第一講自動控制系統(tǒng)的基本概念

檢測技術(shù)與儀表主講：

劉志成自動化系1檢測技術(shù)與儀表緒論：

什么是自動化？儀表與自動化的關(guān)系？測量儀表在自動化中的地位？

2緒論工業(yè)自動化的概念：工業(yè)自動化是化工、煉油、食品、輕工、電力等流程工業(yè)生產(chǎn)過程自動化的簡稱。在生產(chǎn)設(shè)備上，配上一些自動化裝置（儀表），代替操作人員的部分直接勞動，使生產(chǎn)在不同程度上自動地進行，并達到預(yù)定的目標，這種用自動化裝置來管理生產(chǎn)過程的辦法，稱為生產(chǎn)過程自動化。3緒論隨著現(xiàn)代科學技術(shù)的蓬勃發(fā)展，煉油、化工、冶金、電力、生物、制藥等工業(yè)過程的生產(chǎn)規(guī)模越來越大型化、復(fù)雜化，各種類型的自動控制技術(shù)已經(jīng)成了現(xiàn)代工業(yè)生產(chǎn)實現(xiàn)安全、高效、優(yōu)質(zhì)、低耗的基本條件和重要保證4緒論進料口執(zhí)行器變送器調(diào)節(jié)器5緒論進料口執(zhí)行器變送器調(diào)節(jié)器進料口執(zhí)行器變送器控制站6緒論

系統(tǒng)：由相互聯(lián)系的具有特定功能的若干部分(環(huán)節(jié))組成的完成一定任務(wù)的整體。

強調(diào)整體性和協(xié)調(diào)性7

一、自動控制系統(tǒng)的基本組成及方塊圖1、自動控制系統(tǒng)的基本組成(1)、被控對象：生產(chǎn)中要求控制的生產(chǎn)設(shè)備（或過程）；

(2)、測量元件或變送器：對被控參數(shù)進行測量的儀表；

(3)、控制器：把被控參數(shù)的測量值與給定值相減得出偏差，并按某種運算規(guī)律算出結(jié)果，同時將此結(jié)果送給調(diào)節(jié)閥；(4)、調(diào)節(jié)閥：根據(jù)調(diào)節(jié)器送來的信號的大小，自動改變閥的開啟度，調(diào)節(jié)介質(zhì)的流量，實現(xiàn)控制的目的。8

一、自動控制系統(tǒng)的基本組成及方塊圖2、自動控制系統(tǒng)的有關(guān)名詞術(shù)語

（1）被控對象（受控對象）；（2）被控變量（受控變量）：控制對象內(nèi)要求以一定的精度保持恒定或隨某一參數(shù)（給定值）的變化而變化的變量；（3）給定值：要求被控參數(shù)所保持或遵循的數(shù)值（4）偏差：給定值與測量值的差值（5）干擾：影響被控變量，使其偏離給定值的因素（6）操縱變量：影響被控變量，克服干擾使被控變量回到給定值的（調(diào)節(jié)閥的輸出）；（7）控制作用：控制器的輸出9

一、自動控制系統(tǒng)的基本組成及方塊圖3、自動控制系統(tǒng)的方塊圖

用一個方塊代表系統(tǒng)的一個組成環(huán)節(jié)；各方塊之間用有向線段連接起來。10

一、自動控制系統(tǒng)的基本組成及方塊圖3、自動控制系統(tǒng)的方塊圖

f

設(shè)定值控制器輸出p 操縱變量q +r偏差e 被控變量y

控制器 執(zhí)行器 對象 -z

測量值

檢測儀表或變送器

圖1單回路自動控制系統(tǒng)的組成框圖注意：有向線段的方向代表信號的作用方向，而不是物料的流向。11控制系統(tǒng)的方塊圖：調(diào)節(jié)器被控對象測量變送裝置+－SP執(zhí)行器調(diào)節(jié)器+－SP廣義對象執(zhí)行器、被控對象及測量變送環(huán)節(jié)統(tǒng)稱為廣義對象

固定因素補償因素12

一、自動控制系統(tǒng)的基本組成及方塊圖4、自動控制系統(tǒng)的工作過程以換熱器系統(tǒng)為例13

二、自動控制系統(tǒng)的分類1、根據(jù)給定值不同分類：（1）、定值控制系統(tǒng)：給定值保持不變的系統(tǒng)。系統(tǒng)的任務(wù)是使被控變量以一定的精度保持在給定值上不變；（2）、隨動控制系統(tǒng)：給定值是隨機變化的，這種變化是事先不知道的；（3）、程序控制系統(tǒng)：給定值是按事先規(guī)定的程序變化的。142、按補償干擾的方法分類反饋調(diào)節(jié)器執(zhí)行器對象傳感器、變送器+－SPxzeuqyf干擾f（t）被控變量調(diào)節(jié)器操作變量補償干擾

