第二篇 自动控制基础

第二篇自动控制基础知识,第一讲自动控制的基本概念,第二讲热工控制对象的动态特性,第三讲自动调节器的动作规律,第四讲自动控制系统的种类,第五讲自动控制系统的实现,第一讲自动控制的基本概念,一、自动控制与人工控制,引起被调量偏离其给定值的各种原因。,二、自动控制中的几个常用术语,1、控制对象,被控制的生产设备或生产过程。,2、被调量,表征生产过程是否正常而需要调节的物理（化学）量。,3、给定值,根据生产工艺的要求，被调量应达到的数值。,4、控制量（调节变量）,由控制作用来改变，以控制被调量的变化，使被调量恢复为给定值的量。,5、控制机构（调节机构）,接受调节作用去改变控制量的具体设备。,6、扰动,第一讲自动控制的基本概念,第一讲自动控制的基本概念,三、自动控制系统的组成1、测量部件（测量变送器）测量被调量、控制量的大小。2、调节器（控制器）接受被调量实际值与给定值的偏差信号，根据偏差的大小、方向，按预定的运算规律进行运算，并根据运算结果发出控制指令。3、执行器根据调节器送来的控制指令，驱动控制机构，改变控制量。,第一讲自动控制的基本概念,四、控制过程的品质指标1、控制过程的概念控制系统受到某一扰动后，被调量将偏离原来的稳态值而产生偏差，系统的控制作用又使被调量恢复为原来的稳态值，这一过程称为控制过程，或过渡过程。2、几种典型的过渡过程（1）非周期过程（2）衰减振荡过程（3）等幅振荡过程（4）渐扩振荡过程,第一讲自动控制的基本概念,3、控制过程的品质指标（1）稳定性稳定性是对控制系统的最基本要求。不稳定的系统在生产中是不能采用的。,实际生产过程中，控制系统还要有一定的稳定裕度，以保证系统在控制对象参数或控制设备参数发生变化时还能稳定工作。控制系统的稳定裕度一般用衰减率来衡量。,第一讲自动控制的基本概念,（2）准确性控制系统的准确性用动态偏差和静态偏差两个指标来衡量。动态偏差：调节过程中，被调量偏离规定值的最大偏差值。静态偏差：调节过程结束后，被调量的残余偏差。,第一讲自动控制的基本概念,（3）快速性快速性是指控制过程持续时间的长短，一般用控制过程时间来表示。,控制过程时间是指从扰动引起被调量变化开始到被调量重新恢复到稳态值所经历的时间。,ts,第二讲热工控制对象的动态特性,自动控制系统：控制对象和自动控制设备组成的。,被调量,首先必须分析控制对象的动态特性,正确地选择和使用自动控制设、控制系统,确定调节器的最佳整定参数,控制设备与控制对象相互协调配合，构成一个合理的控制系统，才能获得预期的控制效果。对于机组运行人员来说，熟悉控制对象的动态特性，也是正确使用好控制系统的必要前提。,第二讲热工控制对象的动态特性,一、基本概念1、动态特性：控制对象在动态变化过程中各种输入信号与输出信号之间的关系。2、扰动的分类：内扰与外扰外扰：凡是来自控制系统之外，引起被调量发生变化的各种原因，都称为外扰。内扰：控制系统内部的扰动称为内扰。,例如给水控制系统，给水流量和蒸汽流量的变化都会引起水位变化，但蒸汽流量的变化是用户需求变化引起的，调节系统本身无法控制，是系统的外扰，而给水母管压力变化引起的给水流量的变化是调节系统可以控制的，是系统的内扰。蒸汽流量外扰给水流量内扰,第二讲热工控制对象的动态特性,汽包锅炉给水自动控制系统中，当被调量水位变化时，调节系统是通过调节作用改变给水流量W来调节水位，使之恢复为给定值的，故称给水流量W到汽包水位h之间的信号作用路径为调节通道。而蒸汽流量变化是水位偏离给定值的原因，称由D到h之间的信号作用路径为干扰通道。内扰通过调节通道作用于对象，外扰通过干扰通道作用于对象。,第二讲热工控制对象的动态特性,二、自平衡能力控制对象在受到扰动、平衡被破坏后，不需要外界帮助，能通过被调量的自身变化来克服扰动的影响，达到新的平衡。