第一章反馈控制系统的基础知识PPT课件.ppt
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1、第一章第一章 反反馈控制系控制系统的基的基础知知识 第一第一节 反反馈控制系控制系统的基本概念的基本概念 一、反一、反馈控制系控制系统的的组成成 例例1、辅锅炉水位自炉水位自动控制系控制系统 例例2、主机冷却水温度自、主机冷却水温度自动控制系控制系统 1.2.主机冷却水温度自主机冷却水温度自动控制系控制系统示意示意图3.(1)控制)控制对象象 控制控制对象是指所要控制的机器、象是指所要控制的机器、设备或装或装 置。把所要控制的运行参数叫做被控量。置。把所要控制的运行参数叫做被控量。在在锅炉水位自炉水位自动控制系控制系统中,中,锅炉是控制炉是控制 对象,水位是被控量。象,水位是被控量。在柴油机冷
2、却水温度自在柴油机冷却水温度自动控制系控制系统中,淡中,淡 水冷却器是控制水冷却器是控制对象,冷却水温度是被控量。象,冷却水温度是被控量。在柴油机在柴油机转速自速自动控制系控制系统中,柴油机是中,柴油机是控制控制对象,象,转速是被控量。速是被控量。4.(2)测量量单元元 测量量单元的作用:元的作用:检测被控量的被控量的实际值,并,并把它把它转换成成标准的准的统一信号,一信号,该信号叫被控量的信号叫被控量的测量量值。在气在气动控制系控制系统中,其中,其统一的一的标准气准气压信号信号是是0.020.lMPa;在;在电动控制系控制系统中,其中,其统一的一的标准准电流信号是流信号是010 mA或或42
3、0mA。在温度自在温度自动控制系控制系统中,中,测量量单元采用温度元采用温度传感器和温度感器和温度变送器;在送器;在压力自力自动控制系控制系统中,中,测量量单元采用元采用压力力传感器和感器和压力力变送器;在送器;在锅炉炉水位自水位自动控制系控制系统中,中,测量量单元采用水位元采用水位发讯器器(参考水位罐)和差(参考水位罐)和差压变送器。送器。5.(3)调节单元元 调节单元是指具有各种元是指具有各种调节作用作用规律的律的调节器。器。把运行参数所希望控制的最佳把运行参数所希望控制的最佳值叫叫给定定值,用,用 r r 表示;表示;被控量的被控量的测量量值用用 z z 表示。把被控量的表示。把被控量的
4、测量量值偏离偏离给定定值的数量叫偏差的数量叫偏差值,用,用 e e 表示表示,显然,然,e=r-z e=r-z。调节器首先接收器首先接收测量量单元送来的被控量的元送来的被控量的测量信号,量信号,并与被控量的并与被控量的给定定值相比相比较得到偏差信号,再根据偏差得到偏差信号,再根据偏差信号的大小和方向(正偏差信号的大小和方向(正偏差还是是负偏差),依据某种偏差),依据某种调节作用作用规律律输出一个控制信号,出一个控制信号,对被控量施加控制作用,被控量施加控制作用,直到偏差等于零或接近零直到偏差等于零或接近零为止。止。6.(4)执行机构行机构 执行机构的行机构的输入量是入量是调节单元元输出的控出的
5、控制信号,制信号,执行机构的行机构的输出量是出量是调节阀的开度。的开度。调节单元元输出的控制信号出的控制信号经执行机构直接改行机构直接改变调节阀的开度,从而可改的开度,从而可改变流入控制流入控制对象象物物质或能量流量,使之能符合控制或能量流量,使之能符合控制对象象负荷荷的要求,被控量会逐的要求,被控量会逐渐回到回到给定定值或或给定定值附近。附近。7.以上四个基本以上四个基本单元在元在组成反成反馈控制系控制系统中是中是缺一不可的。但缺一不可的。但对于一个完整的反于一个完整的反馈控制系控制系统,一般一般还设有有显示示单元,用来指示被控量的元,用来指示被控量的给定定值和和测量量值。同。同时,对气气动
6、控制系控制系统来来说,应设有有气源装置和定气源装置和定值器;器;对电动控制系控制系统尚需尚需设稳压电源等源等辅助装置助装置8.二、自二、自动控制系控制系统传递方框方框图9.(1)环节 任何任何环节输出量的出量的变化取决于化取决于输入量的入量的变化及化及环节的特性,而的特性,而输出量的出量的变化不会影化不会影响响输入量。入量。(2)扰动 引起被控量引起被控量变化的一切因素称化的一切因素称为扰动或或扰动量,量,扰动可分可分为两两类:外部:外部扰动、基本、基本扰动。10.(3)闭环系系统 反反馈控制系控制系统必定是必定是闭环系系统。(4)反)反馈 被控量的被控量的变化化经测量量单元又反送到元又反送到
