第一讲自动控制系统的基本概念课件

第一讲自动控制系统的基本概念第一讲自动控制系统的基本概念1（优选）第一讲自动控制系统的基本概念（优选）第一讲自动控制系统的基本概念2检测技术与仪表绪论什么是自动化？仪表与自动化的关系？测量仪表在自动化中的地位？

3检测技术与仪表绪论3绪论工业自动化的概念工业自动化是化工、炼油、食品、轻工、电力等流程工业生产过程自动化的简称。在生产设备上，配上一些自动化装置（仪表），代替操作人员的部分直接劳动，使生产在不同程度上自动地进行，并达到预定的目标，这种用自动化装置来管理生产过程的办法，称为生产过程自动化。4绪论工业自动化的概念4绪论

随着现代科学技术的蓬勃发展，炼油、化工、冶金、电力、生物、制药等工业过程的生产规模越来越大型化、复杂化，各种类型的自动控制技术已经成了现代工业生产实现安全、高效、优质、低耗的基本条件和重要保证5绪论随着现代科学技术的蓬勃发展，炼油、化工、冶金、电绪论进料口执行器变送器调节器6绪论进料口执行器变送器调节器6绪论进料口执行器变送器调节器进料口执行器变送器控制站7绪论进料口执行器变送器调节器进料口执行器变送器控制站7绪论

系统由相互联系的具有特定功能的若干部分(环节)组成的完成一定任务的整体。

强调整体性和协调性8绪论8n＝1等幅振荡n＜1发散振荡n＞1衰减振荡不振荡控制系统的过渡过程及品质指标计算机集散控制系统（DCS）是把自动化技术、计算机技术、通信技术、故障诊断技术、冗余技术和图形显示技术融为一体的装置。执行器、被控对象及测量变送环节统称为广义对象检测仪表或变送器仪表中含有微处理器，功能强，往往具备数字信号传输和模拟信号传输两种功能。为了保持有足够的稳定程度，衰减比一般取为4：1至10：1；（2）、随动控制系统给定值是随机变化的，这种变化是事先不知道的；CIMS的概念与发展（3）控制器：常规调节器、智能调节器、计算机系统直接数字控制(DDC)计算机3控制系统过渡过程及品质指标动态被控变量随时间的变化而变化的不平衡状态；DDZ－III型：电源24VDC，信号4～20mA、1～5VDC注意：有向线段的方向代表信号的作用方向，而不是物料的流向。设定值控制器输出p 操纵变量q

一、自动控制系统的基本组成及方块图1、自动控制系统的基本组成(1)、被控对象生产中要求控制的生产设备（或过程）；(2)、测量元件或变送器对被控参数进行测量的仪表；(3)、控制器把被控参数的测量值与给定值相减得出偏差，并按某种运算规律算出结果，同时将此结果送给调节阀；(4)、调节阀根据调节器送来的信号的大小，自动改变阀的开启度，调节介质的流量，实现控制的目的。9n＝1等幅振荡n＜1发散振荡n＞1衰减振荡

一、自动控制系统的基本组成及方块图2、自动控制系统的有关名词术语（1）被控对象（受控对象）；（2）被控变量（受控变量）控制对象内要求以一定的精度保持恒定或随某一参数（给定值）的变化而变化的变量；（3）给定值要求被控参数所保持或遵循的数值（4）偏差给定值与测量值的差值（5）干扰影响被控变量，使其偏离给定值的因素（6）操纵变量影响被控变量，克服干扰使被控变量回到给定值的（调节阀的输出）；（7）控制作用控制器的输出10

一、自动控制系统的基本组成及方块图2、自动控制系统的有关名

一、自动控制系统的基本组成及方块图3、自动控制系统的方块图

用一个方块代表系统的一个组成环节；各方块之间用有向线段连接起来。11

一、自动控制系统的基本组成及方块图3、自动控制系统的方块

一、自动控制系统的基本组成及方块图3、自动控制系统的方块图

f

设定值控制器输出p 操纵变量q +r偏差e 被控变量y

控制器 执行器 对象

-z

测量值

检测仪表或变送器

图1单回路自动控制系统的组成框图注意：有向线段的方向代表信号的作用方向，而不是物料的流向。12

一、自动控制系统的基本组成及方块图3、自动控制系统的方块1313控制系统的方块图：调节器被控对象测量变送装置+－SP执行器调节器+－SP广义对象执行器、被控对象及测量变送环节统称为广义对象固定因素补偿因素14控制系统的方块图：调节器被控对象测量变送装置+－SP执行器调

一、自动控制系统的基本组成及方块图4、自动控制系统的工作过程以换热器系统为例15

一、自动控制系统的基本组成及方块图4、自动控制系统的工作过注意：有向线段的方向代表信号的作用方向，而不是物料的流向。一、自动控制系统的基本组成及方块图高速数据通道动态被控变量随时间的变化而变化的不平衡状态；这种系统在结构上是分散的，在监视、操作和管理上则是集中的。工业自动化是化工、炼油、食品、轻工、电力等流程工业生产过程自动化的简称。测量仪表特性执行器、被控对象及测量变送环节统称为广义对象计算机直接数字控制（DDC）系统集中型计算机控制系统原理图图1单回路自动控制系统的组成框图CIM(ComputerIntegratedManufacturing) 计算机集成制造 企业资源（人、财、物、技术、经营管理） 计算机技术集成 资源优化，产品优质、低耗、上市快，增强竞争力设定值控制器输出p 操纵变量q当前过程控制正处于第三个发展阶段，并以前所未有的速度和规模飞速前进，纵观这一时期，可归纳为如下三个主要特点智能仪表3控制系统过渡过程及品质指标三、自动控制系统的过渡过程和品质指标在阶跃干扰作用下，控制系统过渡过程的几种基本形式(4)、调节阀根据调节器送来的信号的大小，自动改变阀的开启度，调节介质的流量，实现控制的目的。一、自动控制系统的基本组成及方块图

