一章自动控制系统概述ppt课件.ppt

化工过程自动化,西北民族大学化工学院,引言,自动化：机器或装置在无人干预的情况下按规定的程序或指令自动进行操作或控制的过程。自动控制系统：由内部互相联系的部件按照一定规律组成，能够完成一定功能的有机整体。,1 自动控制系统概述,1.1 自动化及仪表发展概述1.2 自动控制系统1.3 控制系统过渡过程及品质指标,1.1 自动化及仪表发展概述,控制理论的发展控制系统结构的发展自动化仪表的发展当前自动控制系统发展的一些主要特点,控制理论的发展,经典控制理论现代控制理论大系统理论智能控制理论“史前”控制,经典控制理论,时间：20世纪4050年代特点：主要从输出与输入量的关系方面分析与研究问题。适用范围：线性定常的单输入、单输出控制系统。,现代控制理论,时间:20世纪60年代获得迅猛发展特点：从输入-状态-输出的关系全面地分析与研究系统。适用范围：不限于线性定常系统，也适用于线形时变，非线性及离散系统，多输入、多输出的情况。,大系统理论,时间：20世纪70年代开始将现代控制理论与系统理论相结合核心思想：系统的分解与协调适用范围：高维线性系统,智能控制理论,主要研究方向：自适应控制模糊控制预测控制人工神经元网络研究等 多学科的融汇、贯通,控制系统结构的发展,基地式：20世纪50年代单元组合式：DDZ,QDZ 20世纪60年代计算机：DDC,DCS 20世纪70年代先进控制和优化控制：CIPS,FCS 20世纪80年代以后,自动化仪表的发展,自动化仪表的发展经历了如下过程：模拟仪表 数字仪表 智能仪表,当前自动控制系统发展的一些主要特点,生产装置实施先进控制成为发展主流；过程优化受到普遍关注；传统的DCS在走向国际统一标准的开放式系统；综合自动化系统（CIPS）是发展方向。,中国、古埃及和巴比伦人发明的自动计时装置(公元前11世纪),具有过程控制思想的提花织布机（明代）,James wat发明的飞球调节器，控制蒸汽机的转速（1769年）,瓦特蒸汽机的离心调节器 自动控制领域的第一项重大成果（18世纪中叶）,Polzunov发明的浮球调节器，用于水位控制（1765年）,Gray设计的第一艘全自动蒸汽轮船“东方号”（1866年）,徐寿设计的中国第一艘蒸汽轮船“黄鹄”号（1866年）,世界上第一台数控铣床（1952年）,具有很高自动化水平的我国石化工业（1）,具有很高自动化水平的我国石化工业（2）,现代空间技术的发展,1.2 自动控制系统,1.2.1自动控制系统1.2.2闭环控制与开环控制1.2.3自动控制系统的组成及方框图 1.2.4 自动控制系统的分类,1.2.1 自动控制系统,以液位控制系统为例，若采用手动控制，其步骤为：(1)观察液位数值；(2)把观察到的实际数值与设定值加以比较，根据偏差的大小及变化情况做出判断，并发布命令。(3)根据命令操作给水阀，使液位回到设定值。采用自动控制，可完成调节任务。,举例,自动控制的目标,提高劳动生产率，提高产品质量，改善劳动条件，节约能源降低成本。,基本术语,被控过程（被控对象）：自动控制系统中，工艺参数需要控制的生产过程、设备或机器。被控变量：被控过程内要求保持设定值的工艺参数操纵变量：受控制器操纵的用以克服干扰的影响，使被控变量保持设定值的物料量或能量扰动：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设定值：工艺参数所要求保持的数值偏差：被控变量设定值与实际值之差负反馈：将被控变量送回输入端并与输入变量相减,1.2.2 闭环控制与开环控制,控制量,输入量,输出量,(a)开环控制系统,控制量,输入量,输出量,(b)闭环控制系统,闭环控制,概念：在反馈控制系统中，被控变量送回输入端，与设定值进行比较，根据偏差进行控制，控制被控变量，这样，整个系统构成了一个闭环。闭环控制的特点（优点）：按偏差进行控制，使偏差减小或消除，达到被控变量与设定值一致的目的。闭环控制的缺点：控制不够及时；如果系统内部各环节配合不当，系统会引起剧烈震荡，甚至会使系统失去控制。,开环控制,概念：不需要对被控变量进行测量，只根据输入信号进行控制优点：控制很及时缺点：由于不测量被控变量，也不与设定值相比较，所以系统受到扰动作用后，被控变量偏离设定值，并无法消除偏差。,1.2.3自动控制系统的组成及方框图,在研究自动控制系统时，为了更清楚的表示控制系统各环节的组成、特性和相互间的信号联系，一般都采用方框图。每个方框表示组成系统的一个环节，两个方框之间用带箭头的线段表示信号联系；进入方框的信号为环节输入，离开方框的为环节输出。