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1、第七章第七章_自动控制系统概述自动控制系统概述第1页，共39页，编辑于2022年，星期一v 一、自动控制系统的组成一、自动控制系统的组成v 二、自动控制系统的方块图二、自动控制系统的方块图v信号和变量信号和变量v自动控制系统方块图自动控制系统方块图v反馈反馈v自动控制系统的分类自动控制系统的分类v三、过渡过程和品质指标三、过渡过程和品质指标v控制系统的静态与动态控制系统的静态与动态v控制系统的静态与动态控制控制系统的静态与动态控制v系统的过渡过程系统的过渡过程v控制系统的控制指标控制系统的控制指标v影响控制指标的主要因素影响控制指标的主要因素v例题分析例题分析1目录：目录：第2页，共39页，编
2、辑于2022年，星期一第一节第一节 自动控制系统的组成自动控制系统的组成 3图7-1 人工操作图人工操作运行过程人工操作运行过程控制速度和精度不能满足大型控制速度和精度不能满足大型现代化生产的需要现代化生产的需要脑的功能：手的功能：想想执行执行检测（眼）：观察运算（脑）：思考、判断、决策、命令执行（手）：行动眼的功能：看看第3页，共39页，编辑于2022年，星期一图7-2 液位自动控制图1、检测器检测=眼的功能2、控制器运算=脑的功能3、执行器执行=手的功能第4页，共39页，编辑于2022年，星期一自动控制信号流程自动控制信号流程第5页，共39页，编辑于2022年，星期一自动控制系统的组成及各
3、部分的作用自动控制系统的组成及各部分的作用（1）测量元件（变送器）：用来感受被控变量被控变量的变化并将它转换成一种特定的输出信号（如气压、电流信号），输出信号是可利用的、特定的、统一的。变送器将该信号转变成标准信号标准信号。（2）自动控制器：根据变送器输出信号和工艺需求，算出两者之间的偏差，再经过预先设计好的某种运算规律某种运算规律算出结果，然后将此结果用特定的信号发出。（3）执行器：通常指控制阀，它与普通阀门没有区别，只是根据控制器的控制信息，来改变阀门的开启度，克服扰动的影响，最终实现控制要求。第6页，共39页，编辑于2022年，星期一第一节第一节 自动控制系统的组成自动控制系统的组成图7
4、-2 液位自动控制4在控制流程图中，一般用小圆圈表示某些自动化装置。圈内写有两位在控制流程图中，一般用小圆圈表示某些自动化装置。圈内写有两位（或三位）字母，第一位字母表示被测变量，后继字母表示仪表的功（或三位）字母，第一位字母表示被测变量，后继字母表示仪表的功能。能。第7页，共39页，编辑于2022年，星期一字母第一位字母后继字母被测变量修饰词功能ACDEFIKLMPQRSTVWYZ分析电导率密度电压流量电流时间或时间程序物位水分或湿度压力或真空数量或件数放射性速度或频率温度黏度力供选用位置差比（分数）积分、累积安全报警控制（调节）检测元件指示自动-手动操作器积分、累积记录或打印开关、联锁传送
5、阀、挡板、百叶窗套管继动器或计算器驱动、执行或未分类的终端执行机构表7-1 被测变量和仪表功能的字母代号5第8页，共39页，编辑于2022年，星期一第一节第一节 自动控制系统的组成自动控制系统的组成 在自动控制系统的组成中,除必须具有前面所述的自动化装置外,还必须具有控制装置所控制的生产设备生产设备。在自动控制系统中,将需要控制其工艺参数的生产设备、机器、一段管道或设备的一部分叫做被控对象被控对象,简称对象对象。要选择好要选择好控制系统控制系统的对象的对象6第9页，共39页，编辑于2022年，星期一第二节第二节 自动控制系统的方块图自动控制系统的方块图一、信号和变量一、信号和变量载有变量信息的
