化工儀表與自動(dòng)化-第一章-自動(dòng)控制系統(tǒng)的基本概念

化工儀表

及自動(dòng)化第一章緒論自動(dòng)控制學(xué)習(xí)這門課的重要性：

控制系統(tǒng)在化工領(lǐng)域的應(yīng)用很普遍，比如：煉油廠、化肥廠、純堿生產(chǎn)過程在滌綸短纖維生產(chǎn)過程、制漿、造紙過程、制藥等等。工藝人員也應(yīng)該充分了解所用的控制系統(tǒng)，以及控制系統(tǒng)的特性。這樣才能設(shè)計(jì)出合理、高效的生產(chǎn)工藝。使用常規(guī)儀表的中央控制室早期的DCS控制系統(tǒng)現(xiàn)代計(jì)算機(jī)控制1自動(dòng)控制系統(tǒng)概述本章的主要內(nèi)容：1.1自動(dòng)化及儀表發(fā)展概述1.2自動(dòng)控制系統(tǒng)1.3控制系統(tǒng)過渡過程及品質(zhì)指標(biāo)1.1自動(dòng)化及儀表發(fā)展概述控制理論的發(fā)展經(jīng)典控制理論:20世紀(jì)40年～20世紀(jì)50年代Nyquist(1932)頻域分析技術(shù)Bode(1945)圖根軌跡分析方法(1948)特點(diǎn)：主要從輸出與輸入量的關(guān)系方面分析與研究問題。適用范圍：線性定常的單輸入、單輸出控制系統(tǒng)。以傳遞函數(shù)為基礎(chǔ)，在頻率域?qū)屋斎雴屋敵隹刂葡到y(tǒng)進(jìn)行分析與設(shè)計(jì)PID（（比例-積分-微分）控制器）控制規(guī)律是古典控制理論最輝煌的成果之一20世紀(jì)60年代獲得迅猛發(fā)展其主要內(nèi)容為：（基礎(chǔ)）線性系統(tǒng)理論，最優(yōu)控制理論，最佳估計(jì)理論，系統(tǒng)辨識(shí)等。特點(diǎn)：從輸入-狀態(tài)-輸出的關(guān)系全面地分析與研究系統(tǒng)。適用范圍：不限于線性定常系統(tǒng)，也適用于線形時(shí)變，非線性及離散系統(tǒng)，多輸入、多輸出的情況?，F(xiàn)代控制理論:大系統(tǒng)理論:20世紀(jì)70年代開始將現(xiàn)代控制理論與系統(tǒng)理論相結(jié)合核心思想：

系統(tǒng)的分解與協(xié)調(diào)適用范圍：

高維線性系統(tǒng)智能控制理論人工智能現(xiàn)代控制理論:基地式：20世紀(jì)50年代，適用于單回路單元組合式（按功能）：DDZ,QDZ20世紀(jì)60年代，之間用標(biāo)準(zhǔn)統(tǒng)一信號(hào)聯(lián)系計(jì)算機(jī)：DDC,DCS20世紀(jì)70年代先進(jìn)控制和優(yōu)化控制：CIPS,FCS20世紀(jì)80年代以后

自動(dòng)化儀表的發(fā)展經(jīng)歷了如下過程：

模擬儀表數(shù)字儀表智能儀表?？刂葡到y(tǒng)結(jié)構(gòu)及儀表的發(fā)展1.2.1自動(dòng)控制系統(tǒng)自動(dòng)控制的必要性蒸汽汽包省煤器給水圖1-1鍋爐汽包示意圖手動(dòng)控制的步驟：(1)觀察(2)判斷，并發(fā)布命令。(3)操作1.2自動(dòng)控制系統(tǒng)蒸汽汽包省煤器給水

鍋爐汽包自動(dòng)控制系統(tǒng)示意圖術(shù)語被控過程（被控對(duì)象）：自動(dòng)控制系統(tǒng)中，工藝參數(shù)需要控制的生產(chǎn)過程、設(shè)備或機(jī)器。被控變量：被控過程內(nèi)要求保持設(shè)定值的工藝參數(shù)被控過程：汽包被控變量：

汽包液位自動(dòng)控制操縱變量：受控制器操縱的用以克服干擾的影響，使被控變量保持設(shè)定值的物料量或能量擾動(dòng)：除操縱變量外，作用于被控過程并引起被控變量變化的因素操縱變量：水的流量擾動(dòng)：水壓力、蒸汽壓力蒸汽汽包省煤器給水

鍋爐汽包自動(dòng)控制系統(tǒng)示意圖設(shè)定值：工藝參數(shù)所要求保持的數(shù)值偏差：被控變量設(shè)定值與實(shí)際值之差負(fù)反饋：將被控變量送回輸入端并與輸入變量相減蒸汽汽包省煤器給水

