第2章：熱工過程自動(dòng)控制的基本概念

1、承德石油高等?？茖W(xué)校重點(diǎn)課程建設(shè)熱工儀表及自動(dòng)化（適用于熱工、制冷、儲(chǔ)運(yùn)、智建專業(yè)）熱工儀表教研室第二章 熱工自動(dòng)控制的基本概念熱工自動(dòng)控制系統(tǒng)組成及常用術(shù)語熱工自動(dòng)控制系統(tǒng)的方框圖過渡過程及其品質(zhì)指標(biāo)2-1熱工自動(dòng)控制系統(tǒng)組成及常用術(shù)語組成受控對(duì)象（過程） ：工作的機(jī)器、裝備等，從傳感器到執(zhí)行器之間被控量：表征其工作狀態(tài)的物理量如T,P測量變送：對(duì)被控量進(jìn)行測量（轉(zhuǎn)換成標(biāo)準(zhǔn)信號(hào)）的裝置調(diào)節(jié)器：把測定值和設(shè)定值進(jìn)行比較的裝置執(zhí)行器（調(diào)節(jié)閥）：把調(diào)節(jié)器的指令成比例地轉(zhuǎn)換為直線或角位移地裝置自動(dòng)控制系統(tǒng)：受控對(duì)象和控制裝置的總體一、人工控制和自動(dòng)控制人工控制：在人的直接參與下，使被控量等于給定值反

2、應(yīng)不及時(shí)，可以處理復(fù)雜問題自動(dòng)控制：在沒有人的直接參與下，利用控制裝置操縱受控對(duì)象，使被控量等于給定值反應(yīng)快，按設(shè)定的程序控制，必須有模型人工控制人在完成一項(xiàng)有目的的任務(wù)所經(jīng)歷的過程眼睛觀察 大腦分析決策、預(yù)期目標(biāo)油門執(zhí)行 汽車受控對(duì)象分析決策觀察執(zhí)行觀察工作對(duì)象預(yù)期目標(biāo)干擾被控量汽車定速巡航分析決策觀察執(zhí)行觀察受控對(duì)象預(yù)期目標(biāo)干擾調(diào)節(jié)器測量執(zhí)行測量受控對(duì)象設(shè)定速度干擾人工控制和自動(dòng)控制的類比（總結(jié)）比較計(jì)算測量執(zhí)行測量受控對(duì)象給定值干擾被控量分析決策觀察執(zhí)行觀察工作對(duì)象預(yù)期目標(biāo)干擾自動(dòng)控制的基本方式開式控制之一：按給定值的操縱給定值計(jì)算執(zhí)行受控對(duì)象被控量干擾閉式（反饋）控制：按偏差調(diào)節(jié)計(jì)算測

3、量執(zhí)行受控對(duì)象干擾被控量開式控制之二：抗干擾補(bǔ)償比較計(jì)算執(zhí)行測量受控對(duì)象給定值被控量干擾二、自控系統(tǒng)的組成過程控制：石油、化工、冶金、機(jī)械、電力、輕工、紡織、建材、原子能等工業(yè)部門的自動(dòng)化過程控制系統(tǒng)：自動(dòng)控制系統(tǒng)的被控制量是溫度、壓力、流量、液位成分、粘度、濕度以及PH值等的系統(tǒng)三、常用術(shù)語 被控過程（簡稱過程或稱被控對(duì)象）：在自動(dòng)控制系統(tǒng)中，工藝變量需要控制的生產(chǎn)過程、設(shè)備或機(jī)械等，如鍋爐汽包。被控變量：被控過程內(nèi)要求保持設(shè)定數(shù)值的工藝變量稱為被控變量，例如鍋爐汽包內(nèi)的水位。操縱變量：指受控于調(diào)節(jié)閥，用以克服擾動(dòng)的影響，使被控變量保持設(shè)定值的物料量或能量，稱為操縱變量。例如鍋爐給水。擾動(dòng)（

