第07章-自动控制系统概述ppt课件.ppt

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1、第七章第七章 自动控制系统概述自动控制系统概述 进进料料口口执执行行器器变变送送器器进进料料口口执执行行器器变变送送器器 进进料料口口执执行行器器变变送送器器液位自动控制系统示意图示意图 液位自动控制系统工艺控制流程图工艺控制流程图变送器控制器给定值LTLIC203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。（2 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）的物理量称为被控变量。（3）操纵变量操纵变量（控制变量控制变量）：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。 （4）干扰干扰（扰动扰动）：除控制变量（操纵变量）以外，作

2、用于对象并引起被控变量变化的一切因素称为干扰。（5）设（给）定值设（给）定值：工艺规定被控变量所要保持的数值。（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，在控制系统中通常把设定值与测量值之差定义为偏差。调节器被控对象测量变送装置+SP执行器4 420mA20mA4 420mA20mA计算机被控对象测量变送装置+SP执行器4 420mA20mA4 420mA20mAD/AA/D数字信号数字信号一、信号和变量一、信号和变量调节器被控对象测量变送装置+SP执行器调节器+SP广义对象固定因素补偿因素 自动控制系统的（最）基本要求是系统运行必

3、须是稳自动控制系统的（最）基本要求是系统运行必须是稳定的。定的。是控制系统的输出（即被控变量）通过测量变送是控制系统的输出（即被控变量）通过测量变送返回到控制系统的输入端，并与设定值比较的过程。返回到控制系统的输入端，并与设定值比较的过程。 负反馈负反馈: :反馈的结果使系统的输出减小的反馈类型。反馈的结果使系统的输出减小的反馈类型。 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。 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。 三、反馈：三、反馈：系统的输出被反馈到输入端并与设定值进行比较系统的输出被反馈到输入端并与设

4、定值进行比较的系统称为闭环系统的系统称为闭环系统，此时系统根据设定值与测，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。量值的偏差进行控制，直至消除偏差。 调节器调节器被控对象被控对象测量变送装置测量变送装置+SP执行器执行器系统的输出没有被反馈回输入端，执行器仅只根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据输入信号进行控制的系统称为开环系统，此时，此时系统的输出与设定值与测量值之间的偏差无关。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。闭环控制系闭环控制系统稳定运行的必要条件是负反馈。

5、统稳定运行的必要条件是负反馈。 输出信号随输入信号的增加而增加的环节称为正输出信号随输入信号的增加而增加的环节称为正作用环节作用环节 输出信号随输入信号的增加而减小的环节称为反输出信号随输入信号的增加而减小的环节称为反作用环节作用环节 例如：对于调节器来说，测量值增大，输出增大例如：对于调节器来说，测量值增大，输出增大，称为正作用调节器，称为正作用调节器 能否构成负反馈系统和系统中各环节的特性有关能否构成负反馈系统和系统中各环节的特性有关。 进进料料口口执执行行器器变变送送器器液位液位调节器调节器液体储槽液体储槽液位变送器液位变送器+SP执行器执行器 由于被控对象和执行器由于被控对象和执行器的

6、特性是由实际的工艺现场的特性是由实际的工艺现场条件决定的，所以应当通过条件决定的，所以应当通过控制器的正、反作用特性来控制器的正、反作用特性来满足系统负反馈的要求。满足系统负反馈的要求。 “反”“正”“正”“正”“反”“反”（一）按设定值的特点区分（一）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被控变量数值（即将控制系统按照工艺过程需要控制的被控变量数值是否变化和如何变化来分类）：是否变化和如何变化来分类）：1 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 通常要求被控变量尽量与设定值保持一致。通常要求被控变量尽量与设定值保持

7、一致。2 2、随动控制系统：设定值随时间不断发生变化、随动控制系统：设定值随时间不断发生变化 （自动跟踪系统）（自动跟踪系统）通常要求被控变量尽可能地与设定值通常要求被控变量尽可能地与设定值一起变化。一起变化。 3 3、程序控制系统：可以理解为随动控制设定值是一个已知、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（二）按补偿干扰的方法分（二）按补偿干扰的方法分反馈反馈调节器执行器对象传感器、变送器+SPxzeuqyf干扰干扰f（t）被控变量被控变量调节器调节器操作变量操作变量补偿

