第七章自動(dòng)控制概述第一頁(yè)，共三十五頁(yè)，2022年，8月28日自動(dòng)控制系統(tǒng)的組成自動(dòng)控制系統(tǒng)方塊圖過(guò)渡過(guò)程和品質(zhì)指標(biāo)第二頁(yè)，共三十五頁(yè)，2022年，8月28日自動(dòng)控制系統(tǒng)的組成自動(dòng)控制的發(fā)展自動(dòng)控制是指在沒(méi)有人直接參與的情況下,利用外加的設(shè)備或裝置(稱控制裝置或控制器),使機(jī)器、設(shè)備或生產(chǎn)過(guò)程(統(tǒng)稱被控對(duì)象)的某個(gè)工作狀態(tài)或參數(shù)(即被控量)自動(dòng)地按照預(yù)定的規(guī)律運(yùn)行。系統(tǒng)是指按照某些規(guī)律結(jié)合在一起的物體(元部件)的組合,它們相互作用、相互依存,并能完成一定的任務(wù)。第三頁(yè)，共三十五頁(yè)，2022年，8月28日自動(dòng)控制技術(shù)的應(yīng)用可以追溯到18世紀(jì)--(1788年)瓦特(Watt)利用小球離心調(diào)速器使蒸汽機(jī)轉(zhuǎn)速保持恒定的開(kāi)創(chuàng)性的突破，以及19世紀(jì)(1868年)麥克斯韋（Maxwell）對(duì)輪船擺動(dòng)（穩(wěn)定性）的研究。但在初期，自動(dòng)控制技術(shù)的應(yīng)用進(jìn)展很緩慢。自動(dòng)控制技術(shù)的真正發(fā)展是在20世紀(jì)。第四頁(yè)，共三十五頁(yè)，2022年，8月28日自動(dòng)控制理論通常可分為經(jīng)典控制理論、現(xiàn)代控制理論和智能控制理論。1)經(jīng)典控制理論經(jīng)典控制理論產(chǎn)生并發(fā)展于20世紀(jì)40～60年代。2)現(xiàn)代控制理論現(xiàn)代控制理論于20世紀(jì)60年代中期發(fā)展成熟。3)智能控制理論智能控制理論是20世紀(jì)70年代后，控制理論向廣度和深度發(fā)展的結(jié)果。智能控制系統(tǒng)是指具有某些仿人智能的工程控制與信息處理系統(tǒng)，其中最典型的就是智能機(jī)器人。第五頁(yè)，共三十五頁(yè)，2022年，8月28日自動(dòng)控制的基本組成

①檢測(cè)一用眼睛觀察玻璃管液位計(jì)(測(cè)量元件)中液位的高低，并通過(guò)神經(jīng)系統(tǒng)告訴大腦。

②運(yùn)算(思考)、命令一大腦根據(jù)眼睛看到的液位高度，加以思考，并與要求的液位進(jìn)行比較，得出偏差的大小和正負(fù)，然后根據(jù)操作經(jīng)驗(yàn)，經(jīng)思考、決策后發(fā)出命令。

③執(zhí)行一一根據(jù)大腦發(fā)出的命令，通過(guò)手去改變閥門(mén)開(kāi)度，以改變流出量Qc，從而把液位保持在所需高度上。

第六頁(yè)，共三十五頁(yè)，2022年，8月28日①測(cè)量元件與變送器——它的作用是測(cè)量液位，并將液位的高低轉(zhuǎn)化為一種特定的信號(hào)(如標(biāo)準(zhǔn)電流信號(hào)、標(biāo)準(zhǔn)氣壓信號(hào)、電壓等)。②自動(dòng)控制器——接受變送器送來(lái)的信號(hào)，與工藝要求的液位高度相比較，得出偏差，并按某種運(yùn)算規(guī)律算出結(jié)果，然后將此結(jié)果，用特定信號(hào)(電流或氣壓)發(fā)送出去。③執(zhí)行器——通常指控制閥，它和普通閥門(mén)的功能一樣，只不過(guò)它自動(dòng)地根據(jù)控制器送來(lái)的信號(hào)值改變閥門(mén)的開(kāi)啟度。第七頁(yè)，共三十五頁(yè)，2022年，8月28日第一位字母后繼字母字母被測(cè)變量修飾詞功能ACDEFIKLMPQRSTVWYZ分析電導(dǎo)率密度電壓流量電流時(shí)間或時(shí)間程序物位水分或濕度壓力或真空數(shù)量或件數(shù)放射性速度或頻率溫度黏度力供選用位置

