化工自动控制原理详解

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1、化工自动控制原理 工艺工程师自动化技术培训 第一章 概述 1 引言 l 自动化定义： l 自动控制系统： 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进行操作或控制。 摘自中国大百科全书 由内部互相联系的部件按照一 定规律组成，能够完成一定控制目标的有机整 体。 降低成本。 l 自动控制的目标： 提高劳动生产率， 提高产品质量， 改善劳动条件， 节约能源， 2 自动控制简史 2.1 经典控制理论 q古老的反馈控制思想 q40年代形成独立学科，机械化自动化 q瓦特蒸汽机的离心调节器 自动控制 领域的第一项重大成果（18世纪中叶） q中国古代发明 2.2 现代控制理论 60年代始获得长足发

2、展，主要以分析和设计复杂 控制系统为目标。 现代控制理论的发展是计算机发展的衍生物。 状态空间分析方法数学工具数学工具 线性系统与非线性系统、定常系统 与时变系统、多输入多输出系统等 研究对象研究对象 2.3先进控制与智能控制 主要研究方向： 人工神经元网络研究等 预测控制 模糊控制 自适应控制 多学科的融汇、贯通 3 开环控制系统与闭环控制系统 控制器 受控对象 控制量 输入量输出量 (a) 开环控制系统 控制量 输入量 输出量 (b) 闭环控制系统 反馈元件 控制器 受控对象 开环控制系统 特点： 缺点： 最简单的控制方式 系统结构简单、维护容易、 成本低、不存在稳定性问题 信号传递没有形

3、成闭合回路 输出量不能对控制量产生 影响。 控制精度不高 系统抗干扰能力差 对元器件的要求 比较高 控制量 输入量 输出量 (b) 闭环控制系统 反馈元件 控制器受控对象 控制器受控对象 控制量 输入量输出量 (a) 开环控制系统 闭环控制系统 反馈控制系统 l 反馈通路 负反馈与正反馈 控制系统一般采用负反馈 l 信号传递形成一个闭合回路 输入量与反馈量之差称为偏差信号 控制量 输入量 输出量 (b) 闭环控制系统 反馈元件 控制器受控对象 控制器受控对象 控制量 输入量输出量 (a) 开环控制系统 4 自动控制与自动控制系统 4.1 自动控制系统的组成及定义 以自动化实验室水槽液位控制系统

4、为例： 调节系统方块图 给定 流量1液位1液位2 微机式 调节器 调节阀水槽1水槽2 变送器1 自动控制系统的基本结构： 设定值 x 控制器执行器被控对象 测量、变送 扰动 f 被控变量 y 反馈量 z 自动控制系统的基本结构 偏差 e 控制变量 u 1、控制系统的一些常用术语 被控对象 控制变量 设定值 x 控制器执行器被控对象 测量、变送 扰动 f 被控变量 y 反馈量 z 图12 自动控制系统的基本结构 偏差 e 控制变量 u 是指被控制的装置或者设备。 施加给被控对象的信号，使受控对象按照一定 的规律运行，一般用符号u 表示。 被控变量 控制系统的输出，即被控的物理量，一般用符号y 表

5、示。 偏差信号 扰动信号 系统的设定值与反馈信号之差称为偏差，用符号e 表示。 使对象输出偏离设定值的输入信号。一般用符号f 表示。 设定值 x 控制器执行器被控对象 测量、变送 扰动 f 被控变量 y 反馈量 z 图12 自动控制系统的基本结构 偏差 e 控制变量 u 设定值（给定值） 希望系统输出达到的数值，一般用符号x 表示。 2、控制系统的组成 定值元件 控制器 执行元件 用来产生设定值或参考输入。 或称调节器。通过一定的控制规律给出 控制量，送到执行元件。 完成功率转换或信号转换，常称为执行 机构或者执行器。 设定值 x 控制器执行器被控对象 测量、变送 扰动 f 被控变量 y 反馈

