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 所謂自動控制，是指在沒有人參與的情況下利用控制器使被控對象（即生產(chǎn)設(shè)備或生產(chǎn)過程）自動地按預(yù)定的規(guī)律運行。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）柴油主機的起動按規(guī)定的操作規(guī)程進(jìn)行； （4）分油機的排渣過程按預(yù)定的程序進(jìn)行。 1-2 自動控制的基本方式1. 開環(huán)控制系統(tǒng) Fig.1-1 控制系統(tǒng)的輸出對系統(tǒng)的控制作用沒有影響。 (1)按給定值進(jìn)行控制 (2)按擾動補償進(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象，控制對象的輸出（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，又稱為反饋控制。 1-2 自動控制的基本方式3復(fù)合控制 Fig.1-3 在一個控制系統(tǒng)中同時采用開環(huán)控制和閉環(huán)控制。 開環(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 1. 反饋控制系統(tǒng)的組成控制對象：被控制的設(shè)備或過程（冷卻器）。系統(tǒng)的輸出就是指被控對象的輸出（或稱被控量）?？刂破鳎ɑ蚍Q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)行機構(gòu)。它有兩個輸入，即設(shè)定值輸入和測量值輸入。偏差=設(shè)定值測量值 3. 執(zhí)行器（執(zhí)行機構(gòu)）

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

4、序控制；（3）隨動控制。2. 按動作方式： （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)、專家、自學(xué)習(xí)控制） 1-4 自動控制的性能指標(biāo)1自動控制系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)和動態(tài) 穩(wěn)態(tài)被控量不隨時間而變化的平衡狀態(tài)（也稱靜態(tài)） 動態(tài)被控量隨時間而變化的不平衡狀態(tài)（也稱瞬態(tài)） 穩(wěn)態(tài)（平衡） 動態(tài)過程擾動變化平衡破壞控

5、制作用克服擾動影響新穩(wěn)態(tài)（平衡） 1-4 自動控制的性能指標(biāo)2自動控制系統(tǒng)的過渡過程 自動控制系統(tǒng)在動態(tài)過程中被控量隨時間而變化的過程，或者說是從一個平衡態(tài)過渡到另一個平衡態(tài)的過程。Fig.1-8 根據(jù)過渡過程的特點，控制系統(tǒng)可分為： （1）發(fā)散過程 （2）等幅振蕩過程 Fig.1-14 （3）衰減過程 （4）非周期過程 其中， （1）、（2）稱為不穩(wěn)定過程；（3）、（4）稱為穩(wěn)定過程。 3自動控制系統(tǒng)的典型輸入信號 為便于系統(tǒng)分析，定義幾種常見的系統(tǒng)輸入信號： （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，階躍輸入對系統(tǒng)的工作最為不利。1-4 自動控制的性能指標(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自動控制系統(tǒng)過渡過程的性能要求 方法：給系統(tǒng)施加階躍輸入，得到系統(tǒng)過渡過程曲線，分析系統(tǒng)過渡過程的各項性能指標(biāo)。 采用階躍輸入的原因： （1）信號的階躍變化在實際中比較常見（近似的階躍變化）； （2）階躍信號的數(shù)學(xué)處理比較簡單； （3）階躍輸入對系統(tǒng)的工作最為不利。 評定系統(tǒng)過渡過程

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

8、ys fig.1-15 （b）隨動控制系統(tǒng)：最大動態(tài)偏差emax；超調(diào)量；靜態(tài)偏 差ys 。 fig.1-16 1-4 自動控制的性能指標(biāo) 4自動控制系統(tǒng)過渡過程的性能要求 （3）快速性： 評定指標(biāo)：過渡過程時間 ts從擾動發(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 自動控制的性能指標(biāo) 4自動控制系統(tǒng)過渡過程的性能要求 3）過渡過程的性能指標(biāo)的要求： （1）定值控制： （a）動態(tài)偏差和靜態(tài)偏差要??； （b）衰減率最好在0.750.9之間； （c）過渡過程時間要短 （2）隨動控制： （a）超調(diào)量要??； （b）過渡

9、過程時間要短； （c）振蕩次數(shù)要少1-4 自動控制的性能指標(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)行機構(gòu)控制對象反饋裝置被控量給定信號+-前饋裝置擾動補償外部擾動 fig.1-6 自動控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)方框圖控制單元執(zhí)行單元控制對象測量單元p(t) q(t) y(t)b(t)r(t) e(t)+- e(t)偏差信號 e(t)=r(t)-b(t)y(t)被控量p(t)控制量f(t)擾動量f(t) fig.1-8 自動控制系統(tǒng)過渡過程曲線 y t平衡狀態(tài)過渡過程平衡狀態(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，稱為理想的單位脈沖函數(shù)，記作(t)。r(t)0 r(t)t th0 fig.1-14 過程曲線基本類型(a) (b)(c) (d) fig.1-15 自動控制系統(tǒng)過渡過程曲線 y ttt0 yysy1 y2 y3y0 131 31 1 yyy yy 根據(jù)衰減率 的大小可以判定過渡過程的性質(zhì)： 0，為發(fā)散振蕩過程 =0，為等幅振蕩過程01，為率減振蕩過程 =1，為非周期過程最佳衰減率： =0.750

11、.9 31yyN emax fig.1-16 自動控制系統(tǒng)過渡過程曲線ts %100)( )(max y yy tt0 y y1 y2 y3ymaxyy0 131 31 1 yyy yy ysemax fig.1-5 電動儀表控制的主機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)行器蝶閥機構(gòu)溫度傳感器 fig.1-5a 柴油機氣缸冷卻水溫度手動控制過程冷卻器三通閥淡水泵主機 眼腦手 海水入口海水出口 手動控制過程Fig.1-5b fig.1-5b 柴油機氣缸冷卻水溫度自動控制過程冷卻器三通閥淡水泵主機手海水入口海水出口 自動控制過程溫度變送器調(diào)節(jié)器執(zhí)行機構(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浮子控制器電動機圖1-2 液位控制閉環(huán)系統(tǒng)示意圖