自动控制的一些基础知识.ppt

第一章自动控制系统概念及ICA的应用现状,第一节自动控制基础,人类长久以来总是希望实现生产与生活的自动化。然而，直到18世纪自动控制系统在蒸汽机运行中得到成功应用以后，自动化技术时代才算真正开始。在20世纪后半叶得到了快速发展，特别是计算机技术的广泛应用，使得自动控制的应用更为普遍，人们正在追求更广泛领域和更高层次的自动化。下面我们通过几个工业生产和日常生活中常见的自动控制系统，说明自动控制的基本概念。,一、生活环境中的自动控制系统,今天，在人们的日常生活中几乎处处都可见到自动控制系统的存在。如各种温度调节、湿度调节、自动洗衣机、自动售货机、自动电梯等。它们都在一定程度上代替或增强了人类身体器官的功能，提高了生活质量。但人们对日常生活环境自动化的追求是无止境的，新技术和新产品正不断涌现。1、空气调节器空调是一个典型的温度控制系统。夏天，当室温高于用户所设定或期望的温度时，空调就启动制冷装置，使室内温度下降；当室温低于用户所设定或期望的温度时，空调就关闭制冷装置。冬天，当室内温度低于用户所设定或期望的温度时，空调就启动加热装置，使室内温度上升；当室温高于用户所设定或期望的温度时，空调就关闭加热装置。如此，使室温保持恒定。室温采用空气调节器进行控制时，温度变化曲线如图1-l所示。图中，26是人们所期望的室内温度，可通过调节空调上相应的按钮来设定。实际的室温，在进入稳态后，围绕期望温度，在一定范围内来回波动。实现这种温度调节功能的是空调中的温度控制系统。首先，它需要有一个温度计，用来测量室温；其次，需要一个控制器，判断室温是否高于或低于用户设定的温度；还需要一个切换开关和控制作用的实施装置，这里是加热、制冷装置；最后是被控制的装置或对象，即装了空调的房间。这就是一个完整的自动控制系统的四个基本组成部分。,空气调节器,2、电冰箱,电冰箱相当于一个“小房间”的温度控制系统，它主要是制冷装置，但有的也有加热装置，用于自动化霜。空调和电冰箱的设定温度一般不需要经常改变。,3、电饭煲,电饭煲也是一个温度控制系统。高级电饭煲的设定温度可以按人工设定的程序自动变化。例如可将它的温度设定为如图1-2所示的曲线。,电饭煲一切准备就绪后，启动，开始加热，达到约100后，进入恒温阶段，恒温阶段结束后进入保温段，保温段结束后，自动降温，整个温度控制周期完成。它是按照事先设定好的几个步骤来进行控制的，这是此类控制系统的一个重要特征。,4、洗衣机,现在的全自动洗衣机也是按照事先设定好的几个步骤进行工作的，但它的控制过程比较复杂，一个大周期中又包含了几个基本相同的小周期。完整的洗衣机控制系统还包括进水控制、出水控制、平衡控制等。5、其他应该说随着生活水平的提高，人们投入到自动化上的费用越来越多，自动化系统也日益随处可见，如电梯、自动门、自动路灯、自动洁具、保安系统等。,二、工业生产中的自动控制系统,现代工业按所加工的原材料可划分为两大类。一类是气体、液体和粉体，这是石油、化工、制药、轻工、食品、建材等行业的主要工况，主要控制温度、压力、物位、流量、成分等参数，这是本课程涉及的主要内容；另一类是对已成型材料的进一步加工或对多种已成型材料（各种元器件）的装配，主要控制位移、速度、角度等参数。早期的工业生产中，控制系统较少。随着生产装置的大型化、集中化和过程的连续化，自动控制系统越来越多，越来越重要。,过程控制系统的两种表示形式,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),1、液位控制,工业生产有很多贮罐和容器（如油罐、水箱、锅炉气包等）需要控制液位。,图13是一个水槽的人工液位控制系统。假设工人可以看到液位的高低变化，那么，根据液位的高低变化，工人手动操作阀门，可以使槽中液位保持基本恒定。,1、液位控制,如果用一个浮球代替人的眼睛“观测”液位，用一个杠杆系统代替人的手臂和大脑，则可构成一个液位自动调节系统，如图l4所示。,其工作原理是：当液位受干扰上升时，浮球上升，杠杆a端上升，b端下降，阀门的阀芯下降，使水槽的进水量Qi减少，Qi的减少使液位下降，最终达到一个稳定的平衡点，实现控制的目的。