自動(dòng)控制系統(tǒng)基本概念

自動(dòng)控制系統(tǒng)基本概念第一節(jié)化工自動(dòng)化的主要內(nèi)容自動(dòng)檢測系統(tǒng)利用各種檢測儀表對(duì)主要工藝參數(shù)進(jìn)行測量、指示和記錄的。自動(dòng)信號(hào)和連鎖保護(hù)系統(tǒng)生產(chǎn)過程中的一種安全裝置自動(dòng)操縱與自動(dòng)開停車系統(tǒng)可以根據(jù)預(yù)先規(guī)定的步驟自動(dòng)地對(duì)生產(chǎn)設(shè)備進(jìn)行某種周期性操作可以按照預(yù)先規(guī)定好的步驟，將生產(chǎn)過程自動(dòng)投入運(yùn)行或自動(dòng)停車自動(dòng)控制系統(tǒng)

使得某些關(guān)鍵性的控制參數(shù)在受到外界干擾的影響而偏離正常狀態(tài)時(shí)，能自動(dòng)地控制而回到規(guī)定的數(shù)值范圍內(nèi)。

第2頁,共29頁，2024年2月25日，星期天第二節(jié)自動(dòng)調(diào)節(jié)系統(tǒng)的組成一、人工控制：1．用人眼觀察液位計(jì)指示值2．用大腦進(jìn)行分析，得出偏差，判斷并發(fā)布命令（開大或關(guān)小閥門）。3．用手執(zhí)行命令人眼→腦→手（開閥門）第3頁,共29頁，2024年2月25日，星期天第二節(jié)自動(dòng)控制系統(tǒng)的組成一、自動(dòng)控制系統(tǒng)的組成部分1．控制對(duì)象：（貯槽）。2、檢測元件與變送器用檢測元件來測液位，并將液位信號(hào)用變送器變成統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)信號(hào)遠(yuǎn)送出來，完成信號(hào)測量。3．自動(dòng)控制器用控制器代替人腦，完成分析、判斷發(fā)布命令。4．執(zhí)行器用執(zhí)行按照控制命令，自動(dòng)開關(guān)閥門。被控對(duì)象自動(dòng)化裝置兩大部分，四個(gè)環(huán)節(jié)第4頁,共29頁，2024年2月25日，星期天進(jìn)料口執(zhí)行器變送器控制器

進(jìn)料口執(zhí)行器變送器控制站控制系統(tǒng)的4個(gè)基本環(huán)節(jié)（組成部分）：

被控對(duì)象、檢測儀表(測量變送環(huán)節(jié))、控制器、執(zhí)行器第5頁,共29頁，2024年2月25日，星期天二、自動(dòng)控制系統(tǒng)的表達(dá)形式1、方塊圖——控制系統(tǒng)或系統(tǒng)中每個(gè)環(huán)節(jié)的功能和信號(hào)流向的圖解表示由方框、信號(hào)線、比較點(diǎn)、引出點(diǎn)組成第6頁,共29頁，2024年2月25日，星期天2、幾個(gè)常用術(shù)語：（1）被控對(duì)象

需要實(shí)現(xiàn)控制的設(shè)備、機(jī)械或生產(chǎn)過程稱為被控對(duì)象，簡稱對(duì)象。（2）被控變量

對(duì)象內(nèi)要求保持一定數(shù)值（或按某一規(guī)律變化）的物理量稱為被控變量。（3）控制變量（操縱變量）

受執(zhí)行器控制，用以使被控變量保持一定數(shù)值的物料或能量稱為控制變量或操縱變量。

（4）干擾（擾動(dòng)）

除控制變量（操縱變量）以外，作用于對(duì)象并引起被控變量變化的一切因素稱為干擾。第7頁,共29頁，2024年2月25日，星期天

2、幾個(gè)常用術(shù)語（5）設(shè)（給）定值

工藝規(guī)定被控變量所要保持的數(shù)值。（6）偏差

偏差本應(yīng)是設(shè)定值與被控變量的實(shí)際值之差。但能獲取的信息是被控變量的測量值而非實(shí)際值，因此，在控制系統(tǒng)中通常把設(shè)定值與測量值之差定義為偏差。在實(shí)際操作中把測量值與設(shè)定值之差作為偏差（7）反饋

