化工自动化7自动控制系统概述课件

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,化工自动化,绪论,化工自动化绪论,自动控制系统概述,自动控制系统概述,内容提要,自动控制系统的组成,自动控制系统的方块图,信号和变量,自动控制系统方块图,反馈,自动控制系统的分类,过渡过程和品质指标,控制系统的静态与动态,1,内容提要 自动控制系统的组成1,内容提要,控制系统的过渡过程,控制系统的控制指标,影响控制指标的主要因素,2,内容提要控制系统的过渡过程2,第一节 自动控制系统的组成,3,图,7-1,人工操作图,图,7-2,液位自动控制图,人工操作与自动控制比较图,控制速度和精度不能满足大型,现代化生产的需要,第一节 自动控制系统的组成 3图7-1 人工操作图图7-2,第一节 自动控制系统的组成,图,7-2,液位自动控制,4,第一节 自动控制系统的组成图7-2 液位自动控制4,字母,第一位字母,后继字母,被测变量,修饰词,功能,A,C,D,E,F,I,K,L,M,P,Q,R,S,T,V,W,Y,Z,分析,电导率,密度,电压,流量,电流,时间或时间程序,物位,水分或湿度,压力或真空,数量或件数,放射性,速度或频率,温度,黏度,力,供选用,位置,差,比（分数）,积分、累积,安全,报警,控制（调节）,检测元件,指示,自动,-,手动操作器,积分、累积,记录或打印,开关、联锁,传送,阀、挡板、百叶窗,套管,继动器或计算器,驱动、执行或未分类的终端执行机构,表,7-1,被测变量和仪表功能的字母代号,5,字母第一位字母后继字母被测变量修饰词功能A分析报警表7-1,第一节 自动控制系统的组成,在自动控制系统的组成中,除必须具有前面所述的自动化装置外,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、机器、一段管道或设备的一部分叫做,被控对象,简称,对象,。,要选择好控制系统的对象,6,第一节 自动控制系统的组成 在自动控制系统的组成中,除,第二节 自动控制系统的方块图,一、信号和变量,载有变量信息的物理变量是,信号,。,系统或环节,u,y,图,7-3,输入、输出变量图,输入变量,输出变量,多输入多数出系统,7,第二节 自动控制系统的方块图一、信号和变量载有变量信息的物理,第二节 自动控制系统的方块图,图,7-4,简单水槽,A,B,u,u,1,u,2,图,7-5,信号分叉点,8,第二节 自动控制系统的方块图图7-4 简单水槽ABuu1u2,第二节 自动控制系统的方块图,二、自动控制系统方块图,在研究自动控制系统时，为了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。,下页图为液位自动控制系统地方块图每个环节表示组成系统的一个部分，称为,“,环节,”,。两个方块之间用一条带有箭头的线条表示其信号的相互关系，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。线旁的字母表示相互间的作用信号。,9,第二节 自动控制系统的方块图9,方块图中，,x,指设定值；,z,指输出信号；,e,指偏差信号；,p,指发出信号；,q,指出料流量信号；,y,指被控变量；,f,指扰动作用。当,x,取正值，,z,取负值,，,e=x-z,，负反馈；,x,取正值，,z,取正值，,e=x+z,，正反馈。,第二节 自动控制系统的方块图,图,7-6,自动控制系统方块图,10,方块图中，x 指设定值；z 指输出信号；e 指偏差信号；p,第二节 自动控制系统的方块图,其他控制系统,用同一种形式地方块图可以代表不同的控制系统,当进料流量或温度变化等因素引起出口物料温度变化时，可以将该温度变化测量后送至温度控制器,TC,。温度控制器的输出送至控制阀，以改变加热蒸汽量来维持出口物料的温度不变。,11,图,7-7,蒸汽加热器温度控制系统,第二节 自动控制系统的方块图其他控制系统 当进料流量或,第二节 自动控制系统的方块图,为了便于分析,有时将控制器以外的各个环节,(,包括被控对象、测量元件及变送器、控制阀,),组合在一起看待,称之为广义对象,这样,整个系统可认为是由控制器与广义对象两者所构成,其方块图可简化。