自動(dòng)控制系統(tǒng)的基本概念PPT課件

.,1,第三章自動(dòng)控制系統(tǒng)基本概念,.,2,本章主要內(nèi)容,一、化工自動(dòng)化的主要內(nèi)容,二、自動(dòng)控制系統(tǒng)的組成,三、自動(dòng)控制系統(tǒng)的表示方法,四、自動(dòng)控制系統(tǒng)的主要類型,五、自動(dòng)控制系統(tǒng)的性能指標(biāo)及要求,.,3,主要內(nèi)容,第一節(jié)化工自動(dòng)化的主要內(nèi)容,自動(dòng)檢測(cè)系統(tǒng),自動(dòng)信號(hào)和聯(lián)鎖保護(hù)系統(tǒng),自動(dòng)操縱及自動(dòng)開(kāi)停車系統(tǒng),自動(dòng)控制系統(tǒng),.,4,自動(dòng)檢測(cè)系統(tǒng),利用各種檢測(cè)儀表對(duì)工藝參數(shù)進(jìn)行測(cè)量、指示或記錄的系統(tǒng)，稱為自動(dòng)檢測(cè)系統(tǒng)?！傲私狻鄙a(chǎn)的任務(wù)。,.,5,自動(dòng)信號(hào)和聯(lián)鎖保護(hù)系統(tǒng),自動(dòng)信號(hào)系統(tǒng),當(dāng)工藝參數(shù)超出要求范圍，自動(dòng)發(fā)出聲光信號(hào),聯(lián)鎖保護(hù)系統(tǒng),達(dá)到危險(xiǎn)狀態(tài)，打開(kāi)安全閥或切斷某些通路，必要時(shí)緊急停車,液位自動(dòng)報(bào)警系統(tǒng)示意圖,.,6,自動(dòng)操縱及自動(dòng)開(kāi)停車系統(tǒng),按預(yù)先規(guī)定好的步驟將生產(chǎn)過(guò)程自動(dòng)的投入運(yùn)行或自動(dòng)停車,自動(dòng)操縱系統(tǒng),根據(jù)預(yù)先規(guī)定的步驟自動(dòng)地對(duì)生產(chǎn)設(shè)備進(jìn)行某種周期性操作,自動(dòng)開(kāi)停車系統(tǒng),.,7,自動(dòng)控制系統(tǒng),利用自動(dòng)控制裝置對(duì)生產(chǎn)中某些關(guān)鍵性參數(shù)進(jìn)行自動(dòng)控制，使他們?cè)谑艿酵饨鐢_動(dòng)的影響而偏離正常狀態(tài)時(shí)，能自動(dòng)的回到規(guī)定范圍。,液位自動(dòng)控制系統(tǒng)示意圖,.,8,自動(dòng)控制系統(tǒng)是自動(dòng)化生產(chǎn)的核心部分，只有自動(dòng)控制系統(tǒng)才能自動(dòng)地排除各種干擾因素對(duì)工藝參數(shù)的影響，使它們始終保持在預(yù)先規(guī)定的數(shù)值上，保證生產(chǎn)維持在正?；蜃罴训墓に嚥僮鳡顟B(tài).,.,9,自動(dòng)控制：是指在沒(méi)有人直接參與的情況下，利用外加的設(shè)備或裝置（稱控制裝置或控制器），使機(jī)器、設(shè)備或生產(chǎn)過(guò)程（統(tǒng)稱被控對(duì)象）的某個(gè)工作狀態(tài)或參數(shù)（即被控量）自動(dòng)地按照預(yù)定的規(guī)律（給定值）運(yùn)行。系統(tǒng)：是指按照某些規(guī)律結(jié)合在一起的物體（元部件）的組合，它們相互作用、相互依存，并能完成一定的任務(wù)。自動(dòng)控制系統(tǒng)：能夠?qū)崿F(xiàn)自動(dòng)控制的系統(tǒng)就可稱為自動(dòng)控制系統(tǒng)，一般由控制裝置和被控對(duì)象組成。,第二節(jié)自動(dòng)控制系統(tǒng)的組成,.,10,.,11,.,12,控制器,變送器,執(zhí)行器,人工操作,.,13,液位控制系統(tǒng),溫度控制系統(tǒng),.,14,自動(dòng)控制系統(tǒng),測(cè)量元件及變送器,測(cè)量出被測(cè)參數(shù)的大小并將它轉(zhuǎn)化為一種特定、統(tǒng)一的信號(hào)輸出。