自动控制系统的基本概念培训资料

自动控制系统的基本概念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。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 按预先规定好的步骤将生产过程自动的投入运按预先规定好的步骤将生产过程自动的投入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 自动控制系统是自动化生产的核心部分，自动控制系统是自动化生产的核心部分，只有自动控制系统才能自动地排除各种干扰因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工艺操作状态. 自动控制：是指在没有人直接参与的情况下，利用外加的自动控制：是指在没有人直接参与的情况下，利用外加的设备或装置（称控制装置或控制器），使机器、设备或生设备或装置（称控制装置或控制器），使机器、设备或生产过程（统称被控对象）的某个工作状态或参数（即被控产过程（统称被控对象）的某个工作状态或参数（即被控量）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。 系统：是指按照某些规律结合在一起的物体（元部件）的系统：是指按照某些规律结合在一起的物体（元部件）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。 自动控制系统自动控制系统 ：能够实现自动控制的系统就可称为自动控：能够实现自动控制的系统就可称为自动控制系统，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 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。 要求观察思考调节变换显示记录调节给定值执行机构检测仪表记录仪显示器调节器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 人工操作人工操作液位控制系统液位控制系统温度控制系统温度控制系统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要求观察思考调节变换显示记录调节给定值执行机构检测仪表记录仪显示器调节器 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 作用是接受控制器的控制作用是接受控制器的控制信号，直接推动被控对象，使信号，直接推动被控对象，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进料出料TCTT凝液蒸汽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f 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 被控对象被控对象 自动控制系统中，工艺参数需要控制的生产过程、设自动控制系统中，工艺参数需要控制的生产过程、设备或机器等。备或机器等。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f 操纵变量操纵变量 受控制器操纵的，用以克服干扰的影响，使被控变受控制器操纵的，用以克服干扰的影响，使被控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 除操纵变量以外，作用于被控对象并引起被控变量变除操纵变量以外，作用于被控对象并引起被控变量变化的因数。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f 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f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f输入信号的响应输入信号的响应 由某一个输入信号产生的输出信号又称为该输入信由某一个输入信号产生的输出信号又称为该输入信号的响应。号的响应。反馈信号反馈信号 是被控变量经传感器等元件变换并返回到输入端的信是被控变量经传感器等元件变换并返回到输入端的信号，一般与被控变量成正比。号，一般与被控变量成正比。 绘制方框图注意事项绘制方框图注意事项进料出料TCTT凝液蒸汽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。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f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？ 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f流程图表示方式流程图表示方式 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。进 料出 料T CT T凝 液蒸 汽 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。 通用的仪表信号线和能源线的符号是细实线。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（连接线表示相连及交叉时，可采用图（a a）（）（b b）形式。在复杂系统中，当有必要表明信息流动方形式。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后继字母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 用来表示仪表的小圆圈的上半圆内，一般写有两位字，用来表示仪表的小圆圈的上半圆内，一般写有两位字，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。 