鍋爐汽包自動(dòng)控制系統(tǒng)示意圖閉環(huán)控制：

在反饋控制系統(tǒng)中，被控變量送回輸入端，與設(shè)定值進(jìn)行比較，根據(jù)偏差進(jìn)行控制，控制被控變量，這樣，整個(gè)系統(tǒng)構(gòu)成了一個(gè)閉環(huán)。閉環(huán)控制的特點(diǎn)（優(yōu)點(diǎn)）：按偏差進(jìn)行控制，使偏差減小或消除，達(dá)到被控變量與設(shè)定值一致的目的。

閉環(huán)控制的缺點(diǎn)：控制不夠及時(shí)；如果系統(tǒng)內(nèi)部各環(huán)節(jié)配合不當(dāng)，系統(tǒng)會(huì)引起劇烈震蕩，甚至?xí)瓜到y(tǒng)失去控制。1.2.2閉環(huán)控制與開環(huán)控制開環(huán)控制：

開環(huán)控制的特點(diǎn)（優(yōu)點(diǎn)）：不需要對(duì)被控變量進(jìn)行測(cè)量，只根據(jù)輸入信號(hào)進(jìn)行控制，控制很及時(shí)。開環(huán)控制的缺點(diǎn)：由于不測(cè)量被控變量，也不與設(shè)定值相比較，所以系統(tǒng)受到擾動(dòng)作用后，被控變量偏離設(shè)定值，并無法消除偏差，這是開環(huán)控制的缺點(diǎn)。

1.2.2閉環(huán)控制與開環(huán)控制

開環(huán)的液位控制系統(tǒng)（按擾動(dòng)控制，又稱前饋控制）開環(huán)控制舉例1Ff

FT

LT

FdC

蒸汽汽包省煤器給水蒸汽汽包省煤器給水

鍋爐汽包自動(dòng)控制系統(tǒng)示意圖閉環(huán)開環(huán)每個(gè)方框表示組成系統(tǒng)的一個(gè)環(huán)節(jié)，兩個(gè)方框之間用帶箭頭的線段表示信號(hào)聯(lián)系；進(jìn)入方框的信號(hào)為環(huán)節(jié)輸入，離開方框的為環(huán)節(jié)輸出。閉環(huán)控制系統(tǒng)組成1.2.3自動(dòng)控制系統(tǒng)的組成及方框圖控制裝置執(zhí)行器過程檢測(cè)元件、變送器r(t)比較機(jī)構(gòu)-e(t)u(t)q(t)y(t)f(t)c(t)擾動(dòng)廣義對(duì)象被控變量測(cè)量值控制器設(shè)定值c(t)：被控變量，y(t)：測(cè)量值，r(t)：設(shè)定值，u(t)：控制作用，q(t)：操縱變量，f(t):

擾動(dòng)，e(t):

偏差按設(shè)定值的不同情況，將自動(dòng)控制系統(tǒng)分為三類:

定值控制系統(tǒng)、隨動(dòng)控制系統(tǒng)、程序控制系統(tǒng)。定值控制系統(tǒng)

設(shè)定值保持不變（為一恒定值）的反饋控制系統(tǒng)稱為定值控制系統(tǒng)。

隨動(dòng)控制系統(tǒng)

設(shè)定值不斷變化，且事先是不知道的，并要求系統(tǒng)的輸出（被控變量）隨之而變化。

程序控制系統(tǒng)

設(shè)定值也是變化的，但它是一個(gè)已知的時(shí)間函數(shù)，即根據(jù)需要按一定時(shí)間程序變化1.2.4自動(dòng)控制系統(tǒng)的分類1.3.1靜態(tài)與動(dòng)態(tài)

控制系統(tǒng)的輸入有設(shè)定作用和擾動(dòng)作用。靜態(tài)（定態(tài)）：當(dāng)輸入恒定不變時(shí)，整個(gè)系統(tǒng)若能建立平衡，系統(tǒng)中各個(gè)環(huán)節(jié)將暫不動(dòng)作，它們的輸出都處于相對(duì)靜止?fàn)顟B(tài)。此時(shí)輸入與輸出之間的關(guān)系稱為系統(tǒng)的靜態(tài)特性。環(huán)節(jié)的靜態(tài)特性動(dòng)態(tài)：由于輸入的變化，輸出隨時(shí)間變化，其間的關(guān)系稱為系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)特性。也就是說，從輸入開始，經(jīng)過控制直到再建立靜態(tài)，在這段時(shí)間中，整個(gè)系統(tǒng)的各個(gè)環(huán)節(jié)和變量都處于變化的過程之中，這種狀態(tài)稱為動(dòng)態(tài)。1.3自動(dòng)控制系統(tǒng)的過渡過程及品質(zhì)指標(biāo)當(dāng)自動(dòng)控制系統(tǒng)的輸入發(fā)生變化后，被控變量（即輸出）隨時(shí)間不斷變化，它隨時(shí)間而變化的過程稱為系統(tǒng)的過渡過程。也就是系統(tǒng)從一個(gè)平衡狀態(tài)過渡到另一個(gè)平衡狀態(tài)的過程。

