(精品)第一章自动控制的一些基础知识

单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,*,*,*,第一章 自动控制系统概念及,ICA,的应用现状,第一节 自动控制基础,人类长久以来总是希望实现生产与生活的自动化。然而，直到,18,世纪自动控制系统在蒸汽机运行中得到成功应用以后，自动化技术时代才算真正开始。在,20,世纪后半叶得到了快速发展，特别是计算机技术的广泛应用，使得自动控制的应用更为普遍，人们正在追求更广泛领域和更高层次的自动化。下面我们通过几个工业生产和日常生活中常见的自动控制系统，说明自动控制的基本概念。,一、生活环境中的自动控制系统,今天，在人们的日常生活中几乎处处都可见到自动控制系统的存在。如各种温度调节、湿度调节、自动洗衣机、自动售货机、自动电梯等。它们都在一定程度上代替或增强了人类身体器官的功能，提高了生活质量。但人们对日常生活环境自动化的追求是无止境的，新技术和新产品正不断涌现。,1,、空气调节器,空调是一个典型的温度控制系统。夏天，当室温高于用户所设定或期望的温度时，空调就启动制冷装置，使室内温度下降；当室温低于用户所设定或期望的温度时，空调就关闭制冷装置。冬天，当室内温度低于用户所设定或期望的温度时，空调就启动加热装置，使室内温度上升；当室温高于用户所设定或期望的温度时，空调就关闭加热装置。如此，使室温保持恒定。室温采用空气调节器进行控制时，温度变化曲线如图,1-l,所示。图中，,26,是人们所期望的室内温度，可通过调节空调上相应的按钮来设定。实际的室温，在进入稳态后，围绕期望温度，在一定范围内来回波动。实现这种温度调节功能的是空调中的温度控制系统。首先，它需要有一个温度计，用来测量室温；其次，需要一个控制器，判断室温是否高于或低于用户设定的温度；还需要一个切换开关和控制作用的实施装置，这里是加热、制冷装置；最后是被控制的装置或对象，即装了空调的房间。这就是,一个完整的自动控制系统的四个基本组成部分。,空气调节器,2,、电冰箱,电冰箱相当于一个“小房间”的温度控制系统，它主要是制冷装置，但有的也有加热装置，用于自动化霜。空调和电冰箱的设定温度一般不需要经常改变。,3,、电饭煲,电饭煲也是一个温度控制系统。高级电饭煲的设定温度可以按人工设定的程序自动变化。例如可将它的温度设定为如图,1-2,所示的曲线,。,电饭煲一切准备就绪后，启动，开始加热，达到约,100,后，进入恒温阶段，恒温阶段结束后进入保温段，保温段结束后，自动降温，整个温度控制周期完成。它是按照事先设定好的几个步骤来进行控制的，这是此类控制系统的一个,重要特征。,4,、洗衣机,现在的全自动洗衣机也是按照事先设定好的几个步骤进行工作的，但它的控制过程比较复杂，一个大周期中又包含了几个基本相同的小周期。完整的洗衣机控制系统还包括进水控制、出水控制、平衡控制等。,5,、其他,应该说随着生活水平的提高，人们投入到自动化上的费用越来越多，自动化系统也日益随处可见，如电梯、自动门、自动路灯、自动洁具、保安系统等。,二、工业生产中的自动控制系统,现代工业按所加工的原材料可划分为两大类。一类是气体、液体和粉体，这是石油、化工、制药、轻工、食品、建材等行业的主要工况，主要控制温度、压力、物位、流量、成分等参数，这是本课程涉及的主要内容；另一类是对已成型材料的进一步加工或对多种已成型材料（各种元器件）的装配，主要控制位移、速度、角度等参数。,早期的工业生产中，控制系统较少。随着生产装置的大型化、集中化和过程的连续化，自动控制系统越来越多，越来越重要。,过程控制系统的两种表示形式,连接线,通用的仪表信号线和能源线的符号是细实线。连接线表示相连及交叉时，可采用图（,a,）（,b,）,形式。在复杂系统中，当有必要表明信息流动方向时，应在信号线符号上加箭头,如图,(c),所示,。,(a)(b)(c),1,、液位控制,工业生产有很多贮罐和容器（如油罐、水箱、锅炉气包等）需要控制液位。,图,1,3,是一个水槽的人工液位控制系统。