化工自动化及仪表_第一章_自动控制系统基本概念

92,化工自动化及仪表,第一章 自动控制系统基本概念,100第一章,授课教师,：,和萌林,101章节结构,第一章 自动控制系统基本概念,第一节 化工自动化的主要内容,第二节 自动控制系统的基本组成及方块图,第三节 自动控制系统的分类,第四节 自控系统的过渡过程和品质指标,一、控制系统的静态与动态,二、控制系统的过渡过程,三、控制系统的品质指标,四、影响控制系统过渡过程品质的主要因素,第五节 工艺管道及控制流程图,一、图形符号,二、字母代号,三、仪表位号,第一章 基本概念,第二章 对象数学模型,第三章 仪表与传感器,第四章 显示仪表,第五章 自动控制仪表,第六章 执行器,第七章 简单控制系统,第八章 复杂控制系统,第九章 新型控制系统,第十章 计算机控制系统,第,11,章 典型控制方案,教学基本要求：,掌握自动控制系统的组成，了解各组成部分的作用及相互影响关系；,理解自动控制系统中常用的各种术语，掌握方块图的意义及画法；,熟悉管道及控制流程图上常用符号的意义；,了解控制系统的几种分类,，,掌握系统的动态与静态；,掌握闭环控制系统在阶跃干扰作用下过渡过程的几种基本形式及过渡过程品质指标的含义。,教学要求,第 一 章,第一节,主要内容,第二节,系统组成,及方块图,第三节系统分类,第四节过渡过程,和品质指标,1,.,静态与动态,2,.,过渡过程,3,.,品质指标,4,.,影响过渡过程,品质主要因素,第五节工艺管道及,控制流程图,1,.,图形符号,2,.,字母代号,3,.,仪表位号,第 一 章,第一节,主要内容,第二节,系统组成,及方块图,第三节 系统分类,第四节 过渡过程,和品质指标,1,.,静态与动态,2,.,过渡过程,3,.,品质指标,4,.,影响过渡过程,品质主要因素,第五节工艺管道及,控制流程图,1,.,图形符号,2,.,字母代号,3,.,仪表位号,过程自动化,在生产设备上配置一些装置，代替人工的部分直接劳动，使生产过程在不同程度上自动地进行。这种用自动化装置来管理生产过程的方式称为过程自动化。,自动检测系统,自动信号和联锁保护系统,自动操纵及自动开停车系统,自动控制系统,110第一节,第一节 化工自动化的主要内容,过程自动化,化工自动化,化工类,（化工、炼油、轻工、食品）,生产过程的自动化控制简称为“化工自动化”。,第一节 主要内容,111自动检测,自动检测系统,利用各种检测仪器仪表对主要参数,（温度、压力、流量、料位 ）,进行测量、指示或记录,，,“了解,”,生产的任务，这种系统称为自动检测系统。,1-1,化工自动化的主要内容,自动检测系统,自动信号和联锁保护系统,自动操纵及自动开停车系统,自动控制系统,过程自动化,图中热交换器是利用蒸汽来加热冷介质的，冷介质经加热后的温度是否达到要求，可用测温元件配上平衡电桥来测量、指示和记录；冷介质的流量可以用孔板流量计来检测，蒸汽压力可用压力表来指示，这就是一些常用的、简单的自动检测系统。,由此可见，自动检测仪表可包括包括压力、温度、流量、液位等的简单测量仪表或它们的传感器、变送器、显示表等。,温度计 温度表 液位计,浮子流量计,弹簧管压力表 质量流量计,自动检测系统实际上是代替了操作人员对工艺参数的观察与记录，起到人的眼睛的作用。,自动检测系统的本质（特点）:,利用各种检测仪器仪表对主要工艺参数进行检测、指示或记录，达到“了解” 生产任务的目的。,112联锁保护,在生产过程中，有时由于偶然因素的影响，导致工艺参数超出允许范围而出现不正常情况，有可能引起事故。为此常对一些关键参数设置,自动信号和联锁保护装置,，当工艺参数超过允许范,自动检测系统,自动信号和联锁保护系统,自动操纵及自动开停车系统,自动控制系统,过程自动化,围，在事故发生以前，信号系统会自动地发出声光信号，告诫操作人员及时采取措施。如工况已到达危险状态，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。,自动信号和联锁保护系统,是生产过程中的一种安全装置。,1-1,化工自动化的主要内容,113自动操纵,自动检测系统,自动信号和联锁保护系统,自动操纵及自动开停车系统,自动控制系统,过程自动化,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，这种系统称为,自动操纵系统,。,例如：合成氨造气车间的煤气发生炉 自动加料系统,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，这种系统称为,自动开停车系统。,1-1,化工自动化的主要内容,114自动控制,自动检测系统,自动信号和联锁保护系统,自动操纵及自动开停车系统,自动控制系统,过程自动化,生产过程中各种工艺条件不可能是一成不变的。特别是化工生产，大多数是连续性生产，设备之间相互关联，其中一台设备的工艺条件发生变化时，会引起其他设备的某些参数波动，偏离,正常的工艺条件，因此需要设置一些自动控制装置，对生产中一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值范围内，为此目的而设置的系统就是,自动控制系统,。