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第一章 自动控制基础第一节 自动控制基础知识248考点1：反馈控制系统的组成95 反馈控制系统的作用是把各种运行设备的参数如温度、压力、液位、黏度等控制在所希望的最佳值上。尽管机舱中众多设备参数的种类不同，其控制系统的结构形式也不相同，但是组成这些控制系统的基本单元及其工作过程大致是相同的。 1.系统的组成及基本概念 （1）控制对象 控制对象是指所要控制的机器、设备或装置。把所要控制的运行参数叫做被控制量。 （2）测量单元 测量单元的作用是，检测被控量的实际值，并把它转换成标准的统一信号，该信号叫被控量的测量值。在气动控制系统中，对应被控量的满量程，其统一的标准气压信号是0.020.1 MPa；在电动控制系统中，对应被控量的满量程。其统一的标准电流信号是010 mA或420 mA，现用420 mA居多。 （3）调节单元 调节单元是指具有各种调节作用规律的调节器把运行参数所希望控制的最佳值叫给定值，用r表示；被控量的测量值用z表示。把被控量的测量值离开给定值的数量叫偏差值，用e表示。显然erz。 e0，说明测量值低于给定值，叫正偏差； e0，说明测量值大于给定值，叫负偏差； e0，说明测量值等于给定值，为无偏差。 调节器首先接收测量单元送来的被控量的测量信号，并与被控量的给定值相比较得到偏差信号，再根据偏差信号的大小和方向（正偏差还是负偏差）。依据某种调节作用规律输出一个控制信号。对被控量施加控制作用，直到偏差等于零或接近零为止。 （4）执行机构 执行机构的输入量是调节单元输出的控制信号，执行机构的输出量是调节阀的开度。调节单元输出的控制信号经执行机构直接改变调节阀的开度，从而可改变流入控制对象物质或能量流量，使之能符合控制对象负荷的要求，被控量会逐渐回到给定值或给定值附近，系统将会达到一个新的平衡。在气动控制系统中，执行机构一般是气动薄膜调节阀或气动活塞式调节阀；在电动控制系统中，一般采用可逆转伺服电机或三相交流伺服电机。 由此可见，对一个完整的控制系统来说，以上四个单元在组成中是缺一不可的。通常一般都还设有显示单元，用来指示被控量的给定值和测量值。同时，对气动控制系统来说，应设有气源装置和定值器；对电动控制系统尚需设稳压电源等辅助装置。 2反馈控制系统传递方框图 为了分析反馈控制系统工作过程方便起见，可把组成反馈控制系统的四个基本单元分别用一个小方框来表示，并用带箭头的信号线来表示各单位之间的信号传递关系。这样就构成了如图1-1-1所示的反馈控制系统传递方框图。通过传递方框图，要明确以下几个概念。图1-1-1 反馈控制系统传递方框图 （1)环节 在传递方框图中，代表实际单元的每个小方框称为一个环节。作为一个环节必须满足两个条件：其一是，必定有输入量和输出量，并用带箭头的信号线来表示。其中箭头指向该环节的信号线为输入量，箭头离开该环节的信号线为输出量，在信号线上可标明输入和输出量的名称，也可以不写。其二是，任何环节输出量的变化均取决于输入量的变化及该环节的特性；而输出量的变化不会直接影响输入量，这就是信号传递的单向性。 （2）扰动 要把控制对象看做一个环节，它的输出量是被控量。引起被控量变化的一切因素统称为扰动或扰动量。显然，扰动量是控制对象的输入量。扰动量可分为两类：一类是轮机人员无法控制的扰动，称为外部扰动；另一类是轮机人员可以控制的扰动，称为基本扰动。在图1-1-1中，有两个信号线的箭头指向控制对象，它们分别是基本扰动（执行机构的输出，即调节阀的开度）和外部扰动（用d表示的信号线，即控制对象负荷的变化）。 从控制对象这一环节可以看出，输入信号（包括基本扰动和外部扰动）的改变，会引起输出量（水位、水温等）的改变，而输出量的变化，不会直接影响调节阀的开度和控制对象负荷的改变，这就是信号传递的单向性。 对于基本扰动来说，改变调节阀的开度，会改变流入控制对象物质或能量流量，所谓物质流量是指，调节阀开度改变后，流入控制对象的物质（水、空气等）流量直接影响被控量的变化。 （3）闭环系统 在反馈控制系统传递方框图中，前一环节的输出就是后一环节的输入。这样，控制系统就形成一个封闭控制回路，称为闭环系统，反馈控制系统必定是闭环系统。如果在某处把网路断并，比如在图1-1-1中的A处断开，这时系统就由闭环系统变为开环系统。开环系统不再是反馈控制系统，也就不能对被控量进行自动控制。运行参数自动控制系统，必定是闭环系统。 （4）反馈 在控制系统传递方框图中，符号“”是比较环节（它不是一个独立环节，而是调节器中的一个组成部分，为清楚起见，单独画出）。它随时对被控量的给定值r（旁标“”号）与被控量的测量值z（旁标“”号）相比较，得到偏差值e。e就是调节器的输入量，调节器的输出量经执行机构改变调节阀的开度，即改变流入控制对象的物质或能量流量，目的是控制备控量，而被控量的变化经测量单元又反送到调节器的输入端，这个过程叫反馈。