章 自动控制系统基本概念

1、1,第一章 食品加工自动控制系统基本概念 内容提要： 食品加工自动化的主要内容 自动控制系统的基本组成及方块图 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 控制系统的静态与动态 控制系统的过渡过程 控制系统的品质指标 影响控制系统过渡过程品质的主要因素 工艺管道及控制流程图 图形符号 字母代号 仪表位号,2,第一节 食品加工自动化的主要内容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、指示或记录的，称为自动检测系统。它代替了操作人员对工艺参数的不断观察与记录，起到人的眼睛的作用。,工艺：使各种原材料、半成品加工成为产品的方法和过程,3,2.自动信号和联锁保护系统 当工艺参

2、数值超过了允许范围，在事故即将发生之前，信号系统就自动地发出声光信号，告诫操作人员注意，并及时采取措施。如工况已到达危险状态时，联锁系统会立即自动采取紧急措施，打开安全阀或切断某些通路，必要时紧急停车，以防止事故的发生和扩大。它是生产过程中的一种安全装置。 3. 自动操纵及自动开停车系统 自动操纵系统可以根据预先规定的步骤自动地对生产设备进行某种周期性操作。自动开停车系统可以按照预先规定好的步骤，将生产过程自动地投入运行或自动停车。,4,4.自动控制系统 当主要工艺参数受到外界干扰（扰动）的影响而偏离正常状态时，自动控制系统能自动地控制系统工作而使主要工艺参数回到期望的数值范围内。 5.基本概

3、念 所谓控制是指为达到预先给定的目的，作用于系统有目的的动作。除控制本身动作外,控制还可以包括监视和安全防护。即监视和安全保护也是控制。 控制系统(硬件+软件)是指由被控对象和控制装置所构成的，能够对被控对象的工作状态进行调节、使之具有一定的状态和性能的系统。 系统的控制是依靠调节输入系统能量的方法，使得某些受控参数（物理量、生化量等）按期望规律变化。,5,第二节 自动控制系统的基本组成及方块图 先看人工操作与自动控制比较图,4,图1-3 液位自动控制系统图,6,1、自动控制系统的基本组成： 以实例（贮槽液位系统）说明,图1-4贮槽液位自动控制系统,7,可见自动控制装置一般包括以下三个部分：

4、1)测量元件与变送器它将贮槽液位h高低的信息转换为一种特定的信号(如电压、电流信号等)，并传送到控制器，相当于人工控制时的眼睛。 2)控制器它接受变送器送来的信号，与生产工艺所要求预先确定液位高度的信号相比较得出偏差，并按某种运算规则算出结果，然后将此结果用特定信号发送到执行器，相当于人工控制时的大脑。,8,3)执行器在这里就是控制阀，它可以自动地根据控制器送来的信号以及信号值的大小来调节阀门的开启度，相当于人工控制时手和阀的组合。,自动控制装置+液体贮槽 就构成了一个液位自动控制系统，如上图1-4所示。,9,2、自动控制系统的方块图,为了既清楚又方便地表征出一个自动控制系统中各个组成部分之间

5、的相互关系，在研究自动控制系统时，一般往往用方块图来表示控制系统的组成。,图1-5 自动控制系统方块图,10,例如图1-4的液位自动控制系统可以用图1-5的方块图来表示。每个方框表示组成系统的一个部分，称为一个“环节”；两个方块之间用一条带有箭头的线段来表示两个环节之间信号的联系，箭头指向方块表示为这个环节的“输入”，箭头离开方块表示为这个环节的“输出”，线旁的字母表示相互之间的作用信号。 图1-4中的贮槽和水流管道在图1-5中用一个“对象”方块来表示，其液位就是生产过程中所要控制的变量，在自动控制系统中称为被控变量，用y来表示。,11,在方块图中，被控变量y就是对象的输出。影响被控变量y的因

6、素来自于进液口流量的改变，这种引起被控变量变化的外来因素，在自动控制系统中称为干扰作用(或扰动)，用 f 表示，干扰作用是作用于对象的输入信号。当然，出液口流量的变化也是影响液位变化的因素，所以也是作用于对象的干扰作用。干扰作用可以这么理解：没有固定形式，具有随机性质，客观存在,对被控变量要引起波动(或大或小、总有)。,12,比较机构实际上只是控制器的一个组成部分，不是一个独立的环节，在图中把它单独画出来(一般方块图中均以或 表示)，为的是能更清楚地说明其比较作用。,贮槽液位（被控变量）信号是测量元件与变送器的输入信号，而变送器的输出信号Z 进入比较机构并与工艺上希望保持的被控变量数值，即给定

