第一講-自動控制系統(tǒng)的基本概念PPT課件

1、1,檢測技術與儀表,主講： 劉志成 自動化系,2,檢測技術與儀表,緒論： 什么是自動化？ 儀表與自動化的關系？ 測量儀表在自動化中的地位,3,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,4,緒論,隨著現(xiàn)代科學技術的蓬勃發(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、復雜化，各種類型的自動控制技術已經(jīng)成了現(xiàn)代工業(yè)生產(chǎn)實現(xiàn)安全、高效、優(yōu)質、低耗的

2、基本條件和重要保證,5,緒論,6,緒論,7,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 完成一定任務的整體。 強調整體性和協(xié)調性,8,一、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)律算出結果，同時將此結果送給調節(jié)閥； (4)、調節(jié)閥：根據(jù)調節(jié)器送來的信號的大小，自動改變閥的開啟度，調節(jié)介質的流量，實現(xiàn)控制的目的,9,一、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

3、名詞術語 （1）被控對象（受控對象）； （2）被控變量（受控變量）：控制對象內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（調節(jié)閥的輸出）； （7）控制作用：控制器的輸出,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 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,11,一、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,注意：有向線

4、段的方向代表信號的作用方向，而不是物料的流向,12,13,控制系統(tǒng)的方塊圖,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,14,一、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,15,二、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,16,電阻絲加熱恒溫箱溫度控制系統(tǒng),控制變壓器活動觸點的位置即改變了輸入電壓，則通過電阻絲的

5、電流將產(chǎn)生變化，使恒溫箱得到不同的溫度。 被控變量是恒溫箱的溫度，經(jīng)熱電偶測量并與設定值比較后，其偏差經(jīng)過放大器放大，控制電動機的轉向，然后經(jīng)過傳動裝置，移動變壓器的活動觸點位置。結果使偏差減少，直到溫度達到給定值為止,17,比值控制系統(tǒng),18,程序控制系統(tǒng),設定值也是變化的，但它是一個已知的時間函數(shù)，即根據(jù)需要按一定時間程序變化,19,1.3控制系統(tǒng)過渡過程及品質指標,1.3.1靜態(tài)與動態(tài) 1.3.2控制系統(tǒng)的過渡過程及品質指標 當自動控制系統(tǒng)的輸入發(fā)生變化后，被控變量（即輸出）隨時間不斷變化，它隨時間而變化的過程稱為系統(tǒng)的過渡過程。也就是系統(tǒng)從一個平衡狀態(tài)過渡到另一個平衡狀態(tài)的過程,20,

6、2、按補償干擾的方法分類,反饋,干擾f（t）被控變量調節(jié)器 操作變量補償干擾,前饋,干擾f（t）變送器補償器 操作變量補償干擾,前饋+反饋,21,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)設定值與測量值的偏差進行控制，直至消除偏差,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)的輸出與設定值與測量值之間的偏差無關,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,22,3、按控制系統(tǒng)的復雜程度區(qū)分,簡單控制系統(tǒng) 復雜控制系統(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),

7、5、按調節(jié)規(guī)律區(qū)分,P、PI、PD、PID、預估控制,23,三、自動控制系統(tǒng)的過渡過程和品質指標,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,24,三、自動控制系統(tǒng)的過渡過程和品質指標,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,25,在分析和設計控制系統(tǒng)時，往往選定階躍信號作為

8、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,26,幾種典型的過渡過程,X,X,一般是不允許的 除開關量控制回路,27,三、自動控制系統(tǒng)的過渡過程和品質指標,3、控制系統(tǒng)的品質指標（穩(wěn)、準、快） 衡量一個系統(tǒng)控制性能好壞的依據(jù) 最大偏差或超調量 衰減比 余差 過渡時間 振蕩周期或頻率,28,階躍干擾作用下的過渡過程（設定值固定，加一階躍干擾）定值系統(tǒng),最大偏差emax,衰 減 比n,余差 e(,過

9、渡時間tp,振蕩周期,29,階躍給定作用下的過渡過程（設定值變化）隨動系統(tǒng),超調量,衰 減 比n,余差 e(,過渡時間tp,振蕩周期,30,31,自動控制系統(tǒng)希望的結果,最大偏差（超調量）,衰減比,余差,過渡時間,振蕩周期,答：越小越好,n1等幅振蕩 n1發(fā)散振蕩 n1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,32,例子,某換熱器的溫度調節(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

10、期和過渡時間(給定值為200,解：1、最大偏差：A23020030 2、余差C2052005 3、第一個波峰值B23020525 第二個波峰值B2102055 衰減比n25：55：l。 4、振蕩周期為同向兩波峰之間的時間間隔，故周期T20515(min) 5、過渡時間與規(guī)定的被控變量限制范圍大小有關，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)結束，那么限制范圍為200(2)4，這時，可在新穩(wěn)態(tài)值(205)兩側以寬度為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)結束。因此，從圖上可以看出，過渡時間為22min,33,影響過渡過程的主要

11、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容,34,三、自動控制系統(tǒng)的過渡過程和品質指標,4、影響控制系統(tǒng)控制質量的主要因素 被控對象是核心 測量儀表是基礎 控制器是靈魂 調節(jié)閥（執(zhí)行器）是關鍵,35,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)調節(jié)器、智能調節(jié)器、計算機系統(tǒng),36,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

12、 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(20100kPa)。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。 DDZII型：電源220VAC，信號010mA DDZIII型：電源24VDC，信號420mA、15VDC,37,自動化裝置的簡要發(fā)展過程,38,緒論,39,直接計算機控制系統(tǒng),生產(chǎn)過程,數(shù)字計算機,A/D轉換,D/A轉換,操作臺,擾動,控制變量,輸出變量,40,集中型計算機控制系統(tǒng),出發(fā)點：由

