自動(dòng)控制系統(tǒng)的組成及其質(zhì)量指標(biāo)_

1、1.1自動(dòng)控制系統(tǒng)的組成及其質(zhì)量指標(biāo) 自動(dòng)控制系統(tǒng)組成、方框圖及常用術(shù)語 重點(diǎn) 自動(dòng)控制系統(tǒng)的分類 自動(dòng)控制系統(tǒng)的質(zhì)量指標(biāo) 重點(diǎn) 1.1.1自動(dòng)控制系統(tǒng)組成、方框圖 組成 受控對(duì)象（過程） ：工作的機(jī)器、裝備或生產(chǎn)過程等， 從傳感器到執(zhí)行器之間 被控量（熱工參數(shù)、被控參數(shù)）：表征其工作狀態(tài)的物理 量如T,P,濕度,流量,液位 傳感器（測(cè)量變送）：對(duì)被控量進(jìn)行測(cè)量（轉(zhuǎn)換成標(biāo)準(zhǔn)信 號(hào)）的裝置，成比例地轉(zhuǎn)變其他物理量 控制器（調(diào)節(jié)器）：把測(cè)定值和設(shè)定值進(jìn)行比較的裝置 執(zhí)行器（調(diào)節(jié)閥）：把調(diào)節(jié)器的指令成比例地轉(zhuǎn)換為直線 或角位移地裝置 自動(dòng)控制系統(tǒng)：受控對(duì)象和控制裝置的總體，由控制對(duì)象 和自動(dòng)控制設(shè)備

2、組成 1一溫度傳感器 2一熱水加熱器 3一溫度控制器 4一電動(dòng)二通閥 qa一外侵熱量 a一室內(nèi)溫度b一室外溫度 c一送風(fēng)溫度 圖1-1 室溫自動(dòng)控制系統(tǒng) 為了研究自動(dòng)控制系統(tǒng)組成環(huán)節(jié)之間的 相互影響和信號(hào)聯(lián)系，通常使用自動(dòng)控 制系統(tǒng)方框圖來表示自動(dòng)控制系統(tǒng)。 自動(dòng)控制系統(tǒng)的方框圖 控制器： 執(zhí)行器： 被控對(duì)象：從傳感器到調(diào)節(jié)閥之間的管道設(shè)備 傳感器： 控制器執(zhí)行器被控對(duì)象 傳感器 Ge (t)p (t)q (t) a z 干擾 方框圖的畫法 每個(gè)方框表示組成該系統(tǒng)的一個(gè)環(huán)節(jié) 兩個(gè)方框之間一條帶有箭頭的連線表示其 相互關(guān)系，不表示方框之間的物料聯(lián)系 每個(gè)方框都有一個(gè)輸入信號(hào)和一個(gè)輸出信 號(hào) 控制

3、器執(zhí)行器被控對(duì)象 傳感器 Ge (t)p (t)q (t) a z + 干擾 液位控制器 儲(chǔ)罐 HT HC 差壓變送器 液位調(diào)節(jié)器 執(zhí)行器 控制器執(zhí)行器被控對(duì)象 傳感器 x (t)e (t)u (t)q (t)y (t) z (t) 干擾 圖1-2 室溫自動(dòng)控制系統(tǒng)框圖 控制器執(zhí)行器被控對(duì)象 傳感器 Ge (t)p (t)q (t) a z 干擾 干擾作用通過干擾通道影響被控參數(shù)，而控 制作用通過控制通道影響被控參數(shù)。 系統(tǒng)中信號(hào)沿箭頭方向前進(jìn)，最后又回到原 來的起點(diǎn)，形成一個(gè)閉合回路，這種系統(tǒng)叫 閉環(huán)系統(tǒng)。 在閉環(huán)系統(tǒng)中，系統(tǒng)的輸出信號(hào) 為被控參 數(shù)，它通過傳感器這個(gè)環(huán)節(jié)再返回到系統(tǒng)的 輸入

4、端，與給定值 比較 ，這種將系統(tǒng)的輸 出信號(hào)引回到輸入端的過程叫反饋。 被測(cè)輸出信號(hào)減弱輸入信號(hào)的反饋，稱為負(fù) 反饋；反之稱正反饋。 a G 控制器執(zhí)行器被控對(duì)象 傳感器 Ge (t)p (t)q (t) a z 干擾 負(fù)反饋控制具有自動(dòng)修正被控參數(shù)偏離給定值 的能力，控制精度高，適應(yīng)面廣，是基本的控 制系統(tǒng)。負(fù)反饋控制系統(tǒng)的工作原理是：當(dāng)干 擾作用 發(fā)生后，被控參數(shù) 偏離給定值，這 種變化被傳感器測(cè)出 并送到控制器的比較環(huán) 節(jié)與給定值 比較，得出偏差 ，偏差輸 入到控制器中，經(jīng)過控制器加工運(yùn)算，輸出一 個(gè)和偏差 成一定關(guān)系的控制量 ，去調(diào)節(jié)執(zhí) 行機(jī)構(gòu)，改變輸入到控制對(duì)象中的能量 ，克 服干擾