,1-1,化工自动化的主要内容,114自动控制,a,自动检测系统,自动信号和联锁保护系统,自动操纵及自动开停车系统,自动控制系统,过程自动化,温度传感/变送器,控制器,液位传感/变送器,执行器,料位变送器,压力变送器,流量变送器,1-1,化工自动化的主要内容,11,e,化工生产的特点：,（1）连续进行物理或化学反应,（2）密闭空间，高压,（3）高温（深冷）,（4）易燃、易爆介质,（5）有毒、强腐蚀性介质,（6）类型纷繁，控制系统多种多样, ,对化工仪表、控制系统的要求：,（,1）适应生产环境,高温,、,高压,、,易燃,、,腐蚀,（2）适应生产要求,控制稳定,、,准确,、,灵敏, ,1-1,化工自动化的主要内容,11,e,第一节小结1,由以上介绍可以看出：,自动检测系统,只能完成“了解”生产过程进行情况的任务；,信号联锁保护系统,只能在工艺条件进入某种极限状态时，采取安全措施，以避免生产事故的发生；,自动操纵系统,只能按照预先规定好的步骤进行某种周期性的操纵；,只有,自动控制系统,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，保证生产维持在正常或最佳的工艺操作状态。,因此，,自动控制系统,是自动化生产中的核心部分，也是本课程了解和学习的重点。,自动检测系统,自动信号和联锁保护系统,自动操纵及自动开停车系统,自动控制系统,过程自动化,1-1,化工自动化的主要内容,120第二节,自动控制系统,是在人工控制的基础上产生和发展起来的。所以，在开始介绍自动控制的时候，先分析人工操作，并与自动控制加以比较，可以帮助我们分析和了解自动控制系统。,人工控制,自动控制,第 一 章,第一节,主要内容,第二节,系统组成,及方块图,第三节 系统分类,第四节 过渡过程,和品质指标,1,.,静态与动态,2,.,过渡过程,3,.,品质指标,4,.,影响过渡过程,品质主要因素,第五节工艺管道及,控制流程图,1,.,图形符号,2,.,字母代号,3,.,仪表位号,第二节,系统组成,及方块图,第二节 自动控制系统的基本组成及方块图,121人工控制,人工控制,自动控制,执行 (手)行动:,根据大脑发出的命令，通过手去改变阀门开度，以改变出口流量,Qo,，,从而使液位保持在所需高度上。,运算 (脑)思考、判断、决策、命令:,大脑根据眼睛看到的液位高度，加以思考并与要求的液位值进行比较，得出偏差的大小和正负，然后根据操作经验，经思考、决策后发出命令,。,检测,(眼)观察:,用眼睛观察玻璃管液位计(测量元件)中液位的高低，并通过神经系统告诉大脑。,动 手,脑 想,眼 看,1-2,自动控制系统的组成及方框图,121自动控制,检测器,(变送器),将某一物理量（如：液位、流量、压力、压差或温度等）转变成可利用信号；变送器将该信号转变成标准信号。,控制器,根据变送器信号和工艺需求，算出偏差，经过某种运算发出控制信息。,执行器,根据控制器的控制信息，改变阀门开度。,人工控制,自动控制,检测元件与变送器,自动控制器,（控制器）,执行器,（调节阀、控制阀）,自动化系统组成,自动控制系统,是在人工控制的基础上产生和发展起来的，其主要装置包括测量元件与变送器、控制器、执行器，分别代替了人的眼、脑、手三个器官的功能。,1-2,自动控制系统的组成及方框图,121系统组成,在自动控制系统的组成中，除了必须具有前述的自动化装置外，还必须具有控制装置所控制的生产设备。,在自动控制系统中，将需要控制其工艺参数的生产设备或机器叫做,被控对象,，简称,对象,。,前面举例中液体贮槽 化工生产中的各种容器、反应器、换热器、泵和压缩机 甚至一段输气管道 精馏塔、吸收塔等一个设备可能有几个控制回路,被控对象,检测元件与变送器,自动控制器,（控制器）,执行器,（调节阀、控制阀）,自动化系统组成,1-2,自动控制系统的组成及方框图,122方块图,在研究自动控制系统时，为了能清楚地表示出自动控制系统中各个组成环节之间的相互影响和信号联系，便于对系统分析研究，一般都用,方块图,来表示控制系统的组成。,1、方块图的组成,2、开环与闭环,3、正反馈与负反馈,1-2,自动控制系统的组成及方框图,1、“方块图”的组成：,这种表示方式称为自动控制系统,方块图,。,方块之间用一条带有箭头的线条表示其信号的相互作用关系，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；,122,用方块表示控制系统的每个组成部分(环节)；,线条旁的字母或文字表示环节间相互作用的变量。,对象？,测量元件、变送器？,控制器？,执行器？,给定值,x,偏差,e,控制器输出,p,操纵变量,q,被控变量,y,执行器,对 象,测量元件,变送器,控制器,测量值,z,干扰作用,f,+,1-2,自动控制系统方块图及方框图,1221对象,a,对 象,自动控制系统中，将需要控制其工艺参数的生产设备或机器（有时是生产设备或机器的一部分）叫做,被控对象,，简称,对象,。,?,换热器,给定值,x,偏差,e,控制器输出,p,操纵变量,q,被控变量,y,执行器,对 象,测量元件,变送器,控制器,测量值,z,干扰作用,f,+,换热器,1-2,自动控制系统方块图及方框图,1221,b,对象的输出,y,y,(,t,),在生产过程中需要保持恒定的变量称为,被控变量,。,出口物料温度,T,给定值,x,偏差,e,控制器输出,p,操纵变量,q,被控变量,y,执行器,对 象,测量元件,变送器,控制器,测量值,z,干扰作用,f,+,1-2,自动控制系统方块图及方框图,1221,c,对象的输入,q,q,(,t,),具体实现控制作用的变量称为,操纵变量,。,用来实现控制作用的物料称为,操纵介质,或,操纵剂,。