1、化工儀表及自動化化工儀表及自動化第七章第七章 自動控制系統概述自動控制系統概述 內容提要內容提要n 自動控制系統的組成自動控制系統的組成n 自動控制系統的方塊圖自動控制系統的方塊圖n信號和變量信號和變量n自動控制系統方塊圖自動控制系統方塊圖n反饋反饋n自動控制系統的分類自動控制系統的分類n 過渡過程和品質指標過渡過程和品質指標n控制系統的靜態與動態控制系統的靜態與動態1 內容提要內容提要n控制系統的過渡過程控制系統的過渡過程n控制系統的控制指標控制系統的控制指標n影響控制指標的主要因素影響控制指標的主要因素2第一節第一節 自動控制系統的組成自動控制系統的組成 3圖7-1 人工操作圖圖7-2 液

2、位自動控制圖人工操作與自動控制比較圖人工操作與自動控制比較圖控制速度和精度不能滿足大型控制速度和精度不能滿足大型現代化生產的需要現代化生產的需要第一節第一節 自動控制系統的組成自動控制系統的組成圖7-2 液位自動控制4字母字母第一位字母第一位字母后繼字母后繼字母被測變量被測變量修飾詞修飾詞功能功能ACDEFIKLMPQRSTVWYZ分析分析電導率電導率密度密度電壓電壓流量流量電流電流時間或時間程序時間或時間程序物位物位水分或濕度水分或濕度壓力或真空壓力或真空數量或件數數量或件數放射性放射性速度或頻率速度或頻率溫度溫度黏度黏度力力供選用供選用位置位置差差比（分數）比（分數）積分、累積積分、累積安

3、全安全報警報警控制（調節）控制（調節）檢測元件檢測元件指示指示自動自動-手動操作器手動操作器積分、累積積分、累積記錄或打印記錄或打印開關、聯鎖開關、聯鎖傳送傳送閥、擋板、百葉窗閥、擋板、百葉窗套管套管繼動器或計算器繼動器或計算器驅動、執行或未分類的終端執行機構驅動、執行或未分類的終端執行機構表7-1 被測變量和儀表功能的字母代號5第一節第一節 自動控制系統的組成自動控制系統的組成 在自動控制系統的組成中,除必須具有前面所述的自動化裝置外,還必須具有控制裝置所控制的。 在自動控制系統中,將需要控制其工藝參數的生產設備、機器、一段管道或設備的一部分叫做,簡稱。 要選擇好控制系統要選擇好控制系統的對

4、象的對象6第二節第二節 自動控制系統的方塊圖自動控制系統的方塊圖n 一、信號和變量一、信號和變量載有變量信息的物理變量是信號。 系統或環節uy圖7-3 輸入、輸出變量圖輸入變量輸出變量多輸入多數出系統7第二節第二節 自動控制系統的方塊圖自動控制系統的方塊圖圖7-4 簡單水槽ABuu1u2圖7-5 信號分叉點8第二節第二節 自動控制系統的方塊圖自動控制系統的方塊圖n 二、自動控制系統方塊圖二、自動控制系統方塊圖n在研究自動控制系統時，為了便于對系統分析研究，一在研究自動控制系統時，為了便于對系統分析研究，一般都用方塊圖來表示控制系統的組成。般都用方塊圖來表示控制系統的組成。n下頁圖為液位自動控制

5、系統地方塊圖每個環節表示組成下頁圖為液位自動控制系統地方塊圖每個環節表示組成系統的一個部分，稱為系統的一個部分，稱為“環節環節”。兩個方塊之間用一條。兩個方塊之間用一條帶有箭頭的線條表示其信號的相互關系，箭頭指向方塊帶有箭頭的線條表示其信號的相互關系，箭頭指向方塊表示為這個環節的輸入，箭頭離開方塊表示為這個環節表示為這個環節的輸入，箭頭離開方塊表示為這個環節的輸出。線旁的字母表示相互間的作用信號。的輸出。線旁的字母表示相互間的作用信號。9n方塊圖中，方塊圖中， x 指設定值；指設定值；z 指輸出信號；指輸出信號；e 指偏差信指偏差信號；號；p 指發出信號；指發出信號；q 指出料流量信號；指出料

