自动控制系统的基本概念

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  第三章 自动控制系统基 本概念 本 章 一、化工自动化的主要内容 主 二、自动控制系统的组成 要 内 三、自动控制系统的表示方法 容 四、自动控制系统的主要类型 五、自动控制系统的性能指标及要求 第一节 化工自动化的主要内容 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 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 统, 称为自动检测系统。“了解”生产的任务。 自动信号和联锁保 护系统 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 联锁保护系统 达到危险状态, 打开安全阀或切 断某些通路,必 要时紧急停车 液位自动报警系统示意图 自动操纵及自动开 停车系统 自动操纵系统 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 自动开停车系统 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 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 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。 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, 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. 第二节 自动控制系统的组成 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 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。 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。 自动控制系统 :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。 自动控制系统是在人工调节的基础上产生和发展起来的, 其主要装置包括测量元件与变送器、自动控制器、执行器,分 别代替了人的眼、脑、手三个器官。 人工操作 要求 观察 思考 调节 ● 检测 ● 运算(思考)、 命令 ●执行 显示 记录仪 记录 显示器 变变换送器 检测 仪表 给定值 执行执 机器行 构 调控节制器 调节器 液位控制系统 温度控制系统 自动控制系统 ● 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。 ● 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,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 装置. ●执行器 作用是接受控制器的控制 要求 观察 显示 记录仪 记录 显示器 变变换送器 检测 仪表 信号,直接推动被控对象,使 被控变量发生变化 思考 调节 给定值 执行 执行机器构 调控节制器 调节器 第三节 自动控制系统的表示方法 方块图表示方式 f 干扰作用 给定值 x 偏差 控制器输出 操纵变量 _ e 控制器 p 控制阀 q z 测量值 测量元件 变送器 被控变量 对象 y 流程图表示方式 蒸汽 TC TT 进料 凝液 出料 方块图表示方式 组成 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. 方框、信号线、比较点、引出点 带有输入输出信号的方框 比较点 分支点 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 备或机器等。 被控变量 被控对象内要求保持设定值的工艺参数。 f 干扰作用 给定值 x 偏差 _e z 控制器输出 控制器 p 操纵变量 控制阀 q 被控变量 对象 y 测量值 测量元件 变送器 操纵变量 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。 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 化的因数。 f 干扰作用 给定值 x 偏差 _e z 控制器输出 控制器 p 操纵变量 控制阀 q 被控变量 对象 y 测量值 测量元件 变送器 给定值 被控变量的设定值。 偏差 被控变量的给定值与实际值之差。 f 干扰作用 给定值 x 偏差 _e z 控制器输出 控制器 p 操纵变量 控制阀 q 被控变量 对象 y 测量值 测量元件 变送器 f 干扰作用 给定值 x 偏差 _e z 控制器输出 控制器 p 操纵变量 控制阀 q 被控变量 对象 y 测量值 测量元件 变送器 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。 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 量。 。 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 号的响应。 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 号,一般与被控变量成正比。 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。 ● 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。 ● 各个组成部分在信号传递关系上都形成一个闭合 环路。 进料 蒸汽 凝液 TC TT 出料 ①指出此控制系统中被控对象、被控变量和操纵变量。 ②试画出此自动控制系统的方框图。 f 干扰作用 给定值 x 偏差 _e z 控制器输出 控制器 p 控制阀 操纵变量 被控变量 加热器 q T 测量值 温度测量 变送器 ①指出此控制系统中被控对象、被控变量和操纵变量。 ②试画出此自动控制系统的方框图。 ③试分析出水量突然增大时,该系统如何实现水位控制? 反馈 f 干扰作用 给定值 x 偏差 _e z 控制器输出 控制器 p 操纵变量 控制阀 q 被控变量 对象 y 测量值 测量元件 变送器 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。 负反馈 反馈 正反馈 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, 就在于自动控制系统有负反馈。 流程图表示方式 进料 包括测量点、连接线、仪表 的图形符号和字母代号。 蒸汽 凝液 TC TT 出料 测量点 包括检出元件、取样点。是 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。 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) 仪表的图形符号 仪表的图形符号是一个细实线mm。 