,自動(dòng)控制器,將設(shè)定值與測(cè)量信號(hào)進(jìn)行比較，求出它們之間的偏差,然后按照預(yù)先選定的控制規(guī)律進(jìn)行計(jì)算并將計(jì)算結(jié)果作為控制信號(hào)送給執(zhí)行裝置.,執(zhí)行器,作用是接受控制器的控制信號(hào)，直接推動(dòng)被控對(duì)象，使被控變量發(fā)生變化,執(zhí)行器,控制器,變送器,.,15,.,16,第三節(jié)自動(dòng)控制系統(tǒng)的表示方法,方塊圖表示方式,流程圖表示方式,控制器,操縱變量,被控變量,測(cè)量元件變送器,控制閥,對(duì)象,給定值,x,偏差,e,控制器輸出,p,q,y,測(cè)量值,z,_,干擾作用,f,.,17,方框、信號(hào)線、比較點(diǎn)、引出點(diǎn),組成,控制系統(tǒng)或系統(tǒng)中每個(gè)環(huán)節(jié)的功能和信號(hào)流向的圖解表示.,帶有輸入輸出信號(hào)的方框比較點(diǎn)分支點(diǎn),方塊圖表示方式,.,18,被控對(duì)象自動(dòng)控制系統(tǒng)中，工藝參數(shù)需要控制的生產(chǎn)過(guò)程、設(shè)備或機(jī)器等。被控變量被控對(duì)象內(nèi)要求保持設(shè)定值的工藝參數(shù)。,控制器,操縱變量,被控變量,測(cè)量元件變送器,控制閥,對(duì)象,給定值,x,偏差,e,控制器輸出,p,q,y,測(cè)量值,z,_,干擾作用,f,.,19,操縱變量受控制器操縱的，用以克服干擾的影響，使被控變量保持設(shè)定值的物料量或能量。干擾量除操縱變量以外，作用于被控對(duì)象并引起被控變量變化的因數(shù)。,控制器,操縱變量,被控變量,測(cè)量元件變送器,控制閥,對(duì)象,給定值,x,偏差,e,控制器輸出,p,q,y,測(cè)量值,z,_,干擾作用,f,.,20,給定值被控變量的設(shè)定值。偏差被控變量的給定值與實(shí)際值之差。,控制器,操縱變量,被控變量,測(cè)量元件變送器,控制閥,對(duì)象,給定值,x,偏差,e,控制器輸出,p,q,y,測(cè)量值,z,_,干擾作用,f,.,21,輸入信號(hào),由外部加到系統(tǒng)中的變量，它不受系統(tǒng)中其他變量的影響和控制。,輸出信號(hào),由系統(tǒng)或元件產(chǎn)生的變量，其中最受關(guān)注的輸出信號(hào)又稱為被控變量。,控制器,操縱變量,被控變量,測(cè)量元件變送器,控制閥,對(duì)象,給定值,x,偏差,e,控制器輸出,p,q,y,測(cè)量值,z,_,干擾作用,f,.,22,輸入信號(hào)的響應(yīng)由某一個(gè)輸入信號(hào)產(chǎn)生的輸出信號(hào)又稱為該輸入信號(hào)的響應(yīng)。,反饋信號(hào)是被控變量經(jīng)傳感器等元件變換并返回到輸入端的信號(hào)，一般與被控變量成正比。,.,23,繪制方框圖注意事項(xiàng),方框圖中每一個(gè)方框都代表一個(gè)具體的裝置。方框之間的連接線，只是代表方框之間的信號(hào)聯(lián)系，并不代表物料聯(lián)系。箭頭也只是代表信號(hào)作用的方向，與工藝流程圖上的物料線是不同的。各個(gè)組成部分在信號(hào)傳遞關(guān)系上都形成一個(gè)閉合環(huán)路。,.,24,指出此控制系統(tǒng)中被控對(duì)象、被控變量和操縱變量。試畫(huà)出此自動(dòng)控制系統(tǒng)的方框圖。,.,25,控制器,操縱變量,被控變量,溫度測(cè)量變送器,控制閥,加熱器,給定值,x,偏差,e,控制器輸出,p,q,T,測(cè)量值,z,_,干擾作用,f,.,26,指出此控制系統(tǒng)中被控對(duì)象、被控變量和操縱變量。試畫(huà)出此自動(dòng)控制系統(tǒng)的方框圖。試分析出水量突然增大時(shí)，該系統(tǒng)如何實(shí)現(xiàn)水位控制？,.,27,.,28,.,29,反饋,負(fù)反饋,正反饋,通過(guò)測(cè)量變送裝置將被控變量的測(cè)量值送回到系統(tǒng)的輸入端。,反饋,自動(dòng)控制系統(tǒng)是具有被測(cè)變量負(fù)反饋的閉環(huán)系統(tǒng)。他與自動(dòng)檢測(cè)、自動(dòng)操作等開(kāi)環(huán)系統(tǒng)比較，最本質(zhì)的區(qū)別，就在于自動(dòng)控制系統(tǒng)有負(fù)反饋。,控制器,操縱變量,被控變量,測(cè)量元件變送器,控制閥,對(duì)象,給定值,x,偏差,e,控制器輸出,p,q,y,測(cè)量值,z,_,干擾作用,f,.,30,流程圖表示方式,測(cè)量點(diǎn),包括檢出元件、取樣點(diǎn)。