第一章自動控制系統(tǒng)基本概念返回首頁,第一節(jié)化工自動化的主要內(nèi)容第二節(jié)自動控制系統(tǒng)的組成及常用術語第三節(jié)控制工藝流程圖第四節(jié)自動控制系統(tǒng)方塊圖第五節(jié)自動控制系統(tǒng)的分類第六節(jié)自動控制系統(tǒng)的過渡過程及品質(zhì)指標,第一節(jié)化工自動化的主要內(nèi)容,自動控制系統(tǒng)一般分為生產(chǎn)過程的自動檢測、自動控制、自動報警及聯(lián)鎖保護、自動操縱等四大類。,1生產(chǎn)過程的自動檢測系統(tǒng),利用各種檢測儀表自動地、連續(xù)地對相應的工藝參數(shù)進行檢測，并能自動指示或記錄的系統(tǒng)，稱為自動檢測系統(tǒng)。,2自動控制系統(tǒng),用自動控制裝置對生產(chǎn)過程中的某些重要參數(shù)進行自動控制，能使因受到外界干擾影響而偏離正常狀態(tài)的工藝參數(shù)，自動地調(diào)回到規(guī)定的數(shù)值范圍的系統(tǒng)。,3生產(chǎn)過程的自動報警與聯(lián)鎖保護系統(tǒng),對一些關鍵的生產(chǎn)參數(shù)，要設有自動信號報警與聯(lián)鎖保護系統(tǒng)。當參數(shù)接近臨界數(shù)值時，系統(tǒng)會發(fā)出聲、光報警，提醒操作人員注意。如果參數(shù)進一步接近臨界值、工況接近危險狀態(tài)時，聯(lián)鎖系統(tǒng)立即采取緊急措施，自動打開安全閥或切斷某些通路，必要時，緊急停車，以防止事故的發(fā)生和擴大。,4生產(chǎn)過程的自動操縱系統(tǒng),按預先規(guī)定的步驟，自動地對生產(chǎn)設備進行周期性操作的系統(tǒng)（如合成氨的造氣控制系統(tǒng)）。自動控制的應用水平是衡量一個企業(yè)先進程度的重要標準，也是衡量一個國家發(fā)達程度的主要標志。,第二節(jié)自動控制系統(tǒng)的組成及常用術語,一、自動控制系統(tǒng)的組成二、控制系統(tǒng)常用術語,一、自動控制系統(tǒng)的組成,對于水槽控制系統(tǒng)，其控制的目的是使水槽液位維持在一定的位置,液位變送器（LT）將水槽液位檢測出來，并轉換成統(tǒng)一的標準信號傳送給控制器(LC)，控制器將其與預先輸入的設定值進行比較得出偏差，并按預先確定的某種控制規(guī)律（比例、積分、微分的某種組合）進行運算后，輸出統(tǒng)一標準信號給控制閥，控制閥改變開度，控制出水量。這樣反復進行，直到水槽液位恢復到設定值為止，從而實現(xiàn)水槽液位的自動控制。,顯然，自動控制系統(tǒng)要代替人來工作，就要有相當于人體器官功能的相應儀表。即：眼大腦手檢測、變送器控制器執(zhí)行器,上圖所示的水槽液位負反饋控制系統(tǒng)可以進一步抽象為一般的控制系統(tǒng)方塊圖(后面還要詳細介紹)，如下圖所示。,二、控制系統(tǒng)常用術語,以后的章節(jié)還將詳細闡述這些術語，下面僅做簡單介紹：對象被控制的物理裝置。被控變量對象的某個變量。控制系統(tǒng)的目的通常就是要使該變量與設定值或給定值相符?？刂葡到y(tǒng)也用該變量的名稱來稱呼，如溫度控制系統(tǒng)、壓力控制系統(tǒng)等。,調(diào)節(jié)變量對被控裝置的被控變量具有較強的直接影響且便于調(diào)節(jié)的變量。干擾對象中除了調(diào)節(jié)變量以外，能對被控變量具有影響作用的所有變量。偏差設定值或給定值與測量值之差。給定值，也稱為設定值或期望值人們希望控制系統(tǒng)實現(xiàn)的目標，即被控變量的期望值。它可以是恒定值，也可能按程序變化。