自动控制系统基本概念

1自动控制技术基本概念2第一节自动控制概述一、人工调节与自动调节1、人工调节过程3•眼的观察：监视被调参数的变化•大脑的思维：比较、决策、发出命令•手的执行：改变阀门的开度42、自动调节过程检测被调参数并转化为标准信号比较被测参数并发出执行命令改变阀门的开度，改变被调参数5二、自动控制系统的定义自动控制是在人不直接参与的情况下，利用外加的设备或装置，使整个生产过程或工作机械（被控对象）自动地按预定规律运行，或使某个参数（被控参数）按预定要求变化。自动调节系统是利用自动化装置克服干扰，把偏离给定值的被调参数调回到给定值上的系统。6三、自动控制系统的组成被控对象——生产设备变送器自动化装置控制器执行器调节器执行器被控对象显示仪表变送器简单控制系统组成示意图7四、基本术语1.调节对象：自动化装置控制下的生产设备2.被调参数：需维持在某一预定范围的参数3.给定值：要求被调参数稳定的某一范围4.干扰：影响被调参数偏离给定值的因素5.控制作用：把偏离给定值的被调参数调回给定值的作用6.偏差：给定值与被调参数测量值之差8五、自动控制分类1.自动检测系统：P、Q、T、H检测2.自动保护系统：对参数的保护控制3.定值控制系统：将参数稳定在一定范围，又称自动调节系统4.自动操纵系统：程序控制5.随动控制系统：自动跟踪系统9六、自动控制系统的方框图1、方框图：反映系统各组成部分之间的相互影响和信号联系。102、正、负反馈反馈：把输出信号重新送回到输入端的过程正反馈：使原来的输入信号(e)增强的反馈e=x+z负反馈：使原来的输入信号(e)减小的反馈e=x-z11第二节自动控制系统的过渡过程及品质指标一、系统的静态和动态静态：平衡状态相对的、暂时的、有条件的动态：参数不断变化状态普遍的、绝对的、无条件的12二、自动控制系统的过渡过程1.自动控制系统的过渡过程被控变量随时间变化而变化的过程称为自动控制系统的过渡过程2.阶跃干扰干扰比较突然，比较危险，对被控变量的影响也最大干扰的形式简单，容易实现，便于分析、实验和计算。13阶跃干扰作用图143.过渡过程的四种基本形式(1)非振荡的单调过渡过程被控变量在给定值的某一侧作缓慢变化，没有来回波动，最后稳定在某一数值上,(图(a))(2)衰减振荡过程被控变量上下波动，但幅度逐渐减小，最后稳定在某一数值上，(图(b))(3)等幅振荡过程被控变量始终在某一幅值的上下波动，(图(c))(4)发散振荡过程被控变量上下波动，幅度逐渐变大，(图(d))15过渡过程的几种基本形式图164.自动控制系统的品质指标余差c（静差）：过渡过程终了时的残余偏差最大偏差或超调量A：被控变量偏离给定值的最大值衰减比n：表示衰减程度的指标，即曲线中前后两个相邻波的峰值之比，即：B：B，习惯上用n:1表示过渡时间(或回复时间)Ts:从干扰作用后，系统从原来的平衡状态过渡到另一个新的平衡状态所需的时间17阶跃干扰作用时过渡过程品质指标示意图18第三节被控对象的特性指被控对象在受到输入信号作用(干扰作用或控制作用)后，其输出信号(亦即被控变量)随时间变化的特性。一、描述对象特性的参数1．放大系数K2．滞后时间τ3．时间常数Tc水槽液位的变化曲线19有容量滞后的对象特性不同时间常数时的反应曲线20二、对象特性的数学描述(数学模型)在工艺流程和设备结构已定的条件下，研究系统的各个输入变量是如何影响系统的状态和输出变量的三、对象特性的测取1对象的反应曲线21矩形脉冲特性曲线2．矩形脉冲法22第四节基本控制规律一、控制（调节）规律：1.控制器输入偏差e与输出变化值P的关系2.