對(duì)于一個(gè)穩(wěn)定的系統(tǒng)（所有正常工作的反饋系統(tǒng)都是穩(wěn)定系統(tǒng)）要分析其穩(wěn)定性、準(zhǔn)確性和快速性，常以階躍作用為輸入時(shí)的被控變量的過渡過程為例，因?yàn)殡A躍作用很典型，實(shí)際上也經(jīng)常遇到，且這類輸入變化對(duì)系統(tǒng)來講是比較嚴(yán)重的情況。

1.3.2自動(dòng)控制系統(tǒng)的過渡過程發(fā)散振蕩單調(diào)發(fā)散等幅振蕩衰減振蕩單調(diào)衰減定值控制系統(tǒng)過渡過程的幾種形式單項(xiàng)控制指標(biāo)（僅適用于衰減振蕩過程）穩(wěn)定性、準(zhǔn)確性和快速性（1）衰減比nn=B/B’（2）最大動(dòng)態(tài)偏差emax或超調(diào)量（3）余差e(∞)（4）恢復(fù)時(shí)間Ts和振蕩頻率ω綜合控制指標(biāo)1.3.3自動(dòng)控制系統(tǒng)的品質(zhì)指標(biāo)衰減比是衡量過渡過程穩(wěn)定性的動(dòng)態(tài)指標(biāo)。定義：第一個(gè)波的振幅與同方向第二個(gè)波的振幅之比

（1）衰減比n衰減比nCty(t)BB’A0穩(wěn)態(tài)特性

n>1:衰減振蕩

n=1:等幅振蕩

n<1:發(fā)散振蕩衰減比在4:1到10:1的范圍內(nèi)。衰減率：

對(duì)于定值控制系統(tǒng)，過渡過程的最大動(dòng)態(tài)偏差是指被控變量第一個(gè)波的峰值與設(shè)定值之差。在上圖中，最大偏差就是第一個(gè)波的峰值。emax=|B+C|最大偏差表示系統(tǒng)瞬間偏離給定值的最大程度。

（2）最大動(dòng)態(tài)偏差（emax）或超調(diào)量（σ）Cty(t)BB’A0穩(wěn)態(tài)特性超調(diào)量定義：第一個(gè)波的峰值與最終穩(wěn)態(tài)值之差，即B=A-CAytBB’C0emax隨動(dòng)控制系統(tǒng)(2)最大動(dòng)態(tài)偏差(emax)或超調(diào)量(σ)如果系統(tǒng)的新穩(wěn)態(tài)值等于設(shè)定值，那么最大偏差就等于超調(diào)量。一般超調(diào)量以百分?jǐn)?shù)給出。（3）余差e(∞)定義：控制系統(tǒng)過渡過程終了時(shí)設(shè)定值與被控變量穩(wěn)態(tài)值之差。

余差是反映控制準(zhǔn)確性的一個(gè)重要穩(wěn)態(tài)指標(biāo)，一般希望其為零，或不超過預(yù)定的范圍。在控制系統(tǒng)中，對(duì)余差的要求取決于生產(chǎn)過程的要求，并不是越小越好。例如儲(chǔ)槽液位，余差可大一些；化學(xué)反應(yīng)器的溫度控制要求高，余差就要小一些。（4）回復(fù)時(shí)間（過渡時(shí)間）Ts回復(fù)時(shí)間表示控制系統(tǒng)過渡過程的長短。定義：控制系統(tǒng)在受到階躍外作用后，被控變量從原有穩(wěn)態(tài)值達(dá)到新的穩(wěn)態(tài)值所需要的時(shí)間。理論上講，控制系統(tǒng)要完全達(dá)到新的平衡狀態(tài)需要無限長的時(shí)間。實(shí)際上，被控變量接近于新穩(wěn)態(tài)值。如：±5%

Cty(t)BB’A0穩(wěn)態(tài)特性（5）振蕩頻率（或振蕩周期）在衰減比相同條件下，周期與過渡時(shí)間成正比；振蕩頻率與回復(fù)時(shí)間成反比。定義：過渡過程同向兩波峰之間的時(shí)間間隔稱為振蕩周期或工作周期。其倒數(shù)稱為振蕩頻率。次要指標(biāo)振