差

比(分?jǐn)?shù))

積分、累積

安全報(bào)警控制(調(diào)節(jié))

檢測(cè)元件

指示自動(dòng)一手動(dòng)操作器

積分、累積記錄或打印開(kāi)關(guān)、聯(lián)鎖傳送閥、擋板、百葉窗套管繼動(dòng)器或計(jì)算器驅(qū)動(dòng)、執(zhí)行或未分類的終端執(zhí)行機(jī)構(gòu)第八頁(yè)，共三十五頁(yè)，2022年，8月28日第九頁(yè)，共三十五頁(yè)，2022年，8月28日被控對(duì)象在自動(dòng)控制系統(tǒng)的組成中，除必須具有前面所述的自動(dòng)化裝置外，還必須具有控制裝置所控制的生產(chǎn)設(shè)備。在自動(dòng)控制系統(tǒng)中，將需要控制其工藝參數(shù)的生產(chǎn)設(shè)備、機(jī)器、一段管道或設(shè)備的一部分叫做被控對(duì)象，簡(jiǎn)稱對(duì)象。化工生產(chǎn)中，各種塔器、反應(yīng)器、換熱器、泵與壓縮機(jī)以及各種容器、貯罐都是常見(jiàn)的被控對(duì)象。復(fù)雜的生產(chǎn)設(shè)備中的精餾塔、吸收塔等，在一個(gè)設(shè)備上可能有好幾個(gè)控制系統(tǒng)。這時(shí)在確定被控對(duì)象時(shí)，就不一定是整個(gè)生產(chǎn)設(shè)備。譬如說(shuō)，一個(gè)精餾塔，往往塔頂需夏控制溫度、壓力等，塔底又需要控制溫度、塔釜液位等，有時(shí)中部還需要控制進(jìn)料流竣，在這種情況下，就只有塔的某一與控制有關(guān)的相應(yīng)部分才是槳一控制系統(tǒng)的被控對(duì)象。例如．在討論進(jìn)料流量的控制系統(tǒng)時(shí)，被控對(duì)象指的僅是進(jìn)料管道及閥門(mén)等，而不足整個(gè)精餾塔。第十頁(yè)，共三十五頁(yè)，2022年，8月28日自動(dòng)控制系統(tǒng)方塊圖一、信號(hào)和變量控制與信息不可分割，控制系統(tǒng)的作用是通過(guò)信息的獲取、變換與處理來(lái)實(shí)現(xiàn)的。載有變量信息的物理變量就是信號(hào)。因此，控制系統(tǒng)的全部命題都涉及信號(hào)流。對(duì)控制系統(tǒng)或其組成環(huán)節(jié)來(lái)說(shuō)，輸入變量、輸出變量和狀態(tài)變量都是變量，也都是信號(hào)。第十一頁(yè)，共三十五頁(yè)，2022年，8月28日?qǐng)D7-3中的方塊可以用來(lái)表示系統(tǒng)或某一個(gè)環(huán)節(jié)。箭頭指向方塊的信號(hào)“表示施加到系統(tǒng)或環(huán)節(jié)上的獨(dú)立變量，稱為輸入變量。箭頭離開(kāi)方塊的信號(hào)表示系統(tǒng)或環(huán)節(jié)送出的變量，稱為輸出變量。如果一個(gè)系統(tǒng)同時(shí)有幾個(gè)輸人變量和幾個(gè)輸出變量，則稱為多輸入多輸出系統(tǒng)。對(duì)于線性系統(tǒng)來(lái)說(shuō)，幾個(gè)輸人變量同時(shí)作用的結(jié)果，等于它們分別作用的結(jié)果之和，也就是說(shuō)，是符合疊加原理的。第十二頁(yè)，共三十五頁(yè)，2022年，8月28日有時(shí)一個(gè)信號(hào)同時(shí)送到兩個(gè)或更多環(huán)節(jié)時(shí)。以送往兩個(gè)環(huán)節(jié)為例．如圖7-5所示。這時(shí)，也必須從信號(hào)流的角度來(lái)處理。如果從物料流看，一分為二，應(yīng)該是u1+u2=u。但對(duì)信號(hào)流來(lái)說(shuō)，在方塊圖中通過(guò)分叉點(diǎn)一分為幾。各通道的信號(hào)·應(yīng)該是相同的，即u=u1=u2。例如將一個(gè)壓力信號(hào)P送往幾個(gè)壓力儀表，各個(gè)儀表應(yīng)該有相同的壓力讀數(shù)P。第十三頁(yè)，共三十五頁(yè)，2022年，8月28日

