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1、第2章 工程设计方法,2.1 控制系统的分析方法 2.2 MATLAB在控制系统分析中的应用 2.3 被控参数和控制参数的选取 2.4 测量变送单元和执行机构的选取 2.5 控制方案和控制规律的选取 2.6 系统校正方法 2.7 控制器参数整定方法 2.8 典型控制系统及其基本构成 2.9 自动控制系统设计的标准 2.10 自控系统的安全规则,1,2.4 测量变送单元和执行机构的选取,2,1、电动执行机构 2、液压执行机构 3、气动执行机构,执行机构概述,3,电动线性执行机构,4,5,6,7,液压系统,8,动画千斤顶,9,液压系统,带有压力控制阀的液压系统原理图,液压齿轮泵（Hydraulic
2、 gear pump）,动画齿轮泵,水力叶轮泵（Hydraulic vane pump ）,动画叶轮泵,轴向柱塞泵（axial piston pump）,动画1：工作原理,动画2：单柱塞泵原理,动画3：柱塞泵视频,带有压力控制阀的液压系统原理图,压力控制阀（pressure-control valve）,带有压力控制阀的液压系统原理图,方向控制阀（directional control valve）,推动液压缸的活塞向左运动,推动液压缸的活塞向右运动,动画方向阀,带有压力控制阀的液压系统原理图,液压执行元件,液压执行元件通常有：液压缸、液压齿轮马达,hydraulic cylinder,A h
3、ydraulic gear motor,带有蓄能器的液压系统,主要作用： （1）低通过滤器作用，消除压力脉动 （2）储存能量，补偿流量的不足，应用在液压缸需要的流量是间断的情况下。,气压系统（pneumatic system）,与液压系统相比气压系统的特点：,1、气体是可压缩的，而液体不可压缩 2、气压系统不需要将低压气体回流到压缩机端，可以直接排放到空气中。 3、空气粘度小，远距离输送能量损失少，清洁环保，反应速度比较快。 4、气动系统噪声大，超声速排气时，需要加装消声器。,往复式活塞压缩机reciprocating piston compressor,流量控制阀,流量控制阀是过程控制中常见
4、的一种执行机构，它可以调节流体的流量。控制阀有一个内置的阀门操作机构，使其可以被控制器的信号远距离控制，信号通常为电子的或者气动的。,螺线管驱动的开关型控制阀,电机驱动可变流量型控制阀,气压驱动可变流量控制阀,在控制系统中执行机构多种多样 比如在过程工业中，最常用的各种控制阀，用以改变管道中液体的流量或流速； 在飞行器控制或潜艇控制中，执行机构是方向舵或水平舵，它们通过改变对流体的阻力分布达到控制自身状态的目的； 在机械加工和机械制造工业中，用的最多的执行机构是液压装置； 在仪器仪表工业中，用的最多的执行机构是步进电机或直流电机。,2.4.2 执行机构的选取,37,机械传动、电气传动、液压传动
5、和气压传动是目前工业中最常用的传动方式。电气传动、液压传动和气压传动都必须与机械传动结合后才可能把动力传送给负载。他们各有各的特点及运行条件，并不是任何场合几种传动方式都可以任意使用。设计时应根据具体情况选用最合适的传动方式。,38,1.功率重量比要求大时宜采用液压传动,39,由于液压系统的工作压力可以较高(例如32MPa或更高)，故相应的传输功率与执行机构(液压缸、液压马达)的重量之比就较大。而电气传动或气压传动所能传输的功率与其执行机构(电动机、气缸)的重量之比就较小，(例如液压马达的重量仅为同功率电动机的1012)。因此在功率重量比要求较大的场合应选用液压传动。,40,2.轻载高精度位置
