资源描述
2、自动控制系统,及 典 型 控 制 方 法,汽包,W,给水,给水调节阀,省煤器,水冷壁,过热器,水位计,蒸汽,D,h,汽包锅炉给水,人,人工调节示意,图,图,人工/自动,2.1自动控,制,制系统的组成,2.1.1,人,人工调节,给水,w,蒸汽,D,测量单元,调节单元,给定单元,执行单元,汽包锅炉给水自动调节示意图,h,人工/自动,2.1.2,自,自动调节,差压变送器,气动调节阀,调节器,显示操作器,例：典型的自,动,动化元件,2.1.3,自,自动调节中的,一,一些常用术语,1被调量（,被,被控制量）,表征生产过程,是,是否正常运行,并,并需要加以调,节,节的物理量。,2,给定值,按生产要求被,调,调量必须维持,的,的希望值。,3控制对象,（,（被控对象）,被调节的生产,过,过程或设备称,为,为控制对象。,4调节机构,可用来改变进,入,入控制对象的,物,物质或能量的,装,装置称为调节,机,机构。,5控制量（,调,调节量）,由调节机构(,阀,阀门、挡板等)改变的流量(或能量)，,用,用以控制被调,量,量的变化。,6,扰动,引起被调量偏,离,离其给定值的,各,各种原因称为扰动。,如果扰动不包,括,括在控制回路,内,内部(例外界,负,负荷)，称为外扰。,如果扰动发生,在,在控制回路内,部,部，称为内扰。,由于调节机构,开,开度变化造成,的,的扰动，称为基本扰动。,变更控制器的,给,给定值的扰动,称,称为给定值扰动,也称控制作用扰动。,7控制过程,（,（调节过程）,原来处于平衡,状,状态的控制对,象,象，一旦受到,扰,扰动作用，被,调,调量就会偏离,给,给定值。要通,过,过自动控制仪,表,表或运行人员,的,的调节作用使,被,被调量重新恢,复,复到新的平衡,状,状态的过程，,称,称为调节过程,。,。,8自动控制,系,系统,自动控制仪表,和,和控制对象通,过,过信号的传递,互,互相联系起来,就,就构成一个自,动,动控制系统。,2.2 自,动,动控制系统分,类,类,一、按工作原,理,理分类,1前馈控制,系,系统,2反馈控制,系,系统,3前馈,反,反馈控制系,统,统（复合控制,系,系统）,二、按给定值,特,特点分类,1.定值控,制,制系统,2.随动控,制,制系统,3程序控制,系,系统,前馈控制系统/反馈控制系统/复合控制系统,扰动通道,调节通道,前馈调节器,y,“扰动调节”,或,或“扰动补偿,”,”,开环控制系统,优点,缺点,-,r,扰动通道,调节通道,调节器,测量变送,调节机构,y,“按偏差调节,”,”,闭环控制系统,优点,缺点,前馈控制系统/反馈控制系统/复合控制系统,-,r,扰动通道,调节通道,调节器,测量变送,调节机构,y,调节通道,前馈调节器,前馈控制系统/反馈控制系统/复合控制系统,2.3 控制,系,系统的性能指,标,标,自动控制系统,调,调节品质的优,劣,劣，表示了控,制,制系统克服外,来,来干扰能力的,大,大小。,常把对阶跃干,扰,扰的反映作为,判,判别系统抗干,扰,扰能力好坏的,标,标准。,一个控制系统,的,的调节品质，,可,可用控制系统,在,在受到单位阶,跃,跃输入作用后,，,，被调量在控,制,制过程中的变,化,化曲线来分析,。,。,2.3.1控,制,制过程的基本,形,形式,综合性能指标,单项性能指标,时域指标,频域指标,静态偏差,y(,),或,e(,),最大动态偏差,y,m,或超调量,衰减率,衰减比,n,控制过程时间,t,s,其它指标,2.3.2控,制,制系统的性能,品,品质指标,调节时间,t,S,静态偏差,y(,),或,e(,),最大动态偏差,y,m,或超调量,衰减率,衰减比,n,1静态偏差,y(,),或,e(,),静态偏差是指,被,被调量的稳态,值,值与给定值的,长,长期偏差。