第一章 反馈控制系统的概念(本)

自动控制系统过渡过程曲线 根据衰减率 ψ 的大小可 以判定过渡过程的性质 Δys：
ψ
<0，为发散振荡过程
=0，为等幅振荡过程
t0
t∞
ψ
y1 y3 y3 1 y1 y1
0< ψ <1，为衰减振荡过 程
ψ
=1，为非周期过程
y N y
1
最佳衰减率：
ψ =0.75~0.9
3
自动控制系统过渡过程曲线
自动控制系统过渡过程的性能要求 过渡过程评定指标:
闭环系 统稳定 是前提
1.稳定性：系统受到扰动之后能够恢复到稳定状态的能力。实际 控制系统，至少要求是衰减过程或非周期过程，以衰减为佳。
评定指标：衰减率 ψ ，衰减比N （ a）定值控制系统：给定值不变，外部扰动发生阶跃变化；
（ b）随动控制系统：假定外部扰动不变，给定值阶跃变化。
采用阶跃输入的原因： （ 1）信号的阶跃变化在实际中比较常见（近似的阶跃变化）； （ 2）阶跃信号的数学处理比较简单； （ 3）阶跃输入对系统的工作最为不利。 评定系统过渡过程性能指标的三个方面： （ 1）稳定性；（2）精确性；（3）快速性。 稳定性指标：衰减率φ和振荡次数N 精确性指标：最大动态偏差 、静态偏差 和超调量 快速性指标：过渡过程时间 、上升时间 和峰值时间
引言
自动控制：是指在没有人参与的情况下利用控制器使被控对象
(指生产设备或生产过程）自动地按预定的规律运行。
自动控制的发展：机械化 →电气化时代→自动化、信息化、智能化 控制理论的发展：(工程控制论）
1 、经典控制理论
40－ 50年代形成 (Single-input &.Single-output system) 基于：二战军工技术 目标：反馈控制系统的镇定 基本方法：传递函数，频率法，PID调节器 (频域)
温度传感器
调节器
执行机构
手
冷却器
海水出口 海水入口
柴油机气缸冷却水温度自动控制过程
一. 反馈控制系统的组成
1. 控制对象：被控制的设备或过程（冷却器）。系统的输出就是 指被控对象的输出（或称被控量）。 2. 测量变送器（测量单元）：将被控对象的物理输出量，即被控 量转换为标准信号输出（也称测量输出），送到调节器，作为 反馈信号。 3. 控制器（或称调节单元）：根据偏差按一定规律输出控制量， 送至执行机构。它有两个输入，即设定值输入和测量值输入。
5 在反馈控制系统中，调节单元根据________的大小和方向，输出一个控制信号。 A．给定位 B．偏差 C．测量值 D．扰动量
6 在反馈控制系统中，设定值如果按照某一函数规律变化，则称为________。 A. 定值控制 B. 程序控制 C．随动控制 D．函数控制
7 在反馈控制系统中，执行机构的输入是________。 A．被控参数的实际信号 C．被控参数的偏差信号 B. 调节器的输出信号 D．被控参数的给定信号
2. 闭环控制系统(closed-loop)
指控制器与控制对象之间既有顺向作用又有反向联系的控制过程， 既控制系统的输出量对系统的控制作用有影响，即反馈(feedback)。因 此，又称为反馈控制。 闭环系统实质：通过偏差消除偏差
N
Hr
△H 转换装置 电动机 减速器 进水阀 水箱
HC
主要特点为： ① 闭环负反馈控制，即按偏差调节； ② 抗扰性好，控制精度高； ③ 系统参数要适当选择，否则可能不能正常工作。
（ 3）加速度输入：
（ 4）脉冲输入：
（ 5）正弦输入： 其中，阶跃输入对系统的工作最为不利。
r(t) R 0 r(t)
r(t)
Rt
t
0 r(t)
t
½ Rt2
0
0
t
t
r(t) 1/h 0 h t 单位脉冲函数
h→0
r(t)
r(t)→∞
0
t
h→0时，称为理想的单 位脉冲函数，记作δ(t)。
三. 评定控制系统动态过程品质的指标
2 、现代控制理论
60－ 70年代形成 (Multi-input &.Multi-output system) 基于： 冷战时期空间技术，计算机技术 目标：最优控制 基本方法：状态方程 （时域）
3
Baidu Nhomakorabea
智能控制技术
90 年代开始发展 专家系统 模糊控制 神经网络
