自动控制系统概述.ppt

化工自动化及仪表,华东理工大学信息学院自动化系,学习这门课的重要性：,控制系统在化工领域的应用很普遍，比如：炼油厂、化肥厂、纯碱生产过程在涤纶短纤维生产过程、制浆、造纸过程、制药等等。 工艺人员也应该充分了解所用的控制系统，以及控制系统的特性。这样才能设计出合理、高效的生产工艺。,1 自动控制系统概述,本章的主要内容：,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,什么是自动化？,图1-1 (a)手动控制 (b)自动控制,自动化，是指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地进行操作或运行。自动控制是关于受控系统的分析、设计和运行的理论和技术。两者既有联系，但也有一定的区别。自动化主要研究的是人造系统的控制问题，自动控制则除了上述研究外，还研究社会、经济、生物、环境等非人造系统的控制问题。例如生物控制、经济控制、社会控制及人口控制等，显然这些都不能归入自动化的研究领域的。不过人们提到自动控制，通常是指工程系统的控制，在这个意义上自动化和自动控制是相近的。,控制和自动化的概念,我国古代自动装置,中国古代能工巧匠发明许多原始的自动装置，以满足生产、生活和作战的需要。其中比较著名有下述的几种：,(1) 指南车,(2) 铜壶滴漏,(3) 浮子式阀门,(4) 饮酒速度的自动调节,(5) 计里鼓车,(6) 漏水转浑天仪,(7) 候风地动仪,(8) 水运仪象台,（1）指南车是中国古代用来指示方向的一种具有能自动离合的齿轮系装置的车辆。,指南车是一种马拉的双轮独辕车，车箱上立一个伸臂的木人。车箱内装有能自动离合的齿轮系。当车子转弯偏离正南方向时车辕前端就顺此方向移动，而后端则向反方向移动，并将传动齿轮放落，使车轮的传动带动木人下的大齿轮向相反方向转动，恰好抵消车子转弯产生的影响（图1-2）,图1-2 指南车方框图,图1-3 指 南 车 复 原 模 型,图1-4 指南车 原理,（2）铜壶滴漏 中国古代的自动计时（测量时间）装置，又称刻漏或漏刻。,这种计时装置最初只有两个壶，由上壶滴水到下面的受水壶，液面使浮箭升起以示刻度（即时间）（图1-5）。保持上壶的水位恒定是滴漏计时准确的关键。这个问题后来是用互相衔接的多极（3-5极）水壶来解决的。,图1-5 两壶滴漏,根据宋朝杨军的六经图（公元1155）转述：莲华漏（图1-6）由4个壶组成。天地壶、平水壶逐级向平水小壶供水。平水小壶上有溢水口，可使多余的水泄入减水桶以保持水面恒定。在莲华漏中还采用一个浮子式阀门作为自动切断阀。当受水壶的水位升至满刻度时，浮子式阀门就会自动阻塞上级平水壶的出水小孔，切断水滴（见图1-6上平水壶前的一个小鸟式装置）。,图1-6 4壶滴漏,（3）饮酒速度自动调节,图1-7 饮酒速度自动调节,（4）计里鼓车,图1-8 计里鼓车复原模型及原理,（5）漏水转浑天仪 公元2世纪，中国东汉的天文学家张衡创制的一种天文表演仪器。它是一种用漏水推动的水运浑象，和现在的天球仪相似，可以用来实现天体运行的自动仿真。,图1-9 张衡水力天文仪器中齿轮系推想图,（6） 候风地动仪图,图1-10 候风地动仪图(复原模型)及剖面图,（7）水运仪象台,公元1088年，中国苏颂等人把浑仪（天文观测仪器）、浑象（天文表演仪器）和自动计时装置结合在一起建成了水运仪象台。,（7）水运仪象台,图1-11 水运仪象台,图1-12 水运仪象台枢轮和天衡装置示意图,自动装置的出现和应用（18世纪以前）,“自动控制”作为一种技术掌握在发明家的手中,中国和巴比伦出现了自动计时装置刻漏、指南车、水运仪象台等。公元1世纪古埃及和希腊的发明家也创造了教堂庙门自动开启、铜祭司自动洒圣水、投币式圣水箱等自动装置。,中国天文学家张衡（公元78-139）曾经发明了对天体运行情况自动仿真的漏水转浑天仪和自动检测地震的候风地动仪。公元1088年，中国苏颂等人把浑仪（天文观测仪器）、浑象（天文表现仪器）和自动计时装置结合在一起建成了水运仪象台。,(1) 古代自动装置,(2) 近代自动装置,17世纪以来，随着生产的发展，在欧洲的一些国家相继出现了多种自动装置，其中比较典型的有：法国物理学家B.帕斯卡（Pascal）在公元1642年发明的加法器；荷兰机械师C.惠更斯（Huygens）于公元1657年发明钟表；英国机械师E.李（Lee）在公元1745年发明带有风向控制的风磨；俄国机械师.波尔祖诺夫（）于公元1765年发明为蒸汽锅炉水位保持恒定用的浮子式阀门水位调节器。,自动化技术形成时期（18世纪末至20世纪30年代）,公元1788年 J.瓦特将离心式调速器与蒸汽机的阀门连接起来，构成蒸汽机转速的闭环自动调速系统。,图1-13 蒸汽机转速的闭环自动调速系统,1.1 自动化及仪表发展概述,控制理论的发展,经典控制理论:20世纪40年20世纪50年代 Nyquist(1932)频域分析技术 Bode(1945)图 根轨迹分析方法(1948) 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。 以传递函数为基础，在频率域对单输入单输出控制系统进行分析与设计 PID控制规律是古典控制理论最辉煌的成果之一,现代控制理论:20世纪60年代获得迅猛发展 其主要内容为： （基础）线性系统理论，最优控制理 论，最佳估计理论，系统辨识等。 