当液位受干扰下降时，调节过程相反，同样能使液位稳定在平衡点。,图1-4已经是一个实用的液位控制系统，但当需要将液位信号传送到远方的控制室时，就需要改为电动式。用一个能送出电信号的液位测量仪表代替浮球，用一个电动调节器代替杠杆，阀门也换成可接受电信号的阀门，就构成了一个目前常见的液位控制系统。如图1-5所示，LT表示液位测量及信号变换装置，LC表示液位控制器，控制阀为执行器。,2、温度控制,工业生产中存在大量的加热炉，一般是通过控制燃料的量来保证被加热物料达到或保持在所需要的温度。换热器是常见的工业设备，它通过冷热流体的热量交换实现对冷流体加热的目的，控制手段通常是调节热流体的流量，如图1-6所示。图中，TT表示温度测量仪表，TC表示温度调节器。另外，化学反应器中化学反应的温度，也要求进行温度控制。,三、信息处理,信息化时代最常用的也是最基本的工具就是计算机，而计算机本身就是一台进行信息处理的具有一定智能的复杂自动化设备。计算机一接通电源，它的各种内部程序就不停地进行工作，实施各种控制工作。键盘和鼠标相当于测量仪表，它时刻准备接受各种输入信息，一旦接受到信息，计算机就按照事先设定的各种控制功能进行信息处理，输出控制信号或显示控制结果。简单的如打印一份文稿、显示一个画面等。如果键盘和鼠标在设定的时间区间内没有接受到任何信号，则屏幕变暗，显示屏幕保护程序画面，直至又有信号从键盘和鼠标输入。又如查询，计算机从键盘接收到查询任务的信息命令，就启动有关的程序，到数据库中找出用户所要的数据，再表达成用户所要求的形式，保存在某个区域，显示在屏幕上或打印在纸上。计算机就是由若干个类似的程序控制系统组合而成的复杂的自动化装置。,四、生物系统,生物个体特别是高级生物中存在着许多比计算机还要复杂得多的综合智能自动化系统。以人为例，人体的体温就被比较精确地控制在37左右，人体运动时保持平衡，可以认为人体的所有活动都存在着相应的自动控制系统。人类目前对生物控制机理的了解还很有限，能够施加的影响更少。但这是一个很有前景的领域，目前医学上已经有一些自动控制应用的实例。生物群体内部和群体之间的许多关系也可以用控制理论加以描述和施加控制。,五、社会经济系统,这方面的应用很多，但有许多工作由非自动化专业人员在进行。就像工业界的早期，控制很少，就由各类工艺和机械类专业人员附带而为，等到这方面的工作越来越多，越来越重要，才分化出自动化专业。尽管如此，在许多国家，自动控制仍由各类工艺专业、电子电气专业和机械类专业人员附带进行。经济系统中的物价控制，就有许多调节手段，如印发钞票量的增减、货物供应的增减、工资的增减、基建的增减、税率的调整、银行利率的调整等，其控制过程与工业过程控制运用的是基本类似的理论和方法。当然，每一种类型的控制系统都有其自身的特点。社会经济控制系统最鲜明的特点就是被控制系统中包含了人这个高级生物，由此带来许多复杂性和特殊性。证券市场、人口控制、环境保护等都是便于运用控制理论来加以分析和控制的领域。,第二节、基本概念及术语,一、自动控制系统的组成根据控制对象和使用要求的不同，控制系统有不同的组成结构，但从控制功能角度看，控制系统一般均由以下基本环节组成。如图2-1所示。,（1）设定装置。其功能是设定与被控量相对应的给定量，并要求给定量与测量变送装置输出的信号在种类和量纲上一致。（2）比较放大装置。其功能是首先将给定量与测量值进行计算，得到偏差值，然后再将其放大以推动下一级的动作。（3）执行装置。其功能是根据前面环节的输出信号，直接对被控对象作用，以改变被控量的值，从而减少或消除偏差。（4）测量装置。其功能是检测被控量，并将检测值转换为便于处理的信号（如电压、电流等），然后将该信号输入到比较装置。（5）校正装置。当自动系统由于自身结构及参数问题而导致控制结果不符合工艺要求时，必须在系统中添加一些装置以改善系统的控制性能。这些装置就称为校正装置。（6）被控对象。指控制系统中所要控制的对象，一般指工作机构或生产设备。,二、基本概念,系统按照某种划分得到的若干元素的集合。反馈将系统输出信号引回并加入到输入信号的系统结构和工作方式。