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1、自动控制基础知识自动控制基础知识第1页，共60页，编辑于2022年，星期二给排水概论自动控制基础知识自动化仪表与设备控制系统调节Outline第2页，共60页，编辑于2022年，星期二自动控制系统自动控制系统一.概念定义 在人不直接参与的情况下，利用外加的设备或装置(自动控制装置)来代替人，使生产过程或工作机械(被控对象)自动地按照预定规律运行，或使某一参数(被控量)按照预定要求变化发展历程 经典控制理论：50年代末；传递函数；时域分析法、根轨迹法 现代控制理论：60年代初；状态空间；研究对象复杂（多变量、非线性、强干扰、高精度、变结构）；最优控制、模糊、神经网络、自适应控制 目前状态：极端争
2、议中！第3页，共60页，编辑于2022年，星期二自动控制系统自动控制系统一.概念应用：The Impact of Control TechnologyOverview,Success Stories,and Research Challenges.Edited by Tariq Samad and Anuradha Annaswamy给排水工程：全自动化水厂(遥感技术；优化调度)水位自动控制系统(逻辑控制；阀门调节)恒压给水系统（变频调速控制）供水、排水泵站的自动控制系统 水处理单元环节的自动控制系统 第4页，共60页，编辑于2022年，星期二水位控制系统(人工控制系统)自动控制系统自动控制系
3、统被控对象：水池被控变量：水位控制目标：水位定值传感器：眼睛执行器：手臂调节器：大脑(比较并发出命令)一.概念第5页，共60页，编辑于2022年，星期二自动控制系统自动控制系统水位控制系统(自动控制系统)一.概念机机械械电电器器电电子子电电气气工工艺艺第6页，共60页，编辑于2022年，星期二自动控制装置测量元件（传感器）：测量被控量的实际值或对被控量进行物理量的变化；比较元件：将测量结果和要求值进行比较，得到偏差调节元件(调节器)：根据偏差大小产生控制信号，通常包括放大器和矫正装置，它能放大偏差信号并使控制信号和偏差具有一定关系（调节规律）执行元件（执行器）：由控制信号产生控制作用，从而使被
4、控量达到预定要求 自动控制系统=自动控制装置+被控对象自动控制系统自动控制系统一.概念第7页，共60页，编辑于2022年，星期二方框图 系统各环节用方框图来表示，各环节之间的因果关系（输入输出）用箭头表示，信号只能沿箭头方向单向传递，能够代替系统示意图来更清晰直观地表示出各环节之间的联系及因果关系 自动控制系统自动控制系统一.概念第8页，共60页，编辑于2022年，星期二方框图自动控制系统自动控制系统控制系统简图一般自控系统工作原理：给定值发生变化或扰动影响下,被控量偏离给定值；通过测量元件测量实际被测量，再经由比较元件得出偏差；根据偏差大小，经放大、调节、执行等元件实现控制，使得被控量回复或
5、趋近给定值，从而消除或减少偏差主要特点：闭环负反馈；偏差控制反馈控制原理一.概念第9页，共60页，编辑于2022年，星期二炉温控制(人工)自动控制系统自动控制系统二.构成第10页，共60页，编辑于2022年，星期二炉温控制(自动)自动控制系统自动控制系统二.构成第11页，共60页，编辑于2022年，星期二炉温控制(方框图)自动控制系统自动控制系统二.构成第12页，共60页，编辑于2022年，星期二主要基本元件整定元件：给定元件，给出被控量期望值测量元件：传感器,实现检测、变送、显示等功能比较元件：用来得到给定值与被控量之间的差值，常用差动放大器、电桥等。有时含在调节元件中调节放大元件：将误差信
