第一章 船舶反馈控制系统基础课件

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1、DMU,冯金红,船舶电气与自动化 （船舶自动化）, 航教楼B区205 13804259936,轮机工程学院 自动化与智能化,前言,什么叫自动控制？ 反馈控制系统？ 反馈控制系统的目的？ 把系统参数，如温度、压力、液位、粘度和转速等控制在所希望的最佳值上,前言,自动控制：无人参与、状态或参数按预定规律变化。如电站自动控制、主机遥控等。它分为经典控制理论、现代控制理论。 经典控制理论：以传递函数为基础、单输入单输出 现代控制理论：以状态空间法为基础、多输入多输出 反馈系统：自动控制系统的一个分支，属于经典控制理论范畴，注重单输入单输出，能够将被控量达到最佳值。,第一章 反馈控制系统基础,1-1 反

2、馈控制系统的基本概念 1-2 自动化仪表的基本知识 1-3 调节器及其调节作用规律 1-4 传感器与变送器 1-5 执行机构 1-6 反馈控制系统的参数调整,1-1 反馈控制系统的基本概念,反馈控制系统的组成 反馈控制系统的传递方框图 反馈控制系统的工作过程 反馈控制系统的品质指标,1.反馈控制系统的组成,模拟人的手动操作过程 即：人眼把所察觉的现象、结果传递给大脑的过程（反馈），用手动方式干预系统运行状态，达到控制目的。 反馈控制系统 用自动化仪表代替人的感知器官 调节器代替人的大脑 执行机构代替人的双手操作,返回本节,1-1,冷却器,三通阀,淡水泵,主机,眼,脑,手,海水入口,海水出口,温

3、度变送器,调节器,执行机构,柴油机气缸冷却水温度自动控制过程,控制对象：被控制的设备或过程。系统输出就是被控对象的输出，即控制的运行参数（或称被控量）。 测量单元（测量变送器）：检测被控量的实际值，即被控量转换为标准、统一的信号输出（也称测量输出），送到调节器，作为反馈信号。 一般包括两部分：传感器、变送器 标注气压信号：0.02-0.1MP 标准电流信号：0-10mA、4-20mA 标准电阻信号： 0-5K欧姆 标准电压信号： -+10V、-+20V、0-10V,控制对象 测量单元 调节单元 执行机构 辅助单元,1.反馈控制系统的组成,1-1,1.反馈控制系统的组成,1-1,电容式电动差压变

4、送器,废气温度传感器,调节单元（控制器）： 具有某种调节规律的调节器。接收测量单元送来的测量值，与希望值（设定值）比较得到偏差信号。偏差e=设定值-测量值， 根据偏差按一定规律输出控制量，送至执行机构。 if e0, 测量值低，e为正偏差 if e0, 测量值高，e为负偏差 if e=0, 理想，无偏差 执行机构（执行器）：接受控制器送来的控制信号，作用于被控对象，实现实际控制作用。 气动系统：气动薄膜调节阀、气动活塞式调节阀 电动系统：采用伺服电机,1.反馈控制系统的组成,1-1,1.反馈控制系统的组成,1-1,主机气动薄膜调节器,主机电子调速器,辅助单元： 除了四个基本单元外，对于一个完整

5、的系统还应该有若干辅助单元。如： 指示被控量给定值和测量值的指示单元 设定给定值的给定单元（设定单元） 气动系统的气源装置 电动控制系统还应该有稳压电源等,1.反馈控制系统的组成,1-1,1.反馈控制系统的组成,1-1,为了分析反馈控制系统工作过程，可把四个基本单元用方框表示，用带箭头的直线来表示信号在各单元的传递关系。 * 传递方框图 *,2. 反馈控制系统的传递方框图,1-1,自动控制系统结构方框图,调节 单元,执行 单元,控制 对象,测量 单元,p(t),q(t),y(t),b(t),r(t),e(t),+,-,e(t)偏差信号 r(t) 设定值 y(t)被控量 b(t)测量值 p(t)

