化工自動(dòng)控制原理

化工自動(dòng)控制原理工藝工程師自動(dòng)化技術(shù)培訓(xùn)第一章

概述§1引言l

自動(dòng)化定義：

l

自動(dòng)控制系統(tǒng)：

機(jī)器或裝置在無(wú)人干預(yù)的情況下按規(guī)定的程序或指令自動(dòng)進(jìn)行操作或控制。—摘自中國(guó)大百科全書

由內(nèi)部互相聯(lián)系的部件按照一定規(guī)律組成，能夠完成一定控制目標(biāo)的有機(jī)整體。降低成本。l

自動(dòng)控制的目標(biāo)：提高勞動(dòng)生產(chǎn)率，提高產(chǎn)品質(zhì)量，改善勞動(dòng)條件，節(jié)約能源，§2自動(dòng)控制簡(jiǎn)史2.1經(jīng)典控制理論古老的反饋控制思想40年代形成獨(dú)立學(xué)科，機(jī)械化－自動(dòng)化瓦特蒸汽機(jī)的離心調(diào)節(jié)器—自動(dòng)控制領(lǐng)域的第一項(xiàng)重大成果（18世紀(jì)中葉）中國(guó)古代發(fā)明2.2現(xiàn)代控制理論60年代始獲得長(zhǎng)足發(fā)展，主要以分析和設(shè)計(jì)復(fù)雜控制系統(tǒng)為目標(biāo)。現(xiàn)代控制理論的發(fā)展是計(jì)算機(jī)發(fā)展的衍生物?！獱顟B(tài)空間分析方法數(shù)學(xué)工具—線性系統(tǒng)與非線性系統(tǒng)、定常系統(tǒng)與時(shí)變系統(tǒng)、多輸入—多輸出系統(tǒng)等研究對(duì)象2.3先進(jìn)控制與智能控制主要研究方向：人工神經(jīng)元網(wǎng)絡(luò)研究等預(yù)測(cè)控制模糊控制自適應(yīng)控制多學(xué)科的融匯、貫通§3開環(huán)控制系統(tǒng)與閉環(huán)控制系統(tǒng)控制器受控對(duì)象控制量輸入量輸出量(a)開環(huán)控制系統(tǒng)控制量輸入量輸出量(b)閉環(huán)控制系統(tǒng)反饋元件﹢﹣控制器受控對(duì)象開環(huán)控制系統(tǒng)特點(diǎn)：缺點(diǎn)：—最簡(jiǎn)單的控制方式●系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、維護(hù)容易、成本低、不存在穩(wěn)定性問(wèn)題●信號(hào)傳遞沒(méi)有形成閉合回路●輸出量不能對(duì)控制量產(chǎn)生影響。

●控制精度不高

●系統(tǒng)抗干擾能力差

●對(duì)元器件的要求比較高控制量輸入量輸出量(b)閉環(huán)控制系統(tǒng)反饋元件﹢﹣控制器受控對(duì)象控制器受控對(duì)象控制量輸入量輸出量(a)開環(huán)控制系統(tǒng)閉環(huán)控制系統(tǒng)—反饋控制系統(tǒng)l

反饋通路負(fù)反饋與正反饋控制系統(tǒng)一般采用負(fù)反饋l

信號(hào)傳遞形成一個(gè)閉合回路輸入量與反饋量之差稱為偏差信號(hào)

控制量輸入量輸出量(b)閉環(huán)控制系統(tǒng)反饋元件﹢﹣控制器受控對(duì)象控制器受控對(duì)象控制量輸入量輸出量(a)開環(huán)控制系統(tǒng)§4自動(dòng)控制與自動(dòng)控制系統(tǒng)4.1自動(dòng)控制系統(tǒng)的組成及定義以自動(dòng)化實(shí)驗(yàn)室水槽液位控制系統(tǒng)為例：調(diào)節(jié)系統(tǒng)方塊圖給定流量1液位1液位2微機(jī)式調(diào)節(jié)器調(diào)節(jié)閥水槽1水槽2變送器1﹣?zhàn)詣?dòng)控制系統(tǒng)的基本結(jié)構(gòu)：設(shè)定值x﹣控制器執(zhí)行器被控對(duì)象測(cè)量、變送擾動(dòng)f被控變量y反饋量

