化工仪表及自动化课件(杨丽明).

化工自动化及仪表第一章自动控制系统概述第一节自动控制系统的组成自动控制：在无人直接参与的情况下，利用控制器使被控对象的被控变量自动的按预先给定的规律去运行。工业自动化：采用自动控制装置，部分或全部取代人工操作，使生产在不同程度上自动地进行。自动控制系统：被控对象和控制装置的总体。包括自动检测、自动控制、自动保护、自动操纵。一、人工控制H玻璃管液位计0Q包括三个步骤：检测运算、命令执行iQ二、自动控制液位测量变送装置液位控制器HiQ0Q三、常用术语被控对象：需要实现控制的设备、机械或生产过程。被控变量：对象内需要保持一定数值（或按一定规律变化）的物理量。即对象的输出。控制变量（操纵变量）：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。干扰（扰动）：除控制变量外的一切作用于对象并使被控变量发生变化的因素。给定值（设定值）：工艺规定被控变量所要保持的数值。偏差：给定值与测量值之差。输出：即被控变量。输入：凡对被控变量有影响的一切因素，特性：系统（或环节）输出、输入间的关系。四、自控系统的组成被控对象、控制器（包括比较机构）、执行器、测量变送环节。被控对象、执行器、测量变送环节统称为广义对象。五、自控系统组成方块图控制器执行器被控对象给定值r(t)e(t)u(t)y(t)测量变送环节z（t)+-f(t)-----------------------------------------------------------广义对象主回路反馈回路----------------------------主回路、反馈回路二者组成闭合环路—第二节系统运行的基本要求一、基本要求：稳定、快速、准确。二、反馈把系统的输出返回到输入端，与给定值比较，并最终又影响到系统的输出的过程。1、负反馈：反馈的结果是使系统的偏差变得越来越小的反馈。2、正反馈：反馈的结果使系统的偏差变得越来越大的反馈。3、特性：系统输出输入间的关系。4、环节：组成系统的各个部分或整个系统。三、闭环、开环1、闭环：具有反馈作用的系统称为闭环系统。此时系统根据给定值与测量值间的偏差进行控制。2、开环：无反馈的系统称为开环系统。此时系统只根据输入进行控制，系统的输出与偏差无关。四、正作用、反作用1、正作用：输入增大，输出也增大。2、反作用：输入增大，输出减小。一个良好的自控系统，必须是闭环负反馈的，即整个系统必须是反作用的。第三节自控系统分类一、按给定值分：定值控制系统、随动控制系统、程序控制系统。二、按系统的连续性分：连续性控制系统、离散控制系统。三、按系统的变量数分：单变量控制系统、多变量控制系统。四、按系统的数学描述分：线性控制系统、非线性控制系统。第四节自控系统的过渡过程和品质指标一、系统的过渡过程1、零初始条件：在干扰进入前，系统的输入、输出都作为零。2、稳态、动态：稳态被控变量不随时间而变化的平衡状态，亦称定常态。此时系统的输入、输出均不随时间而变。即各变量的导数为零。此时输入、输出间的关系称为稳态特性。动态被控变量随时间而变化的不平衡状态。此时系统输入、输出间的关系称为动特性。3、系统的过渡过程系统从偏离平衡状态回复到新的平衡状态的过程。被控变量的变化规律取决与对象特性与干扰的形式。阶跃干扰；过程中突然出现的、对被控变量影响较大的、过一段时间又突然消失的干扰。这种干扰形式简单、易于实现，便于分析、实验和计算。系统在阶跃干扰作用下的过渡过程形式：非周期衰减ft0tyt衰减振荡等副振荡ytyt④发散振荡⑤单调发散是衰减的稳定过程，④⑤为不稳定过程。ytyt但①过于缓慢，需时过长，一般不用。③属临界稳定状态，一般认为是不稳定的，生产中很少用。二、描述系统过渡过程的品质指标一般以衰减振荡的过渡过程为依据来讨论。yt0BABc---------------------------1、最大偏差或超调量最大偏差A。超调量B。B=A-C。