第一章反馈控制系统的基本概念

1、第一章 反馈控制系统的基本概念1-1 自动控制系统的基本方式1-2 反馈控制系统的概念1-3 自动控制系统的性能要求 返回目录返回目录1-1 自动控制的基本方式1. 开环控制系统 控制系统的输出对系统的控制作用没有影响。 (1)按给定值进行控制 Fig.1-1a (2)按扰动补偿进行控制 Fig.1-1b 2闭环控制系统 Fig.1-2 控制系统的输出对系统的控制作用有影响，即控制器的输出作用于控制对象，控制对象的输出（系统的输出）将送回到控制器，控制器根据偏差进行控制。因此，又称为反反馈控制馈控制。 返回返回本章本章1-1 自动控制的基本方式3复合控制 Fig.1-3 在一个控制系统中同时采

2、用开环控制和闭环控制。 开环控制粗调 闭环控制细调返回本节返回本节1-2 反馈控制系统的概念1. 反馈控制系统的组成2. 反馈控制系统的结构方框图3. 反馈控制系统的分类返回本章返回本章1. 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. 控制器（或称调节器）：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。偏差=设定值测量值3. 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。4. 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

3、称测量输出），送到调节器，作为反馈信号。Fig.1-5a返回本节返回本节2. 反馈控制系统的结构框图特点： （1）信号传递的单向性；（2）闭合回路（闭环系统）；（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。 Fig.1-6 若控制单元、测量单元和执行单元合为一体，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。返回本节返回本节3. 反馈控制系统的分类1. 按给定值的形式： （1）定值控制；（2）程序控制；（3）随动控制。2. 按动作方式： （1）连续控制；（2）断续控制（双位控制或多位控制）3. 按控制精度

4、： （1）有差调节；（2）无差调节4. 按变量数： （1）单变量控制；（2）多变量控制5. 按系统性质： （1）线性控制系统；（2）非线性控制系统6. 按应用理论： （1）基于经典理论的控制； （2）基于现代控制理论的控制（最优控制、自适应控制）； （3）智能控制（模糊、神经、专家、自学习控制）返回本节返回本节1-3 自动控制的性能要求1自动控制系统的稳态和动态 稳态被控量不随时间而变化的平衡状态（也称静态） 动态被控量随时间而变化的不平衡状态（也称瞬态） 稳态（平衡） 动态过程扰动变化平衡破坏控制作用克服扰动影响新稳态（平衡）返回本章返回本章1-3 自动控制的性能要求2自动控制系统的过渡过程

5、 自动控制系统在动态过程中被控量随时间而变化的过程，或者说是从一个平衡态过渡到另一个平衡态的过程。Fig.1-8 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 Fig.1-14 （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。返回本节返回本节3自动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： Fig.1-9 （2）速度输入 ： Fig.1-10 （3）加速度输入： Fig.1-11 （4）脉冲输入： Fig.1-12 （5）正弦输入： Fig.1-13 其中，阶跃输入对系统

6、的工作最为不利。1-3 自动控制的性能要求)0( 0)0( )(ttRtr)0( 0)0( )(ttRttr)0( 0)0( 21)(2ttRttr), 0( 0)0( 1)(htththtrtAtr sin)(返回本节返回本节4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。 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）准确性；（3）快速性。 1-3 自动控制的性

7、能要求返回本节返回本节4自动控制系统过渡过程的性能要求 1）过渡过程评定指标 （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，至少要求是率减过程或非周期过程，以率减为佳。评定指标：衰减率 ，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； fig.1-15（b）随动控制系统：假定外部扰动不变，给定值阶跃变化。 fig.1-16 返回本节返回本节1-3 自动控制的性能要求4自动控制系统过渡过程的性能要求 （2）准确性：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ys fig.1-15 （b）随动控制系统：最大动态偏差e

8、max；超调量；静态偏 差ys 。 fig.1-16 1-3 自动控制的性能要求返回本节返回本节4自动控制系统过渡过程的性能要求 （3）快速性： 评定指标：过渡过程时间 ts从扰动发生到被控量又重新 趋于稳定达到新的平衡态所需的时间 此外还有振荡频率、振荡次数等 fig.1-15 fig.1-16 1-3 自动控制的性能要求返回本节返回本节4自动控制系统过渡过程的性能要求 3）过渡过程的性能指标的要求： （1）定值控制： （a）动态偏差和静态偏差要小； （b）衰减率最好在0.750.9之间； （c）过渡过程时间要短 （2）随动控制： （a）超调量要小； （b）过渡过程时间要短； （c）振荡次数

9、要少1-3 自动控制的性能要求返回本节返回本节图1-1 液位开环控制系统示意图Q1V2Q2V1HF+E控制器电动机图1-1 液位开环控制系统示意图Q1V2Q2V1HF控制器电动机Q1V2Q2V1HF+E+E浮子浮子控制器电动机图1-2 液位控制闭环系统示意图Q1V2Q2V1HF+E+E浮子浮子控制器电动机图1-3 液位复合控制系统示意图控制器控制器 fig.1-5a 柴油机气缸冷却水温度手动控制过程冷却器冷却器三通阀三通阀淡水泵淡水泵主机主机眼眼脑脑手手海水入口海水入口海水出口海水出口手动控制过程Fig.1-5b fig.1-5b 柴油机气缸冷却水温度自动控制过程冷却器冷却器三通阀三通阀淡水泵

10、淡水泵主机主机手手海水入口海水入口海水出口海水出口自动控制过程温度变送器温度变送器调节器调节器执行机构执行机构Fig.1-5 fig.1-5 电动仪表控制的主机冷却水温度控制系统温度变送器控制器伺服放大器执行器蝶阀机构温度传感器 fig.1-6 自动控制系统结构方框图控制单元执行单元控制对象测量单元p(t)q(t)y(t)b(t)r(t)e(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f(t) fig.1-8 自动控制系统过渡过程曲线yt平衡状态过渡过程平衡状态 fig.1-14 过程曲线基本类型(a)(b)(c)(d) fig.1-9tr(t)0Rtr(t)0Rttr(t)01/2Rt2fig.1-10fig.1-11tr(t)fig.1-13 fig.1-12r(t)01/hhh0时，称为理想的单位脉冲函数，记作(t)。r(t)0r(t)tth0 fig.1-15 自动控制系统过渡过程曲线yttt0yysy1y2y3y0131311yyyyy根据衰减率 的大小可以判定过渡过程的性质： 0，为发散振荡过程 =0，为等幅振荡过程0 1，为率减