02-自动控制系统基本知识

北京交通大学土建学运市政与环境工程系自动控制基本知识陶若虹2011年8月北京交通大学土建学运市政与环境工程系主要内容一、控制系统概述1.自动化技术所涉及的内容2.控制系统的发展3.过程控制的特点4.过程控制的要求和任务二、控制系统的基本知识1.自动控制的概念2.自动控制系统的组成3.自动控制系统的分类4.自动控制系统的过渡过程与质量指标三、被控对象的特性1.工业过程被控对象2.被控对象数学模型的建立3.描述被控对象特性的参数4.被控对象特性的实验测定方法北京交通大学土建学运市政与环境工程系1.自动化技术所涉及的内容自动化（automation），指以无人化为目标的自动化技术。它在生产现场为使生产合理化而进行的自动操作（automaticoperation）和自动化技术（automatization）的简称。自动化技术所涉及的内容大致可分为四种类型：......Pr......2、泵的联锁）：液位、水质、温度保护（：电气参数、、、：化学监督参数、、、、：热工参数）监测（声、光、色信号障）：参数越限或设备故报警（法、控制策略控制规律、控制算程序控制、自动调节：）控制（otectionIOORPpHDDLQTPPMonitorAlarmControlCAMP北京交通大学土建学运市政与环境工程系MISDCSSCADApHfJITOCTPTNNNHCODOORPpHDDLQTPP、联网功能：互式专家诊断：引导式、交、日常管理趋势图分析、报警显示常规功能：报表打印、）监视控制和数据采集（调节剂、中和池循环水加氯、水质稳定加磷酸盐、给水加氨、联胺、炉水药及自动排污和放水、自动加药：澄清设备加生水温度流量、再生碱液温度、间水箱液位、再生反洗基地调节：清水箱、中自动调节废水处理系统：、旁路门系统速混床系统、再生系统凝结水精处理系统：高除盐脱盐、一级除盐、二级制水系统：预处理、预程序控制自动控制、、电气参数：、、、、、、、、化学成份参数：、、、、热工参数：仪表监测..............................32北京交通大学土建学运市政与环境工程系2.控制系统的发展50年代—集中型气动仪表控制系统。工业自动化仪表以气动仪表为流，理论基础是用传递函数进行数学描述，以根轨迹法和频率法作为分析和综合系统基本方法的经典控制理论。60年代—集中型模拟电动仪表控制系统。工业自动化仪表以模拟电动DDZⅡ、DDZⅢ为主流，产生了为实现空间探索需要而发展起来的现代控制理论。现代控制理论以状态空间分析方法为基础，内容包括三大部分：以最小二乘法为基础的系统辨识；以极大值原理和动态规划为主要方法的最优控制；以卡尔曼滤波理论为核心的最佳估计。北京交通大学土建学运市政与环境工程系60年代末至70年代初—引入集中型计算机控制系统，出现了用计算机代替模拟调节器的直接数字控制（DDC—DirectDigitalControl）和由计算机确定模拟调节器或DDC回路最优设定值的监督控制（SCC—SupervisoryComputerControl）。70年代中期—出现以微处理器为基础的集散型计算机控制系统（DCS—DistributedControlSystem）以及与之相关的监督、控制和数据采集系统SCADA系统。为自动化发展的第三阶段。形成了所谓第三代控制理论，即大系统理论和智能控制理论。2.控制系统的发展北京交通大学土建学运市政与环境工程系80年代—工业控制计算机开始发展，自动化进入计算机时代，通过网络形成分布式计算机系统（HCS——HierarchicalControlSystem）。90年代—进入CIPS和CIMS时代。即计算机集成过程系统CIPS—ComputerIntegratedProductionSystems和计算机集成制造系统CIMS—ComputerIntegratedManufactureSystems。