第一讲自动控制系统概述

自动控制系统概述图1液位人工操作图一、人工操作图检测——用眼睛观察玻璃管液位计中的液位的高低，并通过神经系统告诉大脑。第一节基础知识•运算、命令——大脑根据眼睛看到的液位高度，并加以思考，并与要求的液位进行比较，得出偏差的大小和正负，然后根据操作经验，经思考、决策后发出命令。图2人工操作图•执行——根据大脑发出的命令，通过手去改变阀门开度，一改变流出量Q0，从而把液位保持在所需要高度上。图3人工操作图控制速度和精度不能满足大型现代化生产的需要测量元件与变送器——图中以LT表示液位变送器。作用是测量液位，并将高低转化为一种特定的信号。图4液位自动控制二、自动控制图图4液位自动控制自动控制器——图中以LC表示液位控制器。它接受变送器送来的信号，与工艺要求的液位高度相比较，得出偏差，并按某种运算规律算出结果，然后将此结果，用特定信号发送出去。执行器——通常指控制阀，它和普通阀门的功能不一样，它自动地根据控制器送来的信号值改变阀门的开启度。图4液位自动控制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图4液位自动控制被控对象：水箱三、专业术语载有变量信息的物理变量是信号。系统或环节uy图5输入、输出变量图输入变量：箭头指向方块的信号u表示施加到系统或环节的独立变量；输出变量：箭头离开方块的信号，表示系统或环节送出的信号；多输入多数出系统：一个系统同时有几个输入变量和几个输出变量。图6简单水槽Qi和Qo和为输入信号，h为输出信号Qi水槽Qoh•四、自动控制系统方块图在研究自动控制系统时，为了能更清楚地表示出一个自动控制系统各个组成的环节之间的相互影响和信号联系，便于对系统分析研究，往往将表示各环节的方块根据信号流的关系排列与连接起来，组成自动控制系统的方块图。•被控变量：被控对象中需要加以控制的变量，图中以y表示，在液位控制中是液位h。图7自动控制系统方块图图8液位自动控制•干扰作用：影响被控变量y的因素来自进料流量的改变，这种引起被控变量波动的外来因素称为干扰作用，用f表示。•出料流量即为控制阀方块的输出变量。出料流量q的变化是影响液位变化的因素，也是作用于对象的输入变量。图7自动控制系统方块图•贮槽液位信号是测量元件及变送器的输入，而变送器的输出信号z进入比较机构，与工艺上希望保持的被控变量值x比较，得到偏差e=x-z,并送入控制器。•控制器根据e的大小，按一定的规律运算后，发出控制信号p送至控制阀，使控制阀的开度发生变化，改变出料流量以克服干扰对被控变量的影响。图7自动控制系统方块图图7自动控制系统方块图•调节变量：具体实现控制作用的参数；•调节介质：用来实现控制作用的物料。•其他控制系统用同一种形式的方块图可以代表不同的控制系统当进料流量或温度变化等因素引起出口物料温度变化时，可以将该温度变化测量后送至温度控制器TC。温度控制器的输出送至控制阀，以改变加热蒸汽量来维持出口物料的温度不变。图8蒸汽加热器温度控制系统反馈自动控制系统是一个闭环系统，是由于反馈的存在造成的。图8自动控制系统方块图系统的输出信号直接或经过一些环节从新返回到输入端的做法叫做反馈。图9自动控制系统方块图方块图中，x指设定值；z指输出信号；e指偏差信号。以x作为正值，z作为负值，偏差信号e=x-z。z作为负值，所以叫负反馈；以x作为正值，z作为正值，偏差信号e=x+z。z作为正值，所以叫正反馈。小结自动控制系统是具有被控变量负反馈的闭环系统。它与自动测量、自动操纵等开环系统比较,最本质的差别,就在于控制系统有无负反馈存在。•五、自动控制系统的分类按被控变量来分类，如温度、压力等控制系统；按控制器具有的控制规律来分类，如比例、比例积分、比例微分、比例积分微分等控制系统；将控制系统按照工艺过程需要控制的被控变量的给定值是否变化和如何变化来分类，这样可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“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。1.定值控制方法2.随动控制系统（自动跟踪系统）系统的给定值不断地变化，且这种变化不是预先规定的（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。3.程序控制系统（顺序控制系统）自动化系统中的给定值变化，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。第二节过渡过程和品质指标一、控制系统的静态与动态自动控制目的：希望将被控变量保持在一个不变的给定值上，这只有当进入被控对象的物料量（或能量）和流出对象的物料量（或能量）相等时才有可能。1.静态——被控变量不随时间而变化的平衡状态（变化率为0，不是静止）。当一个自动控制系统的输入（给定和干扰）和输出均恒定不变时，整个系统就处于一种相对稳定的平衡状态，系统的各个组成环节如变送器、控制器、控制阀都不改变其原先的状态，它们的输出信号也都处于相对静止状态，这种状态就是静态。2.动态——被控变量随时间变化的不平衡状态。