自动控制理论和dcs发展历程

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1、自动动控制理论论和DCS发发展 历历程Yokogawa Training Centre, BeijingPage.2目录录1. 自动动控制基本理论论2 DCS发发展历历程1. 自动动控制基本理论论Page 3Confidential重点1. 自动动控制和自动动控制系统统的含义义；2. 反馈馈和反馈馈控制的概念、反馈馈控制的特点；3. 控制系统统的组组成和分类类和特点。自动控制：是指在没有人直接参与的条件下，利用外加的设备或装置（称控制装置或控制器），使机器、设备或生产过程（统称被控对象）的某个工作状态或参数（即被控量）自动地按照预定的规律运行。系统：由相互制约的各个部分按一定的规律组成的、为达

2、到一定目的、具有一定功能的整体。一、自动控制系统的概念1.1 控制系统的基本原理反馈：将检测出来的输出量送回到系统的输入端，并与输入信号比较的过程。反馈分为负反馈（反馈信号与输入信号相减）和正反馈（反馈信号与输入信号相加）。例 水温自动动控制系统统系统统中增加了： 控制器 电电机加入给给定信号工作原理：检测实际检测实际 温度产产生控制信号通过电过电 机调调 节阀门节阀门 的开度从而调节调节 蒸汽流入，控 制水的温度. 实现实现 没有人 直接参入的自 动动水温控制.Page.8要使自动动控制系统满统满 足工程实际实际 的需要 , 必须须 研究自动动控制系统统的结结构参数与系统统性能之间间的关系

3、。为为了方便地分析系统统性能，一般用框图图来表示系 统统的结结构，如图图所示:实实 际际温 度偏差反馈馈量预预 期温 度_控制器执执行机构阀门阀门水箱自动控制系统概念：1. 结构上必须有反馈装置并按负反馈的原则构成系统。2. 由偏差产生控制作用。3. 控制的目的是尽量的减小或消除偏差，使输出量接近于期望值 。自动控制系统的特征 ： 是一个带有反馈装置的动力学系统。系统能自动而连续地测量 被控制量，并求出偏差，进而根据偏差的大小和正负极性进行控制 ，而控制的目的是力图减小或消除所存在的偏差。为了实现各种复杂的控制任务，首先要将被控对象和控制装置 按照一定的方式连接起来，组成一个有机整体。自动自动

4、控制系统的基本控制方式控制系统的基本控制方式1. 1. 开环控制开环控制 2. 2. 闭环控制闭环控制3. 3. 复合控制复合控制温度计加热电阻丝调压器u(a) 原理图220V输出量(手柄位置)输入量调压器加热电阻丝电炉恒温箱被控对象(温度)扰动量(b) 方块图控制装置扰动输出量输入量 控制装置被控对象开环控制系统的方框图 开环环控制结论：开环控制优点结构简单，缺点无抗干扰能力控制装置与被控对象之间只有顺向作用而无反向联系。开环控制系统的特点：1. 结构简单、造价低。2. 系统的控制精度取决于给定信号的标定精度及控制器 及被控对象参数的稳定性。3. 开环系统没有抗干扰的能力。因此精度较低。 应

5、用场合：1. 控制量的变化规律可以预知。2. 可能出现的干扰可以抑制。3. 被控量很难测量。应用较为广泛，如家电、加热炉、车床等等。闭环控制控制装置与受控对象之间，不但有顺向作用，而且还有反向联系.闭环控制又称为反馈控制或按偏差控制。Page.14例 转转速负负反馈馈直流电动电动 机调调速系统统直流电电机 测测速发电发电 机电电源和放大装置负载负载系统组统组 成：UnUf给给定电压电压反馈电压馈电压转转速取决于给给 定电压电压 与反馈馈 电压电压 的差值值。Page.15调调速系统结统结 构图图unufeudn _直流电动电动 机放大器测测速机由电电网电压电压 波动动，负载变负载变 化以及其他

