化工自动化及仪表华理

测量值 y(t)
检测元件、变送器
在分析控制系统的工作过程时，有几个很重要的概念：
（1）信息：图中的r(t)、y(t)、f(t)等尽管是实际 的物理量，但它们是作为信息来转换和作用的。图中 的每一部分称为一个环节，作用于它的信息称为该环 节的输入信号，它送出的信息称为输出信号。前一环 节的输出就是后一环节的输入信号。每一环节的输出 信号与输入信号之间的关系仅仅取决于该环节的特性。
控制器
扰动
比较
f(t)
广义对象
机构
设定值
e(t)
被控变量
r(t) -
控制装置 u(t)
执行器
过程
q(t)
c(t)
测量值 y(t)
检测元件、变送器
闭环控制系统组成
•检测元件和变送器的作用是把被控变量c(t)转化为测 量值y(t)。
•比较机构的作用是比较设定值r(t)与测量值y(t)并输 出其差值。
•控制装置的作用是根据偏差的正负、大小及变化情况， 按某种预定的控制规律给出控制作用u(t)。比较机构 和控制装置通常组合在一起，称为控制器。
LT
LC
给水
加热炉的温度自动控制系统
被加热原料
TT
TC
T 出口温度
燃料油
蒸汽
汽包
LT
LC
省煤器
给水
锅炉汽包自动控制系统示意图
被控过程：汽包 被控变量： 汽包液位
术语
被控过程（被控 对象）：自动控 制系统中，针对 需要控制的工艺 参数的生产过程 （设备或机器特 性）。
被控变量：被控 过程内需要控制 的工艺参数。
开环控制： 开环控制的特点（优点）：不需要对被控变量进 行测量，只根据输入信号进行控制，控制及时。
开环控制的缺点：由于不测量被控变量，也不与 设定值相比较，所以系统受到扰动作用后，被控变 量偏离设定值，并无法消除偏差，这是开环控制的 缺点。
开环控制举例
开环的液位控制系统 （按扰动控制，又称前馈控制）
在设定作用下的控制系统（随动控制系统）中， 通常采用超调量这个指标来表示被控变量偏离 设定值的程度，一般超调量以百分数给出。
y
超调量定义：第
一个波的峰值与
B
B’
最终稳态值之差
t
（即B=A-C）与
C A
稳态值C之比。
0
B 100%
C
（2）衰减比n
y
B B’
A
C
0
t
稳态特性
衰减比是衡量过渡过程稳定性的动态指标。
蒸汽
汽包
LT
LC
省煤器
给水
锅炉汽包自动控制系统示意图
操纵变量：水的流量 扰动：水压力、蒸汽压力等
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。
扰动：除操纵变 量外，作用于被 控过程并引起被 控变量变化的因 素。
蒸汽
设定值：工艺参
数所要求保持的 数值。
汽包
1.2.4 自动控制系统的分类
按设定值的不同情况，将自动控制系统分为三类: 定值控制系统、随动控制系统、程序控制系统。
定值控制系统 设定值保持不变（为一恒定值）的反馈控制系统
称为定值控制系统。 随动控制系统
设定值不断变化，且事先是不知道的，并要求系 统的输出（被控变量）随之而变化。 程序控制系统
控制器
扰动
比较
f(t) 广义对象
机构
设定值
e(t)
被控变量
r(t) -
控制装置 u(t)
执行器
过程
q(t)
c(t)
测量值 y(t)
检测元件、变送器
闭环 控制 系统 组成
从整个系统来看，输入信号：设定值和扰动 输出信号：被控变量、测量值
（2）闭环：按信息的流向来说 （3）动态：物理量是时间的函数、是不断变化的。 扰动作用使被控变量偏离设定值，控制作用又使它回 到设定值。
设定值也是变化的，但它是一个已知的时间函数， 即根据需要按一定时间程序变化
1.3自动控制系统的过渡过程及品质指标 1.3.1静态与动态
控制系统的输入有设定作用和扰动作用。 静态（稳态、定态、平衡状态）：当输入恒定不变时， 整个系统若能建立平衡，系统中各个环节将暂不动作， 它们的输出都处于相对静止状态。此时输入与输出之 间的关系称为系统的静态特性。 动态：由于输入的变化，输出随时间变化，其间的关 系称为系统的动态特性。从输入开始，经过控制直到 再建立静态，在这段时间中，整个系统的各个环节和 变量都处于变化的过程之中，这种状态称为动态。
（1）最大动态偏差（emax）或超调量（ ）
y
稳态特性
B B’
A
C
0
t
最大动态偏差或超调量是描述被控变量偏离设定值最 大程度的物理量，是衡量过渡过程稳定性的一个动态 指标。
