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1、第2章热工过程自动控制的基本概念本讲稿第一页，共四十九页第二章 热工自动控制的基本概念热工自动控制系统组成及常用术语热工自动控制系统的方框图过渡过程及其品质指标本讲稿第二页，共四十九页2-1热工自动控制系统组成及常用术语组成受控对象（过程）：工作的机器、装备等，从传感器到执行器之间被控量：表征其工作状态的物理量如T,P测量变送：对被控量进行测量（转换成标准信号）的装置调节器：把测定值和设定值进行比较的装置执行器（调节阀）：把调节器的指令成比例地转换为直线或角位移地装置自动控制系统：受控对象和控制装置的总体本讲稿第三页，共四十九页一、人工控制和自动控制人工控制：在人的直接参与下，使被控量等于给定
2、值反应不及时，可以处理复杂问题自动控制：在没有人的直接参与下，利用控制装置操纵受控对象，使被控量等于给定值反应快，按设定的程序控制，必须有模型本讲稿第四页，共四十九页人工控制人在完成一项有目的的任务所经历的过程眼睛观察 大脑分析决策、预期目标油门执行 汽车受控对象分析决策观察执行观察工作对象预期目标干扰被控量本讲稿第五页，共四十九页汽车定速巡航分析决策观察执行观察受控对象预期目标干扰调节器测量执行测量受控对象设定速度干扰本讲稿第六页，共四十九页人工控制和自动控制的类比（总结）比较计算测量执行测量受控对象给定值干扰被控量分析决策观察执行观察工作对象预期目标干扰本讲稿第七页，共四十九页自动控制的基
3、本方式开式控制之一：按给定值的操纵给定值计算执行受控对象被控量干扰本讲稿第八页，共四十九页闭式（反馈）控制：按偏差调节计算测量执行受控对象干扰被控量开式控制之二：抗干扰补偿比较计算执行测量受控对象给定值被控量干扰本讲稿第九页，共四十九页二、自控系统的组成过程控制：石油、化工、冶金、机械、电力、轻工、纺织、建材、原子能等工业部门的自动化过程控制系统：自动控制系统的被控制量是温度、压力、流量、液位成分、粘度、湿度以及PH值等的系统本讲稿第十页，共四十九页三、常用术语 被控过程（简称过程或称被控对象）：在自动控制系统中，工艺变量需要控制的生产过程、设备或机械等，如锅炉汽包。被控变量：被控过程内要求保
4、持设定数值的工艺变量称为被控变量，例如锅炉汽包内的水位。操纵变量：指受控于调节阀，用以克服扰动的影响，使被控变量保持设定值的物料量或能量，称为操纵变量。例如锅炉给水。本讲稿第十一页，共四十九页扰动（干扰）：除操纵变量外，作用于被控过程并引起被控变量变化的因素，称为扰动。例如蒸汽负荷的变化。设定值：被控变量的预定值称为设定值。例如锅炉汽包中预先设定的水位值。偏差：是被控变量的设定值与实际值之差。但是，能够直接获取的信息是被控变量的测量值而不是实际值。因此，在控制系统中通常把设定值与测量值之差作为偏差。本讲稿第十二页，共四十九页2-2热工自动控制系统的方框图调节器：调节阀：过程：从传感器到调节阀之
5、间的管道设备测量变送：调节器执行器过程测量变送x(t)e(t)u(t)q(t)y(t)z(t)本讲稿第十三页，共四十九页一、方框图的画法每个方框表示组成该系统的一个环节两个方框之间一条带有箭头的连线表示其相互关系，不表示方框之间的物料联系调节器执行器过程测量变送x(t)e(t)u(t)q(t)y(t)z(t)本讲稿第十四页，共四十九页过热蒸汽温度控制系统TCTT减温器温度测量冷水调节器执行器过程测量变送x(t)e(t)u(t)q(t)y(t)z(t)本讲稿第十五页，共四十九页液位控制器储罐HTHC差压变送器液位调节器执行器调节器执行器过程测量变送x(t)e(t)u(t)q(t)y(t)z(t)
6、干扰本讲稿第十六页，共四十九页烤炉温度控制示意图调节器执行器过程测量变送x(t)e(t)u(t)q(t)y(t)z(t)本讲稿第十七页，共四十九页位置随动系统原理图调节器执行器过程测量变送x(t)e(t)u(t)q(t)y(t)z(t)本讲稿第十八页，共四十九页调速系统图调节器执行器过程测量变送x(t)e(t)u(t)q(t)y(t)z(t)本讲稿第十九页，共四十九页二、自控系统的分类按系统的结构特点分类反馈控制系统前馈控制系统前馈反馈控制系统调节器调节阀过程测量变送x(t)e(t)u(t)q(t)y(t)z(t)本讲稿第二十页，共四十九页反馈调节器执行器过程测量变送+x(t)e(t)u(t)
