第七章：自動控制系統(tǒng)概述

1、化工儀表及自動化化工儀表及自動化第七章第七章 自動控制系統(tǒng)概述自動控制系統(tǒng)概述 內(nèi)容提要內(nèi)容提要n 自動控制系統(tǒng)的組成自動控制系統(tǒng)的組成n 自動控制系統(tǒng)的方塊圖自動控制系統(tǒng)的方塊圖n信號和變量信號和變量n自動控制系統(tǒng)方塊圖自動控制系統(tǒng)方塊圖n反饋反饋n自動控制系統(tǒng)的分類自動控制系統(tǒng)的分類n 過渡過程和品質(zhì)指標(biāo)過渡過程和品質(zhì)指標(biāo)n控制系統(tǒng)的靜態(tài)與動態(tài)控制系統(tǒng)的靜態(tài)與動態(tài)1 內(nèi)容提要內(nèi)容提要n控制系統(tǒng)的過渡過程控制系統(tǒng)的過渡過程n控制系統(tǒng)的控制指標(biāo)控制系統(tǒng)的控制指標(biāo)n影響控制指標(biāo)的主要因素影響控制指標(biāo)的主要因素2第一節(jié)第一節(jié) 自動控制系統(tǒng)的組成自動控制系統(tǒng)的組成 3圖7-1 人工操作圖圖7-2 液

2、位自動控制圖人工操作與自動控制比較圖人工操作與自動控制比較圖控制速度和精度不能滿足大型控制速度和精度不能滿足大型現(xiàn)代化生產(chǎn)的需要現(xiàn)代化生產(chǎn)的需要第一節(jié)第一節(jié) 自動控制系統(tǒng)的組成自動控制系統(tǒng)的組成圖7-2 液位自動控制4字母字母第一位字母第一位字母后繼字母后繼字母被測變量被測變量修飾詞修飾詞功能功能ACDEFIKLMPQRSTVWYZ分析分析電導(dǎo)率電導(dǎo)率密度密度電壓電壓流量流量電流電流時間或時間程序時間或時間程序物位物位水分或濕度水分或濕度壓力或真空壓力或真空數(shù)量或件數(shù)數(shù)量或件數(shù)放射性放射性速度或頻率速度或頻率溫度溫度黏度黏度力力供選用供選用位置位置差差比（分?jǐn)?shù)）比（分?jǐn)?shù)）積分、累積積分、累積安

3、全安全報警報警控制（調(diào)節(jié)）控制（調(diào)節(jié)）檢測元件檢測元件指示指示自動自動-手動操作器手動操作器積分、累積積分、累積記錄或打印記錄或打印開關(guān)、聯(lián)鎖開關(guān)、聯(lián)鎖傳送傳送閥、擋板、百葉窗閥、擋板、百葉窗套管套管繼動器或計算器繼動器或計算器驅(qū)動、執(zhí)行或未分類的終端執(zhí)行機構(gòu)驅(qū)動、執(zhí)行或未分類的終端執(zhí)行機構(gòu)表7-1 被測變量和儀表功能的字母代號5第一節(jié)第一節(jié) 自動控制系統(tǒng)的組成自動控制系統(tǒng)的組成 在自動控制系統(tǒng)的組成中,除必須具有前面所述的自動化裝置外,還必須具有控制裝置所控制的。 在自動控制系統(tǒng)中,將需要控制其工藝參數(shù)的生產(chǎn)設(shè)備、機器、一段管道或設(shè)備的一部分叫做,簡稱。 要選擇好控制系統(tǒng)要選擇好控制系統(tǒng)的對

