儀控-1自控基本知識(shí)

1、水處理儀表與控制水處理儀表與控制楊殿海為什么修這門課？為什么修這門課？污泥中回收磷1 1. 1914. 1914年活性污泥法發(fā)明以來，水處理工藝實(shí)質(zhì)上變化不大，年活性污泥法發(fā)明以來，水處理工藝實(shí)質(zhì)上變化不大，但電子、電器、儀表和自動(dòng)化專業(yè)發(fā)展迅猛；但電子、電器、儀表和自動(dòng)化專業(yè)發(fā)展迅猛；2 2. .有利于探索水處理過程的本質(zhì)，深入進(jìn)行基礎(chǔ)研究；有利于探索水處理過程的本質(zhì)，深入進(jìn)行基礎(chǔ)研究；3.3.有利于新工藝的研究開發(fā)；有利于新工藝的研究開發(fā)；4. 4. 有利于實(shí)現(xiàn)水處理過程的模擬和自動(dòng)控制，提高水處理系有利于實(shí)現(xiàn)水處理過程的模擬和自動(dòng)控制，提高水處理系統(tǒng)的管理水平；統(tǒng)的管理水平；5. 5.

2、有利于減輕工人勞動(dòng)強(qiáng)度，提高出水品質(zhì)。有利于減輕工人勞動(dòng)強(qiáng)度，提高出水品質(zhì)。1 1 自動(dòng)檢測技術(shù)及儀表控制系統(tǒng)自動(dòng)檢測技術(shù)及儀表控制系統(tǒng)（第二版）（第二版） 張毅，張寶芬，曹麗，彭黎輝編著，化學(xué)工業(yè)出版社，張毅，張寶芬，曹麗，彭黎輝編著，化學(xué)工業(yè)出版社，200520052. 2. 環(huán)境工程仿真與控制環(huán)境工程仿真與控制 姚重華編著，高等教育出版社，姚重華編著，高等教育出版社，200120013. 3. 過程控制工程過程控制工程 （第二版）（第二版） 蔣慰孫，俞金壽編著，中國石化出版社，蔣慰孫，俞金壽編著，中國石化出版社，199919994. 4. 污水處理系統(tǒng)的建模、診斷和控制污水處理系統(tǒng)的建模

3、、診斷和控制 Gustaf Olsson, Bob Newell Gustaf Olsson, Bob Newell著，高景峰，彭永臻譯，化學(xué)工業(yè)出版社，著，高景峰，彭永臻譯，化學(xué)工業(yè)出版社，20052005第一章第一章 自動(dòng)控制基本知識(shí)自動(dòng)控制基本知識(shí)水的自然循環(huán)：全球水分布：總量約：1.38X109km3世界河流平均年徑流量：468000億m3,亞洲最大占31我國水資源特點(diǎn)：總量多，人均占有量少地區(qū)分布不均勻季節(jié)分布不均勻水污染日益嚴(yán)重河流含沙量大地下水開采過量我國水資源總量：27000億m3排世界第五，但人均僅2500 m3 （世界平均10240 m3 ）。城市供水水庫城市供水水庫污水處

4、理廠污水處理廠城市供水廠城市供水廠水的社會(huì)循環(huán)過程水的社會(huì)循環(huán)過程城市河段景觀水體景觀水體水的社會(huì)循環(huán)水工藝技術(shù)向水工業(yè)系統(tǒng)轉(zhuǎn)化：水工藝技術(shù)向水工業(yè)系統(tǒng)轉(zhuǎn)化：傳統(tǒng)以工藝為核心相關(guān)專業(yè)資源環(huán)境市場經(jīng)濟(jì)材料科學(xué)生物生態(tài)學(xué)電子電氣自動(dòng)控制社會(huì)問題化 學(xué)水工業(yè)自動(dòng)化面臨的挑戰(zhàn)：水工業(yè)自動(dòng)化面臨的挑戰(zhàn)：我國各行業(yè)自動(dòng)化水平比發(fā)達(dá)國家晚我國各行業(yè)自動(dòng)化水平比發(fā)達(dá)國家晚20-3020-30年，年，水工業(yè)自動(dòng)化比其它行業(yè)還要落后水工業(yè)自動(dòng)化比其它行業(yè)還要落后1010年；年；引進(jìn)的昂貴儀表和先進(jìn)技術(shù)不知如何發(fā)揮作用引進(jìn)的昂貴儀表和先進(jìn)技術(shù)不知如何發(fā)揮作用? ?水工業(yè)的綜合自動(dòng)化的核心是什么？水工業(yè)的綜合自動(dòng)化的

5、核心是什么？我們需要建立怎樣的自動(dòng)控制系統(tǒng)？我們需要建立怎樣的自動(dòng)控制系統(tǒng)？水工業(yè)對(duì)自動(dòng)化控制的總體要求：水工業(yè)對(duì)自動(dòng)化控制的總體要求：極強(qiáng)的應(yīng)變能力：極強(qiáng)的應(yīng)變能力：現(xiàn)代水處理工程必須有很強(qiáng)的對(duì)處理對(duì)象的快速變化的響應(yīng)現(xiàn)代水處理工程必須有很強(qiáng)的對(duì)處理對(duì)象的快速變化的響應(yīng)能力；對(duì)核心技術(shù)的支持能力；對(duì)風(fēng)險(xiǎn)的應(yīng)變能力。能力；對(duì)核心技術(shù)的支持能力；對(duì)風(fēng)險(xiǎn)的應(yīng)變能力。極強(qiáng)的應(yīng)變速度：極強(qiáng)的應(yīng)變速度：對(duì)陳舊落后的工藝和設(shè)備要盡快革新；淘汰老朽監(jiān)測儀器，對(duì)陳舊落后的工藝和設(shè)備要盡快革新；淘汰老朽監(jiān)測儀器，加快信息快速整合；加強(qiáng)網(wǎng)絡(luò)建設(shè)，在線及時(shí)把握現(xiàn)場狀態(tài)；加快信息快速整合；加強(qiáng)網(wǎng)絡(luò)建設(shè)，在線及時(shí)把握現(xiàn)

6、場狀態(tài)；系統(tǒng)對(duì)異常情況要有快速反應(yīng)。系統(tǒng)對(duì)異常情況要有快速反應(yīng)。極強(qiáng)的求知力度：極強(qiáng)的求知力度：增強(qiáng)數(shù)據(jù)和信息資源的處理和應(yīng)用能力，數(shù)據(jù)資源的提煉能增強(qiáng)數(shù)據(jù)和信息資源的處理和應(yīng)用能力，數(shù)據(jù)資源的提煉能力，成熟知識(shí)的模型和實(shí)際轉(zhuǎn)化能力，支持市場競爭的決策力，成熟知識(shí)的模型和實(shí)際轉(zhuǎn)化能力，支持市場競爭的決策能力。能力。1 什么是自動(dòng)控制？什么是自動(dòng)控制？2 發(fā)展與趨勢：發(fā)展與趨勢：發(fā)展過程發(fā)展過程時(shí)代時(shí)代時(shí)間時(shí)間任務(wù)的需要任務(wù)的需要理論依據(jù)理論依據(jù)技術(shù)工具應(yīng)用技術(shù)工具應(yīng)用原始控制原始控制理論（經(jīng)理論（經(jīng)驗(yàn)總結(jié)）驗(yàn)總結(jié)）十二世紀(jì)十二世紀(jì)航海交通航海交通磁場（萌芽）磁場（萌芽）指南針、指南車指南針、指

7、南車1756年年工業(yè)革命工業(yè)革命工業(yè)應(yīng)用工業(yè)應(yīng)用傳統(tǒng)機(jī)械原理傳統(tǒng)機(jī)械原理蒸汽機(jī)蒸汽機(jī)1930s系統(tǒng)穩(wěn)定性系統(tǒng)穩(wěn)定性微分方程解析微分方程解析基地式大尺寸儀表基地式大尺寸儀表經(jīng)典控制經(jīng)典控制理論（來理論（來自工程界）自工程界）1940s需要的領(lǐng)域在拓寬需要的領(lǐng)域在拓寬頻域法（頻響法）頻域法（頻響法）根軌跡法根軌跡法小型化儀表小型化儀表1950s工業(yè)發(fā)展需要復(fù)雜工業(yè)發(fā)展需要復(fù)雜控制系統(tǒng)控制系統(tǒng)復(fù)雜微分方程解復(fù)雜微分方程解析析單元組合儀表單元組合儀表現(xiàn)代控制現(xiàn)代控制理論理論（來自數(shù)（來自數(shù)學(xué)家）學(xué)家）1960s航空、航天、軍事航空、航天、軍事極小值理論極小值理論動(dòng)態(tài)規(guī)劃動(dòng)態(tài)規(guī)劃小型化遠(yuǎn)程化小型化遠(yuǎn)程化