6、物理变量是信号。系统或环节uy图7-3 输入、输出变量图输入变量输出变量多输入多数出系统7第10页，共39页，编辑于2022年，星期一第二节第二节 自动控制系统的方块图自动控制系统的方块图图7-4 简单水槽ABuu1u2图7-5 信号分叉点8第11页，共39页，编辑于2022年，星期一第二节第二节 自动控制系统的方块图自动控制系统的方块图二、自动控制系统方块图二、自动控制系统方块图v在在研研究究自自动动控控制制系系统统时时，为为了了便便于于对对系系统统分分析析研研究究，一一般般都都用用方块图来表示控制系统的组成。方块图来表示控制系统的组成。v下下页页图图为为液液位位自自动动控控制制系系统统地地
7、方方块块图图每每个个环环节节表表示示组组成成系系统统的的一一个个部部分分，称称为为“环环节节”。两两个个方方块块之之间间用用一一条条带带有有箭箭头头的的线线条条表表示示其其信信号号的的相相互互关关系系，箭箭头头指指向向方方块块表表示示为为这这个个环环节节的的输输入入，箭箭头头离离开开方方块块表表示示为为这这个个环环节节的的输输出出。线线旁的字母表示相互间的作用信号。旁的字母表示相互间的作用信号。9第12页，共39页，编辑于2022年，星期一v方方块块图图中中，x 指指设设定定值值；z 指指输输出出信信号号；e指指偏偏差差信信号号；p 指指发发出出信信号号；q指指出出料料流流量量信信号号；y 指
8、指被被控控变变量量；f 指指扰扰动动作作用用。当当x取取正正值值，z取取负负值值，e=x-z，负负反反馈馈；x 取取正正值值，z取取正正值，值，e=x+z，正反馈。，正反馈。第二节第二节 自动控制系统的方块图自动控制系统的方块图图7-6 自动控制系统方块图10第13页，共39页，编辑于2022年，星期一热交换器的系统方块图与水槽液位控制系统的方块图是一样的；所热交换器的系统方块图与水槽液位控制系统的方块图是一样的；所以可以用同一种形式地方块图可以代表不同的控制系统以可以用同一种形式地方块图可以代表不同的控制系统第14页，共39页，编辑于2022年，星期一第二节第二节 自动控制系统的方块图自动控
9、制系统的方块图 为了便于分析,有时将控制器以外的各个环节(包括被控对象、测量元件及变送器、控制阀)组合在一起看待,称之为广义对象,这样,整个系统可认为是由控制器与广义对象两者所构成,其方块图可简化。控制器广义对象被控变量测量值z给定值干扰作用f-x图7-8 简化方块图12第15页，共39页，编辑于2022年，星期一第二节第二节 自动控制系统的方块图自动控制系统的方块图小结 自动控制系统是具有被控变量负反馈的闭环系统。它与自动测量、自动操纵等开环系统比较,最本质的差别,就在于控制系统有无负反馈存在。自动操纵装置自动操纵装置对象对象操纵指令操纵指令操纵作用操纵作用工艺参数工艺参数图7-10 自动操
10、纵系统方块图15第16页，共39页，编辑于2022年，星期一第二节第二节 自动控制系统的方块图自动控制系统的方块图四、自动控制系统的分类四、自动控制系统的分类v按被控变量来分类，如温度、压力等控制系统；按被控变量来分类，如温度、压力等控制系统；v按控制器具有的控制规律来分类，如比例、比例积分、比例按控制器具有的控制规律来分类，如比例、比例积分、比例微分、比例积分微分等控制系统；微分、比例积分微分等控制系统；v将控制系统按照工艺过程需要控制的被控变量的给定值是否变将控制系统按照工艺过程需要控制的被控变量的给定值是否变化和如何变化来分类，这样可将自动控制系统分为三类，即定化和如何变化来分类，这样可
