第1章 自动控制系统概述

—化工仪表及自动化—南京航空航天大学材料学院1第一节自动控制系统的组成第二节自控系统的方块图第三节自控系统的分类第四节过渡过程和品质指标第五节工艺管道及控制流程图第一章自动控制系统概述—化工仪表及自动化—南京航空航天大学材料学院2第一节自动控制系统的组成液位的人工控制进料口执行器变送器控制器（控制仪表）眼看脑想手动检测运算执行液位的自动控制—化工仪表及自动化—南京航空航天大学材料学院3进料口执行器变送器调节器进料口执行器变送器控制站—化工仪表及自动化—南京航空航天大学材料学院4控制器执行器对象测量元件变送器偏差e控制器输出p给定值x操纵变量q测量值－z被控变量yf干扰变量控制器执行器对象测量元件变送器偏差e控制器输出p给定值x操纵变量q测量值－z被控变量yf干扰变量控制系统的4个基本环节：被控对象、检测仪表(测量变送环节)、控制器、执行器几个常用术语：（1）被控对象需要实现控制的设备、机械或生产过程称为被控对象。（2）被控变量对象内要求保持一定数值（或按规律变化）的物理量。（3）操纵变量受执行器控制，用以使被控变量保持一定数值、起控制（控制变量）作用的变量称为操纵变量（控制变量）。（4）干扰除操纵变量,作用于对象并引起被控变量变化的其他因素.（5）给定值工艺规定被控变量所要保持的数值。（6）偏差设定值与测量值之差。—化工仪表及自动化—南京航空航天大学材料学院5被控对象——被控变量——操纵变量——干扰作用——操纵介质——进料口执行器变送器控制器qfy贮槽液位y控制阀出料流量q进料流量的改变f流体蒸汽加热器温度控制系统加热器出料口温度T加热蒸汽流量q进料流量/温度的改变f蒸汽—化工仪表及自动化—南京航空航天大学材料学院6第二节自动控制系统的方块图控制器控制阀被控对象偏差控制器输出操纵变量测量元件变送器给定值测量值被控变量干扰作用ｘｘｐｑｆｙ－ｚ二者存在一一对应关系！方块连线箭头进料口蒸汽加热器温度控制系统进料流量变化进料温度的变化加热蒸汽压力变化加热器出料口温度蒸汽流量的变化—化工仪表及自动化—南京航空航天大学材料学院7自动控制系统方块图：控制器被控对象测量变送装置+－SP执行器控制器+－SP广义对象执行器、被控对象及测量变送环节统称为广义对象固定因素补偿因素—化工仪表及自动化—南京航空航天大学材料学院8控制器控制阀被控对象偏差控制器输出操纵变量测量元件变送器给定值测量值被控变量干扰作用Ｘ+eｐｑｆｙ－ｚ系统运行的基本要求:自动控制系统的（最）基本要求是系统运行必须是稳定的.反馈:是控制系统的输出（即被控变量）通过测量变送返回到控制系统的输入端，并与设定值比较的过程。负反馈:反馈的结果使系统的输出减小的反馈类型。e=x-z正反馈:反馈的结果使系统的输出增加的反馈类型。e=x+z工业控制系统一般情况下都应为负反馈。反馈与闭环—化工仪表及自动化—南京航空航天大学材料学院9②闭环与开环闭环——系统的输出被反馈到输入端并与设定值进行比较的系统称为闭环系统，此时系统根据偏差控制，直至消除偏差。控制器被控对象测量变送装置+－SP执行器开环——系统的输出没有被反馈回输入端，执行器仅只根据输入信号进行控制的系统称为开环系统。系统的输出与偏差无关。要实现自动控制，系统必须闭环—前提闭环控制系统稳定运行的必要条件是负反馈。—化工仪表及自动化—南京航空航天大学材料学院10③正作用与反作用(如何保证系统是负反馈的）正作用环节：输出信号随输入信号的增加而增加的环节。反作用环节：输出信号随输入信号的增加而减小的环节。例如：对于控制器来说，测量值增大，输出增大，称为正作用控制器能否构成负反馈系统和系统中各环节的特性有关液位控制器液体储槽液位变送器+－SP执行器进料口执行器变送器控制器“反”“正”“正”“正”“反”“反”由于对象和执行器的特性是由实际的工艺现场条件决定的，所以应当通过控制器的正、反作用特性来满足系统负反馈的要求.