化工自动控制原理

1、化工自动控制原理化工自动控制原理工艺工程师自动化技术培工艺工程师自动化技术培训训第一章第一章 概述概述1 1 引言引言l l自动化定义：自动化定义： l l自动控制系统：自动控制系统：机器机器或或装置装置在在无人干预无人干预的情况的情况下下按规定的程序或指令按规定的程序或指令自动进行操作或控制。自动进行操作或控制。摘自中国大百科全书摘自中国大百科全书由内部互相联系的由内部互相联系的部件部件按照按照一一定规律定规律组成，能够完成组成，能够完成一定控制目标一定控制目标的有机整的有机整体。体。降低成本。降低成本。l l自动控制的目标：自动控制的目标：提高劳动生产率，提高劳动生产率，提高产品质量，提高

2、产品质量，改善劳动条件，改善劳动条件，节约能源，节约能源，2自动控制简史自动控制简史2.1经典控制理论经典控制理论q古老的反馈控制思想古老的反馈控制思想q40年代形成独立学科，机械化自动化年代形成独立学科，机械化自动化q瓦特蒸汽机的离心调节器瓦特蒸汽机的离心调节器自动控制自动控制领域的第一项重大成果（领域的第一项重大成果（18世纪中叶）世纪中叶）q中国古代发明中国古代发明2.2现代控制理论现代控制理论60年代始获得长足发展，主要以分析和设计复杂年代始获得长足发展，主要以分析和设计复杂控制系统为目标。控制系统为目标。现代控制理论的发展是计算机发展的衍生物。现代控制理论的发展是计算机发展的衍生物。

3、状态空间分析方法状态空间分析方法线性系统与非线性系统、定常系统线性系统与非线性系统、定常系统与时变系统、多输入与时变系统、多输入多输出系统等多输出系统等2.3先进控制与智能控制先进控制与智能控制主要研究方向：主要研究方向：人工神经元网络研究等人工神经元网络研究等预测控制预测控制模糊控制模糊控制自适应控制自适应控制多学科的融汇、贯通多学科的融汇、贯通3开环控制系统与闭环控制系统开环控制系统与闭环控制系统控制器控制器受控对象受控对象控制量控制量输入量输入量输出量输出量(a)开环控制系统开环控制系统控制量控制量输入量输入量输出量输出量(b)闭环控制系统闭环控制系统反馈元件反馈元件控制器控制器受控对象

4、受控对象开环控制系统开环控制系统特点：特点： 缺点：缺点：最简单的控制方式最简单的控制方式系统结构简单、维护容易、系统结构简单、维护容易、成本低、不存在稳定性问题成本低、不存在稳定性问题信号传递没有形成闭合回路信号传递没有形成闭合回路输出量不能对控制量产生输出量不能对控制量产生影响。影响。控制精度不高控制精度不高系统抗干扰能力差系统抗干扰能力差对元器件的要求对元器件的要求比较高比较高控制量控制量输入量输入量输出量输出量(b)闭环控制系统闭环控制系统反馈元件反馈元件控制器控制器受控对象受控对象控制器控制器受控对象受控对象控制量控制量输入量输入量输出量输出量(a)开环控制系统开环控制系统闭环控制系

5、统闭环控制系统 反馈控制系统反馈控制系统l l反馈通路反馈通路负反馈与正反馈负反馈与正反馈控制系统一般采用负反馈控制系统一般采用负反馈l l信号传递形成一个闭合回路信号传递形成一个闭合回路输入量与反馈量之差称为输入量与反馈量之差称为偏差信号偏差信号控制量控制量输入量输入量输出量输出量(b)闭环控制系统闭环控制系统反馈元件反馈元件控制器控制器受控对象受控对象控制器控制器受控对象受控对象控制量控制量输入量输入量输出量输出量(a)开环控制系统开环控制系统4自动控制与自动控制系统自动控制与自动控制系统4.1自动控制系统的组成及定义自动控制系统的组成及定义以自动化实验室水槽液位控制系统为例：以自动化实验

6、室水槽液位控制系统为例：调节系统方块图调节系统方块图给定给定流量流量1液位液位1液位液位2微机式微机式调节器调节器调节阀调节阀水槽水槽1水槽水槽2变送器变送器1自动控制系统的基本结构：自动控制系统的基本结构：设定值设定值x控制器控制器执行器执行器被控对象被控对象测量、变送测量、变送扰动扰动f被控变量被控变量y反馈量反馈量z自动控制系统的基本结构自动控制系统的基本结构偏差偏差e控制变量控制变量u1、控制系统的一些常用术语、控制系统的一些常用术语被控对象被控对象控制变量控制变量设定值设定值x控制器控制器执行器执行器被控对象被控对象测量、变送测量、变送扰动扰动f被控变量被控变量y反馈量反馈量z图图1

