第一章 反馈控制系统实例

第一篇过程控制系统第一章单回路反馈控制系统简称：单回路控制系统、简单控制系统在所有反馈控制系统中，单回路反馈控制系统是最基本、结构最简单的一种。

在生产过程控制中应用得最为广泛的、并能解决大量控制问题的系统（70%）。

研究单回路系统的分析和设计方法，是研究复杂控制系统的基础。

1.1 单回路系统的结构组成一、系统的组成举例：如图所示的水槽，流入量F1、流出量F2,为了控制水槽的液位1不变，选择相应的变送器、控制器、控制阀，并按左图组成单回反馈控制系统。

图1-1水槽图1-2水槽液位控制系统注：LC表示液位控制器，sp代表控制器的给定值。

假定控制阀为气闭，控制器为反作用。

偏差：测量信号与给定值之差。

当测量值大于给定值时，偏差为正，反之为负。

第一种情况（初始状态：平衡状态F1=F2 ）入口阀突然开大一F1>F2 f Lf -正偏差f 输出减小f 控制阀t f F2 ff L |fF1=F2 f系统达到新的平衡入口阀突然开小f F1<F2 fL | f负偏差f输出增大f控制阀I f F2 1f L f f F1=F2 f系统达到新的平衡第二种情况初始状态:平衡状态F1=F2 ）出口阀突然开大fF2>F1fL |f 负偏差f 输出增大f控制阀IfF2 1f Lff F1=F2 f系统达到新的平衡出口阀突然关小f F1>F2 f L f -正偏差f 输出减小f 控制阀t f F2 f f L | f F1=F2 f 系统达到新的平衡几点说明：(1)图中的各个信号值都是增量初始状态为零；图中箭头表示的是信号流向，而 不是物料或能量的流向。

(2)各环节的增益有正、负之别：控制器：正作用时增益为负”反作用时增益为正” 控制阀：气开阀增益为正” 气闭阀增益为负”变送器：一般为正”控制对象：根据操纵变量Q(S)的变化引起被控变量丫 (S)的变化来确定Q(S) ffY(S) f 增益为正”反之为负，上例中当控制阀装在出口处时，对象增益为 负”； 当控制阀装在人口处时，对象增益为正整个系统必须是一个负反馈系统，因此自R(S) 至X(S)的各个环节增益的乘积必须是正值。

第三讲机体生理功能的调节一、生理功能的调节方式（一）神经调节●概念：通过神经系统的活动对机体功能进行调节。

基本方式：反射(reflex)。

●反射：在中枢神经系统的参与下，机体对刺激产生的规律性反应。

结构基础：反射弧(reflex arc)；组成：感受器、传入神经、中枢、传出神经和效应器；类型：非条件反射和条件反射。

●神经调节的特点：迅速、精确、时间短暂。

例：颈动脉窦和主动脉弓压力感受性反射（负反馈调节）例：脊柱的神经传导活动（二）体液调节●概念：体内的一些细胞能生成并分泌某些特殊的化学物质，后者经由体液运输，到达全身的组织细胞或某些特殊的组织细胞，通过作用于细胞上相应的受体(receptor)，对这些细胞的活动进行调节。

●类型：全身性体液调节、局部性体液调节、神经-体液调节●特点：缓慢、弥散、持久神经-体液调节神经细胞直接或间接地调节一些内分泌细胞的作用，使这些内分泌细胞成了反射弧的传出纤维的延长部分，以这种方式发挥的调节作用称为神经-体液调节。

（三）自身调节●概念：环境变化时，器官、组织、细胞不依赖神经或体液调节而产生的适应性反应。

肾血流自身调节：动脉血压在80-180mmHg范围内变动时，肾血流量能保持相对稳定。

脑血流自身调节：动脉血压在60-140mmHg范围内变动时，脑血流量能保持相对稳定。

●特点：调节幅度小，不灵敏，局限。

二、体内的控制系统●人体功能调节过程和工程控制有许多共同的规律。

●从控制论的角度来看，人体内存在数以千计的各种控制系统(control system)；甚至在一个细胞内也存在着许多极其精细复杂的控制系统，对细胞的各种功能进行调节。

