06 自動控制系統(tǒng)概述

1、化工儀表及自動化化工儀表及自動化 第六章第六章 自動控制系統(tǒng)概述自動控制系統(tǒng)概述 內(nèi)容提要內(nèi)容提要 n 自動控制系統(tǒng)的組成自動控制系統(tǒng)的組成 n 自動控制系統(tǒng)的方塊圖自動控制系統(tǒng)的方塊圖 n信號和變量信號和變量 n自動控制系統(tǒng)方塊圖自動控制系統(tǒng)方塊圖 n反饋反饋 n自動控制系統(tǒng)的分類自動控制系統(tǒng)的分類 n 過渡過程和品質(zhì)指標(biāo)過渡過程和品質(zhì)指標(biāo) n控制系統(tǒng)的靜態(tài)與動態(tài)控制系統(tǒng)的靜態(tài)與動態(tài) 1 內(nèi)容提要內(nèi)容提要 n控制系統(tǒng)的過渡過程控制系統(tǒng)的過渡過程 n控制系統(tǒng)的控制指標(biāo)控制系統(tǒng)的控制指標(biāo) n影響控制指標(biāo)的主要因素影響控制指標(biāo)的主要因素 2 第一節(jié)第一節(jié) 自動控制系統(tǒng)的組成自動控制系統(tǒng)的組成 3

2、圖7-1 人工操作圖 圖7-2 液位自動控制圖 人工操作與自動控制比較圖人工操作與自動控制比較圖 控制速度和精度不能滿足大型控制速度和精度不能滿足大型 現(xiàn)代化生產(chǎn)的需要現(xiàn)代化生產(chǎn)的需要 第一節(jié)第一節(jié) 自動控制系統(tǒng)的組成自動控制系統(tǒng)的組成 圖7-2 液位自動控制 4 字母字母第一位字母第一位字母后繼字母后繼字母 被測變量被測變量修飾詞修飾詞功能功能 A C D E F I K L M P Q R S T V W Y Z 分析分析 電導(dǎo)率電導(dǎo)率 密度密度 電壓電壓 流量流量 電流電流 時間或時間程序時間或時間程序 物位物位 水分或濕度水分或濕度 壓力或真空壓力或真空 數(shù)量或件數(shù)數(shù)量或件數(shù) 放射性放

3、射性 速度或頻率速度或頻率 溫度溫度 黏度黏度 力力 供選用供選用 位置位置 差差 比（分?jǐn)?shù)）比（分?jǐn)?shù)） 積分、累積積分、累積 安全安全 報警報警 控制（調(diào)節(jié)）控制（調(diào)節(jié)） 檢測元件檢測元件 指示指示 自動自動-手動操作器手動操作器 積分、累積積分、累積 記錄或打印記錄或打印 開關(guān)、聯(lián)鎖開關(guān)、聯(lián)鎖 傳送傳送 閥、擋板、百葉窗閥、擋板、百葉窗 套管套管 繼動器或計算器繼動器或計算器 驅(qū)動、執(zhí)行或未分類的終端執(zhí)行機(jī)構(gòu)驅(qū)動、執(zhí)行或未分類的終端執(zhí)行機(jī)構(gòu) 表7-1 被測變量和儀表功能的字母代號 5 第一節(jié)第一節(jié) 自動控制系統(tǒng)的組成自動控制系統(tǒng)的組成 在自動控制系統(tǒng)的組成中,除必須具有前面所述的自 動化裝

4、置外,還必須具有控制裝置所控制的。 在自動控制系統(tǒng)中,將需要控制其工藝參數(shù)的生產(chǎn) 設(shè)備、機(jī)器、一段管道或設(shè)備的一部分叫做, 簡稱。 要選擇好控制系統(tǒng)要選擇好控制系統(tǒng) 的對象的對象 6 第二節(jié)第二節(jié) 自動控制系統(tǒng)的方塊圖自動控制系統(tǒng)的方塊圖 n 一、信號和變量一、信號和變量 載有變量信息的物理變量是信號。 系統(tǒng)或環(huán)節(jié) u y 圖7-3 輸入、輸出變量圖 輸入變量 輸出變量 多輸入多數(shù)出系統(tǒng) 7 第二節(jié)第二節(jié) 自動控制系統(tǒng)的方塊圖自動控制系統(tǒng)的方塊圖 圖7-4 簡單水槽 A B uu1 u2 圖7-5 信號分叉點 8 第二節(jié)第二節(jié) 自動控制系統(tǒng)的方塊圖自動控制系統(tǒng)的方塊圖 n 二、自動控制系統(tǒng)方塊