7、2自动控制系统的基本结构自动控制系统的基本结构偏差偏差e控制变量控制变量u是指被控制的装置或者设备。是指被控制的装置或者设备。施加给被控对象的信号，使受控对象按照一定施加给被控对象的信号，使受控对象按照一定的规律运行，一般用符号的规律运行，一般用符号u表示。表示。被控变量被控变量控制系统的输出，即被控的物理量，一般用符号控制系统的输出，即被控的物理量，一般用符号y表示。表示。偏差信号偏差信号扰动信号扰动信号系统的设定值与反馈信号之差称为偏差，用符号系统的设定值与反馈信号之差称为偏差，用符号e表示。表示。使对象输出偏离设定值的输入信号。一般用符号使对象输出偏离设定值的输入信号。一般用符号f表示。

8、表示。 设定值设定值x控制器控制器执行器执行器被控对象被控对象测量、变送测量、变送扰动扰动f被控变量被控变量y反馈量反馈量z图图12自动控制系统的基本结构自动控制系统的基本结构偏差偏差e控制变量控制变量u设定值（给定值）设定值（给定值）希望系统输出达到的数值，一般用符号希望系统输出达到的数值，一般用符号x表示。表示。2、控制系统的组成、控制系统的组成定值元件定值元件控制器控制器执行元件执行元件用来产生设定值或参考输入。用来产生设定值或参考输入。 或称调节器。通过一定的控制规律给出或称调节器。通过一定的控制规律给出控制量，送到执行元件。控制量，送到执行元件。完成功率转换或信号转换，常称为执完成功

9、率转换或信号转换，常称为执行机构或者执行器。行机构或者执行器。 设定值设定值x控制器控制器执行器执行器被控对象被控对象测量、变送测量、变送扰动扰动f被控变量被控变量y反馈量反馈量z图图12自动控制系统的基本结构自动控制系统的基本结构偏差偏差e控制变量控制变量u测量、变送元件测量、变送元件又称传感器，用于检测被控对象的输出又称传感器，用于检测被控对象的输出量，并变换成标准信号送到控制器。量，并变换成标准信号送到控制器。比较元件比较元件用以产生偏差信号用以产生偏差信号2、控制系统的组成、控制系统的组成设定值设定值x控制器控制器执行器执行器被控对象被控对象测量、变送测量、变送扰动扰动f被控变量被控变

10、量y反馈量反馈量z图图12自动控制系统的基本结构自动控制系统的基本结构偏差偏差e控制变量控制变量u3 3、 对自动控制系统的基本要求对自动控制系统的基本要求稳定性、精确性和快速性稳定性、精确性和快速性q 稳定性稳定性 控制系统设计的首要条件控制系统设计的首要条件 系统自身的属性系统自身的属性 有界输入，有界输出有界输入，有界输出q 精确性精确性反映系统的被控变量偏离设定值的程度。反映系统的被控变量偏离设定值的程度。q 快速性快速性控制系统受到外界的作用后，从一个平衡状态控制系统受到外界的作用后，从一个平衡状态达到另一个平衡状态的时间达到另一个平衡状态的时间。5、自动控制系统的分类自动控制系统的

11、分类1、开环控制系统与闭环控制系统、开环控制系统与闭环控制系统2、定值控制系统、随动控制系统和程序控制、定值控制系统、随动控制系统和程序控制根据给定信号形式的不同分类。根据给定信号形式的不同分类。定值控制系统：定值控制系统：系统的参考输入为恒定值或者波系统的参考输入为恒定值或者波动范围很小，要求系统的输出量也保持恒定。动范围很小，要求系统的输出量也保持恒定。随动控制系统（伺服控制系统）：随动控制系统（伺服控制系统）：参考输入值不参考输入值不断变化，变化规律未知。控制目的是使得系统的断变化，变化规律未知。控制目的是使得系统的输出量能够准确地跟踪输入值的变化。输出量能够准确地跟踪输入值的变化。程序

