《轮机自动化》数字化教材项目一任务一

1、项目一 船舶反馈控制系统基础【项目描述】反馈控制是自动控制系统的主要形式。在船舶机舱中，运行参数的自动控制通常都采用反馈控制。反馈控制系统的基本概念是理解和熟悉轮机自动化的基础，是轮机管理人员必须掌握的基本知识。通过本项目的学习，学员应达到以下要求。一、知识要求1、 熟悉船舶反馈控制系统的组成；2、 熟悉反馈控制系统的品质指标；3、 熟悉PID调节规律及特点；4、能表述常用传感器、变送器的作用、基本原理和特点； 5、熟悉执行机构的类型、工作原理及特点；6、了解反馈控制系统参数整定的方法。二、能力要求 1、能熟练地绘制反馈控制系统的传递方框图；2、能正确表述系统动态过程品质指标的含义；3、熟悉P

2、ID调节器的使用；4、学会变送器的使用操作与调整。三、素质要求1、养成善于动脑、勤于思考、及时发现问题的学习习惯；2、提高理论联系实际的能力，培养善于分析和解决反馈控制系统实际问题的能力；3、培养理性思维能力和科学求实的精神；4、培养学习新技术的能力，增强创新意识。【项目实施】任务一 反馈控制系统的认识一、学习目标1、熟悉船舶反馈控制系统的组成，理解各基本单元的作用及输入输出信号；2、熟悉传递方框图的组成及信号传递关系；3、理解开环系统和闭环系统的区别；4、了解自动控制系统的类型及特点；5、理解并熟悉动态过程的品质指标。二、学习任务熟悉反馈控制系统的组成、类型及动态过程品质指标。三、背景知识机

3、舱中的各种运行参数的自动控制系统通常为反馈控制系统。一个完整的反馈控制系统由控制对象、调节单元、测量单元和执行机构等四个单元组成，各个单元的地位和作用、各个单元之间的信号传递可以用传递方框图表示。在一个自动控制系统中，稳态是相对的，动态是绝对的。因此，对系统研究的重点应该放在控制系统的动态过程。对被控量动态过程性能的要求主要集中在稳定性、准确性和快速性三个方面。一、反馈控制系统的组成参数的自动控制系统通常为反馈控制系统，其主要任务是将机舱中的各种运行参数（如温度、压力、液位、黏度等）控制在所希望的最佳值（一般称为给定值）上。虽然这些自动控制系统的结构形式各异，但系统的基本组成部分和工作过程却大

4、致相同。图1-1-1所示为柴油机气缸冷却水温度控制的示意图。在手动控制时，操作人员首先要用眼睛观察温度表，然后由大脑对观察到的实际水温与给定水温（亦即所希望的水温值，如80）进行比较、分析和判断，再输出一个指令信号给双手，用双手来调节三通阀的开度，即改变旁通水和经过冷却器冷却后的水的比例，使冷却水的实际温度逐渐恢复到所希望的水温值上。图1-1-1 柴油机气缸冷却水温度控制的示意图1-淡水泵；2-温度表；3-测温元件；4-柴油机；5-温度变送器；6-调节器；7-执行机构；8-三通调节阀；9-淡水冷却器自动控制过程实际上是对手动控制操作过程的模拟。自动控制过程中，必须要使用相应的自动化仪表来代替人

5、的操作器官。譬如，用温度传感器和温度变送器来代替人的眼睛，随时测量冷却水的实际温度并传送给调节器；调节器可以用来代替人的大脑，对实际水温进行比较、分析和判断，然后输出控制信号给执行机构；执行机构代替人的双手，自动地改变三通阀的开度。从上述主机冷却水温度反馈控制系统实例中可以看出，反馈控制系统通常由控制对象、调节单元、执行机构和测量单元等四个部分组成。（）控制对象（或称调节对象） 指被控制的设备或机器。在上述系统中，控制对象是淡水冷却器。控制对象的输出量就是控制系统的输出量（或称被控量），在上述系统中，冷却水温度便是输出量。（2）调节单元 调节单元是指具有调节作用规律的调节器。调节器有两个输入量

6、，分别为给定值和测量值。给定值r(t)是运行参数所希望控制的最佳值，测量值b(t)则是测量单元测得的运行参数的实际值。被控量的测量值与给定值的差值称为偏差，用e(t)表示，e(t)r(t)b(t)。e>0，说明测量值低于给定值，为正偏差；e<0，为负偏差；e0，为无偏差。调节器工作时，首先得到测量值与给定值之间的偏差，然后根据偏差的大小和方向，按设定的调节规律（如比例调节规律）发出控制指令给执行机构，使偏差值e不断减小，直到等于零或接近零为止。（3）执行机构 接受调节器输出的控制信号，经过功率放大后产生控制作用，驱动调节阀，改变进入控制对象的物质流或能量流，使控制对象的输出量（即被