前饋前饋補償器執(zhí)行器對象傳感器、變送器pqy干擾f干擾f（t）變送器補償器操作變量補償干擾前饋+反饋調(diào)節(jié)器執(zhí)行器對象傳感器、變送器+－SPxzey干擾f變送器前饋補償器++15閉環(huán)與開環(huán)

閉環(huán)——系統(tǒng)的輸出被反饋到輸入端并與設(shè)定值進行比較的系統(tǒng)稱為閉環(huán)系統(tǒng)，此時系統(tǒng)根據(jù)設(shè)定值與測量值的偏差進行控制，直至消除偏差。調(diào)節(jié)器被控對象測量變送裝置+－SP執(zhí)行器開環(huán)——系統(tǒng)的輸出沒有被反饋回輸入端，執(zhí)行器僅只根據(jù)輸入信號進行控制的系統(tǒng)稱為開環(huán)系統(tǒng)，此時系統(tǒng)的輸出與設(shè)定值與測量值之間的偏差無關(guān)。要實現(xiàn)自動控制，系統(tǒng)必須閉環(huán)。閉環(huán)控制系統(tǒng)穩(wěn)定運行的必要條件是負反饋。

163、按控制系統(tǒng)的復(fù)雜程度區(qū)分簡單控制系統(tǒng)復(fù)雜控制系統(tǒng)4、按控制變量的名稱區(qū)分溫度控制系統(tǒng)壓力控制系統(tǒng)……5、按調(diào)節(jié)規(guī)律區(qū)分P、PI、PD、PID、預(yù)估控制……17

三、自動控制系統(tǒng)的過渡過程和品質(zhì)指標1、控制系統(tǒng)的靜態(tài)與動態(tài)靜態(tài)：被控變量不隨時間的變化而變化的平衡狀態(tài)；

特點：暫時的、相對的動態(tài)：被控變量隨時間的變化而變化的不平衡狀態(tài)；動態(tài)是個過程動態(tài)過程（過渡過程）18

三、自動控制系統(tǒng)的過渡過程和品質(zhì)指標2、控制系統(tǒng)的過渡過程：是由輸入變化引起的被控變量的變化過程；（輸入包括干擾輸入和給定輸入）是控制作用不斷克服干擾作用的過程；是系統(tǒng)從一個平衡態(tài)過渡到另一個平衡態(tài)的過程。在階躍干擾作用下，控制系統(tǒng)過渡過程的幾種基本形式：19在分析和設(shè)計控制系統(tǒng)時，往往選定階躍信號作為輸入。階躍輸入：在某一瞬間t0干擾突然階躍式地加入系統(tǒng)，并保持在這個幅值。階躍輸入比較突然、比較危險、對控制系統(tǒng)的影響也最大、設(shè)計過程容易產(chǎn)生階躍干擾。對于一個控制系統(tǒng)，如果能有效克服階躍干擾，肯定能很好地克服其它變化比較緩和的各種干擾20幾種典型的過渡過程：非周期衰減過程

衰減振蕩過程等幅振蕩過程發(fā)散振蕩過程單調(diào)發(fā)散過程

√√？XX一般是不允許的除開關(guān)量控制回路21

三、自動控制系統(tǒng)的過渡過程和品質(zhì)指標3、控制系統(tǒng)的品質(zhì)指標（穩(wěn)、準、快）衡量一個系統(tǒng)控制性能好壞的依據(jù)最大偏差或超調(diào)量衰減比余差過渡時間振蕩周期或頻率22階躍干擾作用下的過渡過程（設(shè)定值固定，加一階躍干擾）——定值系統(tǒng)

0最大偏差emax：衰減比n：余差e(∞)：過渡時間tp：振蕩周期：23階躍給定作用下的過渡過程（設(shè)定值變化）——隨動系統(tǒng)

超調(diào)量σ：衰減比n：余差e(∞)：過渡時間tp：振蕩周期：024時間tr上升峰值時間tpAB超調(diào)量σ%=AB100%調(diào)節(jié)時間ts衰減比n=—A1A225自動控制系統(tǒng)希望的結(jié)果：最大偏差（超調(diào)量）？衰減比？余差？過渡時間？振蕩周期？答：越小越好n＝1等幅振蕩n＜1發(fā)散振蕩n＞1衰減振蕩不振蕩

為了保持有足夠的穩(wěn)定程度，衰減比一般取為4：1至10：1；這種過渡過程不是最優(yōu)的結(jié)果，但操作人員容易掌握，一般也是操作人員所希望的過程不振蕩：不便于操作人員掌握。答：越小越好答：越小越好答：短好26例子某換熱器的溫度調(diào)節(jié)系統(tǒng)在單位階躍干擾作用下的過渡過程曲線。試分別求出最大偏差、余差、衰減比、振蕩周期和過渡時間(給定值為200)。