12、控制系统：程序控制系统：设定值变化，是时间的已知函数，设定值变化，是时间的已知函数，即按照事先规定的时间程序或规律变化。即按照事先规定的时间程序或规律变化。6、单输入、单输入单输出系统与多输入单输出系统与多输入多输出系统多输出系统从输入与输出信号的数量分类。从输入与输出信号的数量分类。单输入单输入单输出系统（单输出系统（SISO）多输入多输入多输出系统（多输出系统（MIMO）集中参数系统与分布参数系统集中参数系统与分布参数系统uy(a)SISO系统系统系系统统1u2unu1y2yny(b)MIMO系统系统系系统统确定性系统与随机控制系统等确定性系统与随机控制系统等中国、古埃及和巴比伦人发明的自

13、动计时装置中国、古埃及和巴比伦人发明的自动计时装置(公元前公元前11世纪世纪)Jameswat发明的飞球调节器，控制蒸汽机的转速发明的飞球调节器，控制蒸汽机的转速（1769年）年）Polzunov发明的浮球调节器，用于水位控制发明的浮球调节器，用于水位控制（1765年）年）Gray设计的第一艘全自动蒸汽轮船设计的第一艘全自动蒸汽轮船“东方号东方号”（1866年）年）徐寿设计的中国第一艘蒸汽轮船徐寿设计的中国第一艘蒸汽轮船“黄鹄黄鹄”号号（1866年）年）世界上第一台数控铣床（世界上第一台数控铣床（1952年）年）G. Brown (1907-1996) MIT电机系教授，工学院院长电机系教授，

14、工学院院长(1959-1968)MIT Servo-Lab，世界首台数控机床的创始人，世界首台数控机床的创始人，开设了第一门自动控制课程开设了第一门自动控制课程具有很高自动化水平的我国石化工业（具有很高自动化水平的我国石化工业（1）具有较高自动化水平的我国石化工业（具有较高自动化水平的我国石化工业（90年代年代）现代空间技术的发展现代空间技术的发展常用的典型试验信号：常用的典型试验信号： r(t)tr(t)tr(t)tr(t)tA(a)阶跃信号阶跃信号(c)斜坡信号斜坡信号(d)抛物线信号抛物线信号(e)正弦信号正弦信号图图3-1典型试验信号典型试验信号r(t)tE1 (b)脉冲信号脉冲信号究

15、竟使用哪种典型究竟使用哪种典型信号分析系统？信号分析系统？取决于系统在正常工作时最常见的输入信号形式取决于系统在正常工作时最常见的输入信号形式若输入是突然的脉动若输入是突然的脉动脉冲信号脉冲信号若输入是突变的跃变若输入是突变的跃变阶跃信号阶跃信号若输入随时间逐渐变化若输入随时间逐渐变化斜坡信号斜坡信号若输入是周期信号若输入是周期信号正弦信号正弦信号过渡过程的性能指标过渡过程的性能指标直接评价控制系统的直接评价控制系统的单位阶跃响应曲线单位阶跃响应曲线（a）随动系统随动系统图图3-2单位阶跃响应曲线单位阶跃响应曲线（b）定值系统定值系统1.50.510t以阶跃响应曲线形式表示的质量指标以阶跃响应

16、曲线形式表示的质量指标(1)峰值时间峰值时间tp阶跃响应曲线达到第一峰值所需要的时间。阶跃响应曲线达到第一峰值所需要的时间。tptp愈小，表明控制系统反应愈灵敏。愈小，表明控制系统反应愈灵敏。A(2)最大偏差最大偏差A和超调量和超调量最大偏差最大偏差A:被控输出第一个波的峰值与给定值的差，被控输出第一个波的峰值与给定值的差，如图中的如图中的A。超调量超调量%100)()()(% yytyp y()为过渡过程的稳态值。为过渡过程的稳态值。超调量超调量（百分数表示的最大偏差）：百分数表示的最大偏差）：)()(trtyAp 1.50.510)( ytptA注意最大偏差和超调量的不同。注意最大偏差和超

17、调量的不同。(3)衰减比衰减比n在过渡过程曲线上，同方向上相邻两个波峰值之比。在过渡过程曲线上，同方向上相邻两个波峰值之比。如图，如图，n=A:A。ln愈大，过渡过程衰减的越快，反之，愈大，过渡过程衰减的越快，反之，n愈小，过愈小，过渡过程的衰减程度也愈小渡过程的衰减程度也愈小;l一般操作经验希望过程有两、三个周波结束，一一般操作经验希望过程有两、三个周波结束，一般常取般常取n=4:110:1。l l当当n1时，过渡过程则为等幅振荡；时，过渡过程则为等幅振荡；0.150.050.10ttp)( yAA(4)调节时间调节时间ts阶跃响应到达稳态的时间。阶跃响应到达稳态的时间。工程上常取在被控变量

