仪表与控制(第1章)

第1章 基础知识
要求 观察
思考 调节
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显示 记录仪 记录 显示器
变换 检测 仪表
给定值
执行 机构
调节 调节器
第1章 基础知识
三、自动控制系统的作用 1、定义：在没有人直接参与的情况下，使生产过
程或被控对象的某些物理量准确地按照预期规律变化 2、目的：
提高生产效率、提高生活水平； 保证高质量地完成任务。
1、特点：既具有比例作用，又具有积分作用，如流量控制。
传递函数是：
Gc
(s)

Kc
1

1 Ti s

2、积分时间的影响 积分作用与比例作用相同时所需的时间
对输出特性的影响：比例粗调和积分细调作用，粗调及时
克服干扰，细调逐渐克服余差。
有差则动，无差则停。对变化很慢的偏差具有很强的调整能力
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第1章 基础知识
五、系统的分类 1、给定值形式
控制系统
特点
给定值保持不变 定值系统
广泛应用于工业生产
给定不断地任意变化 随动系统 并被控量随之变化
给定值按一定时间程 程序系统
序变化
应用 恒温箱温度控制 流量等控制系统 雷达跟踪系统 测量仪中变送器 滤池反冲洗过程 控制
表、执行机构等单元为外围设备的系统。
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第1章 基础知识
二、自动化及仪表发展 从自动控制系统结构看，经历四个阶段： 1、20世纪50年代以基地式控制器组成的控制系统； 2、20世纪60年代以单元组合仪表组成的控制系统； 3、20世纪70年代出现了计算机控制系统； 4、20世纪80年代以后出现二级优化控制。
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第1章 基础知识
4、衰减比：第一个波的振幅与同方向第二个波的振 幅之比，衡量过渡过程稳定性的动态指标。 5、振荡周期：第一个波峰到相邻波峰之间的时间， 衡量过渡过程快速性的指标。
控制指标在不同控制系统中各有其重要性，且 相互之间又有着内在的联系。高标准地同时要求满 足这几个控制指标是很困难的，因此，应根据具体 要求分清主次，优先保证主要控制指标。
特点：比例、积分、微分三种调节相结合，既能快速调节 又能消除偏差，还能根据偏差信号的变化趋势提前动作，具
有 较好的调节性能，如pH值的控制。 时间特性：当偏差信号为阶跃信号时，微分调节先起主导 作用，而后是比例调节，最后是积分调节。 特征参数及其影响：比例度，积分时间，微分时间三个参 数。微分作用减小过渡过程的最大偏差值和调节时间，积分
工程实践中为消除余差增加积分作用，常适当增大比例
度FuZ以hou维Un持iver一sity 定201的1 衰减比。
第1章 基础知识
y
y
Ti 太大
Ti 太小
t
t
y
y Ti 适当
Ti=∞
t
t
积分时间对过渡过程的影响 适用于干扰幅度小，滞后小，时间常数不大，被控变 量不允许有余差的系统。如流量、压力等控制系统。
第1章 基础知识
六、在给水排水工程中的应用 遥感技术自动收集供水管网各节点的工作参数，
实现运行优化；建筑内恒压给水系统；泵站的自动 控制系统；水处理单元环节的自动控制系统等。
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第1章 基础知识
第二节 传递函数与环节 一、方块图与传递函数 方块图：一个方块代表一个环节。 拉普拉斯变换：一种积分变换，微分方程 代数 幂函数，微分方程 代数方程。 传递函数：拉氏变换基础上，以系统本身参数描述 的线性定常系统输入量与输出量的关系式，表达了 系统内在的固有特性，与输入量无关。
第1章 基础知识
积分环节：输出信号正比于输入信号对时间的积
分，传递函数为： G (s) K
微分环节：
Ti s
a. 理想微分环节：输出量与输入量的变化速度成正
比，其传递函数为： G (s) Td s
式中：Td-反映微分作用强弱的特征参数。
b. 实际微分环节：输出信号的变化滞后与输入信号
的变化，是具有惯性的环节。
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第1章 基础知识
纯滞后环节：经过一段纯滞后时间后等量地复现输 入信号变化，称距离-速度滞后，其传递函数为：
G (s) es
式中τ- 纯滞后时间。 第三节 自动控制系统的过渡过程
静态：各个参数的变化率为零，即参数保持不变。 动态：静态随时被打破，使被控参数发生变化。
减小偏差、可克服 为频繁的扰动、不存
多种扰动
在控制精度与稳定性
矛盾
控制及时、具有 一定的自适应能 力可克服多种干 扰、调节精度高
缺点 控制滞后
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不能消除偏差 只能克服所测量的扰 动
第1章
基础知识
比较机构
给定值
偏差
调节器
调节阀
干扰 被调参数
调节对象
测 量
测量变送
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第1章 基础知识
2、系统的结构特点
系统 项目
反馈/闭环控制
前馈/开环控制
复合/前馈-反馈 控制
控制依据 被控变量的偏差 干扰量的大小
被控变量的偏差 干扰量的大小
发生时间 偏差出现后
偏差出现前
优点
结构简单、投资省、控制及时、不受系统
操作方便、消除/ 滞后的影响、补偿较
1 Td 1 Td
Kd
s s

