第7章控制基本概念.ppt

化工仪表及自动化化工仪表及自动化第七章第七章 自动控制系统概述自动控制系统概述 内容提要内容提要n 自动控制系统的组成与分类自动控制系统的组成与分类n 自动控制系统的方块图自动控制系统的方块图n 过渡过程和品质指标过渡过程和品质指标n 工艺管道及控制流程图工艺管道及控制流程图13一、人工操作与自动控制一、人工操作与自动控制第一节第一节 自动控制系统的组成与分类自动控制系统的组成与分类 二、自动控制系统组成二、自动控制系统组成三、自动控制系统的分类三、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一、人工操作与自动控制比较控制速度和精度不能满足大型控制速度和精度不能满足大型现代化生产的需要现代化生产的需要第一节第一节 自动控制系统的组成与分类自动控制系统的组成与分类 第一节第一节 自动控制系统的组成自动控制系统的组成图7-2 液位自动控制4第一节第一节 自动控制系统的组成与分类自动控制系统的组成与分类 二、自动控制系统的组成二、自动控制系统的组成5组组成成自动化装置自动化装置被控对象被控对象测量元件与变送器测量元件与变送器自动控制器自动控制器执行器执行器 在自动控制系统的组成中,除必须具有前面所述的自动化装置外,还必须具有控制装置所控制的。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,简称。要选择好控制系统要选择好控制系统的对象的对象6第一节第一节 自动控制系统的组成与分类自动控制系统的组成与分类 三、自动控制系统的分类三、自动控制系统的分类n按被控变量来分类，如温度、压力等控制系统；按被控变量来分类，如温度、压力等控制系统；n按控制器具有的控制规律来分类，如比例、比例积分、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；比例微分、比例积分微分等控制系统；n将控制系统按照工艺过程需要控制的被控变量的给定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。控制系统。16其中第三种分类方法最普遍其中第三种分类方法最普遍第一节第一节 自动控制系统的组成与分类自动控制系统的组成与分类 “定值”是恒定给定值的简称。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 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。第一节第一节 自动控制系统的组成与分类自动控制系统的组成与分类 3.3.程序控制系统（顺序控制系统）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。第二节第二节 自动控制系统的方块图自动控制系统的方块图一、方块图一、方块图7二、方块图运算法则二、方块图运算法则三、方块图等效变换三、方块图等效变换四、传递函数与四、传递函数与L变换变换五、例题五、例题第二节第二节 自动控制系统的方块图自动控制系统的方块图一、方块图一、方块图载有变量信息的物理变量是信号。系统或环节uy图7-3 输入、输出变量图输入变量输出变量多输入多数出系统71、信号与变量、信号与变量 2、方块图基本单元、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。第二节第二节 自动控制系统的方块图自动控制系统的方块图第二节第二节 自动控制系统的方块图自动控制系统的方块图3、自动控制系统方块图、自动控制系统方块图n在研究自动控制系统时，为了便于对系统分析研究，一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。般都用方块图来表示控制系统的组成。n下页图为液位自动控制系统的方块图，每个环节表示组下页图为液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，称为成系统的一个部分，称为“环节环节”。两个方块之间用一。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。节的输出。线旁的字母表示相互间的作用信号。9n方块图中，方块图中，x 指设定值；指设定值；z 指输出信号；指输出信号；e 指偏差信指偏差信号；号；p 指发出信号；指发出信号；q 指出料流量信号；指出料流量信号；y 指被控变指被控变量；量；f 指扰动作用。当指扰动作用。当x 取正值，取正值，z取负值取负值，e=x-z，负反馈；负反馈；x 取正值，取正值，z取正值，取正值，e=x+z，正反馈。，正反馈。第二节第二节 自动控制系统的方块图自动控制系统的方块图自动控制系统方块图10第二节第二节 自动控制系统的方块图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。控制器广义对象被控变量测量值z给定值干扰作用f-x简化方块图12二、方块图运算法则：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)(s)X(s)X(s)G121(s)X(s)X(s)G232(s)(s)GG(s)X(s)X(s)X(s)X(s)X(s)XG(s)21231213 第二节第二节 自动控制系统的方块图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)R(s)(s)X(s)G11 C(s)(s)X(s)XR(s)(s)X(s)G2122 (s)G(s)GR(s)(s)XR(s)(s)XR(s)(s)X(s)XR(s)C(s)G(s)212121 第二节第二节 自动控制系统的方块图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。