工業(yè)儀表及自動化控制 化工自動化控制 自動控制系統(tǒng)基本概念 課件

請同學在黑板上畫出方框圖工業(yè)儀表及自動化控制模塊二化工自動化控制項目一自動控制系統(tǒng)基本概念-2課程目標能力（技能）目標1.能分析被控對象、被控變量、操作變量、干擾量、設定值和偏差的含義2.能分析閉環(huán)控制系統(tǒng)的分類：定值控制系統(tǒng)、隨動控制系統(tǒng)、程序控制系統(tǒng)3.能分析控制系統(tǒng)的靜態(tài)與動態(tài)01知識目標021.掌握控制系統(tǒng)運行的基本要求2.掌握過渡過程的基本形式：發(fā)散振蕩過程、非振蕩發(fā)散過程、等幅振蕩過程、衰減振蕩過程3.掌握衰減振蕩過程的品質指標：最大偏差、衰減比、余差、過渡時間、振蕩周期自動控制系統(tǒng)的分類自動控制系統(tǒng)的過渡過程和品質指標目錄討論思考

自動化控制系統(tǒng)的分類？控制系統(tǒng)的品質指標有哪些？自動控制系統(tǒng)的分類01幾種分類方法：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)。其中第三種分類方法最普遍自動控制系統(tǒng)的分類1.定值控制系統(tǒng)（化工系統(tǒng)大都是此類）“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)。自動控制系統(tǒng)的分類自動控制系統(tǒng)的方塊圖

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。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。自動控制系統(tǒng)的過渡過程和品質指標02過渡過程和品質指標

1.控制系統(tǒng)的靜態(tài)與動態(tài)《易經》里的太極圖是由兩尾黑白魚組成的，太極代表一，是初始，它是一個圓，呈現出靜態(tài)，體現了穩(wěn)定，但里面兩尾魚卻不停地輪動著；黑白魚表面也是一個靜態(tài)的整體，卻都是由小到大、由大到小一直在變化著，而且每尾魚之中都是黑中有白，白中有黑，大黑小白，大白小黑。過渡過程和品質指標

1.控制系統(tǒng)的靜態(tài)與動態(tài)

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，這只有當進入被控對象的物料量（或能量）和流出對象的物料量（或能量）相等時才有可能。

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）。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，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)，輸出信號都處于相對靜止狀態(tài)，這種狀態(tài)是靜態(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，干擾是客觀存在的，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。過渡過程和品質指標

2.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。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

控制系統(tǒng)方塊圖重點過渡過程和品質指標

2.控制系統(tǒng)的過渡過程

在過渡過程中，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。在生產中，出現的干擾是沒有固定形式的，且多半屬于隨機性質。在分析和設計控制系統(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。圖

階躍干擾作用采用階躍干擾的優(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。過渡過程和品質指標

2.控制系統(tǒng)的過渡過程

自動控制系統(tǒng)在階躍干擾作用下過渡過程的四種形式非周期衰減過程衰減震蕩過程等幅震蕩過程

發(fā)散震蕩過程X√√？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。過渡過程和品質指標

3.控制系統(tǒng)的控制指標

控制系統(tǒng)的過渡過程是衡量品質的依據。多數情況下，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)的品質指標。

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上圖所示，這是屬于衰減振蕩的過渡過程。圖

過渡過程品質指標示意圖過渡過程和品質指標

3.控制系統(tǒng)的控制指標

難點過渡過程和品質指標

3.控制系統(tǒng)的控制指標

最大偏差或超調量

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A。超調量是第一個波峰與最終穩(wěn)定態(tài)之差，即B=A-C。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。過渡過程和品質指標

3.控制系統(tǒng)的控制指標

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。過渡過程和品質指標

3.控制系統(tǒng)的控制指標

余差C

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)。過渡過程和品質指標

3.控制系統(tǒng)的控制指標

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％）。過渡過程和品質指標

3.控制系統(tǒng)的控制指標

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。過渡過程和品質指標

任務1將控制系統(tǒng)的控制指標在圖中表明（字母和漢字名稱）過渡過程和品質指標

任務2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℃）。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）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。過渡過程和品質指標

4.影響控制指標的主要因素

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)行器等三部分過渡過程和品質指標

4.影響控制指標