第07章-自动控制系统概述

第一节自动控制系统的组成第二节自动控制系统的方块图第三节过渡过程和品质指标第七章自动控制系统概述第一节自动控制系统的组成进料口执行器变送器调节器一、人工控制与自动控制进料口执行器变送器调节器进料口执行器变送器控制站液位自动控制系统示意图液位自动控制系统工艺控制流程图变送器控制器给定值LTLIC203二、控制系统的4个基本环节被控对象检测仪表(测量变送环节)控制器执行器三、常用术语（1）被控对象：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）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（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（扰动）：除控制变量（操纵变量）以外，作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：工艺规定被控变量所要保持的数值。（6）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。第二节自动控制系统的方块图：调节器被控对象测量变送装置+－SP执行器4～20mA4～20mA计算机被控对象测量变送装置+－SP执行器4～20mA4～20mAD/AA/D数字信号一、信号和变量二、自动控制系统方块图：调节器被控对象测量变送装置+－SP执行器调节器+－SP广义对象执行器、被控对象及测量变送环节统称为广义对象固定因素补偿因素系统运行的基本要求:自动控制系统的（最）基本要求是系统运行必须是稳定的。反馈是控制系统的输出（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。负反馈:反馈的结果使系统的输出减小的反馈类型。正反馈: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。三、反馈：闭环与开环闭环——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，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执行器开环——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，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。正作用与反作用(如何保证系统是负反馈的）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，称为正作用调节器能否构成负反馈系统和系统中各环节的特性有关。进料口执行器变送器调节器液位调节器液体储槽液位变送器+－SP执行器由于被控对象和执行器的特性是由实际的工艺现场条件决定的，所以应当通过控制器的正、反作用特性来满足系统负反馈的要求。“反”“正”“正”“正”“反”“反”四、自动控制系统的分类（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是否变化和如何变化来分类）：1、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。2、随动控制系统：设定值随时间不断发生变化（自动跟踪系统）通常要求被控变量尽可能地与设定值一起变化。3、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（顺序控制系统）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变送器前馈补偿器++（三）按控制系统的复杂程度区分简单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压力控制系统……（五）按调节规律区分P、PI、PD、PID、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——如：反馈控制开环控制系统——如：前馈控制载热体冷流体换热器温度控制系统液位控制系统常见的两种简单控制系统：控制器(LC或TC)执行器（控制阀）被控对象（液位储槽或换热器）测量、变送环节（LT或TT）被控变量（液位或温度）干扰偏差设定值＋－广义对象简单控制系统方块图控制器控制器执行器被控对象测量元件与变送器测量值给定值偏差输出变量被控变量控制器操纵干扰作用xzepqyf第三节过渡过程和品质指标一、控制系统的静态（稳态）与动态控制系统的作用：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。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变化的。静态：被控变量不随时间变化的平衡状态（变化率为0，而不是静止）。如果控制系统是稳定的，假设给定值和干扰都保持不变，经过足够长的时间，控制系统中各参数必然会到达一个“相对”平衡状态，这种状态就是所谓的“静态”，在控制领域中更多的称之为“稳态”。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），当出现干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，这么一个从干扰发生、系统控制、直到重新建立平衡的过程称为“动态”过程。工艺设计主要围绕系统“静态”特性开展工作，自动控制是在“静态”特性基础上来研究其“动态”特性的，即当系统失去平衡以后，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？必须分析“系统失去平衡以后能否重新回到平衡状态”、“从系统失去平衡以后到重新回到平衡状态”这个过程的各种指标。