自动控制系统的基本概念--课件

第三章第三章 自动控制系统基自动控制系统基本概念本概念1PPT课件 本本章章主主要要内内容容一、一、化工自动化的主要内容化工自动化的主要内容 二、二、自动控制系统的组成自动控制系统的组成三、三、自动控制系统的表示方法自动控制系统的表示方法四、四、自动控制系统的主要类型自动控制系统的主要类型五、五、自动控制系统的性能指标及要求自动控制系统的性能指标及要求2PPT课件主要内容主要内容第一节第一节 化工自动化的主要内容化工自动化的主要内容 自动检测系统自动检测系统自动信号和联锁保护系统自动信号和联锁保护系统自动操纵及自动开停车系统自动操纵及自动开停车系统自动控制系统自动控制系统3PPT课件自动检测系统自动检测系统 利用各种检测仪表对工艺参数进行测量、指示或记录的系利用各种检测仪表对工艺参数进行测量、指示或记录的系统，统，称为自动检测系统。称为自动检测系统。“了解了解”生产的任务。生产的任务。4PPT课件自动信号和联锁保自动信号和联锁保护系统护系统自动信号系统自动信号系统当工艺参数超出要求范围，自动发出声光信号当工艺参数超出要求范围，自动发出声光信号联锁保护系统联锁保护系统达到危险状态，达到危险状态，打开安全阀或切打开安全阀或切断某些通路，必断某些通路，必要时紧急停车要时紧急停车液位自动报警系统示意图液位自动报警系统示意图5PPT课件自动操纵及自动开自动操纵及自动开停车系统停车系统 按按预预先先规规定定好好的的步步骤骤将将生生产产过过程程自自动动的的投投入入运运行或自动停车行或自动停车自动操纵系统自动操纵系统 根据预先规定的步骤自动地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对生产设备进行某种周期性操作自动开停车系统自动开停车系统6PPT课件自动控制系统自动控制系统 利用自动控制装置对生产中某些关键性参数进行自动利用自动控制装置对生产中某些关键性参数进行自动控制，使他们在受到外界扰动的影响而偏离正常状态时，控制，使他们在受到外界扰动的影响而偏离正常状态时，能自动的回到规定范围。能自动的回到规定范围。液位自动控制系统示意图液位自动控制系统示意图7PPT课件 自自动动控控制制系系统统是是自自动动化化生生产产的的核核心心部部分分，只只有有自自动动控控制制系系统统才才能能自自动动地地排排除除各各种种干干扰扰因因 素素对对工工艺艺参参数数的的影影响响，使使它它们们始始终终保保持持在在预预先先规规定定的的数数值值上上，保保证证生生产产维维持持在在正正常常或或最最佳佳的的工艺操作状态工艺操作状态.8PPT课件自自动动控控制制：是是指指在在没没有有人人直直接接参参与与的的情情况况下下，利利用用外外加加的的设设备备或或装装置置（称称控控制制装装置置或或控控制制器器），使使机机器器、设设备备或或生生产产过过程程（统统称称被被控控对对象象）的的某某个个工工作作状状态态或或参参数数（即即被被控控量）自动地按照预定的规律（给定值）运行。量）自动地按照预定的规律（给定值）运行。系系统统：是是指指按按照照某某些些规规律律结结合合在在一一起起的的物物体体（元元部部件件）的的组合，它们相互作用、相互依存，并能完成一定的任务。组合，它们相互作用、相互依存，并能完成一定的任务。自自动动控控制制系系统统：能能够够实实现现自自动动控控制制的的系系统统就就可可称称为为自自动动控控制系统，一般由控制装置和被控对象组成。制系统，一般由控制装置和被控对象组成。第二节第二节 自动控制系统的组成自动控制系统的组成9PPT课件10PPT课件自动控制系统是在人工调节的基础上产生和发展起来的，自动控制系统是在人工调节的基础上产生和发展起来的，其主要装置包括其主要装置包括测量元件与变送器、自动控制器、执行器测量元件与变送器、自动控制器、执行器，分，分别代替了人的眼、脑、手三个器官。