只有反馈才能随时对被控量的给定值和测量值进行比较，只要存在偏差，调节器就会指挥调节阀改变开度，直到测量值回到给定值使偏差e0为止。这时调节器输出不再改变，调节阀的开度正好适应负荷的要求，控制系统达到一个新的平衡状态。可见对运行参数的自动控制必须要有反馈过程，这就是把运行参数的自动控制系统称为反馈控制系统的原因。 在反馈中，有正反馈和负反馈之分。正反馈是指经反馈能加强闭环系统输入效应，即使偏差e增大。负反馈是指经反馈能减弱闭环系统输入效应，即使偏差e减小。显然，按偏差控制运行参数的控制系统，必定是负反馈控制系统。但是，在自动化仪表中，特别是在调节器中。为实现某种作用规律和功能，常采用复杂的正、负反馈回路。考点2：反馈控制系统的分类38 反馈控制系统按其用途、形式和特点有多种分类方法，通常有以下几种分类： 1.按所用能源分类 反馈控制系统分为气动控制系统和电动控制系统。在气动控制系统中，用压缩空气作为能源，气源压力是0.14 MPa，各种气动仪表输入和输出信号为标准的气压信号0.020.1 MPa。在电动控制系统中，用电能作为能源，各种电动仪表的输入和输出信号是标准的电流信号010 mA或420 mA。 2.按仪表的结构形式分类 按仪表结构形式可分为单元组合仪表和基地式仪表。若组成控制系统的各个单位都分别制成一台独立的仪表，各仪表之间用标准的统一信号联系起来，叫单元组合仪表。若把测量单元、调节单元和显示单元组装成一台仪表。在这台仪表中，虽然仍有测量、显示和调节等功能，但在结构上，它们已是不可分割的整体，因而它们之间也不用标准信号加以联系，这种仪表叫基地式仪表。 3.按给定值的变化规律分类 按给定值变化规律控制系统可分为定值控制系统、程序控制系统和随动控制系统。在定值控制系统中，给定值是不变的。当系统受到扰动后，被控量的测量值会离开给定值出现偏差，控制系统的作用是逐渐消除偏差，使被控量最终回到原来的给定值上或给定值附近。 在程序控制和随动控制系统中，给定值是变化的。控制系统的作用是，使被控量始终跟踪给定值，随给定值而变化。两者的区别在于，程序控制系统给定值的变化是按人们事先安排好的规律进行变化的，一般给定值是一个时间的函数，考点3：反馈控制系统的品质指标115 反馈控制系统的动态过程： 控制系统之所以会出现动态过程，是因为对系统施加了输入（扰动）信号。其扰动形式是随机的，很难用一个数学表达式来精确地描述它，但可以归纳为四种扰动形式，这就是：阶跃形式、线性形式、脉冲形式、正弦形式。其中阶跃扰动是最严重的扰动，控制系统能把阶跃扰动控制住，对其他扰动形式也就容易控制了。因此，在这里我们只取阶跃的输入形式来研究控制系统的动态过程。所谓阶跃扰动是取扰动的突变形式，即在t0时刻（在施加扰动瞬间），扰动量突变一个值，以后这个值保持不变。如果这个突变值是一个单位，就称为单位阶跃扰动。阶跃扰动是基本符合实际的扰动形式。 为评定控制系统动态过程品质，要在阶跃扰动（输入）下，画出系统输出量（被控量）随时间的变化曲线。为说明问题方便起见，我们总是把控制系统的初始平衡状态定为坐标的零点。 控制系统接受的扰动有两种情况，一种是外部扰动不变，改变给定值。这时在调节器控制作用下，被控量将绕新的给定值振荡，最终稳定在新的给定值或给定值附近；另一种情况是给定值不变，改变外部扰动（定值控制），在调节器控制作用下，被控量将绕原给定值振荡且最终稳定下来。 由于调节器控制作用的强弱不同以及仪表调校不当或参数不匹配，会使控制系统的动态过程出现各种形式。 图1-1-3和图1-1-4分别画出了给定值不变而改变外部扰动和外部扰动不变而改变给定值的动态过程曲线。图中曲线1是等幅振荡，曲线2是发散振荡。控制系统这两种动态过程，被控量是不能稳定在新稳态值上的，称为不稳定系统。一个控制系统绝对不允许是一个不稳定系统。 造成不稳定的动态过程的原因，除仪表调校或参数匹配不当之处，主要是调节器控制作用太强。 曲线3表示控制系统的动态过程最稳定，被控量没有波动地逐渐达到新稳态值。 但是，它的动态精度和稳态精度都很低，且被控量达到新稳态值所需时间很长，这是不可取的，造成这种现象的主要原因是调节器控制作用太弱。符合求的动态过程是衰减振荡，如曲线4所示。当然不是所有衰减振荡都符合要求，为保证动态过程有一个良好的品质，可用一些指标来衡量它，在改变外部扰动和改变给定值两种情况下，其评定动态过程品质指标有些相同，有些不同。图1-1-3 改变外部扰动控制系统的动态过程图1-1-4 改变给定值控制系统的动态过程 对于定值控制系统来说，评定动态过程品质指标包括最大动态偏差emax、衰减率、过渡过程时间tS、振荡次数N及静态偏差等，如图1-1-3曲线4所示。 最大动态偏差emax，是指在衰减振荡中第一个波峰的峰值，它是动态精度指标。emax大，说明动态精度低，要求emax小些好。但不是越小越好，因为emax大小与调节器比例作用强弱有关，比例作用越强，emax越小。比例作用太强，虽然emax很小，但动态过程的振荡会加剧。 