z自動(dòng)控制系統(tǒng)的基本結(jié)構(gòu)偏差e控制變量u1、控制系統(tǒng)的一些常用術(shù)語(yǔ)被控對(duì)象控制變量設(shè)定值x﹣控制器執(zhí)行器被控對(duì)象測(cè)量、變送擾動(dòng)f被控變量y反饋量z圖1—2自動(dòng)控制系統(tǒng)的基本結(jié)構(gòu)偏差e控制變量u是指被控制的裝置或者設(shè)備。施加給被控對(duì)象的信號(hào)，使受控對(duì)象按照一定的規(guī)律運(yùn)行，一般用符號(hào)u

表示。被控變量控制系統(tǒng)的輸出，即被控的物理量，一般用符號(hào)y

表示。偏差信號(hào)擾動(dòng)信號(hào)系統(tǒng)的設(shè)定值與反饋信號(hào)之差稱為偏差，用符號(hào)e表示。使對(duì)象輸出偏離設(shè)定值的輸入信號(hào)。一般用符號(hào)f表示。

設(shè)定值x﹣控制器執(zhí)行器被控對(duì)象測(cè)量、變送擾動(dòng)f被控變量y反饋量z圖1—2自動(dòng)控制系統(tǒng)的基本結(jié)構(gòu)偏差e控制變量u設(shè)定值（給定值）希望系統(tǒng)輸出達(dá)到的數(shù)值，一般用符號(hào)x

表示。2、控制系統(tǒng)的組成定值元件控制器執(zhí)行元件用來(lái)產(chǎn)生設(shè)定值或參考輸入。

或稱調(diào)節(jié)器。通過(guò)一定的控制規(guī)律給出控制量，送到執(zhí)行元件。完成功率轉(zhuǎn)換或信號(hào)轉(zhuǎn)換，常稱為執(zhí)行機(jī)構(gòu)或者執(zhí)行器。

設(shè)定值x﹣控制器執(zhí)行器被控對(duì)象測(cè)量、變送擾動(dòng)f被控變量y反饋量z圖1—2自動(dòng)控制系統(tǒng)的基本結(jié)構(gòu)偏差e控制變量u測(cè)量、變送元件又稱傳感器，用于檢測(cè)被控對(duì)象的輸出量，并變換成標(biāo)準(zhǔn)信號(hào)送到控制器。比較元件用以產(chǎn)生偏差信號(hào)2、控制系統(tǒng)的組成設(shè)定值x﹣控制器執(zhí)行器被控對(duì)象測(cè)量、變送擾動(dòng)f被控變量y反饋量z圖1—2自動(dòng)控制系統(tǒng)的基本結(jié)構(gòu)偏差e控制變量u3、對(duì)自動(dòng)控制系統(tǒng)的基本要求穩(wěn)定性、精確性和快速性

穩(wěn)定性控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)的首要條件系統(tǒng)自身的屬性有界輸入，有界輸出精確性反映系統(tǒng)的被控變量偏離設(shè)定值的程度。

