第七章自動(dòng)控制系統(tǒng)概述

第七章自動(dòng)控制系統(tǒng)概述第一頁(yè)，共三十九頁(yè)，編輯于2023年，星期四本章的主要內(nèi)容：7.1自動(dòng)化及儀表發(fā)展概述7.2自動(dòng)控制系統(tǒng)7.3控制系統(tǒng)過(guò)渡過(guò)程及品質(zhì)指標(biāo)第二頁(yè)，共三十九頁(yè)，編輯于2023年，星期四使用常規(guī)儀表的中央控制室第三頁(yè)，共三十九頁(yè)，編輯于2023年，星期四早期的DCS控制系統(tǒng)第四頁(yè)，共三十九頁(yè)，編輯于2023年，星期四現(xiàn)代的DCS控制系統(tǒng)第五頁(yè)，共三十九頁(yè)，編輯于2023年，星期四現(xiàn)代操作室第六頁(yè)，共三十九頁(yè)，編輯于2023年，星期四7.1自動(dòng)化及儀表發(fā)展概述控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)及儀表的發(fā)展基地式：20世紀(jì)50年代，適用于單回路單元組合式（按功能）：DDZ,QDZ20世紀(jì)60年代，之間用標(biāo)準(zhǔn)統(tǒng)一信號(hào)聯(lián)系計(jì)算機(jī)：DDC,DCS20世紀(jì)70年代先進(jìn)控制和優(yōu)化控制：CIPS,FCS20世紀(jì)80年代以后第七頁(yè)，共三十九頁(yè)，編輯于2023年，星期四自動(dòng)化儀表的發(fā)展經(jīng)歷了如下過(guò)程：

模擬儀表數(shù)字儀表智能儀表。當(dāng)前自動(dòng)控制系統(tǒng)發(fā)展的一些主要特點(diǎn)生產(chǎn)裝置實(shí)施先進(jìn)控制成為發(fā)展主流過(guò)程優(yōu)化受到普遍關(guān)注傳統(tǒng)的DCS在走向國(guó)際統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)的開(kāi)放式系統(tǒng)綜合自動(dòng)化系統(tǒng)（CIPS）是發(fā)展方向返回第八頁(yè)，共三十九頁(yè)，編輯于2023年，星期四7.2自動(dòng)控制系統(tǒng)

7.2.1自動(dòng)控制系統(tǒng)的組成

手動(dòng)控制的步驟：

(1)觀察液位數(shù)值；(2)把觀察到的實(shí)際數(shù)值與設(shè)定值加以比較，根據(jù)偏差的大小及變化情況做出判斷，并發(fā)布命令。(3)根據(jù)命令操作給水閥，使液位回到設(shè)定值。第九頁(yè)，共三十九頁(yè)，編輯于2023年，星期四圖7-1鍋爐汽包水位控制示意圖第十頁(yè)，共三十九頁(yè)，編輯于2023年，星期四

7.2.2控制系統(tǒng)的方框圖

在研究自動(dòng)控制系統(tǒng)時(shí)，為了更清楚的表示控制系統(tǒng)各環(huán)節(jié)的組成、特性和相互間的信號(hào)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)環(huán)節(jié)，兩個(gè)方框之間用帶箭頭的線段表示信號(hào)聯(lián)系；進(jìn)入方框的信號(hào)為環(huán)節(jié)輸入，離開(kāi)方框的為環(huán)節(jié)輸出。

第十一頁(yè)，共三十九頁(yè)，編輯于2023年，星期四

控制器

執(zhí)行器

被控對(duì)象

測(cè)量變送

x(t)

e(t)

u(t)

q(t)

y(t)

z(t)

