熱工儀表與自動(dòng)控制.ppt

第十一章自動(dòng)控制原理 自動(dòng)控制系統(tǒng)及其組成 自動(dòng)控制是在人工控制的基礎(chǔ)上產(chǎn)生 發(fā)展起來(lái) 所以 在介紹自動(dòng)控制時(shí) 首先分析人工控制 并與自動(dòng)控制加以比較 人工控制與自動(dòng)控制圖11 1為室溫人工控制示意圖 送風(fēng)經(jīng)過熱水加熱器加熱后送入恒溫室 用以控制室內(nèi)溫度 簡(jiǎn)稱室溫 為了室溫保持在要求得數(shù)之上或在一定的范圍內(nèi)變化 必須在室內(nèi)設(shè)計(jì)一個(gè)溫度計(jì) 操作人員根據(jù)溫度計(jì)的指示 不斷地改變調(diào)節(jié)閥的開度 控制進(jìn)入加熱器的熱水量 從而使室溫維持在某個(gè)要求的范圍內(nèi) 例如 當(dāng)操作人員從溫度計(jì)上觀察到的數(shù)值低于要求值時(shí) 則開大熱水閥門 增大加熱量 使時(shí)文加熱倒要求得數(shù)值 歸納起來(lái)操作人員所進(jìn)行的工作是 觀察溫度計(jì)的指示值 將室溫指示值與室溫要求值加以比較 并算出兩者的差值 規(guī)定要求值減去指示值為差值 當(dāng)差值為正時(shí) 開大熱水閘門 從而使偏差減小 當(dāng)偏差為負(fù)時(shí) 則關(guān)小熱水閘門 也是偏差減小 將上述三部工作不斷重復(fù)下去 直到溫度指示回到要求的數(shù)值上 這種有人工來(lái)直接進(jìn)行的控制稱人工控制 從上述可知 要進(jìn)行人工控制 必須有測(cè)量?jī)x表和一個(gè)由人工操作的器件 如上圖中的調(diào)節(jié)閘門 由人來(lái)判斷偏差的大小與符號(hào) 然后根據(jù)這個(gè)偏差進(jìn)行控制 是偏差得以糾正 人在控制過程中就其到了觀察 比較 判斷和控制的作用 簡(jiǎn)單說就是 檢查偏差 就正偏差 的過程 眾所周知 人工控制往往是比較緊張和范所得工作 而且容易出現(xiàn)差錯(cuò) 另外 由于人眼的觀察和手的操作動(dòng)作 受到人生理機(jī)能的限制 所以無(wú)法達(dá)到高精度和節(jié)能控制的要求 假如由一個(gè)自動(dòng)控制裝置來(lái)完成上述人工操作 就可完成室溫的人工控制 圖11 2為室溫自動(dòng)控制系統(tǒng)示意圖 控制器將傳感器反映的室溫測(cè)量值與要求值進(jìn)行比較合運(yùn)算 用以控制執(zhí)行器 使流入室內(nèi)的熱量與流出到室外的熱量相平衡 以實(shí)現(xiàn)室溫的自動(dòng)控制 上述執(zhí)行起由執(zhí)行機(jī)構(gòu)和調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)閘門組成 稱為電動(dòng)調(diào)節(jié)閥 所謂自動(dòng)控制就是在沒有人直接參與的情況下 利用控制裝置使得被控制對(duì)象 如設(shè)備和生產(chǎn)過程等 自動(dòng)的按照預(yù)定的規(guī)律運(yùn)行后變化的手段 或操作 從上述人工控制與自動(dòng)控制過程分析來(lái)看 傳感器相當(dāng)于人工控制中的溫度計(jì) 控制器代替人的眼睛和大腦 進(jìn)行比較和運(yùn)算 執(zhí)行器中的電動(dòng)機(jī)相當(dāng)于人的雙手 在人工控制中 人是憑經(jīng)驗(yàn)支配雙手操作的 其效果很大程度上取決于其經(jīng)驗(yàn)的正確與否 而在自動(dòng)控制中 控制器是根據(jù)偏差信號(hào) 