化工自動(dòng)化儀表精

1、化工自動(dòng)化及儀表化工自動(dòng)化及儀表 葉西寧葉西寧 Y 64253330(o) 學(xué)習(xí)這門課的必要性學(xué)習(xí)這門課的必要性： 控制系統(tǒng)應(yīng)用在國(guó)民生活的各個(gè)方面，控制系統(tǒng)應(yīng)用在國(guó)民生活的各個(gè)方面， 化工領(lǐng)域的應(yīng)用更加普遍，比如：煉油廠、化工領(lǐng)域的應(yīng)用更加普遍，比如：煉油廠、 化肥廠、純堿生產(chǎn)過程在滌綸短纖維生產(chǎn)過化肥廠、純堿生產(chǎn)過程在滌綸短纖維生產(chǎn)過 程、制漿、造紙過程、制藥等等。程、制漿、造紙過程、制藥等等。 工藝人員也應(yīng)該充分了解所用的控制系工藝人員也應(yīng)該充分了解所用的控制系 統(tǒng)，以及控制系統(tǒng)的特性。這樣才能設(shè)計(jì)出統(tǒng)，以及控制系統(tǒng)的特性。這樣才能設(shè)計(jì)出 合理、高效的生產(chǎn)工藝。合理、高效的生產(chǎn)工藝。 使

2、用常規(guī)儀表的中央控制室使用常規(guī)儀表的中央控制室 早期的早期的DCSDCS控制系統(tǒng)控制系統(tǒng) 現(xiàn)在的現(xiàn)在的DCSDCS控制系統(tǒng)控制系統(tǒng) 1 1 自動(dòng)控制系統(tǒng)概述自動(dòng)控制系統(tǒng)概述 本章的主要內(nèi)容：本章的主要內(nèi)容： 1.1 1.1 自動(dòng)化及儀表發(fā)展概述自動(dòng)化及儀表發(fā)展概述 1.2 1.2 自動(dòng)控制系統(tǒng)自動(dòng)控制系統(tǒng) 1.3 1.3 控制系統(tǒng)控制系統(tǒng)過渡過程及品質(zhì)指標(biāo)過渡過程及品質(zhì)指標(biāo) 1.1 1.1 自動(dòng)化及儀表發(fā)展概述自動(dòng)化及儀表發(fā)展概述 ?控制理論的發(fā)展控制理論的發(fā)展 經(jīng)典控制理論經(jīng)典控制理論:2020世紀(jì)世紀(jì)4040年年2020世紀(jì)世紀(jì)5050年代年代 Nyquist(1932) 頻域分析技術(shù)頻域

3、分析技術(shù) Bode(1945) 圖圖 根軌跡分析方法根軌跡分析方法(1948) 特點(diǎn)：特點(diǎn)：主要從主要從輸出輸出與與輸入量輸入量的關(guān)系方面分析與研究的關(guān)系方面分析與研究 問題。問題。 適用范圍：適用范圍：線性定常的單輸入、單輸出控制系統(tǒng)。線性定常的單輸入、單輸出控制系統(tǒng)。 以以傳遞函數(shù)傳遞函數(shù)為基礎(chǔ)，在頻率域?qū)屋斎雴屋敵隹貫榛A(chǔ)，在頻率域?qū)屋斎雴屋敵隹?制系統(tǒng)進(jìn)行分析與設(shè)計(jì)制系統(tǒng)進(jìn)行分析與設(shè)計(jì) PID控制規(guī)律是古典控制理論最輝煌的成果之一 控制規(guī)律是古典控制理論最輝煌的成果之一 現(xiàn)代控制理論現(xiàn)代控制理論:2020世紀(jì)世紀(jì)6060年代獲得迅猛發(fā)展年代獲得迅猛發(fā)展 其主要內(nèi)容為：其主要內(nèi)容為：

4、 （ 基基 礎(chǔ)礎(chǔ) ） 線線 性性 系系 統(tǒng)統(tǒng) 理理 論論 ， 最最 優(yōu)優(yōu) 控控 制制 理理 論，最佳估計(jì)理論，系統(tǒng)辨識(shí)等。論，最佳估計(jì)理論，系統(tǒng)辨識(shí)等。 特特點(diǎn)點(diǎn)： 從從輸輸入入- -狀狀態(tài)態(tài)- -輸輸出出的的關(guān)關(guān)系系全全面面地地分分析析 與研究系統(tǒng)。與研究系統(tǒng)。 適用范圍：適用范圍： 不限于不限于 線性定常系統(tǒng)線性定常系統(tǒng) ，也適用于，也適用于 線線 形形 時(shí)時(shí) 變變 ， 非非 線線 性性 及及 離離 散散 系系 統(tǒng)統(tǒng) ， 多多 輸輸 入、多輸出入、多輸出的情況。的情況。 大系統(tǒng)理論大系統(tǒng)理論:2020世紀(jì)世紀(jì)7070年代開始年代開始 將現(xiàn)代控制理論與系統(tǒng)理論相結(jié)合將現(xiàn)代控制理論與系統(tǒng)理論相

5、結(jié)合 核心思想：核心思想： 系統(tǒng)的分解與協(xié)調(diào)系統(tǒng)的分解與協(xié)調(diào) 適用范圍：適用范圍： 高維線性系統(tǒng)高維線性系統(tǒng) 智能控制理論智能控制理論: :不需要建立被控對(duì)象的數(shù)學(xué)模型不需要建立被控對(duì)象的數(shù)學(xué)模型 ?控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)及儀表的發(fā)展控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)及儀表的發(fā)展 ?控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的發(fā)展控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的發(fā)展 基地式基地式：2020世紀(jì)世紀(jì)5050年代，適用于單回路（就地式年代，適用于單回路（就地式 液位控制器及自力式溫度控制器）液位控制器及自力式溫度控制器） 單元組合式單元組合式（按功能劃分，然后組合）：（按功能劃分，然后組合）： DDZ, DDZ, QDZ 20QDZ 20世紀(jì)世紀(jì)6060年代，之間用年代，之間

