仪表与控制（第1章）.ppt

单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,FuZhou,University 2011,给水排水工程仪表与控制,庞胜华,福州大学土木工程学院,2026/3/4 周三,第一章 自动控制基础知识,第一节 自动控制系统的作用与构成,一、,控制仪表的分类：,基地式：,检测控制显示组合在一起的仪表。,单元组合式：,在系统规定的统一的通讯方式下，按要求给出相应的控制信号。,计算机式：,以计算机为中心控制单元，以测试仪表、执行机构等单元为外围设备的系统。,第,1,章 基础知识,FuZhou,University 2011,二、自动化及仪表发展,从自动控制系统结构看，经历四个阶段：,1,、,20,世纪,50,年代以基地式控制器组成的控制系统；,2,、,20,世纪,60,年代以单元组合仪表组成的控制系统；,3,、,20,世纪,70,年代出现了计算机控制系统；,4,、,20,世纪,80,年代以后出现二级优化控制。,第,1,章 基础知识,第,1,章 基础知识,FuZhou,University 2011,第,1,章 基础知识,三、自动控制系统的作用,1,、定义：,在没有人,直接参与,的情况下，使生产过,程或被控对象的某些物理量准确地,按照预期规律变化,2,、目的：,提高生产效率、提高生活水平；,保证高质量地完成任务。,FuZhou,University 2011,控制流程图字母意义,字母,第一位字母,后继,字母,字母,第一位字母,后继,字母,被测变量,修饰词,功能,被测变量,修饰词,功能,A,分析,报警,P,压力,C,电导率,控制,Q,数量,积分,累积,D,密度,差,R,放射性,记录,E,电压,S,速度,安全,开关,F,流量,比,T,温度,传送,I,电流,指示,V,粘度,阀,K,时间,W,力,L,物位,Y,M,水分,Z,位置,执行机构,第,1,章 基础知识,FuZhou,University 2011,四、自动控制系统的构成,1,、控制对象：,生产过程中被控制的设备和机器；,2,、测量变送器：,感受规定的被测量并按照一定规,律转化成有用输出信号的器件或装置，由敏感元件、,传感元件和测量转换电路组成；,3,、控制器：,比较得出差值、发出信号推动执行器,4,、执行装置：,完成指令实施调节，包括水泵等。,第,1,章 基础知识,FuZhou,University 2011,五、系统的分类,1,、给定值形式,第,1,章 基础知识,控制系统,特点,应用,定值系统,给定值保持不变,广泛应用于工业生产,恒温箱温度控制,流量等控制系统,随动系统,给定不断地任意变化,并被控量随之变化,雷达跟踪系统,测量仪中变送器,程序系统,给定值按一定时间程序变化,滤池反冲洗过程控制,FuZhou,University 2011,2,、系统的结构特点,第,1,章 基础知识,反馈,/,闭环控制,前馈,/,开环控制,复合,/,前馈,-,反馈控制,控制依据,被控变量的偏差,干扰量的大小,被控变量的偏差干扰量的大小,发生时间,偏差出现后,偏差出现前,优点,结构简单、投资省、操作方便、消除,/,减小偏差、可克服多种扰动,控制及时、不受系统滞后的影响、补偿较为频繁的扰动、不存在控制精度与稳定性矛盾,控制及时、具有一定的自适应能力可克服多种干扰、调节精度高,缺点,控制滞后,不能消除偏差,只能克服所测量的扰动,系统,项目,FuZhou,University 2011,自动控制系统方块图,调节器,调节阀,调节对象,测量变送,干扰,被调参数,偏差,给定值,测,量,比较机构,第,1,章 基础知识,FuZhou,University 2011,前馈控制系统方块图,调节器,调节阀,对象,调节对象,第,1,章 基础知识,FuZhou,University 2011,复合控制系统方块图,反馈调节器,调节阀,调节对象,干扰,被控量,给定值,前馈调节器,扰动通道,第,1,章 基础知识,FuZhou,University 2011,六、在给水排水工程中的应用,遥感技术自动收集供水管网各节点的工作参数，,实现运行优化；建筑内恒压给水系统；泵站的自动,控制系统；水处理单元环节的自动控制系统等。,第,1,章 基础知识,FuZhou,University 2011,第二节 传递函数与环节,一、方块图与传递函数,方块图：,一个方块代表一个环节。