4、象的對象6第二節(jié)第二節(jié) 自動控制系統(tǒng)的方塊圖自動控制系統(tǒng)的方塊圖n 一、信號和變量一、信號和變量載有變量信息的物理變量是信號。 系統(tǒng)或環(huán)節(jié)uy圖7-3 輸入、輸出變量圖輸入變量輸出變量多輸入多數(shù)出系統(tǒng)7第二節(jié)第二節(jié) 自動控制系統(tǒng)的方塊圖自動控制系統(tǒng)的方塊圖圖7-4 簡單水槽ABuu1u2圖7-5 信號分叉點8第二節(jié)第二節(jié) 自動控制系統(tǒng)的方塊圖自動控制系統(tǒng)的方塊圖n 二、自動控制系統(tǒng)方塊圖二、自動控制系統(tǒng)方塊圖n在研究自動控制系統(tǒng)時，為了便于對系統(tǒng)分析研究，一在研究自動控制系統(tǒng)時，為了便于對系統(tǒng)分析研究，一般都用方塊圖來表示控制系統(tǒng)的組成。般都用方塊圖來表示控制系統(tǒng)的組成。n下頁圖為液位自動控制

5、系統(tǒng)地方塊圖每個環(huán)節(jié)表示組成下頁圖為液位自動控制系統(tǒng)地方塊圖每個環(huán)節(jié)表示組成系統(tǒng)的一個部分，稱為系統(tǒng)的一個部分，稱為“環(huán)節(jié)環(huán)節(jié)”。兩個方塊之間用一條。兩個方塊之間用一條帶有箭頭的線條表示其信號的相互關(guān)系，箭頭指向方塊帶有箭頭的線條表示其信號的相互關(guān)系，箭頭指向方塊表示為這個環(huán)節(jié)的輸入，箭頭離開方塊表示為這個環(huán)節(jié)表示為這個環(huán)節(jié)的輸入，箭頭離開方塊表示為這個環(huán)節(jié)的輸出。線旁的字母表示相互間的作用信號。的輸出。線旁的字母表示相互間的作用信號。9n方塊圖中，方塊圖中， x 指設(shè)定值；指設(shè)定值；z 指輸出信號；指輸出信號；e 指偏差信指偏差信號；號；p 指發(fā)出信號；指發(fā)出信號；q 指出料流量信號；指出料

6、流量信號；y 指被控變指被控變量；量；f 指擾動作用。當(dāng)指擾動作用。當(dāng)x 取正值，取正值，z取負(fù)值取負(fù)值，e= x- z，負(fù)反饋；負(fù)反饋；x 取正值，取正值，z取正值，取正值， e= x+ z，正反饋。，正反饋。第二節(jié)第二節(jié) 自動控制系統(tǒng)的方塊圖自動控制系統(tǒng)的方塊圖圖7-6 自動控制系統(tǒng)方塊圖10第二節(jié)第二節(jié) 自動控制系統(tǒng)的方塊圖自動控制系統(tǒng)的方塊圖n 其他控制系統(tǒng)其他控制系統(tǒng) 用同一種形式地方塊圖可以代表不同的控制系統(tǒng)用同一種形式地方塊圖可以代表不同的控制系統(tǒng) 當(dāng)進(jìn)料流量或溫度變化等因素引起出口物料溫度變化時，可以將該溫度變化測量后送至溫度控制器TC。溫度控制器的輸出送至控制閥，以改變加熱蒸

7、汽量來維持出口物料的溫度不變。 11圖7-7 蒸汽加熱器溫度控制系統(tǒng)第二節(jié)第二節(jié) 自動控制系統(tǒng)的方塊圖自動控制系統(tǒng)的方塊圖 為了便于分析,有時將控制器以外的各個環(huán)節(jié) (包括被控對象、測量元件及變送器、控制閥)組合在一起看待,稱之為廣義對象,這樣,整個系統(tǒng)可認(rèn)為是由控制器與廣義對象兩者所構(gòu)成,其方塊圖可簡化。控制器廣義對象被控變量測量值z給定值干擾作用f-x圖7-8 簡化方塊圖12第二節(jié)第二節(jié) 自動控制系統(tǒng)的方塊圖自動控制系統(tǒng)的方塊圖n 三、反饋三、反饋 自動控制系統(tǒng)是一個閉環(huán)系統(tǒng)，是由于反饋的存在造成的。xKyze-圖7-9 負(fù)反饋系統(tǒng)Key yxe13第二節(jié)第二節(jié) 自動控制系統(tǒng)的方塊圖自動控