8、計(jì)算機(jī)應(yīng)用計(jì)算機(jī)應(yīng)用1970s工業(yè)發(fā)展工業(yè)發(fā)展軍事發(fā)展軍事發(fā)展簡單復(fù)雜多變簡單復(fù)雜多變量量智能控制理論智能控制理論最優(yōu)化控制最優(yōu)化控制微處理器微處理器單片機(jī)單片機(jī)PLCDCS1970s以后以后深度廣度擴(kuò)展深度廣度擴(kuò)展廣泛的商用廣泛的商用智能控制理論智能控制理論檢測、控制管理檢測、控制管理相結(jié)合相結(jié)合高精度儀表高精度儀表高度集成芯片高度集成芯片3 自動(dòng)控制系統(tǒng)的構(gòu)成自動(dòng)控制系統(tǒng)的構(gòu)成液位人工控制操作液位人工控制操作液位人工控制過程液位人工控制過程液位自動(dòng)控制液位自動(dòng)控制液位自動(dòng)控制液位自動(dòng)控制進(jìn)廠污水 粗格柵 污水泵房 細(xì)格柵 沉砂池 A2/O 反應(yīng)池 UV 消毒 剩余污泥 鼓風(fēng)機(jī)房 排放 污泥

9、脫水車間 泥餅外運(yùn) 自動(dòng)控制構(gòu)成自動(dòng)控制構(gòu)成控制對(duì)象、測量變送器、控制器、執(zhí)行裝置控制對(duì)象、測量變送器、控制器、執(zhí)行裝置自動(dòng)控制系統(tǒng)方塊圖自動(dòng)控制系統(tǒng)方塊圖控制對(duì)象：控制對(duì)象：在生產(chǎn)過程中被控制的反應(yīng)構(gòu)筑物或生產(chǎn)設(shè)備，可在生產(chǎn)過程中被控制的反應(yīng)構(gòu)筑物或生產(chǎn)設(shè)備，可指各種裝置、設(shè)備、反應(yīng)器，或反應(yīng)系統(tǒng)中某一相關(guān)部分。指各種裝置、設(shè)備、反應(yīng)器，或反應(yīng)系統(tǒng)中某一相關(guān)部分。被控參數(shù)被控參數(shù)y y：按工藝要求對(duì)某些參數(shù)進(jìn)行調(diào)節(jié)控制。按工藝要求對(duì)某些參數(shù)進(jìn)行調(diào)節(jié)控制。給水處理：流量、液位、濁度、余氯、壓力、給水處理：流量、液位、濁度、余氯、壓力、污水處理：污水處理：DODO、MLSSMLSS、CODCOD

10、、BODBOD、SSSS、NHNH3 3NN、TPTP干擾干擾f f：破壞系統(tǒng)平衡，引起被控參數(shù)變化的外界因素。破壞系統(tǒng)平衡，引起被控參數(shù)變化的外界因素。常見階躍干擾：常見階躍干擾：調(diào)節(jié)器輸出調(diào)節(jié)器輸出P P：遵照工藝規(guī)律，按一定控制算法，得到的控制遵照工藝規(guī)律，按一定控制算法，得到的控制調(diào)節(jié)作用的電信號(hào)或其它信號(hào)。調(diào)節(jié)作用的電信號(hào)或其它信號(hào)?？刂谱饔每刂谱饔胵 q：為克服干擾所采取的手段，所用介質(zhì)為控制介質(zhì)。為克服干擾所采取的手段，所用介質(zhì)為控制介質(zhì)。傳感器與傳感器與變送器：變送器：直接感受被測參數(shù)變化的裝置直接感受被測參數(shù)變化的裝置膜電極反應(yīng)膜電極反應(yīng)電磁感應(yīng)電磁感應(yīng)光感量變化光感量變化超

11、聲波感應(yīng)接受超聲波感應(yīng)接受電動(dòng)勢電動(dòng)勢位移位移將感應(yīng)信號(hào)變?yōu)闃?biāo)準(zhǔn)信號(hào)的元件或裝置將感應(yīng)信號(hào)變?yōu)闃?biāo)準(zhǔn)信號(hào)的元件或裝置傳感器與變送器可以合裝或分裝：傳感器與變送器可以合裝或分裝：傳感器與變送器組合傳感器與變送器組合傳感器與變送器分裝傳感器與變送器分裝測量值測量值z z：變送器的輸出值變送器的輸出值常用常用4-20mA4-20mA，負(fù)載小于，負(fù)載小于600600歐歐DO：2-3mg/L風(fēng)壓：65 kPa 沉淀出水: 10 NTU.設(shè)定值設(shè)定值x x：設(shè)定工藝參數(shù)的預(yù)期值，或期望值設(shè)定工藝參數(shù)的預(yù)期值，或期望值電流信號(hào)：4-20mA, 0-10mA電壓信號(hào)：0-5V,0-10V,-5-+5V氣壓信號(hào)：

12、20-100kPa偏差值偏差值e e：設(shè)定值與測量值的偏差，設(shè)定值與測量值的偏差，e=x-ze=x-z偏差速率偏差速率e ec c：偏差值的變化速率，偏差值的變化速率， e ec c =de/dt=de/dt執(zhí)行裝置：執(zhí)行裝置：執(zhí)行指令，實(shí)現(xiàn)控制調(diào)節(jié)的裝置執(zhí)行指令，實(shí)現(xiàn)控制調(diào)節(jié)的裝置控制回路構(gòu)成控制回路構(gòu)成輸出信號(hào)引回到輸入端，通過反饋構(gòu)成控制回路輸出信號(hào)引回到輸入端，通過反饋構(gòu)成控制回路x xy z e p q yy z e p q y4. 工藝管道及控制流程圖工藝管道及控制流程圖工藝研究或工程設(shè)計(jì)的控制方案，最終形成工藝研究或工程設(shè)計(jì)的控制方案，最終形成PID（Process &

13、Instrument Diagram）圖。圖。控制方案包括：測量參數(shù)選擇，測量點(diǎn)選擇、自動(dòng)信號(hào)作控制方案包括：測量參數(shù)選擇，測量點(diǎn)選擇、自動(dòng)信號(hào)作用、控制方式確定。用、控制方式確定?；げ啃袠I(yè)標(biāo)準(zhǔn)：化工部行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)：過程檢測和控制系統(tǒng)用文字代號(hào)和圖過程檢測和控制系統(tǒng)用文字代號(hào)和圖形符號(hào)形符號(hào)HG20505-92HG20505-92國家標(biāo)準(zhǔn)：國家標(biāo)準(zhǔn)： 過程檢測和控制系統(tǒng)用圖形符號(hào)和文字代號(hào)過程檢測和控制系統(tǒng)用圖形符號(hào)和文字代號(hào) GB2625-81GB2625-81PIDPID圖：圖：PIDPID圖自控系統(tǒng)部分主要有：圖形符號(hào)、字母代號(hào)、儀表圖自控系統(tǒng)部分主要有：圖形符號(hào)、字母代號(hào)、儀表位號(hào)及各種

14、信號(hào)連線組成。位號(hào)及各種信號(hào)連線組成。圖形符號(hào)：圖形符號(hào)：測量點(diǎn)、連接線、儀表符號(hào)測量點(diǎn)、連接線、儀表符號(hào)就地儀表盤面安裝就地儀表盤面安裝儀表就地安裝儀表就地安裝集中儀表盤后安裝集中儀表盤后安裝集中儀表盤面安裝集中儀表盤面安裝字母代號(hào)：字母代號(hào)：儀表圈內(nèi)兩儀表圈內(nèi)兩位或兩位以位或兩位以上的字母所上的字母所代表的被測代表的被測變量及儀表變量及儀表功能。功能。注意圈外字注意圈外字母。母。儀表位號(hào)：儀表位號(hào)：每個(gè)儀表都應(yīng)有自己的儀表位號(hào)，由字母組每個(gè)儀表都應(yīng)有自己的儀表位號(hào)，由字母組合和數(shù)字標(biāo)號(hào)構(gòu)成，數(shù)字一般分兩段，第一段表示處理合和數(shù)字標(biāo)號(hào)構(gòu)成，數(shù)字一般分兩段，第一段表示處理工段號(hào)，后續(xù)數(shù)字表示儀

15、表序號(hào)。工段號(hào)，后續(xù)數(shù)字表示儀表序號(hào)。 如：如：LDRCLDRC010301035 自動(dòng)控制系統(tǒng)分類自動(dòng)控制系統(tǒng)分類信息傳遞特點(diǎn)：信息傳遞特點(diǎn)： 閉環(huán)控制、開環(huán)控制、復(fù)合環(huán)路控制閉環(huán)控制、開環(huán)控制、復(fù)合環(huán)路控制按系統(tǒng)性能：按系統(tǒng)性能： 線性系統(tǒng)與非線性系統(tǒng)，定常系統(tǒng)與時(shí)變系統(tǒng)、確定性系統(tǒng)與不確定線性系統(tǒng)與非線性系統(tǒng)，定常系統(tǒng)與時(shí)變系統(tǒng)、確定性系統(tǒng)與不確定性系統(tǒng)性系統(tǒng)輸入量的形式：輸入量的形式： 恒值控制系統(tǒng)、隨動(dòng)控制系統(tǒng)、程序控制系統(tǒng)恒值控制系統(tǒng)、隨動(dòng)控制系統(tǒng)、程序控制系統(tǒng)元件類型：元件類型： 機(jī)械系統(tǒng)、電氣系統(tǒng)、液壓系統(tǒng)、氣動(dòng)系統(tǒng)等機(jī)械系統(tǒng)、電氣系統(tǒng)、液壓系統(tǒng)、氣動(dòng)系統(tǒng)等系統(tǒng)功能：系統(tǒng)功能：