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控制器和控制对象间只有正向控制作用，系统的输出量不会对控制器和控制对象间只有正向控制作用，系统的输出量不会对控制器产生任何影响；控制器产生任何影响；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；如果系统的给定输入与被控量之间的关系固定，且其内部参数如果系统的给定输入与被控量之间的关系固定，且其内部参数或外来扰动的变化都比较小，或这些扰动因素可以事先确定并或外来扰动的变化都比较小，或这些扰动因素可以事先确定并能给予补偿，则采用开环控制也能取得较为满意的控制效果；能给予补偿，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 按干扰补偿的开环控制系统按干扰补偿的开环控制系统计算计算控制对象控制对象测测量量被控量被控量执行执行干扰干扰 按给定值操纵的开环控制系统按给定值操纵的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( (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 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；闭环控制系统由前向通道（控制器和控制对象）和反馈通道（反馈装置）闭环控制系统由前向通道（控制器和控制对象）和反馈通道（反馈装置）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；具有正反馈形式的系统一般不能改进系统性能，而且容易使系统性能变具有正反馈形式的系统一般不能改进系统性能，而且容易使系统性能变坏坏 ；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按偏差调节的闭环控制系统按偏差调节的闭环控制系统比较、计算控制对象测量被控量执行干扰给定值与开环控制系统相比，闭环控制系统的最大特点是检测偏差、纠正偏与开环控制系统相比，闭环控制系统的最大特点是检测偏差、纠正偏差差 ；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由于增加了反馈通道，系统的控制精度得到了提高，若采用开环由于增加了反馈通道，系统的控制精度得到了提高，若采用开环控制，要达到同样的精度，则需要高精度的控制器，从而大大增控制，要达到同样的精度，则需要高精度的控制器，从而大大增加了成本；加了成本；v由于存在系统的反馈，可以较好地抑制系统各环节中可能存在的由于存在系统的反馈，可以较好地抑制系统各环节中可能存在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二、定值控制系统、自动控制系统和程序二、定值控制系统、自动控制系统和程序控制系统控制系统 按照输入信号分类，自动控制系统可分为定值控按照输入信号分类，自动控制系统可分为定值控制系统、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输入信号是恒值，要求被控变量保持相对应的输入信号是恒值，要求被控变量保持相对应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 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 ；系统的任务是使被控变量按照同样规律变化并与系统的任务是使被控变量按照同样规律变化并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；导弹发射架控制系统、火炮随动系统、雷达天线导弹发射架控制系统、火炮随动系统、雷达天线控制系统控制系统 ；随动控制系统随动控制系统 输入信号是按已知的规律（事先规定的程序）变输入信号是按已知的规律（事先规定的程序）变化；化； 要求被控变量也按相应的规律随输入信号变化，要求被控变量也按相应的规律随输入信号变化，误差不超过规定值；误差不超过规定值； 热处理炉的温控系统、机床的数码加工系统和仿热处理炉的温控系统、机床的数码加工系统和仿形控制系统。形控制系统。程序控制系统程序控制系统三、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。 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、无条件的被控对象二、控制系统的过渡过程二、控制系统的过渡过程 自动控制系统的过渡过程是控制作用不断克服干扰作用自动控制系统的过渡过程是控制作用不断克服干扰作用影响的过程。影响的过程。系统从一个平衡状态到另一个平衡状态的过度系统从一个平衡状态到另一个平衡状态的过度过程中，被控变量随时间变化的规律首先取决于干扰作用的过程中，被控变量随时间变化的规律首先取决于干扰作用的形式。形式。 一般的阶跃信号：突然、危险、对被控参数影响很大。一般的阶跃信号：突然、危险、对被控参数影响很大。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 被控对象被控对象被控对象 系统在过渡过程中，被控变量是随时间变化的。了解过系统在过渡过程中，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是十分渡过程中被控变量的变化规律对于研究自动控制系统是十分重要的。被控变量随时间的变化规律首先取决于作用于系统重要的。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。的干扰形式。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A 0 t0 t0 )(tr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斜坡信号斜坡信号加速度信号加速度信号脉冲信号脉冲信号 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。3. 等幅振荡过程1. 非周期衰减过程0t0yy0t004. 发散振荡过程tt0t2. 衰减振荡过程yty0t0t三、控制系统的品质指标三、控制系统的品质指标 自动控制系统的过渡过程是控制系统品质的重要自动控制系统的过渡过程是控制系统品质的重要依据，依据，我们假设在阶跃干扰作用下，取自动控制系统我们假设在阶跃干扰作用下，取自动控制系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。 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: 工艺过程部分：只与自动控制相关的工艺过程部分：只与自动控制相关的工艺部分。工艺部分。 自动化装置部分：实现自动控制必备自动化装置部分：实现自动控制必备的自动化设备。的自动化设备。 对一个自动控制系统来说，过度过程品质的对一个自动控制系统来说，过度过程品质的好坏，好坏，很大程度上决定于对象的性质。自动控制很大程度上决定于对象的性质。自动控制装置应按对象的性质合理的选配控制系统。装置应按对象的性质合理的选配控制系统。 此课件下载可自行编辑修改，仅供参考！此课件下载可自行编辑修改，仅供参考！感谢您的支持，我们努力做得更好！谢谢感谢您的支持，我们努力做得更好！谢谢