第七章-自動控制系統(tǒng)概述

第七章_自動控制系統(tǒng)概述第1頁，課件共39頁，創(chuàng)作于2023年2月

一、自動控制系統(tǒng)的組成

二、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)的分類三、過渡過程和品質(zhì)指標(biāo)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)控制系統(tǒng)的過渡過程控制系統(tǒng)的控制指標(biāo)影響控制指標(biāo)的主要因素例題分析1目錄：第2頁，課件共39頁，創(chuàng)作于2023年2月第一節(jié)自動控制系統(tǒng)的組成

3圖7-1人工操作圖人工操作運行過程控制速度和精度不能滿足大型現(xiàn)代化生產(chǎn)的需要腦的功能：手的功能：想執(zhí)行↓檢測（眼）：觀察運算（腦）：思考、判斷、決策、命令

執(zhí)行（手）：行動↓眼的功能：看第3頁，課件共39頁，創(chuàng)作于2023年2月圖7-2液位自動控制圖1、檢測器→檢測=眼的功能2、控制器→運算=腦的功能3、執(zhí)行器→執(zhí)行=手的功能第4頁，課件共39頁，創(chuàng)作于2023年2月自動控制信號流程第5頁，課件共39頁，創(chuàng)作于2023年2月自動控制系統(tǒng)的組成及各部分的作用（1）測量元件（變送器）：

用來感受被控變量的變化并將它轉(zhuǎn)換成一種特定的輸出信號（如氣壓、電流信號），輸出信號是可利用的、特定的、統(tǒng)一的。變送器將該信號轉(zhuǎn)變成標(biāo)準(zhǔn)信號。（2）自動控制器：根據(jù)變送器輸出信號和工藝需求，算出兩者之間的偏差，再經(jīng)過預(yù)先設(shè)計好的某種運算規(guī)律算出結(jié)果，然后將此結(jié)果用特定的信號發(fā)出。（3）執(zhí)行器：通常指控制閥，它與普通閥門沒有區(qū)別，只是根據(jù)控制器的控制信息，來改變閥門的開啟度，克服擾動的影響，最終實現(xiàn)控制要求。第6頁，課件共39頁，創(chuàng)作于2023年2月第一節(jié)自動控制系統(tǒng)的組成圖7-2液位自動控制4在控制流程圖中，一般用小圓圈表示某些自動化裝置。圈內(nèi)寫有兩位（或三位）字母，第一位字母表示被測變量，后繼字母表示儀表的功能。第7頁，課件共39頁，創(chuàng)作于2023年2月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(dǎo)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(shù)量或件數(shù)放射性速度或頻率溫度黏度力供選用位置差比（分?jǐn)?shù)）積分、累積安全報警控制（調(diào)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(guān)、聯(lián)鎖傳送閥、擋板、百葉窗套管繼動器或計算器驅(qū)動、執(zhí)行或未分類的終端執(zhí)行機(jī)構(gòu)表7-1被測變量和儀表功能的字母代號5第8頁，課件共39頁，創(chuàng)作于2023年2月第一節(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(chǎn)設(shè)備。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)備的一部分叫做被控對象,簡稱對象。要選擇好控制系統(tǒng)的對象6第9頁，課件共39頁，創(chuàng)作于2023年2月第二節(jié)自動控制系統(tǒng)的方塊圖一、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)uy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10頁，課件共39頁，創(chuàng)作于2023年2月第二節(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11頁，課件共39頁，創(chuàng)作于2023年2月第二節(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)地方塊圖每個環(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(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)的輸出。線旁的字母表示相互間的作用信號。9第12頁，課件共39頁，創(chuàng)作于2023年2月方塊圖中，

x

指設(shè)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(dāng)x

取正值，z取負(fù)值，e=x-z，負(fù)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13頁，課件共39頁，創(chuàng)作于2023年2月熱交換器的系統(tǒng)方塊圖與水槽液位控制系統(tǒng)的方塊圖是一樣的；所以可以用同一種形式地方塊圖可以代表不同的控制系統(tǒng)第14頁，課件共39頁，創(chuàng)作于2023年2月第二節(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(rèn)為是由控制器與廣義對象兩者所構(gòu)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15頁，課件共39頁，創(chuàng)作于2023年2月第二節(jié)自動控制系統(tǒng)的方塊圖小結(jié)自動控制系統(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)反饋存在。自動操縱裝置對象操縱指令操縱作用工藝參數(shù)圖7-10自動操縱系統(tǒng)方塊圖15第16頁，課件共39頁，創(chuàng)作于2023年2月第二節(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17頁，課件共39頁，創(chuàng)作于2023年2月第二節(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(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(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18頁，課件共39頁，創(chuàng)作于2023年2月第二節(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(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19頁，課件共39頁，創(chuàng)作于2023年2月第三節(jié)過渡過程和品質(zhì)指標(biāo)

