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，共四十七頁，編輯于2023年，星期四內(nèi)容提要自動(dòng)控制系統(tǒng)的組成自動(dòng)控制系統(tǒng)的方塊圖信號(hào)和變量自動(dòng)控制系統(tǒng)方塊圖反饋?zhàn)詣?dòng)控制系統(tǒng)的分類過渡過程和品質(zhì)指標(biāo)控制系統(tǒng)的靜態(tài)與動(dòng)態(tài)1第二頁，共四十七頁，編輯于2023年，星期四內(nèi)容提要控制系統(tǒng)的過渡過程控制系統(tǒng)的控制指標(biāo)影響控制指標(biāo)的主要因素2第三頁，共四十七頁，編輯于2023年，星期四第一節(jié)自動(dòng)控制系統(tǒng)的組成

3圖7-1人工操作圖圖7-2液位自動(dòng)控制圖人工操作與自動(dòng)控制比較圖控制速度和精度不能滿足大型現(xiàn)代化生產(chǎn)的需要第四頁，共四十七頁，編輯于2023年，星期四第一節(jié)自動(dòng)控制系統(tǒng)的組成圖7-2液位自動(dòng)控制4第五頁，共四十七頁，編輯于2023年，星期四字母第一位字母后繼字母被測變量修飾詞功能ACDEFIKLMPQRSTVWYZ分析電導(dǎo)率密度電壓流量電流時(shí)間或時(shí)間程序物位水分或濕度壓力或真空數(shù)量或件數(shù)放射性速度或頻率溫度黏度力供選用位置差比（分?jǐn)?shù)）積分、累積安全報(bào)警控制（調(diào)節(jié)）檢測元件指示自動(dòng)-手動(dòng)操作器積分、累積記錄或打印開關(guān)、聯(lián)鎖傳送閥、擋板、百葉窗套管繼動(dòng)器或計(jì)算器驅(qū)動(dòng)、執(zhí)行或未分類的終端執(zhí)行機(jī)構(gòu)表7-1被測變量和儀表功能的字母代號(hào)5第六頁，共四十七頁，編輯于2023年，星期四第一節(jié)自動(dòng)控制系統(tǒng)的組成在自動(dòng)控制系統(tǒng)的組成中,除必須具有前面所述的自動(dòng)化裝置外,還必須具有控制裝置所控制的生產(chǎn)設(shè)備。在自動(dòng)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(jī)器、一段管道或設(shè)備的一部分叫做被控對(duì)象,簡稱對(duì)象。要選擇好控制系統(tǒng)的對(duì)象6第七頁，共四十七頁，編輯于2023年，星期四第二節(jié)自動(dòng)控制系統(tǒng)的方塊圖一、信號(hào)和變量載有變量信息的物理變量是信號(hào)。

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第八頁，共四十七頁，編輯于2023年，星期四第二節(jié)自動(dòng)控制系統(tǒng)的方塊圖圖7-4簡單水槽ABuu1u2圖7-5信號(hào)分叉點(diǎn)8第九頁，共四十七頁，編輯于2023年，星期四第二節(jié)自動(dòng)控制系統(tǒng)的方塊圖二、自動(dòng)控制系統(tǒng)方塊圖在研究自動(dòng)控制系統(tǒng)時(shí)，為了便于對(duì)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。下頁圖為液位自動(dòng)控制系統(tǒng)地方塊圖每個(gè)環(huán)節(jié)表示組成系統(tǒng)的一個(gè)部分，稱為“環(huán)節(jié)”。兩個(gè)方塊之間用一條帶有箭頭的線條表示其信號(hào)的相互關(guān)系，箭頭指向方塊表示為這個(gè)環(huán)節(jié)的輸入，箭頭離開方塊表示為這個(gè)環(huán)節(jié)的輸出。線旁的字母表示相互間的作用信號(hào)。9第十頁，共四十七頁，編輯于2023年，星期四方塊圖中，

x

指設(shè)定值；z

指輸出信號(hào)；e

指偏差信號(hào)；p指發(fā)出信號(hào)；q

指出料流量信號(hào)；y

指被控變量；f

指擾動(dòng)作用。當(dāng)x

取正值，z取負(fù)值，e=x-z，負(fù)反饋；x

取正值，z取正值，e=x+z，正反饋。第二節(jié)自動(dòng)控制系統(tǒng)的方塊圖圖7-6自動(dòng)控制系統(tǒng)方塊圖10第十一頁，共四十七頁，編輯于2023年，星期四第二節(jié)自動(dòng)控制系統(tǒng)的方塊圖其他控制系統(tǒng)