7、值x相比较，得出偏差信号e (e=x-z) ，并送往控制器 。,13,控制器根据偏差信号e的大小，按一定的规则运算后，发出信号p至执行器，即这里的控制阀，使控制阀的开启度发生变化，从而改变出液口流量以克服干扰对被控变量(液位)的影响。控制阀开启度的变化起着控制作用，具体实现控制作用的变量叫做操纵变量。如图1-5中流过控制阀的液体流量就是操纵变量。,14,第三节 自动控制系统的分类,控制系统有多种类型，可以从各种不同的角度进行分类。 1按照有无反馈测量装置分类 控制系统可以分为开环控制系统和闭环控制系统。开环控制系统是没有反馈（系统或环节的输出信号直接或经过一些装置重新返回到输入端）的一类控制系

8、统，如图16所示。这种系统的输入直接供给控制器，并通过控制器对被控对象产生控制作用。几乎所有的家用电器，如洗衣机、电烤箱、微波炉、洗碗机等，都是开环控制系统。,15,普通的步进电动机运动控制系统也是开环控制系统。开环控制系统的主要优点是简单、经济、容易维修以及价格便宜。它的主要缺点是精度低，对环境变化和干扰十分敏感（特性软）。 在工业和国防等要求较高的应用领域，绝大多数控制系统的基本结构方案都采用反馈原理，食品自动化生产线主控制也如此。如图17所示，该系统输出的全部或部分被反馈到输入端。注意，这里的反馈信号是反抗或削弱输入作用的，这种反馈称为负反馈。输入信号与反馈信号比较后的差值供给控制器，以

9、调节被控对象的输出，从而形成闭环控制回路。所以，反馈控制系统亦称为闭环控制系统。,16,闭环控制系统与开环控制系统相比，具有一系列的优点，例如，精度高，动态性能好（特性硬），抗干扰能力强等。它的缺点是结构比较复杂，不容易维修，价格比较昂贵等。,图1-6开环系统 图1-7闭环系统,17,2按照信号处理技术分类 控制系统可以分为模拟控制系统和数字控制系统。凡是采用模拟技术处理信号的控制系统都称为模拟控制系统；而采用数字技术处理信号的控制系统则称为数字控制系统。对于给定的系统，选用何种信号处理技术取决于许多因素，如可靠性、精度、简单性以及经济性等。,模拟信号是指信息参数在给定范围内表现为连续的信号

10、；数字信号指幅度的取值是离散的，幅值表示被限制在有限个数值之内。二进制码就是一种数字信号。,18,模拟信号(Analog signal)是相对于离散的数字信号而言的连续信号。模拟信号分布于自然界的各个角落，如每天温度的变化。而数字信号是人为抽象出来的在时间上的不连续信号。电学上的模拟信号是主要是指振幅和相位都连续的电信号，此信号可以以类比电路进行各种运算，如放大、相加、相乘等。 数字信号（Digital signal）是离散时间信号（discrete-time signal）的数字化表示，通常可由模拟信号（analog signal）获得。 模拟是一组随时间改变的数据，如某地方的温度变化，汽车

11、在行驶过程中的速度，或电路中某节点的电压幅度等。有些模拟信号可以用数学函数来表示，其中时间是自变量而信号本身则作为应变量。离散时间信号是模拟信号的采样结果：离散信号的取值只在某些固定的时间点有意义 （其他地方没有定义），而不像模拟信号那样在时间轴上具有连续不断的取值。 随着微处理机技术的发展，现在许多控制系统都采用微处理机直接作为控制器，负责采集信号、运算控制规律以及产生控制指令等。采用微处理机作为控制器的控制系统亦称为计算机控制系统。,19,通常，被控机械系统是连续的物理过程，而微处理机控制器处理离散的数字信号，二者之间必须通过采样器和数据保持器连接起来，如下图18所示。被控过程输出的连续时

