单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,*,*,授课教师：,课程名称：,电气自动控制,系统,2024/11/18,授课教师：课程名称：电气自动控制,项目,1,任务二 控制器与控制规律的认识,任务一 自动控制系统的认识,自动控制系统,01,02,2024/11/18,项目任务二 控制器与控制规律的认,【任务描述】,人工手动控制是自动控制的前提和保证，自动控制在投入运行前必须通过人工手动控制，使被控变量稳定在设定值附近。自动控制是由仪表来代替人的工作，由仪表模仿人的工作过程。本次实验通过人工和自动控制的比较，了解自动控制系统的工作过程。,任务一 自动控制系统的认识,【能力目标】,1）学会用手动控制贮槽液位。,2）了解自动控制系统的组成及各组成部分的作用。,3）了解自动控制系统的工作过程,2024/11/18,【任务描述】任务一 自动控制系统的认识【能力目标】,【知识链接】,为了实现各种控制任务，将被控对象和控制装置按照一定方式连接，对被控对象的一个或多个物理量（如转速、位移、温度、电流、电压等）进行自动控制的整个系统称为自动控制系统。,一、按照自动控制系统结构特点分类,1.开环控制系统,开环控制系统是一种最简单的控制方式，其特点是在控制器与被控制对象之间只有正向作用而没有反馈作用。若系统的输出量不被引回来对系统的控制部分产生影响，这样的系统称为开环控制系统。,2024/11/18,【知识链接】一、按照自动控制系统,图,1-1,数控加工机床示意图,2024/11/18,图1-1 数控加工机床示意图20,2.闭环控制系统,若系统输出量通过反馈环节返回作用于控制部分，形成闭合环路，这样的系统称为闭环控制系统，又称为反馈控制系统。反馈就是把系统的输出信号送回到系统的输入端并加到输入信号中。,图,1-2,贮槽液位控制系统的原理结构图,2024/11/18,2.闭环控制系统图1-2 贮槽液,二、自动控制系统的组成,一个控制系统由若干个环节组成，每个环节有其特定的功能。在讨论一个自动控制系统时，若将系统中所有环节的内部结构都画出来，会十分麻烦。为了便于分析并能清楚地表示系统各组成环节间的相互影响和信号传递关系，一般习惯于把自动控制系统用框图来表示。,在框图中，系统的每一个组成部分（或称环节）用一个方框来代表，环节间用带箭头的作用线连接起来，表示环节之间的信号传递关系，箭头的方向代表作用方向。一个环节所接受的作用称为该环节的输入量，而输入量在该环节中引起的变化称为该环节的输出量。,图,1-3,自动控制系统的组成框图,2024/11/18,二、自动控制系统的组成 一个控制系统由若干个环节,各环节的作用及有关术语含义如下：,（1）反馈环节 对系统输出量的实际值进行测量，将它转换成反馈信号，并使反馈信号成为与给定信号同类型、同数量级的物理量。,（2）比较器 将给定信号和反馈信号进行比较，产生偏差信号。,（3）控制器 根据输入的偏差信号，按一定的控制规律产生相应的控制信号。,（4）执行器 将控制信号进行功率放大，并带动执行机构工作。,（5）调节机构 直接改变控制系统的输入量，使被控量恢复到给定值。,（6）被控对象 控制系统所要控制的设备或生产过程，它的输出量就是被控量。,2024/11/18,各环节的作用及有关术语含义如下：,（7）被控量 对象的某个变量。控制系统的目的通常就是要使该变量与设定值或给定值相符。控制系统也用该变量的名称来称呼，如温度控制系统、压力控制系统等。,（8）调节量 对被控装置的被控量具有较强的直接影响且便于调节的变量。,（9）干扰 对象中除了调节量以外，能对被控变量具有影响作用的所有变量。,（10）偏差 给定值与反馈量之差。,（11）给定值 也称为设定值，是被控量的期望值。它可以是恒定值，也可以按程序变化,2024/11/18, （7）被控量 对象的,【任务实施】,一、手动控制贮槽液位,1）按照图1-4所示的贮槽液位控制系统，手动调节进出水阀门，控制液位在50%处。