6、用標(biāo)準(zhǔn)統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)統(tǒng)一信號(hào)聯(lián)系信號(hào)聯(lián)系 計(jì)算機(jī)計(jì)算機(jī)：DDC,20DDC,20世紀(jì)世紀(jì)7070年代年代 DCS DCS（集散控制系統(tǒng)）（集散控制系統(tǒng)） 先進(jìn)控制和優(yōu)化控制先進(jìn)控制和優(yōu)化控制 ：CIPS, FCS 20CIPS, FCS 20世紀(jì)世紀(jì)8080年代年代 以后以后 ? 自動(dòng)化儀表的發(fā)展自動(dòng)化儀表的發(fā)展 模擬儀表模擬儀表 數(shù)字儀表數(shù)字儀表 智能儀表智能儀表 ?當(dāng)前自動(dòng)控制系統(tǒng)發(fā)展的一些主要特點(diǎn)當(dāng)前自動(dòng)控制系統(tǒng)發(fā)展的一些主要特點(diǎn) ?生產(chǎn)裝置實(shí)施先進(jìn)控制成為發(fā)展主流生產(chǎn)裝置實(shí)施先進(jìn)控制成為發(fā)展主流 ?過程優(yōu)化受到普遍關(guān)注過程優(yōu)化受到普遍關(guān)注 ?傳統(tǒng)的傳統(tǒng)的DCSDCS在走向國(guó)際統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)的開放式

7、系統(tǒng)在走向國(guó)際統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)的開放式系統(tǒng) ?綜合自動(dòng)化系統(tǒng)（綜合自動(dòng)化系統(tǒng)（CIPSCIPS）是發(fā)展方向）是發(fā)展方向 1.2 1.2 自動(dòng)控制系統(tǒng)自動(dòng)控制系統(tǒng) 1.2.11.2.1自動(dòng)控制系統(tǒng)自動(dòng)控制系統(tǒng) 自動(dòng)控制的必要性自動(dòng)控制的必要性 蒸汽蒸汽 汽包汽包 省煤器省煤器 給水給水 圖圖1-1 鍋爐汽包示意圖鍋爐汽包示意圖 鍋爐設(shè)備的控制任務(wù)主鍋爐設(shè)備的控制任務(wù)主 要是：要是： 根據(jù)生產(chǎn)負(fù)荷的需要，根據(jù)生產(chǎn)負(fù)荷的需要，供應(yīng)供應(yīng) 一定規(guī)格（壓力、溫度）的一定規(guī)格（壓力、溫度）的 蒸汽，蒸汽，同時(shí)同時(shí)使鍋爐在安全、使鍋爐在安全、 經(jīng)濟(jì)的條件下運(yùn)行。經(jīng)濟(jì)的條件下運(yùn)行。 鍋爐設(shè)備的主要控制系鍋爐設(shè)備的主要控

8、制系 統(tǒng)有：統(tǒng)有： （1）鍋爐）鍋爐汽包水位汽包水位的控制的控制 （2）鍋爐燃燒的控制）鍋爐燃燒的控制 （3）過熱蒸汽系統(tǒng)的控制）過熱蒸汽系統(tǒng)的控制 蒸汽蒸汽 汽包汽包 省煤器省煤器 給水給水 圖圖1-1 鍋爐汽包示意圖鍋爐汽包示意圖 汽包水位是鍋爐運(yùn)行的主汽包水位是鍋爐運(yùn)行的主 要指標(biāo)，要指標(biāo)，維持水位在一定維持水位在一定 范圍內(nèi)范圍內(nèi)是鍋爐安全運(yùn)行的是鍋爐安全運(yùn)行的 首要條件。首要條件。 水位過高：水位過高：影響汽包內(nèi)的影響汽包內(nèi)的 汽水分離，飽和水蒸汽帶汽水分離，飽和水蒸汽帶 水過多，會(huì)使過熱器管壁水過多，會(huì)使過熱器管壁 結(jié)構(gòu)導(dǎo)致?lián)p壞，同時(shí)過熱結(jié)構(gòu)導(dǎo)致?lián)p壞，同時(shí)過熱 蒸汽溫度急劇下降，作

9、為蒸汽溫度急劇下降，作為 汽輪機(jī)動(dòng)力的話會(huì)損壞葉汽輪機(jī)動(dòng)力的話會(huì)損壞葉 片，影響運(yùn)行的安全及經(jīng)片，影響運(yùn)行的安全及經(jīng) 濟(jì)性。濟(jì)性。 蒸汽蒸汽 汽包汽包 省煤器省煤器 給水給水 圖圖1-1 鍋爐汽包示意圖鍋爐汽包示意圖 水位過低：水位過低：汽包內(nèi)水較汽包內(nèi)水較 少，負(fù)荷很大時(shí)，水的少，負(fù)荷很大時(shí)，水的 汽化速度加快，汽包內(nèi)汽化速度加快，汽包內(nèi) 水量急速減少，如不能水量急速減少，如不能 及時(shí)得到控制，則會(huì)燒及時(shí)得到控制，則會(huì)燒 干，燒壞水冷壁，甚至干，燒壞水冷壁，甚至 爆炸。爆炸。 蒸汽蒸汽 汽包汽包 省煤器省煤器 給水給水 圖圖1-1 鍋爐汽包示意圖鍋爐汽包示意圖 手動(dòng)控制的步驟：手動(dòng)控制的步驟

10、： (1) 觀察液位數(shù)值；觀察液位數(shù)值； (2) 把觀察到的把觀察到的實(shí)際數(shù)值實(shí)際數(shù)值 與與設(shè)定值設(shè)定值加以比較，根加以比較，根 據(jù)據(jù)偏差偏差的大小及變化情的大小及變化情 況做出判斷，并發(fā)布命況做出判斷，并發(fā)布命 令。令。 (3) 根據(jù)命令操作給水閥，根據(jù)命令操作給水閥， 使液位回到設(shè)定值。使液位回到設(shè)定值。 鍋爐汽包液位自動(dòng)控制系統(tǒng)鍋爐汽包液位自動(dòng)控制系統(tǒng) 蒸汽蒸汽 LT LC 汽包汽包 省煤器省煤器 給水給水 鍋爐汽包液位自動(dòng)控制系統(tǒng)示意圖 鍋爐汽包液位自動(dòng)控制系統(tǒng)示意圖 加熱爐溫度控制系統(tǒng)加熱爐溫度控制系統(tǒng) TT TC T 被加熱原料 出口溫度 燃料油 蒸汽蒸汽 LT LC 汽包汽包 省

