第一章船舶反馈控制系统基础课件
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DMU
船舶电气与自动化 （船舶自动化）
航教楼B区205
第一章船舶反馈控制系统基础
前言
• 什么叫自动控制？ • 反馈控制系统？ • 反馈控制系统的目的？
把系统参数，如温度、压力、液位、粘度和转速等控制在所希望的最佳值 上
第一章船舶反馈控制系统基础
前言
• 自动控制：无人参与、状态或参数按预定规律变化。 如电站自动控制、主机遥控等。它分为经典控制理 论、现代控制理论。
• 经典控制理论：以传递函数为基础、单输入单输出 • 现代控制理论：以状态空间法为基础、多输入多输出
• 反馈系统：自动控制系统的一个分支，属于经典控 制理论范畴，注重单输入单输出，能够将被控量达 到最佳值。
第一章船舶反馈控制系统基础
第一章 反馈控制系统基础
§1-1 反馈控制系统的基本概念 §1-2 自动化仪表的基本知识 §1-3 调节器及其调节作用规律 §1-4 传感器与变送器 §1-5 执行机构 §1-6 反馈控制系统的参数调整
第一章船舶反馈控制系统基础
§1-1 反馈控制系统的基本概念
1. 反馈控制系统的组成◎ 2. 反馈控制系统的传递方框图◎ 3. 反馈控制系统的工作过程◎ 4. 反馈控制系统的品质指标◎
第一章船舶反馈控制系统基础
§1-1
1.反馈控制系统的组成
• 模拟人的手动操作过程
即：人眼把所察觉的现象、结果传递给大脑的过程（反馈），用手动方式干 预系统运行状态，达到控制目的。
• 反馈控制系统
• 用自动化仪表代替人的感知器官 • 调节器代替人的大脑 • 执行机构代替人的双手操作
第一章船舶反馈控制系统基础
返回本节
主 机
淡水泵
眼
温度变送器
脑 调节器
三通阀
海水出口
冷却器
海水入口
柴油机气缸冷却水温度自动控制过程 第一章船舶反馈控制系统基础
手 执行机构
1.反馈控制系统的组成
§1-1
控制对象 测量单元 调节单元 执行机构 辅助单元
控制对象：被控制的设备或过程。系统输出就是被控对象 的输出，即控制的运行参数（或称被控量）。
测量单元（测量变送器）：检测被控量的实际值，即被控 量转换为标准、统一的信号输出（也称测量输出），送到 调节器，作为反馈信号。
一般包括两部分：传感器、变送器 标注气压信号：0.02-0.1MP 标准电流信号：0-10mA、4-20mA 标准电阻信号： 0-5K欧姆 标准电压信号： -+10V、-+20V、0-10V
第一章船舶反馈控制系统基础
1.反馈控制系统的组成
§1-1
废气温度传感器 电容式电动差压变送器 第一章船舶反馈控制系统基础
1.反馈控制系统的组成
§1-1
调节单元（控制器）： 具有某种调节规律的调节器。接收 测量单元送来的测量值，与希望值（设定值）比较得到偏 差信号。偏差e=设定值-测量值， 根据偏差按一定规律输出 控制量，送至执行机构。
if e>0, 测量值低，e为正偏差 if e<0, 测量值高，e为负偏差 if e=0, 理想，无偏差
执行机构（执行器）：接受控制器送来的控制信号，作用 于被控对象，实现实际控制作用。
气动系统：气动薄膜调节阀、气动活塞式调节阀
电动系统：采用伺服电机
第一章船舶反馈控制系统基础
1.反馈控制系统的组成
§1-1
主机电子调速器
主机气动薄膜调节器
第一章船舶反馈控制系统基础
1.反馈控制系统的组成
§1-1
辅助单元： 除了四个基本单元外，对于一个完整的系 统还应该有若干辅助单元。如：
指示被控量给定值和测量值的指示单元 设定给定值的给定单元（设定单元） 气动系统的气源装置 电动控制系统还应该有稳压电源等
第一章船舶反馈控制系统基础
1.反馈控制系统的组成
§1-1
第一章船舶反馈控制系统基础
2. 反馈控制系统的传递方框图
§1-1
为了分析反馈控制系统工作过程，可把四个 基本单元用方框表示，用带箭头的直线来表示信 号在各单元的传递关系。
* 传递方框图 *
第一章船舶反馈控制系统基础
2. 反馈控制系统的传递方框图
§1-1
r(t)
e(t) 调节
+-
单元
p(t)
执行 q(t) 单元
b(t)
测量 单元
自动控制系统结构方框图