,控制器,广义对象,被控变量测量值,z,给定值,干扰作用,f,-,x,图,7-8,简化方块图,12,第二节 自动控制系统的方块图 为了便于分析,有时将控制,第二节 自动控制系统的方块图,三、反馈,自动控制系统是一个闭环系统，是由于反馈的存在造成的。,x,K,y,z,e,-,图,7-9,负反馈系统,13,第二节 自动控制系统的方块图三、反馈 自动控制系,第二节 自动控制系统的方块图,两式联立,消去,e,则有,（,7-1,）,单位反馈系统,如果,K,很大,K,1,则,（,7-2,）,14,第二节 自动控制系统的方块图两式联立,消去e,则有（7-1）,第二节 自动控制系统的方块图,小结,自动控制系统是具有被控变量负反馈的闭环系统。它与自动测量、自动操纵等开环系统比较,最本质的差别,就在于控制系统有无负反馈存在。,自动操纵装置,对象,操纵指令,操纵作用,工艺参数,图,7-10,自动操纵系统方块图,15,第二节 自动控制系统的方块图小结 自动控制系统是具有被,第二节 自动控制系统的方块图,四、自动控制系统的分类,按被控变量来分类，如温度、压力等控制系统；,按控制器具有的控制规律来分类，如比例、比例积分、比例微分、比例积分微分等控制系统；,将控制系统按照工艺过程需要控制的被控变量的给定值是否变化和如何变化来分类，这样可将自动控制系统分为三类，即定值控制系统、随动控制系统和程序控制系统。,16,其中第三种分类方法最普遍,第二节 自动控制系统的方块图四、自动控制系统的分类16其中第,第二节 自动控制系统的方块图,“,定值,”,是恒定给定值的简称。工艺生产中，若要求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的给定值不变，就需要采用定值控制系统。,17,1.,定值控制方法,2.,随动控制系统（自动跟踪系统）,给定值随机变化，该系统的目的就是使所控制的工艺参数准确而快速地跟随给定值的变化而变化。,第二节 自动控制系统的方块图 “定值”是恒定给定,第二节 自动控制系统的方块图,3.,程序控制系统（顺序控制系统）,给定值变化，但它是一个已知的时间函数，即生产技术指标需按一定的时间程序变化。这类系统在间歇生产过程中应用比较普通。,18,第二节 自动控制系统的方块图3.程序控制系统（顺序控制系统）,第三节 过渡过程和品质指标,一、控制系统的静态与动态,19,自动控制目的：,希望将被控变量保持在一个不变的给定值上，这只有当进入被控对象的物料量（或能量）和流出对象的物料量（或能量）相等时才有可能。,静态,被控变量不随时间而变化的平衡状态（变化率为,0,，不是静止）。,第三节 过渡过程和品质指标 一、控制系统的静态与动态19自动,第三节 过渡过程和品质指标,当一个自动控制系统的输入（给定和干扰）和输出均恒定不变时，整个系统就处于一种相对稳定的平衡状态，系统的各个组成环节如变送器、控制器、控制阀都不改变其原先的状态，它们的输出信号也都处于相对静止状态，这种状态就是,静态,。,20,第三节 过渡过程和品质指标 当一个自动控,第三节 过渡过程和品质指标,21,动态,被控变量随时间变化的不平衡状态。,从干扰作用破坏静态平衡，经过控制，直到系统重新建立平衡，在这一段时间中，整个系统的各个环节和信号都处于变动状态之中，这种状态叫做动态。,结论：,在自动化工作中，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，是不可避免的，就需要通过自动化装置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所要求控制的技术指标上。,第三节 过渡过程和品质指标21动态被控变量随时间变化的不,第三节 过渡过程和品质指标,二、控制系统的过渡过程,系统由一个平衡状态过渡到另一个平衡状态的过程。,22,当干扰作用于对象，系统输出,y,发生变化，在系统负反馈作用下，经过一段时间，系统重新恢复平衡。