第九章自动控制仪表

自动控制的基本概念 及自动控制仪表 第九章
自动控制系统基本概念
第一节 第二节 第三节 第四节 第五节 第六节 指标

化工自动化的主要内容 自动控制系统的组成及常用术语 控制工艺流程图 自动控制系统方块图 自动控制系统的分类 自动控制系统的过渡过程及品质
第一节 化工自动化的主要内容
显然，自动控制系统要代替人来工
作，就要有相当于人体器官功能的 相应仪表。即：
眼 大脑 手
检测、变送器
控制器
执行器
上图所示的水槽液位负反馈控制系统
可以进一步抽象为一般的控制系统方 块图，如下图所示。
二、控制系统常用术语
对象——被控制的物理装置。 被控变量——对象的某个变量。控制系

二、按给定值分类
l、定值控制系统 2、随动控制系统 3、程序控制系统
l、定值控制系统

定值控制系统是一类给定值保持不变或很少 调整的控制系统。这类控制系统的给定值一 经确定后就保持不变直至外界再次调整它。 化工、医药、冶金、轻工等生产过程中有大 量的温度、压力、液位和流量需要恒定，是 采用定值控制最多的领域，也是本课程的重 点内容。图1-1的室温控制系统和图1-5的液 位控制系统都是定值控制系统的例子。
对于水槽控制
系统，其控制 的目的是使水 槽液位维持在 一定的位置
液位变送器（LT）将水槽液位检测出来，
并转换成统一的标准信号传送给控制器 (LC)，控制器将其与预先输入的设定值进 行比较得出偏差，并按预先确定的某种 控制规律（比例、积分、微分的某种组 合）进行运算后，输出统一标准信号给 控制阀，控制阀改变开度，控制出水量。 这样反复进行，直到水槽液位恢复到设 定值为止，从而实现水槽液位的自动控 制。
2.信号比较器

下图中的两种表示方式表示的是同样的关 系式（2-27）。
E（s）＝X（s）－Z（s） （2-27） 一般采用符号“○”代表信号比较器。如 果信号线旁不带运算符号“＋”或“-”， 则默认为“＋”。 注意，在自动控制系统方块图里，比较器 中Z（s）信号线旁的运算符号“－”非常 重要，通常以此表示该系统是负反馈系统。
的作用时，系统的输出变量保持不 变，处于平衡状态。 如果系统受到干扰信号作用后，输 出变量最终能返回到原平衡状态或 其附近，那末该系统是稳定的；否 则，就是不稳定的。
4．过渡过程
由于干扰作用和控制作用等种种因
素的影响，系统经常处于变动中。 系统的变量会不时地从一个静态开 始，进入动态，最终进入另一个静 态。 系统受输入信号的作用从一个静态 到另一个静态之间的变化过程，就 是过渡过程，也是系统的瞬态响应。
二、控制系统的过渡过程
过渡过程是指处于平衡状态系统的输
入端受到干扰信号或控制信号的作用 后，系统的输出端（通常是指被控变 量）产生的瞬态响应。 为了便于分析比较，一般采用阶跃函 数作为输入信号。采用阶跃函数的原 因是这个信号简单，便于计算与生成； 另外，该信号作用强，危险程度高， 控制系统如能承受这种信号的干扰， 也就不怕其他比较缓和的干扰了。
第六节 自动控制系统的过渡过 程及品质指标
一、瞬态响应分析方法 二、控制系统的过渡过程 三、控制系统的品质指标 四、主要影响因素
一、瞬态响应分析方法
瞬态响应分析方法的基本做法是：给系
统输入各种不同的典型信号，观察并分 析系统的响应曲线 。 下面介绍一些有关瞬态响应的基本概 念。
稳态值附近以恒定的幅度来回振荡。 一般认为该系统也是不稳定的，不 予采用。但在位式控制中，可以采 用这种过渡过程。
（4）发散振荡过程
如图中（d）所示，被控变量振
幅越来越大，是不稳定系统，不 能采用。
（5）非振荡发散过程
如图中（e）所示，被控变量单调
地增加或减小，越来越偏离给定值， 最终到达系统的物理极限状态，是 不稳定过程，不能采用。
三、控制系统的品质指标
除了一些不允许产生振荡的系统之
外，通常都希望系统既有充分的快 速性，又有足够的稳定性和准确性。 这需要合理设计控制系统，使其具 有衰减振荡过程，为了合理地评价 衰减振荡型过渡过程的性能，人们 设计并提出了一系列控制系统过渡 过程的性能指标。

设控制系统最初处于平衡状态，且被控 变量等于给定值。此时，施加一个单位 阶跃干扰，系统的被控变量开始衰减振 荡过渡过程。如下图（A、B、n、C、t） 所示。
1、过渡过程的类型

