自动控制系统的组成及其质量指标

1.1自动控制系统的组成及其质量指标自动控制系统组成、方框图及常用术语重点自动控制系统的分类自动控制系统的质量指标重点1.1.1自动控制系统组成、方框图组成受控对象（过程）：工作的机器、装备或生产过程等，从传感器到执行器之间被控量（热工参数、被控参数）：表征其工作状态的物理量如T,P,湿度,流量,液位……传感器（测量变送）：对被控量进行测量（转换成标准信号）的装置，成比例地转变其他物理量控制器（调节器）：把测定值和设定值进行比较的装置执行器（调节阀）：把调节器的指令成比例地转换为直线或角位移地装置自动控制系统：受控对象和控制装置的总体，由控制对象和自动控制设备组成1一温度传感器2一热水加热器3一温度控制器4一电动二通阀qa一外侵热量θa一室内温度θb一室外温度θc一送风温度图1-1室温自动控制系统为了研究自动控制系统组成环节之间的相互影响和信号联系，通常使用自动控制系统方框图来表示自动控制系统。自动控制系统的方框图控制器：执行器：被控对象：从传感器到调节阀之间的管道设备传感器：控制器执行器被控对象传感器θGe(t)p(t)q(t)θaθz干扰方框图的画法每个方框表示组成该系统的一个环节两个方框之间一条带有箭头的连线表示其相互关系，不表示方框之间的物料联系每个方框都有一个输入信号和一个输出信号控制器执行器被控对象传感器θGe(t)p(t)q(t)θaθz+－干扰液位控制器储罐HTHC差压变送器液位调节器执行器控制器执行器被控对象传感器x(t)e(t)u(t)q(t)y(t)z(t)＋－干扰图1-2室温自动控制系统框图控制器执行器被控对象传感器θGe(t)p(t)q(t)θaθz干扰干扰作用通过干扰通道影响被控参数，而控制作用通过控制通道影响被控参数。系统中信号沿箭头方向前进，最后又回到原来的起点，形成一个闭合回路，这种系统叫闭环系统。在闭环系统中，系统的输出信号为被控参数，它通过传感器这个环节再返回到系统的输入端，与给定值比较，这种将系统的输出信号引回到输入端的过程叫反馈。被测输出信号减弱输入信号的反馈，称为负反馈；反之称正反馈。aG控制器执行器被控对象传感器θGe(t)p(t)q(t)θaθz干扰负反馈控制具有自动修正被控参数偏离给定值的能力，控制精度高，适应面广，是基本的控制系统。负反馈控制系统的工作原理是：当干扰作用发生后，被控参数偏离给定值，这种变化被传感器测出并送到控制器的比较环节与给定值比较，得出偏差，偏差输入到控制器中，经过控制器加工运算，输出一个和偏差成一定关系的控制量，去调节执行机构，改变输入到控制对象中的能量，克服干扰造成的影响，使被控参数又趋于给定值。可见，负反馈控制的实质是以偏差克服偏差的控制过程。自动控制系统的基本功能是信号的测量、变送、比较和加工。fazGzGeepq1.1.2自动控制系统的分类若按给定值的给定变化规律来分定值控制系统——将被控制量保持在某一定值或很小的范围中的控制系统程序控制系统——被控量的给定值按预定的时间程序而变化的控制系统随动控制系统——被控量的给定值随时间任意地变化的控制系统•若按控制动作与时间的关系来分•连续控制系统•断续控制系统•如按控制器使用的能源种类分•气动控制系统•液动控制系统•电动控制系统若按控制器的控制规律分双位控制系统比例控制系统比例积分控制系统比例微分控制系统比例积分微分控制系统按系统的结构特点分类反馈控制系统前馈控制系统前馈－反馈控制系统1.1.3自动控制系统的质量指标基本概念自动化领域内，把被控参数不随时间而变化的平衡状态称为系统的静态把被控参数随时间而变化的不平衡状态称为系统的动态。双位控制系统阶跃干扰——典型干扰作用图1—3阶跃干扰作用一、自动控制系统的过渡过程自动控制系统在干扰和控制的共同作用下，从一个稳定状态变化到另一个稳定状态期间被控参数随时间的变化过程称为自动控制系统的过渡过程。