或2、衰减比n前后相邻两个波峰值（以新稳值为基准）之比。即n=n要大于1。一般为4：1或10：1。σ=BCX100%BB3、余差c有差控制无差控制4、过渡时间从干扰进入对到系统重新建立平衡所需时间。从理论上讲，要达到新的平衡需无限长的时间，实际上，当被控变量进入新稳值的5%（或2%）的范围并不再越出为止所经历的时间，可视为过渡时间。一般希望其小一些。+-+-5、振荡周期或频率过渡曲线同向相邻两波峰（或波谷）之间的时间间隔为振荡周期或称工作周期T，其倒数为振荡频率。一般希望T短一些。6、振荡次数过渡过程内震荡的次数。理想过程两个波。7、上升时间被控变量从零第一次上升到新稳值[或第一个峰值（峰值时间）]所需时间。或从新稳值的10%上升到90%所需时间。例1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如下图示。试求最大偏差、余差、衰减比、振荡周期和过渡时间（给定值为200)。－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－23021020520052022时间(min)温度)(0CC0-------解：最大偏差A=230-200=30C。余差c=205-200=5C。衰减比n===5：1振荡周期T=20-5=15min过渡时间：假定被控变量进入给定值的2%过程结束，则限制范围为200X2%=4,从图中可看出，过渡时间22min。00230-205210-205255C0+-+-第五节传递函数和方块图（线性系统）一、问题的引入二、拉普拉斯变换可将时间域函数转换为复数域函数。1、定义:若函数在s复述平面是收敛的，则为象函数，为原函数。2、常用函数的拉氏变换（1）、阶跃函数={F(s)=,当A=1时，F(s)=AS1s0)()()(dtetftfLsFst)(sF)(tf0)(tf)(sFAt00t)(tf)(tf(2)、斜坡函数f(t)={F(s)=当A=1时，F(s)=(3)、指数函数f(t)={F(s)=0,t0As21s20,t0A0tte0ts13、拉氏变换的性质（1）、微分性质导数的拉氏变换为df(t)dtL[df(t)dt]=sF(s)-f(0),若f(0)=0,则L[df(t)dt]=sF(s)（2）、积分性质积分φ(t)=的拉氏变换为L[φ(t)]=L[⌡f(t)dt]=F(s)（3）、平移性质延迟函数的拉氏变换为1st0fdtt)()(tf0)(,tft)()(sFetfLs)(tf)(tf)(tf(4)、线性性质L[Af(t)]=AF(s)L[f(t)+f(t)]=F(s)+F(s)（5)、端点性质终值定理：初值定理：1212)(lim)0(ssFfs)(lim)(lim)(0ssFtffst三、传递函数对线性系统，其输入输出关系可用微分方程来描述。ay进行拉氏变换，并令初始条件为零，得Y(s)=系统输入x(t)输出y(t)nn+an-1yn-1+…+a1y/+ay0=bxmm+bxm-1m-1+…+bx1/+bx0bsmm+bsm--1m-1+…+bs1+b0asnn+asn--1n-1+…+as1+a0X(s)G(s)=Y(s)X(s)=bsmm+bsm-1m-1+…+bs1+b0asnn+asn-1n-1+…+as1+a0上式即为传递函数定义式。G(s)称为传递函数，它为输出与输入的拉氏变换之比，即系统在复数s域的输出与输入之比。表征了系统本身的特性，只与系统本身的结构有关，而与系统的输入无关。G(s)X(s)Y(s)Y(s)=G(s)X(s)故G(s)又称复放大倍数。传递函数的性质：（1）、是一种数学模型，与系统的微分方程相对应；（2）、是系统本身的属性，与输入无关；（3）、只适用于线性定常系统；（4）、描述的是一对确定的变量间的关系，即一个输入对应一个输出，称单变量系统描述，又称外部描述（对系统内部变量的特性不能反映）；（5）、不能反映非零初始条件下系统的运行情况。