是指把控制系統(tǒng)的輸出（即被控變量）通過測量變送直接或經(jīng)過一些環(huán)節(jié)重新返回控制系統(tǒng)的輸入端，并與設(shè)定值比較的過程。負(fù)反饋:反饋的結(jié)果使系統(tǒng)的輸出減弱的反饋類型正反饋:反饋的結(jié)果使系統(tǒng)的輸出增加的反饋類型工業(yè)控制系統(tǒng)一般情況下都應(yīng)為負(fù)反饋。第8頁,共29頁，2024年2月25日，星期天2、幾個(gè)常用術(shù)語：閉環(huán)與開環(huán)

閉環(huán)——系統(tǒng)的輸出被反饋到輸入端并與設(shè)定值進(jìn)行比較的系統(tǒng)稱為閉環(huán)系統(tǒng)，此時(shí)系統(tǒng)根據(jù)設(shè)定值與測量值的偏差進(jìn)行控制，直至消除偏差。

開環(huán)——系統(tǒng)的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)行控制的系統(tǒng)稱為開環(huán)系統(tǒng)，此時(shí)系統(tǒng)的輸出與設(shè)定值與測量值之間的偏差無關(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)行的必要條件是負(fù)反饋

控制器被控對(duì)象測量變送裝置+－SP執(zhí)行器被控變量操縱變量給定值自動(dòng)操縱裝置被控對(duì)象操縱指令操縱作用工藝參數(shù)第9頁,共29頁，2024年2月25日，星期天3、工藝管道、儀表流程圖（P&ID）

第10頁,共29頁，2024年2月25日，星期天(1)圖形符號(hào)——檢測點(diǎn)

一般是由工藝設(shè)備輪廓線或工藝管線引到儀表圓圈的連接線的起點(diǎn)

必要時(shí)也可以用象形或圖形符號(hào)表示(2)圖形符號(hào)——連接線

通用的儀表信號(hào)線均以細(xì)實(shí)線表示(3)圖形符號(hào)——儀表符號(hào)

儀表的圖形符號(hào)是一個(gè)細(xì)實(shí)線圓圈，直徑約10mm就地安裝儀表就地安裝儀表嵌在管道中

集中儀表盤面安裝儀表就地儀表盤面安裝儀表集中儀表盤后安裝儀表就地儀表盤后安裝儀表同一個(gè)檢測點(diǎn)，有兩個(gè)或多個(gè)測量，可用兩個(gè)或多個(gè)相切的圓表示ATTENTION

管道、儀表流程圖的圖形符號(hào)不是完全標(biāo)準(zhǔn)一致的，國內(nèi)與國外、不同設(shè)計(jì)單位之間、甚至不同設(shè)計(jì)人員之間，有些方面會(huì)有不同的標(biāo)注習(xí)慣，一般來說P&ID圖會(huì)有圖例給出。例如，國內(nèi)設(shè)計(jì)院一般較少用多個(gè)圓相切的形式來表示復(fù)合儀表，而國外則更常見。第11頁,共29頁，2024年2月25日，星期天儀表符號(hào)除了圖形之外，圓圈之中還應(yīng)有一串有字母和數(shù)字組成的代號(hào)稱為“儀表位號(hào)”。例如：PIC－207TRC－210

……(4)字母代號(hào)

字母編號(hào)寫在圓圈的上半部第一位字母表示被測變量后繼字母表示儀表的功能

PIC－207壓力指示控制(5)數(shù)字代號(hào)

數(shù)字編號(hào)寫在圓圈的下半部第一位數(shù)字表示段號(hào)后續(xù)數(shù)字(二位或三位數(shù)字)表示儀表序號(hào)。第2工段儀表序號(hào)為07第12頁,共29頁，2024年2月25日，星期天作業(yè)P15-166、11、13思考：3、7、8、9、12第13頁,共29頁，2024年2月25日，星期天（三）按控制系統(tǒng)的復(fù)雜程度區(qū)分簡單控制系統(tǒng)復(fù)雜控制系統(tǒng)（一）按被控變量的名稱區(qū)分溫度控制系統(tǒng)壓力控制系統(tǒng)……（二）按控制器的控制規(guī)律區(qū)分比例控制（P）、比例積分控制