4
正在发展的各个领域
自适应控制 大系统理论 H∞鲁棒控制 非线性控制（微分几何，混沌，变结构）
执行 单元
q(t)
控制 对象
y(t)
e(t)——偏差信号 e(t)=r(t)-b(t) y(t)——被控量 p(t)——控制量 f(t)—— 扰动量
三. 反馈控制系统的工作过程
自动控制过程： 稳态（平衡）
外部扰动 平衡破坏
动态过程
控制作用
新的稳态（平衡）
克服扰动影响
研究自控系统应以受控的动态过程为主，即研究扰动 (或给定)和控制这一对矛盾的相互作用而产生的被控 量的变化过程，以评定一个自控系统的动态与稳态品 质指标是否符合生产过程的要求。
fig.1-2 液位控制闭环系统示意图
V2
+E
Q2
浮子
电动机 控制器 +E
Hr
△H 转换装置
F
H
V1
Q1
N HC
电动机
减速器
进水阀
水箱
Fig.1-2 液位控制闭环系统示意图
返回
3. 复合 (compound)控制系统 为了提高系统的快速性和精度，除了主反馈回路以外设 置前置滤波或扰动补偿装置，这种开环与闭环结合的系统称 为复合控制系统。 开环控制——粗调 闭环控制——细调
③负反馈：反馈通道的信号与前向通道的信号相减。反之，则为正反馈。
④控制单元根据偏差进行控制，因此又称偏差驱动。
若控制单元、测量单元和显示单元合为一体，则称为基地式控制 仪表；若三者分开，则称为组合式控制仪表。
f(t) r(t) + e(t) b(t) 测量 单元
自动控制系统结构方框图
控制 单元
p(t)
过渡过程 : transient：指自动控制系统在动态中被控量随时间的变化过程。 或者说是从一个平衡态过渡到另一个平衡态的过程。 y
t 平衡状态 平衡 状态 过渡过程
自动控制系统过渡过程曲线
二．控制系统的典型输入信号 为便于系统分析，定义几种常见的系统输入信号：
（ 1）阶跃输入： （ 2）速度输入 ：
一. 反馈控制系统的组成 手动控制过程
眼 脑
温度计
主 机
淡水泵 三通阀
手
海水入口
冷却器
海水出口
柴油机气缸冷却水温度手动控制过程
蝶阀机构 伺 服 放 大 器 执行器
温度传感器
主机出口 控制器 冷却器
主机入口
海水 温度变送器
电动仪表控制的主机冷却水温度控制系统
自动控制过程
温度变送器
主 机
淡水泵 三通阀
人们普遍认为 最早应用于工业过 程的自动反馈控制 器 , 是 James Watt 于 1769年发明的飞 球调节器，它被用 来控制蒸汽机的转 速。后来此机械装 置被广泛应用。
用于船舶推进器的电子 式调速器
§1-1 反馈控制系统的组成
一、反馈控制系统的组成◎
二、反馈控制系统的传递方框图◎
三、反馈控制系统的工作过程◎ 四、反馈控制系统的分类◎ 五、自动控制系统的其他形式
四. 反馈控制系统的分类
1.按所用能源分类：气动控制系统和电动控制系统 2.按仪表的结构形式分类：单元组合仪表和基地式仪表 单元组合仪表：各单元分别制成一台独立仪表 基地式仪表 ： 各单元组装成一台仪表 3. 按给定值的变化规律分类：
（ a）定值控制；（b）程序控制；（c）随动控制。
4. 按信号特征分类： （ a）连续系统；（b）离散系统（双位控制或多位控制）
线性系统和非线性系统，单输入单输出系统和多输入多输出系统，温 度控制系统，转速控制系统，液位控制系统，压力控制系统。
5. 按输入和输出变量数： （ a） SI-SO；（ b）MI-MO 6. 按数学模型特点： （ a）线性控制系统；（b）非线性控制系统 7. 按应用理论：
（ a）基于经典理论的控制；
偏差 = 设定值 － 测量值
4. 执行器（执行机构）：接受控制器送来的控制信号，驱动调节 机构，作用于被控对象。
二. 反馈控制系统传递方框图
几个概念 : 1. 环节、 2.扰动、 3.系统的输入与输出
4. 反馈、 5.前向通道与反馈通道
特点 : ①信号传递单向性 ； ②闭合回路（闭环系统）；
6.闭环系统
1 不可作为气动或电动控制系统标准信号的有______。 A．0.02～0．1MPa B．0.02～0．1Pa C. 0～10mA D．4～20mA
