第一章反馈控制系统的基础知识PPT课件.ppt

第一章第一章 反反馈控制系控制系统的基的基础知知识 第一第一节 反反馈控制系控制系统的基本概念的基本概念 一、反一、反馈控制系控制系统的的组成成 例例1、辅锅炉水位自炉水位自动控制系控制系统 例例2、主机冷却水温度自、主机冷却水温度自动控制系控制系统 1.2.主机冷却水温度自主机冷却水温度自动控制系控制系统示意示意图3.（1）控制）控制对象象 控制控制对象是指所要控制的机器、象是指所要控制的机器、设备或装或装 置。把所要控制的运行参数叫做被控量。置。把所要控制的运行参数叫做被控量。在在锅炉水位自炉水位自动控制系控制系统中，中，锅炉是控制炉是控制 对象，水位是被控量。象，水位是被控量。在柴油机冷却水温度自在柴油机冷却水温度自动控制系控制系统中，淡中，淡 水冷却器是控制水冷却器是控制对象，冷却水温度是被控量。象，冷却水温度是被控量。在柴油机在柴油机转速自速自动控制系控制系统中，柴油机是中，柴油机是控制控制对象，象，转速是被控量。速是被控量。4.（2）测量量单元元 测量量单元的作用：元的作用：检测被控量的被控量的实际值，并，并把它把它转换成成标准的准的统一信号，一信号，该信号叫被控量的信号叫被控量的测量量值。在气在气动控制系控制系统中，其中，其统一的一的标准气准气压信号信号是是0.020.lMPa；在；在电动控制系控制系统中，其中，其统一的一的标准准电流信号是流信号是010 mA或或420mA。在温度自在温度自动控制系控制系统中，中，测量量单元采用温度元采用温度传感器和温度感器和温度变送器；在送器；在压力自力自动控制系控制系统中，中，测量量单元采用元采用压力力传感器和感器和压力力变送器；在送器；在锅炉炉水位自水位自动控制系控制系统中，中，测量量单元采用水位元采用水位发讯器器（参考水位罐）和差（参考水位罐）和差压变送器。送器。5.（3）调节单元元 调节单元是指具有各种元是指具有各种调节作用作用规律的律的调节器。器。把运行参数所希望控制的最佳把运行参数所希望控制的最佳值叫叫给定定值，用，用 r r 表示；表示；被控量的被控量的测量量值用用 z z 表示。把被控量的表示。把被控量的测量量值偏离偏离给定定值的数量叫偏差的数量叫偏差值，用，用 e e 表示表示,显然，然，e=r-z e=r-z。调节器首先接收器首先接收测量量单元送来的被控量的元送来的被控量的测量信号，量信号，并与被控量的并与被控量的给定定值相比相比较得到偏差信号，再根据偏差得到偏差信号，再根据偏差信号的大小和方向（正偏差信号的大小和方向（正偏差还是是负偏差），依据某种偏差），依据某种调节作用作用规律律输出一个控制信号，出一个控制信号，对被控量施加控制作用，被控量施加控制作用，直到偏差等于零或接近零直到偏差等于零或接近零为止。止。6.（4）执行机构行机构 执行机构的行机构的输入量是入量是调节单元元输出的控出的控制信号，制信号，执行机构的行机构的输出量是出量是调节阀的开度。的开度。调节单元元输出的控制信号出的控制信号经执行机构直接改行机构直接改变调节阀的开度，从而可改的开度，从而可改变流入控制流入控制对象象物物质或能量流量，使之能符合控制或能量流量，使之能符合控制对象象负荷荷的要求，被控量会逐的要求，被控量会逐渐回到回到给定定值或或给定定值附近。附近。7.以上四个基本以上四个基本单元在元在组成反成反馈控制系控制系统中是中是缺一不可的。但缺一不可的。但对于一个完整的反于一个完整的反馈控制系控制系统，一般一般还设有有显示示单元，用来指示被控量的元，用来指示被控量的给定定值和和测量量值。