第一章 自动控制系统概述

2011.07.08江苏隆亨纸业第1章自动控制系统概述引言——什么是控制系统过程控制的重要性过程控制的发展概况过程控制的特点过程控制系统的组成过程控制系统的分类2011.07.08江苏隆亨纸业1.1引言——什么是控制系统在家里，为了舒适地生活，我们需要控制室内的温度和湿度。在交通领域，我们需要控制汽车精确而又安全地从一个地方到达另一个地方。在工业上，制造过程中大量的生产产品需要满足产品质量和成本效益的要求。要回答这个问题，我们可以联系日常生活中那些需要实现某种“目标”的例子：2011.07.08江苏隆亨纸业再比如一个人，可以完成许多种类的目标，包括作决定。其中有些目标——比如捡起地上的物品后再从一个地方走到另一个地方——它的完成方式是以一种程序化的方式来完成的。但有些目标在人们要完成它时，不仅要考虑如何完成，还要考虑如何更好地完成——比如：百米运动员在一百米短跑中，他考虑的是：在尽可能短的时间内跑完这段距离马位松选手在他的比赛中，他考虑的是：在尽可能短的时间内跑完这段距离在整个比赛过程中控制好能量的消耗并设计最佳的比赛策略2011.07.08江苏隆亨纸业综上所述：所谓的控制系统就是为完成某种“目标”而采用的一整套的完成方法和步骤。而这些方法和步骤通常又包含能够更好实现这些“目标”的最佳策略。在工业领域，自动控制系统常常是指那些在没有人直接参与的情况下，利用控制装置，对生产过程、工艺参数、目标要求等进行自动的调节与控制，使之按照预定的方案达到要求的指标的设备。2011.07.08江苏隆亨纸业1.2控制系统的重要性近年来控制系统在现代文明和技术发展与进步上扮演了越来越重要的角色。我们日常活动的每一个方面几乎都受到了某种控制系统的影响。控制系统已经大量地应用到了工业的所有部门。如产品质量、自动装配线、机床控制、空间技术与武器系统、计算机控制、交通运输、动力系统、机器人、微机系统、纳米技术等。2011.07.08江苏隆亨纸业造纸过程控制重要性随着社会的发展，人们对纸质的要求越来越高，为了满足客户的需求，生产出符合要求的高质量的纸张成为每个造纸厂的目标。然而想要生产出高质量的纸张就必须对造纸过程中一些重要数据进行严格的控制。2011.07.08江苏隆亨纸业浆料质量控制是影响纸张质量的重要因素，因此应对一些参数进行监控如:浆料浓度、浆料打浆度、浆速、网速、浆网速比等等。2011.07.08江苏隆亨纸业在纸的抄造过程中，纸机上各种数据的变化对纸张的质量有很大的影响，因此必须对成纸必须对纸张的一些参数进行精确控制如：水分、定量、涂布量等O型扫描架（检测水分定量等）2011.07.08江苏隆亨纸业1.3控制系统的发展状况在20世纪四十年代前后，工业生产非常落后，大多数工业生产过程均处于手工操作状态，人们主要是凭经验、用手工方式去控制生产过程。自进入20世纪90年代以来，自动化技术发展很快，并获得了惊人的成就，已成为国家高科技的重要分支。过程控制技术是自动化技术的重要组成部分。在现代工业生产自动化中，过程控制技术正为实现各种最优技术经济指标、提高经济效益和社会效益、提高劳动生产率、简约能源、改善劳动条件、保护环境卫生、提高市场竞争能力等方面起着越来越巨大的作用。2011.07.08江苏隆亨纸业1.4过程控制的特点1.连续生产过程的自动控制过程控制一般是指连续生产过程的自动控制，其被控量需定量的控制，而且应是连续可调的。2.过程控制系统由过程检测、控制仪表组成过程控制系统由过程检测、控制仪表和电子计算机等自动化技术工具，对整个生产过程进行自动检测、自动监督、自动控制。2011.07.08江苏隆亨纸业3.被控过程是多种多样的、非电量的在现代工业生产过程中，工业过程很复杂。由于生产规模大小不同，工艺要求各异，产品品中多样，因此过程控制过程中的被控过程是多种多样的。4.过程控制的控制过程多属慢过程，而且多半为参量控制由于被控过程具有大惯性、大后滞（大延时）等特性，因此决定了过程控制的控制过程多属慢过程。