是由工藝設(shè)備輪廓線或工藝管線引到儀表圓圈的連接線的起點(diǎn)。,包括測(cè)量點(diǎn)、連接線、儀表的圖形符號(hào)和字母代號(hào)。,.,31,通用的儀表信號(hào)線和能源線的符號(hào)是細(xì)實(shí)線。連接線表示相連及交叉時(shí)，可采用圖（a）（b）形式。在復(fù)雜系統(tǒng)中，當(dāng)有必要表明信息流動(dòng)方向時(shí)，應(yīng)在信號(hào)線符號(hào)上加箭頭,如圖(c)所示。,(a)(b)(c),連接線,.,32,儀表的圖形符號(hào),儀表的圖形符號(hào)是一個(gè)細(xì)實(shí)線圓圈，直徑約10mm。,儀表安裝位置的圖形符號(hào)表示,.,33,字母代號(hào),用來(lái)表示儀表的小圓圈的上半圓內(nèi)，一般寫(xiě)有兩位字，第一位字母表示被測(cè)變量，后續(xù)字母表示儀表的功能。,被測(cè)變量和儀表功能的字母代號(hào),.,34,第四節(jié)自動(dòng)控制系統(tǒng)分類,一、開(kāi)環(huán)控制和閉環(huán)控制按照控制方式和策略，系統(tǒng)可分為開(kāi)環(huán)控制系統(tǒng)和閉環(huán)控制系統(tǒng)兩大類。,開(kāi)環(huán)控制系統(tǒng),閉環(huán)控制系統(tǒng),.,35,控制器和控制對(duì)象間只有正向控制作用，系統(tǒng)的輸出量不會(huì)對(duì)控制器產(chǎn)生任何影響；結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，成本低，容易控制，但控制精度低；一般適合于干擾不強(qiáng)或可預(yù)測(cè)的、控制精度要求不高的場(chǎng)合；如果系統(tǒng)的給定輸入與被控量之間的關(guān)系固定，且其內(nèi)部參數(shù)或外來(lái)擾動(dòng)的變化都比較小，或這些擾動(dòng)因素可以事先確定并能給予補(bǔ)償，則采用開(kāi)環(huán)控制也能取得較為滿意的控制效果；對(duì)擾動(dòng)沒(méi)有抑制能力。,開(kāi)環(huán)控制系統(tǒng),.,36,.,37,.,38,系統(tǒng)輸出量對(duì)控制作用有直接影響；實(shí)現(xiàn)了按偏差控制；也稱為反饋控制；閉環(huán)控制系統(tǒng)由前向通道（控制器和控制對(duì)象）和反饋通道（反饋裝置）構(gòu)成；反饋控制：正反饋和負(fù)反饋；具有正反饋形式的系統(tǒng)一般不能改進(jìn)系統(tǒng)性能，而且容易使系統(tǒng)性能變壞；通常而言，反饋控制就是指負(fù)反饋控制。閉環(huán)系統(tǒng)必須考慮穩(wěn)定性問(wèn)題,閉環(huán)控制系統(tǒng),.,39,.,40,與開(kāi)環(huán)控制系統(tǒng)相比，閉環(huán)控制系統(tǒng)的最大特點(diǎn)是檢測(cè)偏差、糾正偏差；從系統(tǒng)結(jié)構(gòu)上看，閉環(huán)系統(tǒng)具有反向通道；從功能上看，閉環(huán)系統(tǒng)具有如下特點(diǎn)：由于增加了反饋通道，系統(tǒng)的控制精度得到了提高，若采用開(kāi)環(huán)控制，要達(dá)到同樣的精度，則需要高精度的控制器，從而大大增加了成本；由于存在系統(tǒng)的反饋，可以較好地抑制系統(tǒng)各環(huán)節(jié)中可能存在的擾動(dòng)和由于器件的老化而引起的結(jié)構(gòu)和參數(shù)的不確定性；反饋環(huán)節(jié)的存在可以較好地改善系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)性能。,閉環(huán)系統(tǒng)與開(kāi)環(huán)系統(tǒng)的區(qū)別,.,41,.,42,二、定值控制系統(tǒng)、自動(dòng)控制系統(tǒng)和程序控制系統(tǒng)按照輸入信號(hào)分類，自動(dòng)控制系統(tǒng)可分為定值控制系統(tǒng)、隨動(dòng)控制系統(tǒng)和程序控制系統(tǒng)。