二、自动控制系统的分类1、根据给定值不同分类（1）、定值控制系统给定值保持不变的系统。系统的任务是使被控变量以一定的精度保持在给定值上不变；（2）、随动控制系统给定值是随机变化的，这种变化是事先不知道的；（3）、程序控制系统给定值是按事先规定的程序变化的。16注意：有向线段的方向代表信号的作用方向，而不是物料的流向。

电阻丝加热恒温箱温度控制系统控制变压器活动触点的位置即改变了输入电压，则通过电阻丝的电流将产生变化，使恒温箱得到不同的温度。被控变量是恒温箱的温度，经热电偶测量并与设定值比较后，其偏差经过放大器放大，控制电动机的转向，然后经过传动装置，移动变压器的活动触点位置。结果使偏差减少，直到温度达到给定值为止。17电阻丝加热恒温箱温度控制系统控制变压器活动触点的位置即改变了比值控制系统18比值控制系统18程序控制系统设定值也是变化的，但它是一个已知的时间函数，即根据需要按一定时间程序变化。19程序控制系统设定值也是变化的，但它是一个已知的时间函数，即1.3控制系统过渡过程及品质指标静态与动态控制系统的过渡过程及品质指标当自动控制系统的输入发生变化后，被控变量（即输出）随时间不断变化，它随时间而变化的过程称为系统的过渡过程。也就是系统从一个平衡状态过渡到另一个平衡状态的过程。201.3控制系统过渡过程及品质指标静态与动态202、按补偿干扰的方法分类反馈调节器执行器对象传感器、变送器+－SPxzeuqyf干扰f（t）被控变量调节器操作变量补偿干扰

前馈前馈补偿器执行器对象传感器、变送器pqy干扰f干扰f（t）变送器补偿器操作变量补偿干扰前馈+反馈调节器执行器对象传感器、变送器+－SPxzey干扰f变送器前馈补偿器++212、按补偿干扰的方法分类反馈调节器执行器对象传感器、变送器+闭环与开环

闭环——系统的输出被反馈到输入端并与设定值进行比较的系统称为闭环系统，此时系统根据设定值与测量值的偏差进行控制，直至消除偏差。调节器被控对象测量变送装置+－SP执行器开环——系统的输出没有被反馈回输入端，执行器仅只根据输入信号进行控制的系统称为开环系统，此时系统的输出与设定值与测量值之间的偏差无关。要实现自动控制，系统必须闭环。闭环控制系统稳定运行的必要条件是负反馈。

22闭环与开环闭环——系统的输出被反馈到输入端并与设定值进行比3、按控制系统的复杂程度区分简单控制系统复杂控制系统4、按控制变量的名称区分温度控制系统压力控制系统……5、按调节规律区分P、PI、PD、PID、预估控制……233、按控制系统的复杂程度区分简单控制系统复杂控制

三、自动控制系统的过渡过程和品质指标1、控制系统的静态与动态静态被控变量不随时间的变化而变化的平衡状态；特点暂时的、相对的动态被控变量随时间的变化而变化的不平衡状态；动态是个过程动态过程（过渡过程）24

三、自动控制系统的过渡过程和品质指标1、控制系统的静态与动

三、自动控制系统的过渡过程和品质指标2、控制系统的过渡过程是由输入变化引起的被控变量的变化过程；（输入包括干扰输入和给定输入）是控制作用不断克服干扰作用的过程；是系统从一个平衡态过渡到另一个平衡态的过程。在阶跃干扰作用下，控制系统过渡过程的几种基本形式25

三、自动控制系统的过渡过程和品质指标2、控制系统的过渡过程在分析和设计控制系统时，往往选定阶跃信号作为输入。阶跃输入：在某一瞬间t0干扰突然阶跃式地加入系统，并保持在这个幅值。阶跃输入比较突然、比较危险、对控制系统的影响也最大、设计过程容易产生阶跃干扰。对于一个控制系统，如果能有效克服阶跃干扰，肯定能很好地克服其它变化比较缓和的各种干扰2626几种典型的过渡过程：非周期衰减过程

衰减振荡过程等幅振荡过程发散振荡过程单调发散过程

√√？XX一般是不允许的除开关量控制回路27几种典型的过渡过程：非周期衰减过程衰减振荡过程等幅振荡过

三、自动控制系统的过渡过程和品质指标3、控制系统的品质指标（稳、准、快）衡量一个系统控制性能好坏的依据最大偏差或超调量衰减比余差过渡时间振荡周期或频率28

三、自动控制系统的过渡过程和品质指标3、控制系统的品质指标2)CIMS的概念与发展（2）控制器：常规调节器、智能调节器、计算机系统Ethernet/HighwayFieldbus2、按补偿干扰的方法分类一、自动控制系统的基本组成及方块图这种系统在结构上是分散的，在监视、操作和管理上则是集中的。注意：有向线段的方向代表信号的作用方向，而不是物料的流向。一、自动控制系统的基本组成及方块图过程工业CIMS的递阶控制层次在离散工业，CIMS已形成较为成熟的体系框架3控制系统过渡过程及品质指标3、按控制系统的复杂程度区分智能仪表——汽车、机械设备、家用电器等行业3、按控制系统的复杂程度区分因此，从图上可以看出，过渡时间为22min。CIMS的概念与发展（3）（6）操纵变量影响被控变量，克服干扰使被控变量回到给定值的（调节阀的输出）；（6）操纵变量影响被控变量，克服干扰使被控变量回到给定值的（调节阀的输出）；要实现自动控制，系统必须闭环。先进过程控制（advancedprocesscontrol)是指一类在动态环境中，基于数学模型，借助充分的计算能力，为工厂获得最大利润而实施的运行和技术策略。阶跃干扰作用下的过渡过程（设定值固定，加一阶跃干扰）——定值系统