,蒸汽流量,Q,给定值,x,偏差,e,控制器输出,p,操纵变量,q,被控变量,y,执行器,对 象,测量元件,变送器,控制器,测量值,z,干扰作用,f,+,1-2,自动控制系统方块图及方框图,1221,d,对象的输入,f,f,(,t,),引起被控变量波动的外来因素在自动控制系统中称为,干扰作用,（,扰动作用,）。,蒸汽温度,T,蒸汽压力,P,进料温度,T,进料流量,P,进料组分,给定值,x,偏差,e,控制器输出,p,操纵变量,q,被控变量,y,执行器,对 象,测量元件,变送器,控制器,测量值,z,干扰作用,f,+,1-2,自动控制系统方块图及方框图,1222测量元件,a,测量元件、变送器,将某一物理量,(如：液位、流量、压力、压差或温度等),转变成可以利用的信号的元件称为,测量元件,；进一步将该信号转变成标准信号的仪表称为,变送器,。,给定值,x,偏差,e,控制器输出,p,操纵变量,q,被控变量,y,执行器,对 象,测量元件,变送器,控制器,测量值,z,干扰作用,f,+,测温元件,变送器,1-2,自动控制系统方块图及方框图,1222,b,测量元件的输入,y,y,(,t,),出口物料温度,T,给定值,x,偏差,e,控制器输出,p,操纵变量,q,被控变量,y,执行器,对 象,测量元件,变送器,控制器,测量值,z,干扰作用,f,+,1-2,自动控制系统方块图及方框图,1222,c,测量元件的输出,z,z,(,t,),测量值,给定值,x,偏差,e,控制器输出,p,操纵变量,q,被控变量,y,执行器,对 象,测量元件,变送器,控制器,测量值,z,干扰作用,f,+,1-2,自动控制系统方块图及方框图,1223控制器,a,控 制 器,根据变送器信号和工艺需求，算出偏差，经过运算发出控制信息的仪表称为,控制器,。,给定值,x,偏差,e,控制器输出,p,操纵变量,q,被控变量,y,执行器,对 象,测量元件,变送器,控制器,测量值,z,干扰作用,f,+,1-2,自动控制系统方块图及方框图,1223,b,控制器的输入,e,e,(,t,),变送器的输出信号,z,被送入比较机构，与工艺上希望保持的被控变量的数值(给定值、设定值),x,进行比较，得到偏差信号,e,，,exz,。,设定值测量值,给定值,x,偏差,e,控制器输出,p,操纵变量,q,被控变量,y,执行器,对 象,测量元件,变送器,控制器,测量值,z,干扰作用,f,+,1-2,自动控制系统方块图及方框图,1223,c,控制器的输出,p,p,(,t,),控制器的输出信号,p,可能是各种类型的信号：,420,mA,，15V，20100kPa,等。,控制器输出信号,给定值,x,偏差,e,控制器输出,p,操纵变量,q,被控变量,y,执行器,对 象,测量元件,变送器,控制器,测量值,z,干扰作用,f,+,1-2,自动控制系统方块图及方框图,1224调节阀,a,执行器,根据控制器给出的控制信息，改变操纵变量。,?,调节阀,给定值,x,偏差,e,控制器输出,p,操纵变量,q,被控变量,y,执行器,对 象,测量元件,变送器,控制器,测量值,z,干扰作用,f,+,调节阀,1-2,自动控制系统方块图及方框图,1224,b,执行器的输入,p,p,(,t,),执行器的输入信号,p,可能是各种类型的信号：,420,mA,，15V，20100kPa,等。,控制器输出信号,给定值,x,偏差,e,控制器输出,p,操纵变量,q,被控变量,y,执行器,对 象,测量元件,变送器,控制器,测量值,z,干扰作用,f,+,1-2,自动控制系统方块图及方框图,1224,c,执行器的输出,q,q,(,t,),具体实现控制作用的变量称为,操纵变量,。,用来实现控制作用的物料称为,操纵介质,或,操纵剂,。,蒸汽流量,Q,给定值,x,偏差,e,控制器输出,p,操纵变量,q,被控变量,y,执行器,对 象,测量元件,变送器,控制器,测量值,z,干扰作用,f,+,1-2,自动控制系统方块图及方框图,1225注意,.方块图具有,通用性,，用同一种形式的方块图可以代表不同的控制系统。,.用方块表示的每个“环节”都是组成系统的一部分,实物,（具体装置）。,.方块之间带有箭头的线条,只表示信号的作用关系与方向,，不代表工艺管道、物料的流向。,.“环节”的输入会引起输出的变化，而输出不会反过来直接引起输入的变化。环节的这一特性称为“,单向性,” 。,注意/关键点,：,1-2,自动控制系统方块图及方框图,1225,a,注意/关键点：,1. 方块图的通用性；,2. 方块代表的是实物；,3. 箭头和线条仅表示信号作用；,4. 环节的单向性,。,方块图具有通用性，用同一种形式的方块图可以代表不同的控制系统。,给定值,x,偏差,e,控制器输出,p,操纵变量,q,被控变量,y,执行器,对 象,测量元件,变送器,控制器,测量值,z,干扰作用,f,+,1-2,自动控制系统方块图及方框图,1225,b,注意/关键点：,1. 方块图的通用性；,2. 方块代表的是实物；,3. 箭头和线条仅表示信号作用；,4. 环节的单向性。,用方块表示的每个“环节”都是组成系统的一部分实物（具体装置）。,给定值,x,偏差,e,控制器输出,p,操纵变量,q,被控变量,y,执行器,对 象,测量元件,变送器,控制器,测量值,z,干扰作用,f,+,1-2,自动控制系统方块图及方框图,1225,c,注意/关键点：,1. 方块图的通用性；,2. 方块代表的是实物；,3. 箭头和线条仅表示信号作用；,4. 环节的单向性。,方块间带有箭头的线条只表示信号的作用关系与方向，不代表工艺管道、物料的流向。