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1、第三篇 自动控制系统基 本概念本 章 主 要 内 容一、化工自动化的主要内容 二、自动控制系统的组成三、自动控制系统的表示方法四、自动控制系统的主要类型五、自动控制系统的性能指标及要求主要内容第一节 化工自动化的主要内容 自动检测系统自动信号和联锁保护系统自动操纵及自动开停车系统自动控制系统自动检测系统利用各种检测仪表对工艺参数进行测量、指示或记录的系统， 称为自动检测系统。“了解”生产的任务。自动信号和联锁保 护系统自动信号系统当工艺参数超出要求范围，自动发出声光信号联锁保护系统达到危险状态，打开安全阀或切断某些通路，必要时紧急停车液位自动报警系统示意图自动操纵及自动开 停车系统按预先规定好
2、的步骤将生产过程自动的投入运行或自动停车自动操纵系统根据预先规定的步骤自动地对生产设备进行某种周期性操作自动开停车系统自动控制系统利用自动控制装置对生产中某些关键性参数进行自动控制，使他们在受到外界扰动的影响而偏离正常状态时，能自动的回到规定范围。液位自动控制系统示意图自动控制系统是自动化生产的核心部分，只有自动控制系统才能自动地排除各种干扰因 素对工艺参数的影响，使它们始终保持在预先规定的数值上，保证生产维持在正常或最佳的工艺操作状态. 自动控制：是指在没有人直接参与的情况下，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
3、动地按照预定的规律（给定值）运行。 系统：是指按照某些规律结合在一起的物体（元部件）的组合，它们相互作用、相互依存，并能完成一定的任务。 自动控制系统 ：能够实现自动控制的系统就可称为自动控制系统，一般由控制装置和被控对象组成。第二节 自动控制系统的组成自动控制系统是在人工调节的基础上产生和发展起来的， 其主要装置包括测量元件与变送器、自动控制器、执行器，分 别代替了人的眼、脑、手三个器官。 控制器变送器执行器 检测 运算（思考）、 命令执行 人工操作液位控制系统温度控制系统自动控制系统 测量元件及变送器测量出被测参数的大小并将它转化为一种特定、统一的信号输出。 自动控制器将设定值与测量信号进
4、行比较，求出它们之间的偏差,然后按照预先选定的控制规律进行计算并将计算结果作为控制信号送给执行 装置.执行器作用是接受控制器的控制信号，直接推动被控对象，使 被控变量发生变化执行器控制器变送器第三节 自动控制系统的表示方法方块图表示方式流程图表示方式控制器操纵变量被控变量测量元件 变送器控制阀对象给定值x偏差e控制器输出pqy测量值z_干扰作用f方框、信号线、比较点、引出点方框、信号线、比较点、引出点组成组成控制系统或系统中每个环节的功能和信号控制系统或系统中每个环节的功能和信号 流向的图解表示流向的图解表示. .带有输入输出信号的方框 比较点 分支点 方块图表示方式被控对象自动控制系统中，工
5、艺参数需要控制的生产过程、设备或机器等。被控变量被控对象内要求保持设定值的工艺参数。控制器操纵变量被控变量测量元件 变送器控制阀对象给定值x偏差e控制器输出pqy测量值z_干扰作用f操纵变量受控制器操纵的，用以克服干扰的影响，使被控变量保持设定值的物料量或能量。干扰量除操纵变量以外，作用于被控对象并引起被控变量变化的因数。控制器操纵变量被控变量测量元件 变送器控制阀对象给定值x偏差e控制器输出pqy测量值z_干扰作用f给定值 被控变量的设定值。偏差被控变量的给定值与实际值之差。控制器操纵变量被控变量测量元件 变送器控制阀对象给定值x偏差e控制器输出pqy测量值z_干扰作用f输入信号由外部加到系