假设工人可以看到液位的高低变化，那么，根据液位的高低变化，工人手动操作阀门，可以使槽中液位保持基本,恒定。,1,、液位控制,如果用一个浮球代替人的眼睛“观测”液位，用一个杠杆系统代替人的手臂和大脑，则可构成一个液位自动调节系统，,如图,l,4,所示,。,其工作原理是：当液位受干扰上升时，浮球上升，杠杆,a,端上升，,b,端下降，阀门的阀芯下降，使水槽的进水量,Q,i,减少，,Q,i,的减少使液位下降，最终达到一个稳定的平衡点，实现控制的目的。当液位受干扰下降时，调节过程相反，同样能使液位稳定在平衡点。,图,1-4,已经是一个实用的液位控制系统，但当需要将液位信号传送到远方的控制室时，就需要改为电动式。用一个能送出电信号的液位测量仪表代替浮球，用一个电动调节器代替杠杆，阀门也换成可接受电信号的阀门，就构成了一个目前常见的液位控制系统。如图,1-5,所示，,LT,表示液位测量及信号变换装置，,LC,表示液位控制器，控制阀为执行器。,2,、温度控制,工业生产中存在大量的加热炉，一般是通过控制燃料的量来保证被加热物料达到或保持在所需要的温度。换热器是常见的工业设备，它通过冷热流体的热量交换实现对冷流体加热的目的，控制手段通常是调节热流体的流量，如图,1-6,所示。图中，,TT,表示温度测量仪表，,TC,表示温度调节器。另外，化学反应器中化学反应的温度，也要求进行温度控制。,三、信息处理,信息化时代最常用的也是最基本的工具就是计算机，而计算机本身就是一台进行信息处理的具有一定智能的复杂自动化设备。计算机一接通电源，它的各种内部程序就不停地进行工作，实施各种控制工作。键盘和鼠标相当于测量仪表，它时刻准备接受各种输入信息，一旦接受到信息，计算机就按照事先设定的各种控制功能进行信息处理，输出控制信号或显示控制结果。简单的如打印一份文稿、显示一个画面等。如果键盘和鼠标在设定的时间区间内没有接受到任何信号，则屏幕变暗，显示屏幕保护程序画面，直至又有信号从键盘和鼠标输入。又如查询，计算机从键盘接收到查询任务的信息命令，就启动有关的程序，到数据库中找出用户所要的数据，再表达成用户所要求的形式，保存在某个区域，显示在屏幕上或打印在纸上。计算机就是由若干个类似的程序控制系统组合而成的复杂的自动化装置。,四、生物系统,生物个体特别是高级生物中存在着许多比计算机还要复杂得多的综合智能自动化系统。以人为例，人体的体温就被比较精确地控制在,37,左右，人体运动时保持平衡，可以认为人体的所有活动都存在着相应的自动控制系统。人类目前对生物控制机理的了解还很有限，能够施加的影响更少。但这是一个很有前景的领域，目前医学上已经有一些自动控制应用的实例。生物群体内部和群体之间的许多关系也可以用控制理论加以描述和施加控制。,五、社会经济系统,这方面的应用很多，但有许多工作由非自动化专业人员在进行。就像工业界的早期，控制很少，就由各类工艺和机械类专业人员附带而为，等到这方面的工作越来越多，越来越重要，才分化出自动化专业。尽管如此，在许多国家，自动控制仍由各类工艺专业、电子电气专业和机械类专业人员附带进行。,经济系统中的物价控制，就有许多调节手段，如印发钞票量的增减、货物供应的增减、工资的增减、基建的增减、税率的调整、银行利率的调整等，其控制过程与工业过程控制运用的是基本类似的理论和方法。当然，每一种类型的控制系统都有其自身的特点。社会经济控制系统最鲜明的特点就是被控制系统中包含了人这个高级生物，由此带来许多复杂性和特殊性。证券市场、人口控制、环境保护等都是便于运用控制理论来加以分析和控制的领域。,第二节、基本概念及术语,一、自动控制系统的组成,根据控制对象和使用要求的不同，控制系统有不同的组成结构，但从控制功能角度看，控制系统一般均由以下基本环节组成。如图,2-1,所示。,（,1,）设定装置。其功能是设定与被控量相对应的给定量，并要求给定量与测量变送装置输出的信号在种类和量纲上一致。,（,2,）比较放大装置。其功能是首先将给定量与测量值进行计算，得到偏差值，然后再将其放大以推动下一级的动作。