自动控制系统基本概念.ppt

自动控制系统基本概念现在学习的是第1页，共29页第一节 化工自动化的主要内容v自自动检测系统动检测系统 利用各种检测仪表对主要工艺参数利用各种检测仪表对主要工艺参数进行测量、指示和记录的。进行测量、指示和记录的。v自动信号和连锁保护系统自动信号和连锁保护系统 生产过程中的一种安全装置生产过程中的一种安全装置v自动操纵与自动开停车系统自动操纵与自动开停车系统 可以根据可以根据预先规定的步骤预先规定的步骤自动地对生产设备自动地对生产设备进行某种周期性操作进行某种周期性操作 可以按照预先规定好的步骤，将生产过程可以按照预先规定好的步骤，将生产过程自动投入运行或自动停车自动投入运行或自动停车v自动控制系统自动控制系统 使得某些使得某些关键性的控制参数关键性的控制参数在受到外界在受到外界干扰干扰的影响而的影响而偏离正常状态偏离正常状态时，能自动地控制而时，能自动地控制而回到规回到规定的数值范围内。定的数值范围内。现在学习的是第2页，共29页第二节 自动调节系统的组成v一、人工控制：一、人工控制：v1用人眼观察液位计指示用人眼观察液位计指示值值v2用大脑进行分析，得出用大脑进行分析，得出偏差，判断并发布命令偏差，判断并发布命令（开大或关小阀门）。（开大或关小阀门）。v3用手执行命令用手执行命令v人眼人眼脑脑手（开阀门）手（开阀门）现在学习的是第3页，共29页第二节 自动控制系统的组成一、自动控制系统的组成部一、自动控制系统的组成部分分1控制对象控制对象：（贮槽：（贮槽）。）。2、检测元件与变送器、检测元件与变送器用检测元件来测液位，并将液用检测元件来测液位，并将液位信号用变送器变成统一标准位信号用变送器变成统一标准信号远送出来，完成信号测量。信号远送出来，完成信号测量。3自动控制器自动控制器用控制器代替人脑，完成用控制器代替人脑，完成分析、判断发布命令。分析、判断发布命令。4执行器执行器 用执行按照控制命令，自动用执行按照控制命令，自动开关阀门。开关阀门。被控被控对象对象自动化自动化装置装置两大部分，四个环节两大部分，四个环节现在学习的是第4页，共29页进进料料口口执执行行器器变变送送器器控控控控制制制制器器器器进进料料口口执执行行器器变变送送器器控控控控制制制制站站站站控制系统的控制系统的控制系统的控制系统的 4 4 个基本环节（组成部分）：个基本环节（组成部分）：个基本环节（组成部分）：个基本环节（组成部分）：被控对象、检测仪表被控对象、检测仪表(测量变送环节测量变送环节)、控制器、执行器、控制器、执行器现在学习的是第5页，共29页v二、自动控制系统的表达形式1、方块图、方块图控制系统或系统中控制系统或系统中每个环节的功能和信号流向的每个环节的功能和信号流向的图解表示图解表示由方框、信号线、比较点、引出由方框、信号线、比较点、引出点组成点组成现在学习的是第6页，共29页2、几个常用术语、几个常用术语：vv（1）被控对象）被控对象 需要实现控制的设备、机械或生产过程称为被控对象，简称对象。需要实现控制的设备、机械或生产过程称为被控对象，简称对象。v（2）被控变量）被控变量 对象内要求保持一定数值（或按某一规律变化）的物理量称为对象内要求保持一定数值（或按某一规律变化）的物理量称为被控变量。被控变量。v（3）控制变量（操纵变量）控制变量（操纵变量）受执行器控制，用以使被控变量保持一定数值受执行器控制，用以使被控变量保持一定数值的物料或能量称为控制变量或操纵变量。的物料或能量称为控制变量或操纵变量。