按一定規(guī)律取控制調(diào)節(jié)閥的 其效果很多大程度上取決于控制器的控制規(guī)律的選用是否恰當(dāng) 二 自動(dòng)控制系統(tǒng)的組成 為了達(dá)到自動(dòng)控制的目的 由相互制約的各個(gè)部件 按一定的規(guī)律組成的具有一定功能的整體稱為自動(dòng)控制系統(tǒng) 由被控對(duì)象 傳感器 或變送器 控制器和執(zhí)行器等組成 例如 圖11 2室溫自動(dòng)控制系統(tǒng)是有恒溫器 溫度傳感器 溫度控制器和電動(dòng)調(diào)節(jié)閥組成 為了能清楚地表示一個(gè)自動(dòng)控制系統(tǒng)個(gè)組成部分 或稱環(huán)節(jié) 之間的相互影響和信號(hào)聯(lián)系 一般都用框圖表示控制系統(tǒng)的組成 例如 上例室溫控制系統(tǒng)可以用圖11 3的框圖表示 每一個(gè)框表示一個(gè)環(huán)節(jié) 用帶箭頭的線條表示各個(gè)環(huán)節(jié)之間的聯(lián)系和信號(hào)傳遞方向 在線上用字母表示作用信號(hào) 在上例中 室外溫度的變化 室內(nèi)熱源的變化 加熱器前送風(fēng)溫度的變化及熱水溫度的變化等 都使室溫發(fā)生變化 使室溫的實(shí)際值于給定制之間產(chǎn)生差距 這是引起室溫變化的外界因素 在自動(dòng)系統(tǒng)中稱為干擾 或稱擾動(dòng) 用f表示 一般 控制系統(tǒng)受兩種作用 即給定作用和干擾作用 它們稱為系統(tǒng)的輸入信號(hào) 系統(tǒng)的給定值決定系統(tǒng)被控制變量的變化規(guī)律 干擾作用在實(shí)際系統(tǒng)中是難于避免的 而且它可以作用在系統(tǒng)中的任意部位 通常所說的系統(tǒng)的輸入信號(hào)是指給定制信號(hào) 在系統(tǒng)的輸出信號(hào)是指被控變量 設(shè)定給定值這一端稱為系統(tǒng)的輸出端 由圖11 3的框圖可以看出 從信號(hào)傳輸?shù)慕嵌葋?lái)說 自動(dòng)控制是一個(gè)閉合的回路 所以又稱閉環(huán)系統(tǒng) 應(yīng)強(qiáng)調(diào)說明 這種閉環(huán)系統(tǒng)的輸出信號(hào) 被控變量進(jìn)過傳感器 或變送器 有返回作用到系統(tǒng)的輸入端 這種把系統(tǒng)的輸出信號(hào)又引到系統(tǒng)的輸入端的措施稱反饋 自動(dòng)控制系統(tǒng)中采用的反饋是負(fù)反饋 所謂負(fù)反饋就是輸入量與反饋量是相減的 由于采用負(fù)反饋控制 才能使被控制量與給定值之差消除或減小 即使被控量變化減小 自動(dòng)控制中的常用術(shù)語(yǔ)被控對(duì)象簡(jiǎn)稱對(duì)象 指自動(dòng)控制系統(tǒng)中要進(jìn)行控制的設(shè)備或生產(chǎn)過程的一部分或全部 例如 空調(diào)房間 燃?xì)夤I(yè)爐 鍋爐等 被控變量被控對(duì)象中要求實(shí)現(xiàn)自動(dòng)控制的物理量 例如 溫度 濕度 壓力等 給定值又稱設(shè)定值 即通過控制作用 使被控變量達(dá)到要求的數(shù)值 傳感器又稱被控量 包括物理量 化學(xué)量 生物量等 按一定規(guī)律轉(zhuǎn)換成便于處理和傳輸?shù)牧硪环N物理量 一般為電量 的元件 例如 電阻 熱電偶等 控制器它是將被控變量的實(shí)測(cè)值與給定值信號(hào)相比較 檢測(cè)偏差并對(duì)偏差進(jìn)行運(yùn)算 按照預(yù)定的規(guī)律發(fā)出控制指令的部件 因此 它一般據(jù)有給定 比較 指示 運(yùn)算和操作功能 控制器又稱調(diào)節(jié)器 執(zhí)行器他是將來(lái)自控制器的控制信號(hào) 轉(zhuǎn)變?yōu)椴僮髁康牟考?