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1、船舶電氣與自動(dòng)化（船舶自動(dòng)化）1第五章第五章 反饋控制系統(tǒng)的基礎(chǔ)知識(shí)反饋控制系統(tǒng)的基礎(chǔ)知識(shí) 第一節(jié)第一節(jié) 反饋控制系統(tǒng)的基本概念反饋控制系統(tǒng)的基本概念 一、反饋控制系統(tǒng)的組成一、反饋控制系統(tǒng)的組成反反饋饋控控制制系系統(tǒng)統(tǒng)對(duì)對(duì)機(jī)機(jī)器器設(shè)設(shè)備備或或生生產(chǎn)產(chǎn)過過程程參參數(shù)數(shù)的的控控制過程實(shí)際上是直接模擬人的手動(dòng)操作過程。制過程實(shí)際上是直接模擬人的手動(dòng)操作過程。例例1、輔鍋爐水位自動(dòng)控制系統(tǒng)、輔鍋爐水位自動(dòng)控制系統(tǒng)例例2、主機(jī)冷卻水溫度自動(dòng)控制系統(tǒng)、主機(jī)冷卻水溫度自動(dòng)控制系統(tǒng) 23主機(jī)冷卻水溫度自動(dòng)控制系統(tǒng)示意圖主機(jī)冷卻水溫度自動(dòng)控制系統(tǒng)示意圖4 在自動(dòng)控制過程中，由于不需要人來干預(yù)控制過程，因此在自

2、動(dòng)控制過程中，由于不需要人來干預(yù)控制過程，因此必須采用相應(yīng)的自動(dòng)化儀表來代替人的功能器官。比如可必須采用相應(yīng)的自動(dòng)化儀表來代替人的功能器官。比如可用用溫度傳感器和變送器溫度傳感器和變送器來代替人的眼睛，隨時(shí)測(cè)量冷卻水來代替人的眼睛，隨時(shí)測(cè)量冷卻水的實(shí)際溫度并把該值送給調(diào)節(jié)器。的實(shí)際溫度并把該值送給調(diào)節(jié)器。調(diào)節(jié)器調(diào)節(jié)器代替人的大腦，代替人的大腦，并對(duì)冷卻水實(shí)際溫度進(jìn)行分析和計(jì)算，然后輸出控制信號(hào)并對(duì)冷卻水實(shí)際溫度進(jìn)行分析和計(jì)算，然后輸出控制信號(hào)給執(zhí)機(jī)構(gòu)。給執(zhí)機(jī)構(gòu)。執(zhí)行機(jī)構(gòu)執(zhí)行機(jī)構(gòu)代替人的雙手，改變?nèi)ㄕ{(diào)節(jié)閥的開代替人的雙手，改變?nèi)ㄕ{(diào)節(jié)閥的開度。不論是手動(dòng)控制，還是自動(dòng)控制，反饋的作用都是存度。

3、不論是手動(dòng)控制，還是自動(dòng)控制，反饋的作用都是存在的。我們把包含反饋?zhàn)饔玫目刂七^程稱為在的。我們把包含反饋?zhàn)饔玫目刂七^程稱為反饋控制過程反饋控制過程。組成一個(gè)反饋控制系統(tǒng)，必須有四個(gè)最基本的環(huán)節(jié)，即組成一個(gè)反饋控制系統(tǒng)，必須有四個(gè)最基本的環(huán)節(jié)，即控控制對(duì)象制對(duì)象、測(cè)量單元測(cè)量單元、調(diào)節(jié)單元調(diào)節(jié)單元和和執(zhí)行機(jī)構(gòu)執(zhí)行機(jī)構(gòu)。5 （1）控制對(duì)象）控制對(duì)象 控制對(duì)象控制對(duì)象是指所要控制的機(jī)器、設(shè)備或裝是指所要控制的機(jī)器、設(shè)備或裝 置。把所要控制的運(yùn)行參數(shù)叫做置。把所要控制的運(yùn)行參數(shù)叫做被控量被控量。在鍋爐水位自動(dòng)控制系統(tǒng)中，鍋爐是控制在鍋爐水位自動(dòng)控制系統(tǒng)中，鍋爐是控制 對(duì)象，水位是被控量。對(duì)象，水位是被

