第7章+控制基本概念.ppt
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1、化工仪表及自动化,第七章 自动控制系统概述,内容提要,自动控制系统的组成与分类 自动控制系统的方块图 过渡过程和品质指标 工艺管道及控制流程图,1,3,一、人工操作与自动控制,第一节 自动控制系统的组成与分类,二、自动控制系统组成,三、自动控制系统的分类,3,图7-1 人工操作图,图7-2 液位自动控制图,一、人工操作与自动控制比较,第一节 自动控制系统的组成与分类,第一节 自动控制系统的组成,图7-2 液位自动控制,4,第一节 自动控制系统的组成与分类,二、自动控制系统的组成,5,组 成,自动化装置,被控对象,测量元件与变送器,自动控制器,执行器,在自动控制系统的组成中,除必须具有前面所述的
2、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。,要选择好控制系统的对象,6,第一节 自动控制系统的组成与分类,三、自动控制系统的分类 按被控变量来分类,如温度、压力等控制系统; 按控制器具有的控制规律来分类,如比例、比例积分、比例微分、比例积分微分等控制系统; 将控制系统按照工艺过程需要控制的被控变量的给定值是否变化和如何变化来分类,这样可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。,16,其中第三种分类方法最普遍,第一节 自动控制系统的组成与分类,“定值” 是恒
3、定给定值的简称。工艺生产中,若要求控制系统的作用是使被控制的工艺参数保持在一个生产指标上不变,或者说要求被控变量的给定值不变,就需要采用定值控制系统。,13,1.定值控制方法,2.随动控制系统(自动跟踪系统),给定值随机变化,该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。,第一节 自动控制系统的组成与分类,3.程序控制系统(顺序控制系统),给定值变化,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通。,第二节 自动控制系统的方块图,一、方块图,7,二、方块图运算法则,三、方块图等效变换,四、传递函数与L变换,五、例题,
4、第二节 自动控制系统的方块图,一、方块图,载有变量信息的物理变量是信号。,输入变量 输出变量 多输入多数出系统,7,1、信号与变量,2、方块图基本单元 图模型的一个突出优点是直观、形象,是工程上用来分析复杂系统的重要手段。方块图组成的四个基本单元: (a) 信号线; (b)分支点(又叫测量点); (c)比较点(求和点); (d)方块(又叫环节); 方块图实质上是将原理图与数学方程两者结合起来,它一种对系统的全面描写。,第二节 自动控制系统的方块图,第二节 自动控制系统的方块图,3、自动控制系统方块图 在研究自动控制系统时,为了便于对系统分析研究,一般都用方块图来表示控制系统的组成。 下页图为液
5、位自动控制系统的方块图,每个环节表示组成系统的一个部分,称为“环节”。两个方块之间用一条带有箭头的线条表示其信号的相互关系,箭头指向方块表示为这个环节的输入,箭头离开方块表示为这个环节的输出。线旁的字母表示相互间的作用信号。,9,方块图中, x 指设定值;z 指输出信号;e 指偏差信号;p 指发出信号;q 指出料流量信号;y 指被控变量;f 指扰动作用。当x 取正值,z取负值,e= x- z,负反馈;x 取正值,z取正值, e= x+ z,正反馈。,第二节 自动控制系统的方块图,自动控制系统方块图,10,第二节 自动控制系统的方块图,为了便于分析,有时将控制器以外的各个环节 (包括被控对象、测