,给定值,x,偏差,e,控制器输出,p,操纵变量,q,被控变量,y,执行器,对 象,测量元件,变送器,控制器,测量值,z,干扰作用,f,+,1-2,自动控制系统方块图及方框图,1225,d,注意/关键点,：,1. 方块图的通用性；,2. 方块代表的是实物；,3. 箭头和线条仅表示信号作用；,4. 环节的单向性。,“环节”的输入会引起输出的变化，而输出不会反过来直接引起输入的变化。环节的这一特性称为“单向性” 。,给定值,x,偏差,e,控制器输出,p,操纵变量,q,被控变量,y,执行器,对 象,测量元件,变送器,控制器,测量值,z,干扰作用,f,+,1-2,自动控制系统方块图及方框图,1226开环与闭环,A,在控制系统的方块图中，信号沿箭头方向前进，通过若干环节后，最终又返回到原来的起始点，称为,闭环系统,。,所有的自动控制系统都是闭环系统。,2、开环与闭环,给定值,x,偏差,e,控制器输出,p,操纵变量,q,被控变量,y,执行器,对 象,测量元件,变送器,控制器,测量值,z,干扰作用,f,+,1-2,自动控制系统方块图及方框图,1226,B,操纵指令 操纵作用 工艺参数,自动操纵装置,对 象,在控制系统的方块图中，信号沿箭头方向前进，通过若干环节后，最终不能返回到原来的起始点，称为,开环系统,。,自动操纵系统就属于典型的,开环系统,。,1-2,自动控制系统方块图及方框图,1227反馈,A,系统或环节的输出信号直接或经过一些环节后重新返回到输入端的做法叫做,反馈,。,3、反馈,反馈信号取负值时称为,负反馈,；负反馈能够削弱原来的信号,。,反馈信号取正值时称为,正反馈,；正反馈能够使原来的信号进一步增强。,反馈,正反馈,负反馈,给定值,x,偏差,e,控制器输出,p,操纵变量,q,被控变量,y,执行器,对 象,测量元件,变送器,控制器,测量值,z,干扰作用,f,+,1-2,自动控制系统方块图及方框图,闭环控制系统,中就利用了信息反馈作用：,当 被控变量,y,由于某种原因的影响而偏离 给定值,x,（,例如：,升高,)时，只有 测量值,z,取负值才能够使 偏差信号,exz,降低，此时 控制器 经过相应运算将发出信号使 调节阀 的开度发生变化，从而使被 控变量,y,下降，回到 给定值,x,。,此时 测量值,z,若不取负值，则会起到“火上浇油”的作用。,因此，所有的,自动控制系统,都采用 闭环负反馈系统。,1227,B,给定值,x,偏差,e,控制器输出,p,操纵变量,q,被控变量,y,执行器,对 象,测量元件,变送器,控制器,测量值,z,干扰作用,f,+,1-2,自动控制系统方块图及方框图,1227,c,自动控制系统,与,自动操纵装置,二者本质上的区别在于：,自动控制系统是具有负反馈的闭环系统,；,自动操纵装置是开环系统,。,自动操纵装置的缺点：,在开环系统中，被控变量不反馈到输入端，自动操纵装置只能按照预先规定好的程序周而复始地运转。即使工况发生了变化，自动操纵装置也不能自动地根据实际工况来改变自己的操作。自动操纵装置不能随时“了解”被控对象的情况并依此来改变自己的操作状态，这是开环系统的缺点。,自动控制系统的优点：,由于自动控制系统是具有负反馈的闭环系统，它可以随时了解被控对象的情况，有针对性地根据被控变量的变化情况而改变控制作用的大小和方向，从而使系统的工作状态始终等于或接近于所希望的状态，这是闭环系统的优点。,1-2,自动控制系统方块图及方框图,给定值,x,解：,偏差,e,控制器输出,p,操纵变量,p,被控变量,y,调节阀,反应器,温度测量元件,变送器,控制器,测量值,z,干扰作用,f,+,被控对象为反应器;,图示为反应器温度控制系统示意图。,A、B,两种物料进入反应器反应，通过改变冷却水流量来控制反应器内的温度恒定。试画出该温度控制系统的,方块图,，并指出该控制系统中的,被控对象,、,被控变量,、,操纵变量,及,可能的扰动,各是什么?,被控变量为反应器内温度;,操纵变量为夹套冷却水流量;,主要干扰有：进入反应器的,A、B,物料流量、温度、浓度；,夹套入口冷却水温度、压力；,搅拌器转速等。,例：,解：,给定值,x,偏差,e,控制器输出,p,操纵变量,p,被控变量,y,调节阀,锅炉汽包,液位测量元件,变送器,控制器,测量值,z,干扰作用,f,+,被控对象为锅炉汽包;,被控变量为锅炉汽包液位;,操纵变量为锅炉给水流量;,主要干扰有：锅炉给水温度、压力；,蒸汽压力、流量；,炉膛温度等。,根据锅炉汽包水位控制示意图：,（1）画出控制系统的,方块图,；,（2）指出系统中的,被控对象,、,被控变量,、,操纵变量,及,可能的扰动,分别是什么?,（3）当蒸汽负荷突然增加时，根据方块图,分析自控系统是如何实现自动控制的,。,130第三节,自动控制系统有多种分类方法：,一、按被控变量分类,二、按控制规律分类,三、按给定值变化规律分类,最常用,第 一 章,第一节,主要内容,第二节,系统组成,及方块图,第三节 系统分类,第四节 过渡过程,和品质指标,1,.,静态与动态,2,.,过渡过程,3,.,品质指标,4,.,影响过渡过程,品质主要因素,第五节工艺管道及,控制流程图,1,.,图形符号,2,.,字母代号,3,.,仪表位号,第三节 系统分类,第三节 自动控制系统的分类,131分类,一、按被控变量分类,二、按控制规律分类,三、按给定值变化规律分类,被控变量,温度控制系统,T,压力控制系统,P,液位控制系统,L,流量控制系统,F,1-3,自动控制系统的分类,132分类,控制规律,比例控制,P,比例积分控制,PI,比例微分控制,PD,比例微分积分控制,PID,一、按被控变量分类,二、按控制规律分类,三、按给定值变化规律分类,1-3,自动控制系统的分类,133分类,给定值变化,定值控制系统,给定值,x,恒定不变的系统称为定值控制系统。