用同一種形式地方塊圖可以代表不同的控制系統(tǒng)

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(shí)，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)第十二頁，共四十七頁，編輯于2023年，星期四第二節(jié)自動(dòng)控制系統(tǒng)的方塊圖為了便于分析,有時(shí)將控制器以外的各個(gè)環(huán)節(jié)(包括被控對(duì)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(duì)象,這樣,整個(gè)系統(tǒng)可認(rèn)為是由控制器與廣義對(duì)象兩者所構(gòu)成,其方塊圖可簡化?？刂破鲝V義對(duì)象被控變量測量值z(mì)給定值干擾作用f-x圖7-8簡化方塊圖12第十三頁，共四十七頁，編輯于2023年，星期四第二節(jié)自動(dòng)控制系統(tǒng)的方塊圖三、反饋?zhàn)詣?dòng)控制系統(tǒng)是一個(gè)閉環(huán)系統(tǒng)，是由于反饋的存在造成的。xKβyze-圖7-9負(fù)反饋系統(tǒng)13第十四頁，共四十七頁，編輯于2023年，星期四第二節(jié)自動(dòng)控制系統(tǒng)的方塊圖兩式聯(lián)立,消去e,則有（7-1）單位反饋系統(tǒng)如果K很大,K》1,則（7-2）14第十五頁，共四十七頁，編輯于2023年，星期四第二節(jié)自動(dòng)控制系統(tǒng)的方塊圖小結(jié)自動(dòng)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(dòng)測量、自動(dòng)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(dòng)操縱裝置對(duì)象操縱指令操縱作用工藝參數(shù)圖7-10自動(dòng)操縱系統(tǒng)方塊圖15第十六頁，共四十七頁，編輯于2023年，星期四第二節(jié)自動(dòng)控制系統(tǒng)的方塊圖四、自動(dòng)控制系統(tǒng)的分類按被控變量來分類，如溫度、壓力等控制系統(tǒng)；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)；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(dòng)控制系統(tǒng)分為三類，即定值控制系統(tǒng)、隨動(dòng)控制系統(tǒng)和程序控制系統(tǒng)。16其中第三種分類方法最普遍第十七頁，共四十七頁，編輯于2023年，星期四第二節(jié)自動(dòng)控制系統(tǒng)的方塊圖

“定值”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(gè)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)。171.定值控制方法2.隨動(dòng)控制系統(tǒng)（自動(dòng)跟蹤系統(tǒng)）給定值隨機(jī)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。第十八頁，共四十七頁，編輯于2023年，星期四第二節(jié)自動(dòng)控制系統(tǒng)的方塊圖3.程序控制系統(tǒng)（順序控制系統(tǒng)）給定值變化，但它是一個(gè)已知的時(shí)間函數(shù)，即生產(chǎn)技術(shù)指標(biāo)需按一定的時(shí)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第十九頁，共四十七頁，編輯于2023年，星期四第三節(jié)過渡過程和品質(zhì)指標(biāo)

一、控制系統(tǒng)的靜態(tài)與動(dòng)態(tài)19自動(dòng)控制目的：希望將被控變量保持在一個(gè)不變的給定值上，這只有當(dāng)進(jìn)入被控對(duì)象的物料量（或能量）和流出對(duì)象的物料量（或能量）相等時(shí)才有可能。

靜態(tài)——被控變量不隨時(shí)間而變化的平衡狀態(tài)（變化率為0，不是靜止）。第二十頁，共四十七頁，編輯于2023年，星期四第三節(jié)過渡過程和品質(zhì)指標(biāo)

當(dāng)一個(gè)自動(dòng)控制系統(tǒng)的輸入（給定和干擾）和輸出均恒定不變時(shí)，整個(gè)系統(tǒng)就處于一種相對(duì)穩(wěn)定的平衡狀態(tài)，系統(tǒng)的各個(gè)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(hào)也都處于相對(duì)靜止?fàn)顟B(tài)，這種狀態(tài)就是靜態(tài)。20第二十一頁，共四十七頁，編輯于2023年，星期四第三節(jié)過渡過程和品質(zhì)指標(biāo)21動(dòng)態(tài)——被控變量隨時(shí)間變化的不平衡狀態(tài)。