同。同时，对气气动控制系控制系统来来说，应设有有气源装置和定气源装置和定值器；器；对电动控制系控制系统尚需尚需设稳压电源等源等辅助装置助装置8.二、自二、自动控制系控制系统传递方框方框图9.（1）环节 任何任何环节输出量的出量的变化取决于化取决于输入量的入量的变化及化及环节的特性，而的特性，而输出量的出量的变化不会影化不会影响响输入量。入量。（2）扰动 引起被控量引起被控量变化的一切因素称化的一切因素称为扰动或或扰动量，量，扰动可分可分为两两类：外部：外部扰动、基本、基本扰动。10.（3）闭环系系统 反反馈控制系控制系统必定是必定是闭环系系统。（4）反）反馈 被控量的被控量的变化化经测量量单元又反送到元又反送到调节器的器的输入端，入端，这个个过程叫反程叫反馈。正反正反馈是指是指经反反馈能加能加强闭环系系统输入效入效应，即使偏差即使偏差e增大。增大。负反反馈是指是指经反反馈能减弱能减弱闭环系系统输入效入效应，即使偏差即使偏差e减小。减小。11.三、反三、反馈控制系控制系统的分的分类按按给定定值的的变化化规律分律分类方法：方法：1、定、定值控制系控制系统 系系统的的给定定值是恒定不是恒定不变的，的，为某个确某个确定定值，则该系系统称称为定定值控制系控制系统。例如例如锅炉水位与蒸汽炉水位与蒸汽压力控制系力控制系统，柴，柴油机气缸冷却水温度控制系油机气缸冷却水温度控制系统，燃油粘度控，燃油粘度控制系制系统，发电机的原机的原动机机转速控制系速控制系统等都等都属于定属于定值控制系控制系统。12.2、程序控制系、程序控制系统 系系统的的给定定值是是变化的，而且是按人化的，而且是按人们事事先安排好的先安排好的规律律进行行变化，化，则该系系统称称为程序程序控制系控制系统。例如船舶主机遥控系例如船舶主机遥控系统中的中的转速控制，其速控制，其给定定值就是按就是按车钟设定定转速的速的预定定发送速率送速率规律而律而变化的。化的。13.3、随、随动控制系控制系统 系系统的的给定定值是任意是任意变化的，且化的，且变化化规律律是事先无法确定的系是事先无法确定的系统，则该系系统称称为随随动控控制系制系统。例如自例如自动舵的随舵的随动操舵系操舵系统，其舵角，其舵角给定定值完全取决于当完全取决于当时的航行情况。的航行情况。14.四、自四、自动控制系控制系统的的动态过程程 1、动态过程特点程特点 系系统从受到从受到扰动开始到被控量开始到被控量稳定在新定在新稳态值，系系统达到新的平衡状达到新的平衡状态的的过程，也就是被控量随程，也就是被控量随时间的的变化化规律，称律，称为动态过程（程（过渡渡过程）。程）。15.2、评定控制系定控制系统动态过程品程品质的指的指标 反反馈控制系控制系统的的扰动形式是随机的，形式是随机的，很很难用一个数学表达式来精确地描述，用一个数学表达式来精确地描述，但可以但可以归纳为四种四种扰动形式：形式：阶跃形式、形式、线性形式、性形式、脉冲形式、脉冲形式、正弦形式。正弦形式。16.为了便于分析和研究反了便于分析和研究反馈控制系控制系统的性能，的性能，通常以通常以阶跃信号作信号作为系系统的的给定定值或或扰动，因，因为阶跃信号是反信号是反馈控制系控制系统一种最常一种最常见的的输入信号，入信号，而且不而且不论是作是作为给定定值或者或者扰动量，量，对系系统是最是最严重的冲重的冲击，最容易引起系，最容易引起系统发生不平衡状生不平衡状态17.