6、号放大，并产生控制信号执行元件:实现控制命令，推动被控对象。电机是典型的执行元件校正元件：用来改善系统的动、静态性能，它可以用模拟/数字电路来实现，也可以通过计算机程序来实现能源元件：用来提供控制系统所需要的能量自动控制系统自动控制系统二.构成第13页，共60页，编辑于2022年，星期二专业术语被控量：指被测量和被控制的量或状态，如上述系统中的炉温控制量：一种由控制器改变的量或状态，它将影响被控量的值，如上述系统中加热电阻丝两端的电压对象：它一般是一个设备，通常由一些机器零件有机的组合在一起，我们通常将被控物体称为对象，如电加热炉系统：系统是一些部件的组合，这些部件组合在一起，完成一定的任务。
7、系统并不限于物理系统，系统的概念有时是很抽象的，它可以指一个特定的动态现象扰动：一种对系统的输出量产生不利影响的因素或信号，如果扰动来自于系统内部，称为内部扰动；如果扰动来自于系统外部，则称之为外部扰动自动控制系统自动控制系统二.构成第14页，共60页，编辑于2022年，星期二 按照结构进行分类：闭环控制、开环控制、复合控制（同时具有开环和闭环结构）自动控制系统自动控制系统三.分类闭环控制 原理：需要控制的是受控对象（如水位控制系统）的被控量（如液位），而测量的则是被控量和给定值，并计算两者的偏差，该偏差信号经放大后送到执行元件，去操纵受控对象，使被控量按预定的规律变化，以消除偏差。只要被控量
8、偏离了给定值，系统均能自动纠正。这种控制方式也称为按偏差调节第15页，共60页，编辑于2022年，星期二自动控制系统自动控制系统三.分类闭环控制 反馈控制：输出量回送到输入端，与指令信号比较产生偏差，利用偏差实现控制 指令信号与被控量相减为负反馈，相加则为正反馈。不做特别说明，一般指负反馈。三大特点：闭环；负反馈；偏差控制 优点：控制精度高，抗干扰能力强 缺点：元件多，线路复杂，分析和设计麻烦第16页，共60页，编辑于2022年，星期二自动控制系统自动控制系统三.分类开环控制按给定值控制 原理：需要控制的是受控对象的被控量，控制装置只接收给定值，信号只由给定值单向传递到被控量，无反向联系 特点
9、：简单，控制精度低，抗干扰能力差。结构简单、成本低，精度要求不高时，有一定实用价值 开环控制和闭环控制基本区别：有无负反馈作用第17页，共60页，编辑于2022年，星期二自动控制系统自动控制系统三.分类开环控制按干扰补偿 原理：需要控制的是被控量，而测量的是干扰信号，利用干扰信号产生控制作用，以减小或抵消干扰对被控量的影响，也称顺馈控制 由于测量的是干扰，故只能对可测量的干扰进行补偿。因此，控制精度受到原理的限制。（例如稳压电源）。第18页，共60页，编辑于2022年，星期二自动控制系统自动控制系统三.分类复合控制 原理：把按偏差控制与按干扰控制结合起来，对主要扰动采用适当的补偿，实现按干扰控
10、制；同时再组成反馈系统实现按偏差控制，以消除其他偏差。总结：组成：自动控制装置和受控对象；任务：使被控量自动跟随指令信号变化；实现：闭环控制、开环控制和复合控制；功能：测量、调节(比较放大)和执行第19页，共60页，编辑于2022年，星期二按元件类型：可分为机械系统、电气系统、机电系统、液压系统、气动系统、生物系统等；按系统功用：可分为温度控制系统、压力控制系统、位置控制系统等；按系统性能：可分为线性系统和非线性系统、连续系统和离散系统、定常系统和时变系统、确定性系统和不确定性系统等；按输入量形式：可分为恒值控制系统、随动系统和程序控制系统等 为全面反映自动控制系统特点，常将上述分类方法组合应
11、用自动控制系统自动控制系统三.分类其他分类方法第20页，共60页，编辑于2022年，星期二线性连续控制系统 描述：线性微分方程自动控制系统自动控制系统三.分类恒值控制系统：水位控制；温度、压力等过程控制系统随动控制系统：输入量预先未知随时间变化；伺服控制系统程序控制系统：输入量按预先规律随时间变化第21页，共60页，编辑于2022年，星期二自动控制系统自动控制系统三.分类线性离散控制系统 描述：线性差分方程非线性控制系统SISO系统和MIMO系统集中参数和分布参数系统第22页，共60页，编辑于2022年，星期二作用：自动控制系统是由各个相互联系的环节组成，每一个环节都有输入输出信号，方框图和传
