反馈控制系统的基础知识课件

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1、第一章 船舶反馈控制系统的基础,第一节 反馈控制系统的基本概念 一、反馈控制系统的组成 例1、辅锅炉水位自动控制系统 例2、主机冷却水温度自动控制系统,主机冷却水温度自动控制系统示意图,A. 眼睛把调节结果传递给大脑的过程就叫做反馈。显而易见，正因为利用了反馈，控制的最终目标才能得以实现。 B.在自动控制过程中，由于不需要人来干预控制过程，因此必须采用相应的自动化仪表来代替人的功能器官。比如可用温度传感器和变送器来代替人的眼睛，随时测量冷却水的实际温度并把该值送给调节器。调节器代替人的大脑，并对冷却水实际温度进行分析和计算，然后输出控制信号给执机构。执行机构代替人的双手，改变三通调节阀的开度。

2、不论是手动控制，还是自动控制，反馈的作用都是存在的。我们把包含反馈作用的控制过程称为反馈控制过程。 C.组成一个反馈控制系统，必须有四个最基本的环节，即控制对象、测量单元、调节单元和执行机构。,（1）控制对象 控制对象是指所要控制的机器、设备或装 置。把所要控制的运行参数叫做被控量。 在锅炉水位自动控制系统中，锅炉是控制 对象，水位是被控量。 在柴油机冷却水温度自动控制系统中，淡 水冷却器是控制对象，冷却水温度是被控量。 在柴油机转速自动控制系统中，柴油机是 控制对象，转速是被控量。,（2）测量单元 测量单元的作用：检测被控量的实际值，并 把它转换成标准的统一信号，该信号叫被控量的 测量值。

3、在气动控制系统中，其统一的标准气压信号 是0.020.lMPa；在电动控制系统中，其统一的 标准电流信号是010 mA或420mA。 在温度自动控制系统中，测量单元采用温度 传感器和温度变送器；在压力自动控制系统中， 测量单元采用压力传感器和压力变送器；在锅炉 水位自动控制系统中，测量单元采用水位发讯器 （参考水位罐）和差压变送器。,（3）调节单元 调节单元是指具有各种调节作用规律的调节器。 把运行参数所希望控制的最佳值叫给定值，用 r 表示； 被控量的测量值用 z 表示。把被控量的测量值偏离给 定值的数量叫偏差值，用 e 表示,显然，e = r - z 。 调节器首先接收测量单元送来的被控量

4、的测量信号， 并与被控量的给定值相比较得到偏差信号，再根据偏差 信号的大小和方向（正偏差还是负偏差），依据某种调 节作用规律输出一个控制信号，对被控量施加控制作用， 直到偏差等于零或接近零为止。,（3）调节单元 在反馈控制系统中，一般把被控量的希望值称为设定值，被控量的测量值与设定值之间的差值称为偏差值。若将设定值表示为r，被控量的测量值表示为z，偏差表示为e，则有 若e 0，则说明测量值低于设定值，称为正偏差； 若e 0，则说明测量值大于设定值，称为负偏差； 若e 0，则说明测量值等于设定值，称为无偏差。 在实际应用中，调节器一般有位式调节器、比例调节器、比例积分调节器、比例微分调节器和比例

5、积分微分调节器等五种，根据控制对象特性的不同及对被控量控制精度的要求，控制系统可选用不同调节作用规律的调节器。,（4）执行机构 执行机构的输入量是调节单元输出的控 制信号，执行机构的输出量是调节阀的开度。 调节单元输出的控制信号经执行机构直接改 变调节阀的开度，从而可改变流入控制对象 物质或能量流量，使之能符合控制对象负荷 的要求，被控量会逐渐回到给定值或给定值 附近。,反馈控制系统的组成,以上四个基本单元在组成反馈控制系统中是缺一不可的。但对于一个完整的反馈控制系统，一般还设有显示单元，用来指示被控量的给定值和测量值。同时，对气动控制系统来说，应设有气源装置和定值器；对电动控制系统尚需设稳压