,（,3,）执行装置。其功能是根据前面环节的输出信号，直接对被控对象作用，以改变被控量的值，从而减少或消除偏差。,（,4,）测量装置。其功能是检测被控量，并将检测值转换为便于处理的信号（如电压、电流等），然后将该信号输入到比较装置。,（,5,）校正装置。当自动系统由于自身结构及参数问题而导致控制结果不符合工艺要求时，必须在系统中添加一些装置以改善系统的控制性能。这些装置就称为校正装置。,（,6,）被控对象。指控制系统中所要控制的对象，一般指工作机构或生产设备。,二、基本概念,系统,按照某种划分得到的若干元素的集合。,反馈,将系统输出信号引回并加入到输入信号的系统结构和工作方式。,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给定值之差减小的反馈。,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变量与给定值之差不断增大的反馈。,负反馈控制系统,具有负反馈作用的控制系统。,信息,系统功能与属性的某种表达。如控制系统中，各环节的输入输出信号。,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。,开环控制,没有反馈的简单控制。如通常的照明中的调光控制，电风扇的多级速度调节等。,闭环控制,具有负反馈的控制。,过程,一种自然的逐渐进行的运转或发展，如化学过程、生物过程和经济学过程。工业生产过程的特征是，被处理介质为流体，包括液体、气体和粉体。,第三节 控制系统分类,一、各种分类的方法,（,l,）如果按被控变量可划分为：温度、压力、液位、流量和成分等控制系统。这是一种常见的分类。,（,2,）如果按被控系统中控制仪表及装置所用的动力和传递信号的介质可划分为：气动、电动、液动、机械式等控制系统。如图,l,4,所示就是一个机械式液位控制系统；图,1-5,所示是一个电动式液位控制系统；如果图,l,5,中的,LT,和,LC,用气动仪表代替，阀门也采用气动的，就构成气动控制系统。,（,3,）如果按被控制对象可划分为：流体输送设备、传热设备、精馏塔和化学反应器控制系统等。,（,4,）按调节器的控制规律可划分为：比例控制、积分控制、微分控制、比例积分控制、比例微分控制、比例积分微分控制等。,（,5,）按系统功能与结构可划分为：单回路简单控制系统；串级、比值、选择性、分程、前馈和均匀等常规复杂控制系统；解耦、预测、推断和自适应等先进控制系统和程序控制系统等。,（,6,）按结定值的变化情况可划分为：定值控制系统、随动控制系统和程序控制系统。,二、按给定值分类,l,、定值控制系统,定值控制系统是一类给定值保持不变或很少调整的控制系统。这类控制系统的给定值一经确定后就保持不变直至外界再次调整它。化工、医药、冶金、轻工等生产过程中有大量的温度、压力、液位和流量需要恒定，是采用定值控制最多的领域，也是本裸程的重点内容。图,1-1,和图,1-5,都是定值控制系统的例子。,2,、随动控制系统,如果控制系统的给定值不断随机地发生变化，或者跟随该系统之外的某个变量而变化，则称该系统为随动控制系统。由于系统中一般都存在负反馈作用，系统的被控变量就随着给定值变化而变化。,随动控制的应用有雷达系统、火炮系统等。化工医药生产中串级控制系统的副回路、比值控制系统中的副流量回路也是随动控制系统。对于图,1-l,的室温控制系统，如要求室温在夏天始终比室外温度低,10,，则加一个室外温度仪表，测得的值用于原控制系统的给定值，即为一个随动控制系统。,3,、程序控制系统,如果给定值按事先设定好的程序变化，就是程序控制系统。如图,1-2,所示的温度控制系统，即为一个温度程序控制系统，生物反应和金属处理加热炉采用程序控制的很多。由于采用计算机的温度控制系统，实现程序控制特别方便，因此，随着计算机应用的日益普及，程序控制的应用也日益增多。,第四节 自动控制系统方块图,一,.,方块图的基本单元,l.,方块,任何被研究的对象，如果可以抽象地用输入该对象的信