别代替了人的眼、脑、手三个器官。11PPT课件控制器控制器变送器变送器执行器执行器检测检测 运算（思考）、运算（思考）、命令命令执行执行人工操作人工操作12PPT课件液位控制系统液位控制系统温度控制系统温度控制系统13PPT课件自动控制系统自动控制系统 测量元件及变送器测量元件及变送器测量出被测参数的大小并将它转化为一种特定、统一的信号输出。测量出被测参数的大小并将它转化为一种特定、统一的信号输出。自动控制器自动控制器 将设定值与测量信号进行比较，求出它们之间的偏差将设定值与测量信号进行比较，求出它们之间的偏差,然后按照然后按照预先选定的控制规律进行计算并将计算结果作为控制信号送给执行预先选定的控制规律进行计算并将计算结果作为控制信号送给执行装置装置.执行器执行器 作作用用是是接接受受控控制制器器的的控控制制信信号号，直直接接推推动动被被控控对对象象，使使被控变量发生变化被控变量发生变化执行器执行器控制器控制器变送器变送器14PPT课件15PPT课件第三节第三节 自动控制系统的表示方法自动控制系统的表示方法方块图表示方式方块图表示方式流程图表示方式流程图表示方式控制器控制器操纵变量操纵变量被控变量被控变量测量元件测量元件变送器变送器控制阀控制阀对象对象给定值给定值x偏差偏差e控制器输出控制器输出pqy测量值测量值z_干扰作用干扰作用f16PPT课件方框、信号线、比较点、引出点方框、信号线、比较点、引出点方框、信号线、比较点、引出点方框、信号线、比较点、引出点组成组成组成组成 控制系统或系统中每个环节的功能和信号流控制系统或系统中每个环节的功能和信号流控制系统或系统中每个环节的功能和信号流控制系统或系统中每个环节的功能和信号流向的图解表示向的图解表示向的图解表示向的图解表示.带有输入输出信号的方框带有输入输出信号的方框 比较点比较点 分支点分支点 方块图表示方式方块图表示方式17PPT课件 被控对象被控对象 自自动动控控制制系系统统中中，工工艺艺参参数数需需要要控控制制的的生生产产过过程程、设设备备或机器等。或机器等。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。被控对象内要求保持设定值的工艺参数。控制器操纵变量被控变量测量元件变送器控制阀对象给定值x偏差e控制器输出pqy测量值z_干扰作用f18PPT课件 操纵变量操纵变量 受受控控制制器器操操纵纵的的，用用以以克克服服干干扰扰的的影影响响，使使被被控控变变量保持设定值的物料量或能量。量保持设定值的物料量或能量。干扰量干扰量 除除操操纵纵变变量量以以外外，作作用用于于被被控控对对象象并并引引起起被被控控变变量量变变化的因数。化的因数。控制器操纵变量被控变量测量元件变送器控制阀对象给定值x偏差e控制器输出pqy测量值z_干扰作用f19PPT课件 给定值给定值 被控变量的设定值。被控变量的设定值。偏差偏差 被控变量的给定值与实际值之差。被控变量的给定值与实际值之差。控制器控制器操纵变量操纵变量被控变量被控变量测量元件测量元件变送器变送器控制阀控制阀对象对象给定值给定值x偏差偏差e控制器输出控制器输出pqy测量值测量值z_干扰作用干扰作用f20PPT课件输入信号输入信号由外部加到系统中的变量，它不受系统中其他变量的影响和控制由外部加到系统中的变量，它不受系统中其他变量的影响和控制。输出信号输出信号 由系统或元件产生的变量，其中最受关注的输出信号又称为被控变由系统或元件产生的变量，其中最受关注的输出信号又称为被控变量量。