自動(dòng)控制系統(tǒng)認(rèn)知

《化工DCS技術(shù)與總控工實(shí)訓(xùn)》主講教師：吳健1、自動(dòng)控制系統(tǒng)的方塊圖2、

常用的名詞術(shù)語(yǔ)：（1）被控對(duì)象；（2）被控變量y；（3）操縱變量；（4）干擾；（5）設(shè)定值（給定值）；（6）偏差。蒸汽加熱器溫度控制系統(tǒng)TT蒸汽加熱器溫度控制系統(tǒng)對(duì)應(yīng)的方塊圖輸入變量：給定信號(hào)s和干擾信號(hào)f輸出變量：被控變量y（或其測(cè)量值z(mì)）出口溫度控制器控制閥被控對(duì)象測(cè)量元件溫度變送器干擾作用f被控變量

出口溫度控制作用偏差e給定值sz蒸氣進(jìn)氣管道被控對(duì)象蒸氣進(jìn)氣管道操縱變量蒸氣流量干擾指外界環(huán)境等影響給定值或設(shè)定值是指要控制的基準(zhǔn)值。自動(dòng)控制系統(tǒng)13、反饋對(duì)于任何一個(gè)簡(jiǎn)單的自動(dòng)控制系統(tǒng)，不論他們?cè)诒砻嫔嫌卸啻蟛顒e，其方塊圖都有類(lèi)似的形式。

組成系統(tǒng)的各個(gè)環(huán)節(jié)在信號(hào)傳遞關(guān)系上都形成一個(gè)閉合的回路。

其中任何一個(gè)信號(hào)，只要沿著箭頭方向前進(jìn)，通過(guò)若干個(gè)環(huán)節(jié)后，最終又回到原來(lái)的起點(diǎn)。即自動(dòng)控制系統(tǒng)是一個(gè)閉環(huán)系統(tǒng)。

自動(dòng)控制系統(tǒng)之所以是一個(gè)閉環(huán)系統(tǒng)，是由于反饋的存在。上圖系統(tǒng)的輸出變量是被控變量，但是它經(jīng)過(guò)測(cè)量元件和變送器后，又返回到系統(tǒng)的輸入端，與給定值進(jìn)行比較。

這種將系統(tǒng)（或環(huán)節(jié)）的輸出信號(hào)直接或經(jīng)過(guò)一些環(huán)節(jié)重新返回到輸入端的做法叫做反饋。反饋分正反饋和負(fù)反饋kβxyzekβxyze對(duì)于負(fù)反饋y=kee=x-βyy=kx-kβyy=k1+kβx如果k很大，k1y=1βx環(huán)節(jié)之間的關(guān)系？4、控制系統(tǒng)的過(guò)渡過(guò)程假定系統(tǒng)處于靜態(tài)，當(dāng)系統(tǒng)受到外界干擾時(shí)，即干擾作用f存在，則y很快就會(huì)發(fā)生變化，系統(tǒng)進(jìn)入一個(gè)動(dòng)態(tài)過(guò)程。一般情況下，自動(dòng)控制系統(tǒng)在干擾作用下的過(guò)渡過(guò)程有以下幾種基本形式：（1）非周期衰減過(guò)渡過(guò)程（2）衰減振蕩過(guò)程（3）等幅振蕩過(guò)程（4）發(fā)散振蕩過(guò)程c(t)

(e)單調(diào)衰減

(c)等幅振蕩

(b)單調(diào)發(fā)散

(d)衰減振蕩

(a)發(fā)散振蕩

c(t)

c(t)

c(t)

c(t)

ttt

t

t控制系統(tǒng)的控制指標(biāo)主要有兩類(lèi)，一類(lèi)是時(shí)間域的單項(xiàng)指標(biāo)，另一類(lèi)是時(shí)間域的綜合指標(biāo)。時(shí)間域的單項(xiàng)有下列幾個(gè)：（1）最大偏差和超調(diào)量最大偏差就是第一個(gè)波的峰值A(chǔ)超調(diào)量B就是第一個(gè)波的峰值A(chǔ)與新穩(wěn)定值C之間的偏差B=A-C（2）衰減比就是衰減振蕩過(guò)程中，前后兩個(gè)相鄰峰值的比。（3）余差（4）過(guò)渡時(shí)間（5）振蕩周期或頻率就是過(guò)渡過(guò)程的同向兩個(gè)波峰（或波谷）之間的間隔時(shí)間。例題：某換熱器的溫度調(diào)節(jié)系統(tǒng)在單位階躍干擾下的過(guò)渡過(guò)程曲線如下圖所示。試分別求出最大偏差、衰減比、余差、過(guò)渡時(shí)間、振蕩周期（設(shè)定值為200℃）。自動(dòng)控制系統(tǒng)認(rèn)知溫度計(jì)