12、递函数分别从直观和数理角度来描述输入输出信号的关系，是经典自动控制理论分析和综合的基本手段传递函数与环节特性传递函数与环节特性一.方框图和传递函数阻容电路第23页，共60页，编辑于2022年，星期二传递函数与环节特性传递函数与环节特性一.方框图和传递函数传递函数：系统或环节的输出与输入拉氏变换之比几点说明：传递函数只适用于线性定常系统传递函数完全取决于系统内部结构参数传递函数只表明特定输入输出关系。同一系统，取不同变量作为输入输出，传递函数各不相同传递函数在零初始条件下建立，因此它只是系统零状态模型，不能完全反映零输入响应动态特性假设零初始条件在工程上可以接受第24页，共60页，编辑于2022
13、年，星期二自动控制系统更科学的分类，应根据其动态特性分类，具有相同动态特性(相同的微分方程描述)的系统，尽管元件，功能，构造原理不同，都应归纳于同一类自动控制系统传递函数与环节特性传递函数与环节特性二.典型环节传递函数杠杆系统传动机构理想运放器上述系统输入输出之间满足比例关系，因此为同一系统第25页，共60页，编辑于2022年，星期二比例环节传递函数与环节特性传递函数与环节特性二.典型环节传递函数 K 为比例系数或放大系数，表示输出信号与输入信号之间的比值第26页，共60页，编辑于2022年，星期二传递函数与环节特性传递函数与环节特性二.典型环节传递函数一阶惯性环节Example：阻容电路单阶
14、水槽第27页，共60页，编辑于2022年，星期二传递函数与环节特性传递函数与环节特性二.典型环节传递函数一阶惯性环节 当输入信号X(t)为幅度为A的阶跃输入时，其输出为 K为放大系数：决定了环节最终稳态值 T为时间常数：决定了环节反应速度及过渡时间第28页，共60页，编辑于2022年，星期二积分环节传递函数与环节特性传递函数与环节特性二.典型环节传递函数第29页，共60页，编辑于2022年，星期二微分环节传递函数与环节特性传递函数与环节特性二.典型环节传递函数第30页，共60页，编辑于2022年，星期二滞后环节传递函数与环节特性传递函数与环节特性二.典型环节传递函数第31页，共60页，编辑于2
15、022年，星期二过渡过程及品质指标过渡过程及品质指标 影响系统输出响应三大因素：系统本身结构与参数；系统初始状态、系统外部输入信号一.典型输入信号(1)阶跃函数(2)速度函数(3)加速度函数(4)脉冲函数第32页，共60页，编辑于2022年，星期二过渡过程及品质指标过渡过程及品质指标二.静态与动态 当自动控制系统的被控参数不随时间变化，即被控参数变化率等于零的状态，称为系统的静态；而把被控参数随时间变化的状态称为动态 (1)静态 当一个自动控制系统的输入恒定不变时，既不改变给定值又没有干扰，整个系统就会处于一种相对平衡的静止状态，自动控制系统的静态过程是暂时的、相对的和有条件的(2)动态 生产
16、过程中干扰不断产生，自动控制系统的静态随时被打破，使被控参数变化。在这个过程中，系统各环节都处于运动状态，所以称为动态第33页，共60页，编辑于2022年，星期二 过渡过程即动态过程，也就是系统由一个平衡状态过渡过另一个平衡状态的全过程，或者说是自动控制系统的控制作用不断克服干扰影响的全过程.过渡过程及品质指标过渡过程及品质指标三.过渡过程单调过程单调过程非周期发散过程非周期发散过程衰减振荡过程衰减振荡过程等幅振荡过程等幅振荡过程发散振荡过程发散振荡过程第34页，共60页，编辑于2022年，星期二自动控制系统要求被控制设备、机器和生产过程按照给定要求进行，即被控量随给定值变化(发电机输出电压恒
