《仪表与自动化》教学课件-01696

仪表与自动化仪表与自动化教学课件教学课件-01湖南工业大学湖南工业大学授课班级：授课班级：机电机电1 13 3级级 2015.09 仪表与自动化仪表与自动化教学课件教学课件仪表与自动化教学课件仪表与自动化教学课件l l 仪表与自动化仪表与自动化l课程学时：课程学时：56学时，其中实验学时，其中实验6学时。学时。l使用教材：使用教材：何道清、谌海云、张禾编仪表与自动化（第二版）北京：何道清、谌海云、张禾编仪表与自动化（第二版）北京：化学工业出版社化学工业出版社,2011l参考资料：参考资料：l【1】厉玉鸣编】厉玉鸣编.化工仪表及自动化化工仪表及自动化.北京北京:化学工业出版社化学工业出版社,2003l【2】杨丽明等编】杨丽明等编.化工自动化及仪表化工自动化及仪表.北京北京:化学工业出版社化学工业出版社,2004l【3】愈金寿主编】愈金寿主编.过程自动化及仪表过程自动化及仪表.北京北京:化学工业出版社化学工业出版社,2003l【4】何道清编】何道清编.传感器与传感器技术传感器与传感器技术.北京北京:科学出版社科学出版社,2004l【5】陈夕松】陈夕松.汪木兰汪木兰.过程控制系统过程控制系统.北京北京:科学出版社科学出版社,2005l【6】王可华】王可华.张继峰张继峰.石油仪表及自动化石油仪表及自动化.北京北京:石油工业出版社，石油工业出版社，2006l【7】Curtis D Johnson，Process Control Instrumentation Technologyl【8】西南石油大学网站仪表与自动化网络课件】西南石油大学网站仪表与自动化网络课件仪表与自动化教学课件仪表与自动化教学课件l 仪表与自动化仪表与自动化l教学重点教学重点l自动控制系统的基本概念及被控对象的数学模型；自动控制系统的基本概念及被控对象的数学模型；l自动控制系统中的自动化仪表（测量元件及变送器，显自动控制系统中的自动化仪表（测量元件及变送器，显示仪表，自动控制仪表，执行器等）；示仪表，自动控制仪表，执行器等）；l控制系统（简单控制系统，复杂控制系统，计算机控制控制系统（简单控制系统，复杂控制系统，计算机控制系统简介）；系统简介）；l控制方案设计及典型设备的控制方案设计分析。控制方案设计及典型设备的控制方案设计分析。l考核方法考核方法l平时平时(作业作业+考勤考勤+实验实验)30%+期末考试期末考试70%仪表与自动化教学课件仪表与自动化教学课件l绪论绪论l1 自动控制系统基本概念自动控制系统基本概念l1.1 工业自动化的主要内容工业自动化的主要内容l1.2 自动控制系统的组成和分类自动控制系统的组成和分类l1.3 自动控制系统方块图自动控制系统方块图l1.4 工艺管道及控制流程图工艺管道及控制流程图l1.5 自动控制系统的过渡过程和品质指标自动控制系统的过渡过程和品质指标l习题与思考题习题与思考题仪表与自动化教学课件仪表与自动化教学课件l2 被控对象的数学模型被控对象的数学模型l2.1 对象的特性及其描述方法对象的特性及其描述方法l2.2 对象数学模型的建立对象数学模型的建立l2.3 描述对象特性的参数描述对象特性的参数l习题与思考题习题与思考题仪表与自动化教学课件仪表与自动化教学课件l3 检测仪表与传感器检测仪表与传感器l3.1 概述概述l3.2 压力检测及仪表压力检测及仪表l3.3 流量检测及仪表流量检测及仪表l3.4 物位检测及仪表物位检测及仪表l3.5 温度检测及仪表温度检测及仪表l习题与思考题习题与思考题仪表与自动化教学课件仪表与自动化教学课件l4 显示仪表显示仪表l4.1 动圈式显示仪表动圈式显示仪表l4.2 自动电子电位差计自动电子电位差计l4.3 自动电子平衡电桥自动电子平衡电桥l4.4 数字式显示仪表数字式显示仪表l4.5 新型显示记录仪表新型显示记录仪表l习题与思考题习题与思考题仪表与自动化教学课件仪表与自动化教学课件l5 自动控制仪表自动控制仪表l5.1 概述概述l5.2 控制规律及其特点控制规律及其特点l5.3 模拟式控制器模拟式控制器l5.4 数字式控制器数字式控制器l习题与思考题习题与思考题仪表与自动化教学课件仪表与自动化教学课件l6 执行器执行器l6.1 概述概述l6.2 气动执行器气动执行器l6.3 电动执行器电动执行器l6.4 电电-气转换器及电气转换器及电-气阀门定位器气阀门定位器l6.5 控制阀的选择控制阀的选择l习题与思考题习题与思考题仪表与自动化教学课件仪表与自动化教学课件l7 简单控制系统简单控制系统l7.1 简单控制系统的结构与组成简单控制系统的结构与组成l7.2 被控变量的选择被控变量的选择l7.3 