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1轮机自动化基础轮机自动化基础主讲：汤旭晶2第一章反馈控制系统的基本概念第五章频率特性法第四章时域分析法第三章控制对象的动态特性第二章自动控制系统的数学模型第六章控制器作用规律轮机自动化基础§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◎第一章反馈控制系统的基本概念本章的基本要求掌握自控系统的基本概念、系统组成和各组成环节的作用,正确画出系统的原理方框图;了解自控系统的分类和特点;掌握负反馈在自控系统中的作用;明确开环控制与闭环控制的区别；明确对控制系统的基本要求。第一章反馈控制系统的基本概念自动控制：是指在没有人参与的情况下利用控制器使被控对象(指生产设备或生产过程）自动地按预定的规律运行。发展：机械化→电气化时代→自动化、信息化、智能化控制理论的发展：(工程控制论）1、经典控制理论40－50年代形成(Single-input&.Single-outputsystem)基于：二战军工技术目标：反馈控制系统的镇定基本方法：传递函数，频率法，PID调节器(频域)2、现代控制理论60－70年代形成(Multi-input&.Multi-outputsystem)基于：冷战时期空间技术，计算机技术目标：最优控制基本方法：状态方程（时域）§1-1引言3、智能控制技术60年代中期开始发展专家系统模糊控制神经网络4、正在发展的各个领域自适应控制大系统理论H∞鲁棒控制非线性控制（微分几何，混沌，变结构）自动控制发展的历程(王广雄教授)百家讲坛录像§1-1引言人们普遍认为最早应用于工业过程的自动反馈控制器,是JamesWatt于1769年发明的飞球调节器，它被用来控制蒸汽机的转速。后来此机械装置被广泛应用。§1-1引言用于船舶推进器中的离心式调速器§1-1引言用于船舶推进器的电子式调速器§1-1引言§1-2自动控制的基本方式1.开环控制系统(open-loop)控制系统的输出量对系统的控制作用没有任何影响。⑴按给定值控制（测量给定值）⑵按扰动补偿（测量破坏系统正常运行的扰动）自动控制系统=控制器+控制对象AutomaticControlSystems=Controller+plantFig.1-1闭环系统实质：通过偏差消除偏差转换装置电动机进水阀水箱HrHC△H减速器N主要特点为：①闭环负反馈控制，即按偏差调节；②抗扰性好，控制精度高；③系统参数要适当选择，否则可能不能正常工作。2.闭环控制系统(closed-loop)指控制器与控制对象之间既有顺向作用又有反向联系的控制过程，既控制系统的输出量对系统的控制作用有影响，即反馈(feedback)。因此，又称为反馈控制。Fig.1-2§1-2自动控制的基本方式3.复合(compound)控制系统为了提高系统的快速性和精度，除了主反馈回路以外前置滤波或扰动补偿装置，这种开环与闭环结合的系统称为复合控制系统。开环控制——粗调闭环控制——细调Fig.1-3§1-2自动控制的基本方式§1-3反馈控制系统的概念1.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、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），冷却水温度。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。Fig.1-41.反馈控制系统的组成§1-3反馈控制系统的概念2.反馈控制系统的结构框图特点:①信号传递单向性；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.1-5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。§1-3反馈控制系统的概念3.反馈控制系统的分类1.按给定值的形式：（a）定值控制；（b）程序控制；（c）随动控制。2.按动作方式：（a）连续控制；（b）断续控制（双位控制或多位控制）3.按控制精度：（a）有差调节；（b）无差调节4.按变量数：（a）单变量控制；（b）多变量控制5.按系统性质：（a）线性控制系统；（b）非线性控制系统6.按应用理论：（a）基于经典理论的控制；（b）基于现代控制理论的控制（最优控制、自适应控制）；（c）智能控制（模糊、神经、专家、自学习控制）§1-4自动控制系统的性能要求1.自动控制系统的稳态与动态稳态(Static)：被控量不随时间变化的平衡状态。（静态）动态(dynamic)：被控量随时间变化的不平衡状态。（瞬态）自动控制过程：新的稳态（平衡）动态过程稳态（平衡）扰动变化控制作用平衡破坏克服扰动影响Fig.1-4b2.自动控制系统的过渡过程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。Fig.1-8过渡过程(transient)：指自动控制系统在动态中被控量随时间的变化过程。或者说是从一个平衡态过渡到另一个平衡态的过程。§1-4自动控制系统的性能要求为便于系统分析，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。)0(0)0()(ttRtr)0(0)0()(ttRttr)0(0)0(21)(2ttRttr),0(0)0(1)(htththtr()sinrtAt§1-4自动控制系统的性能要求3.自动控制系统的典型输入信号4．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自动控制系统的性能要求fig.1-14◎4．自动控制系统过渡过程的性能要求过渡过程评定指标:（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，至少要求是衰减过程或非周期过程，以衰减为佳。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◎闭环系统稳定是前提§1-4自动控制系统的性能要求4．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σ；静态偏差Δys。fig.1-16◎§1-4自动控制系统的性能要求4．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。系统响应过程达到不再超过稳态值的容许误差时间（通常取△为稳态值的5%或2%），所需的最小时间，也称为暂态时间或回复时间。此外还有振荡频率、振荡次数等fig.1-15◎fig.1-16◎§1-4自动控制系统的性能要求过渡过程的性能指标的要求(总结）：（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自动控制系统的性能要求随着自动控制的发展，提出了一些更高的性能要求，如：1、鲁棒性，指系统对环境的干扰和不确定性等诸因素的不敏感程度。2、适应性，指系统具有适应被控过程或对象动力学变化、环境变化和运行条件变化的能力。3、容错性，指系统能够鉴别各类故障，并予以屏蔽，甚至还有修复的能力。4、实时性，指系统具有实时在线响应的能力。本章的基本要求掌握自控系统的基本概念、系统组成和各组成环节的作用,正确画出系统的原理方框图;了解自控系统的分类和特点;掌握负反馈在自控系统中的作用;明确开环控制与闭环控制的区别；明确对控制系统的基本要求。第一章反馈控制系统的基本概念Q1V2Q2V1HFFig.1-1液位控制系统示意图fig.1-1液位控制系统示意图Q1V2Q2V1HF+E+E浮子控制器电动机Fig.1-2液位控制闭环系统示意图fig.1-2液位控制闭环系统示意图fig.1-3复合控制系统结构方框图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.1-4电动仪表控制的主机冷却水温度控制系统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主机入口主机出口冷却器海水fig.1-4a柴油机气缸冷却水温度手动控制过程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.1-4b◎温度计fig.1-4b柴油机气缸冷却水温度自动控制过程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.1-4◎温度传感器fig.1-5自动控制系统结构方框图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yt平衡状态过渡过程平衡状态fig.1-9tr(t)0Rtr(t)0Rttr(t)01/2Rt2fig.1-10fig.1-11tr(t)0fig.1-13fig.1-12r(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(a)(b)(c)(d)fig.1-15自动控制系统过渡过程曲线133111yyyyy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，为衰减振荡过程φ=1，为非周期过程最佳衰减率：φ=0.75~0.913yNy衰减比：yttst0y∞Δysy1y2y3y0emaxfig.1-16自动控制系统过渡过程曲线ts%100)()(maxyyytt0y∞Δy1y2y3ymaxyy0133111yyyyyΔysemax