8、制系統(tǒng)的方塊圖yKKxyxKKy1兩式聯(lián)立,消去e,則有（7-1）xy 單位反饋系統(tǒng)xy1如果K很大, K 1 ,則（7-2）14第二節(jié)第二節(jié) 自動控制系統(tǒng)的方塊圖自動控制系統(tǒng)的方塊圖小結(jié)小結(jié) 自動控制系統(tǒng)是具有被控變量負(fù)反饋的閉環(huán)系統(tǒng)。它與自動測量、自動操縱等開環(huán)系統(tǒng)比較,最本質(zhì)的差別,就在于控制系統(tǒng)有無負(fù)反饋存在。 自動操縱裝置自動操縱裝置對象對象操縱指令操縱指令操縱作用操縱作用工藝參數(shù)工藝參數(shù)圖7-10 自動操縱系統(tǒng)方塊圖15第二節(jié)第二節(jié) 自動控制系統(tǒng)的方塊圖自動控制系統(tǒng)的方塊圖n 四、自動控制系統(tǒng)的分類四、自動控制系統(tǒng)的分類n按被控變量來分類，如溫度、壓力等控制系統(tǒng)；按被控變量來分類，

9、如溫度、壓力等控制系統(tǒng)；n按控制器具有的控制規(guī)律來分類，如比例、比例積分、按控制器具有的控制規(guī)律來分類，如比例、比例積分、比例微分、比例積分微分等控制系統(tǒng)；比例微分、比例積分微分等控制系統(tǒng)；n將控制系統(tǒng)按照工藝過程需要控制的被控變量的給定將控制系統(tǒng)按照工藝過程需要控制的被控變量的給定值是否變化和如何變化來分類，這樣可將自動控制系值是否變化和如何變化來分類，這樣可將自動控制系統(tǒng)分為三類，即定值控制系統(tǒng)、隨動控制系統(tǒng)和程序統(tǒng)分為三類，即定值控制系統(tǒng)、隨動控制系統(tǒng)和程序控制系統(tǒng)?？刂葡到y(tǒng)。16其中第三種分類方法最普遍其中第三種分類方法最普遍第二節(jié)第二節(jié) 自動控制系統(tǒng)的方塊圖自動控制系統(tǒng)的方塊圖 “定

10、值” 是恒定給定值的簡稱。工藝生產(chǎn)中，若要求控制系統(tǒng)的作用是使被控制的工藝參數(shù)保持在一個生產(chǎn)指標(biāo)上不變，或者說要求被控變量的給定值不變，就需要采用定值控制系統(tǒng)。17 給定值隨機變化，該系統(tǒng)的目的就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。第二節(jié)第二節(jié) 自動控制系統(tǒng)的方塊圖自動控制系統(tǒng)的方塊圖3.3.程序控制系統(tǒng)（順序控制系統(tǒng)）程序控制系統(tǒng)（順序控制系統(tǒng)） 給定值變化，但它是一個已知的時間函數(shù)，即生產(chǎn)技術(shù)指標(biāo)需按一定的時間程序變化。這類系統(tǒng)在間歇生產(chǎn)過程中應(yīng)用比較普通。18第三節(jié)第三節(jié) 過渡過程和品質(zhì)指標(biāo)過渡過程和品質(zhì)指標(biāo) n 一、控制系統(tǒng)的靜態(tài)與動態(tài)一、控制系統(tǒng)的靜態(tài)與動態(tài)19自

11、動控制目的：自動控制目的：希望將被控變量保持在一個不變的給定值上，這只有當(dāng)進(jìn)入被控對象的物料量（或能量）和流出對象的物料量（或能量）相等時才有可能。 靜態(tài)靜態(tài)被控變量不隨時間而變化的平衡狀態(tài)（變化率為0，不是靜止）。第三節(jié)第三節(jié) 過渡過程和品質(zhì)指標(biāo)過渡過程和品質(zhì)指標(biāo) 當(dāng)一個自動控制系統(tǒng)的輸入（給定和干擾）和輸出均恒定不變時，整個系統(tǒng)就處于一種相對穩(wěn)定的平衡狀態(tài)，系統(tǒng)的各個組成環(huán)節(jié)如變送器、控制器、控制閥都不改變其原先的狀態(tài)，它們的輸出信號也都處于相對靜止?fàn)顟B(tài)，這種狀態(tài)就是靜態(tài)靜態(tài)。 20第三節(jié)第三節(jié) 過渡過程和品質(zhì)指標(biāo)過渡過程和品質(zhì)指標(biāo)21動態(tài)動態(tài)被控變量隨時間變化的不平衡狀態(tài) 。 從干擾作用

