自动控制系统概述

自动控制系统概述内容提要自动控制系统的组成系统运行的基本要求自动控制系统的分类自动控制系统的过渡过程和品质指标控制系统的静态与动态控制系统的过渡过程控制系统过渡过程的品质指标传递函数和方框图管道及仪表流程图第一节自动控制系统的组成液位人工操作图液位自动控制图人工操作与自动控制比较图控制速度和精度不能满足大型现代化生产的需要第一节自动控制系统的组成液位自动控制常用术语被控对象：需要实现控制的设备、机械和生产过程被控变量：对象内要求保持一定数值的物理量，即输出量控制变量：受执行器控制，用以使被控变量保持一定数值的物料和能量干扰：除控制变量以外，作用于对象并引起被控变量变化的一切因素给定值：工艺规定被控变量所要保持的数值偏差：设定值与测量值之差第一节自动控制系统的组成自动控制系统的组成：控制器、执行器、被控对象及测量变送环节四部分组成。自动控制系统方块图第一节自动控制系统的组成在自动控制系统的组成中,除必须具有前面所述的自动化装置外,还必须具有控制装置所控制的生产设备。在自动控制系统中,将需要控制其工艺参数的生产设备、机器、一段管道或设备的一部分叫做被控对象,简称对象。要选择好控制系统的对象第二节系统运行的基本要求自动控制系统的基本要求是系统运行必须是稳定的，并应保证满足一定的精度要求和规定的性能指标。要实现自动控制，系统必须是闭环，闭环控制系统稳定运行最基本的必要条件是负反馈。测量变送环节一般具有正作用特性，被控对象和执行器的特性由实际的工艺条件决定，可以通过控制器的正、反作用来满足系统负反馈的要求。第三节自动控制系统的分类按系统的反馈形式可以分为开环和闭环控制系统；按系统的结构形式可以分为简单控制系统和复杂控制系统；按系统的给定值，可以将自动控制系统分为三类，即定值控制系统、随动控制系统和程序控制系统。其中第三种分类方法最普遍第三节自动控制系统的分类“定值”是恒定给定值的简称。工艺生产中，若要求控制系统的作用是使被控制的工艺参数保持在一个生产指标上不变，或者说要求被控变量的给定值不变，就需要采用定值控制系统。特点：设定值是固定不变的闭环控制系统作用：克服扰动的影响，使被控变量保持在工艺要求的数值上1.定值控制系统第三节自动控制系统的分类2.随动控制系统（自动跟踪系统）给定值随机变化，该系统的目的就是使所控制的工艺参数准确而快速地跟随给定值的变化而变化。特点：设定值是一个未知的变化量的闭环控制系统作用：以一定的精度跟随设定值的变化而变化第三节自动控制系统的分类3.程序控制系统（顺序控制系统）给定值变化，但它是一个已知的时间函数，即生产技术指标需按一定的时间程序变化。这类系统在间歇生产过程中应用比较普通。特点：设定值是变化的，且按一定时间程序变化的时间函数作用：以一定的精度跟随设定值的变化而变化程序控制系统可以看成是随动控制系统的特殊情况，其分析研究方法与随动控制系统相同。第四节过渡过程和品质指标二、控制系统的过渡过程系统由一个平衡状态过渡到另一个平衡状态的过程。当干扰作用于对象，系统输出y发生变化，在系统负反馈作用下，经过一段时间，系统重新恢复平衡。举例控制系统方块图控制器执行器对象被控变量测量、变送给定值干扰-第四节过渡过程和品质指标系统在过渡过程中，被控变量是随时间变化的。被控变量随时间的变化规律首先取决于作用于系统的干扰形式。在生产中，出现的干扰是没有固定形式的，且多半属于随机性质。在分析和设计控制系统时，为了安全和方便，常选择一些定型的干扰形式，其中常用的是阶跃干扰。第四节过渡过程和品质指标常见典型信号阶跃信号、斜坡信号、脉冲信号、加速度信号和正弦信号等。阶跃信号A0t≥0t0)(tr数学表达式为：当A=1时称为单位阶跃信号。特点易产生对系统输出影响大便于分析和计算第四节过渡过程和品质指标采用阶跃干扰的优点：这种形式的干扰比较突然、危险，且对被控变量的影响也最大。如果一个控制系统能够有效地克服这种类型的干扰，那么一定能很好地克服比较缓和的干扰。这种干扰的形式简单，容易实现，便于分析、实验和计算。阶跃干扰作用第四节过渡过程和品质指标自动控制系统在阶跃干扰作用下过渡过程的四种形式发散震荡过程X非周期衰减过程√衰减震荡过程√等幅震荡过程？对于控制质量要求不高的场合，如果被控变量允许在工艺许可的范围内振荡（主要指在位式控制时），才可采用。第四节过渡过程和品质指标三、过渡过程的品质指标多数情况下，希望得到衰减振荡过程，在此取这种过程形式讨论控制系统的品质指标。控制指标主要有两类,一类是时间域的单项指标,另一类是时间域的综合指标。控制系统的过渡过程是衡量品质的依据。第四节过渡过程和品质指标1.时间域的各种单项指标假定自动控制系统在阶跃输入作用下，被控变量的变化曲线如下图所示，这是属于衰减振荡的过渡过程过渡过程品质指标示意图第四节过渡过程和品质指标五种重要品质指标之一（1）最大偏差或超调量最大偏差是指在过渡过程中，被控变量偏离给定值的最大数值。