第1章-自動控制系統(tǒng)概述課件

第一節(jié)自動控制系統(tǒng)的組成第二節(jié)自控系統(tǒng)的方塊圖第三節(jié)自控系統(tǒng)的分類第四節(jié)過渡過程和品質(zhì)指標第五節(jié)工藝管道及控制流程圖第一章自動控制系統(tǒng)概述

第一節(jié)自動控制系統(tǒng)的組成第一章自動控制系統(tǒng)概述第一節(jié)自動控制系統(tǒng)的組成液位的人工控制進料口執(zhí)行器變送器控制器（控制儀表）眼看腦想手動檢測運算執(zhí)行液位的自動控制第一節(jié)自動控制系統(tǒng)的組成液位的人工控制進料口執(zhí)行器變送器進料口執(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)行器變送器控制站控制系統(tǒng)的4個基本環(huán)節(jié)：

被控對象、檢測儀表(測量變送環(huán)節(jié))、控制器、執(zhí)行器幾個常用術(shù)語：（1）被控對象

需要實現(xiàn)控制的設(shè)備、機械或生產(chǎn)過程稱為被控對象。（2）被控變量

對象內(nèi)要求保持一定數(shù)值（或按規(guī)律變化）的物理量。（3）操縱變量受執(zhí)行器控制，用以使被控變量保持一定數(shù)值、起控制

（控制變量）作用的變量稱為操縱變量（控制變量）。

（4）干擾

除操縱變量,作用于對象并引起被控變量變化的其他因素.（5）給定值

工藝規(guī)定被控變量所要保持的數(shù)值。（6）偏差

設(shè)定值與測量值之差?？刂葡到y(tǒng)的4個基本環(huán)節(jié)：幾個常用術(shù)語：被控對象——被控變量——操縱變量——干擾作用——操縱介質(zhì)——進料口執(zhí)行器變送器控制器qfy貯槽液位y控制閥出料流量q進料流量的改變f流體蒸汽加熱器溫度控制系統(tǒng)加熱器出料口溫度T加熱蒸汽流量q進料流量/溫度的改變f蒸汽被控對象——進料口執(zhí)行器變送器控制器qfy貯槽蒸汽加熱器溫第二節(jié)自動控制系統(tǒng)的方塊圖二者存在一一對應(yīng)關(guān)系！方塊連線箭頭

進料口蒸汽加熱器溫度控制系統(tǒng)進料流量變化進料溫度的變化加熱蒸汽壓力變化加熱器出料口溫度蒸汽流量的變化第二節(jié)自動控制系統(tǒng)的方塊圖二者存在一一對應(yīng)關(guān)系！方塊進料自動控制系統(tǒng)方塊圖：控制器被控對象測量變送裝置+－SP執(zhí)行器控制器+－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

固定因素補償因素自動控制系統(tǒng)方塊圖：控制器被控對象測量變送裝置+－SP執(zhí)行器系統(tǒng)運行的基本要求:

自動控制系統(tǒng)的（最）基本要求是系統(tǒng)運行必須是穩(wěn)定的.反饋:是控制系統(tǒng)的輸出（即被控變量）通過測量變送返回到控制系統(tǒng)的輸入端，并與設(shè)定值比較的過程。負反饋:反饋的結(jié)果使系統(tǒng)的輸出減小的反饋類型。e=x-z正反饋:反饋的結(jié)果使系統(tǒng)的輸出增加的反饋類型。e=x+z工業(yè)控制系統(tǒng)一般情況下都應(yīng)為負反饋。

反饋與閉環(huán)系統(tǒng)運行的基本要求:自動控制系統(tǒng)的（最）基本要求是系統(tǒng)運行②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)偏差控制，直至消除偏差?？刂破鞅豢貙ο鬁y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)。

系統(tǒng)的輸出與偏差無關(guān)。

要實現(xiàn)自動控制，系統(tǒng)必須閉環(huán)—前提閉環(huán)控制系統(tǒng)穩(wěn)定運行的必要條件是負反饋。

②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③正作用與反作用(如何保證系統(tǒng)是負反饋的）

正作用環(huán)節(jié)：輸出信號隨輸入信號的增加而增加的環(huán)節(jié)。反作用環(huán)節(jié)：輸出信號隨輸入信號的增加而減小的環(huán)節(jié)。例如：對于控制器來說，測量值增大，輸出增大，稱為正作用控制器能否構(gòu)成負反饋系統(tǒng)和系統(tǒng)中各環(huán)節(jié)的特性有關(guān)