它是由執(zhí)行機(jī)構(gòu)和調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)組成 例如 電動(dòng)調(diào)節(jié)閥是有電動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)和調(diào)節(jié)閥組成 操作量它是為使被控量受到干擾后 在恢復(fù)到新穩(wěn)定值而須要通過調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)相對(duì)象輸入 或?qū)ο筝敵?的物料量或能量 例如 圖11 2中的熱水量 干擾引起被控量發(fā)生變化的外部原因 例如 外界環(huán)境溫度的變化引起的工業(yè)爐溫的變化 環(huán)境溫度變化稱干擾 二 自動(dòng)控制系統(tǒng)的分類 一 按給定值的形式可分為1 定值控制系統(tǒng)給定值保持不變 為一恒定值 的控制系統(tǒng) 例如 燃?xì)鈮毫愣刂葡到y(tǒng) 恒溫恒濕控制系統(tǒng) 鍋爐氣包水位控制系統(tǒng)等 均屬定制控制系統(tǒng) 2 程序控制系統(tǒng)給定的值按已知的時(shí)間函數(shù)變化 例如 人工氣候室中的溫 濕度按給定的時(shí)間規(guī)律變化 滿足某些產(chǎn)品例行實(shí)驗(yàn)的要求 3 隨動(dòng)控制系統(tǒng)系統(tǒng)的給定值是另一變量的函數(shù) 事先不知道其準(zhǔn)確的變化規(guī)律 要求系統(tǒng)的輸出隨之變化而變化 例如 舒適空調(diào)的室外溫度補(bǔ)償控制系統(tǒng) 其室溫給定值是室外給定值的函數(shù) 二 按系統(tǒng)結(jié)構(gòu)可分為1閉環(huán)控制系統(tǒng)也稱反饋控制系統(tǒng) 如圖11 3所示的系統(tǒng) 它的特點(diǎn)是系統(tǒng)中采用了負(fù)反饋 即存在這一條從系統(tǒng)輸出端經(jīng)過傳感器到系統(tǒng)輸入端的聯(lián)絡(luò)通道 反饋通道 反饋控制系統(tǒng)具有自動(dòng)修正被控量偏離給定值的能力 控制精度高 適應(yīng)面廣 是基本的控制系統(tǒng) 但由于存在反饋 系統(tǒng)有產(chǎn)生震蕩的可能 故調(diào)節(jié)是比較復(fù)雜 2開環(huán)控制系統(tǒng) 開環(huán)控制是一種比較簡(jiǎn)單的控制系統(tǒng) 其特點(diǎn)是調(diào)節(jié)器與被控對(duì)象之間只有正向控制作用 而沒有反饋控制作用 即系統(tǒng)輸出對(duì)輸入信號(hào)沒有影響 在開環(huán)系統(tǒng)中 不需要對(duì)被控系統(tǒng)進(jìn)行測(cè)量 只根據(jù)輸入信號(hào)進(jìn)行控制 例如 在寒冷地區(qū)空調(diào)系統(tǒng)中的空氣預(yù)熱器可采用開環(huán)控制 是利用室外溫度來(lái)控制預(yù)熱器上的閥門開度 維持預(yù)熱器后風(fēng)濕在某一范圍內(nèi)波動(dòng) 由于這種系統(tǒng)是按照室外溫度這個(gè)干擾信號(hào)進(jìn)行控制的 所以當(dāng)其他干擾變化是 則無(wú)控制作用 因此不能保證預(yù)熱器后的風(fēng)溫恒定 