在在阶跃信号信号输入入时，被控量，被控量变化的化的动态过程程有以下四种：有以下四种：（1）发散振散振荡过程程 （2）等幅振）等幅振荡过程程 （3）单调过程（非周期程（非周期过程）程）（4）衰减振）衰减振荡过程程18.19.20.（1）稳定性指定性指标 对于定于定值控制系控制系统可用可用衰减率衰减率表示，表示，=AB/A 0 发散振散振荡过程，程，0 1 衰减振衰减振荡过程程 =0 等幅振等幅振荡过程，程，=1 非周期非周期过程程 一般希望一般希望=0.75=0.750.90.921.对于改于改变给定定值的控制系的控制系统可用超可用超调量量p 表示表示:n=YmaxY（）/Y（）100%一般要求一般要求 30%22.振振荡次数次数 N，一般要求，一般要求2 3次。次。（2）准确性指）准确性指标 最大最大动态偏差偏差 e emax、静、静态偏差偏差（3）快速性指）快速性指标 过渡渡过程程时间 ts s、振振荡周期周期TW23.第二第二节 调节器的作用器的作用规律律 一、双位式一、双位式作用作用规律律 1 1、双位式作用、双位式作用规律的概念律的概念 例：例：辅锅炉水位浮子式双位控制系炉水位浮子式双位控制系统24.水位的水位的动态过程程25.2、压力力调节器（器（压力开关）力开关）26.幅差：幅差：被控量（被控量（压力）上、下限之力）上、下限之间的差的差值。幅差幅差调整：整：通通过改改变给定定弹簧的簧的预紧力可力可调整整压力的下限力的下限值Px，通，通过改改变幅差幅差弹簧的簧的预紧力力可可调整整压力的上限力的上限值Pz。幅差的幅差的计算公式：算公式：=0.07+（0.250.07)X/10 X是幅差旋是幅差旋纽(幅差螺幅差螺钉)的刻度的刻度 调大幅差大幅差弹簧与主杠杆上作用螺簧与主杠杆上作用螺钉之之间的的间隙隙,则上限上限值减小减小,下限下限值不不变,幅差减小。幅差减小。27.二、比例作用二、比例作用规律（律（P作用作用规律）律）1、定、定义及数学表达式及数学表达式 调节器的器的输出出变化化量与量与输入偏差成比例入偏差成比例28.2 2、比例、比例带PBPB（）的概念）的概念 比例比例带PBPB或比例度或比例度是指是指调节器的相器的相对输入入量与相量与相对输出量之比的百分数出量之比的百分数 29.式中：式中：e是被控量的是被控量的变化量（偏差化量（偏差值），），Xmax。是被控量允是被控量允许变化的最大范化的最大范围，叫全量程。，叫全量程。被控量的被控量的变化量与全量程的比化量与全量程的比值e/Xmax是是调节器器的相的相对输入量。入量。P是是调节阀开度的开度的变化量，化量，Pmax是是调节阀开度的最大开度的最大变化量，即化量，即调节阀从全关到全开从全关到全开或全开到全关叫全行程，或全开到全关叫全行程，调节阀开度开度变化量与全行化量与全行程的比程的比值P/Pmax是是调节器的相器的相对输出量。出量。RPmax/Xmax叫量程系数，在叫量程系数，在单元元组合合仪表表中，中，R1。这样，显然，然，比例比例带PB与放大倍数成反比。与放大倍数成反比。30.3、比例、比例带大小大小对控制系控制系统动态过程的影响程的影响31.当当组成控制系成控制系统的控制的控制对象确定以后，比例象确定以后，比例带PB的的大小，大小，对控制系控制系统动态过程品程品质好坏起着决定性的影响。好坏起着决定性的影响。若比例若比例带PB增大，使比例作用减弱，系增大，使比例作用减弱，系统动态过程程稳定性提高，即定性提高，即衰减率衰减率增大，但最大增大，但最大动态偏差偏差emax增增大，大，过渡渡过程程时间ts加加长，静，静态偏差偏差增大。增大。