6、控制宜尽量采用电气传动,在负载不大而要求控制精度高的场合，最好采用电气传动，因为电气传动的控制精度较高，电源比较容易获得(只要用电线就可以)。相应的液压传动和气压传动需要液压源或气源，液压源和气源的建立比电源复杂得多，电气传动也能获得较高的控制精度。因此负载不大而精度要求高时应首先选用电气传动。,41,3.负载大响应要求快时不宜采用气压传动,由于气压传动的压力不能太高(一般常用气压不大于1MPa)，所以其驱动的负载力也不能太大。另外由于气体有压缩性，气容较大，因此其响应较慢，故对动态响应要求快时，气压传动就不能满足要求。,42,4.要求低速、稳定性高时不宜采用气压传动,气压传动由于压力不高，因
7、此负载不能太大。而相对来说，摩擦力在总负载中所占的比例就比液压或电气传动的比例大。而且低速时摩擦力的变化也较大(特别是动摩擦和静摩擦相互(或反复)转换时)，故在低速时，气动设备容易出现爬行现象，又由于气体有压缩性，更加剧了爬行的产生。因此要求低速稳定性高的场合不宜采用气压传动，宜用液压传动。,43,5.要求无级变速、调速范围大时宜采用液压传动,液压系统只要调节流量就能达到变速的目的。一般用调速阀便可达到无级变速，而且调节范围也比较大,44,6.直线往复运动宜采用气压或液压传动,由于电动机输出的是旋转运动，如要求负载作直线往复运动，就必须加机械机构(如齿轮齿条机构)，将电动机输出的旋转运动转变为
8、直线运动，而液压缸或气缸一般都是作直线往复运动的，故可直接带动负载作直线往复运动，所以结构简单。,45,7.要求刚度大的系统不宜采用气压传动,由于气体的压缩性大，因此气压系统的刚度比液压系统小，所以要求刚度大的系统不宜采用气压传动，而宜用液压传动。,8.要求效率高的场合不宜采用气压和液压传动,由于液压系统及气压系统的流量调节大多用节流式，阻力损失较大，因此效率较低，而电气传动加齿轮传动系统的总效率常可达90以上。,46,9.超高速旋转或往复运动的场合不宜采用电气和液压传动，应选用气压传动,10.低速大转矩的场合不宜采用气压和电气传动，宜选用液压传动,对低速大转矩的场合，气压传动不易获得大的转矩
9、，而电气传动不易获得稳定的低转速(需要另加减速器)。而在液压传动系统中采用低速大转矩液压马达，就能实现低速大转矩的要求。,47,11.有过载保护要求的场合优先考虑气压和液压传动,液压传动及气压传动系统可以用安全阀简单地实现过载保护。而且过载结束后能自动继续运转，不需重新启动。而电气传动或机械传动则过载保护装置比较复杂，而且过载结束后常须重新启动。,48,12.传动比要求严格的场合不宜采用气压和液压传动,由于液压系统的内、外泄漏量随工作压力及温度而变化，因此其传动比就难以保持恒定。至于气压传动，则由于空气的压缩性大，更难以保持恒定的传动比。所以液压及气压传动不如机械传动那样能保持严格的传动比。,
10、49,13.远距离传输功率时不宜采用液压传动,由于液压传动的功率传输是用管道来实现的。因此远距离传输时管道长度将很长。安装布置不方便而且成本增加。另外管路长其功率损失也大。所以远距离传输功率时最好用电气传动。,50,14.环境恶劣的场合不宜采用液压传动,冬季气温达到零下25C以下，即使采用抗凝液压油，野外作业的液压设备也不能可靠的工作。如在此条件下工作，将会对泵中的零件及液压缸密封件带来不同程度的损坏。易燃易爆、多尘多水等环境恶劣的场合一般不宜用液压传动。液压油的粘度与温度有关，温度愈高，则粘度愈小。因此温度变化较大时，其粘度变化也大，相应的系统泄漏量变化也较大，同时管道的流动阻力变化也较大(
11、因为流动阻力与粘度成比)。因此原来调定的参数在温度变化较大时参数的变化也大，产生温度飘移。使系统的控制精度相应降低。,尽管各类执行机构各式各样，并不相同，但是它们的作用都是将控制器输出信号转变为对控制对象施加的控制作用，所以在选取执行机构时就必须考虑它们各方面的性能，这样才能取得好的控制精度。,51,（1）执行机构的应用场合。 （2）执行机构的非线性。 （3）考虑执行机构的动态特性。执行机构的时间常数在整个控制回路中应该尽量小。 （4）如果执行机构选取的是调节阀，则要注意调节阀的耐腐蚀性，还要注意调节阀的流量特性。 （5）如果这整个控制系统选用的是计算机总线形式，则要选取智能化的执行机构，以使