16、 溫度控制系統(tǒng)、壓力控制系統(tǒng)、位置控制系統(tǒng)等溫度控制系統(tǒng)、壓力控制系統(tǒng)、位置控制系統(tǒng)等簡單復(fù)雜程度：簡單復(fù)雜程度： 簡單控制系統(tǒng)、復(fù)雜控制系統(tǒng)、智能控制系統(tǒng)等簡單控制系統(tǒng)、復(fù)雜控制系統(tǒng)、智能控制系統(tǒng)等（1 1）閉環(huán)控制（反饋控制）系統(tǒng)）閉環(huán)控制（反饋控制）系統(tǒng) 據(jù)被控量與給定值的偏差進(jìn)行控制，最終達(dá)到消除或減少偏差，據(jù)被控量與給定值的偏差進(jìn)行控制，最終達(dá)到消除或減少偏差，反饋控制系統(tǒng)的優(yōu)點(diǎn)是能縮小或消除偏差，無論偏差的根源何在，反饋控制系統(tǒng)的優(yōu)點(diǎn)是能縮小或消除偏差，無論偏差的根源何在，他們都可以工作，具有普遍的適應(yīng)性。缺點(diǎn)是比較被動(dòng)。他們都可以工作，具有普遍的適應(yīng)性。缺點(diǎn)是比較被動(dòng)。反饋控制系

17、統(tǒng)方塊圖反饋控制系統(tǒng)方塊圖給水處理系統(tǒng)中的濾后加氯系統(tǒng)，對(duì)余氯量控制要求高，通常給水處理系統(tǒng)中的濾后加氯系統(tǒng)，對(duì)余氯量控制要求高，通常采用反饋控制或復(fù)合環(huán)路控制。采用反饋控制或復(fù)合環(huán)路控制。反饋控制系統(tǒng)實(shí)例反饋控制系統(tǒng)實(shí)例曝氣池曝氣池DODO控制：控制：DODO調(diào)節(jié)曝氣閥，閥門開度影響總管壓力，總調(diào)節(jié)曝氣閥，閥門開度影響總管壓力，總管壓力調(diào)節(jié)鼓風(fēng)機(jī)導(dǎo)葉片：管壓力調(diào)節(jié)鼓風(fēng)機(jī)導(dǎo)葉片：高速單級(jí)鼓風(fēng)機(jī)曝氣系統(tǒng)的組成高速單級(jí)鼓風(fēng)機(jī)曝氣系統(tǒng)的組成 旁通消音器 旁通閥 生化處理系統(tǒng) 過濾器 進(jìn)風(fēng)消音器 鼓風(fēng)機(jī) 空氣總管 調(diào)節(jié)閥 曝氣擴(kuò)散裝置 進(jìn)口導(dǎo)葉片調(diào)節(jié) 出口導(dǎo)葉片調(diào)節(jié) 壓力 DO 鼓風(fēng)機(jī)控制系統(tǒng) 呼吸速

18、率反饋控制：直接控制曝氣流量；呼吸速率反饋控制：直接控制曝氣流量；呼吸速率串級(jí)反饋控制：改變呼吸速率串級(jí)反饋控制：改變DODO控制的設(shè)定值。控制的設(shè)定值。反饋控制系統(tǒng)實(shí)例反饋控制系統(tǒng)實(shí)例（2 2）開環(huán)控制系統(tǒng)）開環(huán)控制系統(tǒng)按給定值控制按給定值控制：受控對(duì)象是被控量，但：受控對(duì)象是被控量，但控制裝置僅接受給定值，信號(hào)只有傾向作用，無反向聯(lián)系?？刂蒲b置僅接受給定值，信號(hào)只有傾向作用，無反向聯(lián)系。開環(huán)控制系統(tǒng)方塊圖開環(huán)控制系統(tǒng)方塊圖（2 2）開環(huán)控制系統(tǒng)）開環(huán)控制系統(tǒng)按干擾補(bǔ)償（前饋控制）按干擾補(bǔ)償（前饋控制）：直接根據(jù)擾：直接根據(jù)擾動(dòng)進(jìn)行工作，擾動(dòng)是控制的依據(jù)，沒有被控量的反饋，不構(gòu)成動(dòng)進(jìn)行工作，

19、擾動(dòng)是控制的依據(jù)，沒有被控量的反饋，不構(gòu)成閉合環(huán)路，屬開環(huán)控制，優(yōu)點(diǎn)是能針對(duì)擾動(dòng)迅速改變被控量閉合環(huán)路，屬開環(huán)控制，優(yōu)點(diǎn)是能針對(duì)擾動(dòng)迅速改變被控量。前饋控制系統(tǒng)前饋控制系統(tǒng)方塊圖方塊圖了解擾動(dòng)特性了解擾動(dòng)特性消除擾動(dòng)效應(yīng)消除擾動(dòng)效應(yīng)給水處理系統(tǒng)中的預(yù)加氯系統(tǒng)，對(duì)余氯量要求不高，通常采用給水處理系統(tǒng)中的預(yù)加氯系統(tǒng)，對(duì)余氯量要求不高，通常采用前饋控制。前饋控制。前饋控制系統(tǒng)實(shí)例前饋控制系統(tǒng)實(shí)例（3 3）復(fù)合環(huán)路控制系統(tǒng)）復(fù)合環(huán)路控制系統(tǒng)反饋控制系統(tǒng)中加入擾動(dòng)前饋控制。反饋控制系統(tǒng)中加入擾動(dòng)前饋控制。復(fù)合環(huán)路控制系統(tǒng)方塊圖復(fù)合環(huán)路控制系統(tǒng)方塊圖復(fù)合環(huán)路控制系統(tǒng)中典型的應(yīng)用：復(fù)合環(huán)路控制系統(tǒng)中典型的應(yīng)

20、用：復(fù)合環(huán)路控制系統(tǒng)實(shí)例復(fù)合環(huán)路控制系統(tǒng)實(shí)例（4 4）線性控制系統(tǒng)）線性控制系統(tǒng)（linear control systems） 線性系統(tǒng)的狀態(tài)變量線性系統(tǒng)的狀態(tài)變量( (或輸出變量或輸出變量) )與輸入變量間的因果關(guān)系可用一組線性與輸入變量間的因果關(guān)系可用一組線性微分方程或差分方程來描述，這種方程稱為系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型，狀態(tài)變量和微分方程或差分方程來描述，這種方程稱為系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型，狀態(tài)變量和輸出變量對(duì)于所有可能的輸入變量和初始狀態(tài)都滿足疊加原理的系統(tǒng)。輸出變量對(duì)于所有可能的輸入變量和初始狀態(tài)都滿足疊加原理的系統(tǒng)。 作為疊加性質(zhì)的直接結(jié)果，線性系統(tǒng)的一個(gè)重要性質(zhì)是系統(tǒng)的響應(yīng)可以作為疊加性質(zhì)的直接

21、結(jié)果，線性系統(tǒng)的一個(gè)重要性質(zhì)是系統(tǒng)的響應(yīng)可以分解為兩個(gè)部分：狀態(tài)響應(yīng)和輸入響應(yīng)，前者指由非零初始狀態(tài)所引起的分解為兩個(gè)部分：狀態(tài)響應(yīng)和輸入響應(yīng)，前者指由非零初始狀態(tài)所引起的響應(yīng)；后者則指由輸入引起的響應(yīng)。兩者可分別計(jì)算。這一性質(zhì)為線性系響應(yīng)；后者則指由輸入引起的響應(yīng)。兩者可分別計(jì)算。這一性質(zhì)為線性系統(tǒng)的分析和研究帶來很大方便。統(tǒng)的分析和研究帶來很大方便。 嚴(yán)格地說，實(shí)際的物理系統(tǒng)都不可能是線性系統(tǒng)。但是，通過近似處理嚴(yán)格地說，實(shí)際的物理系統(tǒng)都不可能是線性系統(tǒng)。但是，通過近似處理和合理簡化，大量的物理系統(tǒng)都可在足夠準(zhǔn)確的意義下和一定的范圍內(nèi)視和合理簡化，大量的物理系統(tǒng)都可在足夠準(zhǔn)確的意義下和一定

22、的范圍內(nèi)視為線性系統(tǒng)進(jìn)行分析。例如一個(gè)電子放大器，在小信號(hào)下就可以看作是一為線性系統(tǒng)進(jìn)行分析。例如一個(gè)電子放大器，在小信號(hào)下就可以看作是一個(gè)線性放大器，只是在大范圍時(shí)才需要考慮其飽和特性即非線性特性。線個(gè)線性放大器，只是在大范圍時(shí)才需要考慮其飽和特性即非線性特性。線性系統(tǒng)的理論比較完整，也便于應(yīng)用，所以有時(shí)對(duì)非線性系統(tǒng)也近似地用性系統(tǒng)的理論比較完整，也便于應(yīng)用，所以有時(shí)對(duì)非線性系統(tǒng)也近似地用線性系統(tǒng)來處理。線性系統(tǒng)來處理。（5 5）非線性控制系統(tǒng)）非線性控制系統(tǒng)（nonlinear control systems）狀態(tài)變量和輸出變量相對(duì)于輸入變量的運(yùn)動(dòng)特性不能用線性關(guān)狀態(tài)變量和輸出變量相對(duì)于輸