5、圖二、自動控制系統(tǒng)方塊圖 n在研究自動控制系統(tǒng)時，為了便于對系統(tǒng)分析研究，一在研究自動控制系統(tǒng)時，為了便于對系統(tǒng)分析研究，一 般都用方塊圖來表示控制系統(tǒng)的組成。般都用方塊圖來表示控制系統(tǒng)的組成。 n下頁圖為液位自動控制系統(tǒng)方塊圖。每個環(huán)節(jié)表示組成下頁圖為液位自動控制系統(tǒng)方塊圖。每個環(huán)節(jié)表示組成 系統(tǒng)的一個部分，稱為系統(tǒng)的一個部分，稱為“環(huán)節(jié)環(huán)節(jié)”。兩個方塊之間用一條。兩個方塊之間用一條 帶有箭頭的線條表示其信號的相互關(guān)系，箭頭指向方塊帶有箭頭的線條表示其信號的相互關(guān)系，箭頭指向方塊 表示為這個環(huán)節(jié)的輸入，箭頭離開方塊表示為這個環(huán)節(jié)表示為這個環(huán)節(jié)的輸入，箭頭離開方塊表示為這個環(huán)節(jié) 的輸出。線旁的

6、字母表示相互間的作用信號。的輸出。線旁的字母表示相互間的作用信號。 9 n方塊圖中，方塊圖中， x 指設(shè)定值；指設(shè)定值；z 指輸出信號；指輸出信號；e 指偏差信指偏差信 號；號；p 指發(fā)出信號；指發(fā)出信號；q 指出料流量信號；指出料流量信號；y 指被控變指被控變 量；量；f 指擾動作用。當(dāng)指擾動作用。當(dāng)x 取正值，取正值，z取負(fù)值取負(fù)值，e= x- z， 負(fù)反饋；負(fù)反饋；x 取正值，取正值，z取正值，取正值， e= x+ z，正反饋。，正反饋。 第二節(jié)第二節(jié) 自動控制系統(tǒng)的方塊圖自動控制系統(tǒng)的方塊圖 圖7-6 自動控制系統(tǒng)方塊圖 10 第二節(jié)第二節(jié) 自動控制系統(tǒng)的方塊圖自動控制系統(tǒng)的方塊圖 n

7、 其他控制系統(tǒng)其他控制系統(tǒng) 用同一種形式地方塊圖可以代表不同的控制系統(tǒng)，上圖也用同一種形式地方塊圖可以代表不同的控制系統(tǒng)，上圖也 可表示如下系統(tǒng)。可表示如下系統(tǒng)。 當(dāng)進(jìn)料流量或溫度變化 等因素引起出口物料溫度變 化時，可以將該溫度變化測 量后送至溫度控制器TC。溫 度控制器的輸出送至控制閥， 以改變加熱蒸汽量來維持出 口物料的溫度不變。 11 圖7-7 蒸汽加熱器溫度控制系統(tǒng) 第二節(jié)第二節(jié) 自動控制系統(tǒng)的方塊圖自動控制系統(tǒng)的方塊圖 為了便于分析,有時將控制器以外的各個環(huán)節(jié) (包 括被控對象、測量元件及變送器、控制閥)組合在一起 看待,稱之為廣義對象廣義對象,這樣,整個系統(tǒng)可認(rèn)為是由控制 器與廣

8、義對象兩者所構(gòu)成,其方塊圖可簡化。 控制器廣義對象 被控變量測量值z給定值 干擾作用f -x 圖7-8 簡化方塊圖 12 第二節(jié)第二節(jié) 自動控制系統(tǒng)的方塊圖自動控制系統(tǒng)的方塊圖 n 三、反饋三、反饋 自動控制系統(tǒng)是一個閉環(huán)系統(tǒng)，是由于反饋的 存在造成的。 x K y z e - 圖7-9 負(fù)反饋系統(tǒng) Key yxe 13 第二節(jié)第二節(jié) 自動控制系統(tǒng)的方塊圖自動控制系統(tǒng)的方塊圖 yKKxy x K K y 1 兩式聯(lián)立,消去e,則有 （7-1） xy 單位反饋系統(tǒng) xy 1 如果K很大, K 1 ,則 （7-2） 14 第二節(jié)第二節(jié) 自動控制系統(tǒng)的方塊圖自動控制系統(tǒng)的方塊圖 小結(jié)小結(jié) 自動控制系