因此，学者们也应用控制论的概念、原理和方法来认识和分析机体各种功能的调节。

●从控制论的观念来分析，任何控制系统都由控制部分和受控部分组成。

控制系统可分为三大类：非自动控制系统反馈控制系统前馈控制系统（一）非自动控制系统●非自动控制系统是一种“开环”系统。

第一章思考题与习题1－2 图为温度控制系统，试画出系统的框图，简述其工作原理；指出被控过程、被控参数和控制参数。

解：乙炔发生器中电石与冷水相遇产生乙炔气体并释放出热量。

当电石加入时，内部温度上升，温度检测器检测温度变化与给定值比较，偏差信号送到控制器对偏差信号进行运算，将控制作用于调节阀，调节冷水的流量，使乙炔发生器中的温度到达给定值。

系统框图如下：被控过程：乙炔发生器被控参数：乙炔发生器内温度控制参数：冷水流量1－3 常用过程控制系统可分为哪几类?答：过程控制系统主要分为三类：1.反馈控制系统：反馈控制系统是根据被控参数与给定值的偏差进行控制的，最终达到或消除或减小偏差的目的，偏差值是控制的依据。

它是最常用、最基本的过程控制系统。

2 ．前馈控制系统：前馈控制系统是根据扰动量的大小进行控制的，扰动是控制的依据。

由于没有被控量的反馈，所以是一种开环控制系统。

由于是开环系统，无法检查控制效果，故不能单独应用。

3. 前馈－反馈控制系统：前馈控制的主要优点是能够迅速及时的克服主要扰动对被控量的影响，而前馈—反馈控制利用反馈控制克服其他扰动，能够是被控量迅速而准确地稳定在给定值上，提高控制系统的控制质量。

3－4 过程控制系统过渡过程的质量指标包括哪些内容？它们的定义是什么？哪些是静态指标？哪些是动态质量指标？答：1.余差(静态偏差)e：余差是指系统过渡过程结束以后，被控参数新的稳定值y( g)与给定值c之差。

它是一个静态指标，对定值控制系统。

希望余差越小越好。

2.衰减比n:衰减比是衡量过渡过程稳定性的一个动态质量指标，它等于振荡过程的第一个波的振幅与第二个波的振幅之比，即： Bn —Bn v 1系统是不稳定的，是发散振荡；n=1,系统也是不稳定的，是等幅振荡；n> 1, 系统是稳定的，若n=4,系统为4：1的衰减振荡，是比较理想的。

衡量系统稳定性也可以用衰减率© B BB4 .最大偏差A:对定值系统，最大偏差是指被控参数第一个波峰值与给定值C之差, 它衡量被控参数偏离给定值的程度。

能源与动力工程学院第一章热工自动控制概论主讲：赵建立主讲赵建立能源与动力工程学院第一节热工自动控制的发展概况电能的“发输供用”必须同时进行并保持瞬时的平控制对象特征电能的发、输、供、用必须同时进行，并保持瞬时的平衡。

与此同时，参与“发、输、供、用”的所有设备构成了部件众多、结构复杂、分布广阔的动态大系统。

在这个系统中发电机组处于系统的最底层机组处于系统的最底层。

电力生产过程分为发电侧与输配电侧，相应地，从实现自动化的角度，可分为电站自动化和电力系统自动化。

能源与动力工程学院一、电厂热工控制技术的发展1、目前机组特点个随着发电机（1）监视点多(600MW机组I/O点多达3000～5000个，随着发电机-变压器组和厂用电源等电气部分监视纳入DCS之后，I/O点已超过7000个)（2）参数变化速度快和控制对象数量大(600MW机组超过1300个)，而各个控制对象又相互关联所以操作稍失误所引起的后果十分严而各个控制对象又相互关联，所以操作稍一失误，所引起的后果十分严重。

大机组的监视与控制操作任务也不能交运行人员去完成(体力、脑力体力脑力劳动强度，及时、人为操作失误），因此必须由高度计算机化的机组集控取而代之。

控取代之能源与动力工程学院随着计算机技术的迅速发展，电厂热工过程控制又经历了以下几个计算机控制过程:(1) 集中型计算机控制：用一台计算机对整个生产过程进行整体控制因此对计算机的可靠性要求很高旦计算机出现事整体控制，因此对计算机的可靠性要求很高，一旦计算机出现事故，将使整个生产受到影响。

()分散计算机控制随着微机的大批产成本的不(2) 分散型计算机控制：随着微机的大批生产，成本的不断降低，逐渐把集中控制改为用微机进行局部控制，克服了集中控制的一些缺点，但此时各系统之间很难协调起来。

(3) 计算机分散控制：它把各系统之间、厂级管理、调度(3)计算机分散控制它把各系统之间厂级管理调度等用一台功能很强的计算机进行上位管理；而把各子系统用微机控制，充分发挥了集中控制和分散控制各自的优点，是一种比较合理的控制方法。