6、量 z 图12 自动控制系统的基本结构 偏差 e 控制变量 u 测量、变送元件 又称传感器，用于检测被控对象的输出 量，并变换成标准信号送到控制器。 比较元件用以产生偏差信号 2、控制系统的组成 设定值 x 控制器执行器被控对象 测量、变送 扰动 f 被控变量 y 反馈量 z 图12 自动控制系统的基本结构 偏差 e 控制变量 u 3、 对自动控制系统的基本要求 稳定性、精确性和快速性 q 稳定性 控制系统设计的首要条件 系统自身的属性 有界输入，有界输出 q 精确性 反映系统的被控变量偏离设定值的程度 。 q 快速性 控制系统受到外界的作用后，从一个平衡状态 达到另一个平衡状态的时间 。 5

7、、 自动控制系统的分类 1、开环控制系统与闭环控制系统 2、定值控制系统、随动控制系统和程序控制 根据给定信号形式的不同分类。 定值控制系统： 系统的参考输入为恒定值或者波动 范围很小，要求系统的输出量也保持恒定。 随动控制系统（伺服控制系统）： 参考输入值不 断变化，变化规律未知。控制目的是使得系统的 输出量能够准确地跟踪输入值的变化。 程序控制系统： 设定值变化，是时间的已知函数， 即按照事先规定的时间程序或规律变化。 6、单输入单输出系统与多输入多输出系统 从输入与输出信号的数量分类。 单输入单输出系统（SISO） 多输入多输出系统（MIMO） 集中参数系统与分布参数系统 uy (a)

8、SISO系统 系 统 (b) MIMO系统 系 统 确定性系统与随机控制系统等 中国、古埃及和巴比伦人发明的自动计时装置 (公元前11世纪) James wat发明的飞球调节器，控制蒸汽机的转速 （1769年） Polzunov发明的浮球调节器，用于水位控制 （1765年） Gray设计的第一艘全自动蒸汽轮船“东方号” （1866年） 徐寿设计的中国第一艘蒸汽轮船“黄鹄”号 （1866年） 世界上第一台数控铣床（1952年） G. Brown (1907-1996) MIT电机系教授，工学院院长(1959-1968) MIT Servo-Lab，世界首台数控机床的创始人， 开设了第一门自动控制

9、课程 具有很高自动化水平的我国石化工业（1） 具有较高自动化水平的我国石化工业（90年代） 现代空间技术的发展 常用的典型试验信号： r(t) t r(t) t r(t) t r(t) t A (a) 阶跃信号(c) 斜坡信号 (d) 抛物线信号(e) 正弦信号 图3-1 典型试验信号 r(t) t (b) 脉冲信号 究竟使用哪种典型 信号分析系统？ 取决于系统在正常工作时最常见的输入信号形式 若输入是突然的脉动 脉冲信号 若输入是突变的跃变 阶跃信号 若输入随时间逐渐变化 斜坡信号 若输入是周期信号 正弦信号 过渡过程的性能指标 直接评价控制系统的 单位阶跃响应曲线 （a）随动系统 图3-2

10、 单位阶跃响应曲线 （b）定值系统 1.5 0. 5 1 0 t 以阶跃响应曲线形式表示的质量指标 (1) 峰值时间tp 阶跃响应曲线达到第一峰值所需要的时间。 tp tp愈小，表明控制系统反应愈灵敏。 A (2) 最大偏差A和超调量 最大偏差A: 被控输出第一个波的峰值与给定值的差 ，如图中的A。 超调量 y()为过渡过程的稳态值。 超调量（百分数表示的最大偏差）： 1.5 0. 5 1 0 tp t A 注意最大偏差和超调量的不同 。 (3) 衰减比n 在过渡过程曲线上，同方向上相邻两个波峰值之比。 如图，n=A:A。 l n愈大，过渡过程衰减的越快，反之，n愈小，过 渡过程的衰减程度也愈

