1、船舶電氣與自動化（船舶自動化）第五章第五章 反饋控制系統的基礎知識反饋控制系統的基礎知識 第一節第一節 反饋控制系統的基本概念反饋控制系統的基本概念 一、反饋控制系統的組成一、反饋控制系統的組成反饋控制系統對機器設備或生產過程參數的控反饋控制系統對機器設備或生產過程參數的控制過程實際上是直接模擬人的手動操作過程。制過程實際上是直接模擬人的手動操作過程。 例例1、輔鍋爐水位自動控制系統、輔鍋爐水位自動控制系統例例2、主機冷卻水溫度自動控制系統、主機冷卻水溫度自動控制系統 主機冷卻水溫度自動控制系統示意圖主機冷卻水溫度自動控制系統示意圖 在自動控制過程中，由于不需要人來干預控制過程，因此在自動控制

2、過程中，由于不需要人來干預控制過程，因此必須采用相應的自動化儀表來代替人的功能器官。比如可必須采用相應的自動化儀表來代替人的功能器官。比如可用用溫度傳感器和變送器溫度傳感器和變送器來代替人的眼睛，隨時測量冷卻水來代替人的眼睛，隨時測量冷卻水的實際溫度并把該值送給調節器。的實際溫度并把該值送給調節器。調節器調節器代替人的大腦，代替人的大腦，并對冷卻水實際溫度進行分析和計算，然后輸出控制信號并對冷卻水實際溫度進行分析和計算，然后輸出控制信號給執機構。給執機構。執行機構執行機構代替人的雙手，改變三通調節閥的開代替人的雙手，改變三通調節閥的開度。不論是手動控制，還是自動控制，反饋的作用都是存度。不論是

3、手動控制，還是自動控制，反饋的作用都是存在的。我們把包含反饋作用的控制過程稱為在的。我們把包含反饋作用的控制過程稱為反饋控制過程反饋控制過程。 組成一個反饋控制系統，必須有四個最基本的環節，即組成一個反饋控制系統，必須有四個最基本的環節，即控控制對象制對象、測量單元測量單元、調節單元調節單元和和執行機構執行機構。 （1）控制對象）控制對象 控制對象控制對象是指所要控制的機器、設備或裝是指所要控制的機器、設備或裝 置。把所要控制的運行參數叫做置。把所要控制的運行參數叫做被控量被控量。 在鍋爐水位自動控制系統中，鍋爐是控制在鍋爐水位自動控制系統中，鍋爐是控制 對象，水位是被控量。對象，水位是被控量

4、。 在柴油機冷卻水溫度自動控制系統中，淡在柴油機冷卻水溫度自動控制系統中，淡 水冷卻器是控制對象，冷卻水溫度是被控量。水冷卻器是控制對象，冷卻水溫度是被控量。 在柴油機轉速自動控制系統中，柴油機是在柴油機轉速自動控制系統中，柴油機是控制對象，轉速是被控量。控制對象，轉速是被控量。 （2）測量單元）測量單元 測量單元的作用：檢測被控量的實際值，并測量單元的作用：檢測被控量的實際值，并把它轉換成標準的統一信號，該信號叫被控量的把它轉換成標準的統一信號，該信號叫被控量的測量值。測量值。 在氣動控制系統中，其統一的標準氣壓信號在氣動控制系統中，其統一的標準氣壓信號是是0.020.1MPa；在電動控制系

5、統中，其統一的；在電動控制系統中，其統一的標準電流信號是標準電流信號是010 mA或或420mA。 在溫度自動控制系統中，測量單元采用溫度在溫度自動控制系統中，測量單元采用溫度傳感器和溫度變送器；在壓力自動控制系統中，傳感器和溫度變送器；在壓力自動控制系統中，測量單元采用壓力傳感器和壓力變送器；在鍋爐測量單元采用壓力傳感器和壓力變送器；在鍋爐水位自動控制系統中，測量單元采用水位發訊器水位自動控制系統中，測量單元采用水位發訊器（參考水位罐）和差壓變送器。（參考水位罐）和差壓變送器。 （3）調節單元）調節單元 調節單元是指具有各種調節作用規律的調節調節單元是指具有各種調節作用規律的調節器。把運行參