12、破壞靜態(tài)平衡，經(jīng)過控制，直到系統(tǒng)重新建立平衡，在這一段時間中，整個系統(tǒng)的各個環(huán)節(jié)和信號都處于變動狀態(tài)之中，這種狀態(tài)叫做動態(tài)。在自動化工作中，了解系統(tǒng)的靜態(tài)是必要的，但是了解系統(tǒng)的動態(tài)更為重要。因為在生產(chǎn)過程中，干擾是客觀存在的，是不可避免的，就需要通過自動化裝置不斷地施加控制作用去對抗或抵消干擾作用的影響，從而使被控變量保持在工藝生產(chǎn)所要求控制的技術(shù)指標(biāo)上。第三節(jié)第三節(jié) 過渡過程和品質(zhì)指標(biāo)過渡過程和品質(zhì)指標(biāo)n 二、控制系統(tǒng)的過渡過程二、控制系統(tǒng)的過渡過程n系統(tǒng)由一個平衡狀態(tài)過渡到另一個平衡狀態(tài)的過程。系統(tǒng)由一個平衡狀態(tài)過渡到另一個平衡狀態(tài)的過程。 22當(dāng)干擾作用于對象，系統(tǒng)輸出y發(fā)生變化，在系

13、統(tǒng)負(fù)反饋作用下，經(jīng)過一段時間，系統(tǒng)重新恢復(fù)平衡。舉例舉例圖7-11 控制系統(tǒng)方塊圖控制器執(zhí)行器對象被控變量測量、變送給定值干擾-第三節(jié)第三節(jié) 過渡過程和品質(zhì)指標(biāo)過渡過程和品質(zhì)指標(biāo)n系統(tǒng)在過渡過程中，被控變量是隨時間變化的。被控變量隨時間的變化規(guī)律首先取決于作用于系統(tǒng)的干擾形式。n在生產(chǎn)中，出現(xiàn)的干擾是沒有固定形式的，且多半屬于隨機性質(zhì)。在分析和設(shè)計控制系統(tǒng)時，為了安全和方便，常選擇一些定型的干擾形式，其中常用的是階躍干擾。 23第三節(jié)第三節(jié) 過渡過程和品質(zhì)指標(biāo)過渡過程和品質(zhì)指標(biāo) 這種形式的干擾比較突然、危險，且對被控變量的影響也最大。如果一個控制系統(tǒng)能夠有效地克服這種類型的干擾，那么一定能很好

14、地克服比較緩和的干擾。 這種干擾的形式簡單，容易實現(xiàn)，便于分析、實驗和計算。24圖7-12 階躍干擾作用第三節(jié)第三節(jié) 過渡過程和品質(zhì)指標(biāo)過渡過程和品質(zhì)指標(biāo)n自動控制系統(tǒng)在階躍干擾作用下過渡過程的四種形式自動控制系統(tǒng)在階躍干擾作用下過渡過程的四種形式25發(fā)散震蕩過程發(fā)散震蕩過程X X非周期衰減過程非周期衰減過程衰減震蕩過程衰減震蕩過程等幅震蕩過程等幅震蕩過程 ？對于控制質(zhì)量要求不對于控制質(zhì)量要求不高的場合，如果被控高的場合，如果被控變量允許在工藝許可變量允許在工藝許可的范圍內(nèi)振蕩（主要的范圍內(nèi)振蕩（主要指在位式控制時），指在位式控制時），才可采用。才可采用。 第三節(jié)第三節(jié) 過渡過程和品質(zhì)指標(biāo)過渡