控制器控制器操纵变量操纵变量被控变量被控变量测量元件测量元件变送器变送器控制阀控制阀对象对象给定值给定值x偏差偏差e控制器输出控制器输出pqy测量值测量值z_干扰作用干扰作用f21PPT课件输入信号的响应输入信号的响应 由由某某一一个个输输入入信信号号产产生生的的输输出出信信号号又又称称为为该该输输入入信信号的响应。号的响应。反馈信号反馈信号 是是被被控控变变量量经经传传感感器器等等元元件件变变换换并并返返回回到到输输入入端端的的信信号，一般与被控变量成正比。号，一般与被控变量成正比。22PPT课件绘制方框图注意事项绘制方框图注意事项 方框图中每一个方框都代表一个具体的装置。方框图中每一个方框都代表一个具体的装置。方框图中每一个方框都代表一个具体的装置。方框图中每一个方框都代表一个具体的装置。方框之间的连接线，只是代表方框之间的信号联方框之间的连接线，只是代表方框之间的信号联方框之间的连接线，只是代表方框之间的信号联方框之间的连接线，只是代表方框之间的信号联系，并不代表物料联系。系，并不代表物料联系。系，并不代表物料联系。系，并不代表物料联系。箭头也只是代表信号作用的方向，与工艺流程图箭头也只是代表信号作用的方向，与工艺流程图箭头也只是代表信号作用的方向，与工艺流程图箭头也只是代表信号作用的方向，与工艺流程图上的物料线是不同的。上的物料线是不同的。上的物料线是不同的。上的物料线是不同的。各个组成部分在信号传递关系上都形成一个闭合各个组成部分在信号传递关系上都形成一个闭合各个组成部分在信号传递关系上都形成一个闭合各个组成部分在信号传递关系上都形成一个闭合环路。环路。环路。环路。23PPT课件指出此控制系统中被控对象、被控变量和操纵变量。指出此控制系统中被控对象、被控变量和操纵变量。试画出此自动控制系统的方框图。试画出此自动控制系统的方框图。24PPT课件控制器控制器操纵变量操纵变量被控变量被控变量温度测量温度测量变送器变送器控制阀控制阀加热器加热器给定值给定值x偏差偏差e控制器输出控制器输出pqT测量值测量值z_干扰作用干扰作用f25PPT课件指出此控制系统中被控对象、被控变量和操纵变量。指出此控制系统中被控对象、被控变量和操纵变量。试画出此自动控制系统的方框图。试画出此自动控制系统的方框图。试分析出水量突然增大时，该系统如何实现水位控制？试分析出水量突然增大时，该系统如何实现水位控制？26PPT课件27PPT课件28PPT课件反馈反馈反馈反馈负反馈负反馈负反馈负反馈正反馈正反馈正反馈正反馈 通过测量变送装置将被控变量的测量值送回到系统的通过测量变送装置将被控变量的测量值送回到系统的输入端。输入端。反馈反馈 自动控制系统是具有被测变量负反馈的闭环系统。他自动控制系统是具有被测变量负反馈的闭环系统。他与自动检测、自动操作等开环系统比较，最本质的区别，与自动检测、自动操作等开环系统比较，最本质的区别，就在于自动控制系统有负反馈。就在于自动控制系统有负反馈。控制器控制器操纵变量操纵变量被控变量被控变量测量元件测量元件变送器变送器控制阀控制阀对象对象给定值给定值x偏差偏差e控制器输出控制器输出pqy测量值测量值z_干扰作用干扰作用f29PPT课件流程图表示方式流程图表示方式测量点测量点测量点测量点 包括检出元件、取样点。是包括检出元件、取样点。是由工艺设备轮廓线或工艺管线引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。到仪表圆圈的连接线的起点。包括测量点、连接线、仪表包括测量点、连接线、仪表的图形符号和字母代号。的图形符号和字母代号。30PPT课件 通通用用的的仪仪表表信信号号线线和和能能源源线线的的符符号号是是细细实实线线。连连接接线线表表示示相相连连及及交交叉叉时时，可可采采用用图图（a a）（b b）形形式式。在在复复杂杂系系统统中中，当当有有必必要要表表明明信信息息流流动动方方向时，应在信号线符号上加箭头向时，应在信号线符号上加箭头,如图如图(c)(c)所示。