（

PI）、比例微分控制

（PD）、比例積分微分控制

（PID）、預(yù)估控制……（五）按被控變量對(duì)操作變量的影響分

閉環(huán)控制系統(tǒng)——如：反饋控制

開環(huán)控制系統(tǒng)——如：前饋控制（四）按補(bǔ)償干擾的方法分反饋控制系統(tǒng)、前饋控制系統(tǒng)、前饋+反饋控制系統(tǒng)第三節(jié)自動(dòng)控制系統(tǒng)的分類

第14頁,共29頁，2024年2月25日，星期天第三節(jié)自動(dòng)控制系統(tǒng)的分類

（六）按設(shè)定值的特點(diǎn)區(qū)分（即將控制系統(tǒng)按照工藝過程需要控制的被控變量的設(shè)定值是否變化和如何變化來分類）：1、定值控制系統(tǒng)：設(shè)定值是由工藝要求給出的不變常數(shù)

目的是為了使被控變量盡量與設(shè)定值保持一致。2、隨動(dòng)控制系統(tǒng)：設(shè)定值隨時(shí)間無規(guī)律發(fā)生變化（自動(dòng)跟蹤系統(tǒng)）目的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。

3、程序控制系統(tǒng)：可以理解為隨動(dòng)控制設(shè)定值是一個(gè)已知時(shí)間函數(shù)（順序控制系統(tǒng)）即生產(chǎn)技術(shù)指標(biāo)按一定時(shí)間程序變化第15頁,共29頁，2024年2月25日，星期天第四節(jié)過渡過程和品質(zhì)指標(biāo)

一、控制系統(tǒng)的靜態(tài)（穩(wěn)態(tài)）與動(dòng)態(tài)

在自動(dòng)化領(lǐng)域中，把被控變量不隨時(shí)間而變化的平衡狀態(tài)稱為系統(tǒng)的靜態(tài)。而把被控變量隨時(shí)間而變化的不平衡狀態(tài)稱為系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)

在生產(chǎn)過程中，為了保證產(chǎn)品的質(zhì)量，維持生產(chǎn)過程的穩(wěn)定，維持各項(xiàng)工藝參數(shù)不隨時(shí)間而變是必須的，因而工藝設(shè)計(jì)（計(jì)算）主要圍繞系統(tǒng)“靜態(tài)”特性開展工作。

但是在生產(chǎn)過程中，物料的質(zhì)量、流量、壓力、溫度等各種參數(shù)總是不可能一直保持穩(wěn)定，它們的不穩(wěn)定必然會(huì)破壞生產(chǎn)過程的穩(wěn)定。

當(dāng)系統(tǒng)失去平衡以后，如何使系統(tǒng)重新回到平衡狀態(tài)，那就是在系統(tǒng)“靜態(tài)”特性基礎(chǔ)上要研究系統(tǒng)的“動(dòng)態(tài)”特性。第16頁,共29頁，2024年2月25日，星期天第四節(jié)過渡過程和品質(zhì)指標(biāo)

如果系統(tǒng)原來處于相對(duì)平衡狀態(tài)（靜態(tài)），當(dāng)出現(xiàn)干擾使被控變量發(fā)生變化（偏離設(shè)定值），控制器能根據(jù)偏差及其偏差的變化情況，改變控制器輸出，再經(jīng)執(zhí)行器改變操縱變量，使被控變量重新回到設(shè)定值。這個(gè)過程就是控制系統(tǒng)起的作用?！刂葡到y(tǒng)的作用這個(gè)從干擾發(fā)生、系統(tǒng)控制、直到重新建立平衡的過程就是自動(dòng)控制中稱的“動(dòng)態(tài)”過程，是系統(tǒng)的過渡過程。如何來評(píng)價(jià)自控系統(tǒng)的好壞呢？自動(dòng)控制系統(tǒng)的重點(diǎn)就是研究系統(tǒng)的過渡過程中被控變量隨時(shí)間變化的規(guī)律第17頁,共29頁，2024年2月25日，星期天過渡過程：