2 给定值是变化的，且变化规律不是先由人们规定好的控制系统是________。 A．定值控制系统 B，随动控制系统 C．开环系统 D．程序控制系统
3 在定值控制系统中为确保其精度，常采用________。 A．开环控制系统 B．闭环正反馈控制系统 C．闭环负反馈控制系统 D．手动控制系统 4 反馈控制系统中，若测量单元发生故障而无信号输出，这时被控量将_______。 A．保持不变 B．达到最大值 C．达到最小值 D.不能自动控制
fig.1-1 液位控制系统示意图
V2
Q2
F
H
V1
Q1 液位控制系统示意图
1. 开环控制系统(open-loop)
⑴按给定值控制（测量给定值）
需要控制的是控制对象的输出量，而测量的是给定值，单向 传递。当控制对象或控制器受扰动，或工作特性参数有变化， 导致输出变化，无法自动补偿。 ⑵按扰动补偿（测量破坏系统正常运行的扰动） 需要控制的是控制对象的被控量，而测量的是扰动（多属于 系统负载扰动），利用扰动产生控制作用，补偿被控量，单 向传递。但对于不可测的扰动，或控制对象和内部参数变化 造成的影响，无法自动补偿。
y
r
y1
y3
Δ
Δys y∞
t
y0 t0
ts
y1 y3 y3 1 y1 y1
自动控制系统过渡过程的性能要求 2.精确性：被控量偏离给定值的程度
评定指标：
（ a）定值控制系统：最大动态偏差emax；静态偏差Δys（ε） （ b）随动控制系统：最大动态偏差emax；超调量 σР；静态偏 差 Δ ys
8 反馈控制系统中，为使控制对象正常运行而要加以控制的工况参数是________。 A.给定值 B.被控量 C.扰动量 D.反馈量
9 闭环系统的方框图中，输入量为偏差，输出为控制信号，则该环节是________。 A．调节单元 B．测量单元 C．执行机构 D．控制对象
10 在反馈控制系统中，被控量是指________。
根据过渡过程的特点，控制系统可分为：
（ 1）发散过程 （ 2）等幅振荡过程 （ 3）衰减过程 （ 4）非周期过程
其中， （ 1）、（ 2）称为不稳定过程；（3）、（4）称为稳 定过程。
(a)
(b)
(c)
过程曲线基本类型
(d)
自动控制系统过渡过程的性能要求
方法：给系统施加阶跃输入，得到系统过渡过程曲线，分析系 统过渡过程的各项性能指标。
A．设定值
B．调节器的输出 C．被控对象的输入
D．被控对象的输出
• BBCDB • BBBAD
§1-2 反馈控制系统的动态过程
一. 控制系统动态过程的概念
稳态 Static ：被控量不随时间变化的平衡状态。（静态） 动态 dynamic：被控量随时间变化的不平衡状态。（瞬态）
过渡过程 :
transient：指自动控制系统在动态中被控量随时间的变化过程。 或者说是从一个平衡态过渡到另一个平衡态的过程。
上篇
轮机自动化基础
第一章 反馈控制系统的概念
第一节 第二节 反馈控制系统的组成 反馈控制系统的动态过程
1
第一章
反馈控制系统的概念
本章的基本要求
掌握自控系统的基本概念、系统组成和各组成环节
的作用, 正确画出系统的原理方框图;
了解自控系统的分类和特点;
掌握负反馈在自控系统中的作用; 明确开
环控制与闭环控制的区别； 明确对控制系统的基本要求。
（ b）基于现代控制理论的控制（最优控制、自适应控制、自学 习控制）； （ c）智能控制（模糊、神经、专家、自学习控制）
8. 按控制精度： （ a）有差调节；（b）无差调节
9.按系统功能：温度控制系统、转速控制系统、液位控制系统、 压力控制系统
五. 自动控制系统的其他形式
自动控制系统=控制器+控制对象 Automatic Control Systems = Controller+plant 1. 开环控制系统(open-loop) 控制系统的输出量对系统的控制作用没有任何影响。
（ ε） 。
自动控制系统过渡过程曲线 根据衰减率 ψ 的大小可 以判定过渡过程的性质
Δys ψ ψ
<0，为发散振荡过程
=0，为等幅振荡过程
t0
t∞
0< ψ <1，为衰减振荡过 程
ψ
y1 y3 y3 1 y1 y1