一、控制系統(tǒng)的靜態(tài)與動態(tài)19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）。第20頁，課件共39頁，創(chuàng)作于2023年2月第三節(jié)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)。20第21頁，課件共39頁，創(chuàng)作于2023年2月第三節(jié)過渡過程和品質(zhì)指標(biāo)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(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，這種狀態(tài)叫做動態(tài)。結(jié)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(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22頁，課件共39頁，創(chuàng)作于2023年2月第三節(jié)過渡過程和品質(zhì)指標(biāo)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(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23頁，課件共39頁，創(chuàng)作于2023年2月第三節(jié)過渡過程和品質(zhì)指標(biāo)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。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24頁，課件共39頁，創(chuàng)作于2023年2月第三節(jié)過渡過程和品質(zhì)指標(biāo)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(xiàn)，便于分析、實驗和計算。24圖7-12階躍干擾作用第25頁，課件共39頁，創(chuàng)作于2023年2月控制系統(tǒng)的過渡過程是控制系統(tǒng)品質(zhì)的重要依據(jù)，我們假設(shè)在階躍干擾作用下，取自動控制系統(tǒng)的衰減振蕩過程的形式來討論控制系統(tǒng)的品質(zhì)指標(biāo)。最大偏差（或超調(diào)量）

衰減比余差

過渡時間

振蕩周期（或頻率）

1.時間域的各種單項指標(biāo)第26頁，課件共39頁，創(chuàng)作于2023年2月最大偏差最大偏差是指在過渡過程中，被控參數(shù)偏離給定值的最大數(shù)值(最大偏差表示系統(tǒng)瞬時偏離給定值的最大程度)。最大偏差越小控制系統(tǒng)質(zhì)量越好。發(fā)生意外事故的可能性就越小。最大偏差（或超調(diào)量）

衰減比

余差

過渡時間

振蕩周期（或頻率）

第27頁，課件共39頁，創(chuàng)作于2023年2月超調(diào)量超調(diào)量(B)是第一個峰值A(chǔ)與新穩(wěn)定值C之差,即B=A-C。它與最大偏差含義基本相同，超調(diào)量越小控制系統(tǒng)質(zhì)量越好。發(fā)生意外事故的可能性就越小。最大偏差（或超調(diào)量）

衰減比余差

過渡時間

振蕩周期（或頻率）

第28頁，課件共39頁，創(chuàng)作于2023年2月衰減比衰減比是相鄰兩個峰值的比，即B:B’，習(xí)慣上表示為n:1。一般n取4-10之間為宜。討論n的大?。?、n→∝時：過渡過程為非周期衰減過程（系統(tǒng)較穩(wěn)定）；2、n→0時：過渡過程為發(fā)散振蕩過程（系統(tǒng)不穩(wěn)定）；3、n→1時：過渡過程為等幅振蕩過程（系統(tǒng)處于穩(wěn)定與不穩(wěn)定之間）；4、n在4~10之間時：過渡過程為衰減振蕩過程（系統(tǒng)很穩(wěn)定）。最大偏差（或超調(diào)量）

衰減比余差

過渡時間

振蕩周期（或頻率）

第29頁，課件共39頁，創(chuàng)作于2023年2月余差當(dāng)過渡過程終了時，被控參數(shù)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（C），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控制，相應(yīng)的系統(tǒng)稱為有差系統(tǒng)。沒有余差的控制過程稱為無差控制，相應(yīng)的系統(tǒng)稱為無差系統(tǒng)。（余差越小越好）

最大偏差（或超調(diào)量）

衰減比

余差

過渡時間

振蕩周期（或頻率）

第30頁，課件共39頁，創(chuàng)作于2023年2月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)歷的時間叫做過渡時間或控制時間。即t’。一般情況下過渡時間越短系統(tǒng)反應(yīng)速度就越快，系統(tǒng)就越好。最大偏差（或超調(diào)量）

衰減比

余差

過渡時間

振蕩周期（或頻率）

第31頁，課件共39頁，創(chuàng)作于2023年2月振蕩周期（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。即t1-t0

振蕩周期的倒數(shù)稱為振蕩頻率。理想的過渡過程是“兩個波”，其衰減比為4:1。最大偏差（或超調(diào)量）

衰減比

余差

過渡時間

振蕩周期（或頻率）

第32頁，課件共39頁，創(chuàng)作于2023年2月第三節(jié)過渡過程和品質(zhì)指標(biāo)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33頁，課件共39頁，創(chuàng)作于2023年2月第三節(jié)過渡過程和品質(zhì)指標(biāo)解:

最大偏差A(yù)＝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(yīng)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34頁，課件共39頁，創(chuàng)作于2023年2月第三節(jié)過渡過程和品質(zhì)指標(biāo)

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(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35頁，課件共39頁，創(chuàng)作于2023年2月第三節(jié)過