第一讲 自动控制系统的基本概念

1、.1检测技术与仪表主讲：主讲： 自动化系自动化系.2检测技术与仪表绪论：绪论： 什么是自动化？什么是自动化？ 仪表与自动化的关系？仪表与自动化的关系？ 测量仪表在自动化中的地位？测量仪表在自动化中的地位？ .3绪论n工业自动化的概念：工业自动化的概念： 工业自动化是化工、炼油、食品、工业自动化是化工、炼油、食品、轻工、电力等流程工业生产过程自动轻工、电力等流程工业生产过程自动化的简称。在生产设备上，配上一些化的简称。在生产设备上，配上一些自动化装置（仪表），代替操作人员自动化装置（仪表），代替操作人员的部分直接劳动，使生产在不同程度的部分直接劳动，使生产在不同程度上自动地进行，并达到预定的目标

2、，上自动地进行，并达到预定的目标，这种用自动化装置来管理生产过程的这种用自动化装置来管理生产过程的办法，称为生产过程自动化。办法，称为生产过程自动化。.4绪论绪论n 随着现代科学技术的蓬勃发展，随着现代科学技术的蓬勃发展，炼油、化工、冶金、电力、生物、炼油、化工、冶金、电力、生物、制药等工业过程的生产规模越来越制药等工业过程的生产规模越来越大型化、复杂化，各种类型的自动大型化、复杂化，各种类型的自动控制技术已经成了现代工业生产实控制技术已经成了现代工业生产实现安全、高效、优质、低耗的基本现安全、高效、优质、低耗的基本条件和重要保证条件和重要保证.5绪论进进料料口口执执行行器器变变送送器器.6绪

3、论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.7绪绪 论论 系统：由相互联系的系统：由相互联系的 具有特定功能的具有特定功能的 若若干部分干部分(环节环节)组成的组成的 完成一定任务的完成一定任务的整体整体。 强调强调整体性和协调性整体性和协调性.8一、自动控制系统的基本组成及方块图一、自动控制系统的基本组成及方块图1 、自动控制系统的基本组成自动控制系统的基本组成 (1)、被控对象：生产中要求控制的生产设备（或过程）； (2)、测量元件或变送器：对被控参数进行测量的仪表； (3)、控制器：把被控参数的测量值与给定值相减得出偏差，并按某种运算规律算出结果，同时将

4、此结果送给调节阀； (4)、调节阀：根据调节器送来的信号的大小，自动改变阀的开启度，调节介质的流量，实现控制的目的。.9一、自动控制系统的基本组成及方块图一、自动控制系统的基本组成及方块图2、自动控制系统的有关名词术语自动控制系统的有关名词术语 （1 1）被控对象（受控对象）；）被控对象（受控对象）； （2 2）被控变量（受控变量）：控制对象内要求以一定的）被控变量（受控变量）：控制对象内要求以一定的精度保持恒定或随某一参数（给定值）的变化而变化的精度保持恒定或随某一参数（给定值）的变化而变化的变量；变量； （3 3）给定值：要求被控参数所保持或遵循的数值）给定值：要求被控参数所保持或遵循的数

5、值 （4 4）偏差：给定值与测量值的差值）偏差：给定值与测量值的差值 （5 5）干扰：影响被控变量，使其偏离给定值的因素）干扰：影响被控变量，使其偏离给定值的因素 （6 6）操纵变量：影响被控变量，克服干扰使被控变量回）操纵变量：影响被控变量，克服干扰使被控变量回到给定值的（调节阀的输出）；到给定值的（调节阀的输出）； （7 7）控制作用：控制器的输出）控制作用：控制器的输出.10一、自动控制系统的基本组成及方块图一、自动控制系统的基本组成及方块图3 、自动控制系统的自动控制系统的方块图 用一个方块代表系统的一个组成环节；各方块之间用有向线段连接起来。.11一、自动控制系统的基本组成及方块图一

6、、自动控制系统的基本组成及方块图3 、自动控制系统的方块图自动控制系统的方块图 f设定值 控制器输出p 操纵变量q +r 偏差e 被控变量y 控制器 执行器 对象 - z 测量值 检测仪表或变送器图图1 1 单回路自动控制系统的组成框图单回路自动控制系统的组成框图注意：有向线段的方向代表信号的作用方向，而不是物料的流向。.12.13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.14一、自动控制系统的基本组成及方块图一、自动控制系统的基本组成及方块图4、自动控制系统的工作过程自动控制系统的工作过程 以换热器系统为例凝液蒸汽TC.15二、自动控制系统的分类二、自动控制