6、电源等辅助装置,二、自动控制系统传递方框图,（1）环节 任何环节输出量的变化取决于输入量的变化及环节的特性，而输出量的变化不会影响输入量。 （2）扰动 引起被控量变化的一切因素称为扰动或扰动量， 扰动可分为两类：外部扰动、基本扰动。,（3）闭环系统 反馈控制系统必定是闭环系统。 （4）反馈 被控量的变化经测量单元又反送到调节器的 输入端，这个过程叫反馈。 正反馈是指经反馈能加强闭环系统输入效应， 即使偏差e增大。 负反馈是指经反馈能减弱闭环系统输入效应， 即使偏差e减小。,三、反馈控制系统的分类 按给定值的变化规律分类方法： 1、定值控制系统 系统的给定值是恒定不变的，为某个确定值，则该系统称

7、为定值控制系统。 例如主锅炉水位与蒸汽压力控制系统，柴油机气缸冷却水温度控制系统，燃油粘度控制系统，发电机的原动机转速控制系统等都属于定值控制系统。,三、反馈控制系统的分类,2、程序控制系统 系统的给定值是变化的，而且是按人们事 先安排好的规律进行变化，则该系统称为程序 控制系统。 例如船舶主机遥控系统中的转速控制，其 给定值就是按车钟设定转速的预定发送速率规 律而变化的。,三、反馈控制系统的分类,3、随动控制系统 系统的给定值是任意变化的，且变化规律 是事先无法确定的系统，则该系统称为随动控 制系统。 例如自动舵的随动操舵系统，其舵角给定 值完全取决于当时的航行情况。,四、自动控制系统的动态

8、过程,1、动态过程特点 系统从受到扰动开始到被控量稳定在新稳态值， 系统达到新的平衡状态的过程，也就是被控量随时间 的变化规律，称为动态过程（过渡过程）。,2、评定控制系统动态过程品质的指标 反馈控制系统的扰动形式是随机的， 很难用一个数学表达式来精确地描述， 但可以归纳为四种扰动形式： 阶跃形式、 线性形式、脉冲形式、 正弦形式。,2、评定控制系统动态过程品质的指标,为了便于分析和研究反馈控制系统的性能，通常以阶跃信号作为系统的给定值或扰动，因为阶跃信号是反馈控制系统一种最常见的输入信号，而且不论是作为给定值或者扰动量，对系统是最严重的冲击，最容易引起系统发生不平衡状态,2、评定控制系统动态

9、过程品质的指标,在阶跃信号输入时，被控量变化的动态过程有以下四种： （1）发散振荡过程 （2）等幅振荡过程 （3）单调过程（非周期过程） （4）衰减振荡过程,2、评定控制系统动态过程品质的指标,过程曲线,2、评定控制系统动态过程品质的指标,过程曲线,2、评定控制系统动态过程品质的指标,（1）稳定性指标 对于定值控制系统可用衰减率表示， = AB/ A（一般希望=0.750.9） 0 发散振荡过程， 0 1 衰减振荡过程 =0 等幅振荡过程， =1 非周期过程,对于改变给定值的控制系统可用超调量p 表示:,= YmaxY（）/ Y（）100%,一般要求 30%,2、评定控制系统动态过程品质的指标

10、,振荡次数 N，一般要求2 3次。 （2）准确性指标 最大动态偏差 emax 、静态偏差 最大动态偏差 ，是指在衰减振荡中第一个波峰的峰值，它是动态精度指标。 大，说明动态精度低，要求 小些为好，但不是越小越好，因为 太小，有可能使动态过程的振荡加剧。 静态偏差 ，是指动态过程结束后。被控量新稳态值与给定值之间的差值。 越小说明控制系统的静态精度越高。在实际控制系统中，由于所使用不同作用规律调节器，其存在静态偏差的情况也不相同。分为有差调节和无差调节。,2、评定控制系统动态过程品质的指标,（3）快速性指标 过渡过程时间 ts 、上升时间 和峰值时间 。 上升时间 和峰值时间 都是反映动态过程进

11、行快慢的指标。 上升时间 和峰值时间 越小，说明系统惯性越小，动态过程进行得越快。,第二节船用自动化仪表的基本知识,按功能分：测量仪表、显示仪表、调节器和执行器； 按能源分：气动仪表和电动仪表； 按结构形式分： 基地式仪表和单元组合式仪表； 单元组合式仪表是指把控制系统的各功能单元分别制成一立的仪表，包括测量仪表、显示仪表、调节器、执行器等，各个仪表之间用统一的标准信号相联系。 单元组合式仪表标准信号： 气动：0.02MPa0.1MPa 电动：4mA20mA DC 基地式仪表是指把测量、显示和调节等功能单元组装在一个壳体内，构成不可分离的整体。,第二节船用自动化仪表的基本知识,一、自动化仪表的