4、控量。在柴油機(jī)冷卻水溫度自動(dòng)控制系統(tǒng)中，淡在柴油機(jī)冷卻水溫度自動(dòng)控制系統(tǒng)中，淡 水冷卻器是控制對(duì)象，冷卻水溫度是被控量。水冷卻器是控制對(duì)象，冷卻水溫度是被控量。在柴油機(jī)轉(zhuǎn)速自動(dòng)控制系統(tǒng)中，柴油機(jī)是在柴油機(jī)轉(zhuǎn)速自動(dòng)控制系統(tǒng)中，柴油機(jī)是控制對(duì)象，轉(zhuǎn)速是被控量。控制對(duì)象，轉(zhuǎn)速是被控量。6 （2）測(cè)量單元）測(cè)量單元 測(cè)量單元的作用：檢測(cè)被控量的實(shí)際值，并測(cè)量單元的作用：檢測(cè)被控量的實(shí)際值，并把它轉(zhuǎn)換成標(biāo)準(zhǔn)的統(tǒng)一信號(hào)，該信號(hào)叫被控量的把它轉(zhuǎn)換成標(biāo)準(zhǔn)的統(tǒng)一信號(hào)，該信號(hào)叫被控量的測(cè)量值。測(cè)量值。在氣動(dòng)控制系統(tǒng)中，其統(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn)氣壓信號(hào)在氣動(dòng)控制系統(tǒng)中，其統(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn)氣壓信號(hào)是是0.020.1MPa；在電動(dòng)控制系

5、統(tǒng)中，其統(tǒng)一的；在電動(dòng)控制系統(tǒng)中，其統(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn)電流信號(hào)是標(biāo)準(zhǔn)電流信號(hào)是010 mA或或420mA。在溫度自動(dòng)控制系統(tǒng)中，測(cè)量單元采用溫度在溫度自動(dòng)控制系統(tǒng)中，測(cè)量單元采用溫度傳感器和溫度變送器；在壓力自動(dòng)控制系統(tǒng)中，傳感器和溫度變送器；在壓力自動(dòng)控制系統(tǒng)中，測(cè)量單元采用壓力傳感器和壓力變送器；在鍋爐測(cè)量單元采用壓力傳感器和壓力變送器；在鍋爐水位自動(dòng)控制系統(tǒng)中，測(cè)量單元采用水位發(fā)訊器水位自動(dòng)控制系統(tǒng)中，測(cè)量單元采用水位發(fā)訊器（參考水位罐）和差壓變送器。（參考水位罐）和差壓變送器。7 （3）調(diào)節(jié)單元）調(diào)節(jié)單元 調(diào)節(jié)單元是指具有各種調(diào)節(jié)作用規(guī)律的調(diào)節(jié)調(diào)節(jié)單元是指具有各種調(diào)節(jié)作用規(guī)律的調(diào)節(jié)器。把運(yùn)行參

6、數(shù)所希望控制的最佳值叫給定值，器。把運(yùn)行參數(shù)所希望控制的最佳值叫給定值，用用 r 表示；被控量的測(cè)量值用表示；被控量的測(cè)量值用 z 表示。把被控表示。把被控量的測(cè)量值偏離給定值的數(shù)量叫偏差值，用量的測(cè)量值偏離給定值的數(shù)量叫偏差值，用 e 表示表示,顯然，顯然，e=r-z。若若e 0，則說明測(cè)量值低于設(shè)定值，為，則說明測(cè)量值低于設(shè)定值，為正偏差正偏差；若若e 0，則說明測(cè)量值大于設(shè)定值，為，則說明測(cè)量值大于設(shè)定值，為負(fù)偏差負(fù)偏差；若若e 0，則說明測(cè)量值等于設(shè)定值，為，則說明測(cè)量值等于設(shè)定值，為無偏差無偏差。8n調(diào)節(jié)器首先接收測(cè)量單元送來的被控量的測(cè)量調(diào)節(jié)器首先接收測(cè)量單元送來的被控量的測(cè)量信號(hào)

7、，并與被控量的給定值相比較得到偏差信信號(hào)，并與被控量的給定值相比較得到偏差信號(hào)，再根據(jù)偏差信號(hào)的大小和方向（正偏差還號(hào)，再根據(jù)偏差信號(hào)的大小和方向（正偏差還是負(fù)偏差），依據(jù)某種調(diào)節(jié)作用規(guī)律輸出一個(gè)是負(fù)偏差），依據(jù)某種調(diào)節(jié)作用規(guī)律輸出一個(gè)控制信號(hào)，對(duì)被控量施加控制作用，直到偏差控制信號(hào)，對(duì)被控量施加控制作用，直到偏差等于零或接近零為止。等于零或接近零為止。在實(shí)際應(yīng)用中，調(diào)節(jié)器一般有在實(shí)際應(yīng)用中，調(diào)節(jié)器一般有位式調(diào)節(jié)器、比位式調(diào)節(jié)器、比例調(diào)節(jié)器、比例積分調(diào)節(jié)器、比例微分調(diào)節(jié)器例調(diào)節(jié)器、比例積分調(diào)節(jié)器、比例微分調(diào)節(jié)器和比例積分微分調(diào)節(jié)器和比例積分微分調(diào)節(jié)器等五種，根據(jù)控制對(duì)象等五種，根據(jù)控制對(duì)象特性