二、控制系统的过渡过程干扰（扰动）：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。过渡过程：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程。在分析和设计控制系统时，往往选定阶跃信号作为输入。阶跃干扰：在某一瞬间t0干扰突然阶跃式地加入系统，并保持在这个幅值。阶跃信号数学表达式为：At≥00t0)(tr当A=1时称为单位阶跃信号。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。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。特点：易产生、对系统输出影响大、便于分析和计算。在阶跃信号作用下，被控变量随时间的变化有以下几种典型的过渡过程：非周期衰减过程衰减振荡过程等幅振荡过程发散振荡过程单调发散过程√√？XX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：时间域的各种单项指标——以系统受到阶跃输入后的响应曲线的形式给出。主要包括：最大偏差（超调量）衰减比余差过渡时间振荡周期（振荡频率）……2、时间域的综合指标——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。主要包括：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最优系统。1、时间域的各种单项指标——以阶跃响应曲线的形式表示的品质指标（和初值有关，这里只分析变化量）分两种情况：t()yt0BB()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，加一阶跃干扰）——定值系统t()ytSp0BB()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）——随动系统阶跃干扰作用下的过渡过程（设定值固定，加阶跃干扰）——定值系统t()yt0BB()e3t2t1tC25稳定误差范围：％或者％的新稳态值最大偏差emax：maxeBC衰减比n：/nBB余差e(∞)：()()eCy过渡时间tp：3ptt振荡周期：21tt阶跃给定作用下的过渡过程（设定值变化）——随动系统超调量σ：/*100%BC衰减比n：/nBB余差e(∞)：()e过渡时间tp：3ptt振荡周期：21ttt()ytSp0BB()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：•最大偏差（超调量）？•衰减比？•答：越小越好•n＝1等幅振荡n＜1发散振荡n＞1衰减振荡n=∞不振荡自动控制系统希望的结果：•为了保持有足够的稳定程度，衰减比一般取为4：1至10：1；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。•不振荡：不便于操作人员掌握。•余差？•过渡时间？•振荡周期？•答：越小越好•答：越短越好•答：短好2、时间域的综合指标——以误差性能指标的形式给出·平方误差积分指标·时间乘平方误差的积分指标·绝对误差积分指标·时间乘绝对误差积分指标021)(dtteJ022)(dttteJ03|)(|dtteJ04|)(|dttetJ优化控制的策略：minJ对各种性能指标加以分析理解：①绝对误差积分在图形上就是对偏差面积的积分，它对于出现在设定值附近的偏差和出现在远离设定值的偏差面积是同等对待的。而偏差平方值对事件的积分指标，却对同一偏差面积由于离设定值远近不同引起的目标值J是不一样的。②时间乘绝对误差积分指标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间的先后不同其目标值J是不同的。时间乘平方误差积分指标兼有平方误差积分指标和时间乘绝对误差积分指标的特点，用它来调整控制器参数，可以得到比较理想的结果。四、影响控制指标的主要因素固定因素：对象特性：复杂测量仪表特性：比例特性执行器特性：比例或积分特性补偿因素：控制器特性——这是自动控制的主要研究内容例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、衰减比、振荡周期和过渡时间(给定值为200)。解：1、最大偏差：A＝230—200＝30℃2、余差C＝205—200＝5℃3、第一个波峰值B＝230—205＝25℃第二个波峰值B’＝210—205＝5℃衰减比n＝25：5＝5：l。4、振荡周期为同向两波峰之间的时间间隔，故周期T＝20-5＝15(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，从图上可以看出，过渡时间为22min。本章作业：P1086~10，14~19，23，24管道、仪表流程图（P&ID）(1)图形符号——检测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(2)图形符号——连线通用的仪表信号线均以细实线表示(3)图形符号——仪表符号仪表的图形符号是一个细实线圆圈，直径约10mm就地安装仪表嵌在管道中就地安装仪表集中仪表盘面安装仪表就地仪表盘面安装仪表集中仪表盘后安装仪表就地仪表盘后安装仪表同一个检测点，有两个或多个测量，可用两个或多个相切的圆表示集散控制系统仪表盘面安装仪表或ATTENTION管道、仪表流程图的图形符号不是完全标准一致的，国内与国外、不同设计单位之间、甚至不同设计人员之间，有些方面会有不同的标注习惯，一般来说P&ID图会有图例给出。例如，国内设计院一般较少用多个圆相切的形式来表示复合仪表，而国外则更常见。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称为“仪表位号”。例如：PIC－207TRC－210……(4)字母代号字母编号写在圆圈的上半部第一位字母表示被测