操纵变量的选择操纵变量的选择l7.4 测量元件特性的影响测量元件特性的影响l7.5 控制器的选择控制器的选择l7.6 控制器参数的工程整定控制器参数的工程整定l习题与思考题习题与思考题仪表与自动化教学课件仪表与自动化教学课件l8 复杂控制系统复杂控制系统l8.1 串级控制系统串级控制系统l8.2 均匀控制系统均匀控制系统l8.3 比值控制系统比值控制系统l8.4 前馈控制系统前馈控制系统l8.5 选择性控制系统选择性控制系统l8.6 分程控制系统分程控制系统l8.7 多冲量控制系统多冲量控制系统l8.8 新型控制系统新型控制系统l习题与思考题习题与思考题仪表与自动化教学课件仪表与自动化教学课件l9 典型设备控制方案典型设备控制方案l9.1 流体输送设备的自动控制流体输送设备的自动控制l9.2 传热设备的自动控制传热设备的自动控制l9.3 精馏塔的自动控制精馏塔的自动控制l9.4 化学反应器的自动控制化学反应器的自动控制l习题与思考题习题与思考题仪表与自动化教学课件仪表与自动化教学课件l10 计算机控制系统计算机控制系统l10.1 计算机控制系统的原理与组成计算机控制系统的原理与组成l10.2 计算机控制系统的分类与特点计算机控制系统的分类与特点l习题与思考题习题与思考题仪表与自动化教学课件仪表与自动化教学课件0.绪论绪论l0 0 绪论绪论l0.10.1仪表自动化的概念仪表自动化的概念l生生产产过过程程自自动动化化，就就是是在在生生产产过过程程中中，采采用用自自动动化化仪仪表表及及装装置置，来来检检测测、显显示示、记记录录和和控控制制生生产产过过程程中中的的重重要要工工艺艺参参数数，以以代代替替操操作作人人员员的的直直接接操操作作，使使整整个个生生产产过过程程能能自自动动地地维维持持正正常常状状态态；当当受受到到外外界界干干扰扰的的影影响响而而偏偏离离正正常常状状态态时时，又又能能自自动动地地调调回回到到规规定定的的数数值值范范围围内内。这这种种用用自自动动化化仪仪表表来来控控制制生生产产过过程程的的方方法法，即即生生产产过过程程自自动化。动化。l仪仪表表自自动动化化技技术术是是一一门门综综合合性性的的技技术术学学科科，它它应应用用自自动动控控制制学学科科、仪仪器器仪仪表表学学科科及及计计算算机机学学科科的的理理论论与与技技术术服服务务于于各各类类生生产产过过程程，以以实现生产过程的自动化。实现生产过程的自动化。l生生产产过过程程或或设设备备的的自自动动控控制制，实实现现了了生生产产工工艺艺参参数数从从测测量量、显显示示、记记录录到到控控制制以以及及对对生生产产设设备备的的操操作作和和保保护护等等环环节节，都都用用自自动动化化仪仪表表及及装装置置按按设设定定的的工工艺艺过过程程来来自自动动完完成成，从从而而使使生生产产质质量量得得以以提提高高，并并大大大大地地减减轻轻工工人人的的劳劳动动强强度度，同同时时，也也更更好好地地保保证证生生产产安安全全，延延长长设设备备使使用用寿寿命命，降降低低能能量量消消耗耗和和生生产产成成本本，为为生生产产企企业业带带来来了了良良好的经济效益和社会效益。好的经济效益和社会效益。仪表与自动化教学课件仪表与自动化教学课件0.绪论绪论l0.20.2仪表自动化技术的发展概况仪表自动化技术的发展概况l自动化发展主要特点：自动化发展主要特点：l生产生产的需要、理论的开拓与技术手段的进展三者相互推动，相互促进的需要、理论的开拓与技术手段的进展三者相互推动，相互促进 。l自动化发展主要阶段自动化发展主要阶段:l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(直接数字控制直接数字控制-DDC-DDC，集散控制，集散控制系统系统-DCS-DCS，SCADASCADA系统系统,等等)；或或基地式控制器等组成的控制系统基地式控制器等组成的控制系统 单元组合仪表组成的控制系统单元组合仪表组成的控制系统 计算机控制系统（计算机控制系统（DCSDCS）二级优化控制系统。二级优化控制系统。l0.30.3仪表自动化课程的性质、任务与要求仪表自动化课程的性质、任务与要求l是一门综合性、实践性较强的专业技术课。是一门综合性、实践性较强的专业技术课。l应掌握生产自动化过程中各类检测仪表、显示仪表、控制仪表和执行应掌握生产自动化过程中各类检测仪表、显示仪表、控制仪表和执行仪器的基本结构与工作原理，了解仪表的特性、安装及应用特点，以仪器的基本结构与工作原理，了解仪表的特性、安装及应用特点，以便在实际生产过程中能正确选择、使用常用仪表，并具备简单仪表故便在实际生产过程中能正确选择、使用常用仪表，并具备简单仪表故障的分析、处理能力。