第一章自動(dòng)控制系統(tǒng)概述.ppt - 化工儀表及自動(dòng)化

1、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)在工業(yè)生產(chǎn)中的應(yīng)用很普遍，控制系統(tǒng)在工業(yè)生產(chǎn)中的應(yīng)用很普遍，尤其在化工領(lǐng)域，比如：煉油廠、化肥廠、尤其在化工領(lǐng)域，比如：煉油廠、化肥廠、純堿生產(chǎn)過程在滌綸短纖維生產(chǎn)過程、制漿、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。造紙過程、制藥等等。 自動(dòng)化人員應(yīng)該掌握足夠的專業(yè)知識(shí)。自動(dòng)化人員應(yīng)該掌握足夠的專業(yè)知識(shí)。 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。學(xué)習(xí)這門課的必要性學(xué)習(xí)這門課的必要性

2、（樓宇自動(dòng)化專業(yè)樓宇自動(dòng)化專業(yè)） 樓宇自動(dòng)化控制系統(tǒng)一般分為樓宇自動(dòng)化控制系統(tǒng)一般分為3種類型：種類型：（1）基本型建筑物自動(dòng)化控制系統(tǒng)）基本型建筑物自動(dòng)化控制系統(tǒng)（2）綜合型建筑物自動(dòng)化控制系統(tǒng)）綜合型建筑物自動(dòng)化控制系統(tǒng)（3）開放型建筑物自動(dòng)化控制系統(tǒng)）開放型建筑物自動(dòng)化控制系統(tǒng)（1）基本型建筑物自動(dòng)化控制系統(tǒng)）基本型建筑物自動(dòng)化控制系統(tǒng)基本型基本型BAS為各種建筑物空調(diào)自動(dòng)控制提供為各種建筑物空調(diào)自動(dòng)控制提供了方案了方案（2）綜合型建筑物自動(dòng)化控制系統(tǒng)）綜合型建筑物自動(dòng)化控制系統(tǒng)（3）開放型建筑物自動(dòng)化控制系統(tǒng)）開放型建筑物自動(dòng)化控制系統(tǒng)綜合型綜合型BAS的主要特點(diǎn)：可以監(jiān)控來自系統(tǒng)的主

3、要特點(diǎn)：可以監(jiān)控來自系統(tǒng)的數(shù)據(jù)，包括防火與保安等?？蓪⒍鄠€(gè)工作站的數(shù)據(jù)，包括防火與保安等。可將多個(gè)工作站連接至連接至LAN以提供與其他分支維護(hù)管理接口。以提供與其他分支維護(hù)管理接口。開放型基于開放型基于Unix環(huán)境，它監(jiān)控著許多分布式子環(huán)境，它監(jiān)控著許多分布式子系統(tǒng)，可以與其他公司的系統(tǒng)綜合在一個(gè)網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)，可以與其他公司的系統(tǒng)綜合在一個(gè)網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)中。在設(shè)計(jì)上充分考慮未來技術(shù)的發(fā)展。系統(tǒng)中。在設(shè)計(jì)上充分考慮未來技術(shù)的發(fā)展。BA的主要部件：的主要部件：BA系統(tǒng)負(fù)責(zé)大廈中空調(diào)制冷系統(tǒng)、變配電系系統(tǒng)負(fù)責(zé)大廈中空調(diào)制冷系統(tǒng)、變配電系統(tǒng)、照明系統(tǒng)、供熱系統(tǒng)以及電梯等的計(jì)算機(jī)統(tǒng)、照明系統(tǒng)、供熱系統(tǒng)以及電梯等的

4、計(jì)算機(jī)監(jiān)控管理。監(jiān)控管理。BA系統(tǒng)通過計(jì)算機(jī)對各自系統(tǒng)進(jìn)行監(jiān)測、控系統(tǒng)通過計(jì)算機(jī)對各自系統(tǒng)進(jìn)行監(jiān)測、控制、記錄，實(shí)現(xiàn)分散節(jié)能控制和集中科學(xué)管理。制、記錄，實(shí)現(xiàn)分散節(jié)能控制和集中科學(xué)管理。BA的結(jié)構(gòu)示意圖：的結(jié)構(gòu)示意圖：使用常規(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)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1.1.2 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)過渡過程及品質(zhì)指標(biāo)控制系統(tǒng)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