6、流量信號；y 指被控變指被控變量；量；f 指擾動作用。當指擾動作用。當x 取正值，取正值，z取負值取負值，e= x- z，負反饋；負反饋；x 取正值，取正值，z取正值，取正值， e= x+ z，正反饋。，正反饋。第二節第二節 自動控制系統的方塊圖自動控制系統的方塊圖圖7-6 自動控制系統方塊圖10第二節第二節 自動控制系統的方塊圖自動控制系統的方塊圖n 其他控制系統其他控制系統 用同一種形式地方塊圖可以代表不同的控制系統用同一種形式地方塊圖可以代表不同的控制系統 當進料流量或溫度變化等因素引起出口物料溫度變化時，可以將該溫度變化測量后送至溫度控制器TC。溫度控制器的輸出送至控制閥，以改變加熱蒸

7、汽量來維持出口物料的溫度不變。 11圖7-7 蒸汽加熱器溫度控制系統第二節第二節 自動控制系統的方塊圖自動控制系統的方塊圖 為了便于分析,有時將控制器以外的各個環節 (包括被控對象、測量元件及變送器、控制閥)組合在一起看待,稱之為廣義對象,這樣,整個系統可認為是由控制器與廣義對象兩者所構成,其方塊圖可簡化。控制器廣義對象被控變量測量值z給定值干擾作用f-x圖7-8 簡化方塊圖12第二節第二節 自動控制系統的方塊圖自動控制系統的方塊圖n 三、反饋三、反饋 自動控制系統是一個閉環系統，是由于反饋的存在造成的。xKyze-圖7-9 負反饋系統Key yxe13第二節第二節 自動控制系統的方塊圖自動控

8、制系統的方塊圖yKKxyxKKy1兩式聯立,消去e,則有（7-1）xy 單位反饋系統xy1如果K很大, K 1 ,則（7-2）14第二節第二節 自動控制系統的方塊圖自動控制系統的方塊圖小結小結 自動控制系統是具有被控變量負反饋的閉環系統。它與自動測量、自動操縱等開環系統比較,最本質的差別,就在于控制系統有無負反饋存在。 自動操縱裝置自動操縱裝置對象對象操縱指令操縱指令操縱作用操縱作用工藝參數工藝參數圖7-10 自動操縱系統方塊圖15第二節第二節 自動控制系統的方塊圖自動控制系統的方塊圖n 四、自動控制系統的分類四、自動控制系統的分類n按被控變量來分類，如溫度、壓力等控制系統；按被控變量來分類，

9、如溫度、壓力等控制系統；n按控制器具有的控制規律來分類，如比例、比例積分、按控制器具有的控制規律來分類，如比例、比例積分、比例微分、比例積分微分等控制系統；比例微分、比例積分微分等控制系統；n將控制系統按照工藝過程需要控制的被控變量的給定將控制系統按照工藝過程需要控制的被控變量的給定值是否變化和如何變化來分類，這樣可將自動控制系值是否變化和如何變化來分類，這樣可將自動控制系統分為三類，即定值控制系統、隨動控制系統和程序統分為三類，即定值控制系統、隨動控制系統和程序控制系統。控制系統。16其中第三種分類方法最普遍其中第三種分類方法最普遍第二節第二節 自動控制系統的方塊圖自動控制系統的方塊圖 “定

10、值” 是恒定給定值的簡稱。工藝生產中，若要求控制系統的作用是使被控制的工藝參數保持在一個生產指標上不變，或者說要求被控變量的給定值不變，就需要采用定值控制系統。17 給定值隨機變化，該系統的目的就是使所控制的工藝參數準確而快速地跟隨給定值的變化而變化。第二節第二節 自動控制系統的方塊圖自動控制系統的方塊圖3.3.程序控制系統（順序控制系統）程序控制系統（順序控制系統） 給定值變化，但它是一個已知的時間函數，即生產技術指標需按一定的時間程序變化。這類系統在間歇生產過程中應用比較普通。18第三節第三節 過渡過程和品質指標過渡過程和品質指標 n 一、控制系統的靜態與動態一、控制系統的靜態與動態19自

