第1章控制基本概念PPT讲稿.ppt
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1、第第1章控制基本概念章控制基本概念第1页,共69页,编辑于2022年,星期日内容提要内容提要n 自动控制系统的组成与分类自动控制系统的组成与分类n 自动控制系统的方块图自动控制系统的方块图n 过渡过程和品质指标过渡过程和品质指标n 工艺管道及控制流程图工艺管道及控制流程图1第2页,共69页,编辑于2022年,星期日3一、人工操作与自动控制一、人工操作与自动控制第一节第一节 自动控制系统的组成与分类自动控制系统的组成与分类 二、自动控制系统组成二、自动控制系统组成三、自动控制系统的分类三、自动控制系统的分类第3页,共69页,编辑于2022年,星期日3图7-1 人工操作图图7-2 液位自动控制图一
2、、人工操作与自动控制比较一、人工操作与自动控制比较控制速度和精度不能满足大型控制速度和精度不能满足大型现代化生产的需要现代化生产的需要第一节第一节 自动控制系统的组成与分类自动控制系统的组成与分类 第4页,共69页,编辑于2022年,星期日第一节第一节 自动控制系统的组成自动控制系统的组成图7-2 液位自动控制4第5页,共69页,编辑于2022年,星期日第一节第一节 自动控制系统的组成与分类自动控制系统的组成与分类 二、自动控制系统的组成二、自动控制系统的组成5组组成成自动化装置自动化装置被控对象被控对象测量元件与变送器测量元件与变送器自动控制器自动控制器执行器执行器第6页,共69页,编辑于2
3、022年,星期日 在自动控制系统的组成中,除必须具有前面所述的自动化装置外,还必须具有控制装置所控制的生产设备生产设备。在自动控制系统中,将需要控制其工艺参数的生产设备、机器、一段管道或设备的一部分叫做被控对象被控对象,简称对象对象。要选择要选择好控制好控制系统的系统的对象对象6第一节第一节 自动控制系统的组成与分类自动控制系统的组成与分类 第7页,共69页,编辑于2022年,星期日三、自动控制系统的分类三、自动控制系统的分类n按被控变量来分类,如温度、压力等控制系统;按被控变量来分类,如温度、压力等控制系统;n按控制器具有的控制规律来分类,如比例、比例积分、比按控制器具有的控制规律来分类,如
4、比例、比例积分、比例微分、比例积分微分等控制系统;例微分、比例积分微分等控制系统;n将控制系统按照工艺过程需要控制的被控变量的给定值是否变将控制系统按照工艺过程需要控制的被控变量的给定值是否变化和如何变化来分类,这样可将自动控制系统分为三类,即定化和如何变化来分类,这样可将自动控制系统分为三类,即定值控制系统、随动控制系统和程序控制系统。值控制系统、随动控制系统和程序控制系统。16其中第三种分类方法最普遍第一节第一节 自动控制系统的组成与分类自动控制系统的组成与分类 第8页,共69页,编辑于2022年,星期日 “定值”是恒定给定值的简称。工艺生产中,若要求控制系统的作用是使被控制的工艺参数保持
5、在一个生产指标上不变,或者说要求被控变量的给定值不变,就需要采用定值控制系统。131.1.定值控制方法定值控制方法定值控制方法定值控制方法2.2.2.2.随动控制系统(自动跟踪系统)随动控制系统(自动跟踪系统)随动控制系统(自动跟踪系统)随动控制系统(自动跟踪系统)给定值随机变化,该系统的目的就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。第一节第一节 自动控制系统的组成与分类自动控制系统的组成与分类 3.3.程序控制系统(顺序控制系统)程序控制系统(顺序控制系统)给定值变化,但它是一个已知的时间函数,即生产技术指标需按一定的时间程序变化。这类系统在间歇生产过程中应用比较普通。第9页
6、,共69页,编辑于2022年,星期日第二节第二节 自动控制系统的方块图自动控制系统的方块图一、方块图一、方块图7二、方块图运算法则二、方块图运算法则三、方块图等效变换三、方块图等效变换四、传递函数与四、传递函数与L变换变换五、例题五、例题第10页,共69页,编辑于2022年,星期日第二节第二节 自动控制系统的方块图自动控制系统的方块图一、方块图一、方块图载有变量信息的物理变量是信号。系统或环节uy图7-3 输入、输出变量图输入变量输出变量多输入多数出系统71、信号与变量、信号与变量 第11页,共69页,编辑于2022年,星期日2、方块图基本单元、方块图基本单元 图模型的一个突出优点是直观、形象