,拉普拉斯变换：,一种积分变换，微分方程,代数,幂函数，微分方程,代数方程。,传递函数：,拉氏变换基础上，以系统本身参数描述,的线性定常系统输入量与输出量的关系式，表达了,系统内在的固有特性，与输入量无关。,第,1,章 基础知识,FuZhou,University 2011,传递函数的优点：,比较简单；当系统输入典型信号时，输出与传递,函数有一定的关系；零极点分布决定系统响应过渡,过程。,二、典型环节的动态特性及传递函数,动态特性：,当输入信号加入环节，其输出信号随时,间变化的规律。,第,1,章 基础知识,FuZhou,University 2011,比例环节：,时间域内输入输出函数成比例，表示,为：,一阶环节：,又称一阶惯性环节，其传递函数为：,第,1,章 基础知识,K-,比例系数，是比例环节的特征参数,K-,静态参数，决定环节在过渡过程结束后的新稳定值；,T-,动态参数,FuZhou,University 2011,积分环节：,输出信号正比于输入信号对时间的积,分，传递函数为：,微分环节：,a.,理想微分环节：,输出量与输入量的变化速度成正,比，其传递函数为：,式中：,T,d,-,反映微分作用强弱的特征参数。,b.,实际微分环节：,输出信号的变化滞后与输入信号,的变化，是具有惯性的环节。,第,1,章 基础知识,FuZhou,University 2011,纯滞后环节：,经过一段纯滞后时间后等量地复现输,入信号变化，称距离,-,速度滞后，其传递函数为：,式中,-,纯滞后时间。,第三节 自动控制系统的过渡过程,静态：,各个,参数的变化率为零,，即参数保持不变。,动态：,静态随时被打破，使被控参数发生变化,。,第,1,章 基础知识,FuZhou,University 2011,一、过渡过程：从一平衡到另一平衡的过程。,第,1,章 基础知识,FuZhou,University 2011,二、质量指标,一般自动控制系统，常采用以下几个质量指标。,1,、,最大偏差,：,被控参数偏离给定值的最大差值，衡,量过渡过程,稳定性,的动态指标。,2,、,过渡时间,：,系统受到干挠，被控变量从原稳定值,达到新稳定值所需要时间，反映控制,快速性,的指标。,3,、,余差：,控制系统过渡过程终了时给定值与被控变,量稳定值之差，反映控制,准确性,的一个重要指标。,第,1,章 基础知识,FuZhou,University 2011,4,、,衰减比,：,第一个波的振幅与同方向第二个波的振,幅之比，衡量过渡过程,稳定性,的动态指标。,5,、,振荡周期,：,第一个波峰到相邻波峰之间的时间，,衡量过渡过程,快速性,的指标。,控制指标在不同控制系统中各有其重要性，且相互之间又有着内在的联系。高标准地同时要求满足这几个控制指标是很困难的，,因此，应根据具体要求分清主次，优先保证主要控制指标。,第,1,章 基础知识,FuZhou,University 2011,第四节 自动控制系统的调节规律,调节规律：调节器输出信号与输入信号之间随时间的变化规律,一、双位调节,特点：被调参数等幅振荡，动作频繁，容易损坏，因而难以,保证系统安全可靠地运行，如恒温箱温度控制，泵站液位控制,二、比例调节,特点：调节器的输出与被测参数的偏差值成比例，响应速度,快,调节动作及时、迅速，但有余差，如压缩机贮气罐的压力,控制。,第,1,章 基础知识,FuZhou,University 2011,F,t,阀杆,水槽,F,0,浮球,浮球杆,支点,杠杆,调节阀,简单的比例调节系统示意图,第,1,章 基础知识,FuZhou,University 2011,1,、调节规律,输出与输入成比例，没有滞后，传递函数是：,2,、比例度,，调节器输入的变化与相应输出变化的百分数。,用式子表示为：,式中：,e,偏差的变化量；,p,输出信号的变化量。比,例度与比例系数成反比，其值越大，比例作用越弱。,第,1,章 基础知识,FuZhou,University 2011,3,、比例度的影响,静态,余差,（为什么比例作用会有余差呢？）