,闭环控制系统组成,控制系统的组成,定值元件：用来产生设定值或参考输入。控制器：或称调节器。通过一定的控制规律给出控制量，送到执行元件。执行元件：完成功率转换或信号转换，常称为执行机构或者执行器。测量、变送元件：又称传感器，用于检测被控对象的输出量，并变换成标准信号送到控制器。比较元件：用以产生偏差信号,各元件作用,检测元件和变送器的作用是把被控变量c(t)转化为测量值y(t)。比较机构的作用是比较设定值r(t)与测量值y(t)并输出其差值。控制装置的作用是根据偏差的正负、大小及变化情况，按某种预定的控制规律给出控制作用u(t)。比较机构和控制装置通常组合在一起，称为控制器。执行器的作用是接受控制器送来的u(t)，相应地去改变操纵变量q(t)。,几个重要概念,系统中控制器以外的各部分组合在一起，即过程、执行器、检测元件与变送器的组合称为广义对象。几个重要概念：（1）信息：图中的r(t)、y(t)、f(t)等尽管是实际的物理量，但它们是作为信息来转换和作用的。图中的每一部分称为一个环节，作用于它的信息称为该环节的输入信号，它送出的信息称为输出信号。前一环节的输出就是后一环节的输入信号。每一环节的输出信号与输入信号之间的关系仅仅取决于该环节的特性。从整个系统来看，输入信号：设定值和扰动 输出信号：被控变量、测量值（2）闭环：按信息的流向来说（3）动态：物理量是时间的函数、是不断变化的。扰动作用使被控变量偏离设定值，控制作用又使它回到设定值。,1.2.4 自动控制系统的分类,1）开环控制系统与闭环控制系统2）定值控制系统、随动控制系统和程序控制3）线性系统与非线性系统4）连续时间系统与离散时间系统5）单输入单输出系统与多输入多输出系统6）常规过程控制系统与数字过程控制系统,定值控制系统、随动控制系统和程序控制,根据给定信号形式的不同分类。定值控制系统 设定值保持不变（为一恒定值）的反馈控制系统称为定值控制系统。随动控制系统 设定值不断变化，且事先是不知道的，并要求系统的输出（被控变量）随之而变化。程序控制系统 设定值也是变化的，但它是一个已知的时间函数，即根据需要按一定时间程序变化,线性系统与非线性系统,根据描述系统的方程形式分类。,非线性的微分方程或代数方程描述的是非线性系统。如：,等。,本书主要研究线性定常系统。,连续时间系统与离散时间系统,根据传输信号的形式分类。连续时间系统：系统的输入与输出信号均是连续时间函数u(t)与y(t)离散时间系统：系统的输入与输出信号均是离散时间量u(kT)与y(kT)计算机控制系统是典型的离散控制系统。,2T,T,nT,图1-5 连续时间信号与离散时间信号,单输入单输出系统与多输入多输出系统,从输入与输出信号的数量分类。单输入单输出系统（SISO）多输入多输出系统（MIMO）,u,y,(a)SISO系统,(b)MIMO系统,常规过程控制系统与数字过程控制系统,常规过程控制系统：又称仪表过程控制系统，是由被控对象和模拟仪表所构成，目前在中小型企业中广泛应用。数字过程控制系统：又称计算机过程控制系统，是由被控对象和数字量仪表（含计算机）所构成，目前在大、中型企业中广泛地应用着。,1.3自动控制系统的过渡过程及品质指标,1.3.1 静态与动态1.3.2 自动控制系统的过渡过程1.3.3 自动控制系统的品质指标例题 习题,1.3.1 静态与动态,控制系统的输入有设定作用和扰动作用。静态（定态）：当输入恒定不变时，整个系统若能建立平衡，系统中各个环节将暂不动作，它们的输出都处于相对静止状态。此时输入与输出之间的关系称为系统的静态特性。动态：由于输入的变化，输出随时间变化，其间的关系称为系统的动态特性。也就是说，从输入开始，经过控制直到再建立静态，在这段时间中，整个系统的各个环节和变量都处于变化的过程之中，这种状态称为动态。,1.3.2自动控制系统的过渡过程,当自动控制系统的输入发生变化后，被控变量（即输出）随时间不断变化，它随时间而变化的过程称为系统的过渡过程。也就是系统从一个平衡状态过渡到另一个平衡状态的过程。对于一个稳定的系统（所有正常工作的反馈系统都是稳定系统）要分析其稳定性、准确性和快速性，常以阶跃作用为输入时的被控变量的过渡过程为例，因为阶跃作用很典型，实际上也经常遇到，且这类输入变化对系统来讲是比较严重的情况。,定值控制系统过渡过程的几种形式(阶跃扰动),发散振荡单调发散等幅振荡衰减振荡单调衰减,1.3.3 自动控制系统的品质指标,一个过程控制系统性能的好坏，只有在系统过渡过程中才能反映出来。一个控制性能良好的系统在受到外来干扰或给定值发生变化后，应平稳、迅速、准确地趋近或回复到给定值上。