负反馈使系统输出信号趋于稳定或者说使系统的被控变量与给定值之差减小的反馈。正反馈使系统输出变量单调变化趋于极限或者说使系统的被控变量与给定值之差不断增大的反馈。负反馈控制系统具有负反馈作用的控制系统。信息系统功能与属性的某种表达。如控制系统中，各环节的输入输出信号。控制为实现目的而施加的作用。一切控制都是有目的的行为。开环控制没有反馈的简单控制。如通常的照明中的调光控制，电风扇的多级速度调节等。闭环控制具有负反馈的控制。过程一种自然的逐渐进行的运转或发展，如化学过程、生物过程和经济学过程。工业生产过程的特征是，被处理介质为流体，包括液体、气体和粉体。,第三节控制系统分类,一、各种分类的方法（l）如果按被控变量可划分为：温度、压力、液位、流量和成分等控制系统。这是一种常见的分类。（2）如果按被控系统中控制仪表及装置所用的动力和传递信号的介质可划分为：气动、电动、液动、机械式等控制系统。如图l4所示就是一个机械式液位控制系统；图1-5所示是一个电动式液位控制系统；如果图l5中的LT和LC用气动仪表代替，阀门也采用气动的，就构成气动控制系统。（3）如果按被控制对象可划分为：流体输送设备、传热设备、精馏塔和化学反应器控制系统等。（4）按调节器的控制规律可划分为：比例控制、积分控制、微分控制、比例积分控制、比例微分控制、比例积分微分控制等。（5）按系统功能与结构可划分为：单回路简单控制系统；串级、比值、选择性、分程、前馈和均匀等常规复杂控制系统；解耦、预测、推断和自适应等先进控制系统和程序控制系统等。（6）按结定值的变化情况可划分为：定值控制系统、随动控制系统和程序控制系统。,二、按给定值分类l、定值控制系统定值控制系统是一类给定值保持不变或很少调整的控制系统。这类控制系统的给定值一经确定后就保持不变直至外界再次调整它。化工、医药、冶金、轻工等生产过程中有大量的温度、压力、液位和流量需要恒定，是采用定值控制最多的领域，也是本裸程的重点内容。图1-1和图1-5都是定值控制系统的例子。2、随动控制系统如果控制系统的给定值不断随机地发生变化，或者跟随该系统之外的某个变量而变化，则称该系统为随动控制系统。由于系统中一般都存在负反馈作用，系统的被控变量就随着给定值变化而变化。随动控制的应用有雷达系统、火炮系统等。化工医药生产中串级控制系统的副回路、比值控制系统中的副流量回路也是随动控制系统。对于图1-l的室温控制系统，如要求室温在夏天始终比室外温度低10，则加一个室外温度仪表，测得的值用于原控制系统的给定值，即为一个随动控制系统。3、程序控制系统如果给定值按事先设定好的程序变化，就是程序控制系统。如图1-2所示的温度控制系统，即为一个温度程序控制系统，生物反应和金属处理加热炉采用程序控制的很多。由于采用计算机的温度控制系统，实现程序控制特别方便，因此，随着计算机应用的日益普及，程序控制的应用也日益增多。,第四节自动控制系统方块图,一.方块图的基本单元l.方块任何被研究的对象，如果可以抽象地用输入该对象的信号或变量以及从该对象输出的信号或变量表达时，就可以运用方块图方法中的方块来描述（下图）。,2.信号比较器一般采用符号“”代表信号比较器。如果信号线旁不带运算符号“”或“-”，则默认为“”。,3、信号分支点方块图中的信号分支，只要在信号线上任意点引出即可，分支点上的信号与原来的信号完全相同，如下图。,方框图,方框、信号线、比较点、引出点,组成,控制系统或系统中每个环节的功能和信号流向的图解表示,带有输入输出信号的方框比较点分支点,过程控制系统的两种表示形式,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),1、开环控制系统开环控制系统是最简单的一种控制方式，其控制量与被控制量之间只有前向通道而没有反向通道。控制作用的传递具有单向性。由图2-2开环控制结构图可以看出，输出直接受输入控制。开环控制系统的特点：系统结构和控制过程简单，但抗干扰能力弱，一般仅用于控制精度不高且对控制性能要求较低的场合。开环控制的实例如下：（1）空气压缩机的定时开/关-一般用定时器来控制压缩机的定时开/关。