反馈控制系统实例1. 引言反馈控制系统是指通过从系统输出中获取信息，将其与期望的参考信号进行比较，并据此调整系统的输入，以使系统输出尽可能地接近期望信号。

本文将介绍一个反馈控制系统的实例，包括系统的结构、控制器的设计和实际应用。

2. 系统结构反馈控制系统由三个基本组件组成：传感器、控制器和执行器。

传感器用于测量系统的输出，并将其转换为电信号。

控制器根据传感器的反馈信息和期望的参考信号，计算出一个控制信号。

执行器将控制信号转换为系统的输入，从而实现对系统的控制。

例如，考虑一个温度控制系统，其中需要将房间的温度控制在一个设定的目标温度范围内。

系统的结构如下所示：传感器 -> 控制器 -> 执行器传感器测量房间的温度，并将其转换为电信号。

控制器根据传感器反馈的温度信息和设定的目标温度，计算出一个控制信号。

执行器将控制信号转换为加热或制冷设备的输入，从而控制房间的温度。

3. 控制器设计控制器的设计是反馈控制系统的关键部分。

在温度控制系统中，一个常用的控制器类型是比例积分（PI）控制器。

PI控制器根据系统的偏差信号和偏差信号积分的结果，计算出一个控制信号。

具体地，PI控制器的输出可以通过以下公式计算得到：u(t) = Kp * e(t) + Ki * ∫e(t) dt其中，u(t)表示控制信号，Kp和Ki分别是比例系数和积分系数，e(t)是系统的偏差信号。

比例系数决定了控制信号对偏差信号的响应速度，而积分系数可以消除系统的稳态误差。

在温度控制系统中，偏差信号可以通过计算实际温度与设定温度之差得到。

根据偏差信号和PI控制器的参数，可以计算出一个控制信号，进而控制加热或制冷设备的输入，使得房间的温度接近设定温度。

4. 实际应用反馈控制系统在现实生活中有广泛的应用。

除了温度控制系统，它还可以应用于机械控制、电力系统、自动驾驶等领域。

以自动驾驶汽车为例，反馈控制系统可以通过传感器测量汽车的位置、速度和方向，并根据期望的路径和速度计算出一个控制信号。

第一章导论A 基本题A 1-1 什么是反馈？什么是正反馈和负反馈？为消除系统误差,为什么工程上反馈控制必须是负反馈？解：根据结果来改变控制的称为反馈。

反馈的特点是存在从结果（输出）到原因（输入）的信息通道，测量装置通过信息通道将测量的输出量信号的全部或一部分返回输入端。

在工程控制系统中，由测量装置量测输出情况，将它与理想目标进行比较，产生偏差，利用偏差来消除偏差。

正反馈，负反馈：反馈元件的输出叫反馈信号。

根据反馈信号的极性，又把反馈信号与输入信号同极性的反馈叫正反馈，反极性的反馈叫负反馈。

社会系统经常采用正反馈，如果一项政策、措施产生的效果好，就加强，效果不好就取消，这就是正反馈。

工程系统通常采用负反馈。

这是因为工程上的控制装置常常是用来保障被控对象按照预定的规律运行的。

由于外界扰动和系统参数变化等因素会导致对象输出与目标值之间产生误差，工程控制的目标就是克服这种偏差，因此工程上反馈控制必须是负反馈。

A 1-2 人在平时生活中做的许多事情，比如走路、取物、吃食物、阅读、清扫等都带有反馈控制作用，试举例，并用框图说明其反馈工作原理。

解：日常生活中，人们朝一个预定目标的行走便带有负反馈控制作用。

首先，人会根据自己的目的地设定一条行走的路线，然后沿着设定的路线行走，但在行走的过程中可能会受到一些干扰（如路线中某一段路上有障碍物挡住了路线）而偏离了设定的路线，人通过感官感觉偏离了预定路线，就将偏差送给人的大脑，大脑会控制人的脚朝着减小偏差的方向行走。

这便是一个典型的负反馈控制系统。

其框图如下。

A 1-3 现在家电设备在人们日常生活中已经十分普遍。

试从家电中举几个开环和闭环控制系统的例子，说明它们的工作原理，并画出其框图。

解：开环控制系统：电视机的频道控制是一个开环控制系统。

人根据自己的喜好通过电视机的遥控器（或电视机面板上的控制器）选择对应的频道，控制器发出控制命令使电视机切换到对应的频道。

其框图如下：闭环控制系统：家用空调的温度控制是一个闭环控制系统。