0最大偏差emax：衰减比n：余差e(∞)：过渡时间tp：振荡周期：292)CIMS的概念与发展（2）阶跃干扰作用下的过渡过程（阶跃给定作用下的过渡过程（设定值变化）——随动系统

超调量σ：衰减比n：余差e(∞)：过渡时间tp：振荡周期：030阶跃给定作用下的过渡过程（设定值变化）——随动系统超调量σ时间tr上升峰值时间tpAB超调量σ%=AB100%调节时间ts衰减比

n=—A1A231时间tr上升峰值时间tpAB超调量σ%=AB100%调自动控制系统希望的结果：最大偏差（超调量）？衰减比？余差？过渡时间？振荡周期？答：越小越好n＝1等幅振荡n＜1发散振荡n＞1衰减振荡不振荡

为了保持有足够的稳定程度，衰减比一般取为4：1至10：1；这种过渡过程不是最优的结果，但操作人员容易掌握，一般也是操作人员所希望的过程不振荡：不便于操作人员掌握。答：越小越好答：越小越好答：短好32自动控制系统希望的结果：最大偏差（超调量）？衰减比？余差？过例子某换热器的温度调节系统在单位阶跃干扰作用下的过渡过程曲线。试分别求出最大偏差、余差、衰减比、振荡周期和过渡时间(给定值为200)。

解：1、最大偏差：A＝230—200＝30℃2、余差C＝205—200＝5℃3、第一个波峰值B＝230—205＝25℃

第二个波峰值B’＝210—205＝5℃

衰减比n＝25：5＝5：l。

4、振荡周期为同向两波峰之间的时间间隔，故周期T＝20—5＝15(min)5、过渡时间与规定的被控变量限制范围大小有关，假定被控变量进入额定值的±2％，就可以认为过渡过程已经结束，那么限制范围为200×(±2％)＝±4℃，这时，可在新稳态值(205℃)两侧以宽度为±4℃画一区域，图中以画有阴影线的区域表示，只要被控变量进入这一区域且不再越出，过渡过程就可以认为已经结束。因此，从图上可以看出，过渡时间为22min。

33例子某换热器的温度调节系统在单位阶跃干扰作用下的过渡过程曲线影响过渡过程的主要因素?固定因素：对象特性测量仪表特性执行器特性补偿因素：控制器特性——这是自动控制的主要研究内容34影响过渡过程的主要因素?固定因素：对象特性34

三、自动控制系统的过渡过程和品质指标4、影响控制系统控制质量的主要因素

被控对象是核心测量仪表是基础控制器是灵魂调节阀（执行器）是关键35

三、自动控制系统的过渡过程和品质指标4、影响控制系统控制质

仪表的简要发展过程常见的测控参数：T、P、L、F、A（五大参数）

测控仪表的分类：变送器（传感器）、执行器、控制器三大类

控制器：常规调节器、智能调节器、计算机系统

36仪表的简要发展过程常见的测控参数：T、P、L、F、A（五大基地式仪表只具备简单测控功能，其信号一般仅在本仪表内起作用，各测控点间的信号难以相互沟通，操作人员只能通过巡视生产现场来了解生产状况。（目前已淘汰）

单元组合仪表智能仪表仪表中含有微处理器，功能强，往往具备数字信号传输和模拟信号传输两种功能。

现场总线仪表简而言之就是满足现场总线协议标准的智能仪表。

QDZ：气动单元组合仪表，气源(140kPa)，信号(20－100kPa)。主要有力平衡型和力矩平衡型两类，气动单元组合仪表已基本淘汰。DDZ：电动单元组合仪表。

DDZ－II型：电源220VAC，信号0～10mADDZ－III型：电源24VDC，信号4～20mA、1～5VDC37基地式仪表只具备简单测控功能，其信号一般仅在本仪表内起作用，

自动化装置的简要发展过程基地式系统基地式仪表第0代常规仪表控制系统单元组合仪表：调、变、执、算(DDZ-II、III、QDZ)第1代

DDC控制变、执(DDZ-II、III)集中型计算机控制系统变、执(DDZ-II、III)第2代DCSOS：小型机、IPCCS：IPC、PLC、智能调节器现场仪表：DDZ-III为主

第3代*FCS将全厂最基础的现场级仪表和装置均通过现场总线连接起来，实现全数字化通讯。现场仪表：总线仪表

第4代*分布式IODCS现场信号根据传输距离或功能不同连接到现场I/O设备上，各现场I/O设备与控制站间通过网络（现场总线）连接。现场仪表：DDZ-III、总线仪表

