Transcript 第一章自动控制系统概述
自动控制系统概述 叶西宁 [email protected] 64253330(o) 学习这门课的必要性： 控制系统在工业生产中的应用很普遍， 尤其在化工领域，比如：炼油厂、化肥厂、 纯碱生产过程在涤纶短纤维生产过程、制浆、 造纸过程、制药等等。 自动化人员应该掌握足够的专业知识。 工艺人员也应该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。 学习这门课的必要性（楼宇自动化专业） 楼宇自动化控制系统一般分为3种类型： （1）基本型建筑物自动化控制系统 （2）综合型建筑物自动化控制系统 （3）开放型建筑物自动化控制系统 （1）基本型建筑物自动化控制系统 基本型BAS为各种建筑物空调自动控制提供了 方案 （2）综合型建筑物自动化控制系统 综合型BAS的主要特点：可以监控来自系统的 数据，包括防火与保安等。可将多个工作站连 接至LAN以提供与其他分支维护管理接口。 （3）开放型建筑物自动化控制系统 开放型基于Unix环境，它监控着许多分布式子 系统，可以与其他公司的系统综合在一个网络 系统中。在设计上充分考虑未来技术的发展。 BA的主要部件： BA系统负责大厦中空调制冷系统、变配电系 统、照明系统、供热系统以及电梯等的计算机 监控管理。 BA系统通过计算机对各自系统进行监测、控 制、记录，实现分散节能控制和集中科学管理。 BA的结构示意图： IBM Compatible 以太网 LAN IBM Compatible IBM Compatible IBM Compatible 通信总线 背景音 乐播放 系统 闭 路 电 视 系统 电 梯 监 控 系统 照 明 系统 …… Workstation 使用常规仪表的中央控制室 早期的DCS控制系统 1 自动控制系统概述 本章的主要内容： 1.1 自动化及仪表发展概述 1.2 自动控制系统 1.3 控制系统过渡过程及品质指标 1.1 自动化及仪表发展概述 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 其主要内容为： （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 形 时 变 ， 非 线 性 及 离 散 系 统 ， 多 输 入、多输出的情况。 大系统理论:20世纪70年代开始 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 适用范围： 高维线性系统 智能控制理论:不需要建立被控对象的数学模型 控制系统结构及仪表的发展 基地式：20世纪50年代，适用于单回路 单元组合式（按功能）： DDZ, QDZ 20世纪60年 代，之间用标准统一信号联系 计算机： DDC, DCS 20世纪70年代 先进控制和优化控制：CIPS, FCS 20世纪80年代 以后 自动化仪表的发展经历了如下过程： 模拟仪表数字仪表智能仪表。 当前自动控制系统发展的一些主要特点 •生产装置实施先进控制成为发展主流 •过程优化受到普遍关注 •传统的DCS在走向国际统一标准的开放式系统 •综合自动化系统（CIPS）是发展方向 1.2 自动控制系统 1.2.1自动控制系统 自动控制的必要性 蒸汽 汽包 锅炉设备的控制任务主 要是： 根据生产负荷的需要，供应 一定规格（压力、温度）的 蒸汽，同时使锅炉在安全、 经济的条件下运行。 锅炉设备的主要控制系 统有： 省煤器 （1）锅炉汽包水位的控制 给水 图1-1 锅炉汽包示意图 （2）锅炉燃烧的控制 （3）过热蒸汽系统的控制 蒸汽 汽包 省煤器 给水 图1-1 锅炉汽包示意图 汽包水位是锅炉运行的主 要指标，维持水位在一定 范围内是锅炉安全运行的 首要条件。 水位过高：影响汽包内的汽水 分离，饱和水蒸汽带水过多， 会使过热器管壁结构导致损坏， 同时过热蒸汽温度急剧下降， 作为汽轮机动力的话会损坏叶 片，影响运行的安全及经济性。 水位过低：汽包内水较少，负 荷很大时，水的汽化速度加快， 汽包内水量急速减少，如不能 及时得到控制，则会烧干，烧 坏水冷壁，甚至爆炸。 蒸汽 手动控制的步骤： (1)观察液位数值； 汽包 省煤器 给水 图1-1 锅炉汽包示意图 (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。 蒸汽 LT LC 汽包 省煤器 给水 锅炉汽包自动控制系统示意图 加热炉的温度控制系统 TT TC T 被加热原料 出口温度 燃料油 蒸汽 LT 术语 LC 汽包 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 被控过程（被控 对象）：自动控 制系统中，工艺 参数需要控制的 生产过程、设备 或机器。 被控变量：被控 过程内要求保持 设定值的工艺参 数 蒸汽 LT LC 汽包 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、蒸汽流量 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 LT LC 汽包 省煤器 给水 锅炉汽包自动控制系统示意图 偏差：被控变量 实际值与设定值 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 T 被加热原料 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 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。 