受到干擾作用后系統(tǒng)失穩(wěn)，在控制系統(tǒng)的作用下，被控變量回復(fù)到新的平衡狀態(tài)的過程。干擾的形式是不確定的，在分析和設(shè)計(jì)控制系統(tǒng)時(shí)，往往選定階躍信號(hào)作為輸入。階躍干擾：

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。階躍干擾比較突然、比較危險(xiǎn)、對(duì)控制系統(tǒng)的影響也最大，而且階躍干擾容易設(shè)計(jì)，易于實(shí)現(xiàn)，便于分析。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和的各種干擾。二、控制系統(tǒng)的過渡過程第18頁,共29頁，2024年2月25日，星期天幾種典型的過渡過程：非周期衰減過程

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

√√？XX一般是不允許的除開關(guān)量控制回路第19頁,共29頁，2024年2月25日，星期天·一、以系統(tǒng)受到階躍輸入作用后的響應(yīng)曲線的形式給出。主要包括：

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(shù)，是響應(yīng)曲線的第一個(gè)波峰值超調(diào)量——也是表征被控變量偏離給定值的程度，是第一個(gè)峰值與新穩(wěn)定值之差衰減比——是表示衰減程度的指標(biāo)，它是達(dá)到新的穩(wěn)定狀態(tài)后，前后相鄰兩個(gè)峰值的比（峰高以新穩(wěn)定值為基準(zhǔn)）

余差——當(dāng)過渡過程終了時(shí)，被控制變量所達(dá)到的新穩(wěn)態(tài)值與給定值之間的偏差，余差可以是正值，也可以是負(fù)值。

過渡時(shí)間——從干擾開始發(fā)生的時(shí)刻，直到系統(tǒng)重新建立新的平衡時(shí)止，過渡過程所經(jīng)歷的時(shí)間。（通常過渡過程在新態(tài)值的±5%或±2%上下波動(dòng)，且進(jìn)入這一范圍后不再越出時(shí)，就認(rèn)為被控變量已經(jīng)達(dá)到新的穩(wěn)定值，或說過渡過程已經(jīng)結(jié)束。）振蕩周期（振蕩頻率）——過渡過程同向兩波峰（或波谷）之間的間隔時(shí)間，稱為振蕩周期，其倒數(shù)稱為振蕩頻率·三、控制系統(tǒng)的控制指標(biāo)第20頁,共29頁，2024年2月25日，星期天以階躍響應(yīng)曲線的形式表示的品質(zhì)指標(biāo)（和初值有關(guān)，這里只分析變化量）

分兩種情況：0階躍干擾作用下的過渡過程（設(shè)定值固定，加一階躍干擾）——定值系統(tǒng)

0階躍給定作用下的過渡過程（設(shè)定值變化）——隨動(dòng)系統(tǒng)

第21頁,共29頁，2024年2月25日，星期天階躍干擾作用下的過渡過程（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(∞)：過渡時(shí)間tp：振蕩周期：第22頁,共29頁，2024年2月25日，星期天階躍給定作用下的過渡過程（設(shè)定值變化）——隨動(dòng)系統(tǒng)

超調(diào)量：衰減比n：余差e(∞)：過渡時(shí)間tp：振蕩周期：0B最大偏差=？第23頁,共29頁，2024年2月25日，星期天自動(dòng)控制系統(tǒng)希望的結(jié)果：最大偏差（超調(diào)量）？衰減比？余差？過渡時(shí)間？振蕩周期？n＝1等幅振蕩n＜1發(fā)散振蕩n＞1衰減振蕩不振蕩

為了保持有足夠的穩(wěn)定程度，衰減比一般取為4：1至10：1；這種過渡過程不是最優(yōu)的結(jié)果，但操作人員容易掌握，一般也是操作人員所希望的過程不振蕩：不便于操作人員掌握。答：越小越好答：越短越好答：越小越好答：小好第24頁,共29頁，2024年2月25日，星期天例某換熱器的溫度調(diào)節(jié)系統(tǒng)在單位階躍干擾作用下的過渡過程曲線。試分別求出最大偏差、余差、衰減比、振蕩周期和過渡時(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的時(shí)間間隔，故周期T＝20—5＝15(min)5、過渡時(shí)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205×(±2％)＝±4.1℃