反饋控制系統(tǒng)概念

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1、第 一 章 反 饋 控 制 系 統(tǒng) 的 基 本 概 念 1-1 引言 所謂自動(dòng)控制，是指在沒(méi)有人參與的情況下利用控制器使被控對(duì)象（即生產(chǎn)設(shè)備或生產(chǎn)過(guò)程）自動(dòng)地按預(yù)定的規(guī)律運(yùn)行。包括參數(shù)控制和程序控制 例如： （1）鍋爐水位和壓力保持在規(guī)定的范圍或設(shè)定值上； （2）船舶的舵角按發(fā)出的舵令變化； （3）柴油主機(jī)的起動(dòng)按規(guī)定的操作規(guī)程進(jìn)行； （4）分油機(jī)的排渣過(guò)程按預(yù)定的程序進(jìn)行。 1-2 自動(dòng)控制的基本方式1. 開(kāi)環(huán)控制系統(tǒng) Fig.1-1 控制系統(tǒng)的輸出對(duì)系統(tǒng)的控制作用沒(méi)有影響。 (1)按給定值進(jìn)行控制 (2)按擾動(dòng)補(bǔ)償進(jìn)行控制2閉環(huán)控制系統(tǒng) Fig.1-2 控制系統(tǒng)的輸出對(duì)系統(tǒng)的控制作用有影響

2、，即控制器的輸出作用于控制對(duì)象，控制對(duì)象的輸出（系統(tǒng)的輸出）將送回到控制器，控制器根據(jù)偏差進(jìn)行控制。因此，又稱(chēng)為反饋控制。 1-2 自動(dòng)控制的基本方式3復(fù)合控制 Fig.1-3 在一個(gè)控制系統(tǒng)中同時(shí)采用開(kāi)環(huán)控制和閉環(huán)控制。 開(kāi)環(huán)控制粗調(diào) 閉環(huán)控制細(xì)調(diào) 1-3 反饋控制系統(tǒng)的概念反饋控制系統(tǒng)的組成反饋控制系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)方框圖反饋控制系統(tǒng)的分類(lèi) 1. 反饋控制系統(tǒng)的組成控制對(duì)象：被控制的設(shè)備或過(guò)程（冷卻器）。系統(tǒng)的輸出就是指被控對(duì)象的輸出（或稱(chēng)被控量）?？刂破鳎ɑ蚍Q(chēng)調(diào)節(jié)器）：根據(jù)偏差按一定規(guī)律輸出控制量，送至執(zhí)行機(jī)構(gòu)。它有兩個(gè)輸入，即設(shè)定值輸入和測(cè)量值輸入。偏差=設(shè)定值測(cè)量值 3. 執(zhí)行器（執(zhí)行機(jī)構(gòu)）

3、：接受控制器送來(lái)的控制信號(hào)，驅(qū)動(dòng)調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)，作用于被控對(duì)象。 4. 測(cè)量變送器（測(cè)量單元）：將被控對(duì)象的物理輸出量，即 被控量轉(zhuǎn)換為標(biāo)準(zhǔn)信號(hào)輸出（也稱(chēng)測(cè)量輸出），送到調(diào)節(jié)器，作為反饋信號(hào)。Fig.1-5a 2. 反饋控制系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)框圖特點(diǎn)： （1）信號(hào)傳遞的單向性；（2）閉合回路（閉環(huán)系統(tǒng)）；（3）負(fù)反饋：反饋通道的信號(hào)與前向通道的信號(hào)相減。反之， 則為正反饋。（4）控制單元根據(jù)偏差進(jìn)行控制，因此又稱(chēng)偏差驅(qū)動(dòng)。 Fig.1-6 若控制單元、測(cè)量單元和執(zhí)行單元合為一體，則稱(chēng)為基地式控制儀表；若三者分開(kāi)，則稱(chēng)為組合式控制儀表。 3. 反饋控制系統(tǒng)的分類(lèi)1. 按給定值的形式： （1）定值控制；（2）程

