thx2-自动控制系统的分类

（3）等幅振荡过程
• 等幅振荡过程：被控变量在给定值附近来回波动，且波 动幅度保持不变。（介于稳定与不稳定之间，一般认为 是不稳定过程。） • 一般不能采用，对某些控制质量要求不高的场合可用。 如位式控制中，可以采用这种过渡过程。
（4）发散振荡过程
• 发散振荡过程：被控变量在给定值附近来回波动，且波动 幅度逐渐变大，即偏离给定值越来越远。（不稳定过程， 发散。） • 生产上应竭力避免。
2.阶跃干扰作用
（1）阶跃干扰：在某一瞬间t0，干扰突然地阶跃式地加到系 统上，并保持在这个幅度。
（2）采用阶跃干扰的原因： • 阶跃干扰比较突然，比较危险，对被控变量的影响也最大。 如果一个控制系统能够有效克服阶跃干扰，对其他比较缓 和的干扰也一定很好地克服。 • 阶跃干扰形式简单，容易实现，便于分析、实验和计算。
1.定值控制系统
定值控制系统：给定值不变。（应用最多的系统） • 控制的基本任务是克服干扰对被控变量的影响。 （若不加说明，也是本课程默认所讨论的系统）
• 其给定值一经确定后就保持不变直至外界再次调整它。
2.随动控制系统（自动跟踪系统）
随动控制系统（自动跟踪系统）：给定值不断随机地发生 变化，或者跟随该系统之外的某个变量而变化，是未知的 变化量。（由于系统中一般都存在负反馈作用，系统的被 控变量就随着给定值变化而变化。） • 控制的基本任务是使被控变量能尽快、准确地跟随给定值 的变化而变化，而不考虑干扰对被控变量的影响。 • 应用有雷达系统、火炮系统等。化工医药生产中串级控制 系统的副回路、比值控制系统中的副流量回路也是随动控 制系统。
（1）非周期衰减过程
• 非周期衰减过程：被控变量在给定值的某一侧达最大之 后作缓慢变化，没有来回波动，最后稳定在某一数值上。 （稳定过程，衰减。） • 变化过程缓慢，不能很快恢复平衡，一般不采用。只在 生产上不允许被控变量有波动时采用。
（2）衰减振荡过程★
• 衰减振荡过程：被控变量较快地达到最大值，然后上下 波动，但波动幅度逐渐减小，最后稳定在某一数值上。 （稳定过程，衰减。） • 能较快地使系统达பைடு நூலகம்稳定状态，采用较多。
回顾&作业
• 控制系统的静态与动态； • 系统的过渡过程； ★ • 自动控制系统在阶跃干扰作用下过渡过程的几种 基本形式； ★ • 控制系统的品质指标（最大偏差、超调量、衰减 比、余差、过渡时间、振荡周期） ★ • 作业：Ex18；Ex22。
作业要求
• 封面：写班级、姓名和学号； • 按时交作业； • 解题步骤清晰； • 字迹工整。
Chap1自动控制系统基本概念
§3 自动控制系统的分类 §4 自动控制系统的过渡过程和品质指标 一、自动控制系统的分类 二、控制系统的静态与动态★ 三、控制系统的过渡过程★ 四、控制系统的品质指标★ 五、影响控制系统过渡过程品质的主要因素
一、自动控制系统的分类
1.定值控制系统 2.随动控制系统（自动跟踪系统） 3.程序控制系统（顺序控制系统）
三、控制系统的过渡过程
1.系统的过渡过程★ 2.阶跃干扰作用 3.过渡过程的几种基本形式★ （1）非周期衰减过程 （2）衰减振荡过程 （3）等幅振荡过程 （4）发散振荡过程
1.系统的过渡过程★
系统的过渡过程：系统由一个平衡状态过渡到另一个平衡状态 的过程。 【引】 • 系统在过渡过程中，被控变量是随时间变化的。 • 被控变量随时间的变化规律首先取决于系统的干扰形式。 • 生产中出现的干扰通常是没有固定形式的，且多半属于 随机性质。 • 为了安全和方便，在分析和设计控制系统时，常选一些 定型的干扰形式，如阶跃干扰、矩形脉冲干扰等。
