遞方框圖中，從系統(tǒng)的輸入端沿信號(hào)線方向到達(dá)系統(tǒng)輸出端的通道稱為前向通道；而相反方向的通道則稱為反饋通道。（5）前向通道與反饋通道

在控制系統(tǒng)傳遞方框圖中，從系統(tǒng)的（6）閉環(huán)系統(tǒng)

在反饋控制系統(tǒng)傳遞方框圖中，前一環(huán)節(jié)的輸出就是后一環(huán)節(jié)的輸入，系統(tǒng)的輸出又經(jīng)反饋通道送回到系統(tǒng)的輸入端。這樣，控制系統(tǒng)就形成了一個(gè)封閉的控制回路，稱為閉環(huán)系統(tǒng)，反饋控制系統(tǒng)必定是閉環(huán)系統(tǒng)。

開(kāi)環(huán)系統(tǒng)不再是反饋控制系統(tǒng)，無(wú)法根據(jù)偏差來(lái)實(shí)現(xiàn)設(shè)備或生產(chǎn)過(guò)程的參數(shù)自動(dòng)控制。（6）閉環(huán)系統(tǒng)

在反饋控制系統(tǒng)傳遞方框圖中，三、反饋控制系統(tǒng)的工作過(guò)程

反饋控制系統(tǒng)按給定值的變化規(guī)律分類方法：

1、定值控制系統(tǒng)

系統(tǒng)的給定值是恒定不變的，為某個(gè)確定值，則該系統(tǒng)稱為定值控制系統(tǒng)。

例如鍋爐水位與蒸汽壓力控制系統(tǒng)，柴油機(jī)氣缸冷卻水溫度控制系統(tǒng)，燃油粘度控制系統(tǒng)，發(fā)電機(jī)的原動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速控制系統(tǒng)等都屬于定值控制系統(tǒng)。

三、反饋控制系統(tǒng)的工作過(guò)程

反饋控制系統(tǒng)按給定值的變化規(guī)律分2、程序控制系統(tǒng)

系統(tǒng)的給定值是變化的，而且是按人們事先安排好的規(guī)律進(jìn)行變化，則該系統(tǒng)稱為程序控制系統(tǒng)。例如船舶主機(jī)遙控系統(tǒng)中的轉(zhuǎn)速控制，其給定值就是按車鐘設(shè)定轉(zhuǎn)速的預(yù)定發(fā)送速率規(guī)律而變化的。2、程序控制系統(tǒng)

系統(tǒng)的給定值是變化的，而且是按人3、隨動(dòng)控制系統(tǒng)

系統(tǒng)的給定值是任意變化的，且變化規(guī)律是事先無(wú)法確定的系統(tǒng)，則該系統(tǒng)稱為隨動(dòng)控制系統(tǒng)。例如自動(dòng)舵的隨動(dòng)操舵系統(tǒng)，其舵角給定值完全取決于當(dāng)時(shí)的航行情況。3、隨動(dòng)控制系統(tǒng)

系統(tǒng)的給定值是任意變化的，且變化反饋控制系統(tǒng)的工作過(guò)程：設(shè)系統(tǒng)處在平衡狀態(tài)（即系統(tǒng)穩(wěn)定運(yùn)行）時(shí)突然受到一個(gè)外部擾動(dòng)，被控量將離開(kāi)初始穩(wěn)定值發(fā)生變化，測(cè)量單元將把被控量的實(shí)際值送至調(diào)節(jié)器，在調(diào)節(jié)器內(nèi)部，被控量的給定值與測(cè)量值進(jìn)行比較，得到偏差值e，調(diào)節(jié)器依據(jù)某種調(diào)節(jié)作用規(guī)律輸出一個(gè)控制信號(hào)，通過(guò)執(zhí)行機(jī)構(gòu)改變流入控制對(duì)象的物質(zhì)或能量流量，被控量朝著偏差減少的方向變化，這一信號(hào)又通過(guò)測(cè)量單元送至調(diào)節(jié)器，重復(fù)上述過(guò)程，最終使被控量又回到給定值或給定值附近，系統(tǒng)達(dá)到一個(gè)新的平衡狀態(tài)。反饋控制系統(tǒng)的工作過(guò)程：四、評(píng)定控制系統(tǒng)動(dòng)態(tài)過(guò)程品質(zhì)的指標(biāo)

反饋控制系統(tǒng)的擾動(dòng)形式是隨機(jī)的，很難用一個(gè)數(shù)學(xué)表達(dá)式來(lái)精確地描述，但可以歸納為四種擾動(dòng)形式：①階躍形式、②線性形式、③脈沖形式、④正弦形式。

四、評(píng)定控制系統(tǒng)動(dòng)態(tài)過(guò)程品質(zhì)的指標(biāo)