控制系統(tǒng)的方框圖圖7-2控制系統(tǒng)方框圖第十二頁(yè)，共三十九頁(yè)，編輯于2023年，星期四檢測(cè)元件和變送器的作用是把被控變量c(t)轉(zhuǎn)化為測(cè)量值y(t)。控制器的作用是根據(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u(t)。比較機(jī)構(gòu)和控制裝置通常組合在一起，稱為控制器。執(zhí)行器的作用是接受控制器送來(lái)的u(t)，相應(yīng)地去改變操縱變量q(t)。

被控對(duì)象是生產(chǎn)過(guò)程中被控制的工藝設(shè)備或裝置。第十三頁(yè)，共三十九頁(yè)，編輯于2023年，星期四通過(guò)上述示例的對(duì)比分析知道，一般過(guò)程控制系統(tǒng)是由被控對(duì)象、測(cè)量變送器、控制器、控制閥四個(gè)基本環(huán)節(jié)所組成。第十四頁(yè)，共三十九頁(yè)，編輯于2023年，星期四7.2.3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: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)

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)。隨動(dòng)控制系統(tǒng)

設(shè)定值不斷變化，且事先是不知道的，并要求系統(tǒng)的輸出（被控變量）隨之而變化。

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)，即根據(jù)需要按一定時(shí)間程序變化。第十五頁(yè)，共三十九頁(yè)，編輯于2023年，星期四7.2.4控制系統(tǒng)術(shù)語(yǔ)

①被控對(duì)象（工藝對(duì)象）：自動(dòng)控制系統(tǒng)中，工藝參數(shù)需要控制的生產(chǎn)過(guò)程、設(shè)備或機(jī)器。②被控變量：被控過(guò)程內(nèi)要求保持設(shè)定值的工藝參數(shù)。被控對(duì)象（工藝對(duì)象）：汽包被控變量：汽包液位圖7-3鍋爐汽包水位控制第十六頁(yè)，共三十九頁(yè)，編輯于2023年，星期四③操縱變量：受控制器操縱的用以克服干擾的影響，使被控變量保持設(shè)定值的物料量或能量（流過(guò)控制閥介質(zhì)的流量）。④擾動(dòng)：除操縱變量外，作用于被控過(guò)程并引起被控變量變化的因素（使被控變量偏離

操縱變量：水的流量擾動(dòng)：水壓力、蒸汽壓力圖7-4鍋爐汽包水位控制第十七頁(yè)，共三十九頁(yè)，編輯于2023年，星期四⑤設(shè)定值：工藝參數(shù)所要求保持的數(shù)值⑥偏差：被控變量設(shè)定值與實(shí)際值之差⑦負(fù)反饋：將被控變量送回輸入端并與輸入變量相減圖7-5鍋爐汽包水位控制第十八頁(yè)，共三十九頁(yè)，編輯于2023年，星期四圖7-6加熱爐的溫度控制系統(tǒng)第十九頁(yè)，共三十九頁(yè)，編輯于2023年，星期四動(dòng)畫(huà)一加熱爐第二十頁(yè)，共三十九頁(yè)，編輯于2023年，星期四被控過(guò)程：加熱爐被控變量：物料出口溫度操縱變量：燃料油流量擾動(dòng)：被加熱原料油溫度、燃料油熱值等返回第二十一頁(yè)，共三十九頁(yè)，編輯于2023年，星期四7.3自動(dòng)控制系統(tǒng)的過(guò)渡過(guò)程及品質(zhì)指標(biāo)7.3.1靜態(tài)與動(dòng)態(tài)

控制系統(tǒng)的輸入有設(shè)定作用和擾動(dòng)作用。靜態(tài)（定態(tài)）：當(dāng)輸入恒定不變時(shí)，整個(gè)系統(tǒng)若能建立平衡，系統(tǒng)中各個(gè)環(huán)節(jié)將暫不動(dòng)作，它們的輸出都處于相對(duì)靜止?fàn)顟B(tài)。此時(shí)輸入與輸出之間的關(guān)系稱為系統(tǒng)的靜態(tài)特性。環(huán)節(jié)的靜態(tài)特性