7、系统的分类1 1、根据给定值不同分类：、根据给定值不同分类：（1 1）、定值控制系统：给定值保持不）、定值控制系统：给定值保持不变的系统。系统的任务是使被控变量变的系统。系统的任务是使被控变量以一定的精度保持在给定值上不变；以一定的精度保持在给定值上不变；（2 2）、随动控制系统：给定值是随机）、随动控制系统：给定值是随机变化的，这种变化是事先不知道的；变化的，这种变化是事先不知道的；（3 3）、程序控制系统：给定值是按事）、程序控制系统：给定值是按事先规定的程序变化的。先规定的程序变化的。.16电阻丝加热恒温箱温度控制系统控制变压器活动触点的位置即改变了输入电压，则通过电阻丝的电流将产生变化

8、，使恒温箱得到不同的温度。被控变量是恒温箱的温度，经热电偶测量并与设定值比较后，其偏差经过放大器放大，控制电动机的转向，然后经过传动装置，移动变压器的活动触点位置。结果使偏差减少，直到温度达到给定值为止。 .17比值控制系统比值控制系统 .18程序控制系统程序控制系统 n设定值也是变化的，但它是一个已设定值也是变化的，但它是一个已知的时间函数，即根据需要按一定知的时间函数，即根据需要按一定时间程序变化。时间程序变化。.191.3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 n1.3.1静态与动态静态与动态 n1.3.2控制系统的过渡过程及品质指控制系统的过渡过程及品质指标标n当自动控制

9、系统的输入发生变化后，被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。另一个平衡状态的过程。 .202、按补偿干扰的方法分类反馈调节器执行器对象传感器、变送器+SPxzeuqyf干扰f（t）被控变量调节器操作变量补偿干扰 前馈前馈补偿器执行器对象传感器、变送器pqy干扰f干扰f（t）变送器补偿器操作变量补偿干扰 前馈+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

10、偿器+.21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量值的偏差进行控制，直至消除偏差。 调节器被控对象测量变送装置+SP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。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。 .223、按控制系统的复杂程度区分简单控制系统简单控

11、制系统 复杂控制系统复杂控制系统4、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 5、按调节规律区分P、PI、PD、PID、预估控制、预估控制 .23三、自动控制系统的过渡过程和品质指标三、自动控制系统的过渡过程和品质指标1 1、控制系统的静态与动态、控制系统的静态与动态 静态：被控变量不随时间的变化而变化的平静态：被控变量不随时间的变化而变化的平衡状态；衡状态； 特点：暂时的、相对的特点：暂时的、相对的 动态：被控变量随时间的变化而变化的不平动态：被控变量随时间的变化而变化的不平衡状态；衡状态； 动态是个过程动态是个过程 动态过程（过渡过程）动态过程（过渡过程）.2

12、4三、自动控制系统的过渡过程和品质指标三、自动控制系统的过渡过程和品质指标2 2、控制系统的过渡过程：、控制系统的过渡过程：是由输入变化引起的被控变量的变化过程；是由输入变化引起的被控变量的变化过程； （输入包括干扰输入和给定输入）（输入包括干扰输入和给定输入）是控制作用不断克服干扰作用的过程；是控制作用不断克服干扰作用的过程；是系统从一个平衡态过渡到另一个平衡态的过程。是系统从一个平衡态过渡到另一个平衡态的过程。在阶跃干扰作用下，控制系统过渡过程的几种基本形式：在阶跃干扰作用下，控制系统过渡过程的几种基本形式：.25在分析和设计控制系统时，往往选定阶跃信号作为输入。在分析和设计控制系统时，往

13、往选定阶跃信号作为输入。阶跃输入阶跃输入：在某一瞬间：在某一瞬间t t0 0干扰突然阶跃式地加入系统，干扰突然阶跃式地加入系统， 并保持在这个幅值。并保持在这个幅值。阶跃阶跃输入输入比较突然、比较危险、对控制系统的影响也最大比较突然、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。、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扰，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肯定能很好地克服其它变化比较缓和的各种干扰.26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

14、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.27三、自动控制系统的过渡过程和品质指标三、自动控制系统的过渡过程和品质指标3 3、控制系统的品质指标（稳、准、快）、控制系统的品质指标（稳、准、快） 衡量一个系统控制性能好坏的依据衡量一个系统控制性能好坏的依据最大偏差或超调量衰减比余差过渡时间振荡周期或频率.28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 t( )y t0BB( )e 3t2t1tC25稳定误差范围： 或者的新稳态值最大偏差emax：maxe

