制冷装置自动化模块一

(d)渐扩振荡过程: 被控量y(t)的动态过程不但是一个振 荡过程，而且振荡的幅值越来越大，以致会大大超过 被控量允许的误差范围，如图1-11（d）所示，这是 一种典型的不稳定过程，设计自动控制系统要绝对避 免产生这种情况。
自动控制系统其动态过程多属于图1-11（b）的情 况。控制系统的动态过程不仅要是稳定的，并且希 望过渡过程时间（又称调整时间）越短越好，振荡 幅度越小越好，衰减得越快越好。
预期行驶方向 实际行驶方向
图1.2 汽车驾驶控制原理框图
预期 路线
测量
大脑
手
方向盘
汽车
实际 路线
眼睛和其他 感觉器官
图1.3 汽车驾驶控制原理框图
案例2： 控制系统可以由人工控制，也可以采用自动控制。
1、人工控制：
进水
如图1－3 所示， 水 位保持系统。
要求水位
实际 水位 水 池
图1－3 水位人工控制原理图
1. 比例调节器 2. 比例积分调节器 3. 比例微分调节器 4. 比例积分微分调节器
1. 比例调节器
比例调节器的微分方程为：
y=KPe(t)
式中
y为调节器输出；Kp为比例系数； e(t)为调节
器输入偏差。
由上式可以看出，调节器的输出与输入偏差成 正比。因此，只要偏差出现，就能及时地产生
自动控制的分类二
一：按被控参数给定值的变化规律 1.定值控制系统 2.程序控制系统 3. 随动控制系统
二：按实现控制动作与时间的关系 1.连续控制系统 2.断续控制系统
一 系统的静态、动态和干扰作用
当自动控制系统受到干扰或者人为要求给定值改变，被 控量就会发生变化，偏离给定值。通过系统的自动控制作 用，经过一定的过渡过程，被控量又恢复到原来的稳定值 或者稳定到一个新的给定值。被控量在变化过程中的过渡 过程称为动态过程（即随时间而变的过程），被控量处于 平衡状态称为静态或稳态。
0 t
Q1
dG Q2
t
dh h()
t
四描述对象特性的三个参数： 放大系数： K1
时间常数：T1 延迟时间： t1
项目三 常用控制规律 控制器输入与输出之间的关系 一 双位控制
控制器的输出只有两个值，最大输出信号和 最小输出信号。即两个极限位置。
二 、PID控制： PID调节器之所以经久不衰，主要有以下优点。 1. 技术成熟 2. 易被人们熟悉和掌握 3. 不需要建立数学模型 4. 控制效果好
实际水位
<人>
测量
图1－4 水位人工控制系统方框图
第一章 自动控制概论
该水池若改为由自动控制装置代替操作人员：由 浮子测出实际水位，与要求的水位比较。然后得出偏 差再由调节元件根据偏差的大小和正负产生控制信号。 最后由执行元件根据信号产生控制作用。如图1-5所示。
进水
+
M 电机
连 -杆
<
实 际 水 位
二、自动控制的任务
r(t) 控制器
c(t) 被控对象
在没有人直接参与下，利用控制装置操 纵被控对象，使被控量按照给定值的规 律变化。或
c(t) r(t)
上式是自动控制任务的数学表达式。
三、反馈控制原理
在自动控制系统中，被控量是要求严格加以控 制的物理量；而作为对被控对象施加控制作用 的控制装置，可以采用不同的原理和方式完成 赋予的任务。其中，最基本的控制原理就是反 馈控制原理。基于反馈控制原理组成的控制系 统被称为反馈控制系统。
综上所述，对于一个自动控制的性能要求可以概括 为三方面：稳定性，快速性和准确性。
一、稳定性
稳定性是保证控制系统正常工作的先决条 件。 对于稳定的控制系统，被控量偏离期望值 后，经过一段过渡时间后，被控量应恢复 到原来状态。 对于不稳定的控制系统，其被控量偏离期 望值的偏差将会越来越大，最终发散。
c(t)
自动控制系统，是指能够对被控制对象的工作 状态进行自动控制的系统。
一技术术语：
1. 被控对象:是指要求实现自动控制的机器、设备 或生产过程。
2. 被控量：表征被控对象工作状态的物理参量(或 状态参量)，如转速、压力、温度、电压、位移 等。
3. 控制器：又称调节器、控制装置，由控制元件 组成，它接受指令信号，输出控制作用信号于 被控对象。
缺点是使用的元件多，线路复杂，系统的 分析和设计都比较麻烦。
二、开环控制 1. 按给定值控制
