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1、建筑给排水工程,给排水概论自动控制基础知识自动化仪表与设备控制系统调节,Outline,自动控制系统,一. 概念,定义在人不直接参与的情况下，利用外加的设备或装置(自动控制装置)来代替人，使生产过程或工作机械(被控对象)自动地按照预定规律运行，或使某一参数(被控量)按照预定要求变化发展历程经典控制理论：50年代末；传递函数；时域分析法、根轨迹法现代控制理论：60年代初；状态空间；研究对象复杂（多变量、非线性、强干扰、高精度、变结构）；最优控制、模糊、神经网络、自适应控制 目前状态：极端争议中！,自动控制系统,一. 概念,应用：The Impact of Control TechnologyOv
2、erview, Success Stories, and Research Challenges. Edited by Tariq Samad and Anuradha Annaswamy 给排水工程：全自动化水厂(遥感技术；优化调度)水位自动控制系统(逻辑控制；阀门调节)恒压给水系统（变频调速控制）供水、排水泵站的自动控制系统水处理单元环节的自动控制系统,水位控制系统(人工控制系统),自动控制系统,被控对象：水池 被控变量：水位 控制目标：水位定值 传感器：眼睛 执行器：手臂 调节器：大脑(比较并发出命令),一. 概念,自动控制系统,水位控制系统(自动控制系统),一. 概念,自动控制装置 测
3、量元件（传感器）：测量被控量的实际值或对被控量进行物理量的变化； 比较元件：将测量结果和要求值进行比较，得到偏差 调节元件(调节器)：根据偏差大小产生控制信号，通常包括放大器和矫正装置，它能放大偏差信号并使控制信号和偏差具有一定关系（调节规律） 执行元件（执行器）：由控制信号产生控制作用，从而使被控量达到预定要求自动控制系统=自动控制装置+被控对象,自动控制系统,一. 概念,方框图系统各环节用方框图来表示，各环节之间的因果关系（输入输出）用箭头表示，信号只能沿箭头方向单向传递，能够代替系统示意图来更清晰直观地表示出各环节之间的联系及因果关系,自动控制系统,一. 概念,方框图,自动控制系统,控制
4、系统简图,一般自控系统工作原理：给定值发生变化或扰动影响下,被控量偏离给定值；通过测量元件测量实际被测量，再经由比较元件得出偏差；根据偏差大小，经放大、调节、执行等元件实现控制，使得被控量回复或趋近给定值，从而消除或减少偏差,主要特点：闭环负反馈；偏差控制,反馈控制原理,一. 概念,炉温控制(人工),自动控制系统,二. 构成,炉温控制(自动),自动控制系统,二. 构成,炉温控制(方框图),自动控制系统,二. 构成,主要基本元件 整定元件：给定元件，给出被控量期望值 测量元件：传感器,实现检测、变送、显示等功能 比较元件：用来得到给定值与被控量之间的差值，常用差动放大器、电桥等。有时含在调节元件
5、中 调节放大元件：将误差信号放大，并产生控制信号 执行元件: 实现控制命令，推动被控对象。电机是典型的执行元件 校正元件：用来改善系统的动、静态性能，它可以用模拟/数字电路来实现，也可以通过计算机程序来实现 能源元件：用来提供控制系统所需要的能量,自动控制系统,二. 构成,专业术语 被控量：指被测量和被控制的量或状态，如上述系统中的炉温 控制量：一种由控制器改变的量或状态，它将影响被控量的值，如上述系统中加热电阻丝两端的电压 对象：它一般是一个设备，通常由一些机器零件有机的组合在一起，我们通常将被控物体称为对象，如电加热炉 系统：系统是一些部件的组合，这些部件组合在一起，完成一定的任务。系统并
