第一章(新)-轮机自动化基础-课件(武汉理工大学.ppt

1、轮机自动化基础,武汉理工大学能动学院 高岚,自动控制发展概况,公元前14001100年，中国、埃及和巴比伦相继出现自动计时漏壶，人类产生了最早期的控制思想。,公元前300年秦昭王时，由李冰父子主持设计修筑的著名水利工程都江堰，是一种液面控制，是“系统”观念的杰出体现。,公元100年，亚历山大的希罗发明开闭庙门和分发圣水的自动计时装置。,公元132年，中国科学家张衡（公元78139）发明水运浑象，研制出自动测量地震的候风地动仪。,公元235年，中国马钧研制出用齿轮传动的自动指示方向的指南车(司南车）另有发明击鼓记里,公元1637年，中国明代宋应星所著天工开物记载有程序控制思想的提花织机结构图。,

2、公元1788年，英国人J.Watt用离心式调速器控制蒸汽机的速度，由此产生了第一次工业革命。,维纳，MIT教授，曾于1936年到清华大学任访问教授。早期进行模拟计算机研究，二战期间参与火炮控制研究，提炼出负反馈概念。1948年，维纳所著控制论的出版，标志着这门学科的正式诞生。,控制论的奠基人美国科学家维纳（Wiener,N.，18941964）,1954年，我国科学家钱学森在美国运用控制论思想和方法，用英文出版工程控制论，首先把控制论推广到工程技术领域。,“工程控制论是关于工程技术领域各个系统自动控制和自动调节的理论。维纳博士40年代提示了控制论的基本思想后，不少工程师和数学博士曾努力寻找通往

3、这座理论顶峰的道路，但均半途而废。工程师偏重于实践，解决具体问题，不善于上升到理论高度；数学家则擅长于理论分析，却不善于从一般到个别去解决实际问题。钱学森则集中两者优势于一身，高超地将两只轮子装到一辆战车上，碾出了工程控制论研究的一条新途径。”,根据自动控制理论的内容和发展的不同阶段，控制理论可分为“经典控制理论”和“现代控制理论”两大部分。“经典控制理论”的内容是以传递函数为基础，以频率法和根轨迹法作为分析和综合系统基本方法，主要研究单输入，单输出这类控制系统的分析和设计问题。,“现代控制理论”是在“经典控制理论”的基础上，于60年代以后发展起来的。它的主要内容是以状态空间法为基础，研究多输

4、入，多输出、时变参数、分布参数、随机参数、非线性等控制系统的分析和设计问题。最优控制、最优滤波、系统辨识、自适应控制等理论都是这一领域重要的研究课题，近代计算机技术和现代应用数学的结合，又使现代控制理论在大系统理论和模仿人类智能活动的人工智能控制等诸多领域有了重大发展。,第一颗人造卫星（苏联，1957年）,第一颗载人飞船（苏联，1961年）,人类首次登上月球（美国，1969年）,首架航天飞机（美国，1981年）,首次冲出太阳系（美国，1989年）,仿人机器人（日本，2001年）,神州五号载人航天成功（中国，2003年）,勇气号、机遇号火星探测器（美国，2004年）,土卫六探测器（欧盟，2005

5、年）,“作为技术科学的控制论，对工程技术、生物和生命现象的研究和经济科学，以及对社会研究都有深刻的意义，比起相对论和量子论对社会的作用有过之无不及我们可以毫不含糊地说从科学理论的角度来看，二十世纪上半叶的三大伟绩是相对论、量子论和控制论，也许可以称它们为三项科学革命，是人类认识客观世界的三大飞跃。”钱学森,船舶自动化发展史,机舱控制室,主机组全气遥控系统,1-1 引言,所谓自动控制，是指在没有人参与的情况下利用控制器使被控对象（即生产设备或生产过程）自动地按预定的规律运行。包括参数控制和程序控制 例如：（1）锅炉水位和压力保持在规定的范围或设定值上；（2）船舶的舵角按发出的舵令变化；（3）柴油

6、主机的起动按规定的操作规程进行；（4）分油机的排渣过程按预定的程序进行。,ST,1-2 自动控制的基本方式,1.开环控制系统 Fig.1-1 控制系统的输出对系统的控制作用没有影响。(1)按给定值进行控制(2)按扰动补偿进行控制2闭环控制系统 Fig.1-2 控制系统的输出对系统的控制作用有影响，即控制器的输出作用于控制对象，控制对象的输出（系统的输出）将送回到控制器，控制器根据偏差进行控制。因此，又称为反馈控制。,ST,ST,Q1,V2,Q2,V1,H,F,图1-1 液位控制系统示意图,ST,Q1,V2,Q2,V1,H,F,+E,+E,浮子,控制器,电动机,图1-2 液位控制闭环系统示意图,

7、1-2 自动控制的基本方式,3复合控制 Fig.1-3 在一个控制系统中同时采用开环控制和闭环控制。开环控制粗调 闭环控制细调,ST,fig.1-3 复合控制系统结构方框图,ST,控制装置,执行机构,控制对象,反馈装置,被控量,给定信号,+,-,前馈装置,扰动补偿,外部扰动,1-3 反馈控制系统的概念,ST,反馈控制系统的组成反馈控制系统的结构方框图反馈控制系统的分类,1.反馈控制系统的组成,控制对象：被控制的设备或过程（冷却器）。系统的输出就是指被控对象的输出（或称被控量）。控制器（或称调节器）：根据偏差按一定规律输出控制量，送至执行机构。它有两个输入，即设定值输入和测量值输入。偏差=设定值

