自动控制系统的组成及其质量指标_

1、1.1自动控制系统的组成及其质量指标 自动控制系统组成、方框图及常用术语 重点 自动控制系统的分类 自动控制系统的质量指标 重点 1.1.1自动控制系统组成、方框图 组成 受控对象（过程） ：工作的机器、装备或生产过程等， 从传感器到执行器之间 被控量（热工参数、被控参数）：表征其工作状态的物理 量如T,P,湿度,流量,液位 传感器（测量变送）：对被控量进行测量（转换成标准信 号）的装置，成比例地转变其他物理量 控制器（调节器）：把测定值和设定值进行比较的装置 执行器（调节阀）：把调节器的指令成比例地转换为直线 或角位移地装置 自动控制系统：受控对象和控制装置的总体，由控制对象 和自动控制设备

2、组成 1一温度传感器 2一热水加热器 3一温度控制器 4一电动二通阀 qa一外侵热量 a一室内温度b一室外温度 c一送风温度 图1-1 室温自动控制系统 为了研究自动控制系统组成环节之间的 相互影响和信号联系，通常使用自动控 制系统方框图来表示自动控制系统。 自动控制系统的方框图 控制器： 执行器： 被控对象：从传感器到调节阀之间的管道设备 传感器： 控制器执行器被控对象 传感器 Ge (t)p (t)q (t) a z 干扰 方框图的画法 每个方框表示组成该系统的一个环节 两个方框之间一条带有箭头的连线表示其 相互关系，不表示方框之间的物料联系 每个方框都有一个输入信号和一个输出信 号 控制

3、器执行器被控对象 传感器 Ge (t)p (t)q (t) a z + 干扰 液位控制器 储罐 HT HC 差压变送器 液位调节器 执行器 控制器执行器被控对象 传感器 x (t)e (t)u (t)q (t)y (t) z (t) 干扰 图1-2 室温自动控制系统框图 控制器执行器被控对象 传感器 Ge (t)p (t)q (t) a z 干扰 干扰作用通过干扰通道影响被控参数，而控 制作用通过控制通道影响被控参数。 系统中信号沿箭头方向前进，最后又回到原 来的起点，形成一个闭合回路，这种系统叫 闭环系统。 在闭环系统中，系统的输出信号 为被控参 数，它通过传感器这个环节再返回到系统的 输入

4、端，与给定值 比较 ，这种将系统的输 出信号引回到输入端的过程叫反馈。 被测输出信号减弱输入信号的反馈，称为负 反馈；反之称正反馈。 a G 控制器执行器被控对象 传感器 Ge (t)p (t)q (t) a z 干扰 负反馈控制具有自动修正被控参数偏离给定值 的能力，控制精度高，适应面广，是基本的控 制系统。负反馈控制系统的工作原理是：当干 扰作用 发生后，被控参数 偏离给定值，这 种变化被传感器测出 并送到控制器的比较环 节与给定值 比较，得出偏差 ，偏差输 入到控制器中，经过控制器加工运算，输出一 个和偏差 成一定关系的控制量 ，去调节执 行机构，改变输入到控制对象中的能量 ，克 服干扰

5、造成的影响，使被控参数又趋于给定值。 可见，负反馈控制的实质是以偏差克服偏差的 控制过程。自动控制系统的基本功能是信号的 测量、变送、比较和加工。 f a z G zG e e p q 1.1.2自动控制系统的分类 若按给定值的给定变化规律来分 定值控制系统将被控制量保持在某一定值或很小的 范围中的控制系统 程序控制系统被控量的给定值按预定的时间程序而 变化的控制系统 随动控制系统被控量的给定值随时间任意地变化的 控制系统 若按控制动作与时间的关系来分 连续控制系统 断续控制系统 如按控制器使用的能源种类分 气动控制系统 液动控制系统 电动控制系统 若按控制器的控制规律分 双位控制系统 比例控

6、制系统 比例积分控制系统 比例微分控制系统 比例积分微分控制系统 按系统的结构特点分类 反馈控制系统 前馈控制系统 前馈反馈控制系统 1.1.3自动控制系统的质量指标 基本概念 自动化领域内，把被控参数不随时间而变化的平衡状态称 为系统的静态 把被控参数随时间而变化的不平衡状态称为系统的动态。 双位控制系统 阶跃干扰典型干扰作用 图13 阶跃干扰作用 一、自动控制系统的过渡过程 自动控制系统在干扰和控制的共同作用下， 从一个稳定状态变化到另一个稳定状态期间 被控参数随时间的变化过程称为自动控制系 统的过渡过程。自动控制系统过渡过程也就 是系统的动态特性，它包括静态和动态。研 究过渡过程的目的就

