自动化 反馈控制系统的基本概念
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根据控制系统接受的扰动途径,可以分为两种情 况:一种情况是外部扰动不变,改变给定值(如 随动控制);另一种情况是给定值不变(定值控 制),改变外部扰动。由于控制器控制规律或系 统参数的不同,控制系统的动态过程将表现为不 同的形式。
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
(3)系统的输入与输出 前面提到的输入和输出的概念都是针对环节 而言的;若从系统的角度来看,作为一个整 体,系统具有两个输入,即设定值和外部扰 动,以及一个输出,即被控量。
(4)反馈
调节器的输出经执行机构改变控制强度,即 改变流入控制对象的物质或能量的流量,引 起被控量的变化(即系统输出变化),而系 统输出的变化经测量单元又送回到系统的输 入端,这个过程叫反馈。
d ( t) d
0
y ( t) y1
t0 emax
t
y3
y ( ∞) y0 y2
ε
0
t0
ts 图5-4 定值控制系统的动态过程
t
r ( t)
r
r0 y ( t) y1
y3 y ( ∞) r y2
t0 emax
t
ε
y0
t0
t1 t2
2
ts
t
图5-5 随动控制系统的动态过程
(2)精确性指标 最大动态偏差 emax :是指在衰减振荡中第一个波峰的峰值, 它是动态精度指标。 Emax大,说明动态精度低,要求小些 为好,但不是越小越好,因为太小,有可能使动态过程的 振荡加剧。 静态偏差ε : 动态过程结束后,被控量新稳态值与给定值 之间的差值。 ε 越小说明控制系统的静态精度越高。 有差调节 无差调节 超调量σ p:是指在衰减振荡,第一个波峰值y1减去新
(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0.02~0.1MPa;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。 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。
船舶电气与自动化 (船舶自动化)
第五章 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
反馈控制系统对机器设备或生产过程参数的控 制过程实际上是直接模拟人的手动操作过程。 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
在自动控制过程中,由于不需要人来干预控制过程,因此 必须采用相应的自动化仪表来代替人的功能器官。比如可 用温度传感器和变送器来代替人的眼睛,随时测量冷却水 的实际温度并把该值送给调节器。调节器代替人的大脑, 并对冷却水实际温度进行分析和计算,然后输出控制信号 给执机构。执行机构代替人的双手,改变三通调节阀的开 度。不论是手动控制,还是自动控制,反馈的作用都是存 在的。我们把包含反馈作用的控制过程称为反馈控制过程 。
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
d (t )
r (t )ຫໍສະໝຸດ z (t ) 反馈控制系统的工作过程: 设系统处在平衡状态(即系统稳定运行)时突 然受到一个外部扰动,被控量将离开初始稳定 值发生变化,测量单元将把被控量的实际值送 至调节器,在调节器内部,被控量的给定值与 测量值进行比较,得到偏差值e,调节器依据 某种调节作用规律输出一个控制信号,通过执 行机构改变流入控制对象的物质或能量流量, 被控量朝着偏差减少的方向变化,这一信号又 通过测量单元送至调节器,重复上述过程,最 终使被控量又回到给定值或给定值附近,系统 达到一个新的平衡状态。
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,对被控量施加控制作用,直到偏差 等于零或接近零为止。
在实际应用中,调节器一般有位式调节器、比
例调节器、比例积分调节器、比例微分调节器 和比例积分微分调节器等五种,根据控制对象
四、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。
r(t)
r(t)
Rt R
0
t
0 r(t)
t
阶跃扰动
r(t)
线性扰动
1/2Rt2
0
t
0
t
加速度扰动
正弦扰动
ST
组成一个反馈控制系统,必须有四个最基本的环节,即控 制对象、测量单元、调节单元和执行机构。
(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 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。
稳态值y(∞) 与新稳态值y(∞)之比的百分数,即 : y1 y()
p
y() 100%
超调量是评定控制系统动态精度的指标。在实际系统 的过渡过程中,一般要求σ p <30%。