所示。(a)(b)(c)连接线连接线31PPT课件仪表的图形符号仪表的图形符号仪表的图形符号是一个细实线圆圈，直径约仪表的图形符号是一个细实线圆圈，直径约10mm。序号序号安装位置安装位置图形符号图形符号备注备注序号序号安装位置安装位置图形符号图形符号备注备注1就地安装仪表就地安装仪表4集中仪表盘后集中仪表盘后安装仪表安装仪表嵌在管道嵌在管道中中2集中仪表盘面集中仪表盘面安装仪表安装仪表5就地仪表盘后就地仪表盘后安装仪表安装仪表3就地仪表盘面就地仪表盘面安装仪表安装仪表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32PPT课件字母代号字母代号字字母母第一位字母第一位字母后继字母后继字母字字母母第一位字母第一位字母后继字母后继字母被测变量被测变量修饰词修饰词功能功能被测变量被测变量修饰词修饰词功能功能A分析分析报警报警P压力压力C电导率电导率控制控制Q数量数量积分积分累积累积D密度密度差差R放射性放射性记录记录E电压电压S速度速度安全安全开关开关F流量流量比比T温度温度传送传送I电流电流指示指示V粘度粘度阀阀K时间时间W力力L物位物位YM水分水分Z位置位置执行机构执行机构用用来来表表示示仪仪表表的的小小圆圆圈圈的的上上半半圆圆内内，一一般般写写有有两两位位字字，第第一位字母表示被测变量，后续字母表示仪表的功能。一位字母表示被测变量，后续字母表示仪表的功能。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33PPT课件第四节第四节 自动控制系统分类自动控制系统分类 一、开环控制和闭环控制一、开环控制和闭环控制 按照控制方式和策略，系统可分为开环控制系统和按照控制方式和策略，系统可分为开环控制系统和闭环控制系统两大类。闭环控制系统两大类。开环控制系统开环控制系统闭环控制系统闭环控制系统34PPT课件控控制制器器和和控控制制对对象象间间只只有有正正向向控控制制作作用用，系系统统的的输输出出量量不不会会对对控控制器产生任何影响；制器产生任何影响；结构简单，成本低，容易控制，但控制精度低结构简单，成本低，容易控制，但控制精度低 ；一般适合于干扰不强或可预测的、控制精度要求不高的场合；一般适合于干扰不强或可预测的、控制精度要求不高的场合；如如果果系系统统的的给给定定输输入入与与被被控控量量之之间间的的关关系系固固定定，且且其其内内部部参参数数或或外外来来扰扰动动的的变变化化都都比比较较小小，或或这这些些扰扰动动因因素素可可以以事事先先确确定定并并能能给给予补偿，则采用开环控制也能取得较为满意的控制效果；予补偿，则采用开环控制也能取得较为满意的控制效果；对扰动没有抑制能力。对扰动没有抑制能力。开环控制系统开环控制系统35PPT课件 按干扰补偿的按干扰补偿的开环控制系统开环控制系统计算计算控制对象控制对象测量测量被控量被控量执行执行干扰干扰 按给定值操纵的按给定值操纵的开环控制系统开环控制系统计算计算控制对象控制对象给定值给定值（控制装置）（控制装置）被控量被控量执行执行干扰干扰36PPT课件(温度温度)输出量输出量(手柄位置手柄位置)输入量输入量调压器调压器加热加热电阻丝电阻丝电炉电炉恒温箱恒温箱受控对象受控对象扰动量扰动量控制装置控制装置扰动扰动输出量输出量输入量输入量控制装置控制装置受控对象受控对象开环控制系统的方框图开环控制系统的方框图 37PPT课件系统输出量对控制作用有直接影响系统输出量对控制作用有直接影响 ；实现了按偏差控制；实现了按偏差控制；也称为反馈控制；也称为反馈控制；闭闭环环控控制制系系统统由由前前向向通通道道（控控制制器器和和控控制制对对象象）和和反反馈馈通通道道（反反馈馈装装置置）构成；构成；反馈控制：正反馈和负反馈；反馈控制：正反馈和负反馈；具具有有正正反反馈馈形形式式的的系系统统一一般般不不能能改改进进系系统统性性能能，而而且且容容易易使使系系统统性性能能变变坏坏 ；通常而言，反馈控制就是指负反馈控制。