微分增益：在阶跃输入信号的作用下，实际比例微分调节
器输出的初始变化量和最终变化量之比，表示微分作用输出
幅 微分增益等于1时表示只剩下比例调节作用了
度Fu的Zho大u U小nive，rsity其20值11 越大，微分作用越强。
第1章 基础知识
七、比例积分微分调节
第1章 基础知识
比例环节：时间域内输入输出函数成比例，表示
为：
G (s) Y(s) K X (s)
K-比例系数，是比 例环节的特征参数
一阶环节：又称一阶惯性环节，其传递函数为：
G (s) K Ts 1
K-静态参数，决定环节在过渡过程 结束后的新稳定值；T-动态参数
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第1章 基础知识
对过渡过程的影响： 对于不同的对象，其固有特性不同，为获得理想的过渡过 程，应选择不同的积分时间数值与之对应。
y(t)
Ti增加产生现象
Ti 减小
1. 消除余差较慢
2. 振动倾向减弱
稳定程度提高
0
t 3. 最大偏差增大
Kc 不变时 Ti 变化对过渡过程的影响
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第1章 基础知识
传递函数的优点： 比较简单；当系统输入典型信号时，输出与传递
函数有一定的关系；零极点分布决定系统响应过渡 过程。 二、典型环节的动态特性及传递函数 动态特性：当输入信号加入环节，其输出信号随时 间变化的规律。
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用式子表示为：
e
Zmax Zmin 100% e 100%
p
p
pmax pmin
式中：Δe—偏差的变化量； Δp—输出信号的变化量。比
例度与比例系数成反比，其值越大，比例作用越弱。
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第1章 基础知识
3、比例度的影响 静态—余差（为什么比例作用会有余差呢？）
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第1章 基础知识
浮球杆 浮球
杠杆 支点
Ft
阀杆 调节阀
F0 水槽
简单的比例调节系统示意图
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第1章 基础知识
1、调节规律
输出与输入成比例，没有滞后，传递函数是：Gc (s)

P(s) E(s)

Kc
2、比例度 ，调节器输入的变化与相应输出变化的百分数。
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第百度文库章 基础知识
控制流程图字母意义
字
第一位字母
后继字母 字
母 被测变量 修饰词
功能 母
A
分析
报警 P
C
电导率
控制 Q
D
密度
差
R
E
电压
S
F
流量
比
T
I
电流
指示 V
K
时间
W
L
物位
Y
M
水分
Z
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第一位字母
后继字母
被测变量 修饰词 功能
工作周期减小 4. 最大偏差减小
因此适用于干扰幅度小，滞后小，时间常数较长的对
象
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第1章 基础知识
三、积分调节 可单独使用、但一般不单独使用 特点：可以消除偏差，但调节动作缓慢，不能及时克服扰动
的影响，致使被调参数的动态偏差增大，甚至使系统难稳定。
四、比例积分调节
自动控制系统方块图
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第1章 基础知识
调节对象
调节器
调节阀
对象
前馈控制系统方块图
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第1章 基础知识
给定值
反馈调节器
干扰 前馈调节器 扰动通道
调节阀
调节对象
被控量
复合控制系统方块图
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第1章 基础知识
五、微分调节
特点：偏差信号变化速度越大，微分作用输出越大，对于固
定不变的偏差信号，不管大小都无微分输出，所以不能克服
余不能单独使用微分调节，需与比例调节规律配合使用
差。