液位控制器液體儲槽液位變送器+－SP執(zhí)行器進料口執(zhí)行器變送器控制器“反”“正”“正”“正”“反”“反”由于對象和執(zhí)行器的特性是由實際的工藝現(xiàn)場條件決定的，所以應(yīng)當通過控制器的正、反作用特性來滿足系統(tǒng)負反饋的要求.③正作用與反作用(如何保證系統(tǒng)是負反饋的）正作用環(huán)節(jié)：輸出第三節(jié)自動控制系統(tǒng)的分類

（一）按設(shè)定值的特點區(qū)分:

（按照需要控制的給定值是否/如何變化來分類）：1、定值控制系統(tǒng)：設(shè)定值是由工藝要求給出的不變常數(shù);

通常要求被控變量盡量與設(shè)定值一致。2、隨動控制系統(tǒng)：設(shè)定值隨時間不斷發(fā)生變化;（自動跟蹤系統(tǒng)）通常要求被控變量與設(shè)定值一起變化。3、程序控制系統(tǒng)：設(shè)定值是一個已知時間函數(shù);（順序控制系統(tǒng)）即生產(chǎn)技術(shù)指標按一定時間程序變化。第三節(jié)自動控制系統(tǒng)的分類（一）按設(shè)定值的特點（二）按補償干擾的方法分: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)器操縱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）變送器補償器操縱變量補償干擾前饋+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++（二）按補償干擾的方法分:反饋調(diào)節(jié)器執(zhí)行器對象傳感器、變送器（三）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)（四）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)……（五）按調(diào)節(jié)規(guī)律區(qū)分:P、PI、PD、PID、預估控制……（六）按被控變量對操作變量的影響分:閉環(huán)控制系統(tǒng)——如：反饋控制開環(huán)控制系統(tǒng)——如：前饋控制（三）按控制系統(tǒng)的復雜程度區(qū)分:簡單控制系統(tǒng)復雜第四節(jié)控制系統(tǒng)的過渡過程和品質(zhì)指標

一、控制系統(tǒng)的靜態(tài)（穩(wěn)態(tài)）與動態(tài)控制系統(tǒng)的作用：盡可能使被控變量與設(shè)定值保持一致（或隨設(shè)定值變化），當被控變量受干擾而偏離設(shè)定值時，控制作用必須驅(qū)使它（被控變量）回到設(shè)定值。靜態(tài)：被控變量不隨時間變化的平衡狀態(tài)（不是靜止）。

如果控制系統(tǒng)是穩(wěn)定的，假設(shè)設(shè)定值和干擾都保持不變，經(jīng)過足夠長的時間，控制系統(tǒng)中各參數(shù)必然會到達一個“相對”平衡狀態(tài)，這種狀態(tài)就是所謂的“靜態(tài)”或“穩(wěn)態(tài)”。從理論上講，可行。但干擾時刻存在，系統(tǒng)用何種方式來克服這些干擾，僅用“靜態(tài)”概念不能很好地解答。

第四節(jié)控制系統(tǒng)的過渡過程和品質(zhì)指標一、控制系統(tǒng)的靜態(tài)（動態(tài)：被控變量隨時間變化的不平衡狀態(tài)。

如果系統(tǒng)原來處于靜態(tài)。出現(xiàn)干擾->被控變量->控制器。從干擾發(fā)生、系統(tǒng)控制、直到重新建立平衡的過程稱為“動態(tài)”過程。工藝設(shè)計圍繞系統(tǒng)“靜態(tài)”特性開展工作，自動控制是在“靜態(tài)”特性基礎(chǔ)上研究其“動態(tài)”特性――當系統(tǒng)失去平衡以后，如何使系統(tǒng)重新回到平衡狀態(tài)。如何來評價自控系統(tǒng)的質(zhì)量？必須分析“系統(tǒng)失穩(wěn)以后能否重新回到平衡狀態(tài)”“從系統(tǒng)失穩(wěn)到重新回到平衡狀態(tài)”這個過程的各種指標。動態(tài)：被控變量隨時間變化的不平衡狀態(tài)。二、控制系統(tǒng)的過渡過程過渡過程：受到干擾作用后系統(tǒng)失穩(wěn)，在控制系統(tǒng)的作用下，被控變量回復到新的平衡狀態(tài)的過程。階躍干擾：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。階躍干擾比較突然、危險、對控制系統(tǒng)的影響也最大容易產(chǎn)生階躍干擾。分析和設(shè)計控制系統(tǒng)時，往往選定階躍信號作為輸入e(t)Aytt0二、控制系統(tǒng)的過渡過程過渡過程：受到干擾作用后系統(tǒng)失穩(wěn)，在控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三、控制系統(tǒng)的控制指標通常取衰減振蕩來討論控制系統(tǒng)的品質(zhì)指標。

