第1章自动控制系统基本概念

1、 西西 南南 石石 油油 大大 学学 授课教师基本情况：授课教师基本情况： 杨杨 青青 电气信息学院电气信息学院 电话电话 1522894680215228946802授课方式：授课方式：课堂教学课堂教学4444学时学时+ +实验实验4 4学时学时考核方法：考核方法：平时平时( (作业、考勤作业、考勤)20% +)20% +实验实验5 5期末考试期末考试75%75%仪表自动化的概念仪表自动化的概念u采用自动化仪表及装置采用自动化仪表及装置u检测、显示、记录和控制检测、显示、记录和控制生产过程中的重要工艺参数生产过程中的重要工艺参数u代替操作人员的直接操作代替操作人员的直接操作u当受到外界干扰的

2、影响而偏离正常状态时，能自动地调回到规定当受到外界干扰的影响而偏离正常状态时，能自动地调回到规定的数值范围内的数值范围内u生产过程自动化生产过程自动化u综合性的技术学科综合性的技术学科u自动控制学科自动控制学科u仪器仪表学科仪器仪表学科u计算机学科的理论与技术计算机学科的理论与技术 u优点优点u解放劳动力解放劳动力u提高工作效率提高工作效率u提高生产质量提高生产质量u保证生产安全保证生产安全u降低成本降低成本u改善环境改善环境 机器生产机器生产 控制理论控制理论 简单控制系统简单控制系统 复杂控制系统复杂控制系统 现代控制系统现代控制系统手动操作手动操作模拟控制模拟控制计算机数字控制计算机数字

3、控制（DDC，DCS，SCADA系统等系统等或或二级优化控制系统二级优化控制系统）自动化发展主要阶段自动化发展主要阶段: : 第第1章章 自动控制系统基本概念自动控制系统基本概念2. 生产过程自动化主要内容：生产过程自动化主要内容： 自动检测系统自动检测系统工况参数自动检测；工况参数自动检测； 自动保护系统自动保护系统工况参数超限自动联锁保护；工况参数超限自动联锁保护； 自动操纵系统自动操纵系统按设定工艺步骤自动操纵和自动开停车；按设定工艺步骤自动操纵和自动开停车； 自动控制系统自动控制系统工况参数偏离正常工艺条件，自动调整工况参数偏离正常工艺条件，自动调整 到正常状态。到正常状态。 1液位人

4、工控制液位人工控制 ： 检测检测眼眼； 运算（思考）、命令运算（思考）、命令脑脑； 执行执行手手。 2 .液位自动控制：液位自动控制：3.自动控制系统组成：自动控制系统组成：眼眼脑脑手手 简单控制系统实例简单控制系统实例 气液分离的简单液位控制系统组成示意图气液分离的简单液位控制系统组成示意图 4自动控制系统的分类：自动控制系统的分类： 按按结构结构特点分：特点分： 单回路负反馈控制系统，串接控制系统，前馈控制系统，单回路负反馈控制系统，串接控制系统，前馈控制系统，复合控制系统等；复合控制系统等； 按按信号信号特点分：特点分： 定值控制，随动控制，顺序（程序）控制；定值控制，随动控制，顺序（程

5、序）控制； 按按被控参数被控参数分：分： 温度控制系统，压力控制系统，温度控制系统，压力控制系统， 流量控制系统，液位控流量控制系统，液位控制系统，成分控制系统等制系统，成分控制系统等 5.工业自动化仪表的分类工业自动化仪表的分类： 按仪表使用的按仪表使用的能源能源分类分类电动仪表（电能），气动仪表（压缩空气），液动电动仪表（电能），气动仪表（压缩空气），液动仪表（少用）。仪表（少用）。 按信息的获得、传递、反映和处理的按信息的获得、传递、反映和处理的过程过程分类分类检测仪表，显示仪表，控制仪表，执行器，集检测仪表，显示仪表，控制仪表，执行器，集中控制装置。中控制装置。 按仪表的按仪表的组成形

