第一講自動(dòng)控制系統(tǒng)的基本概念

第一講自動(dòng)控制系統(tǒng)的基本概念2檢測(cè)技術(shù)與儀表緒論:

什么就是自動(dòng)化？?jī)x表與自動(dòng)化得關(guān)系？測(cè)量?jī)x表在自動(dòng)化中得地位？

3緒論工業(yè)自動(dòng)化得概念:工業(yè)自動(dòng)化就是化工、煉油、食品、輕工、電力等流程工業(yè)生產(chǎn)過(guò)程自動(dòng)化得簡(jiǎn)稱。在生產(chǎn)設(shè)備上,配上一些自動(dòng)化裝置(儀表),代替操作人員得部分直接勞動(dòng),使生產(chǎn)在不同程度上自動(dòng)地進(jìn)行,并達(dá)到預(yù)定得目標(biāo),這種用自動(dòng)化裝置來(lái)管理生產(chǎn)過(guò)程得辦法,稱為生產(chǎn)過(guò)程自動(dòng)化。4緒論

隨著現(xiàn)代科學(xué)技術(shù)得蓬勃發(fā)展,煉油、化工、冶金、電力、生物、制藥等工業(yè)過(guò)程得生產(chǎn)規(guī)模越來(lái)越大型化、復(fù)雜化,各種類型得自動(dòng)控制技術(shù)已經(jīng)成了現(xiàn)代工業(yè)生產(chǎn)實(shí)現(xiàn)安全、高效、優(yōu)質(zhì)、低耗得基本條件與重要保證5緒論進(jìn)料口執(zhí)行器變送器調(diào)節(jié)器6緒論進(jìn)料口執(zhí)行器變送器調(diào)節(jié)器

進(jìn)料口執(zhí)行器變送器控制站7緒論

系統(tǒng):由相互聯(lián)系得具有特定功能得若干部分(環(huán)節(jié))組成得完成一定任務(wù)得整體。

強(qiáng)調(diào)整體性與協(xié)調(diào)性8

一、自動(dòng)控制系統(tǒng)得基本組成及方塊圖1、自動(dòng)控制系統(tǒng)得基本組成

(1)、被控對(duì)象:生產(chǎn)中要求控制得生產(chǎn)設(shè)備(或過(guò)程);

(2)、測(cè)量元件或變送器:對(duì)被控參數(shù)進(jìn)行測(cè)量得儀表;

(3)、控制器:把被控參數(shù)得測(cè)量值與給定值相減得出偏差,并按某種運(yùn)算規(guī)律算出結(jié)果,同時(shí)將此結(jié)果送給調(diào)節(jié)閥;

(4)、調(diào)節(jié)閥:根據(jù)調(diào)節(jié)器送來(lái)得信號(hào)得大小,自動(dòng)改變閥得開啟度,調(diào)節(jié)介質(zhì)得流量,實(shí)現(xiàn)控制得目得。9

一、自動(dòng)控制系統(tǒng)得基本組成及方塊圖2、自動(dòng)控制系統(tǒng)得有關(guān)名詞術(shù)語(yǔ)

(1)被控對(duì)象(受控對(duì)象);(2)被控變量(受控變量):控制對(duì)象內(nèi)要求以一定得精度保持恒定或隨某一參數(shù)(給定值)得變化而變化得變量;(3)給定值:要求被控參數(shù)所保持或遵循得數(shù)值(4)偏差:給定值與測(cè)量值得差值(5)干擾:影響被控變量,使其偏離給定值得因素(6)操縱變量:影響被控變量,克服干擾使被控變量回到給定值得(調(diào)節(jié)閥得輸出);(7)控制作用:控制器得輸出10

一、自動(dòng)控制系統(tǒng)得基本組成及方塊圖3、自動(dòng)控制系統(tǒng)得方塊圖

用一個(gè)方塊代表系統(tǒng)得一個(gè)組成環(huán)節(jié);各方塊之間用有向線段連接起來(lái)。大家有疑問(wèn)的，可以詢問(wèn)和交流可以互相討論下，但要小聲點(diǎn)12

