第一讲自动控制系统的基本概念.pptx

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,*,第一讲自动控制系统的基本概念,2,检测技术与仪表,绪论:,什么就是自动化？,仪表与自动化得关系？,测量仪表在自动化中得地位？,3,绪论,工业自动化得概念:,工业自动化就是化工、炼油、食品、轻工、电力等流程工业生产过程自动化得简称。在生产设备上,配上一些自动化装置(仪表),代替操作人员得部分直接劳动,使生产在不同程度上自动地进行,并达到预定得目标,这种用自动化装置来管理生产过程得办法,称为生产过程自动化。,4,绪论,随着现代科学技术得蓬勃发展,炼油、化工、冶金、电力、生物、制药等工业过程得生产规模越来越大型化、复杂化,各种类型得自动控制技术已经成了现代工业生产实现安全、高效、优质、低耗得基本条件与重要保证,5,绪论,进料口,执行器,变送器,调节器,6,绪论,进料口,执行器,变送器,调节器,进料口,执行器,变送器,控制站,7,绪 论,系统:由相互联系得 具有特定功能得 若干部分,(,环节,),组成得 完成一定任务得整体。,强调整体性与协调性,8,一、自动控制系统得基本组成及方块图,1,、,自动控制系统得基本组成,(1),、被控对象:生产中要求控制得生产设备(或过程);,(2),、测量元件或变送器:对被控参数进行测量得仪表;,(3),、控制器:把被控参数得测量值与给定值相减得出偏差,并按某种运算规律算出结果,同时将此结果送给调节阀;,(4),、调节阀:根据调节器送来得信号得大小,自动改变阀得开启度,调节介质得流量,实现控制得目得。,9,一、自动控制系统得基本组成及方块图,2,、,自动控制系统得有关名词术语,(,1,)被控对象(受控对象);,(,2,)被控变量(受控变量):控制对象内要求以一定得精度保持恒定或随某一参数(给定值)得变化而变化得变量;,(,3,)给定值:要求被控参数所保持或遵循得数值,(,4,)偏差:给定值与测量值得差值,(,5,)干扰:影响被控变量,使其偏离给定值得因素,(,6,)操纵变量:影响被控变量,克服干扰使被控变量回到给定值得(调节阀得输出);,(,7,)控制作用:控制器得输出,10,一、自动控制系统得基本组成及方块图,3,、,自动控制系统得,方块图,用一个方块代表系统得一个组成环节;各方块之间用有向线段连接起来。,大家有疑问的，可以询问和交流,可以互相讨论下，但要小声点,12,一、自动控制系统得基本组成及方块图,3,、,自动控制系统得方块图,f,设定值,控制器输出,p,操纵变量,q,+r,偏差,e,被控变量,y,控制器 执行器 对象,-,z,测量值,检测仪表或变送器,图,1,单回路自动控制系统的组成框图,注意:有向线段得方向代表信号得作用方向,而不就是物料得流向。,13,14,控制系统得方块图:,调节器,被控对象,测量变送装置,+,SP,执行器,调节器SP,广义对象,执行器、被控对象及测量变送环节统称为广义对象,固定因素,补偿因素,15,一、自动控制系统得基本组成及方块图,4,、,自动控制系统得工作过程,以换热器系统为例,16,二、自动控制系统得分类,1,、根据给定值不同分类:,(,1,)、定值控制系统:给定值保持不变得系统。系统得任务就是使被控变量以一定得精度保持在给定值上不变;,(,2,)、随动控制系统:给定值就是随机变化得,这种变化就是事先不知道得;,(,3,)、程序控制系统:给定值就是按事先规定得程序变化得。,17,电阻丝加热恒温箱温度控制系统,控制变压器活动触点得位置即改变了输入电压,则通过电阻丝得电流将产生变化,使恒温箱得到不同得温度。,被控变量就是恒温箱得温度,经热电偶测量并与设定值比较后,其偏差经过放大器放大,控制电动机得转向,然后经过传动装置,移动变压器得活动触点位置。结果使偏差减少,直到温度达到给定值为止。,18,比值控制系统,19,程序控制系统,设定值也就是变化得,但它就是一个已知得时间函数,即根据需要按一定时间程序变化。,20,1、3,控制系统过渡过程及品质指标,1、3、1,静态与动态,1、3、2,控制系统得过渡过程及品质指标,当自动控制系统得输入发生变化后,被控变量(即输出)随时间不断变化,它随时间而变化得过程称为系统得过渡过程。也就就是系统从一个平衡状态过渡到另一个平衡状态得过程。