• t=0之前，系统稳定，y保持不变（原稳定值）； • t=0瞬间，外加阶跃干扰，其后y按衰减振荡规律变化， y(∞)=C。（新稳定值）
1.最大偏差A、超调量B
最大偏差A：过渡过程中，被控变量偏离给定值的最大数值。 是第一个波的峰值。（小一些为好） 超调量B：过渡过程中，被控变量每一个波峰减去新的稳定 值。有一个波峰就有一个超调量，若不说明，通常指的是 最大超调量。（小一些为好） B=A－C（C是余差，C=0时则B=A）
2.衰减比n:1
衰减比：前后相邻两个峰值的比。即B︰B’，习惯上表示 为n︰1形式。它表示被控变量衰减快慢的程度。 • n略大于1：接近于等幅振荡过程，不易稳定，振荡过于频 繁（不采用） • n很大：接近于非周期衰减过程，过渡过程过于缓慢（不希 望） • 由经验数据，一般取n为4~10之间为宜。（∵ 这时，系统 具有较好的快速性，第一个波峰出现较快；同时又有较好 的稳定性，第二个波峰显著低于第一个波峰。可实现“理 想振荡过程两个波”，即过渡过程振荡两次就基本稳定下 来。）
五、影响控制系统过渡过程品质的主要因素
1.对于一个自动控制系统，过渡过程品质的好坏，很大程度上 取决于对象的性质。 2.自动化装置应按对象性质加以选择和调整，两者要很好地配 合。
Ex21.（P16）
• 最大偏差A=950-900=50℃； • 超调量B=950-908=42℃； • 衰减比n=B︰B′=42︰(918-908)=4.2︰1； • 振荡周期T=45-9=36min； • 余差C=908-900=8℃； • 过渡时间为47min； ∵ 最大偏差=50℃＜80℃，∴ 满足工艺要求。
例
某换热器的温度控制系统在单位阶跃干扰作用下的过渡过程 曲线如下图所示。试分别求：最大偏差、余差、衰减比、振 荡周期和过渡时间（给定值为200℃）。
例
解：最大偏差A 230 200 30℃， 余差C 205 200 5℃， 第一个波峰值B 230 205 25℃， 第二个波峰值B' 210 205 5℃， 衰减比B:B'=25:5 =5:1， 振荡周期T =20-5 =15(min) ， 设被控变量进入额定值的 2%区域内并不再越出时， 可以认为过渡过程已经结束，则由图中可知： 过渡时间为22min。
Ex19.
• 等幅振荡过程和发散振荡过程是不稳定过程，生产上不能 采用；非周期衰减过程虽是稳定过程，但该过程中被控变 量达到新的稳定值的进程过于缓慢，致使被控变量长时间 偏离给定值，所以一般也不采用；衰减振荡过程能够较快 地使系统达到稳定状态，并且最终的稳态值必然在两峰值 之间，决不会出现太高或太低的现象，更不会远离给定值 以致造成事故。所以…
3.程序控制系统（顺序控制系统）
程序控制系统（顺序控制系统）：给定值按事先设定好的 程序变化，是时间的已知函数。（应用日益广泛，微型计 算机的应用为程序控制系统实现提供了良好的技术条件。） • Eg.一个电饭煲温度控制系统，即为一个温度程序控制系 统，生物反应和金属处理加热炉采用程序控制的很多。
二、控制系统的静态与动态
2.阶跃干扰作用
（3）方法：如下图所示的控制系统，在系统中各信号处于静 态时，通常在信号p处施加阶跃干扰，记录z的数值。z是被 控变量y的测量值。
3.过渡过程的几种基本形式★
自动控制系统在阶跃干扰作用下的过渡过程的 几种基本形式： （1）非周期衰减过程 （2）衰减振荡过程 （3）等幅振荡过程 （4）发散振荡过程
3.余差C
