第一章反馈控制系统的基本概念(武汉理工大大学,轮机工程,汤旭晶)

§1-4 自动控制系统的性能要求
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Δys fig.1-15 ◎ （b）随动控制系统：最大动态偏差emax；超调量σ；静态偏 差Δys 。 fig.1-16 ◎
§1-4 自动控制系统的性能要求 4．自动控制系统过渡过程的性能要求
Fig.1-2
N HC
主要特点为： ① 闭环负反馈控制，即按偏差调节； ② 抗扰性好，控制精度高； ③ 系统参数要适当选择，否则可能不能正常工作。
§1-2 自动控制的基本方式
3.复合(compound)控制系统 为了提高系统的快速性和精度，除了主反馈回路以外前 置滤波或扰动补偿装置，这种开环与闭环结合的系统称为复 合控制系统。 开环控制——粗调 闭环控制——细调 Fig.1-3
§1-3 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◎
§1-3 反馈控制系统的概念 1.反馈控制系统的组成
Fig.1-4
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），冷却水温度。 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（也称测量输出），送到调节器，作为 反馈信号。
§1-4 自动控制系统的性能要求 4．自动控制系统过渡过程的性能要求 过渡过程评定指标: 闭环系 统稳定 是前提
（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，至少要求是衰减过程或非周期过程，以衰减为佳。 评定指标：衰减率 φ，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 ◎
第一章 反馈控制系统的基本概念
本章的基本要求
掌握自控系统的基本概念、系统组成和各组成环节 的作用, 正确画出系统的原理方框图; 了解自控系统的分类和特点; 掌握负反馈在自控系统中的作用; 环控制与闭环控制的区别； 明确对控制系统的基本要求。 明确开
§1-1 引言
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 (指生产设备或生产过程）自动地按预定的规律运行。 发展：机械化 →电气化时代→自动化、信息化、智能化 控制理论的发展：(工程控制论） 1、经典控制理论
§1-4 自动控制系统的性能要求 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。
fig.1-14◎
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。
轮机自动化基础
主讲： 汤 旭 晶
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轮机自动化基础
第一章 反馈控制系统的基本概念 第二章 自动控制系统的数学模型 第三章 控制对象的动态特性 第四章 时域分析法 第五章 频率特性法 第六章 控制器作用规律
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第一章 反馈控制系统的基本概念
§1-1 §1-2 §1-3 §1-4
引言◎ 自动控制系统的基本方式◎ 反馈控制系统的概念◎ 自动控制系统的性能要求 ◎
过渡过程(transient)：指自动控制系统在动态中被控量随时间的 变化过程。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.反馈控制系统的分类
1. 按给定值的形式： （a）定值控制；（b）程序控制；（c）随动控制。 2. 按动作方式： （a）连续控制；（b）断续控制（双位控制或多位控制） 3. 按控制精度： （a）有差调节；（b）无差调节 4. 按变量数： （a）单变量控制；（b）多变量控制 5. 按系统性质： （a）线性控制系统；（b）非线性控制系统 6. 按应用理论： （a）基于经典理论的控制； （b）基于现代控制理论的控制（最优控制、自适应控制）； （c）智能控制（模糊、神经、专家、自学习控制）
fig.1-15
t0
最佳衰减率： φ=0.75~0.9
自动控制系统过渡过程曲线
emax y0 t0
y
y1
ymax y2
y3
Δ
Δys y∞
t
ts y1 y3 y3 ymax y () 1 100% y1 y1 y ( )
fig.1-16 自动控制系统过渡过程曲线
§1-4 自动控制系统的性能要求
过渡过程的性能指标的要求(总结）：
（1）定值控制： （a）动态偏差和静态偏差要小； （b）衰减率最好在0.75~0.9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
随着自动控制的发展，提出了一些更高的性能要求，如：
y
t 平衡状态 平衡 状态 fig.1-8 过渡过程 自动控制系统过渡过程曲线
r(t)
r(t) Rt R
0
fig.1-9
t
0
fig.1-10
t
r(t) 1/2Rt2
r(t) 0
0
fig.1-11
t t
fig.1-13
r(t) 1/h h→0
r(t) r(t)→∞
0
h
t
0
t
h→0时，称为理想的单位 脉冲函数，记作δ(t)。
（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。 系统响应过程达到不再超过稳态值的容许误差时间（通常取 △为稳态值的5%或2%），所需的最小时间，也称为暂态时间或回 复时间。 此外还有振荡频率、振荡次数等 fig.1-15 ◎ fig.1-16 ◎