4、干擾）：除操縱變量外，作用于被控過程并引起被控變量變化的因素，稱為擾動(dòng)。例如蒸汽負(fù)荷的變化。設(shè)定值：被控變量的預(yù)定值稱為設(shè)定值。例如鍋爐汽包中預(yù)先設(shè)定的水位值。偏差：是被控變量的設(shè)定值與實(shí)際值之差。但是，能夠直接獲取的信息是被控變量的測量值而不是實(shí)際值。因此，在控制系統(tǒng)中通常把設(shè)定值與測量值之差作為偏差。 2-2熱工自動(dòng)控制系統(tǒng)的方框圖調(diào)節(jié)器：調(diào)節(jié)閥：過程：從傳感器到調(diào)節(jié)閥之間的管道設(shè)備測量變送：調(diào)節(jié)器執(zhí)行器過程測量變送x (t)e (t)u (t)q (t)y (t)z (t)一、方框圖的畫法每個(gè)方框表示組成該系統(tǒng)的一個(gè)環(huán)節(jié)兩個(gè)方框之間一條帶有箭頭的連線表示其相互關(guān)系，不表示方框之間的物料聯(lián)

5、系調(diào)節(jié)器執(zhí)行器過程測量變送x (t)e (t)u (t)q (t)y (t)z (t)過熱蒸汽溫度控制系統(tǒng)TCTT減溫器溫度測量冷水調(diào)節(jié)器執(zhí)行器過程測量變送x (t)e (t)u (t)q (t)y (t)z (t)液位控制器儲(chǔ)罐HTHC差壓變送器液位調(diào)節(jié)器執(zhí)行器調(diào)節(jié)器執(zhí)行器過程測量變送x (t)e (t)u (t)q (t)y (t)z (t)干擾烤爐溫度控制示意圖調(diào)節(jié)器執(zhí)行器過程測量變送x (t)e (t)u (t)q (t)y (t)z (t)位置隨動(dòng)系統(tǒng)原理圖調(diào)節(jié)器執(zhí)行器過程測量變送x (t)e (t)u (t)q (t)y (t)z (t)調(diào)速系統(tǒng)圖調(diào)節(jié)器執(zhí)行器過程測量變送x (t)

6、e (t)u (t)q (t)y (t)z (t)二、自控系統(tǒng)的分類按系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)分類反饋控制系統(tǒng)前饋控制系統(tǒng)前饋反饋控制系統(tǒng)調(diào)節(jié)器調(diào)節(jié)閥過程測量變送x (t)e (t)u (t)q (t)y (t)z (t)反饋調(diào)節(jié)器執(zhí)行器過程測量變送+x (t)e (t)u (t)q (t)y (t)-z (t)前饋調(diào)節(jié)器擾動(dòng)通道f (t)前饋調(diào)節(jié)器執(zhí)行器過程f (t)u (t)q (t)y (t)z (t)測量儀表按給定值信號(hào)的特點(diǎn)分類定值控制系統(tǒng)：將被控制量保持在某一定值或很小的范圍中的控制系統(tǒng)隨動(dòng)控制系統(tǒng)：被控量的給定值隨時(shí)間任意地變化的控制系統(tǒng)程序控制系統(tǒng)：被控量的給定值按預(yù)定的時(shí)間程序而變化的

7、控制系數(shù) 一、系統(tǒng)的靜態(tài)和動(dòng)態(tài)二、過渡過程基本形式三、品質(zhì)指標(biāo) 2-3過渡過程及其品質(zhì)指標(biāo)一、系統(tǒng)的靜態(tài)和動(dòng)態(tài)靜態(tài)：輸入不變，調(diào)節(jié)系統(tǒng)在調(diào)節(jié)器的自動(dòng)調(diào)節(jié)作用下，被調(diào)量不再隨時(shí)間變化的平衡狀態(tài)動(dòng)態(tài)：被調(diào)量隨時(shí)間變化，系統(tǒng)處于不平衡狀態(tài)一個(gè)運(yùn)行的系統(tǒng)，時(shí)時(shí)刻刻都有擾動(dòng)作用于對(duì)象，被調(diào)量偏離設(shè)定值，重點(diǎn)應(yīng)研究系統(tǒng)和環(huán)節(jié)的動(dòng)態(tài)特性上。二、過渡過程基本形式發(fā)散振蕩等幅振蕩衰減振蕩發(fā)散振蕩012340.00.51.01.52.0t等幅振蕩02468101214160.00.20.40.60.81.01.21.41.61.82.0 h(t)t F105101520250.00.20.40.60.81.01.

