自控基礎(chǔ)課件2012

自控基礎(chǔ)課件機電儀中心惠濤自控系統(tǒng)的組成系統(tǒng)運行的基本要求自動調(diào)節(jié)系統(tǒng)的過度過程自動調(diào)節(jié)系統(tǒng)的品質(zhì)指標第1章自動調(diào)節(jié)系統(tǒng)

1.1自控系統(tǒng)的組成調(diào)節(jié)控制在化工領(lǐng)域中的發(fā)展人工現(xiàn)場控制調(diào)節(jié)調(diào)節(jié)器控制調(diào)節(jié)計算機控制調(diào)節(jié)進料口執(zhí)行器變送器調(diào)節(jié)器進料口執(zhí)行器變送器調(diào)節(jié)器

進料口執(zhí)行器變送器控制站方塊圖來表示控制系統(tǒng)的組成自動調(diào)節(jié)器執(zhí)行器被控對象變送器、測量元件給定值+偏差測量值調(diào)節(jié)器輸出調(diào)節(jié)作用被調(diào)參數(shù)控制系統(tǒng)方塊圖xepqy干擾作用fz-被控對象測量元件變送器、調(diào)節(jié)器執(zhí)行器調(diào)節(jié)系統(tǒng)的四個基本環(huán)節(jié)：

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，簡稱對象。（2）被控變量對象內(nèi)要求保持一定數(shù)值（或按某一規(guī)律變化）的物理量稱為被控變量。（3）控制變量（操縱變量）受執(zhí)行器控制，用以使被控變量保持一定數(shù)值的物料或能量稱為控制變量或操縱變量。

（4）干擾（擾動）作用于對象并引起被控變量變化的一切因素稱為干擾。（5）設(shè)（給）定值工藝規(guī)定被控變量所要保持的數(shù)值。（6）偏差偏差本應(yīng)是設(shè)定值與被控變量的實際值之差。但能獲取的信息是被控變量的測量值而非實際值，因此，在控制系統(tǒng)中通常把設(shè)定值與測量值之差定義為偏差。再次引入方塊圖自動調(diào)節(jié)器執(zhí)行器被控對象變送器、測量元件給定值+偏差測量值調(diào)節(jié)器輸出調(diào)節(jié)作用被調(diào)參數(shù)控制系統(tǒng)方塊圖xepqy干擾作用fz-1.2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。若反饋的結(jié)果是使系統(tǒng)的輸出減小，則稱為負反饋若反饋的結(jié)果是使系統(tǒng)的輸出增加，則稱為正反饋☆工業(yè)控制系統(tǒng)一般情況下都應(yīng)為負反饋。

再次引入方塊圖自動調(diào)節(jié)器執(zhí)行器被控對象變送器、測量元件給定值+偏差測量值調(diào)節(jié)器輸出調(diào)節(jié)作用被調(diào)參數(shù)控制系統(tǒng)方塊圖xepqy干擾作用fz-負反饋與正反饋從上圖可以都看到，在給定值旁有個符號“+”，在測量值有個符號“-”。在這里倆種符號的意思是在比較時，給定值取正值，測量值取負，則調(diào)節(jié)器的偏差信號E=X-Z.測量值取負值，所以叫負反饋。負反饋可以使系統(tǒng)的輸出減小。如果測量值取正，偏差信號E=X+Z，那么就叫正反饋。正反饋可以使使系統(tǒng)的輸出增加?！罟I(yè)控制系統(tǒng)一般情況下都應(yīng)為負反饋。

工業(yè)控制系統(tǒng)一般情況下都應(yīng)為負反饋？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)行器閉環(huán)與開環(huán)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)。（所以自動調(diào)節(jié)系統(tǒng)是具有被調(diào)參數(shù)負反饋的閉環(huán)回路）閉環(huán)控制系統(tǒng)穩(wěn)定運行的必要條件是負反饋(如何保證系統(tǒng)是負反饋的？）控制系統(tǒng)是具有被控變量負反饋的閉環(huán)系統(tǒng)。也就是說，如果被控變量偏高，控制作用應(yīng)使之降低；相反被控變量偏低，控制作用使之升高?？刂谱饔脤Ρ豢刈兞康挠绊憫?yīng)與干擾作用對被控變量的影響相反，才能使被控變量恢復(fù)到給定值。因此就有一個作用方向的問題。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)