5、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)。以傳遞函數(shù)為基礎(chǔ)，在頻率域?qū)屋斎雴屋敵隹匾詡鬟f函數(shù)為基礎(chǔ)，在頻率域?qū)屋斎雴屋敵隹刂葡到y(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

6、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： （基礎(chǔ)）線性系統(tǒng)理論，最優(yōu)控制理（基礎(chǔ)）線性系統(tǒng)理論，最優(yōu)控制理 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。特點(diǎn)：特點(diǎn)： 從從輸入輸入- -狀態(tài)狀態(tài)- -輸出輸出的關(guān)系全面地分析的關(guān)系全面地分析 與研究系統(tǒng)。與研究系統(tǒng)。適用范圍：適用范圍： 不限于線性定常系統(tǒng)，也適用于線不限于線性定常系統(tǒng)，也適用于線 形時(shí)變，非線性及離散系統(tǒng)，多輸形時(shí)變，非線性及離散系統(tǒng)，多輸 入、多輸出的情況。入、多輸出的情況。大系統(tǒng)理論大系統(tǒng)理論:2020世紀(jì)世紀(jì)7070年

7、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: :不需要建立被控對象的數(shù)學(xué)模型不需要建立被控對象的數(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)展基地式：基地式：2020世紀(jì)世紀(jì)5050年代，適用于單回路年代，適用于單回路單元組合式（按功能）：單元組合式（按功能）： DDZ, QDZ DDZ, QDZ 2020世紀(jì)世紀(jì)6060年年代，之間用代，之間用標(biāo)準(zhǔn)統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)統(tǒng)一信號聯(lián)系信號聯(lián)系計(jì)算機(jī)：計(jì)算機(jī)： DDC, DCS DDC, DCS

8、2020世紀(jì)世紀(jì)7070年代年代先進(jìn)控制和優(yōu)化控制：先進(jìn)控制和優(yōu)化控制：CIPS, FCS CIPS, FCS 2020世紀(jì)世紀(jì)8080年代年代以后以后 自動(dòng)化儀表的發(fā)展經(jīng)歷了如下過程：自動(dòng)化儀表的發(fā)展經(jīng)歷了如下過程： 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在走向國際統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)的開放式系統(tǒng)在走向國際統(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

9、.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，供應(yīng)根據(jù)生產(chǎn)負(fù)荷的需要，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，同時(shí)使鍋爐在安全、蒸汽，同時(shí)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

10、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)的汽水影響汽包內(nèi)的汽水分離，飽和水蒸汽帶水過多，分離，飽和水蒸汽帶水過多，會(huì)使過熱器管壁結(jié)構(gòu)導(dǎo)致?lián)p壞，會(huì)使過熱器管壁結(jié)構(gòu)導(dǎo)致?lián)p壞，同時(shí)過熱蒸汽溫度急劇下降，同時(shí)過熱蒸汽溫度急劇下降，作為汽輪機(jī)動(dòng)力的話會(huì)損壞葉作為汽輪機(jī)動(dòng)力的話會(huì)損壞葉片，影響運(yùn)行的安全及經(jīng)濟(jì)性。片，影響運(yùn)行的安全及經(jīng)濟(jì)性。水位過低：水位過低：汽包內(nèi)水較少，負(fù)汽包內(nèi)水較少，

11、負(fù)荷很大時(shí)，水的汽化速度加快，荷很大時(shí)，水的汽化速度加快，汽包內(nèi)水量急速減少，如不能汽包內(nèi)水量急速減少，如不能及時(shí)得到控制，則會(huì)燒干，燒及時(shí)得到控制，則會(huì)燒干，燒壞水冷壁，甚至爆炸。壞水冷壁，甚至爆炸。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：(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。 L