余差C：当过渡过程终了时，被控变量所达到的新的稳态 值与给定值之间的偏差。（数值可正可负，越小越好） 有差调节、有差系统：有余差的控制过程 无差调节、无差系统：无余差的控制过程 • 余差是过渡过程最终的新稳态值与过渡过程开始之前的原 稳态值之差。它表明了系统克服干扰回到原来给定值的能 力大小，是反映系统准确性的重要指标。 • 余差的幅值与系统的放大倍数及输入信号的幅值有关。由 于物理极限的限制，理论上，余差不可能为零；实际上， 当余差很小时，可以认为是一个无差系统。
5.振荡周期或频率
振荡周期或频率：过渡过程同向两波峰（或波谷）之间的间隔 时间叫振荡周期，其倒数称为振荡频率。 （振荡周期短些为好。） • 上述各性能指标，相互之间既有矛盾又有联系。 • 实际使用中，要综合考虑过程的快速性、稳定性和准确性。 • 这主要取决于被控对象工艺上的要求，要一切从实际出发， 不要过分追求高性能指标。
1.系统的静态与动态定义★ 2.了解系统的动态更为重要
1.系统的静态与动态★
1.在自动化领域中，把被控变量不随时间而变化的平衡状态 称为系统的静态，把被控变量随时间变化的不平衡状态称 为系统的动态。 （1）自动化领域中的静态与习惯上所说的静止是不同的： • 习惯上所说的静止指静止不动（物料不流动、能量不交 换）；自动化领域中的静态指系统中各信号变化率为零， 即信号保持在某一常数不变化，此时生产还在进行，物料 和能量仍然有进有出。 • Eg1.蒸汽加热器温度控制系统。（能量平衡） • Eg2.液位定值控制系统。（物料量平衡） （2）一个原来处于平衡状态的系统，从干扰发生开始，经 过控制，直到系统建立新的平衡，在这一段时间中，整个 系统的各个环节和信号都处于变动状态之中，所以这种状 态叫做动态。
4.过渡时间ts
过渡时间ts：从干扰作用发生的时刻起，直到系统重新建 立新的平衡时止，过渡过程所经历的时间。（理论上） • 工程上，过渡时间就是从干扰开始作用之时起，直至被控 变量进入新的稳定值的±5%（或±2%）范围内且不再越出 时为止所经历的时间。 （过渡时间短，说明过渡过程进行得较迅速，控制质量 就高。） • 过渡时间tS是衡量过渡过程快速性的重要指标。 • t S 越小，快速性越好；如 t S 较大，有可能第一个过渡过程 尚未结束，第二个干扰又出现了，多个干扰的作用叠加， 有可能使系统的控制不能满足生产的要求。
四、控制系统的品质指标★
1.最大偏差A、超调量B 2.衰减比n:1 3.余差C 4.过渡时间ts 5.振荡周期T
四、控制系统的品质指标
• 控制系统的过渡过程是衡量控制系统品质的依据。由于在 多数情况下，都希望得到衰减振荡过程，所以取衰减振荡 的过渡过程形式来讨论控制系统的品质指标。 • 设控制系统最初处于平衡状态，且被控变量等于给定值。 此时，施加一个单位阶跃干扰，系统被控变量开始衰减振 荡过渡过程。如下图：
2.了解系统的动态更为重要
【引】自动化工作中，了解系统的静态是必要的，但是了解 系统的动态更为重要。 ∵ 干扰是客观存在的，是不可避免的。 （eg.生产过程中前 后工序的相互影响；负荷的改变；电压、气压的波动；气 候的影响等。）一个自动控制系统投入运行时，时时刻刻 都有干扰作用于控制系统，破坏正常的工艺生产状态。这 就需要通过自动化装置不断地施加控制作用去对抗或抵消 干扰作用的影响，使被控变量保持在工艺生产所要求控制 的技术指标上。一个正常工作的自动控制系统，总是受到 频繁的干扰作用，总是处在频繁的动态过程中。 ∴ 了解系统的动态更为重要。
例（P16）
Ex17.
• 阶跃作用：在某一瞬间t0，干扰突然地阶跃式地加到系统上， 并保持在这个幅度。采用阶跃干扰的原因：阶跃干扰比较 突然，比较危险，对被控变量的影响也最大。如果一个控 制系统能够有效克服阶跃干扰，对其他比较缓和的干扰也 一定很好地克服。阶跃干扰形式简单，容易实现，便于分 析、实验和计算。