在控制系統(tǒng)中，不僅是控制器，而且被控對象，測量元件、變送器和執(zhí)行機構(gòu)都有各自作用方向。它們?nèi)绻M合不當，使總的作用方向構(gòu)成正反饋，則控制系統(tǒng)不但不能起控制作用，反而破壞了生產(chǎn)過程的穩(wěn)定。所以在系統(tǒng)投用生產(chǎn)前必須確認檢查各環(huán)節(jié)的作用方向。目的：是通過改變控制器的正反作用，以保證整個系統(tǒng)是一個具有負反饋的閉環(huán)系統(tǒng)。作用方向所謂作用方向，就是指輸入信號變化時，輸出信號的變化方向。當某個環(huán)節(jié)的輸入信號的增加時，輸出信號也增加，稱這個環(huán)節(jié)為“正作用”方向。當某個環(huán)節(jié)的輸入信號的減弱時，輸出信號也減弱，稱這個環(huán)節(jié)為“反作用”方向。測量元件、變送器的作用方向?qū)τ跍y量元件、變送器，被控變量在增加時，其輸出信號也是增加的。所以其方向?qū)儆冢骸罢饔谩狈较?。?zhí)行器的作用方向執(zhí)行器的輸入信號增加時，通過的流體流量增加，執(zhí)行器的作用方向為“正”執(zhí)行器的輸入信號增加時，通過的流體流量減少，執(zhí)行器的作用方向為“負”氣開閥-“正”、氣關(guān)閥-“關(guān)”被控對象的作用方向調(diào)節(jié)器作用方向由于被控對象和執(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。例1-加熱爐出口溫度分析例2-液位控制分析1.3過渡過程（1）靜態(tài)（穩(wěn)態(tài)）和動態(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)定值一起變化），當被控變量受干擾影響而偏離設(shè)定值時，控制作用必須驅(qū)使它（被控變量）回到設(shè)定值。

由于干擾沒有嚴格的變化規(guī)律（否則也不能稱之為干擾），因此系統(tǒng)中的有關(guān)參數(shù)也都是隨時間變化的。靜態(tài)――被控變量不隨時間變化的平衡狀態(tài)（變化率為0，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)”，在控制領(lǐng)域中更多的稱之為“穩(wěn)態(tài)”。在工業(yè)對象的設(shè)計過程中，需要從物料平衡、能量平衡、傳熱、傳質(zhì)、化學反應(yīng)速度與平衡等方面進行大量的計算，這些計算結(jié)果就是設(shè)計的依據(jù)，這部分內(nèi)容就屬于系統(tǒng)“靜態(tài)”特性的范疇。從理論上講，這些計算結(jié)果能保證系統(tǒng)運行在平衡狀態(tài)（物料平衡、能量平衡等），設(shè)想設(shè)計蒸發(fā)系統(tǒng)中蒸汽壓力突然發(fā)生變化或某個測量信號受到電磁干擾而發(fā)生變化，系統(tǒng)用何種方式來克服這些干擾，僅用“靜態(tài)”的概念就不能很好地解決這些困難。動態(tài)――被控變量隨時間變化的不平衡狀態(tài)。如果系統(tǒng)原來處于相對平衡狀態(tài)（靜態(tài)），當出現(xiàn)干擾使被控變量發(fā)生變化，此時控制系統(tǒng)發(fā)生作用，調(diào)節(jié)器根據(jù)偏差及其偏差的變化情況，改變調(diào)節(jié)器輸出，再經(jīng)執(zhí)行器改變操縱變量，使被控變量重新回到設(shè)定值來，這么一個從干擾發(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)計主要圍繞系統(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。（2）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(fù)到新的平衡狀態(tài)的過程。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、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。

3、幾種典型的過渡過程：

以階躍干擾作用作為干擾的代表，在階躍干擾作用下調(diào)節(jié)系統(tǒng)的過渡過程有以下幾種：1、非振蕩衰減過程被調(diào)參數(shù)在給定值一側(cè)作緩慢變化，沒有波動，最后回到給定值。yt幾種典型的過渡過程：

2、衰減振蕩過程被調(diào)參數(shù)在給定值附近上下波動，但幅度逐漸減小，最后穩(wěn)定在某一數(shù)值上。yt幾種典型的過渡過程：

3、等幅振蕩過程被調(diào)參數(shù)在給定值附近來回波動，幅度不變。yt幾種典型的過渡過程：

4、發(fā)散振蕩過程被調(diào)參數(shù)來回波動，幅度逐漸增大，偏離給定值越來越大。yt四種振蕩過程ytytytyt等幅振蕩過程振蕩衰減過程非振蕩衰減過程發(fā)散振蕩過程

