輪機自動化大連海事大學ppt課件

1、輪 機 自 動 化.第二章 自動控制系統(tǒng)的數(shù)學模型第三章 控制對象的動態(tài)特性第四章 控制器的作用規(guī)律輪 機 自 動 化 基 礎輪機自動化根底第一章 反響控制系統(tǒng)的根本概念第五章 時域分析法.第一章 反響控制系統(tǒng)的根本概念輪機自動化根底1-1 引言1-2 自動控制系統(tǒng)的根本方式1-3 反響控制系統(tǒng)的概念1-4 自動控制系統(tǒng)的性能要求 .1-1 引言 所謂自動控制，是指在沒有人參與的情況下利用控制器使被控對象即消費設備或消費過程自動地按預定的規(guī)律運轉(zhuǎn)。包括參數(shù)控制和程序控制 例如： 1鍋爐水位和壓力堅持在規(guī)定的范圍或設定值上； 2船舶的舵角按發(fā)出的舵令變化； 3柴油主機的起動按規(guī)定的操作規(guī)程進展；

2、 4分油機的排渣過程按預定的程序進展。ST.1-2 自動控制的根本方式1. 開環(huán)控制系統(tǒng) Fig.1-1 控制系統(tǒng)的輸出對系統(tǒng)的控制造用沒有影響。 (1)按給定值進展控制 (2)按擾動補償進展控制2閉環(huán)控制系統(tǒng) Fig.1-2 控制系統(tǒng)的輸出對系統(tǒng)的控制造用有影響，即控制器的輸出作用于控制對象，控制對象的輸出系統(tǒng)的輸出將送回到控制器，控制器根據(jù)偏向進展控制。因此，又稱為反響控制。 ST.1-2 自動控制的根本方式3復合控制 Fig.1-3 在一個控制系統(tǒng)中同時采用開環(huán)控制和閉環(huán)控制。 開環(huán)控制粗調(diào) 閉環(huán)控制細調(diào)ST.1-3 反響控制系統(tǒng)的概念ST反響控制系統(tǒng)的組成反響控制系統(tǒng)的構(gòu)造方框圖反響控

3、制系統(tǒng)的分類.1. 反響控制系統(tǒng)的組成控制對象：被控制的設備或過程冷卻器。系統(tǒng)的輸出就是指被控對象的輸出或稱被控量?？刂破骰蚍Q調(diào)理器：根據(jù)偏向按一定規(guī)律輸出控制量，送至執(zhí)行機構(gòu)。它有兩個輸入，即設定值輸入和丈量值輸入。偏向=設定值丈量值3. 執(zhí)行器執(zhí)行機構(gòu)：接受控制器送來的控制信號，驅(qū)動調(diào)理機構(gòu)，作用于被控對象。4. 丈量變送器丈量單元：將被控對象的物理輸出量，即 被控量轉(zhuǎn)換為規(guī)范信號輸出也稱丈量輸出，送到調(diào)理器，作為反響信號。STFig.1-5a.2. 反響控制系統(tǒng)的構(gòu)造框圖特點： 1信號傳送的單向性；2閉合回路閉環(huán)系統(tǒng)；3負反響：反響通道的信號與前向通道的信號相減。反之，那么為正反響。4控

4、制單元根據(jù)偏向進展控制，因此又稱偏向驅(qū)動。 Fig.1-6 假設控制單元、丈量單元和執(zhí)行單元合為一體，那么稱為基地式控制儀表；假設三者分開，那么稱為組合式控制儀表。ST.3. 反響控制系統(tǒng)的分類1. 按給定值的方式： 1定值控制；2程序控制；3隨動控制。2. 按動作方式： 1延續(xù)控制；2斷續(xù)控制雙位控制或多位控制3. 按控制精度： 1有差調(diào)理；2無差調(diào)理4. 按變量數(shù)： 1單變量控制；2多變量控制5. 按系統(tǒng)性質(zhì)： 1線性控制系統(tǒng)；2非線性控制系統(tǒng)6. 按運用實際： 1基于經(jīng)典實際的控制； 2基于現(xiàn)代控制實際的控制最優(yōu)控制、自順應控制； 3智能控制模糊、神經(jīng)、專家、自學習控制ST.1-4 自動

5、控制的性能目的ST1自動控制系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)和動態(tài) 穩(wěn)態(tài)被控量不隨時間而變化的平衡形狀也稱靜態(tài) 動態(tài)被控量隨時間而變化的不平衡形狀也稱瞬態(tài) 穩(wěn)態(tài)平衡 動態(tài)過程擾動變化平衡破壞控制造用抑制擾動影響新穩(wěn)態(tài)平衡.1-4 自動控制的性能目的ST2自動控制系統(tǒng)的過渡過程 自動控制系統(tǒng)在動態(tài)過程中被控量隨時間而變化的過程，或者說是從一個平衡態(tài)過渡到另一個平衡態(tài)的過程。Fig.1-8 根據(jù)過渡過程的特點，控制系統(tǒng)可分為： 1發(fā)散過程 2等幅振蕩過程 Fig.1-14 3衰減過程 4非周期過程 其中， 1、2稱為不穩(wěn)定過程；3、4稱為穩(wěn)定過程。.3自動控制系統(tǒng)的典型輸入信號 為便于系統(tǒng)分析，定義幾種常見的系統(tǒng)輸入信