过渡型*38自动化装置的简要发展过程基地式系统基地式仪表第0代常规仪绪论进料口执行器变送器调节器进料口执行器变送器控制站39绪论进料口执行器变送器调节器进料口执行器变送器控制站39是系统从一个平衡态过渡到另一个平衡态的过程。是系统从一个平衡态过渡到另一个平衡态的过程。控制器：常规调节器、智能调节器、计算机系统开环——系统的输出没有被反馈回输入端，执行器仅只根据输入信号进行控制的系统称为开环系统，此时系统的输出与设定值与测量值之间的偏差无关。一、自动控制系统的基本组成及方块图system）——计算机集成制造系统 是CIM哲理的具体体现集中型计算机控制系统原理图n＝1等幅振荡n＜1发散振荡n＞1衰减振荡不振荡彻底分散性CIM(ComputerIntegratedManufacturing) 计算机集成制造 企业资源（人、财、物、技术、经营管理） 计算机技术集成 资源优化，产品优质、低耗、上市快，增强竞争力（5）干扰影响被控变量，使其偏离给定值的因素（7）控制作用控制器的输出衰减比n＝25：5＝5：l。当前过程控制正处于第三个发展阶段，并以前所未有的速度和规模飞速前进，纵观这一时期，可归纳为如下三个主要特点第五层：企业决策，生产规划在分析和设计控制系统时，往往选定阶跃信号作为输入。第一层：单元自动化，简单控制第二层：先进控制，过程优化直接计算机控制系统生产过程数字计算机A/D转换D/A转换操作台扰动控制变量输出变量……40是系统从一个平衡态过渡到另一个平衡态的过程。直接计算机控制系集中型计算机控制系统出发点：由于当时的计算机系统的体积庞大，价格非常昂贵，为了使计算机控制能与常规仪表控制相竞争，企图用一台计算机来控制尽可能多的控制回路。CRT、键盘……过程控制计算机AIDIAODO

被控过程（对象）被控变量操作变量…………}{输入子系统输出子系统集中型计算机控制系统原理图41集中型计算机控制系统出发点：由于当时的计算机系统的体积庞大，1).计算机直接数字控制（DDC）系统直接数字控制(DDC)计算机CRT打印机报警操作台过程输入通道

测量变送

测量变送被控生产过程过程输出通道

执行机构

执行机构………………421).计算机直接数字控制（DDC）系统直接数字控制(DDC2).计算机监督控制（SCC）系统监督控制计算机(SCC)CRT打印机报警DDC计算机或调节器输入通道

输出通道被控生产过程操作台输入通道432).计算机监督控制（SCC）系统监督控制计算机(SCC)3）计算机集散控制系统（DCS）计算机集散控制系统（DCS）是把自动化技术、计算机技术、通信技术、故障诊断技术、冗余技术和图形显示技术融为一体的装置。这种系统在结构上是分散的，在监视、操作和管理上则是集中的。在系统中，将计算机分装到工段或装置，从而使系统的危险分散，消除了全局性的故障点，提高了系统的可靠性，同时能方便灵活地实现各种新型的控制规律与算法。443）计算机集散控制系统（DCS）计算机集散控制系统（DCS）

监督控制计算机CRT操作站基本调节器基本调节器

被控对象被控对象…………高速数据通道45监督控制计算机CRT操作站基本调节器基本调节器被控集散控制系统控制台控制台过程控制计算机控制单元控制单元多路采集器可编程逻辑控制器数据通道工程师/操作员控制台其他系统46集散控制系统控制台控制台过程控制计算机控制单元控制单元多路采

基于计算机技术的过程控制系统

生产过程数字计算机A/D转换D/A转换操作台扰动控制变量输出变量……控制台控制台过程控制计算机控制单元控制单元多路采集器可编程逻辑控制器数据通道工程师/操作员控制台其他系统

分布式计算机控制系统

直接数字控制系统47基于计算机技术的过程控制系统

生产过程数字计算机A/IPC、PLC……I/O子系统…………Ethernet/HighwayFieldbusController/GatewayFieldbus现场控制系统集散控制系统48IPC、PLC……I/O子系统…………Ethernet/Hi第三阶段综合自动化（CIPS）1).计算机集成制造系统（CIMS）的概念与发展

计算机集成制造系统是在自动化技术、计算机技术及制造技术的基础上，通过计算机及其软件，将制造工厂全部生产活动（设计、制造及经营管理，包括市场调研、生产决策、生产计划、生产管理、产品开发、产品设计、加工制造以及销售经营等）与整个生产过程有关的物料流与信息流实现高度统一的综合化管理，构成一个优化的完整的生产系统。49第三阶段综合自动化（CIPS）1).计算机集成制造系统（C2).CIM的概念与发展（1）CIM(ComputerIntegratedManufacturing) 计算机集成制造

企业资源（人、财、物、技术、经营管理）

计算机技术集成 资源优化，产品优质、低耗、上市快，增强竞争力502).CIM的概念与发展（1）CIM(ComputerIn2)CIMS的概念与发展（2）CIMS的概念

CIMS(ComputerIntegratedManufacturingsystem）

——

计算机集成制造系统 是CIM哲理的具体体现CIMS的主要特征是“四化”

——计算机化、信息化、智能化和集成优化512)CIMS的概念与发展（2）CIMS的概念512).CIMS的概念与发展（3）CIM理念起源于70年代（JosephHarrington,1973)

——一种新的生产模式CIMS80年代初被广泛接受（美国制造工程师学会）首先广泛应用于离散制造业

——

汽车、机械设备、家用电器等行业在离散工业，CIMS已形成较为成熟的体系框架（CAD、CAM、CAPP、MRPII等）国内已有上百家应用示范企业开始在流程行业受到重视522).CIMS的概念与发展（3）CIM理念起源于70年代3).过程工业CIMS的递阶控制层次

过程控制过程优化生产调度企业管理经营决策第五层：企业决策，生产规划第四层：供销,财务,计划,管理等第二层：先进控制，过程优化第三层：生产调度，系统优化第一层：单元自动化，简单控制生