1、不穩(wěn)定過渡過程：第4種，被調(diào)參數(shù)不能達到平衡狀態(tài)，遠離給定值。

2、穩(wěn)定過渡過程：第1、2種，被調(diào)參數(shù)最后能穩(wěn)定在某一數(shù)值上。

3、臨界過渡過程，第3種。多數(shù)情況下希望得到衰減振蕩過程，因為非振蕩過程變化緩慢。以上四種過渡過程可以歸納為三類：1.4品質(zhì)指標

以衰減振蕩形式來討論調(diào)節(jié)系統(tǒng)的品質(zhì)指標

1、最大偏差（A）或超調(diào)量（B）最大偏差：被調(diào)參數(shù)偏離給定值的最大值即第一個波峰A。它是一個衡量系統(tǒng)穩(wěn)定程度的指標。超凋量指最大偏差與系統(tǒng)新穩(wěn)態(tài)值之間的差值。ytABB’C品質(zhì)指標

2、余差C

過渡過程終了時，被調(diào)參數(shù)所達到的新的穩(wěn)態(tài)值與給定值之間的偏差，如圖中c。調(diào)節(jié)系統(tǒng)的余差表示系統(tǒng)調(diào)節(jié)精度。ytABB’C品質(zhì)指標

3、衰減比（B：B‘）

衰減振蕩過程中第一、第二個波峰值之比。它是衡量穩(wěn)定性的指標，衰減比小于1：1時振蕩發(fā)散，等于1：1時為等幅振蕩，為保持足夠的穩(wěn)定裕度，衰減比以4：1或10：1為宜。ytABB’C品質(zhì)指標

4、過渡時間

從干擾產(chǎn)生作用起至被調(diào)參數(shù)重新建立新的平衡為止，過渡過程所經(jīng)歷的時間。（穩(wěn)定值的±5%）過渡時間是反映系統(tǒng)調(diào)節(jié)速度的指標。ytABB’C品質(zhì)指標

5、振蕩周期或頻率

過渡過程同向兩波峰(波谷)之間的間隔時間稱為振蕩周期T，振蕩頻率f=1／T

。周期短些好ytABB’C系統(tǒng)對各指標的要求：希望余差盡量小，最大偏差小一些，過渡時間短一些，衰減比要適當。ytABB’C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：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。

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）PID控制簡介比例度的整定及比例調(diào)節(jié)規(guī)律積分時間的整定微分時間的整定比例積分微分的整定工程參數(shù)經(jīng)驗整定推薦第2章工程參數(shù)（PID)整定及調(diào)節(jié)規(guī)律對過度過程的影響

2.1PID控制簡介在工程實際中，應(yīng)用最為廣泛的調(diào)節(jié)器控制規(guī)律為比例、積分、微分控制，簡稱PID控制，又稱PID調(diào)節(jié)。PID控制，實際中也有PI和PD控制。PID控制器就是根據(jù)系統(tǒng)的誤差，利用比例、積分、微分計算出控制量進行控制的。PID控制器問世至今已有近70年歷史，它以其結(jié)構(gòu)簡單、穩(wěn)定性好、工作可靠、調(diào)整方便而成為工業(yè)控制的主要技術(shù)之一?！氨壤齪roportional”、“積分integral”、“微分derivative”2.2比例度的整定及比例調(diào)節(jié)規(guī)律比例調(diào)節(jié)規(guī)律閥門開度的改變量（調(diào)節(jié)器的輸出該變量）與被調(diào)參數(shù)的偏差值成比例的調(diào)節(jié)規(guī)律，稱比例調(diào)節(jié)規(guī)律，習慣上用P表示。偏差一旦產(chǎn)生，控制器立即就發(fā)生作用即調(diào)節(jié)控制輸出，使被控量朝著減小偏差的方向變化2.2.1調(diào)節(jié)規(guī)律的數(shù)學表達式

P-P0=KC(e-e0)或△P=KC△e式中

P—調(diào)節(jié)器的輸出

e—調(diào)節(jié)器的輸入

KC—比列調(diào)節(jié)器的放大倍數(shù)下標“0”表示正常工作狀態(tài)符號“△”表示參數(shù)在任何情況下的數(shù)值與正常工作狀態(tài)的數(shù)值之差，其差值在數(shù)學上叫做參數(shù)的增量。為了便于分析，各參數(shù)均用增量形式表示，變量前符號“△”不在書寫。

