第06章自动控制系统概述精品PPT课件
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第6章 自动控制系统概述
第一节 自动控制系统的组成 第二节 自控系统的方块图 第三节 过渡过程和品质指标
第一节 自动控制系统的组成
进
料
口
调
节
器
变
送
器
执 行 器
进
料
口
调
节
器
变
送
器
进 料 口
变 送 器
控 制 站
执
执
行
行
器
器
控制系统的 4 个基本环节：
被控对象、检测仪表(测量变送环节)、控制器、执行器
－
4～20mA
执行器
被控对象
测量变送装置
+
控制器
SP －
4～20mA
D/A
4～20mA
A/D
数字信号
执行器
被控对象
测量变送装置
二、自动控制系统方块图：
+ 调节器
SP －
执行器
被控对象
测量变送装置
补偿因素
+ 调节器
SP －
固定因素
广义对象
执行器、被控对象及测量变送环节统称为广义对象
三、反馈：
系统运行的基本要求:
+ 调节器
SP －
执行器
被控对象
测量变送装置
开环——系统的输出没有被反馈回输入端，执行器仅只根 据输入信号进行控制的系统称为开环系统，此时 系统的输出与设定值与测量值之间的偏差无关。
要实现自动控制，系统必须闭环。 闭环控制系统稳定运行的必要条件是负反馈。
正作用与反作用(如何保证系统是负反馈的）
输出信号随输入信号的增加而增加的环节称为正作用环节 输出信号随输入信号的增加而减小的环节称为反作用环节 例如：对于调节器来说，测量值增大，输出增大，称为正作用调节器
能否构成负反馈系统和系统中各环节的特性有关
进
料
“正”
“正”
“反”
口
调
节 器 变
+
液位
SP
调节器
－
“反”
执行器
“反”
液体储槽
送
液位变送器
器
“正”
由于被控对象和执行器的特性是由实际的
工艺现场条件决定的，所以应当通过控制
执
器的正、反作用特性来满足系统负反馈的
行 器
要求。
四、自动控制系统的分类
（一）按设定值的特点区分 （即将控制系统按照工艺过程需要控制的被控变量数值是否变化和
的一切因素称为干扰。 （5）设（给）定值 工艺规定被控变量所要保持的数值。 （6）偏差 偏差本应是设定值与被控变量的实际值之差。但能获取的信息是被控变量
的测量值而非实际值，因此，在控制系统中通常把设定值与测量值之差定义为偏 差。
第二节 自动控制系统的方块图：
一、信号和变量：
+
4～20mA
调节器
SP
从理论上讲，这些计算结果能保证系统运行在平衡状态（物料平衡、能量平衡等），设想 设计蒸发系统中蒸汽压力突然发生变化或某个测量信号受到电磁干扰而发生变化，系统用何 种方式来克服这些干扰，仅用“静态”的概念就不能很好地解决这些困难。
动态：被控变量随时间变化的不平衡状态。
如果系统原来处于相对平衡状态（静态），当出现干扰使被控变量发生变化，此时控制系 统发生作用，调节器根据偏差及其偏差的变化情况，改变调节器输出，再经执行器改变操纵 变量，使被控变量重新回到设定值来，这么一个从干扰发生、系统控制、直到重新建立平衡 的过程称为“动态”过程。
几个常用术语 ：
（1）被控对象 需要实现控制的设备、机械或生产过程称为被控对象，简称对象。 （2）被控变量 对象内要求保持一定数值（或按某一规律变化）的物理量称为被控
变量。 （3）控制变量（操纵变量） 受执行器控制，用以使被控变量保持一定数值的物料或
能量称为控制变量或操纵变量。 （4）干扰（扰动） 除控制变量（操纵变量）以外，作用于对象并引起被控变量变化
（二）按补偿干扰的方法分
反馈
SP
f
+
e
u
调节器
q 执行器
对象
y
x
－
z
传感器、变送器
干扰f（t）被控变量调节器 操作变量补偿干扰
前馈
传感器、变送器
前馈补偿器
p
q
执行器
f 干 扰
对象
干扰f（t）变送器补偿器 y 操作变量补偿干扰
前馈+反馈
f
前馈补偿器
变送器
干
SP
+
扰
+ x
e 调节器 +
执行器
对象
y
z－
如何变化来分类）：
1、定值控制系统：设定值是由工艺要求给出的不变常数 通常要求被控变量尽量与设定值保持一致。
2、随动控制系统：设定值随时间不断发生变化 （自动跟踪系统）通常要求被控变量尽可能地与设定值一起变化。
3、程序控制系统：可以理解为随动控制设定值是一个已知时间函数 （顺序控制系统）即生产技术指标按一定时间程序变化
