自动控制的基本知识

1、l第一节第一节 自动控制的基本概念自动控制的基本概念l第二节第二节 热工控制对象的动态特性及其求取热工控制对象的动态特性及其求取方法方法l第三节第三节 调节器的动作规律及其对过渡过程调节器的动作规律及其对过渡过程的影响的影响l复习：1。自动控制系统由 和 组成。2。请解释被控量、调节量、扰动。3。控制系统按控制方式不同分为 、 、 。4。控制系统的品质指标有 、 、 。5。什么是数学模型？为什么要进行数学模型/6。什么是对象的自平衡能力？其实质是什么/7。对象动态特性的特征参数有 、 、 。8。控制器的控制规律有哪些？各有什么特点？9。串级控制系统有 、 控制器。10。串级控制系统内、外回路的

2、作用是什么？11。什么是前馈调节？反馈与前馈调节各有什么特点？一、人工调节一、人工调节 所谓人工调节，是指运行所谓人工调节，是指运行人员根据对参数变化原人员根据对参数变化原因的分析，人工操作某因的分析，人工操作某一阀门或挡板的开一阀门或挡板的开度改变流入量或流出度改变流入量或流出量，使参数恢复到给定量，使参数恢复到给定值。值。第一节第一节 自动控制的基本概念自动控制的基本概念二、自动调节二、自动调节电厂在生产过程中，为了使被调量恒定或按预定规律变电厂在生产过程中，为了使被调量恒定或按预定规律变化，采用一整套自动调节装置来代替运行人员的操作，化，采用一整套自动调节装置来代替运行人员的操作，这种用

3、自动控制仪表进行的操作称为自动调节。这种用自动控制仪表进行的操作称为自动调节。三、自动调节系统中常用的名词和术语三、自动调节系统中常用的名词和术语调节对象调节对象：被调节的生产过程或生产设备称为调节对象。：被调节的生产过程或生产设备称为调节对象。被调量被调量：表征生产过程是否正常进行而需要加以调节的物理：表征生产过程是否正常进行而需要加以调节的物理量称为被调量。量称为被调量。给定值给定值：被调量所应保持的希望值称为给定值。：被调量所应保持的希望值称为给定值。调节量调节量：由控制作用来改变，并对被控量进行调节的物理量：由控制作用来改变，并对被控量进行调节的物理量称为调节量。称为调节量。调节机构调

4、节机构：根据控制作用对调节量进行改变的具体设备为调：根据控制作用对调节量进行改变的具体设备为调节机构，如调节阀、挡板、给粉机等节机构，如调节阀、挡板、给粉机等扰动扰动： 引起被调量偏离给定值的各种因素称为扰动。引起被调量偏离给定值的各种因素称为扰动。四、自动调节系统的组成四、自动调节系统的组成一是一是广义调节器广义调节器：传感器、变送器、定值器、调节器和：传感器、变送器、定值器、调节器和执行器；执行器；二是二是调节对象调节对象。五、自动调节系统方框图五、自动调节系统方框图信号线、信号相加点、信号分支点、环节信号线、信号相加点、信号分支点、环节六、自动调节系统的分类六、自动调节系统的分类（一）按

5、调节系统的结构不同分类（一）按调节系统的结构不同分类1。开环调节系统。开环调节系统:前馈控制系统直接根据扰动进行控制前馈控制系统直接根据扰动进行控制 2。闭环调节系统。闭环调节系统:根据偏差进行控制，最终消除偏差 3。复合调节系统。复合调节系统:在反馈控制系统的基础上加入主要扰在反馈控制系统的基础上加入主要扰动的前馈控制，即构成前馈动的前馈控制，即构成前馈反馈控制系统反馈控制系统 .（二）按给定值（二）按给定值 不同分类不同分类1。定值调节系统。定值调节系统:被控量的给定值在运行中恒定不变的被控量的给定值在运行中恒定不变的系统，称为定值控制系统。系统，称为定值控制系统。 2。随动调节系统。随动