e(t)——偏差信号 r(t) ——设定值 y(t)——被控量 b(t)——测量值 p(t)——控制量 q(t)——执行量 f(t)——扰动量
第一章船舶反馈控制系统基础
f(t)
控制 y(t) 对象
2. 反馈控制系统的传递方框图
§1-1
特点：
（1）信号传递的单向性； （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。
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。
第一章船舶反馈控制系统基础
2. 反馈控制系统的传递方框图
§1-1
相关概念
• 环节：在传递方框图中，代表实际单元的小方框。
特点： • 都有输入量和输出量，用带箭头的信号线来表示； • 箭头指向该环节的信号线为输入量，反之为输出量； • 输出量的变化取决于输入量的变化以及该环节的特性； • 输出量的变化不会直接影响输入量，信号传递的单向性； • 信号线在某处有分支，各个分支的信号具有等值特性。
第一章船舶反馈控制系统基础
2. 反馈控制系统的传递方框图
§1-1
相关概念
基本扰动 外部扰动
• 扰动：引起被控量变化的因素统称为扰动。
• 基本扰动：来自控制系统内部控制通道（调节通道）的扰 动。如：给水调节阀开度的改变、三通调节阀开度的改变 将等
• 外部扰动：来自系统外部环境的扰动。如：锅炉负荷（外 部用汽量）的变化将引起水位的变化；柴油机负荷的变化、 海水温度的变化；淡水冷却器中水管结垢的多少等都会引 起冷却水温度的变化
第一章船舶反馈控制系统基础
2. 反馈控制系统的传递方框图
§1-1
相关概念
• 系统的输入与输出：将各个基本环节看作一个整 体 ，如下图，虚框外具有两个输入、一个输出。
第一章船舶反馈控制系统基础
2. 反馈控制系统的传递方框图
§1-1
相关概念
• 反馈：系统输出的变化经测量单元送回到系统的输入 端，这个过程叫反馈。符号“”是一个比较算子，得 到偏差值。
• 正反馈：是指加强系统输入效应的反馈，它使偏差e增大。 • 负反馈：是指减弱系统输入效应的反馈，它使偏差e减小。
船舶电气与自动化 （船舶自动化）
航教楼B区205
第一章船舶反馈控制系统基础
前言
• 什么叫自动控制？ • 反馈控制系统？ • 反馈控制系统的目的？
把系统参数，如温度、压力、液位、粘度和转速等控制在所希望的最佳值 上
第一章船舶反馈控制系统基础
前言
• 自动控制：无人参与、状态或参数按预定规律变化。 如电站自动控制、主机遥控等。它分为经典控制理 论、现代控制理论。
• 经典控制理论：以传递函数为基础、单输入单输出 • 现代控制理论：以状态空间法为基础、多输入多输出
• 反馈系统：自动控制系统的一个分支，属于经典控 制理论范畴，注重单输入单输出，能够将被控量达 到最佳值。
第一章船舶反馈控制系统基础
第一章 反馈控制系统基础
§1-1 反馈控制系统的基本概念 §1-2 自动化仪表的基本知识 §1-3 调节器及其调节作用规律 §1-4 传感器与变送器 §1-5 执行机构 §1-6 反馈控制系统的参数调整
第一章船舶反馈控制系统基础
§1-1 反馈控制系统的基本概念
1. 反馈控制系统的组成◎ 2. 反馈控制系统的传递方框图◎ 3. 反馈控制系统的工作过程◎ 4. 反馈控制系统的品质指标◎
第一章船舶反馈控制系统基础
§1-1
1.反馈控制系统的组成
• 模拟人的手动操作过程
即：人眼把所察觉的现象、结果传递给大脑的过程（反馈），用手动方式干 预系统运行状态，达到控制目的。
• 反馈控制系统
• 用自动化仪表代替人的感知器官 • 调节器代替人的大脑 • 执行机构代替人的双手操作
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主 机
淡水泵
眼
温度变送器
脑 调节器
三通阀
海水出口
冷却器
海水入口
柴油机气缸冷却水温度自动控制过程 第一章船舶反馈控制系统基础
手 执行机构
1.反馈控制系统的组成
§1-1
控制对象 测量单元 调节单元 执行机构 辅助单元
控制对象：被控制的设备或过程。系统输出就是被控对象 的输出，即控制的运行参数（或称被控量）。