同时，应熟悉自动控制系统的结构组成、控制障的分析、处理能力。同时，应熟悉自动控制系统的结构组成、控制特性、设计方法和运行管理，使仪表自动化技术能够更好地在工业生特性、设计方法和运行管理，使仪表自动化技术能够更好地在工业生产中发挥应有的作用。产中发挥应有的作用。仪表与自动化教学课件仪表与自动化教学课件0.绪论绪论仪表与自动化教学课件仪表与自动化教学课件0.绪论绪论仪表与自动化教学课件仪表与自动化教学课件1.自动控制系统基本概念自动控制系统基本概念l1 自动控制系统基本概念自动控制系统基本概念l1.1 工业自动化的主要内容工业自动化的主要内容l1.1.1 自动检测系统自动检测系统l利用各种检测仪表对主要工艺参数进行测量、指示或记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。录的，称为自动检测系统。l1.1.2 自动信号和联锁保护系统自动信号和联锁保护系统l对某些关键性参数设有自动信号联锁装置。当工艺参数对某些关键性参数设有自动信号联锁装置。当工艺参数超过了允许范围，在事故发生以前，信号系统就自动地超过了允许范围，在事故发生以前，信号系统就自动地发出声光报警信号，告诫操作人员注意，并及时采取措发出声光报警信号，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，联锁系统立即自动采取施。如工况已到达危险状态时，联锁系统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。安全装置。仪表与自动化教学课件仪表与自动化教学课件1.自动控制系统基本概念自动控制系统基本概念l1.1.3 自动操纵及自动开停车系统自动操纵及自动开停车系统l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。极大地减轻操作工人的重复性体力劳动。周期性操作。极大地减轻操作工人的重复性体力劳动。l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。投入运行或自动停车。l1.1.4 自动控制系统自动控制系统l对生产中某些关键性参数进行自动控制，使它们在受到外界干扰对生产中某些关键性参数进行自动控制，使它们在受到外界干扰（扰动）的影响而偏离正常状态时，能自动地控制而回到规定的数（扰动）的影响而偏离正常状态时，能自动地控制而回到规定的数值范围内，为此目的而设置的系统就是自动控制系统。值范围内，为此目的而设置的系统就是自动控制系统。l自动检测系统自动检测系统只能完成只能完成“了解了解”生产过程进行情况的任务；生产过程进行情况的任务；信号联锁信号联锁保护系统保护系统只能在工艺条件进入某种极限状态时，采取安全措施，以只能在工艺条件进入某种极限状态时，采取安全措施，以避免生产事故的发生；避免生产事故的发生；自动操纵系统自动操纵系统只能按照预先规定好的步骤进只能按照预先规定好的步骤进行某种周期性操纵；只有行某种周期性操纵；只有自动控制系统自动控制系统才能自动地排除各种干扰因才能自动地排除各种干扰因素对工艺参数的影响，使它们始终保持在预先规定的数值上，保证素对工艺参数的影响，使它们始终保持在预先规定的数值上，保证生产维持在正常或最佳的工艺操作状态。生产维持在正常或最佳的工艺操作状态。仪表与自动化教学课件仪表与自动化教学课件1.自动控制系统基本概念自动控制系统基本概念l1.2 自动控制系统的组成和分类自动控制系统的组成和分类l1.2.1 人工控制与自动控制人工控制与自动控制l（1）液位人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。图图1-1 液位人工控制液位人工控制仪表与自动化教学课件仪表与自动化教学课件1.自动控制系统基本概念自动控制系统基本概念（2）液位自动控制：液位自动控制：测量元件及变送器测量元件及变送器眼；眼；控制器控制器脑；脑；执行器执行器手。手。1.2.2 自动控制系统组成：自动控制系统组成：仪表与自动化教学课件仪表与自动化教学课件1.自动控制系统基本概念自动控制系统基本概念l简单控制系统实例简单控制系统实例图图1-3 1-3 简单液位控制系统组成示意图简单液位控制系统组成示意图 仪表与自动化教学课件仪表与自动化教学课件1.