6、不限于物理系统，系统的概念有时是很抽象的，它可以指一个特定的动态现象 扰动：一种对系统的输出量产生不利影响的因素或信号，如果扰动来自于系统内部，称为内部扰动；如果扰动来自于系统外部，则称之为外部扰动,自动控制系统,二. 构成,按照结构进行分类：闭环控制、开环控制、复合控制（同时具有开环和闭环结构）,自动控制系统,三. 分类,闭环控制原理：需要控制的是受控对象（如水位控制系统）的被控量（如液位），而测量的则是被控量和给定值，并计算两者的偏差，该偏差信号经放大后送到执行元件，去操纵受控对象，使被控量按预定的规律变化，以消除偏差。只要被控量偏离了给定值，系统均能自动纠正。这种控制方式也称为按偏差调节
7、,自动控制系统,三. 分类,闭环控制,反馈控制：输出量回送到输入端，与指令信号比较产生偏差，利用偏差实现控制指令信号与被控量相减为负反馈，相加则为正反馈。不做特别说明，一般指负反馈。三大特点：闭环；负反馈；偏差控制优点：控制精度高，抗干扰能力强缺点：元件多，线路复杂，分析和设计麻烦,自动控制系统,三. 分类,开环控制 按给定值控制原理：需要控制的是受控对象的被控量，控制装置只接收给定值，信号只由给定值单向传递到被控量，无反向联系,特点：简单，控制精度低，抗干扰能力差。结构简单、成本低，精度要求不高时，有一定实用价值开环控制和闭环控制基本区别：有无负反馈作用,自动控制系统,三. 分类,开环控制
8、按干扰补偿原理：需要控制的是被控量，而测量的是干扰信号，利用干扰信号产生控制作用，以减小或抵消干扰对被控量的影响，也称顺馈控制由于测量的是干扰，故只能对可测量的干扰进行补偿。因此，控制精度受到原理的限制。（例如稳压电源）。,自动控制系统,三. 分类,复合控制原理：把按偏差控制与按干扰控制结合起来，对主要扰动采用适当的补偿，实现按干扰控制；同时再组成反馈系统实现按偏差控制，以消除其他偏差。,总结： 组成：自动控制装置和受控对象；任务：使被控量自动跟随指令信号变化； 实现：闭环控制、开环控制和复合控制；功能：测量、调节 (比较放大)和执行,按元件类型：可分为机械系统、电气系统、机电系统、液压系统、
9、气动系统、生物系统等； 按系统功用：可分为温度控制系统、压力控制系统、位置控制系统等； 按系统性能：可分为线性系统和非线性系统、连续系统和离散系统、定常系统和时变系统、确定性系统和不确定性系统等； 按输入量形式：可分为恒值控制系统、随动系统和程序控制系统等为全面反映自动控制系统特点，常将上述分类方法组合应用,自动控制系统,三. 分类,其他分类方法,线性连续控制系统描述：线性微分方程,自动控制系统,三. 分类,恒值控制系统：水位控制；温度、压力等过程控制系统 随动控制系统：输入量预先未知随时间变化；伺服控制系统 程序控制系统：输入量按预先规律随时间变化,自动控制系统,三. 分类,线性离散控制系统
10、描述：线性差分方程,非线性控制系统,SISO系统和MIMO系统,集中参数和分布参数系统,作用：自动控制系统是由各个相互联系的环节组成，每一个环节都有输入输出信号，方框图和传递函数分别从直观和数理角度来描述输入输出信号的关系，是经典自动控制理论分析和综合的基本手段,传递函数与环节特性,一. 方框图和传递函数,阻容电路,传递函数与环节特性,一. 方框图和传递函数,传递函数：系统或环节的输出与输入拉氏变换之比,几点说明： 传递函数只适用于线性定常系统 传递函数完全取决于系统内部结构参数 传递函数只表明特定输入输出关系。同一系统，取不同变量作为输入输出，传递函数各不相同 传递函数在零初始条件下建立，因
11、此它只是系统零状态模型，不能完全反映零输入响应动态特性 假设零初始条件在工程上可以接受,自动控制系统更科学的分类，应根据其动态特性分类，具有相同动态特性(相同的微分方程描述)的系统，尽管元件，功能，构造原理不同，都应归纳于同一类自动控制系统,传递函数与环节特性,二. 典型环节传递函数,杠杆系统,传动机构,理想运放器,上述系统输入输出之间满足比例关系，因此为同一系统,比例环节,传递函数与环节特性,二. 典型环节传递函数,K 为比例系数或放大系数，表示输出信号与输入信号之间的比值,传递函数与环节特性,二. 典型环节传递函数,一阶惯性环节,Example：,阻容电路,单阶水槽,传递函数与环节特性,二