8、的不同及對(duì)被控量控制精度的要求，控制特性的不同及對(duì)被控量控制精度的要求，控制系統(tǒng)可選用不同調(diào)節(jié)作用規(guī)律的調(diào)節(jié)器。系統(tǒng)可選用不同調(diào)節(jié)作用規(guī)律的調(diào)節(jié)器。9 （4）執(zhí)行機(jī)構(gòu)）執(zhí)行機(jī)構(gòu) 執(zhí)執(zhí)行行機(jī)機(jī)構(gòu)構(gòu)的的輸輸入入量量是是調(diào)調(diào)節(jié)節(jié)單單元元輸輸出出的的控控制制信信號(hào)號(hào)，調(diào)調(diào)節(jié)節(jié)單單元元輸輸出出的的控控制制信信號(hào)號(hào)一一般般都都要要經(jīng)經(jīng)過過執(zhí)執(zhí)行行機(jī)機(jī)構(gòu)構(gòu)才才能能作作用用到到控控制制對(duì)對(duì)象象上上，從從而而改改變變流流入入控控制制對(duì)對(duì)象象的的物物質(zhì)質(zhì)或或能能量量，使使之之能能適適應(yīng)應(yīng)控控制制對(duì)對(duì)象象的的負(fù)負(fù)荷荷變變化化。在在氣氣動(dòng)動(dòng)控控制制系系統(tǒng)統(tǒng)中中，執(zhí)執(zhí)行行機(jī)機(jī)構(gòu)構(gòu)般般是是氣氣動(dòng)動(dòng)薄薄膜膜調(diào)調(diào)節(jié)節(jié)閥閥或或

9、氣氣動(dòng)動(dòng)活活塞塞式式調(diào)調(diào)節(jié)節(jié)閥閥；在在電電 動(dòng)動(dòng) 控控 制制 系系 統(tǒng)統(tǒng) 中中，一一 般般 采采 用用 伺伺 服服 電電 機(jī)機(jī)。10 以上四個(gè)基本單元在組成反饋控制系統(tǒng)中是以上四個(gè)基本單元在組成反饋控制系統(tǒng)中是缺一不可的。但對(duì)于一個(gè)完整的反饋控制系統(tǒng)，缺一不可的。但對(duì)于一個(gè)完整的反饋控制系統(tǒng)，一般還設(shè)有顯示單元，用來指示被控量的給定值一般還設(shè)有顯示單元，用來指示被控量的給定值和測(cè)量值。同時(shí)，對(duì)氣動(dòng)控制系統(tǒng)來說，應(yīng)設(shè)有和測(cè)量值。同時(shí)，對(duì)氣動(dòng)控制系統(tǒng)來說，應(yīng)設(shè)有氣源裝置和定值器；對(duì)電動(dòng)控制系統(tǒng)尚需設(shè)穩(wěn)壓氣源裝置和定值器；對(duì)電動(dòng)控制系統(tǒng)尚需設(shè)穩(wěn)壓電源等輔助裝置。電源等輔助裝置。11二、自動(dòng)控制系統(tǒng)傳

10、遞方框圖二、自動(dòng)控制系統(tǒng)傳遞方框圖控制單元執(zhí)行機(jī)構(gòu)被控對(duì)象測(cè)量單元圖5-2 反饋控制系統(tǒng)傳遞方框圖R(t)設(shè)定值 z(t)測(cè)量值 e(t)偏差值 y(t)被控量 q(t)執(zhí)行量 p(t)控制量 d(t)外部擾動(dòng)值A(chǔ)12 （1）環(huán)節(jié)）環(huán)節(jié) 在控制系統(tǒng)傳遞方框圖中，代表實(shí)際單元的每個(gè)在控制系統(tǒng)傳遞方框圖中，代表實(shí)際單元的每個(gè)小方框稱為一個(gè)小方框稱為一個(gè)環(huán)節(jié)環(huán)節(jié)。每個(gè)環(huán)節(jié)都有輸入量和輸出。每個(gè)環(huán)節(jié)都有輸入量和輸出量，并用帶箭頭的信號(hào)線來表示。其中箭頭指向該量，并用帶箭頭的信號(hào)線來表示。其中箭頭指向該環(huán)節(jié)的信號(hào)線為輸入量，箭頭離開該環(huán)節(jié)的信號(hào)線環(huán)節(jié)的信號(hào)線為輸入量，箭頭離開該環(huán)節(jié)的信號(hào)線為輸出量。為輸