6、部分的参数变变化 所引起的转转速变变化，都可以通过过系统统的自动调动调 整加以抑 制。 减小或消除由于扰动扰动 所形成的偏差值值，具有较较高的控 制精度和较较强的抗扰扰能力。(-) utug扰动给定装置放大器 电动机转速反 馈装置触发器晶阐管可 控整流器 控 制 装 置受控对象n(b) 方框图ueudoRP1ugR0R0R1-utRP2-+-+TGMudouc(a) 原理图+闭环控制系统：通过反馈回路使系统构成闭环并按偏差的性质产生控制作用，以求减小或消除偏差(从而减小或消除误差)的控制系统。闭环控制系统的特点：1.系统对外部或内部干扰(如内部件参数变动)的影响不甚敏感 。2.出于采用反馈装置

7、，导致设备增多，线路复杂。 闭环系统存在稳定性问题。由于反馈通道的存在，对于那些惯性较大的系统，若参数配合不当，控制性能可能变得很差甚至出现发散或等幅振荡等不稳定的情况。 注意：对于主反馈必须采用负反馈。若采用正反馈将使偏差越来越大。Page.19复合控制按偏差控制和按扰动扰动 控制相结结合的控制方式称为为复合控制。前馈补偿馈补偿 控制复合控制具有两种基本形式.复合控制：反馈馈控制+Page.20(a) 按输输入前馈补偿馈补偿 的复合控制给给定值值被控制量 _受控对对象检测检测 元件控制器前馈馈控制Page.21(b)按扰动扰动 前馈补偿馈补偿 的复合控制检测检测 元件_前馈馈控制扰动扰动被控

8、制量给给定 值值受控对对象控制器_反馈馈控制系统统的基本组组成 控制系统被控对象控制装置测量元件 比较元件 放大元件执行机构校正装置给定元件控制系统的组成测量反馈元件用以测量被控量并将其转换成与输入量同一物理量后，再反馈到输入端以作比较。比较元件用来比较输人信号与反馈信号。放大元件将微弱的信号作线性放大。校正元件按某种函数规律变换控制信号，并产生反映两者差值的偏差信号。以利于改善系统的动态品质或静态性能。执行元件根据偏差信号的性质执行相应的控制作用，以便使被控量按期望值变化。控制对象又称被控对象或受控对象，通常是指生产过程中需要进行控制的工作机械或生产过程。出现于被控对象中需要控制的物理量称为

9、被控量。常用的名词术语输入信号：也叫参考输入，给定量或给定值，它是控制着输出 量变化规律的指令信号。输出信号：是指被控对象中要求按一定规律变化的物理量，又 称被控量，它与输入量之间保持一定的函数关系。反馈信号：由系统(或元件)输出端取出并反向送回系统(或元件 )输入端的信号称为反馈信号。反馈有主反馈和局部反馈之分。偏差信号：它是指参考输入与主反馈信号之差。误差信号：指系统输出量的实际值与期望值之差，简称误差。 扰动信号：简称扰动或干扰、它与控制作用相反，是一种不希 望的、影响系统输出的不利因素。扰动信号既可来自系统内部 ，又可来自系统外部，前者称内部扰动，后者称外部扰动。 Page.271.2

10、 自动控制系统的分类1.按给定信号的形式 恒值值系统统/程序系统统/ 随动动系统统 2.按系统是否满足叠加原理 线线性系统统 / 非线线性系统统3.按系统参数是否随时间变化 定常系统统 / 时变时变 系统统4.按信号传递的形式 连续连续 系统统 / 离散系统统5.按输入输出变量的多少 单变单变 量系统统 / 多变变量系统统Page.28一、按输入信号形式1、恒值控制系统（或称自动调节系统）这类系统的特点是输入信号是一个恒定的数值。恒值控制系统主要研究各种干扰对系统输出的影响以及如何克服这些干扰，把输入、输出量尽量保持在希望数值上。Page.292、过程控制系统（或称程序控制系统）这类系统的特点

11、是输入信号是一个已知的时间函数，系统的控制过程按预定的程序进行，要求被控量能迅速准确地复现。恒值控制系统也认为是过程控制系统的特例。Page.303、随动控制系统（或称伺服系统）这类系统的特点是输入信号是一个未知函数，要求输出量跟随给定量变化。如雷达天线跟踪系统，当被跟踪 目标位置未知时属于这类系统。随动系统是指参考输入 量随时间任意变化的系统。其任务是要求输出量以一定 的精度和速度跟踪参考输入量，跟踪的速度和精度是随 动系统的两项主要性能指标。工业自动化仪表中的显示记录仪，跟踪卫星的雷达天 线控制系统(如图所示)等均属于随动控制系统。Page.31二、按系统是否满足叠加原理 (1)线性系统