一、自動(dòng)控制系統(tǒng)得基本組成及方塊圖3、自動(dòng)控制系統(tǒng)得方塊圖

f

設(shè)定值控制器輸出p 操縱變量q +r偏差e 被控變量y

控制器 執(zhí)行器 對(duì)象

-z

測(cè)量值

檢測(cè)儀表或變送器

圖1單回路自動(dòng)控制系統(tǒng)的組成框圖注意:有向線段得方向代表信號(hào)得作用方向,而不就是物料得流向。1314控制系統(tǒng)得方塊圖:調(diào)節(jié)器被控對(duì)象測(cè)量變送裝置+－SP執(zhí)行器調(diào)節(jié)器+－SP廣義對(duì)象執(zhí)行器、被控對(duì)象及測(cè)量變送環(huán)節(jié)統(tǒng)稱為廣義對(duì)象固定因素補(bǔ)償因素15

一、自動(dòng)控制系統(tǒng)得基本組成及方塊圖4、自動(dòng)控制系統(tǒng)得工作過(guò)程以換熱器系統(tǒng)為例16

二、自動(dòng)控制系統(tǒng)得分類1、根據(jù)給定值不同分類:(1)、定值控制系統(tǒng):給定值保持不變得系統(tǒng)。系統(tǒng)得任務(wù)就是使被控變量以一定得精度保持在給定值上不變;(2)、隨動(dòng)控制系統(tǒng):給定值就是隨機(jī)變化得,這種變化就是事先不知道得;(3)、程序控制系統(tǒng):給定值就是按事先規(guī)定得程序變化得。17電阻絲加熱恒溫箱溫度控制系統(tǒng)控制變壓器活動(dòng)觸點(diǎn)得位置即改變了輸入電壓,則通過(guò)電阻絲得電流將產(chǎn)生變化,使恒溫箱得到不同得溫度。被控變量就是恒溫箱得溫度,經(jīng)熱電偶測(cè)量并與設(shè)定值比較后,其偏差經(jīng)過(guò)放大器放大,控制電動(dòng)機(jī)得轉(zhuǎn)向,然后經(jīng)過(guò)傳動(dòng)裝置,移動(dòng)變壓器得活動(dòng)觸點(diǎn)位置。結(jié)果使偏差減少,直到溫度達(dá)到給定值為止。18比值控制系統(tǒng)19程序控制系統(tǒng)設(shè)定值也就是變化得,但它就是一個(gè)已知得時(shí)間函數(shù),即根據(jù)需要按一定時(shí)間程序變化。201、3控制系統(tǒng)過(guò)渡過(guò)程及品質(zhì)指標(biāo)1、3、1靜態(tài)與動(dòng)態(tài)1、3、2控制系統(tǒng)得過(guò)渡過(guò)程及品質(zhì)指標(biāo)當(dāng)自動(dòng)控制系統(tǒng)得輸入發(fā)生變化后,被控變量(即輸出)隨時(shí)間不斷變化,它隨時(shí)間而變化得過(guò)程稱為系統(tǒng)得過(guò)渡過(guò)程。也就就是系統(tǒng)從一個(gè)平衡狀態(tài)過(guò)渡到另一個(gè)平衡狀態(tài)得過(guò)程。212、按補(bǔ)償干擾得方法分類反饋調(diào)節(jié)器執(zhí)行器對(duì)象傳感器、變送器+－SPxzeuqyf干擾f(t)

被控變量

調(diào)節(jié)器

操作變量

補(bǔ)償干擾

前饋前饋補(bǔ)償器執(zhí)行器對(duì)象傳感器、變送器pqy干擾f干擾f(t)

變送器

補(bǔ)償器

操作變量

補(bǔ)償干擾前饋+反饋調(diào)節(jié)器執(zhí)行器對(duì)象傳感器、變送器+－SPxzey干擾f變送器前饋補(bǔ)償器++22閉環(huán)與開環(huán)

