化工仪表及自动化第7章l讲解.pptx

化学工业出版社 化工仪表及自动化 第七章 自动控制系统概述 化学工业出版社 内容提要 n 自动控制系统的组成 n 自动控制系统的方块图 n信号和变量 n自动控制系统方块图 n反馈 n自动控制系统的分类 n 过渡过程和品质指标 n控制系统的静态与动态 1 化学工业出版社 内容提要 n控制系统的过渡过程 n控制系统的控制指标 n影响控制指标的主要因素 n 工艺管道及控制流程图 n图形符号 n字母代号 n仪表位号 2 化学工业出版社 第一节 自动控制系统的组成 3 图7-1 人工操作图 图7-2 液位自动控制图 人工操作与自动控制比较图 控制速度和精度不能满足大型 现代化生产的需要 化学工业出版社 第一节 自动控制系统的组成 图7-2 液位自动控制 4 化学工业出版社 第一节 自动控制系统的组成 在自动控制系统的组成中,除必须具有前面所述的自 动化装置外,还必须具有控制装置所控制的生产设备生产设备 在自动控制系统中,将需要控制其工艺参数的生产 设备、机器、一段管道或设备的一部分叫做被控对象被控对象, 简称对象对象 要选择好控制系统 的对象 5 化学工业出版社 第二节 自动控制系统的方块图 n 一、信号和变量 载有变量信息的物理变量是信号。

系统或环节 u y 图7-3 输入、输出变量图 输入变量 输出变量 多输入多数出系统 6 化学工业出版社 第二节 自动控制系统的方块图 图7-4 简单水槽 A B uu1 u2 图7-5 信号分叉点 7 化学工业出版社 第二节 自动控制系统的方块图 n 二、自动控制系统方块图 n在研究自动控制系统时，为了便于对系统分析研究，一 般都用方块图来表示控制系统的组成 n下页图为液位自动控制系统地方块图每个环节表示组成 系统的一个部分，称为“环节”两个方块之间用一条带 有箭头的线条表示其信号的相互关系，箭头指向方块表 示为这个环节的输入，箭头离开方块表示为这个环节的 输出线旁的字母表示相互间的作用信号 8 化学工业出版社 n方块图中， x 指设定值；z 指输出信号；e 指偏差信 号；p 指发出信号；q 指出料流量信号；y 指被控变量 ；f 指扰动作用当x 取正值，z取负值，e= x- z，负 反馈；x 取正值，z取正值， e= x+ z，正反馈 第二节 自动控制系统的方块图 图7-6 自动控制系统方块图 9 化学工业出版社 第二节 自动控制系统的方块图 n 其他控制系统 用同一种形式地方块图可以代表不同的控制系统 当进料流量或温度变化 等因素引起出口物料温度变 化时，可以将该温度变化测 量后送至温度控制器TC。

温 度控制器的输出送至控制阀 ，以改变加热蒸汽量来维持 出口物料的温度不变 10 图7-7 蒸汽加热器温度控制系统 化学工业出版社 第二节 自动控制系统的方块图 为了便于分析,有时将控制器以外的各个环节 (包 括被控对象、测量元件及变送器、控制阀)组合在一起 看待,称之为广义对象,这样,整个系统可认为是由控制 器与广义对象两者所构成,其方块图可简化 控制器广义对象 被控变量测量值z给定值 干扰作用f -x 图7-8 简化方块图 11 化学工业出版社 第二节 自动控制系统的方块图 n 三、反馈 自动控制系统是一个闭环系统，是由于反馈的 存在造成的 x K β y z e - 图7-9 负反馈系统 12 化学工业出版社 第二节 自动控制系统的方块图 两式联立,消去e,则有 （7-1） 单位反馈系统 如果K很大, K 》1 ,则 （7-2） 13 化学工业出版社 第二节 自动控制系统的方块图 小结 自动控制系统是具有被控变量负反馈的闭环系 统它与自动测量、自动操纵等开环系统比较,最本 质的差别,就在于控制系统有无负反馈存在 自动操纵装置对象 操纵指令操纵作用 工艺参数 图7-10 自动操纵系统方块图 14 化学工业出版社 第二节 自动控制系统的方块图 n 四、自动控制系统的分类 n按被控变量来分类，如温度、压力等控制系统； n按控制器具有的控制规律来分类，如比例、比例积 分、比例微分、比例积分微分等控制系统； n将控制系统按照工艺过程需要控制的被控变量的给定 值是否变化和如何变化来分类，这样可将自动控制系 统分为三类，即定值控制系统、随动控制系统和程序 控制系统。