6、數所希望控制的最佳值叫給定值，器。把運行參數所希望控制的最佳值叫給定值，用用 r 表示；被控量的測量值用表示；被控量的測量值用 z 表示。把被控表示。把被控量的測量值偏離給定值的數量叫偏差值，用量的測量值偏離給定值的數量叫偏差值，用 e 表示表示,顯然，顯然，e = r - z 。若若e 0，則說明測量值低于設定值，為，則說明測量值低于設定值，為正偏差正偏差；若若e 0，則說明測量值大于設定值，為，則說明測量值大于設定值，為負偏差負偏差；若若e 0，則說明測量值等于設定值，為，則說明測量值等于設定值，為無偏差無偏差。 n調節器首先接收測量單元送來的被控量的測量調節器首先接收測量單元送來的被控量

7、的測量信號，并與被控量的給定值相比較得到偏差信信號，并與被控量的給定值相比較得到偏差信號，再根據偏差信號的大小和方向（正偏差還號，再根據偏差信號的大小和方向（正偏差還是負偏差），依據某種調節作用規律輸出一個是負偏差），依據某種調節作用規律輸出一個控制信號，對被控量施加控制作用，直到偏差控制信號，對被控量施加控制作用，直到偏差等于零或接近零為止。等于零或接近零為止。 在實際應用中，調節器一般有在實際應用中，調節器一般有位式調節器、比位式調節器、比例調節器、比例積分調節器、比例微分調節器例調節器、比例積分調節器、比例微分調節器和比例積分微分調節器和比例積分微分調節器等五種，根據控制對象等五種，根據

8、控制對象特性的不同及對被控量控制精度的要求，控制特性的不同及對被控量控制精度的要求，控制系統可選用不同調節作用規律的調節器。系統可選用不同調節作用規律的調節器。 （4）執行機構）執行機構 執行機構的輸入量是調節單元輸出的控制執行機構的輸入量是調節單元輸出的控制信號，調節單元輸出的控制信號一般都要經過信號，調節單元輸出的控制信號一般都要經過執行機構才能作用到控制對象上，從而改變流執行機構才能作用到控制對象上，從而改變流入控制對象的物質或能量，使之能適應控制對入控制對象的物質或能量，使之能適應控制對象的負荷變化。在氣動控制系統中，執行機象的負荷變化。在氣動控制系統中，執行機構構般是氣動薄膜調節閥或

9、氣動活塞式調節閥；般是氣動薄膜調節閥或氣動活塞式調節閥；在電動控制系統中，一般采用伺服電機。在電動控制系統中，一般采用伺服電機。 以上四個基本單元在組成反饋控制系統中是以上四個基本單元在組成反饋控制系統中是缺一不可的。但對于一個完整的反饋控制系統，缺一不可的。但對于一個完整的反饋控制系統，一般還設有顯示單元，用來指示被控量的給定值一般還設有顯示單元，用來指示被控量的給定值和測量值。同時，對氣動控制系統來說，應設有和測量值。同時，對氣動控制系統來說，應設有氣源裝置和定值器；對電動控制系統尚需設穩壓氣源裝置和定值器；對電動控制系統尚需設穩壓電源等輔助裝置。電源等輔助裝置。二、自動控制系統傳遞方框圖

10、二、自動控制系統傳遞方框圖控制單元執行機構被控對象測量單元)(tr)(te)(tp)(tq)(td)(ty圖5-2 反饋控制系統傳遞方框圖R(t)設定值 z(t)測量值 e(t)偏差值 y(t)被控量 q(t) 執行量 p(t) 控制量 d(t)外部擾動值)(tzA （1）環節）環節 在控制系統傳遞方框圖中，代表實際單元的每在控制系統傳遞方框圖中，代表實際單元的每個小方框稱為一個個小方框稱為一個環節環節。每個環節都有輸入量和輸。每個環節都有輸入量和輸出量，并用帶箭頭的信號線來表示。其中箭頭指向出量，并用帶箭頭的信號線來表示。其中箭頭指向該環節的信號線為輸入量，箭頭離開該環節的信號該環節的信號線