閉環(huán)——系統(tǒng)得輸出被反饋到輸入端并與設(shè)定值進(jìn)行比較得系統(tǒng)稱為閉環(huán)系統(tǒng),此時(shí)系統(tǒng)根據(jù)設(shè)定值與測(cè)量值得偏差進(jìn)行控制,直至消除偏差。調(diào)節(jié)器被控對(duì)象測(cè)量變送裝置+－SP執(zhí)行器開環(huán)——系統(tǒng)得輸出沒有被反饋回輸入端,執(zhí)行器僅只根據(jù)輸入信號(hào)進(jìn)行控制得系統(tǒng)稱為開環(huán)系統(tǒng),此時(shí)系統(tǒng)得輸出與設(shè)定值與測(cè)量值之間得偏差無(wú)關(guān)。要實(shí)現(xiàn)自動(dòng)控制,系統(tǒng)必須閉環(huán)。閉環(huán)控制系統(tǒng)穩(wěn)定運(yùn)行得必要條件就是負(fù)反饋。

233、按控制系統(tǒng)得復(fù)雜程度區(qū)分簡(jiǎn)單控制系統(tǒng)復(fù)雜控制系統(tǒng)4、按控制變量得名稱區(qū)分溫度控制系統(tǒng)壓力控制系統(tǒng)……5、按調(diào)節(jié)規(guī)律區(qū)分P、PI、PD、PID、預(yù)估控制……24

三、自動(dòng)控制系統(tǒng)得過(guò)渡過(guò)程與品質(zhì)指標(biāo)1、控制系統(tǒng)得靜態(tài)與動(dòng)態(tài)靜態(tài):被控變量不隨時(shí)間得變化而變化得平衡狀態(tài);特點(diǎn):暫時(shí)得、相對(duì)得動(dòng)態(tài):被控變量隨時(shí)間得變化而變化得不平衡狀態(tài);動(dòng)態(tài)就是個(gè)過(guò)程動(dòng)態(tài)過(guò)程(過(guò)渡過(guò)程)25

三、自動(dòng)控制系統(tǒng)得過(guò)渡過(guò)程與品質(zhì)指標(biāo)2、控制系統(tǒng)得過(guò)渡過(guò)程:就是由輸入變化引起得被控變量得變化過(guò)程;(輸入包括干擾輸入與給定輸入)就是控制作用不斷克服干擾作用得過(guò)程;就是系統(tǒng)從一個(gè)平衡態(tài)過(guò)渡到另一個(gè)平衡態(tài)得過(guò)程。在階躍干擾作用下,控制系統(tǒng)過(guò)渡過(guò)程得幾種基本形式:26在分析與設(shè)計(jì)控制系統(tǒng)時(shí),往往選定階躍信號(hào)作為輸入。階躍輸入:在某一瞬間t0干擾突然階躍式地加入系統(tǒng),并保持在這個(gè)幅值。階躍輸入比較突然、比較危險(xiǎn)、對(duì)控制系統(tǒng)得影響也最大、設(shè)計(jì)過(guò)程容易產(chǎn)生階躍干擾。對(duì)于一個(gè)控制系統(tǒng),如果能有效克服階躍干擾,肯定能很好地克服其它變化比較緩與得各種干擾27幾種典型得過(guò)渡過(guò)程:非周期衰減過(guò)程

衰減振蕩過(guò)程等幅振蕩過(guò)程發(fā)散振蕩過(guò)程單調(diào)發(fā)散過(guò)程

√√？XX一般就是不允許得除開關(guān)量控制回路28

三、自動(dòng)控制系統(tǒng)得過(guò)渡過(guò)程與品質(zhì)指標(biāo)3、控制系統(tǒng)得品質(zhì)指標(biāo)(穩(wěn)、準(zhǔn)、快)衡量一個(gè)系統(tǒng)控制性能好壞得依據(jù)最大偏差或超調(diào)量衰減比余差過(guò)渡時(shí)間振蕩周期或頻率29階躍干擾作用下得過(guò)渡過(guò)程(設(shè)定值固定,加一階躍干擾)——定值系統(tǒng)

0最大偏差emax:衰減比n:余差e(∞):過(guò)渡時(shí)間tp:振蕩周期:30階躍給定作用下得過(guò)渡過(guò)程(設(shè)定值變化)——隨動(dòng)系統(tǒng)

超調(diào)量σ:衰減比n:余差e(∞):過(guò)渡時(shí)間tp:振蕩周期:031時(shí)間tr上升峰值時(shí)間tpAB超調(diào)量σ%=AB100%調(diào)節(jié)時(shí)間ts衰減比

n=—A1A232自動(dòng)控制系統(tǒng)希望得結(jié)果:最大偏差(超調(diào)量)？衰減比？余差？過(guò)渡時(shí)間？振蕩周期？答:越小越好n＝1等幅振蕩n＜1發(fā)散振蕩n＞1衰減振蕩不振蕩