在衰减振荡过程中，最大偏差就是第一个波的峰值。特别是对于一些有约束条件的系统，如化学反应器的化合物爆炸极限、触媒烧结温度极限等，都会对最大偏差的允许值有所限制。超调量也可以用来表征被控变量偏离给定值的程度。第四节过渡过程和品质指标（2）衰减比衰减比是衰减程度的指标，它是前后相邻两个峰值的比。习惯表示为n:1，一般n取为4～10之间为宜。五种重要品质指标之二第四节过渡过程和品质指标五种重要品质指标之三（3）余差当过渡过程终了时，被控变量所达到的新的稳态值与给定值之间的偏差叫做余差，或者说余差就是过渡过程终了时的残余偏差。有余差的控制过程称为有差调节，相应的系统称为有差系统。反之就为无差调节和无差系统。第四节过渡过程和品质指标五种重要品质指标之四（4）过渡时间从干扰作用发生的时刻起，直到系统重新建立新的平衡时止，过渡过程所经历的时间叫过渡时间。一般在稳态值的上下规定一个小范围，当被控变量进入该范围并不再越出时，就认为被控变量已经达到新的稳态值，或者说过渡过程已经结束这个范围一般定为稳态值的±５％（也有的规定为±２％）。第四节过渡过程和品质指标五种重要品质指标之五（5）震荡周期或频率过渡过程同向两波峰（或波谷）之间的间隔时间叫振荡周期或工作周期，其倒数称为振荡频率。在衰减比相同的情况下，周期与过渡时间成正比，一般希望振荡周期短一些为好。第四节过渡过程和品质指标某换热器的温度控制系统在单位阶跃干扰作用下的过渡过程曲线如下图所示。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℃）。举例温度控制系统过渡过程曲线第四节过渡过程和品质指标解:最大偏差A＝230-200＝30℃余差C＝205-200＝５℃由图上可以看出，第一个波峰值B＝230-205＝25℃，第二个波峰值B′＝210－205＝5℃，故衰减比应为B:B′＝25:5＝5:1。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）第四节过渡过程和品质指标分析：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％，就可以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，上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，过滤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。例题分析某一电压表在稳定时能够准确显示被测电压值。在被测电压突然变化时,指针来回摆动,最后能够稳定在被测数值上。假定指示系统的衰减比为4:1，当电压突然由0上升到220V后,指针最高能摆到252V。问经三次摆动,指针能到多少伏(即第三个波峰值)。例题分析解：由于第一个波峰离开稳态值为252-220=32(V)第二个波峰值为第一个波峰值的1/4，故为32×1/4=8(V)第三个波峰值为第二个波峰值的1/4，故为8×1/4=2(V)所以指针第三次摆动的最高峰值为222V。例题分析1.图所示为一水箱的液位控制系统。试画出其方块图,指出系统中被控对象、被控变量、操纵变量各是什么?简要叙述其工作过程,说明带有浮球及塞子的杠杆装置在系统中的功能。水箱液位控制系统例题分析解：方块图如图所示。系统中水箱里水的液位为被控变量;进水流量为操纵变量;水箱为被控对象。带有浮球及塞子的杠杆装置在系统中起着测量与调节的功能。其工作过程如下：当水箱中的液位受到扰动变化后,使浮球上下移动,通过杠杆装置带动塞子移动,使进水量发生变化,从而克服扰动对液位的影响。例如由于扰动使液位上升时,浮球上升,带动塞子上移,减少了进水量,从而使液位下降。杠杆系统塞子水箱浮球hh0_第六节管道及仪表流程图连接线通用的仪表信号线和能源线的符号是细实线。连接线表示相连及交叉时，可采用图（a）（b）形式。在复杂系统中，当有必要表明信息流动方向时，应在信号线符号上加箭头,如图(c)所示。(a)(b)(c)仪表安装位置的图形符号表示序号安装位置图形符号备注序号安装位置图形符号备注1就地安装仪表4集中仪表盘后安装仪表嵌在管道中2集中仪表盘面安装仪表5就地仪表盘后安装仪表3就地仪表盘面安装仪表被测变量和仪表功能的字母代号字母第一位字母后继字母字母第一位字母后继字母被测变量修饰词功能被测变量修饰词功能A分析报警P压力C电导率控制Q数量积分累积D密度差R放射性记录E电压S速度安全开关F流量比T温度传送I电流指示V粘度阀K时间W力L物位YM水分Z位置执行机构