第二十二頁(yè)，共三十九頁(yè)，編輯于2023年，星期四動(dòng)態(tài)：由于輸入的變化，輸出隨時(shí)間變化，其間的關(guān)系稱為系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)特性。也就是說(shuō)，從輸入開(kāi)始，經(jīng)過(guò)控制直到再建立靜態(tài)，在這段時(shí)間中，整個(gè)系統(tǒng)的各個(gè)環(huán)節(jié)和變量都處于變化的過(guò)程之中，這種狀態(tài)稱為動(dòng)態(tài)。第二十三頁(yè)，共三十九頁(yè)，編輯于2023年，星期四7.3.2自動(dòng)控制系統(tǒng)的過(guò)渡過(guò)程

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(guò)程稱為系統(tǒng)的過(guò)渡過(guò)程。也就是系統(tǒng)從一個(gè)平衡狀態(tài)過(guò)渡到另一個(gè)平衡狀態(tài)的過(guò)程。對(duì)于一個(gè)穩(wěn)定的系統(tǒng)（所有正常工作的反饋系統(tǒng)都是穩(wěn)定系統(tǒng)）要分析其穩(wěn)定性、準(zhǔn)確性和快速性，常以階躍作用為輸入時(shí)的被控變量的過(guò)渡過(guò)程為例，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(lái)講是比較嚴(yán)重的情況。第二十四頁(yè)，共三十九頁(yè)，編輯于2023年，星期四定值控制系統(tǒng)過(guò)渡過(guò)程的幾種形式(階躍擾動(dòng))發(fā)散振蕩單調(diào)發(fā)散等幅振蕩衰減振蕩單調(diào)衰減圖7-7定值控制系統(tǒng)過(guò)渡過(guò)程的幾種形式第二十五頁(yè)，共三十九頁(yè)，編輯于2023年，星期四7.3.3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(guò)程）穩(wěn)定性、準(zhǔn)確性和快速性綜合控制指標(biāo)（1）最大動(dòng)態(tài)偏差（emax）圖7-8最大動(dòng)態(tài)偏差第二十六頁(yè)，共三十九頁(yè)，編輯于2023年，星期四最大動(dòng)態(tài)偏差或超調(diào)量是描述被控變量偏離設(shè)定值最大程度的物理量，是衡量過(guò)渡過(guò)程穩(wěn)定性的一個(gè)動(dòng)態(tài)指標(biāo)。對(duì)于定值控制系統(tǒng)，過(guò)渡過(guò)程的最大動(dòng)態(tài)偏差是指被控變量第一個(gè)波的峰值與設(shè)定值之差。在上圖中，最大偏差就是第一個(gè)波的峰值為A。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(zhǎng)，對(duì)穩(wěn)定正常生產(chǎn)越不利。要求小。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)溫度極限等，都會(huì)對(duì)最大偏差的允許值有所限制。

第二十七頁(yè)，共三十九頁(yè)，編輯于2023年，星期四同時(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，偏差有可能是疊加的，所以要限制最大偏差的允許值。因此，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。在設(shè)定作用下的控制系統(tǒng)（隨動(dòng)控制系統(tǒng)）中，通常采用超調(diào)量這個(gè)指標(biāo)來(lái)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。第二十八頁(yè)，共三十九頁(yè)，編輯于2023年，星期四

超調(diào)量定義：第一個(gè)波的峰值與最終穩(wěn)態(tài)值之差，即B=A-C,如果系統(tǒng)的新穩(wěn)態(tài)值等于設(shè)定值，那么最大偏差就等于超調(diào)量。圖7-9第二十九頁(yè)，共三十九頁(yè)，編輯于2023年，星期四（2）衰減比n衰減比是衡量過(guò)渡過(guò)程穩(wěn)定性的動(dòng)態(tài)指標(biāo)。定義：第一個(gè)波的振幅與同方向第二個(gè)波的振幅之比。衰減比n：