12、T LC 蒸汽蒸汽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 T 被加熱原料 TT TC 燃料油 出口溫度 加熱爐的溫度控制系統(tǒng)加熱爐的溫度控制系統(tǒng) LT LC 蒸汽蒸汽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)示意圖術(shù)語術(shù)語被控過程（被控被控過程（被控對象對象）：自動(dòng)控自動(dòng)控制系統(tǒng)中，工藝制系統(tǒng)中，工藝參數(shù)需要控制的參數(shù)需要控制的生產(chǎn)過程、設(shè)備生產(chǎn)過程、設(shè)備或機(jī)器。或機(jī)器。被控變量：被控變量：被控被控過程內(nèi)要求保持過程內(nèi)要求保持設(shè)定值的工藝參設(shè)定值的工藝參數(shù)數(shù)被控過程：被控過程：汽包汽包被控變量：被控變量：汽包液位汽包

13、液位操縱變量：操縱變量：受控受控制器操縱的用以制器操縱的用以克服干擾的影響，克服干擾的影響，使被控變量保持使被控變量保持設(shè)定值的物料量設(shè)定值的物料量或能量或能量擾動(dòng)：擾動(dòng)：除操縱變除操縱變量外，作用于被量外，作用于被控過程并引起被控過程并引起被控變量變化的因控變量變化的因素素操縱變量：操縱變量：水的流量水的流量擾動(dòng)：擾動(dòng)：水壓力、蒸汽流量水壓力、蒸汽流量 LT LC 蒸汽蒸汽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：工藝參工藝參數(shù)所要求保持的數(shù)所要求保持的數(shù)值數(shù)值偏差：偏差：被控變量被控變量實(shí)際值與設(shè)定值實(shí)際值與設(shè)定值之差之差負(fù)反饋：負(fù)反

14、饋：將被控將被控變量送回輸入端變量送回輸入端并與輸入變量相并與輸入變量相減減 LT LC 蒸汽蒸汽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 T 被加熱原料 TT TC 燃料油 出口溫度 加熱爐的溫度控制系統(tǒng)加熱爐的溫度控制系統(tǒng)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： 在反饋控制系統(tǒng)中，被控變量送回輸入端，與設(shè)在反饋控制系統(tǒng)中，被控變

15、量送回輸入端，與設(shè)定值進(jìn)行比較，根據(jù)偏差進(jìn)行控制，控制被控變量，定值進(jìn)行比較，根據(jù)偏差進(jìn)行控制，控制被控變量，這樣，整個(gè)系統(tǒng)構(gòu)成了一個(gè)閉環(huán)。這樣，整個(gè)系統(tǒng)構(gòu)成了一個(gè)閉環(huán)。閉環(huán)控制的特點(diǎn)（優(yōu)點(diǎn)）閉環(huán)控制的特點(diǎn)（優(yōu)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)到被控變量與設(shè)定值一致的目的。差減小或消除，達(dá)到被控變量與設(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)：控制不夠及時(shí)；如果系統(tǒng)內(nèi)部各：控制不夠及時(shí)；如果系統(tǒng)內(nèi)部各環(huán)節(jié)配合不當(dāng)，系統(tǒng)會(huì)引起劇烈震蕩，甚至?xí)瓜到y(tǒng)環(huán)節(jié)配合不當(dāng)，系統(tǒng)會(huì)引起劇烈震蕩，甚至?xí)瓜到y(tǒng)失去控制。失去控制。開環(huán)控制：開環(huán)控制：根據(jù)擾動(dòng)信號的變化來進(jìn)行控制

16、。根據(jù)擾動(dòng)信號的變化來進(jìn)行控制。 開環(huán)控制的特點(diǎn)（優(yōu)點(diǎn)）：開環(huán)控制的特點(diǎn)（優(yōu)點(diǎn)）：不需要對被控變量進(jìn)不需要對被控變量進(jìn)行測量，只根據(jù)輸入信號進(jìn)行控制，行測量，只根據(jù)輸入信號進(jìn)行控制，控制很及時(shí)。控制很及時(shí)。開環(huán)控制的缺點(diǎn)：開環(huán)控制的缺點(diǎn)：由于不測量被控變量，也不與由于不測量被控變量，也不與設(shè)定值相比較，所以系統(tǒng)受到擾動(dòng)作用后，被控變設(shè)定值相比較，所以系統(tǒng)受到擾動(dòng)作用后，被控變量偏離設(shè)定值，無法消除偏差，這是開環(huán)控制的量偏離設(shè)定值，無法消除偏差，這是開環(huán)控制的缺缺點(diǎn)點(diǎn)。 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）開環(huán)控制舉例開環(huán)控制舉例1Ff