衰减率，是指在衰减振荡中，第一个波峰值Aemax，减去第二个同相波峰值B除以第一个波峰值A，即 式中：是衡量系统稳定性指标，要求0.750.9。当0.75时，A是B的4倍，称为衰减比41。不能小于0.75，否则系统动态过程的振荡倾向增加，降低了系统稳定性，过渡过程时间也因振荡不息而加长。特别是当0时，其动态过程是等幅振荡，系统变成不稳定系统，这是不允许的。也不能太大，否则emax会增大，过渡过程时间tS也会拖得很长，当1时，其动态过程没有振荡，成为非周期过程。这时emax很大，tS拖得很长，这是不可取的。 过渡过程时间tS，是指从控制系统受到扰动开始到被控量重新稳定下来所需的时间。理论上讲，这个时间是无穷大，这是没有意义的。因此，我们这样来定义过渡过程时间tS：当ttS时，满足 式中：y（t）是系统受到扰动后，在时间为t时的被控量值；y（）是被控量的最终稳态值；是选定的任意小的值，一般取0.02，或0.05。上式的物理意义是，当t tS的所有时间内，被控量y（t）的波动值y（t）y（均小于或等于最终稳态y（）的2或5，tS就是过渡过程时间。 振荡次数N，是指在衰减振荡中，被控量的振荡次数。一般要求被控量振荡23次就应稳定下来。 静态偏差，是指动态过程结束后，被控量新稳态值与给定值之间的差值。越小说明控制系统的静态精度越高。 在实际控制系统中，由于所使用不同作用规律调节器，其存在静态偏差的情况也不相同。有的控制系统受到扰动后，在调节器控制作用下，被控量最终不能稳定在给定值上，只能稳定在给定值附近，存在一个数值较小的静态偏差，这是有差调节。有的控制系统受到扰动后，在调节器的控制作用下，被控量能最终稳定在给定值上，0，这是无差调节。 在外部扰动不变而改变给定值的控制系统中，评定动态过程品质的一些指标，如过渡过程时间tS振荡次数N，静态偏差等与定值控制系统是一样的。 只是评定稳定性指标不用衰减率，而是用超调量p。 同时增加了反映控制系统响应速度的两个指标：上升时间、峰值时间，如图1-1-4曲线4所示。 上升时间tr，是指在衰减振荡中，被控量从初始平衡状态第一次达到新稳态值y（）所需时间。 峰值时间tp，是指在衰减振荡中，被控量从初始平衡状态达到第一个波峰峰值所需要的时间tp。tr和tp都是反映动态过程进行快慢的指标。tr、tp越小，说明系统惯性越小，动态过程进行得越快。 超调量p，是指在衰减振荡中，第一个波峰值ymax减去新稳态值y（）与新稳态值之比的百分数，即 超调量是评定控制系统稳定性的指标。超调量越小，控制系统动态过程波动越小，稳定性越好。但若p太小，甚至p0时，被控量无波动地逐渐靠近给值，成为非周期过程，系统稳定性虽然最好，但tS拖得太长，这是不可取的。 若p太大，控制系统动态过程的振荡明显加剧，使系统稳定性变差。 由于振荡不息，tS也必定拖得很长。 在实际过程中，要求p30%。第二节 控制对象的特性131考点1：单容控制对象的特性，各种特性参数的概念、意义及对控制系统动态过程的影响法84 任何控制对象都有储存物质或能量的能力，所谓单容控制对象是指只有一个储存物质或能量容积的控制对象。在机舱中，凡是水柜、油柜以及以水位为被控量的锅炉都属于单容控制对象。显然，被控量的变化量是控制对象的输出量；扰动量（基本扰动和外部扰动）是控制对象的输入量。 1放大系数K 放大系数K，是指控制对象受到阶跃扰动后，被控量从初始平衡状态达到新稳态值的变化量，把扰动量所放大的倍数。在对控制对象施加扰动的瞬间，t0时 因e01，故h（t）/t=0=0，即水位没有变化。以后随着时间t的增长，不断减小，h（t）就会不断增大。当t时，被控量达到一个新的稳态值不再变化。这时，e-0。故 可见，控制对象达到新的平衡状态时，被控量水位h的变化量，把扰动量放大了K倍。实际上，放大系数K是控制对象的静态参数，是反映控制对象对扰动的敏感程度的，K大，控制对象受到相同阶跃扰动后，被控量要变化一个很大范围才能稳定下来，说明控制对象对扰动敏感。若K很小，控制对象对扰动很不敏感，即对它施加很大扰动，被控量变化一个很小的值就会稳定下来。但是，船上所有的控制对象放大系数K都比较大，因此，都必须组成一个控制系统，使其受到扰动后达到新稳态时，被控量的变化量尽量小，或不变化。 2时间常数T 在对控制对象施加扰动的瞬间（t0），被控量的变化量等于零。但是，由于此时流量差（QiQ0）最大，所以被控量的变化速度dh/dt最大。以后随着水位的升高，Q0增大，使流量差（QiQ0）越来越小，被控量变化速度也越来越小。可见，被控量的变化总是落后于扰动的变化，这就是控制对象的惯性，在相同扰动下，若被控量变化快（dh/dt大），则飞升曲线陡，被控量达到新稳态值所需时间短。我们就说控制对象惯性小。反之，在相同扰动下，被控量变化慢（dh/dt小），则飞升曲线平坦，被控量达到新稳态值所需时间长，我们就说控制对象惯性大。时间常数T就是反映控制对象惯性大小的一个重要的动态参数。 求时间常数T可根据在t0时刻，被控量变化最快，即最大。 可见，在t0时，水位的最大变化速度为K/T。