6、號： 1階躍輸入： Fig.1-9 2速度輸入 ： Fig.1-10 3加速度輸入： Fig.1-11 4脈沖輸入： Fig.1-12 5正弦輸入： Fig.1-13 其中，階躍輸入對系統(tǒng)的任務最為不利。1-4 自動控制的性能目的ST.4自動控制系統(tǒng)過渡過程的性能要求 方法：給系統(tǒng)施加階躍輸入，得到系統(tǒng)過渡過程曲線，分析系統(tǒng)過渡過程的各項性能目的。 采用階躍輸入的緣由： 1信號的階躍變化在實踐中比較常見近似的階躍變化； 2階躍信號的數(shù)學處置比較簡單； 3階躍輸入對系統(tǒng)的任務最為不利。 評定系統(tǒng)過渡過程性能目的的三個方面： 1穩(wěn)定性；2準確性；3快速性。 1-4 自動控制的性能目的ST.4自動控

7、制系統(tǒng)過渡過程的性能要求 1過渡過程評定目的 1穩(wěn)定性：系統(tǒng)遭到擾動之后可以恢復到穩(wěn)定形狀的才干。實踐控制系統(tǒng)，至少要求是率減過程或非周期過程，以率減為佳。評定目的：衰減率 ，衰減比Na定值控制系統(tǒng)：給定值不變，外部擾動發(fā)生階躍變化； fig.1-15b隨動控制系統(tǒng)：假定外部擾動不變，給定值階躍變化。 fig.1-16 1-4 自動控制的性能目的ST.4自動控制系統(tǒng)過渡過程的性能要求 2準確性：被控量偏離給定值的程度 評定目的： a定值控制系統(tǒng)：最大動態(tài)偏向emax；靜態(tài)偏向ys fig.1-15 b隨動控制系統(tǒng)：最大動態(tài)偏向emax；超調(diào)量；靜態(tài)偏 差ys 。 fig.1-16 1-4 自動

8、控制的性能目的ST.4自動控制系統(tǒng)過渡過程的性能要求 3快速性： 評定目的：過渡過程時間 ts從擾動發(fā)生到被控量又重新 趨于穩(wěn)定到達新的平衡態(tài)所需的時間 此外還有振蕩頻率、振蕩次數(shù)等 fig.1-15 fig.1-16 1-4 自動控制的性能目的ST.4自動控制系統(tǒng)過渡過程的性能要求 3過渡過程的性能目的的要求： 1定值控制： a動態(tài)偏向和靜態(tài)偏向要?。?b衰減率最好在0.750.9之間； c過渡過程時間要短 2隨動控制： a超調(diào)量要?。?b過渡過程時間要短； c振蕩次數(shù)要少1-4 自動控制的性能目的ST. fig.1-3 復合控制系統(tǒng)構(gòu)造方框圖ST控制安裝執(zhí)行機構(gòu)控制對象反響安裝被控量給定信

9、號+-前饋安裝擾動補償外部擾動. fig.1-6 自動控制系統(tǒng)構(gòu)造方框圖ST控制單元執(zhí)行單元控制對象丈量單元p(t)q(t)y(t)b(t)r(t)e(t)+-e(t)偏向信號 e(t)=r(t)-b(t)y(t)被控量p(t)控制量f(t)擾動量f(t). fig.1-8 自動控制系統(tǒng)過渡過程曲線STyt平衡形狀過渡過程平衡形狀. fig.1-9STtr(t)0Rtr(t)0Rttr(t)01/2Rt2fig.1-10fig.1-11tr(t)0fig.1-13. fig.1-12STr(t)01/hhh0時，稱為理想的單位脈沖函數(shù)，記作(t)。r(t)0r(t)tth0. fig.1-14

10、 過程曲線根本類型ST(a)(b)(c)(d). fig.1-15 自動控制系統(tǒng)過渡過程曲線STyttt0yysy1y2y3y0根據(jù)衰減率 的大小可以斷定過渡過程的性質(zhì)： 0，為發(fā)散振蕩過程 =0，為等幅振蕩過程01，為率減振蕩過程 =1，為非周期過程最正確衰減率： =0.750.9emax. fig.1-16 自動控制系統(tǒng)過渡過程曲線STtstt0yy1y2y3ymaxyy0ysemax. fig.1-5 電動儀表控制的主機冷卻水溫度控制系統(tǒng)ST溫度變送器控制器伺服放大器執(zhí)行器蝶閥機構(gòu)溫度傳感器. fig.1-5a 柴油機氣缸冷卻水溫度手動控制過程ST冷卻器三通閥淡水泵主機眼腦手海水入口海水

11、出口手動控制過程Fig.1-5b. fig.1-5b 柴油機氣缸冷卻水溫度自動控制過程ST冷卻器三通閥淡水泵主機手海水入口海水出口自動控制過程溫度變送器調(diào)理器執(zhí)行機構(gòu)Fig.1-5.STQ1V2Q2V1HF圖1-1 液位控制系統(tǒng)表示圖.2-0 問題的提出2-1 控制系統(tǒng)的微分方程2-2 傳送函數(shù)2-3 傳送函數(shù)方框圖等效變換2-4 典型環(huán)節(jié)及其傳送函數(shù) 第二章 自動控制系統(tǒng)的數(shù)學模型ST拉氏變換定理方框圖終了方框圖練習10min一階慣性環(huán)節(jié).控制單元執(zhí)行單元控制對象丈量單元p(t)q(t)y(t)b(t)r(t)e(t)+-f(t)y(t)=F(r(t),f(t) 為研討系統(tǒng)輸出y(t)隨時間