11、将自动控制系统分为三类，即定值控制系统、随动控制系统和程序控制系统。值控制系统、随动控制系统和程序控制系统。16其中第三种分类方法最普遍第17页，共39页，编辑于2022年，星期一第二节第二节 自动控制系统的方块图自动控制系统的方块图 “定值”是恒定给定值的简称。工艺生产中，若要求控制系统的作用是使被控制的工艺参数保持在一个生产指标上不变，或者说要求被控变量的给定值不变，就需要采用定值控制系统。171.1.定值控制方法定值控制方法定值控制方法定值控制方法2.2.2.2.随动控制系统（自动跟踪系统）随动控制系统（自动跟踪系统）随动控制系统（自动跟踪系统）随动控制系统（自动跟踪系统）给定值随机变化
12、，该系统的目的就是使所控制的工艺参数准确而快速地跟随给定值的变化而变化。第18页，共39页，编辑于2022年，星期一第二节第二节 自动控制系统的方块图自动控制系统的方块图3.3.程序控制系统（顺序控制系统）程序控制系统（顺序控制系统）给定值变化，但它是一个已知的时间函数，即生产技术指标需按一定的时间程序变化。这类系统在间歇生产过程中应用比较普通。18第19页，共39页，编辑于2022年，星期一第三节第三节 过渡过程和品质指标过渡过程和品质指标 一、控制系统的静态与动态一、控制系统的静态与动态19自自动动控控制制目目的的：希望将被控变量保持在一个不变的给定值上，这只有当进入被控对象的物料量（或能
13、量）和流出对象的物料量（或能量）相等时才有可能。静静态态被控变量不随时间而变化的平衡状态（变化率为0，不是静止）。第20页，共39页，编辑于2022年，星期一第三节第三节 过渡过程和品质指标过渡过程和品质指标 当一个自动控制系统的输入（给定和干扰）和输出均恒定不变时，整个系统就处于一种相对稳定的平衡状态，系统的各个组成环节如变送器、控制器、控制阀都不改变其原先的状态，它们的输出信号也都处于相对静止状态，这种状态就是静态静态。20第21页，共39页，编辑于2022年，星期一第三节第三节 过渡过程和品质指标过渡过程和品质指标21动态动态被控变量随时间变化的不平衡状态。从干扰作用破坏静态平衡，经过控
14、制，直到系统重新建立平衡，在这一段时间中，整个系统的各个环节和信号都处于变动状态之中，这种状态叫做动态。结论：结论：结论：结论：在自动化工作中，了解系统的静态是必要的，但是了解系统的动态更为重要。因为在生产过程中，干扰是客观存在的，是不可避免的，就需要通过自动化装置不断地施加控制作用去对抗或抵消干扰作用的影响，从而使被控变量保持在工艺生产所要求控制的技术指标上。第22页，共39页，编辑于2022年，星期一第三节第三节 过渡过程和品质指标过渡过程和品质指标二、控制系统的过渡过程二、控制系统的过渡过程v系统由一个平衡状态过渡到另一个平衡状态的过程。系统由一个平衡状态过渡到另一个平衡状态的过程。22
15、当干扰作用于对象，系统输出y发生变化，在系统负反馈作用下，经过一段时间，系统重新恢复平衡。举例举例图7-11 控制系统方块图控制器执行器对象被控变量测量、变送给定值干扰-第23页，共39页，编辑于2022年，星期一第三节第三节 过渡过程和品质指标过渡过程和品质指标v系统在过渡过程中，被控变量是随时间变化的。被控变量随时间的变化规律首先取决于作用于系统的干扰形式。v在生产中，出现的干扰是没有固定形式的，且多半属于随机性质。在分析和设计控制系统时，为了安全和方便，常选择一些定型的干扰形式，其中常用的是阶跃干扰。23第24页，共39页，编辑于2022年，星期一第三节第三节 过渡过程和品质指标过渡过程