实际上它就是过坐标零点作飞升曲线切线的斜率。我们把这条切线让它交于被控量新稳态值上，如图1-2-1所示。图中AB就是被控量的新稳态值K。其切线斜率就是被控量的最大变化速度，故 因AB=K，则OB=T。可见，时间常数的物理意义是。从对控制对象施加阶跃扰动的瞬间开始，被控量以最大的变化速度变化到新稳态值所需时间就是时间常数T。T大，控制对象的惯性大，其飞升曲线比较平坦，如图1-2-1中的虚线所表示的飞升曲线。图1-2-1 确定单容控制对象时间常数的方法 3纯迟延0 控制对象迟延包括纯迟延和容积迟延。容积迟延将在多容控制对象中讲述。迟延是控制对象重要的动态特性参数，对控制系统的动态过程品质具有重大影响。 纯迟延0，又叫传输迟延。由于执行机构距控制对象有一定的距离，物质或能量经执行机构流到控制对象需要一定的时间0，就把0称为控制对象的纯迟延。考点2：多容控制对象阶跃响应飞升曲线特点，双容控制对象与单容控制对象的区别17 多容控制对象是指具有两个或两个以上储蓄容积的控制对象。在机舱中，多数控制对象是属于多容控制对象。我们可把多容控制对象看成是若干单容控制对象按不同方式组合而成的。因此，分析单容控制对象的方法也适用于多容控制对象。只是多容控制对象增加了储蓄容积及阻力因素，其被控量的变化规律与单容控制对象不同。 关于多容控制对象的放大系数K与单容控制对象的物理意义完全相同，不再多述。总之，任何控制对象的特性，都可用K、T、三个参数来描述：放大系数K反映了控制对象对扰动的敏感程度；时间常数T反映了控制对象惯性的大小；迟延反映了被控量变化的延迟时间，只要掌握这三个参数的物理意义，就基本掌握了控制对象的特性。第三节 调节规律347考点1：浮子式水位控制系统的工作原理，上、下限水位调整方法调节规律28 辅锅炉浮子式水位控制系统是按双位作用规律工作的，通常也简称为位式作用规律，这种作用规律的特点是，调节器只有两个输出状态，它不能使被控量稳定在某个值上。当被控量下降到下限值时，调节器的输出接通电机电源使电机转动，或令电磁阀通电使阀门全开。当被控量达到上限值时，调节器动作使电机断电停转，或电磁阀断电阀门全关。当被控量在上、下限之间变化时，调节器输出状态不变。考点2：压力开关工作原理、下限值及幅差值的调整方法36 压力开关也叫压力调节器，属于位式作用规律，可用于辅锅炉蒸汽压力的双位控制。 现已YT-1226型压力调节器为例，调整给定弹簧的预紧力，可调整触点动作的下限压力值，用Px表示。调整幅差弹簧的预紧力，即可调整触点动作的压力上限值，用Pz表示。PPzPx称为幅差。输入压力信号P入的下限值是通过人工调整给定弹簧的预紧力调整的，要确定压力的上限值，只需求出幅差即可。螺钉14有一红色标记，在它旁边的圆柱面上有010挡刻度。红色标记对准0挡，其P0.07 MPa；红色标记对准10挡，其P0.25 MPa红色标记对准不同档时，其P的计算公式为式中：X是设定的挡数，各数值的单位均为 MPa。这样，在压力的上限值Pz、压力的下限值Px及所设定的挡数X这三个变量中，知道任意中的两个，就可以求出第三个。考点3：比例作用的定义、表达式，比例调节的特点，比例作用规律的优缺点16 比例作用规律是指调节器的输出量P（调节阀开度的变化量）与输入量e（被控量的偏差值）成比例变化，其输出与输入之间的函数关系为P（t）Ke（t）式中：K是比例调节器的放大倍数。放大倍数K大，在输入相同偏差e（t）信号时，调节器输出量P（t）大，也就是调节器指挥调节阀开度的变化量大，我们就说它的比例作用强；反之，K小，其比例作用弱。用比例作用规律制成的调节器，称为比例调节器。 比例作用规律的优点是，调节阀的开度能较及时地反映控制对象负荷的大小。负荷变化大，偏差e（t）就大，调节阀开度会成比例变化，对被控量控制比较及时。比例作用规律存在的缺点也是明显的。当控制对象受到扰动后，在比例调节器的控制作用下，被控量不能完全回到给定值上来，只能恢复到给定值附近。被控量的稳态值与给定值之间必定存在一个较小的静态偏差，这是比例作用存在的固有的、不可克服的缺点。 比例控制系统虽然存在静态偏差，但这个偏差值是不大的，与有自平衡能力的控制对象受到扰动后，被控量自行稳定在新稳态值上的变化量相比较要小得多，动态过程进行也要快得多。因此，对被控量稳态精度要求不是很高控制系统中，采用结构比较简单的比例调节器是较为普遍的。考点4：比例带PB的定义、物理意义、对控制系统动态过程的影响75 比例带PB或比例度，是指调节器的相对输入量与相对输出量之比的百分数，即式中：e是被控量的变化量（偏差值），Xmax是被控量允许变化的最大范围，叫全量程。被控量的变化量与全量程的比值e/Xmax是调节器的相对输入量；P是调节阀开度的变化量；Pmax是调节阀开度的最大变化量，即调节阀从全关到全开或全开到全关叫全行程，调节阀开度变化量与全行程的比值P/Pmax是调节器的相对输出量。RPmax/Xmax叫量程系数，在单元组合仪表中，R1。这样，显然，比例带PB与放大倍数成反比。 