12、變化的規(guī)律，以及系統(tǒng)的特性，必需研討系統(tǒng)的數(shù)學模型。2-0 問題的提出STEND.2-1 控制系統(tǒng)的微分方程 任何一個物理系統(tǒng)都可以用一個微分方程進展描畫，控制系統(tǒng)也不例外。例如：RCUi(t)UO(t)解ST.2-1 控制系統(tǒng)的微分方程RCUi(t)UO(t)ST當Uo(0)=0時，.普通地，對于線性定常系統(tǒng)，可描畫為：2-1 控制系統(tǒng)的微分方程STEND.2-2 傳送函數(shù) 系統(tǒng)的數(shù)學模型可以用微分方程表示，但對復雜的微分方程，其求解過于困難，甚至無法求解。為此研討系統(tǒng)的復數(shù)模型，即傳送函數(shù)。 為把實數(shù)模型轉(zhuǎn)換為復數(shù)模型，必需借助拉氏變換，即 Laplace 變換。ST. 1. Laplac

13、e 變換 積分變換的一種，它把復雜的微分方程轉(zhuǎn)換為簡單的線性代數(shù)方程。定義為：2-2 傳送函數(shù)ST其中，s=+j； F(s)f(t)的象函數(shù)；f(t)F(s)的象原函數(shù)例如：. 2. 常用拉氏變換：2-2 傳送函數(shù)ST. 3. 拉氏變換定理：2-2 傳送函數(shù)ST 條件：f(0)=0,即初始條件為0 條件：f(0)=f (0)=f (0)= f (n-1)(0)=0. 4. 拉氏逆變換：2-2 傳送函數(shù)ST 可經(jīng)過公式推導，但通常經(jīng)過查拉氏變換表。如不能直接查到，那么應先分解為部分分式和。例如：. 5. 傳送函數(shù)：2-2 傳送函數(shù)STRCUi(t)UO(t) 設Uo(0)=0，那么.2-2 傳送

14、函數(shù)ST 從以上可以看出，只需G(s)一確定，該電路環(huán)節(jié)、系統(tǒng)的輸出與輸入之間的關系便已確定。因此，將G(s)稱為該電路環(huán)節(jié)、系統(tǒng)的傳送函數(shù)。 .2-2 傳送函數(shù)ST傳送函數(shù)的定義：線性定常系統(tǒng)在初始條件為零的情況下，其輸出量的拉氏變換與輸入量的拉氏變換之比。下面推導普通系統(tǒng)的傳送函數(shù)：.2-2 傳送函數(shù)ST在初始條件為零的情況下，對兩邊求拉氏變換得： 傳送函數(shù)G(s)在復數(shù)域表征了在零初始條件下系統(tǒng)的輸出量與輸入量之間的關系。 對于實踐的系統(tǒng)，總有nm。即G(s)是復變量s的有理分式。.2-2 傳送函數(shù)ST將G(s)寫成：其中，X(s)=0稱為系統(tǒng)的特征方程，也即對應微分方 程的特征方程；

15、pi(i=1n)為X(s)=0的根，稱為G(s)的極點； zi(i=1m)為Y(s)=0的根，稱為G(s)的零點。假設系統(tǒng)特征方程中s的次數(shù)是n，那么稱該系統(tǒng)稱為n階系統(tǒng)。.2-2 傳送函數(shù)ST傳送函數(shù)的性質(zhì)：1分母次數(shù)n分子次數(shù)m，慣性所致；2an,an-1,a1,a0 ; bm,bm-1,b1,b0取決于系統(tǒng)中各元件的參數(shù)；3傳送函數(shù)反映系統(tǒng)的固有特性，取決于系統(tǒng)的構(gòu)造和參數(shù)， 與系統(tǒng)存在的物理方式、輸 入輸出的方式以及初始條件無關；4傳送函數(shù)的零極點假設為復數(shù)，那么必為共軛復數(shù)，成對出現(xiàn)；5傳送函數(shù)的拉氏逆變換實踐上是系統(tǒng)的理想單位脈沖呼應簡 稱脈沖呼應；6傳送函數(shù)在系統(tǒng)中 起信號的傳送

16、或轉(zhuǎn)換作用。.2-2 傳送函數(shù)ST 由于傳送函數(shù)反映的是系統(tǒng)的固有特性，取決于系統(tǒng)的構(gòu)造和參數(shù)， 與系統(tǒng)存在的物理方式、輸 入輸出的方式以及初始條件無關，因此在研討控制系統(tǒng)時往往僅從系統(tǒng)的傳送函數(shù)入手，而不去關懷系統(tǒng)的構(gòu)造方式。由于，對于控制系統(tǒng)，最重要的是： 1系統(tǒng)的動態(tài)過程能否穩(wěn)定，以及穩(wěn)定程度如何；2系統(tǒng)能否存在靜態(tài)偏向，以及靜態(tài)偏向的大?。?尋覓提高穩(wěn)定性和減少靜態(tài)偏向的途徑。傳送函數(shù)的用途：1求系統(tǒng)或環(huán)節(jié)輸出量的表達式；2分析系統(tǒng)的穩(wěn)定性、動態(tài)特性和靜態(tài)特性。.2-2 傳送函數(shù)ST 6. 傳送函數(shù)的方框圖： 將一個環(huán)節(jié)用方框圖表示，并將其傳送函數(shù)寫在方框中，便得到該環(huán)節(jié)的傳送函數(shù)方框