仪表安装位置的图形符号表示 序号 安装位置 图形符号 备注 序号 安装位置 图形符号 备注 1 就地安装仪表 2 集中仪表盘面 安装仪表 3 就地仪表盘面 安装仪表 嵌在管道 中 4 集中仪表盘后 安装仪表 5 就地仪表盘后 安装仪表 字母代号 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。 被测变量和仪表功能的字母代号 字 第一位字母 后继字 母 字 第一位字母 后继字母 母 母 被测变量 修饰词 功能 被测变量 修饰词 功能 A 分析 报警 P 压力 C 电导率 控制 Q 数量 积分 累积 D 密度 差 R 放射性 记录 E 电压 S 速度 安全 开关 F 流量 比 T 温度 传送 I 电流 指示 V 粘度 阀 K 时间 W 力 L 物位 Y M 水分 Z 位置 执行机构 第四节 自动控制系统分类 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 闭环控制系统两大类。 输入量 控制器 控制量 输出量 控制对象 输入量 偏差量 开环控制系统 控制器 控制量 控制对象 输出量 反馈装置 闭环控制系统 开环控制系统 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 控制器产生任何影响; 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; 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 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。 给定值 (控制装置) 计算 执行 干扰 被控量 控制对象 按给定值操纵的开环控制系统 计算 测 量 执行 干扰 被控量 控制对象 按干扰补偿的开环控制系统 ?开环控制系统的方框图 扰动 输入量 控制装置 输出量 受控对象 扰动量 输入量 (手柄位置) 调压器 加热 电阻丝 控制装置 电炉 输出量 恒温箱 (温度) 受控对象 闭环控制系统 系统输出量对控制作用有直接影响 ; 实现了按偏差控制; 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) 构成; 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 坏; 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 干扰 给定值 比较、计算 - 执行 被控量 控制对象 测量 按偏差调节的闭环控制系统 闭环系统与开环系统 的区别 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 ; 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: ? 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 加了成本; ? 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; ? 反馈环节的存在可以较好地改善系统的动态性能。 开环控制 闭环控制 结构 简单、成本低 复杂、成本高 精度 精度低、对元器件要 精度高、对元器件要求 求高 低 稳定性 通常不考虑 必须考虑 二、定值控制系统、自动控制系统和程序 控制系统 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。 定值控制系统 ?输入信号是恒值,要求被控变量保持相对应的 数值不变 ?室温控制系统、直流电机转速控制系统 随动控制系统 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 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 控制系统 ; 程序控制系统 输入信号是按已知的规律(事先规定的程序)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; 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。 三、连续控制系统和离散控制系统 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。 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 的离散信号。 离散模型是计算机控制的最主要模型 第五节 自动控制系统的过渡过程及性能 指标 一、控制系统的静态和动态 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。 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 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 研究自动控制系统的重点是研究系统的动态。 被控对象 。 二、控制系统的过渡过程 被控对象 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。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 用的形式。 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 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 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 系统的干扰形式。 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 特点 数学表达式为: r(t) A t≥0 0 t0 当A=1时称为单位阶跃信号。 易产生 对系统输出影响大 便于分析和计算 斜坡信号 加速度信号 脉冲信号 自动控制系统在阶跃干扰作用下的过渡过程有非周 期衰减过程 、衰减振荡过程、 等副振荡过程 、发散振 荡过程 等四种。 y y 0 t0 t 1. 非周期衰减过程 y 0 t0 t 2. 衰减振荡过程 y 0 t0 t 3. 等幅振荡过程 0 t0 t 4. 发散振荡过程 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 依据,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。 1、最大偏差和超调量 2、衰减比 3、余差 4、过渡时间 5、振荡周期或频率 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: 1. 工艺过程部分:只与自动控制相关的 工艺部分。 2. 自动化装置部分:实现自动控制必备 的自动化设备。 对一个自动控制系统来说,过度过程品质的 好坏,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。

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