23、入變量的運(yùn)動(dòng)特性不能用線性關(guān)系描述的控制系統(tǒng)。非線性控制系統(tǒng)的形成基于兩類原因，一系描述的控制系統(tǒng)。非線性控制系統(tǒng)的形成基于兩類原因，一是被控系統(tǒng)中包含有不能忽略的非線性因素，二是為提高控制是被控系統(tǒng)中包含有不能忽略的非線性因素，二是為提高控制性能或簡化控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)而人為地采用非線性元件。性能或簡化控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)而人為地采用非線性元件。非線性系統(tǒng)的分析遠(yuǎn)比線性系統(tǒng)為復(fù)雜，缺乏能統(tǒng)一處理的有非線性系統(tǒng)的分析遠(yuǎn)比線性系統(tǒng)為復(fù)雜，缺乏能統(tǒng)一處理的有效數(shù)學(xué)工具。效數(shù)學(xué)工具。通常只限于考慮：通常只限于考慮：系統(tǒng)是否穩(wěn)定；系統(tǒng)是否穩(wěn)定；系統(tǒng)是否產(chǎn)生自激振蕩及其振幅和頻率的測算方法；系統(tǒng)是否產(chǎn)生自激振蕩及其振

24、幅和頻率的測算方法；如何限制自激振蕩的幅值以至消除它。如何限制自激振蕩的幅值以至消除它。（6 6）恒值控制系統(tǒng)）恒值控制系統(tǒng) 控制系統(tǒng)的輸入量是一個(gè)常值，要求被控量也是一個(gè)常值，控制系統(tǒng)的輸入量是一個(gè)常值，要求被控量也是一個(gè)常值，如果被控量是生產(chǎn)過程的參量時(shí)，稱為過程控制系統(tǒng)。如果被控量是生產(chǎn)過程的參量時(shí)，稱為過程控制系統(tǒng)。系統(tǒng)的重點(diǎn)是克服干擾，研究抗擾動(dòng)措施。系統(tǒng)的重點(diǎn)是克服干擾，研究抗擾動(dòng)措施。 曝氣池曝氣池DODO控制系統(tǒng)；控制系統(tǒng)； 曝氣池曝氣池MLSSMLSS定值控制系統(tǒng)；定值控制系統(tǒng)； 出水出水CODCOD、氨氮、氨氮、TPTP等控制系統(tǒng)；等控制系統(tǒng)； 沉淀池濁度、濾池出水濁度控制

25、系統(tǒng)；沉淀池濁度、濾池出水濁度控制系統(tǒng)； 出廠水余氯、壓力控制系統(tǒng)等出廠水余氯、壓力控制系統(tǒng)等（7 7）隨動(dòng)控制系統(tǒng)）隨動(dòng)控制系統(tǒng) 輸入量是預(yù)先未知的隨時(shí)間任意變化的函數(shù)，要求被控量輸入量是預(yù)先未知的隨時(shí)間任意變化的函數(shù)，要求被控量以盡可能小的誤差跟隨給定量的變化，又稱跟蹤系統(tǒng)。以盡可能小的誤差跟隨給定量的變化，又稱跟蹤系統(tǒng)。 研究被控量跟隨的快速性和準(zhǔn)確性。研究被控量跟隨的快速性和準(zhǔn)確性。5219.141607. 53386. 01704. 0321耗氧量濁度溫度XXXyY=QyY=Qy如：自來水廠加藥量控制數(shù)學(xué)模型：如：自來水廠加藥量控制數(shù)學(xué)模型：蘇州胥江水廠加藥數(shù)學(xué)模型蘇州胥江水廠加藥數(shù)

26、學(xué)模型（8 8）程序控制系統(tǒng)）程序控制系統(tǒng) 輸入量是按預(yù)定規(guī)律隨時(shí)間變化的函數(shù)，要求被控量迅速輸入量是按預(yù)定規(guī)律隨時(shí)間變化的函數(shù)，要求被控量迅速準(zhǔn)確地加以復(fù)現(xiàn)。準(zhǔn)確地加以復(fù)現(xiàn)。 自動(dòng)生產(chǎn)流水線；自動(dòng)生產(chǎn)流水線； 時(shí)間控制的濾池沖洗過程：時(shí)間控制的濾池沖洗過程：（9 9）簡單控制系統(tǒng)）簡單控制系統(tǒng)單輸入單輸出單輸入單輸出SISOSISO控制系統(tǒng)控制系統(tǒng)溫度控制系統(tǒng)溫度控制系統(tǒng)溫度變化：溫度變化：流量變化、入口溫度、流量變化、入口溫度、蒸氣溫度、蒸氣壓力蒸氣溫度、蒸氣壓力對(duì)控制器：對(duì)控制器：單輸入溫度信號(hào)；單輸入溫度信號(hào)；單輸出控制閥開度單輸出控制閥開度（1010）復(fù)雜控制系統(tǒng)）復(fù)雜控制系統(tǒng)1 1

27、）串級(jí)控制系統(tǒng)）串級(jí)控制系統(tǒng)控制器相串聯(lián)，一個(gè)控制器的輸出作為另一控制器的設(shè)定值控制器相串聯(lián)，一個(gè)控制器的輸出作為另一控制器的設(shè)定值串級(jí)控制系統(tǒng)串級(jí)控制系統(tǒng)1 1）串級(jí)控制系統(tǒng)）串級(jí)控制系統(tǒng)串級(jí)控制系統(tǒng)框圖串級(jí)控制系統(tǒng)框圖串級(jí)控制系統(tǒng)框圖串級(jí)控制系統(tǒng)框圖2 2）均勻控制系統(tǒng)）均勻控制系統(tǒng)兼顧兩個(gè)控制變量的系統(tǒng)，如液位和流量，流量和溫度等兼顧兩個(gè)控制變量的系統(tǒng)，如液位和流量，流量和溫度等單液位或單流量控制系統(tǒng)單液位或單流量控制系統(tǒng)單液位或單流量控制時(shí)液位流量變化單液位或單流量控制時(shí)液位流量變化2 2）均勻控制系統(tǒng)）均勻控制系統(tǒng)均勻控制三種方案均勻控制三種方案均勻控制系統(tǒng)液位和流量變化過程均勻控制

28、系統(tǒng)液位和流量變化過程積分液位控制積分液位控制液位對(duì)流量串級(jí)控制液位對(duì)流量串級(jí)控制液位和流量之差作為設(shè)定值液位和流量之差作為設(shè)定值3 3）比值控制系統(tǒng)）比值控制系統(tǒng)控制兩個(gè)變量的比值，通常為兩個(gè)流量控制兩個(gè)變量的比值，通常為兩個(gè)流量單閉環(huán)比值控制系統(tǒng)單閉環(huán)比值控制系統(tǒng)單閉環(huán)比值控制系統(tǒng)：只有一個(gè)控制回路：隨動(dòng)系統(tǒng)和比值系統(tǒng)單閉環(huán)比值控制系統(tǒng)：只有一個(gè)控制回路：隨動(dòng)系統(tǒng)和比值系統(tǒng)雙閉環(huán)比值控制系統(tǒng)雙閉環(huán)比值控制系統(tǒng)雙閉環(huán)比值控制系統(tǒng)：兩個(gè)控制回路：隨動(dòng)系統(tǒng)和比值系統(tǒng)雙閉環(huán)比值控制系統(tǒng)：兩個(gè)控制回路：隨動(dòng)系統(tǒng)和比值系統(tǒng)變比值控制系統(tǒng)變比值控制系統(tǒng)變比值控制系統(tǒng)：一個(gè)控制器給出，通常也只有一個(gè)控制回

29、路變比值控制系統(tǒng)：一個(gè)控制器給出，通常也只有一個(gè)控制回路4 4）分程控制系統(tǒng)）分程控制系統(tǒng)一個(gè)控制器的輸出同時(shí)送往兩個(gè)或更多的執(zhí)行器，各個(gè)執(zhí)行器一個(gè)控制器的輸出同時(shí)送往兩個(gè)或更多的執(zhí)行器，各個(gè)執(zhí)行器的工作范圍不同。的工作范圍不同。分程控制系統(tǒng)分程控制系統(tǒng)目的：不同工況需要不同控制；擴(kuò)大可調(diào)范圍目的：不同工況需要不同控制；擴(kuò)大可調(diào)范圍5 5）選擇性控制系統(tǒng)）選擇性控制系統(tǒng)在控制回路中引入選擇器的控制系統(tǒng)。在控制回路中引入選擇器的控制系統(tǒng)。測量值的選擇測量值的選擇據(jù)選擇器的位置據(jù)選擇器的位置位于幾個(gè)檢測器與一個(gè)執(zhí)行器之間位于幾個(gè)檢測器與一個(gè)執(zhí)行器之間位于兩個(gè)控制器與一個(gè)執(zhí)行器之間位于兩個(gè)控制器與一