以系統(tǒng)受到階躍輸入作用后的響應(yīng)曲線的形式給出。主要包括：

最大偏差（或超調(diào)量）衰減比余差過渡時間振蕩周期（振蕩頻率）……★三、控制系統(tǒng)的控制指標通常取衰減振蕩來討論控制系統(tǒng)的品質(zhì)階躍干擾作用下的過渡過程（設(shè)定值固定，加階躍干擾）——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：超調(diào)量B設(shè)定值新穩(wěn)態(tài)值階躍干擾作用下的過渡過程（設(shè)定值固定，加階躍干擾）——定值系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：0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)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n>>1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。n>>1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？過四、影響控制指標的主要因素固定因素：被控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)容四、影響控制指標的主要因素固定因素：被控對象特性例某換熱器的溫度調(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：l4、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、若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。例某換熱器的溫度調(diào)節(jié)系統(tǒng)在單位階躍干擾作用下的過渡過程曲線。第五節(jié)工藝管道及控制流程圖（P&ID）

乙烯生產(chǎn)過程中脫乙烷塔的工藝管道及控制流程圖工藝流程控制方案控制流程第五節(jié)工藝管道及控制流程圖（P&ID）乙烯生產(chǎn)過程中脫(1)圖形符號——檢測點

一般是由工藝設(shè)備輪廓線或工藝管線引到儀表圓圈的連接線的起點必要時也可以用象形或圖形符號表示(2)圖形符號——連線

通用的儀表信號線均以細實線表示(3)圖形符號——儀表符號

儀表的圖形符號是一個細實線圓圈，直徑約10mm就地安裝儀表就地安裝儀表嵌在管道中

集中儀表盤面安裝儀表就地儀表盤面安裝儀表集中儀表盤后安裝儀表

就地儀表盤后安裝儀表同一個檢測點，有兩個或多個測量，可用兩個或多個相切的圓表示ATTENTION

管道、儀表流程圖的圖形符號不是完全標準一致的，國內(nèi)與國外、不同設(shè)計單位之間、甚至不同設(shè)計人員之間，有些方面會有不同的標注習慣，一般來說P&ID圖會有圖例給出。例如，國內(nèi)設(shè)計院一般較少用多個圓相切的形式來表示復合儀表，而國外則更常見。(1)圖形符號——檢測點一般是由工藝設(shè)備輪廓線或工藝管線儀表符號除了圖形之外，圓圈之中還應(yīng)有一串有字母和數(shù)字組成的代號稱為“儀表位號”。例如：PIC－207TRC－210……(4)字母代號

字母編號寫在圓圈的上半部。第一位字母表示被測變量后繼字母表示儀表的功能PIC－207壓力指示控制(5)數(shù)字代號

數(shù)字編號寫在圓圈的下半部。第一位數(shù)字表示段號后續(xù)數(shù)字(二位或三位數(shù)字)表示儀表序號。第2工段儀表序號為07PIC207儀表符號除了圖形之外，圓圈之中還應(yīng)有一串有字母和數(shù)字組成的代乙烯生產(chǎn)過程中脫乙烷塔的工藝管道及控制流程圖壓力指示第2工段儀表序號為06流量記錄控制流量指示報警乙烯生產(chǎn)過程中脫乙烷塔的工藝管道及控制流程圖壓力指示第2工段拉普拉斯變換和傳遞函數(shù)

已知：設(shè)定值發(fā)生單位階躍變化請問：該閉環(huán)系統(tǒng)的輸出是什么？為簡化起見，設(shè)有兩個串聯(lián)環(huán)節(jié)：已知：求：控制器執(zhí)行器對象傳感器、變送器+－SPxzeuqyf補充知識：拉普拉斯變換和傳遞函數(shù)已知：設(shè)定值發(fā)生單位階躍變化為簡化起①拉普拉斯變換

拉氏變換：將實變量t的函數(shù)f（t）變換成復變量s（s=α+jβ）的函數(shù)F(s)。其中：為原函數(shù)，為拉氏變換式（或象函數(shù)）記為：拉氏變換拉氏反變換數(shù)學上的論證略。①拉普拉斯變換拉氏變換：將實變量t的函數(shù)f（t）變換成復例1

求階躍函數(shù)的拉氏變換。解：

根據(jù)定義

于是

例1求階躍函數(shù)的例2

求斜坡函數(shù)的f(t)=t

t≥0的拉氏變換。

解：

根據(jù)定義

于是

f(t)=atnt≥0的拉氏變換?

