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1、1-1 自动控制系统的组成自动控制系统的组成和工作原理和工作原理2022-1-8第一章第一章 自动控制的基本概念自动控制的基本概念一、自动控制的基本概念一、自动控制的基本概念1.1.人工控制人工控制：控制任务由人工操作完成控制任务由人工操作完成 。2.2.自动控制自动控制：在没有人直接参与的情况下，利用自动控制在没有人直接参与的情况下，利用自动控制装置使被控制对象装置使被控制对象(如机器、生产过程如机器、生产过程)的某一物理量的某一物理量(或工或工作状态作状态)自动地按照预定的规律运行自动地按照预定的规律运行(或变化或变化)。 3.3.常用术语常用术语二、自动控制系统的组成和原理方框图二、自动
2、控制系统的组成和原理方框图1.1.自动控制系统的组成自动控制系统的组成2.2.自动控制系统的原理方框图自动控制系统的原理方框图 2022-1-8三、三、自动控制系统的工作原理自动控制系统的工作原理四、四、自动控制系统的基本控制方式自动控制系统的基本控制方式五、五、自动控制系统的自动控制系统的分类分类2022-1-82022-1-8汽包水位人工、自动控制示意图汽包水位人工、自动控制示意图常用术语常用术语(1)(1)被控对象被控对象：指被控制的生产设备或生产过程。指被控制的生产设备或生产过程。(2)(2)被控量（被调量）：被控量（被调量）：表征生产过程是否正常而需表征生产过程是否正常而需要控制的物
3、理量。要控制的物理量。(3)(3)给定值（设定值）：给定值（设定值）：根据生产工艺要求，被控量根据生产工艺要求，被控量应该达到的数值。应该达到的数值。在许多情况下给定值是不变的，在许多情况下给定值是不变的，如正常运行时锅炉的汽包水位、汽轮机的转速等，如正常运行时锅炉的汽包水位、汽轮机的转速等，但在有些情况下给定值是变化的，如汽轮机启动和但在有些情况下给定值是变化的，如汽轮机启动和停机过程中转速的给定值就应不断变化。停机过程中转速的给定值就应不断变化。 (4)(4)扰动（干扰）：扰动（干扰）：引起被控量偏离其给定值的各种引起被控量偏离其给定值的各种原因。原因。如果扰动不包含在控制系统内部，称为外
4、扰；如果扰动不包含在控制系统内部，称为外扰；如果扰动发生在控制系统内部，称为内扰。另外，如果扰动发生在控制系统内部，称为内扰。另外，由调节机构开度变化造成的扰动，称为基本扰动；由调节机构开度变化造成的扰动，称为基本扰动；变更给定值引起的扰动，称为定值扰动。变更给定值引起的扰动，称为定值扰动。 2022-1-8常用术语常用术语(5)(5)控制量控制量：由控制作用来改变：由控制作用来改变, ,以控制被控量的变以控制被控量的变化化, ,使被控量恢复为给定值的物理量。使被控量恢复为给定值的物理量。 (6)(6)控制机构（调节机构）控制机构（调节机构）：改变对象流入量或流出：改变对象流入量或流出量的机构
5、，如上例中给水控制阀。量的机构，如上例中给水控制阀。火电厂自动控制火电厂自动控制系统中的调节机构多数是阀门或挡板。系统中的调节机构多数是阀门或挡板。(7)(7)自动控制系统：自动控制系统：自动控制装置和控制对象通过信自动控制装置和控制对象通过信号的互相传递联系起来就构成一个自动控制系统。号的互相传递联系起来就构成一个自动控制系统。 用上述术语来表述，自动控制的过程就是根据用上述术语来表述，自动控制的过程就是根据被调量偏离给定值的情况，适当的调整调节机构，被调量偏离给定值的情况，适当的调整调节机构，改变控制量，最后抵消扰动的影响，使被调量重新改变控制量，最后抵消扰动的影响，使被调量重新恢复到给定
6、值的过程。恢复到给定值的过程。2022-1-8自动控制系统的组成自动控制系统的组成1、自动控制系统由、自动控制系统由被控对象被控对象和和自动控制装置自动控制装置两个基本两个基本部分组成。部分组成。2、实现自动控制作用所需要的自动控制装置（、实现自动控制作用所需要的自动控制装置（P3） 测量单元（测量变送器、检测变送器）测量单元（测量变送器、检测变送器） 控制单元（控制器、调节器）控制单元（控制器、调节器） 执行单元（执行机构，包括执行器和调节机构）执行单元（执行机构，包括执行器和调节机构） 3、自动控制系统中的各装置是、自动控制系统中的各装置是通过信号的传递和转通过信号的传递和转换换相互联系起