圖7-10第三十頁(yè)，共三十九頁(yè)，編輯于2023年，星期四n>1:衰減振蕩。n越大，則控制系統(tǒng)的穩(wěn)定度也越高，當(dāng)n趨于無(wú)窮大時(shí)，控制系統(tǒng)的過(guò)渡過(guò)程接近于非振蕩過(guò)程。

n=1:等幅振蕩。

n<1:發(fā)散振蕩。n越小，意味著控制系統(tǒng)的振蕩過(guò)程越劇烈，穩(wěn)定度也越低，（3）余差

定義：控制系統(tǒng)過(guò)渡過(guò)程終了時(shí)設(shè)定值與被控變量穩(wěn)態(tài)值之差。第三十一頁(yè)，共三十九頁(yè)，編輯于2023年，星期四余差是反映控制準(zhǔn)確性的一個(gè)重要穩(wěn)態(tài)指標(biāo)，一般希望其為零，或不超過(guò)預(yù)定的范圍。

上圖中

圖7-11第三十二頁(yè)，共三十九頁(yè)，編輯于2023年，星期四

在控制系統(tǒng)中，對(duì)余差的要求取決于生產(chǎn)過(guò)程的要求，并不是越小越好。例如儲(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。（4）回復(fù)時(shí)間（過(guò)渡時(shí)間）回復(fù)時(shí)間表示控制系統(tǒng)過(guò)渡過(guò)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)需要無(wú)限長(zhǎng)的時(shí)間。第三十三頁(yè)，共三十九頁(yè)，編輯于2023年，星期四實(shí)際上，被控變量接近于新穩(wěn)態(tài)值的±5%或±2%的范圍內(nèi)且不再越出時(shí)為止所經(jīng)歷的時(shí)間，可計(jì)為過(guò)渡時(shí)間。一般希望過(guò)渡時(shí)間短一些。圖7-12、7-13第三十四頁(yè)，共三十九頁(yè)，編輯于2023年，星期四（5）振蕩頻率（或振蕩周期）定義：過(guò)渡過(guò)程同向兩波峰之間的時(shí)間間隔稱為振蕩周期或工作周期。其倒數(shù)稱為振蕩頻率。在衰減比相同條件下，周期與過(guò)渡時(shí)間成正比；振蕩頻率與回復(fù)時(shí)間成反比。

其它一些次要指標(biāo)：

振蕩次數(shù)：是指在過(guò)渡過(guò)程內(nèi)被控變量振蕩的次數(shù)。

“理想過(guò)渡過(guò)程兩個(gè)波”：是指過(guò)渡過(guò)程振蕩兩次就能穩(wěn)定下來(lái)。第三十五頁(yè)，共三十九頁(yè)，編輯于2023年，星期四上升時(shí)間：是指干擾開(kāi)始作用起到第一個(gè)波峰所需要的時(shí)間?？偨Y(jié)：主要指標(biāo)有：最大偏差、衰減比、余差、過(guò)渡時(shí)間。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(lái)定。原則：對(duì)生產(chǎn)過(guò)程有決定性意義的主要品質(zhì)指標(biāo)應(yīng)該優(yōu)先保證。第三十六頁(yè)，共三十九頁(yè)，編輯于2023年，星期四例題：某換熱器的溫度調(diào)節(jié)系統(tǒng)在單位階躍干擾下的過(guò)渡過(guò)程曲線如下圖7-14所示。試分別求出最大偏差、衰減比、余差、過(guò)渡時(shí)間（設(shè)定值為200℃）。圖7-14第三十七頁(yè)，共三十九頁(yè)，編輯于2023年，星期四解：(1)最大偏差：emax=230-200=30℃(2)余差：C=200-205=-5℃(3)衰減比：第一個(gè)波的振幅B=230-205=25℃第二個(gè)波