,举例,图,7-11,控制系统方块图,控制器,执行器,对象,被控变量,测量、变送,给定值,干扰,-,第三节 过渡过程和品质指标二、控制系统的过渡过程22当干扰作,第三节 过渡过程和品质指标,系统在过渡过程中，被控变量是随时间变化的。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。,在生产中，出现的干扰是没有固定形式的，且多半属于随机性质。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。,23,第三节 过渡过程和品质指标系统在过渡过程中，被控变量是随时间,第三节 过渡过程和品质指标,采用阶跃干扰的优点：,这种形式的干扰比较突然、危险，且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，那么一定能很好地克服比较缓和的干扰。,这种干扰的形式简单，容易实现，便于分析、实验和计算。,24,图,7-12,阶跃干扰作用,第三节 过渡过程和品质指标采用阶跃干扰的优点：24图7-12,第三节 过渡过程和品质指标,自动控制系统在阶跃干扰作用下过渡过程的四种形式,25,发散震荡过程,X,非周期衰减过程,衰减震荡过程,等幅震荡过程,？,对于控制质量要求不高的场合，如果被控变量允许在工艺许可的范围内振荡（主要指在位式控制时），才可采用。,第三节 过渡过程和品质指标自动控制系统在阶跃干扰作用下过渡过,第三节 过渡过程和品质指标,三、控制系统的控制指标,26,多数情况下，希望得到衰减振荡过程，在此取这种过程形式讨论控制系统的品质指标。,控制指标主要有两类,一类是时间域的单项指标,另一类是时间域的综合指标。,控制系统的过渡过程是衡量品质的依据。,第三节 过渡过程和品质指标三、控制系统的控制指标26,第三节 过渡过程和品质指标,1.,时间域的各种单项指标,假定自动控制系统在阶跃输入作用下，被控变量的变化曲线如下图所示，这是属于衰减振荡的过渡过程,图,7-14,过渡过程品质指标示意图,27,第三节 过渡过程和品质指标 1.时间域的各种单项指标,第三节 过渡过程和品质指标,28,五种重要品质指标之一,（,1,）最大偏差或超调量,最大偏差,是指在过渡过程中，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。特别是对于一些有约束条件的系统，如化学反应器的化合物爆炸极限、触媒烧结温度极限等，都会对最大偏差的允许值有所限制。,超调量也可以用来表征被控变量偏离给定值的程度。,第三节 过渡过程和品质指标28五种重要品质指标之一（1）,第三节 过渡过程和品质指标,（,2,）衰减比,衰减比,是衰减程度的指标，它是前后相邻两个峰值的比。习惯表示为,n,:1,，一般,n,取为,4,10,之间为宜。,五种重要品质指标之二,29,第三节 过渡过程和品质指标五种重要品质指标之二29,第三节 过渡过程和品质指标,五种重要品质指标之三,（,3,）余差,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,，或者说余差就是过渡过程终了时的残余偏差。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。反之就为无差调节和无差系统。,30,第三节 过渡过程和品质指标五种重要品质指标之三30,第三节 过渡过程和品质指标,五种重要品质指标之四,（,4,）过渡时间,从干扰作用发生的时刻起，直到系统重新建立新的平衡时止，过渡过程所经历的时间叫,过渡时间,。一般在稳态值的上下规定一个小范围，当被控变量进入该范围并不再越出时，就认为被控变量已经达到新的稳态值，或者说过渡过程已经结束这个范围一般定为稳态值的,（也有的规定为,）。,31,第三节 过渡过程和品质指标五种重要品质指标之四31,第三节 过渡过程和品质指标,五种重要品质指标之五,（,5,）震荡周期或频率,过渡过程同向两波峰（或波谷）之间的间隔时间叫,振荡周期,或工作周期，其倒数称为,振荡频率,。在衰减比相同的情况下，周期与过