11、為輸入量，箭頭離開該環節的信號線為輸出量。線為輸出量。 任何環節輸出量的變化均取決于輸入量的變化任何環節輸出量的變化均取決于輸入量的變化以及該環節的特性，而輸出量的變化不會直接影響以及該環節的特性，而輸出量的變化不會直接影響輸入量，這叫信號傳遞的輸入量，這叫信號傳遞的單向性單向性。 （2）擾動）擾動控制對象作為反饋控制系統的組成環節，其輸出量控制對象作為反饋控制系統的組成環節，其輸出量是被控量，而是被控量，而引起被控量變化的因素引起被控量變化的因素統稱為統稱為擾動擾動。擾動可分為兩類：擾動可分為兩類：外部擾動、基本擾動外部擾動、基本擾動?；緮_動基本擾動是指來自控制系統內部控制通道（調節通是指

12、來自控制系統內部控制通道（調節通道）的擾動?；緮_動通過道）的擾動?；緮_動通過調節通道調節通道影響被控量。影響被控量。例如，在水位控制系統中，給水調節閥開度的改變例如，在水位控制系統中，給水調節閥開度的改變將引起水位的變化；在冷卻水溫度控制系統中，三將引起水位的變化；在冷卻水溫度控制系統中，三通調節閥開度的改變將引起水溫的變化，等等。通調節閥開度的改變將引起水溫的變化，等等。 外部擾動外部擾動是指來自系統外部環境的擾動，外部擾動是指來自系統外部環境的擾動，外部擾動通過通過擾動通道擾動通道影響被控量。影響被控量。例如，以鍋爐為控制對象的水位控制系統，水位是例如，以鍋爐為控制對象的水位控制系統，

13、水位是被控量，鍋爐負荷（外部用汽量）的變化將引起水被控量，鍋爐負荷（外部用汽量）的變化將引起水位的變化；在柴油機氣缸冷卻水溫度控制系統中，位的變化；在柴油機氣缸冷卻水溫度控制系統中，水溫是被控量，柴油機負荷的變化、海水溫度的變水溫是被控量，柴油機負荷的變化、海水溫度的變化、淡水冷卻器中水管結垢的多少等都會引起冷卻化、淡水冷卻器中水管結垢的多少等都會引起冷卻水溫度的變化。這種擾動是由于水溫度的變化。這種擾動是由于設備負荷或外界環設備負荷或外界環境境的擾動變化而導致控制對象內部的能量平衡遭到的擾動變化而導致控制對象內部的能量平衡遭到破壞而引起的。破壞而引起的。（3）系統的輸入與輸出）系統的輸入與輸

14、出 前面提到的輸入和輸出的概念都是針對環節前面提到的輸入和輸出的概念都是針對環節而言的；若從系統的角度來看，作為一個整而言的；若從系統的角度來看，作為一個整體，系統具有兩個輸入，即設定值和外部擾體，系統具有兩個輸入，即設定值和外部擾動，以及一個輸出，即被控量。動，以及一個輸出，即被控量。 （4）反饋）反饋 調節器的輸出經執行機構改變控制強度，即調節器的輸出經執行機構改變控制強度，即改變流入控制對象的物質或能量的流量，引改變流入控制對象的物質或能量的流量，引起被控量的變化（即系統輸出變化），而系起被控量的變化（即系統輸出變化），而系統輸出的變化經測量單元又送回到系統的輸統輸出的變化經測量單元又送

15、回到系統的輸入端，這個過程叫入端，這個過程叫反饋反饋。 正反饋正反饋是指經反饋能加強閉環系統輸入效是指經反饋能加強閉環系統輸入效應，即使偏差應，即使偏差e增大。增大。 負反饋負反饋是指經反饋能減弱閉環系統輸入效是指經反饋能減弱閉環系統輸入效應，即使偏差應，即使偏差e減小。減小。 （5）前向通道與反饋通道）前向通道與反饋通道 在控制系統傳遞方框圖中，從系統的輸入端在控制系統傳遞方框圖中，從系統的輸入端沿信號線方向到達系統輸出端的通道稱為前沿信號線方向到達系統輸出端的通道稱為前向通道；而相反方向的通道則稱為反饋通道。向通道；而相反方向的通道則稱為反饋通道。（6）閉環系統）閉環系統 在反饋控制系統傳