16、和品质指标采用阶跃干扰的优点：采用阶跃干扰的优点：这种形式的干扰比较突然、危险，且对被控变量的影响也最大。如果一个控制系统能够有效地克服这种类型的干扰，那么一定能很好地克服比较缓和的干扰。这种干扰的形式简单，容易实现，便于分析、实验和计算。24图7-12 阶跃干扰作用第25页，共39页，编辑于2022年，星期一控制系统的过渡过程是控制系统品质的重要依据，我们假设在阶跃干扰作用下，取自动控制系统的衰减振荡过程的形式来讨论控制系统的品质指标。最大偏差（或 超调量）衰减比 余差 过渡时间 振荡周期（或 频率）1.1.时间域的各种单项指标时间域的各种单项指标第26页，共39页，编辑于2022年，星期一
17、最大偏差最大偏差最大偏差是指在过渡过程中，被控参数偏离给定值的最大数值最大偏差是指在过渡过程中，被控参数偏离给定值的最大数值(最大偏最大偏差表示系统瞬时偏离给定值的最大程度差表示系统瞬时偏离给定值的最大程度)。最大偏差越小控制系统质最大偏差越小控制系统质量越好。发生意外事故的可能性就越小。量越好。发生意外事故的可能性就越小。最大偏差（或 超调量）衰减比 余差 过渡时间 振荡周期（或 频率）第27页，共39页，编辑于2022年，星期一超调量超调量超调量超调量(B)是第一个峰值是第一个峰值 A 与新稳定值与新稳定值 C 之差之差,即即 B=A-C。它它与最大偏差含义基本相同，超调量越小控制系统质量
18、越好。与最大偏差含义基本相同，超调量越小控制系统质量越好。发生意外事故的可能性就越小。发生意外事故的可能性就越小。最大偏差（或 超调量）衰减比 余差 过渡时间 振荡周期（或 频率）第28页，共39页，编辑于2022年，星期一衰减比衰减比衰减比是相邻两个峰值的比，即衰减比是相邻两个峰值的比，即B:B，习惯上表示为，习惯上表示为n:1。一般。一般n取取4-10之间为宜。之间为宜。讨论讨论n的大小：的大小：1、n时：过渡过程为非周期衰减过程（系统较稳定）；时：过渡过程为非周期衰减过程（系统较稳定）；2、n0时：过渡过程为发散振荡过程（系统不稳定）；时：过渡过程为发散振荡过程（系统不稳定）；3、n1时
19、：过渡过程为等幅振荡过时：过渡过程为等幅振荡过程（系统处于稳定与不稳定之间）；程（系统处于稳定与不稳定之间）；4、n在在410之间时：过渡过程为衰减振荡过程之间时：过渡过程为衰减振荡过程（系统很稳定）。（系统很稳定）。最大偏差（或 超调量）衰减比 余差 过渡时间 振荡周期（或 频率）第29页，共39页，编辑于2022年，星期一余差余差当过渡过程终了时，被控参数所达到的新的稳态值与给定值之间的偏差叫做余差（当过渡过程终了时，被控参数所达到的新的稳态值与给定值之间的偏差叫做余差（C C），），或者说余差就是过渡过程终了时的残余偏差。有余差的控制过程称为有差控制，相应的系或者说余差就是过渡过程终了时
20、的残余偏差。有余差的控制过程称为有差控制，相应的系统称为有差系统。统称为有差系统。没有余差的控制过程称为无差控制，相应的系统称为无差系统。没有余差的控制过程称为无差控制，相应的系统称为无差系统。（余（余差越小越好）差越小越好）最大偏差（或 超调量）衰减比 余差 过渡时间 振荡周期（或 频率）第30页，共39页，编辑于2022年，星期一过渡时间过渡时间从干扰作用发生的时刻起，直到系统重新建立新的平衡时止，过渡从干扰作用发生的时刻起，直到系统重新建立新的平衡时止，过渡过程所经历的时间叫做过渡时间或控制时间。即过程所经历的时间叫做过渡时间或控制时间。即 t t。一般情况下。一般情况下过渡时间越短系统
