自动控制技术(整理)

离散系统，多输入、多输出的情况。 大系统理论:20 世纪 70 年代始将现代控制理论与系统理论相结合 核心思想： 系统的分解与协调，多级递阶优化与控制 适用范围： 高维线性系统 控制系统结构及仪表的发展
从结构看，经历了 4 个阶段： （1）基地式：如自力式温度控制器，适用于单回路 （2）单元组合式：按功能分成若干单元，依据实际需要进行适当组合，使用方便、灵活。 （3）计算机控制系统：直接数字控制（DDC）,集散控制系统（DCS） （4） 二级优化控制:采用上位机和单元组合式相结合在 DCS 基础上实现先进控制和优化控制
n
B1 B2

B1 B2 B1
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。
y ( )
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。偏差有可能是叠加的，所以要限制最大偏差的允许值。 （2）衰减比 n，衰减率
衰减比是衡量过渡过程稳定性的动态指标。 定义： 第一个波的振幅与同方向第二个波的振幅之比。
求系统的输出（被控变量）随之而变化。 程序控制系统 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。 自动控制系统的过渡过程 过渡过程：系统从一个平衡状态过渡到另一个平衡状态的过程 对于一个稳定的系统（所有正常工作的反馈系统都是稳定系统）要分 析其稳定性、准确性和快速性 定值控制系统过渡过程的几种形式(阶跃扰动)
感受被测参数的变化， 将被测量转换为便于计量的物理量的仪表， 也称一次仪表。
变送器：将传感器送来的检测信号进行转换、放大、整形、滤波等处理后，调
制成标准信号的电路，也称为二次仪表。
自动化仪表经历了从气动液动仪表、电动仪表、电子式模拟仪表、数 字智能仪表，到计算机集散控制系统等发展阶段 自动化仪表根据能源的种类，可分为电动、气动等仪表。 气动仪表出现的比电动仪表早，具有价格便宜、结构简单、具有本质 安全防爆性能等优点 现代电动仪表采用低电压、小电流的集成电路构成，保证了在易燃易 爆场合下的使用，并且传送和处理方便，容易和计算机配合使用，因 此取得了压倒性优势。 自动化仪表按组成方式可分为多功能仪表和单元组合仪表。 多功能仪表是将测量、记录、调节等功能组合在一起的仪表。
闭环控制与开环控制
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， 根据偏差进行控制， 控制被控变量， 这样， 整个系统构成了一个闭环。 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 缺点：控制不够及时；如果系统内部各环节配合不当，系统会引 起剧烈震荡，甚至会使系统失去控制。 开环控制： 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， 控制很及时。 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
一阶对象的传递函数形式：
G s
K Ts 1
差分方程是一种时间离散形式的数学模型， 用来描
述在各个采样时刻的输入变量与输出变量数值之间的关系。
机理建模 【见 ppt 第二章 P18】
时滞的产生一般是由于介质的输送需要一段时间而引起的。
第四章 过程检测仪表
自动化仪表（过程仪表）包括检测仪表（测量变送） ，调节仪表（控 制器）和执行器 检测仪表： 对工艺参数进行测量的仪器仪表， 检测仪表包括检测元件、 变送器及显示装置。 检测元件（或传感器） ：是直接与被测对象发生联系（但不一定直接接触） ，
第一代 DDZ-Ⅰ和第二代 DDZ-Ⅱ以 0-10mA 直流为标准信号。 第三代 DDZ-Ⅲ和第四代 DDZ-S 以国际上统一的 4-20mA 直流为标准信号。
采用直流信号的优点是传输过程易于和交流感应干扰相区别，不存在相移问题， 不受电感、电容和负载性质的限制。 气动仪表的信号标准：20-100Kpa
•
执行器的作用是接受控制器送来的 u(t)，相应地去改变控制变量 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。
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 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
自动控制系统的组成及方框图
控制器 扰动 比较 设定值 r(t) 机构 e(t) f(t) 广义对象 被控变量
-
控制装置
u(t)
执行器
q(t)
过程
c(t)
测量值 y(t)
检测元件、变送器
• • •
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 e(t)。 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。
5. 改进生产工艺和管理体制
控制理论的发展
经典控制理论:20 世纪 40 年～20 世纪 50 年代 Nyquist(1932)频域分析技术 Bode(1945)图 根轨迹分析方法(1948) 特点：主要从输出与输入量的关系方面分析与研究问题。 适用范围：线性定常的单输入、单输出控制系统。 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 控制规律是古典控制理论最辉煌的成果之一 现代控制理论:20 世纪 60 年代获得迅猛发展 主要内容： （基础） 线性系统理论， 最优控制理论， 最佳估计理论， 系统辨识等。 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
数学模型建立的途径不同可分为机理建模，实测建模和混合模型
机理模型——从机理出发,即从对象内在的物理和化学规律出发, 建立描述
过程输入、输出特性的数学模型 实测(经验)模型——对于已经投产的生产过程,我们可以通过实验测试或依 据积累的操作数据,对系统的输入、输出数据,通过数学回归方法进行处理。 混合模型——通过机理分析,得出模型的结构或函数形式，而对其中的部分 参数通过实测得到。
第一章 自动控制系统概述
自动控制与自动化的概念：
自动化是指机器或装置在无人干预的情况下按规定的程序或指令 自动地进行操作或运行。 自动控制理论是关于受控系统的分析、 设计和运行的理论和技术。
自动控制的作用
1. 提高社会生产率和工作效率 3. 保证产品质量 2. 节约能源和原材料消耗
4. 改善劳动条件，减轻体力、脑力劳动
TS
表示控制系统过渡过程的长短。
定义： 控制系统在受到阶跃外作用后， 被控变量从原有稳态值达到新 的稳态值所需要的时间。 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 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）
自动控制系统的品质指标 单项控制指标（仅适用于衰减振荡过程）稳定性、准确性和快速性 主要指标有： 最大偏差（或超调量） 、衰减比、余差、过渡时间。 原则： 对生产过程有决定性意义的主要品质指标应该优先保证 （1）最大动态偏差（emax）或超调量（δ）
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 | emax || B1 C | 对于随动控制系统，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。超调量定义：第一个波 的峰值与最终稳态值之差， 即δ =B1,如果系统的新稳态值等于设定值， 那么最大偏差就等于超调量。 % B1 100%
对传感器的三个要求 高准确性：输出信号与被测参数成严格的单值函数关系 高稳定性：不受时间或环境温度变化等因素的影响。 高灵敏度：被测参数微小变化时输出量变化明显 自动化工程师的主要工作是“系统集成” 。 测量误差：测量值与真实值之间存在的差别。(真值，约定真值，相对真值) 基本误差:指在仪表制造厂规定使用条件下产生的仪表误差，规定使 用条件包括温度、相对湿度、电源电压、安装方式等 附加误差：是仪表在非规定的工作条件下使用时另外产生的误差。如 电源波动附加误差，温度附加误差等。 误差来源，按误差出现的规律可分以下三种 系统误差：测量仪表本身或其他原因(如零点没有调整好)引起的有规律误差。 随机误差：指在测量中出现的没有一定规律的误差。 疏忽误差： 指观察人员误读或不正确使用仪器与测试方案等人为因素所引起的
数学模型及描述方法
用于控制的数学模型（a、b）与用于工艺设计与分析的数学模型 （c）不完全相同。
a：一般是在工艺流程和设备尺寸等都确定的情况，研究过程的输入变量是 如何影响输出变量的。 b：研究的目的是为了使所设计的控制系统达到更好的控制效果。 c：在产品规格和产量已确定的情况下，通过模型计算，确定设备的结构、 尺寸、工艺流程和某些工艺条件。
一阶对象：可以用一个一阶微分方程式来描述其特性
a1 yt a0 y t x t Tyt y t Kx t 或
其中
T a1 1 ,K a0 a0
，如果系统处于平衡状态 (静态) ,变量的导数
项均为零，
y t
1 x t Kx t a0
单元组合仪表：按功能划分，制成若干种能独立完成一定功能的标准 单元，各单元间以标准联络信号相互联系。
产品 电动单元组合仪表有 4 代
第一代 DDZ-Ⅰ：以电子管和磁放大器为主要放大元件。 第二代 DDZ-Ⅱ：以晶体管为主要放大元件 第三代 DDZ-Ⅲ：以集成电路为主要放大元件。 第四代 DDZ-S：以微处理器为核心的数字智能仪表 电动单元组合仪表有 2 种标准信号制度。
数学模型的主要形式——非参量模型和参量模型 非参量模型——数学模型是采用曲线或数据表格等来表示 特点：形象、清晰，比较容易看出其定性的特征
缺点：直接利用它们来进行系统的分析和设计往往比较困难 参量模型——数学模型是采用数学方程式来描述 静态数学模型用代数方程式表示 动态数学模型形式有：微分方程，传递函数，差分方程和状态方程
一个环节 (或对象)的传递函数是在初始条件为零 时,这个环节输出变量的拉氏变换与输入变量的拉氏变换之比,记为
G
s