6、式组成形式分类分类基地式仪表基地式仪表 基地式仪表集变送、显示、控制各部分功能基地式仪表集变送、显示、控制各部分功能于一体，单独构成一个固定的控制系统，于一体，单独构成一个固定的控制系统，单元组合仪表单元组合仪表 单元组合式仪表将变送、控制、显示等功单元组合式仪表将变送、控制、显示等功能制成各自独立的仪表单元，各单元间用统一的输入、输出能制成各自独立的仪表单元，各单元间用统一的输入、输出信号相联系。信号相联系。 单元组合仪表命名与性能：单元组合仪表命名与性能： QDZ（“气气”、“单单”、“组组”）气动单元组合仪表）气动单元组合仪表统一标准气源压力：统一标准气源压力：0.14MPa；统一标准信

7、号：统一标准信号：0.020.1MPa(20100kPa)；气路导管：气路导管：6 1紫铜管、塑料管、尼龙单管和管缆；紫铜管、塑料管、尼龙单管和管缆；精度：精度：1.0级、级、1.5级。级。 DDZ（“电电”、“单单”、“组组”）型电动单元组合仪表型电动单元组合仪表统一标准电源：交流统一标准电源：交流220V；统一标准信号：现场传输信号统一标准信号：现场传输信号010mA；控制室联络信号；控制室联络信号02V；精度：精度：0.5级、级、1.0级、级、1.5级。级。 DDZ（“电电”、“单单”、“组组”）型电动单元组合仪表型电动单元组合仪表统一标准电源：统一标准电源：24V直流；直流；统一标准信

8、号：现场传输信号统一标准信号：现场传输信号420mA；控制室联络信号；控制室联络信号15V；精度：精度：0.2级、级、0.5级、级、1.0级、级、1.5级。级。 按按防爆能力防爆能力分类分类 普通型普通型凡是未采取防爆措施的仪表，只能应用在非危险场所。凡是未采取防爆措施的仪表，只能应用在非危险场所。隔爆型隔爆型采取隔离措施以防止引燃引爆事故的仪表。采取隔离措施以防止引燃引爆事故的仪表。 安全火花型仪表安全火花型仪表这类仪表采用低压直流小功率电源供电，并且对电路中这类仪表采用低压直流小功率电源供电，并且对电路中的储能元件的储能元件( (例如电容、电感例如电容、电感) )严加限制，使电路在故障下所

9、严加限制，使电路在故障下所产生的火花微弱到不足以点燃周围的易燃气体。此外，危险产生的火花微弱到不足以点燃周围的易燃气体。此外，危险区以外发生电路的混触，也有可靠的措施，使高电压、大电区以外发生电路的混触，也有可靠的措施，使高电压、大电流不能进入危险区。流不能进入危险区。 方块图方块图是是由传递方块（环节、装置）、带箭头的信号线、由传递方块（环节、装置）、带箭头的信号线、综合点、分支构成的表示控制系统组成和作用的图形。综合点、分支构成的表示控制系统组成和作用的图形。方块方块代表一个具体的实物代表一个具体的实物;带箭头的带箭头的信号线信号线表示方块间的相互关系及信号的流向。表示方块间的相互关系及信

10、号的流向。 同一种形式的方块图可以代表不同的控制系统。同一种形式的方块图可以代表不同的控制系统。 例：蒸汽加热器温度控制系统例：蒸汽加热器温度控制系统图图1-5 1-5 蒸汽加热器温度控制系统蒸汽加热器温度控制系统 图图1-4 贮槽液位控制系统与蒸汽加热器温度控制系统贮槽液位控制系统与蒸汽加热器温度控制系统 所谓控制系统的所谓控制系统的方框图方框图就是从信号流的角度出发，将组成自动控制系就是从信号流的角度出发，将组成自动控制系统的各个环节用信号线相互连接起来的图形。统的各个环节用信号线相互连接起来的图形。 自动控制系统自动控制系统方框图便于系统设计、分析和研究方框图便于系统设计、分析和研究：