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。 闭环控制的缺点：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：根据扰动信号的变化来进行控制。 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，控制很及时。 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，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） 蒸汽 蒸汽 FT LT LC 汽包 汽包 LT Fd1F C f 省煤器 省煤器 给水 锅炉汽包自动控制系统示意图 给水 1.2.3自动控制系统的组成及方框图 在研究自动控制系统时，为了更清楚的表示控制 系统各环节的组成、特性和相互间的信号联系，一般 都采用方框图。每个方框表示组成系统的一个环节， 两个方框之间用带箭头的线段表示信号联系；进入方 框的信号为环节输入，离开方框的为环节输出。 控制器 扰动 f(t) 比较 设定值 r(t) 机构 e(t) 广义对象 被控变量 控制装置 测量值 y(t) u(t) 执行器 q(t) 过程 检测元件、变送器 闭环控制系统组成 c(t) •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。 •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 f(t) 比较 设定值 r(t) 机构 e(t) 广义对象 被控变量 控制装置 测量值 y(t) u(t) 执行器 q(t) 过程 c(t) 闭环 控制 系统 组成 检测元件、变送器 在分析控制系统的工作过程时，有几个重要的概念： （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 f(t) 比较 设定值 r(t) 机构 e(t) 广义对象 被控变量 控制装置 测量值 y(t) u(t) 执行器 q(t) 过程 c(t) 闭环 控制 系统 组成 检测元件、变送器 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。 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 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 课堂作业： 下图为直接蒸汽加热器的示意图，并画出 以热物料的出口温度为被控变量，蒸汽流量为 操纵变量的带检测控制点的工艺流程图，指明 该控制系统中的被控变量、操纵变量、过程以 及主要扰动，画出该控制方案的方块图， 热物料 蒸汽 冷物料 蒸汽加热器 1.3自动控制系统的过渡 蒸汽 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。 LT LC 静态（定态）：当输入 汽包 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， 省煤器 给水 它们的输出都处于相对 静止状态。此时输入与 锅炉汽包自动控制系统示意图 输出之间的关系称为系 统的静态特性。 环节的静态特性 动态：由于输入的变 蒸汽 化，输出随时间变化， 其间的关系称为系统 的动态特性。也就是 说，从输入开始，经 LT LC 过控制直到再建立静 汽包 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 省煤器 过程之中，这种状态 给水 称为动态。 环节的动态特性 锅炉汽包自动控制系统示意图 1.3.2自动控制系统的过渡过程 当自动控制系统的输入发生变化后，被控变量 （即输出）随时间不断变化，它随时间而变化的过 程称为系统的过渡过程。也就是系统从一个平衡状 态过渡到另一个平衡状态的过程。 所有正常工作的反馈系统都是稳定系统,对于 一个稳定的系统,要分析其稳定性、准确性和快速 性，常以阶跃作用为输入时的被控变量的过渡过程 为例，因为阶跃作用很典型，实际上也经常遇到， 且这类输入变化对系统来讲是比较严重的情况。 定值控制系统过渡过程的几种形式(阶跃扰动) •发散振荡 c(t) t •单调发散 •等幅振荡 c(t) t (b)单调发散 (a)发散振荡 c(t) c(t) t •衰减振荡 (c)等幅振荡 •单调衰减 t (d)衰减振荡 最常 用 c(t) t (e)单调衰减 稳定的过 渡过程 1.3.3 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 •综合控制指标 （1）最大动态偏差（emax）或超调量（ ） y 稳态特性 A 0 B B’ C 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 指被控变量第一个振荡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 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。 