5.过程控制方案十分丰富2011.07.08江苏隆亨纸业随着现代工业生产的迅速发展，工艺调节越来越复杂，对过程控制的要求越来越高。过程控制系统的设计是以被控过程的特性为依据的。6.定值控制是过程控制的一种常用形式在石油、化工、造纸等现代工业生产过程中，过程控制的主要目的在于消除或减小外界干扰对被控量的影响，使被控量能稳定控制在给定值上，使工业生产能实现优质、高产和低耗的目标。定值控制仍是目前过程控制的一种常见形式。2011.07.08江苏隆亨纸业1.5过程控制系统的组成过程控制系统通常是指工业生产过程中自动控制系统的被控量是温度、压力、流量、液位、成分、粘度、湿度和PH（酸碱度或氢离子浓度）等这样一些过程变量的系统。从以上工业过程的实例可见，控制系统均由测量元件、变送器、调节器、调节阀和被控过程等环节构成。如果把测量元件、变送器、调节器和调节阀统称为过程检测控制仪表，则一个简单的过程控制系统是由被控过程和过程检测控制仪表两部分组成的。2011.07.08江苏隆亨纸业1.一般自动控制系统包括：①给定元件(CommandElement)②检测元件(DetectingElement)——此处为③比较环节(ComparingElement)④放大元件(AmplifyingElement)⑤执行元件(ExecutiveElement)——此处为⑥控制对象(ControlledPlant)——在此恒温⑦反馈环节(FeedbackElement)——由它将输出量引出，再回送到控制部分。2011.07.08江苏隆亨纸业2011.07.08江苏隆亨纸业各个元件的排列，通常将给定元件放在最左端，控制对象排在最右端。即输入量在最左端，输出量在最右端。从左至右(即从输入至输出)的通道称为顺馈通道（FeedforwardPath)或前向通路(ForwardPath)。将输出信号引回输入端的通道称为反馈通道或反馈回路(FeedbackPath)。2011.07.08江苏隆亨纸业2.①输入量(InputVariable)——又称控制量或参考输入量(ReferenceInputVariable)，所以输入量的角标常用(或)②输出量(OutputVariable)——又称被控制量(ControlledVariable)，所以输出量角标常(或)表③反馈量(FeedbackVariable)——反馈量的角标常以④扰动量(DisturbanceVariable)——又称干扰或“噪声”(Noise)，所以扰动量的角标常以(或)表示。⑤中间变量——它是系统各环节之间的作用量。它是前一环节的输出量，也是后一环节的输入量。如图1-6中的、、等就是中间变量。irocfdnUaURU2011.07.08江苏隆亨纸业框图可以直观地将系统的组成、各环节间的相互关系以及各种作用量的传递情况简单明了地概括出来。综上所述，要了解一个实际的自动控制系统的组成，要画出组成系统的框图，就必须明确下面的一些①哪个是控制对象?被控量是什么?影响被控量的主扰动量是什么?②哪个是执行元件?③测量被控量的元件有哪些?有哪些反馈环节?④输入量是由哪个元件给定的?反馈量与给定量是如何进行比较的?⑤此外还有哪些元件(或单元)，它们在系统中处于什么地位?起什么作用?2011.07.08江苏隆亨纸业例1-1水位控制系统通过对工作原理进行分析，可以得到该系统的系统框图。2011.07.08江苏隆亨纸业自动调节过程：直至Q1=Q2,H=H0,UB=UA,△U=0时，电动机停转为止。0,,,021UUUHHQQAB2011.07.08江苏隆亨纸业1.6过程控制系统的分类过程控制系统的分类方法很多，若按被控参数的名称来分，有温度、压力、流量、液位、成分、PH等控制系统；按控制系统完成的功能来分，有比值、均分、分程和选择性控制系统；按调节器的控制规律来分，有比例、比例积分、比例微分、比例积分微分控制系统；按被控量的多少来分，有单变量和多变量控制系统；按采用常规仪表和计算机来分，有仪表过程控制系统和计算机过程控制系统等。