v（4）干扰（扰动）干扰（扰动）除控制变量（操纵变量）以外，作用于对象并引起被除控制变量（操纵变量）以外，作用于对象并引起被控变量变化的一切因素称为干扰。控变量变化的一切因素称为干扰。现在学习的是第7页，共29页 2、几个常用术语、几个常用术语v（5）设（给）定值）设（给）定值 工艺规定被控变量所要保持的数值。工艺规定被控变量所要保持的数值。v（6）偏差）偏差 偏差本应是设定值与被控变量的实际值之差。但能获取偏差本应是设定值与被控变量的实际值之差。但能获取的信息是被控变量的测量值而非实际值，因此，在的信息是被控变量的测量值而非实际值，因此，在控制系统中通常控制系统中通常把设定值与测量值之差定义为偏差把设定值与测量值之差定义为偏差。在实际操作中把。在实际操作中把测量值与设定测量值与设定值之差作为偏差值之差作为偏差v（7）反馈）反馈 是指把控制系统的输出（即被控变量）通过测量变送是指把控制系统的输出（即被控变量）通过测量变送直接或经过一些环节重新返回控制系统的输入端，并与设定值比直接或经过一些环节重新返回控制系统的输入端，并与设定值比较的过程。较的过程。v 负反馈负反馈:反馈的结果使系统的输出减弱的反馈类型反馈的结果使系统的输出减弱的反馈类型v 正反馈正反馈:反馈的结果使系统的输出增加的反馈类型反馈的结果使系统的输出增加的反馈类型v工业控制系统一般情况下都应为负反馈工业控制系统一般情况下都应为负反馈。现在学习的是第8页，共29页2、几个常用术语、几个常用术语：闭环与开环闭环与开环 闭环闭环闭环闭环系统的输出被反馈到输入端并与设定值进行比较的系统称系统的输出被反馈到输入端并与设定值进行比较的系统称为闭环系统为闭环系统，此时系统根据设定值与测量值的偏差进行控制，直至消除偏差。开环开环开环开环系统的输出没有被反馈回输入端，执行器仅只根据输入系统的输出没有被反馈回输入端，执行器仅只根据输入信号进行控制的系统称为开环系统信号进行控制的系统称为开环系统，此时系统的输出与设定值与测量值之间的偏差无关。要实现自动控制，系统必须闭环要实现自动控制，系统必须闭环闭环控制系统稳定运行的必要条件是负反馈闭环控制系统稳定运行的必要条件是负反馈 控制器被控对象测量变送装置+SP执行器被控变量操纵变量给定值自动操纵装置被控对象操纵指令操纵作用工艺参数现在学习的是第9页，共29页3、工艺管道、仪表流程图（工艺管道、仪表流程图（P&ID）现在学习的是第10页，共29页(1)图形符号图形符号检测点检测点检测点检测点 一般是由工艺设备轮廓线或工艺管线引到仪表圆圈的连接线的起点一般是由工艺设备轮廓线或工艺管线引到仪表圆圈的连接线的起点 必要时也可以用象形或图形符号表示必要时也可以用象形或图形符号表示 (2)图形符号图形符号连接线连接线连接线连接线 通用的仪表信号线均以细实线表示通用的仪表信号线均以细实线表示 (3)图形符号图形符号仪表符号仪表符号仪表符号仪表符号 仪表的图形符号是一个细实线圆圈，直径约仪表的图形符号是一个细实线圆圈，直径约10mm 10mm 就地安就地安装仪表装仪表 就地安就地安装仪表装仪表嵌在管嵌在管道中道中 集中集中仪表仪表盘面盘面安装安装仪表仪表 就地仪就地仪表盘面表盘面安装仪安装仪表表 集中仪集中仪表盘表盘后后后后安装安装仪表仪表 就地仪就地仪表盘表盘后后后后安装仪安装仪表表 同一个检测点，有两个或多个同一个检测点，有两个或多个测量，可用两个或多个相切的测量，可用两个或多个相切的圆表示圆表示 ATTENTIONATTENTION 