给定值
计算
执行
干扰
+
被控对象
被控量
图1.8 开环控制框图
2.按干扰补偿
测量
计算
执行
干扰
+
被控对象
被控量
图1.9 按干扰补偿框图
3.复合控制
给定值 计算
-
计算 执行
干扰 测量
+
被控对象
被控量
测量
图1.10 复合控制框图
1.系统组成及过渡过程 2.可在对象特性 3.常用控制规律 4.其他环节特性 5.自动化仪表和元件的质量特性
1.1 自动控制系统的基本知识
自动控制:是指在没有人直接参与的情况下， 利用外加的设备或装置（称为控制器或控 制装置），使机器、设备或生产过程（统 称被控对象）的某个工作状态或参数（统 称被控量）自动地按照预定的规律运行。
出水量
要求水位 电位器连杆比较
〉 电机
阀门
水池 实际水位
浮子 <控制器>
图1－6水位自动控制系统方框图
第一章 自动控制概论
(1) 自动控制—在没有人直接参与的情况下，利用外 加的设备或装置使整个生产过程或工作机械自动 的按预定规律运行、或使其某个参数按要求变化。
(2) 控制装置—外加的设备或装置，亦叫控制器。 (3) 受控对象—被控制的机器或物体。 (4) 被控量—表征被控对象工作状态的物理参量，也
(7) 反馈量：由系统输出端取出并反向送回系统输 入端的信号。反馈有主反馈和局部反馈之分。
(8) 偏差量：给定量与主反馈信号之差。
(9) 自动控制系统：由受控对象和控制器按一定方
式连接起来的、完成一定自动控制任务的总体。
如图1－7所示。
干扰量
给定量
控制器
被控量 受控对象
自控系统
图1－7 自动控制系统
第一章 自动控制概论
自动控制系统的基本组成及方框图
自动控制的任务—利用控制器操纵受控对象，使其
被控量按技术要求变化。若r(t)—给定量，c(t)—被
控量，则自控的任务之数学表达式为：使被控量满
足c(t) ≈r(t)。自控系统的组成如1-6图所示。
输入量
输出量
串联校正
放大
执行
受控对象
反馈校正
测量
图1－6 系统的组成方框图
浮子
图1－5 水位自动控制系统原理图
出水
自动控制（续）
第一章 自动控制概论
在此：浮子测水位，由连杆和电位器进行比较：
浮子低则电位器上得到正电压，经放大后使电机向进 水阀门开大的方向旋转；反之，当浮子高时，电位器 上得到负电压，电机向阀门关小的方向旋转；若水位 正好，则电位器上电压为零，电机不转，阀门不动。
与之成比例的调节作用，具有调节及时的特点。
比例调节器的特性曲线，如下图所示。
e(t) 0
y
0
t
KP e(t)
t
阶跃响应特性曲线
2. 比例积分调节器 所谓积分作用是指调节器的输出与输入偏差的积
基本组成（续）
第一章 自动控制概论
<4>放大元件：其职能是将比较元件给出的偏差 信号进行放大，用来推动执行元件去控制受 控对象。如：晶体管、集成电路、晶闸管等 组成的电压、功率放大器。
<5>执行元件：其职能是直接推动受控对象，使 其被控量发生变化。如：阀门、电机、液压 马达等。
基本组成（续）
第一章 自动控制概论
叫输出量。 (4) 给定量—要求被控量所应保持的数值。也叫输入
量或叫参考输入。 (5) 干扰量—系统不希望的外作用，也叫扰动输入。
如水位自动控制系统：
第一章 自动控制概论
进水
比较元件
+
M 电机
连 -杆
<
测量
元件
实 际 水 位
浮子
输出量
干扰 信号
出水
图1－6 水位自动控制系统原理图 受控对象
第一章 自动控制概论
4. 执行元件的职能是直接推动被控对象， 使被控量发生变化 。
自动控制的分类一 一、闭环控制
给定值
比较、计算
执行
-
测量干扰Leabharlann +被控对象
被控量
图1.7 闭环控制框图
闭环控制有三大特点：信号按箭头方向传 递是封闭的(闭环)、负反馈和按偏差控制。 因此，闭环控制也被称作反馈控制或按偏 差控制。
闭环控制的主要优点：控制精度高，抗干 扰能力强。
出水
人工控制（续）
第一章 自动控制概论
若要求在出水量随意的条件下，保持水位高 度不变：操作人员需先测实际水位，并在脑 子中与要求的水位进行比较。若低于要求的 水位，则需开大进水阀门。否则应关小进水 阀门。若两者正好相等，则进水阀门不动。