12、当系统的运动规律用线性微分方程或者线性差分方程描 述时，则这类系统称为线性系 统。线性系统有两个重要 特性：叠加性和齐次性。（a）叠加性两个不同的外作用同时作用于系统所产生的总响应，等 于两个外作用单独作用时分别产生的响应之和。（b）齐次性表明，当外作用的数值增大若干倍时，其响应也相应增大同样的倍数。Page.32(2)非线性系统 在构成系统的环节中有一个或一个以上的非线性环节时，则称 此系统为非线性系统。典型的非线性特性有饱和特性、死区特 性、间隙特性、继电特性、磁滞特性等。如图:Page.33（1）定常系统如果系统中参数不随时间变化，则这类系统称为定常系统。在实践中遇到的系统，大多数属于这

13、一类。（2）时变系统如果系统中的参数是时间t的函数，则这类系统称为时变系统。三、按系统参数是否随时间变化 Page.34如果一个线性系统微分方程的系数为常数，那么系统称为线性定常系统。例如： 如果一个线性系统微分方程的系数为时间的函数， 那么系统称为线性时变系统。例如:Page.35连续系统和离散系统连续系统是指系统内各处的信号都是以连续的模拟量传 递的系统。即系统中各元件的输入量和输出量均为时间 的连续函数。连续系统的运动规律可以用微分方程来描 述。系统内某处或数处信号是以脉冲序列或数码形式传 递的系统则称为离散系统，如下图所示，其运动方程只 能用差分方程描述。四、按信号传递的形式 Page

14、.361.3对控制系统性能的要求常见见的评评价系统优统优 劣的性能指标标是 从动态过动态过 程中定义义出来的。对对系统统性能 的基本要求有三个方面。 二、快速性一、稳稳定性三、准确性Page.37系统统受外作用力后,其动态过动态过 程的振 荡倾荡倾 向和系统统恢复平衡的能力。稳稳定性：如果系统统受外作用力经过经过 一段时间时间 ，其被控量达到某一稳稳定状态态，则则系统统 是稳稳定的。 否则为则为 不稳稳定的 。稳稳定系统统的动态过动态过 程r(t)t0c(t)1r(t)c(t)不稳稳定系统统的动态过动态过 程(a) 给给定信号作用c(t)(b) 扰动扰动 信号作用d(t)t0c(t )r(t)

15、t0c(t ) r(t)c(t)d(t)不稳稳定的系统统是无法正常工作的。 Page.38通过动态过过动态过 程时间长时间长 短表征。时时 间间越短，表明快速性越好，反之亦然。二、快速性r(t)t0c(t)r(t)c1(t)c2(t)快速性表明了系统输统输 出对输对输 入响 应应的快慢程度Page.39由输输入给给定值值与输输出响应应的终值终值 之间间的差值值ess大小表征。三、准确性r(t)t0c(t)r(t)c(t)essPage.40稳稳定性、快速性和准确性往往是互 相制约约的。在设计设计 与调试调试 的过过程中,若 过过分强调调某方面的性能,则则可能会使其 他方面的性能受到影响.怎样样

16、根据工作任务务的不同,分析和设设 计计自动动控制系统统，使其对对三方面的性能 有所侧侧重 ，并兼顾顾其它正是自控原理课课 程要解决的问题问题 。1.4 典型外界干扰扰作用Page.41（1）阶跃信号 阶跃信号的表达式为：(1-1)当A=1时，则称为单位阶跃信号，常用1(t)表示，如图1-11 所示。 Page.42（2）斜坡信号 斜坡信号在t =0时为零，并随时间线性增加，所以也叫等速度信号。它等于阶跃信号对时间的积分， 而它对时间的导数就是阶跃信号。斜坡信号的表达式 为：Page.43（3）抛物线信号 抛物线信号也叫等加速度信号，它可以通过对斜坡信号 的积分而得。抛物线信号的表达式为：（3.3）当A =1时，则称为单位抛物线信号，如图