30、個(gè)執(zhí)行器之間利用選擇器實(shí)行非線性控制規(guī)律利用選擇器實(shí)行非線性控制規(guī)律選擇器位于兩個(gè)控制器與一個(gè)執(zhí)行器之間選擇器位于兩個(gè)控制器與一個(gè)執(zhí)行器之間氨冷設(shè)備控制方案氨冷設(shè)備控制方案溫度控制器調(diào)節(jié)閥的開度，液位達(dá)到界限值時(shí)，液位控制輸出下降，溫度控制器調(diào)節(jié)閥的開度，液位達(dá)到界限值時(shí)，液位控制輸出下降，減少液氨進(jìn)入，液位恢復(fù)后再選擇溫度控制器減少液氨進(jìn)入，液位恢復(fù)后再選擇溫度控制器四個(gè)因素控制過濾進(jìn)水泵的運(yùn)行四個(gè)因素控制過濾進(jìn)水泵的運(yùn)行過濾進(jìn)水泵受進(jìn)水箱低液位控制、回用水箱高液位控制、出水濁度上過濾進(jìn)水泵受進(jìn)水箱低液位控制、回用水箱高液位控制、出水濁度上限控制、過濾器壓力上限控制。限控制、過濾器壓力上限控

31、制。過濾進(jìn)水控制系統(tǒng)過濾進(jìn)水控制系統(tǒng)位于幾個(gè)檢測器與一個(gè)執(zhí)行器之間位于幾個(gè)檢測器與一個(gè)執(zhí)行器之間選擇測量值選擇測量值實(shí)現(xiàn)被控變量的選點(diǎn)，可取最高、最低或平均值實(shí)現(xiàn)被控變量的選點(diǎn)，可取最高、最低或平均值利用選擇器實(shí)行非線性控制規(guī)律利用選擇器實(shí)行非線性控制規(guī)律加熱用蒸汽流量上下限幅加熱用蒸汽流量上下限幅限幅器用于控制被控參數(shù)的上下限值限幅器用于控制被控參數(shù)的上下限值6 6）雙重閥位控制系統(tǒng)）雙重閥位控制系統(tǒng)一個(gè)被控參數(shù)，采用兩個(gè)（或多個(gè)）操作變量雙重控制系統(tǒng)。一個(gè)被控參數(shù)，采用兩個(gè)（或多個(gè)）操作變量雙重控制系統(tǒng)。改變進(jìn)料閥改變進(jìn)料閥3 3作為操作變量，作為操作變量，有效快速，但影響產(chǎn)量有效快速，但

32、影響產(chǎn)量噴霧干燥控制系統(tǒng)噴霧干燥控制系統(tǒng)溫度雙重控制系統(tǒng)溫度雙重控制系統(tǒng)改變旁通流量，響應(yīng)速度快；改變旁通流量，響應(yīng)速度快；載熱體流量在工藝上更合適載熱體流量在工藝上更合適雙重控制系統(tǒng)：雙重控制系統(tǒng)：“急先治標(biāo)，緩再治本急先治標(biāo)，緩再治本”雙重閥位控制系統(tǒng)有兩個(gè)控制雙重閥位控制系統(tǒng)有兩個(gè)控制通道，迅速消除偏差靠通道，迅速消除偏差靠u u1 1 ，最終建立穩(wěn)定靠最終建立穩(wěn)定靠u u2 2。雙重閥位控制系統(tǒng)框圖雙重閥位控制系統(tǒng)框圖自動(dòng)控制環(huán)節(jié)的特征對(duì)控制過程影響自動(dòng)控制環(huán)節(jié)的特征對(duì)控制過程影響?為達(dá)一定控制要求，怎么構(gòu)成控制回路為達(dá)一定控制要求，怎么構(gòu)成控制回路？選擇怎樣的控制器特性？選擇怎樣的控

33、制器特性？如何設(shè)計(jì)自動(dòng)控制程序？如何設(shè)計(jì)自動(dòng)控制程序？環(huán)節(jié)特征與傳遞函數(shù)環(huán)節(jié)特征與傳遞函數(shù)6 6 方塊圖與傳遞函數(shù)方塊圖與傳遞函數(shù)傳遞函數(shù)：用來描述環(huán)節(jié)或自動(dòng)控制系統(tǒng)的特征傳遞函數(shù)：用來描述環(huán)節(jié)或自動(dòng)控制系統(tǒng)的特征方塊圖與傳遞函數(shù)方塊圖與傳遞函數(shù)控制環(huán)節(jié)（控制器）輸入輸入輸出輸出控制環(huán)節(jié)（控制器）輸入輸入輸出輸出輸入輸入輸出輸出控制環(huán)節(jié)的數(shù)學(xué)特征控制環(huán)節(jié)的數(shù)學(xué)特征cuCqdtCdudtdqicccciuRiucicuuRCdtdu1TtRCtceEeEu11微分方程表述控制環(huán)節(jié)，復(fù)雜且求解麻煩，常用拉氏變換來微分方程表述控制環(huán)節(jié)，復(fù)雜且求解麻煩，常用拉氏變換來簡化數(shù)學(xué)過程。簡化數(shù)學(xué)過程。拉氏變

34、換：微分積分函數(shù)轉(zhuǎn)化為代數(shù)冪函數(shù)；拉氏變換：微分積分函數(shù)轉(zhuǎn)化為代數(shù)冪函數(shù)； 將微分方程轉(zhuǎn)化為代數(shù)方程。將微分方程轉(zhuǎn)化為代數(shù)方程。)()(tfLFs)(1)(sFLft拉氏變換：拉氏變換：拉氏反變換：拉氏反變換：傅氏變換：傅氏變換：函數(shù)函數(shù) 連續(xù)且僅有有限個(gè)極值點(diǎn)，則周期函數(shù)連續(xù)且僅有有限個(gè)極值點(diǎn)，則周期函數(shù)在連續(xù)點(diǎn)處可展開為傅氏級(jí)數(shù)：在連續(xù)點(diǎn)處可展開為傅氏級(jí)數(shù)： 2,2TTtf 10)sincos(2nnnTtnbtnaatfT2dttfTaTTT)(2220tdtntfTaTTTncos)(222tdtntfTbTTTnsin)(222其中：其中：利用歐拉公式：利用歐拉公式：傅氏級(jí)數(shù)就可以轉(zhuǎn)

35、變?yōu)閺?fù)指數(shù)形式：傅氏級(jí)數(shù)就可以轉(zhuǎn)變?yōu)閺?fù)指數(shù)形式：2cosjjee22sinjjjjeejjee tjnTTjTTnnedefTtf 22)(1T非周期函數(shù)的傅氏級(jí)數(shù)復(fù)指數(shù)形式：非周期函數(shù)的傅氏級(jí)數(shù)復(fù)指數(shù)形式： 12jtjf tfeded)(G傅氏變換傅氏變換即：即： dtetfGtj)(傅氏變換傅氏變換 deGtftj21那么：那么：傅氏逆變換傅氏逆變換傅氏變換可化為：傅氏變換可化為：對(duì)其它函數(shù)可以進(jìn)行改造，滿足傅氏變換條件：對(duì)其它函數(shù)可以進(jìn)行改造，滿足傅氏變換條件： )(tt tett)( dteettGtjt0)()(變量替換：變量替換： dteettGtjt0)()( dtetfGtj)

36、(0)(sjjsdtetfsFGstjs 0)()(拉氏變換方法：拉氏變換方法：例：例：nttf)(dusesudtettLunnstnn1)(00101!1)(nunnnsndueustL將微分方程變?yōu)槔洗鷶?shù)方程的簡單步驟：將微分方程變?yōu)槔洗鷶?shù)方程的簡單步驟：1.用用X(s)，Y(s)代替代替x(t)，y(t)；2.用用s代替代替d/dt，s2代替代替d2/dt2；3.用用1/s代替代替 ；4.常數(shù)不變，即常數(shù)不變，即LAf(t)=AF(s)。dt簡單拉氏變換表：簡單拉氏變換表：cicuuRCdtdu1 sssYXRCsY1 )(11ssXRCsY傳遞函數(shù)傳遞函數(shù)(Transfer fu

37、nction)(Transfer function)的定義的定義傳遞函數(shù)：一個(gè)環(huán)節(jié)或一個(gè)自動(dòng)控制系統(tǒng)輸出拉氏變換與輸傳遞函數(shù)：一個(gè)環(huán)節(jié)或一個(gè)自動(dòng)控制系統(tǒng)輸出拉氏變換與輸入拉氏變換之比，稱為該系統(tǒng)或該環(huán)節(jié)的傳遞函數(shù)。入拉氏變換之比，稱為該系統(tǒng)或該環(huán)節(jié)的傳遞函數(shù)。)()()(sssXYG電容充電電路傳遞函數(shù)：電容充電電路傳遞函數(shù)： )(11ssXRCsY 11)(RCsXYGsss傳遞函數(shù)傳遞函數(shù)控制環(huán)節(jié)（控制器）輸入輸入輸出輸出X X(S)(S)Y Y(S)(S)1TsK7.1 7.1 比例環(huán)節(jié)（無慣性環(huán)節(jié)或放大環(huán)節(jié)）比例環(huán)節(jié)（無慣性環(huán)節(jié)或放大環(huán)節(jié)）7 7 典型環(huán)節(jié)及其傳遞函數(shù)典型環(huán)節(jié)及其傳遞函