六、比例微分调节
Gc
特点：具有超前作用，传递函数为：
(s)

K
c

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第1章 基础知识
一、过渡过程：从一平衡到另一平衡的过程。
0
t
0
t
(a)
(b)
0
t
0
t
(c)
(d)
控制系统过渡过程曲线
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第1章 基础知识
二、质量指标 一般自动控制系统，常采用以下几个质量指标。
1、最大偏差：被控参数偏离给定值的最大差值，衡 量过渡过程稳定性的动态指标。 2、过渡时间：系统受到干挠，被控变量从原稳定值 达到新稳定值所需要时间，反映控制快速性的指标。 3、余差：控制系统过渡过程终了时给定值与被控变 量稳定值之差，反映控制准确性的一个重要指标。
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第1章 基础知识
第四节 自动控制系统的调节规律
调节规律：调节器输出信号与输入信号之间随时间的变化规律 一、双位调节
特点：被调参数等幅振荡，动作频繁，容易损坏，因而难以 保证系统安全可靠地运行，如恒温箱温度控制，泵站液位控制 二、比例调节
特点：调节器的输出与被测参数的偏差值成比例，响应速度 快,调节动作及时、迅速，但有余差，如压缩机贮气罐的压力 控制。
可考虑采用比例微分调节，但对于系统噪声较大的参数，如 流
量则不能采用比例微分调节；
比较重要、控制精度要求较高参数，可采用比例积分调节;
比较重要、控制精度要求较高、希望动态偏差较小、被控
对象的时间滞后较大的参数，应当采用比例积分微分调节。
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第1章 基础知识
九、被控变量的选择 以工艺控制指标（温度、压力等）作为被控变量，应是能 够最好地反映工艺所需状态变化的参数； 以产品质量指标作为被控变量，是最直接也是最有效的控 制参数，如工业锅炉的蒸汽压力等； 作为被控变量必须是能够获得检测信号并有足够大的灵敏 度，且滞后要小，否则无法得到高精度的控制质量; 选择被控变量时必须考虑工艺流程的合理性和国内仪表生 产的现状。
适作用于容量滞后大，干扰幅度大、不允许有余差的系统。 用Fu消Zho除u U余nive差rsity，20但11 会增大过渡过程的最大偏差值及第调1章节时基间础知。识
八、调节规律的选择
不太重要的参数，如中间储罐的液位等可考虑采用比例调
节，甚至采用双位调节；
不太重要的参数，但惯性较大，又不希望动态偏差较大，
给水排水工程仪表与控制
庞胜华 福州大学土木工程学院
12:17:12
第一章 自动控制基础知识 第一节 自动控制系统的作用与构成
一、控制仪表的分类： • 基地式：检测控制显示组合在一起的仪表。 • 单元组合式：在系统规定的统一的通讯方式下，
按要求给出相应的控制信号。 • 计算机式：以计算机为中心控制单元，以测试仪
浮球杆 浮球
杠杆 支点
Ft
阀杆 调节阀
F0 水槽
简单的比例调节系统示意图
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第1章 基础知识
动态—过渡过程 比例系数对过渡过程的影响见下图：
y(t)
Kc 增加
δ 增加
0
t
比例系数对过渡过程的影响
Kc增加： 1. 余差减小； 2. 振动倾向加强
稳定程度下降 3. 工作频率增大
压力
数量
积分
累积
放射性
记录
速度
安全
开关
温度
传送
粘度
阀
力
位置
执行机构 第1章 基础知识
四、自动控制系统的构成 1、控制对象：生产过程中被控制的设备和机器； 2、测量变送器：感受规定的被测量并按照一定规 律转化成有用输出信号的器件或装置，由敏感元件、 传感元件和测量转换电路组成； 3、控制器：比较得出差值、发出信号推动执行器 4、执行装置：完成指令实施调节，包括水泵等。