化工儀表及自動化厲玉鳴第三版第7章課件

化工儀表及自動化第七章自動控制系統(tǒng)概述

內容提要自動控制系統(tǒng)的組成自動控制系統(tǒng)的方塊圖信號和變量自動控制系統(tǒng)方塊圖反饋自動控制系統(tǒng)的分類過渡過程和品質指標控制系統(tǒng)的靜態(tài)與動態(tài)1內容提要控制系統(tǒng)的過渡過程控制系統(tǒng)的控制指標影響控制指標的主要因素2第一節(jié)自動控制系統(tǒng)的組成圖7-2液位自動控制4字母第一位字母后繼字母被測變量修飾詞功能ACDEFIKLMPQRSTVWYZ分析電導率密度電壓流量電流時間或時間程序物位水分或濕度壓力或真空數量或件數放射性速度或頻率溫度黏度力供選用位置差比（分數）積分、累積安全報警控制（調節(jié)）檢測元件指示自動-手動操作器積分、累積記錄或打印開關、聯鎖傳送閥、擋板、百葉窗套管繼動器或計算器驅動、執(zhí)行或未分類的終端執(zhí)行機構表7-1被測變量和儀表功能的字母代號5第一節(jié)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置外,還必須具有控制裝置所控制的生產設備。在自動控制系統(tǒng)中,將需要控制其工藝參數的生產設備、機器、一段管道或設備的一部分叫做被控對象,簡稱對象。要選擇好控制系統(tǒng)的對象6第二節(jié)自動控制系統(tǒng)的方塊圖圖7-4簡單水槽ABuu1u2圖7-5信號分叉點8第二節(jié)自動控制系統(tǒng)的方塊圖二、自動控制系統(tǒng)方塊圖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。下頁圖為液位自動控制系統(tǒng)的方塊圖每個環(huán)節(jié)表示組成系統(tǒng)的一個部分，稱為“環(huán)節(jié)”。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)的輸出。線旁的字母表示相互間的作用信號。9方塊圖中，

x

指設定值；z

指輸出信號；e

指偏差信號；p指發(fā)出信號；q

指出料流量信號；y

指被控變量；f

指擾動作用。當x

取正值，z取負值，e=x-z，負反饋；x

取正值，z取正值，e=x+z，正反饋。第二節(jié)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)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,這樣,整個系統(tǒng)可認為是由控制器與廣義對象兩者所構成,其方塊圖可簡化?？刂破鲝V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)自動控制系統(tǒng)的方塊圖三、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。xKβyze-圖7-9負反饋系統(tǒng)13第二節(jié)自動控制系統(tǒng)的方塊圖兩式聯立,消去e,則有（7-1）單位反饋系統(tǒng)如果K很大,K》1,則（7-2）14第二節(jié)自動控制系統(tǒng)的方塊圖四、自動控制系統(tǒng)的分類按被控變量來分類，如溫度、壓力等控制系統(tǒng)；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)；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)。16其中第三種分類方法最普遍第二節(jié)自動控制系統(tǒng)的方塊圖

“定值”是恒定給定值的簡稱。工藝生產中，若要求控制系統(tǒng)的作用是使被控制的工藝參數保持在一個生產指標上不變，或者說要求被控變量的給定值不變，就需要采用定值控制系統(tǒng)。171.定值控制方法2.隨動控制系統(tǒng)（自動跟蹤系統(tǒng)）給定值隨機變化，該系統(tǒng)的目的就是使所控制的工藝參數準確而快速地跟隨給定值的變化而變化。第二節(jié)自動控制系統(tǒng)的方塊圖3.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，即生產技術指標需按一定的時間程序變化。這類系統(tǒng)在間歇生產過程中應用比較普通。18第三節(jié)過渡過程和品質指標

當一個自動控制系統(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狀態(tài)，這種狀態(tài)就是靜態(tài)。20第三節(jié)過渡過程和品質指標21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，這種狀態(tài)叫做動態(tài)。結論：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所要求控制的技術指標上。第三節(jié)過渡過程和品質指標二、控制系統(tǒng)的過渡過程系統(tǒng)由一個平衡狀態(tài)過渡到另一個平衡狀態(tài)的過程。

22當干擾作用于對象，系統(tǒng)輸出y發(fā)生變化，在系統(tǒng)負反饋作用下，經過一段時間，系統(tǒng)重新恢復平衡。舉例圖7-11控制系統(tǒng)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)過渡過程和品質指標采用階躍干擾的優(yōu)點：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。這種干擾的形式簡單，容易實現，便于分析、實驗和計算。24圖7-12階躍干擾作用第三節(jié)過渡過程和品質指標自動控制系統(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X非周期衰減過程√衰減震蕩過程√等幅震蕩過程

