1、1-1 自動控制系統的組成和任務原理2022/7/13第一章 自動控制的根本概念.一、自動控制的根本概念1.人工控制：控制義務由人工操作完成 。2.自動控制：在沒有人直接參與的情況下，利用自動控制安裝使被控制對象(如機器、消費過程)的某一物理量(或任務形狀)自動地按照預定的規律運轉(或變化)。 3.常用術語二、自動控制系統的組成和原理方框圖1.自動控制系統的組成2.自動控制系統的原理方框圖 2022/7/13.三、自動控制系統的任務原理四、自動控制系統的根本控制方式五、自動控制系統的分類2022/7/13.2022/7/13汽包水位人工、自動控制表示圖.常用術語(1)被控對象：指被控制的消費設

2、備或消費過程。(2)被控量被調量：表征消費過程能否正常而需求控制的物理量。(3)給定值設定值：根據消費工藝要求，被控量應該到達的數值。在許多情況下給定值是不變的，如正常運轉時鍋爐的汽包水位、汽輪機的轉速等，但在有些情況下給定值是變化的，如汽輪機啟動和停機過程中轉速的給定值就應不斷變化。 (4)擾動干擾：引起被控量偏離其給定值的各種緣由。假設擾動不包含在控制系統內部，稱為外擾；假設擾動發生在控制系統內部，稱為內擾。另外，由調理機構開度變化呵斥的擾動，稱為根本擾動；變卦給定值引起的擾動，稱為定值擾動。 2022/7/13.常用術語(5)控制量：由控制造用來改動,以控制被控量的變化,使被控量恢復為給

3、定值的物理量。 (6)控制機構調理機構：改動對象流入量或流出量的機構，如上例中給水控制閥。火電廠自動控制系統中的調理機構多數是閥門或擋板。(7)自動控制系統：自動控制安裝和控制對象經過信號的相互傳送聯絡起來就構成一個自動控制系統。 用上述術語來表述，自動控制的過程就是根據被調量偏離給定值的情況，適當的調整調理機構，改動控制量，最后抵消擾動的影響，使被調量重新恢復到給定值的過程。2022/7/13.自動控制系統的組成1、自動控制系統由被控對象和自動控制安裝兩個根本部分組成。2、實現自動控制造用所需求的自動控制安裝P3 丈量單元丈量變送器、檢測變送器 控制單元控制器、調理器 執行單元執行機構，包括

4、執行器和調理機構 3、自動控制系統中的各安裝是經過信號的傳送和轉換相互聯絡起來的。2022/7/13.自動控制系統的原理方框圖(1)能直觀地表達自動控制系統中各設備之間相互作用與信號傳送關系的表示圖稱為自動控制系統的原理方框圖。(2)方框圖的四個要素2022/7/13.方框圖的四個要素信號線：用箭頭表示信號“x的傳送方向的銜接線。匯交點 (相加點、綜合點)：表示兩個信號“x1與“x2的代數和。分支點(引出點)：表示把信號“x分兩路取出。環節：方框圖中的一個方框。2022/7/13.自動控制系統的任務原理 自動控制系統的任務原理可以描畫為：控制系統原來處于平衡形狀即被調量等于給定值、調理器無輸出

5、、執行器和調理機構無動作，當遭到擾動的影響使被調量偏離給定值，此時被調量的實踐值被丈量變送器檢測并傳送給調理器，調理器根據被調量的實測信號和給定信號之間產生一個偏向信號，并按照一定的控制規律對此偏向信號進展運算，產生一個控制指令信號給執行器，用以驅動調理機構改動控制量，對被調量不斷的進展調理，直到控制系統重新到達一個新的平衡形狀。2022/7/13.根本控制方式1.開環控制：控制安裝與被控對象之間只需順向作用而沒有反向聯絡的控制過程。 2.閉環控制：控制安裝與被控對象之間既有順向作用，又有反向聯絡的控制過程。 2022/7/13.根本控制方式3.復合控制：在閉環控制回路的根底上，附加一個輸入信

6、號或擾動作用的前饋通路。 前饋通路通常由對輸入信號的補償安裝或對擾動作用的補償安裝組成，分別稱為按輸入信號補償(a圖)和按擾動作用補償(b圖)的復合控制系統。 2022/7/13.2022/7/13二按調理系統的內部構造分類1反響調理系統(feedback regulation system)：反響調理系統是根據偏向進展調理的，見以下圖。一按給定值信號的特點分類1恒值調理系統(constant regulation system)2程序調理系統(programme regulation system3隨動調理系統(follow-up regulation system)自動控制系統分類.202

7、2/7/13特點：1在調理終了時，可以使被調量等于或接近于給定值2當調理系統遭到擾動作用時，必需等到被調量出現偏向后才開場調理，所以調理的速度相對比較緩慢。 反響調理系統也稱為閉環(close loop)調理系統。 .2022/7/132前饋調理系統(feedforward regulation system)：前饋調理系統是根據擾動進展調理的，見以下圖。.2022/7/13前饋調理系統特點： (1)由于擾動影響被調量的同時，調理器的調理作用已產生，所以調理速度相對比較快； (2)由于沒有被調量的反響，所以調理終了時不能保證被調量等于給定值。 前饋調理系統由于無閉合環路存在，亦稱為開環(ope

8、n loop)調理系統。3.復合調理系統(compounding regulation system)三按調理系統閉環回路的數目分類1單回路調理系統(single loop regulation system)2多回路節系統(multiple loop regulation system).2022/7/13 2離散調理系統(discrete regulation system)五按系統的特性分類1線性調理系統 (linear regulation system)2非線性調理系統(nonlinear regulation system)四按調理作用的方式分類1延續調理系(continuous

