化工仪表第七章自动控制概述

第七章自动控制概述•自动控制系统的组成•自动控制系统方块图•过渡过程和品质指标自动控制系统的组成•自动控制的发展•自动控制是指在没有人直接参与的情况下,利用外加的设备或装置(称控制装置或控制器),使机器、设备或生产过程(统称被控对象)的某个工作状态或参数(即被控量)自动地按照预定的规律运行。系统是指按照某些规律结合在一起的物体(元部件)的组合,它们相互作用、相互依存,并能完成一定的任务。自动控制技术的应用可以追溯到18世纪--(1788年)瓦特(Watt)利用小球离心调速器使蒸汽机转速保持恒定的开创性的突破，以及19世纪(1868年)麦克斯韦（Maxwell）对轮船摆动（稳定性）的研究。但在初期，自动控制技术的应用进展很缓慢。自动控制技术的真正发展是在20世纪。•自动控制理论通常可分为经典控制理论、现代控制理论和智能控制理论。1)经典控制理论经典控制理论产生并发展于20世纪40～60年代。2)现代控制理论现代控制理论于20世纪60年代中期发展成熟。3)智能控制理论智能控制理论是20世纪70年代后，控制理论向广度和深度发展的结果。智能控制系统是指具有某些仿人智能的工程控制与信息处理系统，其中最典型的就是智能机器人。•自动控制的基本组成①检测一用眼睛观察玻璃管液位计(测量元件)中液位的高低，并通过神经系统告诉大脑。②运算(思考)、命令一大脑根据眼睛看到的液位高度，加以思考，并与要求的液位进行比较，得出偏差的大小和正负，然后根据操作经验，经思考、决策后发出命令。③执行一一根据大脑发出的命令，通过手去改变阀门开度，以改变流出量Qc，从而把液位保持在所需高度上。①测量元件与变送器——它的作用是测量液位，并将液位的高低转化为一种特定的信号(如标准电流信号、标准气压信号、电压等)。②自动控制器——接受变送器送来的信号，与工艺要求的液位高度相比较，得出偏差，并按某种运算规律算出结果，然后将此结果，用特定信号(电流或气压)发送出去。③执行器——通常指控制阀，它和普通阀门的功能一样，只不过它自动地根据控制器送来的信号值改变阀门的开启度。第一位字母后继字母字母被测变量修饰词功能ACDEFIKLMPQRSTVWYZ分析电导率密度电压流量电流时间或时间程序物位水分或湿度压力或真空数量或件数放射性速度或频率温度黏度力供选用位置差比(分数)积分、累积安全报警控制(调节)检测元件指示自动一手动操作器积分、累积记录或打印开关、联锁传送阀、挡板、百叶窗套管继动器或计算器驱动、执行或未分类的终端执行机构•被控对象•在自动控制系统的组成中，除必须具有前面所述的自动化装置外，还必须具有控制装置所控制的生产设备。在自动控制系统中，将需要控制其工艺参数的生产设备、机器、一段管道或设备的一部分叫做被控对象，简称对象。•化工生产中，各种塔器、反应器、换热器、泵与压缩机以及各种容器、贮罐都是常见的被控对象。•复杂的生产设备中的精馏塔、吸收塔等，在一个设备上可能有好几个控制系统。这时在确定被控对象时，就不一定是整个生产设备。譬如说，一个精馏塔，往往塔顶需夏控制温度、压力等，塔底又需要控制温度、塔釜液位等，有时中部还需要控制进料流竣，在这种情况下，就只有塔的某一与控制有关的相应部分才是桨一控制系统的被控对象。例如．在讨论进料流量的控制系统时，被控对象指的仅是进料管道及阀门等，而不足整个精馏塔。自动控制系统方块图•一、信号和变量•控制与信息不可分割，控制系统的作用是通过信息的获取、变换与处理来实现的。载有变量信息的物理变量就是信号。因此，控制系统的全部命题都涉及信号流。对控制系统或其组成环节来说，输入变量、输出变量和状态变量都是变量，也都是信号。图7-3中的方块可以用来表示系统或某一个环节。箭头指向方块的信号“表示施加到系统或环节上的独立变量，称为输入变量。箭头离开方块的信号表示系统或环节送出的变量，称为输出变量。如果一个系统同时有几个输人变量和几个输出变量，则称为多输入多输出系统。对于线性系统来说，几个输人变量同时作用的结果，等于它们分别作用的结果之和，也就是说，是符合叠加原理的。•有时一个信号同时送到两个或更多环节时。以送往两个环节为例．如图7-5所示。这时，也必须从信号流的角度来处理。如果从物料流看，一分为二，应该是u1+u2=u。但对信号流来说，在方块图中通过分叉点一分为几。各通道的信号·应该是相同的，即u=u1=u2。例如将一个压力信号P送往几个压力仪表，各个仪表应该有相同的压力读数P。二、自动控制系统方块图自动控制系统的方块图，就是从信号流的角度出发．将组成自动控制系统的各个环节用信号线相互连接起来的一种图形。在已定的系统构成内，对于每个环节来说，信号的作用都是有方向性的．不可逆置，在方块图中．信号的方向由连接方块之问的信号线箭头来表示。