如果控制系统是稳定的，假设设定值和干扰都保持不变，经过足够长的时间，控制系统 中各参数必然会到达一个“相对”平衡状态，这种状态就是所谓的“静态”，在控制领域中 更多的称之为“稳态”。
在工业对象的设计过程中，需要从物料平衡、能量平衡、传热、传质、化学反应速度与平 衡等方面进行大量的计算，这些计算结果就是设计的依据，这部分内容就属于系统“静态” 特性的范畴。
工艺设计主要围绕系统“静态”特性开展工作，自动控制是在“静态”特性基础上研究其 “动态”特性――当系统失去平衡以后，如何使系统重新回到平衡状态。
如何来评价自控系统的质量？
必须分析“系统失稳以后能否重新回到平衡状态”、“从系统失稳到重新回到平衡状态” 这个过程的各种指标。
二、控制系统的过渡过程
过渡过程：受到干扰作用后系统失稳，在控制系统的作用下，被控 变量回复到新的平衡状态的过程。
自动控制系统的（最）基本要求是系统运行必须是稳定的
反馈是控制系统的输出（即被控变量）通过测量变送返回 到控制系统的输入端，并与设定值比较的过程。
负反馈:反馈的结果使系统的输出减小的反馈类型 正反馈:反馈的结果使系统的输出增加的反馈类型
工业控制系统一般情况下都应为负反馈。
闭环与开环
闭环——系统的输出被反馈到输入端并与设定值进行比较 的系统称为闭环系统，此时系统根据设定值与测 量值的偏差进行控制，直至消除偏差。
一、控制系统的静态（稳态）与动态
控制系统的作用：尽可能使被控变量与设定值保持一致（或随设定值一起变化），当被控变 量受干扰影响而偏离设定值时，控制作用必须驱使它（被控变量）回到设 定值。
由于干扰没有严格的变化规律（否则也不能称之为干扰），因此系统中的有关参数也都 是随时间变化的。
静态：被控变量不随时间变化的平衡状态（变化ห้องสมุดไป่ตู้为0，不是静止）。
传感器、变送器
（三）按控制系统的复杂程度区分 简单控制系统 复杂控制系统
（四）按控制变量的名称区分 温度控制系统 压力控制系统 ……
（五）按调节规律区分 P、PI、PD、PID、预估控制 ……
（六）按被控变量对操作变量的影响分
闭环控制系统——如：反馈控制 开环控制系统——如：前馈控制
第三节 过渡过程和品质指标
第一节 自动控制系统的组成 第二节 自控系统的方块图 第三节 过渡过程和品质指标
第一节 自动控制系统的组成
进
料
口
调
节
器
变
送
器
执 行 器
进
料
口
调
节
器
变
送
器
进 料 口
变 送 器
控 制 站
执
执
行
行
器
器
控制系统的 4 个基本环节：
被控对象、检测仪表(测量变送环节)、控制器、执行器
－
4～20mA
执行器
被控对象
测量变送装置
+
控制器
SP －
4～20mA
D/A
4～20mA
A/D
数字信号
执行器
被控对象
测量变送装置
二、自动控制系统方块图：
+ 调节器
SP －
执行器
被控对象
测量变送装置
补偿因素
+ 调节器
SP －
固定因素
广义对象
执行器、被控对象及测量变送环节统称为广义对象
三、反馈：
系统运行的基本要求:
+ 调节器
SP －
执行器
被控对象
测量变送装置
开环——系统的输出没有被反馈回输入端，执行器仅只根 据输入信号进行控制的系统称为开环系统，此时 系统的输出与设定值与测量值之间的偏差无关。
要实现自动控制，系统必须闭环。 闭环控制系统稳定运行的必要条件是负反馈。
正作用与反作用(如何保证系统是负反馈的）
输出信号随输入信号的增加而增加的环节称为正作用环节 输出信号随输入信号的增加而减小的环节称为反作用环节 例如：对于调节器来说，测量值增大，输出增大，称为正作用调节器
能否构成负反馈系统和系统中各环节的特性有关
进
料
“正”
“正”
“反”
口
调
节 器 变
+
液位
SP
调节器
－
“反”
执行器
“反”
液体储槽
送
液位变送器
器
“正”
由于被控对象和执行器的特性是由实际的
工艺现场条件决定的，所以应当通过控制
执
器的正、反作用特性来满足系统负反馈的
行 器
要求。
四、自动控制系统的分类
（一）按设定值的特点区分 （即将控制系统按照工艺过程需要控制的被控变量数值是否变化和
的一切因素称为干扰。 （5）设（给）定值 工艺规定被控变量所要保持的数值。 （6）偏差 偏差本应是设定值与被控变量的实际值之差。但能获取的信息是被控变量