比例带PB的物理意义可以这样来理解，假定调节器指挥调节阀开度变化全行程（从全关到全开或从全开到全关），需要被控量的变化量占全量程的百分数就是比例带。换句话说，控制系统受到扰动后，被控量要离开给定值出现偏差，调节器将使调节阀的开度成比例地变化。偏差越大，调节阀开度的变化量越大，当偏差大到使调节器控制调节阀开度变化全行程时，该偏差占全量程的百分数就是比例带。例如PB100，说明被控量变化全量程的100，即变化全量程，调节器使调节阀开度变化全行程。若PB50%，说明被控量变化全量程的一半，调节器就能使调节阀开度变化全行程。若PB200%，说明被控量变化了全量程，调节阀的开度只变化了全行程的一半。可见，比例带PB越小，在被控量偏差占全量程百分数相同的情况下，调节阀开度的变化量越大，克服扰动能力越强，比例作用也就越强；反之，比例带PB越大，比例作用越弱。比例带是比例作用极为重要的参数。当组成控制系统的控制对象确定以后，比例带PB的大小，对控制系统动态过程品质好坏起着决定性的影响。若比例带PB选定太大，比例作用很弱，克服扰动的能力就弱；动态过程虽然很稳定，没有波动，但最大动态偏差emax增大，过渡过程时间ts拖得很长，稳态时静态偏差也比较大。若比例带PB选定太小，比例作用很强，有一点偏差e调节阀开度的变化量就很大，相对扰动来说，调节阀开度的变化量会过头，造成被控量的大起大落，系统的振荡倾向明显增大，降低了系统的稳定性。同时，由于被控量的振荡不息，会加长过渡过程时间ts。这两种情况都是不利的，因此，对一个实际控制系统来说，要根据控制对象的特性，调定合适的比例带PB，以保证一个控制系统具有最佳的动态过程。考点5：比例积分作用的定义、表达式，积分作用的优缺点，积分时间TI的物理意义57 比例积分作用规律，是指调节器的输出量随输入量做比例积分变化。按这种规律制造的调节器叫比例积分调节器，简称PI调节器，显然，在PI调节器中，含有积分作用。 1积分作用规律 在手动控制中，积分作用与比例作用不同。在比例作用中，管理人员是根据偏差的大小成比例地改变调节阀的开度。在积分作用中，管理人员是根据偏差的大小来改变调节阀开度的变化速度。偏差越大，调节阀动作越快；偏差小，调节阀动作慢，只要存在偏差，调节阀就动作不息，直到消除偏差为止。积分作用规律表达式为 由于S0是常数，可以提到积分号“”的外面。显然，积分输出取决于两个因素：一个是偏差e的大小，另一个是偏差存在时间的长短。换言之，积分作用的输出是与被控量的偏差值随时间的积累成比例，只要存在偏差，偏差随时间的积累就不能停止，调节器输出就有变化，直到偏差等于零，这时积累才能停止，调节阀的开度才能稳定在某一值上而不再变化。因此，控制系统采用具有积分作用规律的调节器，被控量最终必定能稳定在给定值上，消除静态偏差，使0。这是积分作用规律的突出优点。但是，与比例作用规律相比较，其缺点也是很明显的。比如，在控制系统处于初始平衡状态下，突然受到一个较大的扰动，被控量会较快的出现偏差。但由于偏差存在的时间很短，调节器输出的变化量很小，不足以克服扰动，使偏差越来越大。可见，积分作用规律对被控量的控制是很不及时的。以后由于偏差不断增大及偏差存在的时间不断增长，积分作用的输出才越来越大，致使调节阀开过头，使被控量向给定值恢复。但由于偏差的方向未变，积分作用的输出仍按原方向增大，调节阀开过头的现象越来越严重，直到被控量出现反向偏差时，积分作用的输出才向反方向积累，这就造成了被控量的大起大落，大大加剧了控制系统动态过程的振荡倾向，降低了控制系统的稳定性。 2比例积分的作用规律 在比例积分调节器中，比例作用是主要的，它使调节阀的开度随时适应扰动的变化，取控制比较及时的优点，获得较好的动态稳定性。积分作用是辅助的，用它来消除静态偏差。比例积分的作用规律是式中：K是比例积分调节器的比例放大倍数，Ti=K/S0是积分时间。这样，衡量比例积分作用强弱的参数就有两个，即比例积分作用的比例放大倍数K和积分时间Ti。 积分时间Ti的物理意义是，在给PI调节器输入一个阶跃偏差信号时，积分输出等于比例输出所需的时间就是积分时间Ti。Ti越小，积分输出达到比例输出的时间越短，积分作用越强。考点6：TI的大小对控制系统动态过程的影响33 在比例积分调节器上通常都设有两个旋钮，一个用于整定比例带PB，一个用于整定积分时间Ti。希望Ti整定的合适。这样，既能保证控制系统稳定性的要求，又能在较短的时间内使系统稳定下来消除静态偏差。在整定Ti值时，切忌把Ti值整定太小，否则由于积分作用太强，系统动态过程振荡激烈，被控量长时间稳定不下来，这是很不利的。如果Ti值不能进行准确地整定，那么选取Ti值时，要宁大勿小。Ti值偏大一些，积分作用偏弱，只是消除静态偏差时间稍长一些而别无它害。积分时间Ti的整定范围是在3 s至20 min之内。控制对象惯性大的控制系统，选取Ti值要大一些。控制对象惯性小的控制系统，选取Ti值可小一些。 在比例积分调节器上，如果把积分时间Ti整定到，它相当于切除积分作用，而成为纯比例调节器。