6、统中的变量，它不受系统中其他变量的影响和控制。输出信号由系统或元件产生的变量，其中最受关注的输出信号又称为被控变量。控制器操纵变量被控变量测量元件 变送器控制阀对象给定值x偏差e控制器输出pqy测量值z_干扰作用f输入信号的响应由某一个输入信号产生的输出信号又称为该输入 信号的响应。反馈信号是被控变量经传感器等元件变换并返回到输入端的信号，一般与被控变量成正比。 绘制方框图注意事项 方框图中每一个方框都代表一个具体的装置。方框图中每一个方框都代表一个具体的装置。 方框之间的连接线，只是代表方框之间的信号联方框之间的连接线，只是代表方框之间的信号联系，并不代表物料联系。系，并不代表物料联系。 箭
7、头也只是代表信号作用的方向，与工艺流程图箭头也只是代表信号作用的方向，与工艺流程图上的物料线是不同的。上的物料线是不同的。 各个组成部分在信号传递关系上都形成一个闭合各个组成部分在信号传递关系上都形成一个闭合环路。环路。指出此控制系统中被控对象、被控变量和操纵变量。试画出此自动控制系统的方框图。控制器操纵变量被控变量温度测量 变送器控制阀加热器给定值x偏差e控制器输出pqT测量值z_干扰作用f指出此控制系统中被控对象、被控变量和操纵变量。试画出此自动控制系统的方框图。试分析出水量突然增大时，该系统如何实现水位控制？反馈反馈负反馈负反馈正反馈正反馈通过测量变送装置将被控变量的测量值送回到系统的
8、输入端。反馈自动控制系统是具有被测变量负反馈的闭环系统。他与自动检测、自动操作等开环系统比较，最本质的区别，就在于自动控制系统有负反馈。控制器操纵变量被控变量测量元件 变送器控制阀对象给定值x偏差e控制器输出pqy测量值z_干扰作用f流程图表示方式测量点测量点包括检出元件、取样点。是 由工艺设备轮廓线或工艺管线引 到仪表圆圈的连接线的起点。包括测量点、连接线、仪表 的图形符号和字母代号。通用的仪表信号线和能源线的符号是细实线。 连接线表示相连及交叉时，可采用图（a）（b）形式。在复杂系统中，当有必要表明信息流动方 向时，应在信号线符号上加箭头,如图(c)所示。 (a) (b) (c)连接线仪表
9、的图形符号仪表的图形符号是一个细实线圆圈，直径约 10mm。序号安装位置图形符号备注序号安装位置图形符号备注1就地安装仪表4集中仪表盘后 安装仪表嵌在管道 中2集中仪表盘面 安装仪表5就地仪表盘后 安装仪表3就地仪表盘面 安装仪表仪表安装位置的图形符号表示字母代号字 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位置执行机构用来表示仪表的小圆圈的上半圆内，一般写有两位字，第 一位字母表示被测变量，后
10、续字母表示仪表的功能。被测变量和仪表功能的字母代号第三节 自动控制系统分类一、开环控制和闭环控制按照控制方式和策略，系统可分为开环控制系统和闭环控制系统两大类。开环控制系统闭环控制系统控制器和控制对象间只有正向控制作用，系统的输出量不会对 控制器产生任何影响；结构简单，成本低，容易控制，但控制精度低 ；一般适合于干扰不强或可预测的、控制精度要求不高的场合；如果系统的给定输入与被控量之间的关系固定，且其内部参数或外来扰动的变化都比较小，或这些扰动因素可以事先确定并能给予补偿，则采用开环控制也能取得较为满意的控制效果；对扰动没有抑制能力。开环控制系统按干扰补偿的开环控制系统计算控制对象测量被控量
11、执行干扰按给定值操纵的开环控制系统计算控制对象给定值（控制装置） 被控量 执行干扰(温度)输出量(手柄位置)输入量调压器加热电阻丝电炉恒温箱受控对象扰动量控制装置扰动输出量输入量 控制装置受控对象开环控制系统的方框图 系统输出量对控制作用有直接影响 ；实现了按偏差控制；也称为反馈控制；闭环控制系统由前向通道（控制器和控制对象）和反馈通道（反馈装 置）构成；反馈控制：正反馈和负反馈；具有正反馈形式的系统一般不能改进系统性能，而且容易使系统性能 变坏 ；通常而言，反馈控制就是指负反馈控制。闭环系统必须考虑稳定性问题闭环控制系统按偏差调节的闭环控制系统比较、计算控制对象测量被控量 执行干扰给定值与开
