自动化概论（PPT35页)

2、自动控制系统及典型控制方法汽包W给水给水调节阀省煤器水冷壁过热器水位计蒸汽Dh汽包锅炉给水人工调节示意图人工/自动2.1自动控制系统的组成2.1.1人工调节给水w蒸汽D测量单元调节单元给定单元执行单元汽包锅炉给水自动调节示意图h人工/自动2.1.2自动调节差压变送器气动调节阀调节器显示操作器例：典型的自动化元件2.1.3自动调节中的一些常用术语1．被调量（被控制量）表征生产过程是否正常运行并需要加以调节的物理量。2．给定值按生产要求被调量必须维持的希望值。3．控制对象（被控对象）被调节的生产过程或设备称为控制对象。4．调节机构可用来改变进入控制对象的物质或能量的装置称为调节机构。5．控制量（调节量）由调节机构(阀门、挡板等)改变的流量(或能量)，用以控制被调量的变化。6．扰动引起被调量偏离其给定值的各种原因称为扰动。如果扰动不包括在控制回路内部(例外界负荷)，称为外扰。如果扰动发生在控制回路内部，称为内扰。由于调节机构开度变化造成的扰动，称为基本扰动。变更控制器的给定值的扰动称为给定值扰动,也称控制作用扰动。7．控制过程（调节过程）原来处于平衡状态的控制对象，一旦受到扰动作用，被调量就会偏离给定值。要通过自动控制仪表或运行人员的调节作用使被调量重新恢复到新的平衡状态的过程，称为调节过程。8．自动控制系统自动控制仪表和控制对象通过信号的传递互相联系起来就构成一个自动控制系统。2.2自动控制系统分类一、按工作原理分类1．前馈控制系统2．反馈控制系统3．前馈─反馈控制系统（复合控制系统）二、按给定值特点分类1.定值控制系统2.随动控制系统3．程序控制系统前馈控制系统/反馈控制系统/复合控制系统λ扰动通道调节通道前馈调节器y•“扰动调节”或“扰动补偿”•开环控制系统•优点•缺点-rλ扰动通道调节通道调节器测量变送调节机构y•“按偏差调节”•闭环控制系统•优点•缺点前馈控制系统/反馈控制系统/复合控制系统-rλ扰动通道调节通道调节器测量变送调节机构y调节通道前馈调节器前馈控制系统/反馈控制系统/复合控制系统2.3控制系统的性能指标◆自动控制系统调节品质的优劣，表示了控制系统克服外来干扰能力的大小。◆常把对阶跃干扰的反映作为判别系统抗干扰能力好坏的标准。◆一个控制系统的调节品质，可用控制系统在受到单位阶跃输入作用后，被调量在控制过程中的变化曲线来分析。2.3.1控制过程的基本形式综合性能指标单项性能指标时域指标频域指标静态偏差y()或e()最大动态偏差ym或超调量衰减率衰减比n控制过程时间ts其它指标2.3.2控制系统的性能品质指标调节时间tS静态偏差y()或e()最大动态偏差ym或超调量衰减率衰减比n1．静态偏差y()或e()静态偏差是指被调量的稳态值与给定值的长期偏差。e()=r()—y()静态偏差是衡量控制系统准确性的重要指标之一，它反映了控制系统的调节精度。2．控制过程时间（调节时间）ts对于定值控制系统，控制过程时间是指阶跃响应曲线由开始起到最后一次进入偏离稳态值为±△范围，并且以后不再越出此范围的时间即t≥ts时｜y（t）－y（∞）｜≤△，△=5%或2%（5%y1或2%y1）对于随动控制系统，控制过程时间是指被调量与其稳态值之差不超过稳态值的±5%或±2%所需要的时间，就认为控制过程已经结束。即t≥ts时y（t）－y（∞）≤±5%y（∞）或±2%y（∞）%1001yy3．最大动态偏差ym或超调量在定值控制系统中，常用最大动态偏差ym这个指标来衡量被调量偏离给定值的程度。ym＝y1＋y(∞)随动控制系统常用超调量这个指标来衡量被控制量偏离给定值的程度。超调量σ可定义为：哈尔滨电力职业技术学院131311yyyyy4.衰减率衰减比n衰减率是指每经过一个波动周期，被调量波动幅值减少的百分数。式中y1—y3—偏离稳态值的第三个波峰幅值。它常被工程上用来描述过渡过程为衰减振荡时的衰减速度。若＜0，则调节过程是发散振荡，这种系统是不稳定的。若＝0，则调节过程是等幅振荡，这种系统处于边界稳定。0＜＜1，则调节过程是衰减振荡，这种系统是稳定的。可以应用。若＝1，则调节过程是不振荡的衰减过程(非周期过程)，这种系统稳定。在0＜≤1的范围内，的数值还可表明系统稳定裕量(富裕量或贮备量)的大小，一般取＝0.75～0.90。