9、統(tǒng)是具有被控變量負(fù)反饋的閉環(huán)系統(tǒng)。 它與自動測量、自動操縱等開環(huán)系統(tǒng)比較,最本質(zhì)的 差別,就在于控制系統(tǒng)有無負(fù)反饋有無負(fù)反饋存在。 自動操縱裝置自動操縱裝置對象對象 操縱指令操縱指令操縱作用操縱作用 工藝參數(shù)工藝參數(shù) 圖7-10 自動操縱系統(tǒng)方塊圖 15 第二節(jié)第二節(jié) 自動控制系統(tǒng)的方塊圖自動控制系統(tǒng)的方塊圖 n 四、自動控制系統(tǒng)的分類四、自動控制系統(tǒng)的分類 n按被控變量來分類，如溫度、壓力等控制系統(tǒng)；按被控變量來分類，如溫度、壓力等控制系統(tǒng)； n按控制器具有的控制規(guī)律來分類，如比例、比例積分、按控制器具有的控制規(guī)律來分類，如比例、比例積分、 比例微分、比例積分微分等控制系統(tǒng)；比例微分、比例積

10、分微分等控制系統(tǒng)； n將控制系統(tǒng)按照工藝過程需要控制的被控變量的給定將控制系統(tǒng)按照工藝過程需要控制的被控變量的給定 值是否變化和如何變化來分類，這樣可將自動控制系值是否變化和如何變化來分類，這樣可將自動控制系 統(tǒng)分為三類，即定值控制系統(tǒng)、隨動控制系統(tǒng)和程序統(tǒng)分為三類，即定值控制系統(tǒng)、隨動控制系統(tǒng)和程序 控制系統(tǒng)?？刂葡到y(tǒng)。 16 其中第三種分類方法最普遍其中第三種分類方法最普遍 第二節(jié)第二節(jié) 自動控制系統(tǒng)的方塊圖自動控制系統(tǒng)的方塊圖 “定值” 是恒定給定值的簡稱。工藝生產(chǎn)中，若要求 控制系統(tǒng)的作用是使被控制的工藝參數(shù)保持在一個生產(chǎn)指 標(biāo)上不變，或者說要求被控變量的給定值不變，就需要采 用定值控

11、制系統(tǒng)。 17 給定值隨機(jī)變化，該系統(tǒng)的目的就是使所控制的工藝參 數(shù)準(zhǔn)確而快速地跟隨給定值的變化而變化。 第二節(jié)第二節(jié) 自動控制系統(tǒng)的方塊圖自動控制系統(tǒng)的方塊圖 3.3.程序控制系統(tǒng)（順序控制系統(tǒng)）程序控制系統(tǒng)（順序控制系統(tǒng)） 給定值變化，但它是一個已知的時間函數(shù)，即生 產(chǎn)技術(shù)指標(biāo)需按一定的時間程序變化。這類系統(tǒng)在間 歇生產(chǎn)過程中應(yīng)用比較普通。 18 第三節(jié)第三節(jié) 過渡過程和品質(zhì)指標(biāo)過渡過程和品質(zhì)指標(biāo) n 一、控制系統(tǒng)的靜態(tài)與動態(tài)一、控制系統(tǒng)的靜態(tài)與動態(tài) 19 自動控制目的：自動控制目的：希望將被控變量保持在一個不變的給定 值上，這只有當(dāng)進(jìn)入被控對象的物料量（或能量）和流 出對象的物料量（或能