如果控制系统采用纯比例调节器，可整定一个最佳比例带PB，使控制系统动态过程保持最佳状态。如果调节器要加进积分作用（其Ti不是），则此时比例带PB要比纯比例调节器的比例带PB大一些，以抵制由于积分作用而使系统动态过程振荡倾向的增加。比例积分调节器是在实际控制系统中，应用最广泛的一种调节器。考点7：比例微分作用的定义、表达式，微分时间TD的物理意义31 控制对象受到扰动大小不同，尽管在短时间内，偏差的绝对值很小，但偏差的变化速度不同。在来势很猛的扰动瞬间，偏差虽然为零，但偏差的变化速度是很大的。可见，对控制对象施加扰动越大，在施加扰动瞬间，偏差的变化速度越大，如果调节阀的开度能与偏差的变化速度de/dt成比例，那么这种作用就是微分作用规律，其表达式为式中：Sd是比例系数。显然，微分作用能预示控制对象受扰动的猛烈程度；同时，能在偏差出现之前，提前改变调节阀的开度。因此，微分作用有超前控制的能力，能及时克服扰动，使被控量不会出现大的偏差。或者说，微分作用有抵制偏差出现的能力。 在调节器中微分作用都是采用实际微分环节。给实际微分环节施加一个阶跃的偏差输入信号后，它先有一个较大的阶跃输出，起到超前控制作用。以后不管扰动是否克服，被控量是否回到给定值，其微分输出会逐渐消失，最后输出消失在零上。实际微分作用也不能单独制成调节器用于控制系统，它只能与比例作用，或比例积分作用合在一起，组成比例微分调节器，或比例积分微分调节器。比例微分作用是指，在比例作用的基础上，加进微分作用（实际微分作用）。其中，比例作用是主要的，它最终决定调节阀开度的变化量。微分作用是辅助的，它只起超前控制作用。比例微分作用表达式为式中：K是比例微分作用规律的比例放大倍数，在实际调节器中，不是用K而是用PB来表示比例微分调节器比例作用强弱。是微分时间。比例微分作用规律的输出特性如图1-3-14所示。给比例微分调节器施加一个阶跃的偏差输入信号后，它首先有一个阶跃的比例加微分的输出，然后微分输出逐渐消失，最后消失在比例输出上。微分时间Td表示微分输出消失的快慢，或微分输出保留得时间长短。若Td大，说明微分作用消失慢，或微分作用保留时间长，则微分作用强。若Td小，说明微分作用消失得快，或微分作用保留时间短，则微分作用弱。因此，微分时间Td的大小，是衡量微分作用强弱的参数。图1-3-14 比例微分调节器输出特性考点8：TD的大小对控制系统动态过程的影响18 在比例微分调节器上通常设有两个旋钮，一个是比例带PB调整旋钮，另一个是微分时间Td调整旋钮。如果把微分时间旋钮调整到Td0，相当于切除微分作用，这时调节器就成为纯比例调节器。一般来说，控制对象惯性很小的控制系统，其所采用的调节器可不加微分作用，而控制对象惯性大的控制系统，调节器加进微分作用，其控制效果的改进是很明显的。在比例微分调节器中，加进微分作用后，其比例带PB可比纯比例控制的比例带PB小一点。由于微分作用能实现超前控制，可以改善惯性和迟延影响，具有抵制偏差出现的能力，提高系统的控制质量，尽管PB小一些，也能保证系统动态过程的稳定性，且PB小一些，稳态时，静态偏差会减小。由于比例微分调节器与比例调节器一样，是不能消除静态偏差的。要想实现无差控制，比需附加积分作用规律。考点9：比例积分微分作用定义、表达式23 比例积分微分作用规律就是把比例、积分和微分作用组合在一起，常用PID表示。在这种作用规律中，仍以比例作用为主，吸收积分作用能消除静态偏差，微分作用能实现超前控制的优点。这是目前最完善的作用规律。用这种作用规律制成的调节器，叫做比例积分微分调节器，或叫PID调节器，或叫三作用调节器。PID作用规律输出与输入之间关系为式中：K是比例积分微分调节器的比例作用放大倍数，在实际系统中，仍然是不用K而是用PB来衡量比例作用的强弱。Ti是积分时间，Td是微分时间。考点10：PB、TI、TD大小对控制系统动态过程的影响30 在比例积分微分调节器上通常设有三个旋钮，分别用于整定比例带PB，积分时间Ti和微发时间Td，在使用中，往往把积分时间Ti整定得比微分时间Td长，它们之间的关系大致为Ti（45）Td。在比例积分微分调节器中，如果把积分时间整定为Ti；把微分时间整定为Td0，则相当于切除积分和微分作用，成为纯比例作用调节器。若调节器用于控制系统对被控量的稳态精度要求很高的情况，调节器中要加进积分作用。若控制系统中控制对象惯性较大时，调节器应加进微分作用。加进微分作用后，原来整定的比例带PB和积分时间Ti都可以减小一点，这样既能减小最大动态偏差，保证系统的稳定性，又能加快系统的反应速度，使过渡过程时间ts进一步缩短，从而充分发挥三种作用规律的优点，能较好地满足生产过程对自动调节的一般要求。第二章 微型计算机的基本原理539第一节 数制与数码71考点1：数制基本概念及表示方法34 在数字系统里，按进位的方法进行计数，称为进位计数制。在日常生活中，我们最熟悉的是十进制数。还有十二进制、十六进制、六十进制等。在计算机中，常用的是二进制数。