第一章自动控制系统基本概念

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第一节 化工自动化的主要内容 第二节 自动控制系统的组成及常用术语 第三节 控制工艺流程图 第四节 自动控制系统方块图 第五节 自动控制系统的分类 第六节 自动控制系统的过渡过程及品质
指标
第一节 化工自动化的主要内容
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。
三、传递函数
传递函数的概念： 为了描述控制系统中每一个部分或
整个系统的输入变量与输出变量之间的 关系，最常用的就是传递函数。控制系 统中的任意一个部分理论上讲都可以有 多个输入变量和输出变量，如图2－l所 示。
当只考虑一个输入量与一个输出量 之间的关系时，就简化为下图。
四、方块图的应用
在控制系统的分析应用中，首先是 建立系统各个组成部分的数字表达式， 进行拉普拉斯变换，获得各组成部分的 方块图及传递函数，然后将各个部分的 方块根据系统的组成原理连接起来，就 得到了整个系统的方块图。典型的简单 反馈控制系统方块图如下图所示。
五、拉普拉斯变换
拉普拉斯变换是将t域（实域）函 数变换为S域（复域）的函数，即传递 函数，以带来运算和分析的方便。这 里不做严格的数学方法介绍，完全从 实用的角度介绍一些结论和常用函数 在t域和S域之间的对应关系。所幸运的 是，能在实际中产生的信号总有相对 应的拉普拉斯函数。
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。
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。
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。
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。
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
对象——被控制的物理装置。 被控变量——对象的某个变量。控制
系统的目的通常就是要使该变量与设 定值或给定值相符。控制系统也用该 变量的名称来称呼，如温度控制系统、 压力控制系统等。
调节变量——对被控装置的被控变量 具有较强的直接影响且便于调节的变量。
干扰——对象中除了调节变量以外， 能对被控变量具有影响作用的所有变量。
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。 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。
偏差——设定值或给定值与测量值之 差。
给定值，也称为设定值或期望值—— 人们希望控制系统实现的目标，即被控 变量的期望值。它可以是恒定值，也可 能按程序变化。
用通俗的语言来描述一下以上名词：
化工生产过程中，需要保持定值的工艺变 量称为被控变量，也叫被调参数（如水槽液 位）。包含被控变量的生产设备、机器或生 产过程称为控制对象或调节对象，简称对象 （如水槽）。生产过程中要求保持不变的工 艺指标称为设定值或给定值（如液位值）。 设定值与被控变量的测量值之差称为偏差 （e）。为使被控变量保持在设定值附近而控 制加入对象或从对象中取出的物料或能量称 为操作变量（如加入换热器的蒸汽流量）。 作用于对象，能引起被控变量偏离设定值的 种种外来因素称为干扰，也叫扰动（如阀前 压力变化等）。
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
↓
↓
↓馈控制 系统可以进一步抽象为一般的控制系 统方块图(后面还要详细介绍)，如下 图所示。
二、控制系统常用术语
以后的章节还将详细阐述这些术语， 下面仅做简单介绍：
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