轮机自动化大连海事大学

轮机自动化第二章自动控制系统的数学模型第三章控制对象的动态特性第四章控制器的作用规律轮机自动化基础轮机自动化基础第一章反馈控制系统的基本概念第五章时域分析法第一章反馈控制系统的基本概念轮机自动化基础§1-1引言◎§1-2自动控制系统的基本方式◎§1-3反馈控制系统的概念◎§1-4自动控制系统的性能要求◎§1-1引言所谓自动控制，是指在没有人参与的情况下利用控制器使被控对象（即生产设备或生产过程）自动地按预定的规律运行。包括参数控制和程序控制例如：（1）锅炉水位和压力保持在规定的范围或设定值上；（2）船舶的舵角按发出的舵令变化；（3）柴油主机的起动按规定的操作规程进行；（4）分油机的排渣过程按预定的程序进行。ST§1-2自动控制的基本方式1.开环控制系统Fig.1-1◎控制系统的输出对系统的控制作用没有影响。(1)按给定值进行控制(2)按扰动补偿进行控制2．闭环控制系统Fig.1-2◎控制系统的输出对系统的控制作用有影响，即控制器的输出作用于控制对象，控制对象的输出（系统的输出）将送回到控制器，控制器根据偏差进行控制。因此，又称为反馈控制。ST§1-2自动控制的基本方式3．复合控制Fig.1-3◎在一个控制系统中同时采用开环控制和闭环控制。开环控制——粗调闭环控制——细调ST§1-3反馈控制系统的概念ST1.反馈控制系统的组成◎2.反馈控制系统的结构方框图◎3.反馈控制系统的分类◎1.反馈控制系统的组成1.控制对象：被控制的设备或过程（冷却器）。系统的输出就是指被控对象的输出（或称被控量）。2.控制器（或称调节器）：根据偏差按一定规律输出控制量，送至执行机构。它有两个输入，即设定值输入和测量值输入。偏差=设定值－测量值3.执行器（执行机构）：接受控制器送来的控制信号，驱动调节机构，作用于被控对象。4.测量变送器（测量单元）：将被控对象的物理输出量，即被控量转换为标准信号输出（也称测量输出），送到调节器，作为反馈信号。STFig.1-5a◎2.反馈控制系统的结构框图特点：（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。Fig.1-6◎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。ST3.反馈控制系统的分类1.按给定值的形式：（1）定值控制；（2）程序控制；（3）随动控制。2.按动作方式：（1）连续控制；（2）断续控制（双位控制或多位控制）3.按控制精度：（1）有差调节；（2）无差调节4.按变量数：（1）单变量控制；（2）多变量控制5.按系统性质：（1）线性控制系统；（2）非线性控制系统6.按应用理论：（1）基于经典理论的控制；（2）基于现代控制理论的控制（最优控制、自适应控制）；（3）智能控制（模糊、神经、专家、自学习控制）ST§1-4自动控制的性能指标ST1．自动控制系统的稳态和动态稳态——被控量不随时间而变化的平衡状态（也称静态）动态——被控量随时间而变化的不平衡状态（也称瞬态）稳态（平衡）动态过程扰动变化平衡破坏控制作用克服扰动影响新稳态（平衡）§1-4自动控制的性能指标ST2．自动控制系统的过渡过程自动控制系统在动态过程中被控量随时间而变化的过程，或者说是从一个平衡态过渡到另一个平衡态的过程。Fig.1-8◎根据过渡过程的特点，控制系统可分为：（1）发散过程（2）等幅振荡过程Fig.1-14◎（3）衰减过程（4）非周期过程其中，（1）、（2）称为不稳定过程；（3）、（4）称为稳定过程。3．自动控制系统的典型输入信号为便于系统分析，定义几种常见的系统输入信号：（1）阶跃输入：Fig.1-9◎（2）速度输入：Fig.1-10◎（3）加速度输入：Fig.1-11◎（4）脉冲输入：Fig.1-12◎（5）正弦输入：Fig.1-13◎其中，阶跃输入对系统的工作最为不利。