11、煤器省煤器 給水給水 鍋爐汽包自動(dòng)控制系統(tǒng)示意圖鍋爐汽包自動(dòng)控制系統(tǒng)示意圖 被控過程：被控過程：鍋爐汽包鍋爐汽包 被控變量：被控變量： 汽包液位汽包液位 術(shù)語術(shù)語 被控過程（被控被控過程（被控 對(duì)象對(duì)象）： 自動(dòng)控制系統(tǒng)中，自動(dòng)控制系統(tǒng)中， 工藝參數(shù)需要控工藝參數(shù)需要控 制的生產(chǎn)過程、制的生產(chǎn)過程、 設(shè)備或機(jī)器。設(shè)備或機(jī)器。 被控變量：被控變量： 被控過程內(nèi)要求被控過程內(nèi)要求 保持設(shè)定值的工保持設(shè)定值的工 藝參數(shù)藝參數(shù) 蒸汽蒸汽 LT LC 汽包汽包 省煤器省煤器 給水給水 鍋爐汽包自動(dòng)控制系統(tǒng)示意圖鍋爐汽包自動(dòng)控制系統(tǒng)示意圖 操縱變量：操縱變量：水的流量水的流量 擾動(dòng)：擾動(dòng)：水壓力、蒸汽流量

12、水壓力、蒸汽流量 操縱變量：操縱變量： 受控制器操縱的受控制器操縱的 用以克服干擾的用以克服干擾的 影響，使被控變影響，使被控變 量保持設(shè)定值的量保持設(shè)定值的 物料量或能量物料量或能量 擾動(dòng)：擾動(dòng)： 除操縱變量外，除操縱變量外， 作用于被控過程作用于被控過程 并引起被控變量并引起被控變量 變化的因素變化的因素 蒸汽蒸汽 LT LC 汽包汽包 省煤器省煤器 給水給水 鍋爐汽包自動(dòng)控制系統(tǒng)示意圖鍋爐汽包自動(dòng)控制系統(tǒng)示意圖 設(shè)定值：設(shè)定值： 工藝參數(shù)所要求工藝參數(shù)所要求 保持的數(shù)值保持的數(shù)值 偏差：偏差： 被控變量實(shí)際值被控變量實(shí)際值 與設(shè)定值之差與設(shè)定值之差 負(fù)反饋：負(fù)反饋： 將被控變量送回將被控

13、變量送回 輸入端并與輸入輸入端并與輸入 變量相減變量相減 加熱爐溫度控制系統(tǒng)加熱爐溫度控制系統(tǒng) TT TC T 被加熱原料 出口溫度 燃料油 被控過程被控過程： 加熱爐 加熱爐 被控變量：被控變量： 物料出口溫度 物料出口溫度 操縱變量：操縱變量： 燃料油流量燃料油流量 擾動(dòng)：擾動(dòng)： 被加熱原料油溫度、燃料油熱值等被加熱原料油溫度、燃料油熱值等 1.2.21.2.2閉環(huán)控制與開環(huán)控制閉環(huán)控制與開環(huán)控制 閉環(huán)控制：閉環(huán)控制： 在反饋控制系在反饋控制系 統(tǒng)中，被控變量的統(tǒng)中，被控變量的 值被送回輸入端，值被送回輸入端， 與設(shè)定值進(jìn)行比較，與設(shè)定值進(jìn)行比較， 根據(jù)偏差進(jìn)行控制，根據(jù)偏差進(jìn)行控制， 控

14、制被控變量，這控制被控變量，這 樣，整個(gè)系統(tǒng)構(gòu)成樣，整個(gè)系統(tǒng)構(gòu)成 了一個(gè)閉環(huán)。了一個(gè)閉環(huán)。 蒸汽蒸汽 LT LC 汽包汽包 省煤器省煤器 給水給水 鍋爐汽包自動(dòng)控制系統(tǒng)示意圖鍋爐汽包自動(dòng)控制系統(tǒng)示意圖 ?閉環(huán)控制的特點(diǎn)（優(yōu)閉環(huán)控制的特點(diǎn)（優(yōu) 點(diǎn)）點(diǎn)）： 按按偏差偏差進(jìn)行控制，使偏進(jìn)行控制，使偏 差減小或消除，達(dá)到被控差減小或消除，達(dá)到被控 變量與設(shè)定值一致的目的。變量與設(shè)定值一致的目的。 ?閉環(huán)控制的缺點(diǎn)閉環(huán)控制的缺點(diǎn)： 蒸汽蒸汽 LT LC 汽包汽包 控制不夠及時(shí)；如果系控制不夠及時(shí)；如果系 省煤器省煤器 統(tǒng)內(nèi)部各環(huán)節(jié)配合不當(dāng)，統(tǒng)內(nèi)部各環(huán)節(jié)配合不當(dāng)， 給水給水 系統(tǒng)會(huì)引起劇烈震蕩，甚系統(tǒng)會(huì)引

15、起劇烈震蕩，甚 至?xí)瓜到y(tǒng)失去控制。至?xí)瓜到y(tǒng)失去控制。 鍋爐汽包自動(dòng)控制系統(tǒng)示意圖鍋爐汽包自動(dòng)控制系統(tǒng)示意圖 開環(huán)控制：開環(huán)控制：根據(jù)根據(jù)擾動(dòng)擾動(dòng)信號(hào)的變化來進(jìn)行控制。信號(hào)的變化來進(jìn)行控制。 ?開環(huán)控制的特點(diǎn)開環(huán)控制的特點(diǎn) （優(yōu)點(diǎn)）：（優(yōu)點(diǎn)）： 不需要對(duì)被控變量不需要對(duì)被控變量 進(jìn)行測(cè)量，只根據(jù)進(jìn)行測(cè)量，只根據(jù) 輸入信號(hào)進(jìn)行控制，輸入信號(hào)進(jìn)行控制， 控制很及時(shí)?？刂坪芗皶r(shí)。 蒸汽蒸汽 FT 汽包汽包 LT Fd 1F f C 省煤器省煤器 給水給水 ?開環(huán)控制的缺點(diǎn)：開環(huán)控制的缺點(diǎn)： 由于不測(cè)量被控變量，由于不測(cè)量被控變量， 也不與設(shè)定值相比較，也不與設(shè)定值相比較， 所以系統(tǒng)受到其他擾所以系

