第10讲 单回路控制系统原理分析

一自动控制系统的基本作用
1稳态
稳态也称为平衡状态，指控制系统的被调量稳定在某一确定的数值或在一定的范围内波动。

当系统处于稳态时，具有以下特点：
(1) 调节器的输出为常数，不随时间发生变化；
(2) 调节机构（调节阀门或挡板）保持一定的开度不发生变化；
(3) 被调量稳定在某一确定的数值；
当系统处于平衡状态时，控制系统的主要作用是保持被调量稳定在某一确定的数值上。

当系统处于稳态时，最关心的是系统的稳态误差e ss，稳态误差e ss常用来描述系统的稳态性能。

2动态
系统在t0前处于平衡状态，假设在t0时刻扰动作用于系统，则系统原来的平衡状态就被破坏，被调量在扰动的作用下就会偏离原先的稳态值而随时间发生变化，系统进入动态，这时被调量的变化导致调节器输入端的偏差信号随之发生变化，调节器输出的调节信号也发生变化，通过执行器对被调量进行调节，直到被调量重新达到一个稳定的数值，系统进入另一个平衡状态。

可见，系统的动态实质是一个动态过渡过程，是系统从一个平衡状态到另一个平衡状态的过渡状态。

当系统处于动态时，调节器的输出、系统的被调量都随时间发生变化，通常在分析系统时，要绘制被调量随时间的变化特性曲线，称该特性曲线为系统的调节特性曲线或动态过渡过程曲线。

可以由系统的动态过渡过程曲线求得描述系统调节品质的一系列性能指标（例如调节时间t s、上升时间t r、最大超调量δp%、衰减率ψ等），从而对系统的动态性能进行分析。

需要注意的是，一个控制系统的输入信号基本可以分为两类，即定值输入和扰动输入。

两种输入信号发生变化时都会引起被调量发生变化，使得系统进入动态过渡过程。

当给定值发生变化时，系统的作用表现为被调量跟踪给定值的能力；而当扰动发生变化时，系统的作用表现为被调量克服扰动的能力。

图2－4给出了系统的动态过渡过程曲线（横坐标轴为时间轴，纵坐标轴为被调量）。

系统在t 0时刻前处于稳态,被调量为一稳定值c 1,在t 0时刻扰动作用于系统引起被调量发生变化，系统进入动态过渡过程，经过时间Δt=t 1- t 0，系统又在t 1时刻重新达到一个新的平衡状态，被调量稳定在一稳定值c 2。

t 0
t 1 0 C (t)
图2－4 系统的动态过渡过程曲线 C 1
C 2
系统处于动态时，具有以下特征：
(1) 调节器输出的调节信号随时间发生变化；
(2) 调节机构在执行器的操纵下开度发生变化，去改变调节量的大小，对被调量进行调节；
(3) 被调量随时间波动、变化，无法稳定在某一个确定的数值上；
二 单回路控制系统的工作原理分析
结合前面讲的单回路汽包水位控制系统实例来分析单回路控制系统的工作原理。

主要讨论当扰动作用于系统时，控制系统是如何克服扰动，对被调量进行调节，使系统重新达到一个新的稳态。

由图2－3可绘制单回路汽包水位控制系统方框图如图2－5所示。

H i g
扰动
图2—5 单回路汽包水位控制系统方框图 +
- i h Δe i u Δf
W r (s ) K Z W o b (s )
K f K m
图中，W r (s)——调节器的传递函数；
K Z 、K f ——分别为执行器、调节机构的特性系数；
W ob (s)——对象的传递函数；
K m ——测量变送器的变送系数；
i g ——被调量的给定值信号(mA)；
i h ——水位的测量变送信号(mA)；
i u——调节器输出的调节信号(mA)；
Δf——给水调节阀门的开度（％）；
设系统在在t0时刻前处于稳态，在t0时刻扰动作用于系统使得汽包水位升高（例如：蒸汽流量D发生反向的阶跃扰动），偏离给定值，平衡状态被打破。

系统的调节过程：扰动作用D↓H↑
H↑→i h↑→Δe=( i g- i h)↓→i u↓→Δf↓→W↓→H↓经过一定时间的调节H=稳定的数值
分析：在扰动蒸汽流量D作用下，使得水位H升高；水位的测量变送信号i h增加，导致进入调节器的偏差信号Δe减小，从而调节器输出的调节信号减小，通过执行器改变给水调节阀门开度，使阀门开度Δf关小，给水流量W减小，汽包水位H下降，克服扰动，如此不断进行调节，最终使得汽包水位稳定在某个数值上，系统重新达到平衡状态。