從干擾作用破壞靜態(tài)平衡，經(jīng)過控制，直到系統(tǒng)重新建立平衡，在這一段時(shí)間中，整個(gè)系統(tǒng)的各個(gè)環(huán)節(jié)和信號(hào)都處于變動(dòng)狀態(tài)之中，這種狀態(tài)叫做動(dòng)態(tài)。結(jié)論：在自動(dòng)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(dòng)態(tài)更為重要。因?yàn)樵谏a(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(dòng)化裝置不斷地施加控制作用去對(duì)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。第二十二頁，共四十七頁，編輯于2023年，星期四第三節(jié)過渡過程和品質(zhì)指標(biāo)二、控制系統(tǒng)的過渡過程系統(tǒng)由一個(gè)平衡狀態(tài)過渡到另一個(gè)平衡狀態(tài)的過程。

22當(dāng)干擾作用于對(duì)象，系統(tǒng)輸出y發(fā)生變化，在系統(tǒng)負(fù)反饋?zhàn)饔孟拢?jīng)過一段時(shí)間，系統(tǒng)重新恢復(fù)平衡。舉例圖7-11控制系統(tǒng)方塊圖控制器執(zhí)行器對(duì)象被控變量測量、變送給定值干擾-第二十三頁，共四十七頁，編輯于2023年，星期四第三節(jié)過渡過程和品質(zhì)指標(biāo)系統(tǒng)在過渡過程中，被控變量是隨時(shí)間變化的。被控變量隨時(shí)間的變化規(guī)律首先取決于作用于系統(tǒng)的干擾形式。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(jī)性質(zhì)。在分析和設(shè)計(jì)控制系統(tǒng)時(shí)，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第二十四頁，共四十七頁，編輯于2023年，星期四第三節(jié)過渡過程和品質(zhì)指標(biāo)采用階躍干擾的優(yōu)點(diǎn)：這種形式的干擾比較突然、危險(xiǎn)，且對(duì)被控變量的影響也最大。如果一個(gè)控制系統(tǒng)能夠有效地克服這種類型的干擾，那么一定能很好地克服比較緩和的干擾。這種干擾的形式簡單，容易實(shí)現(xiàn)，便于分析、實(shí)驗(yàn)和計(jì)算。24圖7-12階躍干擾作用第二十五頁，共四十七頁，編輯于2023年，星期四第三節(jié)過渡過程和品質(zhì)指標(biāo)自動(dòng)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X非周期衰減過程√衰減震蕩過程√等幅震蕩過程

？對(duì)于控制質(zhì)量要求不高的場合，如果被控變量允許在工藝許可的范圍內(nèi)振蕩（主要指在位式控制時(shí)），才可采用。

第二十六頁，共四十七頁，編輯于2023年，星期四第三節(jié)過渡過程和品質(zhì)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)?？刂浦笜?biāo)主要有兩類,一類是時(shí)間域的單項(xiàng)指標(biāo),另一類是時(shí)間域的綜合指標(biāo)?？刂葡到y(tǒng)的過渡過程是衡量品質(zhì)的依據(jù)。第二十七頁，共四十七頁，編輯于2023年，星期四第三節(jié)過渡過程和品質(zhì)指標(biāo)1.時(shí)間域的各種單項(xiàng)指標(biāo)假定自動(dòng)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第二十八頁，共四十七頁，編輯于2023年，星期四第三節(jié)過渡過程和品質(zhì)指標(biāo)28五種重要品質(zhì)指標(biāo)之一（1）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(gè)波的峰值。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。超調(diào)量也可以用來表征被控變量偏離給定值的程度。第二十九頁，共四十七頁，編輯于2023年，星期四第三節(jié)過渡過程和品質(zhì)指標(biāo)（2）衰減比衰減比是衰減程度的指標(biāo)，它是前后相鄰兩個(gè)峰值的比。習(xí)慣表示為n:1，一般n取為4～10之間為宜。五種重要品質(zhì)指標(biāo)之二29第三十頁，共四十七頁，編輯于2023年，星期四第三節(jié)過渡過程和品質(zhì)指標(biāo)五種重要品質(zhì)指標(biāo)之三（3）余差當(dāng)過渡過程終了時(shí)，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(shí)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第三十一頁，共四十七頁，編輯于2023年，星期四第三節(jié)過渡過程和品質(zhì)指標(biāo)五種重要品質(zhì)指標(biāo)之四（4）過渡時(shí)間