自动控制系统基本概念自动控制系统基本概念l1.2.3 自动控制系统的分类：自动控制系统的分类：l按按被控变量被控变量分：分：l温度控制系统温度控制系统、压力控制系统压力控制系统、流量控制系统流量控制系统、液位控液位控制系统制系统、成分控制系统等；成分控制系统等；l按按控制规律控制规律分：分：l比例比例控制系统控制系统、比例积分、比例积分控制系统控制系统、比例微分、比例微分控制系统、控制系统、比例积分微分比例积分微分控制系统控制系统等；等；l按按基本基本结构结构分：分：l开环开环控制系统控制系统、闭环、闭环控制系统；控制系统；l按按信号信号特点分：特点分：l定值控制定值控制、随动控制随动控制、顺序（程序）控制。顺序（程序）控制。仪表与自动化教学课件仪表与自动化教学课件1.自动控制系统基本概念自动控制系统基本概念l1.2.4 工业自动化仪表的分类：工业自动化仪表的分类：l（1）按仪表使用的能源分类：）按仪表使用的能源分类：l电动仪表（电能）；电动仪表（电能）；气动仪表（压缩空气）；气动仪表（压缩空气）；液动仪表（少用）。液动仪表（少用）。l（2）按信息的获得、传递、反映和处理的过程分类：）按信息的获得、传递、反映和处理的过程分类：l检测仪表；检测仪表；显示仪表；显示仪表；集中控制装置；集中控制装置；控制控制仪表；仪表；执行器。执行器。l（3）按仪表的组成形式分类：）按仪表的组成形式分类：l基地式仪表：基地式仪表集变送、显示、控制各部分基地式仪表：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；功能于一体，单独构成一个固定的控制系统；单元组单元组合仪表：单元组合式仪表将变送、控制、显示等功能制合仪表：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。仪表与自动化教学课件仪表与自动化教学课件1.自动控制系统基本概念自动控制系统基本概念l单元组合仪表命名与性能：单元组合仪表命名与性能：l QDZ（“气气”、“单单”、“组组”）气动单元组合仪表）气动单元组合仪表l统一标准气源压力：统一标准气源压力：0.14MPa；l统一标准信号：统一标准信号：0.020.1MPa(20100kPa)；l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；l精度：精度：1.0级、级、1.5级。级。l 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l统一标准电源：交流统一标准电源：交流220V；l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；l精度：精度：0.5级、级、1.0级、级、1.5级。级。l 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l统一标准电源：统一标准电源：24V直流；直流；l统一标准信号：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；l精度：精度：0.2级、级、0.5级、级、1.0级、级、1.5级。级。仪表与自动化教学课件仪表与自动化教学课件1.自动控制系统基本概念自动控制系统基本概念l（4）按防爆能力分类）按防爆能力分类l普通型：普通型：l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。l隔爆型：隔爆型：l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。l安全火花型仪表：安全火花型仪表：l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，危险区以外发生电路的混触，也有可靠的措施，使外，危险区以外发生电路的混触，也有可靠的措施，使高电压、大电流不能进入危险区。高电压、大电流不能进入危险区。仪表与自动化教学课件仪表与自动化教学课件1.自动控制系统基本概念自动控制系统基本概念l1.3 自动控制系统方块图自动控制系统方块图l由传递方块（环节、装置）、带箭头的信号线、综合点、分支构成的由传递方块（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。如图表示控制系统组成和作用的图形。如图1-41-4所示所示 带箭头的信号线表示方块间的相互关系及信号的流向。带箭头的信号线表示方块间的相互关系及信号的流向。图图1-4 1-4 自动控制系统方块图自动控制系统方块图仪表与自动化教学课件仪表与自动化教学课件1.自动控制系统基本概念自动控制系统基本概念l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仪表与自动化教学课件仪表与自动化教学课件1.