11、動控制目的：自動控制目的：希望將被控變量保持在一個不變的給定值上，這只有當進入被控對象的物料量（或能量）和流出對象的物料量（或能量）相等時才有可能。 靜態靜態被控變量不隨時間而變化的平衡狀態（變化率為0，不是靜止）。第三節第三節 過渡過程和品質指標過渡過程和品質指標 當一個自動控制系統的輸入（給定和干擾）和輸出均恒定不變時，整個系統就處于一種相對穩定的平衡狀態，系統的各個組成環節如變送器、控制器、控制閥都不改變其原先的狀態，它們的輸出信號也都處于相對靜止狀態，這種狀態就是靜態靜態。 20第三節第三節 過渡過程和品質指標過渡過程和品質指標21動態動態被控變量隨時間變化的不平衡狀態 。 從干擾作用

12、破壞靜態平衡，經過控制，直到系統重新建立平衡，在這一段時間中，整個系統的各個環節和信號都處于變動狀態之中，這種狀態叫做動態。在自動化工作中，了解系統的靜態是必要的，但是了解系統的動態更為重要。因為在生產過程中，干擾是客觀存在的，是不可避免的，就需要通過自動化裝置不斷地施加控制作用去對抗或抵消干擾作用的影響，從而使被控變量保持在工藝生產所要求控制的技術指標上。第三節第三節 過渡過程和品質指標過渡過程和品質指標n 二、控制系統的過渡過程二、控制系統的過渡過程n系統由一個平衡狀態過渡到另一個平衡狀態的過程。系統由一個平衡狀態過渡到另一個平衡狀態的過程。 22當干擾作用于對象，系統輸出y發生變化，在系

13、統負反饋作用下，經過一段時間，系統重新恢復平衡。舉例舉例圖7-11 控制系統方塊圖控制器執行器對象被控變量測量、變送給定值干擾-第三節第三節 過渡過程和品質指標過渡過程和品質指標n系統在過渡過程中，被控變量是隨時間變化的。被控變量隨時間的變化規律首先取決于作用于系統的干擾形式。n在生產中，出現的干擾是沒有固定形式的，且多半屬于隨機性質。在分析和設計控制系統時，為了安全和方便，常選擇一些定型的干擾形式，其中常用的是階躍干擾。 23第三節第三節 過渡過程和品質指標過渡過程和品質指標 這種形式的干擾比較突然、危險，且對被控變量的影響也最大。如果一個控制系統能夠有效地克服這種類型的干擾，那么一定能很好

14、地克服比較緩和的干擾。 這種干擾的形式簡單，容易實現，便于分析、實驗和計算。24圖7-12 階躍干擾作用第三節第三節 過渡過程和品質指標過渡過程和品質指標n自動控制系統在階躍干擾作用下過渡過程的四種形式自動控制系統在階躍干擾作用下過渡過程的四種形式25發散震蕩過程發散震蕩過程X X非周期衰減過程非周期衰減過程衰減震蕩過程衰減震蕩過程等幅震蕩過程等幅震蕩過程 ？對于控制質量要求不對于控制質量要求不高的場合，如果被控高的場合，如果被控變量允許在工藝許可變量允許在工藝許可的范圍內振蕩（主要的范圍內振蕩（主要指在位式控制時），指在位式控制時），才可采用。才可采用。 第三節第三節 過渡過程和品質指標過渡

15、過程和品質指標n三、控制系統的控制指標三、控制系統的控制指標26 多數情況下，希望得到衰減振蕩過程，在此取這種過程形式討論控制系統的品質指標。 控制指標主要有兩類,一類是時間域的單項指標,另一類是時間域的綜合指標。控制系統的過渡過程是衡量品質的依據。控制系統的過渡過程是衡量品質的依據。第三節第三節 過渡過程和品質指標過渡過程和品質指標 1. 1.時間域的各種單項指標時間域的各種單項指標 假定自動控制系統在階躍輸入作用下，被控變量的變化曲線如下圖所示，這是屬于衰減振蕩的過渡過程圖7-14 過渡過程品質指標示意圖27第三節第三節 過渡過程和品質指標過渡過程和品質指標28五種重要品質指標之一五種重要

16、品質指標之一（ 1 ）最大偏差或超調量）最大偏差或超調量 最大偏差是指在過渡過程中，被控變量偏離給定值的最大數值。在衰減振蕩過程中，最大偏差就是第一個波的峰值。特別是對于一些有約束條件的系統，如化學反應器的化合物爆炸極限、觸媒燒結溫度極限等，都會對最大偏差的允許值有所限制。 超調量也可以用來表征被控變量偏離給定值的程度。第三節第三節 過渡過程和品質指標過渡過程和品質指標（2）衰減比）衰減比 衰減比是衰減程度的指標，它是前后相鄰兩個峰值的比。習慣表示為 n:1，一般 n 取為410之間為宜。五種重要品質指標之二五種重要品質指標之二29第三節第三節 過渡過程和品質指標過渡過程和品質指標五種重要品質