根据操作回答下列问题：,1.完成该操作必须用到哪三个器官？,2.手、大脑、眼睛各完成哪些功能？,图,1-4,贮槽液位控制系统,2024/11/18,【任务实施】图1-4贮槽液位控制,2）操作要求：为了保证贮槽液位稳定在规定数值位置，操作人员必须按照液位指示仪表反映的实际液位与规定值的偏差大小来改变进出水阀门的开度，从而使液位符合规定的数值。,装在贮槽上的液位指示仪表随时反映着水槽中的液位，操作人员不断地用眼睛去观察，并由大脑根据观察到的液位与规定的液位进行比较，得出偏差，再根据偏差的大小和变化的趋势，经过判断、思考，凭经验做出将阀门开度做如何调整的决定，然后发出指令，用手改变阀门的开度。上述过程不断重复，直至液位符合规定数值为止。,2024/11/18, 2）操作要求：为了,如图1-4所示阀门安装在进水和出水管道上，因此，当液位偏高时，应调节进水阀门的开度，当液位偏低时，应调节出水阀门，但究竟开大或关小多少，需要有一定的经验。完成该操作我们必须眼睛盯着液位刻度，假如进水量大了，液位超过设定值了，我们的脑袋就会告诉手，把水槽出口的阀门开大一点，调节出水的量，经过反复调节，让液位保持在50%作用。要控制好液位，工人的工作量巨大，趋于平衡的时间也因人而异。所以，人工控制的缺点非常明显。,2024/11/18, 如图1-4所示阀门,二、贮槽液位自动控制系统,1）认真观察所配的贮槽液位自动控制系统如图1-5所示，找出贮槽液位自动控制系统的各组成元件，熟悉各组成部分的名称及作用。,图,1-5,贮槽液位控制部分,2024/11/18,二、贮槽液位自动控制系统图1-5,任务二 控制器与控制规律的认识,【任务描述】,通过对自动控制系统的操作，设定液位定值控制，了解系统设置控制器的目的。通过对实验参数的设置，观察实验现象，了解四种调节器的控制作用。,【能力目标】,1）了解液位定值控制系统的结构与组成。,2）了解自动控制系统调节器参数的整定和投运方法。,3）了解P、PI、PD和PID四种调节器分别对液位控制的作用。,2024/11/18,任务二 控制器与控制规律的认识【,【知识链接】,一、自动控制系统的性能指标,自动控制系统的性能通常是指系统的稳定性、稳态性能和动态性能。,1.系统的稳定性,（1）稳定系统,当扰动作用(或给定值发生变化)时，输出量将会偏离原来的稳定值，这时，由于反馈环节的作用，通过系统内部的自动调节，系统可能回到(或接近)原来的稳定(或跟随给定值)稳定下来，如图1-6a所示。,图,1-6,稳定系统,2024/11/18,【知识链接】一、自动控制系统的性,（2）不稳定系统,由于内部的相互作用，使系统出现发散而处于不稳定状态，如图1-6b所示。,（3）稳定的重要性,不稳定的系统是无法进行工作的；因此，对任何自动控制系统，首要的条件便是系统能稳定正常运行。,图,1-6,不稳定系统,2024/11/18,（2）不稳定系统 图1-6 不,2.系统的动态性能指标,系统从一个稳态过渡到新的稳态都需要经历一段时间，亦即需要经历一个过渡过程。表征这个过渡过程性能的指标叫做动态指标。现在以系统对突加给定信号(阶跃信号)的动态响应来介绍动态指标。动态指标通常用最大超调量()、调整时间(ts)和振荡次数(N)来衡量。,（1）最大超调量(),最大超调量是输出量c(t)与稳态值c()的最大偏差 cmax与稳态值c()之比,即,最大超调量反映了系统的动态精度，最大超调量越小，则说明系统过渡过程进行得越平稳。,2024/11/18,2.系统的动态性能指标（1）最大,（2）调整时间(ts),调整时间(ts)是系统输出量进入并一直保持在离稳态值的允许误差带内所需要的时间。调整时间反映了系统的快速性。调整时间越小，系统快速性越好。,（3）振荡次数(N),振荡次数是指在调整时间内，输出量在稳态值上下摆动的次数。,上述指标中，最大超调量和振荡次数反映了系统的稳定性能。