的测量值而非实际值，因此，在控制系统中通常把设定值与测量值之差定义为偏 差。
第二节 自动控制系统的方块图：
一、信号和变量：
+
4～20mA
调节器
SP
从理论上讲，这些计算结果能保证系统运行在平衡状态（物料平衡、能量平衡等），设想 设计蒸发系统中蒸汽压力突然发生变化或某个测量信号受到电磁干扰而发生变化，系统用何 种方式来克服这些干扰，仅用“静态”的概念就不能很好地解决这些困难。
动态：被控变量随时间变化的不平衡状态。
如果系统原来处于相对平衡状态（静态），当出现干扰使被控变量发生变化，此时控制系 统发生作用，调节器根据偏差及其偏差的变化情况，改变调节器输出，再经执行器改变操纵 变量，使被控变量重新回到设定值来，这么一个从干扰发生、系统控制、直到重新建立平衡 的过程称为“动态”过程。
几个常用术语 ：
（1）被控对象 需要实现控制的设备、机械或生产过程称为被控对象，简称对象。 （2）被控变量 对象内要求保持一定数值（或按某一规律变化）的物理量称为被控
变量。 （3）控制变量（操纵变量） 受执行器控制，用以使被控变量保持一定数值的物料或
能量称为控制变量或操纵变量。 （4）干扰（扰动） 除控制变量（操纵变量）以外，作用于对象并引起被控变量变化
（二）按补偿干扰的方法分
反馈
SP
f
+
e
u
调节器
q 执行器
对象
y
x
－
z
传感器、变送器
干扰f（t）被控变量调节器 操作变量补偿干扰
前馈
传感器、变送器
前馈补偿器
p
q
执行器
f 干 扰
对象
干扰f（t）变送器补偿器 y 操作变量补偿干扰
前馈+反馈
f
前馈补偿器
变送器
干
SP
+
扰
+ x
e 调节器 +
执行器
对象
y
z－
如何变化来分类）：
1、定值控制系统：设定值是由工艺要求给出的不变常数 通常要求被控变量尽量与设定值保持一致。
2、随动控制系统：设定值随时间不断发生变化 （自动跟踪系统）通常要求被控变量尽可能地与设定值一起变化。
3、程序控制系统：可以理解为随动控制设定值是一个已知时间函数 （顺序控制系统）即生产技术指标按一定时间程序变化
如果控制系统是稳定的，假设设定值和干扰都保持不变，经过足够长的时间，控制系统 中各参数必然会到达一个“相对”平衡状态，这种状态就是所谓的“静态”，在控制领域中 更多的称之为“稳态”。
在工业对象的设计过程中，需要从物料平衡、能量平衡、传热、传质、化学反应速度与平 衡等方面进行大量的计算，这些计算结果就是设计的依据，这部分内容就属于系统“静态” 特性的范畴。
工艺设计主要围绕系统“静态”特性开展工作，自动控制是在“静态”特性基础上研究其 “动态”特性――当系统失去平衡以后，如何使系统重新回到平衡状态。
如何来评价自控系统的质量？
必须分析“系统失稳以后能否重新回到平衡状态”、“从系统失稳到重新回到平衡状态” 这个过程的各种指标。
二、控制系统的过渡过程
过渡过程：受到干扰作用后系统失稳，在控制系统的作用下，被控 变量回复到新的平衡状态的过程。
自动控制系统的（最）基本要求是系统运行必须是稳定的
反馈是控制系统的输出（即被控变量）通过测量变送返回 到控制系统的输入端，并与设定值比较的过程。
负反馈:反馈的结果使系统的输出减小的反馈类型 正反馈:反馈的结果使系统的输出增加的反馈类型
工业控制系统一般情况下都应为负反馈。
闭环与开环
闭环——系统的输出被反馈到输入端并与设定值进行比较 的系统称为闭环系统，此时系统根据设定值与测 量值的偏差进行控制，直至消除偏差。
一、控制系统的静态（稳态）与动态
控制系统的作用：尽可能使被控变量与设定值保持一致（或随设定值一起变化），当被控变 量受干扰影响而偏离设定值时，控制作用必须驱使它（被控变量）回到设 定值。
由于干扰没有严格的变化规律（否则也不能称之为干扰），因此系统中的有关参数也都 是随时间变化的。
静态：被控变量不随时间变化的平衡状态（变化ห้องสมุดไป่ตู้为0，不是静止）。
传感器、变送器
（三）按控制系统的复杂程度区分 简单控制系统 复杂控制系统
（四）按控制变量的名称区分 温度控制系统 压力控制系统 ……
（五）按调节规律区分 P、PI、PD、PID、预估控制 ……
（六）按被控变量对操作变量的影响分
闭环控制系统——如：反馈控制 开环控制系统——如：前馈控制
第三节 过渡过程和品质指标