出现了EI、EIC（E（electrical）电控、I（instrumentation）仪控和C（computer）计算机“三电”一体化）集成产品。2.控制系统的发展北京交通大学土建学运市政与环境工程系3.过程控制的特点系统由系列化生产的过程检测控制仪表组成；控制方案的多样性，有单变量控制，也有多变量控制；有传统的PID控制，也可以有自适应控制、预测控制、推理控制和模糊控制等；控制过程多属于慢过程参量控制，被控对象动态特性一般具有大惯性、大滞后和非线性的特点；定值控制是过程控制的一种主要形式，即控制的主要目的是如何减小或消除外界扰动对被控制量的影响。北京交通大学土建学运市政与环境工程系4.过程控制的要求和任务对过程控制的要求安全性：生产过程中确保人身和设备的安全；经济性：生产成本低而效率高；稳定性：具有抑制外部干扰，保持生产过程长期稳定运行的能力。过程控制的任务在了解掌握工艺流程和生产过程的静、动态特性的基础上，根据以上要求，应用控制理论对控制系统进行分析和综合，采用适宜的手段加以实现北京交通大学土建学运市政与环境工程系4.过程控制的要求和任务控制方式和自动化水平控制方式大致可分成三个层面纯手动的就地控制，即电气控制（硬手操）上位机对设备一对一的点动操作（软手操）由程序完成系统的自动控制自动控制控制系统设计达到的自动化水平为系统全自动运行，具备无人值守的能力和条件，特殊情况下能满足运行人员半自动程序控制、跳步以及手动控制要求，应急手动操作切换在就地控制箱或其它就地设备上进行。北京交通大学土建学运市政与环境工程系主要内容一、控制系统概述1.自动化技术所涉及的内容2.控制系统的发展3.过程控制的特点4.过程控制的要求和任务二、控制系统的基本知识1.自动控制的概念2.自动控制系统的组成3.自动控制系统的分类4.自动控制系统的过渡过程与质量指标三、被控对象的特性1.工业过程被控对象2.被控对象数学模型的建立3.描述被控对象特性的参数4.被控对象特性的实验测定方法北京交通大学土建学运市政与环境工程系1.自动控制的概念人工控制和自动控制北京交通大学土建学运市政与环境工程系手：执行作用，即运算作用脑：思考、分析、比较眼：观察作用锅炉给水自动调节汽包水位—调节对象（被控对象）水位值（H）—被调量（被控变量）须维持在给定范围规定水位（H0）—给定值给水阀门—调节机构（控制装置）北京交通大学土建学运市政与环境工程系图1-1所示的控制过程是由人来直接进行的，所以叫做人工控制（调节）。人工控制过程通过人的三个器官来完成，其质量取决于运行人员的运行经验和操作熟练程度，控制精度较低。图1-2所示，若用一套自动控制装置来代替上述人工操作，就叫自动控制（自动调节）。北京交通大学土建学运市政与环境工程系实现过程控制的步骤确定控制目标选择被控参数操作量的选择控制方案的确定选择控制策略执行器的选择设计警报和联锁保护系统控制系统的调试、运行和调节器的参数整定北京交通大学土建学运市政与环境工程系被控对象或过程被控变量y(t)给定值x(t)扰动变量f(t)控制作用u(t)操纵变量q(t)测量值z(t)偏差e(t)反馈开环控制（离线控制）闭环控制（在线控制）数/模（D/A）转换模/数（A/D）转换自动控制系统的常用术语北京交通大学土建学运市政与环境工程系自动控制系统包括被控对象和控制装置自动控制系统是受控对象和控制装置的总体，它能自动控制受控对象的工作状态人手电机控制调节机构，阀门、执行装置（执行器）：人脑运算发出调节信号，器）：与给定值比较、运算、放大部件（调节人眼等、计、电信号，液位计、流量被调量测量部件（变送器）：控制装置被控对象PIDDDpH2.自动控制系统的组成北京交通大学土建学运市政与环境工程系自动控制系统工艺控制流程图在表示一个生产过程的自动控制系统时，常用带控制点的工艺流程图来表示。