§1-4自动控制的性能指标ST4．自动控制系统过渡过程的性能要求方法：给系统施加阶跃输入，得到系统过渡过程曲线，分析系统过渡过程的各项性能指标。采用阶跃输入的原因：（1）信号的阶跃变化在实际中比较常见（近似的阶跃变化）；（2）阶跃信号的数学处理比较简单；（3）阶跃输入对系统的工作最为不利。评定系统过渡过程性能指标的三个方面：（1）稳定性；（2）准确性；（3）快速性。§1-4自动控制的性能指标ST4．自动控制系统过渡过程的性能要求1）过渡过程评定指标（1）稳定性：系统受到扰动之后能够恢复到稳定状态的能力。实际控制系统，至少要求是率减过程或非周期过程，以率减为佳。评定指标：衰减率φ，衰减比N（a）定值控制系统：给定值不变，外部扰动发生阶跃变化；fig.1-15◎（b）随动控制系统：假定外部扰动不变，给定值阶跃变化。fig.1-16◎§1-4自动控制的性能指标ST4．自动控制系统过渡过程的性能要求（2）准确性：被控量偏离给定值的程度评定指标：（a）定值控制系统：最大动态偏差emax；静态偏差Δysfig.1-15◎（b）随动控制系统：最大动态偏差emax；超调量δ；静态偏差Δys。fig.1-16◎§1-4自动控制的性能指标ST4．自动控制系统过渡过程的性能要求（3）快速性：评定指标：过渡过程时间ts——从扰动发生到被控量又重新趋于稳定达到新的平衡态所需的时间此外还有振荡频率、振荡次数等fig.1-15◎fig.1-16◎§1-4自动控制的性能指标ST4．自动控制系统过渡过程的性能要求3）过渡过程的性能指标的要求：（1）定值控制：（a）动态偏差和静态偏差要小；（b）衰减率最好在0.75~0.9之间；（c）过渡过程时间要短（2）随动控制：（a）超调量要小；（b）过渡过程时间要短；（c）振荡次数要少§1-4自动控制的性能指标STfig.1-3复合控制系统结构方框图ST控制装置执行机构控制对象反馈装置被控量给定信号+-前馈装置扰动补偿外部扰动fig.1-6自动控制系统结构方框图ST控制单元执行单元控制对象测量单元p(t)q(t)y(t)b(t)r(t)e(t)+-e(t)——偏差信号e(t)=r(t)-b(t)y(t)——被控量p(t)——控制量f(t)——扰动量f(t)fig.1-8自动控制系统过渡过程曲线STyt平衡状态过渡过程平衡状态fig.1-9STtr(t)0Rtr(t)0Rttr(t)01/2Rt2fig.1-10fig.1-11tr(t)0fig.1-13fig.1-12STr(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→0fig.1-14过程曲线基本类型ST(a)(b)(c)(d)fig.1-15自动控制系统过渡过程曲线STytt∞t0y∞Δysy1y2y3y0根据衰减率φ的大小可以判定过渡过程的性质：φ0，为发散振荡过程φ=0，为等幅振荡过程0φ1，为率减振荡过程φ=1，为非周期过程最佳衰减率：φ=0.75~0.9emaxfig.1-16自动控制系统过渡过程曲线STtstt0y∞Δy1y2y3ymaxyy0Δysemaxfig.1-5电动仪表控制的主机冷却水温度控制系统ST温度变送器控制器伺服放大器执行器蝶阀机构温度传感器fig.1-5a柴油机气缸冷却水温度手动控制过程ST冷却器三通阀淡水泵主机眼脑手海水入口海水出口手动控制过程Fig.1-5b◎fig.1-5b柴油机气缸冷却水温度自动控制过程ST冷却器三通阀淡水泵主机手海水入口海水出口自动控制过程温度变送器调节器执行机构Fig.1-5◎STQ1V2Q2V1HF图1-1液位控制系统示意图§2-0问题的提出§2-1控制系统的微分方程§2-2传递函数§2-3传递函数方框图等效变换§2-4典型环节及其传递函数第二章自动控制系统的数学模型ST拉氏变换定理方框图结束方框图练习（10min）一阶惯性环节控制单元执行单元控制对象测量单元p(t)q(t)y(t)b(t)r(t)e(t)+-f(t)y(t)=F(r(t),f(t))为研究系统输出y(t)随时间变化的规律，以及系统的特性，必须研究系统的数学模型。