人工控制（续）
第一章 自动控制概论
要求水位 比较、计算
执行
出水量 水池
自动控制系统最基本的要求是被控量的稳态误差（偏 差）为零或在允许的范围内。对于一个好的自动控制系统 来说，一般要求稳态误差在被控量额定值的2％～5％之内
(a)单调过程 被控量y(t)单调变化（即没有“正”，
“负”的变化），缓慢地到达新的平衡状态 （新的稳态值）。如图1-11(a)所示，一般这种 动态过程具有较长的动态过程时间（即到达新 的平衡状态所需的时间）。
<6>校正元件：也叫补偿元件，它是结构或参数便于 调整的元件。用串联或并联（反馈）的方式连接 于系统中，以改善系统的性能。如：电阻、电容 组成的无源或有源网络，还有计算机。
自控系统的特点：
<1>从信号传送看：c(t)经测量后回到输入端，构成
闭环，具有反馈形式，且为负反馈。 <2>从控制作用的产生看：由偏差产生的控制作用
使系统沿减小或消除偏差的方向运动—偏差控制。
控制器应具有三种基本职能，即测量、比 较和执行。
1. 测量元件的职能是检测被控制的物理量， 如果所测量的物理量为非电量，一般要将 其转换为电量。
2. 比较元件的职能是将测量元件检测到的 被控量的实际值与给定值相比较，计算求 出二者间的偏差。
3. 放大元件的职能是将比较元件给出的偏 差信号放大，以驱动执行元件去控制被控 对象。
2 r(t)
1
O
t
控制系统动态过程曲线
二、快速性
快速性即动态过程进行时间的长短。 过程时间越短，说明系统的快速性越好， 过程时间持续越长，说明系统响应迟钝， 难以实现快速变化的指令信号。
稳定性和快速性反映了系统的过渡过程的 性能。
c(t)
r(t)
1
2
O
t
控制系统的动态过程
三、准确性
当系统结束过渡过程后，被控量达到稳定 值（平衡状态），这个稳定值与期望值的 误差，就是系统的稳态误差。它是衡量系 统稳态精度的指标，反映了动态过程后期 的性能。
1.衰减率与衰减比： n=B/B1
Z=(B-B1)/B 2.最大超调量 B: 3.静态偏差C: 4.最大偏差A 5.震荡周期Tp 6.控制过程时间Ts
控制对象的特性：在没有控制器的情况下，对象受到
阶跃干扰作用时，被控参数随时间的变化规律；对
控制系统的控制质量影响恒大，在一定程度上决定 了控制过程和控制质量。
(b)衰减振荡过程: 被控量y(t)的动态过程是一个振
荡过程，振荡的幅度不断地衰减，到过渡过程 结束时，被控量会达到新的稳态值。这种过程 的最大幅度称为超调量，如图1-11（b）所示。
(c)等幅振荡过程: 被控量y(t)的动态过程是一个持续等 幅振荡过程，始终不能到达新的稳态值，如图1-11（c） 所示。这种过程如果振荡的幅度较大，生产过程不允 许，则认为是一种不稳定的系统，如果振荡的幅度较 小，生产过程可以允许，则认为是一种稳定的系统。
2.对象的容量系数：当被控参数改变一个单位时， 对象相应改变的物料量或能量，即为，对象的容 量除以被控参数的变化量。
对象的容量系数与对象的惯性有关。
三 自平衡概念：
被控对象具有自平衡特性，即受到干扰后仅依靠 自身变化使对象重新恢复平衡的特性。
阀门开度 流量
0
Q t0
Q10 Q20
t0 液位 h
h0 t0
基本组成（续）
第一章 自动控制概论
<1>给定元件：其职能是给出与期望的被控量相对 应的系统输入量。一般为电位器。
<2>比较元件：其职能是把测量到的被控量实际值 与给定元件给出的输入量进行比较，求出他们 之间的偏差。常用的有差动放大器、机械差动 装置、电桥电路、计算机等。
<3>测量元件：其职能是检测被控制量的物理量。 如测速机、热电偶、自整角机、电位器、旋转 变压器、浮子等。
一 对象的负荷：
当调节过程处于稳定状态时，在单位时间内流入 或流出调节对象的能量，叫做调节对象的负荷。
比如，当空调房间的空气温度保持恒定时，单位 时间流入或流出空调间的热量，就是空调间的负 荷。这时流出的热量和流入的热量相平衡。
二、容量与容量系数：
1.对象的容量：当被控参数等于给定值时，在控 制对象中所存储的能量或物料量。