在衡量和比较不同的控制方案时，必须根据工艺过程的实际需要来确定评价系统控制性能好坏的质量指标。,通常采用下列特征参数为性能指标,（1）最大动态偏差或超调量（2）衰减比或衰减率（3）余差（4）回复时间（过渡时间）（5）振荡频率（或振荡周期）（6）其它一些次要指标,（1）最大动态偏差或超调量,最大动态偏差或超调量是描述被控变量偏离设定值最大程度的物理量，也是衡量过渡过程稳定性的一个动态指标。对于定值控制系统，过渡过程的最大动态偏差是指被控变量第一个波的峰值与设定值之差。在图中，最大偏差就是第一个波的峰值A。在设定作用下的控制系统（随动控制系统）中，通常采用超调量这个指标来表示被控变量偏离设定值的程度，一般超调量以百分数给出。,关于最大偏差,最大偏差表示系统瞬间偏离给定值的最大程度。若偏差越大，偏离的时间越长，对稳定正常生产越不利。一般要求最大偏差要尽量小。特别是对于一些有约束条件的系统，如化学反应器的化合物爆炸极限、触媒烧结温度极限等，都会对最大偏差的允许值有所限制。同时考虑到干扰会不断出现，当第一个干扰还未清除时，第二个干扰可能又出现了，偏差有可能是叠加的，所以要限制最大偏差的允许值。因此，在决定最大偏差的允许值时，要根据工艺情况慎重选择。,（2）衰减比或衰减率,衰减比n是衡量过渡过程稳定性的动态指标。反映了系统的衰减程度。衰减比定义：第一个波的振幅与同方向第二个波的振幅之比。有时也用衰减率来表示系统的稳定程度。,关于衰减比和衰减率,n1:衰减振荡。n越大，则控制系统的稳定度也越高，当n趋于无穷大时，控制系统的过渡过程接近于非振荡过程。n=1:等幅振荡。n1:发散振荡。n越小，意味着控制系统的振荡过程越剧烈，稳定度也越低，根据实际操作经验，为保持足够的稳定裕度，一般希望过渡过程有两个波左右，与此对应的衰减比在4:1到10:1的范围内。衰减比4:1衰减率0.75衰减比10:1衰减率0.90,（3）余差（e）,定义：控制系统过渡过程终了时设定值与被控变量稳态值之差。余差是反映控制准确性的一个重要稳态指标，一般希望其为零，或不超过预定的范围。在控制系统中，对余差的要求取决于生产过程的要求，并不是越小越好。例如储槽液位，余差可大一些；化学反应器的温度控制要求高，余差就要小一些。,（4）回复时间（过渡时间）（TS）,回复时间表示控制系统过渡过程的长短。定义：控制系统在受到阶跃外作用后，被控变量从原有稳态值达到新的稳态值所需要的时间。理论上讲，控制系统要完全达到新的平衡状态需要无限长的时间。实际上，被控变量接近于新稳态值的5%或 3%或2%的范围内且不再越出时为止所经历的时间，可计为过渡时间。一般希望过渡时间短一些。,（5）振荡频率（或振荡周期）（）,定义：过渡过程同向两波峰之间的时间间隔称为振荡周期或工作周期。其倒数称为振荡频率。在衰减比相同条件下，周期与过渡时间成正比；振荡频率与回复时间成反比。,（6）其它一些次要指标,振荡次数：是指在过渡过程内被控变量振荡的次数。“理想过渡过程两个波”：是指过渡过程振荡两次就能稳定下来。上升时间：是指干扰开始作用起到第一个波峰所需要的时间。,小结,主要指标有：最大偏差、衰减比、余差、过渡时间。在实际的系统中如何确定这些指标，要根据实际情况来定。原则：对生产过程有决定性意义的主要品质指标应该优先保证。,例题,某换热器的温度调节系统在单位阶跃干扰下的过渡过程曲线如下图所示。试分别求出最大偏差、衰减比、余差、振荡周期、过渡时间（设定值为200）。,例题求解（1）,(1)最大偏差：emax=A=230-200=30()(2)余差：e=C=200-205=-5()(3)衰减比：第一个波的峰值B=230-205=25()第二个波的峰值B=210-205=5()衰减比n=25:5=5:1(4)振荡周期：=20-5=15（min）,例题求解（2）,(5)过渡时间：过渡时间与规定的被控变量的限制范围大小有关，假设为2%，就可以认为过渡过程已经结束，那么限制范围为 200X（2%）=4（）那么，在新稳态值（205）两侧以限制范围为宽度画一区域，只要被控变量不再越出即可。因此，过渡过程为22min。,习题1,1.某物料加热后与添加料混合，工艺要求混合时物料温度o稳定，工艺采用改变换热器蒸汽流量Qs来稳定罐内温度o。影响o的因素有：阀前蒸汽压力Ps，冷物料流量Qi和温度i，环境温度c等。1）画出温度控制系统的方块图；2）指出该控制系统的被控变量、操作变量、被控过程及扰动；3）若蒸汽阀前压力Ps突然变大时，简述该系统的控制过程。,习题2,2 某换热器的温度控制系统（设定值是 30）在阶跃扰动作用下的过渡过程曲线如图所示。试分别求出衰减比、最大偏差、余差、振荡周期。,