6、控制量 q(t)执行量 f(t)扰动量,f(t),2. 反馈控制系统的传递方框图,1-1,特点： （1）信号传递的单向性； （2）闭合回路（闭环系统） （3）负反馈：反馈通道的信号与前向通道的信号相减。反 之， 则为正反馈。 （4）控制单元根据偏差进行控制，因此又称偏差驱动。,若控制单元、测量单元和执行单元合为一体，则称为基地式控制仪表；若三者分开，则称为组合式控制仪表。,2. 反馈控制系统的传递方框图,1-1,环节：在传递方框图中，代表实际单元的小方框。 特点： 都有输入量和输出量，用带箭头的信号线来表示； 箭头指向该环节的信号线为输入量，反之为输出量； 输出量的变化取决于输入量的变化以及该

7、环节的特性； 输出量的变化不会直接影响输入量，信号传递的单向性； 信号线在某处有分支，各个分支的信号具有等值特性。,2. 反馈控制系统的传递方框图,1-1,相关概念,扰动：引起被控量变化的因素统称为扰动。 基本扰动：来自控制系统内部控制通道（调节通道）的扰动。如：给水调节阀开度的改变、三通调节阀开度的改变将等 外部扰动：来自系统外部环境的扰动。如：锅炉负荷（外部用汽量）的变化将引起水位的变化；柴油机负荷的变化、海水温度的变化；淡水冷却器中水管结垢的多少等都会引起冷却水温度的变化,2. 反馈控制系统的传递方框图,1-1,相关概念,基本扰动,外部扰动,系统的输入与输出：将各个基本环节看作一个整体

8、，如下图，虚框外具有两个输入、一个输出。,2. 反馈控制系统的传递方框图,1-1,相关概念,反馈：系统输出的变化经测量单元送回到系统的输入端，这个过程叫反馈。符号“”是一个比较算子，得到偏差值。 正反馈：是指加强系统输入效应的反馈，它使偏差e增大。 负反馈：是指减弱系统输入效应的反馈，它使偏差e减小。 按偏差进行控制的系统必定是一个负反馈控制系统。但是，为实现某种作用规律和功能，常采用复杂的正、负反馈回路。,2. 反馈控制系统的传递方框图,1-1,相关概念,前向通道：在控制系统传递方框图中，从系统的输入端沿信号线方向到达系统输出端的通道称为前向通道 反馈通道：从系统的输出端沿信号线方向到达系统

9、输入端的的通道。,2. 反馈控制系统的传递方框图,1-1,相关概念,开环系统：系统的输出对系统的控制作用没有影响的系统。如图中A点断开，则变成了开环系统，开环系统不再是反馈控制系统 分类： 按给定值进行控制 按扰动补偿进行控制,2. 反馈控制系统的传递方框图,1-1,*补充*,A,外部扰动,液位开环控制系统示意图（按给定值）,Q1,V2,Q2,V1,H,F,+E,控制器,电动机,液位开环控制系统示意图（按扰动）,Q1,V2,Q2,V1,H,F,控制器,电动机,外部扰动,3. 反馈控制系统的工作过程,1-1,稳态：控制系统在运行过程中，若输出量（被控量）不随时间变化而是稳定在给定值上或给定值附近

10、的状态叫稳态，也叫平衡状态、静态。 系统易受扰动，平衡状态（稳态）易破坏 稳态是暂时的、相对的 系统在受到扰动之后，被控量将围绕给定值产生波动 动态：被控量随时间而变化的不平衡状态（也称瞬态） 在调节器内外扰动的作用下，稳态动态动态.，新的平衡状态不断建立,设系统处在平衡状态（稳定运行） 突然外部扰动或改变给定值 被控量发生变化 测量单元把送被控量至调节单元 在调节单元内部，计算偏差值e 调节单元依据某种调节作用规律输出一个控制信号 执行机构改变流入控制对象的物质或能量流量，被控量朝着 偏差减少的方向变化,3. 反馈控制系统的工作过程,1-1,3. 反馈控制系统的工作过程,1-1,动态过程：系

11、统从受到扰动开始到被控量稳定在新稳态值，称为动态过程，也叫过渡过程。,1-2 自动化仪表的基本知识,自动化仪表的主要品质指标 气动仪表的元部件及组成原理,1.自动化仪表的主要品质指标,机舱中自动化仪表应用最为广泛，用于各种控制系统中实现参数的测量、调节与显示等 按所用能源分类 气动仪表 压缩空气作为能源 、气源压力是0.14MPa 气动仪表输入、输出信号为标准的气压信号，0.020.1MPa 电动仪表 电能作为能源，24V 输入和输出信号是标准的010mA或420mA,1-2,1.自动化仪表的主要品质指标,按仪表的结构形式分类 1、单元组合仪表：将控制系统的各个单元分别制成一立的仪表，彼此之间