自动控制系统过渡过程也就是系统的动态特性，它包括静态和动态。研究过渡过程的目的就是为了研究控制系统的品质。系统的静态和动态静态：输入不变，调节系统在调节器的自动调节作用下，被调量不再随时间变化的平衡状态动态：被调量随时间变化，系统处于不平衡状态一个运行的系统，时时刻刻都有扰动作用于对象，被调量偏离设定值，重点应研究系统和环节的动态特性上。定值控制系统受到阶跃干扰后，过渡过程有四种基本形式a)发散振荡过程b)等幅振蔼过程c)衰减振荡过程d)单调衰减过程图1—4过渡过程的基本形式发散振荡012340.00.51.01.52.0t等幅振荡02468101214160.00.20.40.60.81.01.21.41.61.82.0h(t)tF105101520250.00.20.40.60.81.01.21.41.6h(t)t最大偏差给定值余差tpts衰减振荡(1)衰减振荡(2)05100.00.20.40.60.81.01.21.41.61.82.0h(t)t（单调过程）无振荡过程0246810120.00.20.40.60.81.0h(t)t图1-5自动控制系统受到阶跃干扰后衰减振荡过程质量指标余差（e）：系统过渡过程终了时给定值与被控参数稳定值之差最大偏差（A）：被控参数第一个波的峰值与给定值的差衰减比（n）：振荡过程的第一个波的振幅与第二个波的振幅之比衰减率（f）：经过一个周期后，波动幅度衰减的百分比控制（过渡过程）时间（ts）：系统过渡过程曲线进入新的稳定值的5%或2%范围内所需的时间峰值时间（tp）：系统过渡过程曲线到达第一个峰值所需的时间，反映系统响应的灵敏程度二、自动控制系统的质量指标余差（e）：系统过渡过程终了时给定值与被控参数稳定值之差最大偏差（A）：被控参数第一个波的峰值与给定值的差二、自动控制系统的质量指标05101520250.00.20.40.60.81.01.21.41.6h(t)t最大偏差给定值余差衰减振荡的品质指标衰减比（n）：振荡过程的第一个波的振幅与第二个波的振幅之比衰减率（f）：经过一个周期后，波动幅度衰减的百分比05101520250.00.20.40.60.81.01.21.41.6h(t)t给定值衰减振荡的品质指标y2y1y1衰减比＝y2y1-y2衰减率＝y1控制（过渡过程）时间（ts）：系统过渡过程曲线进入新的稳定值的5%或2%范围内所需的时间峰值时间（tp）：系统过渡过程曲线到达第一个峰值所需的时间，反映系统响应的灵敏程度05101520250.00.20.40.60.81.01.21.41.6h(t)t给定值tp衰减振荡的品质指标ts余差2%或5%等幅振荡的品质指标024681012141618200.00.20.40.60.81.01.21.41.61.82.0h(t)tF1过渡时间？？？峰值时间？？？衰减率衰减比发散振荡的品质指标过渡时间？？？峰值时间？？？0123456780.00.51.01.52.0t对控制系统的性能要求稳：动态过程的振荡倾向和系统重新恢复平衡工作状态的能力05101520250.00.20.40.60.81.01.21.41.61.82.0h(t)t过程2过程1012340.00.51.01.52.0t系统过渡到新的平衡工作状态后或系统受到扰动后重新恢复平衡后，最终保持的精度，反映了动态后期的性能准：1012141618202224260.00.40.81.21.6t过程2过程1快：动态过程进行的时间长短，过程时间持续很长，将使系统长时间出现大偏差，同时也说明系统响应很迟钝，难以复现快速变化的信号05101520250.00.20.40.60.81.01.21.41.6h(t)t过程2过程1小节自动控制研究的对象是自动控制系统重点是按偏差调节的反馈系统主要问题是系统的动态特性稳、准、快