过程控制基础知识

图1-5 闭环控制系统原理方框图
开环控制系统的优点：
结构相对较简单、维护容易、成本低。 被控量的控制精度取决于系统各环节的精度。
开环控制系统的缺点：
对元器件要求较高、抗干扰能力差。 无法自动补偿系统干扰对被控量带来的影响。
闭环控制系统的优点：
抗干扰能力强。 控制精度受环节的转换精度较小。
闭环控制系统的缺点：
简单控制系统的组成
简单控制系统由被控对象、检测变送单元、控制 器、执行器四个基本环节所组成。
相互关系？ 信号联系？
方框图
每个方框表示组成系统的一个环节。
信号线表示相互间信号的联系， 箭头方向表示信号传递的方向。
±
信号相加点。
分支点。
图1-3 自动控制系统通用方框图
常用术语：
被控对象：要求实现自动控制的设备或装置 检测变送单元：一般由检测元件和变送器组成，作用是测量 被控变量 控制器：也称为调节器，作用是比较、运算、给出控制信号 执行器：接收控制信号并对被控对象施加作用的装置 前向通道：从输入端沿箭头方向到输出端的传输通道 反馈通道：从输出端到输入端的反方向通道
控制作用对干扰作用有时间滞后。 控制过程可能产生振荡。结构复杂、维护不易、 可能存在稳定性问题。
下列系统中哪些是开环控制，哪些是闭 环控制？
• 家用电冰箱 • 家用洗衣机 • 家用空调 • 电风扇 • 饮水机
闭环控制 开环控制 闭环控制 开环控制 闭环控制
2、按输入量变化的规律分类
定值控制系统：设定值保持不变（为恒定值）的 反馈控制系统。 例如：温度、液位、流量、压力控制系统等。
系统的动态与静态
动态的定义：在自动控制系统中，把被控变量随 时间变化的不平衡状态，称为系统的动态。
静态的定义：在自动控制系统中，把被控变量不 随时间而变化的平衡状态，称为系统的静态（稳 态）。
结论 在自动控制系统中，静态是暂时的、相对的，
动态是普遍的、绝对的。
基本技术性能要求 基本要求：稳、准、快
图1-1人工控制的恒值水位系统
出水
由大脑指挥手正确地调节 进水阀门的开度。
用变送器代替眼睛，用控制器代替人的大脑，用 气动阀门代替手，得到图1-2所示自动控制系统
工作步骤： 1）在控制器中设定好水位的期望值；
气动阀门 进水
2） 变 送 器 将 检 测 出 来 的 实
控制器 际水位送到控制器；
3）控制器将实际水位与期
控制任务： 保持炉温T恒定。
被控对象： 加热炉
被控变量： 炉温T
扰动： 燃油压力的波动、环境温度的变化、物流量的改变
执行器：
燃油管阀门
测量变送单元: 温度检测器、流量检测器
系统运行的基本要求
知识目标： 1、理解系统的动态与静态。 2、明确自动控制系统运行的基本要求。 3、掌握自动控制系统的过渡过程。 4、掌握自动控制系统的性能指标。
设定值（输入值）：作用于控制系统输入端，并可 实现使系统具有预定性能或预定输出的物理量 测量值：被控变量的测量值 偏差：设定值与测量值之间的差值 控制变量：指控制器的输出（控制信号） 操纵变量：指执行器的输出 扰动：指外界或系统内部影响系统输出的干扰信号 被控变量（输出值）：指被控对象的输出
家用电冰箱温控系统 压缩机
自动控制系统概述
Part 1-1 自动控制的基本原理与方式 例1：恒值水位控制系统 正确的操作步骤：
1）将水位的要求值（期望水位）牢 记在大脑中；
进水
阀门
水池
要求水位 实际水位
2）用眼睛和测量工具测量 水池实际水位；
3）将期望水位和实际水位 进行比较、计算、从而得 出偏差值（大脑）；
4）按偏差大小和正负性质，
自动控制系统的分类
什么是反馈？
系统的输出变量 通过测量仪表 引回到系统输入端 对控制作用产生影响
1、按是否设有反馈环节分类 开环控制系统和闭环控制系统 若系统的输出信号对控制作用没有影响，则 称为开环控制系统。
图1-4 开环控制系统原理框图
系统的输出信号对控制作用有直接影响的 控制系统，就称为闭环控制系统。
自动控制系统的过渡过程
控制系统在处界干扰或给定干扰作用下，从原有的稳 定状态过渡到新的稳定状态的过程称为过渡过程。
过渡过程的几种基本形式：
特点：被控变量一直处于振荡状态，且振幅越来越大， 逐渐偏离设定值。 在生产过程中绝对不允许出现。
变送器
望值比较，并经过计算产生 控制信号 ；
水池
4）按减小误差的方向控制 阀门的开度。
出水
图1-2 简单的水位自动控制系统
自动控制概念
在没有人直接参与的情况下，利用外加的设备或装置 （称控制装置）,使机器、设备或生产过程（统称被控 对象）的某个工作状态或参数（即被控变量） 自动地 按照预定的规律运行。
1、稳定性：扰动下不发散 当扰动信号进入系统破坏系统平衡时，有重新
恢复平衡的能力。
响 应
2、准确性：与给定值的偏差小 稳态响应与给定值加以比较，是否完全一致。
不稳定系统，没有必要讨论准确性 偏差：0
偏差：0.5
3、快速性：用最少的时间达到要求 扰动信号进入系统开始，到重新恢复平衡所用时间
的长短来度量，即：动态性能指标。 不稳定系统，没有必要讨论快速性 缓慢收敛，稳定
随动控制系统：设定值不断的变化，没有确定的 规律，是时间的未知函数。 例如：雷达跟踪系统等。
程序控制系统：设定值是根据工艺过程的需要而 按照某种预定规律变化的，是一个已知的时间函 数。
举例：洗衣机，程序控制机床。
本次课小结
自动控制的定义？ 闭环控制的实质？ 自动控制系统的组成？ 自动控制系统中的常用术语？ 框图的基本画法？
冰箱 蒸发器
冷却器
控制器
请问：
继电器
被控对象：冰箱
被控量：ห้องสมุดไป่ตู้冰箱内温度
输入量： 控制器设定值（代表温度的期望值） 扰动量： 开门时的外界温度
画框图：
气动阀门 进水
控制器 变送器
水池
出水
水位给定值 偏差 -
简单水位控制系统
出水量
控制器 进水调节阀 进水量 水池 实际水位
水位变送器
练习：
温度控制系统
快速收敛，稳定
稳定性(稳)、快速性(快) 、准确性(准)分别说明 的是系统的动态品质还 是静态品质？
(1)“稳”与“快”是说明系统动态品质。 (2)“准”是说明系统的稳态（静态）品质。 (3)稳定性 是保证控制系统正常工作的先决条件。线
性控制系统的稳定性由系统本身的结构与参数所决 定的，与外部条件和初始状态无关。