12、间信号以周期性时间间隔(采样周期T )采样，并转换为数字信号送入计算机，计算机运算后产生的数字控制指令，经过数据保持器转换为分段连续的时间信号，施加给被控对象。这类计算机控制系统通常称为采样数据控制系统。,20,图18 采样数据控制系统,21,在采样数据控制系统中，计算机控制器运算的控制规律是差分方程。该差分方程一般与对应的模拟控制器的微分方程是等价的。 如果在控制系统中处理的信号是逻辑变量，控制器运算的是逻辑代数(布尔代数)方 程，而不是差分方程，那么这类控制器称为可编程序逻辑控制器(programming logical controller，简称为PLC)。由PLC组成的控制系统称为基于

13、PLC的顺序控制系统。这类系统是逻辑控制系统，主要应用于自动化操作或制造过程的控制。,22,3按照应用分类 可分为调节系统、跟踪系统和程序控制系统。 调节系统:是在干扰作用下使被控变量保持常数的一种控制系统，调节系统的输入是它的设定点。 跟踪系统:是保持其被控变量尽可能接近时变的指令值,跟踪系统的一个实例是数控机床的刀具必须跟踪给定的路径，以加工出合适形状的零件。这一实例就是所谓的伺服系统。伺服系统是一类被控变量为位置、速度或加速度的跟踪系统。食品工业一般的温度自动控制系统不是伺服系统，而是调节系统或程序控制系统。 程序控制系统:是保持其被控变量按照程序预定规律变化的一种控制系统,比如啤酒糖化

14、和发酵过程的温度控制就是这类系统的例子。,23,4按系统给定信号的特点分类 1）恒值控制系统 在控制过程中，如果要求被控变量保持在一个生产指标上不变，或者说系统的给定信号是恒定值，那么就需要采用恒值控制系统。图1-4所讨论的液位控制系统就是恒值控制系统的一个例子，这个控制系统的目的就是使贮槽内的液位保持在某一定值不变。还有电源自动稳压系统等。这类系统在生产实践中占到很大的比份。 2）程序控制系统 这类系统的给定值也是变化的，但它是一个已知的时间函数，或按预定的规律变化。这类系统在间歇生产过程中应用较为广泛。比如啤酒糖化和发酵过程的温度控制就是这类系统的例子。,24,近年来，随着以可编程序控制器

15、PLC为典型的一类程控装置越来越多地被应用到生产中去，程序控制系统的应用日益广泛，尤其是微型计算机的广泛应用为程序控制系统提供了良好的理论与技术基础。 3）随动控制系统 这类系统的特点是给定信号不仅在不断地变化，而且这种变化不是预先规定好的，也就是说给定信号是按未知规律变化的任意函数。随动系统的根本任务就是能够自动的、连续的、精确地复现给定信号的变化规律。比如显示记录仪表采用的自动平衡电位计伺服系统、雷达天线伺服系统等，都是随动系统的一些例子。,25,第四节 自动控制系统的过渡过程和品质指标一、控制系统的静态与动态 自动控制目的：希望将被控变量保持在一个不变的给定值上，这只有当进入被控对象的物

16、料量（或能量）和流出对象的物料量（或能量）相等时才有可能。 静态被控变量不随时间而变化的平衡状态（变化率为0，不是静止）。 当一个自动控制系统的输入（给定和干扰）和输出均恒定不变时，整个系统就处于一种相对稳定的平衡状态，系统的各个组成环节如变送器、控制器、控制阀都不改变其原先的状态，它们的输出信号也都处于相对静止状态，这种状态就是静态。,26,动态被控变量随时间变化的不平衡状态 。 从干扰作用破坏静态平衡，经过控制，直到系统重新回到平衡状态，在这一段时间中，整个系统的各个环节和信号都处于变动状态之中，这种状态叫做动态。 结论：在自动化工作中，了解系统的静态是必要的，但是了解系统的动态更为重要。

17、因为在生产过程中，干扰是客观存在的，是不可避免的，就需要通过自动化装置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上。,27,27,二、控制系统的过渡过程 系统的控制过程实际上是一个动态过程，即当系统的输入（包括干扰）量发生变化时，由于系统的能量只能作连续变化，从而使系统的输出呈现出从一个平衡状态向另一个新的平衡状态过渡的过程。 过渡过程在很大程度上取决于系统干扰信号的形式，而一般情况下干扰信号没有固定形式，具有随机性。在分析和设计控制系统时，为了安全和方便，通常选择一些定型的典型干扰信号，如单位阶跃、单位加速度（抛物线）、单位脉冲信号等。,2