開環(huán)系統(tǒng)雖然不一定能消除所有的干擾給系統(tǒng)帶來(lái)的影響 但采用較頻繁的主要干擾作為控制信號(hào) 則能對(duì)其起到補(bǔ)償作用 而且控制及時(shí) 開環(huán)控制進(jìn)度低 抗干擾能力差 結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單成本低 而且不產(chǎn)生震蕩 開環(huán)控制又稱前饋控制 3復(fù)合控制系統(tǒng)將開環(huán)控制和閉環(huán)控制適當(dāng)結(jié)合構(gòu)成前饋控制系統(tǒng) 實(shí)質(zhì)上 它是閉環(huán)控制的基礎(chǔ)上 用開通通道提供一個(gè)附加的輸入量 以提高系統(tǒng)的控制精度和動(dòng)態(tài)性能 本書主要討論反饋控制系統(tǒng) 三自動(dòng)控制系統(tǒng)的過度響應(yīng) 一 靜態(tài)和動(dòng)態(tài) 自動(dòng)控制系統(tǒng)的輸入有兩種 給定制的變化和干擾的變化 干擾作用 當(dāng)輸入恒定不變時(shí) 整個(gè)系統(tǒng)若能建立平衡 系統(tǒng)中各個(gè)環(huán)節(jié)將暫時(shí)不動(dòng)作 他們的輸出都處于相對(duì)靜止?fàn)顟B(tài) 這種狀態(tài)稱為靜態(tài) 例如 前述的室溫系統(tǒng)中 當(dāng)進(jìn)入室內(nèi)的熱流量與流出室外的熱流量相等時(shí) 室溫保持不變 此時(shí)稱室溫系統(tǒng)達(dá)到平衡 即處于靜態(tài) 這里所致的靜態(tài)并非指得系統(tǒng)中沒有物料和能量的流動(dòng) 而是指各個(gè)參數(shù)互的變化率為零 及參數(shù)保持不變 此時(shí)輸出于輸入的關(guān)系成為系統(tǒng)的靜態(tài)特性 系統(tǒng)和環(huán)節(jié)的靜態(tài)特性對(duì)控制室很重要系統(tǒng)的靜態(tài)特性是調(diào)節(jié)品質(zhì)的重要內(nèi)容之一對(duì)象的靜態(tài)特性是干擾分析 確定控制方案的基礎(chǔ)檢測(cè)裝置的靜態(tài)特性反映它的精度調(diào)節(jié)裝置和調(diào)節(jié)器的靜態(tài)特性對(duì)調(diào)節(jié)品質(zhì)有顯著影響 假若一個(gè)系統(tǒng)原來(lái)處于靜態(tài) 由于出現(xiàn)干擾 即輸入起了變換 系統(tǒng)的平衡受到破壞 由于被控變量發(fā)生變化 自動(dòng)調(diào)節(jié)裝置就會(huì)動(dòng)作 進(jìn)行控制 以克服干擾的影響 力圖使系統(tǒng)回復(fù)平衡 從輸入開始 經(jīng)過控制 直到在建立靜態(tài) 在這斷時(shí)間中整個(gè)系統(tǒng)的各個(gè)環(huán)節(jié)和參數(shù)都處于變化的過程中 這種狀態(tài)稱動(dòng)態(tài) 在另一面 當(dāng)給定的值變化時(shí) 也引起動(dòng)態(tài)過程 調(diào)節(jié)裝配力圖使被控參數(shù)在新的給定值或其附近建立平衡 總之 由于輸入的變化 輸出隨時(shí)間而變化 同樣 對(duì)任一環(huán)節(jié)來(lái)說 當(dāng)輸入變化時(shí) 也引起輸出的變化稱為環(huán)節(jié)的動(dòng)態(tài)特性 在自動(dòng)控制系統(tǒng)中 了解動(dòng)態(tài)特性甚至比了解靜態(tài)特性更重要 也可以說 靜態(tài)特性是動(dòng)態(tài)特性的一種極限情況 