现代测控技术(第1章)

1、现代测控技术电信学院先进控制技术研究所课程介绍(1)课程说明电信学院开设的全校跨大类专业限选课考核方式1、课堂测验15%2、课后作业15%3、期末考试70%计划学时 2 x 2 x 8 = 32 学时课程介绍(2)教材现代检测与自动控制技术.张志君等.化学工业出版社. 2007.7参考书1、自动检测技术与装置. 张宏建等. 化学工业出版社. 2004,72、自动化仪表与过程控制. 施仁等. 电子工业出版社. 2003.33、自动检测技术及仪表控制系统. 张毅等. 化学工业出版社. 2005,3课程介绍(3)电子系0701电子系0702电子系0703电子系0704电子系0709综合楼258（周一

2、5、6节）2009秋季授课情况电子系0601电子系0603电子系0606电子系0607综合楼258（周四3、4节）教员信息(1)姓 名 : 张凯举办公室 : 创新园大厦 A0730电 话 : 84706007-3730Email : zhangkaiju 课程内容组成 检测技术 16学时2 自动控制系统 6 学时4 控制技术 6 学时33 自动化概论 4 学时31第一章 自动化概论控制系统的组成2过渡过程和性能指标4控制系统方框图33自动控制的基本概念311.1 自动控制的基本概念1. 自动控制自动控制的概念 所谓自动控制，就是在没有人直接参与的情况下，利用外加的设备或装置 (控制装置) ，使

3、机器、设备或生产过程 (控制对象) 的某个工作状态或参数 (被控量) 自动地按照预定的规律运行。自动控制的意义 现代科学技术的众多领域中，自动控制技术起着越来越重要的作用。如数控车床按预定程序自动切削，人造卫星准确进人预定轨道并回收，雷达自动跟踪空中的飞行体等，所有这些都离不开自动控制技术。1.1 自动控制的基本概念2. 自动控制系统的基本概念自动控制系统 是指能够对被控对象的工作状态进行自动控制的系统。它一般由控制装置和被控对象组成。被控对象 被控制对象是指那些要求实现自动控制的机器、设备或生产过程。控制装置 控制装置是指对被控对象起控制作用的设备总体。1.1 自动控制的基本概念自动控制系统

4、的功能和组成是多种多样的，其结构有简单的也有复杂的。它可以只控制一个物理量，也可以控制多个物理量，甚至一个企业机构的全部生产和管理过程它可以是一个具体的工程系统，也可以是比较抽象的社会系统、生态系统或经济系统。本课程以工业生产自动化为主介绍有关自动检测与控制系统的知识。1.1 自动控制的基本概念3. 自动控制系统的种类常用的自动控制系统分类方法一、按控制对象的特征划分 1，连续过程控制系统 2，间歇生产过程控制系统 3，混合型生产过程控制系统 二、按控制系统的设定值划分 1，定值控制系统 2，随动控制系统 3，程序控制系统三、按控制系统的结构划分 1，开环控制系统 2，闭环控制系统按控制对象的

5、特征划分控制系统种类在石油、化工、冶金等行业，生产过程具有水流一样的连续特征，称之为流程工业，其自动化系统称之为连续生产过程自动化或过程自动化。在机械、汽车、电子等行业，工业生产具有间断的、按件料加工的特征，其自动化系统称之为断续生产过程自动化或制造工业自动化。在食品、制药、选矿等行业，生产同时具有连续和间断的待征，称之为混合型工业自动化。按控制的设定值划分控制系统种类定值控制系统是指设定值恒定的控制系统。其基本任务是克服扰动对被控变量的影响，使被控变量保持在设定值。如常见的热水器的温度控制就是定值控制系统的一个例子。工业生产大部分控制系统都属于这种类型。随动控制系统也称自动跟踪系统。这类系统