11、出量。任何環(huán)節(jié)輸出量的變化均取決于輸入量的變化以任何環(huán)節(jié)輸出量的變化均取決于輸入量的變化以及該環(huán)節(jié)的特性，而輸出量的變化不會(huì)直接影響輸及該環(huán)節(jié)的特性，而輸出量的變化不會(huì)直接影響輸入量，這叫信號(hào)傳遞的入量，這叫信號(hào)傳遞的單向性單向性。13（2）擾動(dòng)）擾動(dòng)控制對(duì)象作為反饋控制系統(tǒng)的組成環(huán)節(jié)，其輸出量控制對(duì)象作為反饋控制系統(tǒng)的組成環(huán)節(jié)，其輸出量是被控量，而是被控量，而引起被控量變化的因素引起被控量變化的因素統(tǒng)稱為統(tǒng)稱為擾動(dòng)擾動(dòng)。擾動(dòng)可分為兩類：擾動(dòng)可分為兩類：外部擾動(dòng)、基本擾動(dòng)外部擾動(dòng)、基本擾動(dòng)?；緮_動(dòng)基本擾動(dòng)是指來自控制系統(tǒng)內(nèi)部控制通道（調(diào)節(jié)通是指來自控制系統(tǒng)內(nèi)部控制通道（調(diào)節(jié)通道）的擾動(dòng)?；?/p>

12、擾動(dòng)通過道）的擾動(dòng)?；緮_動(dòng)通過調(diào)節(jié)通道調(diào)節(jié)通道影響被控量。影響被控量。例如，在水位控制系統(tǒng)中，給水調(diào)節(jié)閥開度的改變例如，在水位控制系統(tǒng)中，給水調(diào)節(jié)閥開度的改變將引起水位的變化；在冷卻水溫度控制系統(tǒng)中，三將引起水位的變化；在冷卻水溫度控制系統(tǒng)中，三通調(diào)節(jié)閥開度的改變將引起水溫的變化，等等。通調(diào)節(jié)閥開度的改變將引起水溫的變化，等等。14外部擾動(dòng)外部擾動(dòng)是指來自系統(tǒng)外部環(huán)境的擾動(dòng)，外部擾動(dòng)是指來自系統(tǒng)外部環(huán)境的擾動(dòng)，外部擾動(dòng)通過通過擾動(dòng)通道擾動(dòng)通道影響被控量。影響被控量。例如，以鍋爐為控制對(duì)象的水位控制系統(tǒng)，水位是例如，以鍋爐為控制對(duì)象的水位控制系統(tǒng)，水位是被控量，鍋爐負(fù)荷（外部用汽量）的變化將引

13、起水被控量，鍋爐負(fù)荷（外部用汽量）的變化將引起水位的變化；在柴油機(jī)氣缸冷卻水溫度控制系統(tǒng)中，位的變化；在柴油機(jī)氣缸冷卻水溫度控制系統(tǒng)中，水溫是被控量，柴油機(jī)負(fù)荷的變化、海水溫度的變水溫是被控量，柴油機(jī)負(fù)荷的變化、海水溫度的變化、淡水冷卻器中水管結(jié)垢的多少等都會(huì)引起冷卻化、淡水冷卻器中水管結(jié)垢的多少等都會(huì)引起冷卻水溫度的變化。這種擾動(dòng)是由于水溫度的變化。這種擾動(dòng)是由于設(shè)備負(fù)荷或外界環(huán)設(shè)備負(fù)荷或外界環(huán)境境的擾動(dòng)變化而導(dǎo)致控制對(duì)象內(nèi)部的能量平衡遭到的擾動(dòng)變化而導(dǎo)致控制對(duì)象內(nèi)部的能量平衡遭到破壞而引起的。破壞而引起的。15（3）系統(tǒng)的輸入與輸出）系統(tǒng)的輸入與輸出 前面提到的輸入和輸出的概念都是針對(duì)環(huán)節(jié)