15、BC衰 减 比n：/nB B余差 e()：( )( )eCy 过渡时间tp：3ptt振荡周期：21tt.29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：/*100%B C衰 减 比n：/nB B余差 e()：( )e 过渡时间tp：3ptt振荡周期：21ttt( )y tSp0BB( )e 3t2t1tC25稳定误差范围： 或者的新稳态值.30时间时间tr上上 升升峰值时间峰值时间tpAB超调量超调量% =AB100%调节时间调节时间ts衰减比衰减比 n=n=A A1 1A A2 2.31自动控制系统希望的结果：自动控制系统希望的结果：

16、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；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不振荡：不便于操作人员掌握。不振荡：不便于操作人员掌握。 .32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

17、线。试分别求出最大偏差、余差、衰减比、振荡周期和过渡时间(给定值为200)。 解：解：1、最大偏差：A23020030 2、余差C2052005 3、第一个波峰值B23020525 第二个波峰值B2102055 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200(2)4，这时，可在新稳态值(205)两侧以宽度为4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，过渡过程就可以认为已经结束。因此，从图上可以

18、看出，过渡时间为22min。 .33影响过渡过程的主要因素影响过渡过程的主要因素? ?固定因素：固定因素： 对象特性对象特性 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：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.34三、自动控制系统的过渡过程和品质指标三、自动控制系统的过渡过程和品质指标4 4、影响控制系统控制质量的主要因素、影响控制系统控制质量的主要因素 被控对象是核心 测量仪表是基础 控制器是灵魂 调节阀（执行器）是关键.35 仪表的简要发展过程仪表的简要发展过程常见的测控参数：常见的测控参数：T、P、L、F、A（五大参数） 测控仪表的分类：测控仪表的分类

19、：变送器（传感器）、执行器、控制器三大类 *TPPLFA温度 ：温度变送器（热电偶、热电阻、集成温度传感器）压力 ：压力变送器差压：差压变送器变送器液位 ：差压变送器流量 ：流量变送器（电磁流量计、涡街流量计、涡轮流量计）成份 ：成份分析仪（在线、离线）0 1 0 0 %/O nO ff电 动 调 节 阀能 源 （ 动 力 ）气 动 调 节 阀执 行 器连 续： 调 节 阀工 作 方 式通 断： 开 关 阀控制器：常规调节器、智能调节器、计算机系统 .36基地式仪表基地式仪表只具备简单测控功能，其信号一般仅在本仪表内起作用，各测控点间的信号难以相互沟通，操作人员只能通过巡视生产现场来了解生产状

20、况。（目前已淘汰） 单元组合仪表单元组合仪表智智 能能 仪仪 表表仪表中含有微处理器，功能强，往往具备数字信号传输和模拟信号传输两种功能。 现场总线仪表现场总线仪表简而言之就是满足现场总线协议标准的智能仪表。 QDZ：气动单元组合仪表，气源(140kPa)，信号(20100kPa)。主要有力平衡型和力矩平衡型两类，气动单元组合仪表已基本淘汰。DDZ：电动单元组合仪表。 DDZII型：电源220VAC，信号010mA DDZIII型：电源24VDC，信号420mA、15VDC .37 自动化装置的简要发展过程自动化装置的简要发展过程基地式系统基地式仪表第0代常规仪表控制系统单元组合仪表：调、变、

21、执、算(DDZ-II、III、QDZ)第1代 DDC控制变、执(DDZ-II、III) 集中型计算机控制系统变、执(DDZ-II、III) 第2代DCSOS：小型机、IPCCS：IPC、PLC、智能调节器现场仪表：DDZ-III为主 第3代*FCS将全厂最基础的现场级仪表和装置均通过现场总线连接起来，实现全数字化通讯。现场仪表：总线仪表 第4代*分布式IO DCS现场信号根据传输距离或功能不同连接到现场I/O设备上，各现场I/O设备与控制站间通过网络（现场总线）连接。现场仪表：DDZ-III、总线仪表 过渡型*.38绪论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

22、.39直接计算机控制系统生产过程数字计算机A/D转换D/A转换操作台扰动控制变量输出变量.40集中型计算机控制系统由于当时的计算机系统的体积庞大，价格由于当时的计算机系统的体积庞大，价格非常昂贵，为了使计算机控制能与常规仪表非常昂贵，为了使计算机控制能与常规仪表控制相竞争，企图用一台计算机来控制尽可控制相竞争，企图用一台计算机来控制尽可能多的控制回路。能多的控制回路。CRT、键盘过程控制计算机AIDIAODO 被控过程（对象）被控变量操作变量输入子系统输出子系统集中型计算机控制系统原理图.411). 计算机直接数字控制（DDC）系统直接数字控制直接数字控制(DDC)计算机计算机CRT打印机打印