6、调节系统:被控量的给定值是时间的未知函数的被控量的给定值是时间的未知函数的控制系统，称为随动控制系统。控制系统，称为随动控制系统。 3。程序调节系统。程序调节系统:被控量的给定值是时间的已知函数的被控量的给定值是时间的已知函数的控制系统，称为程序控制系统。控制系统，称为程序控制系统。 （三）其他分类（三）其他分类单输入调节系统单输入调节系统多输入调节系统多输入调节系统七、调节过程的品质指标七、调节过程的品质指标调节过度过程：调节过度过程：1）等幅振荡）等幅振荡2）扩散振荡）扩散振荡3）衰减振荡）衰减振荡4）非周期过程）非周期过程1。稳定性：衰减率稳定性：衰减率愈大，越稳定。愈大，越稳定。=0.

7、750.982.准确性：准确性：准确性是指被控量的偏差大小，它包括动态偏差准确性是指被控量的偏差大小，它包括动态偏差yM和和静态静态(稳态稳态)偏差偏差yK 动态偏差动态偏差:在控制过程中，被控量与给定值之间的最大偏差称为动态偏差在控制过程中，被控量与给定值之间的最大偏差称为动态偏差. 静态偏差静态偏差:在控制过程结束后，被控量的稳态值在控制过程结束后，被控量的稳态值y与给定值与给定值yg之间的残余偏之间的残余偏差，称为静态偏差差，称为静态偏差yK。 3。快速性：快速性：快速性是指过渡过程持续时间的长短，快速性是指过渡过程持续时间的长短，调节时间调节时间ts被调量衰减到与稳态值这差不超过被调量

8、衰减到与稳态值这差不超过5% 或或2%时时l八、线性自动控制系统的数学模型八、线性自动控制系统的数学模型l( (一一) )基本概念基本概念1 1数学模型数学模型: :是描述系统输入、输出变量以及内部各是描述系统输入、输出变量以及内部各物理量物理量( (或变量或变量) )之间关系的数学表达式。之间关系的数学表达式。l静态模型静态模型: :在静态条件下，描述各变量之间关系的数学方程在静态条件下，描述各变量之间关系的数学方程l动态模型动态模型: :在动态过程中，各变量之间的关系用微分方程描在动态过程中，各变量之间的关系用微分方程描述。述。建立控制系统数学模型的目的是为了用一定的数学方建立控制系统数学

9、模型的目的是为了用一定的数学方法对系统的性能进行定性分析和定量计算，乃至综合法对系统的性能进行定性分析和定量计算，乃至综合与校正系统。与校正系统。 2线性系统线性系统:系统的数学模型为线性微分方程式的控制系统称为线性系统。l(二二)建立数学模型的基本方法建立数学模型的基本方法l控制系统或元件的数学模型可以用机理控制系统或元件的数学模型可以用机理分析法和实验分析法建立。分析法和实验分析法建立。 l(三三)数学模型的基本类型数学模型的基本类型l在经典控制理论中，常用的数学模在经典控制理论中，常用的数学模型有微分方程、传递函数、阶跃响应曲型有微分方程、传递函数、阶跃响应曲线等。线等。 拉氏变换：将拉

10、氏变换：将s代替代替d/dt;传递函数：在零输入条件下，输出的拉氏变换与输入的拉氏变换传递函数：在零输入条件下，输出的拉氏变换与输入的拉氏变换之比。之比。 L y tY sW sX sL x tl对传递函数的概念作如下几点说明：l传递函数是在系统满足零值条件下定义的，如果此时已知系统的输入信号，则根据Y(s)W(s)X(s)，可求出系统的输出信号y(t)：y(t)L-1W(s)X(s) l凡是可以用线性微分方程描述的系统或环节，都可以用传递函数来表示其动态特性。l传递函数是以系统或环节内部的结构和物理参数来表示输入量和输出量之间的关系的，与具体输入量的形式无关，因此由传递函数可以清楚地看出，动

