过程自动检测与控制技术_CHAPT6_简单控制系统探究.ppt

第六章 简单控制系统 第一节、控制系统基本概念 1、自动控制系统的组成 生产人们总是希望生产过程按人们的期望进行，而生产过程中会发生各种各样的变化，这些变化可能是人们所希望的，也可能是人们所不希望的。为了是生产过程按人们预期的方式进行，就需要对生产过程进行干预，从而按某种规律变化。这些干预可由操作人员按生产要求进行操作，这叫做人工操作。也可能由一些装置代替人们按一定规律对生产过程进行操作，则生产也能按要求进行下去。这叫做自动操作。 1、自动控制系统的组成 自动控制系统是仿照人的控制方式工作的。人的控制方式是首先观察被控参数的情况如何，偏离了预先设定数值有多少。然后根据偏差的大小与正负，去改变其他参数使得被控参数重新回到预期数值。人是怎样进行工作的呢？ 1、自动控制系统的组成 我们分析人控制液位的过程，然后画出其逻辑关系。 1、自动控制系统的组成 自动控制系统是采用智能装置来代替人对液位进行控制，既用自动测量装置代替人的眼睛，用自动控制器代替人的大脑，用自动执行器代替生产过程的的手动阀。 1、自动控制系统的组成 自动控制系统由五部分组成： 被控对象。被控对象是生产装置上的相关设备。储水槽液位自动控制中为储水槽。被控对象有时也简称为对象。 检测装置。可以是各种液位传感器或液位变送器。 控制器。控制器可以是智能控制器，集散系统（DCS）等具体设备，也可以是计算机中的一个虚拟控制器。 执行器。这里是一个自动控制阀。自动控制阀是根据作用其上的信号大小来改变流通能力的阀门。 各个部分之间的连线。这些连线表示的是各个部分之间的信息联系。 2、开环控制与闭环控制 1）开环 例如煤气发生炉，根据生产要求，首先需要向炉子内鼓风，使得炉内温度升高，然后向炉子内通入水蒸汽使得炉内产生半水煤气。随着蒸汽的通入，炉内温度会下降，然后需要停止向炉内通入蒸汽，对炉子内部进行吹扫以便将炉子内部的半水煤气吹扫干净，再向炉子内部鼓风一提高炉温。接下来进入下一个循环。 2、开环控制与闭环控制 2）闭环 例如生产过程中对储水槽内的水温进行控制。储水槽上有两条管道，一条是热水管道，一条是冷水管道。每条管道上都装有阀门。首先向储水槽内放一些冷水，然后打开热水阀门向里注入热水，根据储水槽内水温的情况，开大或关小热水阀门，直至水温符合要求为止。 3、传递函数 传递函数是控制系统使用最多的一种分析方法。有了传递函数概念，就可利用方块图来描述系统，可以很直观的观察系统的结构。所以传递函数与方块图是控制系统分析的最基本，最常见的工具。 传递函数是描写输入信息传递到输出信息的方式。传递函数的定义：系统输出的拉氏变换[注1]与系统输入拉氏变换之比，称为该系统的传递函数。有了传递函数，就可以用一个方块来表示这个环节。 3、传递函数 例1： 如图有一个RC电路，其中C为电容，R为电阻，ui为输入电压，uo为输出电压根据电学原理可知： 对两端取拉氏变换，则有： 3、传递函数 例2： 有一个储水槽，水从上面连续流入，从下面连续流出。设流入流量为Qi，流出流量为Qo，水槽横截面积为F，流出口阻力为R。从而可得经过线性化的机理模型 ： 对两端取拉氏变换，则有： 3、传递函数 控制系统的传递函数 4、控制系统的评价指标 1）作用函数 为了分析系统的特性，首先假定给系统施加一个作用。通常作用函数有阶跃函数、斜波函数、正弦函数等。用的最多的是阶跃函数。为了分析问题方便，通常采用单位阶跃函数，既阶跃函数的幅度为1。 4、控制系统的评价指标 2）系统的过渡过程 在阶跃函数作用下，系统可能出现4种过渡过程： 非周期过渡过程； 衰减振荡过渡过程； 等幅振荡过渡过程； 发散振荡过渡过程。 下面是它们的图象。 4、控制系统的评价指标 4、控制系统的评价指标 4、控制系统的评价指标 4、控制系统的评价指标 4、控制系统的评价指标 3）余差 余差是指系统重新稳定之后，期望数值与最终稳定数值之差。即： 公式中y（t）R为系统的期望函数。过程控制中的控制系统常常是定值系统，既系统的期望函数是常量，其数值是不变的，因此y（t）R变化量为零。因此系统的余差C常常是小于等于零的。对于给定作用下的系统余差，因为在时间t=0时系统的给定发生改变，被控参数应当跟随这个变化。对于阶跃输入A，由于系统的放大作用。期望值应当是KA。此时系统的余差常常是大于等于零。 4、控制系统的评价指标 4、控制系统的评价指标 4）衰减比 衰减比描述的是系统的衰减情况。衰减比大则系统衰减过程快，过渡过程时间比较短。但是衰减比过大，超调量可能比较大。衰减比定义为系统过渡过程中第一个波峰与同方向第二个波峰之比，即： 4、控制系统的评价指标 5）超调量