5、造成的影響，使被控參數(shù)又趨于給定值。 可見，負(fù)反饋控制的實(shí)質(zhì)是以偏差克服偏差的 控制過程。自動(dòng)控制系統(tǒng)的基本功能是信號(hào)的 測(cè)量、變送、比較和加工。 f a z G zG e e p q 1.1.2自動(dòng)控制系統(tǒng)的分類 若按給定值的給定變化規(guī)律來分 定值控制系統(tǒng)將被控制量保持在某一定值或很小的 范圍中的控制系統(tǒng) 程序控制系統(tǒng)被控量的給定值按預(yù)定的時(shí)間程序而 變化的控制系統(tǒng) 隨動(dòng)控制系統(tǒng)被控量的給定值隨時(shí)間任意地變化的 控制系統(tǒng) 若按控制動(dòng)作與時(shí)間的關(guān)系來分 連續(xù)控制系統(tǒng) 斷續(xù)控制系統(tǒng) 如按控制器使用的能源種類分 氣動(dòng)控制系統(tǒng) 液動(dòng)控制系統(tǒng) 電動(dòng)控制系統(tǒng) 若按控制器的控制規(guī)律分 雙位控制系統(tǒng) 比例控

6、制系統(tǒng) 比例積分控制系統(tǒng) 比例微分控制系統(tǒng) 比例積分微分控制系統(tǒng) 按系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)分類 反饋控制系統(tǒng) 前饋控制系統(tǒng) 前饋反饋控制系統(tǒng) 1.1.3自動(dòng)控制系統(tǒng)的質(zhì)量指標(biāo) 基本概念 自動(dòng)化領(lǐng)域內(nèi)，把被控參數(shù)不隨時(shí)間而變化的平衡狀態(tài)稱 為系統(tǒng)的靜態(tài) 把被控參數(shù)隨時(shí)間而變化的不平衡狀態(tài)稱為系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)。 雙位控制系統(tǒng) 階躍干擾典型干擾作用 圖13 階躍干擾作用 一、自動(dòng)控制系統(tǒng)的過渡過程 自動(dòng)控制系統(tǒng)在干擾和控制的共同作用下， 從一個(gè)穩(wěn)定狀態(tài)變化到另一個(gè)穩(wěn)定狀態(tài)期間 被控參數(shù)隨時(shí)間的變化過程稱為自動(dòng)控制系 統(tǒng)的過渡過程。自動(dòng)控制系統(tǒng)過渡過程也就 是系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)特性，它包括靜態(tài)和動(dòng)態(tài)。研 究過渡過程的目的就

7、是為了研究控制系統(tǒng)的 品質(zhì)。 系統(tǒng)的靜態(tài)和動(dòng)態(tài) 靜態(tài)：輸入不變，調(diào)節(jié)系統(tǒng)在調(diào)節(jié)器的 自動(dòng)調(diào)節(jié)作用下，被調(diào)量不再隨時(shí)間變 化的平衡狀態(tài) 動(dòng)態(tài)：被調(diào)量隨時(shí)間變化，系統(tǒng)處于不 平衡狀態(tài) 一個(gè)運(yùn)行的系統(tǒng)，時(shí)時(shí)刻刻都有擾動(dòng)作 用于對(duì)象，被調(diào)量偏離設(shè)定值，重點(diǎn)應(yīng) 研究系統(tǒng)和環(huán)節(jié)的動(dòng)態(tài)特性上。 定值控制系統(tǒng)受到階躍干擾后，過渡過程 有四種基本形式 a)發(fā)散振蕩過程 b)等幅振藹過程 c)衰減振蕩過程 d)單調(diào)衰減過程 圖14 過渡過程的基本形式 發(fā)散振蕩 01234 0.0 0.5 1.0 1.5 2.0 t 等幅振蕩 0246810121416 0.0 0.2 0.4 0.6 0.8 1.0 1.2 1.