15 其中第三种分类方法最普遍 化学工业出版社 第二节 自动控制系统的方块图 “定值” 是恒定给定值的简称工艺生产中，若要求 控制系统的作用是使被控制的工艺参数保持在一个生产指 标上不变，或者说要求被控变量的给定值不变，就需要采 用定值控制系统 16 1. 1. 定值控制方法定值控制方法 2.2.随动控制系统（自动跟踪系统）随动控制系统（自动跟踪系统） 给定值随机变化，该系统的目的就是使所控制的工艺参 数准确而快速地跟随给定值的变化而变化 化学工业出版社 第二节 自动控制系统的方块图 3.程序控制系统（顺序控制系统） 给定值变化，但它是一个已知的时间函数，即生 产技术指标需按一定的时间程序变化这类系统在间 歇生产过程中应用比较普通 17 化学工业出版社 第三节 过渡过程和品质指标 n 一、控制系统的静态与动态 18 自动控制目的：希望将被控变量保持在一个不变的给定 值上，这只有当进入被控对象的物料量（或能量）和流 出对象的物料量（或能量）相等时才有可能 静态——被控变量不随时间而变化的平衡状态（变化率 为0，不是静止） 化学工业出版社 第三节 过渡过程和品质指标 当一个自动控制系统的输入（给定和干扰）和输出均 恒定不变时，整个系统就处于一种相对稳定的平衡状态， 系统的各个组成环节如变送器、控制器、控制阀都不改变 其原先的状态，它们的输出信号也都处于相对静止状态， 这种状态就是静态。

19 化学工业出版社 第三节 过渡过程和品质指标 20 动态——被控变量随时间变化的不平衡状态 从干扰作用破坏静态平衡，经过控制，直到系统重 新建立平衡，在这一段时间中，整个系统的各个环节和 信号都处于变动状态之中，这种状态叫做动态 结论：结论：在自动化工作中，了解系统的静态是必要的，但是了 解系统的动态更为重要因为在生产过程中，干扰是客观存 在的，是不可避免的，就需要通过自动化装置不断地施加控 制作用去对抗或抵消干扰作用的影响，从而使被控变量保持 在工艺生产所要求控制的技术指标上 化学工业出版社 第三节 过渡过程和品质指标 n 二、控制系统的过渡过程 n系统由一个平衡状态过渡到另一个平衡状态的过程 21 当干扰作用于对象，系 统输出y发生变化，在 系统负反馈作用下，经 过一段时间，系统重新 恢复平衡 举例 图7-11 控制系统方块图 控制器执行器对象 被控变量 测量、变送 给定值 干扰 - 化学工业出版社 第三节 过渡过程和品质指标 n系统在过渡过程中，被控变量是随时间变化的被控 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 n在生产中，出现的干扰是没有固定形式的，且多半属 于随机性质。

在分析和设计控制系统时，为了安全和 方便，常选择一些定型的干扰形式，其中常用的是阶 跃干扰 22 化学工业出版社 第三节 过渡过程和品质指标 采用阶跃干扰的优点：采用阶跃干扰的优点： 这种形式的干扰比较突然、 危险，且对被控变量的影响 也最大如果一个控制系统 能够有效地克服这种类型的 干扰，那么一定能很好地克 服比较缓和的干扰 这种干扰的形式简单，容易 实现，便于分析、实验和计 算 23 图7-12 阶跃干扰作用 化学工业出版社 第三节 过渡过程和品质指标 n自动控制系统在阶跃干扰作用下过渡过程的四种形式 24 发散震荡过程 X 非周期衰减过程√ 衰减震荡过程√ 等幅震荡过程 ？ 对于控制质量要求不 高的场合，如果被控 变量允许在工艺许可 的范围内振荡（主要 指在位式控制时）， 才可采用 化学工业出版社 第三节 过渡过程和品质指标 n三、控制系统的控制指标 25 多数情况下，希望得到衰减振荡过程，在此取这 种过程形式讨论控制系统的品质指标 控制指标主要有两类,一类是时间域的单项指标, 另一类是时间域的综合指标 控制系统的过渡过程是衡量品质的依据。

