自动控制系统的组成及其质量指标_

基本概念
自动化领域内，把被控参数不随时间而变化的平衡状态称为系统的静态 把被控参数随时间而变化的不平衡状态称为系统的动态。双位控制系统
阶跃干扰——典型干扰作用
图1—3 阶跃干扰作用
自动控制系统在干扰和控制的共同作用下， 从一个稳定状态变化到另一个稳定状态期间 被控参数随时间的变化过程称为自动控制系 统的过渡过程。自动控制系统过渡过程也就 是系统的动态特性，它包括静态和动态。研 究过渡过程的目的就是为了研究控制系统的 品质。
5
10
15
20
25
t
控制（过渡过程）时间（ts）：系统过渡过程曲 线进入新的稳定值的5%或2%范围内所需的时间
峰值时间（tp）：系统过渡过程曲线到达第一个 峰值所需的时间，反映系统响应的灵敏程度
1.6
1.4
1.2
给定值 1.0
h(t)
0.8
0.6
0.4
0.2
0.0 0
tp
5
10
15
ts
t
余差 2%或5%
每个方框都有一个输入信号和一个输出信号
干扰
θ
+
G
e (t)
p (t)
q (t)
θa
－
控制器
执行器
被控对象
θz 传感器
液 位 调 节 HC 器
储罐
HT 差压变送器
执行器 干扰
x (t) e (t)
u (t)
q (t)
y (t)
控制器
执行器
被控对象
＋
－ z (t)
传感器
图1-2 室温自动控制系统框图
被测输出信号减弱输入信号的反馈，称为负 反馈；反之称正反馈。
干扰
θG
e (t)
p (t)
q (t)
θa
控制器
执行器
被控对象
θz 传感器
负反馈控制具有自动修正被控参数偏离给定 值的能力，控制精度高，适应面广，是基本的 控制系统。负反馈控制系统的工作原理是：当 干扰作用 f 发生后，被控参数 a 偏离给定值， 这种变化被传感器测出 z 并送到控制器的比较 环节与给定值G 比较，得出偏差 e G z，偏差 输入到控制器中，经过控制器加工运算，输出
自动控制系统组成、方框图及常用术语
点 自动控制系统的分类 自动控制系统的质量指标
重 重点
组成
◦ 受控对象（过程） ：工作的机器、装备或生产过程等，从 传感器到执行器之间
◦ 被控量（热工参数、被控参数）：表征其工作状态的物理 量如T,P,湿度,流量,液位……
◦ 传感器（测量变送）：对被控量进行测量（转换成标准信 号）的装置，成比例地转变其他物理量
0.8
0.6
0.4
0.2
0.0 0
tp
ts
最 大 偏 差
5
10
15
t
余差
20
25
h(t)
2.0 1.8 1.6 1.4 1.2 1.0 0.8 0.6 0.4 0.2 0.0
0
5
10
t
1.0
0.8
0.6
h(t)
0.4
0.2
0.0
0
2
4
6
8
10
12
t
图1-5 自动控制系统受到阶跃干扰后 衰减振荡过程质量指标
状态的能力
2.0
过
2.0
1.8
1.6
程1
1.5
1.4
1.2
h(t)
1.0
1.0
0.8
0.5
0.6
过
0.4
0.2
程2
0.0
0
1
2
3
4
0.0
t
0
5
10
15
20
25
t
系统过渡到新的平衡工作状态后或系统受到扰动后
重新恢复平衡后，最终保持的精度，反映了动态后 期的性1.6 能
1.2
过程1
0.8
过程2
0.4
静态：输入不变，调节系统在调节器的自动调节 作用下，被调量不再随时间变化的平衡状态
动态：被调量随时间变化，系统处于不平衡状态
一个运行的系统，时时刻刻都有扰动作用于对象， 被调量偏离设定值，重点应研究系统和环节的动 态特性上。
定值控制系统受到阶跃干扰后，过渡过程 有四种基本形式
图1—4 过渡过程的基本形式
峰值时间（tp）：系统过渡过程曲线到达第一个峰 值所需的时间，反映系统响应的灵敏程度
二、自动控制系统的质量指标
余差（e） ：系统过渡过程终了时给定值与被控参 数稳定值之差
最大偏差（A）：被控参数第一个波的峰值与给定 值的差
h(t)
1.6 1.4 1.2
给定值 1.0
0.8 0.6 0.4 0.2 0.0
一个和偏差 e 成一定关系的控制量 p ，去调节
执行机构，改变输入到控制对象中的能量 q ，
克服干扰造成的影响，使被控参数又趋于给定 值。可见，负反馈控制的实质是以偏差克服偏 差的控制过程。自动控制系统的基本功能是信 号的测量、变送、比较和加工。