管道、仪表流程图的图形符号不是完全管道、仪表流程图的图形符号不是完全管道、仪表流程图的图形符号不是完全管道、仪表流程图的图形符号不是完全标准一致的，国内与国外、不同设计单位之标准一致的，国内与国外、不同设计单位之标准一致的，国内与国外、不同设计单位之标准一致的，国内与国外、不同设计单位之间、甚至不同设计人员之间，有些方面会有间、甚至不同设计人员之间，有些方面会有间、甚至不同设计人员之间，有些方面会有间、甚至不同设计人员之间，有些方面会有不同的标注习惯，一般来说不同的标注习惯，一般来说不同的标注习惯，一般来说不同的标注习惯，一般来说P&IDP&IDP&IDP&ID图会有图例图会有图例图会有图例图会有图例给出。给出。给出。给出。例如，国内设计院一般较少用多个圆相例如，国内设计院一般较少用多个圆相例如，国内设计院一般较少用多个圆相例如，国内设计院一般较少用多个圆相切的形式来表示复合仪表，而国外则更常见。切的形式来表示复合仪表，而国外则更常见。切的形式来表示复合仪表，而国外则更常见。切的形式来表示复合仪表，而国外则更常见。现在学习的是第11页，共29页仪表符号除了图形之外，圆圈之中还应有一串有字母和数字组成的代号仪表符号除了图形之外，圆圈之中还应有一串有字母和数字组成的代号称为称为“仪表位号仪表位号”。例如：。例如：PIC207 TRC210 (4)(4)字母代号字母代号字母代号字母代号 字母编号写在圆圈的上半部字母编号写在圆圈的上半部第一位字母表示被测变量第一位字母表示被测变量后继字母表示仪表的功能后继字母表示仪表的功能 PIC207压力压力指示指示控制控制(5)(5)数字代号数字代号数字代号数字代号 数字编号写在圆圈的下半部数字编号写在圆圈的下半部第一位数字表示段号第一位数字表示段号后续数字后续数字(二位或三位数字二位或三位数字)表示仪表序号。表示仪表序号。第第2 2工段工段仪表序号为仪表序号为0707现在学习的是第12页，共29页作业vP15-16v6、11、13v思考：3、7、8、9、12现在学习的是第13页，共29页（三）按控制系统的复杂程度区分三）按控制系统的复杂程度区分简单控制系统简单控制系统 复杂控制系统复杂控制系统（一）按被控变量的名称区分一）按被控变量的名称区分温度控制系统温度控制系统 压力控制系统压力控制系统 （二）按控制器的控制规律区分（二）按控制器的控制规律区分比例控制（比例控制（P）、比例积分控制比例积分控制 （PI）、比例微分控制比例微分控制 （PD）、）、比例积分微分控制比例积分微分控制 （PID）、预估控制）、预估控制 （五）按被控变量对操作变量的影响分（五）按被控变量对操作变量的影响分 闭环控制系统闭环控制系统如：反馈控制 开环控制系统开环控制系统如：前馈控制（四）按补偿干扰的方法分（四）按补偿干扰的方法分反馈控制系统反馈控制系统、前、前馈馈控制系统、控制系统、前馈前馈+反馈控制系统反馈控制系统第三节第三节 自动控制系统的分类自动控制系统的分类 现在学习的是第14页，共29页第三节第三节 自动控制系统的分类自动控制系统的分类（六）按设定值的特点区分（六）按设定值的特点区分 （即将控制系统按照工艺过程需要控制的即将控制系统按照工艺过程需要控制的被控变量的被控变量的设定值设定值是否变化和如何变是否变化和如何变化化来分类来分类）：）：1、定值控制系统：设定值是由工艺要求给出的不变常数、定值控制系统：设定值是由工艺要求给出的不变常数目的是为了使被控变量尽量与设定值保持一致目的是为了使被控变量尽量与设定值保持一致。