,21,2,、按补偿干扰得方法分类,反馈,调节器,执行器,对象,传感器、变送器,+,SP,x,z,e,u,q,y,f,干扰,f,(,t,),被控变量,调节器,操作变量,补偿干扰,前馈,前馈补偿器,执行器,对象,传感器、变送器,p,q,y,干扰,f,干扰,f,(,t,),变送器,补偿器,操作变量,补偿干扰,前馈,+,反馈,调节器,执行器,对象,传感器、变送器,+,SP,x,z,e,y,干扰,f,变送器,前馈补偿器,+,+,22,闭环与开环,闭环,系统得输出被反馈到输入端并与设定值进行比较得系统称为闭环系统,此时系统根据设定值与测量值得偏差进行控制,直至消除偏差。,调节器,被控对象,测量变送装置,+,SP,执行器,开环,系统得输出没有被反馈回输入端,执行器仅只根据输入信号进行控制得系统称为开环系统,此时系统得输出与设定值与测量值之间得偏差无关。,要实现自动控制,系统必须闭环。,闭环控制系统稳定运行得必要条件就是负反馈。,23,3,、按控制系统得复杂程度区分,简单控制系统 复杂控制系统,4,、按控制变量得名称区分,温度控制系统 压力控制系统,5,、按调节规律区分,P,、,PI,、,PD,、,PID,、预估控制,24,三、自动控制系统得过渡过程与品质指标,1,、控制系统得静态与动态,静态:被控变量不随时间得变化而变化得平衡状态;,特点:暂时得、相对得,动态:被控变量随时间得变化而变化得不平衡状态;,动态就是个过程 动态过程(过渡过程),25,三、自动控制系统得过渡过程与品质指标,2,、控制系统得过渡过程:,就是由输入变化引起得被控变量得变化过程;,(输入包括干扰输入与给定输入),就是控制作用不断克服干扰作用得过程;,就是系统从一个平衡态过渡到另一个平衡态得过程。,在阶跃干扰作用下,控制系统过渡过程得几种基本形式:,26,在分析与设计控制系统时,往往选定阶跃信号作为输入。,阶跃输入:在某一瞬间,t,0,干扰突然阶跃式地加入系统,并保持在这个幅值。,阶跃,输入,比较突然、比较危险、对控制系统得影响也最大、设计过程容易产生阶跃干扰。,对于一个控制系统,如果能有效克服阶跃干扰,肯定能很好地克服其它变化比较缓与得各种干扰,27,几种典型得过渡过程:,非周期衰减过程,衰减振荡过程,等幅振荡过程,发散振荡过程,单调发散过程,？,X,X,一般就是不允许得,除开关量控制回路,28,三、自动控制系统得过渡过程与品质指标,3,、控制系统得品质指标(稳、准、快),衡量一个系统控制性能好坏得依据,最大偏差或超调量,衰减比,余差,过渡时间,振荡周期或频率,29,阶跃干扰作用下得过渡过程(设定值固定,加一阶跃干扰),定值系统,0,最大偏差,e,max,:,衰 减 比,n,:,余差,e(),:,过渡时间,t,p,:,振荡周期:,30,阶跃给定作用下得过渡过程(设定值变化),随动系统,超调量,:,衰 减 比,n,余差,e(),:,过渡时间,t,p,:,振荡周期:,0,31,时间,t,r,上 升,峰值时间,t,p,A,B,超调量,%=,A,B,100%,调节时间,t,s,衰减比,n=,A,1,A,2,32,自动控制系统希望得结果:,最大偏差(超调量)？,衰减比？,余差？,过渡时间？,振荡周期？,答:越小越好,n,1,等幅振荡,n,1,发散振荡,n,1,衰减振荡 不振荡,为了保持有足够得稳定程度,衰减比一般取为,4,:,1,至,10,:,1,;这种过渡过程不就是最优得结果,但操作人员容易掌握,一般也就是操作人员所希望得过程,不振荡:不便于操作人员掌握。,答:越小越好,答:越小越好,答:短好,33,例子某换热器得温度调节系统在单位阶跃干扰作用下得过渡过程曲线。试分别求出最大偏差、余差、衰减比、振荡周期与过渡时间,(,给定值为,200),。,解:,1,、最大偏差:,A,230200,30,2,、余差,C,205200,5,3,、第一个波峰值,B,230205,25,第二个波峰值,B,210205,5,衰减比,n,25,:,5,5,:,l,。,4,、振荡周期为同向两波峰之间得时间间隔,故周期,T,205,15(min),5,、过渡时间与规定得被控变量限制范围大小有关,假定被控变量进入额定值得,2,就可以认为过渡过程已经结束,那么限制范围为,200,(,2,),4,这时,可在新稳态值,(205,),两侧以宽度为,4,画一区域,图中以画有阴影线得区域表示,只要被控变量进入这一区域且不再越出,过渡过程就可以认为已经结束。