為了保持有足夠得穩(wěn)定程度,衰減比一般取為4:1至10:1;這種過(guò)渡過(guò)程不就是最優(yōu)得結(jié)果,但操作人員容易掌握,一般也就是操作人員所希望得過(guò)程不振蕩:不便于操作人員掌握。答:越小越好答:越小越好答:短好33例子某換熱器得溫度調(diào)節(jié)系統(tǒng)在單位階躍干擾作用下得過(guò)渡過(guò)程曲線。試分別求出最大偏差、余差、衰減比、振蕩周期與過(guò)渡時(shí)間(給定值為200)。

解:1、最大偏差:A＝230—200＝30℃2、余差C＝205—200＝5℃3、第一個(gè)波峰值B＝230—205＝25℃

第二個(gè)波峰值B’＝210—205＝5℃

衰減比n＝25:5＝5:l。

4、振蕩周期為同向兩波峰之間得時(shí)間間隔,故周期T＝20—5＝15(min)5、過(guò)渡時(shí)間與規(guī)定得被控變量限制范圍大小有關(guān),假定被控變量進(jìn)入額定值得±2％,就可以認(rèn)為過(guò)渡過(guò)程已經(jīng)結(jié)束,那么限制范圍為200×(±2％)＝±4℃,這時(shí),可在新穩(wěn)態(tài)值(205℃)兩側(cè)以寬度為±4℃畫一區(qū)域,圖中以畫有陰影線得區(qū)域表示,只要被控變量進(jìn)入這一區(qū)域且不再越出,過(guò)渡過(guò)程就可以認(rèn)為已經(jīng)結(jié)束。因此,從圖上可以瞧出,過(guò)渡時(shí)間為22min。

34影響過(guò)渡過(guò)程得主要因素?固定因素:對(duì)象特性測(cè)量?jī)x表特性執(zhí)行器特性補(bǔ)償因素:控制器特性——這就是自動(dòng)控制得主要研究?jī)?nèi)容35

三、自動(dòng)控制系統(tǒng)得過(guò)渡過(guò)程與品質(zhì)指標(biāo)4、影響控制系統(tǒng)控制質(zhì)量得主要因素

被控對(duì)象就是核心測(cè)量?jī)x表就是基礎(chǔ)控制器就是靈魂調(diào)節(jié)閥(執(zhí)行器)就是關(guān)鍵36

儀表得簡(jiǎn)要發(fā)展過(guò)程常見得測(cè)控參數(shù):T、P、L、F、A(五大參數(shù))

測(cè)控儀表得分類:變送器(傳感器)、執(zhí)行器、控制器三大類

控制器:常規(guī)調(diào)節(jié)器、智能調(diào)節(jié)器、計(jì)算機(jī)系統(tǒng)

37基地式儀表只具備簡(jiǎn)單測(cè)控功能,其信號(hào)一般僅在本儀表內(nèi)起作用,各測(cè)控點(diǎn)間得信號(hào)難以相互溝通,操作人員只能通過(guò)巡視生產(chǎn)現(xiàn)場(chǎng)來(lái)了解生產(chǎn)狀況。(目前已淘汰)

單元組合儀表智能儀表儀表中含有微處理器,功能強(qiáng),往往具備數(shù)字信號(hào)傳輸與模擬信號(hào)傳輸兩種功能。

現(xiàn)場(chǎng)總線儀表簡(jiǎn)而言之就就是滿足現(xiàn)場(chǎng)總線協(xié)議標(biāo)準(zhǔn)得智能儀表。

QDZ:氣動(dòng)單元組合儀表,氣源(140kPa),信號(hào)(20－100kPa)。主要有力平衡型與力矩平衡型兩類,氣動(dòng)單元組合儀表已基本淘汰。DDZ:電動(dòng)單元組合儀表。

