化工仪表 及自动化 01 自动控制系统基本概念.ppt

第一章自动控制系统基本概念 教学目标 1 1化工自动化的主要内容1 2自动控制系统的基本组成及方块图1 3自动控制系统的分类1 4自动控制系统的过渡过程和品质指标1 5工艺管道及控制流程图 自学 1 1化工自动化的主要内容 自动检测系统自动信号与联锁保护系统自动操纵及自动开停车系统自动控制系统 1 自动检测系统 利用各种检测仪表对主要工艺参数进行测量 指示或记录的 称为自动检测系统 2 自动信号与联锁保护系统 生产过程中 有时由于一些偶然因素的影响 导致工艺参数超出允许的变化范围而出现不正常情况时 就有引起事故的可能 为此 常对某些关键性参数设有自动信号联锁装置 工艺参数 允许范围 报警 提醒 工艺参数 允许极限值 联锁保护 紧急处理 3 自动操纵及自动开停车系统 自动操纵系统可以根据预先规定的步骤自动地对生产设备进行某种周期性操作 例如锅炉控制 自动开停车系统可以按照预先规定好的步骤 将生产过程自动地投入运行或自动停车 4 自动控制系统 生产过程中各种工艺条件不可能是一成不变的 对生产过程中某些关键性参数进行自动控制 使它们在受到外界干扰 扰动 的影响而偏离正常状态时 能自动地控制而回到规定的数值范围内 为此目的而设置的系统就是自动控制系统 所谓 自动控制 是指应用自动化仪器仪表或自动控制装置代替人自动地对仪器设备或工业生产过程进行控制 使之有目的地修正被控对象的动力学行为 以达到预期的状态或满足预期的性能要求 小结 自动检测系统只能完成 了解 生产过程进行情况的任务 信号联锁保护系统只能在工艺条件进入某种极限状态时 采取安全措施 以避免生产事故的发生 自动操纵系统只能按照预先规定好的步骤进行某种周期性操纵 只有自动控制系统才能自动地排除各种干扰因素对工艺参数的影响 使它们始终保持在预先规定的数值上 保证生产维持在正常或最佳的工艺操作状态 课程的核心部分 1 2自控系统的基本组成 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 人工操作模拟控制系统数字控制系统 自动控制系统方块图 目的 为了更清楚表示出一个自动控制系统中各个组成环节之间的相互影响和信号联系 便于对系统分析研究 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 简称对象 液体贮槽 2 被控变量对象内要求保持一定数值 或按某一规律变化 的物理量称为被控变量 液位 3 控制变量 操纵变量 受执行器控制 用以使被控变量保持一定数值的物料或能量称为控制变量或操纵变量 出料流量 4 干扰 扰动 除控制变量 操纵变量 以外 作用于对象并引起被控变量变化的一切因素称为干扰 进料流量的改变 5 设 给 定值工艺规定被控变量所要保持的数值 6 偏差偏差本应是设定值与被控变量的实际值之差 但能获取的信息是被控变量的测量值而非实际值 因此 在控制系统中通常把设定值与测量值之差定义为偏差 几个常用术语 系统运行的基本要求 自动控制系统的 最 基本要求 系统运行必须是稳定的反馈 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 若反馈的结果是使系统的输出减小 则称为负反馈若反馈的结果是使系统的输出增加 则称为正反馈工业控制系统一般情况下都应为负反馈 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 此时系统根据设定值与测量值的偏差进行控制 直至消除偏差 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 此时系统的输出与设定值与测量值之间的偏差无关 要实现自动控制 系统必须闭环 闭环控制系统稳定运行的必要条件是负反馈 1 3自动控制系统的分类 流量调节 温度调节 压力调节 物位调节等 1 按被调参数分类 2 按调节规律分类 比例调节 比例微分调节 比例积分调节 比例微分积分调节 PID调节 3 按被调参数的变化规律分类 定值调节系统 给定值为常数 随动调节系统 给定值为变数 要求跟随变化 程序控制调节系统 按预定时间顺序控制参数 4 按信号种类分类 气动调节系统 电动调节系统 1 过渡过程和品质指标 一 控制系统的静态 稳态 和动态 控制系统的作用 尽可能使被控变量与设定值保持一致 或随设定值一起变化 当被控变量受干扰影响而偏离设定值时 控制作用必须驱使被控变量回到设定值 由于干扰是变化的 因此系统中的有关参数也都是随时间变化的 静态 被控变量不随时间变化的平衡状态 变化率为0 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 在控制领域中更多的称之为 稳态 静态 是物料 能量 传热 传质 化学反应速度等平衡关系的最终体现 很明显 单纯用 静态 的概念来衡量控制系统的品质指标是不充分的 动态 被控变量随时间变化的不平衡状态 如果系统原来处于相对平衡状态 静态 当出现干扰使被控变量发生变化 此时控制系统发生作用 调节器根据偏差及其偏差的变化情况 改变调节器输出 再经执行器改变操纵变量 使被控变量重新回到设定值上来 这么一个从干扰发生 系统控制 直到重新建立平衡的过程称为 动态 过程 工艺设计主要围绕系统 静态 特性开展工作 自动控制主要是在 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 二 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 在分析和设计控制系统时 往往选定阶跃信号作为输入 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 比较危险 对控制系统的影响也最大 且容易产生阶跃干扰 对于一个控制系统 如果能有效克服阶跃干扰 肯定能很好地克服其它变化比较缓和的各种干扰 几种典型的过渡过程 阶跃干扰作用下 几种典型的过渡过程 X X 一般是不允许的除开关量控制回路 三 过渡过程的品质指标 评价和讨论一个控制系统性能优劣 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 超调量 衰减比 余差 过渡时间 振荡周期 振荡频率 等 以阶跃响应曲线的形式表示的品质指标 分两种情况 阶跃干扰作用下的过渡过程 设定值固定 加一阶跃干扰 定值系统 阶跃给定作用下的过渡过程 设定值变化 随动系统 阶跃干扰作用下的过渡过程 设定值固定 加一阶跃干扰 定值系统 最大偏差emax 衰减比n 余差e 过渡时间tp 振荡周期 定值系统 其倒数为振荡频率 被控量偏离给定值的最大数值 前后相邻两个峰值的比 稳态值与给定值的偏差 阶跃给定作用下的过渡过程 设定值变化 随动系统 超调量 衰减比n 余差e 过渡时间tp 振荡周期 随动系统 其倒数为振荡频率 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 这种过渡过程不是最优的结果 但操作人员容易掌握 一般也是操作人员所希望的过程不振荡 不便于操作人员掌握 答 越小越好 答 越小越好 答 短好 四 影响过渡过程品质的主要因素 固定因素 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 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 l 4 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 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