因此,从图上可以瞧出,过渡时间为,22min,。,34,影响过渡过程得主要因素,?,固定因素:对象特性,测量仪表特性,执行器特性,补偿因素:,控制器特性,这就是自动控制得主要研究内容,35,三、自动控制系统得过渡过程与品质指标,4,、影响控制系统控制质量得主要因素,被控对象就是核心,测量仪表就是基础,控制器就是灵魂,调节阀(执行器)就是关键,36,仪表得简要发展过程,常见得测控参数:,T,、,P,、,L,、,F,、,A,(五大参数),测控仪表得分类:,变送器(传感器)、执行器、控制器三大类,控制器:常规调节器、智能调节器、计算机系统,37,基地式仪表,只具备简单测控功能,其信号一般仅在本仪表内起作用,各测控点间得信号难以相互沟通,操作人员只能通过巡视生产现场来了解生产状况。(目前已淘汰),单元组合仪表,智 能 仪 表,仪表中含有微处理器,功能强,往往具备数字信号传输与模拟信号传输两种功能。,现场总线仪表,简而言之就就是满足现场总线协议标准得智能仪表。,QDZ,:气动单元组合仪表,气源,(,140kPa),信号,(,20,100kPa),。主要有力平衡型与力矩平衡型两类,气动单元组合仪表已基本淘汰。,DDZ,:电动单元组合仪表。,DDZ,II,型:电源,220VAC,信号,0,10mA,DDZ,III,型:电源,24VDC,信号,4,20mA,、,1,5VDC,38,自动化装置得简要发展过程,基地式系统,基地式仪表,第,0,代,常规仪表控制系统,单元组合仪表：,调、变、执、算,(DDZ-II,、,III,、,QDZ),第,1,代,DDC,控制,变、执,(DDZ-II,、,III),集中型计算机控制系统,变、执,(DDZ-II,、,III),第,2,代,DCS,OS,：小型机、,IPC,CS,：,IPC,、,PLC,、,智能调节器,现场仪表：,DDZ-III,为主,第,3,代,*,FCS,将全厂最基础的现场级仪表和装置均通过现场总线连接起来，实现全数字化通讯。,现场仪表：总线仪表,第,4,代,*,分布式,IO DCS,现场信号根据传输距离或功能不同连接到现场,I/O,设备上，各现场,I/O,设备与控制站间通过网络（现场总线）连接。,现场仪表：,DDZ-III,、,总线仪表,过渡型,*,39,绪论,进料口,执行器,变送器,调节器,进料口,执行器,变送器,控制站,40,直接计算机控制系统,生产过程,数字计算机,A/D,转换,D/A,转换,操作台,扰动,控制变量,输出变量,41,集中型计算机控制系统,出发点:,由于当时得计算机系统得体积庞大,价格非常昂贵,为了使计算机控制能与常规仪表控制相竞争,企图用一台计算机来控制尽可能多得控制回路。,CRT,键盘,过程控制计算机,AI,DI,AO,DO,被控过程（对象）,被控变量,操作变量,输入子系统,输出子系统,集中型计算机控制系统原理图,42,1)、,计算机直接数字控制(,DDC,)系统,直接数字控制,(DDC),计算机,CRT,打印机,报 警,操作台,过程输入通道,测量变送,测量变送,被 控 生 产 过 程,过程输出通道,执行机构,执行机构,43,2)、,计算机监督控制(,SCC,)系统,监督控制计算机,(SCC),CRT,打印机,报警,DDC,计算机或调节器,输入通道,输出通道,被 控 生 产 过 程,操作台,输入通道,44,3,)计算机集散控制系统(,DCS,),计算机集散控制系统(,DCS,),就是把自动化技术、计算机技术、通信技术、故障诊断技术、冗余技术与图形显示技术融为一体得装置。这种系统在结构上就是分散得,在监视、操作与管理上则就是集中得。在系统中,将计算机分装到工段或装置,从而使系统得危险分散,消除了全局性得故障点,提高了系统得可靠性,同时能方便灵活地实现各种新型得控制规律与算法。