16、統(tǒng)受到其他擾 動(dòng)作用后，被控變量動(dòng)作用后，被控變量 汽包汽包 偏離設(shè)定值，無法消偏離設(shè)定值，無法消 除偏差，這是開環(huán)控除偏差，這是開環(huán)控 制的制的缺點(diǎn)缺點(diǎn)。 省煤器省煤器 蒸汽蒸汽 FT LT 1F FdC f 給水給水 開環(huán)控制與閉環(huán)控制實(shí)例比較開環(huán)控制與閉環(huán)控制實(shí)例比較 蒸汽蒸汽 ? 開環(huán)的液位控制系統(tǒng)開環(huán)的液位控制系統(tǒng) （按擾動(dòng)控制，又稱前饋控制）（按擾動(dòng)控制，又稱前饋控制） 蒸汽蒸汽 FT LT LC 汽包汽包 汽包汽包 LT 1F FdC f 省煤器省煤器 給水給水 鍋爐汽包自動(dòng)控制系統(tǒng)示意圖鍋爐汽包自動(dòng)控制系統(tǒng)示意圖 給水給水 省煤器省煤器 1.2.31.2.3自動(dòng)控制系統(tǒng)的組成及

17、方框圖自動(dòng)控制系統(tǒng)的組成及方框圖 在研究自動(dòng)控制系統(tǒng)時(shí)，為了更清楚地表示控制在研究自動(dòng)控制系統(tǒng)時(shí)，為了更清楚地表示控制 系統(tǒng)各環(huán)節(jié)之間的關(guān)系，一般采用方框圖。每個(gè)系統(tǒng)各環(huán)節(jié)之間的關(guān)系，一般采用方框圖。每個(gè) 方框方框 表示組成系統(tǒng)的一個(gè)表示組成系統(tǒng)的一個(gè) 環(huán)節(jié)環(huán)節(jié)，兩個(gè)方框兩個(gè)方框之間用之間用帶箭頭的帶箭頭的 線段線段表示表示信號(hào)信號(hào)聯(lián)系；進(jìn)入方框的信號(hào)為聯(lián)系；進(jìn)入方框的信號(hào)為 環(huán)節(jié)輸入，環(huán)節(jié)輸入，離離 開方框的為開方框的為環(huán)節(jié)輸出。環(huán)節(jié)輸出。 控制器 擾動(dòng) 比較 設(shè)定值 r(t) 機(jī)構(gòu) e(t) f(t) 廣義對(duì)象 被控變量 - 控制裝置 u(t) 執(zhí)行器 q(t) 過程 c(t) 測(cè)量值 y

18、(t) 檢測(cè)元件、變送器 閉環(huán)控制系統(tǒng)組成閉環(huán)控制系統(tǒng)組成 控制器 擾動(dòng) 比較 設(shè)定值 r(t) 機(jī)構(gòu) e(t) f(t) 廣義對(duì)象 被控變量 - 控制裝置 u(t) 執(zhí)行器 q(t) 過程 c(t) 測(cè)量值 y(t) 檢測(cè)元件、變送器 閉環(huán)控制系統(tǒng)組成閉環(huán)控制系統(tǒng)組成 ?檢測(cè)元件和變送器檢測(cè)元件和變送器 的作用是把被控變量的作用是把被控變量 c(t)c(t)轉(zhuǎn)化為測(cè)轉(zhuǎn)化為測(cè) 量值量值y(t)y(t)。 ?比較機(jī)構(gòu)比較機(jī)構(gòu)的作用是比較設(shè)定值的作用是比較設(shè)定值 r(t)r(t)與測(cè)量值與測(cè)量值y(t)y(t)并輸并輸 出其差值。出其差值。 控制器 擾動(dòng) 比較 設(shè)定值 r(t) 機(jī)構(gòu) e(t) f

19、(t) 廣義對(duì)象 被控變量 - 控制裝置 u(t) 執(zhí)行器 q(t) 過程 c(t) 測(cè)量值 y(t) 檢測(cè)元件、變送器 ?控制裝置控制裝置的作用是根據(jù)偏差的正負(fù)、大小及變化情況，的作用是根據(jù)偏差的正負(fù)、大小及變化情況， 按某種預(yù)定的控制規(guī)律給出控制作用按某種預(yù)定的控制規(guī)律給出控制作用 u(t)u(t)。比較機(jī)構(gòu)。比較機(jī)構(gòu) 和控制裝置通常組合在一起，稱為控制器。和控制裝置通常組合在一起，稱為控制器。 ?執(zhí)行器執(zhí)行器的作用是接受控制器送來的的作用是接受控制器送來的 u(t)u(t)，相應(yīng)地去改，相應(yīng)地去改 變操縱變量變操縱變量q(t)q(t)。 控制器 擾動(dòng) 比較 設(shè)定值 r(t) 機(jī)構(gòu) e(t

20、) f(t) 廣義對(duì)象 被控變量 - 控制裝置 u(t) 執(zhí)行器 q(t) 過程 c(t) 測(cè)量值 y(t) 檢測(cè)元件、變送器 通常將通常將過程、執(zhí)行器、檢測(cè)元件與變送器過程、執(zhí)行器、檢測(cè)元件與變送器 的組的組 合稱為合稱為廣義對(duì)象廣義對(duì)象。 控制器 擾動(dòng) 比較 設(shè)定值 r(t) 機(jī)構(gòu) e(t) f(t) 廣義對(duì)象 被控變量 - 控制裝置 u(t) 執(zhí)行器 q(t) 過程 c(t) 閉環(huán)閉環(huán) 控制控制 系統(tǒng)系統(tǒng) 組成組成 測(cè)量值 y(t) 檢測(cè)元件、變送器 幾個(gè)重要概念：幾個(gè)重要概念： （1 1）信息：）信息：圖中的圖中的r(t)r(t)、y(t)y(t)、f(t)f(t)等盡管是實(shí)際等盡管是