17、定、调速速度的转速、炉温等)一个高品质的控制系统，被控量与给定值偏差应尽可能小，从系统动态角度来说，要“稳”,快”,“准”n稳：平稳性；振荡要逐步减弱，振幅和频率不能过大n快：快速性；过渡过程时间要短，振荡衰减要快n准：准确性；稳定后实际值与给定值误差小被校对象不同，对稳、快、准的技术要求也有所侧重，随动系统对“快”要求较高，而温度控制系统对“稳”限制严格。同一系统稳、快、准是相互制约的，提高过程的快速性，常会诱发系统强烈振荡；改善平稳性，控制过程又可能延迟甚至最终精确度也有所下降过渡过程及品质指标过渡过程及品质指标四.品质要求第35页，共60页，编辑于2022年，星期二过渡过程及品质指标过渡
18、过程及品质指标四.品质指标(1)最大偏差 A：被控参数与给定值的最大差值，第一个波峰处；幅度不能过大，否则会造成事故(2)超调量 B:第一个峰值与新稳定值之差(3)过渡时间ts：控制系统从受到干扰引起被控量发生变化，到达到新平衡状态所需时间，也称调节时间。一般指被控量进入最终稳定值5%范围之内所需时间，要求ts越小越好第36页，共60页，编辑于2022年，星期二过渡过程及品质指标过渡过程及品质指标四.品质指标(4)余差C：达到新稳态值后，实际值与给定值之间的偏差，反映了控制的精度。(5)衰减比:相，邻两个波峰值之间，小于1，扩散；等于1，等幅；大于1，稳定，宜取410之间(6)振荡周期T：从一
19、个波峰到相邻波峰所需时间.第37页，共60页，编辑于2022年，星期二n将控制器、执行器、传感器等组成整体看成广义控制器控制基本方式控制基本方式控制系统广义描述位式、比例、积分、微分第38页，共60页，编辑于2022年，星期二双位控制系统：调节器只有全开、全关两个极限位置，实现该功能的控制电路为双位式控制器控制基本方式控制基本方式一.位式控制水池液位控制系统全开、全关控制电路第39页，共60页，编辑于2022年，星期二双位控制缺点：动作非常频繁，致使系统中的运动部件容易损坏，很难保证双位调节系统长期安全可靠地运行，同时被控变量总是剧烈振荡，控制性能欠佳 控制基本方式控制基本方式一.位式控制多位
20、控制：为了改善这种特性，控制器的输出可以增加一个中间值，即当被控变量在某一个范围内时，执行器可以处于某一中间位置，从而使系统不平衡状态得到缓和三位控制：第40页，共60页，编辑于2022年，星期二位式控制一般无法保证系统平衡，如果阀门开度与偏差值成比例，系统有可能实现平衡.比例控制：控制器的输出信号与输入信号之间有一一对应比例关系。一般也称为P控制控制基本方式控制基本方式二.比例控制传递函数：实际输入输出函数：第41页，共60页，编辑于2022年，星期二控制基本方式控制基本方式二.比例控制比例调节器输出随输入成比例变化，时间上没有任何迟延。Kc是一个不随时间而变的常数。Kc设置成可调的，经人工
21、调定，就不再随时间变化。浮球阀液位控制系统：第42页，共60页，编辑于2022年，星期二控制基本方式控制基本方式比例度二.比例控制输入信号相对于其满量程的比例输出信号相对于其满量程的比例比例度可这样理解：要使输出信号作全范围变化，输入信号须改变全量程的百分数。例如，输入和输出信号变化范围都是010mA，如输入电流改变1mA，则输出电流改变2mA，此时:也就是说，在50%比例度下，当输入电流改变全范围的50%，输出电流将作全范围的变化。第43页，共60页，编辑于2022年，星期二控制基本方式控制基本方式比例度对于标准仪表，输入输出信号都是标准信号，则有二.比例控制静态影响：系统为有差系统；Kc越
22、大，余差越小动态影响：当Kc值增大，(即减小时)(a)余差下降；(b)振荡倾向加强，稳定程度下降；(c)工作频率提高，工作周期缩短；(d)在干扰作用下，Kc越大最大偏差越小。比例调节器适用于干扰幅度小，滞后较小，时间常数较长(与滞后时间相比)的对象。通常比例度取值为：流量调节40%100%；液面调节20%80%第44页，共60页，编辑于2022年，星期二控制基本方式控制基本方式积分环节 当有输入信号存在时，其输出就会一直积累下去、直到极值，利用积分环节构成控制器就叫积分控制器；只要被调参数有偏差，积分调节器就会为消除这个偏差继续调节。积分调节器一定可以克服偏差，直到偏差为零时，调节的过渡过程才