2、随动控制系统：设定值随时间无规律发生变化、随动控制系统：设定值随时间无规律发生变化（自动跟踪系统）（自动跟踪系统）目的是使所控制的工艺参数准确而快速地跟随给定值的变化而变化目的是使所控制的工艺参数准确而快速地跟随给定值的变化而变化。3、程序控制系统：可以理解为随动控制设定值是一个已知时间函数、程序控制系统：可以理解为随动控制设定值是一个已知时间函数（顺序控制系统）（顺序控制系统）即生产技术指标按一定时间程序变化即生产技术指标按一定时间程序变化现在学习的是第15页，共29页第四节第四节 过渡过程和品质指标过渡过程和品质指标 一、控制系统的静态（稳态）与动态一、控制系统的静态（稳态）与动态 在自动化领域中，把被控变量不随时间而变化的在自动化领域中，把被控变量不随时间而变化的平衡状态平衡状态称为系统称为系统的的静态静态。而把。而把被控变量随时间而变化的被控变量随时间而变化的不平衡状态不平衡状态称为系统的称为系统的动态动态 在生产过程中，为了保证产品的质量，维持生产过程的稳在生产过程中，为了保证产品的质量，维持生产过程的稳定，维持各项工艺参数不随时间而变是必须的，因而定，维持各项工艺参数不随时间而变是必须的，因而工艺设计工艺设计（计算）主要围绕系统（计算）主要围绕系统“静态静态”特性开展工作。特性开展工作。但是在生产过程中，物料的质量、流量、压力、温度等各种但是在生产过程中，物料的质量、流量、压力、温度等各种参数总是不可能一直保持稳定，它们的不稳定必然会破坏生产过参数总是不可能一直保持稳定，它们的不稳定必然会破坏生产过程的稳定。程的稳定。当系统失去平衡以后，如何使系统重新回到平衡状态，那就是当系统失去平衡以后，如何使系统重新回到平衡状态，那就是在系统在系统“静态静态”特性基础上要研究系统特性基础上要研究系统 的的“动态动态”特性。特性。现在学习的是第16页，共29页第四节第四节 过渡过程和品质指标过渡过程和品质指标 如果系统原来处于相对平衡状态（静态），如果系统原来处于相对平衡状态（静态），当出现干扰使被控变量发生当出现干扰使被控变量发生变化（偏离设定值）变化（偏离设定值），控制器能根据偏差及其偏差的变化情况，改变控制器，控制器能根据偏差及其偏差的变化情况，改变控制器输出，再经执行器改变操纵变量，输出，再经执行器改变操纵变量，使被控变量重新回到设定值使被控变量重新回到设定值。这个过程就。这个过程就是控制系统起的作用。是控制系统起的作用。控制系统的作用控制系统的作用 这个从这个从干扰发生、系统控制、直到重新建立平衡的过程就干扰发生、系统控制、直到重新建立平衡的过程就是自动控制中称的是自动控制中称的“动态动态”过程过程，是系统的是系统的过渡过程。过渡过程。如何来评价自控系统的好坏呢？如何来评价自控系统的好坏呢？自动控制系统的重点就是自动控制系统的重点就是研究系统的过渡过程中被控研究系统的过渡过程中被控变量随时间变化的规律变量随时间变化的规律现在学习的是第17页，共29页过渡过程：过渡过程：受到干扰作用后系统失稳，在控制系统的作用下，被控变受到干扰作用后系统失稳，在控制系统的作用下，被控变量回复到新的平衡状态的过程。量回复到新的平衡状态的过程。干扰的形式是不确定的，在分析和设计控制系统时，往往选干扰的形式是不确定的，在分析和设计控制系统时，往往选定阶跃信号作为输入。定阶跃信号作为输入。阶跃干扰：阶跃干扰：在某一瞬间在某一瞬间t0，干扰突然阶跃式地加入干扰突然阶跃式地加入系统，并保持在这个幅值。系统，并保持在这个幅值。