,随动控制系统（自动跟踪控制）,给定值,x,随机变化的系统称为随动控制系统，又称自动跟踪控制。,程序控制系统（顺序控制系统）,给定值,x,按照已知规律(时间函数)变化的系统称为程序控制系统，又称顺序控制系统。,一、按被控变量分类,二、按控制规律分类,三、按给定值变化规律分类,定值控制系统,随动控制系统(自动跟踪控制),程序控制系统(顺序控制系统),一、按被控变量分类,二、按控制规律分类,三、按给定值变化规律分类,1-3,自动控制系统的分类,133,a,定值控制系统,给定值,x,恒定不变的系统称为定值控制系统。,所谓“定值”就是给定值恒定的简称。,在实际生产过程中，通常控制系统的作用是使被控制的工艺参数保持在一个生产指标上不变，或者说要求,被控变量,y,恒定不变，即,给定值,x,不变，这时就需要采用定值控制系统。,前面讨论的,水槽对象液位控制系统,、,换热器温度控制系统,都是定值控制系统的例子，其目的就是使水槽内的液位、换热器的出口物料温度保持恒定不变。,化工生产中要求的大都是这种类型的控制系统，因此后面所讨论的，如果未加特别说明，都是,指定值控制系统,。,一、按被控变量分类,二、按控制规律分类,三、按给定值变化规律分类,定值控制系统,随动控制系统(自动跟踪控制),程序控制系统(顺序控制系统),1-3,自动控制系统的分类,133,b,随动控制系统（自动跟踪控制）,给定值,x,随机变化的系统称为,随动控制系统,，又称,自动跟踪控制系统,。这类系统的特点是给定值不断地变化，而且这种变化不是已知的、预先规定好的，而是随机的。随动系统的目的就是使所控制的参数准确而快速地跟随给定值的变化而变化。,随动控制系统的典型应用有：航空导航雷达系统，电视台天线接收系统 ,在化工生产中，有些,比值控制系统,就属于随动控制系统。例如要求,B,物料的流量与,A,物料的流量保持一定的比值，当,A,物料的流量变化时，要求,B,物料的流量能快速而准确地随之变化。由于,A,物料的流量变化在生产中可能是随机的，所以,B,物料的流量给定值也是随机的，故属于随动控制系统。,一、按被控变量分类,二、按控制规律分类,三、按给定值变化规律分类,定值控制系统,随动控制系统(自动跟踪控制),程序控制系统(顺序控制系统),1-3,自动控制系统的分类,133,c,程序控制系统（顺序控制系统）,给定值,x,按照已知规律(时间函数)变化的系统称为程序控制系统，又称顺序控制系统。,这类系统的给定值,x,虽然也是变化的，但与随动控制系统有所不同，它是一个已知的时间函数。,这类系统在间歇式生产过程中应用比较普遍，如：合成纤维锦纶生产中的熟化罐温度控制，金属热处理的温度控制近年来，程序控制系统应用日益广泛，一些定型的或非定型的程控装置越来越多地被应用到生产中，微型计算机的广泛应用也为程序控制提供了良好的技术工具与有利条件。,由于专业和课时限制，这类控制系统在本课程中不作介绍。,一、按被控变量分类,二、按控制规律分类,三、按给定值变化规律分类,定值控制系统,随动控制系统(自动跟踪控制),程序控制系统(顺序控制系统),1-3,自动控制系统的分类,140第四节,第 一 章,第一节,主要内容,第二节,系统组成,及方块图,第三节系统分类,第四节过渡过程,和品质指标,1,.,静态与动态,2,.,过渡过程,3,.,品质指标,4,.,影响过渡过程,品质主要因素,第五节工艺管道及,控制流程图,1,.,图形符号,2,.,字母代号,3,.,仪表位号,第四节 过渡过程,和品质指标,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,二、控制系统的过渡过程,三、控制系统的品质指标,四、影响控制系统过渡过程品质指标的主要因素,141静态与动态,a,一、控制系统的静态与动态,在研究自动控制系统过程中：,将,被控变量不随时间而变化,的平衡状态称为系统的,静态,。,将,被控变量随时间而变化,的不平衡状态称为系统的,动态,。,设定值的变化，称为,设定作用,或,控制作用,；,扰动的变化，称为,干扰作用,f,。,自动控制系统的输入：,当输入（给定值和干扰）不变时，整个系统能够建立“平衡”，系统的各个环节暂时不动作，处于相对静止状态，这种状态称为自控系统的“,静态,” 。,给定值,x,偏差,e,控制器输出,p,操纵变量,q,被控变量,y,执行器,对 象,测量元件,变送器,控制器,测量值,z,干扰作用,f,+,1-4,自动控制系统的过渡过程和品质指标,141,b,被控变量,不随时间而变化的平衡状态称为系统的,静态,。,当自动控制系统的输入（给定值,x,和干扰作用,f,）,和输出,y,均恒定不变时，整个系统就处于一种相对稳定的平衡状态，系统的各个环节（变送器、控制器、执行器）都不改变其原有状态，其输出信号都处于相对静止状态，这就是所谓的“,静态,”。,这里所指的“,静态,”与习惯上所讲的静止是不同的：,习惯上所说的,静止,是指静止不动(即相对静止)；,自动化领域中的“,静态,”是指系统中各信号的变化率为零，即信号保持不变，而不是指物料不流动或能量不交换。因为在自动控制系统的“静态”下，生产仍在进行，物料和能量有进有出，只是平稳进行、没有变化。