7、来的。相互联系起来的。2022-1-8自动控制系统的原理方框图自动控制系统的原理方框图(1)(1)能直观地表达自动控制系统中各设备之间相互作用能直观地表达自动控制系统中各设备之间相互作用与信号传递关系的示意图称为自动控制系统的原理方框与信号传递关系的示意图称为自动控制系统的原理方框图。图。(2)(2)方框图的四个要素方框图的四个要素2022-1-8方框图的四个要素方框图的四个要素信号线：信号线：用箭头表示信号用箭头表示信号“x x”的传递方向的连接线。的传递方向的连接线。汇交点汇交点 (相加点、综合点相加点、综合点)：表示两个信号表示两个信号“x x1 1”与与“x x2 2”的代数和。的代数
8、和。分支点分支点(引出点引出点)：表示把信号表示把信号“x x”分两路取出。分两路取出。环节：环节：方框图中的一个方框。方框图中的一个方框。2022-1-8自动控制系统的工作原理自动控制系统的工作原理 自动控制系统的工作原理可以描述为：控制系自动控制系统的工作原理可以描述为：控制系统原来处于统原来处于平衡状态平衡状态（即被调量等于给定值、调节（即被调量等于给定值、调节器无输出、执行器和调节机构无动作），当受到器无输出、执行器和调节机构无动作），当受到扰扰动动的影响的影响使被调量偏离给定值使被调量偏离给定值，此时被调量的实际，此时被调量的实际值被值被测量变送器测量变送器检测并传送给检测并传送给调
9、节器调节器，调节器根据，调节器根据被调量的实测信号和给定信号之间产生一个被调量的实测信号和给定信号之间产生一个偏差信偏差信号号，并按照一定的，并按照一定的控制规律控制规律对此偏差信号进行运算，对此偏差信号进行运算，产生一个产生一个控制指令信号控制指令信号给给执行器执行器，用以驱动，用以驱动调节机调节机构构改变控制量，对被调量不断的进行调节，直到控改变控制量，对被调量不断的进行调节，直到控制系统重新达到一个制系统重新达到一个新的平衡状态新的平衡状态。2022-1-8基本控制方式基本控制方式1.开环控制：开环控制：控制装置与被控对象之间只有顺向作用而没控制装置与被控对象之间只有顺向作用而没有反向联
10、系的控制过程。有反向联系的控制过程。 2.闭环控制：闭环控制：控制装置与被控对象之间既有顺向作用，控制装置与被控对象之间既有顺向作用，又有反向联系的控制过程。又有反向联系的控制过程。 2022-1-8基本控制方式基本控制方式3.复合控制：复合控制：在闭环控制回路的基础上，附加一个输在闭环控制回路的基础上，附加一个输入信号或扰动作用的前馈通路。入信号或扰动作用的前馈通路。 前馈通路通常由对输入信号的补偿装置或对扰前馈通路通常由对输入信号的补偿装置或对扰动作用的补偿装置组成，分别称为按输入信号补偿动作用的补偿装置组成，分别称为按输入信号补偿(a图图)和按扰动作用补偿和按扰动作用补偿(b图图)的复合
11、控制系统。的复合控制系统。 2022-1-82022-1-8（二）按调节系统的内部结构分类（二）按调节系统的内部结构分类1 1反馈调节系统反馈调节系统(feedback regulation system)(feedback regulation system)：反馈调节：反馈调节系统是依据系统是依据偏差偏差进行调节的，见下图。进行调节的，见下图。（一）按给定值信号的特点分类（一）按给定值信号的特点分类1 1恒值调节系统恒值调节系统(constant regulation system)(constant regulation system)2 2程序调节系统程序调节系统(programme
12、regulation system(programme regulation system3 3随动调节系统随动调节系统(follow-up regulation system)(follow-up regulation system)自动控制系统分类自动控制系统分类2022-1-8特点：特点：（1 1）在调节结束时，可以使被调量等于或接近于给定值）在调节结束时，可以使被调量等于或接近于给定值（2 2）当调节系统受到扰动作用时，必须等到被调量出现偏差）当调节系统受到扰动作用时，必须等到被调量出现偏差后才开始调节，所以调节的速度相对比较缓慢。后才开始调节，所以调节的速度相对比较缓慢。 反馈调节系