有时用DO传感器进行空压机的开/关反馈控制；（2）排泥-尤其指初沉池的排泥，一般使用定时器控制，而不是根据污泥的浓度和污泥斗中污泥高度进行；（3）剩余污泥排放泵的控制-一般使用定时器控制，高级一点的控制根据泥龄计算来控制污泥排放量，也有比例控制；（4）格栅的清洗-使用定时器进行格栅清洗控制。,三、过程控制系统的基本控制方式,2、闭环控制系统凡是系统输出信号对控制作用产生直接影响的系统，都称作闭环控制系统，如图2-3所示。闭环控制系统的特点：系统的响应对外部干扰和系统内部的参数变化不敏感，系统可达到较高的控制精度和较强的抗干扰能力。,三、过程控制系统的基本控制方式,过程控制系统的主要类型,随动控制系统,特点：设定值是一个未知的变化量的闭环控制系统称为随动控制系统。,作用：以一定的精度跟随设定值的变化而变化,自动平衡电位差计的方框图,过程控制系统的主要类型,程序控制系统,特点：设定值是变化的，且按一定时间程序变化的时间函数,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。,作用：以一定的精度跟随设定值的变化而变化,五、过程控制系统的性能指标及要求,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,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,在阶跃信号作用下，被控变量随时间的变化有以下几种形式,1.发散振荡过程曲线所示,5.非振荡发散过程曲线所示,3.等幅振荡过程曲线所示,4.衰减振荡过程曲线所示,2.非振荡衰减过程曲线所示,过程控制系统的性能指标及要求,六、控制系统的品质指标通常都希望系统既有充分的快速性，又有足够的稳定性和准确性。设控制系统最初处于平衡状态，且被控变量等于给定值。此时，施加一个单位阶跃干扰，系统的被控变量开始衰减振荡过渡过程。如下图（A、B、n、C、t）所示。,1、最大偏差A最大偏差A是指在整个过渡过程中，被控变量偏离给定值的最大量，是第一个波的峰值。2超调量B超调量等于每一个波峰值减去新稳态值，有一个波峰就有一个超调量。3衰减比n第一个超调量与第二个超调量的比值体现了过渡过程的衰减程度。nBB称为衰减比。4、余差C余差是过渡过程最终的新稳态值与过渡过程开始之前的原稳态值之差。5、过渡时间tS过渡时间已定义为当过渡过程曲线进入最终稳态值附近的一定范围内，就不再超出这个范围的时刻。6、其他指标衡量控制系统过渡过程性能的还有其他一些指标。如：振荡周期，振荡频率；峰值时间。上述各种性能指标，其重要程度各不相同，且相互之间既有矛盾又有联系。在实际使用中，要综合考虑过程的快速性、稳定性和准确性。这主要取决于被控对象工艺上的要求，要一切从实际出发，不要过分追求高性能指标。,六、污水处理自动控制系统的特点和功能,1、污水处理自动控制系统特点污水处理控制系统具有环路多、系统庞大、连接复杂的特点。它除具有一般控制系统所具有的共同特征外，如模拟量和数字量，有顺序控制和实时控制，有闭环控制和开环控制；还有不同于一般控制系统的个性特征，如最终控制对象是COD、BOD、SS、TN、TP和pH，为使这些参数达标，必须对众多设备的运行状态、各池的进水量和出水量、进泥量和排泥量、加药量、各段处理时间等进行综合调整与控制。一个污水处理厂控制系统涉及数百个开关量、模拟量，而且这些被控量常常要根据一定的时间顺序和逻辑关系运行，许多参数需要精确调节，所以选择污水处理自控系统要充分考虑到系统的复杂性、控制变量的多样性等，要尽可能实现闭环控制。,2、污水处理自动控制系统功能,在污水处理厂中，自动控制系统主要是对污水处理过程进行自动控制和自动调节，使处理后的水质指标达到预期要去。污水处理自控系统通常应具有如下功能:（1）控制操作。在中心控制室能对被控设备进行在线实时控制；（2）显示功能：用图形实时地显示各现场被控设备的运行工况，以及各现场的状态参数；（3）数据管理：利用实时数据库和历史数据库中的数据进行比较和分析，可得出一些有用的经验参数，有利于优化处理过程和参数控制；（4）报警功能：当某一模拟量（如电流、压力、水位等）测定值超过给定范围或某一开关量（如电机启停、阀门开关）发生变化时，可根据不同的需要发出不同等级的报警。