,F,t,阀杆,水槽,F,0,浮球,浮球杆,支点,杠杆,调节阀,简单的比例调节系统示意图,第,1,章 基础知识,FuZhou,University 2011,动态,过渡过程,比例系数对过渡过程的影响见下图：,第,1,章 基础知识,K,c,增加：,1.,余差减小；,2.,振动倾向加强,稳定程度下降,3.,工作频率增大,工作周期减小,4.,最大偏差减小,因此适用于干扰幅度小，滞后小，时间常数较长的对象,FuZhou,University 2011,三、积分调节,特点：,可以消除偏差,，但调节动作缓慢，不能及时克服扰动,的影响，致使被调参数的动态偏差增大，甚至使系统难稳定。,四、比例积分调节,1,、特点：,既具有比例作用，又具有积分作用，如流量控制。,传递函数是：,2,、,积分时间的影响,对输出特性的影响：,比例粗调和积分细调作用，,粗调及时,克服干扰，细调逐渐克服余差。,第,1,章 基础知识,可单独使用、但一般不单独使用,积分作用与比例作用相同时所需的时间,有差则动，无差则停。对变化很慢的偏差具有很强的调整能力,FuZhou,University 2011,对过渡过程的影响：,对于不同的对象，其固有特性不同，为获得理想的过渡过,程，应选择不同的积分时间数值与之对应。,第,1,章 基础知识,T,i,增加产生现象,1.,消除余差较慢,2.,振动倾向减弱,稳定程度提高,3.,最大偏差增大,工程实践中为消除余差增加积分作用，常适当增大比例度以维持一定的衰减比。,FuZhou,University 2011,第,1,章 基础知识,适用于干扰幅度小，滞后小，时间常数不大，被控变,量不允许有余差的系统。如流量、压力等控制系统。,FuZhou,University 2011,五、,微分调节,特点：偏差信号变化速度越大，微分作用输出越大，对于固,定不变的偏差信号，不管大小都无微分输出，,所以不能克服余,差。,六、,比例微分调节,特点：具有超前作用，传递函数为：,微分增益：在阶跃输入信号的作用下，实际比例微分调节,器输出的初始变化量和最终变化量之比，表示微分作用输出幅,度的大小，其值越大，微分作用越强。,第,1,章 基础知识,不能单独使用微分调节，需与比例调节规律配合使用,微分增益等于,1,时表示只剩下比例调节作用了,FuZhou,University 2011,七,、比例积分微分调节,特点：,比例、积分、微分三种调节相结合，,既能快速调节,又能消除偏差，还能根据偏差信号的变化趋势提前动作,，具有,较好的调节性能，如,pH,值的控制。,时间特性：,当偏差信号为阶跃信号时，,微分调节先起主导,作用，而后是比例调节，最后是积分调节,。,特征参数及其影响：,比例度，积分时间，微分时间三个参,数。,微分作用减小过渡过程的最大偏差值和调节时间，积分作,用消除余差，但会增大过渡过程的最大偏差值及调节时间,。,第,1,章 基础知识,适用于容量滞后大，干扰幅度大、不允许有余差的系统。,FuZhou,University 2011,八、调节规律的选择,不太重要的参数，如中间储罐的液位等可考虑采用,比例调,节，,甚至采用,双位调节,；,不太重要的参数，但惯性较大，又不希望动态偏差较大，,可考虑采用,比例微分调节,，,但对于系统噪声较大的参数，如流,量则不能采用比例微分调节,；,比较重要、控制精度要求较高参数，可采用,比例积分调节,;,比较重要、控制精度要求较高、希望动态偏差较小、被控,对象的时间滞后较大的参数，应当采用,比例积分微分调节,。,第,1,章 基础知识,FuZhou,University 2011,九、被控变量的选择,以工艺控制指标（温度、压力等）作为被控变量，应是能,够最好地反映工艺所需状态变化的参数；,以产品质量指标作为被控变量，是最直接也是最有效的控,制参数，如工业锅炉的蒸汽压力等；,作为被控变量必须是能够获得检测信号并有足够大的灵敏,度，且滞后要小，否则无法得到高精度的控制质量,;,选择被控变量时必须考虑工艺流程的合理性和国内仪表生,产的现状。,第,1,章 基础知识,FuZhou,University 2011,十、调节作用的实现方法,控制器一般可按能源形式、信号类型和结构形式进行分类。,1,、能源形式,（,1,）气动：,发展较早，其特点是结构简单、性能稳定、可靠,性高、价格便宜，且在本质上安全防爆，,因而广泛应用于石油,化工等有爆炸危险的场所。,（,2,）电动：,发展相对较晚，实现远距离监视操作等方面容易,且易与计算机等现代化信息技术工具联用，因此发展极为迅速,应用极为广泛，目前大多采用,。