二、自動(dòng)控制系統(tǒng)方塊圖

自動(dòng)控制系統(tǒng)的方塊圖，就是從信號(hào)流的角度出發(fā)．將組成自動(dòng)控制系統(tǒng)的各個(gè)環(huán)節(jié)用信號(hào)線相互連接起來(lái)的一種圖形。在已定的系統(tǒng)構(gòu)成內(nèi)，對(duì)于每個(gè)環(huán)節(jié)來(lái)說(shuō)，信號(hào)的作用都是有方向性的．不可逆置，在方塊圖中．信號(hào)的方向由連接方塊之問(wèn)的信號(hào)線箭頭來(lái)表示。第十四頁(yè)，共三十五頁(yè)，2022年，8月28日三反饋把系統(tǒng)（環(huán)節(jié)）的輸出信號(hào)直接或通過(guò)一些環(huán)節(jié)重新返回到輸入端的做法負(fù)反饋：反饋信號(hào)去“-”號(hào)，負(fù)反饋信號(hào)與原來(lái)的信號(hào)方向相反。正反饋：正反饋信號(hào)與原來(lái)的信號(hào)方向相同，反饋信號(hào)去“+”號(hào)自動(dòng)控制系統(tǒng)都采用負(fù)反饋第十五頁(yè)，共三十五頁(yè)，2022年，8月28日Kβxey－z由得：K>>1時(shí)當(dāng)β=1，這個(gè)樣的系統(tǒng)就為單位反饋系統(tǒng)第十六頁(yè)，共三十五頁(yè)，2022年，8月28日開(kāi)環(huán)控制和閉環(huán)控制1.開(kāi)環(huán)控制系統(tǒng)(OpenloopControlSystem)若系統(tǒng)的輸出量不被引回來(lái)對(duì)系統(tǒng)的控制部分產(chǎn)生影響，則這樣的系統(tǒng)稱為開(kāi)環(huán)控制系統(tǒng)。圖1-2就是一個(gè)由步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)的數(shù)控加工機(jī)床,也是一個(gè)沒(méi)有反饋環(huán)節(jié)的開(kāi)環(huán)控制系統(tǒng)。第十七頁(yè)，共三十五頁(yè)，2022年，8月28日?qǐng)D1-2數(shù)控加工機(jī)床示意圖第十八頁(yè)，共三十五頁(yè)，2022年，8月28日?qǐng)D1-3為數(shù)控加工機(jī)床開(kāi)環(huán)控制方框圖。此系統(tǒng)的輸入量為加工程序指令，輸出量為機(jī)床工作臺(tái)的位移，系統(tǒng)的控制對(duì)象為工作臺(tái)，執(zhí)行機(jī)構(gòu)為步進(jìn)電動(dòng)機(jī)和傳動(dòng)機(jī)構(gòu)。由圖可見(jiàn)，系統(tǒng)無(wú)反饋環(huán)節(jié)，輸出量并不返回來(lái)影響控制部分，因此是開(kāi)環(huán)控制。第十九頁(yè)，共三十五頁(yè)，2022年，8月28日?qǐng)D1-3數(shù)控加工機(jī)床開(kāi)環(huán)控制方框圖第二十頁(yè)，共三十五頁(yè)，2022年，8月28日2.閉環(huán)控制系統(tǒng)(ClosedloopControlSystem)若系統(tǒng)輸出量通過(guò)反饋環(huán)節(jié)返回來(lái)作用于控制部分，形成閉合環(huán)路，則這樣的系統(tǒng)稱為閉環(huán)控制系統(tǒng)，又稱為反饋控制系統(tǒng)(FeedbackControlSystem)。圖1-4為電爐箱恒溫自動(dòng)控制系統(tǒng)。第二十一頁(yè)，共三十五頁(yè)，2022年，8月28日?qǐng)D1-4電爐箱恒溫自動(dòng)控制系統(tǒng)第二十二頁(yè)，共三十五頁(yè)，2022年，8月28日?qǐng)D1-5電爐箱自動(dòng)控制方框圖第二十三頁(yè)，共三十五頁(yè)，2022年，8月28日四、自動(dòng)控制系統(tǒng)的分類