16、遞方框圖中，前一環在反饋控制系統傳遞方框圖中，前一環節的輸出就是后一環節的輸入，系統的輸出節的輸出就是后一環節的輸入，系統的輸出又經反饋通道送回到系統的輸入端。這樣，又經反饋通道送回到系統的輸入端。這樣，控制系統就形成了一個封閉的控制回路，稱控制系統就形成了一個封閉的控制回路，稱為為閉環系統閉環系統，反饋控制系統必定是閉環系統。，反饋控制系統必定是閉環系統。 開環系統不再是反饋控制系統，無法根開環系統不再是反饋控制系統，無法根據偏差來實現設備或生產過程的參數自動控據偏差來實現設備或生產過程的參數自動控制。制。三、反饋控制系統的工作過程三、反饋控制系統的工作過程反饋控制系統反饋控制系統按給定值的

17、變化規律分類方法：按給定值的變化規律分類方法： 1、定值控制系統、定值控制系統 系統的給定值是恒定不變的，為某個確系統的給定值是恒定不變的，為某個確定值，則該系統稱為定值控制系統。定值，則該系統稱為定值控制系統。 例如鍋爐水位與蒸汽壓力控制系統，柴例如鍋爐水位與蒸汽壓力控制系統，柴油機氣缸冷卻水溫度控制系統，燃油粘度控油機氣缸冷卻水溫度控制系統，燃油粘度控制系統，發電機的原動機轉速控制系統等都制系統，發電機的原動機轉速控制系統等都屬于定值控制系統。屬于定值控制系統。 2、程序控制系統、程序控制系統 系統的給定值是變化的，而且是按人們事系統的給定值是變化的，而且是按人們事先安排好的規律進行變化，

18、則該系統稱為程序先安排好的規律進行變化，則該系統稱為程序控制系統?？刂葡到y。 例如船舶主機遙控系統中的轉速控制，其例如船舶主機遙控系統中的轉速控制，其給定值就是按車鐘設定轉速的預定發送速率規給定值就是按車鐘設定轉速的預定發送速率規律而變化的。律而變化的。 3、隨動控制系統、隨動控制系統 系統的給定值是任意變化的，且變化規律系統的給定值是任意變化的，且變化規律是事先無法確定的系統，則該系統稱為隨動控是事先無法確定的系統，則該系統稱為隨動控制系統。制系統。 例如自動舵的隨動操舵系統，其舵角給定例如自動舵的隨動操舵系統，其舵角給定值完全取決于當時的航行情況。值完全取決于當時的航行情況。n反饋控制系統

19、的工作過程：反饋控制系統的工作過程：n設系統處在平衡狀態（即系統穩定運行）時突設系統處在平衡狀態（即系統穩定運行）時突然受到一個外部擾動，被控量將離開初始穩定然受到一個外部擾動，被控量將離開初始穩定值發生變化，測量單元將把被控量的實際值送值發生變化，測量單元將把被控量的實際值送至調節器，在調節器內部，被控量的給定值與至調節器，在調節器內部，被控量的給定值與測量值進行比較，得到偏差值測量值進行比較，得到偏差值e，調節器依據，調節器依據某種調節作用規律輸出一個控制信號，通過執某種調節作用規律輸出一個控制信號，通過執行機構改變流入控制對象的物質或能量流量，行機構改變流入控制對象的物質或能量流量，被控

20、量朝著偏差減少的方向變化，這一信號又被控量朝著偏差減少的方向變化，這一信號又通過測量單元送至調節器，重復上述過程，最通過測量單元送至調節器，重復上述過程，最終使被控量又回到給定值或給定值附近，系統終使被控量又回到給定值或給定值附近，系統達到一個新的平衡狀態。達到一個新的平衡狀態。四、評定控制系統動態過程品質的指標四、評定控制系統動態過程品質的指標 反饋控制系統的擾動形式是隨機的，反饋控制系統的擾動形式是隨機的，很難用一個數學表達式來精確地描述，很難用一個數學表達式來精確地描述，但可以歸納為四種擾動形式：但可以歸納為四種擾動形式： 階躍形式、階躍形式、 線性形式、脈沖形式、線性形式、脈沖形式、正

