第七章自動(dòng)控制系統(tǒng)概述

1、第七章 自動(dòng)控制系統(tǒng)概述,本章的主要內(nèi)容：,7.1 自動(dòng)化及儀表發(fā)展概述7.2 自動(dòng)控制系統(tǒng)7.3 控制系統(tǒng)過(guò)渡過(guò)程及品質(zhì)指標(biāo),使用常規(guī)儀表的中央控制室,早期的DCS控制系統(tǒng),現(xiàn)代的DCS控制系統(tǒng),現(xiàn)代操作室,7.1 自動(dòng)化及儀表發(fā)展概述,控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)及儀表的發(fā)展 基地式：20世紀(jì)50年代，適用于單回路 單元組合式（按功能）： DDZ, QDZ 20世紀(jì)60年代，之間用標(biāo)準(zhǔn)統(tǒng)一信號(hào)聯(lián)系 計(jì)算機(jī)： DDC, DCS

2、20世紀(jì)70年代 先進(jìn)控制和優(yōu)化控制：CIPS, FCS 20世紀(jì)80年代以后,自動(dòng)化儀表的發(fā)展經(jīng)歷了如下過(guò)程： 模擬儀表?數(shù)字儀表?智能儀表。當(dāng)前自動(dòng)控制系統(tǒng)發(fā)展的一些主要特點(diǎn) 生產(chǎn)裝置實(shí)施先進(jìn)控制成為發(fā)展主流 過(guò)程優(yōu)化受到普遍關(guān)注 傳統(tǒng)的DCS在走向國(guó)際統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)的開(kāi)放式系統(tǒng) 綜合自動(dòng)化系統(tǒng)（CIPS）是發(fā)展方向,返回,7.2 自動(dòng)控制系統(tǒng),7.2.1自動(dòng)控制系統(tǒng)的組成 手動(dòng)控制的步驟： (1)觀察液位數(shù)值

3、； (2)把觀察到的實(shí)際數(shù)值與設(shè)定值加以比較，根據(jù)偏差的大小及變化情況做出判斷，并發(fā)布命令。 (3)根據(jù)命令操作給水閥，使液位回到設(shè)定值。,圖7-1 鍋爐汽包水位控制示意圖,7.2.2 控制系統(tǒng)的方框圖,在研究自動(dòng)控制系統(tǒng)時(shí)，為了更清楚的表示控制系統(tǒng)各環(huán)節(jié)的組成、特性和相互間的信號(hào)聯(lián)系，一般都采用方框圖。每個(gè)方框表示組成系統(tǒng)的一個(gè)環(huán)節(jié)，兩個(gè)方框之間用帶箭頭的線段表示信號(hào)聯(lián)系；進(jìn)入方框的信號(hào)為環(huán)節(jié)輸入，離開(kāi)方框的為環(huán)節(jié)輸出。,圖7-2

4、 控制系統(tǒng)方框圖,檢測(cè)元件和變送器的作用是把被控變量c(t)轉(zhuǎn)化為測(cè)量值y(t)。 控制器的作用是根據(jù)偏差的正負(fù)、大小及變化情況，按某種預(yù)定的控制規(guī)律給出控制作用u(t)。比較機(jī)構(gòu)和控制裝置通常組合在一起，稱(chēng)為控制器。 執(zhí)行器的作用是接受控制器送來(lái)的u(t)，相應(yīng)地去改變操縱變量q(t)。 被控對(duì)象是生產(chǎn)過(guò)程中被控制的工藝設(shè)備或裝置。,通過(guò)上述示例的對(duì)比分析知道，一般過(guò)程控制系統(tǒng)是由被控對(duì)象、測(cè)量變送器、控制器、控制閥四個(gè)基本