13、统也称为闭环反馈调节系统也称为闭环(close loop)(close loop)调节系统。调节系统。 2022-1-82 2前馈调节系统前馈调节系统(feedforward regulation system)(feedforward regulation system)：前：前馈调节系统是依据馈调节系统是依据扰动扰动进行调节的，见下图。进行调节的，见下图。2022-1-8 前馈调节系统特点：前馈调节系统特点： (1)(1)由于扰动影响被调量的同时，调节器的调节作用已产由于扰动影响被调量的同时，调节器的调节作用已产生，所以调节速度相对比较快；生，所以调节速度相对比较快； (2)(2)由于没有
14、被调量的反馈，所以调节结束时不能保证被由于没有被调量的反馈，所以调节结束时不能保证被调量等于给定值。调量等于给定值。 前馈调节系统由于无闭合环路存在，亦称为开环前馈调节系统由于无闭合环路存在，亦称为开环(open (open loop)loop)调节系统。调节系统。3.3.复合调节系统复合调节系统(compounding regulation system)(compounding regulation system)（三）按调节系统闭环回路的数目分类（三）按调节系统闭环回路的数目分类1 1单回路调节系统单回路调节系统(single loop regulation system)(single
15、 loop regulation system)2 2多回路节系统多回路节系统(multiple loop regulation system)(multiple loop regulation system)2022-1-8 2 2离散调节系统离散调节系统(discrete regulation system)(discrete regulation system)（五）按系统的特性分类（五）按系统的特性分类1 1线性调节系统线性调节系统 (linear regulation system)(linear regulation system)2 2非线性调节系统非线性调节系统(nonline
16、ar regulation system)(nonlinear regulation system)（四）按调节作用的形式分类（四）按调节作用的形式分类1 1连续调节系连续调节系(continuous regulation system)(continuous regulation system)1-2 自动控制系统的过渡过程自动控制系统的过渡过程和品质指标和品质指标 一、自动控制系统的静态特性和动态特性：一、自动控制系统的静态特性和动态特性：P5P5 二、自动控制系统的过渡过程二、自动控制系统的过渡过程 1 1、典型输入典型输入 2.2. 在阶跃信号作用下过渡过程的基本形式在阶跃信号作用下过
17、渡过程的基本形式三、三、自动控制系统的品质指标自动控制系统的品质指标(1)(1)稳定性稳定性(2)(2)准确性准确性(3)(3)快速性快速性2022-1-8自动控制系统的典型输入自动控制系统的典型输入 自动控制系统所要克服的干扰多种多样，一般来自动控制系统所要克服的干扰多种多样，一般来说变化缓慢的干扰总是比变化突然的干扰更容易克说变化缓慢的干扰总是比变化突然的干扰更容易克服。我们常把一种突然从一个数值变化到另一个数服。我们常把一种突然从一个数值变化到另一个数值，而且一经加上就持续下去不再消除的扰动称为值，而且一经加上就持续下去不再消除的扰动称为阶跃扰动阶跃扰动。除阶跃扰动外，控制系统还需要克服
18、斜。除阶跃扰动外，控制系统还需要克服斜坡扰动、脉冲扰动、正弦波扰动等，如下表所示。坡扰动、脉冲扰动、正弦波扰动等，如下表所示。 在所有的扰动形式中，一般阶跃扰动是最不利和在所有的扰动形式中，一般阶跃扰动是最不利和最难克服的，如果一个控制系统能很好的克服阶跃最难克服的，如果一个控制系统能很好的克服阶跃扰动，那么对于其他形式的扰动也就不难克服，因扰动，那么对于其他形式的扰动也就不难克服，因此我们常把对阶跃扰动的反应作为判别系统抗干扰此我们常把对阶跃扰动的反应作为判别系统抗干扰能力好坏的标准。能力好坏的标准。 2022-1-82022-1-8过渡过程的基本形式过渡过程的基本形式2022-1-8202
