1反馈控制系统概念.ppt

1、第一章 反馈控制系统的基本概念,1-1 引言 1-2 自动控制系统的基本方式 1-3 反馈控制系统的概念 1-4 自动控制系统的性能要求 ,ST,1-1 引言,所谓自动控制，是指在没有人参与的情况下利用控制器使被控对象（即生产设备或生产过程）自动地按预定的规律运行。包括参数控制和程序控制 例如： （1）锅炉水位和压力保持在规定的范围或设定值上； （2）船舶的舵角按发出的舵令变化； （3）柴油主机的起动按规定的操作规程进行； （4）分油机的排渣过程按预定的程序进行。,ST,1-2 自动控制的基本方式,1. 开环控制系统 Fig.1-1 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

2、控制 (2)按扰动补偿进行控制 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，又称为反馈控制。,ST,1-2 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用开环控制和闭环控制。 开环控制粗调 闭环控制细调,ST,1-3 反馈控制系统的概念,ST,反馈控制系统的组成 反馈控制系统的结构方框图 反馈控制系统的分类,1. 反馈控制系统的组成,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）。 控制器（或称调节器）

3、：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（也称测量输出），送到调节器，作为反馈信号。,ST,Fig.1-5a,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

4、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。,ST,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： （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）,ST,1-4 自动控制的性

5、能指标,ST,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）,1-4 自动控制的性能指标,ST,2自动控制系统的过渡过程 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。,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： F

6、ig.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，阶跃输入对系统的工作最为不利。,1-4 自动控制的性能指标,ST,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。,1-4 自动控

7、制的性能指标,ST,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 ,1-4 自动控制的性能指标,ST,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em

8、ax；超调量；静态偏 差ys 。 fig.1-16 ,1-4 自动控制的性能指标,ST,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 ,1-4 自动控制的性能指标,ST,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）振荡次数要少,1-4

9、自动控制的性能指标,ST,fig.1-3 复合控制系统结构方框图,ST,控制 装置,执行 机构,控制 对象,反馈 装置,被控量,给定信号,+,-,前馈 装置,扰动 补偿,外部 扰动,fig.1-6 自动控制系统结构方框图,ST,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,ST,fig.1-9,ST,t,r(t),0,R,t,r(t),0,Rt,t,r(t),0,1/2Rt2,f

10、ig.1-10,fig.1-11,t,r(t),0,fig.1-13,fig.1-12,ST,r(t),0,1/h,h,h0时，称为理想的单位脉冲函数，记作(t)。,r(t),0,r(t),t,t,h0,fig.1-14 过程曲线基本类型,ST,(a),(b),(c),(d),fig.1-15 自动控制系统过渡过程曲线,ST,y,t,t,t0,y,ys,y1,y2,y3,y0,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 01，为率减振荡过程 =1，为非周期过程 最佳衰减率： =0.750.9,emax,fig.1-16 自动控制系统过渡过程曲线,ST,ts,t,t0,y,y1,y2,y3,ymax,y,y0,ys,emax,fig.1-5 电动仪表控制的主机冷却水温度控制系统,ST,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.1-5a 柴油机气缸冷却水温度手动控制过程,ST,冷却器,三通阀,淡水泵,主机,眼,脑,手,海水入口,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,ST,