5、環(huán)節(jié)所組成。,7.2.3 自動(dòng)控制系統(tǒng)的分類(lèi),按設(shè)定值的不同情況，將自動(dòng)控制系統(tǒng)分為三類(lèi): 定值控制系統(tǒng)、隨動(dòng)控制系統(tǒng)、程序控制系統(tǒng)。 定值控制系統(tǒng) 設(shè)定值保持不變（為一恒定值）的反饋控制系統(tǒng)稱(chēng)為定值控制系統(tǒng)。 隨動(dòng)控制系統(tǒng) 設(shè)定值不斷變化，且事先是不知道的，并要求系統(tǒng)的輸出（被控變量）隨之而變化。 程序控制系統(tǒng) 設(shè)定值也是變化的，但它是一個(gè)已知的時(shí)間函數(shù)，即根據(jù)需要按一定時(shí)間程序變化。,7.2.4

6、 控制系統(tǒng)術(shù)語(yǔ),①被控對(duì)象（工藝對(duì)象）：自動(dòng)控制系統(tǒng)中，工藝參數(shù)需要控制的生產(chǎn)過(guò)程、設(shè)備或機(jī)器。②被控變量：被控過(guò)程內(nèi)要求保持設(shè)定值的工藝參數(shù)。,被控對(duì)象（工藝對(duì)象）：汽包 被控變量： 汽包液位,圖7-3 鍋爐汽包水位控制,③操縱變量：受控制器操縱的用以克服干擾的影響，使被控變量保持設(shè)定值的物料量或能量（流過(guò)控制閥介質(zhì)的流量）。④擾動(dòng)：除操縱變量外，作用于被控過(guò)程并引起被控變量變化的因素（使被控變量偏離,操縱變量：水的流量 擾

7、動(dòng)：水壓力、蒸汽壓力,圖7-4 鍋爐汽包水位控制,⑤設(shè)定值：工藝參數(shù)所要求保持的數(shù)值 ⑥偏差：被控變量設(shè)定值與實(shí)際值之差 ⑦負(fù)反饋：將被控變量送回輸入端并與輸入變量相減,圖7-5 鍋爐汽包水位控制,圖7-6 加熱爐的溫度控制系統(tǒng),動(dòng)畫(huà)一 加熱爐,被控過(guò)程：加熱爐被控變量：物料出口溫度操縱變量：燃料油流量擾動(dòng)：被加熱原料油溫度、燃料油熱值等,返回,7.3自動(dòng)控制系統(tǒng)的過(guò)渡過(guò)程及品質(zhì)指標(biāo),7.3.1 靜態(tài)與動(dòng)態(tài) 控制系統(tǒng)的

8、輸入有設(shè)定作用和擾動(dòng)作用。 靜態(tài)（定態(tài)）：當(dāng)輸入恒定不變時(shí)，整個(gè)系統(tǒng)若能建立平衡，系統(tǒng)中各個(gè)環(huán)節(jié)將暫不動(dòng)作，它們的輸出都處于相對(duì)靜止?fàn)顟B(tài)。此時(shí)輸入與輸出之間的關(guān)系稱(chēng)為系統(tǒng)的靜態(tài)特性。 環(huán)節(jié)的靜態(tài)特性,動(dòng)態(tài)：由于輸入的變化，輸出隨時(shí)間變化，其間的關(guān)系稱(chēng)為系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)特性。也就是說(shuō)，從輸入開(kāi)始，經(jīng)過(guò)控制直到再建立靜態(tài)，在這段時(shí)間中，整個(gè)系統(tǒng)的各個(gè)環(huán)節(jié)和變量都處于變化的過(guò)程之中，這種狀態(tài)稱(chēng)為動(dòng)態(tài)。,7.3.2 自動(dòng)控制系統(tǒng)的過(guò)渡過(guò)