15、過程和品質(zhì)指標(biāo)n三、控制系統(tǒng)的控制指標(biāo)三、控制系統(tǒng)的控制指標(biāo)26 多數(shù)情況下，希望得到衰減振蕩過程，在此取這種過程形式討論控制系統(tǒng)的品質(zhì)指標(biāo)。 控制指標(biāo)主要有兩類,一類是時間域的單項指標(biāo),另一類是時間域的綜合指標(biāo)。控制系統(tǒng)的過渡過程是衡量品質(zhì)的依據(jù)?？刂葡到y(tǒng)的過渡過程是衡量品質(zhì)的依據(jù)。第三節(jié)第三節(jié) 過渡過程和品質(zhì)指標(biāo)過渡過程和品質(zhì)指標(biāo) 1. 1.時間域的各種單項指標(biāo)時間域的各種單項指標(biāo) 假定自動控制系統(tǒng)在階躍輸入作用下，被控變量的變化曲線如下圖所示，這是屬于衰減振蕩的過渡過程圖7-14 過渡過程品質(zhì)指標(biāo)示意圖27第三節(jié)第三節(jié) 過渡過程和品質(zhì)指標(biāo)過渡過程和品質(zhì)指標(biāo)28五種重要品質(zhì)指標(biāo)之一五種重要

16、品質(zhì)指標(biāo)之一（ 1 ）最大偏差或超調(diào)量）最大偏差或超調(diào)量 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)值。在衰減振蕩過程中，最大偏差就是第一個波的峰值。特別是對于一些有約束條件的系統(tǒng)，如化學(xué)反應(yīng)器的化合物爆炸極限、觸媒燒結(jié)溫度極限等，都會對最大偏差的允許值有所限制。 超調(diào)量也可以用來表征被控變量偏離給定值的程度。第三節(jié)第三節(jié) 過渡過程和品質(zhì)指標(biāo)過渡過程和品質(zhì)指標(biāo)（2）衰減比）衰減比 衰減比是衰減程度的指標(biāo)，它是前后相鄰兩個峰值的比。習(xí)慣表示為 n:1，一般 n 取為410之間為宜。五種重要品質(zhì)指標(biāo)之二五種重要品質(zhì)指標(biāo)之二29第三節(jié)第三節(jié) 過渡過程和品質(zhì)指標(biāo)過渡過程和品質(zhì)指標(biāo)五種重要品質(zhì)

17、指標(biāo)之三五種重要品質(zhì)指標(biāo)之三（ 3 ） 余差余差 當(dāng)過渡過程終了時，被控變量所達(dá)到的新的穩(wěn)態(tài)值與給定值之間的偏差叫做余差，或者說余差就是過渡過程終了時的殘余偏差。有余差的控制過程稱為有差調(diào)節(jié)，相應(yīng)的系統(tǒng)稱為有差系統(tǒng)。反之就為無差調(diào)節(jié)和無差系統(tǒng)。 30第三節(jié)第三節(jié) 過渡過程和品質(zhì)指標(biāo)過渡過程和品質(zhì)指標(biāo)五種重要品質(zhì)指標(biāo)之四五種重要品質(zhì)指標(biāo)之四（4） 過渡時間過渡時間 從干擾作用發(fā)生的時刻起，直到系統(tǒng)重新建立新的平衡時止，過渡過程所經(jīng)歷的時間叫過渡時間。一般在穩(wěn)態(tài)值的上下規(guī)定一個小范圍，當(dāng)被控變量進(jìn)入該范圍并不再越出時，就認(rèn)為被控變量已經(jīng)達(dá)到新的穩(wěn)態(tài)值，或者說過渡過程已經(jīng)結(jié)束這個范圍一般定為穩(wěn)態(tài)值的