6、量元件及变送器、控制阀)组合在一起看待,称之为广义对象,这样,整个系统可认为是由控制器与广义对象两者所构成,其方块图可简化。,12,二、方块图运算法则: 1、串联运算法则 因为 结论:多个环节串联后总的传递函数等于每个环 节传递函数的乘积。 G(s) = G1(s) G2(s) Gn(s),第二节 自动控制系统的方块图,2、并联运算法则 因为 所以 结论:多个环节并联后的传递函数等于所有并联 环节传递函数之和。 G(s) = G1(s) + G2(s) + + Gn(s),第二节 自动控制系统的方块图,3、反馈运算法则 前向通道和反馈通道传递函数分别为G ( s )、 H ( s ) 结论:具
7、有负反馈结构环节传递函数等于前向通道 的传递函数除以1加(若正反馈为减)前向通道与反 馈通道传递函数的乘积。,第二节 自动控制系统的方块图,第二节 自动控制系统的方块图,15,第二节 自动控制系统的方块图,三、方块图的等效变换,第二节 自动控制系统的方块图,三、方块图的等效变换,拉氏变换的实质:将实变量t的函数f(t),变换成复变量 s(s=+j)的函数F(s)。,其中: 为原函数, 为拉氏变换式(或象函数),记为:,拉氏 变换 拉氏反变换,第二节 自动控制系统的方块图,四、传递函数与L变换 1、拉普拉斯变换,拉氏变换的性质,线性性质,平移性质(时移),平移性质(频移),微分性质,积分性质,卷
8、积性质,极限性质,部分常用的拉氏变换公式表,拉氏变换的作用,设有两个串联环节:,已知:,求:,解:,同样,所以,传递函数,对于左所示的线性系统,其输入输出关系一般来说可用如下微分方程来描述:,若将其进行拉普拉斯变换,并令初始条件为零,可得:,G(s)称为传递函数,它为输出与输入的拉普拉斯变换式之比,即系统在复数s域的输出与输入之比。 由此可见,传递函数表征了系统本身的特性,仅与系统本身的结构有关,而与系统的输入无关。,第二节 自动控制系统的方块图,四、传递函数与L变换 2、传递函数,闭环传递函数 定义:系统的主反馈回路接通以后,输出量与输入 量之间的传递函数,通常用(s) 扰动传递函数 把系统
9、输入量以外的作用信号均称之为扰动信号。,第二节 自动控制系统的方块图,四、传递函数与L变换 2、传递函数,a.设输入量R(s)=0 当 扰动影响可被抑制 b.设扰动信号N(s)=0 当 时, 表明此时系统的闭环传递函数只与H(S)有关,与被包围的 环节无关。,R(s)、 N(s)同时作用时:,解:利用方块图变换法则 (a) 比较点A前移,分支点D后移,五、例题,(b) 消除局部反馈回路,五、例题,(C) 消除主反馈回路 注意:方块图的化简方法不是唯一的,人们应充分地利用各种变换技巧,选择最简捷的路径,以达到省时省力的目的。,第三节 过渡过程和品质指标,一、控制系统的静态与动态,19,二、控制系
10、统的过渡过程,三、控制系统的控制指标,四、影响控制指标的主要因素,第三节 过渡过程和品质指标,一、控制系统的静态与动态,19,自动控制目的:希望将被控变量保持在一个不变的给定值上,这只有当进入被控对象的物料量(或能量)和流出对象的物料量(或能量)相等时才有可能。,静态被控变量不随时间而变化的平衡状态(变化率为0,不是静止)。,第三节 过渡过程和品质指标,当一个自动控制系统的输入(给定和干扰)和输出均恒定不变时,整个系统就处于一种相对稳定的平衡状态,系统的各个组成环节如变送器、控制器、控制阀都不改变其原先的状态,它们的输出信号也都处于相对静止状态,这种状态就是静态。,20,第三节 过渡过程和品质
11、指标,21,动态被控变量随时间变化的不平衡状态 。,从干扰作用破坏静态平衡,经过控制,直到系统重新建立平衡,在这一段时间中,整个系统的各个环节和信号都处于变动状态之中,这种状态叫做动态。,结论:在自动化工作中,了解系统的静态是必要的,但是了解系统的动态更为重要。因为在生产过程中,干扰是客观存在的,是不可避免的,就需要通过自动化装置不断地施加控制作用去对抗或抵消干扰作用的影响,从而使被控变量保持在工艺生产所要求控制的技术指标上。,第三节 过渡过程和品质指标,二、控制系统的过渡过程 系统由一个平衡状态过渡到另一个平衡状态的过程。,22,当干扰作用于对象,系统输出y发生变化,在系统负反馈作用下,经过
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