21、弦形式。正弦形式。 階躍擾動tr(t)0Rtr(t)0Rttr(t)01/2Rt2線性擾動加速度擾動tr(t)0正弦擾動脈沖擾動r(t)01/hhh0時，稱為理想的單位脈沖函數，記作(t)。r(t)0r(t)tth0 為了便于分析和研究反饋控制系統的性能，為了便于分析和研究反饋控制系統的性能，通常以通常以階躍信號階躍信號作為系統的給定值或擾動，因為作為系統的給定值或擾動，因為階躍信號是反饋控制系統一種最常見的輸入信號，階躍信號是反饋控制系統一種最常見的輸入信號，而且不論是作為給定值或者擾動量，對系統是最而且不論是作為給定值或者擾動量，對系統是最嚴重的沖擊，最容易引起系統發生不平衡狀態嚴重的沖擊

22、，最容易引起系統發生不平衡狀態n根據控制系統接受的擾動途徑，可以分為兩種情根據控制系統接受的擾動途徑，可以分為兩種情況：一種情況是外部擾動不變，改變給定值（如況：一種情況是外部擾動不變，改變給定值（如隨動控制隨動控制）；另一種情況是給定值不變（）；另一種情況是給定值不變（定值控定值控制制），改變外部擾動。由于控制器控制規律或系），改變外部擾動。由于控制器控制規律或系統參數的不同，控制系統的動態過程將表現為不統參數的不同，控制系統的動態過程將表現為不同的形式。同的形式。 在階躍信號輸入時，被控量變化的動態過程在階躍信號輸入時，被控量變化的動態過程有以下四種：有以下四種： （1）發散振蕩過程）發散

23、振蕩過程 （2）等幅振蕩過程）等幅振蕩過程 （3）單調過程（非周期過程）單調過程（非周期過程） （4）衰減振蕩過程）衰減振蕩過程圖圖5-3 5-3 過程曲線基本類型過程曲線基本類型（b)y（t)t（d)y（t)t（a)y（t)tt（c)y（t)發散振蕩發散振蕩等幅振蕩等幅振蕩衰減振蕩衰減振蕩單調過程單調過程（1）穩定性指標）穩定性指標 衰減率和振蕩次數衰減率和振蕩次數Nn衰減率，是指在衰減振蕩中，第一個波峰值衰減率，是指在衰減振蕩中，第一個波峰值y1減去第二個同相波峰值減去第二個同相波峰值y3除以第一個波峰值除以第一個波峰值y1，即：，即： 0 發散振蕩過程，發散振蕩過程， 0 1 衰減衰減振

24、蕩振蕩過程過程 =0 等幅振蕩過程，等幅振蕩過程， =1非周期過程非周期過程 一般希望一般希望=0.75=0.750.90.9131yyy （1）穩定性指標）穩定性指標 與衰減率相對應的是另一種衡量指標是與衰減率相對應的是另一種衡量指標是衰減比衰減比。所謂衰減比是第一個波峰值所謂衰減比是第一個波峰值y1和第二個同相波和第二個同相波峰值峰值y3的比值，即的比值，即y1/y3。 衰減率衰減率是衡量系統穩定性指標，要求是衡量系統穩定性指標，要求 =0.750.9。當。當 =0.75時，時，y1是是y3的的4倍，此時衰減倍，此時衰減比比4:1。 振蕩次數振蕩次數N，是指在衰減振蕩中，被控量的振蕩是指在衰減振蕩中，被控量的振蕩次數。一般要求被控量振蕩次數。一般要求被控量振蕩23次就應該穩定次就應該穩定下來。下來。 圖圖5-4 5-4 定值控制系統的動態過程定值控制系統的動態過程ttst0y1y2y3y0emax0y（)d（t)tdt0y（t)0圖圖5-5 5