14、前面提到的輸入和輸出的概念都是針對(duì)環(huán)節(jié)而言的；若從系統(tǒng)的角度來看，作為一個(gè)整而言的；若從系統(tǒng)的角度來看，作為一個(gè)整體，系統(tǒng)具有兩個(gè)輸入，即設(shè)定值和外部擾體，系統(tǒng)具有兩個(gè)輸入，即設(shè)定值和外部擾動(dòng)，以及一個(gè)輸出，即被控量。動(dòng)，以及一個(gè)輸出，即被控量。16 （4）反饋）反饋 調(diào)節(jié)器的輸出經(jīng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)改變控制強(qiáng)度，即調(diào)節(jié)器的輸出經(jīng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)改變控制強(qiáng)度，即改變流入控制對(duì)象的物質(zhì)或能量的流量，引改變流入控制對(duì)象的物質(zhì)或能量的流量，引起被控量的變化（即系統(tǒng)輸出變化），而系起被控量的變化（即系統(tǒng)輸出變化），而系統(tǒng)輸出的變化經(jīng)測(cè)量單元又送回到系統(tǒng)的輸統(tǒng)輸出的變化經(jīng)測(cè)量單元又送回到系統(tǒng)的輸入端，這個(gè)過程叫入端，這個(gè)

15、過程叫反饋反饋。正反饋正反饋是指經(jīng)反饋能加強(qiáng)閉環(huán)系統(tǒng)輸入效是指經(jīng)反饋能加強(qiáng)閉環(huán)系統(tǒng)輸入效應(yīng)，即使偏差應(yīng)，即使偏差e增大。增大。負(fù)反饋負(fù)反饋是指經(jīng)反饋能減弱閉環(huán)系統(tǒng)輸入效是指經(jīng)反饋能減弱閉環(huán)系統(tǒng)輸入效應(yīng)，即使偏差應(yīng)，即使偏差e減小。減小。17（5）前向通道與反饋通道）前向通道與反饋通道 在控制系統(tǒng)傳遞方框圖中，從系統(tǒng)的輸入端在控制系統(tǒng)傳遞方框圖中，從系統(tǒng)的輸入端沿信號(hào)線方向到達(dá)系統(tǒng)輸出端的通道稱為前沿信號(hào)線方向到達(dá)系統(tǒng)輸出端的通道稱為前向通道；而相反方向的通道則稱為反饋通道。向通道；而相反方向的通道則稱為反饋通道。18（6）閉環(huán)系統(tǒng)）閉環(huán)系統(tǒng) 在反饋控制系統(tǒng)傳遞方框圖中，前一環(huán)在反饋控制系統(tǒng)傳遞

16、方框圖中，前一環(huán)節(jié)的輸出就是后一環(huán)節(jié)的輸入，系統(tǒng)的輸出節(jié)的輸出就是后一環(huán)節(jié)的輸入，系統(tǒng)的輸出又經(jīng)反饋通道送回到系統(tǒng)的輸入端。這樣，又經(jīng)反饋通道送回到系統(tǒng)的輸入端。這樣，控制系統(tǒng)就形成了一個(gè)封閉的控制回路，稱控制系統(tǒng)就形成了一個(gè)封閉的控制回路，稱為為閉環(huán)系統(tǒng)閉環(huán)系統(tǒng)，反饋控制系統(tǒng)必定是閉環(huán)系統(tǒng)。，反饋控制系統(tǒng)必定是閉環(huán)系統(tǒng)。開環(huán)系統(tǒng)不再是反饋控制系統(tǒng)，無法根開環(huán)系統(tǒng)不再是反饋控制系統(tǒng)，無法根據(jù)偏差來實(shí)現(xiàn)設(shè)備或生產(chǎn)過程的參數(shù)自動(dòng)控?fù)?jù)偏差來實(shí)現(xiàn)設(shè)備或生產(chǎn)過程的參數(shù)自動(dòng)控制。制。19三、反饋控制系統(tǒng)的工作過程三、反饋控制系統(tǒng)的工作過程反饋控制系統(tǒng)反饋控制系統(tǒng)按給定值的變化規(guī)律分類方法：按給定值的變化規(guī)