23、停止，因此，积分控制是无差控制.积分控制器调节规律：控制器输出的变化量与偏差随时间的积分成比例，即输出变化速度与输入偏差值成正比。三.比例积分控制积分控制规律：在偏差是阶跃信号输入时，积分控制在偏差是阶跃信号输入时，积分控制规律特性曲线如图所示。规律特性曲线如图所示。直线斜率反映了输出的变化速度，它与直线斜率反映了输出的变化速度，它与偏差大小成正比，而与积分时间偏差大小成正比，而与积分时间Ti成反成反比。比。第45页，共60页，编辑于2022年，星期二控制基本方式控制基本方式比例积分控制律PI一个既具有比例作用又有积分作用的控制器称为比例积分控制器.三.比例积分控制比例积分控制规律：比例积分控
24、制传递函数：若偏差为幅度A的阶跃信号第46页，共60页，编辑于2022年，星期二控制基本方式控制基本方式三.比例积分控制比例积分调节器输出是比例调节作用与积分调节作用的叠加。比例积分调节作用是比例粗调和积分细调作用组合。粗调及时克服干扰，细调逐渐克服余差。在调节作用上以比例为主。比例积分调节作用可看成是比例系数随时间不断加大的比例作用。积分时间积分时间Ti缩短时，将产生缩短时，将产生下列现象：下列现象：(a)消除余差较快；消除余差较快；(b)稳定程度下降，振荡倾稳定程度下降，振荡倾向加强；向加强；(c)最大偏差减小。最大偏差减小。积分时间过大，积分作用弱，积分时间过大，积分作用弱，消除静差慢；
25、积分时间过小，消除静差慢；积分时间过小，过渡过程振荡太剧烈，稳定性过渡过程振荡太剧烈，稳定性降低，动态指标下降。降低，动态指标下降。第47页，共60页，编辑于2022年，星期二微分控制 微分控制规律根据偏差变化速度产生控制信号，具有超前作用。主要克服对象大时间常数和容量滞后影响。一般不单独使用控制基本方式控制基本方式四.比例积分微分控制积分控制规律：微分作用特点：输入不变，微分作用输出总是零；输入变化，控制器才有输出；输入变化越快，输出值越大第48页，共60页，编辑于2022年，星期二比例微分控制 既有比例控制作用，又有微分作用，有利于克服干扰，降低最大偏差。微分作用超前，是与比例控制作用相对
26、而言的。当偏差作阶跃变化时，控制器输出会一跃而上，加大了作用量，因此可使最大偏差减小，过渡时间缩短控制基本方式控制基本方式四.比例积分微分控制比例微分控制规律：PD特性与P特性相比，输出值要高上一段，从时间上看，纯比例作用达到同样的输出值，要多花一段时间第49页，共60页，编辑于2022年，星期二比例积分微分控制 适用于容量滞后大又需消除余差的系统，以比例作为基本调节规律，以微分的超前作用克服容量滞后、测量滞后，以积分作用最后消除余差。四.比例积分微分控制控制基本方式控制基本方式PID控制规律：PID调节器作用：先是微分起主导；后是比例；最后是积分。第50页，共60页，编辑于2022年，星期二
27、控制基本方式控制基本方式四.比例积分微分控制比较曲线1与曲线3，曲线2与曲线4：微分作用能减小最大偏差值和调节时间。比较曲线4与曲线 3：积分作用能够消除余差，最大偏差值及调节时间增大。如果系统的滞后很大，积分作用还会引起振荡。第51页，共60页，编辑于2022年，星期二上述典型控制方式各有优缺点，要依据不同对象、负荷变化、控制要求、性价比等来综合选择.具体原则：P控制方式：时间常数较小，负荷变化不大，工艺要求不高PI控制方式：时间常数较小，负荷变化较大，工艺要求无余差PID控制方式：时间常数大，负荷变化大，要求无误差时间常数很小，可引入反微分作用来降低系统的反应速度时间常数很大，负荷变化很大