衰减比n是指振荡过程的第一个波的振幅y1与第三个波的振幅y3之比，即n＝y1/y3它也是衡量系统过渡过程稳定性的一个动态指标，反映了振荡的衰减程度。n1表示系统不稳定的，振幅愈来愈大；n＝1表示为等幅振荡；n1表示系统稳定；n=4表示系统为4:1的衰减振荡。在定值控制系统中，突出的要求是克服扰动的性能。在随动控制系统中突出的要求是跟踪性能。衡量控制系统调节品质的优劣可以归纳为三个方面即稳定性，准确性、快速性。2.2调节器的控制规律调节器的控制规律中最基本的作用是:比例(P)、积分(I)和微分(D)作用常用的调节器按其控制规律可分为：比例调节器（P）、比例积分调节器（PI）、比例微分调节（PD）、比例积分微分调节器（PID）哈尔滨电力职业技术学院pKe1.比例作用(P作用)动态方程式：传递函数为：()ppsWsKEs比例作用的比例系数特点为：（1）无惯性、无迟延、动作快,而且调节动作的方向正确,在控制系统中是促使控制过程稳定的因素；（2）有差作用2.2.1基本调节作用哈尔滨电力职业技术学院0tIKedt2.积分作用(I作用)动态方程式：传递函数为：积分速度特点为：（1）控制过程结束时,被调量与其给定值之间没有稳态偏差(无差调节)；（2）积分作用在控制系统中是使控制过程振荡的因素,很少单独使用()IIsKWsEss哈尔滨电力职业技术学院ddeKdt3.微分作用(D作用)动态方程式：传递函数为：微分作用的比例系数特点为：（1）微分作用具有超前调节的特点（2）能提高控制过程的稳定性（3）不能单独使用()ddsWsKsEs哈尔滨电力职业技术学院总结:比例作用能单独地执行调节任务,并能使控制过程趋于稳定,但使被调量产生静态偏差。积分作用只有极少的情况(对象自平衡能力大,惯性和迟延很小等)才能单独应用,会使控制过程变成振荡甚至不稳定,但能使被调量元静态偏差。微分作用不能单独使用,但能提高控制系统的稳定性,有效地减少被调量的动态偏差.哈尔滨电力职业技术学院1.比例(P)调节器1()ppsWsKEs传递函数为:Kp：调节器的比例系数,即偏差改变一个单位时，调节机构的位移变化量，它是调节器的参数;δ：比例系数Kp的倒数,即当调节机关的位置改变100%时，偏差应有的改变量,称为比例带，δ越大比例作用越弱。2.2.2调节器的控制规律哈尔滨电力职业技术学院00011()()tttIpIppiKKKedtKeedteedtKT2.比例积分(PI)调节器动态方程为：传递函数为:11()(1)PIisWsEsTsKI:调节器的积分速度,即当偏差改变100%时,调节机构的移动速度Ti:积分时间哈尔滨电力职业技术学院2.比例积分(PI)调节器PI调节器的阶跃响应曲线0ett0e0iT0e0e比例调节+积分调节粗调+细调哈尔滨电力职业技术学院1()()dpdpdpKdededeKeKKeeTdtKdtdt3.比例微分(PD)调节器动态方程为：传递函数为:1()(1)PddsWsTsEs微分时间越长,表示微分作用越强;比例带δ不但影响比例作用的强弱而且也影响微分作用的强弱.哈尔滨电力职业技术学院3.比例微分(PD)调节器阶跃响应曲线:(b)0e0ett0dTe0daTtt0dTe0dT21dT(a)dedt斜坡响应曲线:导前时间哈尔滨电力职业技术学院1()DdddeTeTdtdt3.比例微分(PD)调节器实际比例微分调节器的动态方程式为:传递函数为:11()(1)1PDdDsWsTsEsTs惯性环节TD:PD调节器的微分惯性时间常数哈尔滨电力职业技术学院3.比例微分(PD)调节器实际PD调节器的阶跃响应曲线：0e0ett0e001DKedT0.632(1)PK0e0ett0e0理想PD调节器的阶跃响应曲线：哈尔滨电力职业技术学院理想PID调节器实际PID调节器动态方程传递函数4.比例积分微分(PID)调节器011()tdideeedtTTdt11()(1)PIDdisWsTsEsTs011()tDdiddeTeedtTdtTdt111()(1)1PIDddiDsWsTsTEsTssK哈尔滨电力职业技术学院理想PID调节器实际PID调节器阶跃响应曲线4.比例积分微分(PID)调节器0e0ett0e001DKePIDDPI0e0ett0e0PIDPID哈尔滨电力职业技术学院