调整时间反映了系统的快速性。稳态误差反映了系统的准确度。一般说来，我们总是希望最大超调量小一点，振荡次数少一点，调整时间短一些，稳态误差小一点。总之，希望系统能达到稳、快、准。,2024/11/18,（2）调整时间(ts)2023,二、控制规律的选择,目前工业自动化水平已成为衡量各行各业现代化水平的一个重要标志。同时，控制理论的发展也经历了古典控制理论、现代控制理论和智能控制理论三个阶段。一个控制系统包括控制器传感器、变送器、执行机构、输入输出接口。控制器的输出经过输出接口、执行机构，加到被控系统上；控制系统的被控量，经过传感器，变送器，通过输入接口送到控制器。,在控制系统中，对象的特性是固定的不易改变；测量元件及变送器的特性比较简单，一般是不可以改变的；主要可以改变参数的就是控制器。,系统可以通过控制器参数的变化改变整个控制系统的特性，从而达到控制的目的。,2024/11/18,二、控制规律的选择2023/10,控制器的控制规律有很多，比较常见的有比例控制、比例积分控制、比例微分控制和比例积分微分控制。具有这四种控制规律的控制器亦称调节器分别称为比例（P）调节器、比例积分（PI）调节器、比例微分（PD）调节器和比例积分微分（PID）调节器。,1.比例,(,P,)调节,比例调节器是一种最简单的调节器，它对控制作用和扰动作用的响应都很快。由于比例调节只有一个参数，所以整定很方便。这种调节器的主要缺点是系统有静差存在。其传递函数为：,式中KP为比例系数，为比例带。,比例控制是最简单的一种控制，它的特点是控制作用比较及时，过度时间短，抗干扰能力强；缺点是控制过渡过程存在偏差，因此，比例控制适用于一些允许有偏差存在的且不太重要的场合。,2024/11/18, 控制器的控制规律有,2.比例积分(PI)调节,PI调节器就是利用P调节快速抵消干扰的影响，同时利用I调节消除残差，但I调节会降低系统的稳定性，这种调节器在过程控制中是应用最多的一种调节器。其传递函数为：,式中TI为积分时间。,比例积分控制比比例控制多了积分项。由于这个积分项的存在，只要偏差不为零，控制器的输出就不断地增加或减小，直至偏差为零。所以，加上积分作用以后，系统的稳定性有所下降，但精确性提高了。,2024/11/18,2.比例积分(PI)调节,3.比例微分(PD)调节,这种调节器由于有微分的超前作用，能增加系统的稳定度，加快系统的调节过程，减小动态误差，但微分抗干扰能力较差，且微分过大，易导致调节阀动作向两端饱和。因此一般不用于流量和液位控制系统。PD调节器的传递函数为：,式中,TD,为微分时间。,2024/11/18,3.比例微分(PD)调节式中TD,4.比例积分微分(PID)调节器,PID是常规调节器中性能最好的一种调节器。由于它具有各类调节器的优点，因而使系统具有更高的控制质量。它的传递函数为：,比例积分微分控制综合了三种基本控制规律的优点，适当调整Kp、Ti、和TD,可以获得相当好的控制系统过渡过程及很高的控制精度。它适用于容量滞后大、负荷变化大且控制精度要求高的场合。,2024/11/18,4.比例积分微分(PID)调节器,【任务实施】,一、系统原理图与工艺说明,本实验系统结构图如图1-7所示。被控量为上水箱的液位高度，实验要求它的液位稳定在给定值。将超声波传感器检测到的上水箱液位信号作为反馈信号，在与给定量比较后的差值通过调节器控制电动调节阀的开度，以达到控制上水箱液位的目的。为了实现系统在阶跃给定和阶跃扰动作用下的无静差控制，系统的调节器应为PI或PID控制。,2024/11/18,【任务实施】2023/10/7,系统主要有三个水箱（一个储水箱，两个功能水箱）、一个泵（动力源）、以及各个支路上完成不同功能的执行部件和检测元件组成。,当设备不用时，全部的水都在储水箱或者全部放空，用到设备时，先往除储水箱中注水，再由泵往两功能水箱注水，超出水位时，水箱通过溢流管回水至储水箱。当达到要求