—化工仪表及自动化—南京航空航天大学材料学院11第三节自动控制系统的分类（一）按设定值的特点区分:（按照需要控制的给定值是否/如何变化来分类）：1、定值控制系统：设定值是由工艺要求给出的不变常数;通常要求被控变量尽量与设定值一致。2、随动控制系统：设定值随时间不断发生变化;（自动跟踪系统）通常要求被控变量与设定值一起变化。3、程序控制系统：设定值是一个已知时间函数;（顺序控制系统）即生产技术指标按一定时间程序变化。—化工仪表及自动化—南京航空航天大学材料学院12（二）按补偿干扰的方法分:反馈调节器执行器对象传感器、变送器+－SPxzeuqyf干扰f（t）被控变量调节器操纵变量补偿干扰前馈前馈补偿器执行器对象传感器、变送器pqy干扰f干扰f（t）变送器补偿器操纵变量补偿干扰前馈+反馈调节器执行器对象传感器、变送器+－SPxzey干扰f变送器前馈补偿器++—化工仪表及自动化—南京航空航天大学材料学院13（三）按控制系统的复杂程度区分:简单控制系统复杂控制系统（四）按控制变量的名称区分:温度控制系统压力控制系统……（五）按调节规律区分:P、PI、PD、PID、预估控制……（六）按被控变量对操作变量的影响分:闭环控制系统——如：反馈控制开环控制系统——如：前馈控制—化工仪表及自动化—南京航空航天大学材料学院14第四节控制系统的过渡过程和品质指标一、控制系统的静态（稳态）与动态控制系统的作用：尽可能使被控变量与设定值保持一致（或随设定值变化），当被控变量受干扰而偏离设定值时，控制作用必须驱使它（被控变量）回到设定值。静态：被控变量不随时间变化的平衡状态（不是静止）。如果控制系统是稳定的，假设设定值和干扰都保持不变，经过足够长的时间，控制系统中各参数必然会到达一个“相对”平衡状态，这种状态就是所谓的“静态”或“稳态”。从理论上讲，可行。但干扰时刻存在，系统用何种方式来克服这些干扰，仅用“静态”概念不能很好地解答。—化工仪表及自动化—南京航空航天大学材料学院15动态：被控变量随时间变化的不平衡状态。如果系统原来处于静态。出现干扰-被控变量-控制器。从干扰发生、系统控制、直到重新建立平衡的过程称为“动态”过程。工艺设计围绕系统“静态”特性开展工作，自动控制是在“静态”特性基础上研究其“动态”特性――当系统失去平衡以后，如何使系统重新回到平衡状态。如何来评价自控系统的质量？必须分析“系统失稳以后能否重新回到平衡状态”“从系统失稳到重新回到平衡状态”这个过程的各种指标。—化工仪表及自动化—南京航空航天大学材料学院16二、控制系统的过渡过程过渡过程：受到干扰作用后系统失稳，在控制系统的作用下，被控变量回复到新的平衡状态的过程。阶跃干扰：在某一瞬间t0干扰突然阶跃式地加入系统，并保持在这个幅值。阶跃干扰比较突然、危险、对控制系统的影响也最大容易产生阶跃干扰。分析和设计控制系统时，往往选定阶跃信号作为输入e(t)Aytt0—化工仪表及自动化—南京航空航天大学材料学院17几种典型的过渡过程：非周期衰减过程衰减振荡过程等幅振荡过程发散振荡过程单调发散过程√√？XX一般是不允许的；除开关量控制回路—化工仪表及自动化—南京航空航天大学材料学院18三、控制系统的控制指标通常取衰减振荡来讨论控制系统的品质指标。以系统受到阶跃输入作用后的响应曲线的形式给出。主要包括：最大偏差（或超调量）衰减比余差过渡时间振荡周期（振荡频率）……★—化工仪表及自动化—南京航空航天大学材料学院19阶跃干扰作用下的过渡过程（设定值固定，加阶跃干扰）——定值系统t()yt0BB()e3t2t1tC25稳定误差范围：％或者％的新稳态值最大偏差emax：maxeBC衰减比n：/nBB余差e(∞)：()()eCy过渡时间tp：3ptt振荡周期：21tt超调量B设定值新稳态值—化工仪表及自动化—南京航空航天大学材料学院20阶跃给定作用下的过渡过程（设定值变化）——随动系统超调量σ：/*100%BC衰减比n：/nBB余差e(∞)：()e过渡时间tp：3ptt振荡周期：21ttt()ytSp0BB()e3t2t1tC25稳定误差范围：％或者％的新稳态值—化工仪表及自动化—南京航空航天大学材料学院21自动控制系统希望的结果：•最大偏差（超调量）？