,e(,)=r(,)y(,),静态偏差是衡,量,量控制系统准,确,确性的重要指,标,标之一，它反,映,映了控制系统,的,的调节精度,。,。,2控制过程,时,时间（调节时,间,间）,ts,对于定值控制,系,系统，控制过,程,程时间是指阶,跃,跃响应曲线由,开,开始起到最后,一,一次进入偏离,稳,稳态值为,范,范围，并且以,后,后不再越出此,范,范围的时间即,tts,时 ,y（t）y（）,，,=5%,或2%（5%,y1,或2%,y1,）,对于随动控制,系,系统，控制过,程,程时间是指被,调,调量与其稳态,值,值之差不超过,稳,稳态值的5%或2%所,需,需要的时间，,就,就认为控制过,程,程已经结束。,即,即,tts,时,y（t）y（）,5%y（,）,）,或2%,y（）,3最大动态,偏,偏差,ym,或超调量,在定值控制系,统,统中，常用最,大,大动态偏差,ym,这个指标来衡,量,量被调量偏离,给,给定值的程度,。,ymy1y(),随动控制系统,常,常用超调量这,个,个指标来衡量,被,被控制量偏离,给,给定值的程度,。,。,超调量,可定义为：,哈尔滨电力职,业,业技术学院,4.衰减率,衰减比,n,衰减率是指每,经,经过一个波动,周,周期，被调量,波,波动幅值减少,的,的百分数。,式中,y1,偏离稳态值的,第,第一个波峰幅,值,值；,y3,偏离稳态值的,第,第三个波峰幅,值,值。,它常被工程上,用,用来描述过渡,过,过程为衰减振,荡,荡时的衰减速,度,度。,若,0，则调节,过,过程是发散振,荡,荡，这种系统,是,是不稳定的。,若,0，则调节,过,过程是等幅振,荡,荡，这种系统,处,处于边界稳定,。,。,若0,1，则调节,过,过程是衰减振,荡,荡，这种系统,是,是稳定的。可,以,以应用。,若,1，则调节,过,过程是不振荡,的,的衰减过程(,非,非周期过程),，,，这种系统稳,定,定。,在0,1的范围内,，,，,的数值还可表,明,明系统稳定裕,量,量(富裕量或,贮,贮备量)的大,小,小，一般取,0.750.90。,衰减比,n,是指振荡过程,的,的第一个波的,振,振幅,y1,与第三个波的,振,振幅,y3,之比，,即,ny1/y3,它也是衡量系,统,统过渡过程稳,定,定性的一个动,态,态指标，反映,了,了振荡的衰减,程,程度。,n1,表示系统稳定,；,；,n=4,表示系统为4:1的衰减振,荡,荡。,在定值控制系,统,统中，突出的,要,要求是克服扰,动,动的性能。,在随动控制系,统,统中突出的要,求,求是跟踪性能,。,。,衡量控制系统,调,调节品质的优,劣,劣可以归纳为,三,三个方面即稳定性，准确,性,性、快速性。,2.2,调节器的控制,规,规律,调节器的控制,规,规律中最基本,的,的作用是,:,比例,(P),、积分,(I),和微分,(D),作用,常用的调节器,按,按其控制规律,可,可分为：,比例调节器（,P,）、,比例积分调节,器,器（,PI,）、,比例微分调节,（,（,PD,）、,比例积分微分,调,调节器（,PID,）,哈尔滨电力职,业,业技术学院,1.,比例作用,(P,作用,),动态方程式：,传递函数为：,比例作用的比,例,例系数,特点为：,（,1,）无惯性、无,迟,迟延、动作快,而且调节动作,的,的方向正确,在控制系统中,是,是促使控制过,程,程稳定的因素,；,；,（,2