8、4 1.6 1.8 2.0 h(t) t F1 0510152025 0.0 0.2 0.4 0.6 0.8 1.0 1.2 1.4 1.6 h(t) t 最大偏差 給定值 余差 tp ts 衰減振蕩(1) 衰減振蕩(2) 0510 0.0 0.2 0.4 0.6 0.8 1.0 1.2 1.4 1.6 1.8 2.0 h(t) t （單調(diào)過程）無振蕩過程 024681012 0.0 0.2 0.4 0.6 0.8 1.0 h(t) t 圖1-5 自動(dòng)控制系統(tǒng)受到階躍干擾后 衰減振蕩過程質(zhì)量指標(biāo) 余差（e） ：系統(tǒng)過渡過程終了時(shí)給定值與被控參 數(shù)穩(wěn)定值之差 最大偏差（A）：被控參數(shù)第一個(gè)波的峰

9、值與給 定值的差 衰減比（n）：振蕩過程的第一個(gè)波的振幅與第二 個(gè)波的振幅之比 衰減率（f）：經(jīng)過一個(gè)周期后，波動(dòng)幅度衰減的 百分比 控制（過渡過程）時(shí)間（ts）：系統(tǒng)過渡過程曲線 進(jìn)入新的穩(wěn)定值的5%或2%范圍內(nèi)所需的時(shí)間 峰值時(shí)間（tp）：系統(tǒng)過渡過程曲線到達(dá)第一個(gè)峰 值所需的時(shí)間，反映系統(tǒng)響應(yīng)的靈敏程度 二、自動(dòng)控制系統(tǒng)的質(zhì)量指標(biāo) 余差（e） ：系統(tǒng)過渡過程終了時(shí)給定值與 被控參數(shù)穩(wěn)定值之差 最大偏差（A）：被控參數(shù)第一個(gè)波的峰值 與給定值的差 二、自動(dòng)控制系統(tǒng)的質(zhì)量指標(biāo) 0510152025 0.0 0.2 0.4 0.6 0.8 1.0 1.2 1.4 1.6 h(t) t 最大偏差

10、 給定值 余差 衰減振蕩的品質(zhì)指標(biāo) 衰減比（n）：振蕩過程的第一個(gè)波的振 幅與第二個(gè)波的振幅之比 衰減率（f）：經(jīng)過一個(gè)周期后，波動(dòng)幅 度衰減的百分比 0510152025 0.0 0.2 0.4 0.6 0.8 1.0 1.2 1.4 1.6 h(t) t 給定值 衰減振蕩的品質(zhì)指標(biāo) y2 y1 y1 衰減比 y2 y1-y2 衰減率 y1 控制（過渡過程）時(shí)間（ts）：系統(tǒng)過渡 過程曲線進(jìn)入新的穩(wěn)定值的5%或2%范 圍內(nèi)所需的時(shí)間 峰值時(shí)間（tp）：系統(tǒng)過渡過程曲線到達(dá) 第一個(gè)峰值所需的時(shí)間，反映系統(tǒng)響應(yīng) 的靈敏程度 0510152025 0.0 0.2 0.4 0.6 0.8 1.0 1

11、.2 1.4 1.6 h(t) t 給定值 tp 衰減振蕩的品質(zhì)指標(biāo) ts 余差 2%或5% 等幅振蕩的品質(zhì)指標(biāo) 02468101214161820 0.0 0.2 0.4 0.6 0.8 1.0 1.2 1.4 1.6 1.8 2.0 h(t) t F1 過渡時(shí)間？ 峰值時(shí)間？ 衰減率 衰減比 發(fā)散振蕩的品質(zhì)指標(biāo) 過渡時(shí)間？ 峰值時(shí)間？ 012345678 0.0 0.5 1.0 1.5 2.0 t 對(duì)控制系統(tǒng)的性能要求 穩(wěn)：動(dòng)態(tài)過程的振蕩傾向和系統(tǒng)重新恢 復(fù)平衡工作狀態(tài)的能力 0510152025 0.0 0.2 0.4 0.6 0.8 1.0 1.2 1.4 1.6 1.8 2.0 h(t) t 過 程2 過 程1 01234 0.0 0.5 1.0 1.5 2.0 t 系統(tǒng)過渡到新的平衡工作狀態(tài)后或系統(tǒng) 受到擾動(dòng)后重新恢復(fù)平衡后，最終保持 的精度，反映了動(dòng)態(tài)后期的性能 準(zhǔn)： 101214161820222426 0.0 0.4 0.8 1.2 1.6 t 過程2 過程1 快： 動(dòng)態(tài)過程進(jìn)行的時(shí)間