7、,是工程上用来分析复杂系统的重要手段。方块图组成的四个基本单元:(a)信号线;(b)分支点(又叫测量点);(c)比较点(求和点);(d)方块(又叫环节);方块图实质上是将原理图与数学方程两者结合起来,它一种对系统的全面描写。第二节第二节 自动控制系统的方块图自动控制系统的方块图第12页,共69页,编辑于2022年,星期日第二节第二节 自动控制系统的方块图自动控制系统的方块图3、自动控制系统方块图、自动控制系统方块图n在在研研究究自自动动控控制制系系统统时时,为为了了便便于于对对系系统统分分析析研研究究,一一般般都都用用方方块图来表示控制系统的组成。块图来表示控制系统的组成。n下下页页图图为为液
8、液位位自自动动控控制制系系统统的的方方块块图图,每每个个环环节节表表示示组组成成系系统统的的一一个个部部分分,称称为为“环环节节”。两两个个方方块块之之间间用用一一条条带带有有箭箭头头的的线线条条表表示示其其信信号号的的相相互互关关系系,箭箭头头指指向向方方块块表表示示为为这这个个环环节节的的输输入入,箭箭头头离离开开方方块块表表示示为为这这个个环环节节的的输输出出。线线旁旁的的字字母母表表示相互间的作用信号。示相互间的作用信号。9第13页,共69页,编辑于2022年,星期日n方方块块图图中中,x 指指设设定定值值;z 指指输输出出信信号号;e 指指偏偏差差信信号号;p 指指发发出出信信号号;
9、q 指指出出料料流流量量信信号号;y 指指被被控控变变量量;f 指指扰扰动动作作用用。当当x 取取正正值值,z取取负负值值,e=x-z,负负反反馈馈;x 取取正正值值,z取正值,取正值,e=x+z,正反馈。,正反馈。第二节第二节 自动控制系统的方块图自动控制系统的方块图自动控制系统方块图10第14页,共69页,编辑于2022年,星期日第二节第二节 自动控制系统的方块图自动控制系统的方块图 为了便于分析,有时将控制器以外的各个环节(包括被控对象、测量元件及变送器、控制阀)组合在一起看待,称之为广义对象,这样,整个系统可认为是由控制器与广义对象两者所构成,其方块图可简化。控制器广义对象被控变量测量
10、值z给定值干扰作用f-x简化方块图12第15页,共69页,编辑于2022年,星期日二、方块图运算法则:二、方块图运算法则:1、串联运算法则 因为 结论:多个环节串联后总的传递函数等于每个环 节传递函数的乘积。G(s)=G1(s)G2(s)Gn(s)第二节第二节 自动控制系统的方块图自动控制系统的方块图第16页,共69页,编辑于2022年,星期日 2、并联运算法则 因为所以结论:多个环节并联后的传递函数等于所有并联 环节传递函数之和。G(s)=G1(s)+G2(s)+Gn(s)第二节第二节 自动控制系统的方块图自动控制系统的方块图第17页,共69页,编辑于2022年,星期日3、反馈运算法则 前向
11、通道和反馈通道传递函数分别为G(s)、H(s)结论:具有负反馈结构环节传递函数等于前向通道的传递函数除以1加(若正反馈为减)前向通道与反馈通道传递函数的乘积。第二节第二节 自动控制系统的方块图自动控制系统的方块图第18页,共69页,编辑于2022年,星期日第二节第二节 自动控制系统的方块图自动控制系统的方块图说明 自动控制系统是具有被控变量负反馈的闭环系统。它与自动测量、自动操纵等开环系统比较,最本质的差别,就在于控制系统有无负反馈存在。自动操纵装置自动操纵装置对象对象操纵指令操纵指令操纵作用操纵作用工艺参数工艺参数自动操纵系统方块图15第19页,共69页,编辑于2022年,星期日第二节第二节
12、 自动控制系统的方块图自动控制系统的方块图三、方块图的等效变换三、方块图的等效变换 第20页,共69页,编辑于2022年,星期日第二节第二节 自动控制系统的方块图自动控制系统的方块图三、方块图的等效变换三、方块图的等效变换 第21页,共69页,编辑于2022年,星期日拉氏变换的实质:将实变量拉氏变换的实质:将实变量t的函数的函数f(t),变换成复变量),变换成复变量 s(s=+j)的函数)的函数F(s)。)。其中:为原函数,为拉氏变换式(或象函数)记为:记为:拉氏 变换拉氏反变换第二节第二节 自动控制系统的方块图自动控制系统的方块图n四、传递函数与四、传递函数与L变换变换1、拉普拉斯变换、拉普
13、拉斯变换 第22页,共69页,编辑于2022年,星期日拉氏变换的性质拉氏变换的性质拉氏变换的性质拉氏变换的性质线性性质线性性质 平移性质(时移)平移性质(时移)平移性质(频移)平移性质(频移)微分性质微分性质 积分性质积分性质 卷积性质卷积性质 极限性质极限性质 第23页,共69页,编辑于2022年,星期日部部分分常常用用的的拉拉氏氏变变换换公公式式表表 象函数象函数 F(s)原函数原函数 f(t),t0象函数象函数 F(s)原函数原函数 f(t),t0第24页,共69页,编辑于2022年,星期日拉氏变换的作用拉氏变换的作用拉氏变换的作用拉氏变换的作用设有两个串联环节:已知:求:解:同样所以第