（5）打印功能：可以实现报表和图形打印以及各种事件和报警实时打印。打印方式可分为：定时打印、事件触发打印。,第五节常见的过程控制结构,一、反馈控制图2-4是反馈控制系统的控制回路示意图。若被控过程为废水生物处理过程中的曝气过程，被控变量是DO，则可用DO探头作为检测器，获得曝气池内DO数值作为检测信号。该检测信号经变送器转换成标准信号（如010mA电流、15mV电压、0.020.1MPa气压），然后送入控制器与所设定的DO值的标准信号进行比较。若送入的标准信号与设定值有偏差，则控制器会根据偏差的大小利用已存入的控制规律计算出控制器的输出值。该输出值进入执行器，使执行器如空气控制阀产生一定的动作，改变阀门开启的大小，使控制变量即曝气池的空气输入量产生变化，由此使曝气池内的被控量即DO值产生响应的变化。,第五节常见的过程控制结构,在反馈控制中，污水处理厂的控制规律主要有两种，实际上工业过程的控制算法也主要是这两种。一种是开关算法；一种是PID控制算法，也就是比例控制（P）、积分控制（I）、微分控制（D）及它们之间的组合（PI、PD、PID）算法。,1、开关控制如pH设定值、DO设定值控制，如果低于设定值就投加碱性物质或增大曝气量，反之，投加酸性物质或降低曝气量。开关控制的优点是简单易行。但开关控制会导致pH或DO在设定值处周期性的上升和下降，这种现象为“极限环”。开关控制的另一个缺点就是它对过程其他部分产生干扰，还会由于对输入变量的开关控制而产生干扰。例如，二沉池遇到的水力干扰是由于污水管道和储水池中水位的开关控制引起的。,第五节常见的过程控制结构,实例：DO的开关控制DO的开关控制是比较常见的。空气管道和空气压缩机上的阀门都可以开/关。图2-5表示的是DO开关控制的“极限环”特性。,第五节常见的过程控制结构,2、PID控制算法1）比例控制：即P控制，就是过程的控制变量或控制的输出的大小，与过程受扰动产生的后果成正比。具体说，就是和受控变量与设定值之间偏差的大小成正比。偏差越大，则控制器的输出值越大，执行器的动作范围越大，控制变量的变化值也越大。偏差为正值时，控制器的输出能使控制变量朝消除偏差的方向移动；偏差为负值时，控制器的输出方向相反，但其效果同样使控制变量朝消除偏差的方向移动。若反应器压力p为控制器的实际输出值，p0为偏差为0时刻的输出值，Kc为比例增益常数，为偏差值，则比例控制作用的输出p为p=p-p0=Kc,第五节常见的过程控制结构,第五节常见的过程控制结构,2、PID控制算法2）积分控制：即I控制，就是过程的控制变量或控制器输出的大小，与过程受扰动的时间成正比。具体说，就是和受控变量与设定值之间偏差存在的时间长短成正比。时间越长，则积分控制器的输出值越大，执行器的动作范围也越大，控制变量的变化值也越大。这一过程要达到积分控制器的极限输出为止。若反应器压力p为积分控制器的实际输出值，p0为0时刻的输出值，K1为积分增益常数，为偏差值，则积分控制作用的输出p为p=p-p0=K1,第五节常见的过程控制结构,2、PID控制算法3）微分控制：即D控制，就是过程的控制变量或控制器输出的大小与受控变量与设定值之间偏差的变化速度成正比。受控变量与设定值之间偏差变化的速度越快，则微分控制器的输出值越大，执行器的动作范围也越大，控制变量的变化值也越大。若反应器压力p为微分控制器的实际输出值，p0为偏差为0时刻的输出值，KD为微分增益常数，为偏差值，则微分控制作用的输出为p=p-p0=KD,二、前馈控制与反馈控制相比，前馈控制的监测信号是干扰量而不是被控量，前馈控制的控制依据是干扰量大小而不是被控变量偏差的大小，前馈控制作用发生的时间是在被控变量偏差出现之前而不是偏差出现之后。图2-13为前馈控制与反馈控制比较的示意图。图2-14所示为前馈控制的详细方块图。很明显传感器的作用加上补偿器的作用再加上操作变量的作用应该与干扰的动态作用等值反向，这就是前馈补偿器的基本原理。,第五节常见的过程控制结构,前馈控制在污水处理厂的主要应用有三：MLSS、温度、空气流量的控制；同时使用DO传感器反馈控制