自动化反馈控制系统的基本概念

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。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。（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0～10mA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。（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。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。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控制单元执行机构被控对象测量单元)(tr)(te)(tp)(tq)(td)(ty图5-2反馈控制系统传递方框图R(t)－设定值z(t)－测量值e(t)－偏差值y(t)－被控量q(t)－执行量p(t)－控制量d(t)－外部扰动值)(tzA（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。（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。（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。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。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。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。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。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。阶跃扰动STtr(t)0Rtr(t)0Rttr(t)01/2Rt2线性扰动加速度扰动tr(t)0正弦扰动脉冲扰动STr(t)01/hhh→0时，称为理想的单位脉冲函数，记作δ(t)。r(t)0r(t)→∞tth→0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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）衰减振荡过程图5-3过程曲线基本类型（b)y（t)t（d)y（t)t（a)y（t)tt（c)y（t)发散振荡等幅振荡衰减振荡单调过程（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：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=0.75～0.9131yyy（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。图5-4定值控制系统的动态过程ttst0εy1y2y3y0emax0y（∞)d（t)tdt0y（t)0图5-5随动控制系统的动态过程ttst0εy1y2y3remaxr（t)trt0y（t)r0y0t1y（∞)t22（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σp：是指在衰减振荡，第一个波峰值y1减去新稳态值y（∞）与新稳态值y（∞）之比的百分数，即：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σp30%。%100)()(1yyyp（3）快速性指标过渡过程时间ts:当t≥ts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。