,1-4,自动控制系统的过渡过程和品质指标,141,c,假如一个系统原先处于“,静态,”，由于干扰的作用而打破了这种“静态”时，被控变量就会发生变化，从而使控制器、执行器等自动化装置改变原来平衡时所处的状态，产生控制作用来克服干扰的影响，并力图使系统恢复平衡。,从干扰发生开始，经过调节控制,，,直到系统重新建立平衡，这段时间中整个系统的各个环节和信号都处于变动状态，故称之为“,动态,”。,在研究自动控制过程中，了解系统的静态是必要的，但是,了解系统的动态更为重要,：因为在生产过程中，干扰是客观存在的、不可避免的，干扰总会破坏系统的平衡状态、导致被控变量发生变化。系统中时刻都有干扰作用，因此就需要通过自动控制系统不断地施加控制作用，从而消除干扰作用的影响，使被控变量保持在工艺生产所要求的指标上。显然，自动控制系统在正常工作时，总是处于一波未平，一波又起，波动不止，往复不息的动态过程中。由此可见，研究自动控制系统的重点应该是研究系统的动态。,被控变量,随时间变化的平衡状态称为系统的,动态,。,1-4,自动控制系统的过渡过程和品质指标,142过渡过程,a,二、控制系统的过渡过程,在上图所示的简单控制系统方块图中，假定系统原先处于平衡状态 “,静态,”，系统中的各个环节都不改变其原有状态，其输出信号都处于相对静止状态；,动态,静态,静态,过渡过程,在某一时刻,t,0,，,有一干扰因素作用于对象，引起输出,y,发生变化，系统进入“,动态,” ;,由于自动控制系统的负反馈作用，经过一段时间后，系统会重新恢复平衡，达到一个新的平衡状态 “,静态,”。,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,过渡过程,。,给定值,x,偏差,e,控制器输出,p,操纵变量,q,被控变量,y,执行器,对 象,测量元件,变送器,控制器,测量值,z,干扰作用,f,+,1-4,自动控制系统的过渡过程和品质指标,142,b,在过渡过程中，被控变量是随时间变化的。了解过渡过程中被控变量的变化规律，对于研究自动控制系统十分重要。,显然，被控变量随时间的变化规律首先取决于作用于系统的干扰形式。在实际生产中，干扰是没有固定形式的，多半属于随机性质。在分析和设计控制系统时，为了安全和方便，常选择一些定型的干扰形式，其中常用的是阶跃干扰。,所谓,阶跃干扰,，就是在某一瞬间,t,0,，,干扰(即输入量)突然地、阶跃式的加到系统中，并继续保持在这个幅度。,阶跃干扰,t,0,时间,t,输入量,采取阶跃干扰的形式来研究自动控制系统的原因：,（1）这种形式的干扰比较突然，比较危险，它对被控变量的影响也最大。如果一个控制系统能够有效地克服这种类型的干扰，那么对于其他比较缓和的干扰也一定能很好地克服；,（2）这种干扰的形式简单，易于实现，便于分析、实验和计算；,（3）其他形式的干扰可以看作是多个阶跃干扰的叠加。,1-4,自动控制系统的过渡过程和品质指标,142,d,自动控制系统在阶跃干扰作用下过渡过程的基本形式有：,（1）非周期衰减过程 （2）单调发散（非周期发散）,（3）衰减振荡过程 （4）等幅振荡过程,（5）发散振荡过程,t,0,时间,t,输入量,t,0,时间,t,被控变量,阶跃干扰出现后，被控变量在给定值的某一侧作缓慢变化，没有来回波动，最后稳定在某一数值上，这种过渡过程形式称为,非周期衰减过程,。, 这是一种稳定过渡的过程。,1-4,自动控制系统的过渡过程和品质指标,142,e,t,0,时间,t,输入量,t,0,时间,t,被控变量,阶跃干扰出现后，被控变量在给定值的某一侧作缓慢变化，没有来回波动，逐渐远离给定值，这种过渡过程形式称为,单调发散过程,或,非周期发散过程,。, 这是一种不稳定的过渡过程，应尽量避免。,自动控制系统在阶跃干扰作用下过渡过程的基本形式有：,（1）非周期衰减过程 （2）单调发散（非周期发散）,（3）衰减振荡过程 （4）等幅振荡过程,（5）发散振荡过程,1-4,自动控制系统的过渡过程和品质指标,142,f,t,0,时间,t,输入量,t,0,时间,t,被控变量,阶跃干扰出现后，被控变量上下波动，但幅度逐渐减少，最后稳定在某一数值上，这种过渡过程形式为衰减振荡过程。, 这是一种稳定过程，是自动控制的最佳状态。,自动控制系统在阶跃干扰作用下过渡过程的基本形式有：,（1）非周期衰减过程 （2）单调发散（非周期发散）,（3）衰减振荡过程 （4）等幅振荡过程,（5）发散振荡过程,1-4,自动控制系统的过渡过程和品质指标,142,g,t,0,时间,t,输入量,t,0,时间,t,被控变量,阶跃干扰出现后，被控变量在给定值附近来回波动，且波动幅度基本保持不变，这种情况称为,等幅振荡过程,。, 这是一种不稳定过程，但在某现情况下可以使用。,自动控制系统在阶跃干扰作用下过渡过程的基本形式有：,（1）非周期衰减过程 （2）单调发散（非周期发散）,（3）衰减振荡过程 （4）等幅振荡过程,（5）发散振荡过程,1-4,自动控制系统的过渡过程和品质指标,142,h,t,0,时间,t,输入量,t,0,时间,t,被控变量,阶跃干扰出现后，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,。, 这是一种不稳定的过渡过程，应当避免。,自动控制系统在阶跃干扰作用下过渡过程的基本形式有：,（1）非周期衰减过程 （2）单调发散（非周期发散）,（3）衰减振荡过程 （4）等幅振荡过程,（5）发散振荡过程,1-4,自动控制系统的过渡过程和品质指标,142,i,都是发散的过渡过程，称为不稳定过渡过程，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，这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。