仪表自动化-第一章控制系统概述

1、1 1 自动控制系统概述自动控制系统概述 本章的主要内容：本章的主要内容： 1.1 1.1 化工自动化的主要内容化工自动化的主要内容 1.2 1.2 自动控制系统基本概念及组成自动控制系统基本概念及组成 1.3 1.3 控制系统过渡过程及品质指标控制系统过渡过程及品质指标 1.11.1化工自动化的主要内容化工自动化的主要内容： 1 1、自动检测系统（起眼睛作用）、自动检测系统（起眼睛作用） 2 2、自动信号联锁与保护系统（保护）、自动信号联锁与保护系统（保护） 3 3、自动操纵与开停车系统（开环的程序控制系统）、自动操纵与开停车系统（开环的程序控制系统） 4 4、自动调节系统（主要系统，能克服

2、干扰作用）、自动调节系统（主要系统，能克服干扰作用） 上述四个系统在工业生产中可以独立存在，各起的作用上述四个系统在工业生产中可以独立存在，各起的作用 不相同，其中自动调节（控制）系统能力最强，所起的不相同，其中自动调节（控制）系统能力最强，所起的 作用最大，是化工自动化的主要内容。作用最大，是化工自动化的主要内容。 1.2 1.2 自动控制系统自动控制系统 1.2.11.2.1自动控制系统自动控制系统 自动控制的必要性自动控制的必要性 蒸汽蒸汽 汽包汽包 省煤器省煤器 给水给水 图图1-1 锅炉汽包示意图锅炉汽包示意图 手动控制的步骤：手动控制的步骤： (1)观察液位数值；观察液位数值； (

3、2)把观察到的实际数值把观察到的实际数值 与设定值加以比较，根与设定值加以比较，根 据偏差的大小及变化情据偏差的大小及变化情 况做出判断，并发布命况做出判断，并发布命 令。令。 (3)根据命令操作给水阀，根据命令操作给水阀， 使液位回到设定值。使液位回到设定值。 人工控制与自动控制比较：人工控制与自动控制比较： 进进 料料 口口 出出 料料 口口 H 玻璃管液位计玻璃管液位计 i q h 0 q 测量 仪表 设定值 控制器 人工控制 自动控制（AUTOMATION） LT LC 蒸汽蒸汽 汽包汽包 省煤器省煤器 给水给水 锅炉汽包自动控制系统示意图锅炉汽包自动控制系统示意图 术语 被控过程（被

4、控对 象）：自动控制系统 中，工艺参数需要控 制的生产过程、设备 或机器。 被控变量：被控过程 内要求保持设定值的 工艺参数 被控过程：被控过程：汽包汽包 被控变量：被控变量：汽包液位汽包液位 操纵变量：受控制操纵变量：受控制 器操纵的用以克服器操纵的用以克服 干扰的影响，使被干扰的影响，使被 控变量保持设定值控变量保持设定值 的物料量或能量的物料量或能量 扰动：除操纵变量扰动：除操纵变量 外，作用于被控过外，作用于被控过 程并引起被控变量程并引起被控变量 变化的因素变化的因素 操纵变量：操纵变量：水的流量水的流量 扰动：扰动：水压力、蒸汽压力水压力、蒸汽压力 LT LC 蒸汽蒸汽 汽包汽包

5、省煤器省煤器 给水给水 锅炉汽包自动控制系统示意图锅炉汽包自动控制系统示意图 设定值：设定值：工艺参工艺参 数所要求保持的数所要求保持的 数值数值 偏差：偏差：被控变量被控变量 设定值与实际值设定值与实际值 之差之差 负反馈：负反馈：将被控将被控 变量送回输入端变量送回输入端 并与输入变量相并与输入变量相 减减 LT LC 蒸汽蒸汽 汽包汽包 省煤器省煤器 给水给水 锅炉汽包自动控制系统示意图锅炉汽包自动控制系统示意图 进进 料料 口口 执执 行行 器器 变变 送送 器器 1.2.21.2.2闭环控制与开环控制闭环控制与开环控制 闭环控制：闭环控制： 在反馈控制系统中，被控变量送回输入端，与设

6、在反馈控制系统中，被控变量送回输入端，与设 定值进行比较，根据偏差进行控制，控制被控变量，定值进行比较，根据偏差进行控制，控制被控变量， 这样，整个系统构成了一个闭环。这样，整个系统构成了一个闭环。 闭环控制的特点（优点）闭环控制的特点（优点）：按偏差进行控制，使偏按偏差进行控制，使偏 差减小或消除，达到被控变量与设定值一致的目的。差减小或消除，达到被控变量与设定值一致的目的。 闭环控制的缺点闭环控制的缺点：控制不够及时；如果系统内部各控制不够及时；如果系统内部各 环节配合不当，系统会引起剧烈震荡，甚至会使系统环节配合不当，系统会引起剧烈震荡，甚至会使系统 失去控制。失去控制。 开环控制：开环