38、數(shù)典型比例環(huán)節(jié)典型比例環(huán)節(jié) KXYGsss)(比例環(huán)節(jié)輸出量與輸入量成正比，比例環(huán)節(jié)輸出量與輸入量成正比，不失真不延滯。不失真不延滯。傳遞函數(shù)可反映控制系統(tǒng)的某個(gè)環(huán)節(jié)或整個(gè)系統(tǒng)的特征。傳遞函數(shù)可反映控制系統(tǒng)的某個(gè)環(huán)節(jié)或整個(gè)系統(tǒng)的特征?？刂葡到y(tǒng)方塊圖與傳遞函數(shù)控制系統(tǒng)方塊圖與傳遞函數(shù)7.2 7.2 一階環(huán)節(jié)（慣性環(huán)節(jié)）一階環(huán)節(jié)（慣性環(huán)節(jié)）一階環(huán)節(jié)實(shí)例一階環(huán)節(jié)實(shí)例當(dāng)環(huán)節(jié)的輸入量為階躍函數(shù)時(shí)，環(huán)當(dāng)環(huán)節(jié)的輸入量為階躍函數(shù)時(shí)，環(huán)節(jié)的輸出量將按指數(shù)曲線上升，具節(jié)的輸出量將按指數(shù)曲線上升，具有慣性。有慣性。 1)(TsKXYGsss輸入階躍變化時(shí)：輸入階躍變化時(shí)：11)(TsKATsKAsTsKATsKAT

39、sKAsYsATsKsY1)( sssXGY)(Atx)(sAsX)(拉氏變換拉氏變換TtTteKAeTKATKAsATsKLty111)(1拉氏逆變換：拉氏逆變換：TteTKAdtdy微分：微分：輸入階躍變化時(shí)：輸入階躍變化時(shí)：0( )tTtdyKAKAy tedtTT0ttKAty)(時(shí)間常數(shù)時(shí)間常數(shù)T T屬于環(huán)節(jié)的動(dòng)態(tài)參數(shù)，屬于環(huán)節(jié)的動(dòng)態(tài)參數(shù)，表征了環(huán)節(jié)的慣性。表征了環(huán)節(jié)的慣性。放大系數(shù)放大系數(shù)KK屬于環(huán)節(jié)的靜態(tài)參數(shù)，屬于環(huán)節(jié)的靜態(tài)參數(shù)，表示輸出信號(hào)穩(wěn)態(tài)值與表示輸出信號(hào)穩(wěn)態(tài)值與輸入信號(hào)的比值。輸入信號(hào)的比值。7.3 7.3 積分環(huán)節(jié)積分環(huán)節(jié)積分環(huán)節(jié)實(shí)例積分環(huán)節(jié)實(shí)例積分環(huán)節(jié)輸入階躍變化時(shí)，

40、輸出信號(hào)將等速地一直變化到最積分環(huán)節(jié)輸入階躍變化時(shí)，輸出信號(hào)將等速地一直變化到最大直至極限。大直至極限。積分環(huán)節(jié)輸出輸入關(guān)系及傳遞函數(shù)：積分環(huán)節(jié)輸出輸入關(guān)系及傳遞函數(shù)：積分環(huán)節(jié)輸出與輸入關(guān)系：積分環(huán)節(jié)輸出與輸入關(guān)系：積分環(huán)節(jié)傳遞函數(shù)：積分環(huán)節(jié)傳遞函數(shù)： sTKXYGisss)( dttxTKtyi)(Atx)(tATKtyi)( txTKdtdyiATKdtdyi輸入階躍變化時(shí)輸入階躍變化時(shí)輸出輸出變化速率：變化速率：積分環(huán)節(jié)階躍輸入與輸出：積分環(huán)節(jié)階躍輸入與輸出：比例系數(shù)比例系數(shù)KK與積分常數(shù)與積分常數(shù)Ti：tATKtyi)(比例系數(shù)比例系數(shù)K：靜態(tài)比例關(guān)系：靜態(tài)比例關(guān)系積分系數(shù)積分系數(shù)Ti

41、:Ti小，輸出變化速度快，小，輸出變化速度快，積分作用強(qiáng)積分作用強(qiáng)Ti大，輸出變化速度慢，大，輸出變化速度慢，積分作用弱積分作用弱7.4 7.4 微分環(huán)節(jié)微分環(huán)節(jié)微分環(huán)節(jié)輸出輸入關(guān)系及傳遞函數(shù)：微分環(huán)節(jié)輸出輸入關(guān)系及傳遞函數(shù)：微分環(huán)節(jié)輸出與輸入關(guān)系：微分環(huán)節(jié)輸出與輸入關(guān)系：微分環(huán)節(jié)傳遞函數(shù)：微分環(huán)節(jié)傳遞函數(shù)： dttdxTtyd sTsGdTd微分時(shí)間常數(shù)：微分時(shí)間常數(shù)：Td愈大，微分作用愈強(qiáng)愈大，微分作用愈強(qiáng)Td愈小，微分作用愈弱愈小，微分作用愈弱理想微分環(huán)節(jié)輸出輸入變化曲線：理想微分環(huán)節(jié)輸出輸入變化曲線：階躍變化微分環(huán)節(jié)輸出階躍變化微分環(huán)節(jié)輸出理想化微分環(huán)節(jié)輸出理想化微分環(huán)節(jié)輸出實(shí)際微分環(huán)

42、節(jié)輸出實(shí)際微分環(huán)節(jié)輸出0dtdxmdtdx mTtyd7.5 7.5 延滯環(huán)節(jié)延滯環(huán)節(jié)純滯后環(huán)節(jié)特征：當(dāng)輸入階躍變化時(shí)，輸出信號(hào)經(jīng)過一段純滯后環(huán)節(jié)特征：當(dāng)輸入階躍變化時(shí)，輸出信號(hào)經(jīng)過一段時(shí)間的延滯后等量輸出。時(shí)間的延滯后等量輸出。純滯后環(huán)節(jié)實(shí)例純滯后環(huán)節(jié)實(shí)例延滯環(huán)節(jié)反應(yīng)曲線延滯環(huán)節(jié)反應(yīng)曲線(1)(1)純滯后環(huán)節(jié)純滯后環(huán)節(jié)延滯環(huán)節(jié)輸出與輸入關(guān)系：延滯環(huán)節(jié)輸出與輸入關(guān)系：積分環(huán)節(jié)傳遞函數(shù)：積分環(huán)節(jié)傳遞函數(shù)： ttxtty00sseG)( txty sssstsXedexdtetxY00對(duì)對(duì)進(jìn)行拉氏變換：進(jìn)行拉氏變換：一階延滯環(huán)節(jié)實(shí)例一階延滯環(huán)節(jié)實(shí)例有無滯后一階環(huán)節(jié)響應(yīng)曲線有無滯后一階環(huán)節(jié)響應(yīng)曲線(

43、2) (2) 一階延滯環(huán)節(jié)一階延滯環(huán)節(jié) 1TsKeGss一階延滯環(huán)節(jié)傳遞函數(shù)：一階延滯環(huán)節(jié)傳遞函數(shù)：8.1 8.1 典型輸入信號(hào)典型輸入信號(hào)8 8 自動(dòng)控制系統(tǒng)的過渡過程及品質(zhì)指標(biāo)自動(dòng)控制系統(tǒng)的過渡過程及品質(zhì)指標(biāo)階躍函數(shù)階躍函數(shù)系統(tǒng)本身的結(jié)構(gòu)和參數(shù)是相對(duì)固定的，響應(yīng)與輸入信號(hào)及干擾系統(tǒng)本身的結(jié)構(gòu)和參數(shù)是相對(duì)固定的，響應(yīng)與輸入信號(hào)及干擾有關(guān)；有關(guān)；初始狀態(tài)和干擾復(fù)雜多變；初始狀態(tài)和干擾復(fù)雜多變；典型化處理：零初始狀態(tài)、典型輸入信號(hào)典型化處理：零初始狀態(tài)、典型輸入信號(hào)（1 1）階躍函數(shù)）階躍函數(shù)00( )0tr tat單位階躍函數(shù)：單位階躍函數(shù)：a=1a=100( )10tl tt1( ) ( )

44、a sL l ts速度函數(shù)速度函數(shù)00( )0tr tatt（2 2）速度函數(shù)（斜坡函數(shù)）速度函數(shù)（斜坡函數(shù)）a a為常量為常量a a1 1時(shí)為單位速度函數(shù)時(shí)為單位速度函數(shù)2( )aR sL ats速度函數(shù)的拉氏變換：速度函數(shù)的拉氏變換：加速度函數(shù)加速度函數(shù)200( )0tr tatt（3 3）加速度函數(shù)（拋物線函數(shù)）加速度函數(shù)（拋物線函數(shù)）a a為常量為常量a a1/21/2時(shí)為單位加速度函數(shù)時(shí)為單位加速度函數(shù)232( )aR sL ats加速度函數(shù)的拉氏變換：加速度函數(shù)的拉氏變換：脈沖函數(shù)脈沖函數(shù)00,( )10ttr tt （4 4）脈沖函數(shù)（脈動(dòng)函數(shù)）脈沖函數(shù)（脈動(dòng)函數(shù)）為脈動(dòng)寬度，為