,过渡过程分类,发散的过渡过程，又称为不稳定过渡过程,衰减的过渡过程，又称为稳定过渡过程,等幅的过渡过程，也认为是不稳定的过渡过程,t,0,时间,t,被控变量,被控变量,t,0,时间,t,单调发散（非周期发散）过程,和,发散振荡过程,1-4,自动控制系统的过渡过程和品质指标,142,j,都是衰减的过渡过程，称为稳定过渡过程，其被控变量在控制过程中，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。,非周期衰减过程,和,衰减振荡过程,对于,非周期衰减过程,，由于过渡过程变化较慢，被控变量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量有波动时才采用。,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得到这种过渡形式。,t,0,时间,t,被控变量,t,0,时间,t,被控变量,过渡过程分类,发散的过渡过程，又称为不稳定过渡过程,衰减的过渡过程，又称为稳定过渡过程,等幅的过渡过程，也认为是不稳定的过渡过程,1-4,自动控制系统的过渡过程和品质指标,142,k,等幅振荡过程介于不稳定与稳定之间，一般也认为是不稳定过渡过程，实际生产中一般不采用，只有在某些控制质量要求不高的场合，如果允许被控变量在工艺许可的范围内振荡时 (例如位式控制)，这种过渡过程的形式才可以采用。,被控变量,t,0,时间,t,过渡过程分类,发散的过渡过程，又称为不稳定过渡过程,衰减的过渡过程，又称为稳定过渡过程,等幅的过渡过程，也认为是不稳定的过渡过程,1-4,自动控制系统的过渡过程和品质指标,143品质指标,a,三、控制系统的品质指标,控制系统的过渡过程是衡量控制系统品质的依据。由于在多数情况下，由于自动控制系统的过渡过程基本上都是衰减振荡过程，所以以衰减振荡的过渡过程为例来分析自动控制系统的品质指标。,假定系统在阶跃输入作用下被控变量的变化如图所示，属于衰减振荡过程。图中横坐标为时间,t,，,纵坐标为被控变量,y,。,tt,0,之前，系统稳定，且被控变量等于给定值；,tt,0,时刻，在外加阶跃输入作用下，系统的被控变量开始按衰减振荡的规律变化；,经过相当长时间后，,t,，,被控变量,y,逐渐稳定在一定值。,t,0,时间,t,被控变量,y,为了直观起见，将被控变量曲线图进行简化：,时间,t,0,y,y,1-4,自动控制系统的过渡过程和品质指标,143,b,控制系统的品质指标:,（1）,过渡时间,T,S,（2）,余差,C,（3）,最大偏差,A（,或超调量,B）,（4）,衰减比,n,（5）,振荡周期,T（,或振荡频率,）,（7）,振荡次数,（8）,上升时间,t,0,时间,t,被控变量,y,时间,t,1-4,自动控制系统的过渡过程和品质指标,143过渡时间,b,1. 过渡时间,T,S,从干扰作用发生的时刻起，直到系统重新建立新的平衡时，过渡过程所经历的时间叫,过渡时间,，用,T,S,表示。,严格地讲，要完全达到新的平衡状态需要无限长的时间。实际上，由于仪表灵敏度的限制，当被控变量接近稳态值时，指示值就基本上不再改变了。一般是在稳态值的上下规定一个范围( 5 或2) ，当被控变量进入这一范围不再越出时，就认为被控变量已经达到新的稳态值，过渡过程已经结束。,时间,t,被控变量,y,2%,T,S,过渡时间短，表示过渡过程进行得比较迅速，这种情况下，即使干扰频繁出现，系统也能适应，系统控制质量就高；反之，过渡时间过长，第一个干扰引起的过渡过程尚未结束，第二个干扰就已经出现，这样，几个干扰的影响叠加起来，就可能使系统满足不了生产的要求。,1-4,自动控制系统的过渡过程和品质指标,143余差,c,时间,t,被控变量,y,C,2. 余差,C,当过渡过程终了时，被控变量所达到的新的稳态值与给定值之间的偏差叫做,余差,，如图中,“,C,”,所示。,或者说，,余差,就是过渡过程终了时的残余偏差。,余差,C ,新的稳态值 给定值,由此可见，余差可正可负。,给定值是生产的技术指标，所以，被控变量越接近给定值越好，即余差越小越好（但也不能一概而论。考虑到投资问题，一般储槽液位与合成塔触媒层温度控制要有所侧重、区别）。,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,；,无余差的控制过程称为,无差调节,，相应的系统称为,无差系统,。,1-4,自动控制系统的过渡过程和品质指标,143偏差,d,时间,t,被控变量,y,C,A,B,3. 最大偏差,A（,或超调量,B）,最大偏差,是指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，如下图所示的 “,A,”,值。,最大偏差表示系统瞬间偏离给定值的最大程度。 偏离越大，表明系统离规定的工艺指标就越远，这对稳定生产是不利的。因此最大偏差可以作为衡量系统质量的一个品质指标。,一般来讲，最大偏差越小越好，特别是对化工生产,有时也可以用,超调量,B,来表征被控变量偏离给定值的程度。,超调量,B,就是第一个峰值（,最大偏差,A,）,与,余差,C,之差,超调量,B =,最大偏差,A ,余差,C,对于无差调节系统，,余差,C,为零，新的稳定值等于给定值,此时,最大偏差,A,等于,超调量,B,。