18、进入新稳态值的土工程上常取在被控变量进入新稳态值的土5或或土土2的误差范围，并不再超出的时间。的误差范围，并不再超出的时间。ts的大小一般与控制系统中的最大时间常数有的大小一般与控制系统中的最大时间常数有关，关，ts越短，系统响应越快。越短，系统响应越快。1.50.510A tptAts)( y1.50.510A tptA(5)上升时间上升时间tr仅适用随动系统。第一次达到系统新稳态值所仅适用随动系统。第一次达到系统新稳态值所需的时间，定义为上升时间。需的时间，定义为上升时间。(6)余差或稳态误差余差或稳态误差e()过渡过程结束时稳态值与给定值之差，是表示控过渡过程结束时稳态值与给定值之差，是

19、表示控制系统精度的重要质量指标。制系统精度的重要质量指标。tr对于非振荡的过渡过程曲线：从稳态值的对于非振荡的过渡过程曲线：从稳态值的10上上升到升到90所需的时间。所需的时间。)( ytse(）总结：总结：1、峰值时间、峰值时间tp和上升时间和上升时间tr反映了系统反映了系统的初始快速性。的初始快速性。4、稳态误差反映了系统的调节精度。、稳态误差反映了系统的调节精度。3、最大偏差、超调量和衰减比反映了系、最大偏差、超调量和衰减比反映了系统的平稳性。统的平稳性。2、调节时间、调节时间ts反映了系统的整体快速性。反映了系统的整体快速性。1.50.510A tptAtr)( yts3.1常规控制规

20、律对系统控制质量的影响常规控制规律对系统控制质量的影响调节器可以被用来改变闭环传递函数，以保证系统调节器可以被用来改变闭环传递函数，以保证系统获得希望的动态特性和静态特性。获得希望的动态特性和静态特性。R(s)Y(s)(0sG)(sGc)(sGf)(sH+F(s)E(s)Z(s)3.1.1常规控制器的控制规律常规控制器的控制规律调节器按不同控制规律产生使偏差减小的控制信号。调节器按不同控制规律产生使偏差减小的控制信号。工业中常用的控制规律有：工业中常用的控制规律有：比例比例P、比例加积分比例加积分PI、比例加积分加微分比例加积分加微分PID等等3.1.1.1比例控制规律比例控制规律P控制器输出

21、控制器输出p(t)与偏差信号与偏差信号e(t)之间成比例关系。之间成比例关系。p(t)=Kce(t)其传递函数其传递函数:ccKsEsPsG )()()(Kc：控制器的比例增益或放大倍数。控制器的比例增益或放大倍数。10.50-0.50510420-20510e(t)p(t)R(s)Y(s)cKE(s)P(s)-比例作用的特点：比例作用的特点：1.比例控制是最基本的控制规律；比例控制是最基本的控制规律；2.不能消除静态误差（余差）；不能消除静态误差（余差）；3.余差大小与余差大小与Kc成反比。成反比。可调增益的放大器可调增益的放大器输出与输入波形相同，放大输出与输入波形相同，放大Kc倍倍若广义

22、对象为若广义对象为0型系统，则系统存在稳态误型系统，则系统存在稳态误差。差。总结：总结：3.1.1.2比例加积分控制规律比例加积分控制规律PI控制器输出控制器输出p(t)与偏差信号与偏差信号e(t)之间的关系为：之间的关系为： ticdtteTteKtp0)(1)()(控制器的传递函数为：控制器的传递函数为：)11()()()(sTKsEsPsGicc Kc:比例增益比例增益0te(t)0tp(t)ssE1)( P+IPITi:积分时间积分时间积分作用特点：积分作用特点：l l偏差信号的积分（累加）偏差信号的积分（累加）l l只有偏差为零时，积分作用才停止。此时，控只有偏差为零时，积分作用才停止。此时，控制信号保持在前一刻数值。制信号保持在前一刻数值。l l只要偏差存在，积分作用就一直进行，直到受只要偏差存在，积分作用就一直进行，直到受到实际装置的限幅（积分饱和）。到实际装置的限幅（积分饱和）。总结：总结：1.积分控制作用是可以消除余差的（主要目的）。积分控制作用是可以消除余差的（主要目的）。2.积分作用与积分作用与Ti成反比。成反比。TiI3.有可能影响系统的稳定性。有可能影响系统的稳定性。 tidtteTtp0)(1)