12、量）相等時才有可能。 靜態(tài)靜態(tài)被控變量不隨時間而變化的平衡狀態(tài)（變化率 為0，不是靜止）。 第三節(jié)第三節(jié) 過渡過程和品質(zhì)指標(biāo)過渡過程和品質(zhì)指標(biāo) 當(dāng)一個自動控制系統(tǒng)的輸入（給定和干擾）和輸出均 恒定不變時，整個系統(tǒng)就處于一種相對穩(wěn)定的平衡狀態(tài)， 系統(tǒng)的各個組成環(huán)節(jié)如變送器、控制器、控制閥都不改變 其原先的狀態(tài)，它們的輸出信號也都處于相對靜止?fàn)顟B(tài)， 這種狀態(tài)就是靜態(tài)靜態(tài)。 20 第三節(jié)第三節(jié) 過渡過程和品質(zhì)指標(biāo)過渡過程和品質(zhì)指標(biāo) 21 動態(tài)動態(tài)被控變量隨時間變化的不平衡狀態(tài) 。 從干擾作用破壞靜態(tài)平衡，經(jīng)過控制，直到系統(tǒng)重 新建立平衡，在這一段時間中，整個系統(tǒng)的各個環(huán)節(jié)和 信號都處于變動狀態(tài)之中，

13、這種狀態(tài)叫做動態(tài)。 在自動化工作中，了解系統(tǒng)的靜態(tài)是必要的，但是了 解系統(tǒng)的動態(tài)更為重要。因為在生產(chǎn)過程中，干擾是客觀存 在的，是不可避免的，就需要通過自動化裝置不斷地施加控 制作用去對抗或抵消干擾作用的影響，從而使被控變量保持 在工藝生產(chǎn)所要求控制的技術(shù)指標(biāo)上。 第三節(jié)第三節(jié) 過渡過程和品質(zhì)指標(biāo)過渡過程和品質(zhì)指標(biāo) n 二、控制系統(tǒng)的過渡過程二、控制系統(tǒng)的過渡過程 n系統(tǒng)由一個平衡狀態(tài)過渡到另一個平衡狀態(tài)的過程。系統(tǒng)由一個平衡狀態(tài)過渡到另一個平衡狀態(tài)的過程。 22 當(dāng)干擾作用于對象，系 統(tǒng)輸出y發(fā)生變化，在 系統(tǒng)負(fù)反饋作用下，經(jīng) 過一段時間，系統(tǒng)重新 恢復(fù)平衡。 舉例舉例 圖7-11 控制系統(tǒng)

14、方塊圖 控制器執(zhí)行器對象 被控變量 測量、變送 給定值 干擾 - 第三節(jié)第三節(jié) 過渡過程和品質(zhì)指標(biāo)過渡過程和品質(zhì)指標(biāo) n系統(tǒng)在過渡過程中，被控變量是隨時間變化的。被控 變量隨時間的變化規(guī)律首先取決于作用于系統(tǒng)的干擾 形式。 n在生產(chǎn)中，出現(xiàn)的干擾是沒有固定形式的，且多半屬 于隨機(jī)性質(zhì)。在分析和設(shè)計控制系統(tǒng)時，為了安全和 方便，常選擇一些定型的干擾形式，其中常用的是階 躍干擾。 23 第三節(jié)第三節(jié) 過渡過程和品質(zhì)指標(biāo)過渡過程和品質(zhì)指標(biāo) 這種形式的干擾比較突然、 危險，且對被控變量的影響 也最大。如果一個控制系統(tǒng) 能夠有效地克服這種類型的 干擾，那么一定能很好地克 服比較緩和的干擾。 這種干擾的形

15、式簡單，容易 實現(xiàn)，便于分析、實驗和計 算。 24 圖7-12 階躍干擾作用 第三節(jié)第三節(jié) 過渡過程和品質(zhì)指標(biāo)過渡過程和品質(zhì)指標(biāo) n自動控制系統(tǒng)在階躍干擾作用下過渡過程的四種形式自動控制系統(tǒng)在階躍干擾作用下過渡過程的四種形式 25 發(fā)散震蕩過程發(fā)散震蕩過程 X X 非周期衰減過程非周期衰減過程 衰減震蕩過程衰減震蕩過程 等幅震蕩過程等幅震蕩過程 ？ 對于控制質(zhì)量要求不對于控制質(zhì)量要求不 高的場合，如果被控高的場合，如果被控 變量允許在工藝許可變量允許在工藝許可 的范圍內(nèi)振蕩（主要的范圍內(nèi)振蕩（主要 指在位式控制時），指在位式控制時）， 才可采用。才可采用。 第三節(jié)第三節(jié) 過渡過程和品質(zhì)指標(biāo)過渡