通常而言，反馈控制就是指负反馈控制。闭环系统必须考虑稳定性问题闭环系统必须考虑稳定性问题闭环控制系统闭环控制系统38PPT课件按偏差调节的闭环按偏差调节的闭环控制系统控制系统比较、计算控制对象测量被控量执行干扰给定值39PPT课件与与开开环环控控制制系系统统相相比比，闭闭环环控控制制系系统统的的最最大大特特点点是是检检测测偏偏差差、纠纠正正偏偏差差 ；从系统结构上看，闭环系统具有反向通道；从系统结构上看，闭环系统具有反向通道；从功能上看，闭环系统具有如下特点：从功能上看，闭环系统具有如下特点：v由由于于增增加加了了反反馈馈通通道道，系系统统的的控控制制精精度度得得到到了了提提高高，若若采采用用开开环环控控制制，要要达达到到同同样样的的精精度度，则则需需要要高高精精度度的的控控制制器器，从从而而大大大大增增加了成本；加了成本；v由由于于存存在在系系统统的的反反馈馈，可可以以较较好好地地抑抑制制系系统统各各环环节节中中可可能能存存在在的的扰动和由于器件的老化而引起的结构和参数的不确定性；扰动和由于器件的老化而引起的结构和参数的不确定性；v反馈环节的存在可以较好地改善系统的动态性能。反馈环节的存在可以较好地改善系统的动态性能。闭环系统与开环系统闭环系统与开环系统的区别的区别40PPT课件开环控制开环控制闭环控制闭环控制结构结构简单、成本低简单、成本低复杂、成本高复杂、成本高精度精度精度低、对元器件要精度低、对元器件要求高求高精度高、对元器件要求精度高、对元器件要求低低稳定性稳定性通常不考虑通常不考虑必须考虑必须考虑41PPT课件二二、定定值值控控制制系系统统、自自动动控控制制系系统统和和程程序序控制系统控制系统按按照照输输入入信信号号分分类类，自自动动控控制制系系统统可可分分为为定定值值控控制系统、随动控制系统和程序控制系统。制系统、随动控制系统和程序控制系统。v输输入入信信号号是是恒恒值值，要要求求被被控控变变量量保保持持相相对对应应的的数值不变数值不变v室温控制系统、直流电机转速控制系统室温控制系统、直流电机转速控制系统定值控制系统定值控制系统42PPT课件输入信号是变化规律未知的任意时间函数输入信号是变化规律未知的任意时间函数；系系统统的的任任务务是是使使被被控控变变量量按按照照同同样样规规律律变变化化并并与与输入信号的误差保持在规定的范围内；输入信号的误差保持在规定的范围内；导导弹弹发发射射架架控控制制系系统统、火火炮炮随随动动系系统统、雷雷达达天天线线控制系统控制系统；随动控制系统随动控制系统43PPT课件输输入入信信号号是是按按已已知知的的规规律律（事事先先规规定定的的程程序序）变变化；化；要要求求被被控控变变量量也也按按相相应应的的规规律律随随输输入入信信号号变变化化，误差不超过规定值；误差不超过规定值；热热处处理理炉炉的的温温控控系系统统、机机床床的的数数码码加加工工系系统统和和仿仿形控制系统。形控制系统。程序控制系统程序控制系统44PPT课件三、连续控制系统和离散控制系统三、连续控制系统和离散控制系统连续控制系统连续控制系统控制系统中各部分的信号都是时间的连续函数。控制系统中各部分的信号都是时间的连续函数。离散控制系统离散控制系统 在控制系统各部分的信号中只要有一个是时间在控制系统各部分的信号中只要有一个是时间的离散信号。的离散信号。离散模型是计算机控制的最主要模型离散模型是计算机控制的最主要模型45PPT课件第五节第五节 自动控制系统的过渡过程及性能自动控制系统的过渡过程及性能指标指标一、控制系统的静态和动态一、控制系统的静态和动态静态：静态：被控变量不随时间而变化的平衡状态称为系统的静态。