若比例若比例带PB选定太小，比例作用很定太小，比例作用很强，有一点偏，有一点偏差差e调节阀开度的开度的变化量就很大，相化量就很大，相对扰动来来说，调节阀开度的开度的变化量会化量会过头，造成被控量的大起大落，系，造成被控量的大起大落，系统的振的振荡倾向明向明显增大，降低了系增大，降低了系统的的稳定性。同定性。同时，由，由于被控量的振于被控量的振荡不息，会加不息，会加长过渡渡过程程时间ts。32.n对一个一个实际控制系控制系统来来说，要根据控制，要根据控制对象的特象的特性，性，调定合适的比例定合适的比例带PBPB，以保，以保证一个控制系一个控制系统具有最佳的具有最佳的动态过程。程。n在在调节器上装有比例器上装有比例带调整旋整旋钮，用来，用来设定比例定比例带。比例。比例带的可的可调范范围，对不同不同类型的型的调节器不器不尽相同，一般是在尽相同，一般是在5 5300300之内。之内。4 4、比例、比例调节作用的特点：作用的特点：比例比例调节对被控量的控制比被控量的控制比较及及时，但是系，但是系统存在静存在静态偏差。偏差。K K大，静大，静态偏差越小。偏差越小。33.三、比例三、比例积分作用分作用规律（律（PIPI作用作用规律）律）n1 1、积分作用分作用规律（律（I I）n调节器的器的输出量与出量与输入偏差入偏差对时间的的积累成比例累成比例 34.2、积分作用的特点：分作用的特点：控制作用很不及控制作用很不及时，容易使被控量超，容易使被控量超调和和振振荡。与。与纯比例比例调节相比相比较，使系，使系统最大最大动态偏差增大，偏差增大，稳定性下降，定性下降，过渡渡过程程时间变长。优点是能点是能够消除系消除系统的静的静态偏差偏差e0tp0tab35.3、比例、比例积分作用分作用规律定律定义及表达式及表达式积分分时间的的测定：定：36.当当时间进行到行到t=Ti时，P（t）2 Ke，即，即PI调节器的器的输出是比例出是比例输出的两出的两倍，也就是倍，也就是积分分输出等于出等于比例比例输出，出，BC=AB。由此可由此可见，积分分时间Ti的的物理意物理意义是，在是，在给PI调节器器输入一个入一个阶跃偏差信号偏差信号时，积分分输出等于比例出等于比例输出所需的出所需的时间就是就是积分分时间Ti。Ti越小，越小，积分分输出出达到比例达到比例输出的出的时间越短，越短，积分作用越分作用越强。37.4、积分分时间对系系统动态过程的影响程的影响n在整定在整定Ti值时，切忌把，切忌把Ti值整定整定太小，否太小，否则由于由于积分作用太分作用太强，系系统动态过程振程振荡激烈，被控激烈，被控量量长时间稳定不下来。定不下来。n如果如果Ti值不能不能进行准确地整定，行准确地整定，那么那么选取取Ti值时，要宁大勿小。，要宁大勿小。Ti值偏大一些，偏大一些，积分作用偏弱，分作用偏弱，只是消除静只是消除静态偏差的偏差的时间稍稍长一些。一些。积分分时间Ti的整定范的整定范围是在是在3 s至至20 min之内。控制之内。控制对象象惯性大的控制系性大的控制系统，选取取Ti值要大一些。控制要大一些。控制对象象惯性小性小的控制系的控制系统，选取取Ti值可小一可小一些。些。38.n在比例在比例积分分调节器上，如果把器上，如果把积分分时间Ti整定到整定到，则切除了切除了积分作用，而成分作用，而成为纯比例比例调节器，会器，会使系使系统存在静存在静态偏差。偏差。n如果如果调节器要加器要加进积分作用（其分作用（其Ti不是不是），），则此此时比例比例带PB要比要比纯比例比例调节器的比例器的比例带PB大一大一些，以抵制由于些，以抵制由于积分作用而使系分作用而使系统动态过程振程振荡倾向的增加。