2011.07.08江苏隆亨纸业但是最基本的分类方法有：（1）按过程控制系统的结构特点来分类a）反馈控制系统又称闭环控制系统，即系统输出量通过反馈环节返回来作用于控制部分。它是过程控制系统中的一种最基本的控制结构形式。反馈控制系统是根据系统被控量的偏差进行工作的，偏差值是控制的依据，最后达到消除或减小偏差的目的。b）前馈控制系统又称开环控制系统，即系统的输出量不被引回来对系统的控制部分产生影响。它在原理上完全不同于反馈控制系统。前馈控制是以不变性原理为理论基础的。前馈控制系统直接根据扰动量的大小进行工作，扰动是控制的依据。2011.07.08江苏隆亨纸业开环控制和闭环控制的比较2011.07.08江苏隆亨纸业由于开环系统无反馈环节,一般结构简单,系统稳定性好，成本也低，这是开环系统的优点。因此，在输出量和输入量之间的关系固定，且内部参数或外部负载等扰动因素不大，或这些扰动因素产生的误差可以预计确定并能进行补偿,则应尽量采用开环控制系统。开环控制的缺点是当控制过程受到各种扰动因素影响时，将会直接影响输出量，而系统不能自动进行补偿。特别是当无法预计的扰动因素使输出量产生的偏差超过允许的限度时，开环控制系统便无法满足技术要求，这时就应考虑采用闭环控制系统。开环系统的特点2011.07.08江苏隆亨纸业反馈控制可以自动进行补偿，这是闭环控制的一个突出的优点。闭环控制要增加检测、反馈比较，调节器等部件,会使系统复杂、成本提高。而且闭环控制会带来副作用，使系统的稳定性变差，甚至造成不稳定。这是采用闭环控制时必须重视并要加以解决的问题。闭环系统的特点2011.07.08江苏隆亨纸业c）复合控制系统（前馈-反馈控制系统）在工业生产过程中，引起被控参数变化的扰动是多种多样的。开环前馈控制最主要的优点是能针对主要扰动及时迅速地克服其对被控参数的影响；对于其余次要扰动，则利用反馈控制予以克服，使控制系统在稳态时能准确地使被控量控制在给定值上。在实际生产过程中，将两者结合起来使用，充分利用开环前馈与反馈控制两者的优点，在反馈控制系统中引入前馈控制，从而构成前馈-反馈控制系统，它可以大大提高控制质量。2011.07.08江苏隆亨纸业为什么大多数控制系统均有反馈提高系统的相对稳定性增加系统带宽和总增益提高系统的输入阻抗、降低系统的输出阻抗提高系统的敏感度2011.07.08江苏隆亨纸业恒值控制系统（FixedSet-PointControlSystem）恒值系统的特点是：控制系统的输入量是恒量，并且要求系统的输出量相应地保持恒定。恒值控制系统是最常见的一类控制系统。（2）按输入量变化的规律分类2011.07.08江苏隆亨纸业随动系统（Follow-UpControlSystem）随动系统的特点是：输入量是变化着的(有时是随机的)，并且要求系统的输出量能跟随输入量的变化而作出相应的变化。2011.07.08江苏隆亨纸业过程控制系统（ProcessControlSystem）生产过程通常是指把原料放在一定的外界条件下，经过物理或化学变化而制成产品的过程。在这些过程中，往往要求自动提供一定的外界条件，例如温度、压力、流量、液位、粘度、浓度等参量在一定的时间内保持恒值或按一定的程序变化。在化工、轻工、食品等生产过程中对温度、流量、压力、湿度等的控制——过程控制系统。2011.07.08江苏隆亨纸业纸厂中的温度、压力、流量的控制2011.07.08江苏隆亨纸业（3）按系统传输信号对时间的关系的规律分类连续控制系统（ContinuousControlSystem）连续控制系统的特点是各元件的输入量与输出量都是连续量或模拟量。所以它又称为模拟控制系统(AnalogueControlSystem)。连续系统的运动规律通常可用微分方程来描述。离散控制系统