(3)快速性指标 过渡过程时间 ts:当t ≥ t s的所有时间内,被控量y (t)的波动值︱y(t)-y(∞)︱均小于或等于 最终稳态y(∞)的2%或5%。 上升时间tr:指在衰减振荡中,被控量从初始平衡 状态第一次达到新稳态值y(∞) 所需时间。 峰值时间tp:是指在衰减振荡中,被控量从初始平 衡状态达到第一个波峰峰值所需要的时间。
开环系统不再是反馈控制系统,无法根 据偏差来实现设备或生产过程的参数自动控 制。
三、反馈控制系统的工作过程 反馈控制系统按给定值的变化规律分类方法: 1、定值控制系统 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。
特性的不同及对被控量控制精度的要求,控制 系统可选用不同调节作用规律的调节器。
(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,调节单元输出的控制信号一般都要经过 执行机构才能作用到控制对象上,从而改变流 入控制对象的物质或能量,使之能适应控制对 象的负荷变化。在气动控制系统中,执行机 构—般是气动薄膜调节阀或气动活塞式调节阀; 在电动控制系统中,一般采用伺服电机。
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。
(5)前向通道与反馈通道 在控制系统传递方框图中,从系统的输入端 沿信号线方向到达系统输出端的通道称为前 向通道;而相反方向的通道则称为反馈通道。
(6)闭环系统 在反馈控制系统传递方框图中,前一环 节的输出就是后一环节的输入,系统的输出 又经反馈通道送回到系统的输入端。这样, 控制系统就形成了一个封闭的控制回路,称 为闭环系统,反馈控制系统必定是闭环系统。
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。 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。
y(t)
y(t)
t
t
(a)
(b)
发散振荡
y(t) y(t)
等幅振荡
t
t
(c)
衰减振荡 图5-3 过程曲线基本类型
(d)
单调过程
(1)稳定性指标 衰减率和振荡次数N
衰减率,是指在衰减振荡中,第一个波峰值y1 减去第二个同相波峰值y3除以第一个波峰值y1 ,即: y1 y3
φ <0 发散振荡过程, 0 < φ <1 衰减振荡过程 φ =0 等幅振荡过程, φ =1非周期过程 一般希望ψ =0.75~0.9
r(t)
h→0 1/h 0 h t
r(t) r(t)→∞
t 0
h→0时,称为理想的单位脉 冲函数,记作δ(t)。
脉冲扰动
ST
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
(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 。 若e > 0,则说明测量值低于设定值,为正偏差; 若e < 0,则说明测量值大于设定值,为负偏差; 若e = 0,则说明测量值等于设定值,为无偏差。
y1
(1)稳定性指标
与衰减率相对应的是另一种衡量指标是衰减比。 所谓衰减比是第一个波峰值y1和第二个同相波 峰值y3的比值,即y1/y3。 衰减率是衡量系统稳定性指标,要求ψ =0.75~ 0.9。当ψ =0.75时,y1是y3的4倍,此时衰减 比4:1。 振荡次数N,是指在衰减振荡中,被控量的振荡 次数。一般要求被控量振荡2~3次就应该稳定 下来。
(2)扰动
控制对象作为反馈控制系统的组成环节,其输出量 是被控量,而引起被控量变化的因素统称为扰动。 扰动可分为两类:外部扰动、基本扰动。
基本扰动是指来自控制系统内部控制通道(调节通
道)的扰动。基本扰动通过调节通道影响被控量。 例如,在水位控制系统中,给水调节阀开度的改变 将引起水位的变化;在冷却水温度控制系统中,三 通调节阀开度的改变将引起水温的变化,等等。
外部扰动是指来自系统外部环境的扰动,外部扰动
通过扰动通道影响被控量。 例如,以锅炉为控制对象的水位控制系统,水位是 被控量,锅炉负荷(外部用汽量)的变化将引起水 位的变化;在柴油机气缸冷却水温度控制系统中, 水温是被控量,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。这种扰动是由于设备负荷或外界环 境的扰动变化而导致控制对象内部的能量平衡遭到 破坏而引起的。
e(t ) 控制单元
A
p (t ) 执行机构 q (t )
被控对象
y (t )
测量单元
R(t)-设定值 z(t)-测量值 q(t)- 执行量 p(t)- 控制量
e(t)-偏差值 y(t)-被控量 d(t)-外部扰动值
图5-2 反馈控制系统传递方框图
(1)环节
在控制系统传递方框图中,代表实际单元的每 个小方框称为一个环节。每个环节都有输入量和输 出量,并用带箭头的信号线来表示。其中箭头指向 该环节的信号线为输入量,箭头离开该环节的信号 线为输出量。 任何环节输出量的变化均取决于输入量的变化 以及该环节的特性,而输出量的变化不会直接影响 输入量,这叫信号传递的单向性。