19、2-1-8 1）稳定的过渡过程稳定的过渡过程：自动控制系统受到扰动后，：自动控制系统受到扰动后，经过调节能够达到新的平衡状态，即被调量能够达经过调节能够达到新的平衡状态，即被调量能够达到新的稳定数值，如非周期振荡、衰减振荡。到新的稳定数值，如非周期振荡、衰减振荡。 2）不稳定的过渡过程不稳定的过渡过程：自动控制系统受到扰动：自动控制系统受到扰动后，被调量是振荡的，不能够恢复到一个新的平衡后，被调量是振荡的，不能够恢复到一个新的平衡状态，如单调发散、发散振荡、等幅振荡。状态，如单调发散、发散振荡、等幅振荡。 大多数情况下，希望控制系统的过渡过程曲线大多数情况下，希望控制系统的过渡过程曲线是是衰减
20、振荡衰减振荡的形式。的形式。2022-1-8过渡过程的品质指标过渡过程的品质指标 自动控制系统的性能指标是用来衡量系统工作品质自动控制系统的性能指标是用来衡量系统工作品质优劣和调节效果好坏的标准，也表征了控制系统克优劣和调节效果好坏的标准，也表征了控制系统克服外来干扰的能力，对后续进行控制系统的分析和服外来干扰的能力，对后续进行控制系统的分析和整定起着非常重要的作用。整定起着非常重要的作用。 对于定值控制系统，突出的控制要求是克服扰动的对于定值控制系统，突出的控制要求是克服扰动的性能，在扰动发生后，被调量能稳定、准确、快速性能，在扰动发生后，被调量能稳定、准确、快速的恢复到给定值或新的平衡状态
21、；对于随动控制系的恢复到给定值或新的平衡状态；对于随动控制系统，突出的控制要求是跟踪性能，在扰动发生后，统，突出的控制要求是跟踪性能，在扰动发生后，被调量能稳定、准确、快速的跟踪新的给定值。总被调量能稳定、准确、快速的跟踪新的给定值。总而言之，自动控制系统的性能指标可以用而言之，自动控制系统的性能指标可以用稳定性、稳定性、准确性、快速性准确性、快速性来概括。来概括。2022-1-8过渡过程的品质指标过渡过程的品质指标1、稳定性、稳定性是指控制系统在动态变化过程中振荡是指控制系统在动态变化过程中振荡的剧烈程度和被调量变化幅值的大小，可以用被调的剧烈程度和被调量变化幅值的大小，可以用被调量的量的最
22、大动态偏差（或超调量）、衰减比（或衰减最大动态偏差（或超调量）、衰减比（或衰减率）率）来衡量。下图为过渡过程的品质指标示意图。来衡量。下图为过渡过程的品质指标示意图。1）最大动态偏差）最大动态偏差ymax：整个调节过程中被调量偏离给：整个调节过程中被调量偏离给定值的最大暂时偏差。定值的最大暂时偏差。2）超调量：第一个波峰幅值）超调量：第一个波峰幅值A与被调量最终新的稳态与被调量最终新的稳态值之比，即值之比，即 在给定值变化的情况下，用超调量指标来表示在给定值变化的情况下，用超调量指标来表示被调量偏离给定值的最大程度。被调量偏离给定值的最大程度。%100yA2022-1-82022-1-8过渡过
23、程的品质指标过渡过程的品质指标3）衰减比）衰减比n： 两个同方向的相邻波峰幅值之比两个同方向的相邻波峰幅值之比A：B，习惯上用习惯上用n：1表示。显然，衰减比表示过渡过程振表示。显然，衰减比表示过渡过程振荡的剧烈程度。荡的剧烈程度。4）衰减率：是指每经过一个波动周期，被调量振动幅）衰减率：是指每经过一个波动周期，被调量振动幅值减少的百分数。如上图所示，衰减率可表示为值减少的百分数。如上图所示，衰减率可表示为 工程上常用它来描述过渡过程为衰减振荡时的衰工程上常用它来描述过渡过程为衰减振荡时的衰减速度。减速度。 nABABA1112022-1-8过渡过程的品质指标过渡过程的品质指标根据根据 的数值
24、，很容易判别过渡过程的形式：的数值，很容易判别过渡过程的形式： a. a. 若若 0 0，则过渡过程是发散振荡，这种系统是不稳定，则过渡过程是发散振荡，这种系统是不稳定的，不能应用。的，不能应用。 b. b. 若若 0 0，则过渡过程是等幅振荡，这种系统处于临界，则过渡过程是等幅振荡，这种系统处于临界稳定。在某些不利因素的影响下，它就可能变为发散振荡。稳定。在某些不利因素的影响下，它就可能变为发散振荡。这种系统也不能应用。这种系统也不能应用。 c. c. 若若0 0 1 1，则过渡过程是衰减振荡，这种系统是稳定，则过渡过程是衰减振荡，这种系统是稳定的，可以应用。的，可以应用。 d. d. 若若