§2-0问题的提出STEND§2-1控制系统的微分方程任何一个物理系统都可以用一个微分方程进行描述，控制系统也不例外。例如：RCUi(t)UO(t)）（）（t)(iooUtUdttdURC解ST§2-1控制系统的微分方程RCUi(t)UO(t)RCTeUtUTtio）（）（/1t)(ST当Uo(0)=0时，）（）（t)(iooUtUdttdURC一般地，对于线性定常系统，可描述为：x(t)b++dtx(t)db+dtx(t)db=y(t)a++dty(t)da+dty(t)da01-m1-m1-mmmm01-n1-n1-nnnn§2-1控制系统的微分方程STEND§2-2传递函数系统的数学模型可以用微分方程表示，但对复杂的微分方程，其求解过于困难，甚至无法求解。为此研究系统的复数模型，即传递函数。为把实数模型转换为复数模型，必须借助拉氏变换，即Laplace变换。ST1.Laplace变换积分变换的一种，它把复杂的微分方程转换为简单的线性代数方程。定义为：§2-2传递函数ST0)()()]([dtetfsFtfLst其中，s=σ+jω；F(s)——f(t)的象函数；f(t)——F(s)的象原函数例如：ssedtetsFtLstst1)(1)()](1[002.常用拉氏变换：§2-2传递函数STssFtf1)(1)(ssFetft1)()(21)()(ssFttf1)()()(sFttf3.拉氏变换定理：§2-2传递函数ST)()()]()([2121sFsFtftfL)()]([sAFtAfL)()]([sFetfLs)(])([ssFdttdfL)(])([sFsdttfdLnnnssFdttfL)(])([条件：f(0)=0,即初始条件为0条件：f(0)=f'(0)=f''(0)=…f(n-1)(0)=0)(lim)(lim0tfssFts)(lim)(lim0tfssFts4.拉氏逆变换：§2-2传递函数ST873513)8)(3)(1()3824()4911()(831)8)(3)(1(13310615)(321321232132122243512133106152322sssssscccscccscccscscscssssssFsssss可通过公式推导，但通常通过查拉氏变换表。如不能直接查到，则应先分解为部分分式和。例如：)]([)(1sFLtfttteeesFLtf831753)]([)(5.传递函数：§2-2传递函数STRCUi(t)UO(t)）（）（t)(iooUtUdttdURC）（s)()(iooUsUsRCsU设Uo(0)=0，则§2-2传递函数ST）（s)()(iooUsUsRCsU)()1(1s)(sGRCsUsUio）（）（s)()(ioUsGsU从以上可以看出，只要G(s)一确定，该电路（环节、系统）的输出与输入之间的关系便已确定。因此，将G(s)称为该电路（环节、系统）的传递函数。§2-2传递函数ST传递函数的定义：线性定常系统在初始条件为零的情况下，其输出量的拉氏变换与输入量的拉氏变换之比。x(t)b++dtx(t)db+dtx(t)db=y(t)a++dty(t)da+dty(t)da01-m1-m1-mmmm01-n1-n1-nnnn下面推导一般系统的传递函数：§2-2传递函数ST01110111s)()(asasasabsbsbsbXsYsGnnnnmmmm）（在初始条件为零的情况下，对两边求拉氏变换得：)X(s)b++sb+s(b=)Y(s)a+sa+s(a01-m1-mm