17、律分類方法：1、定值控制系統(tǒng)、定值控制系統(tǒng) 系統(tǒng)的給定值是恒定不變的，為某個(gè)確系統(tǒng)的給定值是恒定不變的，為某個(gè)確定值，則該系統(tǒng)稱為定值控制系統(tǒng)。定值，則該系統(tǒng)稱為定值控制系統(tǒng)。例如鍋爐水位與蒸汽壓力控制系統(tǒng)，柴例如鍋爐水位與蒸汽壓力控制系統(tǒng)，柴油機(jī)氣缸冷卻水溫度控制系統(tǒng)，燃油粘度控油機(jī)氣缸冷卻水溫度控制系統(tǒng)，燃油粘度控制系統(tǒng)，發(fā)電機(jī)的原動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速控制系統(tǒng)等都制系統(tǒng)，發(fā)電機(jī)的原動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速控制系統(tǒng)等都屬于定值控制系統(tǒng)。屬于定值控制系統(tǒng)。20 2、程序控制系統(tǒng)、程序控制系統(tǒng) 系統(tǒng)的給定值是變化的，而且是按人們事系統(tǒng)的給定值是變化的，而且是按人們事先安排好的規(guī)律進(jìn)行變化，則該系統(tǒng)稱為程序先安排好的規(guī)律進(jìn)行

18、變化，則該系統(tǒng)稱為程序控制系統(tǒng)?？刂葡到y(tǒng)。例如船舶主機(jī)遙控系統(tǒng)中的轉(zhuǎn)速控制，其例如船舶主機(jī)遙控系統(tǒng)中的轉(zhuǎn)速控制，其給定值就是按車鐘設(shè)定轉(zhuǎn)速的預(yù)定發(fā)送速率規(guī)給定值就是按車鐘設(shè)定轉(zhuǎn)速的預(yù)定發(fā)送速率規(guī)律而變化的。律而變化的。21 3、隨動(dòng)控制系統(tǒng)、隨動(dòng)控制系統(tǒng) 系統(tǒng)的給定值是任意變化的，且變化規(guī)律系統(tǒng)的給定值是任意變化的，且變化規(guī)律是事先無法確定的系統(tǒng)，則該系統(tǒng)稱為隨動(dòng)控是事先無法確定的系統(tǒng)，則該系統(tǒng)稱為隨動(dòng)控制系統(tǒng)。制系統(tǒng)。例如自動(dòng)舵的隨動(dòng)操舵系統(tǒng)，其舵角給定例如自動(dòng)舵的隨動(dòng)操舵系統(tǒng)，其舵角給定值完全取決于當(dāng)時(shí)的航行情況。值完全取決于當(dāng)時(shí)的航行情況。22n反饋控制系統(tǒng)的工作過程：反饋控制系統(tǒng)的工作

19、過程：n設(shè)系統(tǒng)處在平衡狀態(tài)（即系統(tǒng)穩(wěn)定運(yùn)行）時(shí)突設(shè)系統(tǒng)處在平衡狀態(tài)（即系統(tǒng)穩(wěn)定運(yùn)行）時(shí)突然受到一個(gè)外部擾動(dòng)，被控量將離開初始穩(wěn)定然受到一個(gè)外部擾動(dòng)，被控量將離開初始穩(wěn)定值發(fā)生變化，測(cè)量單元將把被控量的實(shí)際值送值發(fā)生變化，測(cè)量單元將把被控量的實(shí)際值送至調(diào)節(jié)器，在調(diào)節(jié)器內(nèi)部，被控量的給定值與至調(diào)節(jié)器，在調(diào)節(jié)器內(nèi)部，被控量的給定值與測(cè)量值進(jìn)行比較，得到偏差值測(cè)量值進(jìn)行比較，得到偏差值e，調(diào)節(jié)器依據(jù)，調(diào)節(jié)器依據(jù)某種調(diào)節(jié)作用規(guī)律輸出一個(gè)控制信號(hào)，通過執(zhí)某種調(diào)節(jié)作用規(guī)律輸出一個(gè)控制信號(hào)，通過執(zhí)行機(jī)構(gòu)改變流入控制對(duì)象的物質(zhì)或能量流量，行機(jī)構(gòu)改變流入控制對(duì)象的物質(zhì)或能量流量，被控量朝著偏差減少的方向變化，這一

20、信號(hào)又被控量朝著偏差減少的方向變化，這一信號(hào)又通過測(cè)量單元送至調(diào)節(jié)器，重復(fù)上述過程，最通過測(cè)量單元送至調(diào)節(jié)器，重復(fù)上述過程，最終使被控量又回到給定值或給定值附近，系統(tǒng)終使被控量又回到給定值或給定值附近，系統(tǒng)達(dá)到一個(gè)新的平衡狀態(tài)。達(dá)到一個(gè)新的平衡狀態(tài)。23四、評(píng)定控制系統(tǒng)動(dòng)態(tài)過程品質(zhì)的指標(biāo)四、評(píng)定控制系統(tǒng)動(dòng)態(tài)過程品質(zhì)的指標(biāo) 反饋控制系統(tǒng)的擾動(dòng)形式是隨機(jī)的，反饋控制系統(tǒng)的擾動(dòng)形式是隨機(jī)的，很難用一個(gè)數(shù)學(xué)表達(dá)式來精確地描述，很難用一個(gè)數(shù)學(xué)表達(dá)式來精確地描述，但可以歸納為四種擾動(dòng)形式：但可以歸納為四種擾動(dòng)形式：階躍形式、階躍形式、線性形式、線性形式、脈沖形式、脈沖形式、正弦形式。正弦形式。24 階躍擾