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。 超调量定义：第 一个波的峰值与 最终稳态值之差， 即B=A-C,一般 以百分数表示。 y B’ B t A 0 C B 100% C （2）衰减比n y A B B’ 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。 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 B n ' B y 衰减比n B n ' B A B B’ C 0 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， t 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。 衰减率： B B' B y 衰减比4:1——衰减率 0.75 A B B’ C 0 t 稳态特性 衰减比10:1——衰减 率0.90 （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。 y A B B’ C 0 上图中， t 稳态特性 e r y() C 在控制系统中，对余差的要求取决于 生产过程的要求，并不是越小越好。例如 储槽液位，余差可大一些；化学反应器的 温度控制要求高，余差就要小一些。 （4）回复时间（过渡时间） TS 回复时间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。 y A B B’ C 0 t 稳态特性 y A B’ B 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 希望过渡时间长or短？ 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。 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。 其它一些次要指标： 振荡次数：是指在过渡过程内被控变量振荡 的次数。 “理想过渡过程两个波”：是指过渡过程振 荡两次就能稳定下来。 上升时间：是指干扰开始作用起到第一个波 峰所需要的时间。y 稳态特性 A 0 B B’ C t 总结： 主要指标有：最大偏差、衰减比、余差、过 渡时间。在实际的系统中如何确定这些指标， 要根据实际情况来定。 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。 例题：某换热器的温度调节系统在单位阶跃 干扰下的过渡过程曲线如下图所示。试分别 求出最大偏差、衰减比、余差、过渡时间 （设定值为200℃）。 温度 ℃ 230 解： 210 205 200 5 (1)最大偏差： 20 22 t/min emax 230 200 30 (℃) (2)余差： C 200 205 5(℃) (3)衰减比： 第一个波的振幅 B 230 205 25 (℃) 第二个波的振幅 B' 210 205 5 (℃) n 25 : 5 5 :1 衰减比 温度 ℃ 230 210 205 200 5 20 22 t/min (4)过渡时间： 过渡时间与规定的被控变量的限制范围大小有 关，假设为 2% ，就可以认为过渡过程已经结 束，那么限制范围为 200 (2%) 4 (℃) 那么，在新稳态值（205℃）两侧以限制范围为宽度 画一区域，只要被控变量进入这一区域并不再越出， 则可认为过渡过程已经结束。因此，过渡过程为 22min. 温度 ℃ 230 210 205 200 5 20 22 t/min 例题2：图a和图b为换热器的两种控制方案，目的都是 控制热物料出口温度恒定。 1.比较它们的不同之处； 2.指出图a中的被控变量、操纵变量、过程及主要 扰动。 蒸汽 蒸汽 TC FT FC TT 冷物料 热物料 冷凝水 图a 热物料 冷物料 E-5 冷凝水 图b 例3：图a为流量控制系统，主要克服阀前压力P1波动来稳 定流量Q1。图b是储槽液位控制系统，主要克服Q1和Q2流 量变化的扰动，保持液位稳定。 1）说明两图中各控制系统的被控变量、操纵变量、过程 及主要扰动； 2）若采用图a系统来控制液位，试比较与图b系统的不同 点。 P1 FT Q1 P1 FC LT Q1 LC LT h h Q2 图a Q2 图b 例4：某发酵过程工艺规定操作温度为(40±2)℃。 考虑到发酵效果，控制过程中温度偏离给定值最大 不能超过6℃。现设计一定值控制系统，在阶跃扰 动作用下的过渡过程曲线如图所示。 试确定该系统的最大偏差、衰减比、余差、过渡时 间等过渡过程指标，并回答该系统能否满足工艺要 求?