_自动控制系统基本概念.ppt

第一章自动控制系统基本概念,基本要求,自动控制系统的组成（掌握）自动控制系统各部分的作用与相互联系（了解）自动控制系统方块图的意义及画法（掌握）自动控制系统中常用的各种术语（理解）控制系统的几种分类形式（了解）系统的动态和静态（掌握）过渡过程的几种基本形式及品质指标（掌握）,基本内容,化工自动化的主要内容自动控制系统的组成及方块图自动控制系统的分类自动控制系统的过渡过程和品质指标,1.1化工自动化的主要内容,自动检测系统自动信号和联锁保护系统自动操纵及开停车系统自动控制系统,1.1.1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、指示或记录它代替了操作人员对工艺参数的不断观察与记录（人眼）。,1.1.2自动信号和联锁保护系统,对某些关键性参数设有自动信号联锁装置。当工艺参超过了允许范围，系统自动地发出声光报警信号，以提示及时采取措施。,1.1.3自动操纵及自动开停车系统,根据预先规定的步骤自动地对生产设备进行某种周期性的操作。,1.1.4自动控制系统,对生产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的数值范围内。,1.2自动控制系统组成及方块图,液位人工控制局限性及改进液位自动控制四大组成环节自动控制系统方块图,1.2.1液位人工控制,眼看-检测用眼睛观察玻璃管液位计中液位的高低，并通过神经系统告诉大脑,液位人工控制,脑想-运算(思考)、命令大脑根据液位高度，与液位设定值进行比较，得出偏差的大小和正负，然后发出命令,手动-执行根据大脑发出的命令通过手去改变阀门开度（出口流量），使液位保持在所需液位上,1.2.2局限性及改进,人工控制受到人的生理上的限制，控制速度和精度上满足不了生产的需要用自动化装置代替上述人工操作，可提高控制精度和减轻劳动强度,1.2.3液位自动控制,测量元件与变送器（LT）-“眼”测量液位并将液位的高低转化为一种特定的、统一的输出信号（如气压或电信号等）,液位自动控制,执行器-“手”自动地根据控制器送来的信号值来改变阀门的开启度,自动控制器（LC）-“脑”接受变送器送来的信号，与液位设定值相比较得出偏差，并按某种运算规律算出结果，然后将此结果用特定信号发送出去,1.2.4四大组成环节,被控对象（controlledobject）需要控制其工艺参数的生产设备或机器（液体贮槽）,测量元件与变送器（measuringelementandsensor）把所测的工艺参数值（液位）变换为一种特定的、统一的输出信号（如气压信号或电压、电流信号等）。,1.2.4四大组成环节,自动控制器（controller）接受变送器送来的测量信号，与设定值相比较得出偏差，并按某种运算规律算出结果，然后将此结果用特定信号(气压或电流)发送出去,执行器（actuator）自动地根据控制器送来的信号值来改变阀门的开启度。,1.2.5自动控制系统方块图,意义更清楚地表示出各组成环节之间的相互影响和信号联系便于对自动控制系统进行分析研究,组成：传递方块(系统各环节)、信号线、综合点、分支点,控制器的输出信号，驱动执行器动作,LT测量出液体储槽的液位值L,将液位L的高低转化为一种特定的、统一的输出信号Z,自动控制系统的工作过程,将L与液位给定值Lst相比较得出偏差e=L-Lst,LC根据偏差e大小，按某种规律（p=f(e)）发出控制信号P,执行器根据P信号的大小改变出口流量Q,最终使L稳定或回到给定值Lst,1.3自动控制系统的分类,结构形式给定值,1.3.1控制系统分类：结构,闭环系统信号构成回路，输出信号引回到输入端，对控制作用有影响反馈：输出信号返回到输入端。