解：1、最大偏差：A＝230—200＝30℃2、余差C＝205—200＝5℃3、第一個波峰值B＝230—205＝25℃第二個波峰值B’＝210—205＝5℃衰減比n＝25：5＝5：l。4、振蕩周期為同向兩波峰之間的時間間隔，故周期T＝20—5＝15(min)5、過渡時間與規(guī)定的被控變量限制范圍大小有關(guān)，假定被控變量進入額定值的±2％，就可以認為過渡過程已經(jīng)結(jié)束，那么限制范圍為200×(±2％)＝±4℃，這時，可在新穩(wěn)態(tài)值(205℃)兩側(cè)以寬度為±4℃畫一區(qū)域，圖中以畫有陰影線的區(qū)域表示，只要被控變量進入這一區(qū)域且不再越出，過渡過程就可以認為已經(jīng)結(jié)束。因此，從圖上可以看出，過渡時間為22min。

27影響過渡過程的主要因素?固定因素：對象特性測量儀表特性執(zhí)行器特性補償因素：控制器特性——這是自動控制的主要研究內(nèi)容28

三、自動控制系統(tǒng)的過渡過程和品質(zhì)指標4、影響控制系統(tǒng)控制質(zhì)量的主要因素

被控對象是核心測量儀表是基礎(chǔ)控制器是靈魂調(diào)節(jié)閥（執(zhí)行器）是關(guān)鍵29儀表的簡要發(fā)展過程常見的測控參數(shù)：T、P、L、F、A（五大參數(shù)）

測控儀表的分類：變送器（傳感器）、執(zhí)行器、控制器三大類

控制器：常規(guī)調(diào)節(jié)器、智能調(diào)節(jié)器、計算機系統(tǒng)

30基地式儀表只具備簡單測控功能，其信號一般僅在本儀表內(nèi)起作用，各測控點間的信號難以相互溝通，操作人員只能通過巡視生產(chǎn)現(xiàn)場來了解生產(chǎn)狀況。（目前已淘汰）

單元組合儀表智能儀表儀表中含有微處理器，功能強，往往具備數(shù)字信號傳輸和模擬信號傳輸兩種功能。

現(xiàn)場總線儀表簡而言之就是滿足現(xiàn)場總線協(xié)議標準的智能儀表。

QDZ：氣動單元組合儀表，氣源(140kPa)，信號(20－100kPa)。主要有力平衡型和力矩平衡型兩類，氣動單元組合儀表已基本淘汰。DDZ：電動單元組合儀表。DDZ－II型：電源220VAC，信號0～10mADDZ－III型：電源24VDC，信號4～20mA、1～5VDC31自動化裝置的簡要發(fā)展過程基地式系統(tǒng)基地式儀表第0代常規(guī)儀表控制系統(tǒng)單元組合儀表：調(diào)、變、執(zhí)、算(DDZ-II、III、QDZ)第1代

DDC控制變、執(zhí)(DDZ-II、III)集中型計算機控制系統(tǒng)變、執(zhí)(DDZ-II、III)第2代DCSOS：小型機、IPCCS：IPC、PLC、智能調(diào)節(jié)器現(xiàn)場儀表：DDZ-III為主

第3代*FCS將全廠最基礎(chǔ)的現(xiàn)場級儀表和裝置均通過現(xiàn)場總線連接起來，實現(xiàn)全數(shù)字化通訊?，F(xiàn)場儀表：總線儀表

第4代*分布式IODCS現(xiàn)場信號根據(jù)傳輸距離或功能不同連接到現(xiàn)場I/O設(shè)備上，各現(xiàn)場I/O設(shè)備與控制站間通過網(wǎng)絡(luò)（現(xiàn)場總線）連接?，F(xiàn)場儀表：DDZ-III、總線儀表

過渡型*32直接計算機控制系統(tǒng)生產(chǎn)過程數(shù)字計算機A/D轉(zhuǎn)換D/A轉(zhuǎn)換操作臺擾動控制變量輸出變量……33集中型計算機控制系統(tǒng)出發(fā)點：由于當時的計算機系統(tǒng)的體積龐大，價格非常昂貴，為了使計算機控制能與常規(guī)儀表控制相競爭，企圖用一臺計算機來控制盡可能多的控制回路。CRT、鍵盤……過程控制計算機AIDIAODO

被控過程（對象）被控變量操作變量…………}{輸入子系統(tǒng)輸出子系統(tǒng)集中型計算機控制系統(tǒng)原理圖34集散控制系統(tǒng)控制臺控制臺過程控制計算機控制單元控制單元多路采集器可編程邏輯控制器數(shù)據(jù)通道工程師/操作員控制臺其他系統(tǒng)35IPC、PLC……I/O子