輸入信號(hào)是恒值，要求被控變量保持相對(duì)應(yīng)的數(shù)值不變室溫控制系統(tǒng)、直流電機(jī)轉(zhuǎn)速控制系統(tǒng),定值控制系統(tǒng),.,43,輸入信號(hào)是變化規(guī)律未知的任意時(shí)間函數(shù)；系統(tǒng)的任務(wù)是使被控變量按照同樣規(guī)律變化并與輸入信號(hào)的誤差保持在規(guī)定的范圍內(nèi)；導(dǎo)彈發(fā)射架控制系統(tǒng)、火炮隨動(dòng)系統(tǒng)、雷達(dá)天線控制系統(tǒng)；,隨動(dòng)控制系統(tǒng),.,44,輸入信號(hào)是按已知的規(guī)律（事先規(guī)定的程序）變化；要求被控變量也按相應(yīng)的規(guī)律隨輸入信號(hào)變化，誤差不超過(guò)規(guī)定值；熱處理爐的溫控系統(tǒng)、機(jī)床的數(shù)碼加工系統(tǒng)和仿形控制系統(tǒng)。,程序控制系統(tǒng),.,45,三、連續(xù)控制系統(tǒng)和離散控制系統(tǒng),連續(xù)控制系統(tǒng),控制系統(tǒng)中各部分的信號(hào)都是時(shí)間的連續(xù)函數(shù)。,離散控制系統(tǒng),在控制系統(tǒng)各部分的信號(hào)中只要有一個(gè)是時(shí)間的離散信號(hào)。,離散模型是計(jì)算機(jī)控制的最主要模型,.,46,第五節(jié)自動(dòng)控制系統(tǒng)的過(guò)渡過(guò)程及性能指標(biāo),一、控制系統(tǒng)的靜態(tài)和動(dòng)態(tài),靜態(tài)：被控變量不隨時(shí)間而變化的平衡狀態(tài)稱為系統(tǒng)的靜態(tài)。動(dòng)態(tài)：被控變量隨時(shí)間變化的不平衡狀態(tài)稱為系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)。,被控對(duì)象,.,47,.,48,。,研究自動(dòng)控制系統(tǒng)的重點(diǎn)是研究系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)。,平衡（靜態(tài)）是暫時(shí)的、相對(duì)的、有條件的，不平衡（動(dòng)態(tài)）才是普遍的、絕對(duì)的、無(wú)條件的,被控對(duì)象,.,49,二、控制系統(tǒng)的過(guò)渡過(guò)程,自動(dòng)控制系統(tǒng)的過(guò)渡過(guò)程是控制作用不斷克服干擾作用影響的過(guò)程。系統(tǒng)從一個(gè)平衡狀態(tài)到另一個(gè)平衡狀態(tài)的過(guò)度過(guò)程中，被控變量隨時(shí)間變化的規(guī)律首先取決于干擾作用的形式。一般的階躍信號(hào)：突然、危險(xiǎn)、對(duì)被控參數(shù)影響很大。其它形式的干擾可用多個(gè)階躍信號(hào)代替,被控對(duì)象,.,50,被控對(duì)象,系統(tǒng)在過(guò)渡過(guò)程中，被控變量是隨時(shí)間變化的。了解過(guò)渡過(guò)程中被控變量的變化規(guī)律對(duì)于研究自動(dòng)控制系統(tǒng)是十分重要的。被控變量隨時(shí)間的變化規(guī)律首先取決于作用于系統(tǒng)的干擾形式。,.,51,常見(jiàn)典型信號(hào),階躍信號(hào)、斜坡信號(hào)、脈沖信號(hào)、加速度信號(hào)和正弦信號(hào)等。,階躍信號(hào),數(shù)學(xué)表達(dá)式為：,當(dāng)A=1時(shí)稱為單位階躍信號(hào)。,特點(diǎn),易產(chǎn)生對(duì)系統(tǒng)輸出影響大便于分析和計(jì)算,.,52,斜坡信號(hào),.,53,加速度信號(hào),.,54,脈沖信號(hào),.,55,.,56,自動(dòng)控制系統(tǒng)在階躍干擾作用下的過(guò)渡過(guò)程有非周期衰減過(guò)程、衰減振蕩過(guò)程、等副振蕩過(guò)程、發(fā)散振蕩過(guò)程等四種。,.,57,三、控制系統(tǒng)的品質(zhì)指標(biāo),自動(dòng)控制系統(tǒng)的過(guò)渡過(guò)程是控制系統(tǒng)品質(zhì)的重要依據(jù)，我們假設(shè)在階躍干擾作用下，取自動(dòng)控制系統(tǒng)的衰減振蕩過(guò)程的形式來(lái)討