在定制控制系統(tǒng)中 干擾不斷產(chǎn)生 控制作用也就不斷的客服其影響 系統(tǒng)總是處在動(dòng)態(tài)過程中 因此 控制系統(tǒng)的分析重點(diǎn)要放在系統(tǒng)和環(huán)節(jié)動(dòng)態(tài)特性上 這樣才能設(shè)計(jì)出良好的控制系統(tǒng) 以滿足工藝上的提出的要求 二 自動(dòng)控制系統(tǒng)的過度響應(yīng) 當(dāng)自動(dòng)控制系統(tǒng)的輸入發(fā)生變化時(shí) 被控變量隨時(shí)間不斷變化 最終穩(wěn)定下來(lái) 被控變量隨時(shí)間的變化而變化的過程叫做系統(tǒng)的過度響應(yīng) 又稱系統(tǒng)的過度過程 也就是系統(tǒng)從一個(gè)平衡狀態(tài)過渡到另一個(gè)平衡狀態(tài)的過程 對(duì)于一個(gè)穩(wěn)定系統(tǒng) 所有正常工作的反饋系統(tǒng)都是穩(wěn)定系統(tǒng) 要分析器穩(wěn)定性 準(zhǔn)確性和快速性 常以階躍作為輸入時(shí)的被控變量的過度相應(yīng)為例 所謂階躍作用是一種突然地從一個(gè)數(shù)值變化到另一個(gè)數(shù)值 而且已經(jīng)加入就持續(xù)下去的作用 定值控制系統(tǒng)的過度響應(yīng)有四種形式 如圖11 6所示 曲線 a 是發(fā)散的震蕩過程 被控變量的變化幅度越來(lái)越大 這是一種不穩(wěn)定的過程 在自動(dòng)控制系統(tǒng)中時(shí)應(yīng)該避免的 曲線 b 是等幅振蕩過程 在連續(xù)調(diào)節(jié)系統(tǒng)中一般認(rèn)為它是不穩(wěn)定地和不允許的 但在雙位調(diào)節(jié)系統(tǒng)中 只要被控編練的系統(tǒng)中的波動(dòng)幅值及波動(dòng)頻率在工藝所允許的范圍內(nèi) 還是可以采用的 曲線 c 是一個(gè)衰弱的震蕩過程 被控變量在經(jīng)過一段時(shí)間的震蕩后 能很快的趨向于一個(gè)新的平衡狀態(tài) 這種過度過程是比較理想的 曲線 d 是非振蕩的過程過度 也稱單調(diào)過程 這種過度過程是允許的 但由于過度過程時(shí)間太長(zhǎng) 一般認(rèn)為很不理想 綜上所述 曲線 a 及 b 是不穩(wěn)定地過程過度 而曲線 c 及 d 是穩(wěn)定的過程 在多數(shù)的情況下 都希望得到象曲線 c 那樣的衰減震蕩 三 品質(zhì)指示衰弱震蕩過程1 衰減比衰減比是表示衰減程度的指示 它是反應(yīng)系統(tǒng)穩(wěn)定程度即相對(duì)穩(wěn)定性 如圖黑板上畫所示 它是前后兩個(gè)波峰的比 即n B B 當(dāng)n1時(shí)系統(tǒng)穩(wěn)定 當(dāng)n只比1稍大一點(diǎn)時(shí) 過度過程衰減很慢 在等幅振蕩過程接近 由于震蕩過于頻繁不夠穩(wěn)定 一般不采用 如果n很大則有接近非周期的單調(diào)過程 通常也是不希望的 一般n以4 10之間為宜 2 靜差靜差又稱余差 是指過度過程終了時(shí)的殘余偏差 也就是被控變量的穩(wěn)定制于給定制之差 其值可為正也可為負(fù) 它是一個(gè)表明準(zhǔn)確性的重要指示 3 最大偏差被控量偏離給定值的最大值稱是最大偏差 也稱動(dòng)態(tài)偏差 對(duì)于衰減振蕩過度響應(yīng) 最大偏差是第一個(gè)波的峰值 動(dòng)態(tài)偏差所在的半周時(shí)間 分 為最大偏差持續(xù)時(shí)間 對(duì)于定制調(diào)節(jié)系統(tǒng)常用