H(s)C(s)G(s)R(s)B(s)G(s)R(s)G(s)E(s)C(s)G(s)H(s)1G(s)R(s)C(s)第二节第二节 自动控制系统的方块图自动控制系统的方块图第二节第二节 自动控制系统的方块图自动控制系统的方块图说明说明 自动控制系统是具有被控变量负反馈的闭环系统。它与自动测量、自动操纵等开环系统比较,最本质的差别,就在于控制系统有无负反馈存在。自动操纵装置自动操纵装置对象对象操纵指令操纵指令操纵作用操纵作用工艺参数工艺参数自动操纵系统方块图15第二节第二节 自动控制系统的方块图自动控制系统的方块图三、方块图的等效变换三、方块图的等效变换 第二节第二节 自动控制系统的方块图自动控制系统的方块图三、方块图的等效变换三、方块图的等效变换 拉氏变换的实质：将实变量拉氏变换的实质：将实变量t的函数的函数f（t），变换成复变量），变换成复变量 s（s=+j）的函数）的函数F（s）。）。0()()()stF sf t edtL f t)(tf其中：为原函数，为拉氏变换式（或象函数）)(sF记为：记为：F(s)f(t)sFLtf对应1 ),()(一一拉氏 变换拉氏反变换()()F sL f t第二节第二节 自动控制系统的方块图自动控制系统的方块图n 四、传递函数与四、传递函数与L变换变换1、拉普拉斯变换、拉普拉斯变换 线性性质线性性质 1 122()()L a f ta f t1122()()a F sa F s11 1221122()()()()a f ta f tLa F sa F s平移性质（时移）平移性质（时移）)()(00sFettfLst平移性质（频移）平移性质（频移）)()(00ssFtfeLts微分性质微分性质)()(ssFtfL)()()(sFstfLnn积分性质积分性质 ssFdttfLt)()(0nnttssFdttfdtL)()(00 卷积性质卷积性质 1212()*()()()()()()*()L f tg tF s G sff tdf tf t卷积定义：极限性质极限性质)(lim)()(lim)0(0ssFfssFfss部部分分常常用用的的拉拉氏氏变变换换公公式式表表 象函数象函数 F(s)原函数原函数 f(t)，t0aasat2asnt1!nsnateas 1TteT111Tstsin22stcos22ss象函数象函数 F(s)原函数原函数 f(t)，t0natte1)(!nasn设有两个串联环节：1()f2()fxyz已知：210210ya ya ya yb xb xb x210210zc zc zc zd yd yd y求：()zf x解：210210ya ya ya yb xb xb x322210210()()()()()()()s Y sa s Y sa sY sa Y sb s X sb sX sb X s221032210()()b sb sbY sX ssa sa sa同样221032210()()d sd sdZ sY ssc sc sc所以1()()z tLZ s2212102103232210210()b sb sbd sd sdLX ssa sa sasc sc sc()f t()x t()y t()G s()X s()Y s()(1)()(1)110110()()()()()()()()nnmmnnmma ytayta y ta y tb xtbxtb x tb x t11101110()()mmmmnnnnb sbsbsbY sX sa sasa sa11101110()()()mmmmnnnnb sbsbsbY sG sX sa sasa sa第二节第二节 自动控制系统的方块图自动控制系统的方块图四、传递函数与四、传递函数与L变换变换2、传递函数、传递函数闭环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)扰动传递函数扰动传递函数把系统输入量以外的作用信号均称之为扰动信号。G(s)H(s)1G(s)R(s)C(s)(s)第二节第二节 自动控制系统的方块图自动控制系统的方块图四、传递函数与四、传递函数与L变换变换2、传递函数、传递函数a.a.设输入量设输入量R R（s s）=0=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表明此时系统的闭环传递函数只与H H（S S）有关，与被包围的）有关，与被包围的 环节无关。环节无关。(s)H(s)(s)GG1(s)GN(s)(s)C(s)212NN(s)H(s)(s)GG1(s)(s)GGR(s)(s)C(s)2121RR0N(s)(s)CN1(s)H(s)(s)GG211(s)H(s)G1 1(s)H(s)(s)GG21 )(1R(s)(s)CRsH(s)G(s),G21R R（s s）、）、N N（s s）同时作用时：）同时作用时：N(s)(s)R(s)G(s)H(s)(s)GG1(s)GN(s)(s)H(s)(s)GG1(s)GR(s)(s)H(s)(s)GG1(s)(s)GG(s)C(s)CC(s)12122122121NR 解：利用方块图变换法则 (a)比较点