7、控制： 开环控制的特点（优点）：开环控制的特点（优点）：不需要对被控变量进不需要对被控变量进 行测量，只根据输入信号进行控制，行测量，只根据输入信号进行控制，控制很及时。控制很及时。 开环控制的缺点：开环控制的缺点：由于不测量被控变量，也不与由于不测量被控变量，也不与 设定值相比较，所以系统受到扰动作用后，被控变设定值相比较，所以系统受到扰动作用后，被控变 量偏离设定值，并无法消除偏差，这是开环控制的量偏离设定值，并无法消除偏差，这是开环控制的 缺点缺点。 1.2.31.2.3自动控制系统的组成及方框图自动控制系统的组成及方框图 在研究自动控制系统时，为了更清楚的表示控制系统各在研究自动控制系

8、统时，为了更清楚的表示控制系统各 环节的组成、特性和相互间的信号联系，一般都采用方框图。环节的组成、特性和相互间的信号联系，一般都采用方框图。 每个方框表示组成系统的一个环节，两个方框之间用带箭头每个方框表示组成系统的一个环节，两个方框之间用带箭头 的线段表示信号联系；进入方框的信号为环节输入，离开方的线段表示信号联系；进入方框的信号为环节输入，离开方 框的为环节输出。框的为环节输出。 控制装置执行器过程 检测元件、变送器 r(t) 比较 机构 - e(t) u(t) q(t) y(t) f(t) c(t) 扰动 广义对象 被控变量 测量值 控制器 设定值 闭环控制系统组成闭环控制系统组成 调

9、节器 被控对象 测量变送装置 + SP 执行器 控制器被控对象 测量变送装置 + SP 执行器 4 420mA20mA 4 420mA20mA 1.2.4 1.2.4 自动控制系统的分类自动控制系统的分类 按设定值的不同情况，将自动控制系统分为三类按设定值的不同情况，将自动控制系统分为三类: : 定值控制系统、随动控制系统、程序控制系统定值控制系统、随动控制系统、程序控制系统。 定值控制系统定值控制系统 设定值保持不变（为一恒定值）的反馈控制系统称为定设定值保持不变（为一恒定值）的反馈控制系统称为定 值控制系统。值控制系统。 随动控制系统随动控制系统 设定值不断变化，且事先是不知道的，并要求系

10、统的输设定值不断变化，且事先是不知道的，并要求系统的输 出（被控变量）随之而变化。出（被控变量）随之而变化。 程序控制系统程序控制系统 设定值也是变化的，但它是一个已知的时间函数，即根设定值也是变化的，但它是一个已知的时间函数，即根 据需要按一定时间程序变化据需要按一定时间程序变化 1.31.3自动控制系统的过渡过程及品质指标自动控制系统的过渡过程及品质指标 1.3.11.3.1静态与动态静态与动态 控制系统的输入有设定作用和扰动作用。控制系统的输入有设定作用和扰动作用。 静态（定态）静态（定态）：当输入恒定不变时，整个系统若能建立：当输入恒定不变时，整个系统若能建立 平衡，系统中各个环节将暂

11、不动作，它们的输出都处于平衡，系统中各个环节将暂不动作，它们的输出都处于 相对静止状态。此时输入与输出之间的关系称为系统的相对静止状态。此时输入与输出之间的关系称为系统的 静态特性。静态特性。 环节的静态特性环节的静态特性 动态动态：由于输入的变化，输出随时间变化，其间的关系：由于输入的变化，输出随时间变化，其间的关系 称为系统的动态特性。也就是说，从输入开始，经过控称为系统的动态特性。也就是说，从输入开始，经过控 制直到再建立静态，在这段时间中，整个系统的各个环制直到再建立静态，在这段时间中，整个系统的各个环 节和变量都处于变化的过程之中，这种状态称为动态。节和变量都处于变化的过程之中，这种

12、状态称为动态。 环节的动态特性环节的动态特性 1.3.1.3.3 3自动控制系统的过渡过程自动控制系统的过渡过程 当自动控制系统的输入发生变化后，被控变量（即输出）当自动控制系统的输入发生变化后，被控变量（即输出） 随时间不断变化，它随时间而变化的过程称为系统的过渡过随时间不断变化，它随时间而变化的过程称为系统的过渡过 程。也就是系统从一个平衡状态过渡到另一个平衡状态的过程。也就是系统从一个平衡状态过渡到另一个平衡状态的过 程。程。 对于一个稳定的系统（所有正常工作的反馈系统都是稳对于一个稳定的系统（所有正常工作的反馈系统都是稳 定系统）要分析其稳定性、准确性和快速性，常以阶跃作用定系统）要分