,2,、信号类型,第,1,章 基础知识,FuZhou,University 2011,（,1,）模拟式：,线路简单，操作方便，在过程控制中已广泛应,用，如电动调节器、气动调节器等；,（,2,）数字式：,以微型计算机为核心，功能完善，性能优越，,可靠性高，维护方便，如可编程控制器、微电脑调节器等。,3,、结构形式,（,1,）基地式：,结构简单，但通用性差，使用不够灵活，一般,仅用于一些简单控制系统；,（,2,）单元组合式：,使用灵活方便，因此在生产现场得到广泛,应用，目前使用较多的属于电动控制器；,第,1,章 基础知识,FuZhou,University 2011,（,3,）组装式：,在单元组合仪表的基础上发展起来的，功能分,离、结构组件化；,（,4,）集散控制式：,微处理器为基础的控制器，在结构、功能,可靠性等各方面都进入一个新阶段。,第,1,章 基础知识,FuZhou,University 2011,第五节 双位逻辑控制系统,1,、实现方法,气动技术：气压的高、低。,液动技术：液体的通、断，液位开关等。,电子技术：二极管单向导通性改变电压的高、低。,2,、常用元件及符号,开关：按钮开关、拨动开关、滑动开关；单极开关、双极,或多极开关；常开开关、常闭开关。,熔断器：电流过大时断开电路，保护设备安全。,继电器：电磁继电器、热继电器、时间继电器。,接触器：通断较大的电流。,第,1,章 基础知识,FuZhou,University 2011,第六节 计算机控制系统概述,一、系统的组成,参数采集：,模拟量转换为数字量称模,/,数转换器。,运算控制：,输入参数数字量逻辑运算，得出控制信号输出。,信号输出：,数字量转换为模拟量称数,/,模转换器。,外围设备：,显示器、存储记录装置、打印机等。,第,1,章 基础知识,15:12:55,二、应用方式,1,、操作指示控制系统：,计算机巡回检测参数并对测量结果进行处理后输出数据。,2,、直接数字控制系统,(DDC),：,计算机巡回检测参数，运算后发出控制信号，直接控制被控对象。,3,、分级控制系统：,适用于规模大或复杂的系统。,4,、集散控制系统：,集中管理、分散控制，可靠性大大提高。,第,1,章 基础知识,指标：可靠性和可维护性,FuZhou,University 2011,思考题,1.,以同等精度元件组成的开环系统和闭环系统，其精度比较,为（）。,A,、开环高,B,、闭环高,C,、相差不多,D,、一样高,2.,系统的输出信号对控制作用的影响（）。,A,、开环有,B,、闭环有,C,、都没有,D,、都有,3.,对系统抗干扰能力（）强。,A,、开环,B,、闭环,C,、都强,D,、都不强,4.,对系统抗干扰能力（）及时。,A,、开环,B,、闭环,C,、都及时,D,、都不及时,第,1,章 基础知识,FuZhou,University 2011,5.,温度控制系统需要采用（）规律。,A,、,P,调节,B,、,PI,调节,C,、,PD,调节,D,、,PID,调节,6.pH,值控制系统采用（）规律。,A,、,P,调节,B,、,PI,调节,C,、,PD,调节,D,、,PID,调节,7.,流量控制系统采用（）规律。,A,、,P,调节,B,、,PI,调节,C,、,PD,调节,D,、,PID,调节,8.,在容量滞后大而又要消除余差的场合采用（）规律。,A,、,P,调节,B,、,PI,调节,C,、,PD,调节,D,、,PID,调节,9.,比例微分调节器是（）调节。,A,、有差,B,、无差,C,、有时有差、有时无差,第,1,章 基础知识,FuZhou,University 2011,10.,恒温箱温度控制属于（）系统。,A,、定值控制,B,、随动控制,C,、程序控制,11.,各类测量仪中变送器属于（）系统。,A,、定值控制,B,、随动控制,C,、程序控制,12.,可克服多种扰动的系统有（）。,A,、反馈控制,B,、前馈控制,C,、复合控制,13.,对衰减振荡而言，衰减比越小，稳定度（）。,A,、越低,B,、越高,C,、没有影响,14.,衡量过渡过程稳定性的,动态指标,有（）。,A,最大偏差,B,余差,C,过渡时间,D,衰减比,E,振荡周期,第,1,章 基础知识,FuZhou,University 2011,15.,微分调节规律主要可用来克服调节对象的（）和（）的影响。,16.,（）控制器对变化很慢的偏差具有很强的调整能力。,第,1,章 基础知识,FuZhou,University 2011,第,1,章 基础知识,FuZhou,University 2011,