階躍擾動(dòng)STtr(t)0Rtr(t)0Rttr(t)01/2Rt2線性擾動(dòng)加速度擾動(dòng)tr(t)0正弦擾動(dòng)階躍擾動(dòng)STtr(t)0Rtr(t)0Rttr(t)01/脈沖擾動(dòng)STr(t)01/hhh→0時(shí)，稱為理想的單位脈沖函數(shù)，記作δ(t)。r(t)0r(t)→∞tth→0脈沖擾動(dòng)STr(t)01/hhh→0時(shí)，稱為理想的單位脈沖函

為了便于分析和研究反饋控制系統(tǒng)的性能，通常以階躍信號(hào)作為系統(tǒng)的給定值或擾動(dòng)，因?yàn)殡A躍信號(hào)是反饋控制系統(tǒng)一種最常見(jiàn)的輸入信號(hào)，而且不論是作為給定值或者擾動(dòng)量，對(duì)系統(tǒng)是最嚴(yán)重的沖擊，最容易引起系統(tǒng)發(fā)生不平衡狀態(tài)為了便于分析和研究反饋控制系統(tǒng)的性能，根據(jù)控制系統(tǒng)接受的擾動(dòng)途徑，可以分為兩種情況：一種情況是外部擾動(dòng)不變，改變給定值（如隨動(dòng)控制）；另一種情況是給定值不變（定值控制），改變外部擾動(dòng)。由于控制器控制規(guī)律或系統(tǒng)參數(shù)的不同，控制系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)過(guò)程將表現(xiàn)為不同的形式。根據(jù)控制系統(tǒng)接受的擾動(dòng)途徑，可以分為兩種情況：一種情況是外部

在階躍信號(hào)輸入時(shí)，被控量變化的動(dòng)態(tài)過(guò)程有以下四種：

（1）發(fā)散振蕩過(guò)程（2）等幅振蕩過(guò)程（3）單調(diào)過(guò)程（非周期過(guò)程）（4）衰減振蕩過(guò)程在階躍信號(hào)輸入時(shí)，被控量變化的動(dòng)態(tài)過(guò)程圖5-3過(guò)程曲線基本類型（b)y（t)t（d)y（t)t（a)y（t)tt（c)y（t)發(fā)散振蕩等幅振蕩衰減振蕩單調(diào)過(guò)程圖5-3過(guò)程曲線基本類型（b)y（t)t（d)y（t)t（（1）穩(wěn)定性指標(biāo)衰減率和振蕩次數(shù)N衰減率，是指在衰減振蕩中，第一個(gè)波峰值y1減去第二個(gè)同相波峰值y3除以第一個(gè)波峰值y1，即：

φ

＜0發(fā)散振蕩過(guò)程，0＜φ

＜1衰減振蕩過(guò)程

φ

=0等幅振蕩過(guò)程，φ

=1非周期過(guò)程一般希望ψ=0.75～0.9（1）穩(wěn)定性指標(biāo)衰減率和振蕩次數(shù)N（1）穩(wěn)定性指標(biāo)與衰減率相對(duì)應(yīng)的是另一種衡量指標(biāo)是衰減比。所謂衰減比是第一個(gè)波峰值y1和第二個(gè)同相波峰值y3的比值，即y1/y3。

衰減率是衡量系統(tǒng)穩(wěn)定性指標(biāo)，要求ψ

=0.75～0.9。當(dāng)ψ

=0.75時(shí)，y1是y3的4倍，此時(shí)衰減比4:1。振蕩次數(shù)N，是指在衰減振蕩中，被控量的振蕩次數(shù)。一般要求被控量振蕩2～3次就應(yīng)該穩(wěn)定下來(lái)。（1）穩(wěn)定性指標(biāo)圖5-4定值控制系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)過(guò)程ttst0εy1y2y3y0emax0y（∞)d（t)tdt0y（t)0圖5-4定值控制系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)過(guò)程ttst0εy1y2y3y0圖5-5隨動(dòng)控制系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)過(guò)程ttst0εy1y2y3remaxr（t)trt0y（t)r0y0t1y（∞)t22圖5-5隨動(dòng)控制系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)過(guò)程ttst0εy1y2y3re（2）精確性指標(biāo)最大動(dòng)態(tài)偏差emax:是指在衰減振蕩中第一個(gè)波峰的峰值，它是動(dòng)態(tài)精度指標(biāo)。Emax大，說(shuō)明動(dòng)態(tài)精度低，要求小些為好，但不是越小越好，因?yàn)樘?，有可能使?dòng)態(tài)過(guò)程的振蕩加劇。靜態(tài)偏差ε:動(dòng)態(tài)過(guò)程結(jié)束后,