第1章反馈控制系统的基础知识

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 。
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
（3）闭环系统 反馈控制系统必定是闭环系统。
（4）反馈 被控量的变化经测量单元又反送到调节器的
输入端,这个过程叫反馈。 正反馈是指经反馈能加强闭环系统输入效应，
即使偏差e增大。 负反馈是指经反馈能减弱闭环系统输入效应，
即使偏差e减小。
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
以上四个基本单元在组成反馈控制系统中是 缺一不可的。但对于一个完整的反馈控制系统,一 般还设有显示单元，用来指示被控量的给定值和 测量值。同时，对气动控制系统来说，应设有气 源装置和定值器；对电动控制系统尚需设稳压电 源等辅助装置
二、自动控制系统传递方框图
（1）环节 任何环节输出量的变化取决于输入量的 变化及环节的特性,而输出量的变化不会影响 输入量。 （2）扰动 引起被控量变化的一切因素称为扰动或 扰动量， 扰动可分为两类：外部扰动、基本 扰动。
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）。
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
例：辅锅炉水位浮子式双位控制系统
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。
对于改变给定值的控制系统可用超调量σp 表示:
σр= Ymax−Y（∞）/ Y（∞）×100%
一般要求σр ＜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
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。
（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。
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ห้องสมุดไป่ตู้量施加控制作用，
直到偏差等于零或接近零为止。
（4）执行机构
执行机构的输入量是调节单元输出的控 制信号,执行机构的输出量是调节阀的开度。 调节单元输出的控制信号经执行机构直接改 变调节阀的开度，从而可改变流入控制对象 物质或能量流量，使之能符合控制对象负荷 的要求，被控量会逐渐回到给定值或给定值 附近。
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，
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
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。
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。