第一讲 自动控制系统的基本概念ppt课件

1 检测技术与仪表 主讲 自动化系 2 检测技术与仪表 绪论 什么是自动化 仪表与自动化的关系 测量仪表在自动化中的地位 3 绪论 工业自动化的概念 工业自动化是化工 炼油 食品 轻工 电力等流程工业生产过程自动化的简称 在生产设备上 配上一些自动化装置 仪表 代替操作人员的部分直接劳动 使生产在不同程度上自动地进行 并达到预定的目标 这种用自动化装置来管理生产过程的办法 称为生产过程自动化 4 绪论 随着现代科学技术的蓬勃发展 炼油 化工 冶金 电力 生物 制药等工业过程的生产规模越来越大型化 复杂化 各种类型的自动控制技术已经成了现代工业生产实现安全 高效 优质 低耗的基本条件和重要保证 5 绪论 6 绪论 7 绪论 系统 由相互联系的具有特定功能的若干部分 环节 组成的完成一定任务的整体 强调整体性和协调性 8 一 自动控制系统的基本组成及方块图 1 自动控制系统的基本组成 1 被控对象 生产中要求控制的生产设备 或过程 2 测量元件或变送器 对被控参数进行测量的仪表 3 控制器 把被控参数的测量值与给定值相减得出偏差 并按某种运算规律算出结果 同时将此结果送给调节阀 4 调节阀 根据调节器送来的信号的大小 自动改变阀的开启度 调节介质的流量 实现控制的目的 9 一 自动控制系统的基本组成及方块图 2 自动控制系统的有关名词术语 1 被控对象 受控对象 2 被控变量 受控变量 控制对象内要求以一定的精度保持恒定或随某一参数 给定值 的变化而变化的变量 3 给定值 要求被控参数所保持或遵循的数值 4 偏差 给定值与测量值的差值 5 干扰 影响被控变量 使其偏离给定值的因素 6 操纵变量 影响被控变量 克服干扰使被控变量回到给定值的 调节阀的输出 7 控制作用 控制器的输出 10 一 自动控制系统的基本组成及方块图 3 自动控制系统的方块图用一个方块代表系统的一个组成环节 各方块之间用有向线段连接起来 11 一 自动控制系统的基本组成及方块图 3 自动控制系统的方块图 注意 有向线段的方向代表信号的作用方向 而不是物料的流向 12 13 控制系统的方块图 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 14 一 自动控制系统的基本组成及方块图 4 自动控制系统的工作过程以换热器系统为例 15 二 自动控制系统的分类 1 根据给定值不同分类 1 定值控制系统 给定值保持不变的系统 系统的任务是使被控变量以一定的精度保持在给定值上不变 2 随动控制系统 给定值是随机变化的 这种变化是事先不知道的 3 程序控制系统 给定值是按事先规定的程序变化的 16 电阻丝加热恒温箱温度控制系统 控制变压器活动触点的位置即改变了输入电压 则通过电阻丝的电流将产生变化 使恒温箱得到不同的温度 被控变量是恒温箱的温度 经热电偶测量并与设定值比较后 其偏差经过放大器放大 控制电动机的转向 然后经过传动装置 移动变压器的活动触点位置 结果使偏差减少 直到温度达到给定值为止 17 比值控制系统 18 程序控制系统 设定值也是变化的 但它是一个已知的时间函数 即根据需要按一定时间程序变化 19 1 3控制系统过渡过程及品质指标 1 3 1静态与动态1 3 2控制系统的过渡过程及品质指标当自动控制系统的输入发生变化后 被控变量 即输出 随时间不断变化 它随时间而变化的过程称为系统的过渡过程 也就是系统从一个平衡状态过渡到另一个平衡状态的过程 20 2 按补偿干扰的方法分类 反馈 干扰f t 被控变量 调节器 操作变量 补偿干扰 前馈 干扰f t 变送器 补偿器 操作变量 补偿干扰 前馈 反馈 21 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 22 3 按控制系统的复杂程度区分 简单控制系统复杂控制系统 4 按控制变量的名称区分 温度控制系统压力控制系统 5 按调节规律区分 P PI PD PID 预估控制 23 三 自动控制系统的过渡过程和品质指标 1 控制系统的静态与动态静态 被控变量不随时间的变化而变化的平衡状态 特点 暂时的 相对的动态 被控变量随时间的变化而变化的不平衡状态 动态是个过程动态过程 过渡过程 24 三 自动控制系统的过渡过程和品质指标 2 控制系统的过渡过程 是由输入变化引起的被控变量的变化过程 输入包括干扰输入和给定输入 是控制作用不断克服干扰作用的过程 是系统从一个平衡态过渡到另一个平衡态的过程 在阶跃干扰作用下 控制系统过渡过程的几种基本形式 25 在分析和设计控制系统时 往往选定阶跃信号作为输入 阶跃输入 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 阶跃输入比较突然 比较危险 对控制系统的影响也最大 设计过程容易产生阶跃干扰 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 26 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 27 三 自动控制系统的过渡过程和品质指标 3 控制系统的品质指标 稳 准 快 衡量一个系统控制性能好坏的依据最大偏差或超调量衰减比余差过渡时间振荡周期或频率 28 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 29 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 30 31 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 32 例子 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 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 