17、FT LT FdC 蒸汽蒸汽汽包汽包省煤器省煤器給水給水 LT LC 蒸汽蒸汽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1.2.31.2.3自動(dòng)控制系統(tǒng)的組成及方框圖自動(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)，為了更清楚的表示控制在研究自動(dòng)控制系統(tǒng)時(shí)，為了更清楚的表示控制系統(tǒng)各環(huán)節(jié)的組成、特性和相互間的信號聯(lián)系，一般系統(tǒng)各環(huán)節(jié)的組成、特性和相互間的信號聯(lián)系，一般都采用方框圖。每個(gè)方框表示組成系統(tǒng)的一個(gè)都采用方框圖。每個(gè)方框表示組成系統(tǒng)的一個(gè)環(huán)節(jié)環(huán)節(jié)，兩個(gè)方框之間用帶箭頭的線段表示兩個(gè)方框之間用帶箭頭的線段表示信號信號聯(lián)系；進(jìn)入方聯(lián)系；進(jìn)入方框的信號

18、為框的信號為環(huán)節(jié)輸入，環(huán)節(jié)輸入，離開方框的為離開方框的為環(huán)節(jié)輸出。環(huán)節(jié)輸出?？刂蒲b置執(zhí)行器過程檢測元件、變送器r(t)比較機(jī)構(gòu)-e(t)u(t)q(t)y(t)f(t)c(t)擾動(dòng)廣義對象被控變量測量值控制器設(shè)定值閉環(huán)控制系統(tǒng)組成閉環(huán)控制系統(tǒng)組成檢測元件和變送器檢測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)化為測轉(zhuǎn)化為測量值量值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)與測量值與測量值y(t)y(t)并輸并輸出其差值。出其差值?？刂蒲b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

19、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)。 系統(tǒng)中控制器以外的各部分組合在一起，即系統(tǒng)中控制器以外的各部分組合在一起，即過程、執(zhí)過程、執(zhí)行器、檢測元件與變送器行器、檢測元件與變送器的組合稱為的組合稱為廣義對象廣義對象。 控制裝置執(zhí)行器過程檢測元件、變送器r(t)比較機(jī)構(gòu)-e(t)u(t)q(t)y(t)f(t)c(t)擾動(dòng)廣義對象被控

20、變量測量值控制器設(shè)定值閉環(huán)閉環(huán)控制控制系統(tǒng)系統(tǒng)組成組成在分析控制系統(tǒng)的工作過程時(shí)，有幾個(gè)重要的概念：在分析控制系統(tǒng)的工作過程時(shí)，有幾個(gè)重要的概念：（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)環(huán)節(jié)，作用于它的信息稱為該環(huán)的每一部分稱為一個(gè)環(huán)節(jié)，作用于它的信息稱為該環(huán)節(jié)的輸入信號，它送出的信息稱為輸出信號。前一環(huán)節(jié)的輸入信號，它送出的信息稱為輸出信號。前一環(huán)節(jié)的輸出就是后一環(huán)節(jié)的輸入信號。每一環(huán)節(jié)的輸出節(jié)的輸出就是后一環(huán)節(jié)