,1-4,自动控制系统的过渡过程和品质指标,143衰减比,e,时间,t,被控变量,y,B,B,前后相邻两个峰值,的比（即,B: B,）,是,表示衰减程度的指标,，,称为衰减比，习惯上表示为,n,:1,，,一般,n,取 410。,假如,n,只比1稍大一点，则过渡过程的衰减程度很小，接近于等幅振荡过程，这种过程振荡过于频繁，一般不采用。,如果,n,很大，则又接近于非振荡过程，过渡过程过于缓慢，通常这也是不希望的。,4. 衰减比,n,一般,n,取 410 为宜。,衰减比在4:1到10:1之间时，过渡过程开始阶段的变化速度比较快，被控变量能比较快地达到一个峰值，然后马上下降，又较快地达到一个低峰值，而且第二个峰值远远低于第一个峰值，操作人员可以判断出被控变量会很快稳定下来。,如果过渡过程接近于非振荡的衰减过程，操作人员可能在较长的时间内看到被控变量一直上升(或下降) 不止，很可能会手动调节，对系统施加人为干扰，使系统处于难于控制的状态。,1-4,自动控制系统的过渡过程和品质指标,143振荡周期,f,时间,t,被控变量,y,T,5. 振荡周期,T（,或,振荡频率,）,过渡过程同向两波峰(或波谷)之间的间隔时间叫,振荡周期,，用,T,表示，如图所示,振荡周期,T,的倒数称为振荡频率，用,表示。, 1/ T,在衰减比相同的情况下，振荡周期与过渡时间成正比，一般希望振荡周期短一些为好。,1-4,自动控制系统的过渡过程和品质指标,143振荡次数,g,时间,t,被控变量,y,2%,6. 振荡次数,过渡过程内被控变量的振荡周期数，称为,振荡次数,。,振荡次数实际上与衰减比,n,有关，数学上等于,T,S,/,T,。,当,n,4,时，过渡过程振荡二次就能够稳定下来，即所谓的“理想过渡二个波”，“二次波动即安定”。,T,S,T,1-4,自动控制系统的过渡过程和品质指标,143上升时间,h,时间,t,被控变量,y,7. 上升时间,自干扰（或变化）开始作用起，至达到第一个波峰时所需的时间，称为,上升时间,。,t,1,上升时间反映了系统的灵敏性，一般情况下以较短为宜，但应具体分析，如,n,1,时，上升时间很短，但无意义。,1-4,自动控制系统的过渡过程和品质指标,注意：,（1）这些指标间既有联系，又有矛盾，有时不可兼得,（2）对不同系统，指标各有侧重，应根据情况分清主次,（3）指标满足要求即可，不可过分偏高、偏严,14,e,小结,I,（1）,最大偏差,A,(,或超调量,B,),（2）,衰减比,n,B: B,（3）,余差,C,（4）,过渡时间,T,S,控制系统品质指标,（5）,振荡周期,T(,或振荡频率,),（6）,振荡次数(,T,S,/,T),（7）,上升时间,t,1,时间,t,被控变量,y,C,A,B,B,2%,T,TS,t,1,1-4,自动控制系统的过渡过程和品质指标,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）。,P12,例题：,最 大 偏 差,A 230200 30 ,解：,给定值220024,从第22分钟开始被控变量进入额定值的2, 未再越出,过渡时间,T,S, 22 min,振 荡 周 期,T 205 15 min,第一个峰值,B 230205 25 ,第二个峰值,B 210205 5 ,衰 减 比,n,: 1 25 : 5 5 : 1,余 差,C 205200 5 ,解：,被控对象为蒸汽加热器,;,被控变量为被加热物料出口温度;,操纵变量为蒸汽流量;,主要干扰有：蒸汽温度、压力；,被加热物料流量、组分等。,根据蒸汽加热器温度控制原理图，,画出系统方块图,，并,指出被控对象,、,被控变量,、,操纵变量,和,可能存在的干扰,分别是什么? 因生产需要，要求出口物料温度从80提高到81，当仪表给定值阶跃变化后，被控变量的变化曲线如图所示。试求该系统过渡过程的,最大偏差,、,衰减比,和,余差,（提示：该系统为随动控制系统，新的给定值为81）。,给定值,x,偏差,e,控制器输出,p,操纵变量,p,被控变量,y,调节阀,蒸汽加热器,温度测量元件,变送器,控制器,测量值,z,+,干扰作用,f,P16 22：,最 大 偏 差,A 81.581 0.5 ,余 差,C 80.7 81 0.3 ,第一个峰值,B 81.580.7 0.8 ,第二个峰值,B 80.980.7 0.2 ,衰 减 比,n,: 1 0.8 : 0.2 4 : 1,根据蒸汽加热器温度控制原理图，画出系统方块图，并指出,被控对象,、,被控变量,、,操纵变量,和,可能存在的干扰,分别是什么? 因生产需要, 要求出口物料温度从80提高到81, 当仪表给定值阶跃变化后，被控变量的变化曲线如图所示。试求该系统过渡过程的,最大偏差,、,衰减比,和,余差,（提示：该系统为随动控制系统，新的给定值为81）。,最大偏差,是指过渡过程中被控变量偏离给定值的最大数值。,P1622：,144影响因素,a,四、影响控制系统过渡过程品质的主要因素,自动控制系统,对于一套自动化系统，过渡过程品质指标的优劣在很大程度上取决于对象的特性。而对象的特性常常是我们无法改变的（如温度对象的滞后）。,自动化装置,自动控制对象,（,工艺部分）,换热器,温度对象,工业炉,温度对象,精馏塔,温度、液位对象,吸收塔,液位、流量对象,反应器,压力、温度对象,储 槽,液位、流量对象,输送设备,流量对象,变送器,测量与变送装置,控制器,执行器,调节阀等,我们的主要任务是：按对象的特性设计、配置、整定自动