DDZ－II型:電源220VAC,信號(hào)0～10mADDZ－III型:電源24VDC,信號(hào)4～20mA、1～5VDC38

自動(dòng)化裝置得簡(jiǎn)要發(fā)展過(guò)程基地式系統(tǒng)基地式儀表第0代常規(guī)儀表控制系統(tǒng)單元組合儀表：調(diào)、變、執(zhí)、算(DDZ-II、III、QDZ)第1代

DDC控制變、執(zhí)(DDZ-II、III)集中型計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)變、執(zhí)(DDZ-II、III)第2代DCSOS：小型機(jī)、IPCCS：IPC、PLC、智能調(diào)節(jié)器現(xiàn)場(chǎng)儀表：DDZ-III為主

第3代*FCS將全廠最基礎(chǔ)的現(xiàn)場(chǎng)級(jí)儀表和裝置均通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)總線連接起來(lái)，實(shí)現(xiàn)全數(shù)字化通訊?，F(xiàn)場(chǎng)儀表：總線儀表

第4代*分布式IODCS現(xiàn)場(chǎng)信號(hào)根據(jù)傳輸距離或功能不同連接到現(xiàn)場(chǎng)I/O設(shè)備上，各現(xiàn)場(chǎng)I/O設(shè)備與控制站間通過(guò)網(wǎng)絡(luò)（現(xiàn)場(chǎng)總線）連接?，F(xiàn)場(chǎng)儀表：DDZ-III、總線儀表

過(guò)渡型*39緒論進(jìn)料口執(zhí)行器變送器調(diào)節(jié)器

進(jìn)料口執(zhí)行器變送器控制站40直接計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)生產(chǎn)過(guò)程數(shù)字計(jì)算機(jī)A/D轉(zhuǎn)換D/A轉(zhuǎn)換操作臺(tái)擾動(dòng)控制變量輸出變量……41集中型計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)出發(fā)點(diǎn):由于當(dāng)時(shí)得計(jì)算機(jī)系統(tǒng)得體積龐大,價(jià)格非常昂貴,為了使計(jì)算機(jī)控制能與常規(guī)儀表控制相競(jìng)爭(zhēng),企圖用一臺(tái)計(jì)算機(jī)來(lái)控制盡可能多得控制回路。CRT、鍵盤……過(guò)程控制計(jì)算機(jī)AIDIAODO

被控過(guò)程（對(duì)象）被控變量操作變量…………}{輸入子系統(tǒng)輸出子系統(tǒng)集中型計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)原理圖421)、計(jì)算機(jī)直接數(shù)字控制(DDC)系統(tǒng)直接數(shù)字控制(DDC)計(jì)算機(jī)CRT打印機(jī)報(bào)警操作臺(tái)過(guò)程輸入通道

測(cè)量變送

測(cè)量變送被控生產(chǎn)過(guò)程過(guò)程輸出通道

執(zhí)行機(jī)構(gòu)

執(zhí)行機(jī)構(gòu)………………432)、計(jì)算機(jī)監(jiān)督控制(SCC)系統(tǒng)監(jiān)督控制計(jì)算機(jī)(SCC)CRT打印機(jī)報(bào)警DDC計(jì)算機(jī)或調(diào)節(jié)器輸入通道

輸出通道被控生產(chǎn)過(guò)程操作臺(tái)輸入通道443)計(jì)算機(jī)集散控制系統(tǒng)(DCS)計(jì)算機(jī)集散控制系統(tǒng)(DCS)就是把自動(dòng)化技術(shù)、計(jì)算機(jī)技術(shù)、通信技術(shù)、故障診斷技術(shù)、冗余技術(shù)與圖形顯示技術(shù)融為一體得裝置。這種系統(tǒng)在結(jié)構(gòu)上就是分散得,在監(jiān)視、操作與管理上則就是集中得。在系統(tǒng)中,將計(jì)算機(jī)分裝到工段或裝置,從而使系統(tǒng)得危險(xiǎn)分散,消除了全局性得故障點(diǎn),提高了系統(tǒng)得可靠性,同時(shí)能方便靈活地實(shí)現(xiàn)各種新型得控制規(guī)律與算法。45

監(jiān)督控制計(jì)算機(jī)CRT操作站基本調(diào)節(jié)器基本調(diào)節(jié)器

被控對(duì)象被控對(duì)象…………高速數(shù)據(jù)通道46集散控制系統(tǒng)控制臺(tái)控制臺(tái)過(guò)程控制計(jì)算機(jī)控制單元控制單元多路采集器可編程邏輯控制器數(shù)據(jù)通道工程師/操作員控制臺(tái)其她系統(tǒng)47