（6）、G(s)有正负之分：X(s)Y(s)（+)X(s)Y(s)(-)四、方块图（方框图）将系统中各环节间的作用关系用方块图来表示十分简单明了。应用方块图的代数运算使系统的分析运算变得十分简单，因此，方块图是自控系统分析中的一个重要工具。方块图：把控制方案已定的控制系统中的各环节用一个填入相应传递函数的方块来表示，方块间用带箭头的线条表示其相互间的信号联系及作用方向，便构成了方块图。1、基本元素（1）、加法器用于信号的相加或相减。当两信号相减时，又称比较器。（2）、信息系统中各环节的输入输出。用带箭头的线段表示，箭头表示信息的作用方向。各分支点上信息值相等，并具单向性。X(s)Y(s)+-E(s)+-X(s)Y(s)E(s)Y(s)Y(s)Y(s)·（3）、环节为填入传递函数并加上输入输出信息的方块。G(s)X(s)Y(s)2、方块图的运算法则法则加法器次序无关相加点后移相加点前移分支点后移分支点前移原方块图等效方块图X1X+-X23+-X4X1x3x2x4+-+-G(s)X1X2X3++-G(s)X1+G(s)X2X3+-X1G(s)X2X3++-XG(s)X13X2G(s)++-X1X1G(s)X2G(s)X1X2X1G(s)X1XX22G(s)G(s)1XX22)(1sG(1)、环节串联XXXX1234G(s)G(s)G(s)123（2）、环节并联)(2sG)(1sG)(3sG)(sX)(1sY)(2sY)(3sY)(sY+++)()()()(321sGsGsGsG)()()()(321sGsGsGsG(3)、反馈回路)(1sG)(sX)(sY)(sZ+-)()()()()()()()()()(sHsYsXsGsZsXsGsEsGsY)(sH整理得)()(1)()(sHsGsGsW其等效方块图：)(sW)(sX)(sY)(sE前向传递函数：系统输出与偏差之比。即)()(sEsY开环传递函数：反馈信号与偏差信号之比。即)()(sEsZ反馈回路传递函数=前向传递函数1开环传递函数+-正反馈时为“-”，负反馈时为“+”。3、复杂方块图的化简及应用对于复杂的方块图，可通过化简转化成简单的基本形式，步骤如下。（1）、确定系统的输入输出；（2）、利用代数法则进行等效变换，把相互交叉的回路分开，整理成规范的串并联、反馈连接形式；（3）、利用相应的运算法则从内到外依次化简，组合整理，最终形成一个方框，即为所求的总的传递函数。例2简单自控系统方块图中，控制器、执行器、被控对象控制通道、干扰通道、测量变送环节的传递函数分别为、、、、，和分别为系统的给定值与干扰输入，系统输出为控制通道与干扰通道输出之和。试求：（1）、定值系统的等效方块图；（2）、随动系统的等效方块图。)(sGc)(sGv)(0sG)(sGf)(sHm)(sX)(sF)(sX)(sE)(sGv)(0sG)(sGf)(sHm+-++)(sY)(sF)(sZ)(sGc解：（1）、定值控制为输入，为输出，（即给定值不变，其增量为零）。)(sF)(sY0)(sX)(sY)()()()(0sEsGsGsGvc)()(sFsGf)()(0)(sHsYsEm代入整理得)()()()()(1)()(0sFsHsGsGsGsGsYmvcf其闭环传递函数为)()()()(1)()()()(0sHsGsGsGsGsFsYsGmvcf，其等效方块图为)(sG)(sY)(sF（2）、随动控制为输入，)(sX)(sY为输出，0)(sF。)()()()()(0sGsGsGsEsYvc)()()()(sHsYsXsEm代入整理得其传递函数为)()()()(1)()()()()()(00sHsGsGsGsGsGsGsXsYsGmvcvc其等效方块图为)(sG)(sX)(sY例3如图是某原油加热系统。各环节传递函数分别为453)(0ssG1)(sGc1)(sGv1)(sHm当给定值发生单位阶跃时，求原油出口温度