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1、轮机自动化 第一章 第一节 自动控制基础知识3000KW及以上大管轮、轮机长、轮机自动化光盘题轮机自动化第一章 第一节 自动控制基础知识248(共计3节) 考点1 反馈控制系统的作用是把各种运行设备的参数如温度、压力、液位、黏度等控制在所希望的最佳值上。尽管机舱中众多设备参数的种类不同，其控制系统的结构形式也不相同，但是组成这些控制系统的基本单元及其工作过程大致是相同的。 1.系统的组成及基本概念（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制量。（2）测量单元测量单元的作用是，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。在气动控

2、制系统中，对应被控量的满量程，其统一的标准气压信号是0.020.1 MPa；在电动控制系统中，对应被控量的满量程。其统一的标准电流信号是010 mA或420 mA，现用420 mA居多。（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。把被控量的测量值离开给定值的数量叫偏差值，用e表示。显然erz。e0，说明测量值低于给定值，叫正偏差；e0，说明测量值大于给定值，叫负偏差；e0，说明测量值等于给定值，为无偏差。调节器首先接收测量单元送来的被控量的测量信号，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

3、（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。（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，系统将会达到一个新的平衡。在气动控制系统中，执行机构一般是气动薄膜调节阀或气动活塞式调节阀；在电动控制系统中，一般采用可逆转伺服电机或三相交流伺服电机。由此可见，对一个完整的控制系统来说，以上四个单元在组成中是缺一不可的。通常一般都还设有显示单

4、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电源等辅助装置。 2反馈控制系统传递方框图为了分析反馈控制系统工作过程方便起见，可把组成反馈控制系统的四个基本单元分别用一个小方框来表示，并用带箭头的信号线来表示各单位之间的信号传递关系。这样就构成了如图1-1-1所示的反馈控制系统传递方框图。通过传递方框图，要明确以下几个概念。图1-1-1反馈控制系统传递方框图（1)环节在传递方框图中，代表实际单元的每个小方框称为一个环节。作为一个环节必须满足两个条件：其一是，必定有输入量和输出量，并用带箭头的信号线来表示。其中箭头指向该环节的信号线

5、为输入量，箭头离开该环节的信号线为输出量，在信号线上可标明输入和输出量的名称，也可以不写。其二是，任何环节输出量的变化均取决于输入量的变化及该环节的特性；而输出量的变化不会直接影响输入量，这就是信号传递的单向性。（2）扰动要把控制对象看做一个环节，它的输出量是被控量。引起被控量变化的一切因素统称为扰动或扰动量。显然，扰动量是控制对象的输入量。扰动量可分为两类：一类是轮机人员无法控制的扰动，称为外部扰动；另一类是轮机人员可以控制的扰动，称为基本扰动。在图1-1-1中，有两个信号线的箭头指向控制对象，它们分别是基本扰动（执行机构的输出，即调节阀的开度）和外部扰动（用d表示的信号线，即控制对象负荷的

6、变化）。从控制对象这一环节可以看出，输入信号（包括基本扰动和外部扰动）的改变，会引起输出量（水位、水温等）的改变，而输出量的变化，不会直接影响调节阀的开度和控制对象负荷的改变，这就是信号传递的单向性。对于基本扰动来说，改变调节阀的开度，会改变流入控制对象物质或能量流量，所谓物质流量是指，调节阀开度改变后，流入控制对象的物质（水、空气等）流量直接影响被控量的变化。（3）闭环系统在反馈控制系统传递方框图中，前一环节的输出就是后一环节的输入。这样，控制系统就形成一个封闭控制回路，称为闭环系统，反馈控制系统必定是闭环系统。如果在某处把网路断并，比如在图1-1-1中的A处断开，这时系统就由闭环系统变为开

7、环系统。开环系统不再是反馈控制系统，也就不能对被控量进行自动控制。运行参数自动控制系统，必定是闭环系统。（4）反馈在控制系统传递方框图中，符号“”是比较环节（它不是一个独立环节，而是调节器中的一个组成部分，为清楚起见，单独画出）。它随时对被控量的给定值r（旁标“”号）与被控量的测量值z（旁标“”号）相比较，得到偏差值e。e就是调节器的输入量，调节器的输出量经执行机构改变调节阀的开度，即改变流入控制对象的物质或能量流量，目的是控制备控量，而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。只有反馈才能随时对被控量的给定值和测量值进行比较，只要存在偏差，调节器就会指挥调节阀改变开度，直

8、到测量值回到给定值使偏差e0为止。这时调节器输出不再改变，调节阀的开度正好适应负荷的要求，控制系统达到一个新的平衡状态。可见对运行参数的自动控制必须要有反馈过程，这就是把运行参数的自动控制系统称为反馈控制系统的原因。在反馈中，有正反馈和负反馈之分。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。显然，按偏差控制运行参数的控制系统，必定是负反馈控制系统。但是，在自动化仪表中，特别是在调节器中。为实现某种作用规律和功能，常采用复杂的正、负反馈回路。考点2 反馈控制系统按其用途、形式和特点有多种分类方法，通常有以下几种分类： 1.按所用

9、能源分类反馈控制系统分为气动控制系统和电动控制系统。在气动控制系统中，用压缩空气作为能源，气源压力是0.14 MPa，各种气动仪表输入和输出信号为标准的气压信号0.020.1 MPa。在电动控制系统中，用电能作为能源，各种电动仪表的输入和输出信号是标准的电流信号010 mA或420 mA。 2.按仪表的结构形式分类按仪表结构形式可分为单元组合仪表和基地式仪表。若组成控制系统的各个单位都分别制成一台独立的仪表，各仪表之间用标准的统一信号联系起来，叫单元组合仪表。若把测量单元、调节单元和显示单元组装成一台仪表。在这台仪表中，虽然仍有测量、显示和调节等功能，但在结构上，它们已是不可分割的整体，因而它