自动控制系统基本概念自动控制系统基本概念作业作业:1-3，1-7，1-8，1-11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仪表与自动化教学课件仪表与自动化教学课件1.自动控制系统基本概念自动控制系统基本概念l1.4 工艺管道工艺管道及及控制流程图控制流程图 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，按其，按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、控制系统及自动信号与联锁保护系统等的图形，即工艺管道动信号与联锁保护系统等的图形，即工艺管道及及控制流控制流程图程图(PID(PID图图)。图图1-61-6所示所示是是简化了的乙烯生产过程中脱乙烷塔的管道简化了的乙烯生产过程中脱乙烷塔的管道及控制流程图及控制流程图，工艺管道，工艺管道及控制流程图上设备间的工艺及控制流程图上设备间的工艺管线，表示物料的流动方向。管线，表示物料的流动方向。仪表与自动化教学课件仪表与自动化教学课件1.自动控制系统基本概念自动控制系统基本概念图图1-6 1-6 脱乙烷塔工艺管道及控制流程图脱乙烷塔工艺管道及控制流程图仪表与自动化教学课件仪表与自动化教学课件1.自动控制系统基本概念自动控制系统基本概念l1.4.1 图形符号图形符号 测量点，连接线，仪表，见表测量点，连接线，仪表，见表1-1。l 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 l 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 仪表与自动化教学课件仪表与自动化教学课件1.自动控制系统基本概念自动控制系统基本概念l1.4.2 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。l 表表1-2 被测变量和仪表功能的字母代号被测变量和仪表功能的字母代号字字 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分析分析电导电导率率密度密度电压电压流量流量手手动动电电流流时间时间或或时间时间程序程序液位（物位）液位（物位）水分或湿度水分或湿度压压力或真空力或真空数量或件数数量或件数放射性放射性速度或速度或频频率率温度温度黏度黏度力力供供选选用用位置、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 仪表与自动化教学课件仪表与自动化教学课件1.自动控制系统基本概念自动控制系统基本概念l1.4.3 仪表位号仪表位号 第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。l在在图图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、集中仪表、集中仪表盘面安装的一台具有指示功能的压力控制仪表盘面安装的一台具有指示功能的压力控制仪表。l1.5 自动控制系统的自动控制系统的过渡过程及其品质指标过渡过程及其品质指标l1.5.1 控制系统的静态与动态控制系统的静态与动态 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”是自动控制系统的目标。是自动控制系统的目标。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”是自动控制系统的研究的重点，因为由于干扰的客观存在，是自动控制系统的研究的重点，因为由于干扰的客观存在，系统总是处于系统总是处于“动态动态”过程中，自动化装置总是不断地施加控制作过程中，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响，从而使被控变量保持在工艺生产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（平衡状态）上。所要求控制的技术指标（平衡状态）上。仪表与自动化教学课件仪表与自动化教学课件1.自动控制系统基本概念自动控制系统基本概念l1.5.2 控制系统的过渡过程控制系统的过渡过程l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过渡过渡过程过程。