测量单元（测量变送器）：检测被控量的实际值，即被控 量转换为标准、统一的信号输出（也称测量输出），送到 调节器，作为反馈信号。
一般包括两部分：传感器、变送器 标注气压信号：0.02-0.1MP 标准电流信号：0-10mA、4-20mA 标准电阻信号： 0-5K欧姆 标准电压信号： -+10V、-+20V、0-10V
第一章船舶反馈控制系统基础
1.反馈控制系统的组成
§1-1
废气温度传感器 电容式电动差压变送器 第一章船舶反馈控制系统基础
1.反馈控制系统的组成
§1-1
调节单元（控制器）： 具有某种调节规律的调节器。接收 测量单元送来的测量值，与希望值（设定值）比较得到偏 差信号。偏差e=设定值-测量值， 根据偏差按一定规律输出 控制量，送至执行机构。
if e>0, 测量值低，e为正偏差 if e<0, 测量值高，e为负偏差 if e=0, 理想，无偏差
执行机构（执行器）：接受控制器送来的控制信号，作用 于被控对象，实现实际控制作用。
气动系统：气动薄膜调节阀、气动活塞式调节阀
电动系统：采用伺服电机
第一章船舶反馈控制系统基础
1.反馈控制系统的组成
§1-1
主机电子调速器
主机气动薄膜调节器
第一章船舶反馈控制系统基础
1.反馈控制系统的组成
§1-1
辅助单元： 除了四个基本单元外，对于一个完整的系 统还应该有若干辅助单元。如：
指示被控量给定值和测量值的指示单元 设定给定值的给定单元（设定单元） 气动系统的气源装置 电动控制系统还应该有稳压电源等
第一章船舶反馈控制系统基础
1.反馈控制系统的组成
§1-1
第一章船舶反馈控制系统基础
2. 反馈控制系统的传递方框图
§1-1
为了分析反馈控制系统工作过程，可把四个 基本单元用方框表示，用带箭头的直线来表示信 号在各单元的传递关系。
* 传递方框图 *
第一章船舶反馈控制系统基础
2. 反馈控制系统的传递方框图
§1-1
r(t)
e(t) 调节
+-
单元
p(t)
执行 q(t) 单元
b(t)
测量 单元
自动控制系统结构方框图
e(t)——偏差信号 r(t) ——设定值 y(t)——被控量 b(t)——测量值 p(t)——控制量 q(t)——执行量 f(t)——扰动量
第一章船舶反馈控制系统基础
f(t)
控制 y(t) 对象
2. 反馈控制系统的传递方框图
§1-1
特点：
（1）信号传递的单向性； （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。
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。
第一章船舶反馈控制系统基础
2. 反馈控制系统的传递方框图
§1-1
相关概念
• 环节：在传递方框图中，代表实际单元的小方框。
特点： • 都有输入量和输出量，用带箭头的信号线来表示； • 箭头指向该环节的信号线为输入量，反之为输出量； • 输出量的变化取决于输入量的变化以及该环节的特性； • 输出量的变化不会直接影响输入量，信号传递的单向性； • 信号线在某处有分支，各个分支的信号具有等值特性。
第一章船舶反馈控制系统基础
2. 反馈控制系统的传递方框图
§1-1
相关概念
基本扰动 外部扰动
• 扰动：引起被控量变化的因素统称为扰动。
• 基本扰动：来自控制系统内部控制通道（调节通道）的扰 动。如：给水调节阀开度的改变、三通调节阀开度的改变 将等
• 外部扰动：来自系统外部环境的扰动。如：锅炉负荷（外 部用汽量）的变化将引起水位的变化；柴油机负荷的变化、 海水温度的变化；淡水冷却器中水管结垢的多少等都会引 起冷却水温度的变化
第一章船舶反馈控制系统基础
2. 反馈控制系统的传递方框图
§1-1
相关概念
• 系统的输入与输出：将各个基本环节看作一个整 体 ，如下图，虚框外具有两个输入、一个输出。
第一章船舶反馈控制系统基础
2. 反馈控制系统的传递方框图
§1-1
相关概念
• 反馈：系统输出的变化经测量单元送回到系统的输入 端，这个过程叫反馈。符号“”是一个比较算子，得 到偏差值。
• 正反馈：是指加强系统输入效应的反馈，它使偏差e增大。 • 负反馈：是指减弱系统输入效应的反馈，它使偏差e减小。