但是，为了在编写计算机程序书写方便，常用八进制数或十六进制数，下面就来分析各种进制数及其互相转换。 1十进制数 一个十进制数有两个主要特点（ ）。 （1）它有十个不同的数字符号，即：0、1、2 8、9。我们常把这些数字符号叫“数码”，而把这些可能出现的数码总和称为基数。十进制数的基数就是10 （2）它是逢“十”进位的。一个数码处于不同的位置（或位数)，所表示的量也不相同。在一串数字中，每一个数码所表示的量，不仅取决于数码本身，还取决于它所在的位置。 2二进制数 它与十进制数类似，它也有两个主要特点（ ）。 （1）它的数值部分，只需用两个符号0和1来表示。 （2）它是逢“二”进位的。因此，不同的数码处于不同的位置（或位数)，所表示的量也不相同的。 3八进制数 类似地它也有两个主要特点（ ）。 （1)它的数值部分，需用八个不同的数码符号0、1、6、7来表示。 （2）它是逢“八”进位的。因此，在不同的数位，数码所表示的值是不相同的。 4十六进制数 它也有两个主要特点（ ）。 （1)十六进制数有16个数码，即0、1、2、 9、A、B、C、D、E、F。 （2）它是逢“十六”进位的。因此，在不同的数位，数码所表示的值是不相同的。 综上几种计数制，可把它们的特点概括为（ ）。 （1）每一种计数制都有一个固定的基数J，它的每一位可能取J个不同的数值。 （2）它是逢“J”进位的。因此，它的每一个数位i，对应一个固定的值Ji，Ji就称为该位的“权数”，小数点左面各位的权依次是基数J的正次幂，而小数点右面各位的权依次是基数J的负次幂。与此相关，若小数点向左移一位（或数向右移一位），则等于减小了J倍；若小数点向右移一位，则等于增加了J倍。考点2：二进、八进制、十进制及十六进制之间的相互转换37 任何一种进制数，都能转换成其他种类数的进制数。这种数制之间的转换，在计算机中是很有用处的。为了区别一个数是何种进制数，可在这个数的后面加一个字母来标示，或者，把这个数用括号括起来，在后面用这个数的基数做下角标，例10B、10Q、10D、10H或（10)2、（10)8、（10)10、（10)16，分别表示10这个数是二进制数、八进制数、十进制数、十六进制数。 1二进制数与十进制数之间的转换 （1)二进制数转换成十进制数 这种转换是十分方便的，只要对二进制数按“权数”展开后相加，即可得到十进制数。 （2）十进制数转换成二进制数 这里仅介绍十进制整数转换二进制数的方法。其方法是，对十进制数用二进制的基数2，不断去除要转换的十进制数，直到商数等于零为止,而除一次的余数，就是二进制的数码。其转换过程可简言为“除2取余”，最先得到的余数是二进制数的最低位a0，最后得到的余数为二进制数的最高位an-1。 2十六进制数与十进制数之间转换 （1）十六进制数转换成十地进制数 把一个十六进制数按权数 （16i）展开，然后求和，即为十进制数 （2）把十进制数转换成十六进制数 与把十进制数转换成二进制数的方法类似，只是对要转换的十进制数，用十六进制的基数16连除取余数，最先得到的余数是十六进制数的最低位，最后得到的余数是最高位。 3任意进制数与十进制数之间转换 通常来说，任意进位制数与十进制之间的转换的原理和方法，跟二进制与十进制和二进制与十六进制的转换的原理和方法类似。 4二进制数与十六进制数之间的转换（1）十六进制数转换成二进制数 这种转换是很简单的，只要把每一位十六进制数用相应的4位二进制数表示即可。 （2）二进制数转换成十六进制数 若把-个二进制数转换成十六进制数，可把要转换的二进制数从右向左 （从低位到高位）每4位分一组，每组用相应的十六进制数表示即可。最后一组如果不够4位二进制数，其高位用零补足。 5二进制数与八进制数之间转换 二进制数与八进制数之间的转换也是很方便的。因为八进制数的基数是8，与二进制基数2之间存在8123的关系。因此一位八进制数相当于3位二进制数。 （1）八进制数转换成二进制数 要把一个八进制数转换成二进制数，只要把八进制数中的每一位用3位二进制数表示即可。 （2）二进制数转换成八进制数 把二进制数从右向左（从低位到高位)，每3位分一组，每组用相应的八进制数来表示即可。如果高位的一组不够3位二进制数，则用零在高位上补足。第二节 微型计算机的组成及其工作过程159考点1：微型计算机的基本概念，微机的组成框图，总线名称及作用，CPU的组成和CPU内部总线的信息流程159 1微型计算机的组成 微型计算机也是计算机。因此，它也包括组成计算机的五个基本单元，这就是存储器、运算器、控制器、输入设备和输出设备。但是，在微型计算机中，常把运算器和控制器制作在一块芯片上，在结构上和逻辑上紧密地结合在一起，称为中央处理单元，或称微处理器，简称CPU（Central Processing Unit），把CPU与存储器加在一起，称为微型计算机的主机。主机加外部设备才构成一台完整的微型计算机，其结构框图如图2-2-1所示。外部设备必须通过输入输出接口电路才能与微型计算机的主机进行信息传输。