从干扰作用破坏静态平衡，经过控制，直到系统重新建立平衡，在这一段时间中，整个系统的各个环节和信号都处于变动状态之中，这种状态叫做动态。结论：在自动化工作中，了解系统的静态是必要的，但是了解系统的动态更为重要。因为在生产过程中，干扰是客观存在的，是不可避免的，就需要通过自动化装置不断地施加控制作用去对抗或抵消干扰作用的影响，从而使被控变量保持在工艺生产所要求控制的技术指标上。•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。举例图9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-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。阶跃干扰:某一瞬时t0干扰突然阶跃式地加到系统个上，并保持在这个幅度上。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。图10阶跃干扰作用自动控制系统在阶跃干扰作用下过渡过程的四种形式：此过程的衰减，为稳定的过渡过程，逐渐的趋向原来的或新的平衡状态。1.非周期衰减过程被控变量在给定值得某一侧缓慢变化，没有来回波动，最后稳定在某一数值上。此过程的衰减，为稳定的过渡过程，逐渐的趋向原来的或新的平衡状态。2.衰减振荡过程被控变量在给定值上下波动，但幅度逐渐减小，最后稳定在某一数值上。此过程介于不稳定和稳定之间，一般认为不稳定的过渡过程。但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，才可采用。3.等幅振荡过程被控变量在给定值附近来回波动，但波动幅度保持不变。此过程形式为发散型，为不稳定的过渡过程。去控制变量在控制过程中不但不能达到平衡，而且逐渐远离给定值。4.发散振荡过程被控变量来回波动，且波动幅度逐渐增大，即偏离给定值越来越远。三、控制系统的控制指标多数情况下，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。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图11过渡过程品质指标示意图图12过渡过程品质指标示意图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A。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。超调量B是第一个波峰值A与新的稳定值C之差，即B=A-C。（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。图中衰减比是B:B’，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图13过渡过程品质指标示意图图14过渡过程品质指标示意图五种重要品质指标之三（3）余差当过渡过程结束时，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。余差的符号可以是正，也可以是负。在生产中，余差越小越好。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％）。图14过渡过程品质指标示意图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。图14过渡过程品质指标示意图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℃）。举例图15温度控制系统过渡过程曲线解:（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℃，故衰减比应为B:B′＝25:5＝5:1。（4）振荡周期为同向两波峰之间的时间间隔，故周期T＝20-5＝15min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，（5）过渡时间为22min。•四、影响控制指标的主要因素一个自动控制系统可以概括成两大部分，即工艺过程部分（被控对象）和自动化装置部分。前者指与该自动控制系统有关的部分。后者指为实现自动控制所必需的自动化仪表设备，通常包括测量与变送装置、控制器和执行器等三部分。对于一个自动控制系统，过渡过程品质的好坏，在很大程度上决定于对象的性质。例如在前所述的温度控制系统中，属于对象性质的主要因素有：换热器的负荷大小，换热器的结构、尺寸、材质等，换热器内的换热情况、散热情况及结垢程度等。不同自动化系统要具体分析。例题分析1.图7-16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。图1-16水箱液位控制系统例题分析解：方块图如图1-17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_图1-17方块图例题分析