45、脈動(dòng)寬度，1/1/為脈動(dòng)高度為脈動(dòng)高度對(duì)對(duì)取極限時(shí)，單位脈沖函數(shù)：取極限時(shí)，單位脈沖函數(shù)：( )1R s 單位脈沖函數(shù)的拉氏變換：單位脈沖函數(shù)的拉氏變換：0( )00ttt（4 4）脈沖函數(shù)（脈動(dòng)函數(shù)）脈沖函數(shù)（脈動(dòng)函數(shù)）8.2 8.2 自動(dòng)控制系統(tǒng)的靜態(tài)和動(dòng)態(tài)自動(dòng)控制系統(tǒng)的靜態(tài)和動(dòng)態(tài)靜態(tài)：輸入恒定，不改變設(shè)定值也沒有干擾，控制系統(tǒng)暫不靜態(tài)：輸入恒定，不改變設(shè)定值也沒有干擾，控制系統(tǒng)暫不動(dòng)作，被控參數(shù)穩(wěn)定。動(dòng)作，被控參數(shù)穩(wěn)定。靜態(tài)過程是暫時(shí)的、相對(duì)的、有條件的。靜態(tài)過程是暫時(shí)的、相對(duì)的、有條件的。動(dòng)態(tài)：干擾不斷產(chǎn)生，靜態(tài)隨時(shí)被打破，系統(tǒng)各環(huán)節(jié)都處于動(dòng)態(tài)：干擾不斷產(chǎn)生，靜態(tài)隨時(shí)被打破，系統(tǒng)各環(huán)節(jié)

46、都處于動(dòng)作狀態(tài)，不斷克服干擾，維持被控參數(shù)穩(wěn)定。動(dòng)作狀態(tài)，不斷克服干擾，維持被控參數(shù)穩(wěn)定。研究控制系統(tǒng)，就是要研究系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)過程。研究控制系統(tǒng)，就是要研究系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)過程。（1 1）單調(diào)過程（自衡非振蕩過程）單調(diào)過程（自衡非振蕩過程）自衡：過程能自發(fā)地趨向穩(wěn)態(tài)值的性質(zhì)自衡：過程能自發(fā)地趨向穩(wěn)態(tài)值的性質(zhì)自衡非振蕩：階躍變化下，被控變量不經(jīng)振蕩，逐步向新的穩(wěn)自衡非振蕩：階躍變化下，被控變量不經(jīng)振蕩，逐步向新的穩(wěn)態(tài)值靠攏。態(tài)值靠攏。8.3 8.3 自動(dòng)控制系統(tǒng)的過渡過程自動(dòng)控制系統(tǒng)的過渡過程單調(diào)過程單調(diào)過程（1 1）單調(diào)過程（自衡非振蕩過程）單調(diào)過程（自衡非振蕩過程）自衡非振蕩（一階延滯）自衡非振蕩（

47、一階延滯）傳遞函數(shù)傳遞函數(shù) 1TseKGss 1121sTsTeKGss nssTseKG1有延滯的一階環(huán)有延滯的一階環(huán)節(jié)節(jié)有延滯的二階非有延滯的二階非振蕩環(huán)節(jié)振蕩環(huán)節(jié)有延滯的有延滯的n n個(gè)串級(jí)個(gè)串級(jí)一階環(huán)節(jié)一階環(huán)節(jié) 1TsKGs一階環(huán)節(jié)一階環(huán)節(jié)二階自衡非振蕩過程二階自衡非振蕩過程容量滯后：串聯(lián)水槽對(duì)象容量滯后：串聯(lián)水槽對(duì)象1222122221KQhdtdhTTdthdTT當(dāng)輸入流量當(dāng)輸入流量QQ1 1變化時(shí)，第二個(gè)變化時(shí)，第二個(gè)水槽液位水槽液位h h2 2的變化的變化 KAeTeTTTKAtyTtTt212112自衡非振蕩自衡非振蕩傳遞函數(shù)傳遞函數(shù) 1121sTsTeKGss 1121sT

48、sTKGs無延滯無延滯有延滯有延滯（2 2）非周期發(fā)散過程（無自衡非振蕩過程）非周期發(fā)散過程（無自衡非振蕩過程）階躍變化下，被控變量一直上升或下降，直到極限值。階躍變化下，被控變量一直上升或下降，直到極限值。實(shí)際工程中難以控制。實(shí)際工程中難以控制。無自衡非振蕩無自衡非振蕩傳遞函數(shù)傳遞函數(shù) TsKeGss 1TssKeGss（3 3）衰減振蕩過程（有自衡振蕩過程）衰減振蕩過程（有自衡振蕩過程）階躍變化下，被控變量上下振蕩，最后能趨于新的穩(wěn)態(tài)值。階躍變化下，被控變量上下振蕩，最后能趨于新的穩(wěn)態(tài)值。這類過程較為常見。這類過程較為常見。有自衡振蕩過程有自衡振蕩過程傳遞函數(shù)傳遞函數(shù) 1222TssTKe

49、Gss（4 4）等幅振蕩過程（臨界狀態(tài)）等幅振蕩過程（臨界狀態(tài)）被控變量在給定值附近來回波動(dòng)，最后不能回到給定值，也被控變量在給定值附近來回波動(dòng)，最后不能回到給定值，也不發(fā)散。不發(fā)散。等幅振蕩過程等幅振蕩過程（5 5）發(fā)散振蕩過程）發(fā)散振蕩過程被控變量來回波動(dòng)，振幅逐漸增大，偏移給定值越來越大。被控變量來回波動(dòng)，振幅逐漸增大，偏移給定值越來越大。反向特性過程反向特性過程傳遞函數(shù)傳遞函數(shù)11121sTsTsTKGdS發(fā)散振蕩過程發(fā)散振蕩過程非周期穩(wěn)定過程，需要很長時(shí)間非周期穩(wěn)定過程，需要很長時(shí)間才能慢慢穩(wěn)定。才能慢慢穩(wěn)定。自恒非振蕩自恒非振蕩典型過渡過程典型過渡過程自動(dòng)控制過程中被控參數(shù)的變化穩(wěn)

50、定過程：自動(dòng)控制過程中被控參數(shù)的變化穩(wěn)定過程：衰減振蕩衰減振蕩被控參數(shù)經(jīng)過被控參數(shù)經(jīng)過2-32-3個(gè)變化周期后，個(gè)變化周期后，回復(fù)到給定值，屬于理想的過渡回復(fù)到給定值，屬于理想的過渡過程。過程。等幅振蕩等幅振蕩被控參數(shù)不衰減也不擴(kuò)散，屬于被控參數(shù)不衰減也不擴(kuò)散，屬于不穩(wěn)定的過渡過程。不穩(wěn)定的過渡過程。被控參數(shù)的變化幅度越來越大，被控參數(shù)的變化幅度越來越大，調(diào)節(jié)作用沒有使其穩(wěn)定，生產(chǎn)將調(diào)節(jié)作用沒有使其穩(wěn)定，生產(chǎn)將出現(xiàn)事故。出現(xiàn)事故。發(fā)散振蕩發(fā)散振蕩8.4 8.4 自動(dòng)控制系統(tǒng)的品質(zhì)指標(biāo)自動(dòng)控制系統(tǒng)的品質(zhì)指標(biāo)要求：穩(wěn)、快、準(zhǔn)；通常用要求：穩(wěn)、快、準(zhǔn)；通常用5 5個(gè)質(zhì)量指標(biāo)來描述衰減振蕩過程個(gè)質(zhì)量指

51、標(biāo)來描述衰減振蕩過程（1 1）最大偏差）最大偏差A(yù) A被控參數(shù)測量值與給定值的最大差值，最大偏差不能超過被控參數(shù)測量值與給定值的最大差值，最大偏差不能超過允許范圍，希望最大偏差盡量小。允許范圍，希望最大偏差盡量小。第一峰值與新穩(wěn)定值的偏差又稱超調(diào)量第一峰值與新穩(wěn)定值的偏差又稱超調(diào)量B B。隨動(dòng)系統(tǒng)過渡過程：跟蹤隨動(dòng)系統(tǒng)過渡過程：跟蹤定值系統(tǒng)過渡過程：咬定定值系統(tǒng)過渡過程：咬定定值系統(tǒng)過渡過程定值系統(tǒng)過渡過程（2 2）過渡時(shí)間）過渡時(shí)間t ts s從干擾到建立新平衡所經(jīng)歷的時(shí)間從干擾到建立新平衡所經(jīng)歷的時(shí)間t ts s 過渡時(shí)間越短，穩(wěn)定過程越快，控制過渡時(shí)間越短，穩(wěn)定過程越快，控制質(zhì)量越高。質(zhì)

52、量越高。（3 3）余差）余差C C控制調(diào)節(jié)時(shí)間結(jié)束，被控參數(shù)新的控制調(diào)節(jié)時(shí)間結(jié)束，被控參數(shù)新的穩(wěn)定值與給定值的偏差，余差的大穩(wěn)定值與給定值的偏差，余差的大小反應(yīng)了控制系統(tǒng)的控制精度。小反應(yīng)了控制系統(tǒng)的控制精度。余差余差C CC C0 0無差調(diào)節(jié)無差調(diào)節(jié)C C 0 0有差調(diào)節(jié)有差調(diào)節(jié)（4 4）衰減比）衰減比相鄰兩個(gè)波峰值的比值，相鄰兩個(gè)波峰值的比值，B B：BB ，定值系統(tǒng)低一些，隨，定值系統(tǒng)低一些，隨動(dòng)系統(tǒng)高一些，一般動(dòng)系統(tǒng)高一些，一般4:110:14:110:1。（5 5）振蕩周期）振蕩周期TpTp相鄰兩個(gè)波峰值之間的時(shí)間成為過渡過程振蕩周期，倒數(shù)為振蕩相鄰兩個(gè)波峰值之間的時(shí)間成為過渡過程振