若按给定值的给定变化规律来分
定值控制系统——将被控制量保持在某一定值或很小的范围中的控制系统 程序控制系统——被控量的给定值按预定的时间程序而变化的控制系统 随动控制系统——被控量的给定值随时间任意地变化的控制系统
a)发散振荡过程 b)等幅振蔼过程 c)衰减振荡过程 d)单调衰减过程
2.0
1.5
1.0
0.5
0.0
0
1
2
3
4
t
h(t)
F1
2.0 1.8 1.6 1.4 1.2 1.0 0.8 0.6 0.4 0.2 0.0
0 2 4 6 8 10 12 14 16
t
1.6
1.4
1.2
给定值 1.0
h(t)
干扰
θG
e (t)
p (t)
q (t)
θa
控制器
执行器
被控对象
θz 传感器
干扰作用通过干扰通道影响被控参数，而 控制作用通过控制通道影响被控参数。
系统中信号沿箭头方向前进，最后又回到 原来的起点，形成一个闭合回路，这种系统 叫闭环系统。
在闭环系统中，系统的输出信号 a 为被控 参数，它通过传感器这个环节再返回到系统 的输入端，与给定值 G 比较 ，这种将系统的 输出信号引回到输入端的过程叫反馈。
0
最 大 偏 差
余差
5
10
15
20
25
t
衰减比（n）：振荡过程的第一个波的振幅与第二 个波的振幅之比
衰减率（f）：经过一个周期后，波动幅度衰减的 百分比
h(t) y1 y2
1.6 1.4 1.2
给定值 1.0
0.8 0.6 0.4 0.2 0.0
0
衰减比＝ y1 y2
衰减率＝ y1-y2 y1
20
25
过渡时F1间？？？
2.0
峰值时间？？？
1.8
1.6
衰减率
1.4
衰减比
1.2
h(t)
1.0
0.8
0.6
0.4
0.2
0.0 0 2 4 6 8 10 12 14 16 18 20
t
2.0
过渡时间？？？ 峰值时间？？？
1.5
1.0
0.5
0.0
Biblioteka Baidu
0
1
2
3
4
5
6
7
8
t
稳：动态过程的振荡倾向和系统重新恢复平衡工作
0.0
10
12
14
16
18
20
22
24
26
t
动态过程进行的时间长短，过程时间持续很长， 将使系统长时间出现大偏差，同时也说明系统响 应很迟钝，难以复现快速变化的信号
h(t)
1.6 1.4 1.2 1.0 0.8 0.6 0.4 0.2 0.0
0
过程1
过程2
5
10
15
20
25
t
自动控制研究的对象是自动控制系统 重点是按偏差调节的反馈系统 主要问题是系统的动态特性
•若按控制动作与时间的关系来分
•连续控制系统 •断续控制系统
•如按控制器使用的能源种类分
•气动控制系统 •液动控制系统 •电动控制系统
按系统的结构特点分类
◦ 反馈控制系统 ◦ 前馈控制系统 ◦ 前馈－反馈控制系统
若按控制器的控制规律分
双位控制系统 比例控制系统 比例积分控制系统 比例微分控制系统 比例积分微分控制系统
二、自动控制系统的质量指标
余差（e） ：系统过渡过程终了时给定值与被控 参数稳定值之差
最大偏差（A）：被控参数第一个波的峰值与给 定值的差
衰减比（n）：振荡过程的第一个波的振幅与第二 个波的振幅之比
衰减率（f）：经过一个周期后，波动幅度衰减的 百分比
控制（过渡过程）时间（ts）：系统过渡过程曲线 进入新的稳定值的5%或2%范围内所需的时间
◦稳、准、快
为了研究自动控制系统组成环节之间的相互影响
和信号联系，通常使用自动控制系统方框图来表 示自动控制系统。
控制器： 执行器： 被控对象：从传感器到调节阀之间的管道设备 传感器：
干扰
θG
e (t)
p (t)
q (t)
θa
控制器
执行器
被控对象
θz 传感器
每个方框表示组成该系统的一个环节
两个方框之间一条带有箭头的连线表示其相互关 系，不表示方框之间的物料联系
◦ 控制器（调节器）：把测定值和设定值进行比较的装置 ◦ 执行器（调节阀）：把调节器的指令成比例地转换为直线
或角位移地装置
◦ 自动控制系统：受控对象和控制装置的总体，由控制对象 和自动控制设备组成
图1-1 室温自动控制系统
1一温度传感器 2一热水加热器 3一温度控制器 4一电动二通阀 qa一外侵热量 θa一室内温度θb一室外温度 θc一送风温度