微处理器与存储器和接口电路之间用三组总线把它们连接在一起。这三组总线是：数据总线，地址总线和控制总线。图2 -2 -1 微型计算机组成框图 微型计算机的主机是能使计算机正常运行的主体，而微处理器则是微型计算机的核心。对微型计算机的主机基本结构和工作过程作以简单地介绍。 （1）微处理器 微处理器CPU是微型计算机中具有运算和控制功能的核心部件。它不仅用于算术运算、逻辑运算，还能产生相应的控制信号，控制微机的各部件协调工作。 （2）存储器 存储器又称内存或主存，是微型计算机的存储和记忆部件。它用于存放程序和数据，所有程序和数据只有调入内存中才能被执行和使用。 （3）输入/输出接口 外部设备的种类繁多，结构及原理各异，与CPU的工作电压和速度也不匹配，故微处理器与外部设备之间的连接和信息交换不能直接进行，而必须通过输入/输出接口（I/O接口）作为它们之间的桥梁。 （4）数据总线 数据总线用于传送数据信息。其位数由微处理器的字长确定，在字长较长的微机中，为了表示方便，把8位二进制数定义为一个字节。对8位微机来说，数据总线有8根，即字长为8位D7D0。由于，数据在微处理器与存储器和I/O接口之间的传送是双向的，故数据总线为双向总线。 （5）地址总线 地址总线用于传送CPU发出的地址信息。微处理器与存储器或I/O接口之间传送数据时，必须通过地址总线发送地址号来选择需访问的内存单元或I/O接口。因地址总线只有CPU发送地址信息，所以地址总线是单向总线。 （6）控制总线 控制总线用于传送控制信号、时序信号和状态信息。有些线是微处理器CPU传送至存储器或I/O接口的控制信号，如复位输出信号、中断响应信号、读信号、写信号等。有些线是I/O接口传送至CPU的信号，如准备就绪信号、中断请求信号、保持请求信号等，所以控制总线中每根线是单向的。不同类型的微型计算机，控制总线的根数也不同。 2微型计算机的软件 一台微型计算机若只有上述的硬件，只是具备了解题的可能性。计算机真正能处理或运算某个问题，还必须要有软件相配合。软件包括系统软件和应用软件两大类。 系统软件主要是操作系统和系统实用程序。操作系统是一套复杂的系统程序，用于管理计算机的硬件与软件资源、进行任务调度、提供文件管理系统、人机接口等。系统实用程序包括各种高级语言的翻译/编译程序、汇编程序、数据库系统、文本编辑程序、诊断和调试程序，以及系统工具程序等。 软件是指用户为解决各种实际问题（如数学计算、检测与实时控制等）而编写的程序，也就是各种操作步骤。 3微处理器的组成及内部总线的信息流程 在微型计算机中，无论采用哪种微处理器CPU，其内部基本组成总是大同小异的，都是由运算器和控制器两部分组成。实际微处理器的结构和工作原理是非常复杂的，这里我们把实际微处理器的结构作适当的简化，其简化的微处理器如图2-2-2所示。图2 -2 -2 简化的CPU结构 （1）运算器 运算器是在控制器控制下，对二进制数进行算术和逻辑运算的装置。运算器是由算术逻辑单元、累加器、标志寄存器、通用寄存器等部件组成。 （2）控制器 控制器是微处理器的指挥控制中心，对协调整个微型计算机有序工作极为重要。计算机程序和原始数据的输入、CPU内部对信息的处理、对处理结果的输出、外部设备与主机之间的信息交换等，都是在控制器控制下实现的。第三节 存储器27考点1：存储器的基本概念、种类与功能27 存储器是计算机极重要的组成部分，有了它计算机才能有记忆功能，才能把要计算和处理的数据及程序存入计算机，使计算机能脱离人的直接干预，自动地工作。 显然，存储器的容量越大，它所能记忆的信息越多，计算机的功能也就越强。存储器从使用功能上分类，可分为读写存储器，也叫随机存储器RAM及只读存储器ROM两类。读写存储器RAM可用于存放现场输入数据、中间运算和处理结果，并与外部存储器交换信息及用于堆栈。RAM的内容可随机读出，读出后其内容不变，也可以写入新的内容。写入新的内容后，原内容被冲掉。只读存储器的内容只能读出，读出后内容不变。且在使用中是不能往里写新数据的，原内容也不能改写。因其内容只能读而不能写，故叫只读存储器。只读存储器一般用来存放固定的程序或常数类数据，如对数表、三角函数表等。 1读写存储器RAM 目前，微型计算机普遍采用MOS存储器。用MOS器件构成的RAM又分静态RAM和动态RAM两种。静态RAM是用场效应管构成双稳态电路。它可长期保存所存储的信息。断电后信息丢失。动态RAM是用场效应管栅极寄生电容存贮电荷的原理所构成的存储单元。因为动态RAM存在漏电，寄生电容上存放的电荷会逐渐漏掉，从而使信息丢失，所以，每隔2 ms左右要对它重新充一次电，这一充电过程叫刷新或再生。刷新前，要先将它所存储的数据读出来，然后重新写入，这需要较复杂的外加刷新电路，但动态RAM功耗低，集成度高。 2只读存储器ROM 对只读存储器来说，存入信息以后，只能读出它所存的信息，而不能写入新的信息，且它也是一种非易失性存储器，即断电后，存储单元的信息仍能保留。 只读存储器也是由存储体和外围电路组成。存储体中基本存储单元电