加熱電阻絲調(diào)壓器u(a)原理圖~220V輸出量(手柄位置)輸入量

調(diào)壓器

加熱電阻絲

電爐

恒溫箱

受控對(duì)象(溫度)擾動(dòng)量(b)方塊圖控制裝置開(kāi)環(huán)控制控制器控制閥被控對(duì)象測(cè)量元件溫度變送器干擾作用f被控變量控制作用偏差e給定值sz放大元件調(diào)節(jié)元件比較元件閉環(huán)控制水溫控制系統(tǒng)谷物濕度控制系統(tǒng)例1-1.水箱水位控制系統(tǒng)（閉環(huán)控制）在下面的敘述中，試分別指出被控變量、操作變量、干擾、控制對(duì)象、控制方式,并繪制控制示意圖和方框圖。“發(fā)動(dòng)機(jī)內(nèi)的燃燒是由空氣燃料比(空氣量／燃料噴射量)來(lái)控制。通過(guò)控制燃料噴射量，使空氣與燃料的比值保持一定，不受空氣量變化影響，特別是消除外部干擾的影響?！?、控制系統(tǒng)的過(guò)渡過(guò)程假定系統(tǒng)處于靜態(tài)，當(dāng)系統(tǒng)受到外界干擾時(shí)，即干擾作用f存在，則y很快就會(huì)發(fā)生變化，系統(tǒng)進(jìn)入一個(gè)動(dòng)態(tài)過(guò)程。一般情況下，自動(dòng)控制系統(tǒng)在干擾作用下的過(guò)渡過(guò)程有以下幾種基本形式：c(t)

(e)

(c)

(b)

(d)

(a)

c(t)

c(t)

c(t)

c(t)

ttt

t

t單調(diào)衰減等幅振蕩單調(diào)發(fā)散衰減振蕩發(fā)散振蕩平衡狀態(tài)下一旦受到某種干擾,系統(tǒng)平衡就會(huì)受到破壞，比較理想的自動(dòng)控制系統(tǒng)為c(t)

t干擾前干擾后在中控室，技術(shù)員往往在盯著一些控制曲線，那么這些曲線都含有哪些信息呢？例，某化學(xué)反應(yīng)器工藝操作規(guī)定溫度為（800±10℃）。為確保生產(chǎn)安全，控制中溫度最高不得超過(guò)850℃。現(xiàn)運(yùn)行的控制系統(tǒng)，在最大階躍擾動(dòng)下的過(guò)渡過(guò)程曲線如圖所示。（1）分別求出最大偏差、余差、衰減比、過(guò)渡時(shí)間（溫度進(jìn)入±2%新穩(wěn)定值即視為系統(tǒng)已穩(wěn)定）和振蕩周期。（2）說(shuō)明此溫度控制系統(tǒng)是否滿足工藝要求。這里涉及幾個(gè)專(zhuān)業(yè)術(shù)語(yǔ):最大偏差和超調(diào)量、衰減比、余差等（1）最大偏差和超調(diào)量最大偏差就是第一個(gè)波的峰值A(chǔ)超調(diào)量B就是第一個(gè)波的峰值A(chǔ)與新穩(wěn)定值C之間的偏差B=A-C（2）衰減比就是衰減振蕩過(guò)程中，前后兩個(gè)相鄰峰值的比。（3）余差（4）過(guò)渡時(shí)間（5）振蕩周期或頻率就是過(guò)渡過(guò)程的同向兩個(gè)波峰（或波谷）之間的間隔時(shí)間。例，某化學(xué)反應(yīng)器工藝操作規(guī)定溫度為（800±10℃）。為確保生產(chǎn)安全，控制中溫度最高不得超過(guò)850℃。現(xiàn)運(yùn)行的控制系統(tǒng)，在最大階躍擾動(dòng)下的過(guò)渡過(guò)程曲線如圖所示。（1）分別求出最大偏差、余差、衰減比、過(guò)渡時(shí)間（溫度進(jìn)入±2%新穩(wěn)定值即視為系統(tǒng)已穩(wěn)定）和振蕩周期。（2）說(shuō)明此溫度控制系統(tǒng)是否滿足工藝要求。第三節(jié)描述對(duì)象特性的參數(shù)當(dāng)對(duì)象的輸入量發(fā)生變化，輸出量是怎么變化的呢？一、放大系數(shù)kQ1Q2h(Q1-Q2)dt=Adh

二、時(shí)間常數(shù)T

時(shí)間常數(shù)表明，對(duì)象輸入?yún)?shù)發(fā)生變化時(shí)，輸出參數(shù)變化的快慢，即輸出參數(shù)慣性的大小。

從圖中可以看到，截面積大的水槽與截面積小的水槽相比，當(dāng)進(jìn)口流量改變同樣一個(gè)數(shù)值時(shí)，截面積小的水槽液位變化快，并迅速趨向新的穩(wěn)態(tài)值。

同理，夾套蒸汽加熱的反應(yīng)器與直接蒸汽加熱的反應(yīng)器相比，當(dāng)蒸汽流量變化時(shí)，直接蒸汽加熱的反應(yīng)器內(nèi)反應(yīng)物的溫度變化就比夾套加熱的反應(yīng)器來(lái)得快。

三、滯后時(shí)間τ1．傳送滯后

如圖（a）所示的溶解槽，料斗中的固體用皮帶輸送機(jī)送至加料口。在料斗加大送料量后，固體溶質(zhì)需等輸送機(jī)將其送到加料口并落人槽中后，才會(huì)影響溶液濃度。

另外，從測(cè)量方面來(lái)說(shuō)，由于測(cè)量點(diǎn)選探不當(dāng)、測(cè)量元件安裝不合適等原因也會(huì)造成傳遞滯后。

下圖是—個(gè)蒸汽直接加熱器，如果以進(jìn)入的蒸汽量q為輸入量，實(shí)際測(cè)得的溶液溫度為輸出量。τnAh1

Q1Q12

h2Q2A1A2ⅠⅡoQ1htt串聯(lián)水槽及其響應(yīng)曲線

如圖所示的兩個(gè)串聯(lián)水槽的液位（雙容）過(guò)程來(lái)說(shuō)明顯存在容量滯后現(xiàn)象。h1h2例題：某換熱器的溫度調(diào)節(jié)系統(tǒng)在單位階