21、動(dòng)STtr(t)0Rtr(t)0Rttr(t)01/2Rt2線性擾動(dòng)加速度擾動(dòng)tr(t)0正弦擾動(dòng)25脈沖擾動(dòng)STr(t)01/hhh0時(shí)，稱為理想的單位脈沖函數(shù)，記作(t)。r(t)0r(t)tth026 為了便于分析和研究反饋控制系統(tǒng)的性能，為了便于分析和研究反饋控制系統(tǒng)的性能，通常以通常以階躍信號(hào)階躍信號(hào)作為系統(tǒng)的給定值或擾動(dòng)，因?yàn)樽鳛橄到y(tǒng)的給定值或擾動(dòng)，因?yàn)殡A躍信號(hào)是反饋控制系統(tǒng)一種最常見的輸入信號(hào)，階躍信號(hào)是反饋控制系統(tǒng)一種最常見的輸入信號(hào)，而且不論是作為給定值或者擾動(dòng)量，對(duì)系統(tǒng)是最而且不論是作為給定值或者擾動(dòng)量，對(duì)系統(tǒng)是最嚴(yán)重的沖擊，最容易引起系統(tǒng)發(fā)生不平衡狀態(tài)嚴(yán)重的沖擊，最容易引

22、起系統(tǒng)發(fā)生不平衡狀態(tài)27n根據(jù)控制系統(tǒng)接受的擾動(dòng)途徑，可以分為兩種情根據(jù)控制系統(tǒng)接受的擾動(dòng)途徑，可以分為兩種情況：一種情況是外部擾動(dòng)不變，改變給定值（如況：一種情況是外部擾動(dòng)不變，改變給定值（如隨動(dòng)控制隨動(dòng)控制）；另一種情況是給定值不變（）；另一種情況是給定值不變（定值控定值控制制），改變外部擾動(dòng)。由于控制器控制規(guī)律或系），改變外部擾動(dòng)。由于控制器控制規(guī)律或系統(tǒng)參數(shù)的不同，控制系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)過程將表現(xiàn)為不統(tǒng)參數(shù)的不同，控制系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)過程將表現(xiàn)為不同的形式。同的形式。28 在階躍信號(hào)輸入時(shí)，被控量變化的動(dòng)態(tài)過程在階躍信號(hào)輸入時(shí)，被控量變化的動(dòng)態(tài)過程有以下四種：有以下四種：（1）發(fā)散振蕩過程）發(fā)散振蕩

23、過程 （2）等幅振蕩過程）等幅振蕩過程 （3）單調(diào)過程（非周期過程）單調(diào)過程（非周期過程）（4）衰減振蕩過程）衰減振蕩過程29圖圖5-3 5-3 過程曲線基本類型過程曲線基本類型（b)y（t)t（d)y（t)t（a)y（t)tt（c)y（t)發(fā)散振蕩發(fā)散振蕩等幅振蕩等幅振蕩衰減振蕩衰減振蕩單調(diào)過程單調(diào)過程30（1）穩(wěn)定性指標(biāo)）穩(wěn)定性指標(biāo) 衰減率和振蕩次數(shù)衰減率和振蕩次數(shù)Nn衰減率，是指在衰減振蕩中，第一個(gè)波峰值衰減率，是指在衰減振蕩中，第一個(gè)波峰值y1減去第二個(gè)同相波峰值減去第二個(gè)同相波峰值y3除以第一個(gè)波峰值除以第一個(gè)波峰值y1，即：，即：0 0 發(fā)散振蕩過程，發(fā)散振蕩過程，0 0 1 1