,用通俗的語言來描述一下以上名詞：,化工生產(chǎn)過程中，需要保持定值的工藝變量稱為被控變量，也叫被調(diào)參數(shù)（如水槽液位）。包含被控變量的生產(chǎn)設備、機器或生產(chǎn)過程稱為控制對象或調(diào)節(jié)對象，簡稱對象（如水槽）。生產(chǎn)過程中要求保持不變的工藝指標稱為設定值或給定值（如液位值）。設定值與被控變量的測量值之差稱為偏差（e）。為使被控變量保持在設定值附近而控制加入對象或從對象中取出的物料或能量稱為操作變量（如加入換熱器的蒸汽流量）。作用于對象，能引起被控變量偏離設定值的種種外來因素稱為干擾，也叫擾動（如閥前壓力變化等）。,第三節(jié)控制工藝流程圖,第四節(jié)自動控制系統(tǒng)方塊圖,一.方塊圖的基本單元l.方塊任何被研究的對象，如果可以抽象地用輸入該對象的信號或變量以及從該對象輸出的信號或變量表達時，就可以運用方塊圖方法中的方塊來描述（下圖）。,圖中的被研究對象可以是一個電阻或電容，也可以是一個集成電路、一塊儀表、一個反應器或一個控制系統(tǒng)等等。,2.信號比較器,下圖中的兩種表示方式表示的是同樣的關系式（2-27）。E（s）X（s）Z（s）（2-27）一般采用符號“”代表信號比較器。如果信號線旁不帶運算符號“”或“-”，則默認為“”。注意，在自動控制系統(tǒng)方塊圖里，比較器中Z（s）信號線旁的運算符號“”非常重要，通常以此表示該系統(tǒng)是負反饋系統(tǒng)。,3、信號分支點,方塊圖中的信號分支，只要在信號線上任意點引出即可，分支點上的信號與原來的信號完全相同，如下圖。有了以上三種方塊圖基本單元，就可以畫出系統(tǒng)的方塊圖。,二、反饋原理,反饋就是把系統(tǒng)的輸出信號回送到系統(tǒng)的輸入端并送加到輸入信號中，如右圖所示。,反饋分為正反饋和負反饋兩種類型。如果由于反饋的存在，使得系統(tǒng)的輸出信號單調(diào)地朝著某一個方向變化，這樣的反饋稱為正反饋，這樣的系統(tǒng)稱為正反饋系統(tǒng)。如炸藥的爆炸、軍備競賽、電子振蕩過程等。如果由于反饋的存在，使得系統(tǒng)的輸出信號趨于穩(wěn)定在原來的水平上，或者更嚴格地說，使輸出信號與給定值的差趨于減小，這樣的反饋稱為負反饋，這樣的系統(tǒng)稱為負反饋系統(tǒng)。幾乎所有的自動控制系統(tǒng)都是負反饋控制系統(tǒng)。,三、傳遞函數(shù),傳遞函數(shù)的概念：為了描述控制系統(tǒng)中每一個部分或整個系統(tǒng)的輸入變量與輸出變量之間的關系，最常用的就是傳遞函數(shù)?？刂葡到y(tǒng)中的任意一個部分理論上講都可以有多個輸入變量和輸出變量，如圖2l所示。,當只考慮一個輸入量與一個輸出量之間的關系時，就簡化為下圖。,四、方塊圖的應用,在控制系統(tǒng)的分析應用中，首先是建立系統(tǒng)各個組成部分的數(shù)字表達式，進行拉普拉斯變換，獲得各組成部分的方塊圖及傳遞函數(shù)，然后將各個部分的方塊根據(jù)系統(tǒng)的組成原理連接起來，就得到了整個系統(tǒng)的方塊圖。典型的簡單反饋控制系統(tǒng)方塊圖如下圖所示。,五、拉普拉斯變換,拉普拉斯變換是將t域（實域）函數(shù)變換為S域（復域）的函數(shù)，即傳遞函數(shù)，以帶來運算和分析的方便。這里不做嚴格的數(shù)學方法介紹，完全從實用的角度介紹一些結論和常用函數(shù)在t域和S域之間的對應關系。所幸運的是，能在實際中產(chǎn)生的信號總有相對應的拉普拉斯函數(shù)。,設：f（t）為實域函數(shù)，且當t0時f（t）=0；s為復變量，F(xiàn)（s）為復域函數(shù)；為拉普拉斯（算子）變換的運算符號。