17、圖；假設用方框圖描畫一個系統(tǒng)，并將系統(tǒng)中各個環(huán)節(jié)用傳送函數(shù)方框圖表示，那么得到該系統(tǒng)的傳送函數(shù)方框圖。G(s)Xi(s)XO(s)環(huán)節(jié)的傳送函數(shù)方框圖.2-2 傳送函數(shù)STG1(s)G2(s)G3(s)G4(s)P(s)Q(s)Y(s)B(s)R(s)E(s)+-F(s)控制系統(tǒng)的傳送函數(shù)方框圖.2-2 傳送函數(shù)ST傳送函數(shù)的方框圖的根本元素：1函數(shù)方框：方框中的傳送函數(shù)表示該環(huán)節(jié)的動態(tài)特性，其輸出等于該環(huán)節(jié)的傳送函數(shù)和輸入的乘積。環(huán)節(jié)的輸入會影響環(huán)節(jié)的輸出，但輸出不會影響輸入。2信號線：帶箭頭的信號傳送道路，信號線上標出其攜帶的信號變量。信號傳送具有單向性。3引出點交叉點，丈量點：信號線的分

18、叉點。同一位置引出的信號在數(shù)值和性質(zhì)方面完全一樣。4比較點會合點：對兩個以上的信號進展代數(shù)運算，其輸出等于各個輸入的代數(shù)和。END.2-2 傳送函數(shù)ST又設系統(tǒng)的輸入 x(t)=(t)，即X(s)=1對Y(s)求拉氏逆變換得到系統(tǒng)的脈沖呼應輸出y(t)。設系統(tǒng)的傳送函數(shù)為:那么系統(tǒng)的輸出:那么.2-2 傳送函數(shù)ST對Y(s)求拉氏逆變換得到系統(tǒng)的階躍呼應輸出y(t)= (t) 。那么系統(tǒng)的輸出假設nm，那么在G(s)中至少出現(xiàn)s的一次方項。設G(s)=s假設對系統(tǒng)輸入一個單位階躍輸入x(t)=1 ，即X(s)=1/s該系統(tǒng)在實踐中不存在。.2-3 傳送函數(shù)的方框圖等效變換STG2(s)G1(s

19、)G3(s)Xi(s)X1(s)X2(s)Xo(s)1.串聯(lián)方框的等效變換.2-3 傳送函數(shù)的方框圖等效變換STG2(s)G1(s)G3(s)Xi(s)X1(s)X2(s)Xo(s)G (s)Xi(s)Xo(s).2-3 傳送函數(shù)的方框圖等效變換STG2(s)G1(s)Xi(s)X1(s)X2(s)Xo(s)2.并聯(lián)方框的等效變換G (s)Xi(s)Xo(s).2-3 傳送函數(shù)的方框圖等效變換STG1(s)H(s)+3.反響銜接方框的等效變換X1(s)Xf(s)Xi(s)Xo(s)A.2-3 傳送函數(shù)的方框圖等效變換STG1(s)H(s)+X1(s)Xf(s)Xi(s)Xo(s)AG (s)X

20、i(s)Xo(s)反響銜接傳送函數(shù)也稱為閉環(huán)傳送函數(shù)；假設在A點斷開，那么為開環(huán)，開環(huán)傳送函數(shù)為：前向通道 反響通道.2-3 傳送函數(shù)的方框圖等效變換STG1(s)+Xi(s)G (s)Xi(s)Xo(s)Xo(s)假設反響通道的傳送函數(shù)H(s)=1，那么稱為單位反響。.2-3 傳送函數(shù)的方框圖等效變換ST4.引出點的挪動相鄰的引出點可以前后恣意改動次序ABBA.2-3 傳送函數(shù)的方框圖等效變換ST順著信號傳送的方向跨越環(huán)節(jié)乘以G(s)X1(s)X2(s)X3(s)G(s)X3(s)X1(s)X2(s)1/G(s).2-3 傳送函數(shù)的方框圖等效變換STG(s)X1(s)X2(s)X3(s)G(

21、s)X3(s)X1(s)X2(s)逆著信號傳送的方向跨越環(huán)節(jié)乘以G(s)G(s).2-3 傳送函數(shù)的方框圖等效變換STX1(s)X2(s)X4(s)5.集合點的挪動X3(s)X1(s)X2(s)X4(s)X3(s)ABAB相鄰的集合點可以前后恣意改動次序.2-3 傳送函數(shù)的方框圖等效變換ST乘以G(s)G(s)X1(s)X2(s)X3(s)G(s)G(s)X3(s)X1(s)X2(s)5.集合點的挪動順著信號傳送的方向跨越環(huán)節(jié).2-3 傳送函數(shù)的方框圖等效變換ST乘以G(s)X3(s)X1(s)X2(s)G(s)X1(s)X2(s)X3(s)1/G(s)逆著信號傳送的方向跨越環(huán)節(jié).2-3 傳送

22、函數(shù)的方框圖等效變換ST相鄰的引出點和集合點不可改動次序X1(s)X2(s)ABX1(s)X2(s)AB.2-3 傳送函數(shù)的方框圖等效變換ST逆著信號傳送的方向挪動引出點集合點順著信號傳送的方向挪動乘以 G(s)乘以乘以乘以 G(s)引出點和集合點的挪動原那么：堅持挪動前后的信息總量不變。.2-3 傳送函數(shù)的方框圖等效變換STG2G3 G1 H1 H2_ Xi(s)Xo(s) _G2G3 G1 H1H2/G1 _ Xi(s)Xo(s)_練習1：.2-3 傳送函數(shù)的方框圖等效變換STG2G3 G1 H1H2/G1 _ Xi(s)Xo(s)_G3H2/G1 _ Xi(s)Xo(s)_G1G21G1