12、整个系统中的信号保持一致。,52,控制方案和控制规律的选取是控制系统设计中最重要的部分之一，它们决定了整个控制系统中信息所经过的运算处理，也就决定了控制系统的基本结构和基本组成，所以对控制质量起决定性的影响。,2.5 控制方案和控制规律的选取,2.5.1 控制方案的选取,控制方案的选取要考虑许多方面的影响，如元件的经济性和使用寿命、工作的可靠性、系统的性能指标、操作和维护的方便性等，所以要综合平衡，顾及周全。从系统方面来看，要考虑选取计算机控制系统，还是组合仪表控制；是选取计算机控制系统，还是现场总线控制系统。在系统回路和方式上，是选取单回路还是选取多回路复合控制；选取反馈控制、前馈控制。,5
13、3,在控制方案的选取上，可以选取单回路控制方案或多回路控制方案，如图2.10所示。,54,单回路控制结构简单容易实现，其控制器一般可以起到串联校正作用。但是这种系统对参数变化比较敏感，抑制干扰的能力比较差，所以单回路系统适用于控制对象比较简单且性能指标要求不高的情况。多回路系统为一个高阶系统，它相当于串级控制，但是只有一个被控对象，主回路采用了单位负反馈。这种控制由于有局部反馈，可以更好的抑制干扰。,55,2.5.2 控制规律的选取,控制方案确定后，需要选取控制规律。如果选用计算机控制，则控制规律由计算机算法实现。控制规律的选取主要取决于系统的时间常数和纯滞后时间。根据经验，如果纯滞后时间小于
14、系统时间常数的1/5，调节器可以选用比例或比例积分控制规律；如果纯滞后时间大于系统时间常数的1/5且小于系统的时间常数，调节器可以选用PID控制规律；如果纯滞后时间大于系统时间常数，采用单回路负反馈控制将不能取得满意的控制质量，应该根据具体情况选用串级或者前馈等更加复杂的控制方案。,56,若被控对象的数学模型很复杂或无法对其建立准确的数学模型，可以根据过程特性选取控制器的控制规律。例如，选取比例控制规律时，可以较快地克服扰动的影响，使系统稳定，但是会有余差，所以适合于控制通道的时间常数较小、纯滞后较小、负荷变化不大、对控制精度要求不是很高的情况。通常过程工业中物位和压力控制可以选取比例控制。选
15、取PI控制可以消除残差，适合控制通道时间常数较小，纯滞后较小且有消除余差要求的情况。通常在流量控制系统中多采用PI控制。PD控制，微分具有超前作用，可以改善容量滞后系统的动态控制指标，提高控制质量，常用在温度控制系统中。PID控制则融合比例积分微分三者的作用，控制效果较好，但是参数整定相对复杂，需要做好参数整定。,57,2.6 系统校正方法,58,2.6 系统校正方法,串联校正常用的环节有比例-微分（PD）环节、比例-积分（PI）环节和比例-积分-微分（PID）环节等1、比例-微分环节该环节起超前作用，其传递函数为为了抑制高频干扰，以带通滤波代替高通滤波，所以实际应用上为式中TD1和TD2分别
16、为两个转折频率对应的周期（ TD1TD2 ）。,2.6.1 串联校正方法,59,60,61,2、比例-积分环节该环节起滞后作用，其传递函数为式中TD1和TD2分别为两个转折频率对应的周期（ T11T12 ）。,62,63,64,3、比例-积分-微分环节环节该环节起滞后作用，其传递函数为式中T1、T2、 T3、T4分别为两个转折频率对应的周期（ T1T2 T3T4 ）。,65,66,67,并联校正作为局部校正结构如图2.17所示。图中G1(s)和G2(s)为原系统中的传递函数； G3(s)为并联校正环节的传递函数。 通过方框图的变换，可以将加入并联环节校正之后的系统变换为简单的单回路负反馈控制系统。,2.6.2 并联校正方法,68,69,1、速度反馈 在随动系统和调速系统中，转速、加速度、电枢电流等，都是常用的反馈变量，而具体的反馈元件实际上就是一些测量传感器，如测速发电机、加速度计、电流互感器等。 从控制的观点来看，反馈校正比串联校正有其突出的特点，它能有效地改变被包围环节的动态结构和参数；另外，在一定条件下，反馈校正甚至能完全取代被包围环节，从而可以大大减弱这部分环节由于特性参数变化及各种干扰给系统带来的不利影响。,