7、是为了研究控制系统的 品质。 系统的静态和动态 静态：输入不变，调节系统在调节器的 自动调节作用下，被调量不再随时间变 化的平衡状态 动态：被调量随时间变化，系统处于不 平衡状态 一个运行的系统，时时刻刻都有扰动作 用于对象，被调量偏离设定值，重点应 研究系统和环节的动态特性上。 定值控制系统受到阶跃干扰后，过渡过程 有四种基本形式 a)发散振荡过程 b)等幅振蔼过程 c)衰减振荡过程 d)单调衰减过程 图14 过渡过程的基本形式 发散振荡 01234 0.0 0.5 1.0 1.5 2.0 t 等幅振荡 0246810121416 0.0 0.2 0.4 0.6 0.8 1.0 1.2 1.

8、4 1.6 1.8 2.0 h(t) t F1 0510152025 0.0 0.2 0.4 0.6 0.8 1.0 1.2 1.4 1.6 h(t) t 最大偏差 给定值 余差 tp ts 衰减振荡(1) 衰减振荡(2) 0510 0.0 0.2 0.4 0.6 0.8 1.0 1.2 1.4 1.6 1.8 2.0 h(t) t （单调过程）无振荡过程 024681012 0.0 0.2 0.4 0.6 0.8 1.0 h(t) t 图1-5 自动控制系统受到阶跃干扰后 衰减振荡过程质量指标 余差（e） ：系统过渡过程终了时给定值与被控参 数稳定值之差 最大偏差（A）：被控参数第一个波的峰

9、值与给 定值的差 衰减比（n）：振荡过程的第一个波的振幅与第二 个波的振幅之比 衰减率（f）：经过一个周期后，波动幅度衰减的 百分比 控制（过渡过程）时间（ts）：系统过渡过程曲线 进入新的稳定值的5%或2%范围内所需的时间 峰值时间（tp）：系统过渡过程曲线到达第一个峰 值所需的时间，反映系统响应的灵敏程度 二、自动控制系统的质量指标 余差（e） ：系统过渡过程终了时给定值与 被控参数稳定值之差 最大偏差（A）：被控参数第一个波的峰值 与给定值的差 二、自动控制系统的质量指标 0510152025 0.0 0.2 0.4 0.6 0.8 1.0 1.2 1.4 1.6 h(t) t 最大偏差

10、 给定值 余差 衰减振荡的品质指标 衰减比（n）：振荡过程的第一个波的振 幅与第二个波的振幅之比 衰减率（f）：经过一个周期后，波动幅 度衰减的百分比 0510152025 0.0 0.2 0.4 0.6 0.8 1.0 1.2 1.4 1.6 h(t) t 给定值 衰减振荡的品质指标 y2 y1 y1 衰减比 y2 y1-y2 衰减率 y1 控制（过渡过程）时间（ts）：系统过渡 过程曲线进入新的稳定值的5%或2%范 围内所需的时间 峰值时间（tp）：系统过渡过程曲线到达 第一个峰值所需的时间，反映系统响应 的灵敏程度 0510152025 0.0 0.2 0.4 0.6 0.8 1.0 1

11、.2 1.4 1.6 h(t) t 给定值 tp 衰减振荡的品质指标 ts 余差 2%或5% 等幅振荡的品质指标 02468101214161820 0.0 0.2 0.4 0.6 0.8 1.0 1.2 1.4 1.6 1.8 2.0 h(t) t F1 过渡时间？ 峰值时间？ 衰减率 衰减比 发散振荡的品质指标 过渡时间？ 峰值时间？ 012345678 0.0 0.5 1.0 1.5 2.0 t 对控制系统的性能要求 稳：动态过程的振荡倾向和系统重新恢 复平衡工作状态的能力 0510152025 0.0 0.2 0.4 0.6 0.8 1.0 1.2 1.4 1.6 1.8 2.0 h(t) t 过 程2 过 程1 01234 0.0 0.5 1.0 1.5 2.0 t 系统过渡到新的平衡工作状态后或系统 受到扰动后重新恢复平衡后，最终保持 的精度，反映了动态后期的性能 准： 101214161820222426 0.0 0.4 0.8 1.2 1.6 t 过程2 过程1 快： 动态过程进行的时间