12、用标准的统一信号联系起来。 2、基地式仪表：若把测量单元、调节单元和显示单元组装在一个壳体内，这种仪表则叫做基地式仪表。 各单元已是不可分割的整体 彼此之间不用标准信号加以联系。 本章主要介绍气动单元组合仪表的结构、工作特性及管理要点,1-2,1.自动化仪表的主要品质指标,在机舱自动控制与监视过程中，人们总希望仪表所检测的参数与测量值完全相符，但是无论品质多好的仪表，所测结果与参数真值总有一定的差别，称之为“误差”： (1) 基本误差：由于仪表结构中间隙、摩擦、刻度不均或分度不准等原因造成的误差，即仪表自身缺陷所致，在制造过程中通过加密加工可降低 (2) 附加误差：仪表在使用过程中受外界如温度

13、、湿度、震动、压力等影响所引起的误差。一般采用相应的补偿措施加以降低，如热电偶温度传感器冷端温度补偿法，但无法彻底消除,1-2,1.自动化仪表的主要品质指标,(3) 绝对误差 A ：又称指示误差。 A = A-A0 A为测量值，A0为被测参数的绝对真值，一般用高精度标准仪表所测的平均值获得。 A不能完全反应仪表的精度，要与仪表的量程进行综合考量 (4) 相对误差 ：仪表的绝对误差所占该仪表指示值的百分数。 不能够反应仪表的精度。 = A / A 100% (4) 精度0 ：最大指示误差Amax占仪表最大测量范围（量程） A的百分数。常用去掉%，即= Amax / A的精度等级来衡量，如0.1、

14、2.0、2.5等 0 = Amax / A 100%,1-2,1.自动化仪表的主要品质指标,(5) 灵敏度 S ：仪表开始对输入信号开始有反应的灵敏程度，若仪表的输入变化量为x，相对应的输出量变化为 y ，则： S = y / x 可见，S越大，越能测出微小的输入变化,1-2,1.自动化仪表的主要品质指标,(6) 不灵敏区 d由于仪表活动部件的摩擦、间隙、弹性元件滞后等现象存在，当输入信号有一微小变化时，仪表输出仍然不变，该微小变化区的绝对值称为不灵敏区 (7)灵敏限 0 （或称灵敏阈） 引起仪表输出有一微小变化Ymin时，所需要输入量的最小值Xmin称为灵敏阀或灵敏限 指测量装置能够区分被测

15、量最小变化量的能力 一般认为不灵敏限等于12不灵敏区,1-2,1.自动化仪表的主要品质指标,(8) 变差（又称滞环误差、回程误差）n ： 变差表示在外界条件不变的情况下，仪表的输入作增大与减小变化时，对于同一真值，其输出指示值之间的最大误差。 即仪表的正向特性与反向特性不一致的程度 注：仪表的不灵敏区是由输入量的变化来表示，而变差是以输出量的变化来表示的，而这皆为仪表结构不完善度的标志,1-2,1-2 自动化仪表的基本知识,1-2-2：气动仪表的元部件及组成原理 1、气动仪表的主要元部件及分类 弹性元件 节流元件 气体容室 喷嘴挡板机构 功率放大器,1-2-2：气动仪表的元部件及组成原理,(1

16、) 弹性元件 弹性元件有弹性支承元件和弹性敏感元件两类 弹性支承元件：如螺旋弹簧和片簧，用于支承、平衡或增强弹性敏感元件的刚度 弹性敏感元件：将承受的压力或轴向推力转变成位移信号。弹性敏感元件的刚度正较小、灵敏度 (刚度的倒数) 较大 螺旋弹簧刚度较大，通常与弹性敏感元件组合使用，以增加其刚度，也多用于调整性敏感元件的初始位置，如图所示。,弹性元件组合示意图,1-2-2：气动仪表的元部件及组成原理,弹性敏感元件有： 波纹管、金属膜片、橡胶膜片、弹簧管和金属膜盒等,主要弹性敏感元件,1-2-2：气动仪表的元部件及组成原理,波纹管 设波纹管的输入气压为P，其输出的位移量S为： 输出量与输入量之间是成线性比例关系的 实验表明，波纹管的压缩变形比拉伸变形具有更好的线性关系 若初始让波纹管处