主机出口 控制器 冷却器 温度变送器
海水
fig.1-4
电动仪表控制的主机冷却水温度控制系统
眼
手动控制过程：
温度计 主机
脑
淡水泵 三通阀
手
海水入口
冷却器
海水出口
Fig.1-4b◎
fig.1-4a
柴油机气缸冷却水温度手动控制过程
自动控制过程：
温度变送器
温度传感器 主机
调节器 淡水泵 三通阀 执行机构
§1-1 引言
用于船舶推进器中 的离心式调速器
§1-1 引言
wenku.baidu.com
用于船舶推进器的电子 式调速器
§1-2 自动控制的基本方式
自动控制系统=控制器+控制对象 Automatic Control Systems = Controller+plant 1.开环控制系统(open-loop) 控制系统的输出量对系统的控制作用没有任何影响。 ⑴按给定值控制（测量给定值） ⑵按扰动补偿（测量破坏系统正常运行的扰动） Fig.1-1
1 2 (t 0) Rt r (t ) 2 （3）加速度输入： (t 0) 0 1 （4）脉冲输入： (0 t h ) r (t ) h (t 0, t h) 0
Fig.1-11◎ Fig.1-12◎
（5）正弦输入： r (t ) A sin t Fig.1-13◎ 其中，阶跃输入对系统的工作最为不利。
§1-3 反馈控制系统的概念 2.反馈控制系统的结构框图
特点: ①信号传递单向性 ； 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.1-5
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。
§1-4 自动控制系统的性能要求 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：
R （1）阶跃输入： r (t ) 0 Rt （2）速度输入 ：r (t ) 0 (t 0) (t 0) (t 0) (t 0)
Fig.1-9◎ Fig.1-10 ◎
fig.1-2 液位控制闭环系统示意图
V2
+E
Q2
浮子
H 电动机 控制器 +E Fig.1-2 液位控制闭环系统示意图 F
V1 Q1
前馈 装置 +控制 装置
扰动 补偿 执行 机构 反馈 装置 fig.1-3 复合控制系统结构方框图
外部 扰动
给定 信号
控制 对象
被控量
蝶阀机构 伺 服 放 大 器 执行器 温度传感器 主机入口
1、鲁棒性，指系统对环境的干扰和不确定性等诸因素的不敏感程度。 2、适应性，指系统具有适应被控过程或对象动力学变化、环境变化和 运行条件变化的能力。 3、容错性，指系统能够鉴别各类故障，并予以屏蔽，甚至还有修复的 能力。 4、实时性，指系统具有实时在线响应的能力。
第一章 反馈控制系统的基本概念
本章的基本要求
§1-1 引言
3、智能控制技术
60年代中期开始发展 专家系统 模糊控制 神经网络
4、正在发展的各个领域
自适应控制 大系统理论 H∞鲁棒控制 非线性控制（微分几何，混沌，变结构）
自动控制发展的历程(王广雄教授) 百家讲坛录像
§1-1 引言
人们普遍认为 最早应用于工业过 程的自动反馈控制 器, 是James Watt 于1769年发明的飞 球调节器，它被用 来控制蒸汽机的转 速。后来此机械装 置被广泛应用。
§1-2 自动控制的基本方式
2.闭环控制系统(closed-loop)
指控制器与控制对象之间既有顺向作用又有反向联系的控制过程， 既控制系统的输出量对系统的控制作用有影响，即反馈(feedback)。因 此，又称为反馈控制。 闭环系统实质：通过偏差消除偏差
Hr △H 转换装置 电动机 减速器 进水阀 水箱
手
冷却器
海水出口 海水入口
Fig.1-4◎
fig.1-4b
柴油机气缸冷却水温度自动控制过程
f(t) r(t) +e(t) b(t) 测量 单元 fig.1-5 自动控制系统结构方框图 控制 单元 p(t) 执行 单元 q(t) 控制 对象 y(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
fig.1-12
(a)
(b)
(c)
(d)
fig.1-14 过程曲线基本类型
y
y1
emax y3 y2
Δys y∞
t
根据衰减率 φ的大小可 以判定过渡过程的性质： φ <0，为发散振荡过程 φ =0，为等幅振荡过程 0<φ<1，为衰减振荡过程 φ =1，为非周期过程
y0
y1 衰减比：N y3
ts y1 y3 y3 1 y1 y1
40－50年代形成 (Single-input &.Single-output system) 基于：二战军工技术 目标：反馈控制系统的镇定 基本方法：传递函数，频率法，PID调节器 (频域)
2、现代控制理论
60－70年代形成 (Multi-input &.Multi-output system) 基于： 冷战时期空间技术，计算机技术 目标：最优控制 （时域） 基本方法：状态方程
掌握自控系统的基本概念、系统组成和各组成环节 的作用, 正确画出系统的原理方框图; 了解自控系统的分类和特点; 掌握负反馈在自控系统中的作用; 明确开环 控制与闭环控制的区别； 明确对控制系统的基本要求。
fig.1-1 液位控制系统示意图
V2 Q2
H F
V1 Q1
Fig.1-1 液位控制系统示意图
§1-4 自动控制系统的性能要求 1.自动控制系统的稳态与动态
稳态(Static)：被控量不随时间变化的平衡状态。（静态） 动态(dynamic)：被控量随时间变化的不平衡状态。（瞬态） 自动控制过程： 稳态（平衡）
扰动变化 平衡破坏
动态过程
控制作用 克服扰动影响
新的稳态（平衡）
Fig.1-4b
§1-4 自动控制系统的性能要求 2.自动控制系统的过渡过程