12、环控制系统相比，闭环控制系统的最大特点是检测偏差、纠正偏 差 ；从系统结构上看，闭环系统具有反向通道； 从功能上看，闭环系统具有如下特点： v由于增加了反馈通道，系统的控制精度得到了提高，若采用开环 控制，要达到同样的精度，则需要高精度的控制器，从而大大增 加了成本；v由于存在系统的反馈，可以较好地抑制系统各环节中可能存在的 扰动和由于器件的老化而引起的结构和参数的不确定性；v反馈环节的存在可以较好地改善系统的动态性能。 闭环系统与开环系统 的区别开环控制闭环控制结构简单、成本低复杂、成本高精度精度低、对元器件要 求高精度高、对元器件要求 低稳定性通常不考虑必须考虑二、定值控制系统、自动控制系
13、统和程 序控制系统按照输入信号分类，自动控制系统可分为定值控制系统、随动控制系统和程序控制系统。v输入信号是恒值，要求被控变量保持相对应的数值不变 v室温控制系统、直流电机转速控制系统定值控制系统输入信号是变化规律未知的任意时间函数 ；系统的任务是使被控变量按照同样规律变化并与 输入信号的误差保持在规定的范围内；导弹发射架控制系统、火炮随动系统、雷达天线 控制系统 ；随动控制系统输入信号是按已知的规律（事先规定的程序）变 化； 要求被控变量也按相应的规律随输入信号变化， 误差不超过规定值； 热处理炉的温控系统、机床的数码加工系统和仿 形控制系统。程序控制系统三、连续控制系统和离散控制系统连续控
14、制系统控制系统中各部分的信号都是时间的连续函数。离散控制系统在控制系统各部分的信号中只要有一个是时间的离散信号。离散模型是计算机控制的最主要模型第五节 自动控制系统的过渡过程及性能 指标一、控制系统的静态和动态静态：被控变量不随时间而变化的平衡状态称为系统的静态。动态：被控变量随时间变化的不平衡状态称为系统的动态。被控对象。研究自动控制系统的重点是研究系统的动态。平衡（静态）是暂时的、相对的、有条件的， 不平衡（动态）才是普遍的、绝对的、无条件的被控对象二、控制系统的过渡过程自动控制系统的过渡过程是控制作用不断克服干扰作用影响的过程。系统从一个平衡状态到另一个平衡状态的过度过程中，被控变量随时
15、间变化的规律首先取决于干扰作用的形式。一般的阶跃信号：突然、危险、对被控参数影响很大。其它形式的干扰可用多个阶跃信号代替被控对象被控对象系统在过渡过程中，被控变量是随时间变化的。了解过渡过程中被控变量的变化规律对于研究自动控制系统是十分重要的。被控变量随时间的变化规律首先取决于作用于系统的干扰形式。常见典型信号 阶跃信号、斜坡信号、脉冲信号、加速度信号和正弦信号等。 阶跃信号A 0 t0 t0 数学表达式为 ：当A=1时称为单位阶跃信号。特 点易产生对系统输出影响大便于分析和计算斜坡信号加速度信号脉冲信号自动控制系统在阶跃干扰作用下的过渡过程有非周期衰减过程 、衰减振荡过程、 等副振荡过程 、发散振荡过程 等四种。三、控制系统的品质指标自动控制系统的过渡过程是控制系统品质的重要依据，我们假设在阶跃干扰作用下，取自动控制系统的衰减振荡过程的形式来讨论控制系统的品质指标。1、最大偏差和超调量2、衰减比3、余差 4、过渡时间5、振荡周期或频率四、影响过渡过程品质的主要因素自动调节系统由两大部分组成: 1. 工艺过程部分：只与自动控制相关的工 艺部分。 2. 自动化装置部分：实现自动控制必备的 自动化设备。对一个自动控制系统来说，过度过程品质的好坏，很大程度上决定于对象的性质。自动控制装置应按对象的性质合理的选配控制系