16、過程和品質(zhì)指標(biāo) n三、控制系統(tǒng)的控制指標(biāo)三、控制系統(tǒng)的控制指標(biāo) 26 多數(shù)情況下，希望得到衰減振蕩過程，在此取這 種過程形式討論控制系統(tǒng)的品質(zhì)指標(biāo)。 控制指標(biāo)主要有兩類,一類是時間域的單項指標(biāo), 另一類是時間域的綜合指標(biāo)。 控制系統(tǒng)的過渡過程是衡量品質(zhì)的依據(jù)。控制系統(tǒng)的過渡過程是衡量品質(zhì)的依據(jù)。 第三節(jié)第三節(jié) 過渡過程和品質(zhì)指標(biāo)過渡過程和品質(zhì)指標(biāo) 1. 1.時間域的各種單項指標(biāo)時間域的各種單項指標(biāo) 假定自動控制系統(tǒng)在階躍輸入作用下，被控變量的 變化曲線如下圖所示，這是屬于衰減振蕩的過渡過程 圖7-14 過渡過程品質(zhì)指標(biāo)示意圖 27 第三節(jié)第三節(jié) 過渡過程和品質(zhì)指標(biāo)過渡過程和品質(zhì)指標(biāo) 28 五種

17、重要品質(zhì)指標(biāo)之一五種重要品質(zhì)指標(biāo)之一 （ 1 ）最大偏差或超調(diào)量）最大偏差或超調(diào)量 最大偏差是指在過渡過程中，被控變量偏離給定值的 最大數(shù)值。在衰減振蕩過程中，最大偏差就是第一個波的 峰值。特別是對于一些有約束條件的系統(tǒng)，如化學(xué)反應(yīng)器 的化合物爆炸極限、觸媒燒結(jié)溫度極限等，都會對最大偏 差的允許值有所限制。 超調(diào)量也可以用來表征被控變量偏離給定值的程度。 第三節(jié)第三節(jié) 過渡過程和品質(zhì)指標(biāo)過渡過程和品質(zhì)指標(biāo) （2）衰減比）衰減比 衰減比是衰減程度的指標(biāo)，它是前后相鄰兩個峰值的 比。習(xí)慣表示為 n:1，一般 n 取為410之間為宜。 五種重要品質(zhì)指標(biāo)之二五種重要品質(zhì)指標(biāo)之二 29 第三節(jié)第三節(jié) 過

18、渡過程和品質(zhì)指標(biāo)過渡過程和品質(zhì)指標(biāo) 五種重要品質(zhì)指標(biāo)之三五種重要品質(zhì)指標(biāo)之三 （ 3 ） 余差余差 當(dāng)過渡過程終了時，被控變量所達(dá)到的新的穩(wěn)態(tài)值與 給定值之間的偏差叫做余差，或者說余差就是過渡過程終 了時的殘余偏差。有余差的控制過程稱為有差調(diào)節(jié)，相應(yīng) 的系統(tǒng)稱為有差系統(tǒng)。反之就為無差調(diào)節(jié)和無差系統(tǒng)。 30 第三節(jié)第三節(jié) 過渡過程和品質(zhì)指標(biāo)過渡過程和品質(zhì)指標(biāo) 五種重要品質(zhì)指標(biāo)之四五種重要品質(zhì)指標(biāo)之四 （4） 過渡時間過渡時間 從干擾作用發(fā)生的時刻起，直到系統(tǒng)重新建立新的平 衡時止，過渡過程所經(jīng)歷的時間叫過渡時間。一般在穩(wěn)態(tài) 值的上下規(guī)定一個小范圍，當(dāng)被控變量進(jìn)入該范圍并不再 越出時，就認(rèn)為被控變