函數(shù)f（t）的拉普拉斯變換定義為：,常用函數(shù)的拉普拉斯變換,階躍函數(shù)：設函數(shù)f（t）為符合如下條件的階躍函數(shù)：f（t）0（t0）（24）f（t）=A=常數(shù)（t0）該函數(shù)的拉普拉斯變換用f（t）表示，得：（2-5）,當A=l時，稱階躍函數(shù)為單位階躍函數(shù)，記為u（t），此時的拉普拉斯變換為：（2-6）階躍函數(shù)是過程控制中涉及最多的一種函數(shù)，這里我們僅介紹這一種。,第五節(jié)控制系統(tǒng)分類,一、各種分類方法二、按給定值分類,一、各種分類的方法,（l）如果按被控變量可劃分為：溫度、壓力、液位、流量和成分等控制系統(tǒng)。這是一種常見的分類。（2）如果按被控系統(tǒng)中控制儀表及裝置所用的動力和傳遞信號的介質(zhì)可劃分為：氣動、電動、液動、機械式等控制系統(tǒng)。如圖l4所示就是一個機械式液位控制系統(tǒng)；圖1-5所示是一個電動式液位控制系統(tǒng)；如果圖l5中的LT和LC用氣動儀表代替，閥門也采用氣動的，就構成氣動控制系統(tǒng)。,（3）如果按被控制對象可劃分為：流體輸送設備、傳熱設備、精餾塔和化學反應器控制系統(tǒng)等。（4）按調(diào)節(jié)器的控制規(guī)律可劃分為：比例控制、積分控制、微分控制、比例積分控制、比例微分控制、比例積分微分控制等。（5）按系統(tǒng)功能與結構可劃分為：單回路簡單控制系統(tǒng)；串級、比值、選擇性、分程、前饋和均勻等常規(guī)復雜控制系統(tǒng)；解耦、預測、推斷和自適應等先進控制系統(tǒng)和程序控制系統(tǒng)等。（6）按給定值的變化情況可劃分為：定值控制系統(tǒng)、隨動控制系統(tǒng)和程序控制系統(tǒng)。,二、按給定值分類,l、定值控制系統(tǒng)2、隨動控制系統(tǒng)3、程序控制系統(tǒng),l、定值控制系統(tǒng),定值控制系統(tǒng)是一類給定值保持不變或很少調(diào)整的控制系統(tǒng)。這類控制系統(tǒng)的給定值一經(jīng)確定后就保持不變直至外界再次調(diào)整它?；?、醫(yī)藥、冶金、輕工等生產(chǎn)過程中有大量的溫度、壓力、液位和流量需要恒定，是采用定值控制最多的領域，也是本課程的重點內(nèi)容。圖1-1的室溫控制系統(tǒng)和圖1-5的液位控制系統(tǒng)都是定值控制系統(tǒng)的例子。,2、隨動控制系統(tǒng),如果控制系統(tǒng)的給定值不斷隨機地發(fā)生變化，或者跟隨該系統(tǒng)之外的某個變量而變化，則稱該系統(tǒng)為隨動控制系統(tǒng)。由于系統(tǒng)中一般都存在負反饋作用，系統(tǒng)的被控變量就隨著給定值變化而變化。隨動控制的應用有雷達系統(tǒng)、火炮系統(tǒng)等?；めt(yī)藥生產(chǎn)中串級控制系統(tǒng)的副回路、比值控制系統(tǒng)中的副流量回路也是隨動控制系統(tǒng)。對于圖1-l的室溫控制系統(tǒng)，如要求室溫在夏天始終比室外溫度低10，則加一個室外溫度儀表，測得的值用于原控制系統(tǒng)的給定值，即為一個隨動控制系統(tǒng)。,3、程序控制系統(tǒng),如果給定值按事先設定好的程序變化，就是程序控制系統(tǒng)。如圖1-2所示的電飯煲溫度控制系統(tǒng)，即為一個溫度程序控制系統(tǒng)，生物反應和金屬處理加熱爐采用程序控制的很多。由于采用計算機的溫度控制系統(tǒng)，實現(xiàn)程序控制特別方便，因此，隨著計算機應用的日益普及，程序控制的應用也日益增多。