化学工业出版社 第三节 过渡过程和品质指标 1.时间域的各种单项指标 假定自动控制系统在阶跃输入作用下，被控变量的 变化曲线如下图所示，这是属于衰减振荡的过渡过程 图7-14 过渡过程品质指标示意图 26 化学工业出版社 第三节 过渡过程和品质指标 27 五种重要品质指标之一 （ 1 ）最大偏差或超调量 最大偏差是指在过渡过程中，被控变量偏离给定值的 最大数值在衰减振荡过程中，最大偏差就是第一个波的 峰值特别是对于一些有约束条件的系统，如化学反应器 的化合物爆炸极限、触媒烧结温度极限等，都会对最大偏 差的允许值有所限制 超调量也可以用来表征被控变量偏离给定值的程度 化学工业出版社 第三节 过渡过程和品质指标 （2）衰减比 衰减比是衰减程度的指标，它是前后相邻两个峰值的 比习惯表示为 n:1，一般 n 取为4～10之间为宜 五种重要品质指标之二 28 化学工业出版社 第三节 过渡过程和品质指标 五种重要品质指标之三 （ 3 ） 余差 当过渡过程终了时，被控变量所达到的新的稳态值与 给定值之间的偏差叫做余差，或者说余差就是过渡过程终 了时的残余偏差。

有余差的控制过程称为有差调节，相应 的系统称为有差系统反之就为无差调节和无差系统 29 化学工业出版社 第三节 过渡过程和品质指标 五种重要品质指标之四 （4） 过渡时间 从干扰作用发生的时刻起，直到系统重新建立新的平 衡时止，过渡过程所经历的时间叫过渡时间一般在稳态 值的上下规定一个小范围，当被控变量进入该范围并不再 越出时，就认为被控变量已经达到新的稳态值，或者说过 渡过程已经结束这个范围一般定为稳态值的５％（也有 的规定为２％） 30 化学工业出版社 第三节 过渡过程和品质指标 五种重要品质指标之五 （5）震荡周期或频率 过渡过程同向两波峰（或波谷）之间的间隔时间叫振 荡周期或工作周期，其倒数称为振荡频率在衰减比相同 的情况下，周期与过渡时间成正比，一般希望振荡周期短 一些为好 31 化学工业出版社 第三节 过渡过程和品质指标 32 某换热器的温度控制系统在单位阶跃干扰作用下的过 渡过程曲线如下图所示试分别求出最大偏差、余 差、衰减比、振荡周期和过渡时间（给定值为200℃ ） 举例 图7-15 温度控制系统过渡过程曲线 化学工业出版社 第三节 过渡过程和品质指标 解: 最大偏差A＝230-200＝30℃ 余差C＝205-200＝５℃ 由图上可以看出，第一个波峰值B＝230-205＝25℃， 第二个波峰值B′＝210－205＝5℃， 故衰减比应为B:B′＝25:5＝5:1。

振荡周期为同向两波峰之间的时间间隔， 故周期T＝20-5＝15（min） 33 化学工业出版社 第三节 过渡过程和品质指标 分析：过渡时间与规定的被控变量限制范围大小有关， 假定被控变量进入额定值的2％，就可以认为过渡过程 已经结束，那么限制范围为200（2％）＝4℃，这 时，可在新稳态值（205℃）两侧以宽度为４℃画一区 域，上图中以画有阴影线的区域表示，只要被控变量进 入这一区域且不再越出，过滤过程就可以认为已经结 束因此，从图上可以看出，过渡时间为22min 34 化学工业出版社 第三节 过渡过程和品质指标 。