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: 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,控制系统结构及仪表的发展 基地式：20世纪50年代，适用于单回路 单元组合式（按功能）： DDZ, QDZ 20世纪60年代，之间用标准统一信号联系 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 自动化仪表的发展经历了如下过程： 模拟仪表数字仪表智能仪表。,智能化的仪表YS-80及所属的可编程序智能控制器SLPC,图1-14 智能化仪表,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,综合自动化,图1-15 无人加工车间,图 1-16 无人组装车间,图1-17 智能和水下机器人,1.2 自动控制系统 1.2.1自动控制系统 自动控制的必要性,手动控制的步骤： (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。,加热炉的温度控制系统,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,被控过程：汽包 被控变量： 汽包液位,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。,操纵变量：水的流量 扰动：水压力、蒸汽压力,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,加热炉的温度控制系统,被控过程：加热炉,被控变量：物料出口温度,操纵变量：燃料油流量,扰动：被加热原料油温度、燃料油热值等,1.2.2闭环控制与开环控制 闭环控制： 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： 开环控制的特点（优点）：不需要对被控变量进行测量，只根据输入信号进行控制，控制很及时。 开环控制的缺点：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，这是开环控制的缺点。,开环的液位控制系统 （按扰动控制，又称前馈控制）,开环控制举例,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,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)。 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。,闭环控制系统组成,在分析控制系统的工作过程时，有几个很重要的概念： （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。,闭环控制系统组成,1.2.4 自动控制系统的分类 按设定值的不同情况，将自动控制系统分为三类: 定值控制系统、随动控制系统、程序控制系统。 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,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 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。 环节的静态特性 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。 环节的动态特性,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,单项控制指标（仅适用于衰减振荡过程） 稳定性、准确性和快速性,1.3.3 自动控制系统的品质指标,综合控制指标,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，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。在上图中，最大偏差就是第一个波的峰值。为A,（1）最大动态偏差（emax）或超调量（ ）,稳态特性,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。要求小。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。,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。,超调量定义：第一个波的峰值与最终稳态值之差，即B=A-C,如果系统的新稳态值等于设定值，那么最大偏差就等于超调量。,衰减比是衡量过渡过程稳定性的动态指标。 定义：第一个波的振幅与同方向第二个波的振幅之比。,（2）衰减比n,衰减比n,稳态特性,衰减比n,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。 衰减率：,衰减比4:1衰减率0.75 衰减比10:1衰减率0.90,稳态特性,（3）余差,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。,上图中，,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。,稳态特性,（4）回复时间（过渡时间）,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