三反馈•把系统（环节）的输出信号直接或通过一些环节重新返回到输入端的做法•负反馈：反馈信号去“-”号，负反馈信号与原来的信号方向相反。•正反馈：正反馈信号与原来的信号方向相同，反馈信号去“+”号•自动控制系统都采用负反馈Kβxey－z11yKxexyyKxKyKyxKyx由得：K1时当β=1，这个样的系统就为单位反馈系统开环控制和闭环控制•1.开环控制系统(OpenloopControlSystem)若系统的输出量不被引回来对系统的控制部分产生影响，则这样的系统称为开环控制系统。图1-2就是一个由步进电机驱动的数控加工机床,也是一个没有反馈环节的开环控制系统。图1-2数控加工机床示意图加工程序指令控制脉冲(程序编码)运算控制器脉冲发生器分配器步进电动机步进电动机精密传动精密传动工作台工作台xy•图1-3为数控加工机床开环控制方框图。此系统的输入量为加工程序指令，输出量为机床工作台的位移，系统的控制对象为工作台，执行机构为步进电动机和传动机构。由图可见，系统无反馈环节，输出量并不返回来影响控制部分，因此是开环控制。图1-3数控加工机床开环控制方框图控制器执行元件控制对象输入量(控制脉冲)(脉冲分配器)(步进电动机及传动机构)(工作台)输出量(位移)•2.闭环控制系统(ClosedloopControlSystem)若系统输出量通过反馈环节返回来作用于控制部分，形成闭合环路，则这样的系统称为闭环控制系统，又称为反馈控制系统(FeedbackControlSystem)。图1-4为电炉箱恒温自动控制系统。图1-4电炉箱恒温自动控制系统加热电阻丝电炉箱热电偶工件＋－＋UfTUsTUaUUR给定电位器电压放大器功率放大器直流伺服电动机减速器调压变压器～220V温度计M)C(T图1-5电炉箱自动控制方框图UsTUUfTT热电偶＋－电压放大功率放大电动机减速器调压器电炉四、自动控制系统的分类•将控制系统按照工艺过程需要控制的被控变量数值(即给定值)是否变化和如何变化来分类，这样可以将自动控制系统分为三类，即定值控制系统、随动控制系统和程序控制系统•1．定值控制系统•所谓“定值”，就是恒定给定值的简称。工艺生产中，如果要求控制系统使被控制的工艺参数保持在一个生产指标上不变，或者说要求工艺参数的给定值不变，那么就需要采用定值控制系统。图7—2所讨论的液位控制系统就是定值控制系统的一个例子。这个控制系统的目的是使贮槽液位保持在给定值不变。同样，图7—7所示的温度控制系统也属于定值控制系统。化工生产中要求的大都是这种类型的控制系统，因此我们后面所讨论的自动控制系统，如果不特别说明，都是指定值控制系统。•2．随动控制系统(也称自动跟踪系统)•这类自动控制系统的特点是给定值不断地变化。而且，这种变化不是预先规定的，也就是说给定值是随机变化的。随动控制系统的目的就是使所控制的工艺参数准确而快速地跟随给定值的变化而变化。例如航空中的导航雷达系统、电视台的天线接收系统，都是随动控制系统的例子。•3．程序控制系统(又称顺序控制系统)•这类自动控制系统的给定值也是变化的，但它是一个已知的时间函数，即生产技术指标需按一定的时间程序变化。这类系统在间歇生产过程中应用比较普遍，例如合成纤维锦纶生产中的熟化罐温度控制和冶金工业上金属热处理的温度控制都是这类系统的例子。近年来，程序控制系统应用日益广泛，一些定型的或非定型的程控装置越来越多地被应用到生产中，微型计算机的广泛应用也为程序控制提供了良好的技术工具与有利条件。第三节过渡过程和品质指标•一、控制系统的静态与动态•被控变量不随时间而变化的平衡状态称为系统的静态(稳态)•被控变量随时间而变化的不平衡状态称为系统的动态。暂时的、相对的、有条件的普遍的、绝对的、无条件的二、控制系统的过渡过程在生产中，出现的干扰是没有固定形式的，且多半属于随机性质。在分析和设计控制系统时，为了安全和方便，常选择一些定型的干扰形式，其中最常用的为阶跃干扰•阶跃干扰–在某一瞬时t。干扰(即输入量)突然阶跃式地加到系统上，并继续保持在这个幅度上•自动控制系统在于扰作用下的过渡过程有图7—13所示的几种基本形式非周期衰减过渡过程衰减振荡过程等幅振荡过程发散振荡过程•四种过渡过程的基本形式可以归纳为三类•①过渡过程(d)形式是发散的，称为不稳定的过渡过程。•②过渡过程(a)和过渡过程(b)都是衰减的，称为稳定的过渡过程。•③过渡过程(c)介于不稳定和稳定之间，一般也认为是不稳定的过渡过程。三、控制系统的控制指标•控制系统的过渡过程是衡量控制系统品质指标的依据•控制指标主要有两类，一类是时间域的单项指标，另一类是时间域的综合指标。•1．时间域的各种单项指标–(1)最大偏差或超调量–(2)衰减比–(3)余差–(4)过渡时间–(5)振荡周期或频率