23、G2H1.2-3 傳送函數(shù)的方框圖等效變換ST_ Xi(s)Xo(s)G1G2G31G1G2H1 G2G3H2G1G2G31G1G2H1 G2G3H2 G1G2G3 Xi(s)Xo(s).2-3 傳送函數(shù)的方框圖等效變換STG2(s)G3(s)G1(s)G4(s)G5(s)_+G6(s)_+ X(s)Y(s)練習2：.2-3 傳送函數(shù)的方框圖等效變換STG2(s)G3(s)G4(s)G5(s)+_G6(s)X(s)Y(s)練習3：.2-4 典型環(huán)節(jié)的傳送函數(shù)ST1.比例環(huán)節(jié)：環(huán)節(jié)的輸出隨輸入成比例變化 xo(t)=kxi(t)其傳送函數(shù)為：任何復雜的控制系統(tǒng)都是由最根本的典型環(huán)節(jié)所組成的。.2

24、-4 典型環(huán)節(jié)的傳送函數(shù)ST1彈性元件：位移隨外力大小成比例變化，比例系數(shù)取決 于元件的彈性大小。與輸入輸出無關。片簧金屬膜片波汶管FFP.2-4 典型環(huán)節(jié)的傳送函數(shù)ST2節(jié)流元件：前后壓力差的大小隨氣流量成比例變化，比 例系數(shù)取決于元件的彈性大小。與輸入輸出 無關。p (t)=Rq (t)G (s)=P (s)/ Q(s) = R.2-4 典型環(huán)節(jié)的傳送函數(shù)ST3噴嘴擋板機構(gòu)：輸出壓力隨噴嘴擋板的開度成比例變化恒節(jié)流孔背 壓 室噴 嘴擋 板噴嘴擋板機構(gòu)構(gòu)造表示圖氣源輸出.2-4 典型環(huán)節(jié)的傳送函數(shù)ST0.10MPa0.02MPa1022h(um)MPa噴嘴擋板機構(gòu)的靜特性.2-4 典型環(huán)節(jié)的

25、傳送函數(shù)ST4放大器：對輸入信號成比例放大氣源 輸出輸入氣動功率放大器.2-4 典型環(huán)節(jié)的傳送函數(shù)STIIIIIISP輸入FP0Pa.2-4 典型環(huán)節(jié)的傳送函數(shù)ST電動功率放大器R1Rfu0uiii.2-4 典型環(huán)節(jié)的傳送函數(shù)ST2.積分環(huán)節(jié)：環(huán)節(jié)的輸出與輸入對時間的積分成比例。假設k=1, 那么.2-4 典型環(huán)節(jié)的傳送函數(shù)STqp輸入量為氣體流量，輸出量為氣容氣壓1氣容.2-4 典型環(huán)節(jié)的傳送函數(shù)STCuoi輸入量為電流，輸出量為電容兩端的電壓2阻容電路.2-4 典型環(huán)節(jié)的傳送函數(shù)ST輸入量為電壓，輸出量也為電壓3運放電路uiC+uoiiR1.2-4 典型環(huán)節(jié)的傳送函數(shù)ST4f ig. 2-

26、35uiC+_uoiiR1R2.2-4 典型環(huán)節(jié)的傳送函數(shù)ST5積分環(huán)節(jié)的階躍呼應設 ui(t)=1,那么Ui(s)=1/stu(t).2-4 典型環(huán)節(jié)的傳送函數(shù)ST3. 一階慣性環(huán)節(jié)： 輸入突變時，輸出的變化滯后于輸入的變化，并按一定的規(guī)律趨近于輸入值。p0piR節(jié)流盲室u0uiRCKRC電路uiRfC-+R1uo運算放大電路.2-4 典型環(huán)節(jié)的傳送函數(shù)STuouiRCKi因分母最高次數(shù)為1，所以為一階慣性環(huán)節(jié)。.2-4 典型環(huán)節(jié)的傳送函數(shù)ST一階慣性環(huán)節(jié)的階躍呼應：設 ui(t)=1,那么Ui(s)=1/s024681000.10.20.30.40.50.60.70.80.91普通系統(tǒng)對單

27、位階躍函數(shù)的呼應：.2-4 典型環(huán)節(jié)的傳送函數(shù)STuiRfC-+R1uo運算放大電路.2-4 典型環(huán)節(jié)的傳送函數(shù)ST4. 一階微分環(huán)節(jié)：環(huán)節(jié)的輸出與輸入的微分成比例。 設xi(t)=1，那么Xi(s)=1/s因此，理想的微分環(huán)節(jié)在實踐中并不存在。.2-4 典型環(huán)節(jié)的傳送函數(shù)ST實踐的微分環(huán)節(jié)：理想的微分環(huán)節(jié)與慣性環(huán)節(jié)的串聯(lián)。 RfuiC-+uoiiR1.2-4 典型環(huán)節(jié)的傳送函數(shù)ST實踐的微分環(huán)節(jié)：理想的微分環(huán)節(jié)與慣性環(huán)節(jié)的串聯(lián)。 RfuiC-+uoiiR1Pass.2-4 典型環(huán)節(jié)的傳送函數(shù)ST實踐微分環(huán)節(jié)的階躍呼應：設 ui(t)=1,那么Ui(s)=1/s024681000.10.20.

