第一章反馈控制系统的基础知识

在阶跃信号输入时，被控量变化的动态过程 有以下四种： （1）发散振荡过程 （2）等幅振荡过程 （3）单调过程（非周期过程） （4）衰减振荡过程
（1）稳定性指标 对于定值控制系统可用衰减率ψ 表示，
ψ = A−B/ A ψ ＜0 发散振荡过程， 0 ＜ ψ ＜1 衰减振荡 过程 ψ =0 等幅振荡过程， ψ =1 非周期过程 一般希望ψ =0.75～0.9
（2）测量单元 测量单元的作用：检测被控量的实际值，并 把它转换成标准的统一信号，该信号叫被控量的 测量值。 在气动控制系统中，其统一的标准气压信号 是0.02～0.lMPa；在电动控制系统中，其统一的 标准电流信号是0～10 mA或4～20mA。 在温度自动控制系统中，测量单元采用温度 传感器和温度变送器；在压力自动控制系统中， 测量单元采用压力传感器和压力变送器；在锅炉 水位自动控制系统中，测量单元采用水位发讯器 （参考水位罐）和差压变送器。
（3）调节单元
调节单元是指具有各种调节作用规律的调节器。 把运行参数所希望控制的最佳值叫给定值，用 r 表示； 被控量的测量值用 z 表示。把被控量的测量值偏离给 定值的数量叫偏差值，用 e 表示,显然，e = r - z 。 调节器首先接收测量单元送来的被控量的测量信号， 并与被控量的给定值相比较得到偏差信号，再根据偏差 信号的大小和方向（正偏差还是负偏差），依据某种调 节作用规律输出一个控制信号，对被控量施加控制作用， 直到偏差等于零或接近零为止。
对一个实际控制系统来说，要根据控制对象的特 性，调定合适的比例带PB，以保证一个控制系统 具有最佳的动态过程。 在调节器上装有比例带调整旋钮，用来设定比例 带。比例带的可调范围，对不同类型的调节器不 尽相同，一般是在5％～300％之内。 4、比例调节作用的特点： 比例调节对被控量的控制比较及时，但是系 统存在静态偏差。K大，静态偏差越小。
显然，比例带PB与放大倍数成反比。
3、比例带大小对控制系统动态过程的影响
当组成控制系统的控制对象确定以后，比例带PB的 大小，对控制系统动态过程品质好坏起着决定性的影响。 若比例带PB增大，使比例作用减弱，系统动态过程 稳定性提高，即衰减率φ 增大，但最大动态偏差emax增 大，过渡过程时间ts加长，静态偏差ε增大。 若比例带PB选定太小，比例作用很强，有一点偏 差e调节阀开度的变化量就很大，相对扰动来说，调节 阀开度的变化量会过头，造成被控量的大起大落，系统 的振荡倾向明显增大，降低了系统的稳定性。同时，由 于被控量的振荡不息，会加长过渡过程时间ts。
二、比例作用规律（P作用规律） 1、定义及数学表达式 调节器的输出变化 量与输入偏差成比例
2、比例带PB（δ ）的概念 比例带PB或比例度δ 是指调节器的相对输入 量与相对输出量之比的百分数
式中：e是被控量的变化量（偏差值），ΔXmax。 是被控量允许变化的最大范围，叫全量程。 被控量的变化量与全量程的比值e/ΔXmax是调节器 的相对输入量。P是调节阀开度的变化量，Pmax是 调节阀开度的最大变化量，即调节阀从全关到全开 或全开到全关叫全行程，调节阀开度变化量与全行 程的比值P/Pmax是调节器的相对输出量。 R＝Pmax/ΔXmax叫量程系数，在单元组合仪表 中，R＝1。这样，
2、评定控制系统动态过程品质的指标 反馈控制系统的扰动形式是随机的， 很难用一个数学表达式来精确地描述， 但可以归纳为四种扰动形式： ① 阶跃形式、② 线性形式、③脉冲形式、 ④正弦形式。
为了便于分析和研究反馈控制系统的性能， 通常以阶跃信号作为系统的给定值或扰动，因为 阶跃信号是反馈控制系统一种最常见的输入信号， 而且不论是作为给定值或者扰动量，对系统是最 严重的冲击，最容易引起系统发生不平衡状态