8、21.41.6 h(t)t最大偏差給定值余差tpts衰減振蕩(1)衰減振蕩(2)05100.00.20.40.60.81.01.21.41.61.82.0 h(t)t（單調(diào)過程）無振蕩過程0246810120.00.20.40.60.81.0 h(t)t發(fā)散振蕩的MATLAB模擬衰減振蕩(2)的MATLAB模擬單調(diào)過程的MATLAB模擬汽車ABS剎車時(shí)的車速和輪速三、品質(zhì)指標(biāo) 余差（e） ：系統(tǒng)過渡過程終了時(shí)給定值與被控參數(shù)穩(wěn)定值之差 最大偏差（A）：被控參數(shù)第一個(gè)波的峰值與給定值的差衰減比（n）：振蕩過程的第一個(gè)波的振幅與第二個(gè)波的振幅之比衰減率（f）：經(jīng)過一個(gè)周期后，波動(dòng)幅度衰減的百分比過

9、渡過程時(shí)間（ts）：系統(tǒng)過渡過程曲線進(jìn)入新的穩(wěn)定值的5%或2%范圍內(nèi)所需的時(shí)間峰值時(shí)間（tp）：系統(tǒng)過渡過程曲線到達(dá)第一個(gè)峰值所需的時(shí)間，反映系統(tǒng)響應(yīng)的靈敏程度三、品質(zhì)指標(biāo) 余差（e） ：系統(tǒng)過渡過程終了時(shí)給定值與被控參數(shù)穩(wěn)定值之差 最大偏差（A）：被控參數(shù)第一個(gè)波的峰值與給定值的差05101520250.00.20.40.60.81.01.21.41.6 h(t)t最大偏差給定值余差衰減振蕩的品質(zhì)指標(biāo)衰減比（n）：振蕩過程的第一個(gè)波的振幅與第二個(gè)波的振幅之比衰減率（f）：經(jīng)過一個(gè)周期后，波動(dòng)幅度衰減的百分比05101520250.00.20.40.60.81.01.21.41.6 h(t)t

10、給定值衰減振蕩的品質(zhì)指標(biāo)y2y1y1衰減比y2y1-y2衰減率y1過渡過程時(shí)間（ts）：系統(tǒng)過渡過程曲線進(jìn)入新的穩(wěn)定值的5%或2%范圍內(nèi)所需的時(shí)間峰值時(shí)間（tp）：系統(tǒng)過渡過程曲線到達(dá)第一個(gè)峰值所需的時(shí)間，反映系統(tǒng)響應(yīng)的靈敏程度05101520250.00.20.40.60.81.01.21.41.6 h(t)t給定值tp衰減振蕩的品質(zhì)指標(biāo)ts余差2%或5%等幅振蕩的品質(zhì)指標(biāo)024681012141618200.00.20.40.60.81.01.21.41.61.82.0 h(t)t F1過渡時(shí)間？峰值時(shí)間？衰減率衰減比發(fā)散振蕩的品質(zhì)指標(biāo)過渡時(shí)間？峰值時(shí)間？0123456780.00.51.

11、01.52.0t偏差性能指標(biāo)min平方誤差積分準(zhǔn)則時(shí)間乘誤差平方積分準(zhǔn)則誤差絕對(duì)值積分準(zhǔn)則時(shí)間乘誤差絕對(duì)值積分準(zhǔn)則 20Jet dt 20Jtet dt 20Jt et dt 20Jet dt對(duì)控制系統(tǒng)的性能要求穩(wěn)：動(dòng)態(tài)過程的振蕩傾向和系統(tǒng)重新恢復(fù)平衡工作狀態(tài)的能力05101520250.00.20.40.60.81.01.21.41.61.82.0 h(t)t過程2過程1012340.00.51.01.52.0t系統(tǒng)過渡到新的平衡工作狀態(tài)后或系統(tǒng)受到擾動(dòng)后重新恢復(fù)平衡后，最終保持的精度，反映了動(dòng)態(tài)后期的性能準(zhǔn)：1012141618202224260.00.40.81.21.6t過程2過程1快：動(dòng)態(tài)過程進(jìn)行的時(shí)間長短，過程時(shí)間持續(xù)很長，將使系統(tǒng)長時(shí)間出現(xiàn)大偏差，同時(shí)也說明系統(tǒng)響應(yīng)很遲鈍，難以復(fù)現(xiàn)快速變化的信號(hào)051 01 52 02 50 .00 .20 .40 .60 .81 .01 .21 .41 .6 h(t)t過程2過程1小節(jié)自動(dòng)控制研究的對(duì)象是自動(dòng)控制系統(tǒng)重點(diǎn)