向的增加。39.四、比例微分作用四、比例微分作用规律（律（PDPD作用作用规律）律）n1 1、微分作用、微分作用规律（律（D D作用作用规律）律）n调节器的器的输出量与出量与输入偏差的入偏差的变化速度成比例化速度成比例40.2 2、微分作用的特点：、微分作用的特点：具有超前控制作用，能及具有超前控制作用，能及时克服克服扰动，被控量，被控量不会出不会出现较大的偏差，可以提高系大的偏差，可以提高系统的的稳定性，定性，缩短短过渡渡过程程时间，改善系，改善系统的的动态性能但不能消除性能但不能消除系系统的静的静态偏差。偏差。微分作用多用于微分作用多用于对象象时间常数常数较大的系大的系统。41.3 3、比例微分作用、比例微分作用规律的定律的定义及表达式及表达式42.n给比例微分比例微分调节器施加一个器施加一个阶跃的偏差的偏差输入信号入信号后，它首先有一个后，它首先有一个阶跃的比例加微分的的比例加微分的输出，然出，然后微分后微分输出逐出逐渐消失，最后消失在比例消失，最后消失在比例输出上。出上。n微分微分时间Td表示微分表示微分输出消失的快慢，或微分出消失的快慢，或微分输出保留得出保留得时间长短。若短。若Td大，大，说明微分作用消失明微分作用消失慢，或微分作用保留慢，或微分作用保留时间长，则微分作用微分作用强。若。若Td小，小，说明微分作用消失得快，或微分作用保留明微分作用消失得快，或微分作用保留时间短，短，则微分作用弱。因此，微分微分作用弱。因此，微分时间Td的大的大小，是衡量微分作用小，是衡量微分作用强弱的参数。弱的参数。n如果把微分如果把微分时间旋旋钮调整到整到Td=0，相当于切除微，相当于切除微分作用，分作用，这时调节器就成器就成为纯比例比例调节器。器。n在比例微分在比例微分调节器中，加器中，加进微分作用后，其比例微分作用后，其比例带PB可比可比纯比例控制的比例比例控制的比例带PB小一点。小一点。43.4、微分、微分时间对系系统动态过程的影响程的影响44.五、比例五、比例积分微分作用分微分作用规律（律（PIDPID作用作用规律）律）n1、比例、比例积分微分作用分微分作用规律的定律的定义及表达式及表达式n2、对系系统动态过程的影响程的影响 微分作用微分作用对干干扰信号信号 非常敏感，因此液位控非常敏感，因此液位控 制系制系统不能采用微分。不能采用微分。45.n在使用中，往往把在使用中，往往把积分分时间Ti整定得比微分整定得比微分时间Td长，它，它们之之间的关系大致的关系大致为 Ti（45）Td。n在比例在比例积分微分分微分调节器中，如果把器中，如果把积分分时间整定整定为Ti；把微分；把微分时间整定整定为Td0，则相当于切相当于切除除积分和微分作用，成分和微分作用，成为纯比例作用比例作用调节器。器。n若若调节器用于控制系器用于控制系统对被控量的被控量的稳态精度要求精度要求很高的情况，很高的情况，调节器中要加器中要加进积分作用。若控制分作用。若控制系系统中控制中控制对象象惯性性较大大时，调节器器应加加进微分微分作用。加作用。加进微分作用后，原来整定的比例微分作用后，原来整定的比例带PB和和积分分时间Ti都可以减小一点，都可以减小一点，这样既能减小最大既能减小最大动态偏差，保偏差，保证系系统的的稳定性，又能加快系定性，又能加快系统的的反反应速度，使速度，使过渡渡过程程时间ts进一步一步缩短，从而短，从而充分充分发挥三种作用三种作用规律的律的优点。点。46.