7、控量）向着给定值的方向发生变化，以满足控制要求。在冷却水温度控制系统中，电动执行器与三通阀构成了执行机构。（4）测量单元 测量单元用来检测被控量的实际值，并把它成比例地转换成统一的标准信号送入调节器，如上述系统中的热电阻及温度变送器。测量单元送出的信号称为反馈信号，在一般情况下，为了能实现自动控制，反馈信号的极性与给定值的极性相反，称为负反馈。所以自动控制系统也称为负反馈控制系统。反馈信号可以反映自动调节控制的效果，防止被控量过调，使系统稳定。反馈控制实质上是通过偏差来减少或消除偏差的。反馈控制系统的组成除了以上四个基本单元之外，还包括显示单元、电源或气源、定值器以及其它辅助仪表或装置。2、

8、反馈控制系统的传递方框图图1-1-2 反馈控制系统的传递方框图为了清楚地表明各个单元在反馈控制系统中的作用以及各单元之间的信号传递关系，可以把每个单元都用一个方框来表示，各方框之间用带箭头的信号线连接起来，这就构成了反馈控制系统的方框图，如图1-1-2所示。这样的方框图适用于各种运行参数的自动控制系统，具有普遍性。通过传递方框图，要建立以下几个概念。（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，每个环节必定有输入量和输出量，并用带箭头的信号线表示。任何环节输出量的变化均取决于输入量的变化及该环节自身的特性，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

9、 引起被控量变化的一切因素称为扰动。显然，扰动量是控制对象的输入量。扰动量可以分为两类：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。例如，在主机冷却水温度的自动控制系统中，引起水温变化的扰动有主机负荷的变化和三通阀开度的变化两种。主机负荷的变化是轮机管理人员无法控制的，属于外部扰动；三通阀开度的变化是可以控制的，属于基本扰动。在图1-1-1中，有两个信号线指向控制对象，它们分别是基本扰动（执行机构的输出）和外部扰动。（3）反馈 在控制系统传递方框图中，符号“”是比较环节（它不是一个独立的环节，而是调节器的一个组成部分，为清楚起见，故单独画出），它随

10、时把给定值r（t）与测量值b（t）比较得出偏差信号e（t）。偏差信号是调节单元的输入量，其输出量p（t）经执行单元产生调节信号q（t），使被控对象的被控量y（t）发生变化，被控量y（t）的变化经测量单元反送到控制系统的输入端，这个过程称之为反馈。反馈分为正反馈和负反馈两种。正反馈是指经反馈后可以加强闭环系统输入效应，亦即使偏差e增加。负反馈是指经反馈后可以减弱闭环系统输入效应，亦即使偏差e减小。显然只有负反馈才能随时对被控量的给定值和测量值进行比较，使偏差e不断减小进而保持被控量的稳定。（4）闭环系统 在控制系统方框图中，前一个环节的输出就是后一个环节的输入，这样系统就形成一个封闭控制回路，称

11、为闭环系统。反馈控制系统必然是闭环系统。如果系统的输出量不被引回来对系统的输入部分产生影响（如没有反馈环节），这样的系统称为开环系统。开环系统结构简单，系统稳定性好，成本也低，但当动态过程受到各种扰动因素影响时，将会直接影响输出量，而系统不能自动进行调节。三、自动控制系统的分类自动控制系统按其所用能源、结构形式和特点等有多种分类方法。1按被控参数的名称分类按照被控参数的名称分类是机舱自动控制系统最常见的分类形式。如压力自动控制系统、温度自动控制系统、液位自动控制系统等。2按所用能源分类如果自动控制系统信号的传递以及执行器的动作是依靠压缩空气的动力，称为气动控制系统；如果采用电能，则称为电动控制

12、系统。3按被控参数给定值的变化规律分类控制系统按被控参数给定值的特点可分为定值控制系统、随动控制系统、程序控制系统。定值控制系统就是系统的给定值是某一确定值，希望系统的被控量也保持恒定不变。主辅机热工参数的控制大多属于这一类系统。例如，主机冷却水控制系统、主机燃油黏度控制系统、辅锅炉水位控制系统等都属于定值控制系统。随动控制系统的给定值是预先不能确定的，其取决于系统外的某一进程，例如随动操舵系统跟踪船舶航向的变化、雷达控制系统跟踪目标的方位变化就是随机的。程序控制系统则是指控制系统的给定值按照预先确定的规律进行变化，例如主机遥控系统中的转速速率控制便属于此类。定值控制系统的任务是保持被控量不变

13、，而随动控制系统和程序控制系统的任务是在给定值变化时，力求被控量随着给定值的变化而变化。 四自动控制系统的动态过程1动态过程特点一个控制系统在运行过程中，若被控量不随时间变换化，而是稳定在给定值或给定值附近，这种状态叫稳态，而被控量随时间变化的不平衡状态称为系统的动态。稳态是暂时的、相对的和有条件的，动态是普遍的、绝对的和无条件的。因为系统经常会受到扰动，系统的平衡状态因而会经常遭到破坏。由于控制对象有惯性，被控量不能突变，所以它在受到扰动的短时间内，偏差不大。这样调节器输出的控制信号和经调节阀流入控制对象的物质或能量流量的改变量都不大，不足以克服扰动，使偏差越来越大。随着偏差的增大，调节器输