例2求斜坡函數(shù)的f(t)=tt≥0的拉氏變換。拉氏變換的作用已知，設(shè)定值發(fā)生單位階躍變化，請問：該閉環(huán)系統(tǒng)的輸出是什么？即使上述四個環(huán)節(jié)的時域特性均知道，要直接求取閉環(huán)輸出也是有困難的.如果把上述四個環(huán)節(jié)的時域特性轉(zhuǎn)化為拉氏變換（傳遞函數(shù)）的形式，并分別記為：Gc(s)、Gv(s)、Go(s)和Hm(s)，則方塊圖可以轉(zhuǎn)化為：Gc(s)Gv(s)Go(s)Hm(s)+－SPxzeuqyf因此，只要根據(jù)左邊的方塊圖，求取出Y(s)，就可以利用拉氏反變換求出y(t)?？刂破鲌?zhí)行器對象傳感器、變送器+－SPxzeuqyf拉氏變換的作用已知，設(shè)定值發(fā)生單位階躍變化，請問：該閉環(huán)系統(tǒng)②傳遞函數(shù)對于上述的線性系統(tǒng)，其輸入輸出關(guān)系一般來說可用如下微分方程來描述：若將其進行拉普拉斯變換，并令初始條件為零，可得：

G(s)稱為傳遞函數(shù)，它為輸出與輸入的拉普拉斯變換式之比，即系統(tǒng)在復數(shù)s域的輸出與輸入之比。②傳遞函數(shù)對于上述的線性系統(tǒng)，其輸入輸出關(guān)系一般來說可用如部分常用的拉氏變換公式表

象函數(shù)F(s)原函數(shù)f(t)，t≥0象函數(shù)F(s)原函數(shù)f(t)，t≥0部分常用的拉氏變換公式表象函數(shù)原函數(shù)象函數(shù)原函數(shù)拉氏變換的性質(zhì)★線性性質(zhì)

平移性質(zhì)（時移）

平移性質(zhì)（頻移）微分性質(zhì)

積分性質(zhì)

卷積性質(zhì)極限性質(zhì)拉氏變換的性質(zhì)★線性性質(zhì)平移性質(zhì)（時移）平移性質(zhì)（頻移）例：設(shè)有兩個串聯(lián)環(huán)節(jié)：已知：求：解：同樣所以例：設(shè)有兩個串聯(lián)環(huán)節(jié)：已知：求：解：同樣所以方塊圖的基本環(huán)節(jié)串聯(lián)環(huán)節(jié)并聯(lián)環(huán)節(jié)反饋環(huán)節(jié)方塊圖的基本環(huán)節(jié)串聯(lián)環(huán)節(jié)并聯(lián)環(huán)節(jié)反饋環(huán)節(jié)例：如圖所示的控制系統(tǒng)的方塊圖，求：Y(s)/X(s),Y(s)/F(s)Gc(s)Gv(s)Go(s)Hm(s)+－X(s)Z(s)E(s)Y(s)F(s)Gf(s)＋＋解：

先求Y(s)/X(s)，此時F(s)=0

Gc(s)Gv(s)Go(s)Hm(s)+－X(s)Z(s)E(s)Y(s)于是方塊圖可以變?yōu)椋豪喝鐖D所示的控制系統(tǒng)的方塊圖，求：Y(s)/X(s),Y(例：如圖所示的控制系統(tǒng)的方塊圖，求：Y(s)/X(s),Y(s)/F(s)Gc(s)Gv(s)Go(s)Hm(s)+－X(s)Z(s)E(s)Y(s)F(s)Gf(s)＋＋解：

再求Y(s)/F(s)，此時X(s)=0

例：如圖所示的控制系統(tǒng)的方塊圖，求：Y(s)/X(s),Y(例1石油化工生產(chǎn)中，利用液態(tài)丙烯汽化吸收裂解氣體的熱量，使裂解氣體的溫度下降到規(guī)定的數(shù)值上。被冷卻的物料是乙烯裂解氣，其溫度控制在15±1.5℃.（1）指出系統(tǒng)中被控對象、被