18、8,28,其中由于阶跃信号（如下图1-6所示）对被控变量影响最大，且容易实现，便于实验、分析和计算，因而常采用它作为系统的干扰形式来研究控制系统。,图1-9 阶跃干扰作用,29,29,一般说来，控制系统在阶跃干扰作用下的过渡过程有图1-10所示的种基本形式。,30,图1-10（2） 响应过程的几种形式,（c）等幅振荡过程,（d）发散振荡过程,3）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，这种情况称为等幅振荡过程，如图1-10(2)(c)所示。 4）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，这种情况称为发散振荡过程，如图1-10(2)(d)所

19、示。,31,31,以上响应过程的四种形式可以归纳为三类。 过渡过程(d)（发散振荡过程）是发散的，称为不稳定的过渡过程，其被控变量在控制过程中，不但不能达到平衡状态，而且逐渐远离给定值，它将导致被控变量超越工艺允许范围，严重时会引起事故，这是生产上所不允许的，应竭力避免。 过渡过程(a)（非周期衰减过程 ）和(b)（衰减振荡过程）都是衰减的，称为稳定过程，其被控变量经过一段时间后，逐渐趋向原来的或新的平衡状态，这是所希望的。,32,32,对于（a）非周期的衰减过程，由于这种过渡过程变化较慢，被控变量在控制过程中长时间地偏离给定值，而不能很快恢复平衡状态，所以一般不采用，只是在生产上不允许被控变

20、量有波动的情况下才采用。 对于衰减振荡过程，由于能够较快地使系统达到稳定状态，所以在多数情况下，都希望控制系统在阶跃输入作用下，能够得到如图1-10(b)所示的过渡过程。,过渡过程形式(c)介于不稳定与稳定之间，一般也认为是不稳定过程，生产上不能采用。只是对于某些控制质量要求不高的场合，如果被控变量允许在工艺许可的范围内振荡（主要要指在位式控制时），那么这种过渡过程的形式是可以采用的。,33,图1-11 过渡过程品质指标示意图,假定自动控制系统在阶跃输入作用下，被控变量的变化曲线如上图所示，这是属于衰减振荡的过渡过程。,三、控制系统的品质指标 多数情况下，希望得到衰减振荡过程，在此取这种过程形

21、式讨论控制系统的品质指标。,34,控制系统在输入作用下所产生的输出也称之为响应。 系统由初始状态随时间到最终状态的响应过程称为动态响应过程，也称为瞬态响应，它是系统短时间响应特性的度量。 当时间趋于无穷大时系统的输出状态称为稳态响应过程，也称为稳态响应，它表征系统输出量最终复现输入量的程度。任何一个控制系统的时间响应都由动态过程和稳态过程两部分组成。 由此可见，控制系统在典型输入信号作用下的品质指标，通常由稳态指标和动态指标两部分组成。,35,35,1、稳态品质指标 对于单输入单输出系统来说，在时域中稳态响应的品质指标是余差(或稳态误差)，它等于系统在典型信号作用下，时间t趋向于无穷大时的稳态

22、输出与参考输入整定的希望输出之差。有余差的控制过程称为有差调节，相应的系统称为有差系统。反之就为无差调节和无差系统。 对于单位反馈系统(图1-12d)，在不同参考输入信号作用下的系统响应示于图1-12 a、b和c。在此余差就是：,36,36,图112不同典型信号作用下的稳态误差,37,37,余差是系统的稳态指标，是对系统精度的一种衡量，它表达了系统实际输出值与希望输出值间的最终偏差，包括系统在任何扰动下所引起的偏差。 系统在典型信号作用下的余差要求是系统最基本的要求。余差超过规定，系统就不能准确完成任务。对某种典型信号来说，若c()很大，甚至随着时间越来越大，则系统在这种典型信号作用下是不能正