基本控制（调节）规律：位式控制、比例控制、积分控制、微分控制23（一）双位控制1.位：阀门开、关的位置。2.双位：阀门全开、全关两个位置。3.双位控制是指当测量值大于给定值时，控制器输出为最大，当测量值小于给定值时，控制器输出为最小（即开或关）。24贮罐液位控制：液位上升，与电极接触，继电器接通，线圈内可动铁芯移动，关闭阀门25调节特性：缺点：执行机构的动作过于频繁被控变量产生持续的等幅振荡过程t阀门26具有中间区的双位控制过程27（二）比例控制（P控制）控制器输出的改变量与被控变量的偏差值成正比例。P=KP·e1、液位比例控制282.比例度δ使控制器输出变化全范围时，输入偏差改变了满量程的百分数。比例度可用下式来表示。式中e——控制器输入变化量(即偏差)△P——Xmax－Xmin——Pmax－Pmin——控制器输出的工作范围%100//minmaxminmaxpppXXe293.控制器比例度δ的大小与输入输出的关系比例度与输入和输出的关系304、特点反应快、无滞后，偏差大，输出也变化大，但存在余差，只适于有差调节系统。存在余差的原因：负荷变化前，浮球在一个位置，进口阀门在某一个开度，出量增大后，液位降低，浮球下降，进口阀门开度增大，进、出水量一相等，液位在新的位置平衡。31（三）积分控制（I控制）积分控制作用的输出变化量与偏差的积分成正比。只要偏差存在，积分作用一直作用下去，就有输出信号，能消除余差缺点：在偏差出现的瞬间不能立即作用edtTPi132（四）微分控制（D控制）控制器的输出变化量与偏差变化速度成正比。对变化速度快的偏差，微分调节输出变化值也大，有“超前”调节功能。对不变化的偏差，微分控制不起作用，也不能消除余差。dtdeTPD33阶跃输入时微分调节器特性34微分时间对过渡过程的影响35（五）比例积分微分（PID）控制系统1.控制器的输出为三部分输出之和。2.当偏差刚出现时，微分作用立即变化（因变化快），比例也同时起作用，使输出信号发生突然的大幅度变化，然后慢慢下降，随着时间累积，积分作用逐渐起主导作用。36PID控制器输出特性37(六)比例、积分、微分控制规律小结它根据“偏差的大小”来动作。它的输出与输入偏差的大小成比例，控制及时、有力，但是有余差。用比例度δ来表示其作用的强弱。δ越小，控制作用越强。比例作用太强时会引起振荡。它根据“偏差是否存在”来动作。它的输出与偏差对时间的积分成比例，只有当余差完全消失，积分作用才停止。其实质就是消除余差。但积分作用缓慢，使最大动偏差增大，延长了控制时间。用积分时间TI表示其作用的强弱，TI越小，积分作用越强，积分作用太强时，也易引起振荡。微分控制“偏差变化速度”来动作。它的输出与输入偏差变化的速度成比例，其实质和效果是阻止被控变量的一切变化，有超前控制的作用。对滞后大的对象有很好的效果。使控制过程动偏差减小，时间缩短，余差也减小(但不能消除)。用微分时间TD表示其作用的强弱，TD大，作用强。TD太大，会引起振荡。38习题与思考题自动控制系统由哪几部分组成？自控系统的过渡过程有哪几种基本形式？各有什么特点？控制器有哪些基本控制规律?它们各有什么特点?比例度δ、积分时间TI、微分时间TD对控制过程有何影响?在所介绍的几种控制规律中，哪些能消除余差?哪些不能消除余差?为什么？39一个气动比例式温度控制器测量的全量程为0～1000℃，控制器的输出范围为0.02～0.1MPa。当指示值变化100℃时，控制器比例度为50%时，求相应的控制器输出将变化多少?当指示值变化多少时，控制器输出变化达到全范围?