产

过

程过程CIMS的递阶控制示意图533).过程工业CIMS的递阶控制层次2.过程工业自动化的发展过程常规仪表，单回路，简单控制（70年代前）分布式计算机(DCS)，多回路，先进控制（7080年代）DCS网，多流程，过程控制优化与生产调度（8090年代）企业计算机网络，多层次，过程控制优化、生产调度管理与企业经营决策管理综合自动化——CIPS（computerintegratedprocessingsystems)（90年代后期）542.过程工业自动化的发展过程常规仪表，单回路，简单控制（703.过程控制的发展趋势当前过程控制正处于第三个发展阶段，并以前所未有的速度和规模飞速前进，纵观这一时期，可归纳为如下三个主要特点3.过程控制的发展趋势当前过程控制正处于第三个发展阶段，并以551).简单控制向先进控制发展

先进过程控制（advancedprocesscontrol)是指一类在动态环境中，基于数学模型，借助充分的计算能力，为工厂获得最大利润而实施的运行和技术策略。561).简单控制向先进控制发展先进过程控制（advance2).封闭的分布式计算机控制系统转向具有国际统一标准的开放式系统（FCS）现场总线网络控制系统（Fieldbuscontrolsystems):开放性现场总线采用同一种国际标准的通信协议，可方便地与通用的局域网相连。智能化现场仪表系统中的现场仪表配有自己的CPU与A/D，可完成检测、转换、操作和自诊断等功能。数字信号传输现场仪表输出均为数字信号，从而提高了系统的可靠性。彻底分散性572).封闭的分布式计算机控制系统转向具有国际统一标准的开放式3).单一控制系统向综合自动化系统发展综合自动化(CIPS）综合自动化就是在计算机通信网络和分布式数据库的支持下，实现信息与功能的集成，进而实现充分调动人的因素的经营系统、技术系统及组织系统的集成，最终形成一个能适应生产环境不确定性和市场需求多变性的全局最优的高质量、高柔性、高效益的智能生产系统。583).单一控制系统向综合自动化系统发展综合自动化(CIPS）4.过程控制面临的问题过程建模软测量技术控制方法过程的优化生产管理与调度动态系统故障诊断实用软件的开发594.过程控制面临的问题过程建模59第一讲自动控制系统的基本概念第一讲自动控制系统的基本概念60（优选）第一讲自动控制系统的基本概念（优选）第一讲自动控制系统的基本概念61检测技术与仪表绪论什么是自动化？仪表与自动化的关系？测量仪表在自动化中的地位？

62检测技术与仪表绪论3绪论工业自动化的概念工业自动化是化工、炼油、食品、轻工、电力等流程工业生产过程自动化的简称。在生产设备上，配上一些自动化装置（仪表），代替操作人员的部分直接劳动，使生产在不同程度上自动地进行，并达到预定的目标，这种用自动化装置来管理生产过程的办法，称为生产过程自动化。63绪论工业自动化的概念4绪论

随着现代科学技术的蓬勃发展，炼油、化工、冶金、电力、生物、制药等工业过程的生产规模越来越大型化、复杂化，各种类型的自动控制技术已经成了现代工业生产实现安全、高效、优质、低耗的基本条件和重要保证64绪论随着现代科学技术的蓬勃发展，炼油、化工、冶金、电绪论进料口执行器变送器调节器65绪论进料口执行器变送器调节器6绪论进料口执行器变送器调节器进料口执行器变送器控制站66绪论进料口执行器变送器调节器进料口执行器变送器控制站7绪论

系统由相互联系的具有特定功能的若干部分(环节)组成的完成一定任务的整体。

强调整体性和协调性67绪论8n＝1等幅振荡n＜1发散振荡n＞1衰减振荡不振荡控制系统的过渡过程及品质指标计算机集散控制系统（DCS）是把自动化技术、计算机技术、通信技术、故障诊断技术、冗余技术和图形显示技术融为一体的装置。执行器、被控对象及测量变送环节统称为广义对象检测仪表或变送器仪表中含有微处理器，功能强，往往具备数字信号传输和模拟信号传输两种功能。为了保持有足够的稳定程度，衰减比一般取为4：1至10：1；（2）、随动控制系统给定值是随机变化的，这种变化是事先不知道的；CIMS的概念与发展（3）控制器：常规调节器、智能调节器、计算机系统直接数字控制(DDC)计算机3控制系统过渡过程及品质指标动态被控变量随时间的变化而变化的不平衡状态；DDZ－III型：电源24VDC，信号4～20mA、1～5VDC注意：有向线段的方向代表信号的作用方向，而不是物料的流向。设定值控制器输出p 操纵变量q

一、自动控制系统的基本组成及方块图1、自动控制系统的基本组成(1)、被控对象生产中要求控制的生产设备（或过程）；(2)、测量元件或变送器对被控参数进行测量的仪表；(3)、控制器把被控参数的测量值与给定值相减得出偏差，并按某种运算规律算出结果，同时将此结果送给调节阀；(4)、调节阀根据调节器送来的信号的大小，自动改变阀的开启度，调节介质的流量，实现控制的目的。68n＝1等幅振荡n＜1发散振荡n＞1衰减振荡

一、自动控制系统的基本组成及方块图2、自动控制系统的有关名词术语（1）被控对象（受控对象）；（2）被控变量（受控变量）控制对象内要求以一定的精度保持恒定或随某一参数（给定值）的变化而变化的变量；（3）给定值要求被控参数所保持或遵循的数值（4）偏差给定值与测量值的差值（5）干扰影响被控变量，使其偏离给定值的因素（6）操纵变量影响被控变量，克服干扰使被控变量回到给定值的（调节阀的输出）；（7）控制作用控制器的输出69