17、指標之三五種重要品質指標之三（ 3 ） 余差余差 當過渡過程終了時，被控變量所達到的新的穩態值與給定值之間的偏差叫做余差，或者說余差就是過渡過程終了時的殘余偏差。有余差的控制過程稱為有差調節，相應的系統稱為有差系統。反之就為無差調節和無差系統。 30第三節第三節 過渡過程和品質指標過渡過程和品質指標五種重要品質指標之四五種重要品質指標之四（4） 過渡時間過渡時間 從干擾作用發生的時刻起，直到系統重新建立新的平衡時止，過渡過程所經歷的時間叫過渡時間。一般在穩態值的上下規定一個小范圍，當被控變量進入該范圍并不再越出時，就認為被控變量已經達到新的穩態值，或者說過渡過程已經結束這個范圍一般定為穩態值的

18、（也有的規定為）。 31第三節第三節 過渡過程和品質指標過渡過程和品質指標五種重要品質指標之五五種重要品質指標之五（5 5）震蕩周期或頻率）震蕩周期或頻率 過渡過程同向兩波峰（或波谷）之間的間隔時間叫振蕩周期或工作周期，其倒數稱為振蕩頻率。在衰減比相同的情況下，周期與過渡時間成正比，一般希望振蕩周期短一些為好。32第三節第三節 過渡過程和品質指標過渡過程和品質指標33某換熱器的溫度控制系統在單位階躍干擾作用下的過渡過程曲線如下圖所示。試分別求出最大偏差、余差、衰減比、振蕩周期和過渡時間（給定值為200）。舉例舉例圖7-15 溫度控制系統過渡過程曲線第三節第三節 過渡過程和品質指標過渡過程和品質

19、指標解解: : 最大偏差A230-20030余差C205-200由圖上可以看出，第一個波峰值B230-20525，第二個波峰值B2102055，故衰減比應為B:B25:55:1。振蕩周期為同向兩波峰之間的時間間隔，故周期T20-515（min）34第三節第三節 過渡過程和品質指標過渡過程和品質指標 分析：分析：過渡時間與規定的被控變量限制范圍大小有關，假定被控變量進入額定值的2，就可以認為過渡過程已經結束，那么限制范圍為200（2）4，這時，可在新穩態值（205）兩側以寬度為畫一區域，上圖中以畫有陰影線的區域表示，只要被控變量進入這一區域且不再越出，過濾過程就可以認為已經結束。因此，從圖上可以

20、看出，過渡時間為22min。35第三節第三節 過渡過程和品質指標過渡過程和品質指標 2. 2.時間域的綜合指標時間域的綜合指標 綜合性指標往往通過偏差的某些函數對時間的積分值來表達,以兼顧最大偏差、超調量、衰減比、過渡時間等各方面的因素。 以表示過渡過程中被控變量與新穩態值的差值,即 e(t) = y(t) - y()。 36第三節第三節 過渡過程和品質指標過渡過程和品質指標三種綜合指標三種綜合指標 偏差絕對值對時間的積分,簡記為IAE dtteIAE0采用絕對值,可避免正負積分面積相消的現象。 37第三節第三節 過渡過程和品質指標過渡過程和品質指標 偏差絕對值與時間乘積對時間的積分,簡記為I

21、TAE tdtteITAE0 它對后期的偏差值加大權值,因此對消除偏差所需的時間比較敏感。 38第三節第三節 過渡過程和品質指標過渡過程和品質指標 偏差平方值對時間的積分,簡記為ISE 02dteISE 采用平方值,同樣可以避免正負偏差積分時的相消現象。 與IAE相比,它對最大偏差的數值更加敏感。39第三節第三節 過渡過程和品質指標過渡過程和品質指標n 四、影響控制指標的主要因素四、影響控制指標的主要因素40 一個自動控制系統可以概括成兩大部分，即和。前者指與該自動控制系統有關的部分。后者指為實現自動控制所必需的自動化儀表設備，通常包括測量與變送裝置、控制器和執行器等三部分。第三節第三節 過渡過程和品質指標過渡過程和品質指標 對于一個自動控