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反馈系统的基本概念

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  §1-1 1. 开环控制系统 自动控制的基本方式 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 Fig.1-1a◎ (2)按扰动补偿进行控制 Fig.1-1b◎ 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。 返回本章 §1-1 3.复合控制 开环控制——粗调 闭环控制——细调 自动控制的基本方式 Fig.1-3◎ 在一个控制系统中同时采用开环控制和闭环控制。 返回本节 §1-2 反馈控制系统的概念 1. 反馈控制系统的组成◎ 2. 反馈控制系统的结构方框图◎ 3. 反馈控制系统的分类◎ 返回本章 1. 反馈控制系统的组成 Fig.1-5a◎ 1. 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)。 2. 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-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。 返回本节 2. 反馈控制系统的结构框图 Fig.1-6◎ 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。 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。 返回本节 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)非线)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) 返回本节 §1-3 自动控制的性能要求 1.自动控制系统的稳态和动态 稳态——被控量不随时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) 扰动变化 控制作用 动态过程 新稳态(平衡) 稳态(平衡) 平衡破坏 克服扰动影响 返回本章 §1-3 自动控制的性能要求 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。 返回本节 §1-3 自动控制的性能要求 3.自动控制系统的典型输入信号 为便于系统分析,定义几种常见的系统输入信号: (1)阶跃输入: (2)速度输入 : Fig.1-9◎ Fig.1-10◎ (3)加速度输入: (4)脉冲输入: Fig.1-11◎ 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。 返回本节 §1-3 自动控制的性能要求 4.自动控制系统过渡过程的性能要求 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。 返回本节 §1-3 1)过渡过程评定指标 自动控制的性能要求 4.自动控制系统过渡过程的性能要求 (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.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 ◎ 返回本节 §1-3 自动控制的性能要求 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Δys fig.1-15 ◎ (b)随动控制系统:最大动态偏差emax;超调量δ;静态偏 差Δys 。 fig.1-16 ◎ 返回本节 §1-3 (3)快速性: 自动控制的性能要求 4.自动控制系统过渡过程的性能要求 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 ◎ 返回本节 §1-3 自动控制的性能要求 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0.75~0.9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 返回本节 V2 Q2 电动机 控制器 F H V1 Q1 +E 图1-1 液位开环控制系统示意图 V2 Q2 电动机 F 控制器 H V1 Q1 图1-1 液位开环控制系统示意图 V2 +E Q2 浮子 电动机 控制器 F H V1 Q1 +E 图1-2 液位控制闭环系统示意图 V2 +E Q2 浮子 电动机 控制器 F 控制器 控制器 H V1 Q1 +E 图1-3 液位复合控制系统示意图 手动控制过程 眼 脑 主 机 淡水泵 三通阀 手 海水入口 冷却器 海水出口 Fig.1-5b◎ fig.1-5a 柴油机气缸冷却水温度手动控制过程 自动控制过程 温度变送器 主 机 调节器 淡水泵 三通阀 执行机构 手 冷却器 海水出口 海水入口 Fig.1-5◎ fig.1-5b 柴油机气缸冷却水温度自动控制过程 伺服放 大器 执行器 蝶阀机构 温度传感器 控制器 温度变 送器 fig.1-5 电动仪表控制的主机冷却水温度控制系统 f(t) r(t) + e(t) b(t) 测量 单元 fig.1-6 自动控制系统结构方框图 控制 单元 p(t) 执行 单元 q(t) 控制 对象 y(t) e(t)——偏差信号 e(t)=r(t)-b(t) y(t)——被控量 p(t)——控制量 f(t)——扰动量 y t 平衡状态 平衡 状态 过渡过程 fig.1-8 自动控制系统过渡过程曲线 (a) (b) (c) fig.1-14 过程曲线基本类型 (d) r(t) r(t) Rt R 0 fig.1-9 t 0 r(t) fig.1-10 t r(t) 1/2Rt2 0 fig.1-11 t t fig.1-13 r(t) h→0 1/h 0 h t r(t) r(t)→∞ 0 t h→0时,称为理想的单 位脉冲函数,记作δ(t)。 fig.1-12 y y1 emax y3 根据衰减率? 的大小可以判 Δys 定过渡过程的性质: y0 y2 t0 t∞ ? 0,为发散振荡过程 y∞ ? =0,为等幅振荡过程 t 0 ? 1,为率减振荡过程 ? =1,为非周期过程 ? =0.75~0.9 最佳衰减率: fig.1-15 自动控制系统过渡过程曲线 Δ Δys y∞ t t0 ts fig.1-16 自动控制系统过渡过程曲线 前馈 装置 + 控制 装置 扰动 补偿 执行 机构 外部 扰动 给定 信号 控制 对象 被控量 反馈 装置 fig.1-3 复合控制系统结构方框图

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