一、自动控制系统的基本组成及方块图2、自动控制系统的有关名

一、自动控制系统的基本组成及方块图3、自动控制系统的方块图

用一个方块代表系统的一个组成环节；各方块之间用有向线段连接起来。70

一、自动控制系统的基本组成及方块图3、自动控制系统的方块

一、自动控制系统的基本组成及方块图3、自动控制系统的方块图

f

设定值控制器输出p 操纵变量q +r偏差e 被控变量y

控制器 执行器 对象

-z

测量值

检测仪表或变送器

图1单回路自动控制系统的组成框图注意：有向线段的方向代表信号的作用方向，而不是物料的流向。71

一、自动控制系统的基本组成及方块图3、自动控制系统的方块7213控制系统的方块图：调节器被控对象测量变送装置+－SP执行器调节器+－SP广义对象执行器、被控对象及测量变送环节统称为广义对象固定因素补偿因素73控制系统的方块图：调节器被控对象测量变送装置+－SP执行器调

一、自动控制系统的基本组成及方块图4、自动控制系统的工作过程以换热器系统为例74

一、自动控制系统的基本组成及方块图4、自动控制系统的工作过注意：有向线段的方向代表信号的作用方向，而不是物料的流向。一、自动控制系统的基本组成及方块图高速数据通道动态被控变量随时间的变化而变化的不平衡状态；这种系统在结构上是分散的，在监视、操作和管理上则是集中的。工业自动化是化工、炼油、食品、轻工、电力等流程工业生产过程自动化的简称。测量仪表特性执行器、被控对象及测量变送环节统称为广义对象计算机直接数字控制（DDC）系统集中型计算机控制系统原理图图1单回路自动控制系统的组成框图CIM(ComputerIntegratedManufacturing) 计算机集成制造 企业资源（人、财、物、技术、经营管理） 计算机技术集成 资源优化，产品优质、低耗、上市快，增强竞争力设定值控制器输出p 操纵变量q当前过程控制正处于第三个发展阶段，并以前所未有的速度和规模飞速前进，纵观这一时期，可归纳为如下三个主要特点智能仪表3控制系统过渡过程及品质指标三、自动控制系统的过渡过程和品质指标在阶跃干扰作用下，控制系统过渡过程的几种基本形式(4)、调节阀根据调节器送来的信号的大小，自动改变阀的开启度，调节介质的流量，实现控制的目的。一、自动控制系统的基本组成及方块图

二、自动控制系统的分类1、根据给定值不同分类（1）、定值控制系统给定值保持不变的系统。系统的任务是使被控变量以一定的精度保持在给定值上不变；（2）、随动控制系统给定值是随机变化的，这种变化是事先不知道的；（3）、程序控制系统给定值是按事先规定的程序变化的。75注意：有向线段的方向代表信号的作用方向，而不是物料的流向。

电阻丝加热恒温箱温度控制系统控制变压器活动触点的位置即改变了输入电压，则通过电阻丝的电流将产生变化，使恒温箱得到不同的温度。被控变量是恒温箱的温度，经热电偶测量并与设定值比较后，其偏差经过放大器放大，控制电动机的转向，然后经过传动装置，移动变压器的活动触点位置。结果使偏差减少，直到温度达到给定值为止。76电阻丝加热恒温箱温度控制系统控制变压器活动触点的位置即改变了比值控制系统77比值控制系统18程序控制系统设定值也是变化的，但它是一个已知的时间函数，即根据需要按一定时间程序变化。78程序控制系统设定值也是变化的，但它是一个已知的时间函数，即1.3控制系统过渡过程及品质指标静态与动态控制系统的过渡过程及品质指标当自动控制系统的输入发生变化后，被控变量（即输出）随时间不断变化，它随时间而变化的过程称为系统的过渡过程。也就是系统从一个平衡状态过渡到另一个平衡状态的过程。791.3控制系统过渡过程及品质指标静态与动态202、按补偿干扰的方法分类反馈调节器执行器对象传感器、变送器+－SPxzeuqyf干扰f（t）被控变量调节器操作变量补偿干扰

前馈前馈补偿器执行器对象传感器、变送器pqy干扰f干扰f（t）变送器补偿器操作变量补偿干扰前馈+反馈调节器执行器对象传感器、变送器+－SPxzey干扰f变送器前馈补偿器++802、按补偿干扰的方法分类反馈调节器执行器对象传感器、变送器+闭环与开环

闭环——系统的输出被反馈到输入端并与设定值进行比较的系统称为闭环系统，此时系统根据设定值与测量值的偏差进行控制，直至消除偏差。调节器被控对象测量变送装置+－SP执行器开环——系统的输出没有被反馈回输入端，执行器仅只根据输入信号进行控制的系统称为开环系统，此时系统的输出与设定值与测量值之间的偏差无关。要实现自动控制，系统必须闭环。闭环控制系统稳定运行的必要条件是负反馈。

81闭环与开环闭环——系统的输出被反馈到输入端并与设定值进行比3、按控制系统的复杂程度区分简单控制系统复杂控制系统4、按控制变量的名称区分温度控制系统压力控制系统……5、按调节规律区分P、PI、PD、PID、预估控制……823、按控制系统的复杂程度区分简单控制系统复杂控制

三、自动控制系统的过渡过程和品质指标1、控制系统的静态与动态静态被控变量不随时间的变化而变化的平衡状态；特点暂时的、相对的动态被控变量随时间的变化而变化的不平衡状态；动态是个过程动态过程（过渡过程）83