14、出的控制信号及由它所指挥的调节阀开度变化量都增大，在实际运行中，调节阀开度的变化量往往会过头，使被控量在向给定值恢复过程中，出现反向偏差，即被控量会围绕给定值上下波动，以后在调节器控制作用下，波动越来越小，最终被控量会稳定在新稳态值（给定值或给定值附近），系统达到一个新的平衡。所以，从受到扰动开始到达到新的平衡状态的过程就是动态过程，也称为过渡过程。2评定控制系统动态过程品质的指标被控量变化的动态过程通常有以下几种形式：图1-1-3 动态过程的基本类型(1) 非周期过程（单调过程）。被控量y(t)单调变化(即没有“正”、“负”的变化)，缓慢地到达新的平衡状态(新的稳态值)，如图1-1-3曲线1

15、所示，一般这种动态过程具有较长的动态过程时间，动态精度和稳态精度也较低。(2) 衰减振荡过程。被控量y(t)的动态过程是一个振荡过程，但是振荡的幅度不断在衰减，到过渡过程结束时，被控量会达到新的稳态值，如图1-1-3曲线2所示。 (3) 等幅振荡过程。被控量y(t)的动态过程是一个持续振荡过程，且波动的幅度保持不变，始终不能达到新的稳态值，如图1-1-3曲线3所示。系统出现等幅振荡过程，即使生产过程可以允许，执行机构也将不断地来回动作，所以这是一种不稳定的过程。（4）发散振荡过程。被控量y(t)的动态过程不但是一个振荡的过程，而且振荡的幅度越来越大，以致会大大超过被控量允许的误差范围，如图1-

16、1-3曲线4所示。这是一种典型的不稳定过程，自动控制系统要绝对避免产生这种情况。一般说来，自动控制系统如果设计合理，其动态过程多属于图 1-1-3曲线2的情况。为了满足生产过程的要求，我们希望控制系统的动态过程不仅是稳定的，并且希望过渡过程时间(又称调整时间)越短越好，振荡幅度越小越好，衰减得越快越好。对于一个自动控制系统的性能要求可以概括为三个方面：稳定性、准确性和快速性。1）稳定性稳定性是控制系统是否能实际应用的首要条件，即自动控制系统最基本的要求是系统必须是稳定的，不稳定的控制系统是不能工作的。（1）衰减率对于自动控制系统，其稳定程度可以用“衰减率”表示。所谓“衰减率”是指在衰减振荡中，

17、第一个波峰值y1减去同向的第二个波峰值y3后与第一个波峰值y1的比值，以表示，即： （1-1-1）在非周期过程中，=1，系统的稳定性最好，但动态偏差较大、过渡过程时间很长。随着的减小，系统动态过程的振荡加剧，系统稳定性降低，过渡过程时间也因振荡加剧而延长。当=0时，动态过程出现等幅振荡，系统变成不稳定。实际的调节过程一般希望0.750.9。与衰减率相对应的另一个指标是衰减比，衰减比是第一个波的峰值y1与同方向的第二个波的峰值y3的比值，即y1/ y3。当0.75时，衰减比为4：1，亦即经过一个振荡周期后，被控参数的幅值已经衰减到原来的1/4。（2）振荡次数N指在动态过程中被控量振荡的次数，一般

18、要求被控量振荡23次就应稳定下来。2）准确性准确性是指调节过程中被控参数偏差的大小，它可由稳态偏差、最大动态偏差emax和超调量衡量。（1）稳态偏差稳态偏差也称为静差，是指动态过程结束后被控参数的新稳态值与给定值之间的偏差。显然，越小，系统的静态精度越高。图1-1-4 定值控制系统的动态过程曲线图1-1-5 改变给定值的控制系统的动态过程曲线（2）最大动态偏差emax在动态过程中，被控参数会偏离给定值出现偏差，其最大值称为最大动态偏差，用emax表示。调节系统应保证被控量的动态偏差即使在可能出现的最大扰动作用下，也不应超过允许的变动范围，否则，会有可能破坏设备或生产工艺的正常进行。（3）超调量对于改变给定值的控制系统，可以用“超调量”来表示动态精度。所谓“超调量”是指在衰减振荡中，第一个波峰值减去新稳态值与新稳态值之比的百分数，以表示，即： （1-1-2）越小，系统动态过程波动越小，动态准确度越高。在实际动态过程中，一般要求<30%。3）快速性快速性可用过渡过程时间、上升时间tr和峰值时间tp来表示。过渡过程时间（亦称调节时间）意指系统从受到扰动开始到被控量重新趋于稳定建立新的平衡状态为止所经历的时间。从数学上来讲，过渡过程时间应该是无穷大。在工程上是这样定义过渡过程时间的：如果在大于某一时刻后，被控量的波动范围始终在最终