控制系统的基本概念

第三篇过程控制系统,第十三章自动控制系统的基本概念第十四章简单控制系统第十五章复杂控制系统第十六章典型操作单元的控制方案,13、12、8、9、10、14、15、16,第十三章自动控制系统的基本概念,自动控制系统组成及分类过渡过程及品质指标小结,返回,一自动控制系统的组成,例13-1:液位控制,人工控制：,眼睛：观察当前的液位值；（测量）,大脑：根据当前液位与工艺期望值的偏差，发出操作命令，包括大小和方向；（控制）,手：执行大脑的控制命令，通过手改变阀门开度；（执行）,反复进行步骤，直到液位达到期望值。,影响液位因素：入口压力，出口压力流量等；,第一节自动控制系统组成及分类,例13-:原油加热炉出口温度控制,人工控制：,眼睛：观察当前的温度值；（测量）,大脑：根据当前温度与工艺期望值的偏差，发出操作命令，包括大小和方向；（控制）,手：执行大脑的控制命令，通过手改变阀门开度；（执行）,反复进行步骤，直到温度达到期望值。,影响温度因素：原油入口流量、成份、温度，燃料油压力、成份等；,第一节自动控制系统组成及分类,自动控制：用自动化仪表来实现上述人工控制过程。,变送器：代替眼睛，观察当前值；（测量）,控制器：代替大脑：分析、判断；（控制）,执行器：代替手，执行的控制器命令，通过手改变阀门开度；（执行）,第一节自动控制系统组成及分类,自动控制系统,被控对象：,自动化仪表,也称对象。是指被控制的生产设备或装置。如加热炉和液罐。,控制器:,执行器:,变送器:,测量被控变量，并将其转换为标准信号的输出，作为测量值。,也称调节器。将被控变量的设定值与测量值进行比较，并按一定规律运算发出操作命令。,通常指调节阀，和普通阀的功能一样，只不过它能自动地根据控制器送来的控制信号改变阀门的开度。,自动控制系统由四部分组成:变送器、控制器、执行器和被控对象。,第一节自动控制系统组成及分类,简单控制系统,一个被控对象,一个控制器,一个执行器,一个变送器,复杂控制系统,其中一种控制仪表多于一个,第一节自动控制系统组成及分类,工艺控制流程图,在工艺流程图上用图形符号直观表示出控制方案，称为工艺控制流程图,2图中小圆圈表示某些自动化仪表，圆内写有两位(或三位)字母，第一位字母表示被测变量，后继字母表示仪表的功能。,说明：为了画图的方便，各种变送器有时也可用表示。,TT温度变送器TC温度控制器FT流量变送器FC流量控制器PT压力变送器PC压力控制器LT液位变送器LC液位控制器,第一节自动控制系统组成及分类,管道仪表流程图,三自动控制系统的方框图表示,注：,每个方框代表系统中的一个环节（仪表或对象）。,图中每一条线代表系统中的一个变量信号，线上的箭头表示信号传递的方向。箭头指向方框表示为这个方框的输入，箭头离开方框表示为这个方框的输出。,第一节自动控制系统组成及分类,几个概念：,给定值：工艺上对被控变量的期望值。符号Sv,Ps/Hs/Ts/Qs,被控变量：工艺需要控制的变量,4偏差：给定值与测量值之差，符号用Dv或e表示，,测量值：变送器的输出，测得的被控变量值。符号Pv,操纵值：控制器的输出，执行器的输入。符号Mv,6操纵变量：执行器的输出，被控对象的输入。通常为Q,干扰：是一种对系统的输出产生不利影响的信号。如果扰动产生在系统内部称为内扰；扰动产生在系统外部，则称为外扰。,第一节自动控制系统组成及分类,D1:原油入口流量、成份、温度，D2:燃料油压力、成份；D3:环境温度等。,第一节自动控制系统组成及分类,四自动控制系统的分类,从给定值角度分类,1定值控制系统：给定值是恒定的控制系统,如果要求控制系统的被控变量保持在一个生产指标上不变，或者说要求工艺参数的给定值不变，那么就要采用定值控制系统。,引起被控变量波动的原因:是各种干扰，设计的重点:存在干扰的情况下如何将被控变量控制在所希望的给定值上。控制目的是克服干扰。,常减压的出口温度,第一节自动控制系统组成及分类,2随动控制系统：给定值是随机变化的,给定值不是固定的，是随时间不断变化的，且不是预先规定好的。,目的:就是使所控制的工艺参数准确而快速地跟随给定值的变化。,第一节自动控制系统组成及分类,3程序控制系统：给定值是一个已知的时间函数,这类系统的给定值也是变化的，但它是一个已知的时间函数，即生产指标需按一定的时间程序变化。