三、自动控制系统的过渡过程和品质指标1、控制系统的静态与动

三、自动控制系统的过渡过程和品质指标2、控制系统的过渡过程是由输入变化引起的被控变量的变化过程；（输入包括干扰输入和给定输入）是控制作用不断克服干扰作用的过程；是系统从一个平衡态过渡到另一个平衡态的过程。在阶跃干扰作用下，控制系统过渡过程的几种基本形式84

三、自动控制系统的过渡过程和品质指标2、控制系统的过渡过程在分析和设计控制系统时，往往选定阶跃信号作为输入。阶跃输入：在某一瞬间t0干扰突然阶跃式地加入系统，并保持在这个幅值。阶跃输入比较突然、比较危险、对控制系统的影响也最大、设计过程容易产生阶跃干扰。对于一个控制系统，如果能有效克服阶跃干扰，肯定能很好地克服其它变化比较缓和的各种干扰8526几种典型的过渡过程：非周期衰减过程

衰减振荡过程等幅振荡过程发散振荡过程单调发散过程

√√？XX一般是不允许的除开关量控制回路86几种典型的过渡过程：非周期衰减过程衰减振荡过程等幅振荡过

三、自动控制系统的过渡过程和品质指标3、控制系统的品质指标（稳、准、快）衡量一个系统控制性能好坏的依据最大偏差或超调量衰减比余差过渡时间振荡周期或频率87

三、自动控制系统的过渡过程和品质指标3、控制系统的品质指标2)CIMS的概念与发展（2）控制器：常规调节器、智能调节器、计算机系统Ethernet/HighwayFieldbus2、按补偿干扰的方法分类一、自动控制系统的基本组成及方块图这种系统在结构上是分散的，在监视、操作和管理上则是集中的。注意：有向线段的方向代表信号的作用方向，而不是物料的流向。一、自动控制系统的基本组成及方块图过程工业CIMS的递阶控制层次在离散工业，CIMS已形成较为成熟的体系框架3控制系统过渡过程及品质指标3、按控制系统的复杂程度区分智能仪表——汽车、机械设备、家用电器等行业3、按控制系统的复杂程度区分因此，从图上可以看出，过渡时间为22min。CIMS的概念与发展（3）（6）操纵变量影响被控变量，克服干扰使被控变量回到给定值的（调节阀的输出）；（6）操纵变量影响被控变量，克服干扰使被控变量回到给定值的（调节阀的输出）；要实现自动控制，系统必须闭环。先进过程控制（advancedprocesscontrol)是指一类在动态环境中，基于数学模型，借助充分的计算能力，为工厂获得最大利润而实施的运行和技术策略。阶跃干扰作用下的过渡过程（设定值固定，加一阶跃干扰）——定值系统

0最大偏差emax：衰减比n：余差e(∞)：过渡时间tp：振荡周期：882)CIMS的概念与发展（2）阶跃干扰作用下的过渡过程（阶跃给定作用下的过渡过程（设定值变化）——随动系统

超调量σ：衰减比n：余差e(∞)：过渡时间tp：振荡周期：089阶跃给定作用下的过渡过程（设定值变化）——随动系统超调量σ时间tr上升峰值时间tpAB超调量σ%=AB100%调节时间ts衰减比

n=—A1A290时间tr上升峰值时间tpAB超调量σ%=AB100%调自动控制系统希望的结果：最大偏差（超调量）？衰减比？余差？过渡时间？振荡周期？答：越小越好n＝1等幅振荡n＜1发散振荡n＞1衰减振荡不振荡

为了保持有足够的稳定程度，衰减比一般取为4：1至10：1；这种过渡过程不是最优的结果，但操作人员容易掌握，一般也是操作人员所希望的过程不振荡：不便于操作人员掌握。答：越小越好答：越小越好答：短好91自动控制系统希望的结果：最大偏差（超调量）？衰减比？余差？过例子某换热器的温度调节系统在单位阶跃干扰作用下的过渡过程曲线。试分别求出最大偏差、余差、衰减比、振荡周期和过渡时间(给定值为200)。

解：1、最大偏差：A＝230—200＝30℃2、余差C＝205—200＝5℃3、第一个波峰值B＝230—205＝25℃

第二个波峰值B’＝210—205＝5℃

衰减比n＝25：5＝5：l。

4、振荡周期为同向两波峰之间的时间间隔，故周期T＝20—5＝15(min)5、过渡时间与规定的被控变量限制范围大小有关，假定被控变量进入额定值的±2％，就可以认为过渡过程已经结束，那么限制范围为200×(±2％)＝±4℃，这时，可在新稳态值(205℃)两侧以宽度为±4℃画一区域，图中以画有阴影线的区域表示，只要被控变量进入这一区域且不再越出，过渡过程就可以认为已经结束。因此，从图上可以看出，过渡时间为22min。

92例子某换热器的温度调节系统在单位阶跃干扰作用下的过渡过程曲线影响过渡过程的主要因素?固定因素：对象特性测量仪表特性执行器特性补偿因素：控制器特性——这是自动控制的主要研究内容93影响过渡过程的主要因素?固定因素：对象特性34

三、自动控制系统的过渡过程和品质指标4、影响控制系统控制质量的主要因素

被控对象是核心测量仪表是基础控制器是灵魂调节阀（执行器）是关键94

三、自动控制系统的过渡过程和品质指标4、影响控制系统控制质

仪表的简要发展过程常见的测控参数：T、P、L、F、A（五大参数）

测控仪表的分类：变送器（传感器）、执行器、控制器三大类

控制器：常规调节器、智能调节器、计算机系统

95仪表的简要发展过程常见的测控参数：T、P、L、F、A（五大基地式仪表只具备简单测控功能，其信号一般仅在本仪表内起作用，各测控点间的信号难以相互沟通，操作人员只能通过巡视生产现场来了解生产状况。（目前已淘汰）