9、程,當(dāng)自動(dòng)控制系統(tǒng)的輸入發(fā)生變化后，被控變量（即輸出）隨時(shí)間不斷變化，它隨時(shí)間而變化的過(guò)程稱(chēng)為系統(tǒng)的過(guò)渡過(guò)程。也就是系統(tǒng)從一個(gè)平衡狀態(tài)過(guò)渡到另一個(gè)平衡狀態(tài)的過(guò)程。 對(duì)于一個(gè)穩(wěn)定的系統(tǒng)（所有正常工作的反饋系統(tǒng)都是穩(wěn)定系統(tǒng)）要分析其穩(wěn)定性、準(zhǔn)確性和快速性，常以階躍作用為輸入時(shí)的被控變量的過(guò)渡過(guò)程為例，因?yàn)殡A躍作用很典型，實(shí)際上也經(jīng)常遇到，且這類(lèi)輸入變化對(duì)系統(tǒng)來(lái)講是比較嚴(yán)重的情況。,定值控制系統(tǒng)過(guò)渡過(guò)程的幾種形式(階躍擾動(dòng))

10、發(fā)散振蕩 單調(diào)發(fā)散 等幅振蕩 衰減振蕩 單調(diào)衰減,圖7-7 定值控制系統(tǒng)過(guò)渡過(guò)程的幾種形式,7.3.3 自動(dòng)控制系統(tǒng)的品質(zhì)指標(biāo),單項(xiàng)控制指標(biāo)（僅適用于衰減振蕩過(guò)程） 穩(wěn)定性、準(zhǔn)確性和快速性綜合控制指標(biāo)（1）最大動(dòng)態(tài)偏差（emax）,圖7-8 最大動(dòng)態(tài)偏差,最大動(dòng)態(tài)偏差或超調(diào)量是描述被控變量偏離設(shè)定值最大程度的物理量，是衡量過(guò)渡過(guò)程穩(wěn)定性的一個(gè)動(dòng)態(tài)指標(biāo)。 對(duì)于定值控制系統(tǒng)，過(guò)渡過(guò)程的最大動(dòng)態(tài)偏差是指被控

11、變量第一個(gè)波的峰值與設(shè)定值之差。在上圖中，最大偏差就是第一個(gè)波的峰值為A。 最大偏差表示系統(tǒng)瞬間偏離給定值的最大程度。若偏差越大，偏離的時(shí)間越長(zhǎng)，對(duì)穩(wěn)定正常生產(chǎn)越不利。要求小。特別是對(duì)于一些有約束條件的系統(tǒng)，如化學(xué)反應(yīng)器的化合物爆炸極限、觸媒燒結(jié)溫度極限等，都會(huì)對(duì)最大偏差的允許值有所限制。,同時(shí)考慮到干擾會(huì)不斷出現(xiàn)，當(dāng)?shù)谝粋€(gè)干擾還未清除時(shí)，第二個(gè)干擾可能又出現(xiàn)了，偏差有可能是疊加的，所以要限制最大偏差的允許值。因此，在決定最

12、大偏差的允許值時(shí)，要根據(jù)工藝情況慎重選擇。 在設(shè)定作用下的控制系統(tǒng)（隨動(dòng)控制系統(tǒng)）中，通常采用超調(diào)量這個(gè)指標(biāo)來(lái)表示被控變量偏離設(shè)定值的程度，一般超調(diào)量以百分?jǐn)?shù)給出。,超調(diào)量定義：第一個(gè)波的峰值與最終穩(wěn)態(tài)值之差，即B=A-C,如果系統(tǒng)的新穩(wěn)態(tài)值等于設(shè)定值，那么最大偏差就等于超調(diào)量。,圖7-9,（2）衰減比n,衰減比是衡量過(guò)渡過(guò)程穩(wěn)定性的動(dòng)態(tài)指標(biāo)。 定義：第一個(gè)波的振幅與同方向第二個(gè)波的振幅之比。衰減比n：,圖7-10,n&g