11、态特性是系统或环节的固有特性。 九、环节动态特性的表达方法九、环节动态特性的表达方法环节的特性：是指输出信号与输入信号之间函数关系。环节的特性：是指输出信号与输入信号之间函数关系。静态特性：在输入输出信号都不随时间而变化的平衡时特性。静态特性：在输入输出信号都不随时间而变化的平衡时特性。动态特性：输入输出信号在变动状态中的关系。动态特性：输入输出信号在变动状态中的关系。1。动态方程法。动态方程法：最基本方法，但复杂系统不便于分析。：最基本方法，但复杂系统不便于分析。它是依据基本的物理规律，求出输出量与输入量之间的微分方程。它是依据基本的物理规律，求出输出量与输入量之间的微分方程。2。传递函数法

12、。传递函数法运用拉氏变换，将微积运算简化为代数运算。运用拉氏变换，将微积运算简化为代数运算。传递函数：在零输入条件下，输出的拉氏变换与输入的拉氏变换传递函数：在零输入条件下，输出的拉氏变换与输入的拉氏变换之比。之比。3。阶跃响应特性。阶跃响应特性：比较直观：比较直观在阶跃输入信号的作用下，系统的输出特性。在阶跃输入信号的作用下，系统的输出特性。突然的扰动。突然的扰动。在电厂生产过程中，有许多输入信号近似于阶跃信号，在电厂生产过程中，有许多输入信号近似于阶跃信号，如负荷突然变化，阀门、挡板的开与关等。只要生产如负荷突然变化，阀门、挡板的开与关等。只要生产过程允许，一般也比较容易通过控制机构过程允

13、许，一般也比较容易通过控制机构(如控制阀如控制阀门门)或扰动机构造成一个阶跃输入扰动。所以常在现或扰动机构造成一个阶跃输入扰动。所以常在现场用阶跃响应试验来检验控制系统的工作性能。场用阶跃响应试验来检验控制系统的工作性能。 了解调节对象动态特性的意义：了解调节对象动态特性的意义：可根据对象的动态特性实施控制策略可根据对象的动态特性实施控制策略,选择相应的控制规律，选择相应的控制规律，和控制相应的控制器结构。和控制相应的控制器结构。一、控制对象的基本概念一、控制对象的基本概念（一）控制对象的分类（一）控制对象的分类 1。依控制对象有无自平衡能力分：。依控制对象有无自平衡能力分： 1）有自平衡能力

14、对象：）有自平衡能力对象：所谓自平衡特性是指调节对象在受到扰动后，平衡被破所谓自平衡特性是指调节对象在受到扰动后，平衡被破坏，不需要外界帮助，能通过被调量自身的变化来克坏，不需要外界帮助，能通过被调量自身的变化来克服扰动的影响，达到新的平衡的特性。服扰动的影响，达到新的平衡的特性。对象自平衡的实质对象自平衡的实质是对象输出量变化对输入量发生影响是对象输出量变化对输入量发生影响的结果，或者说，对象内部存在着负反馈。的结果，或者说，对象内部存在着负反馈。 有自平衡能力的单容有自平衡能力的单容 对象的动态特性：对象的动态特性： 一阶惯性环节一阶惯性环节传递函数：传递函数：2）无自平衡的单容）无自平衡

15、的单容 对象的动态特性：对象的动态特性： 积分环节积分环节传递函数：传递函数：飞升速度飞升速度：定义输出量的最大变化速度与扰动量之比。：定义输出量的最大变化速度与扰动量之比。2。依控制对象包含容积的数目多少划分1）单容对象只包含一个容积单容对象是最简单的热工调节对象，电厂热工生产过程中单容对象是最简单的热工调节对象，电厂热工生产过程中许多储水容器，如除氧器、加热器、凝汽器等。许多储水容器，如除氧器、加热器、凝汽器等。2）多容对象包含两个或以上容积（1）有自平衡能力的多容对象： 可用一个迟延时间为的纯迟延环节和个时间常数为Tc的惯性环节近似。（2）无自平衡能力的多容对象： 可用一个迟延时间为的纯