阶跃干扰比较突然、比较危险、对控制系统的影响也最大，阶跃干扰比较突然、比较危险、对控制系统的影响也最大，而且阶跃干扰容易设计，易于实现，便于分析。而且阶跃干扰容易设计，易于实现，便于分析。对于一个控制系统，如果能有效克服阶跃干扰，肯定能很好对于一个控制系统，如果能有效克服阶跃干扰，肯定能很好地克服其它变化比较缓和的各种干扰。地克服其它变化比较缓和的各种干扰。二、控制系统的过渡过程二、控制系统的过渡过程现在学习的是第18页，共29页几种典型的过渡过程：几种典型的过渡过程：几种典型的过渡过程：几种典型的过渡过程：非周期衰减过程非周期衰减过程 衰减振荡过程衰减振荡过程 等幅振荡过程等幅振荡过程 发散振荡过程发散振荡过程 单调发散过程单调发散过程？X XX X一般是不允许的一般是不允许的除开关量控制回路除开关量控制回路现在学习的是第19页，共29页一、一、以系统受到阶跃输入作用后的以系统受到阶跃输入作用后的响应曲线响应曲线的形式给出的形式给出。主要包括：。主要包括：最最大大偏偏差差是是指指在在过过渡渡过过程程中中被被控控变变量量偏偏离离给给定定值值的的最最大大数数，是是响响应应曲曲线线的的第第一一个个波峰值波峰值 超调量超调量也是表征被控变量偏离给定值的程度，是也是表征被控变量偏离给定值的程度，是第一个峰值与新稳定值第一个峰值与新稳定值之差之差 衰衰减减比比是是表表示示衰衰减减程程度度的的指指标标，它它是是达达到到新新的的稳稳定定状状态态后后，前前后后相相邻邻两两个个峰峰值值的的比比（峰高以新稳定值为基准）（峰高以新稳定值为基准）余余差差当当过过渡渡过过程程终终了了时时，被被控控制制变变量量所所达达到到的的新新稳稳态态值值与与给给定定值值之之间间的的偏偏差差，余差可以是正值，也可以是负值。余差可以是正值，也可以是负值。过过渡渡时时间间从从干干扰扰开开始始发发生生的的时时刻刻，直直到到系系统统重重新新建建立立新新的的平平衡衡时时止止，过过渡渡过过程程所所经经历历的的时时间间。（通通常常过过渡渡过过程程在在新新态态值值的的5%5%或或2%上上下下波波动动，且且进进入入这这一一范范围围后后不不再再越越出出时时，就就认为被控变量已经达到新的稳定值，或说过渡过程已经结束。）认为被控变量已经达到新的稳定值，或说过渡过程已经结束。）振振荡荡周周期期（振振荡荡频频率率）过过渡渡过过程程同同向向两两波波峰峰（或或波波谷谷）之之间间的的间间隔隔时时间间，称称为为振振荡荡周期，其倒数称为振荡频率周期，其倒数称为振荡频率三、控制系统的控制指标三、控制系统的控制指标现在学习的是第20页，共29页以以以以阶阶阶阶跃跃跃跃响响响响应应应应曲曲曲曲线线线线的的的的形形形形式式式式表表表表示示示示的的的的品品品品质质质质指指指指标标标标（和和和和初初初初值值值值有有有有关关关关，这这这这里里里里只分析变化量只分析变化量只分析变化量只分析变化量）分两种情况：分两种情况：0阶跃干扰作用下的过渡过程（设定值固定，加一阶跃干扰）阶跃干扰作用下的过渡过程（设定值固定，加一阶跃干扰）定值系统定值系统 0阶跃给定作用下的过渡过程（设定值变化）阶跃给定作用下的过渡过程（设定值变化）随动系统随动系统 现在学习的是第21页，共29页阶跃干扰作用下的过渡过程（设定值固定，加一阶跃干扰）阶跃干扰作用下的过渡过程（设定值固定，加一阶跃干扰）定值系统定值系统 0最大偏差emax：衰 减 比n：余差 e()：过渡时间tp：振荡周期：现在学习的是第22页，共29页阶跃给定作用下的过渡过程（设定值变化）阶跃给定作用下的过渡过程（设定值变化）随动系统随动系统 超调量：衰 减 比n：余差 e()：过渡时间tp：振荡周期：0B最大偏差最大偏差=？