21、的輸入信號。每一環(huán)節(jié)的輸出信號與輸入信號之間的關(guān)系僅僅取決于該環(huán)節(jié)的特性。信號與輸入信號之間的關(guān)系僅僅取決于該環(huán)節(jié)的特性。從整個(gè)系統(tǒng)來看，輸入信號：設(shè)定值和擾動(dòng)從整個(gè)系統(tǒng)來看，輸入信號：設(shè)定值和擾動(dòng) 輸出信號：被控變量、測量值輸出信號：被控變量、測量值（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)作用使被控變量偏離設(shè)定值，控制作用又使它回?cái)_動(dòng)作用使被控變量偏離設(shè)定值，控制作用又使它回到設(shè)定值。到設(shè)定值。 控制裝置執(zhí)行器過程檢測元件、變送器r(t)比較機(jī)構(gòu)-e(t)u(t)q(t)y(t)f

22、(t)c(t)擾動(dòng)廣義對象被控變量測量值控制器設(shè)定值閉環(huán)閉環(huán)控制控制系統(tǒng)系統(tǒng)組成組成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)。 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

23、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)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 熱物料 冷物料 蒸汽 課堂作業(yè)：課堂作業(yè)： 下圖為直接蒸汽加熱器的示意圖，并畫出下圖為直接蒸汽加熱器的示意圖，并畫出以熱物料的出口溫度為被控變量，蒸汽流量為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控制點(diǎn)的工藝流程圖，指明操縱變量的帶檢測控制點(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、過程以該控制系統(tǒng)中的被控變量、操縱變量、過程以及主要擾動(dòng)，畫出該控制方案的方

24、塊圖，及主要擾動(dòng)，畫出該控制方案的方塊圖，蒸汽加熱器蒸汽加熱器1.31.3自動(dòng)控制系統(tǒng)的過渡自動(dòng)控制系統(tǒng)的過渡過程及品質(zhì)指標(biāo)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)定作用和擾動(dòng)作用。設(shè)定作用和擾動(dòng)作用。靜態(tài)（定態(tài)）靜態(tài)（定態(tài)）：當(dāng)輸入：當(dāng)輸入恒定不變時(shí)，整個(gè)系統(tǒng)恒定不變時(shí)，整個(gè)系統(tǒng)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，它們的輸出都處于相對它們的輸出都處于相對靜止?fàn)顟B(tài)。此時(shí)輸入與靜止?fàn)顟B(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)系稱為系統(tǒng)的靜態(tài)特性。統(tǒng)的靜態(tài)特性。環(huán)節(jié)環(huán)節(jié)的靜態(tài)特性的靜態(tài)特性 LT LC

25、 蒸汽蒸汽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，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 蒸汽蒸汽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

26、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)的過渡過程 當(dāng)自動(dòng)控制系統(tǒng)的輸入發(fā)生變化后，被控變量當(dāng)自動(dòng)控制系統(tǒng)的輸入發(fā)生變化后，被控變量（即輸出）隨時(shí)間不斷變化，它隨時(shí)間而變化的過（即輸出）隨時(shí)間不斷變化，它隨時(shí)間而變化的過程稱為系統(tǒng)的過渡過程。程稱為系統(tǒng)的過渡過程。也就是系統(tǒng)從一個(gè)平衡狀也就是系統(tǒng)從一個(gè)平衡狀態(tài)過渡到另一個(gè)平衡狀態(tài)的過程。態(tài)過渡到另一個(gè)平衡狀態(tài)的過程。 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), ,對于對于一個(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，常以階躍作用為輸入時(shí)的被控變量

27、的過渡過程，常以階躍作用為輸入時(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，且這類輸入變化對系統(tǒng)來講是比較嚴(yán)重的情況。且這類輸入變化對系統(tǒng)來講是比較嚴(yán)重的情況。 定值控制系統(tǒng)過渡過程的幾種形式定值控制系統(tǒng)過渡過程的幾種形式( (階躍擾動(dòng)階躍擾動(dòng)) ) c(t) (e)單調(diào)衰減 (c)等幅振蕩 (b)單調(diào)發(fā)散 (d)衰減振蕩 (a)發(fā)散振蕩 c(t) c(t) c(t) c(t) t t t t t 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衰減振蕩衰減振蕩單調(diào)衰減單調(diào)衰減穩(wěn)定的過穩(wěn)定的過渡過程渡過程最常最常用用單項(xiàng)控制指標(biāo)（

