【正文】 制教學(xué)中的幾個(gè)基本問題 （ 2）渦輪噴氣發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速的補(bǔ)償控制系統(tǒng) 飛機(jī)飛行高度的突然變化，使進(jìn) 入發(fā)動(dòng)機(jī)的空氣密度突然變化， 發(fā)動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速就會(huì)突然變化。這是 發(fā)動(dòng)機(jī)工作中可以預(yù)見的，經(jīng)常的 干擾因素，因此，在設(shè)計(jì)發(fā)動(dòng)機(jī)的 轉(zhuǎn)速控制系統(tǒng)時(shí)，除了主控制系統(tǒng) 外，還增加了這樣一個(gè)補(bǔ)償控制系 統(tǒng)。其原理圖如右。 膜盒感受大氣壓力。當(dāng)高度降低， 進(jìn)入發(fā)動(dòng)機(jī)的空氣密度加大，渦輪負(fù) 荷增加，發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速降低；與此同時(shí)，膜盒室的壓力增加，膜盒被壓縮， 使回油針向下，關(guān)小回油路，進(jìn)入發(fā)動(dòng)機(jī)的燃油增加，以增加轉(zhuǎn)速。 第四單元 控制與設(shè)計(jì) 四、附錄 —— 控制教學(xué)中的幾個(gè)基本問題 4．控制系統(tǒng)的組成 （ 1）幾個(gè)控制術(shù)語 在控制工程和控制理論領(lǐng)域中，經(jīng)常會(huì)碰到幾個(gè)常用術(shù)語。 控制對(duì)象：就是我們上面說的，需要控制的事物。如水箱、飛機(jī)、發(fā)動(dòng)機(jī)等。有的也稱為被控 對(duì)象 控制裝置：通常把除控制對(duì)象以外的其它裝置統(tǒng)稱為控制裝置。或者稱為控制器。 控制系統(tǒng)：通常把控制裝置和控制對(duì)象合起來稱為控制系統(tǒng)?？刂葡到y(tǒng)和廣義上的系統(tǒng)一樣， 也具有相對(duì)性。在一個(gè)大的系統(tǒng)中還可以包含一些小系統(tǒng)。 被 控 量： 就是被控制的狀態(tài)參量。它是控制對(duì)象的輸出量。因此，也有的把它叫做輸出量、 受控量。實(shí)際系統(tǒng)中，被控量應(yīng)該是可以測(cè)量的，其測(cè)量點(diǎn)稱為系統(tǒng)的輸出端。 給 定 值：又叫指令或控制參考量。就是控制完成后希望被控量達(dá)到的狀態(tài)。它是從系統(tǒng)外部 施加給系統(tǒng)的有效作用量，是系統(tǒng)運(yùn)動(dòng)的外因，是與系統(tǒng)特性無關(guān)的獨(dú)立變量。這 個(gè)指令是誰加給系統(tǒng)的，用什么方式加的，都與系統(tǒng)的控制運(yùn)動(dòng)無關(guān)。 干 擾：又叫干擾作用量或外擾。它是系統(tǒng)外部施加給系統(tǒng)，對(duì)系統(tǒng)正常運(yùn)行起破壞作用 的無效作用量，其直接效應(yīng)是使系統(tǒng)的輸出量偏離給定值。它也是與系統(tǒng)特性無關(guān) 的獨(dú)立變量。 輸 入 量：系統(tǒng)的指令和干擾都可以稱為系統(tǒng)的輸入量。但更多的時(shí)候是特指指令的輸入。輸 入量的測(cè)量點(diǎn)， 稱為輸入端。 第四單元 控制與設(shè)計(jì) （ 2）控制系統(tǒng)的基本組成 根據(jù)系統(tǒng)的定義，控制系統(tǒng)就是各種控制裝置和控制對(duì)象的總合。因此，控制系統(tǒng)就是由各 種控制元件及控制對(duì)象組成的。 從上面所舉的各種控制系統(tǒng)的工作過程我們可以看到，要完成預(yù)定的控制任務(wù)，需要有多種 不同功能的裝置，有的測(cè)量，有的信號(hào)轉(zhuǎn)換，有的負(fù)責(zé)信號(hào)放大，還有的要負(fù)責(zé)計(jì)算。這些裝置 在組成系統(tǒng)時(shí)，通常被稱為“元件”。按照元件在系統(tǒng)中承擔(dān)的任務(wù)，組成一個(gè)控制系統(tǒng)大致有如 下一些組成部分： —— 反饋元件：其功能是把輸出量測(cè)量出來并反饋到輸入端，以便與輸入指令進(jìn)行比較。 —— 比較元件：用于把輸入指令與反饋量進(jìn)行比較得出偏差信號(hào)。 —— 放大元件：進(jìn)行信號(hào)的幅值或功率的放大。當(dāng)然，放大元件本身是有外界能量輸入的。 —— 執(zhí)行元件：它一般是安排在控制對(duì)象之前的一個(gè)控制裝置，它所產(chǎn)生的控制信號(hào)作用在 控制對(duì)上，用來控制對(duì)象的輸出。它的輸出量，通常稱為控制作用量。 —— 轉(zhuǎn)換元件：用于將一種物理量轉(zhuǎn)換為另一種物理量的裝置。它往往兼有測(cè)量的作用。 測(cè)量一種物理量（輸入），轉(zhuǎn)換為另一種物理量（輸出）。因此，反饋元件 多為轉(zhuǎn)換元件。 —— 校正元件：這是為了改善系統(tǒng)特性而加的元件。在我們所涉及的“簡(jiǎn)單控制系統(tǒng)”中， 可以不去管它。 需要特別強(qiáng)調(diào)的是： 第一、元件的功能名稱并不是絕對(duì)的。某些裝置具有多種元件的功能，這時(shí)可按其主要的作用來稱呼它。 第二、不是所有的系統(tǒng)都要具備所有的元件。有些元件也不只是在系統(tǒng)中出現(xiàn)一次。 第三、有時(shí)為了簡(jiǎn)明起見，干脆就把系統(tǒng)看成就是由兩部分組成，一部分是控制器，另一部分就是控制對(duì)象。 這時(shí)，除了對(duì)象之外，其它的元件都包含在了控制器之中。 第四單元 控制與設(shè)計(jì) 四、附錄 —— 控制教學(xué)中的幾個(gè)基本問題 4．控制系統(tǒng)的組成 （ 3）控制系統(tǒng)方塊圖 控制系統(tǒng)可以由工作原理示意圖來表示，但畫起來比較困難，特別是一些復(fù)雜 系統(tǒng)，要用工作原理示意圖來表示，就更不可能了。在研究控制系統(tǒng)時(shí)，經(jīng)常采用 的是按控制信號(hào)傳遞順序而繪制的方塊圖。 ①方塊圖的基本要素 控制系統(tǒng)的方塊圖包含如下幾個(gè)基本要素： —— 信號(hào)線：帶有箭頭的直線，箭頭表示信號(hào)傳遞的方向，箭頭上一般應(yīng)標(biāo)注 信號(hào)的符號(hào)。 —— 引出點(diǎn)：表示信號(hào)的引出或位置。從同一信號(hào)線上引出的信號(hào)，不管用在 何 處，在數(shù)值和性質(zhì)上完全相同。 —— 比較點(diǎn)：也叫綜合點(diǎn)，對(duì)兩個(gè)以上的信號(hào)進(jìn)行代數(shù)運(yùn)算，“ +”表示相加， “ — ”表示相減。 —— 方 框：也可以稱為環(huán)節(jié)。在方框中寫入元件的名稱。在進(jìn)一步的研究中， 方框是代表元件的數(shù)學(xué)模型，用“傳遞函數(shù)”表示，且有：環(huán)節(jié)輸 出量 =傳遞函數(shù) 環(huán)節(jié)輸入量。整個(gè)系統(tǒng)的方塊圖就依照信號(hào)傳遞 順序用信號(hào)線將各元件的方塊連接而成。 第四單元 控制與設(shè)計(jì) 四、附錄 —— 控制教學(xué)中的幾個(gè)基本問題 4．控制系統(tǒng)的組成 （ 3）控制系統(tǒng)方塊圖 ②方塊圖繪制舉例 —— 水箱溫度人工控制系統(tǒng)方塊圖 手 水箱 溫度計(jì) 眼睛 大腦 給定水溫 實(shí)際水溫 蒸汽閥 門開度 第四單元 控制與設(shè)計(jì) 四、附錄 —— 控制教學(xué)中的幾個(gè)基本問題 4．控制系統(tǒng)的組成 （ 3）控制系統(tǒng)方塊圖 ②方塊圖繪制舉例 —— 水箱溫度自動(dòng)控制系統(tǒng)方塊圖 實(shí)際水溫 △ U U 電動(dòng)機(jī) 水箱 測(cè)溫裝置 給定水溫 蒸汽閥 門開度 比較元件 第四單元 控制與設(shè)計(jì) 四、附錄 —— 控制教學(xué)中的幾個(gè)基本問題 4．控制系統(tǒng)的組成 （ 3）控制系統(tǒng)方塊圖 ②方塊圖繪制舉例 —— 蒸汽機(jī)轉(zhuǎn)速控制系統(tǒng)方塊圖 杠桿機(jī)構(gòu) 蒸汽閥門 蒸汽機(jī) 離心測(cè)速機(jī)構(gòu) 給定轉(zhuǎn)速 （ 張角 ） 實(shí)際轉(zhuǎn)速 離心擺實(shí) 際張角 第四單元 控制與設(shè)計(jì) 四、附錄 —— 控制教學(xué)中的幾個(gè)基本問題 4．控制系統(tǒng)的組成 （ 3）控制系統(tǒng)方塊圖 ②方塊圖繪制舉例 —— 發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速補(bǔ)償控制系統(tǒng)方塊圖 膜盒 回油針 發(fā)動(dòng)機(jī) 大氣壓力 轉(zhuǎn)速 第四單元 控制與設(shè)計(jì) 四、附錄 —— 控制教學(xué)中的幾個(gè)基本問題 5．控制系統(tǒng)的雙重任務(wù) 對(duì)于如右圖所示的 反饋控制系統(tǒng)，不管其 具體的用途如何，但它 過具有雙重任務(wù)。一方 面，它應(yīng)保證輸出量能 準(zhǔn)確的跟隨指令的變化 而變化；另一方面，它 又能保證在干擾作用下，使輸出量準(zhǔn)確地回到原來的狀態(tài)。也就是說，系統(tǒng)既要有良好的跟隨指令變化的能力，又要有良好的抗干擾能力。這就是控制系統(tǒng)的雙重任務(wù)。