21、實(shí)際 的物理量，但它們是作為信息來轉(zhuǎn)換和作用的。圖中的物理量，但它們是作為信息來轉(zhuǎn)換和作用的。圖中 的每一部分稱為一個(gè)的每一部分稱為一個(gè) 環(huán)節(jié)環(huán)節(jié)，作用于它的信息稱為該環(huán)，作用于它的信息稱為該環(huán) 節(jié)的節(jié)的輸入信號(hào)輸入信號(hào)，它送出的信息稱為，它送出的信息稱為 輸出信號(hào)輸出信號(hào)。前一環(huán)。前一環(huán) 節(jié)的輸出就是后一環(huán)節(jié)的輸入信號(hào)。每一環(huán)節(jié)的輸出節(jié)的輸出就是后一環(huán)節(jié)的輸入信號(hào)。每一環(huán)節(jié)的輸出 信號(hào)與輸入信號(hào)之間的關(guān)系僅僅取決于該環(huán)節(jié)的特性。信號(hào)與輸入信號(hào)之間的關(guān)系僅僅取決于該環(huán)節(jié)的特性。 控制器 擾動(dòng) 比較 設(shè)定值 r(t) 機(jī)構(gòu) e(t) f(t) 廣義對(duì)象 被控變量 - 控制裝置 u(t) 執(zhí)行器

22、q(t) 過程 c(t) 測(cè)量值 y(t) 閉環(huán)閉環(huán) 控制控制 系統(tǒng)系統(tǒng) 組成組成 檢測(cè)元件、變送器 從整個(gè)系統(tǒng)來看，輸入信號(hào)：從整個(gè)系統(tǒng)來看，輸入信號(hào)： 設(shè)定值和擾動(dòng)設(shè)定值和擾動(dòng) 輸出信號(hào)：輸出信號(hào)： 被控變量、測(cè)量值被控變量、測(cè)量值 （2 2）閉環(huán)：）閉環(huán)：按信息的流向來說按信息的流向來說 （3 3）動(dòng)態(tài)：）動(dòng)態(tài)：物理量是時(shí)間的函數(shù)、是不斷變化的。物理量是時(shí)間的函數(shù)、是不斷變化的。 擾動(dòng)作用擾動(dòng)作用使被控變量偏離設(shè)定值，使被控變量偏離設(shè)定值， 控制作用控制作用又使它回又使它回 到設(shè)定值。到設(shè)定值。 1.2.4 1.2.4 自動(dòng)控制系統(tǒng)的分類自動(dòng)控制系統(tǒng)的分類 按設(shè)定值的不同情況，將自動(dòng)控制

23、系統(tǒng)分為三類按設(shè)定值的不同情況，將自動(dòng)控制系統(tǒng)分為三類 : : 定值控制系統(tǒng)、隨動(dòng)控制系統(tǒng)、程序控制系統(tǒng)定值控制系統(tǒng)、隨動(dòng)控制系統(tǒng)、程序控制系統(tǒng) 。 ?定值控制系統(tǒng)定值控制系統(tǒng) 設(shè)定值保持不變（為一恒定值）的反饋控制系統(tǒng)設(shè)定值保持不變（為一恒定值）的反饋控制系統(tǒng) 稱為定值控制系統(tǒng)。稱為定值控制系統(tǒng)。 1.2.4 1.2.4 自動(dòng)控制系統(tǒng)的分類自動(dòng)控制系統(tǒng)的分類 ?隨動(dòng)控制系統(tǒng)隨動(dòng)控制系統(tǒng) 設(shè)定值不斷變化，且事先是不知道的，并要求系設(shè)定值不斷變化，且事先是不知道的，并要求系 統(tǒng)的輸出（被控變量）隨之而變化。統(tǒng)的輸出（被控變量）隨之而變化。 ?程序控制系統(tǒng)程序控制系統(tǒng) 設(shè)定值也是變化的，但它是一個(gè)

24、已知的時(shí)間函數(shù)，設(shè)定值也是變化的，但它是一個(gè)已知的時(shí)間函數(shù)， 即根據(jù)需要按一定時(shí)間程序變化。即根據(jù)需要按一定時(shí)間程序變化。 課堂作業(yè)：課堂作業(yè)： 下圖為直接蒸汽加熱器的工藝流程圖，要 下圖為直接蒸汽加熱器的工藝流程圖，要 求畫出以熱物料的出口溫度為被控變量，蒸汽求畫出以熱物料的出口溫度為被控變量，蒸汽 流量為操縱變量的帶檢測(cè)控制點(diǎn)的工藝流程圖，流量為操縱變量的帶檢測(cè)控制點(diǎn)的工藝流程圖， 指明該控制系統(tǒng)中的被控變量、操縱變量、過指明該控制系統(tǒng)中的被控變量、操縱變量、過 程以及主要擾動(dòng)，畫出控制方案的方塊圖。程以及主要擾動(dòng)，畫出控制方案的方塊圖。 熱物料 蒸汽 冷物料 蒸汽加熱器蒸汽加熱器 1.3

25、1.3自動(dòng)控制系統(tǒng)的過渡過程及品質(zhì)指標(biāo)自動(dòng)控制系統(tǒng)的過渡過程及品質(zhì)指標(biāo) 1.3.11.3.1靜態(tài)與動(dòng)態(tài)靜態(tài)與動(dòng)態(tài) 控制系統(tǒng)的輸入有控制系統(tǒng)的輸入有設(shè)定設(shè)定 作用作用和和擾動(dòng)作用擾動(dòng)作用。 靜態(tài)（定態(tài)）靜態(tài)（定態(tài)）：當(dāng)輸入：當(dāng)輸入 LT LC 恒定不變時(shí)，整個(gè)系統(tǒng)恒定不變時(shí)，整個(gè)系統(tǒng) 汽包汽包 若能建立平衡，系統(tǒng)中若能建立平衡，系統(tǒng)中 各個(gè)環(huán)節(jié)將暫不動(dòng)作，各個(gè)環(huán)節(jié)將暫不動(dòng)作， 省煤器省煤器 它們的輸出都處于它們的輸出都處于相對(duì)相對(duì) 給水給水 靜止靜止?fàn)顟B(tài)。此時(shí)輸入與狀態(tài)。此時(shí)輸入與 輸出之間的關(guān)系稱為系輸出之間的關(guān)系稱為系 鍋爐汽包自動(dòng)控制系統(tǒng)示意圖鍋爐汽包自動(dòng)控制系統(tǒng)示意圖 統(tǒng)的靜態(tài)特性。統(tǒng)的