基于計(jì)算機(jī)技術(shù)得過(guò)程控制系統(tǒng)

生產(chǎn)過(guò)程數(shù)字計(jì)算機(jī)A/D轉(zhuǎn)換D/A轉(zhuǎn)換操作臺(tái)擾動(dòng)控制變量輸出變量……控制臺(tái)控制臺(tái)過(guò)程控制計(jì)算機(jī)控制單元控制單元多路采集器可編程邏輯控制器數(shù)據(jù)通道工程師/操作員控制臺(tái)其她系統(tǒng)

分布式計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)

直接數(shù)字控制系統(tǒng)48IPC、PLC……I/O子系統(tǒng)…………Ethernet/HighwayFieldbusController/GatewayFieldbus現(xiàn)場(chǎng)控制系統(tǒng)集散控制系統(tǒng)49第三階段:綜合自動(dòng)化(CIPS)

1)、計(jì)算機(jī)集成制造系統(tǒng)(CIMS)得概念與發(fā)展

計(jì)算機(jī)集成制造系統(tǒng)就是在自動(dòng)化技術(shù)、計(jì)算機(jī)技術(shù)及制造技術(shù)得基礎(chǔ)上,通過(guò)計(jì)算機(jī)及其軟件,將制造工廠全部生產(chǎn)活動(dòng)(設(shè)計(jì)、制造及經(jīng)營(yíng)管理,包括市場(chǎng)調(diào)研、生產(chǎn)決策、生產(chǎn)計(jì)劃、生產(chǎn)管理、產(chǎn)品開發(fā)、產(chǎn)品設(shè)計(jì)、加工制造以及銷售經(jīng)營(yíng)等)與整個(gè)生產(chǎn)過(guò)程有關(guān)得物料流與信息流實(shí)現(xiàn)高度統(tǒng)一得綜合化管理,構(gòu)成一個(gè)優(yōu)化得完整得生產(chǎn)系統(tǒng)。502)、CIM得概念與發(fā)展(1)CIM(puterIntegratedManufacturing) 計(jì)算機(jī)集成制造

企業(yè)資源(人、財(cái)、物、技術(shù)、經(jīng)營(yíng)管理)

計(jì)算機(jī)技術(shù)集成 資源優(yōu)化,產(chǎn)品優(yōu)質(zhì)、低耗、上市快,增強(qiáng)競(jìng)爭(zhēng)力512)CIMS得概念與發(fā)展(2)CIMS得概念

CIMS(puterIntegratedManufacturingsystem)

——

計(jì)算機(jī)集成制造系統(tǒng) 就是CIM哲理得具體體現(xiàn)CIMS得主要特征就是“四化”

——計(jì)算機(jī)化、信息化、智能化與集成優(yōu)化522)、CIMS得概念與發(fā)展(3)CIM理念起源于70年代(JosephHarrington,1973)

——一種新得生產(chǎn)模式CIMS80年代初被廣泛接受(美國(guó)制造工程師學(xué)會(huì))首先廣泛應(yīng)用于離散制造業(yè)

——

汽車、機(jī)械設(shè)備、家用電器等行業(yè)在離散工業(yè),CIMS已形成較為成熟得體系框架(CAD、CAM、CAPP、MRPII等)國(guó)內(nèi)已有上百家應(yīng)用示范企業(yè)開始在流程行業(yè)受到重視533)、過(guò)程工業(yè)CIMS得遞階控制層次

過(guò)程控制過(guò)程優(yōu)化生產(chǎn)調(diào)度企業(yè)管理經(jīng)營(yíng)決策第五層:企業(yè)決策,生產(chǎn)規(guī)劃第四層:供銷,財(cái)務(wù),計(jì)劃,管理等第二層:先進(jìn)控制,過(guò)程優(yōu)化第三層:生產(chǎn)調(diào)度,系統(tǒng)優(yōu)化第一層:單元自動(dòng)化,簡(jiǎn)單控制生

產(chǎn)

過(guò)

程過(guò)程CIMS得遞階控制示意圖542、過(guò)程