28、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)綜合控制指標(biāo)綜合控制指標(biāo)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)。 對于定值控制系統(tǒng)，過渡過程的最大動(dòng)態(tài)偏差是對于定值控制系統(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。

29、為在上圖中，最大偏差就是第一個(gè)波的峰值。為A A （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（ ）CtyBBA0穩(wěn)態(tài)特性穩(wěn)態(tài)特性最大偏差表示系統(tǒng)瞬間偏離給定值的最大程最大偏差表示系統(tǒng)瞬間偏離給定值的最大程度。若偏差越大，偏離的時(shí)間越長，對穩(wěn)定度。若偏差越大，偏離的時(shí)間越長，對穩(wěn)定正常生產(chǎn)越不利。正常生產(chǎn)越不利。要求小。要求小。特別是對于一些特別是對于一些有約束條件的系統(tǒng)，如化學(xué)反應(yīng)器的化合物有約束條件的系統(tǒng)，如化學(xué)反應(yīng)器的化合物爆炸極限、觸媒燒結(jié)溫度極限等，爆炸極限、觸媒燒結(jié)溫度極限等，都會(huì)對最都會(huì)對最大偏差的允許值有所限制。大偏差的允許值有所限制。同時(shí)考慮

30、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，所以要限制最大偏差偏差有可能是疊加的，所以要限制最大偏差的允許值。因此，的允許值。因此，在決定最大偏差的允許值在決定最大偏差的允許值時(shí)，要根據(jù)工藝情況慎重選擇。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。A超調(diào)量定義

31、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,一般一般以百分?jǐn)?shù)表示。以百分?jǐn)?shù)表示。100%BCytBBC0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。 （2 2）衰減比）衰減比n nBnB衰減比衰減比n nCtyBBA0穩(wěn)態(tài)特性穩(wěn)態(tài)特性BnB衰減比衰減比n n 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

32、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)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，的振蕩過程越劇烈，穩(wěn)定度也越低，CtyBBA0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，與此對應(yīng)，與此對應(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：BBB衰減比衰減比4:14:1衰減率衰減率0.750.75衰減比衰減比10:110:1衰減衰減率率0.900.9

33、0CtyBBA0穩(wěn)態(tài)特性穩(wěn)態(tài)特性（3 3）余差）余差e定義：控制系統(tǒng)過渡過程終了時(shí)設(shè)定值與定義：控制系統(tǒng)過渡過程終了時(shí)設(shè)定值與被控變量穩(wěn)態(tài)值之差。被控變量穩(wěn)態(tài)值之差。( )ery 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。上圖中，上圖中，( )eryC 在控制系統(tǒng)中，在控制系統(tǒng)中，對余差的要求取決于對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；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

34、些。溫度控制要求高，余差就要小一些。CtyBBA0穩(wěn)態(tài)特性穩(wěn)態(tài)特性（4 4）回復(fù)時(shí)間（過渡時(shí)間）回復(fù)時(shí)間（過渡時(shí)間）回復(fù)時(shí)間表示控制系統(tǒng)過渡過程的長短?；貜?fù)時(shí)間表示控制系統(tǒng)過渡過程的長短。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)需要無限長的時(shí)間。無限長的時(shí)間。STCtyBBA0穩(wěn)態(tài)特性穩(wěn)態(tài)特性實(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 或或 或或 的范圍內(nèi)且不再越出時(shí)的

35、范圍內(nèi)且不再越出時(shí)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)間長希望過渡時(shí)間長oror短？短？5%3%2%ytBB5%A0Ts短一些短一些?。? 5）振蕩頻率（或振蕩周期）振蕩頻率（或振蕩周期）在衰減比相同條件下，周期與過渡時(shí)間成正比；在衰減比相同條件下，周期與過渡時(shí)間成正比；振蕩頻率與回復(fù)時(shí)間成反比。振蕩頻率與回復(fù)時(shí)間成反比。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。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

36、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)?！袄硐脒^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。CtyBBA0穩(wěn)態(tài)特性穩(wěn)態(tài)特性總結(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、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：對生產(chǎn)過程有決定性意義的主要品質(zhì)原則：對生產(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）。max230