自動化反饋控制系統(tǒng)的基本概念選編課件

船舶電氣與自動化（船舶自動化）船舶電氣與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)

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)的基自動化反饋控制系統(tǒng)的基本概念選編課件主機冷卻水溫度自動控制系統(tǒng)示意圖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。執(zhí)行機構代替人的雙手，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。

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

（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。（1）控制對象

（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。（2）測量單元

（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。

自動化反饋控制系統(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。

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

（4）執(zhí)行機構

執(zhí)行機構的輸入量是調(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—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。

（4）執(zhí)行機構

以上四個基本單元在組成反饋控制系統(tǒng)中是缺一不可的。但對于一個完整的反饋控制系統(tǒng)，一般還設有顯示單元，用來指示被控量的給定值和測量值。同時，對氣動控制系統(tǒng)來說，應設有氣源裝置和定值器；對電動控制系統(tǒng)尚需設穩(wěn)壓電源等輔助裝置。以上四個基本單元在組成反饋控制系統(tǒng)中是缺二、自動控制系統(tǒng)傳遞方框圖控制單元執(zhí)行機構被控對象測量單元圖5-2反饋控制系統(tǒng)傳遞方框圖R(t)－設定值z(t)－測量值e(t)－偏差值y(t)－被控量q(t)－執(zhí)行量p(t)－控制量d(t)－外部擾動值A二、自動控制系統(tǒng)傳遞方框圖控制單元執(zhí)行機構被控對象測量單元圖

（1）環(huán)節(jié)

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

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直接影響輸入量，這叫信號傳遞的單向性。

（1）環(huán)節(jié)

在控制系統(tǒng)傳遞方框圖中，（2）擾動

控制對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。

擾動可分為兩類：外部擾動、基本擾動。

基本擾動是指來自控制系統(tǒng)內(nèi)部控制通道（調(diào)節(jié)通道）的擾動?；緮_動通過調(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)閥開度的改變將引起水溫的變化，等等。

（2）擾動

控制對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是指來自系統(tǒng)外部環(huán)境的擾動，外部擾動通過擾動通道影響被控量。

例如，以鍋爐為控制對象的水位控制系統(tǒng)，水位是被控量，鍋爐負荷（外部用汽量）的變化將引起水位的變化；在柴油機氣缸冷卻水溫度控制系統(tǒng)中，水溫是被控量，柴油機負荷的變化、海水溫度的變化、淡水冷卻器中水管結垢的多少等都會引起冷卻水溫度的變化。這種擾動是由于設備負荷或外界環(huán)境的擾動變化而導致控制對象內(nèi)部的能量平衡遭到破壞而引起的。外部擾動是指來自系統(tǒng)外部環(huán)境的擾動，外部擾動通過擾動通道影響（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環(huán)節(jié)而言的；若從系統(tǒng)的角度來看，作為一個整體，系統(tǒng)具有兩個輸入，即設定值和外部擾動，以及一個輸出，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

（4）反饋

調(diào)節(jié)器的輸出經(jīng)執(zhí)行機構改變控制強度，即改變流入控制對象的物質(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)測量單元又送回到系統(tǒng)的輸入端，這個過程叫反饋。

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

負反饋是指經(jīng)反饋能減弱閉環(huán)系統(tǒng)輸入效應，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)的輸入端沿信號線方向到達系統(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)。

開環(huán)系統(tǒng)不再是反饋控制系統(tǒng)，無法根據(jù)偏差來實現(xiàn)設備或生產(chǎn)過程的參數(shù)自動控制。（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)電機的原動機轉(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)律進行變化，則該系統(tǒng)稱為程序控制系統(tǒng)。例如船舶主機遙控系統(tǒng)中的轉(zhuǎn)速控制，其給定值就是按車鐘設定轉(zhuǎn)速的預定發(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)律是事先無法確定的系統(tǒng)，則該系統(tǒng)稱為隨動控制系統(tǒng)。例如自動舵的隨動操舵系統(tǒng)，其舵角給定值完全取決于當時的航行情況。3、隨動控制系統(tǒng)

系統(tǒng)的給定值是任意變化的，且變化反饋控制系統(tǒng)的工作過程：設系統(tǒng)處在平衡狀態(tài)（即系統(tǒng)穩(wěn)定運行）時突然受到一個外部擾動，被控量將離開初始穩(wěn)定值發(fā)生變化，測量單元將把被控量的實際值送至調(diào)節(jié)器，在調(diào)節(jié)器內(nèi)部，被控量的給定值與測量值進行比較，得到偏差值e，調(diào)節(jié)器依據(jù)某種調(diào)節(jié)作用規(guī)律輸出一個控制信號，通過執(zhí)行機構改變流入控制對象的物質(zhì)或能量流量，被控量朝著偏差減少的方向變化，這一信號又通過測量單元送至調(diào)節(jié)器，重復上述過程，最終使被控量又回到給定值或給定值附近，系統(tǒng)達到一個新的平衡狀態(tài)。反饋控制系統(tǒng)的工作過程：四、評定控制系統(tǒng)動態(tài)過程品質(zhì)的指標

反饋控制系統(tǒng)的擾動形式是隨機的，很難用一個數(shù)學表達式來精確地描述，但可以歸納為四種擾動形式：①階躍形式、②線性形式、③脈沖形式、④正弦形式。

四、評定控制系統(tǒng)動態(tài)過程品質(zhì)的指標

階躍擾動STtr(t)0Rtr(t)0Rttr(t)01/2Rt2線性擾動加速度擾動tr(t)0正弦擾動階躍擾動STtr(t)0Rtr(t)0Rttr(t)01/脈沖擾動STr(t)01/hhh→0時，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STr(t)01/hhh→0時，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，通常以階躍信號作為系統(tǒng)的給定值或擾動，因為階躍信號是反饋控制系統(tǒng)一種最常見的輸入信號，而且不論是作為給定值或者擾動量，對系統(tǒng)是最嚴重的沖擊，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)接受的擾動途徑，可以分為兩種情況：一種情況是外部擾動不變，改變給定值（如隨動控制）；另一種情況是給定值不變（定值控制），改變外部擾動。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)的動態(tài)過程將表現(xiàn)為不同的形式。根據(jù)控制系統(tǒng)接受的擾動途徑，可以分為兩種情況：一種情況是外部

在階躍信號輸入時，被控量變化的動態(tài)過程有以下四種：

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

φ

＜0發(fā)散振蕩過程，0＜φ

＜1衰減振蕩過程

φ

=0等幅振蕩過程，φ

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

衰減率是衡量系統(tǒng)穩(wěn)定性指標，要求ψ

=0.75～0.9。當ψ

=0.75時，y1是y3的4倍，此時衰減比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次就應該穩(wěn)定下來。（1）穩(wěn)定性指標圖5-4定值控制系統(tǒng)的動態(tài)過程ttst0εy1y2y3y0emax0y（∞)d（t)tdt0y（t)0圖5-4定值控制系統(tǒng)的動態(tài)過程ttst0εy1y2y3y0圖5-5隨動控制系統(tǒng)的動態(tài)過程ttst0εy1y2y3remaxr（t)trt0y（t)r0y0t1y（∞)t22圖5-5隨動控制系統(tǒng)的動態(tài)過程ttst0εy1y2y3re（2）精確性指標最大動態(tài)偏差emax:是指在衰減振蕩中第一個波峰的峰值，它是動態(tài)精度指標。Emax大，說明動態(tài)精度低，要求小些為好，但不是越小越好，因為太小，有可能使動態(tài)過程的振蕩加劇。靜態(tài)偏差ε:動態(tài)過程結束后,