8、干扰补偿干扰 前馈前馈前馈补偿器执行器对象传感器、变送器pqy干扰f干扰干扰f f（t t）变送器变送器补偿器补偿器操作变量操作变量补偿干扰补偿干扰 前馈前馈+反馈反馈调节器执行器对象传感器、变送器+SPxzey干扰f变送器前馈补偿器+（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（四）按控制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 （五）按调节规律区分P、PI、PD、PID、预估控制、预估控制 （六）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：前馈控制载热体载热体冷流体冷流体换热器换

9、热器温度控制系统温度控制系统液位控制系统液位控制系统控制器控制器(LC或或TC)执行器执行器 （控制阀）（控制阀）被控对象被控对象（液位储槽或换热器）（液位储槽或换热器）测量、变送环节测量、变送环节（LT或或TT） 被控变量被控变量（液位或温度）（液位或温度）干扰干扰偏差偏差设定值设定值广义对象广义对象简单控制系统方块图简单控制系统方块图控制器控制器控制器控制器 执行器执行器被控对象被控对象测量元件与变送器测量元件与变送器测量值测量值给定值给定值偏差偏差输出输出变量变量被控变量被控变量控制器控制器操纵操纵干扰作用干扰作用x xz ze ep pq qy yf f一、控制系统的静态（稳态）与动态

10、一、控制系统的静态（稳态）与动态 控制系统的作用控制系统的作用：尽可能使被控变量与设定值保：尽可能使被控变量与设定值保持一致（或随设定值一起变化），当被控变量受干持一致（或随设定值一起变化），当被控变量受干扰影响而偏离设定值时，控制作用必须驱使它（被扰影响而偏离设定值时，控制作用必须驱使它（被控变量）回到设定值。控变量）回到设定值。 由于干扰没有严格的变化规律（否则也不能称由于干扰没有严格的变化规律（否则也不能称之为干扰），因此系统中的有关参数也都是随时间之为干扰），因此系统中的有关参数也都是随时间变化的。变化的。 静态：被控变量不随时间变化的平衡状态（静态：被控变量不随时间变化的平衡状态（变

11、化率为变化率为0 0，而不是静止）。，而不是静止）。 如果控制系统是稳定的，假设如果控制系统是稳定的，假设给给定值和干扰定值和干扰都保持不变，经过足够长的时间，控制系统中各都保持不变，经过足够长的时间，控制系统中各参数必然会到达一个参数必然会到达一个“相对相对”平衡状态，这种状平衡状态，这种状态就是所谓的态就是所谓的“静态静态”，在控制领域中更多的称，在控制领域中更多的称之为之为“稳态稳态”。 动态：被控变量随时间变化的不平衡状态。动态：被控变量随时间变化的不平衡状态。 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变化，此时控制系当出现干

12、扰使被控变量发生变化，此时控制系统发生作用，调节器根据偏差及其偏差的变化统发生作用，调节器根据偏差及其偏差的变化情况，改变调节器输出，再经执行器改变操纵情况，改变调节器输出，再经执行器改变操纵变量，使被控变量重新回到设定值来，这么一变量，使被控变量重新回到设定值来，这么一个从干扰发生、系统控制、直到重新建立平衡个从干扰发生、系统控制、直到重新建立平衡的过程称为的过程称为“动态动态”过程。过程。 工艺设计主要围绕系统工艺设计主要围绕系统“静态静态”特性开展特性开展工作，自动控制是在工作，自动控制是在“静态静态”特性基础上来特性基础上来研究其研究其“动态动态”特性的，即当系统失去平衡特性的，即当系