13、t;1:衰減振蕩。n越大，則控制系統(tǒng)的穩(wěn)定度也越高，當(dāng)n趨于無(wú)窮大時(shí)，控制系統(tǒng)的過(guò)渡過(guò)程接近于非振蕩過(guò)程。 n=1:等幅振蕩。 n<1:發(fā)散振蕩。n越小，意味著控制系統(tǒng)的振蕩過(guò)程越劇烈，穩(wěn)定度也越低，（3）余差 定義：控制系統(tǒng)過(guò)渡過(guò)程終了時(shí)設(shè)定值與被控變量穩(wěn)態(tài)值之差。,余差是反映控制準(zhǔn)確性的一個(gè)重要穩(wěn)態(tài)指標(biāo)，一般希望其為零，或不超過(guò)預(yù)定的范圍。,上圖中,圖7-11,在控制系統(tǒng)中，對(duì)余差的要求取決于生產(chǎn)過(guò)程的要求，并

14、不是越小越好。例如儲(chǔ)槽液位，余差可大一些；化學(xué)反應(yīng)器的溫度控制要求高，余差就要小一些。（4）回復(fù)時(shí)間（過(guò)渡時(shí)間） 回復(fù)時(shí)間表示控制系統(tǒng)過(guò)渡過(guò)程的長(zhǎng)短。 定義：控制系統(tǒng)在受到階躍外作用后，被控變量從原有穩(wěn)態(tài)值達(dá)到新的穩(wěn)態(tài)值所需要的時(shí)間。 理論上講，控制系統(tǒng)要完全達(dá)到新的平衡狀態(tài)需要無(wú)限長(zhǎng)的時(shí)間。,實(shí)際上，被控變量接近于新穩(wěn)態(tài)值的±5%或±2% 的范圍內(nèi)且不再越出時(shí)為止所經(jīng)歷的時(shí)間，可計(jì)為過(guò)渡時(shí)間

15、。一般希望過(guò)渡時(shí)間短一些。,,,圖7-12、7-13,（5）振蕩頻率（或振蕩周期） 定義：過(guò)渡過(guò)程同向兩波峰之間的時(shí)間間隔稱(chēng)為振蕩周期或工作周期。其倒數(shù)稱(chēng)為振蕩頻率。 在衰減比相同條件下，周期與過(guò)渡時(shí)間成正比；振蕩頻率與回復(fù)時(shí)間成反比。 其它一些次要指標(biāo)： 振蕩次數(shù)：是指在過(guò)渡過(guò)程內(nèi)被控變量振蕩的次數(shù)。 “理想過(guò)渡過(guò)程兩個(gè)波”：是指過(guò)渡過(guò)程振蕩兩次就能穩(wěn)定下來(lái)。,上升時(shí)間：是指干擾開(kāi)始作用起到第一個(gè)波峰所需要的時(shí)間

16、。 總結(jié)： 主要指標(biāo)有：最大偏差、衰減比、余差、過(guò)渡時(shí)間。在實(shí)際的系統(tǒng)中如何確定這些指標(biāo)，要根據(jù)實(shí)際情況來(lái)定。 原則：對(duì)生產(chǎn)過(guò)程有決定性意義的主要品質(zhì)指標(biāo)應(yīng)該優(yōu)先保證。,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7-14所示。試分別求出最大偏差、衰減比、余差、過(guò)渡時(shí)間（設(shè)定值為200℃）。,圖7-14,解：(1)最大偏差：emax=230-200=30℃(2)余差： C=200-205=-5℃(

17、3)衰減比： 第一個(gè)波的振幅 B =230-205=25℃ 第二個(gè)波的振幅 B’=210-205=5℃ 衰減比: n=25:5=5:1(4)過(guò)渡時(shí)間： 過(guò)渡時(shí)間與規(guī)定的被控變量的限制范圍大小有關(guān)，假設(shè)為±2%，就可以認(rèn)為過(guò)渡過(guò)程已經(jīng)結(jié)束，那么限制范圍為 205×（ ±2% ）= ±4.1℃,那么，在新穩(wěn)態(tài)值（205℃）兩側(cè)以限制范圍為寬度畫(huà)一區(qū)域，只要被控變量不再越出即可