53、蕩周期，倒數(shù)為振蕩頻率，周期與過渡時(shí)間成正比。頻率，周期與過渡時(shí)間成正比。9 9 自動(dòng)控制的基本方式自動(dòng)控制的基本方式調(diào)節(jié)信號(hào)輸出與輸入信號(hào)之間的變化關(guān)系調(diào)節(jié)信號(hào)輸出與輸入信號(hào)之間的變化關(guān)系常用的控制方式：常用的控制方式： 雙位控制雙位控制 比例比例Proportion控制控制 積分積分Integration控制控制 微分微分Differential控制控制 比例加積分比例加積分PI控制控制 比例加微分比例加微分PD控制控制 比例積分微分比例積分微分PID控制等控制等.( )( )u tf e t9.1 9.1 位式控制位式控制雙位調(diào)節(jié)屬于一種開關(guān)量調(diào)節(jié)，被控參數(shù)等幅振蕩，動(dòng)作較為雙位調(diào)節(jié)屬于

54、一種開關(guān)量調(diào)節(jié)，被控參數(shù)等幅振蕩，動(dòng)作較為頻繁，液位控制往往設(shè)定在較寬的范圍內(nèi)：上限與下限之間頻繁，液位控制往往設(shè)定在較寬的范圍內(nèi)：上限與下限之間（L LHH與與L LL L）。）。雙位調(diào)節(jié)檢測儀表為上下限觸點(diǎn)開關(guān)量儀表，調(diào)節(jié)器可以是各雙位調(diào)節(jié)檢測儀表為上下限觸點(diǎn)開關(guān)量儀表，調(diào)節(jié)器可以是各種繼電器、磁力啟動(dòng)器或機(jī)械裝置，調(diào)節(jié)裝置為電動(dòng)閥、電磁種繼電器、磁力啟動(dòng)器或機(jī)械裝置，調(diào)節(jié)裝置為電動(dòng)閥、電磁閥、快開式調(diào)節(jié)閥等閥、快開式調(diào)節(jié)閥等雙位調(diào)節(jié)過程曲線雙位調(diào)節(jié)過程曲線雙位調(diào)節(jié)原理雙位調(diào)節(jié)原理9.2 9.2 比例控制比例控制9.2.1 9.2.1 比例控制：調(diào)節(jié)器的輸出與被測參數(shù)的偏差值成正比的比例控

55、制：調(diào)節(jié)器的輸出與被測參數(shù)的偏差值成正比的調(diào)節(jié)規(guī)律。調(diào)節(jié)規(guī)律。 cssscKEPG)( scsEKP tcteKp拉氏逆變換：拉氏逆變換：考慮到正常工作時(shí)的輸出，實(shí)際是輸出變化是輸入變化的考慮到正常工作時(shí)的輸出，實(shí)際是輸出變化是輸入變化的KKC C倍倍 00eeKPPtct tcteKP比比例例控控制制規(guī)規(guī)律律實(shí)際工作中實(shí)際工作中Kc通?？烧{(diào)通常可調(diào) tcteKP)(可調(diào)Kc人工或自動(dòng)可調(diào)，如流量配比加氯機(jī)的調(diào)節(jié)器人工或自動(dòng)可調(diào)，如流量配比加氯機(jī)的調(diào)節(jié)器比例調(diào)節(jié)規(guī)律的簡單應(yīng)用比例調(diào)節(jié)規(guī)律的簡單應(yīng)用9.2.2 9.2.2 比例常數(shù)比例常數(shù)KcKc或比例度或比例度 對(duì)過渡過程的影響對(duì)過渡過程的影響

56、比例度：比例度：%100PeePKc%1001cK輸入輸出都采用輸入輸出都采用標(biāo)準(zhǔn)信號(hào)時(shí)：標(biāo)準(zhǔn)信號(hào)時(shí)：因?yàn)椋阂驗(yàn)椋核运?100minmaxminmaxPPPzze(1) Kc(1) Kc對(duì)閉環(huán)系統(tǒng)余差的影響對(duì)閉環(huán)系統(tǒng)余差的影響對(duì)于自衡系統(tǒng)對(duì)于自衡系統(tǒng)KcKc越大，則余差越大，則余差C C越小越小KcKc越小，則余差越小，則余差C C越大越大對(duì)于自衡系統(tǒng)，設(shè)定值調(diào)整或輸入階躍變化時(shí)，據(jù)余差極值定理對(duì)于自衡系統(tǒng)，設(shè)定值調(diào)整或輸入階躍變化時(shí)，據(jù)余差極值定理調(diào)節(jié)器比例系數(shù)對(duì)余差影響調(diào)節(jié)器比例系數(shù)對(duì)余差影響 1mcKCKK 0011( )( )( )11mmCT sT sY sG sF sT sT

57、sK KKcKc增大（增大（ 減?。r(shí)：減小）時(shí)：a)a)余差下降余差下降b)b)振蕩加強(qiáng)，穩(wěn)定程度下降振蕩加強(qiáng)，穩(wěn)定程度下降c)c)頻率提高，振蕩周期縮短頻率提高，振蕩周期縮短d)d)最大偏差縮小最大偏差縮小調(diào)節(jié)器比例系數(shù)對(duì)過渡過程的影響調(diào)節(jié)器比例系數(shù)對(duì)過渡過程的影響(2) Kc(2) Kc對(duì)動(dòng)態(tài)過渡過程的影響對(duì)動(dòng)態(tài)過渡過程的影響比例調(diào)節(jié)適用：比例調(diào)節(jié)適用：a)a)干擾幅度小干擾幅度小b)b)滯后小，時(shí)間常數(shù)較長滯后小，時(shí)間常數(shù)較長比例度一般控制比例度一般控制5050左右左右9.3 9.3 比例積分控制比例積分控制9.3.1 9.3.1 積分控制規(guī)律：系統(tǒng)只要有偏差，輸出就會(huì)一直積累下積分控

58、制規(guī)律：系統(tǒng)只要有偏差，輸出就會(huì)一直積累下去直到消除偏差為止。去直到消除偏差為止。積分調(diào)節(jié)規(guī)律積分調(diào)節(jié)規(guī)律輸出的變化量與偏差隨時(shí)間的積分成正比：輸出的變化量與偏差隨時(shí)間的積分成正比：edtTKPieTKdtdPi只要存在偏差，調(diào)節(jié)器輸只要存在偏差，調(diào)節(jié)器輸出就一直存在，直到偏差出就一直存在，直到偏差消失。消失。積分調(diào)節(jié)屬于無差調(diào)節(jié)。積分調(diào)節(jié)屬于無差調(diào)節(jié)。1( )CiGsTs9.3.2 9.3.2 比例積分控制規(guī)律（比例積分控制規(guī)律（PIPI調(diào)節(jié)）：在比例作用的基礎(chǔ)上又調(diào)節(jié)）：在比例作用的基礎(chǔ)上又引入積分作用，既有比例作用，又具積分作用。引入積分作用，既有比例作用，又具積分作用。比例積分調(diào)節(jié)器的

59、輸出與偏差關(guān)系：比例積分調(diào)節(jié)器的輸出與偏差關(guān)系： sTKGiCs1101ciPPKeedtTipPPP傳遞函數(shù)：傳遞函數(shù)：當(dāng)偏差為幅度當(dāng)偏差為幅度A A階躍變化時(shí)：階躍變化時(shí)： AtTKAKAdtTAKtPicCiC1 AKPtc00時(shí)刻，當(dāng) 上限（下限），當(dāng)tPt AtTKAKtPticc時(shí)刻，當(dāng)0比例積分控制規(guī)律曲線比例積分控制規(guī)律曲線PIPI調(diào)節(jié)規(guī)律曲線：調(diào)節(jié)規(guī)律曲線：PIPI調(diào)節(jié)的特點(diǎn)：調(diào)節(jié)的特點(diǎn)：積分時(shí)間積分時(shí)間TiTi：積分輸出等于比例輸出時(shí)積分輸出所用的時(shí)間為積：積分輸出等于比例輸出時(shí)積分輸出所用的時(shí)間為積分時(shí)間；分時(shí)間；比例粗調(diào)、積分細(xì)調(diào)，粗調(diào)及時(shí)克服干擾，細(xì)調(diào)逐漸克服余差；比例粗調(diào)、積分細(xì)調(diào)，粗調(diào)及時(shí)克服干擾，細(xì)調(diào)逐漸克服余差；比例積分調(diào)節(jié)作用可看作為隨時(shí)間比例系數(shù)不斷擴(kuò)大的比例作用比例積分調(diào)節(jié)作用可看作為隨時(shí)間比例系數(shù)不斷擴(kuò)大的比例作用 sTKGiCs11由傳遞函數(shù)：由傳遞函數(shù)： 0,0CtsG sKC當(dāng)時(shí)間，相當(dāng)于，于是相當(dāng)于則積分時(shí)間過長，積分作用弱，消除靜差慢積分時(shí)間過長，積分作用弱，消除靜差慢積分時(shí)間過小，過渡過程振蕩劇烈，穩(wěn)定性下降。積分時(shí)間過小，過渡過程振蕩劇烈，穩(wěn)定性下降。Ti逐漸縮