28、30.40.50.60.70.80.91普通系統(tǒng)對單位階躍函數(shù)的呼應：.2-4 典型環(huán)節(jié)的傳送函數(shù)ST5. 振蕩環(huán)節(jié)：具有兩個以上的儲能元件，并且存在能量交 換，表現(xiàn)出振蕩特性。 Fig.2-38 振蕩環(huán)節(jié)的階躍呼應過程曲線.2-4 典型環(huán)節(jié)的傳送函數(shù)ST6.純遲延環(huán)節(jié)：輸出比輸入滯后一個延時時間esXo(s)Xi(s)ttxo(t)xi(t).第三章 控制對象的動態(tài)特性ST 控制對象是組成控制系統(tǒng)的根本環(huán)節(jié)之一，研討控制對象的動態(tài)特性對控制系統(tǒng)的研討具有重要的實際和實際意義，如判別系統(tǒng)的穩(wěn)定性和為控制系統(tǒng)選配適宜的控制儀表以及控制系統(tǒng)的參數(shù)調(diào)整等。. 任何控制對象都具有儲存物質(zhì)或能量的才干。

29、只需一個儲蓄容積的對象稱為單容控制對象。依此類推，具有兩個以上儲蓄容積的控制對象那么稱為多容控制對象。這里只討論單容控制對象。 為方便起見，以單容水柜為例展開討論，所得結(jié)論同樣使用于其他物理類型的控制對象。如熱容、氣容和電容等。單容控制對象STFig.3-1.Fig. 3-1 單容控制對象水柜表示圖STQ22Q11hF.1 容量系數(shù)與阻力系數(shù)2 自平衡率3 純延遲4 單容控制對象的數(shù)學模型單容控制對象ST研討內(nèi)容：對象傳送函數(shù).1 容量系數(shù)與阻力系數(shù)STQ22Q11hFQ22hFQ11景象1：不同大小的水柜包容水的才干不同。.1 容量系數(shù)與阻力系數(shù)ST容量系數(shù)C：被控量變化一個單位時對象所包容

30、的物質(zhì)或能量的變化量。熱容：電容：氣容：液容：因此單容水柜的容積系數(shù)就是其截面積A。.1 容量系數(shù)與阻力系數(shù)ST景象2：加大給水量Q1，導致液位h上升。緣由：存在阻力。Q2 +Q2Q1+Q1hFh同時，液位h上升又將抑制阻力，使Q2增大，直至Q2 =Q1 。為使流量增大Q ，阻力越大，所需添加的h也越大。.1 容量系數(shù)與阻力系數(shù)ST熱阻：電阻：氣阻：液阻：阻力系數(shù)R：推進物質(zhì)或能量運動的動力與因此而產(chǎn)生 的物質(zhì)或能量的流量之比。對應不同的高度，阻力系數(shù)不同。此即阻力系數(shù)的非線性。END.2 自平衡率ST自平衡率：自平衡率 ：控制對象依托被控量的變化而使本身恢復到平衡態(tài)的才干。假設將出口閥關死，

31、那么自平衡特性：控制對象在遭到擾動后，被控量的變化將引起物質(zhì)或能量的流量產(chǎn)生變化，從而使本身恢復到平衡形狀。沒有自平衡才干。Q2 +Q2Q1+Q1hFhEND.3 純延遲STQ22Q11hF純遲延：由于傳輸間隔導致被控量的變化比控制量的 變化所落后的時間長度。.3 純延遲ST00uhttu.3 純延遲ST 實踐的控制對象往往存在純遲延，通常將其視作由一個獨立的環(huán)節(jié)，即純遲延環(huán)節(jié)，它與控制對象相串聯(lián)。Q1(s)Q1(s)1CSh1R+Q2(s)END.4 單容控制對象的數(shù)學模型ST設進口閥開度變化，那么Q1、 Q2、 h根據(jù)得：其中，因此，單容控制對象的微分方程.4 單容控制對象的數(shù)學模型ST一

32、階慣性環(huán)節(jié)單容控制對象的傳送函數(shù).4 單容控制對象的數(shù)學模型ST單容控制對象的階躍呼應設那么.4 單容控制對象的數(shù)學模型ST放大系數(shù)K和時間常數(shù)TT放大系數(shù)K是當對象到達穩(wěn)態(tài)時把輸入量放大的倍數(shù)。時間常數(shù)T時對象輸出以最大變化速度到達新穩(wěn)態(tài)值所需的時間。.4 單容控制對象的數(shù)學模型ST放大系數(shù)K和時間常數(shù)T的求法T令t=T，那么.4 單容控制對象的數(shù)學模型ST分析1T2T1T1T2.4 單容控制對象的數(shù)學模型ST分析2可見，控制對象之所以存在放大系數(shù)是由于阻力系數(shù)R所至，R越大，K也越大，其自平衡率越小。當R時，自平衡率0，控制對象成為一個積分環(huán)節(jié)。END.第四章 控制器的作用規(guī)律ST4-0