单元组合仪表智能仪表仪表中含有微处理器，功能强，往往具备数字信号传输和模拟信号传输两种功能。

现场总线仪表简而言之就是满足现场总线协议标准的智能仪表。

QDZ：气动单元组合仪表，气源(140kPa)，信号(20－100kPa)。主要有力平衡型和力矩平衡型两类，气动单元组合仪表已基本淘汰。DDZ：电动单元组合仪表。

DDZ－II型：电源220VAC，信号0～10mADDZ－III型：电源24VDC，信号4～20mA、1～5VDC96基地式仪表只具备简单测控功能，其信号一般仅在本仪表内起作用，

自动化装置的简要发展过程基地式系统基地式仪表第0代常规仪表控制系统单元组合仪表：调、变、执、算(DDZ-II、III、QDZ)第1代

DDC控制变、执(DDZ-II、III)集中型计算机控制系统变、执(DDZ-II、III)第2代DCSOS：小型机、IPCCS：IPC、PLC、智能调节器现场仪表：DDZ-III为主

第3代*FCS将全厂最基础的现场级仪表和装置均通过现场总线连接起来，实现全数字化通讯。现场仪表：总线仪表

第4代*分布式IODCS现场信号根据传输距离或功能不同连接到现场I/O设备上，各现场I/O设备与控制站间通过网络（现场总线）连接。现场仪表：DDZ-III、总线仪表

过渡型*97自动化装置的简要发展过程基地式系统基地式仪表第0代常规仪绪论进料口执行器变送器调节器进料口执行器变送器控制站98绪论进料口执行器变送器调节器进料口执行器变送器控制站39是系统从一个平衡态过渡到另一个平衡态的过程。是系统从一个平衡态过渡到另一个平衡态的过程。控制器：常规调节器、智能调节器、计算机系统开环——系统的输出没有被反馈回输入端，执行器仅只根据输入信号进行控制的系统称为开环系统，此时系统的输出与设定值与测量值之间的偏差无关。一、自动控制系统的基本组成及方块图system）——计算机集成制造系统 是CIM哲理的具体体现集中型计算机控制系统原理图n＝1等幅振荡n＜1发散振荡n＞1衰减振荡不振荡彻底分散性CIM(ComputerIntegratedManufacturing) 计算机集成制造 企业资源（人、财、物、技术、经营管理） 计算机技术集成 资源优化，产品优质、低耗、上市快，增强竞争力（5）干扰影响被控变量，使其偏离给定值的因素（7）控制作用控制器的输出衰减比n＝25：5＝5：l。当前过程控制正处于第三个发展阶段，并以前所未有的速度和规模飞速前进，纵观这一时期，可归纳为如下三个主要特点第五层：企业决策，生产规划在分析和设计控制系统时，往往选定阶跃信号作为输入。第一层：单元自动化，简单控制第二层：先进控制，过程优化直接计算机控制系统生产过程数字计算机A/D转换D/A转换操作台扰动控制变量输出变量……99是系统从一个平衡态过渡到另一个平衡态的过程。直接计算机控制系集中型计算机控制系统出发点：由于当时的计算机系统的体积庞大，价格非常昂贵，为了使计算机控制能与常规仪表控制相竞争，企图用一台计算机来控制尽可能多的控制回路。CRT、键盘……过程控制计算机AIDIAODO

被控过程（对象）被控变量操作变量…………}{输入子系统输出子系统集中型计算机控制系统原理图100集中型计算机控制系统出发点：由于当时的计算机系统的体积庞大，1).计算机直接数字控制（DDC）系统直接数字控制(DDC)计算机CRT打印机报警操作台过程输入通道

测量变送

测量变送被控生产过程过程输出通道

执行机构

执行机构………………1011).计算机直接数字控制（DDC）系统直接数字控制(DDC2).计算机监督控制（SCC）系统监督控制计算机(SCC)CRT打印机报警DDC计算机或调节器输入通道

输出通道被控生产过程操作台输入通道1022).计算机监督控制（SCC）系统监督控制计算机(SCC)3）计算机集散控制系统（DCS）计算机集散控制系统（DCS）是把自动化技术、计算机技术、通信技术、故障诊断技术、冗余技术和图形显示技术融为一体的装置。这种系统在结构上是分散的，在监视、操作和管理上则是集中的。在系统中，将计算机分装到工段或装置，从而使系统的危险分散，消除了全局性的故障点，提高了系统的可靠性，同时能方便灵活地实现各种新型的控制规律与算法。1033）计算机集散控制系统（DCS）计算机集散控制系统（DCS）

监督控制计算机CRT操作站基本调节器基本调节器

被控对象被控对象…………高速数据通道104监督控制计算机CRT操作站基本调节器基本调节器被控集散控制系统控制台控制台过程控制计算机控制单元控制单元多路采集器可编程逻辑控制器数据通道工程师/操作员控制台其他系统105集散控制系统控制台控制台过程控制计算机控制单元控制单元多路采

基于计算机技术的过程控制系统

生产过程数字计算机A/D转换D/A转换操作台扰动控制变量输出变量……控制台控制台过程控制计算机控制单元控制单元多路采集器可编程逻辑控制器数据通道工程师/操作员控制台其他系统

分布式计算机控制系统

直接数字控制系统106基于计算机技术的过程控制系统

生产过程数字计算机A/IPC、PLC……