l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规律。观测控制系统被控变量的变化规律。l 图图1-12 阶跃干扰作用阶跃干扰作用 仪表与自动化教学课件仪表与自动化教学课件1.自动控制系统基本概念自动控制系统基本概念l过渡过程的基本形式过渡过程的基本形式(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)l 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仪表与自动化教学课件仪表与自动化教学课件1.自动控制系统基本概念自动控制系统基本概念l过渡过程的基本形式：过渡过程的基本形式：（在阶跃干扰作用下）（在阶跃干扰作用下）l非周期衰减过程非周期衰减过程(图图1-13(a)（单调衰减过程）（单调衰减过程）l衰减振荡过程衰减振荡过程(图图1-13(b)(自动控制系统主要采用的过渡过程自动控制系统主要采用的过渡过程)l等幅振荡过程等幅振荡过程(图图1-13(c)l发散振荡过程发散振荡过程(图图1-13(d)l单调发散过程单调发散过程(图图1-13(e)发散过程发散过程稳定过程稳定过程仪表与自动化教学课件仪表与自动化教学课件1.自动控制系统基本概念自动控制系统基本概念l1.5.3 控制系统的品质指标：控制系统的品质指标：（衰减振荡过程）（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；衰减比衰减比 n=B:B=(410)式中，式中，B第一个波峰值，第一个波峰值，B 第二个第二个波峰值；（波峰值；（n 1衰减振荡过程衰减振荡过程,n=1等幅振荡过程等幅振荡过程,n 1发散过程）发散过程）；振荡周期振荡周期 T；频率频率 f；过渡时间过渡时间 ts 振荡次数振荡次数；上升时间上升时间。图图1-4 1-4 衰减振荡过渡过程衰减振荡过渡过程仪表与自动化教学课件仪表与自动化教学课件1.自动控制系统基本概念自动控制系统基本概念l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)。考虑到发酵效果，。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控制过程中温度偏离给定值最大不能超过6。现设计一定值控制。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系统，在阶跃扰动作用下的过渡过程曲线如图1-5所示。试确定该所示。试确定该系统的最大偏差、衰减比、余差、过渡时间系统的最大偏差、衰减比、余差、过渡时间(按被控变量进入按被控变量进入2新稳态值即达到稳定来确定新稳态值即达到稳定来确定)和振荡周期等过渡过程指标，并回答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。该系统能否满足工艺要求。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 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 仪表与自动化教学课件仪表与自动化教学课件1.自动控制系统基本概念自动控制系统基本概念l1.5.4 影响控制系统过渡过程品质的主要因素影响控制系统过渡过程品质的主要因素l一个自动控制系统可以概括成两大部分，即工艺过程部分（被控对象）和一个自动控制系统可以概括成两大部分，即工艺过程部分（被控对象）和自动化装置部分。自动化装置部分。l工艺过程部分不是泛指整个工艺流程，而是指与该自动控制系统有关的部工艺过程部分不是泛指整个工艺流程，而是指与该自动控制系统有关的部分。以图分。以图1-5所示的热交换器温度控制系统为例，其工艺过程部分指的是所示的热交换器温度控制系统为例，其工艺过程部分指的是与被控变量温度与被控变量温度T有关的工艺参数和设备结构、材质等因素。有关的工艺参数和设备结构、材质等因素。l自动化装置部分指的是为实现自动控制所必需的自动化仪表设备，通常包自动化装置部分指的是为实现自动控制所必需的自动化仪表设备，通常包括测量与变送装置、控制器和执行器三部分。括测量与变送装置、控制器和执行器三部分。l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。如前述温度控制系统中，属于对象性质的主要因素有：换热器的的性质。如前述温度控制系统中，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。