實(shí)際上，這二者又是統(tǒng)一的，都是要保證輸出量按給定量的規(guī)律變化。前者，是指令（給定值）主動(dòng)變化，控制系統(tǒng)運(yùn)行的結(jié)果是由原有平衡狀態(tài)以一定的精度過度到一個(gè)新的穩(wěn)定狀態(tài)。后者是給定值不變，當(dāng)輸出量因干擾而變化后，控制系統(tǒng)應(yīng)能使輸出量恢復(fù)到原來的狀態(tài)。 輸出 輸入 控制裝置 控制對(duì)象 反饋裝置 第四單元 控制與設(shè)計(jì) 四、附錄 —— 控制教學(xué)中的幾個(gè)基本問題 6．控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì) （ 1）一般控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)要求 當(dāng)指令改變或干擾使系統(tǒng)的輸出量偏離給定值時(shí)，控制系統(tǒng)將開始其控制過程。 由于系統(tǒng)本身的特性，這個(gè)控制過程將會(huì)有不同的情況：現(xiàn)以指令改變，輸出量從現(xiàn)有 狀態(tài)過渡到新的輸出狀態(tài)的控制過程為例，有的可能是平穩(wěn)地過渡，有的可能是經(jīng)過振 蕩后到達(dá)新的狀態(tài)，而有的可能一直振蕩不停，還有的可能振蕩越來越大，根本就到不 了控制要求的新狀態(tài)。如下圖所示。 如果控制過程呈后面兩種情況我們稱系統(tǒng)不穩(wěn)定。不穩(wěn)定的系統(tǒng)是不能用的，因此， 控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)的第一個(gè)要求就是穩(wěn)定性要求。 系統(tǒng)設(shè)計(jì)的第二個(gè)要求就是控制精度，就是在給定的時(shí)間內(nèi)，輸出量能進(jìn)入允許的 范圍內(nèi)。 第三個(gè)要求就是調(diào)節(jié)的快速要求。一般是規(guī)定誤差達(dá)到一定值時(shí)所用的時(shí)間。 有的系統(tǒng)不允許振蕩，就得設(shè)計(jì)成漸近系統(tǒng)，其控制過程應(yīng)如圖中第一在種情況。 控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)還有其它一些要求，如可靠、經(jīng)濟(jì)、容易實(shí)現(xiàn)等 第四單元 控制與設(shè)計(jì) 四、附錄 —— 控制教學(xué)中的幾個(gè)基本問題 6．控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì) （ 2）控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)的步驟 當(dāng)前，對(duì)于一般的控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)，基本上還采用試探法?；静襟E如下： 初步設(shè)計(jì) 先分析給定的設(shè)計(jì)任務(wù)，建立被控對(duì)象的數(shù)學(xué)模型。然后確定 初步方案，選擇控制裝置的元部件擬定原理線路和結(jié)構(gòu)方案。 在此基礎(chǔ)上，建立系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型，進(jìn)行穩(wěn)態(tài)和動(dòng)態(tài)分析。一般都是利用 模擬技術(shù)進(jìn)行數(shù)學(xué)模擬，反復(fù)修改參數(shù)，直到獲得比較滿意的初步模型。 原理試驗(yàn) 根據(jù)原理線路，建造試驗(yàn)?zāi)Ｐ?。通過試驗(yàn)，修改初步模型。這一北是十分 重要的工作。 樣機(jī)生產(chǎn) 在原理試驗(yàn)的基礎(chǔ)上考慮工藝、結(jié)構(gòu)、安裝等因素生產(chǎn)樣機(jī)，并對(duì)其進(jìn)行 反復(fù)試驗(yàn)和調(diào)整，直到使樣機(jī)滿足給定的性能為止。 模擬試驗(yàn) 將調(diào)整后的樣機(jī)和被控對(duì)象在試驗(yàn)臺(tái)上進(jìn)行聯(lián)機(jī)試驗(yàn)。但對(duì)于一些大型的 對(duì)象，通常是采用“半物理模擬試驗(yàn)”，即控制器用實(shí)物，對(duì)象用模擬的數(shù) 學(xué) 模型。通過模擬試驗(yàn)后，再進(jìn)行調(diào)整和修改，才能成為正式設(shè)計(jì)產(chǎn)品。 上述設(shè)計(jì)過程，是一般設(shè)計(jì)單位的通常程序，在這里做一簡(jiǎn)單介紹，是讓老師們了解的。對(duì)學(xué)生來說，還是按教材講為好。 謝謝！