P=KCe式中P與e均為增量

2.2.2比例度比例調(diào)節(jié)作用一般用比例度（比例帶）來表示。定義：當調(diào)節(jié)器的輸入改變了滿量程的百分之幾，就能使調(diào)節(jié)器的輸出改變?nèi)秶?，此輸入改變的百分?shù)就是比例度的值比例度的數(shù)學表達式比例度輸入和輸出的關(guān)系在同樣的指示值變化量下，比例度越小，調(diào)節(jié)器輸出越大。比例度輸入和輸出的關(guān)系在同樣的的比例度下，若指示值變化量越大，調(diào)節(jié)器輸出越大。比例度輸入和輸出的關(guān)系在同樣輸出變化量，比例度越大，要求指示值變化量越大2.2.3比例度對過度過程的影響比例度對過度過程的影響調(diào)節(jié)器的比例度越大，則過渡過程曲線越平穩(wěn)，重新穩(wěn)定后，其余差也越大。反過來比例度越小，過度過程曲線越振蕩。其原因是比例度與放大系數(shù)成反比關(guān)系余差：比例調(diào)節(jié)過程結(jié)束時，被調(diào)參數(shù)的新穩(wěn)態(tài)值與給定值的差比例度對過度過程的影響比例度大，干擾發(fā)生，輸出變化小，被調(diào)參數(shù)變化慢比例度漸小，干擾發(fā)生，輸出變化增加，被調(diào)參數(shù)變化增加，開始有點振蕩，但余差不大比例度對過度過程的影響出現(xiàn)激烈振蕩等幅振蕩時的比例度發(fā)散振蕩積分時間的整定比例調(diào)節(jié)的不足：被調(diào)參數(shù)在受干擾作用下重新穩(wěn)定下來有余差。比例積分作用實際上最初是模仿人工消除余差而產(chǎn)生的自動整定調(diào)節(jié)作用2.3.1積分、比例積分調(diào)節(jié)規(guī)律積分作用是調(diào)節(jié)器輸出變化量與偏差隨時間的積分成正比的調(diào)節(jié)規(guī)律，即為輸出的變化速度與輸入偏差值成正比的調(diào)節(jié)規(guī)律。（積分調(diào)節(jié)規(guī)律具有消除余差的功能）

積分時間Ti小，表示積分速度I大，即積分作用強積分、比例積分調(diào)節(jié)規(guī)律比例積分作用是由比例和積分倆種作用的組合而成。用PI表示，工業(yè)中把比例積分作用稱為重定作用。特性分析積分調(diào)節(jié)特性：只要偏差存在，累積就不停止，直到輸出達到最大值或最小值比例積分特性：倆者特性之和（階躍變化+逐漸上升），輸出加快2.3.2積分時間對過度過程的影響

積分時間過大，積分作用不明顯，余差消除慢。積分時間過小，過度過程的振蕩太激烈，穩(wěn)定度下降。同比例調(diào)節(jié)系統(tǒng)相比較，PI調(diào)節(jié)系統(tǒng)的振蕩劇烈些，穩(wěn)定度差些，這是其增加積分作用后的不足之處。應(yīng)用積分作用后，可消除余差，這是其優(yōu)于比例調(diào)節(jié)的特點。PI調(diào)節(jié)系統(tǒng)適用面較廣，多數(shù)系統(tǒng)均可采用。但對于對象滯后較大，調(diào)節(jié)時間較長，負荷變化劇烈，由于積分作用遲緩，須增加微分調(diào)節(jié)來克服氣不足2.4微分時間的整定微分調(diào)節(jié)具有預(yù)先調(diào)節(jié)的性質(zhì)，故又稱為“超前調(diào)節(jié)”微分的調(diào)節(jié)規(guī)律是根據(jù)偏差的變化趨勢而動作，這就是微分調(diào)節(jié)的物理意義，只要被調(diào)參數(shù)與給定值的偏差一出現(xiàn)，微分就立即動作。理想微分調(diào)節(jié)規(guī)律輸入不改變，微分作用的輸出總為零；輸入變化越快，輸出越大。不能單獨使用微分調(diào)節(jié)，偏差不變，微分作用停止，無調(diào)節(jié)意義只能與比例、比例積分合用實際微分調(diào)節(jié)規(guī)律實際微分調(diào)節(jié)器-比例微分調(diào)節(jié)，比例度恒定，輸出是比例和微分的疊加起初微分作用強，但輸入不變，微分作用逐漸消失，輸出逐漸下降，最后輸出只有比例分量。微分作用衡量，Td大，作用強，超前時間大實際中比例度須能改變，才能有很好的調(diào)節(jié)質(zhì)量。隨意比例微分調(diào)節(jié)不能單獨使用。需與比例、比例積分合用微分作用方向，總是阻止被調(diào)參數(shù)的變化，力圖使偏差不變。它在被調(diào)參數(shù)變化出現(xiàn)的瞬間，產(chǎn)生較大作用力，具有一種預(yù)先調(diào)節(jié)的性質(zhì)2.5比例積分微分參數(shù)的整定比