这种对象自己重新建立平衡的特性称为对象的自平衡特性。,第二讲热工控制对象的动态特性,在热工调节对象中，有的对象有自平衡能力，有的对象无自平衡能力。,第二讲热工控制对象的动态特性,三、惯性和迟延热工调节对象大部分是多容对象，存在复杂的传热、传质过程。因而热工调节对象都有一定的惯性和迟延。,单容对象：只有一个储存物质或者能量的容积。多容对象：具有两个或两个以上储存物质或能量的容积。,第二讲热工控制对象的动态特性,多容对象示例,第二讲热工控制对象的动态特性,四、热工控制对象动态特性的特点：,第二讲热工控制对象的动态特性,热工控制对象动态特性的基本特点：(1)被调量在扰动发生的开始阶段有迟延和惯性。在一开始被调量并不立即有显著变化，而且达到平衡要有一个非周期过程，过渡过程是不振荡的。如给水流量扰动下的锅炉汽包水位对象、燃料量扰动下的主蒸汽压力对象、减温水扰动下的主蒸汽温度对象等，它们在扰动开始时，被调量的变化都有迟延。(2)在过渡过程的后期，被调量可能达到新的平衡，也可能不断变化，而其变化速度趋于某一值，前者称为有自平衡能力的对象，后者称为无自平衡能力的对象。如给水流量扰动下的锅炉汽包水位对象就是无自平衡能力的对象，减温水扰动下的主蒸汽温度对象就是有自平衡能力的对象。,第三讲自动调节器的动作规律,获得或掌握了调节对象的动态特性后，要根据调节对象的动态特性选择合适的调节器，对于对象结构一定的控制系统，调节过程质量的好坏主要取决于控制系统的结构形式和调节器的动态特性。,调节器的动态特性也称为调节器的动作规律，是调节器的输入信号与输出信号之间的动态关系。,输入信号被调量的偏差信号输出信号执行机构的位置指令,三种最基本的调节作用：比例作用积分作用微分作用,常用的三种调节器：比例作用调节器比例积分作用调节器比例积分微分作用调节器,第三讲自动调节器的动作规律,一、比例调节作用1、调节作用的动作规律：,调节器的输出信号与输入信号成正比例关系。偏差e越大，执行器位移u变化量越大，偏差变化速度越快，执行器的位移速度越快。,2、比例调节作用的特点：,动作快，调节及时、迅速；对干扰有很强的抑制作用；调节过程结束，被调量偏差仍存在，存在静态偏差，称为有差调节。,e,输出,t,t,输入,第三讲自动调节器的动作规律,二、积分调节作用1、调节作用的动作规律：,调节器的输出信号与输入信号随时间的积分成正比例关系。时间越长，执行器位移u变化量越大，偏差e越大，执行器的位移速度越快。,2、积分调节作用的特点：,动作速度较比例作用慢，早期调节作用较比例作用弱。只要偏差存在，一直产生调节作用；直到偏差为0时，调节器才停止动作，因此能实现无差调节；调节过程中，执行机构容易动作过头，使调节系统发生振荡。,t,t,e1,u,e2,第三讲自动调节器的动作规律,三、微分调节作用1、调节作用的动作规律：,调节器的输出信号与输入信号的变化速度成正比例关系。微分调节作用的大小仅与偏差信号的变化速度有关，而与偏差值大小无关。,2、微分调节作用的特点：,能超前调节，调节作用强，对克服对象的迟延，防止产生过调比较有利；不能单独使用。,第三讲自动调节器的动作规律,综上所述：比例调节作用是最基本的调节作用，而积分和微分作用为辅助调节作用。比例作用贯穿于整个调节过程之中；积分作用则体现在调节过程的后期，用以消除静态偏差；微分作用则体现在调节过程的初期。实际应用中应根据具体情况选择调节规律，同时设置适当的比例带、积分时间、微分时间，才能收到满意的调节效果。,一、按控制系统的结构分类（一）、闭环控制也称反馈控制，系统中的被调量信号反馈至输入端，作为调节器产生控制作用的依据。,第四讲自动控制系统的分类,反馈控制是根据被调量与给定值的偏差值来控制的。反馈控制的特点是必须在被调量与给定值的偏差出现后，调节器才能对其进行调节来补偿干扰对被调量的影响。