现在学习的是第23页，共29页自动控制系统希望的结果：自动控制系统希望的结果：最大偏差（超调量）？最大偏差（超调量）？衰减比？衰减比？余差？余差？过渡时间？过渡时间？振荡周期？振荡周期？n n1 1等幅振荡等幅振荡 n n1 1发散振荡发散振荡 n n1 1衰减振荡衰减振荡 不振荡不振荡 为了保持有足够的稳定程度，衰减比一般取为为了保持有足够的稳定程度，衰减比一般取为4 4：1 1至至1010：1 1；这种过渡过程不是最优的结果，；这种过渡过程不是最优的结果，但操作人员容易掌握，一般也是操作人员所希望的过程但操作人员容易掌握，一般也是操作人员所希望的过程不振荡：不便于操作人员掌握。不振荡：不便于操作人员掌握。答：越小越好答：越小越好答：越答：越短短越好越好答：越小越好答：越小越好答：答：小小好好现在学习的是第24页，共29页例例例例某换热器的温度调节系统在单位阶跃干扰作用下的过渡过程曲线。试分别求出最大偏差、某换热器的温度调节系统在单位阶跃干扰作用下的过渡过程曲线。试分别求出最大偏差、余差、衰减比、振荡周期和过渡时间余差、衰减比、振荡周期和过渡时间(给定值为给定值为200)。解：解：1、最大偏差：、最大偏差：A23020030 2、余差、余差C2052005 3、第一个波峰值、第一个波峰值B23020525 第二个波峰值第二个波峰值B2102055 衰减比衰减比n25：55：l。4、振荡周期为同向两波峰之间的时间间隔，故周期、振荡周期为同向两波峰之间的时间间隔，故周期T20515(min)5、过渡时间与规定的被控变量限制范围大小有关，假定被控变量进入、过渡时间与规定的被控变量限制范围大小有关，假定被控变量进入额定值的额定值的2，就可以认为过渡过程已经结束，那么限制范围为就可以认为过渡过程已经结束，那么限制范围为205(2)4.1，这时，可在，这时，可在新稳态新稳态值值(205)两侧以宽度为两侧以宽度为4.1画一区域画一区域，图中以画有阴影线的区域表示，只要被控变量进，图中以画有阴影线的区域表示，只要被控变量进入这一区域且不再越出，过渡过程就可以认为已经结束。因此，从图上可以看出，过渡时间为入这一区域且不再越出，过渡过程就可以认为已经结束。因此，从图上可以看出，过渡时间为22min。现在学习的是第25页，共29页课堂练习vP17v22现在学习的是第26页，共29页v二、以误差性能指标的形式给出二、以误差性能指标的形式给出，一般指偏差对某个函数的积分。主要，一般指偏差对某个函数的积分。主要包括：包括：v 平方误差积分指标平方误差积分指标v 时间乘平方误差积分指标时间乘平方误差积分指标v 绝对误差积分指标绝对误差积分指标v 时间乘绝对误差积分指标时间乘绝对误差积分指标v当这些值达到最小值的系统是某种意义下的当这些值达到最小值的系统是某种意义下的最优系统最优系统。三、控制系统的控制指标三、控制系统的控制指标现在学习的是第27页，共29页固定因素：对象特性固定因素：对象特性 测量仪表特性测量仪表特性 执行器特性执行器特性补偿因素：补偿因素：控制器特性控制器特性控制器特性控制器特性这是自动控制的主要研究内容这是自动控制的主要研究内容四、影响控制指标的主要因素四、影响控制指标的主要因素现在学习的是第28页，共29页作业vP16v18、19、21现在学习的是第29页，共29页