？對于控制質量要求不高的場合，如果被控變量允許在工藝許可的范圍內振蕩（主要指在位式控制時），才可采用。

第三節(jié)過渡過程和品質指標28五種重要品質指標之一（1）最大偏差或超調量

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)，如化學反應器的化合物爆炸極限、觸媒燒結溫度極限等，都會對最大偏差的允許值有所限制。超調量也可以用來表征被控變量偏離給定值的程度。第三節(jié)過渡過程和品質指標（2）衰減比衰減比是衰減程度的指標，它是前后相鄰兩個峰值的比。習慣表示為n:1，一般n取為4～10之間為宜。五種重要品質指標之二29第三節(jié)過渡過程和品質指標五種重要品質指標之三（3）余差當過渡過程終了時，被控變量所達到的新的穩(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節(jié)，相應的系統(tǒng)稱為有差系統(tǒng)。反之就為無差調節(jié)和無差系統(tǒng)。

30第三節(jié)過渡過程和品質指標五種重要品質指標之四（4）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，當被控變量進入該范圍并不再越出時，就認為被控變量已經達到新的穩(wěn)態(tài)值，或者說過渡過程已經結束這個范圍一般定為穩(wěn)態(tài)值的±５％（也有的規(guī)定為±２％）。31第三節(jié)過渡過程和品質指標五種重要品質指標之五（5）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)過渡過程和品質指標33某換熱器的溫度控制系統(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℃）。舉例圖7-15溫度控制系統(tǒng)過渡過程曲線第三節(jié)過渡過程和品質指標解:

最大偏差A＝230-200＝30℃余差C＝205-200＝５℃由圖上可以看出，第一個波峰值B＝230-205＝25℃，第二個波峰值B′＝210－205＝5℃，故衰減比應為B:B′＝25:5＝5:1。振蕩周期為同向兩波峰之間的時間間隔，故周期T＝20-5＝15（min）34第三節(jié)過渡過程和品質指標

分析：過渡時間與規(guī)定的被控變量限制范圍大小有關，假定被控變量進入額定值的±2％，就可以認為過渡過程已經結束，那么限制范圍為200×（±2％）＝±4℃，這時，可在新穩(wěn)態(tài)值（205℃）兩側以寬度為±４℃畫一區(qū)域，上圖中以畫有陰影線的區(qū)域表示，只要被控變量進入這一區(qū)域且不再越出，過濾過程就可以認為已經結束。因此，從圖上可以看出，過渡時間為22min。35第三節(jié)過渡過程和品質指標2.時間域的綜合指標綜合性指標往往通過偏差的某些函數對時間的積分值來表達,以兼顧最大偏差、超調量、衰減比、過渡時間等各方面的因素。以偏差e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)過渡過程和品質指標三種綜合指標①偏差絕對值對時間的積分,簡記為IAE

采用絕對值,可避免正負積分面積相消的現象。37第三節(jié)過渡過程和品質指標②偏差絕對值與時間乘積對時間的積分,簡記為ITAE

它對后期的偏差值加大權值,因此對消除偏差所需的時間比較敏感。38第三節(jié)過渡過程和品質指標③偏差平方值對時間的積分,簡記為ISE

采用平方值,同樣可以避免正負偏差積分時的相消現象。與IAE相比,它對最大偏差的數值更加敏感。39第三節(jié)過渡過程和品質指標四、影響控制指標的主要因素40

一個自動控制系統(tǒng)可以概括成兩大部分，即工藝過程部分（被控對象）和自動化裝置部分。前者指與該自動控制系統(tǒng)有關的部分。后者指為實現自動控制所必需的自動化儀表設備，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)過渡過程和品質指標

對于一個自動控制系統(tǒng)，過渡過程品質的好壞，在很大程度上決定于對象的性質。例如在前所述的溫度控制系統(tǒng)中，屬于對象性質的主要因素有：換熱器的負荷大小，換熱器的結構、尺寸、材質等，換熱器內的換熱情況、散熱情況及結垢程度等。不同自動化系統(tǒng)要具體分析。41例題分析1.圖7-16所示為一水箱的液位控制系統(tǒng)。試畫出其方塊圖,指出系統(tǒng)中被控對象、被控變量、操縱變量各是什么?簡要敘述其工作過程,說明帶有浮球及塞子的杠桿裝置在系統(tǒng)中的功能。圖7-16水箱液位控制系統(tǒng)42例題分析解：方塊圖如圖7-17所示。系統(tǒng)中水箱里水的液位為被控變量;進水流量為操縱變量;水箱為被控對象。帶有浮球及塞子的杠桿裝置在系統(tǒng)中起著測量與調節(jié)的功能。其工作過程如下：當水箱中的液位受到擾動變化后,使浮球上下移動,通過杠桿裝置帶動塞子移動,使進水量發(fā)生變化,從而克服擾動對液位的影響。例如由于擾動使液位上升時,浮球上升,帶動塞子上移,減少了進水量,從而使液位下降。杠桿系統(tǒng)塞子水箱浮球hh0_圖7-17方塊圖43例題分析2.某一電壓表在穩(wěn)定時能夠準確顯示被測電壓值。在被測