11、A检测仪表；检测仪表；B 控制仪表；控制仪表；C系统结构及特性分析；系统结构及特性分析；D 被控过程特性。被控过程特性。 在控制方案确定后，根据工艺设计给出的在控制方案确定后，根据工艺设计给出的流程图流程图，按，按其其流程顺序标注出相应的测量点、控制点、控制系统及自流程顺序标注出相应的测量点、控制点、控制系统及自动动信号与联锁保护系统等的图形，即工艺管道与控制流程信号与联锁保护系统等的图形，即工艺管道与控制流程图。图。 工艺管道与控制流程图上设备间的工艺管线，表示物料工艺管道与控制流程图上设备间的工艺管线，表示物料的流动方向。的流动方向。 图图1-6 1-6 脱乙烷塔工艺管道及控制流程图脱乙烷

12、塔工艺管道及控制流程图 图形符号图形符号 测量点，连接线，仪表，测量点，连接线，仪表，见表见表1-1 。 图图1-7 测量点的一般表示方法测量点的一般表示方法 图图1-8 连接线的表示方法连接线的表示方法 表表1-1 仪表安装位置的图形符号表示仪表安装位置的图形符号表示 字母代号字母代号 第一位字母表示被测变量，后续字母表示仪表的功能，第一位字母表示被测变量，后续字母表示仪表的功能，见表见表1-2字字 母母第第 一一 位位 字字 母母后后 续续 字字 母母被被 测测 变变 量量修修 饰饰 词词功功 能能ACDEFHIKLMPQRSTVWYZ分析分析电导率电导率密度密度电压电压流量流量手动手动电

13、流电流时间或时间程序时间或时间程序液位（物位）液位（物位）水分或湿度水分或湿度压力或真空压力或真空数量或件数数量或件数放射性放射性速度或频率速度或频率温度温度黏度黏度力力供选用供选用位置、尺寸位置、尺寸差差比（分数）比（分数）变化速率变化速率积算、累积积算、累积安全安全Y轴轴X轴轴 报警报警控制（调节）控制（调节）检测元件检测元件指示指示自动自动-手动操作器手动操作器灯灯连接点、测试点连接点、测试点记录记录开关、联锁开关、联锁传送传送阀、挡板、百叶窗阀、挡板、百叶窗套管套管继电器或计数器继电器或计数器驱动器、执行机构或未分类的终端执行器驱动器、执行机构或未分类的终端执行器 仪表位号仪表位号 第

14、一位数字表示工段号，后续数字表示仪表序号。第一位数字表示工段号，后续数字表示仪表序号。 例例1-1 图图1-6中，中，PIC-207，表示工段号为，表示工段号为2、仪表序号为、仪表序号为07、集中仪、集中仪表盘面安装的一台具有指示功能的压力控制仪表表盘面安装的一台具有指示功能的压力控制仪表 。1.1.控制系统的静态和动态控制系统的静态和动态 系统的被控变量不随时间变化的平衡状态称为系统的系统的被控变量不随时间变化的平衡状态称为系统的静态静态。系统的。系统的“静态静态”是自动是自动控制控制系统的系统的目标目标。 系统的被控变量随时间变化的不平衡状态称为系统的系统的被控变量随时间变化的不平衡状态称

15、为系统的动态动态。系统的。系统的“动态动态”是自动控制系统的是自动控制系统的研究研究的的重点重点，因为，因为由于干扰的客观存在，系统总是处于由于干扰的客观存在，系统总是处于“动态动态”过程中，自动过程中，自动化装置总是不断地施加控制作用去对抗或抵消干扰作用的影化装置总是不断地施加控制作用去对抗或抵消干扰作用的影响，从而使被控变量保持在工艺生产所要求控制的技术指标响，从而使被控变量保持在工艺生产所要求控制的技术指标（平衡状态）上。（平衡状态）上。2.控制系统的过渡过程控制系统的过渡过程 系统从一个平衡状态过渡到另一个平衡状态的过程称为系统从一个平衡状态过渡到另一个平衡状态的过程称为系统的系统的过

16、渡过程过渡过程。 研究方法研究方法: :阶跃干扰作用阶跃干扰作用 ,观测控制系统被控变量的变化观测控制系统被控变量的变化规律。规律。 图图1-12 阶跃干扰作用阶跃干扰作用 过渡过程的过渡过程的基本形式基本形式( (控制系统在阶跃干扰下的响应曲线控制系统在阶跃干扰下的响应曲线) )图图1-13 过渡过程的几种基本形式过渡过程的几种基本形式非周期衰减过程非周期衰减过程衰减振荡过程衰减振荡过程等幅振荡过程等幅振荡过程发散振荡过程发散振荡过程单调发散过程单调发散过程稳稳 定定 过过 程程发发 散散 过过 程程 图图1-4 1-4 衰减振荡过渡过程衰减振荡过渡过程 控制系统的品质指标：（衰减振荡过程）