13、统失去平衡以后，如何使系统重新回到平衡状态。以后，如何使系统重新回到平衡状态。 如何来评价一个自动控制系统的质量？如何来评价一个自动控制系统的质量？ 必须分析必须分析“系统失去平衡以后能否重新回系统失去平衡以后能否重新回到平衡状态到平衡状态”、“从系统失去平衡以后到重从系统失去平衡以后到重新回到平衡状态新回到平衡状态”这个过程的各种指标。这个过程的各种指标。 二、控制系统的过渡过程二、控制系统的过渡过程 干扰（扰动）干扰（扰动）：除操纵变量外，能够引起被控：除操纵变量外，能够引起被控变量发生变化的一切因素。任何一个随机干扰都可变量发生变化的一切因素。任何一个随机干扰都可以分解为以下几种：阶跃信

14、号、斜坡信号、脉冲信以分解为以下几种：阶跃信号、斜坡信号、脉冲信号、加速度信号和正弦信号等。号、加速度信号和正弦信号等。 过渡过程：过渡过程：受到干扰作用后系统失稳，在控制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系统的作用下，被控变量回复到新的平衡状态的过程。程。 在分析和设计控制系统时，往往选定阶跃信号在分析和设计控制系统时，往往选定阶跃信号作为输入。作为输入。 阶跃干扰：阶跃干扰：在某一瞬间在某一瞬间t0干扰突然阶干扰突然阶跃式地加入系统，并保持在这个幅值。跃式地加入系统，并保持在这个幅值。 阶阶跃信号数学表达式为：跃信号数学表达式为： A t0 t0 0

15、 t0 t0 )(tr当当A=1A=1时称为时称为单位阶跃信号单位阶跃信号。 阶跃干扰比较突然、比较危险、对控制系统阶跃干扰比较突然、比较危险、对控制系统的影响也最大、设计过程容易产生阶跃干扰。的影响也最大、设计过程容易产生阶跃干扰。 对于一个控制系统，如果能有效克服阶跃干对于一个控制系统，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扰，肯定能很好地克服其它变化比较缓和的各种干扰。干扰。 特点：特点：易产生、对系统输出影响大、便于分易产生、对系统输出影响大、便于分析和计算。析和计算。 在阶跃信号作用下，被控变量随时间的变化有在阶跃信号作用下，被控变量随时间的变化有以下以下非周

16、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，除开关量控制回路一般是不允许的，除开关量控制回路三、控制系统的控制指标三、控制系统的控制指标 通常要评价和讨论一个控制系统性能优劣，其通常要评价和讨论一个控制系统性能优劣，其标准有二大类：标准有二大类： 时间域的各种单项指标时间域的各种单项指标以系统受到阶跃输入以系统受到阶跃输入后的响应曲线的形式给出后的响应曲线的形式给出。主要包括：。主要包括： 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（

17、振荡频率）振荡周期（振荡频率） 以误差性能指标的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。形式给出，一般指偏差对某个函数的积分。主要包括：主要包括： 平方误差积分指标平方误差积分指标 时间乘平方误差积分指标时间乘平方误差积分指标 绝对误差积分指标绝对误差积分指标 时间乘绝对误差积分指标时间乘绝对误差积分指标 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。分两种情况：分两种情况：t()yt0BB( )e 3t2t1tC25稳 定 误 差 范 围 ：或 者 的 新 稳 态 值 阶跃干扰作用下的过渡过程（设定值固定，加一阶阶跃干扰作用下的

18、过渡过程（设定值固定，加一阶跃干扰）跃干扰）定值系统定值系统 t( )y tSp0BB( )e 3t2t1tC25稳定误差范围： 或者的新稳态值 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 阶跃干扰作用下的过渡过程（设定值固定，加阶跃干阶跃干扰作用下的过渡过程（设定值固定，加阶跃干扰）扰）定值系统定值系统 t()yt0BB( )e3t2t1tC25稳定误差范围： 或者的新稳态值最大偏差最大偏差emax：m axeBC衰衰 减减 比比n：/nBB 余差余差 e()：()()eCy过渡时间过渡时间tp：3ptt振荡周期：振荡周期：21tt阶跃给定作