33 影响过渡过程的主要因素 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 34 三 自动控制系统的过渡过程和品质指标 4 影响控制系统控制质量的主要因素被控对象是核心测量仪表是基础控制器是灵魂调节阀 执行器 是关键 35 仪表的简要发展过程 常见的测控参数 T P L F A 五大参数 测控仪表的分类 变送器 传感器 执行器 控制器三大类 控制器 常规调节器 智能调节器 计算机系统 36 基地式仪表 只具备简单测控功能 其信号一般仅在本仪表内起作用 各测控点间的信号难以相互沟通 操作人员只能通过巡视生产现场来了解生产状况 目前已淘汰 单元组合仪表 智能仪表 仪表中含有微处理器 功能强 往往具备数字信号传输和模拟信号传输两种功能 现场总线仪表 简而言之就是满足现场总线协议标准的智能仪表 QDZ 气动单元组合仪表 气源 140kPa 信号 20 100kPa 主要有力平衡型和力矩平衡型两类 气动单元组合仪表已基本淘汰 DDZ 电动单元组合仪表 DDZ II型 电源220VAC 信号0 10mADDZ III型 电源24VDC 信号4 20mA 1 5VDC 37 自动化装置的简要发展过程 38 绪论 39 直接计算机控制系统 生产过程 数字计算机 A D转换 D A转换 操作台 扰动 控制变量 输出变量 40 集中型计算机控制系统 出发点 由于当时的计算机系统的体积庞大 价格非常昂贵 为了使计算机控制能与常规仪表控制相竞争 企图用一台计算机来控制尽可能多的控制回路 41 1 计算机直接数字控制 DDC 系统 42 2 计算机监督控制 SCC 系统 43 3 计算机集散控制系统 DCS 计算机集散控制系统 DCS 是把自动化技术 计算机技术 通信技术 故障诊断技术 冗余技术和图形显示技术融为一体的装置 这种系统在结构上是分散的 在监视 操作和管理上则是集中的 在系统中 将计算机分装到工段或装置 从而使系统的危险分散 消除了全局性的故障点 提高了系统的可靠性 同时能方便灵活地实现各种新型的控制规律与算法 44 45 集散控制系统 控制台 控制台 过程控制计算机 控制单元 控制单元 多路采集器 可编程逻辑控制器 数据通道 工程师 操作员控制台 其他系统 46 基于计算机技术的过程控制系统 生产过程 数字计算机 A D转换 D A转换 操作台 扰动 控制变量 输出变量 控制台 控制台 过程控制计算机 控制单元 控制单元 多路采集器 可编程逻辑控制器 数据通道 工程师 操作员控制台 其他系统 分布式计算机控制系统 直接数字控制系统 47 现场控制系统 集散控制系统 48 第三阶段 综合自动化 CIPS 1 计算机集成制造系统 CIMS 的概念与发展计算机集成制造系统是在自动化技术 计算机技术及制造技术的基础上 通过计算机及其软件 将制造工厂全部生产活动 设计 制造及经营管理 包括市场调研 生产决策 生产计划 生产管理 产品开发 产品设计 加工制造以及销售经营等 与整个生产过程有关的物料流与信息流实现高度统一的综合化管理 构成一个优化的完整的生产系统 49 2 CIM的概念与发展 1 CIM ComputerIntegratedManufacturing 计算机集成制造企业资源 人 财 物 技术 经营管理 计算机技术集成资源优化 产品优质 低耗 上市快 增强竞争力 50 2 CIMS的概念与发展 2 CIMS的概念CIMS ComputerIntegratedManufacturingsystem 计算机集成制造系统是CIM哲理的具体体现CIMS的主要特征是 四化 计算机化 信息化 智能化和集成优化 51 2 CIMS的概念与发展 3 CIM理念起源于70年代 JosephHarrington 1973 一种新的生产模式CIMS80年代初被广泛接受 美国制造工程师学会 首先广泛应用于离散制造业 汽车 机械设备 家用电器等行业在离散工业 CIMS已形成较为成熟的体系框架 CAD CAM CAPP MRPII等 国内已有上百家应用示范企业开始在流程行业受到重视 52 3 过程工业CIMS的递阶控制层次 过程控制 过程优化 生产调度 企业管理 经营决策 第五层 企业决策 生产规划 第四层 供销 财务 计划 管理等 第二层 先进控制 过程优化 第三层 生产调度 系统优化 第一层 单元自动化 简单控制 生 产 过 程 过程CIMS的递阶控制示意图 53 2 过程工业自动化的发展过程 常规仪表 单回路 简单控制 70年代前 分布式计算机 DCS 多回路 先进控制 70 80年代 DCS网 多流程 过程控制优化与生产调度 80 90年代 企业计算机网络 多层次 过程控制优化 生产调度管理与企业经营决策管理 综合自动化 CIPS computerintegratedprocessingsystems 90年代后期 3 过程控制的发展趋势 当前过程控制正处于第三个发展阶段 并以前所未有的速度和规模飞速前进 纵观这一时期 可归纳为如下三个主要特点 55 1 简单控制向先进控制发展 先进过程控制 advancedprocesscontrol 是指一类在动态环境中 基于数学模型 借助充分的计算能力 为工厂获得最大利润而实施的运行和技术策略 56 2 封闭的分布式计算机控制系统转向具有国际统一标准的开放式系统 FCS 现场总线网络控制系统 Fieldbuscontrolsystems 开放性现场总线采用同一种国际标准的通信协议 可方便地与通用的局域网相连 智能化现场仪表系统中的现场仪表配有自己的CPU与A D 可完成检测 转换 操作和自诊断等功能 数字信号传输现场仪表输出均为数字信号 从而提高了系统的可靠性 彻底分散性 57 3 单一控制系统向综合自动化系统发展 综合自动化 CIPS 综合自动化就是在计算机通信网络和分布式数据库的支持下 实现信息与功能的集成 进而实现充分调动人的因素的经营系