7、q(t)y(t)-z(t)前馈调节器扰动通道f(t)前馈调节器执行器过程f(t)u(t)q(t)y(t)z(t)测量仪表本讲稿第二十一页，共四十九页按给定值信号的特点分类定值控制系统：将被控制量保持在某一定值或很小的范围中的控制系统随动控制系统：被控量的给定值随时间任意地变化的控制系统程序控制系统：被控量的给定值按预定的时间程序而变化的控制系数本讲稿第二十二页，共四十九页 一、系统的静态和动态二、过渡过程基本形式三、品质指标 2-3过渡过程及其品质指标本讲稿第二十三页，共四十九页一、系统的静态和动态静态：输入不变，调节系统在调节器的自动调节作用下，被调量不再随时间变化的平衡状态动态：被调量随时
8、间变化，系统处于不平衡状态一个运行的系统，时时刻刻都有扰动作用于对象，被调量偏离设定值，重点应研究系统和环节的动态特性上。本讲稿第二十四页，共四十九页二、过渡过程基本形式发散振荡等幅振荡衰减振荡本讲稿第二十五页，共四十九页发散振荡本讲稿第二十六页，共四十九页等幅振荡本讲稿第二十七页，共四十九页最大偏差给定值余差tpts衰减振荡(1)本讲稿第二十八页，共四十九页衰减振荡(2)本讲稿第二十九页，共四十九页（单调过程）无振荡过程本讲稿第三十页，共四十九页发散振荡的MATLAB模拟本讲稿第三十一页，共四十九页衰减振荡(2)的MATLAB模拟本讲稿第三十二页，共四十九页单调过程的MATLAB模拟本讲稿第
9、三十三页，共四十九页汽车ABS刹车时的车速和轮速本讲稿第三十四页，共四十九页三、品质指标 余差（e）：系统过渡过程终了时给定值与被控参数稳定值之差 最大偏差（A）：被控参数第一个波的峰值与给定值的差衰减比（n）：振荡过程的第一个波的振幅与第二个波的振幅之比衰减率（f）：经过一个周期后，波动幅度衰减的百分比过渡过程时间（ts）：系统过渡过程曲线进入新的稳定值的5%或2%范围内所需的时间峰值时间（tp）：系统过渡过程曲线到达第一个峰值所需的时间，反映系统响应的灵敏程度本讲稿第三十五页，共四十九页三、品质指标 余差（e）：系统过渡过程终了时给定值与被控参数稳定值之差 最大偏差（A）：被控参数第一个波
10、的峰值与给定值的差本讲稿第三十六页，共四十九页最大偏差给定值余差衰减振荡的品质指标本讲稿第三十七页，共四十九页衰减比（n）：振荡过程的第一个波的振幅与第二个波的振幅之比衰减率（f）：经过一个周期后，波动幅度衰减的百分比本讲稿第三十八页，共四十九页给定值衰减振荡的品质指标y2y1本讲稿第三十九页，共四十九页过渡过程时间（ts）：系统过渡过程曲线进入新的稳定值的5%或2%范围内所需的时间峰值时间（tp）：系统过渡过程曲线到达第一个峰值所需的时间，反映系统响应的灵敏程度本讲稿第四十页，共四十九页给定值tp衰减振荡的品质指标ts余差2%或5%本讲稿第四十一页，共四十九页等幅振荡的品质指标过渡时间？峰值
11、时间？衰减率衰减比本讲稿第四十二页，共四十九页发散振荡的品质指标过渡时间？峰值时间？本讲稿第四十三页，共四十九页偏差性能指标min平方误差积分准则时间乘误差平方积分准则误差绝对值积分准则时间乘误差绝对值积分准则本讲稿第四十四页，共四十九页对控制系统的性能要求稳：动态过程的振荡倾向和系统重新恢复平衡工作状态的能力过程2过程1本讲稿第四十五页，共四十九页系统过渡到新的平衡工作状态后或系统受到扰动后重新恢复平衡后，最终保持的精度，反映了动态后期的性能准：过程2过程1本讲稿第四十六页，共四十九页快：动态过程进行的时间长短，过程时间持续很长，将使系统长时间出现大偏差，同时也说明系统响应很迟钝，难以复现快速变化的信号过程2过程1本讲稿第四十七页，共四十九页小节自动控制研究的对象是自动控制系统重点是按偏差调节的反馈系统主要问题是系统的动态特性稳、准、快本讲稿第四十八页，共四十九页SIMULINK的使用SIMULINK实现动态系统建模、仿真的一个集成系统Matrix laboratory(MATLAB)功能的扩展实现了可视化建模实现了多工作环境间的文件互用和数据交换，如Simulink Matlab C Fortran DSP 实时硬件工作环境等理论研究和工程实现有机地结合在一起本讲稿第四十九页，共四十九页