负反馈：反馈信号取负值，与输入信号值相反（常采用）,开环系统信号不构成回路，系统的输出信号对输入信号无影响,1.3.2控制系统分类：设定值,定值控制系统给定值恒定不变。（例：液位控制系统）作用：克服扰动对被控变量的影响，使被控变量回到设定值。,随动控制系统（自动跟踪系统）给定值不断地随机变化。（例：比值控制系统）作用：使被控变量能够尽快、准确无误地跟踪设定值的变化而变化。,程序控制系统（顺序控制系统）给定值是变化的，已知的时间函数。（例：金属热处理的温度控制）作用：使被控变量能够尽快、准确无误地跟踪设定值的变化而变化。,1.4自动控制系统的过渡过程和品质指标,静态与动态过渡过程品质指标影响过渡过程的主要因素,1.4.1控制系统的静态和动态,动态：被控变量随时间变化的不平衡状态（研究重点）例：QiQo时，L变化,过渡过程：系统由一个平衡状态过渡到另一个平衡过程,静态：被控变量不随时间而变化的平衡状态例：Qi=Qo时，L不变,研究动态的重要性,静态是暂时的，动态是普遍的干扰作用使被控变量偏离给定值，打破平衡，控制作用使被控变量变化一段时间内重新稳定，建立新的平衡。自动控制系统总是处于一种频繁的、不间断的动态过程中（扰动作用）,化学工程：关心过程静态，物料、能量静态平衡（无累积量）化工控制：关心过程动态，物料、能量动态平衡（有累积量）,1.4.2过渡过程的几种形式,过渡过程系统由一个平衡状态过渡到另一个平衡过程,阶跃干扰在某一瞬间，干扰突然地阶跃式的加到系统上，并继续保持在这个幅度。,1.4.2过渡过程的几种形式,非周期衰减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,衰减振荡过程被控变量上下波动，但幅度逐渐减少，最后稳定在某一数值上,稳定过程（1）,稳定过程（2）,1.4.2过渡过程的几种形式,等幅振荡过程被控变量在给定值附近来回波动，且波动幅度保持不变,发散振荡过程被控变量来回波动，且波动幅度逐渐变大，即偏离给定值越来越远,不稳定过程（1）,不稳定过程（2）,1.4.3控制系统的品质指标,品质指标评定过渡过程优劣控制系统质量好坏克服干扰是否有效,前提条件定值控制系统过渡过程是一衰减过程（阶跃干扰）,最大偏差A（超调量B）-“稳”,控制系统的品质指标-1,A：瞬间被控变量偏离给定值的最大值emaxB：B=A-C，C：新的稳态值表征被控变量偏离给定值的程度，A越大，偏离越大，对生产越不利。工艺上对最大偏差有所限制。,衰减比n（=B/B）-“稳”,控制系统的品质指标-2,过渡过程曲线上同方向相邻两波峰（或波谷）值之比n=B/B习惯用n：1表示，一般要求n=410（经验值）表示衰减程度的指标n1，衰减振荡；n1，接近等幅振荡；n1，发散振荡；n越大，系统越稳定；n，接近于非振荡衰减。,余差C-“准”,控制系统的品质指标-3,过渡过程终了时，被控变量所达到的新稳态值与给定值之差C=y()-X反映了控制的精确程度，希望余差足够小。C0，有余差，有差调节，有差系统。C=0，无余差，无差调节，无差系统。,控制系统的品质指标-4,过渡时间Ts-“快”,系统从受到干扰作用发生变化开始，到建立新平衡所需时间Ts反映了克服干扰的能力。一般认为被控变量进入新稳态值的5%（或2%）范围内就已达到。Ts越小，表示系统恢复稳定快。Ts越大，表示系统恢复稳定慢。,控制系统的品质指标-5,振荡周期-“快”,过渡过程同向两波峰（或波谷）之间的间隔时间反映了自动控制系统克服干扰的能力。生产要求：尽量短,1.4.4影响过渡过程的主要因素,工艺过程（被控对象）与自动控制系统相关的工艺部分。自动化装置为实现自动控制所必需的自动化仪表设备。,过渡过程品质的好坏，在