19、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 超调量超调量：/*100%B C衰衰 减减 比比n：/nBB余差余差 e()：()e 过渡时间过渡时间tp：3ptt振荡周期：振荡周期：21ttt( )y tSp0BB( )e 3t2t1tC25稳 定 误 差 范 围 ：或 者 的 新 稳 态 值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？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 n=不振荡不振荡 自动控制系统希望的结果：自动控制系统希望的结果：为了保持

20、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但操作人员容易掌握，一般也是操作人员所希望的过程。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。 余差？余差？过渡时间？过渡时间？振荡周期？振荡周期？平方误差积分指标平方误差积分指标时间乘平方误差的积分指标时间乘平方误差的积分指标绝对误差积分指标绝对误差积分指标时间乘绝对误差积分指标时间乘绝对误差积分指标 0 21)( dtteJ 0 22)( dttteJ 0 3| )

21、(|dtteJ 0 4| )(|dttetJ优化控制的策略：优化控制的策略：minJ 对各种性能指标加以分析理解：对各种性能指标加以分析理解： 绝对误差积分绝对误差积分在图形上就是在图形上就是对对偏差面积的积分偏差面积的积分，它对于出现在设定值附近的偏差和出现在远离设定，它对于出现在设定值附近的偏差和出现在远离设定值的偏差面积是同等对待的。而值的偏差面积是同等对待的。而偏差平方值对事件的偏差平方值对事件的积分积分指标，却对同一偏差面积由于离设定值远近不同指标，却对同一偏差面积由于离设定值远近不同引起的目标值引起的目标值J J是不一样的。是不一样的。 时间乘绝对误差积分指标时间乘绝对误差积分指标

22、是把偏差面积用时间是把偏差面积用时间来加权，同样的偏差面积，由于在过渡过程中出现时来加权，同样的偏差面积，由于在过渡过程中出现时间的先后不同其目标值间的先后不同其目标值J J是不同的。是不同的。 时间乘平方误差积分指标时间乘平方误差积分指标兼有兼有平方误差积分指标平方误差积分指标和和时间乘绝对误差积分指标时间乘绝对误差积分指标的特点，用它来调整控制的特点，用它来调整控制器参数，可以得到比较理想的结果。器参数，可以得到比较理想的结果。四、影响控制指标的主要因素四、影响控制指标的主要因素 固定因素：对象特性：复杂固定因素：对象特性：复杂 测量仪表特性：比例特性测量仪表特性：比例特性 执行器特性：比

23、例或积分特性执行器特性：比例或积分特性 补偿因素：补偿因素：这是自动控制的主要这是自动控制的主要研究内容研究内容某换热器的温度调节系统在单位阶跃干扰作用下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、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

24、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 T20-515(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、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控变量进入额定值的2，就可认为过渡过程已经结束，就可认为过渡过程已经结束，那么限制范围为那么限制范围为200(2)4，这时，可在新稳态，这时，可在新稳态值值(205)两侧以宽度为两侧以宽度为4画一区域，图中以画有阴影线画一区域，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

25、，过渡过程就可以认为已经结束。因此，从图上可以看出，过渡时间为渡时间为22min。 (1)图形符号图形符号 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 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 就地就地安装安装仪表仪表嵌在嵌在管道管道中中 就地就地安装安装仪表仪表 集中集中仪表仪表盘面盘面安装安

26、装仪表仪表 就地就地仪表仪表盘面盘面安装安装仪表仪表 集中集中仪表仪表盘盘安装安装仪表仪表 就地就地仪表仪表盘盘安装安装仪表仪表 同一个检测点，有两个或多个测量，可同一个检测点，有两个或多个测量，可用两个或多个相切的圆表示用两个或多个相切的圆表示 集散控制系统仪表盘面安装仪表集散控制系统仪表盘面安装仪表或或 仪表符号除了图形之外，圆圈之中还应有一串有字母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 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第第2 2工段工段仪表序号为仪表序号为0707PIC207压力压力指示指示 控制控制 数字编号写在圆圈的下半数字编号写在圆圈的下半部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