如果干扰已经发生，而被调参数还未变化时，调节器是不会动作的。即反馈控制总是落后于干扰作用。因此称之为“不及时控制”。反馈控制方案的本身决定了无法将干扰对被控量的影响克服在被控量偏离设定值之前，从而限制了这类控制系统控制质量的进一步提高。,第四讲自动控制系统的分类,原因：,（1）在热工控制系统中，由于被控对象通常存在一定的纯滞后和容积滞后，因而从干扰产生到被调量发生变化需要一定的时间。（2）从偏差产生到调节器产生控制作用以及操纵量改变到被控量（被调量）发生变化又要经过一定的时间。可见，这种反馈控制方案本身决定了无法将干扰对被控量的影响克服在被控量偏离设定值之前，从而限制了这类控制系统控制质量的进一步提高。,第四讲自动控制系统的分类,（二）、开环控制也称前馈控制，直接根据扰动进行控制。,考虑到偏差产生的直接原因是干扰作用的结果，如果直接按扰动而不是按偏差进行控制，也就是说，当干扰一出现调节器就直接根据检测到的干扰大小和方向按一定规律去进行控制。由于干扰发生后被控量还未显示出变化之前，调节器就产生了控制作用，这在理论上就可以把偏差彻底消除。按照这种理论构成的控制系统称为前馈控制系统，显然，前馈控制对于干扰的克服要比反馈控制系统及时得多。结论：若系统中的调节器能根据干扰作用的大小和方向就对被调介质进行控制来补偿干扰对被调量的影响，则这种控制就叫做“前馈控制”或“扰动补偿”。,前馈控制的局限性,1、首先表现在前馈控制系统中不存在被调量的反馈，即对于补偿的结果没有检验的手段。因而，当前馈作用并没有最后消除偏差时，系统无法得知这一信息而作进一步的校正。2、由于实际工业对象存在着多个干扰，为了补偿它们对被调量的影响，势必设计多个前馈通道，增加了投资费用和维护工作量。3、当干扰通道的时间常数小于控制通道的时间常数时，不能实现完全补偿。4、前馈控制模型的精度也受到多种因素的限制，对象特性受负荷和工况等因素的影响而产生偏移，因此一个事先固定的前馈模型不可能获得良好的控制质量。,第四讲自动控制系统的分类,前馈控制与反馈控制的特点：（1）开环控制：调节作用快于闭环控制，因此我们说前馈具有超前调节的作用；但前馈控制不能对被调量进行精确控制。（2）闭环调节：调节作用比前馈慢，但能保证被调量等于设定值。大多数自动控制系统要采用闭环控制。,第四讲自动控制系统的分类,（三）前馈反馈控制系统（复合控制）在反馈控制的基础上，加入主要扰动的前馈控制而构成。,工程实际中，为克服前馈控制的局限性从而提高控制质量，对一两个主要扰动采取前馈补偿，而对其它引起被调参数变化的干扰采用反馈控制来克服。以这种形式组成的系统称为前馈反馈复合控制系统。前馈反馈复合控制系统既能发挥前馈调节控制及时的优点，又能保持反馈控制对各种扰动因素都有抑制作用的长处，因此得到了广泛的应用。,第五讲自动控制系统的实现,一、自动调节系统的手动/自动切换与自动跟踪1、调节系统的手动操作与手动/自动切换DCS组成的控制系统中,操作器有两种形式:硬手操器软手操器,操作器实现的基本功能：手动/自动方式的切换被调量给定值的增加和减小控制输出值的手动增加和减小被调量、给定值、调节器输出、执行机构位置的显示,第五讲自动控制系统的实现,2、调节系统中的自动跟踪,手动时：执行机构的位置由运行人员手动操作决定。自动时：执行机构的位置由调节器的输出指令决定。,要实现“无扰切换”，必须采取强制措施：手动运行方式下，调节器的输出跟踪执行机构的位置反馈信号。,如果运行人员的手动操作信号与调节器输出的自动控制指令不相等，在从手动方式向自动方式切换时会产生切换扰动，严重破坏控制系统的稳定。,第五讲自动控制系统的实现,二、单回路控制系统实例,第五讲自动控制系统的实现,三、多执行机构控制系统实例,T1、T2切换逻辑,NO常闭接点NC常开接点,选择开关信号为1时