,45,监督控制计算机,CRT,操作站,基本调节器,基本调节器,被控对象,被控对象,高 速 数 据 通 道,46,集散控制系统,控制台,控制台,过程控制计算机,控制单元,控制单元,多路采集器,可编程逻辑控制器,数据通道,工程师,/,操作员控制台,其她系统,47,基于计算机技术得过程控制系统,生产过程,数字计算机,A/D,转换,D/A,转换,操作台,扰动,控制变量,输出变量,控制台,控制台,过程控制计算机,控制单元,控制单元,多路采集器,可编程逻辑控制器,数据通道,工程师,/,操作员控制台,其她系统,分布式计算机控制系统,直接数字控制系统,48,IPC,、,PLC,I/O,子系统,Ethernet/Highway Fieldbus,Controller/Gateway,Fieldbus,现场控制系统,集散控制系统,49,第三阶段:综合自动化(,CIPS,),1)、,计算机集成制造系统(,CIMS,)得概念与发展,计算机集成制造系统就是在自动化技术、计算机技术及制造技术得基础上,通过计算机及其软件,将制造工厂全部生产活动(设计、制造及经营管理,包括市场调研、生产决策、生产计划、生产管理、产品开发、产品设计、加工制造以及销售经营等)与整个生产过程有关得物料流与信息流实现高度统一得综合化管理,构成一个优化得完整得生产系统。,50,2)、CIM,得概念与发展(,1,),CIM,(puter Integrated Manufacturing),计算机集成制造,企业资源(人、财、物、技术、经营管理),计算机技术集成 资源优化,产品优质、低耗、上市快,增强竞争力,51,2)CIMS,得概念与发展(,2,),CIMS,得概念,CIMS(puter Integrated Manufacturing,system,),计算机集成制造系统,就是,CIM,哲理,得具体体现,CIMS,得主要特征就是,“,四化,”,计算机化、信息化、智能化与集成优化,52,2)、CIMS,得概念与发展(,3,),CIM,理念,起源于,70,年代,(,Joseph Harrington,1973),一种新得生产模式,CIMS 80,年代初被广泛接受,(美国制造工程师学会),首先广泛应用于离散制造业,汽车、机械设备、家用电器等行业,在离散工业,CIMS,已形成较为成熟得体系框架,(,CAD,、,CAM,、,CAPP,、,MRP II,等),国内已有上百家应用示范企业,开始在流程行业受到重视,53,3)过程工业,CIMS,得递阶控制层次,过程控制,过程优化,生产调度,企业管理,经营决策,第五层:企业决策,生产规划,第四层:供销,财务,计划,管理等,第二层:先进控制,过程优化,第三层:生产调度,系统优化,第一层:单元自动化,简单控制,生,产,过,程,过程,CIMS,得递阶控制示意图,54,2、,过程工业自动化得发展过程,常规仪表,单回路,简单控制(,70,年代前),分布式计算机,(DCS),多回路,先进控制,(,70-80,年代),DCS,网,多流程,过程控制优化与生产调度,(,80-90,年代),企业计算机网络,多层次,过程控制优化、生产调度管理与企业经营决策管理:综合自动化,CIPS,puter integrated processing systems),(,90,年代后期),3、,过程控制得发展趋势,当前过程控制正处于第三个发展阶段,并以前所未有得速度与规模飞速前进,纵观这一时期,可归纳为如下三个主要特点:,56,1)、,简单控制向先进控制发展,先进过程控制(,advanced process control),就是指一类在动态环境中,基于数学模型,借助充分得计算能力,为工厂获得最大利润而实施得运行与技术策略。,57,2)、,封闭得分布式计算机控制系统转向具有国际统一标准得开放式系统(,FCS,),现场总线网络控制系统(,Fieldbus control systems):,开放性,现场总线采用同一种国际标准得通信协议,可方便地与通用得局域网相连。,智能化现场仪表,系统中得现场仪表配有自己得,CPU,与,A/D,可完成检测、转换、操作与自诊断等功能。,数字信号传输,现场仪表输出均为数字信号,从而提高了系统得可靠性。,彻底分散性,58,3)、,单一控制系统向综合自动化系统发展,综合自动化,(CIPS,),综合自动化就就是在计算机通信网络与分布式数据库得支持下,实现信息与功能得集成,进而实现充分调动人得因素得经营系统、技术系统及组织系统得集成,最终形成一个能适应生产环境不确定性与市场需求多变性得全局最优得高质量、高柔性、高效益得智能生产系统。,59,4、,过程控制面临得问题,过程建模,软测量技术,控制方法,过程得优化,生产管理与调度,动态系统故障诊断,实用软件得开发,