,第六節(jié)自動控制系統(tǒng)的過渡過程及品質(zhì)指標,一、瞬態(tài)響應分析方法二、控制系統(tǒng)的過渡過程三、控制系統(tǒng)的品質(zhì)指標四、主要影響因素,一、瞬態(tài)響應分析方法,在建立了系統(tǒng)的數(shù)學模型之后，就有了良好的進一步深入分析的基礎?？梢赃\用多種不同的方法來分析系統(tǒng)的性能，為改進系統(tǒng)的控制質(zhì)量提供依據(jù)。瞬態(tài)響應分析方法的基本做法是：給系統(tǒng)輸入各種不同的典型信號，觀察并分析系統(tǒng)的響應曲線。下面介紹一些有關瞬態(tài)響應的基本概念。,1、靜態(tài)與動態(tài),理論上講，系統(tǒng)中的任何一個變量都有其靜態(tài)和動態(tài)。靜態(tài)是指該變量不隨時間而變化的某個平衡狀態(tài)，動態(tài)是指該變量隨時間而變化的不平衡狀態(tài)。在控制工程領域，通常研究的是被控變量的靜態(tài)和動態(tài)特性。,靜態(tài)并不是靜止的狀態(tài)，而是平衡態(tài)。如一個流量變量，當它保持一定的流量值而不隨時間變化時，就稱該變量處于靜態(tài)。一個水槽，進水流量等于出水流量且不隨時間變化，液位也保持在一定的數(shù)值不隨時間變化，則稱該系統(tǒng)處于平衡狀態(tài)，進水流量、出水流量和液位等變量均處于靜態(tài)。,動態(tài)是指系統(tǒng)的變量會隨時間而變化。如水槽系統(tǒng)，當進水流量與出水流量不等時，液位會隨時間而變化，就稱該變量處于動態(tài)。又如換熱器的溫度，當進入換熱器的熱量與送出換熱器的熱量相等時，稱該溫度變量處于靜態(tài)；當進出換熱器的熱量不等時，溫度就會隨時間發(fā)生變化，則稱該變量處于動態(tài)。,2瞬態(tài)響應、穩(wěn)態(tài)響應,給系統(tǒng)輸入端施加一個輸入信號，就會在輸出端產(chǎn)生一個輸出響應信號，輸出響應信號由瞬態(tài)響應和穩(wěn)態(tài)響應兩個部分組成。瞬態(tài)響應是指系統(tǒng)輸出變量從初始平衡狀態(tài)到最終平衡狀態(tài)之間的響應過程；穩(wěn)態(tài)響應是當時間趨于無窮大時，輸出變量的狀態(tài)，通常是最終平衡狀態(tài)。,3、系統(tǒng)的穩(wěn)定性,系統(tǒng)沒有受到干擾信號和調(diào)節(jié)信號的作用時，系統(tǒng)的輸出變量保持不變，處于平衡狀態(tài)。如果系統(tǒng)受到干擾信號作用后，輸出變量最終能返回到原平衡狀態(tài)或其附近，那末該系統(tǒng)是穩(wěn)定的；否則，就是不穩(wěn)定的。,4過渡過程,由于干擾作用和控制作用等種種因素的影響，系統(tǒng)經(jīng)常處于變動中。系統(tǒng)的變量會不時地從一個靜態(tài)開始，進入動態(tài)，最終進入另一個靜態(tài)。系統(tǒng)受輸入信號的作用從一個靜態(tài)到另一個靜態(tài)之間的變化過程，就是過渡過程，也是系統(tǒng)的瞬態(tài)響應。,二、控制系統(tǒng)的過渡過程,過渡過程是指處于平衡狀態(tài)系統(tǒng)的輸入端受到干擾信號或控制信號的作用后，系統(tǒng)的輸出端（通常是指被控變量）產(chǎn)生的瞬態(tài)響應。為了便于分析比較，一般采用階躍函數(shù)作為輸入信號。采用階躍函數(shù)的原因是這個信號簡單，便于計算與生成；另外，該信號作用強，危險程度高，控制系統(tǒng)如能承受這種信號的干擾，也就不怕其他比較緩和的干擾了。,1、過渡過程的類型,如下圖所示的控制系統(tǒng)，在系統(tǒng)中各信號處于靜態(tài)時，通常在信號P處施加階躍干擾，記錄Z的數(shù)值。Z是被控變量Y的測量值。