11、小; l 一般操作经验希望过程有两、三个周波结束，一 般常取n=4:110:1。 l 当n1时，过渡过程则为等幅振荡； 0.15 0.05 0.1 0 t tp A (4) 调节时间ts 阶跃响应到达稳态的时间。 工程上常取在被控变量进入新稳态值的土5或 土2的误差范围，并不再超出的时间。 ts 的大小一般与控制系统中的最大时间常数有关 ，ts越短，系统响应越快。 1.5 0. 5 1 0 tp t A ts 1.5 0. 5 1 0 tp t A (5) 上升时间tr 仅适用随动系统。第一次达到系统新稳态值所需 的时间，定义为上升时间。 (6) 余差或稳态误差e() 过渡过程结束时稳态值与给

12、定值之差，是表示控 制系统精度的重要质量指标。 tr 对于非振荡的过渡过程曲线：从稳态值的10上 升到90所需的时间。 ts e(） 总结： 1、峰值时间tp和上升时间tr反映了系统 的初始快速性。 4、稳态误差反映了系统的调节精度。 3、最大偏差、超调量和衰减比反映了系 统的平稳性。 2、调节时间ts反映了系统的整体快速性。 1.5 0. 5 1 0 tp t A trts 3.1 常规控制规律对系统控制质量的影响 调节器可以被用来改变闭环传递函数，以保证系统 获得希望的动态特性和静态特性。 R(s)Y(s) + + + F(s) E(s) Z(s) 3.1.1 常规控制器的控制规律 调节器

13、按不同控制规律产生使偏差减小的控制信号。 工业中常用的控制规律有： 比例P、比例加积分PI、比例加积分加微分PID等 3.1.1.1 比例控制规律P 控制器输出p(t)与偏差信号e(t)之间成比例关系。 p(t)=Kce(t) 其传递函数: Kc：控制器的比例增益或放大倍数。 1 0.5 0 -0.50 510 4 2 0 -2 0510 e(t) p(t) R(s ) Y(s ) E(s ) P(s ) - 比例作用的特点： 1. 比例控制是最基本的控制规律 ； 2. 不能消除静态误差（余差）； 3. 余差大小与Kc成反比。 可调增益的放大器 输出与输入波形相同，放大Kc倍 若广义对象为0型

14、系统，则系统存在稳态误 差。 总结： 3.1.1.2 比例加积分控制规律PI 控制器输出p(t)与偏差信号e(t)之间的关系为： 控制器的传递函数为： Kc:比例增益 0t e(t) 0 t p(t) P+I P I Ti: 积分时间 积分作用特点： l 偏差信号的积分（累加） l 只有偏差为零时，积分作用才停止。此时，控 制信号保持在前一刻数值。 l 只要偏差存在，积分作用就一直进行，直到受 到实际装置的限幅（积分饱和）。 总结： 1. 积分控制作用是可以消除余差的（主要目的） 。 2. 积分作用与Ti成反比。Ti I 3. 有可能影响系统的稳定性。 3.1.1.3 比例加积分加微分规律PI

15、D 控制作用的数学表达式是： 其传递函数 ： Kc: 比例增益，Ti: 积分时间, Td: 微分时间。 0t0t P(t) 单位斜波 P+I+D P+D d P e(t) D 微分作用的特点： l 微分作用和偏差变化的速率成正比，能提高控 制器反应的灵敏程度，使系统获得超前作用， 有助于增加系统的稳定性和控制品质。 l 控制作用在输入信号变化的瞬间是有效的，不 能单独使用。 总结：1. 微分作用具有超前调节的作用，有助于增加系 统的稳定性和控制品质； 2. 微分作用大小与Td成正比； 3. 有可能放大噪声。 PID调节器是三种控制作用的组合，是比较完善的常规控制规律 。 总结 q 比例作用是最基本的控制作用 Kc增加，振荡加剧 余差减小 q 微分作用可增加系统的稳定性 增加微分作用时，可适当增加Kc 不能消除余差 Td不可太大 q 积分作用可消除余差 影响系统的稳定性 增加积分作用时，要减少Kc