6、的特点是设定值不断地变化，而且这种变化是随机的、不可预知的。随动系统的主要目的是使被控变量能尽快地、准确地跟踪设定值的变化。例如航空上的导航雷达系统、电视台的天线接收系统都均属于随动控制系统。程序控制系统其设定值也是变化的，但它是时间和条件的已知函数，即设定值按人规定的时间和条件程序变化。这类系统在断续生产过程中应用比较普遍。如自动洗衣机控制就属于此类。按控制系统的结构划分控制系统种类开环控制系统若系统的输出信号不反馈到输入端，也就不能形成闭合回路，这样的系统就称为开环控制系统。开环系统的构成特点是简单、实用，但由于无反馈信息，控制的效果取决于控制模型是否难确的、适当的合理程度和组成开环系统的

7、各个环节是否稳定，系统任何部分的变化都可能影响控制的最终结果。闭环控制系统系统的输出 (被控变量) 通过某种方式一般为测量传感器送回到控制系统的输入端。这样控制系统就形成了一个闭合的环路，称闭环控制系统。在电子学中，将输出信号引回到输入端叫做反馈。同理，闭环控制系统也是反馈控制系统，而且是负反馈，负反馈可以使控制系统稳定。多数控制系统都是闭环负反馈控制系统。开环和闭环控制系统的实例1、开环炉温控制系统电炉是控制对象，炉温是要求进行自动控制的物理量，称为被控量。控制装置是电阻丝和开关，电阻丝接通电源受时间继电器触点开关K的控制。开关K闭合与断开的时间按照在正常情况下炉温可达到的希望值的经验数据预

8、先设定。开环和闭环控制系统的实例分析：实际炉温显然可能高于或低于希望值，但基本能保持恒温。但是，如果工作条件发生变化，例如，炉门开关次数增加，由于没有对被控制量炉温进行测量，并根据实际炉温与希望值的偏差来改变开关K接通和断开时间，炉温就会低于希望值。因此，系统的控制精度较低。开环控制的特点是控制装置只按照约定的输入信号对被控制量进行单向控制，而不对控制量进行测量并反向影响控制作用。因此，开环控制不具有修正由于扰动 (使被控制量偏离希望值的因素)而出现的被控制量与希望值之间偏差的能力，即开环系统的抗干扰能力较差。开环和闭环控制系统的实例2、闭环炉温控制系统在炉温控制系统中加入一个接触式水银温度计

9、测量炉温，就可由开环系统转换成闭环系统。开环和闭环控制系统的实例分析：水银温度计的两个触点A和 B 接在常闭继电器的线圈电路中，它们随着水银柱的升降接通或断开电源，使触点 K 开启或闭合。例如，当温度升至希望值时(对应水银柱在一点位置) A,B 两点接通，此时继电器线圈回路电源接通，常闭触点 K 断开，使电阻丝没有电流流过，炉温开始下降，当温度低于设定值时，水银柱下降，继电器线圈无电流通过，常闭触点 K 闭合，电阻丝与电源接通，使温度上升。调整水银温度计触点一的位置，就可改变炉温的希望值。1.2 控制系统的组成以液体贮槽的液位控制为例，来说明过程控制系统的基本构成。人工控制的贮槽液位控制原理图

10、1.2 控制系统的组成 人工控制：眼睛观察玻璃管液位计(测量元件)指示的高度头脑将液位高度与期望高度进行比较，经过思考估算出需要改变的流出量，然后发出控制命令手根据命令改变出口阀门开度，相应地增减流量，使液位保持在合理的范围内。1.2 控制系统的组成以液体贮槽的液位控制为例，来说明过程控制系统的基本构成。自动控制的贮槽液位控制原理图1.2 控制系统的组成自动控制：液位变送器检测并变换成统一标准信号送到 控制器（代替人的眼睛）自动控制器接收变送器信号与液位期望值进行比较，根据偏差按某种规律运算， 结果送给执行器（调节阀）（相当 于人的大脑）自动执行器将控制器指令信号转换成相应的位移信号，驱动阀门