19、量已經(jīng)達(dá)到新的穩(wěn)態(tài)值，或者說過 渡過程已經(jīng)結(jié)束這個范圍一般定為穩(wěn)態(tài)值的（也有 的規(guī)定為）。 31 第三節(jié)第三節(jié) 過渡過程和品質(zhì)指標(biāo)過渡過程和品質(zhì)指標(biāo) 五種重要品質(zhì)指標(biāo)之五五種重要品質(zhì)指標(biāo)之五 （5 5）震蕩周期或頻率）震蕩周期或頻率 過渡過程同向兩波峰（或波谷）之間的間隔時間叫振 蕩周期或工作周期，其倒數(shù)稱為振蕩頻率。在衰減比相同 的情況下，周期與過渡時間成正比，一般希望振蕩周期短 一些為好。 32 第三節(jié)第三節(jié) 過渡過程和品質(zhì)指標(biāo)過渡過程和品質(zhì)指標(biāo) 33 某電爐的溫度控制系統(tǒng)在單位階躍干擾作用下的過渡 過程曲線如下圖所示。試分別求出最大偏差、余差、 衰減比、振蕩周期和過渡時間（給定值為200

20、）。 舉例舉例 圖7-15 溫度控制系統(tǒng)過渡過程曲線 第三節(jié)第三節(jié) 過渡過程和品質(zhì)指標(biāo)過渡過程和品質(zhì)指標(biāo) 解解: : 最大偏差A(yù)230-20030余差C205-200 由圖上可以看出，第一個波峰值B230-20525， 第二個波峰值B2102055， 故衰減比應(yīng)為B:B25:55:1。 振蕩周期為同向兩波峰之間的時間間隔， 故周期T20-515（min） 34 第三節(jié)第三節(jié) 過渡過程和品質(zhì)指標(biāo)過渡過程和品質(zhì)指標(biāo) 分析：分析：過渡時間與規(guī)定的被控變量限制范圍大小有關(guān)， 假定被控變量進(jìn)入額定值的2，就可以認(rèn)為過渡過程 已經(jīng)結(jié)束，那么限制范圍為200（2）4，這 時，可在新穩(wěn)態(tài)值（205）兩側(cè)以寬度

21、為畫一區(qū) 域，上圖中以畫有陰影線的區(qū)域表示，只要被控變量進(jìn) 入這一區(qū)域且不再越出，過濾過程就可以認(rèn)為已經(jīng)結(jié)束。 因此，從圖上可以看出，過渡時間為22min。 35 第三節(jié)第三節(jié) 過渡過程和品質(zhì)指標(biāo)過渡過程和品質(zhì)指標(biāo) 2. 2.時間域的綜合指標(biāo)時間域的綜合指標(biāo) 綜合性指標(biāo)往往通過偏差的某些函數(shù)對時間的積分值 來表達(dá),以兼顧最大偏差、超調(diào)量、衰減比、過渡時間等 各方面的因素。 以表示過渡過程中被控變量與新穩(wěn)態(tài)值的差值, 即 e(t) = y(t) - y()。 36 第三節(jié)第三節(jié) 過渡過程和品質(zhì)指標(biāo)過渡過程和品質(zhì)指標(biāo) 三種綜合指標(biāo)三種綜合指標(biāo) 偏差絕對值對時間的積分,簡記為IAE dtteIAE

22、0 采用絕對值,可避免正負(fù)積分面積相消的現(xiàn)象。 37 第三節(jié)第三節(jié) 過渡過程和品質(zhì)指標(biāo)過渡過程和品質(zhì)指標(biāo) 偏差絕對值與時間乘積對時間的積分,簡記為ITAE tdtteITAE 0 它對后期的偏差值加大權(quán)值,因此對消除偏差所 需的時間比較敏感。 38 第三節(jié)第三節(jié) 過渡過程和品質(zhì)指標(biāo)過渡過程和品質(zhì)指標(biāo) 偏差平方值對時間的積分,簡記為ISE 0 2dt eISE 采用平方值,同樣可以避免正負(fù)偏差積分時的相消 現(xiàn)象。 與IAE相比,它對最大偏差的數(shù)值更加敏感。 39 第三節(jié)第三節(jié) 過渡過程和品質(zhì)指標(biāo)過渡過程和品質(zhì)指標(biāo) n 四、影響控制指標(biāo)的主要因素四、影響控制指標(biāo)的主要因素 40 一個自動控制系統(tǒng)可以概括成兩大部分，即 和。前者指與該自動控 制系統(tǒng)有關(guān)的部分。后者指為實現(xiàn)自動控制所必需的自動 化儀表設(shè)備，通常包括測量與變送裝置、控制器和執(zhí)行器 等三部分。 第三節(jié)第三節(jié) 過渡過程和品質(zhì)指標(biāo)過渡過程和品質(zhì)指標(biāo) 對