23、机报报 警警操作台操作台过程输入通道过程输入通道 测量变送测量变送 测量变送测量变送被被 控控 生生 产产 过过 程程过程输出通道过程输出通道 执行机构执行机构 执行机构执行机构 .422). 计算机监督控制（SCC）系统监督控制计算机监督控制计算机(SCC)CRT打印机打印机报警报警DDC计算机或调节器计算机或调节器输入通道输入通道 输出通道输出通道被被 控控 生生 产产 过过 程程操作台操作台输入通道输入通道.433）计算机集散控制系统（DCS）.44 监督控制计算机监督控制计算机CRT操作站操作站基本调节器基本调节器基本调节器基本调节器 被控对象被控对象被控对象被控对象高高 速速 数数

24、据据 通通 道道.45集散控制系统集散控制系统控制台控制台过程控制计算机控制单元控制单元多路采集器可编程逻辑控制器数据通道工程师/操作员控制台其他系统.46 基于计算机技术的过程控制系统生产过程数字计算机A/D转换D/A转换操作台扰动控制变量输出变量控制台控制台过程控制计算机控制单元控制单元多路采集器可编程逻辑控制器数据通道工程师/操作员控制台其他系统 分布式计算机控制分布式计算机控制系统系统 直接数字控制系统直接数字控制系统.47IPC、PLCI/O子系统子系统Ethernet/Highway FieldbusController/GatewayFieldbus现场控制系统集散控制系统.48

25、第三阶段：综合自动化（CIPS） 1).1).计算机集成制造系统（计算机集成制造系统（CIMSCIMS）的概念与发展）的概念与发展 计算机集成制造系统计算机集成制造系统是在自动化技术、计是在自动化技术、计算机技术及制造技术的基础上，通过计算机算机技术及制造技术的基础上，通过计算机及其软件，将制造工厂全部生产活动（设计、及其软件，将制造工厂全部生产活动（设计、制造及经营管理，包括市场调研、生产决策、制造及经营管理，包括市场调研、生产决策、生产计划、生产管理、产品开发、产品设计、生产计划、生产管理、产品开发、产品设计、加工制造以及销售经营等）与整个生产过程加工制造以及销售经营等）与整个生产过程有关

26、的物料流与信息流实现高度统一的综合有关的物料流与信息流实现高度统一的综合化管理，构成一个化管理，构成一个优化的完整的生产系统优化的完整的生产系统。 .492).CIM的概念与发展（1）CIM(Computer Integrated Manufacturing) 计算机集成制造 企业资源（人、财、物、技术、经营管理） 计算机技术集成 资源优化，产品优质、低耗、上市快，增强竞争力.502) CIMS的概念与发展（2）nCIMS的概念 CIMS(Computer Integrated Manufacturing system） 计算机集成制造系统 是CIM哲理的具体体现nCIMS的主要特征是“四化”

27、 计算机化、信息化、智能化和集成优化.512). CIMS的概念与发展（3）nCIM理念起源于70年代（Joseph Harrington, 1973) 一种新的生产模式nCIMS 80年代初被广泛接受（美国制造工程师学会）n首先广泛应用于离散制造业 汽车、机械设备、家用电器等行业 在离散工业，CIMS已形成较为成熟的体系框架 （CAD、CAM、CAPP、MRP II 等） 国内已有上百家应用示范企业n开始在流程行业受到重视.523). 过程工业CIMS的递阶控制层次 过程控制过程控制过程优化过程优化生产调度生产调度企业管理企业管理经营决策经营决策第五层：第五层：企业决策，生产规划企业决策，生产规划第四层：供销第四层：供销 ,财务财务,计划计划,管理等管理等第二层：第二层：先进控制，过程优化先进控制，过程优化第三层：第三层：生产调度，系统优化生产调度，系统优化第一层：第一层：单元自动化，简单控制单元自动化，简单控制生生 产产 过过 程程过程过程CIMS的递阶控制示意图的递阶控制示意图.532.过程工业自动化的发展过程n常规仪表，单回路，简单控制（70年代前）n分布式计算机(DCS)，多回路，先进控制 （70-80年代）nDCS网，多流程，过程控制优化与生产调度 （80-90年代）n企业计算机网络，多层次，过程控制优化、生产调度管理与企业经营决策管理：综合自动化 CIPS