23、常工作的。所以在规定余差要求时，要指明输入信号型式。 稳态指标c是控制系统能够运行的首要条件。,38,38,2、动态品质指标 为了便于分析和比较，假定系统在单位阶跃输入信号作用前处于静止状态，而且输出量及其各阶导数均等于零。对于大多数控制系统来说，这种假设是符合实际情况的。对于图112所示单位阶跃响应y(t)，其动态响应指标通常为： (1)延迟时间td:指输出y(t)到达其希望终值的50所需要的时间。 (2)上升时间tt:指输出y(t)由其希望终值的10到达90所需要的时间；对于有振荡的系统，亦可定义为输出y(t)从零第一次上升到终值所需的时间。 上升时间是系统响应速度的一种度量。上升时间越短

24、，响应速度越快。,39,39,图1-13 单位阶跃响应,40,40,(3)峰值时间tP:指响应超过其终值到达第一个峰值所需的时间。 (4)过渡时间ts:指从干扰作用发生的时刻起，直到系统重新建立新的平衡为止，过渡过程所经历的时间叫过渡时间。即输出y(t)到达并保留在其终值的土5(或土2)误差带以内所需要的时间。 (5)超调量 :指输出y(t)的最大偏移量y(tP)与终值y()之差的百分比，即 或最大偏差:是指在过渡过程中，被控变量偏离给定值的最大数值。在衰减振荡过程中，最大偏差就是第一个波的峰值 。特别是对于一些有约束条件的系统，会对最大偏差的允许值有所限制。,41,(6)衰减比 衰减比是表征

25、衰减程度的指标，它是前后相邻两个峰值的比。习惯表示为n:1，一般 n 取为410之间为宜。 （7）震荡周期或频率 过渡过程同向两波峰（或波谷）之间的间隔时间叫振荡周期或工作周期，其倒数称为振荡频率。在衰减比相同的情况下，周期与过渡时间成正比，一般希望振荡周期短一些为好。,42,例如：某换热器的温度控制系统在单位阶跃干扰作用下的过渡过程曲线如下图所示。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）。,图1-14 温度控制系统过渡过程曲线,43,解： 最大偏差A230-20030； 余差C205-200； 由图上可以看出，第一个波峰值 B230-20525; 第二个波峰值B

26、2102055， 故衰减比应为B:B25:55:1。 振荡周期为同向两波峰之间的时间间隔，故周期 T20-515（min）,44,30,分析:过渡时间与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）两侧以宽度为画一区域，上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，过滤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。,45,四、影响控制系统过渡过程品质的主要因素 前面已述：一个自动控制系统可以概括为两大部分，即工艺过程部分（被控对象）和自动化装置部分。前者是被控

27、制的生产设备。后者为实现设备自动生产所必需的自动化控制仪器仪表，通常包括测量与变送装置、控制器和执行器等三部分。 对于一个自动控制系统，过渡过程品质的好坏，在很大程度上取决于对象的性质。例如在前所述的温度控制系统中，属于对象性质的主要因素有：换热器的负荷大小，换热器的结构、尺寸、材质等，换热器内的换热情况、散热情况及结垢程度等。不同自动化系统要具体分析。,46,第五节 工艺管道及控制流程图 工艺流程和控制方案确定后，根据工艺设计给出的流程图，按其流程顺序标注出相应的测量点、控制点、控制系统及自动信号与联锁保护系统等，便成了工艺管道及控制流程图，即PID图，就是仪表管道流程图， Piping &

28、 Instrument Diagram的缩写，又称带控制点的工艺流程图。,47,图1-16脱乙烷塔的工艺管道及控制流程图举例,左图是乙烯生产过程中脱乙烷塔的工艺管道及控制流程图,48,图1-17 测试点的一般表示方法,一、图形符号 1. 测试点（包括检出元件、取样点） 测试点是由工艺设备轮廓线或工艺管线引到仪表圆圈的连接线的起点，一般无特定的图形符号，如下图所示。必要时，检测元件也可以用象形或图形符号表示。,49,图1-18 连接2线的表示法,2. 连接线 通用的仪表信号线均以细实线表示。连接线表示交叉及相接时，采用下图的形式。必要时也可用加箭头的方式表示信号的方向。在需要时，信号线也可按气信号、电信号、导压毛细管等采用不同的表示方式以示区别。,50,3. 仪表（包括检测、显示、控制）的图形符号 仪表的图形符号是一个细实线圆圈，直径