9、regulation system).1-2 自動控制系統的過渡過程和質量目的 一、自動控制系統的靜態特性和動態特性：P5 二、自動控制系統的過渡過程 1、典型輸入 2. 在階躍信號作用下過渡過程的根本方式三、自動控制系統的質量目的(1)穩定性(2)準確性(3)快速性2022/7/13.自動控制系統的典型輸入 自動控制系統所要抑制的干擾多種多樣，普通來說變化緩慢的干擾總是比變化忽然的干擾更容易抑制。我們常把一種忽然從一個數值變化到另一個數值，而且一經加上就繼續下去不再消除的擾動稱為階躍擾動。除階躍擾動外，控制系統還需求抑制斜坡擾動、脈沖擾動、正弦波擾動等，如下表所示。 在一切的擾動方式中，普通

10、階躍擾動是最不利和最難抑制的，假設一個控制系統能很好的抑制階躍擾動，那么對于其他方式的擾動也就不難抑制，因此我們常把對階躍擾動的反響作為判別系統抗干擾才干好壞的規范。 2022/7/13.2022/7/13.過渡過程的根本方式2022/7/13.2022/7/13 1穩定的過渡過程：自動控制系統遭到擾動后，經過調理可以到達新的平衡形狀，即被調量可以到達新的穩定數值，如非周期振蕩、衰減振蕩。 2不穩定的過渡過程：自動控制系統遭到擾動后，被調量是振蕩的，不可以恢復到一個新的平衡形狀，如單調發散、發散振蕩、等幅振蕩。 大多數情況下，希望控制系統的過渡過程曲線是衰減振蕩的方式。.2022/7/13過渡

11、過程的質量目的自動控制系統的性能目的是用來衡量系統任務質量優劣和調理效果好壞的規范，也表征了控制系統抑制外來干擾的才干，對后續進展控制系統的分析和整定起著非常重要的作用。對于定值控制系統，突出的控制要求是抑制擾動的性能，在擾動發生后，被調量能穩定、準確、快速的恢復到給定值或新的平衡形狀；對于隨動控制系統，突出的控制要求是跟蹤性能，在擾動發生后，被調量能穩定、準確、快速的跟蹤新的給定值。總而言之，自動控制系統的性能目的可以用穩定性、準確性、快速性來概括。.2022/7/13過渡過程的質量目的1、穩定性是指控制系統在動態變化過程中振蕩的猛烈程度和被調量變化幅值的大小，可以用被調量的最大動態偏向或超

12、調量、衰減比或衰減率來衡量。以下圖為過渡過程的質量目的表示圖。1最大動態偏向ymax：整個調理過程中被調量偏離給定值的最大暫時偏向。2超調量：第一個波峰幅值A與被調量最終新的穩態值之比，即 在給定值變化的情況下，用超調量目的來表示被調量偏離給定值的最大程度。.2022/7/13.2022/7/13過渡過程的質量目的3衰減比n： 兩個同方向的相鄰波峰幅值之比A：B，習慣上用n：1表示。顯然，衰減比表示過渡過程振蕩的猛烈程度。4衰減率：是指每經過一個動搖周期，被調量振動幅值減少的百分數。如上圖所示，衰減率可表示為 工程上常用它來描畫過渡過程為衰減振蕩時的衰減速度。 .2022/7/13過渡過程的質

13、量目的根據 的數值，很容易判別過渡過程的方式： a. 假設0，那么過渡過程是發散振蕩，這種系統是不穩定的，不能運用。 b. 假設0，那么過渡過程是等幅振蕩，這種系統處于臨界穩定。在某些不利要素的影響下，它就能夠變為發散振蕩。這種系統也不能運用。 c. 假設01，那么過渡過程是衰減振蕩，這種系統是穩定的，可以運用。 d. 假設 1，那么過渡過程是不振蕩的衰減過程非周期衰減，這種系統穩定性高。 不僅如此，在01的范圍內， 的數值還可闡明系統穩定裕量的大小。顯然，值愈大系統的穩定裕量愈大，即穩定性越好。對于恒值控制系統，普通取0.750.9。.2022/7/13過渡過程的質量目的2、準確性是指過渡過

14、程終了后被調量能否能準確的等于給定值跟蹤給定值。衡量系統準確性的目的是系統的穩態偏向靜態偏向。穩態偏向e() ：控制系統過渡過程終了后，被調量新的穩態值與給定值之間的長期偏向，也稱為靜態偏向、剩余偏向或余差。此值可正可負。對于定值控制系統，余差越小，控制精度越高。但實踐消費中，要求余差不超越工藝規定的允許范圍即可。 有余差的控制系統稱為有差控制系統，無余差的控制系統稱為無差控制系統。.2022/7/13過渡過程的質量目的3、快速性是指控制系統過渡過程時間的長短。衡量系統快速性的目的有過渡過程時間、振蕩周期或振蕩頻率。 1過渡過程時間：從階躍擾動作用起至被調量又建立新的平衡形狀止的時間，又稱為調理時間。嚴厲來講，被調量到達新的穩定形狀需求無限長的時間，實踐上，由于控制儀表的靈敏度所限，當被調量接近新的穩態值時，指示值就根本不變了。普通規定當指示值進入新穩態值的5%或2%范圍而不再超出時，就以為被調量已達新穩態值，過渡過程終了。 2振蕩周期T：過渡過程曲線上從第一個波峰到同向相鄰的波峰之間的時間，其倒數稱為振蕩頻率。在衰減比一樣的條件下，振蕩周期與過渡過程時間成正比。.2022/7/13過渡過程的質量目的在穩、準、快三個性能目的中，穩定性