4、序控制；（3）隨動(dòng)控制。2. 按動(dòng)作方式： （1）連續(xù)控制；（2）斷續(xù)控制（雙位控制或多位控制）3. 按控制精度： （1）有差調(diào)節(jié)；（2）無(wú)差調(diào)節(jié)4. 按變量數(shù)： （1）單變量控制；（2）多變量控制5. 按系統(tǒng)性質(zhì)： （1）線性控制系統(tǒng)；（2）非線性控制系統(tǒng)6. 按應(yīng)用理論： （1）基于經(jīng)典理論的控制； （2）基于現(xiàn)代控制理論的控制（最優(yōu)控制、自適應(yīng)控制）； （3）智能控制（模糊、神經(jīng)、專(zhuān)家、自學(xué)習(xí)控制） 1-4 自動(dòng)控制的性能指標(biāo)1自動(dòng)控制系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)和動(dòng)態(tài) 穩(wěn)態(tài)被控量不隨時(shí)間而變化的平衡狀態(tài)（也稱(chēng)靜態(tài)） 動(dòng)態(tài)被控量隨時(shí)間而變化的不平衡狀態(tài)（也稱(chēng)瞬態(tài)） 穩(wěn)態(tài)（平衡） 動(dòng)態(tài)過(guò)程擾動(dòng)變化平衡破壞控

5、制作用克服擾動(dòng)影響新穩(wěn)態(tài)（平衡） 1-4 自動(dòng)控制的性能指標(biāo)2自動(dòng)控制系統(tǒng)的過(guò)渡過(guò)程 自動(dòng)控制系統(tǒng)在動(dòng)態(tài)過(guò)程中被控量隨時(shí)間而變化的過(guò)程，或者說(shuō)是從一個(gè)平衡態(tài)過(guò)渡到另一個(gè)平衡態(tài)的過(guò)程。Fig.1-8 根據(jù)過(guò)渡過(guò)程的特點(diǎn)，控制系統(tǒng)可分為： （1）發(fā)散過(guò)程 （2）等幅振蕩過(guò)程 Fig.1-14 （3）衰減過(guò)程 （4）非周期過(guò)程 其中， （1）、（2）稱(chēng)為不穩(wěn)定過(guò)程；（3）、（4）稱(chēng)為穩(wěn)定過(guò)程。 3自動(dòng)控制系統(tǒng)的典型輸入信號(hào) 為便于系統(tǒng)分析，定義幾種常見(jiàn)的系統(tǒng)輸入信號(hào)： （1）階躍輸入： Fig.1-9 （2）速度輸入 ： Fig.1-10 （3）加速度輸入： Fig.1-11 （4）脈沖輸入： Fi

6、g.1-12 （5）正弦輸入： Fig.1-13 其中，階躍輸入對(duì)系統(tǒng)的工作最為不利。1-4 自動(dòng)控制的性能指標(biāo) )0( 0 )0( )( ttRtr )0( 0 )0( )( ttRttr )0( 0 )0( 21)( 2 t tRttr ),0( 0 )0( 1)( htt hthtr tAtr sin)( 4自動(dòng)控制系統(tǒng)過(guò)渡過(guò)程的性能要求 方法：給系統(tǒng)施加階躍輸入，得到系統(tǒng)過(guò)渡過(guò)程曲線，分析系統(tǒng)過(guò)渡過(guò)程的各項(xiàng)性能指標(biāo)。 采用階躍輸入的原因： （1）信號(hào)的階躍變化在實(shí)際中比較常見(jiàn)（近似的階躍變化）； （2）階躍信號(hào)的數(shù)學(xué)處理比較簡(jiǎn)單； （3）階躍輸入對(duì)系統(tǒng)的工作最為不利。 評(píng)定系統(tǒng)過(guò)渡過(guò)程

7、性能指標(biāo)的三個(gè)方面： （1）穩(wěn)定性；（2）準(zhǔn)確性；（3）快速性。 1-4 自動(dòng)控制的性能指標(biāo) 4自動(dòng)控制系統(tǒng)過(guò)渡過(guò)程的性能要求 1）過(guò)渡過(guò)程評(píng)定指標(biāo) （1）穩(wěn)定性：系統(tǒng)受到擾動(dòng)之后能夠恢復(fù)到穩(wěn)定狀態(tài)的能力。實(shí)際控制系統(tǒng)，至少要求是率減過(guò)程或非周期過(guò)程，以率減為佳。評(píng)定指標(biāo)：衰減率 ，衰減比N（a）定值控制系統(tǒng)：給定值不變，外部擾動(dòng)發(fā)生階躍變化； fig.1-15（b）隨動(dòng)控制系統(tǒng)：假定外部擾動(dòng)不變，給定值階躍變化。 fig.1-16 1-4 自動(dòng)控制的性能指標(biāo) 4自動(dòng)控制系統(tǒng)過(guò)渡過(guò)程的性能要求 （2）準(zhǔn)確性：被控量偏離給定值的程度 評(píng)定指標(biāo)： （a）定值控制系統(tǒng)：最大動(dòng)態(tài)偏差emax；靜態(tài)偏差