,于是在階躍信號的作用下，控制系統(tǒng)的輸出變量的過渡過程有可能出現(xiàn)如下幾種形式（下圖：a、b、c、d、e）,（l）非振蕩衰減過程,如圖中（a）所示，被控變量達最大之后，緩慢地到達某一穩(wěn)定狀態(tài)。系統(tǒng)是穩(wěn)定的，但該過程由于變化緩慢，一般不采用。,（2）衰減振蕩過程,如圖中（b）所示，被控變量較快地達到最大值，然后衰減振蕩，最終輸出也達到某一穩(wěn)定狀態(tài)。系統(tǒng)是穩(wěn)定的，通常都要求系統(tǒng)的被控變量呈現(xiàn)這樣的過渡過程。,（3）等幅振蕩過程,如圖中（C）所示，被控變量在某穩(wěn)態(tài)值附近以恒定的幅度來回振蕩。一般認為該系統(tǒng)也是不穩(wěn)定的，不予采用。但在位式控制中，可以采用這種過渡過程。,（4）發(fā)散振蕩過程,如圖中（d）所示，被控變量振幅越來越大，是不穩(wěn)定系統(tǒng)，不能采用。,（5）非振蕩發(fā)散過程,如圖中（e）所示，被控變量單調(diào)地增加或減小，越來越偏離給定值，最終到達系統(tǒng)的物理極限狀態(tài)，是不穩(wěn)定過程，不能采用。,三、控制系統(tǒng)的品質(zhì)指標,除了一些不允許產(chǎn)生振蕩的系統(tǒng)之外，通常都希望系統(tǒng)既有充分的快速性，又有足夠的穩(wěn)定性和準確性。這需要合理設計控制系統(tǒng)，使其具有衰減振蕩過程，為了合理地評價衰減振蕩型過渡過程的性能，人們設計并提出了一系列控制系統(tǒng)過渡過程的性能指標。,設控制系統(tǒng)最初處于平衡狀態(tài)，且被控變量等于給定值。此時，施加一個單位階躍干擾，系統(tǒng)的被控變量開始衰減振蕩過渡過程。如下圖（A、B、n、C、t）所示。,1、最大偏差A,最大偏差A是指在整個過渡過程中，被控變量偏離給定值的最大量，是第一個波的峰值。由于系統(tǒng)受到干擾后，被控變量以較快的速度偏離給定值，達到最大偏差峰值點，因此，達到第一個峰值的時間（稱為峰值時間tP）和高度是衡量系統(tǒng)性能的重要指標。顯然，最大偏差小些更好，但它還要受到其他指標的制約。,2超調(diào)量,超調(diào)量等于每一個波峰值減去新穩(wěn)態(tài)值，有一個波峰就有一個超調(diào)量。最大超調(diào)量與最大偏差相似，如果新穩(wěn)態(tài)值等于原穩(wěn)態(tài)值，則最大超調(diào)量B就等于最大偏差A。這時系統(tǒng)的余差為零。,3衰減比n,第一個超調(diào)量與第二個超調(diào)量的比值體現(xiàn)了過渡過程的衰減程度。nBB稱為衰減比。顯然，衰減振蕩過渡過程的衰減比總是大于1的。n接近于1，過渡過程的衰減速度就慢，n越接近1，過渡過程就越接近于等幅振蕩過程。由于這樣的系統(tǒng)振蕩頻繁，難以穩(wěn)定，不應該采用。另一方面，n越大，過渡過程衰減越快，當n很大時，接近非振蕩衰減過程，也不宜采用。,控制過程實踐表明，通常n的取值在410之間較好。這時，系統(tǒng)具有較好的快速性，第一個波峰出現(xiàn)較快；同時又有較好的穩(wěn)定性，第二個波峰顯著低于第一個波峰。n過小，系統(tǒng)會不斷的振蕩，會演變?yōu)榈确踔涟l(fā)散振蕩；n過大，被控變量長時間地單調(diào)變化，被控變量不回頭。,4、余差C,余差是過渡過程最終的新穩(wěn)態(tài)值與過渡過程開始之前的原穩(wěn)態(tài)值之差。它表明了系統(tǒng)克服干擾回到原來給定值的能力大小，是反映系統(tǒng)準確性的重要指標。人們希望余差越小越好。有余差的系統(tǒng)叫有差系統(tǒng)，反之稱為無差系統(tǒng)。,余差的幅值與系統(tǒng)的放大倍數(shù)及輸入