,第一节自动控制系统组成及分类,第二节过渡过程及品质指标,自动控制系统的过渡过程过渡过程的形式控制系统的品质指标,返回,第二节过渡过程及品质指标,一、自动控制系统的过渡过程,自动控制系统在运行中有两种状态：,静态(稳态)：干扰及给定值均保持不变，被控变量不随时间变化，系统处于相对平衡状态，各组成环节都暂不动作，输出信号均处于相对静止状态。,各变量(或信号)的变化率为零。,动态：受到外来扰动时，系统中各部分输入输出相应发生变化，被控变量偏离原静态值随时间而变。,若是稳定系统，经调整后，系统又重新恢复稳定状态。,从一种平衡状态到达另一种新平衡状态的过程称为过渡过程。,返回,第二节自动控制系统的过渡过程及品质指标,因为被控对象总是不时受到干扰作用，控制作用也就不断地去克服干扰的影响，所以自动控制系统总是处在运动状态之中，而静态或平衡是暂时的。,显然，要评价一个自动控制系统的工作质量，不仅要看静态，还应该考核它在动态过程中被控变量随时间变化的情况。,分析自动控制系统常用的干扰形式阶跃干扰,在生产中，出现的干扰是没有固定形式的，多半属于随机性质。在分析和设计自动控制系统时，为了安全和方便，常选择一些定型的干扰形式，其中最常用的是阶跃干扰.,特点：,1在某一瞬间，干扰突然阶跃式地加到系统上，并继续保持在这个幅度上。,2阶跃干扰比较突然、比较危险，对被控变量的影响也最大。如果一个控制系统能够有效地克服阶跃干扰，那么对于其它比较缓和的干扰一定也能很好地克服。,3阶跃干扰的形式简单，容易实现，便于分析、实验和计算。,第二节过渡过程及品质指标,第二节过渡过程及品质指标,二、过渡过程的形式,当自控系统输入为阶跃变化时，则其过渡过程有：,发散振荡过程：如图13-7(a)；,等幅度振荡过程：如图(b)；,衰减振荡过程：如图(c)；,非周期衰减过程：图(d)曲线；,非周期发散过程：图(d)曲线。,发散振荡、等幅振荡及非周期发散过程属不稳定过程；非周期衰减与衰减振荡过程属稳定过程。,返回,第二节过渡过程及品质指标,三、控制系统的品质指标,一般以阶跃干扰作用下，衰减振荡过程为研究依据。,返回,控制系统的优劣需要有一定的标准：稳定性（长期稳定性、相对稳定性）、快速性和准确性（精度）。,稳定性（长期稳定性）：,对定值系统要求当系统受到扰动后，经过一定时间的调整能够回到原来的期望值。,对随动系统，被控制量始终跟踪给定值的变化。,快速性：对过渡过程的形式和快慢提出要求，一般称为动态性能。,准确性：用稳态误差来表示。,稳定性（相对稳定性）：平稳性,第二节过渡过程及品质指标,第二节过渡过程及品质指标,一般以阶跃干扰作用下，衰减振荡过程为研究依据。,1.余差C,新的稳态值与给定值之差。,静态指标，反映控制系统的控制精度，希望越小越好。,返回,准,第二节过渡过程及品质指标,随动控制系统，采用超调量。,A或是衡量稳定程度的指标，希望不要太大。,返回,2.最大偏差A与超调量,定值系统衰减振荡过程，最大偏差A为第一个波的峰值。,(衡量相对稳定程度的指标),3.衰减比,表示过渡过程的衰减程度，过渡过程同方向前后相邻两峰值的比。,习惯上表示为n:1,n1，发散振荡；,n1，等幅振荡；,n1，衰减振荡。,一般控制系统衰减比：4:110:1为宜。,返回,(衡量相对稳定程度的指标),4.调节时间Ts,又称过渡过程时间。,从干扰发生起至被控变量建立新平衡状态为止的时间。,规定：从干扰作用开始，至被控变量进入新稳态值的5(或2)范围内所经历的时间。,反映系统快速性的一个重要指标。,返回,第二节过渡过程及品质指标,5.振荡周期T,同方向两波峰之间的间隔时间。,相同n，T与Ts成正比。,过渡过程品质好坏，与控制系统中各个环节都有不同程度的关系。,设计时，应对每一个环节进行认真的考虑。,返回,(相对稳定性快速性),（1）上述几方面的性能要求通常是相互制约的。为了提高系统的动态响应的快速性和稳态精度，促使系统动态性能变差，甚至会使系统变为不稳定。反之，若强调系统动态过程平稳性的要求，系统稳态精度的降低和动态过程的缓慢。由此可见，系统动态响应的快速性、高精度与动态稳定性之间是一对矛盾。,（2）不同控制系统，注重的指标不同，在选择这些指标时应根据具体的控制系统分清主次，区别轻重，