28、时、单回路控制系统往往不能满足要求，根据具体情况选用前馈。串级、前馈、采样等复杂控制当对象数学模型用一阶惯性环节和滞后环节近似时，可根据纯滞后时间与时间常数的比值/T来选择控制方式。/T0.2：选用比例或比例积分控制方式；0.2/T1：采用单回路控制系统往往不能满足要求，应选用其他控制方案。控制基本方式控制基本方式五.控制方式选择第52页，共60页，编辑于2022年，星期二整定：调节决定控制作用强弱的控制器特征参数(P,Ti,TD),目的就是设法使控制器特性能够和被控对象配合好，以便得到最佳控制效果.具体控制器是通过旋钮机构来改变整定参数，整定前需说明如下三点：控制器的特性参数：取决于具体被控
29、对象的动态特性。自动控制器之所以具有很大的通用性，关键就在于它可以通过改变其特性参数来适应各种不同的被控对象控制效果怎样才算“最佳”：没有统一标准。“稳”、“准”、“快”整定方法：几十种。主要是反应曲线法，但大部分不能在工程上实际运用，常用的三种工程整定法：p临阶比例度法；衰减曲线法；经验法控制基本方式控制基本方式六.整定第53页，共60页，编辑于2022年，星期二基本运算：非、是、与、或建立或化简逻辑关系式有如下方法：n基本规则：分配律、吸收律、反置关系n真值表n卡诺图 将逻辑关系式的各项填入方块图中；标为”1”，余下空格为”0”.当相邻的偶数个格皆为1时，可合并简化为逻辑表达式的一项，合并
30、块按尽量大的原则，各项之间以逻辑加符号相连，可得到最简逻辑表达式。双位逻辑控制系统双位逻辑控制系统一.基础知识第54页，共60页，编辑于2022年，星期二逻辑控制：借助自动装置，使从发送器来的有关信号和执行机构的控制作用服从一定的逻辑关系.例如水泵启停，按钮（启、停）动作，即发送器发生信号；继电器线圈(通、断电)、执行机构的控制；两者服从一定逻辑关系：启动按钮按下，继电器得电；停止按钮按下，继电器断电两个表征因素：n控制线路：逻辑表达代数方程组n实现控制线路的方法：与具体自动装置单元类型和结构相关,即执行机构，往往是开关，包括电子、电气、气动、液压等实现逻辑控制任务分两步：n分析对象工作，编写
31、控制程序，写出逻辑关系式n选择合适自动装置，并综合以实现该程序双位逻辑控制系统双位逻辑控制系统二.逻辑系统的结构与实现第55页，共60页，编辑于2022年，星期二逻辑系统结构：组合式、记忆式1.组合式二.逻辑系统的结构与实现双位逻辑控制系统双位逻辑控制系统 输入变量为E(e1,e2,en)输出量为S(s1,s2,sm)输出仅与输入相关，两者一一对应：S=F(E)2.记忆式 若在某一时刻，系统输出不仅与输入变量有关，且与系统当前状态有关.例：两个水泵启停电路第56页，共60页，编辑于2022年，星期二逻辑功能的实现 逻辑系统的变量只有0,1.分别表示开、关两种状态，具体实现：气动技术：气压高低；
32、液动技术：液体通断，液位开关；电子技术：二极管P-N结的单向导通特性，实现通断 记忆单元:交流接触器、继电器常用逻辑控制元件及符号 (1)开关二.逻辑系统的结构与实现双位逻辑控制系统双位逻辑控制系统第57页，共60页，编辑于2022年，星期二常用逻辑控制元件及符号 (2)熔断器：电流过大时，切断电路，保护设备安全 (3)继电器：电磁继电器、热继电器、时间继电器、交流接触器二.逻辑系统的结构与实现双位逻辑控制系统双位逻辑控制系统第58页，共60页，编辑于2022年，星期二广泛应用：水泵的启停；恒温水浴控制；制冷控制建立过程：1)分析系统工作过程 2)列真值表，画卡诺图 3)最简逻辑表达式 4)建立逻辑控制系统三.逻辑控制系统的建立双位逻辑控制系统双位逻辑控制系统水泵的人工启停控制房间双控开关第59页，共60页，编辑于2022年，星期二控制科学与技术的发展控制科学与技术的发展?第60页，共60页，编辑于2022年，星期二