26、靜態(tài)特性。 環(huán)節(jié)環(huán)節(jié)的靜態(tài)特性的靜態(tài)特性 蒸汽蒸汽 動(dòng)態(tài)：動(dòng)態(tài)：由于輸入的變由于輸入的變 化，輸出隨時(shí)間變化，化，輸出隨時(shí)間變化， 蒸汽蒸汽 其間的關(guān)系稱為系統(tǒng)其間的關(guān)系稱為系統(tǒng) 的動(dòng)態(tài)特性。也就是的動(dòng)態(tài)特性。也就是 說，從輸入開始，經(jīng)說，從輸入開始，經(jīng) 過控制直到再建立靜過控制直到再建立靜 態(tài)，在這段時(shí)間中，態(tài)，在這段時(shí)間中， 整個(gè)系統(tǒng)的各個(gè)環(huán)節(jié)整個(gè)系統(tǒng)的各個(gè)環(huán)節(jié) 和變量都處于變化的和變量都處于變化的 過程之中，這種狀態(tài)過程之中，這種狀態(tài) 稱為動(dòng)態(tài)。稱為動(dòng)態(tài)。 環(huán)節(jié)環(huán)節(jié)的動(dòng)態(tài)特性的動(dòng)態(tài)特性 LT LC 汽包汽包 省煤器省煤器 給水給水 鍋爐汽包自動(dòng)控制系統(tǒng)示意圖鍋爐汽包自動(dòng)控制系統(tǒng)示意圖 1

27、.3.21.3.2自動(dòng)控制系統(tǒng)的過渡過程自動(dòng)控制系統(tǒng)的過渡過程 當(dāng)自動(dòng)控制系統(tǒng)的當(dāng)自動(dòng)控制系統(tǒng)的 輸入發(fā)生變化后，被控輸入發(fā)生變化后，被控 變量（即輸出）隨時(shí)間變量（即輸出）隨時(shí)間 蒸汽蒸汽 不斷變化，它隨時(shí)間而不斷變化，它隨時(shí)間而 變化的過程稱為系統(tǒng)的變化的過程稱為系統(tǒng)的 LT LC 汽包汽包 過渡過程。過渡過程。也就是系統(tǒng)也就是系統(tǒng) 省煤器省煤器 從一個(gè)平衡狀態(tài)從一個(gè)平衡狀態(tài)( (靜態(tài)靜態(tài)) ) 過渡到另一個(gè)平衡狀態(tài)過渡到另一個(gè)平衡狀態(tài) 給水給水 （靜態(tài)靜態(tài)）的過程。）的過程。 鍋爐汽包自動(dòng)控制系統(tǒng)示意圖鍋爐汽包自動(dòng)控制系統(tǒng)示意圖 1.3.21.3.2自動(dòng)控制系統(tǒng)的過渡過程自動(dòng)控制系統(tǒng)的過

28、渡過程 所有正常工作的反饋系統(tǒng)都是穩(wěn)定系統(tǒng)所有正常工作的反饋系統(tǒng)都是穩(wěn)定系統(tǒng) , ,對(duì)于對(duì)于 一個(gè)穩(wěn)定的系統(tǒng)一個(gè)穩(wěn)定的系統(tǒng), ,要分析其要分析其穩(wěn)定性、準(zhǔn)確性和快速穩(wěn)定性、準(zhǔn)確性和快速 性性，常以，常以階躍作用為輸入階躍作用為輸入時(shí)的被控變量的過渡過程時(shí)的被控變量的過渡過程 為例，因?yàn)殡A躍作用很典型，實(shí)際上也經(jīng)常遇到，為例，因?yàn)殡A躍作用很典型，實(shí)際上也經(jīng)常遇到， 且這類輸入變化對(duì)系統(tǒng)來講是比較嚴(yán)重的情況。且這類輸入變化對(duì)系統(tǒng)來講是比較嚴(yán)重的情況。 定值控制系統(tǒng)過渡過程的形式定值控制系統(tǒng)過渡過程的形式 ( (階躍擾動(dòng)階躍擾動(dòng)) ) ?發(fā)散振蕩 發(fā)散振蕩 ?單調(diào)發(fā)散 單調(diào)發(fā)散 ?等幅振蕩 等幅振蕩

29、 ?衰減振蕩 衰減振蕩 ?單調(diào)衰減 單調(diào)衰減 c(t ) c(t) t t (a)發(fā)散振蕩 (b)單調(diào)發(fā)散 c(t ) c(t) t t (c)等幅振蕩 (d)衰減振蕩 最常最常 用用 c(t ) t (e)單調(diào)衰減 穩(wěn)定的過穩(wěn)定的過 渡過程渡過程 1.3.3 1.3.3 自動(dòng)控制系統(tǒng)的品質(zhì)指標(biāo)自動(dòng)控制系統(tǒng)的品質(zhì)指標(biāo) ?單項(xiàng)控制指標(biāo)（僅適用于衰減振蕩過程）單項(xiàng)控制指標(biāo)（僅適用于衰減振蕩過程） 穩(wěn)定性、準(zhǔn)確性和快速性穩(wěn)定性、準(zhǔn)確性和快速性 ?綜合控制指標(biāo)綜合控制指標(biāo) ? ） （1 1）最大動(dòng)態(tài)偏差（）最大動(dòng)態(tài)偏差（e emaxmax）或超調(diào)量（）或超調(diào)量（ y 穩(wěn)態(tài)特性穩(wěn)態(tài)特性 y(y() )