•衰减比？•余差？•过渡时间？•振荡周期？•答：越小越好。•n＝1等幅振荡n＜1发散振荡n＞1衰减振荡n1不振荡•为了保持有足够的稳定程度，衰减比一般取为4：1至10：1。•n1不振荡：不便于操作人员掌握。•答：越小越好•答：越小越好•答：短好—化工仪表及自动化—南京航空航天大学材料学院22四、影响控制指标的主要因素固定因素：被控对象特性测量仪表特性执行器特性补偿因素：控制器特性——这是自动控制的主要研究内容—化工仪表及自动化—南京航空航天大学材料学院23例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。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)。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℃衰减比n＝25：5＝5：l4、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)5、若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，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，过渡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。—化工仪表及自动化—南京航空航天大学材料学院24第五节工艺管道及控制流程图（P&ID）乙烯生产过程中脱乙烷塔的工艺管道及控制流程图工艺流程控制方案控制流程—化工仪表及自动化—南京航空航天大学材料学院25(1)图形符号——检测点一般是由工艺设备轮廓线或工艺管线引到仪表圆圈的连接线的起点必要时也可以用象形或图形符号表示(2)图形符号——连线通用的仪表信号线均以细实线表示(3)图形符号——仪表符号仪表的图形符号是一个细实线圆圈，直径约10mm就地安装仪表就地安装仪表嵌在管道中集中仪表盘面安装仪表就地仪表盘面安装仪表集中仪表盘后安装仪表就地仪表盘后安装仪表同一个检测点，有两个或多个测量，可用两个或多个相切的圆表示交叉相接ATTENTION管道、仪表流程图的图形符号不是完全标准一致的，国内与国外、不同设计单位之间、甚至不同设计人员之间，有些方面会有不同的标注习惯，一般来说P&ID图会有图例给出。例如，国内设计院一般较少用多个圆相切的形式来表示复合仪表，而国外则更常见。—化工仪表及自动化—南京航空航天大学材料学院26仪表符号除了图形之外，圆圈之中还应有一串有字母和数字组成的代号称为“仪表位号”。例如：PIC－207TRC－210……(4)字母代号字母编号写在圆圈的上半部。第一位字母表示被测变量后继字母表示仪表的功能PIC－207压力指示控制(5)数字代号数字编号写在圆圈的下半部。第一位数字表示段号后续数字(二位或三位数字)表示仪表序号。第2工段仪表序号为07PIC207—化工仪表及自动化—南京航空航天大学材料学院27乙烯生产过程中脱乙烷塔的工艺管道及控制流程图压力指示第2工段仪表序号为06流量记录控制流量指示报警—化工仪表及自动化—南京航空航天大学材料学院28拉普拉斯变换和传递函数已知：设定值发生单位阶跃变化请问：该闭环系统的输出是什么？为简化起见，设有两个串联环节：1()f2()fxyz已知：210210yayayaybxbxbx210210zczczczdydydy求：()zfx控制器执行器对象传感器、变送器+－SPxzeuqyf补充知识：—化工仪表及自动化—南京航空航天大学材料学院29①拉普拉斯变换拉氏变换：将实变量t的函数f（t）变换成复变量s（s=α+jβ）的函