33、引言4-1 兩位式控制器4-2 比例作用規(guī)律4-3 積分作用規(guī)律4-4 比例積分作用規(guī)律4-5 比例微分作用規(guī)律4-6 比例積分微分作用規(guī)律4-7 控制器作用規(guī)律的實現(xiàn)方法輸出特性曲線終了.4-0 引言ST 控制器是組成控制系統(tǒng)的根本環(huán)節(jié)之一，也是系統(tǒng)中控制儀表的中心部分。根據(jù)控制要求和控制對象的特性，應采用不同作用規(guī)律的控制器。.4-0 引言ST控制器的兩個研討方面：作用規(guī)律：p(t)=f(e(t)，即傳送函數(shù)的構(gòu)造。也稱控制規(guī)律或調(diào)理規(guī)律。2. 作用強度：每一種作用規(guī)律的控制強度。反映在傳送函數(shù)中，就是其分子和分母中的各項系數(shù)。END.4-1 兩位式控制器ST 被控量在設定的上限和下限之間

34、變化，調(diào)理器的輸出只需兩個形狀0或1。Fig.4-2Fig.4-3例1 浮子式鍋爐水位的兩位控制。被控量輸出曲線.4-1 兩位式控制器STFig.4-4例2 兩位式壓力開關。END下限值P下：由給定值彈簧設定上限值P上：由幅差彈簧設定 P上= P下+P假設壓力整定范圍P下 = 0kg/cm28kg/cm2，P= 0.7kg/cm22.5kg/cm2，要求范圍為6.4kg/cm27.5kg/cm2，那么調(diào)整方法為： 1調(diào)整給定螺釘，使指針指在6.4 5kg/cm2上；2調(diào)整幅差彈簧2.2格.4-2 比例作用規(guī)律ST比例作用規(guī)律P：控制器的輸出變化量與輸入偏向 變化量成比例。K比例系數(shù) .4-2

35、比例作用規(guī)律ST例：浮子式水位比例控制系統(tǒng)比例帶或 PB：當控制器的輸出作100%變化時，其輸 入量變化數(shù)值上等于被控量的變化 的百分數(shù)。 圖 4-5.4-2 比例作用規(guī)律ST比例控制器的輸出曲線：tthht0t0比例控制器的特點：存在靜態(tài)偏向緣由：控制器的輸出依賴于偏向的 存在而存在。 比例作用 靜態(tài)偏向 比例作用 靜態(tài)偏向 .4-2 比例作用規(guī)律ST采用比例控制器的單容水柜水位控制系統(tǒng)過渡過程：Gf(s)GO(s)GQ(s)GC(s)Gm(s)hh0hQQ1Q2hh.4-2 比例作用規(guī)律STGO(s)GQ(s)GC(s)Gm(s)hQQ1或Q2.4-2 比例作用規(guī)律STGO(s)GQ(s)

36、GC(s)Gm(s)hh0hh.4-2 比例作用規(guī)律STh0hh-1.4-2 比例作用規(guī)律STh-1h-1.4-2 比例作用規(guī)律ST.4-2 比例作用規(guī)律ST從傳送函數(shù)可以看出，這是一個一階慣性系統(tǒng)，假設關小出水閥，即 ，那么可求出 其過渡過程曲線如圖4-9所示。特點： 1非周期過程，不會產(chǎn)生振蕩； 2有差控制，且比例系數(shù)KP越大或越 小，靜態(tài)偏向越小。.4-2 比例作用規(guī)律ST采用比例控制器的雙容水柜水位控制系統(tǒng)過渡過程：圖4-10對象傳送函數(shù)系統(tǒng)傳送函數(shù).4-2 比例作用規(guī)律ST比例帶對控制系統(tǒng)過渡過程的影響：圖4-11 表4-1END.4-3 積分作用規(guī)律ST積分作用I：控制器的輸出與輸

37、入之間呈積分關系。TI 積分時間。 TI 積分作用httt0t1圖4-13.4-3 積分作用規(guī)律ST假設輸入偏向為h ,那么輸出當t=TI時， = h 因此，TI等于控制器的輸出變化到與其階躍輸入量相等時所需的時間。 .4-3 積分作用規(guī)律ST假設用 替代單容水位控制系統(tǒng)中的Gc(s)，那么控制系統(tǒng)的閉環(huán)傳送函數(shù)當階躍擾動量為時圖4-16END.4-4 比例積分作用規(guī)律ST 由于積分作用容易導致系統(tǒng)穩(wěn)定性變差，因此普通不采用單純的積分控制器，而是將其與比例作用相結(jié)合構(gòu)成比例積分PI控制器。Ti 積分時間；比例帶.4-4 比例積分作用規(guī)律ST積分時間的物理意義：積分輸出到達比例輸出所需的時間。令

38、 t =Ti 那么實踐上，普通將積分時間定義為=100%時積分輸出到達比例輸出所需的時間。.4-4 比例積分作用規(guī)律ST采用比例積分控制器的單容水柜水位控制系統(tǒng)的動態(tài)過程:圖 4-18.4-4 比例積分作用規(guī)律ST與采用純積分控制器時的比較:1阻尼系數(shù)添加，過渡過程變得更穩(wěn)定。2 添加，過渡過程的振蕩趨于平緩。純積分純積分.4-4 比例積分作用規(guī)律ST積分時間對系統(tǒng)過渡過程的影響：圖 4-19END.4-5 比例微分作用規(guī)律ST 控制器的微分作用是指其輸出與輸入的微分，即偏向變化速度成比例。這樣，微分作用可以在偏向變化較快時起到超前控制的作用。但當偏向不再變化時，微分輸出將消逝，因此微分作用常