16、迟延环节和一个积分环节近似。热工对象具有以下特点：被控量的变化大多是不振荡的；在干扰发生的开始阶段有迟延和惯性。（二）影响对象动态特性的特征参数（二）影响对象动态特性的特征参数对象的动态特性与对象的结构有关：对象的动态特性与对象的结构有关：1。容量系数：。容量系数：通常用容量系数来徇对象储存物质（能量）的能力。通常用容量系数来徇对象储存物质（能量）的能力。容量系数描述了对象抵抗扰动的能力。容量系数描述了对象抵抗扰动的能力。与动态响应快慢，飞升速度有关与动态响应快慢，飞升速度有关（T或或 ）2。阻力：。阻力：物质（或能量）在传输过程中遇到的阻力。物质（或能量）在传输过程中遇到的阻力。与自平衡能力

17、关。与自平衡能力关。 （ R或或 ）3。传递迟延。传递迟延时间上滞后现象时间上滞后现象第三节 自动调节器的动作规律及其对过渡过程的影响调节规律：调节的动态特性，即调节器的输出信号与输入信号的动态关系。一、比例规律调节器（P）1。比例规律调节器的动态特性Kp：放大系统2。调节特点动作迅速，没有迟延；总是朝着消除偏差的方向动作。保证动作方向正确；但是被调量却存在静态偏差。( )1( )( )PPU SWSKE S3。比例带对调节过程的影响 比例带：3。比例带对调节过程的影响 比例带 小：调节作用强； 比例带太小：调节阀动作过频繁，不稳定。二、积分调节规律调节器（P）1。积分规律调节器的动态特性式中

18、 Si称为积分规律调节器的积分速度； Ti，积分时间，习惯上多用积分时间来表示被调量偏差积累的快慢。 Ti 越小表示偏差积累越快，积分作用越强。Ti是积分规律调节器的整定参数。2。I调节特点能消除静态偏差。调节过程发生反复振荡。( )1( )( )IPiU SW SKE STs3。积分时间对调节过程的影响积分时间Ti愈大则调节器的积分作用愈弱，也即消除静态偏差愈弱，也即消除静态偏差愈慢。反之， Ti愈小，则积分作用愈强，消除静态偏差越快。但Ti 太小时，调节器的输出就会过分频繁地变化，甚至使调节过程产生振荡。因此对于采用比例积分调节器的系统，应适当增大比例带值。三、微分规律（D）1。微分规律调

19、节作用与偏差的变化速度成正比.( )( )( )ddU SWSK sE S( )( )dde tu tTdt2.超前调节，减小动态偏差，改善调节品质。( )( )( )1DddDKU SWST sE ST S3。微分时间对调节过程的影响。Td大则微分作用增强，调节过程的动态偏差减小；但Td大大，调节器的输出将频繁地大幅度变化，引起振荡；若Td减小则微分作用减弱，使动态偏差增大，对于迟延较大的汽温调节对象，最好采用具有微分作用的调节器，以提高调节质量。PID调节特点：P作用为主，朝着消除偏差的方向快速动作，但有静态偏差。I为辅助作用，用来消除静态偏差。D作用：提前调节，有效克服对象的惯性及迟延，

20、减小动态偏差。1。 采用P调节器的系统存在静态偏差；2。采用PI调节器的系统静态偏差消失，但动态偏差增大调节时间增加；3。而使用PID调节器，则调节质量最好，但需整定的参数最多。实际应用时，根据控制要求，不同的调节对象需采用不同的调节器。第二章 单回路及复杂控制系统一、单回路调节系统只有一个入和输出信号，反馈信号只有一个。只对被控参数进行测量并反馈到控制器的输入端。1。组成：调节器、执行器、调节机构、测量变送器和被控对象。2。工作原理系统受到扰动时，被控量与给定值产生了偏差，经控制器运算出调节信号，作用于执行器与调节机构，改变调节量，使被控量恢复为给定值。特点：结构简单，调节参数比较容易整定。对复杂对象调节效果有限。二、串级控制系统串级控制系统组成：串级控制系统组成：由主调节器