给比例微分调节器施加一个阶跃的偏差输入信号 后，它首先有一个阶跃的比例加微分的输出，然 后微分输出逐渐消失，最后消失在比例输出上。 微分时间Td表示微分输出消失的快慢，或微分输 出保留得时间长短。若Td大，说明微分作用消失 慢，或微分作用保留时间长，则微分作用强。若 Td小，说明微分作用消失得快，或微分作用保留 时间短，则微分作用弱。因此，微分时间Td的大 小，是衡量微分作用强弱的参数。 如果把微分时间旋钮调整到Td=0，相当于切除微 分作用，这时调节器就成为纯比例调节器。 在比例微分调节器中，加进微分作用后，其比例 带PB可比纯比例控制的比例带PB小一点。
3、随动控制系统 系统的给定值是任意变化的，且变化规律 是事先无法确定的系统，则该系统称为随动控 制系统。 例如自动舵的随动操舵系统，其舵角给定 值完全取决于当时的航行情况。
四、自动控制系统的动态过程
1、动态过程特点 系统从受到扰动开始到被控量稳定在新稳态值， 系统达到新的平衡状态的过程，也就是被控量随时间 的变化规律，称为动态过程（过渡过程）。
三、反馈控制系统的分类 按给定值的变化规律分类方法： 1、定值控制系统 系统的给定值是恒定不变的，为某个确 定值，则该系统称为定值控制系统。 例如锅炉水位与蒸汽压力控制系统，柴 油机气缸冷却水温度控制系统，燃油粘度控 制系统，发电机的原动机转速控制系统等都 属于定值控制系统。
2、程序控制系统 系统的给定值是变化的，而且是按人们事 先安排好的规律进行变化，则该系统称为程序 控制系统。 例如船舶主机遥控系统中的转速控制，其 给定值就是按车钟设定转速的预定发送速率规 律而变化的。
第一章 反馈控制系统的基础知识
第一节 反馈控制系统的基本概念
一、反馈控制系统的组成
例1、辅锅炉水位自动控制系统
例2、主机冷却水温度自动控制系统
主机冷却水温度自动控制系统示意图
（1）控制对象 控制对象是指所要控制的机器、设备或装 置。把所要控制的运行参数叫做被控量。 在锅炉水位自动控制系统中，锅炉是控制 对象，水位是被控量。 在柴油机冷却水温度自动控制系统中，淡 水冷却器是控制对象，冷却水温度是被控量。 在柴油机转速自动控制系统中，柴油机是 控制对象，转速是被控量。

1、微分作用规律（D作用规律） 调节器的输出量与输入偏差的变化速度成比例
2、微分作用的特点：
具有超前控制作用，能及时克服扰动，被控量 不会出现较大的偏差，可以提高系统的稳定性，缩 短过渡过程时间，改善系统的动态性能但不能消除 系统的静态偏差。 微分作用多用于对象时间常数较大的系统。
3、比例微分作用规律的定义及表达式
对于改变给定值的控制系统可用超调量ζ

p
表示:
ζ
р
= Ymax−Y（∞）/
Y（∞）×100%
一般要求ζр ＜30%
振荡次数 N，一般要求2 ～ 3次。 （2）准确性指标 最大动态偏差 emax 、静态偏差ε
（3）快速性指标
过渡过程时间 ts 、 振荡周期TW
第二节 调节器的作用规律 一、双位式作用规律 1、双位式作用规律的概念 例：辅锅炉水位浮子式双位控制系统
e
0
t C B
p K
t
输出特性
4、积分时间对系统动态过程的影响


在整定Ti值时，切忌把Ti值整 定太小，否则由于积分作用太 强，系统动态过程振荡激烈， 被控量长时间稳定不下来。 如果Ti值不能进行准确地整定， 那么选取Ti值时，要宁大勿小。 Ti值偏大一些，积分作用偏弱， 只是消除静态偏差的时间稍长 一些。积分时间Ti的整定范围 是在3 s至20 min之内。控制对 象惯性大的控制系统，选取Ti 值要大一些。控制对象惯性小 的控制系统，选取Ti值可小一 些。
4、微分时间对系统动态过程的影响
五、比例积分微分作用规律（PID作用规律）

1、比例积分微分作用规律的定义及表达式

2、对系统动态过程的影响 微分作用对干扰信号 非常敏感，因此液位控 制系统不能采用微分。



在使用中，往往把积分时间Ti整定得比微分时间 Td长，它们之间的关系大致为 Ti＝（4～5）Td。 在比例积分微分调节器中，如果把积分时间整定 为Ti→∞；把微分时间整定为Td＝0，则相当于切 除积分和微分作用，成为纯比例作用调节器。 若调节器用于控制系统对被控量的稳态精度要求 很高的情况，调节器中要加进积分作用。若控制 系统中控制对象惯性较大时，调节器应加进微分 作用。加进微分作用后，原来整定的比例带PB和 积分时间Ti都可以减小一点，这样既能减小最大 动态偏差，保证系统的稳定性，又能加快系统的 反应速度，使过渡过程时间ts进一步缩短，从而 充分发挥三种作用规律的优点。

三、比例积分作用规律（PI作用规律）

1、积分作用规律（I） 调节器的输出量与输入偏差对时间的积累成比例
2、积分作用的特点： 控制作用很不及时，容易使被控量超调和 振荡。与纯比例调节相比较，使系统最大动态 偏差增大，稳定性下降，过渡过程时间变长。 优点是能够消除系统的静态偏差
e
0
t
p
a
b
0
t
3、比例积分作用规律定义及表达式
e
0
t C B
积分时间的测定：
p Ke
0
Ti
图 1-3-6
A
比例积分调节器
t
输出特性
当时间进行到t=Ti时， P（t）＝2 Ke，即PI调节 器的输出是比例输出的两 倍，也就是积分输出等于 比例输出，BC=AB。 由此可见，积分时间Ti的 物理意义是，在给PI调节 器输入一个阶跃偏差信号 时，积分输出等于比例输 出所需的时间就是积分时 间Ti。Ti越小，积分输出 达到比例输出的时间越短， 积分作用越强。
水位的动态过程
2、压力调节器（压力开关）
幅差：被控量（压力）上、下限之间的差值。 幅差调整：通过改变给定弹簧的预紧力可调整 压力的下限值Px，通过改变幅差弹簧的预紧力 可调整压力的上限值Pz。 幅差的计算公式： ΔＰ=0.07+（0.25－0.07)•X /10 X是幅差旋纽(幅差螺钉)的刻度 调大幅差弹簧与主杠杆上作用螺钉之间的间 隙,则上限值减小,下限值不变,幅差减小。