快速性控制系統(tǒng)受到外界的作用后，從一個(gè)平衡狀態(tài)達(dá)到另一個(gè)平衡狀態(tài)的時(shí)間。5、自動(dòng)控制系統(tǒng)的分類1、開環(huán)控制系統(tǒng)與閉環(huán)控制系統(tǒng)2、定值控制系統(tǒng)、隨動(dòng)控制系統(tǒng)和程序控制根據(jù)給定信號(hào)形式的不同分類。定值控制系統(tǒng)：系統(tǒng)的參考輸入為恒定值或者波動(dòng)范圍很小，要求系統(tǒng)的輸出量也保持恒定。隨動(dòng)控制系統(tǒng)（伺服控制系統(tǒng)）：參考輸入值不斷變化，變化規(guī)律未知。控制目的是使得系統(tǒng)的輸出量能夠準(zhǔn)確地跟蹤輸入值的變化。程序控制系統(tǒng)：設(shè)定值變化，是時(shí)間的已知函數(shù)，即按照事先規(guī)定的時(shí)間程序或規(guī)律變化。6、單輸入—單輸出系統(tǒng)與多輸入—多輸出系統(tǒng)從輸入與輸出信號(hào)的數(shù)量分類。單輸入—單輸出系統(tǒng)（SISO）多輸入—多輸出系統(tǒng)（MIMO）集中參數(shù)系統(tǒng)與分布參數(shù)系統(tǒng)uy(a)SISO系統(tǒng)系統(tǒng)……(b)MIMO系統(tǒng)系統(tǒng)確定性系統(tǒng)與隨機(jī)控制系統(tǒng)等中國(guó)、古埃及和巴比倫人發(fā)明的自動(dòng)計(jì)時(shí)裝置(公元前11世紀(jì))Jameswat發(fā)明的飛球調(diào)節(jié)器，控制蒸汽機(jī)的轉(zhuǎn)速（1769年）Polzunov發(fā)明的浮球調(diào)節(jié)器，用于水位控制（1765年）Gray設(shè)計(jì)的第一艘全自動(dòng)蒸汽輪船“東方號(hào)”（1866年）徐壽設(shè)計(jì)的中國(guó)第一艘蒸汽輪船“黃鵠”號(hào)（1866年）世界上第一臺(tái)數(shù)控銑床（1952年）G.Brown(1907-1996)MIT電機(jī)系教授，工學(xué)院院長(zhǎng)(1959-1968)MITServo-Lab，世界首臺(tái)數(shù)控機(jī)床的創(chuàng)始人，開設(shè)了第一門自動(dòng)控制課程具有很高自動(dòng)化水平的我國(guó)石化工業(yè)（1）現(xiàn)代空間技術(shù)的發(fā)展常用的典型試驗(yàn)信號(hào)：

r(t)tr(t)tr(t)tr(t)tA(a)階躍信號(hào)(c)斜坡信號(hào)(d)拋物線信號(hào)(e)正弦信號(hào)圖3-1典型試驗(yàn)信號(hào)r(t)t(b)脈沖信號(hào)究竟使用哪種典型信號(hào)分析系統(tǒng)？取決于系統(tǒng)在正常工作時(shí)最常見的輸入信號(hào)形式若輸入是突然的脈動(dòng)－脈沖信號(hào)若輸入是突變的躍變－階躍信號(hào)若輸入隨時(shí)間逐漸變化－斜坡信號(hào)若輸入是周期信號(hào)－正弦信號(hào)……●過(guò)渡過(guò)程的性能指標(biāo)－直接評(píng)價(jià)控制系統(tǒng)的單位階躍響應(yīng)曲線（a）隨動(dòng)系統(tǒng)圖3-2單位階躍響應(yīng)曲線（b）定值系統(tǒng)1.50.510t以階躍響應(yīng)曲線形式表示的質(zhì)量指標(biāo)(1)峰值時(shí)間tp階躍響應(yīng)曲線達(dá)到第一峰值所需要的時(shí)間。tptp愈小，表明控制系統(tǒng)反應(yīng)愈靈敏。A(2)最大偏差A(yù)和超調(diào)量σ％最大偏差A(yù):被控輸出第一個(gè)波的峰值與給定值的差，如圖中的A。超調(diào)量y(∞)為過(guò)渡過(guò)程的穩(wěn)態(tài)值。超調(diào)量σ％（百分?jǐn)?shù)表示的最大偏差）：1.50.510tptA注意最大偏差和超調(diào)量的不同。(3)衰減比n在過(guò)渡過(guò)程曲線上，同方向上相鄰兩個(gè)波峰值之比。如圖，n=A:A’。n愈大，過(guò)渡過(guò)程衰減的越快，反之，n愈小，過(guò)渡過(guò)程的衰減程度也愈小;一般操作經(jīng)驗(yàn)希望過(guò)程有兩、三個(gè)周波結(jié)束，一般常取n=4:1~10:1。l

當(dāng)n＝1時(shí)，過(guò)渡過(guò)程則為等幅振蕩；0.150.050.10ttpA(4)調(diào)節(jié)時(shí)間ts階躍響應(yīng)到達(dá)穩(wěn)態(tài)的時(shí)間。工程上常取在被控變量進(jìn)入新穩(wěn)態(tài)值的土5％或土2％的誤差范圍，并不再超出的時(shí)間。

ts

的大小一般與控制系統(tǒng)中的最大時(shí)間常數(shù)有關(guān)，ts越短，系統(tǒng)響應(yīng)越快。1.50.510tptAts1.50.510tptA(5)上升時(shí)間tr