Y X
s s 拉氏变换定义为： F
s 0

fwenku.baidu.com t e
st
dt
传递函数的一般形式
Y s bm s m bm 1 s m 1 b1 s b0 G s X s a n s n a n1 s n1 a1 s a0
（3）余差
e
e r y ()
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。 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。在控制系统中，对余差的要求取决于生产过程
e r y () C 的要求，并不是越小越好，上例中
（4）回复时间（过渡时间）

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
在衰减比相同条件下，周期与过渡时间成正比；振荡频率与回复时间成反比。
第二章 过程特性与建模
过程：需要实现控制的机器、设备或生产过程 过程特性：是指被控过程的输入变量（操纵变量或扰动变量）发 生变化时，其输出变量（被控变量）随时间的变化规律。 研究过程特性的必要性：为了更好地实施控制 描述过程特性的参数 ：放大系数Κ，时间常数Τ，滞后时间τ
自动控制示例 控制变量： 受控制器操纵的用以 克服干扰的影响， 使被控变量保 持设定值的物理量(水的流量) 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 (水压力、蒸汽压力) 设定值： 工艺参数所要求保持的 术语 数值 被控过程（被控对象） ：自动控 偏差： 被控变量设定值与实际值 制系统中， 工艺参数需要控制的 之差 生产过程、 设备或机器。 （气泡） 负反馈： 将被控变量送回输入端 被控变量： 被控过程内要求保持 并与输入变量相减 设定值的工艺参数(气泡液位)