18、（也有的規(guī)定為）。 31第三節(jié)第三節(jié) 過渡過程和品質(zhì)指標(biāo)過渡過程和品質(zhì)指標(biāo)五種重要品質(zhì)指標(biāo)之五五種重要品質(zhì)指標(biāo)之五（5 5）震蕩周期或頻率）震蕩周期或頻率 過渡過程同向兩波峰（或波谷）之間的間隔時間叫振蕩周期或工作周期，其倒數(shù)稱為振蕩頻率。在衰減比相同的情況下，周期與過渡時間成正比，一般希望振蕩周期短一些為好。32第三節(jié)第三節(jié) 過渡過程和品質(zhì)指標(biāo)過渡過程和品質(zhì)指標(biāo)33某換熱器的溫度控制系統(tǒng)在單位階躍干擾作用下的過渡過程曲線如下圖所示。試分別求出最大偏差、余差、衰減比、振蕩周期和過渡時間（給定值為200）。舉例舉例圖7-15 溫度控制系統(tǒng)過渡過程曲線第三節(jié)第三節(jié) 過渡過程和品質(zhì)指標(biāo)過渡過程和品質(zhì)

19、指標(biāo)解解: : 最大偏差A(yù)230-20030余差C205-200由圖上可以看出，第一個波峰值B230-20525，第二個波峰值B2102055，故衰減比應(yīng)為B:B25:55:1。振蕩周期為同向兩波峰之間的時間間隔，故周期T20-515（min）34第三節(jié)第三節(jié) 過渡過程和品質(zhì)指標(biāo)過渡過程和品質(zhì)指標(biāo) 分析：分析：過渡時間與規(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200（2）4，這時，可在新穩(wěn)態(tài)值（205）兩側(cè)以寬度為畫一區(qū)域，上圖中以畫有陰影線的區(qū)域表示，只要被控變量進(jìn)入這一區(qū)域且不再越出，過濾過程就可以認(rèn)為已經(jīng)結(jié)束。因此，從圖上可以

20、看出，過渡時間為22min。35第三節(jié)第三節(jié) 過渡過程和品質(zhì)指標(biāo)過渡過程和品質(zhì)指標(biāo) 2. 2.時間域的綜合指標(biāo)時間域的綜合指標(biāo) 綜合性指標(biāo)往往通過偏差的某些函數(shù)對時間的積分值來表達(dá),以兼顧最大偏差、超調(diào)量、衰減比、過渡時間等各方面的因素。 以表示過渡過程中被控變量與新穩(wěn)態(tài)值的差值,即 e(t) = y(t) - y()。 36第三節(jié)第三節(jié) 過渡過程和品質(zhì)指標(biāo)過渡過程和品質(zhì)指標(biāo)三種綜合指標(biāo)三種綜合指標(biāo) 偏差絕對值對時間的積分,簡記為IAE dtteIAE0采用絕對值,可避免正負(fù)積分面積相消的現(xiàn)象。 37第三節(jié)第三節(jié) 過渡過程和品質(zhì)指標(biāo)過渡過程和品質(zhì)指標(biāo) 偏差絕對值與時間乘積對時間的積分,簡記為I

21、TAE tdtteITAE0 它對后期的偏差值加大權(quán)值,因此對消除偏差所需的時間比較敏感。 38第三節(jié)第三節(jié) 過渡過程和品質(zhì)指標(biāo)過渡過程和品質(zhì)指標(biāo) 偏差平方值對時間的積分,簡記為ISE 02dteISE 采用平方值,同樣可以避免正負(fù)偏差積分時的相消現(xiàn)象。 與IAE相比,它對最大偏差的數(shù)值更加敏感。39第三節(jié)第三節(jié) 過渡過程和品質(zhì)指標(biāo)過渡過程和品質(zhì)指標(biāo)n 四、影響控制指標(biāo)的主要因素四、影響控制指標(biāo)的主要因素40 一個自動控制系統(tǒng)可以概括成兩大部分，即和。前者指與該自動控制系統(tǒng)有關(guān)的部分。后者指為實現(xiàn)自動控制所必需的自動化儀表設(shè)備，通常包括測量與變送裝置、控制器和執(zhí)行器等三部分。第三節(jié)第三節(jié) 過渡過程和品質(zhì)指標(biāo)過渡過程和品質(zhì)指標(biāo) 對于一個自動控