僅適用隨動(dòng)系統(tǒng)。第一次達(dá)到系統(tǒng)新穩(wěn)態(tài)值所需的時(shí)間，定義為上升時(shí)間。(6)余差或穩(wěn)態(tài)誤差e(∞)過(guò)渡過(guò)程結(jié)束時(shí)穩(wěn)態(tài)值與給定值之差，是表示控制系統(tǒng)精度的重要質(zhì)量指標(biāo)。tr對(duì)于非振蕩的過(guò)渡過(guò)程曲線：從穩(wěn)態(tài)值的10％上升到90％所需的時(shí)間。tse(∞）總結(jié)：1、峰值時(shí)間tp和上升時(shí)間tr反映了系統(tǒng)的初始快速性。4、穩(wěn)態(tài)誤差反映了系統(tǒng)的調(diào)節(jié)精度。3、最大偏差、超調(diào)量和衰減比反映了系統(tǒng)的平穩(wěn)性。2、調(diào)節(jié)時(shí)間ts反映了系統(tǒng)的整體快速性。1.50.510tptAtrts3.1常規(guī)控制規(guī)律對(duì)系統(tǒng)控制質(zhì)量的影響調(diào)節(jié)器可以被用來(lái)改變閉環(huán)傳遞函數(shù)，以保證系統(tǒng)獲得希望的動(dòng)態(tài)特性和靜態(tài)特性。R(s)Y(s)﹣+++F(s)E(s)Z(s)3.1.1常規(guī)控制器的控制規(guī)律調(diào)節(jié)器按不同控制規(guī)律產(chǎn)生使偏差減小的控制信號(hào)。工業(yè)中常用的控制規(guī)律有：比例P、比例加積分PI、比例加積分加微分PID等3.1.1.1比例控制規(guī)律P控制器輸出p(t)與偏差信號(hào)e(t)之間成比例關(guān)系。p(t)=Kce(t)其傳遞函數(shù):Kc：控制器的比例增益或放大倍數(shù)。10.50-0.50510420-20510e(t)p(t)R(s)Y(s)E(s)P(s)-比例作用的特點(diǎn)：1.

比例控制是最基本的控制規(guī)律；2.

不能消除靜態(tài)誤差（余差）；3.

余差大小與Kc成反比?！?/p>

可調(diào)增益的放大器●輸出與輸入波形相同，放大Kc倍●若廣義對(duì)象為0型系統(tǒng)，則系統(tǒng)存在穩(wěn)態(tài)誤差?？偨Y(jié)：3.1.1.2比例加積分控制規(guī)律PI控制器輸出p(t)與偏差信號(hào)e(t)之間的關(guān)系為：控制器的傳遞函數(shù)為：Kc:比例增益0te(t)0tp(t)P+IPITi:積分時(shí)間積分作用特點(diǎn)：l

偏差信號(hào)的積分（累加）l

只有偏差為零時(shí)，積分作用才停止。此時(shí)，控制信號(hào)保持在前一刻數(shù)值。l

只要偏差存在，積分作用就一直進(jìn)行，直到受到實(shí)際裝置的限幅（積分飽和）。總結(jié)：1.

積分控制作用是可以消除余差的（主要目的）。2.

積分作用與Ti成反比。Ti↑I↓3.

有可能影響系統(tǒng)的穩(wěn)定性。3.1.1.3比例加積分加微分規(guī)律PID控制作用的數(shù)學(xué)表達(dá)式是：其傳遞函數(shù)：Kc:比例增益，Ti:積分時(shí)間,Td:微分時(shí)間。0t0tP(t)單位斜波P+I+DP+DdPe(t)D微分作用的特點(diǎn)：l

微分作用和偏差變化的速率成正比，能提高控制器反應(yīng)的靈敏程度，使系統(tǒng)獲得超前作用，有助于增加系統(tǒng)的穩(wěn)定性和控制品質(zhì)。