13、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,41,1). 計算機直接數(shù)字控制（DDC）系統(tǒng),42,2). 計算機監(jiān)督控制（SCC）系統(tǒng),43,3）計算機集散控制系統(tǒng)（DCS,計算機集散控制系統(tǒng)（DCS）是把自動化技術、計算機技術、通信技術、故障診斷技術、冗余技術和圖形顯示技術融為一體的裝置。這種系統(tǒng)在結構上是分散的，在監(jiān)視、操作和管理上則是集中的。在系統(tǒng)中，將計算機分裝到工段或裝置，從而使系統(tǒng)的危險分散，消除了全局性的故障點，提高了系統(tǒng)的可靠性，同時能方便靈活地實現(xiàn)各種新型的控制規(guī)律與算法,44,45,集散控制系

14、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),46,基于計算機技術的過程控制系統(tǒng),生產(chǎn)過程,數(shù)字計算機,A/D轉換,D/A轉換,操作臺,擾動,控制變量,輸出變量,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),分布式計算機控制系統(tǒng),直接數(shù)字控制系統(tǒng),47,現(xiàn)場控制系統(tǒng),集散控制系統(tǒng),48,第三階段：綜合自動化（CIPS,1).計算機集成制造系統(tǒng)（CIMS）的概念與發(fā)展 計算機集成制造系統(tǒng)是在自動化技術、計算機技術及制造技術的基礎上，通過計

15、算機及其軟件，將制造工廠全部生產(chǎn)活動（設計、制造及經(jīng)營管理，包括市場調研、生產(chǎn)決策、生產(chǎn)計劃、生產(chǎn)管理、產(chǎn)品開發(fā)、產(chǎn)品設計、加工制造以及銷售經(jīng)營等）與整個生產(chǎn)過程有關的物料流與信息流實現(xiàn)高度統(tǒng)一的綜合化管理，構成一個優(yōu)化的完整的生產(chǎn)系統(tǒng),49,2).CIM的概念與發(fā)展（1,CIM(Computer Integrated Manufacturing) 計算機集成制造 企業(yè)資源（人、財、物、技術、經(jīng)營管理） 計算機技術集成 資源優(yōu)化，產(chǎn)品優(yōu)質、低耗、上市快，增強競爭力,50,2) CIMS的概念與發(fā)展（2,CIMS的概念 CIMS(Computer Integrated Manufacturing

16、 system） 計算機集成制造系統(tǒng) 是CIM哲理的具體體現(xiàn) CIMS的主要特征是“四化” 計算機化、信息化、智能化和集成優(yōu)化,51,2). CIMS的概念與發(fā)展（3,CIM理念起源于70年代（Joseph Harrington, 1973) 一種新的生產(chǎn)模式 CIMS 80年代初被廣泛接受（美國制造工程師學會） 首先廣泛應用于離散制造業(yè) 汽車、機械設備、家用電器等行業(yè) 在離散工業(yè)，CIMS已形成較為成熟的體系框架 （CAD、CAM、CAPP、MRP II 等） 國內已有上百家應用示范企業(yè) 開始在流程行業(yè)受到重視,52,3). 過程工業(yè)CIMS的遞階控制層次,過程控制,過程優(yōu)化,生產(chǎn)調度,企業(yè)

17、管理,經(jīng)營決策,第五層：企業(yè)決策，生產(chǎn)規(guī)劃,第四層：供銷,財務,計劃,管理等,第二層：先進控制，過程優(yōu)化,第三層：生產(chǎn)調度，系統(tǒng)優(yōu)化,第一層：單元自動化，簡單控制,生,產(chǎn),過,程,過程CIMS的遞階控制示意圖,53,2.過程工業(yè)自動化的發(fā)展過程,常規(guī)儀表，單回路，簡單控制（70年代前） 分布式計算機(DCS)，多回路，先進控制 （70-80年代） DCS網(wǎng)，多流程，過程控制優(yōu)化與生產(chǎn)調度 （80-90年代） 企業(yè)計算機網(wǎng)絡，多層次，過程控制優(yōu)化、生產(chǎn)調度管理與企業(yè)經(jīng)營決策管理：綜合自動化 CIPS（computer integrated processing systems)（90年代后期,5

18、4,3.過程控制的發(fā)展趨勢,當前過程控制正處于第三個發(fā)展階段，并以前所未有的速度和規(guī)模飛速前進，縱觀這一時期，可歸納為如下三個主要特點,55,1).簡單控制向先進控制發(fā)展,先進過程控制（advanced process control)是指一類在動態(tài)環(huán)境中，基于數(shù)學模型，借助充分的計算能力，為工廠獲得最大利潤而實施的運行和技術策略,56,2).封閉的分布式計算機控制系統(tǒng)轉向具有國際統(tǒng)一標準的開放式系統(tǒng)（FCS,現(xiàn)場總線網(wǎng)絡控制系統(tǒng)（Fieldbus control systems): 開放性 現(xiàn)場總線采用同一種國際標準的通信協(xié)議，可方便地與通用的局域網(wǎng)相連。 智能化現(xiàn)場儀表 系統(tǒng)中的現(xiàn)場儀表配有自己的CPU與A/D，可完成檢測、轉換、操作和自診斷等功能。 數(shù)字信號傳輸 現(xiàn)場儀表輸出均為數(shù)字信號，從而提高了系統(tǒng)的可靠性。 徹底分散性,57,3).單一控制系統(tǒng)向綜合自動化系統(tǒng)發(fā)展,綜合自動化(CIPS） 綜合自動化就是在計算機通信網(wǎng)絡和分布式數(shù)據(jù)庫的支