17、控制系统的品质指标：（衰减振荡过程） 最大偏差最大偏差 A； 超调量超调量B=A C； 余差余差 C C； 衰减比衰减比 n=B:B = (410)，式中，式中，B第一个波峰第一个波峰值值，B 第二个波峰第二个波峰值值； （n n 1 1衰减振荡过程衰减振荡过程, ,n n=1=1等幅振荡过程等幅振荡过程, ,n n 1 1发散过程）发散过程）1.5 过渡过程及其品质指标过渡过程及其品质指标 振荡周期振荡周期 T； 过渡时间过渡时间 ts。 例例1-2 某发酵过程某发酵过程工艺规定工艺规定操作温度为操作温度为(402)。考虑到发酵效。考虑到发酵效果，控制过程中温度偏离给定值最大不能超过果，控制

18、过程中温度偏离给定值最大不能超过6。现设计一定值控。现设计一定值控制系统，在阶跃扰动作用下的过渡过程曲线如图所示。试确定该系统制系统，在阶跃扰动作用下的过渡过程曲线如图所示。试确定该系统的最大偏差、衰减比、余差、过渡时间的最大偏差、衰减比、余差、过渡时间(按被控变量进入按被控变量进入2新稳态新稳态值即达到稳定来确定值即达到稳定来确定)和振荡周期等过渡过程指标，并回答该系统能和振荡周期等过渡过程指标，并回答该系统能否满足工艺要求否满足工艺要求 最大偏差最大偏差 A=45 40=5（） 6 衰减比衰减比 B=45 41=4（）；）； B =42 41=1 () n=B:B =4:1=4 余差余差

19、C=41 40=1（） 振荡周期振荡周期 T=18 5=13（min）过渡时间过渡时间 被控变量进入新稳态值被控变量进入新稳态值 2%， 就认为过渡过程已结束，那么限制范围是就认为过渡过程已结束，那么限制范围是 41 ( 2%)= 0.82，所以过渡时间，所以过渡时间 ts=23 min。 控制系统控制系统满足满足工艺要求工艺要求 系统系统按照某种划分得到的若干元素的集合。按照某种划分得到的若干元素的集合。 反馈反馈将系统输出信号引回并加入到输入信号的系统结将系统输出信号引回并加入到输入信号的系统结 构和工作方式。构和工作方式。 负反馈负反馈使系统输出信号趋于稳定或者说使系统的被控使系统输出信

20、号趋于稳定或者说使系统的被控变量与定值之差减小的反馈。变量与定值之差减小的反馈。 正反馈正反馈使系统输出变量单调变化趋于极限或者说使系使系统输出变量单调变化趋于极限或者说使系统的被控变量给定值之差不断增大的反馈。统的被控变量给定值之差不断增大的反馈。 负反馈控制系统负反馈控制系统具有负反馈作用的控制系统具有负反馈作用的控制系统。 信息信息系统功能与属性的某种表达。如控制系统系统功能与属性的某种表达。如控制系统中，各环节的输入输出信号。中，各环节的输入输出信号。 控制控制为实现目的而施加的作用。一切控制都是有为实现目的而施加的作用。一切控制都是有目的的行为。目的的行为。 开环控制开环控制没有反馈的简单控制。如通常照明中的没有反馈的简单控制。如通常照明中的调光控制，电风扇的多级风速调节等。调光控制，电风扇的多级风速调节等。 过程过程一种自然的逐渐进行的运转或发展，如化学一种自然的逐渐进行的运转或发展，如化学过程，生物过程，经济学过程等。工业生产过程的特征是，过程，生物过程，经济学过程等。工业生产过程的特征是，被处理为流体，包括液体、气体和粉体。被处理为流体，包括液体、气体和粉体。1.6 控制系统基本概念控制系