24、衰減振蕩過程衰減振蕩過程 =0 =0 等幅振蕩過程，等幅振蕩過程，=1=1非周期過程非周期過程 一般希望一般希望=0.75=0.750.90.931（1）穩(wěn)定性指標(biāo)）穩(wěn)定性指標(biāo) 與衰減率相對(duì)應(yīng)的是另一種衡量指標(biāo)是與衰減率相對(duì)應(yīng)的是另一種衡量指標(biāo)是衰減比衰減比。所謂衰減比是第一個(gè)波峰值所謂衰減比是第一個(gè)波峰值y1和第二個(gè)同相波和第二個(gè)同相波峰值峰值y3的比值，即的比值，即y1/y3。衰減率衰減率是衡量系統(tǒng)穩(wěn)定性指標(biāo)，要求是衡量系統(tǒng)穩(wěn)定性指標(biāo)，要求=0.750.9。當(dāng)。當(dāng)=0.75時(shí)，時(shí)，y1是是y3的的4倍，此時(shí)衰減倍，此時(shí)衰減比比4:1。振蕩次數(shù)振蕩次數(shù)N，是指在衰減振蕩中，被控量的振蕩是指在

25、衰減振蕩中，被控量的振蕩次數(shù)。一般要求被控量振蕩次數(shù)。一般要求被控量振蕩23次就應(yīng)該穩(wěn)定次就應(yīng)該穩(wěn)定下來。下來。32圖圖5-4 5-4 定值控制系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)過程定值控制系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)過程ttst0y1y2y3y0emax0y（)d（t)tdt0y（t)033圖圖5-5 5-5 隨動(dòng)控制系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)過程隨動(dòng)控制系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)過程ttst0y1y2y3remaxr（t)trt0y（t)r0y0t1y（)t2234（2）精確性指標(biāo)）精確性指標(biāo) 最大動(dòng)態(tài)偏差最大動(dòng)態(tài)偏差 e emax:是指在衰減振蕩中第一個(gè)波峰的峰值，是指在衰減振蕩中第一個(gè)波峰的峰值，它是動(dòng)態(tài)精度指標(biāo)。它是動(dòng)態(tài)精度指標(biāo)。E Emax大，說明動(dòng)態(tài)精

26、度低，要求小些大，說明動(dòng)態(tài)精度低，要求小些為好，但不是越小越好，因?yàn)樘?，有可能使?dòng)態(tài)過程的為好，但不是越小越好，因?yàn)樘?，有可能使?dòng)態(tài)過程的振蕩加劇。振蕩加劇。靜態(tài)偏差靜態(tài)偏差:動(dòng)態(tài)過程結(jié)束后動(dòng)態(tài)過程結(jié)束后,被控量新穩(wěn)態(tài)值與給定值之被控量新穩(wěn)態(tài)值與給定值之間的差值。間的差值。越小說明控制系統(tǒng)的靜態(tài)精度越高。越小說明控制系統(tǒng)的靜態(tài)精度越高。有差調(diào)節(jié)有差調(diào)節(jié) 無差調(diào)節(jié)無差調(diào)節(jié) 超調(diào)量超調(diào)量p p：是指在衰減振蕩，第一個(gè)波峰值是指在衰減振蕩，第一個(gè)波峰值y1減去新減去新穩(wěn)態(tài)值穩(wěn)態(tài)值y（）與新穩(wěn)態(tài)值與新穩(wěn)態(tài)值y（）之比的百分?jǐn)?shù)，即：）之比的百分?jǐn)?shù)，即：超調(diào)量是評(píng)定控制系統(tǒng)動(dòng)態(tài)精度的指標(biāo)。在實(shí)際系統(tǒng)超

27、調(diào)量是評(píng)定控制系統(tǒng)動(dòng)態(tài)精度的指標(biāo)。在實(shí)際系統(tǒng)的過渡過程中，一般要求的過渡過程中，一般要求p p 30%。35（3）快速性指標(biāo)）快速性指標(biāo) 過渡過程時(shí)間過渡過程時(shí)間 ts:s:當(dāng)當(dāng)t t s的所有時(shí)間內(nèi)，被控量的所有時(shí)間內(nèi)，被控量y（t）的波動(dòng)值）的波動(dòng)值y（t）y（）均小于或等均小于或等于最終穩(wěn)態(tài)于最終穩(wěn)態(tài)y（）的）的2或或5。上升時(shí)間上升時(shí)間tr:指在衰減振蕩中，被控量從初始平衡指在衰減振蕩中，被控量從初始平衡狀態(tài)第一次達(dá)到新穩(wěn)態(tài)值狀態(tài)第一次達(dá)到新穩(wěn)態(tài)值y（）所需時(shí)間。所需時(shí)間。峰值時(shí)間峰值時(shí)間tp:是指在衰減振蕩中，被控量從初始平是指在衰減振蕩中，被控量從初始平衡狀態(tài)達(dá)到第一個(gè)波峰峰值所需要的時(shí)間。衡狀態(tài)達(dá)到第一個(gè)波峰峰值所需要的時(shí)間。36