7、调节器的器的输入端,入端,这个个过程叫反程叫反馈。正反正反馈是指是指经反反馈能加能加强闭环系系统输入效入效应,即使偏差即使偏差e增大。增大。负反反馈是指是指经反反馈能减弱能减弱闭环系系统输入效入效应,即使偏差即使偏差e减小。减小。11.三、反三、反馈控制系控制系统的分的分类按按给定定值的的变化化规律分律分类方法:方法:1、定、定值控制系控制系统 系系统的的给定定值是恒定不是恒定不变的,的,为某个确某个确定定值,则该系系统称称为定定值控制系控制系统。例如例如锅炉水位与蒸汽炉水位与蒸汽压力控制系力控制系统,柴,柴油机气缸冷却水温度控制系油机气缸冷却水温度控制系统,燃油粘度控,燃油粘度控制系制系统,
8、发电机的原机的原动机机转速控制系速控制系统等都等都属于定属于定值控制系控制系统。12.2、程序控制系、程序控制系统 系系统的的给定定值是是变化的,而且是按人化的,而且是按人们事事先安排好的先安排好的规律律进行行变化,化,则该系系统称称为程序程序控制系控制系统。例如船舶主机遥控系例如船舶主机遥控系统中的中的转速控制,其速控制,其给定定值就是按就是按车钟设定定转速的速的预定定发送速率送速率规律而律而变化的。化的。13.3、随、随动控制系控制系统 系系统的的给定定值是任意是任意变化的,且化的,且变化化规律律是事先无法确定的系是事先无法确定的系统,则该系系统称称为随随动控控制系制系统。例如自例如自动舵
9、的随舵的随动操舵系操舵系统,其舵角,其舵角给定定值完全取决于当完全取决于当时的航行情况。的航行情况。14.四、自四、自动控制系控制系统的的动态过程程 1、动态过程特点程特点 系系统从受到从受到扰动开始到被控量开始到被控量稳定在新定在新稳态值,系系统达到新的平衡状达到新的平衡状态的的过程,也就是被控量随程,也就是被控量随时间的的变化化规律,称律,称为动态过程(程(过渡渡过程)。程)。15.2、评定控制系定控制系统动态过程品程品质的指的指标 反反馈控制系控制系统的的扰动形式是随机的,形式是随机的,很很难用一个数学表达式来精确地描述,用一个数学表达式来精确地描述,但可以但可以归纳为四种四种扰动形式:
10、形式:阶跃形式、形式、线性形式、性形式、脉冲形式、脉冲形式、正弦形式。正弦形式。16.为了便于分析和研究反了便于分析和研究反馈控制系控制系统的性能,的性能,通常以通常以阶跃信号作信号作为系系统的的给定定值或或扰动,因,因为阶跃信号是反信号是反馈控制系控制系统一种最常一种最常见的的输入信号,入信号,而且不而且不论是作是作为给定定值或者或者扰动量,量,对系系统是最是最严重的冲重的冲击,最容易引起系,最容易引起系统发生不平衡状生不平衡状态17.在在阶跃信号信号输入入时,被控量,被控量变化的化的动态过程程有以下四种:有以下四种:(1)发散振散振荡过程程 (2)等幅振)等幅振荡过程程 (3)单调过程(非
11、周期程(非周期过程)程)(4)衰减振)衰减振荡过程程18.19.20.(1)稳定性指定性指标 对于定于定值控制系控制系统可用可用衰减率衰减率表示,表示,=AB/A 0 发散振散振荡过程,程,0 1 衰减振衰减振荡过程程 =0 等幅振等幅振荡过程,程,=1 非周期非周期过程程 一般希望一般希望=0.75=0.750.90.921.对于改于改变给定定值的控制系的控制系统可用超可用超调量量p 表示表示:n=YmaxY()/Y()100%一般要求一般要求 30%22.振振荡次数次数 N,一般要求,一般要求2 3次。次。(2)准确性指)准确性指标 最大最大动态偏差偏差 e emax、静、静态偏差偏差(3
12、)快速性指)快速性指标 过渡渡过程程时间 ts s、振振荡周期周期TW23.第二第二节 调节器的作用器的作用规律律 一、双位式一、双位式作用作用规律律 1 1、双位式作用、双位式作用规律的概念律的概念 例:例:辅锅炉水位浮子式双位控制系炉水位浮子式双位控制系统24.水位的水位的动态过程程25.2、压力力调节器(器(压力开关)力开关)26.幅差:幅差:被控量(被控量(压力)上、下限之力)上、下限之间的差的差值。幅差幅差调整:整:通通过改改变给定定弹簧的簧的预紧力可力可调整整压力的下限力的下限值Px,通,通过改改变幅差幅差弹簧的簧的预紧力力可可调整整压力的上限力的上限值Pz。幅差的幅差的计算公式:
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