14、25页,共69页,编辑于2022年,星期日传递函数传递函数传递函数传递函数对于左所示的线性系统,其输入输出关系一般来说可用如下微分方程来描述:对于左所示的线性系统,其输入输出关系一般来说可用如下微分方程来描述:对于左所示的线性系统,其输入输出关系一般来说可用如下微分方程来描述:对于左所示的线性系统,其输入输出关系一般来说可用如下微分方程来描述:若将其进行拉普拉斯变换,并令初始条件为零,可得:若将其进行拉普拉斯变换,并令初始条件为零,可得:若将其进行拉普拉斯变换,并令初始条件为零,可得:若将其进行拉普拉斯变换,并令初始条件为零,可得:G(s)G(s)G(s)G(s)称为传递函数,它为输出与输入的
15、拉普拉斯变换式之比,即系统在复数称为传递函数,它为输出与输入的拉普拉斯变换式之比,即系统在复数称为传递函数,它为输出与输入的拉普拉斯变换式之比,即系统在复数称为传递函数,它为输出与输入的拉普拉斯变换式之比,即系统在复数s s s s域的输出与输入之比。域的输出与输入之比。域的输出与输入之比。域的输出与输入之比。由此可见,由此可见,由此可见,由此可见,传递函数表征了系统本身的特性,仅与系统本身的结构有关,而与系统的输入无关。传递函数表征了系统本身的特性,仅与系统本身的结构有关,而与系统的输入无关。传递函数表征了系统本身的特性,仅与系统本身的结构有关,而与系统的输入无关。传递函数表征了系统本身的特
16、性,仅与系统本身的结构有关,而与系统的输入无关。第二节第二节 自动控制系统的方块图自动控制系统的方块图四、传递函数与四、传递函数与L变换变换2、传递函数、传递函数第26页,共69页,编辑于2022年,星期日闭环传递函数闭环传递函数 定义:系统的主反馈回路接通以后,输出量与输入量之间的传递函数,通常用(s)扰动传递函数扰动传递函数把系统输入量以外的作用信号均称之为扰动信号。第二节第二节 自动控制系统的方块图自动控制系统的方块图四、传递函数与四、传递函数与L变换变换2、传递函数、传递函数第27页,共69页,编辑于2022年,星期日a.a.设输入量设输入量R R(s s)=0=0 当扰动影响可被抑制
17、b.设扰动信号N(s)=0 当 时,表明此时系统的闭环传递函数只与表明此时系统的闭环传递函数只与H H(S S)有关,与被包围的)有关,与被包围的 环节无关。环节无关。第28页,共69页,编辑于2022年,星期日R R(s s)、)、N N(s s)同时作用时:)同时作用时:第29页,共69页,编辑于2022年,星期日解:利用方块图变换法则 (a)比较点A前移,分支点D后移五、例题五、例题第30页,共69页,编辑于2022年,星期日(b)消除局部反馈回路五、例题五、例题(C)消除主反馈回路 注意:方块图的化简方法不是唯一的,人们应充分地利用各种变换技巧,选择最简捷的路径,以达到省时省力的目的。
18、第31页,共69页,编辑于2022年,星期日第三节第三节 过渡过程和品质指标过渡过程和品质指标 一、控制系统的静态与动态一、控制系统的静态与动态 19二、控制系统的过渡过程二、控制系统的过渡过程三、控制系统的控制指标三、控制系统的控制指标四、影响控制指标的主要因素四、影响控制指标的主要因素第32页,共69页,编辑于2022年,星期日第三节第三节 过渡过程和品质指标过渡过程和品质指标 n一、控制系统的静态与动态一、控制系统的静态与动态19自自动动控控制制目目的的:希望将被控变量保持在一个不变的给定值上,这只有当进入被控对象的物料量(或能量)和流出对象的物料量(或能量)相等时才有可能。静静态态被控
19、变量不随时间而变化的平衡状态(变化率为0,不是静止)。第33页,共69页,编辑于2022年,星期日第三节第三节 过渡过程和品质指标过渡过程和品质指标 当一个自动控制系统的输入(给定和干扰)和输出均恒定不变时,整个系统就处于一种相对稳定的平衡状态,系统的各个组成环节如变送器、控制器、控制阀都不改变其原先的状态,它们的输出信号也都处于相对静止状态,这种状态就是静态静态。20第34页,共69页,编辑于2022年,星期日第三节第三节 过渡过程和品质指标过渡过程和品质指标21动态动态被控变量随时间变化的不平衡状态。从干扰作用破坏静态平衡,经过控制,直到系统重新建立平衡,在这一段时间中,整个系统的各个环节
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