25、 1 1，则过渡过程是不振荡的衰减过程（非周期衰，则过渡过程是不振荡的衰减过程（非周期衰减），这种系统稳定性高。减），这种系统稳定性高。 不仅如此，在不仅如此，在0 0 1 1的范围内，的范围内， 的数值还可表明系统的数值还可表明系统稳定裕量的大小。显然，值愈大系统的稳定裕量愈大，即稳稳定裕量的大小。显然，值愈大系统的稳定裕量愈大，即稳定性越好。对于恒值控制系统，一般取定性越好。对于恒值控制系统，一般取 0.750.750.90.9。2022-1-8过渡过程的品质指标过渡过程的品质指标2、准确性、准确性是指过渡过程结束后被调量是否能精是指过渡过程结束后被调量是否能精确的等于给定值（跟踪给定值）
26、。衡量系统准确性确的等于给定值（跟踪给定值）。衡量系统准确性的指标是系统的的指标是系统的稳态偏差（静态偏差）稳态偏差（静态偏差）。 稳态偏差稳态偏差e() ：控制系统过渡过程结束后，被调量：控制系统过渡过程结束后，被调量新的稳态值与给定值之间的长期偏差，也称为静态新的稳态值与给定值之间的长期偏差，也称为静态偏差、残余偏差或余差。此值可正可负。对于定值偏差、残余偏差或余差。此值可正可负。对于定值控制系统，余差越小，控制精度越高。但实际生产控制系统，余差越小，控制精度越高。但实际生产中，要求余差不超过工艺规定的允许范围即可。中，要求余差不超过工艺规定的允许范围即可。 有余差的控制系统称为有差控制系
27、统，无余差有余差的控制系统称为有差控制系统，无余差的控制系统称为无差控制系统。的控制系统称为无差控制系统。nABABA1112022-1-8过渡过程的品质指标过渡过程的品质指标3、快速性、快速性是指控制系统过渡过程时间的长短。衡量是指控制系统过渡过程时间的长短。衡量系统快速性的指标有系统快速性的指标有过渡过程时间、振荡周期（或振荡过渡过程时间、振荡周期（或振荡频率）。频率）。 1）过渡过程时间：从阶跃扰动作用起至被调量又建）过渡过程时间：从阶跃扰动作用起至被调量又建立新的平衡状态止的时间，又称为调节时间。严格来讲，立新的平衡状态止的时间，又称为调节时间。严格来讲，被调量达到新的稳定状态需要无限
28、长的时间，实际上，被调量达到新的稳定状态需要无限长的时间，实际上，由于控制仪表的灵敏度所限，当被调量接近新的稳态值由于控制仪表的灵敏度所限，当被调量接近新的稳态值时，指示值就基本不变了。一般规定当指示值进入新稳时，指示值就基本不变了。一般规定当指示值进入新稳态值的态值的5%（或（或2%）范围而不再超出时，就认为被）范围而不再超出时，就认为被调量已达新稳态值，过渡过程结束。调量已达新稳态值，过渡过程结束。 2）振荡周期）振荡周期T：过渡过程曲线上从第一个波峰到同：过渡过程曲线上从第一个波峰到同向相邻的波峰之间的时间，其倒数称为振荡频率。在衰向相邻的波峰之间的时间，其倒数称为振荡频率。在衰减比相同
29、的条件下，振荡周期与过渡过程时间成正比。减比相同的条件下，振荡周期与过渡过程时间成正比。nABABA1112022-1-8过渡过程的品质指标过渡过程的品质指标 在稳、准、快三个性能指标中，在稳、准、快三个性能指标中，稳定性和快速性稳定性和快速性是用来是用来描述被调量的动态变化过程的，因此是系统的描述被调量的动态变化过程的，因此是系统的动态性能动态性能指标指标；准确性准确性是用来描述过渡过程结束后，被调量是否是用来描述过渡过程结束后，被调量是否精确的跟踪给定值，因此是系统的精确的跟踪给定值，因此是系统的稳态性能指标稳态性能指标。 需要特别指出的是，控制系统的稳、准、快三个性能指需要特别指出的是，控制系统的稳、准、快三个性能指标之间往往是标之间往往是相互矛盾相互制约相互矛盾相互制约的，要求同时满足一般的，要求同时满足一般是很困难的。一般稳定性过高就会影响快速性，使调节是很困难的。一般稳定性过高就会影响快速性，使调节过程时间加长；反之，若片面追求快速性，将使系统的过程时间加长；反之，若片面追求快速性，将使系统的稳定性下降。在实际应用中应根据具体情况综合考虑。稳定性下降。在实际应用中应根据具体情况综合考虑。一般的原则是，首先满足系统的一般的原则是，首先满足系统的稳定性要求稳定性要求，再兼顾到，再兼顾到准确性和快速性。准确性和快速性。nABABA111