8、测量值3.执行器（执行机构）：接受控制器送来的控制信号，驱动调节机构，作用于被控对象。4.测量变送器（测量单元）：将被控对象的物理输出量，即 被控量转换为标准信号输出（也称测量输出），送到调节器，作为反馈信号。,ST,Fig.1-5a,fig.1-5a 柴油机气缸冷却水温度手动控制过程,ST,冷却器,三通阀,淡水泵,主机,眼,脑,手,海水入口,海水出口,手动控制过程,Fig.1-5b,fig.1-5b 柴油机气缸冷却水温度自动控制过程,ST,冷却器,三通阀,淡水泵,主机,手,海水入口,海水出口,自动控制过程,温度变送器,调节器,执行机构,Fig.1-5,fig.1-5 电动仪表控制的主机冷却水

9、温度控制系统,ST,温度变送器,控制器,伺服放大器,执行器,蝶阀机构,温度传感器,2.反馈控制系统的结构框图,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。,Fig.1-6,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。,ST,fig.1-6 自动控制系统结构方框图,ST,控制单元,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 e(t)=r(t)-

10、b(t)y(t)被控量p(t)控制量f(t)扰动量,f(t),3.反馈控制系统的分类,1.按给定值的形式：（1）定值控制；（2）程序控制；（3）随动控制。2.按动作方式：（1）连续控制；（2）断续控制（双位控制或多位控制）3.按控制精度：（1）有差调节；（2）无差调节4.按变量数：（1）单变量控制；（2）多变量控制5.按系统性质：（1）线性控制系统；（2）非线性控制系统6.按应用理论：（1）基于经典理论的控制；（2）基于现代控制理论的控制（最优控制、自适应控制）；（3）智能控制（模糊、神经、专家、自学习控制）,ST,1-4 自动控制的性能指标,ST,1自动控制系统的稳态和动态 稳态被控量不随时

11、间而变化的平衡状态（也称静态）动态被控量随时间而变化的不平衡状态（也称瞬态）,1-4 自动控制的性能指标,ST,2自动控制系统的过渡过程 自动控制系统在动态过程中被控量随时间而变化的过程，或者说是从一个平衡态过渡到另一个平衡态的过程。Fig.1-8 根据过渡过程的特点，控制系统可分为：（1）发散过程（2）等幅振荡过程 Fig.1-14（3）衰减过程（4）非周期过程 其中，（1）、（2）称为不稳定过程；（3）、（4）称为稳定过程。,fig.1-8 自动控制系统过渡过程曲线,ST,fig.1-14 过程曲线基本类型,ST,(a),(b),(c),(d),3自动控制系统的典型输入信号 为便于系统分析

12、，定义几种常见的系统输入信号：（1）阶跃输入：Fig.1-9（2）速度输入：Fig.1-10（3）加速度输入：Fig.1-11（4）脉冲输入：Fig.1-12（5）正弦输入：Fig.1-13 其中，阶跃输入对系统的工作最为不利。,1-4 自动控制的性能指标,ST,fig.1-9,ST,t,r(t),0,R,t,r(t),0,Rt,t,r(t),0,1/2Rt2,fig.1-10,fig.1-11,t,r(t),0,fig.1-13,fig.1-12,ST,r(t),0,1/h,h,h0时，称为理想的单位脉冲函数，记作(t)。,r(t),0,r(t),t,t,h0,4自动控制系统过渡过程的性能要

13、求 方法：给系统施加阶跃输入，得到系统过渡过程曲线，分析系统过渡过程的各项性能指标。采用阶跃输入的原因：（1）信号的阶跃变化在实际中比较常见（近似的阶跃变化）；（2）阶跃信号的数学处理比较简单；（3）阶跃输入对系统的工作最为不利。评定系统过渡过程性能指标的三个方面：（1）稳定性；（2）准确性；（3）快速性。,1-4 自动控制的性能指标,ST,4自动控制系统过渡过程的性能要求 1）过渡过程评定指标（1）稳定性：系统受到扰动之后能够恢复到稳定状态的能力。实际控制系统，至少要求是率减过程或非周期过程，以率减为佳。评定指标：衰减率，衰减比N（a）定值控制系统：给定值不变，外部扰动发生阶跃变化；fig.

14、1-15（b）随动控制系统：假定外部扰动不变，给定值阶跃变化。fig.1-16,1-4 自动控制的性能指标,ST,4自动控制系统过渡过程的性能要求（2）准确性：被控量偏离给定值的程度 评定指标：（a）定值控制系统：最大动态偏差emax；静态偏差ys fig.1-15（b）随动控制系统：最大动态偏差emax；超调量；静态偏 差ys。fig.1-16,1-4 自动控制的性能指标,ST,fig.1-15 自动控制系统过渡过程曲线,ST,y,t,t,t0,y,ys,y1,y2,y3,y0,根据衰减率 的大小可以判定过渡过程的性质：0，为发散振荡过程=0，为等幅振荡过程01，为率减振荡过程=1，为非周期

15、过程最佳衰减率：=0.750.9,emax,fig.1-16 自动控制系统过渡过程曲线,ST,ts,t,t0,y,y1,y2,y3,ymax,y,y0,ys,emax,4自动控制系统过渡过程的性能要求（3）快速性：评定指标：过渡过程时间 ts从扰动发生到被控量又重新 趋于稳定达到新的平衡态所需的时间 此外还有振荡频率、振荡次数等 fig.1-15 fig.1-16,1-4 自动控制的性能指标,ST,4自动控制系统过渡过程的性能要求 3）过渡过程的性能指标的要求：（1）定值控制：（a）动态偏差和静态偏差要小；（b）衰减率最好在0.750.9之间；（c）过渡过程时间要短（2）随动控制：（a）超调量要小；（b）过渡过程时间要短；（c）振荡次数要少,1-4 自动控制的性能指标,ST,本章的基本要求,