30、A B B C t 0 最大動(dòng)態(tài)偏差或超調(diào)量是描述最大動(dòng)態(tài)偏差或超調(diào)量是描述 被控變量偏離設(shè)定值被控變量偏離設(shè)定值 最最 大程度的物理量，是衡量過渡過程大程度的物理量，是衡量過渡過程 穩(wěn)定性穩(wěn)定性的一個(gè)動(dòng)態(tài)的一個(gè)動(dòng)態(tài) 指標(biāo)。指標(biāo)。 對(duì)于定值控制系統(tǒng)，過渡過程的最大動(dòng)態(tài)偏差是對(duì)于定值控制系統(tǒng)，過渡過程的最大動(dòng)態(tài)偏差是 指被控變量第一個(gè)指被控變量第一個(gè)振蕩波振蕩波的的峰值與設(shè)定值峰值與設(shè)定值之差。之差。 在上圖中，最大偏差就是第一個(gè)波的峰值。為在上圖中，最大偏差就是第一個(gè)波的峰值。為 A A 最大偏差最大偏差表示系統(tǒng)的被控變量瞬間偏離表示系統(tǒng)的被控變量瞬間偏離 給定值的最大程度。若偏差越大，偏離的

31、時(shí)給定值的最大程度。若偏差越大，偏離的時(shí) 間越長(zhǎng)，對(duì)穩(wěn)定正常生產(chǎn)越不利。間越長(zhǎng)，對(duì)穩(wěn)定正常生產(chǎn)越不利。要求小。要求小。 特別是對(duì)于一些有約束條件的系統(tǒng)，如化學(xué)特別是對(duì)于一些有約束條件的系統(tǒng)，如化學(xué) 反應(yīng)器的化合物爆炸極限、觸媒燒結(jié)溫度極反應(yīng)器的化合物爆炸極限、觸媒燒結(jié)溫度極 限等，限等，都會(huì)對(duì)最大偏差的允許值有所限制。都會(huì)對(duì)最大偏差的允許值有所限制。 同時(shí)考慮到干擾會(huì)不斷出現(xiàn)，當(dāng)?shù)谝粋€(gè)同時(shí)考慮到干擾會(huì)不斷出現(xiàn)，當(dāng)?shù)谝粋€(gè) 干擾還未清除時(shí)，第二個(gè)干擾可能又出現(xiàn)了，干擾還未清除時(shí)，第二個(gè)干擾可能又出現(xiàn)了， 偏差有可能是疊加的，所以偏差有可能是疊加的，所以在決定最大偏差在決定最大偏差 的允許值時(shí)，要根

32、據(jù)工藝情況慎重選擇。的允許值時(shí)，要根據(jù)工藝情況慎重選擇。 在設(shè)定作用下的控制系統(tǒng)（隨動(dòng)控制系統(tǒng)）中，在設(shè)定作用下的控制系統(tǒng)（隨動(dòng)控制系統(tǒng)）中， 通常采用通常采用超調(diào)量超調(diào)量這個(gè)指標(biāo)來表示被控變量偏離這個(gè)指標(biāo)來表示被控變量偏離 設(shè)定值的程度，一般超調(diào)量以百分?jǐn)?shù)給出。設(shè)定值的程度，一般超調(diào)量以百分?jǐn)?shù)給出。 超調(diào)量定義：超調(diào)量定義：第第 一個(gè)波的峰值與一個(gè)波的峰值與 最終穩(wěn)態(tài)值之差，最終穩(wěn)態(tài)值之差， 即即B=A-C,如果如果 系統(tǒng)的新穩(wěn)態(tài)值系統(tǒng)的新穩(wěn)態(tài)值 等于設(shè)定值，那等于設(shè)定值，那 么最大偏差就等么最大偏差就等 于超調(diào)量。于超調(diào)量。 y B A 0 C B t B ?100% C （2 2）衰減比

33、）衰減比n n y y(y() ) A B B C t 0 穩(wěn)態(tài)特性穩(wěn)態(tài)特性 衰減比是衡量過渡過程衰減比是衡量過渡過程 穩(wěn)定性穩(wěn)定性的動(dòng)態(tài)指標(biāo)。的動(dòng)態(tài)指標(biāo)。 定義：第一個(gè)波的定義：第一個(gè)波的 振幅振幅與同方向第二個(gè)波的與同方向第二個(gè)波的 振幅振幅之比。之比。 衰減比衰減比n n B n? B y 衰減比衰減比n n n? BA B B C B 0 t n1:n1:衰減振蕩。衰減振蕩。n n越大，則控制系統(tǒng)的穩(wěn)定越大，則控制系統(tǒng)的穩(wěn)定 度也越高，當(dāng)度也越高，當(dāng)n n趨于無窮大時(shí)，控制系統(tǒng)的趨于無窮大時(shí)，控制系統(tǒng)的 過渡過程接近于非振蕩過程。過渡過程接近于非振蕩過程。 n=1:n=1:等幅振蕩。等

34、幅振蕩。 n1:n1:發(fā)散振蕩。發(fā)散振蕩。n n越小，意味著控制系統(tǒng)的越小，意味著控制系統(tǒng)的 振蕩過程越劇烈，穩(wěn)定度也越低，振蕩過程越劇烈，穩(wěn)定度也越低， 根據(jù)實(shí)際操作經(jīng)驗(yàn)，根據(jù)實(shí)際操作經(jīng)驗(yàn)， 為保持足夠的穩(wěn)定裕度，為保持足夠的穩(wěn)定裕度， 一般希望過渡過程有兩個(gè)波左右一般希望過渡過程有兩個(gè)波左右 ，與此對(duì)應(yīng)，與此對(duì)應(yīng) 的的衰減比在衰減比在4:14:1到到10:110:1的的范圍內(nèi)。范圍內(nèi)。 衰減率：衰減率： y B?B ? B 衰減比衰減比4:14:1衰減率衰減率 0.75 0.75 A B B C t 0 衰減比衰減比10:110:1衰減衰減 率率0.90 0.90 穩(wěn)態(tài)特性穩(wěn)態(tài)特性 （3