,）有差作用,2.2.1,基本调节作用,哈尔滨电力职,业,业技术学院,2.,积分作用,(I,作用,),动态方程式：,传递函数为：,积分速度,特点为：,（,1,）,控制过程结束,时,时,被调量与其给,定,定值之间没有,稳,稳态偏差,(,无差调节,),；,（,2,）,积分作用在控,制,制系统中是使,控,控制过程振荡,的,的因素,很少单独使用,哈尔滨电力职,业,业技术学院,3.,微分作用,(D,作用,),动态方程式：,传递函数为：,微分作用的比,例,例系数,特点为：,（,1,）微分作用具,有,有超前调节的,特,特点,（,2,）能提高控制,过,过程的稳定性,（,3,）,不能单独使用,哈尔滨电力职,业,业技术学院,总结,:,比例作用能单,独,独地执行调节,任,任务,并能使控制过,程,程趋于稳定,但使被调量,产,产生静态偏,差,差。,积分作用只,有,有极少的情,况,况,(,对象自平衡,能,能力大,惯性和迟延,很,很小等,),才能单独应,用,用,会使控制过,程,程变成振荡,甚,甚至不稳定,但能使被调,量,量元静态偏,差,差。,微分作用不,能,能单独使用,但能提高控,制,制系统的稳,定,定性,有效地减少,被,被调量的动,态,态偏差,.,哈尔滨电力,职,职业技术学,院,院,1.,比例,(P),调节器,传递函数为,:,Kp,：调节器的,比,比例系数,即偏差改变,一,一个单位时,，,，调节机构,的,的位移变化,量,量，它是调,节,节器的参数,;,：比例系数,Kp,的倒数,即当调节机,关,关的位置改,变,变,100%,时，偏差应,有,有的改变量,称为比例带,，,，,越大比例作,用,用越弱。,2.2.2,调节器的控,制,制规律,哈尔滨电力,职,职业技术学,院,院,2.,比例,积分,(PI),调节器,动态方程为：,传递函数为,:,K,I,:,调节器的积,分,分速度,即当偏差改,变,变,100%,时,调节机构的,移,移动速度,T,i,:,积分时间,哈尔滨电力,职,职业技术学,院,院,2.,比例,积分,(PI),调节器,PI,调节器的阶,跃,跃响应曲线,比例调节,+,积分调节,粗调,+,细调,哈尔滨电力,职,职业技术学,院,院,3.,比例,微分,(PD),调节器,动态方程为：,传递函数为,:,微分时间越,长,长,表示微分作,用,用越强,;,比例带,不但影响比,例,例作用的强,弱,弱而且也影,响,响微分作用,的,的强弱,.,哈尔滨电力,职,职业技术学,院,院,3.,比例,微分,(PD),调节器,阶跃响应曲,线,线,:,(b),(a),斜坡响应曲,线,线,:,导前时间,哈尔滨电力,职,职业技术学,院,院,3.,比例,微分,(PD),调节器,实际比例微,分,分调节器的,动,动态方程式,为,为,:,传递函数为,:,惯性环节,T,D,:PD,调节器的微,分,分惯性时间,常,常数,哈尔滨电力,职,职业技术学,院,院,3.,比例,微分,(PD),调节器,实际,PD,调节器的阶,跃,跃响应曲线,：,：,理想,PD,调节器的阶跃响应曲线：,哈尔滨电力,职,职业技术学,院,院,理想,PID,调节器,实际,PID,调节器,动态方程,传递函数,4.,比例,积分,微分,(PID),调节器,哈尔滨电力,职,职业技术学,院,院,理想,PID,调节器,实际,PID,调节器,阶跃响应曲线,4.,比例,积分,微分,(PID),调节器,P,I,D,PID,哈尔滨电力,职,职业技术学,院,院,
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