21、反应速度就越快，系统就越好。过渡时间越短系统反应速度就越快，系统就越好。最大偏差（或 超调量）衰减比 余差 过渡时间 振荡周期（或 频率）第31页，共39页，编辑于2022年，星期一振荡周期振荡周期 （或（或 频率）频率）过渡过程同向两波峰过渡过程同向两波峰(或波谷或波谷)之间的间隔时间叫振荡周期或工作周期。之间的间隔时间叫振荡周期或工作周期。即即 t t1 1-t-t0 0 振荡周期的倒数称为振荡频率。理想的过渡过程是振荡周期的倒数称为振荡频率。理想的过渡过程是“两个波两个波”，其衰减比为，其衰减比为4:14:1。最大偏差（或 超调量）衰减比 余差 过渡时间 振荡周期（或 频率）第32页，共
22、39页，编辑于2022年，星期一第三节第三节 过渡过程和品质指标过渡过程和品质指标33某换热器的温度控制系统在单位阶跃干扰作用下的过渡过程曲线如下图所示。试分别求出最大偏差、余差、衰减比、振荡周期和过渡时间（给定值为200）。举例举例图7-15 温度控制系统过渡过程曲线第33页，共39页，编辑于2022年，星期一第三节第三节 过渡过程和品质指标过渡过程和品质指标解解:最大偏差A230-20030余差C205-200由图上可以看出，第一个波峰值B230-20525，第二个波峰值B2102055，故衰减比应为B:B25:55:1。振荡周期为同向两波峰之间的时间间隔，故周期T20-515（min）3
23、4第34页，共39页，编辑于2022年，星期一第三节第三节 过渡过程和品质指标过渡过程和品质指标 分分析析：过渡时间与规定的被控变量限制范围大小有关，假定被控变量进入额定值的2，就可以认为过渡过程已经结束，那么限 制 范 围 为 200（2）4，这 时，可 在 新 稳 态 值（205）两侧以宽度为画一区域，上图中以画有阴影线的区域表示，只要被控变量进入这一区域且不再越出，过滤过程就可以认为已经结束。因此，从图上可以看出，过渡时间为22min。35第35页，共39页，编辑于2022年，星期一第三节第三节 过渡过程和品质指标过渡过程和品质指标 2.2.时间域的综合指标时间域的综合指标 综合性指标往
24、往通过偏差的某些函数对时间的积分值来表达,以兼顾最大偏差、超调量、衰减比、过渡时间等各方面的因素。以偏差偏差e e表示过渡过程中被控变量与新稳态值的差值,即 e(t)=y(t)-y()。36第36页，共39页，编辑于2022年，星期一第三节第三节 过渡过程和品质指标过渡过程和品质指标四、影响控制指标的主要因素四、影响控制指标的主要因素40 一个自动控制系统可以概括成两大部分，即工工艺艺过过程程部部分分（被被控控对对象象）和自自动动化化装装置置部部分分。前者指与该自动控制系统有关的部分。后者指为实现自动控制所必需的自动化仪表设备，通常包括测量与变送装置、控制器和执行器等三部分。第37页，共39页
25、，编辑于2022年，星期一第三节第三节 过渡过程和品质指标过渡过程和品质指标 对于一个自动控制系统，过渡过程品质的好坏，在很大程度上决定于对象的性质。例如在前所述的温度控制系统中，属于对象性质的主要因素有：换热器的负荷大小，换热器的结构、尺寸、材质等，换热器内的换热情况、散热情况及结垢程度等。不同自动化系统要具体分析。41第38页，共39页，编辑于2022年，星期一例题分析例题分析1.图7-16所示为一水箱的液位控制系统。试画出其方块图,指出系统中被控对象、被控变量、操纵变量各是什么?简要叙述其工作过程,说明带有浮球及塞子的杠杆装置在系统中的功能。图7-16 水箱液位控制系统42第39页，共39页，编辑于2022年，星期一