11、动作，改变液体流出量，实现液位的自动控制（相当于人的手）1.2 控制系统的组成水温的人工控制：操作员要用手 (通过感觉) 来测试水的温度，并将此温度与他要求的值 (给定值) 相比较 (通过大脑) 。同时他要决定 (通过大脑) ：他的手应该朝哪个方向旋转加温用的蒸汽阀门和旋转多大的角度。1.2 控制系统的组成水温的自动控制：采用自动控制时上述功能都由各种的元件和仪表来代替。例如温度测量元件、控制记录仪表和调节阀等。自动控制装置和被控对象从宏观上看，自动控制系统是由两部分构成的：一部分是起控制作用的全套仪表、自动装置，称为自动控制装置，通常包括测量元件、变送器、控制器和执行器即自动控制阀等另一部分

12、是控制装置所要控制的生产设备，称为被控对象控制系统的任务当被控对象受到干扰使被控变量产生偏差时，能够及时检测，并通过合理地调节操纵变量使被控变量回到给定值1、被控对象 (亦称受控过程)在自动控制系统中，需要控制工艺参数的生产设备叫被控对象，简称对象。如化工生产中的各种塔、反应器、热交换器等，都是常见的被控对象。在复杂的生产设备中，例如精馏塔，常常需要控制塔顶温度、压力，而塔底又需要控制液位，有时在塔的中部还需要控制进料流量，这种情况下，就只有塔的某一相应部分才是某一控制系统的对象 (因为同时控制这些量是很困难的) 。由此看来，对象不一定就是生产设备的整个装置一个设备也不一定就只有一个控制系统。

13、2、测量元件与变送器测量元件是用来检测被控变量的变化并将其转换为一种特定信号 (如气压、电流或机械位移等) 的装置变送器是在传感器的基础上发展而来，其主要特点是采用统一的动力源，其输出为统一的标准信号（电流、气压等）测量与变送环节的作用和意义 在自动控制系统中起着获取信息的作用，它的精确度、灵敏度及可靠性直接影响自动控制系统的品质指标。3、控制器 (亦称调节器)它接收测量元件与变送器的信号，根据被控对象的数学模型及控制所要达到的要求，按照一定的控制规律进行运算，并输出相应的信号 (气压或电流等) 给执行器。在闭环控制系统中它是将被控变量的测量值与工艺上需要保持的参数给定值进行比较，得出偏差。根

14、据这个偏差的大小及变化趋势，按预先设计的运算规律进行运算。在自动控制系统中，可以采用模拟式控制器或数字式控制器。当用电子计算机来实现控制功能时，即构成计算机控制系统。4、执行器它接收来自控制器的信号，改变操纵变量的大小或符号，从而实现对生产过程的控制常见的执行器有电动机、调节阀等。自动控制系统除上述基本环节外，还有其他一些辅助装置，如：电源、稳压装置、显示仪表等。显示仪表可以接收测量元件或变送器的信号，显示被控量的数值及趋势。1.3 控制系统方框图方框图方框图是从信号流的角度出发，依据信号的流向将组成控制系统的各个环节相互连接起来的一种图解表达方式。 在方框图中，每个组成部分用一个方框表示并标

15、上该组成部分的名称，一个方框可以对应于一个元件、一个设备或几个设备的组合，或一个局部的生产过程，通常称之为环节。对自动控制系统进行分析研究时，经常用方框图来表示一个自动控制系统的组成。方框图的符号环节：图中的方框表示控制系统的一个组成部分，称为“环节”。箭头指向方框的信号 X 表示该环节的输入，称为输入变量。箭头离开方框的信号 Y 表示该环节的输出，称为输出变量。箭头所指的方向就是信号的流向，它表明信号的作用方向。 环节XY方框图的符号相加点： C=A+B C=A-B分支点： B=C=AACBACBABC控制系统方框图控制系统方框图：常用术语1、被控变量对象中需要进行控制（保持数值在某一范围内