被控变量不随时间而变化的平衡状态称为系统的静态。动态：动态：被控变量随时间变化的不平衡状态称为系统的动态。被控变量随时间变化的不平衡状态称为系统的动态。被控对象46PPT课件47PPT课件。研究自动控制系统的重点是研究系统的动态。研究自动控制系统的重点是研究系统的动态。平衡（静态）是暂时的、相对的、有条件的，平衡（静态）是暂时的、相对的、有条件的，不平衡（动态）才是普遍的、绝对的、无条件的不平衡（动态）才是普遍的、绝对的、无条件的被控对象48PPT课件二、控制系统的过渡过程二、控制系统的过渡过程自自动动控控制制系系统统的的过过渡渡过过程程是是控控制制作作用用不不断断克克服服干干扰扰作作用用影影响响的的过过程程。系系统统从从一一个个平平衡衡状状态态到到另另一一个个平平衡衡状状态态的的过过度度过过程程中中，被被控控变变量量随随时时间间变变化化的的规规律律首首先先取取决决于于干干扰扰作作用用的的形式。形式。一一般般的的阶阶跃跃信信号号：突突然然、危危险险、对对被被控控参参数数影影响响很很大大。其它形式的干扰可用多个阶跃信号代替其它形式的干扰可用多个阶跃信号代替 被控对象被控对象49PPT课件被控对象 系系统统在在过过渡渡过过程程中中，被被控控变变量量是是随随时时间间变变化化的的。了了解解过过渡渡过过程程中中被被控控变变量量的的变变化化规规律律对对于于研研究究自自动动控控制制系系统统是是十十分分重重要要的的。被被控控变变量量随随时时间间的的变变化化规规律律首首先先取取决决于于作作用用于于系系统统的干扰形式。的干扰形式。50PPT课件常见典型信号常见典型信号 阶跃信号、斜坡信号、脉冲信号、加速度信号和正弦信号等阶跃信号、斜坡信号、脉冲信号、加速度信号和正弦信号等。阶跃信号阶跃信号A0t0t0数学表达式为数学表达式为：当当A=1A=1时称为单位阶跃信号。时称为单位阶跃信号。特特 点点易产生易产生对系统输出影响大对系统输出影响大便于分析和计算便于分析和计算51PPT课件斜坡信号斜坡信号52PPT课件加速度信号加速度信号53PPT课件脉冲信号脉冲信号54PPT课件55PPT课件自动控制系统在阶跃干扰作用下的过渡过程有自动控制系统在阶跃干扰作用下的过渡过程有非周非周期衰减过程期衰减过程、衰减振荡过程衰减振荡过程、等副振荡过程等副振荡过程、发散振发散振荡过程荡过程等四种。等四种。56PPT课件三、控制系统的品质指标三、控制系统的品质指标 自自动动控控制制系系统统的的过过渡渡过过程程是是控控制制系系统统品品质质的的重重要要依依据据，我我们们假假设设在在阶阶跃跃干干扰扰作作用用下下，取取自自动动控控制制系系统统的衰减振荡过程的形式来讨论控制系统的品质指标。的衰减振荡过程的形式来讨论控制系统的品质指标。57PPT课件1、最大偏差和超调量、最大偏差和超调量2、衰减比、衰减比3、余差、余差4、过渡时间、过渡时间5、振荡周期或频率、振荡周期或频率58PPT课件四、影响过渡过程品质的主要因素四、影响过渡过程品质的主要因素自动调节系统由两大部分组成自动调节系统由两大部分组成:1.工艺过程部分：只与自动控制相关的工工艺过程部分：只与自动控制相关的工艺部分。艺部分。2.自动化装置部分：实现自动控制必备的自动化装置部分：实现自动控制必备的自动化设备。自动化设备。对对一一个个自自动动控控制制系系统统来来说说，过过度度过过程程品品质质的的好好坏坏，很很大大程程度度上上决决定定于于对对象象的的性性质质。自自动动控控制制装装置应按对象的性质合理的选配控制系统。置应按对象的性质合理的选配控制系统。59PPT课件60PPT课件61PPT课件62PPT课件63PPT课件64PPT课件65PPT课件66PPT课件