35、3）余差）余差 e ? 定義：定義：控制系統(tǒng)過渡過程終了時(shí)控制系統(tǒng)過渡過程終了時(shí)設(shè)定值設(shè)定值與與被控被控 變量穩(wěn)態(tài)值變量穩(wěn)態(tài)值之差之差。 e ? ? r?y(?) 余差是反映控制余差是反映控制準(zhǔn)確性準(zhǔn)確性的一個(gè)重要穩(wěn)的一個(gè)重要穩(wěn) 態(tài)指標(biāo)，一般希望其為零，或不超過預(yù)定態(tài)指標(biāo)，一般希望其為零，或不超過預(yù)定 的范圍。的范圍。 y y(y() ) A B B C t 0 上圖中，上圖中， 穩(wěn)態(tài)特性穩(wěn)態(tài)特性 e ? ? r?y(?) ? C 在控制系統(tǒng)中，在控制系統(tǒng)中，對(duì)余差的要求取決于對(duì)余差的要求取決于 生產(chǎn)過程的要求，并不是越小越好生產(chǎn)過程的要求，并不是越小越好。例如。例如 儲(chǔ)槽液位，余差可大一些；

36、化學(xué)反應(yīng)器的儲(chǔ)槽液位，余差可大一些；化學(xué)反應(yīng)器的 溫度控制要求高，余差就要小一些。溫度控制要求高，余差就要小一些。 （4 4）回復(fù)時(shí)間（過渡時(shí)間）回復(fù)時(shí)間（過渡時(shí)間） T S 回復(fù)時(shí)間表示控制系統(tǒng)過渡過程的長(zhǎng)短。回復(fù)時(shí)間表示控制系統(tǒng)過渡過程的長(zhǎng)短。 定義：控制系統(tǒng)在受到階躍外作用后，被控變量從定義：控制系統(tǒng)在受到階躍外作用后，被控變量從 原有穩(wěn)態(tài)值達(dá)到新的穩(wěn)態(tài)值所需要的時(shí)間原有穩(wěn)態(tài)值達(dá)到新的穩(wěn)態(tài)值所需要的時(shí)間 。 理論上講，控制系統(tǒng)要完全達(dá)到新的平衡狀態(tài)需要理論上講，控制系統(tǒng)要完全達(dá)到新的平衡狀態(tài)需要 無限長(zhǎng)的時(shí)間。無限長(zhǎng)的時(shí)間。 y B y(y() ) A B C 0 t 穩(wěn)態(tài)特性穩(wěn)態(tài)特性

37、y A 0 B B 5% t Ts ?5%實(shí)際上，實(shí)際上，被控變量接近于新穩(wěn)態(tài)值的被控變量接近于新穩(wěn)態(tài)值的 ? 3% 或或 ?2%的范圍內(nèi)且不再越出時(shí)的范圍內(nèi)且不再越出時(shí)或或 為止所經(jīng)歷的時(shí)間，可計(jì)為過渡時(shí)間。一般為止所經(jīng)歷的時(shí)間，可計(jì)為過渡時(shí)間。一般 希望過渡時(shí)間長(zhǎng)希望過渡時(shí)間長(zhǎng)oror短？短？ 短一些短一些！ （5 5）振蕩頻率（或振蕩周期）振蕩頻率（或振蕩周期） ? ? 定義：過渡過程同向兩波峰之間的時(shí)間間隔定義：過渡過程同向兩波峰之間的時(shí)間間隔 稱為稱為振蕩周期或工作周期振蕩周期或工作周期。其倒數(shù)稱為。其倒數(shù)稱為振蕩振蕩 頻率。頻率。 在衰減比相同條件下，振蕩周期與回復(fù)時(shí)間成在衰減比相

38、同條件下，振蕩周期與回復(fù)時(shí)間成 正比；振蕩頻率與回復(fù)時(shí)間成反比。正比；振蕩頻率與回復(fù)時(shí)間成反比。 其它一些次要指標(biāo)：其它一些次要指標(biāo)： 振蕩次數(shù)：振蕩次數(shù)：是指在過渡過程內(nèi)被控變量振蕩是指在過渡過程內(nèi)被控變量振蕩 的次數(shù)。的次數(shù)。 “理想過渡過程兩個(gè)波理想過渡過程兩個(gè)波”：是指過渡過程振是指過渡過程振 蕩兩次就能穩(wěn)定下來。蕩兩次就能穩(wěn)定下來。 上升時(shí)間：上升時(shí)間：是指干擾開始作用起到第一個(gè)波是指干擾開始作用起到第一個(gè)波 峰所需要的時(shí)間。峰所需要的時(shí)間。 y 穩(wěn)態(tài)特性穩(wěn)態(tài)特性 y(y() ) A B B C 0 t 總結(jié)：總結(jié)： 主要指標(biāo)有：主要指標(biāo)有：最大偏差、衰減比、余差、過最大偏差、衰減比

39、、余差、過 渡時(shí)間。渡時(shí)間。在實(shí)際的系統(tǒng)中如何確定這些指標(biāo)，在實(shí)際的系統(tǒng)中如何確定這些指標(biāo)， 要根據(jù)實(shí)際情況來定。要根據(jù)實(shí)際情況來定。 原則：對(duì)生產(chǎn)過程有決定性意義的主要品質(zhì)原則：對(duì)生產(chǎn)過程有決定性意義的主要品質(zhì) 指標(biāo)應(yīng)該優(yōu)先保證。指標(biāo)應(yīng)該優(yōu)先保證。 例題：例題：某換熱器的溫度調(diào)節(jié)系統(tǒng)在單位階躍某換熱器的溫度調(diào)節(jié)系統(tǒng)在單位階躍 干擾下的過渡過程曲線如下圖所示。試分別干擾下的過渡過程曲線如下圖所示。試分別 求出最大偏差、衰減比、余差、過渡時(shí)間求出最大偏差、衰減比、余差、過渡時(shí)間 （設(shè)定值為（設(shè)定值為200200）。 溫度 230 210 205 200 解：解： 5 20 22 t/min (1)(1