從干擾作用發(fā)生的時(shí)刻起，直到系統(tǒng)重新建立新的平衡時(shí)止，過渡過程所經(jīng)歷的時(shí)間叫過渡時(shí)間。一般在穩(wěn)態(tài)值的上下規(guī)定一個(gè)小范圍，當(dāng)被控變量進(jìn)入該范圍并不再越出時(shí)，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(gè)范圍一般定為穩(wěn)態(tài)值的±５％（也有的規(guī)定為±２％）。31第三十二頁，共四十七頁，編輯于2023年，星期四第三節(jié)過渡過程和品質(zhì)指標(biāo)五種重要品質(zhì)指標(biāo)之五（5）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(shí)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(shí)間成正比，一般希望振蕩周期短一些為好。32第三十三頁，共四十七頁，編輯于2023年，星期四第三節(jié)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(shí)間（給定值為200℃）。舉例圖7-15溫度控制系統(tǒng)過渡過程曲線第三十四頁，共四十七頁，編輯于2023年，星期四第三節(jié)過渡過程和品質(zhì)指標(biāo)解:

最大偏差A(yù)＝230-200＝30℃余差C＝205-200＝５℃由圖上可以看出，第一個(gè)波峰值B＝230-205＝25℃，第二個(gè)波峰值B′＝210－205＝5℃，故衰減比應(yīng)為B:B′＝25:5＝5:1。振蕩周期為同向兩波峰之間的時(shí)間間隔，故周期T＝20-5＝15（min）34第三十五頁，共四十七頁，編輯于2023年，星期四第三節(jié)過渡過程和品質(zhì)指標(biāo)

分析：過渡時(shí)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(shí)，可在新穩(wěn)態(tài)值（205℃）兩側(cè)以寬度為±４℃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，從圖上可以看出，過渡時(shí)間為22min。35第三十六頁，共四十七頁，編輯于2023年，星期四第三節(jié)過渡過程和品質(zhì)指標(biāo)2.時(shí)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(duì)時(shí)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(shí)間等各方面的因素。以偏差e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第三十七頁，共四十七頁，編輯于2023年，星期四第三節(jié)過渡過程和品質(zhì)指標(biāo)三種綜合指標(biāo)①偏差絕對(duì)值對(duì)時(shí)間的積分,簡記為IAE

采用絕對(duì)值,可避免正負(fù)積分面積相消的現(xiàn)象。37第三十八頁，共四十七頁，編輯于2023年，星期四第三節(jié)過渡過程和品質(zhì)指標(biāo)②偏差絕對(duì)值與時(shí)間乘積對(duì)時(shí)間的積分,簡記為ITAE

它對(duì)后期的偏差值加大權(quán)值,因此對(duì)消除偏差所需的時(shí)間比較敏感。38第三十九頁，共四十七頁，編輯于2023年，星期四第三節(jié)過渡過程和品質(zhì)指標(biāo)③偏差平方值對(duì)時(shí)間的積分,簡記為ISE

采用平方值,同樣可以避免正負(fù)偏差積分時(shí)的相消現(xiàn)象。與IAE相比,它對(duì)最大偏差的數(shù)值更加敏感。39第四十頁，共四十七頁，編輯于2023年，星期四第三節(jié)過渡過程和品質(zhì)指標(biāo)四、影響控制指標(biāo)的主要因素40

一個(gè)自動(dòng)控制系統(tǒng)可以概括成兩大部分，即工藝過程部分（被控對(duì)象）和自動(dòng)化裝置部分。前者指與該自動(dòng)控制系統(tǒng)有關(guān)的部分。后者指為實(shí)現(xiàn)自動(dòng)控制所必需的自動(dòng)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。第四十一頁，共四十七頁，編輯于2023年，星期四第三節(jié)過渡過程和品質(zhì)指標(biāo)

對(duì)于一個(gè)自動(dòng)控制系統(tǒng)，過渡過程品質(zhì)的好壞，在很大程度上決定于對(duì)象的性質(zhì)。例如在前所述的溫度控制系統(tǒng)中，屬于對(duì)象性質(zhì)的主要因素有：換熱器的負(fù)荷大小，換熱器的結(jié)構(gòu)、尺寸、材質(zhì)等，換熱器內(nèi)的換熱情況、散熱情況及結(jié)垢程度等。不同自動(dòng)化系統(tǒng)要具體分析。41第四十二頁，共四十七頁，編輯于2023年，星期四例題分析1.圖7-16所示為一水箱的液位控