对于定值控制系统，过渡过程的最大动态偏差是 指被控变量第一个波的峰值与设定值之差。在上图中， 最大偏差就是第一个波的峰值。为A
化工自动化及仪表
课程的重要性： 控制系统在石油、化工、制药、冶金、造纸
等工业领域的应用非常普遍。生产过程中，对工 艺变量，有着一定的控制要求。如：
1）精馏塔的塔顶或塔釜温度，在操作压力不 变的情况下必须保持一定，才能得到合格的产品。
2）化学反应器的反应温度必须保持平稳，才 能使效率达到指标。
因此，工艺技术人员必须充分了解所用的控 制系统，以及控制系统的特性。这样才能设计出 合理、高效的生产工艺。
最大偏差表示系统瞬间偏离给定值的最大程 度。若偏差越大，偏离的时间越长，对稳定 正常生产越不利。要求小。特别是对于一些 有约束条件的系统，如化学反应器的化合物 爆炸极限、触媒烧结温度极限等，都会对最 大偏差的允许值有所限制。
同时考虑到干扰会不断出现，当第一个 干扰还未清除时，第二个干扰可能又出现了， 偏差有可能是叠加的，所以要限制最大偏差 的允许值。因此，在决定最大偏差的允许值 时，要根据工艺情况慎重选择。
LT
LC
省煤器
给水
锅炉汽包自动控制系统示意图
偏差：被控变量 设定值与实际值 之差。
负反馈：将被控 变量送回输入端 并与输入变量相 减。
加热炉的温度控制系统
TT
TC
被加热原料
T 出口温度
燃料油
被控过程：加热炉 被控变量：物料出口温度 操纵变量：燃料油流量 扰动：被加热原料油温度、燃料油热值等
1.2.2闭环控制与开环控制
定义：第一个波的振幅与同方向第二个波的振幅之比。
衰减比n
n

B B'
衰减比n
B n
B'
n>1:衰减振荡。n越大，则控制系统的稳定 度也越高，当n趋于无穷大时，控制系统的 过渡过程接近于非振荡过程。
n=1:等幅振荡。
n<1:发散振荡。n越小，意味着控制系统 的振荡过程越剧烈，稳定度也越低，
根据实际操作经验，为保持足够的稳定裕度， 一般希望过渡过程有两个波左右，与此对应 的衰减比在4:1到10:1的范围内。
理论上讲，控制系统要完全达到新的平衡状态需要无 限长的时间。
y
B
B’
A
0
C t
稳态特性
y
B
B’
A
5%
0
t
Ts
实际上，被控变量接近于新稳态值的 5%
或 3% 或 2% 的范围内且不再越出时
为止所经历的时间，可计为过渡时间。一般 希望过渡时间短一些。
（5）振荡频率（或振荡周期）
定义：过渡过程同向两波峰之间的时间间隔 称为振荡周期或工作周期。其倒数称为振荡 频率。
衰减率：
B B'
B
y
B B’ A 0
衰减比4:1——衰减率 0.75
衰减比10:1——衰减 C 率0.90
t
稳态特性
（3）余差 e
定义：控制系统过渡过程终了时设定值与被 控变量稳态值之差。
e r y()
余差是反映控制准确性的一个重要稳 态指标，一般希望其为零，或不超过预定 的范围。
它是以传递函数为基础，在频率域对单输入单输出控 制系统进行分析与设计。PID控制规律是经典控制理论 最辉煌的成果。
2）现代控制理论:20世纪60年代得到迅猛发 展。
其主要内容为：
线性系统理论，最优控制理论，最佳估计理论， 系统辨识。
特点： 从输入-状态-输出的关系，全面地分 析与研究系统。
适用范围：不限于线性定常系统，也适用于线 性时变，非线性及离散系统，多输入、多输出系 统。
1.2 自动控制系统
1.2.1自动控制系统
蒸汽
汽包
省煤器 给水
图1-1 锅炉汽包示意图
手动控制的步骤：
(1)观察液位数值；
(2)把观察到的实际数值 与设定值加以比较，根 据偏差的大小及变化情 况做出判断，并发布命 令。
(3)根据命令操作给水阀， 使液位回到设定值。
锅炉汽包自动控制系统
蒸汽
汽包 省煤器
•执行器的作用是接受控制器送来的u(t)，相应地去改 变操纵变量q(t)。
•系统中控制器以外的各部分组合在一起，即过程、执 行器、检测元件与变送器的组合称为广义对象。
控制器
扰动
比较
f(t)
广义对象
闭环
设定值 r(t)
机构 e(t)
-
控制装置 u(t)
执行器
过程
q(t)
被控变量
控制 系统
c(t)
组成
闭环控制：
在反馈控制系统中，被控变量送回输入端，与设 定值进行比较，根据偏差控制被控变量，这样，整个 系统构成了一个闭环。
闭环控制的特点（优点）：按偏差进行控制，使偏 差减小或消除，达到被控变量与设定值一致的目的。