如下图所示的控制系统， 在系统中各信号处于静态 时，通常在信号P处施加阶 跃干扰，记录Z的数值。Z 是被控变量Y的测量值。

于是在阶跃信号的作用下，控制系统的 输出变量的过渡过程有可能出现如下几 种形式（下图：a、b、c、d、e）
（l）非振荡衰减过程
如图中（a）所示，被控变量达
如果由于反馈的存在，使得系统的输出
信号单调地朝着某一个方向变化，这样 的反馈称为正反馈，这样的系统称为正 反馈系统。如炸药的爆炸、军备竞赛、 电子振荡过程等。 如果由于反馈的存在，使得系统的输出 信号趋于稳定在原来的水平上，或者更 严格地说，使输出信号与给定值的差趋 于减小，这样的反馈称为负反馈，这样 的系统称为负反馈系统。 几乎所有的自动控制系统都是负反馈控 制系统。
第三节 控制工艺流程图
第四节 自动控制系统方块图
一.方块图的基本单元 l.方块 任何被研究的对象，如果可以抽象地用 输入该对象的信号或变量以及从该对象 输出的信号或变量表达时，就可以运用 方块图方法中的方块来描述（下图）。

图中的被研究对象可以是一个
电阻或电容，也可以是一个集 成电路、一块仪表、一个反应 器或一个控制系统等等。

3、信号分支点

方块图中的信号分支，只要在信号线上任 意点引出即可，分支点上的信号与原来的 信号完全相同，如下图。

有了以上三种方块图基本单元，就可以画 出系统的方块图。
二、反馈原理
反馈就是把
系统的输出 信号回送到 系统的输入 端并送加到 输入信号中， 如右图所示。
反馈分为正反馈和负反馈两种类型。
第五节 控制系统分类
一、各种分类方法
二、按给定值分类
一、各种分类的方法

（l）如果按被控变量可划分为：温度、压力、 液位、流量和成分等控制系统。这是一种常 见的分类。 （2）如果按被控系统中控制仪表及装置所用 的动力和传递信号的介质可划分为：气动、 电动、液动、机械式等控制系统。
（3）如果按被控制对象可划分为：流体输 送设备、传热设备、精馏塔和化学反应器控 制系统等。 （4）按调节器的控制规律可划分为：比例 控制、积分控制、微分控制、比例积分控制、 比例微分控制、比例积分微分控制等。 （5）按系统功能与结构可划分为：单回路 简单控制系统；串级、比值、选择性、分程、 前馈和均匀等常规复杂控制系统；解耦、预 测、推断和自适应等先进控制系统和程序控 制系统等。 （6）按给定值的变化情况可划分为：定值 控制系统、随动控制系统和程序控制系统。
1、静态与动态
理论上讲，系统中的任何一个变量
都有其静态和动态。静态是指该变 量不随时间而变化的某个平衡状态， 动态是指该变量随时间而变化的不 平衡状态。在控制工程领域，通常 研究的是被控变量的静态和动态特 性。
静态并不是静止的状态，而是平
衡态。 如一个流量变量，当它保持一定 的流量值而不随时间变化时，就 称该变量处于静态。 一个水槽，进水流量等于出水流 量且不随时间变化，液位也保持 在一定的数值不随时间变化，则 称该系统处于平衡状态，进水流 量、出水流量和液位等变量均处 于静态。
2、随动控制系统

如果控制系统的给定值不断随机地发生变 化，或者跟随该系统之外的某个变量而变 化，则称该系统为随动控制系统。由于系 统中一般都存在负反馈作用，系统的被控 变量就随着给定值变化而变化。 随动控制的应用有雷达系统、火炮系统等。 化工医药生产中串级控制系统的副回路、 比值控制系统中的副流量回路也是随动控 制系统。对于图1-l的室温控制系统，如要 求室温在夏天始终比室外温度低10℃，则 加一个室外温度仪表，测得的值用于原控 制系统的给定值，即为一个随动控制系统。
最大之后，缓慢地到达某一稳定 状态。系统是稳定的，但该过程 由于变化缓慢，一般不采用。
（2）衰减振荡过程
如图中（b）所示，被控变量较快
地达到最大值，然后衰减振荡， 最终输出也达到某一稳定状态。 系统是稳定的，通常都要求系统 的被控变量呈现这样的过渡过程。
（3）等幅振荡过程
如图中（C）所示，被控变量在某
自动控制系统一般分为生产过程的
自动检测、自动控制、自动报警及 联锁保护、自动操纵等四大类。
1．生产过程的自动检测系统
利用各种检测仪表自动地、连
续地对相应的工艺参数进行检 测，并能自动指示或记录的系 统，称为自动检测系统。
2．自动控制系统
用自动控制装置对生产过程中
的某些重要参数进行自动控制， 能使因受到外界干扰影响而偏 离正常状态的工艺参数，自动 地调回到规定的数值范围的系 统。
4．生产过程的自动操纵系统
按预先规定的步骤，自动地对生
产设备进行周期性操作的系统 （如合成氨的造气控制系统）。 自动控制的应用水平是衡量一个 企业先进程度的重要标准，也是 衡量一个国家发达程度的主要标 志。
第二节 自动控制系统的组成及 常用术语
一、自动控制系统的组成 二、控制系统常用术语
一、自动控制系统的组成

3．生产过程的自动报警与联锁 保护系统
对一些关键的生产参数，要设有自动信
号报警与联锁保护系统。当参数接近临 界数值时，系统会发出声、光报警，提 醒操作人员注意。如果参数进一步接近 临界值、工况接近危险状态时，联锁系 统立即采取紧急措施，自动打开安全阀 或切断某些通路，必要时，紧急停车， 以防止事故的发生和扩大。