12、主要品质指标 1、基本误差与附加误差 附加误差是仪表在使用中，由于外界条件的 影响，如环境温度、湿度、振动等所引起的误差。 2、绝对误差： 绝对误差又称指示误差，绝对误差是指仪表 指示的被测参数值与真实值之差。 若仪表指示 的被测参数值为A，而被测参数 的真实值是A0， 则绝对误差：AA0 3、相对误差： 相对误差是指仪表的绝对误差与该仪表 指示值之比的百分数，即：,第二节船用自动化仪表的基本知识,一、自动化仪表的主要品质指标 4、精度： 是指仪表的最大绝对误差（最大指示误差）与 仪表的测量范围（量程）之比的百分数。 在表示上用级来代替百分号。 例如，某压力表的量程为2MPa，它的最大 绝对误

13、差是0.04MPa，该仪表的基本误差为： 00.04/2100%,则该仪表的精度为级。,第二节船用自动化仪表的基本知识,一、自动化仪表的主要品质指标 5仪表的灵敏度 灵敏度是指仪表对输入信号开始有反映的灵敏 程度。若仪表的输入量变化x，相对应的输出量 变化y，则仪表的灵敏度S为： 同一类仪表，刻度确定后，仪表的测量范围越小， 则灵敏度越高。,第二节船用自动化仪表的基本知识,一、自动化仪表的主要品质指标 6仪表的不灵敏区、灵敏限、变差 由于仪表活动部件的摩擦、间隙、弹性元件滞后现象的存在，当输入信号有一微小变化时，仪表输出仍然不变，这就是不灵敏区。 灵敏限是指，引起仪表输出有一微小变化时，所需输

14、入量的最小变化值，一般认为不灵敏限等于12不灵敏区。 仪表的变差是指在外界条件不变的情况下，多次由不同方向使仪表输入为同一真值时，仪表指示值之间的最大误差。即仪表在同一测量点，其正行程和反行程指示值之差。可见，仪表的不灵敏区是由输入量的变化来表示的，而变差是以输出量的指示变化来表示的，它们都是仪表结构不完善程度的标志。,二、气动仪表的基本元件及组成原理,一）气动仪表的基本元件 1、弹性元件 1）弹性支承元件 螺旋弹簧、片簧。 作用：支承、平衡、增强弹性敏感元件的刚度。 2）弹性敏感元件 波纹管、金属膜片、橡胶膜片、弹簧管、金属膜盒。 作用：将压力或推力转变成位移信号。,2、节流元件（气阻）,作

15、用：产生压力降、改变气体流量的作用。 1）恒节流孔（恒气阻） 2）变节流孔（可调气阻） 3）气阻的概念 R=P/G,图3-1-4 恒节流孔,2、节流元件（气阻）,变节流孔,3、气体容室（气容）,作用：储存或放出气体、对气压变化起惯性作用。 1）定容气室（固定气容） 2）弹性气室（可变气容） 3）气容的概念 C=dm/dp,图3 -l -6 气体容室,4、喷嘴挡板机构,1）组成 恒节流孔、背压室、 喷嘴、挡板。 2）作用 把输入挡板的微小位 移转换成相应的气压 信号输出。,4、喷嘴挡板机构,3）静特性 定义： 在稳定工况下， 背压与挡板开度 之间的对应关系。 特性曲线的特点： （1）挡板全关，背

16、压接 近气源压力。 （2）挡板全开，背压接 近大气压力。 （3）挡板全关到全开， 背压随挡板开度增 大而下降。,静特性曲线,5、耗气型气动功率放大器,1）作用 对气体进行流量和压力放大，达到功率放大。 2）工作原理 起步压力Pa， 调整起步压力的目的：是使喷嘴挡板机构工作 在线性段。保证仪表获得较高的灵敏度、精度 和稳定性。 影响起步压力的因素：膜片和片簧的刚度、间 隙、片簧的预紧力。,5、耗气型气动功率放大器,二）气动仪表的的组成,气动仪表是由放大环节、反馈环节 、比较环节 组成。,图3-14 气动仪表的构成原理,二）气动仪表的的组成,1、放大环节 起信号的放大作用 由喷嘴挡板机构和功率 放大器构成二级气动放 大器,2、反馈环节 起信号的运算作用,1）节流分压器 特性：比例环节 实现比例作用规律 2）节流盲室 特性：一阶惯性环节 实现积分作用规律