12、. 典型环节传递函数,一阶惯性环节当输入信号X(t)为幅度为A的阶跃输入时，其输出为,K为放大系数：决定了环节最终稳态值T为时间常数：决定了环节反应速度及过渡时间,积分环节,传递函数与环节特性,二. 典型环节传递函数,微分环节,传递函数与环节特性,二. 典型环节传递函数,滞后环节,传递函数与环节特性,二. 典型环节传递函数,过渡过程及品质指标,影响系统输出响应三大因素：系统本身结构与参数；系统初始状态、系统外部输入信号,一. 典型输入信号,(1)阶跃函数,(2)速度函数,(3)加速度函数,(4)脉冲函数,过渡过程及品质指标,二. 静态与动态,当自动控制系统的被控参数不随时间变化，即被控参数变化
13、率等于零的状态，称为系统的静态；而把被控参数随时间变化的状态称为动态(1)静态当一个自动控制系统的输入恒定不变时，既不改变给定值又没有干扰，整个系统就会处于一种相对平衡的静止状态，自动控制系统的静态过程是暂时的、相对的和有条件的(2)动态生产过程中干扰不断产生，自动控制系统的静态随时被打破，使被控参数变化。在这个过程中，系统各环节都处于运动状态，所以称为动态,过渡过程即动态过程，也就是系统由一个平衡状态过渡过另一个平衡状态的全过程，或者说是自动控制系统的控制作用不断克服干扰影响的全过程.,过渡过程及品质指标,三. 过渡过程,单调过程,非周期发散过程,衰减振荡过程,等幅振荡过程,发散振荡过程,自
14、动控制系统要求被控制设备、机器和生产过程按照给定要求进行，即被控量随给定值变化(发电机输出电压恒定、调速速度的转速、炉温等) 一个高品质的控制系统，被控量与给定值偏差应尽可能小，从系统动态角度来说，要“稳”, 快”,“准” 稳：平稳性；振荡要逐步减弱，振幅和频率不能过大 快：快速性；过渡过程时间要短，振荡衰减要快 准：准确性；稳定后实际值与给定值误差小 被校对象不同，对稳、快、准的技术要求也有所侧重，随动系统对“快”要求较高，而温度控制系统对“稳”限制严格。同一系统稳、快、准是相互制约的，提高过程的快速性，常会诱发系统强烈振荡；改善平稳性，控制过程又可能延迟甚至最终精确度也有所下降,过渡过程及
15、品质指标,四. 品质要求,过渡过程及品质指标,四. 品质指标,最大偏差 A：被控参数与给定值的最大差值，第一个波峰处；幅度不能过大，否则会造成事故 超调量 B: 第一个峰值与新稳定值之差 过渡时间ts： 控制系统从受到干扰引起被控量发生变化，到达到新平衡状态所需时间，也称调节时间。一般指被控量进入最终稳定值5%范围之内所需时间，要求ts越小越好,过渡过程及品质指标,四. 品质指标,余差C：达到新稳态值后，实际值与给定值之间的偏差，反映了控制的精度。 衰减比: 相，邻两个波峰值之间，小于1，扩散；等于1，等幅；大于1，稳定，宜取410之间 振荡周期T：从一个波峰到相邻波峰所需时间.,将控制器、执
16、行器、传感器等组成整体看成广义控制器,控制基本方式,控制系统广义描述,位式、比例、积分、微分,双位控制系统：调节器只有全开、全关两个极限位置，实现该功能的控制电路为双位式控制器,控制基本方式,一. 位式控制,水池液位控制系统,全开、全关,控制电路,双位控制缺点：动作非常频繁，致使系统中的运动部件容易损坏，很难保证双位调节系统长期安全可靠地运行，同时被控变量总是剧烈振荡，控制性能欠佳,控制基本方式,一. 位式控制,多位控制：为了改善这种特性，控制器的输出可以增加一个中间值，即当被控变量在某一个范围内时，执行器可以处于某一中间位置，从而使系统不平衡状态得到缓和,三位控制：,位式控制一般无法保证系统平衡，如果阀门开度与偏差值成比例，系统有可能实现平衡. 比例控制：控制器的输出信号与输入信号之间有一一对应比例关系。一般也称为P控制,控制基本方式,二. 比例控制,传递函数：,实际输入输出函数：,控制基本方式,二. 比例控制,比例调节器输出随输入成比例变化，时间上没有任何迟延。Kc是一个不随时间而变的常数。Kc设置成可调的，经人工调定，就不再随时间变化。,