况及结垢程度等。l自动化装置应按对象性质加以选择和调整，两者要很好配合。自动化装置自动化装置应按对象性质加以选择和调整，两者要很好配合。自动化装置的选择和调整不当，也会直接影响控制质量。此外，在控制系统运行过程的选择和调整不当，也会直接影响控制质量。此外，在控制系统运行过程中，自动化装置的性能一旦发生变化，如阀门失灵、测量失真，也要影响中，自动化装置的性能一旦发生变化，如阀门失灵、测量失真，也要影响控制质量。控制质量。l总之，影响自动控制系统过渡过程品质的因素是很多的，在系统设计和运总之，影响自动控制系统过渡过程品质的因素是很多的，在系统设计和运行过程中都应充分注意。行过程中都应充分注意。l作业：作业：1-5，1-9，1-12，1-19，1-20仪表与自动化教学课件仪表与自动化教学课件1.自动控制系统基本概念自动控制系统基本概念l补充补充1：控制系统基本概念：控制系统基本概念l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。l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 构和工构和工作方式。作方式。l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变量与定使系统输出信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。值之差减小的反馈。l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统的被控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。变量给定值之差不断增大的反馈。l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。l信息信息系统功能与属性的某种表达。如控制系统中，各环节的输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。入输出信号。l控制控制为实现目的而施加的作用。一切控制都是有目的的行为。为实现目的而施加的作用。一切控制都是有目的的行为。仪表与自动化教学课件仪表与自动化教学课件1.自动控制系统基本概念自动控制系统基本概念l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。l过程过程一种自然的逐渐进行的运转或发展，如化学过程，生物过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，被处理为流体，包括程，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。液体、气体和粉体。l补充补充2：控制系统常用术语：控制系统常用术语l被控对象被控对象（对象）（对象）自动控制系统中，工况参数需要控制生产过自动控制系统中，工况参数需要控制生产过程、生产设备或机器。程、生产设备或机器。l被控变量被控变量被控对象内要求保持设定值的工艺参数。控系统通常被控对象内要求保持设定值的工艺参数。控系统通常用该变量的名称来称呼，如温度控制系统，压力制系统等。用该变量的名称来称呼，如温度控制系统，压力制系统等。l操纵变量操纵变量（调节变量调节变量）对被控变量具有较强的直接影响且便于对被控变量具有较强的直接影响且便于调节（操纵）的变量。或实现控制作用的变量。调节（操纵）的变量。或实现控制作用的变量。l操纵介质操纵介质(操纵剂操纵剂)用来实现控制作用的物料。用来实现控制作用的物料。仪表与自动化教学课件仪表与自动化教学课件1.自动控制系统基本概念自动控制系统基本概念l干扰干扰被控对象中除操纵变量外，能对被控变量具有影响作用的被控对象中除操纵变量外，能对被控变量具有影响作用的所有变量。所有变量。l偏差偏差设定值或给定值与测量值之差。设定值或给定值与测量值之差。l给定值给定值（或设定值或期望值）（或设定值或期望值）人们希望控制系统实现的目标，人们希望控制系统实现的目标，即被控变量的期望值。它可以是恒定的，也可以是能按程序变化的。即被控变量的期望值。它可以是恒定的，也可以是能按程序变化的。l定值控制系统定值控制系统给定值恒定的控制系统。给定值恒定的控制系统。l随动控制系统随动控制系统（自动跟踪系统）（自动跟踪系统）给定值随机变化的系统。给定值随机变化的系统。l程序控制系统程序控制系统给定值按一定时间程序变化的系统。给定值按一定时间程序变化的系统。