16、或按预定规律变化）的物理量称为被控变量。2、操纵变量受到控制装置的操纵，用以使被控变量保持在设定数值的物料或能量称为 操纵变量。常用术语3、干扰（扰动）除操纵变量外，作用于对象并使被控变量发生变化的因素称为干扰（扰动）。4、给定值（设定值）按照生产工艺的要求为被控变量规定的所要求达到或保持的数值。5、偏差在理论上偏差应该是给定值与被控变量的实际之差。但是我们只能获得测量值，所以通常把给定值与测量值之差作为偏差。例题下图为一换热器的控制系统流程图。问:被控变量？操纵变量？被控对象？画出控制系统方框图。例题被控变量：物料出口温度操纵变量：蒸汽流量被控对象：换热器控制系统方框图：1.4 过渡过程和性

17、能指标过渡过程从一个平衡状态（稳态）到达另一个平衡状态（稳态）的动态历程称为过渡过程。稳态系统的被控变量不随时间而变化的平衡状态，称为稳态（或静态）。动态系统的被控变量随时间而变化的不平衡状态，称为动态。阶跃输入信号为了便于了解控制系统的动态特性，通常是在系统的输入端施加一些特殊的试验输入信号，然后研究系统对该输入信号的响应。最常采用的试验信号是阶跃输入信号，其作用方式如图所示。过渡过程几种典型形式1、非振荡衰减过程如图(a)所示，其特点是被控变量在给定值的某一侧作缓慢变化，没有来回波动，最后稳定在某一数值上。过渡过程几种典型形式2衰减振荡过程如图(b)所示，其特点是被控变量在给定值附近上下波

18、动，但幅度逐渐减小，经过几个振荡周期后，逐渐收敛在某一数值上。过渡过程几种典型形式3、等幅振荡过程图 (c) 所示，其特点是被控变量在给定值附近来回波动，且波动幅度保持不变。过渡过程几种典型形式4、发散振荡过程：图 (d) 所示，其特点是当干扰进入系统后，使被控变量开始产生振荡，控制作用不仅无法将被控变量稳定到给定值上，反而使振荡的幅度越来越大。控制系统的主要性能指标以衰减振荡过程的形式讨论：假设性能指标的出发点是以控制系统原先所处的平衡状态时刻的被控变量 y(0) 作为基准值，且被控变量等于给定值。从t=0的时刻开始，系统受到阶跃输入作用，于是被控变量开始变化。经过一段时间的衰减振荡后，最终

19、达到新的平衡状态，使被控变量稳定在y() 。响应曲线在干扰作阶跃变化时，被控变量的响应曲线如图所示：主要性能指标1、最大偏差 emax （或超调量）最大偏差和超调量是描述被控变量偏离给定值程度的物理量。是衡量控制系统动态性能的重要指标。最大偏差是指在过渡过程中，被控变量的第一个波峰值与给定值的差。超调量用来表示被控变量偏离给定值的程度。在上图中，emax=B+ C ， =B/C 主要性能指标2、余差 e()余差又称残余偏差，是指在过渡过程终了时，系统的给定值与被控变量新的稳定值之间的差值。余差是衡量控制系统稳态准确性的重要指标。在上图中，e()=r-y()主要性能指标3、衰减比是衡量控制系统稳定性的一个动态指标，它反映了一个振荡过程的衰减程度，它等于两个相邻的同向波峰值之比。在图中，衰减比n=B/B,习惯上表示为 n:1。一般希望衰减比在 4:1 到 10:1 的范围内。主要性能指标4、过渡时间又叫控制时间或回复时间，它是控制系统在受到外界作用后，被控变量从原来的稳态值达到新的稳态值所需的时间。理论上讲，被控变量达到新的平衡状态需要无限长的时间。所以一般认为当被控变量已进入其新稳态值的 5% （或 2% ）的范围内，并不再越出时，就