39、與比例作用一同構(gòu)成比例微分PD控制器。 或.4-5 比例微分作用規(guī)律ST實踐的比例微分控制器的傳送函數(shù)：Kp比例系數(shù)；比例帶；Td微分時間； KD微分放大系數(shù).4-5 比例微分作用規(guī)律ST實踐的比例微分控制器的輸出特性：圖 4-21采用比例微分控制器的水位控制系統(tǒng)動態(tài)過程：圖 4-23氣動比例微分控制器的實現(xiàn)：圖 4-22微分時間對過度過程的影響：圖 4-24END.4-6 比例積分微分作用規(guī)律ST 比例積分微分作用規(guī)律PID：比例、積分和微分作用的組合。實踐的比例積分微分控制器的傳送函數(shù)：.4-6 比例積分微分作用規(guī)律STPID控制器的輸出特性：圖4-25采用PID控制器的液位控制系統(tǒng)動態(tài)過

40、程：圖4-26P、I、PI、PD和PID控制效果比較：圖4-27END.4-7 控制器作用規(guī)律的實現(xiàn)方法ST1.氣動比例控制器 圖4-302.氣動比例積分控制器 圖4-323.氣動比例積分控制器 4.氣動比例積分微分控制器 .4-7 控制器作用規(guī)律的實現(xiàn)方法ST.4-7 控制器作用規(guī)律的實現(xiàn)方法STP測cdRd氣源輸入負反負反正反丈量給定放大器跟隨器RpRi.第五章 時域分析法ST5-0 引言5-1 一階系統(tǒng)的過渡過程5-2 二階系統(tǒng)的過渡過程5-3 系統(tǒng)穩(wěn)定性及勞斯判據(jù).5-0 引言ST 時域分析法是根據(jù)系統(tǒng)的微分方程，以拉氏變換作為工具，直接解出控制系統(tǒng)的時間呼應。然后，根據(jù)呼應的表達式以

41、及過程曲線來分析系統(tǒng)的性能，如穩(wěn)定性、快速性和準確性等。時域分析法普通局限于分析一、二階系統(tǒng)。.5-1 一階系統(tǒng)的過渡過程ST由一階微分方程描畫的系統(tǒng)稱為一階系統(tǒng)。其微分方程為：其中，y(t)為輸出量，r(t)為輸入量，T為時間常數(shù).5-1 一階系統(tǒng)的過渡過程ST其傳送函數(shù)為：其中，T 為時間常數(shù)其方框圖為：1/TsR(s)Y(s).5-1 一階系統(tǒng)的過渡過程ST1. 一階系統(tǒng)的單位階躍呼應：.5-1 一階系統(tǒng)的過渡過程ST一階系統(tǒng)的單位階躍呼應曲線：024681000.10.20.30.40.50.60.70.80.91普通系統(tǒng)對單位階躍函數(shù)的呼應：1T2T3T4T.5-1 一階系統(tǒng)的過渡過

42、程ST2. 一階系統(tǒng)的單位斜坡呼應：.5-1 一階系統(tǒng)的過渡過程ST一階系統(tǒng)的單位斜坡呼應曲線：Time (sec.)AmplitudeLinear Simulation Results02468100123456 TTr(t)y(t).5-1 一階系統(tǒng)的過渡過程ST3. 一階系統(tǒng)的單位脈沖呼應：.5-1 一階系統(tǒng)的過渡過程ST一階系統(tǒng)的單位脈沖呼應曲線：Impulse ResponseTime (sec.)Amplitude05101520253000.020.040.060.080.10.120.140.160.180.2 T.5-1 一階系統(tǒng)的過渡過程ST階躍呼應脈沖呼應斜坡呼應.5-2

43、 二階系統(tǒng)的過渡過程ST二階系統(tǒng)的微分方程：由二階微分方程描畫的系統(tǒng)，稱為二階系統(tǒng)。y(t)輸出r(t)輸入T 時間常數(shù)阻尼系數(shù)n無阻尼振 蕩頻率.5-2 二階系統(tǒng)的過渡過程ST二階系統(tǒng)的特征根：.5-2 二階系統(tǒng)的過渡過程ST二階系統(tǒng)的單位階躍呼應：.5-2 二階系統(tǒng)的過渡過程ST1. 0 1 過阻尼.5-3 穩(wěn)定性與勞斯判據(jù)ST本教材定義：當輸入量去除之后，經(jīng)過足夠長的時間， 系統(tǒng)的輸出量仍能恢復到原始平衡態(tài)的才干。1.穩(wěn)定性的概念見圖5-16在自控實際中，通常采用兩種方法定義系統(tǒng)的穩(wěn)定性： 1BIBO穩(wěn)定性； 2李亞普諾夫穩(wěn)定性。.5-3 穩(wěn)定性與勞斯判據(jù)ST2.穩(wěn)定的條件：系統(tǒng)傳送函數(shù)的極點全部位于復平面的 左側(cè)。設系統(tǒng)的微分方程為：.5-3 穩(wěn)定性與勞斯判據(jù)ST當去除輸入量后，x(t)及各階導數(shù)均為0，于是：其特征方程為：假設特征方程的根為1,2 ,3 ,n，那么 微分方程的解為：.5-3 穩(wěn)定性與勞斯判據(jù)ST設特征方程有 k 個實數(shù)根 i =1,2,k)，r 個復數(shù)根 i =1,2,r) ，那么：.5-3 穩(wěn)定性與勞斯判據(jù)ST假設是一個