该图是用自控设计的文字符号和图形符号在工艺流程图上描述生产过程自动控制的原理图，为自控设计的主要内容之一，是由工艺人员和自控人员共同研究绘制的。北京交通大学土建学运市政与环境工程系自控系统常用图例符号自控系统常用图例符号的统一规定表1-1、表1-2和图1-1仪表位号工艺控制流程图（P&ID）北京交通大学土建学运市政与环境工程系自动控制系统的方框图北京交通大学土建学运市政与环境工程系3.自动控制系统的分类按控制方式分按给定值操纵的开环控制按设定值的性质分恒值系统（镇定系统）随动系统（伺服系统）程序控制系统按干扰补偿的开环控制北京交通大学土建学运市政与环境工程系按系统的结构特点分反馈控制系统（闭环控制）前馈控制系统（开环控制）复合控制系统（前馈—反馈控制系统）按计算机参与过程监控的目的和方式分计算机数据采集系统（DataAcquisitionSystem—DAS）操作指导监控系统（OperateGuideControlSystem—OGCS）直接数字控制系统（DirectDigitalControl—DDC）监督控制系统（SupervisoryComputerControl—SCC）分级控制系统（HierarchicalControlSystem—HCS）分散控制系统（DistributedControlSystem—DCS）3.自动控制系统的分类北京交通大学土建学运市政与环境工程系e.g.分析家用电冰箱控制系统工作过程，并画出温度控制系统的原理方框图〔题意分析〕受控对象—被控量—给定值—控制装置—〔解题步骤〕①画出制冷控制系统工作原理图②电冰箱的工作过程③画出电冰箱温度控制系统的原理方框图北京交通大学土建学运市政与环境工程系（2）控制系统的过渡过程4.自动控制系统的过渡过程与质量指标自动控制系统的过渡过程（1）系统的静态和动态静态动态平衡状态过渡过程：自动控制系统处在动态时，被控参数随时间变化的过程称为自动控制系统的过渡过程（或自动调节系统的调节过程）。即系统从一个平衡状态过渡到另一个平衡状态。过渡过程曲线：被控量随时间变化的曲线（也称调节过程曲线）。其作用是分析对象的动态特性。对于一个自动控制系统，不管是在设计还是在运行阶段，评估系统质量的依据主要是系统的过渡过程。北京交通大学土建学运市政与环境工程系（3）干扰信号的形式（4）控制系统过渡过程的几种形式阶跃信号斜坡信号正弦波信号脉冲信号t＜t0：x(t)=0t≥t0：x(t)=x0x0x0tttttt阶跃扰动单调发散（非周期发散）发散振荡等幅振荡单调衰减（非周期振荡）衰减振荡tttt000yxxxx0x0-x0xx0000000t0yyyy北京交通大学土建学运市政与环境工程系自动控制系统的质量指标—稳、准、快（1）稳定性最大偏差ymax超调量A衰减比n（2）准确性稳态偏差y∞有差控制系统无差控制系统（3）快速性过渡时间t∞振荡周期T稳、准、快三个指标常常是相互矛盾相互制约的，要求同时满足是困难的。稳定性过高了就会影响快速性，使调节过程加长；反之，若片面追求快速性，将使稳定性下降。在实际工作中应根据具体情况综合考虑。一般的原则是，首先满足稳定性要求，再兼顾到准确性和快速性。0△=±5%（±2%）新的稳态值给定值ytTymaxy∞t∞AB北京交通大学土建学运市政与环境工程系影响控制系统质量指标的因素（1）被控对象的特性好坏（2）自动化装置的性能好坏（3）控制参数的选择和调整（4）过程和自动化装置的匹配（5）运行过程中自动化装置的性能和过程特性的不稳定性自动控制系统是由生产过程的工艺设备对象和自动化装置两大部分组成的。而控制系统过渡过程品质指标的优劣，取决于组成系统的各个环节特性，特别是取决于被控对象的特性好坏。此外，自动化装置的性能好坏，参数选择和调整等都影响控制系统质量。如果过程和自动化装置两者配合不当，或在控制系统运行过程中自动化装置的性能和过程特性发生变化时，也会影响系统的控制质量。总之，影响