8、ys fig.1-15 （b）隨動(dòng)控制系統(tǒng)：最大動(dòng)態(tài)偏差emax；超調(diào)量；靜態(tài)偏 差ys 。 fig.1-16 1-4 自動(dòng)控制的性能指標(biāo) 4自動(dòng)控制系統(tǒng)過(guò)渡過(guò)程的性能要求 （3）快速性： 評(píng)定指標(biāo)：過(guò)渡過(guò)程時(shí)間 ts從擾動(dòng)發(fā)生到被控量又重新 趨于穩(wěn)定達(dá)到新的平衡態(tài)所需的時(shí)間 此外還有振蕩頻率、振蕩次數(shù)等 fig.1-15 fig.1-16 1-4 自動(dòng)控制的性能指標(biāo) 4自動(dòng)控制系統(tǒng)過(guò)渡過(guò)程的性能要求 3）過(guò)渡過(guò)程的性能指標(biāo)的要求： （1）定值控制： （a）動(dòng)態(tài)偏差和靜態(tài)偏差要??； （b）衰減率最好在0.750.9之間； （c）過(guò)渡過(guò)程時(shí)間要短 （2）隨動(dòng)控制： （a）超調(diào)量要??； （b）過(guò)渡

9、過(guò)程時(shí)間要短； （c）振蕩次數(shù)要少1-4 自動(dòng)控制的性能指標(biāo) fig.1-3 復(fù)合控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)方框圖控制裝置執(zhí)行機(jī)構(gòu)控制對(duì)象反饋裝置被控量給定信號(hào)+-前饋裝置擾動(dòng)補(bǔ)償外部擾動(dòng) fig.1-6 自動(dòng)控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)方框圖控制單元執(zhí)行單元控制對(duì)象測(cè)量單元p(t) q(t) y(t)b(t)r(t) e(t)+- e(t)偏差信號(hào) e(t)=r(t)-b(t)y(t)被控量p(t)控制量f(t)擾動(dòng)量f(t) fig.1-8 自動(dòng)控制系統(tǒng)過(guò)渡過(guò)程曲線 y t平衡狀態(tài)過(guò)渡過(guò)程平衡狀態(tài) fig.1-9 tr(t)0 R tr(t)0 Rttr(t)0 1/2Rt2 fig.1-10fig.1-11 0 10

10、 20 30 40 50 60 70-1 -0.8 -0.6 -0.4 -0.2 0 0.2 0.4 0.6 0.8 1 tr(t)0 fig.1-13 fig.1-12r(t)0 1/hh h0時(shí)，稱(chēng)為理想的單位脈沖函數(shù)，記作(t)。r(t)0 r(t)t th0 fig.1-14 過(guò)程曲線基本類(lèi)型(a) (b)(c) (d) fig.1-15 自動(dòng)控制系統(tǒng)過(guò)渡過(guò)程曲線 y ttt0 yysy1 y2 y3y0 131 31 1 yyy yy 根據(jù)衰減率 的大小可以判定過(guò)渡過(guò)程的性質(zhì)： 0，為發(fā)散振蕩過(guò)程 =0，為等幅振蕩過(guò)程01，為率減振蕩過(guò)程 =1，為非周期過(guò)程最佳衰減率： =0.750

11、.9 31yyN emax fig.1-16 自動(dòng)控制系統(tǒng)過(guò)渡過(guò)程曲線ts %100)( )(max y yy tt0 y y1 y2 y3ymaxyy0 131 31 1 yyy yy ysemax fig.1-5 電動(dòng)儀表控制的主機(jī)冷卻水溫度控制系統(tǒng)溫度變送器控制器 伺服放大器執(zhí)行器蝶閥機(jī)構(gòu)溫度傳感器 fig.1-5a 柴油機(jī)氣缸冷卻水溫度手動(dòng)控制過(guò)程冷卻器三通閥淡水泵主機(jī) 眼腦手 海水入口海水出口 手動(dòng)控制過(guò)程Fig.1-5b fig.1-5b 柴油機(jī)氣缸冷卻水溫度自動(dòng)控制過(guò)程冷卻器三通閥淡水泵主機(jī)手海水入口海水出口 自動(dòng)控制過(guò)程溫度變送器調(diào)節(jié)器執(zhí)行機(jī)構(gòu)Fig.1-5 Q 1V2 Q 2 V1HF圖1-1 液位控制系統(tǒng)示意圖 Q 1V2 Q 2 V1HF+E +E浮子控制器電動(dòng)機(jī)圖1-2 液位控制閉環(huán)系統(tǒng)示意圖