10、们之间也不用标准信号加以联系，这种仪表叫基地式仪表。 3.按给定值的变化规律分类按给定值变化规律控制系统可分为定值控制系统、程序控制系统和随动控制系统。在定值控制系统中，给定值是不变的。当系统受到扰动后，被控量的测量值会离开给定值出现偏差，控制系统的作用是逐渐消除偏差，使被控量最终回到原来的给定值上或给定值附近。在程序控制和随动控制系统中，给定值是变化的。控制系统的作用是，使被控量始终跟踪给定值，随给定值而变化。两者的区别在于，程序控制系统给定值的变化是按人们事先安排好的规律进行变化的，一般给定值是一个时间的函数，考点3 反馈控制系统的动态过程：控制系统之所以会出现动态过程，是因为对系统施加了

11、输入（扰动）信号。其扰动形式是随机的，很难用一个数学表达式来精确地描述它，但可以归纳为四种扰动形式，这就是：阶跃形式、线性形式、脉冲形式、正弦形式。其中阶跃扰动是最严重的扰动，控制系统能把阶跃扰动控制住，对其他扰动形式也就容易控制了。因此，在这里我们只取阶跃的输入形式来研究控制系统的动态过程。所谓阶跃扰动是取扰动的突变形式，即在t0时刻（在施加扰动瞬间），扰动量突变一个值，以后这个值保持不变。如果这个突变值是一个单位，就称为单位阶跃扰动。阶跃扰动是基本符合实际的扰动形式。为评定控制系统动态过程品质，要在阶跃扰动（输入）下，画出系统输出量（被控量）随时间的变化曲线。为说明问题方便起见，我们总是把

12、控制系统的初始平衡状态定为坐标的零点。控制系统接受的扰动有两种情况，一种是外部扰动不变，改变给定值。这时在调节器控制作用下，被控量将绕新的给定值振荡，最终稳定在新的给定值或给定值附近；另一种情况是给定值不变，改变外部扰动（定值控制），在调节器控制作用下，被控量将绕原给定值振荡且最终稳定下来。由于调节器控制作用的强弱不同以及仪表调校不当或参数不匹配，会使控制系统的动态过程出现各种形式。图1-1-3和图1-1-4分别画出了给定值不变而改变外部扰动和外部扰动不变而改变给定值的动态过程曲线。图中曲线1是等幅振荡，曲线2是发散振荡。控制系统这两种动态过程，被控量是不能稳定在新稳态值上的，称为不稳定系统。

13、一个控制系统绝对不允许是一个不稳定系统。造成不稳定的动态过程的原因，除仪表调校或参数匹配不当之处，主要是调节器控制作用太强。曲线3表示控制系统的动态过程最稳定，被控量没有波动地逐渐达到新稳态值。但是，它的动态精度和稳态精度都很低，且被控量达到新稳态值所需时间很长，这是不可取的，造成这种现象的主要原因是调节器控制作用太弱。符合求的动态过程是衰减振荡，如曲线4所示。当然不是所有衰减振荡都符合要求，为保证动态过程有一个良好的品质，可用一些指标来衡量它，在改变外部扰动和改变给定值两种情况下，其评定动态过程品质指标有些相同，有些不同。图1-1-3改变外部扰动控制系统的动态过程图1-1-4改变给定值控制系

14、统的动态过程对于定值控制系统来说，评定动态过程品质指标包括最大动态偏差emax、衰减率、过渡过程时间tS、振荡次数N及静态偏差等，如图1-1-3曲线4所示。最大动态偏差emax，是指在衰减振荡中第一个波峰的峰值，它是动态精度指标。emax大，说明动态精度低，要求emax小些好。但不是越小越好，因为emax大小与调节器比例作用强弱有关，比例作用越强，emax越小。比例作用太强，虽然emax很小，但动态过程的振荡会加剧。衰减率，是指在衰减振荡中，第一个波峰值Aemax，减去第二个同相波峰值B除以第一个波峰值A，即 式中：是衡量系统稳定性指标，要求0.750.9。当0.75时，A是B的4倍，称为衰减

15、比41。不能小于0.75，否则系统动态过程的振荡倾向增加，降低了系统稳定性，过渡过程时间也因振荡不息而加长。特别是当0时，其动态过程是等幅振荡，系统变成不稳定系统，这是不允许的。也不能太大，否则emax会增大，过渡过程时间tS也会拖得很长，当1时，其动态过程没有振荡，成为非周期过程。这时emax很大，tS拖得很长，这是不可取的。过渡过程时间tS，是指从控制系统受到扰动开始到被控量重新稳定下来所需的时间。理论上讲，这个时间是无穷大，这是没有意义的。因此，我们这样来定义过渡过程时间tS：当ttS时，满足 式中：y（t）是系统受到扰动后，在时间为t时的被控量值；y（）是被控量的最终稳态值；是选定的任

16、意小的值，一般取0.02，或0.05。上式的物理意义是，当ttS的所有时间内，被控量y（t）的波动值y（t）y（均小于或等于最终稳态y（）的2或5，tS就是过渡过程时间。振荡次数N，是指在衰减振荡中，被控量的振荡次数。一般要求被控量振荡23次就应稳定下来。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。有的控制系统受到扰动后，在调节器控制作用下，被控量最终不能稳定在给定值上，只能稳定在给定值附近，存在一个数值较小的静态偏差，这是有差调节。有的控制系统受到扰动后，在调节器的控制作用下，被控量能最终稳定在给定值上，0，