13、析其稳定性、准确性和快速性，常以阶跃作用 为输入时的被控变量的过渡过程为例，因为阶跃作用很典型，为输入时的被控变量的过渡过程为例，因为阶跃作用很典型， 实际上也经常遇到，且这类输入变化对系统来讲是比较严重实际上也经常遇到，且这类输入变化对系统来讲是比较严重 的情况。的情况。 定值控制系统过渡过程的几种形式定值控制系统过渡过程的几种形式( (阶跃扰动阶跃扰动) ) c(t) (e)单调衰减 (c)等幅振荡 (b)单调发散 (d)衰减振荡 (a)发散振荡 c(t) c(t) c(t) c(t) t t t t t 发散振荡发散振荡 单调发散单调发散 等幅振荡等幅振荡 衰减振荡衰减振荡 单调衰减单调

14、衰减 单项控制指标（仅适用于衰减振荡过程）单项控制指标（仅适用于衰减振荡过程） 稳定性、准确性和快速性稳定性、准确性和快速性 1.3.3 1.3.3 自动控制系统的品质指标自动控制系统的品质指标 综合控制指标综合控制指标 最大动态偏差或超调量是描述被控变量偏离设定值最大程度的最大动态偏差或超调量是描述被控变量偏离设定值最大程度的 物理量，是衡量过渡过程稳定性的一个动态指标。物理量，是衡量过渡过程稳定性的一个动态指标。 对于定值控制系统，过渡过程的最大动态偏差是指被控变对于定值控制系统，过渡过程的最大动态偏差是指被控变 量第一个波的峰值与设定值之差。在上图中，最大偏差就是第量第一个波的峰值与设定

15、值之差。在上图中，最大偏差就是第 一个波的峰值。为一个波的峰值。为A A （1 1）最大动态偏差（）最大动态偏差（emaxemax）或超调量（或超调量（ ） C t y BB A 0 稳态特性稳态特性 在设定作用下的控制系统（随动控制系统）中，通常采用在设定作用下的控制系统（随动控制系统）中，通常采用超调超调 量量这个指标来表示被控变量偏离设定值的程度，一般超调量以这个指标来表示被控变量偏离设定值的程度，一般超调量以 百分数给出。百分数给出。 A 超调量定义超调量定义：第一个第一个 波的峰值与最终稳态波的峰值与最终稳态 值之差，即值之差，即B=A-C,如如 果系统的新稳态值等果系统的新稳态值等

16、 于设定值，那么最大于设定值，那么最大 偏差就等于超调量。偏差就等于超调量。 100% B C y t BB C 0 衰减比是衡量过渡过程稳定性的动态指标。衰减比是衡量过渡过程稳定性的动态指标。 定义：第一个波的振幅与同方向第二个波的振幅之比。定义：第一个波的振幅与同方向第二个波的振幅之比。 （2 2）衰减比）衰减比n n B n B 衰减比衰减比n n C t y BB A 0 稳态特性稳态特性 （3 3）余差）余差 e 定义：控制系统过渡过程终了时设定值与被控变量稳态值定义：控制系统过渡过程终了时设定值与被控变量稳态值 之差。之差。 ( )ery 余差是反映控制余差是反映控制准确性准确性的

17、一个重要稳态指标，一般希的一个重要稳态指标，一般希 望其为零，或不超过预定的范围。望其为零，或不超过预定的范围。 上图中，上图中，( )eryC 在控制系统中，在控制系统中，对余差的要求取决于生产过程的要对余差的要求取决于生产过程的要 求，并不是越小越好求，并不是越小越好。例如储槽液位，余差可大一些；。例如储槽液位，余差可大一些； 化学反应器的温度控制要求高，余差就要小一些。化学反应器的温度控制要求高，余差就要小一些。 C t y BB A 0 稳态特性稳态特性 （4 4）回复时间（过渡时间）回复时间（过渡时间） 回复时间表示控制系统过渡过程的长短。回复时间表示控制系统过渡过程的长短。 定义：

18、控制系统在受到阶跃外作用后，被控变量从原有稳态定义：控制系统在受到阶跃外作用后，被控变量从原有稳态 值达到新的稳态值所需要的时间值达到新的稳态值所需要的时间。 理论上讲，控制系统要完全达到新的平衡状态需要无限长的理论上讲，控制系统要完全达到新的平衡状态需要无限长的 时间。时间。 S T C t y BB A 0 稳态特性稳态特性 实际上，实际上，被控变量接近于新稳态值的被控变量接近于新稳态值的 或或 或或 的范围内且不再越出时的范围内且不再越出时 为止所经历的时间，可计为过渡时间。一般为止所经历的时间，可计为过渡时间。一般 希望过渡时间短一些。希望过渡时间短一些。 5% 3%2% y t B B 5% A 0 Ts （5 5）振荡频率（或振荡周期）振荡频率（或振荡周期） 在衰减比相同条件下，周期与过渡时间成正比；振荡频率在衰减比相同条件下，周期与过渡时间成正比；振