將控制系統(tǒng)按照工藝過(guò)程需要控制的被控變量數(shù)值(即給定值)是否變化和如何變化來(lái)分類，這樣可以將自動(dòng)控制系統(tǒng)分為三類，即定值控制系統(tǒng)、隨動(dòng)控制系統(tǒng)和程序控制系統(tǒng)第二十四頁(yè)，共三十五頁(yè)，2022年，8月28日1．定值控制系統(tǒng)所謂“定值”，就是恒定給定值的簡(jiǎn)稱。工藝生產(chǎn)中，如果要求控制系統(tǒng)使被控制的工藝參數(shù)保持在一個(gè)生產(chǎn)指標(biāo)上不變，或者說(shuō)要求工藝參數(shù)的給定值不變，那么就需要采用定值控制系統(tǒng)。圖7—2所討論的液位控制系統(tǒng)就是定值控制系統(tǒng)的一個(gè)例子。這個(gè)控制系統(tǒng)的目的是使貯槽液位保持在給定值不變。同樣，圖7—7所示的溫度控制系統(tǒng)也屬于定值控制系統(tǒng)。化工生產(chǎn)中要求的大都是這種類型的控制系統(tǒng)，因此我們后面所討論的自動(dòng)控制系統(tǒng)，如果不特別說(shuō)明，都是指定值控制系統(tǒng)。第二十五頁(yè)，共三十五頁(yè)，2022年，8月28日2．隨動(dòng)控制系統(tǒng)(也稱自動(dòng)跟蹤系統(tǒng))這類自動(dòng)控制系統(tǒng)的特點(diǎn)是給定值不斷地變化。而且，這種變化不是預(yù)先規(guī)定的，也就是說(shuō)給定值是隨機(jī)變化的。隨動(dòng)控制系統(tǒng)的目的就是使所控制的工藝參數(shù)準(zhǔn)確而快速地跟隨給定值的變化而變化。例如航空中的導(dǎo)航雷達(dá)系統(tǒng)、電視臺(tái)的天線接收系統(tǒng)，都是隨動(dòng)控制系統(tǒng)的例子。第二十六頁(yè)，共三十五頁(yè)，2022年，8月28日3．程序控制系統(tǒng)(又稱順序控制系統(tǒng))這類自動(dòng)控制系統(tǒng)的給定值也是變化的，但它是一個(gè)已知的時(shí)間函數(shù)，即生產(chǎn)技術(shù)指標(biāo)需按一定的時(shí)間程序變化。這類系統(tǒng)在間歇生產(chǎn)過(guò)程中應(yīng)用比較普遍，例如合成纖維錦綸生產(chǎn)中的熟化罐溫度控制和冶金工業(yè)上金屬熱處理的溫度控制都是這類系統(tǒng)的例子。近年來(lái)，程序控制系統(tǒng)應(yīng)用日益廣泛，一些定型的或非定型的程控裝置越來(lái)越多地被應(yīng)用到生產(chǎn)中，微型計(jì)算機(jī)的廣泛應(yīng)用也為程序控制提供了良好的技術(shù)工具與有利條件。第二十七頁(yè)，共三十五頁(yè)，2022年，8月28日

第三節(jié)過(guò)渡過(guò)程和品質(zhì)指標(biāo)一、控制系統(tǒng)的靜態(tài)與動(dòng)態(tài)被控變量不隨時(shí)間而變化的平衡狀態(tài)稱為系統(tǒng)的靜態(tài)(穩(wěn)態(tài))被控變量隨時(shí)間而變化的不平衡狀態(tài)稱為系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)。暫時(shí)的、相對(duì)的、有條件的

普遍的、絕對(duì)的、無(wú)條件的

第二十八頁(yè)，共三十五頁(yè)，2022年，8月28日二、控制系統(tǒng)的過(guò)渡過(guò)程在生產(chǎn)中，出現(xiàn)的干擾是沒(méi)有固定形式的，且多半屬于隨機(jī)性質(zhì)。在分析和設(shè)計(jì)控制系統(tǒng)時(shí)，為了安全和方便，常選擇一些定型的干擾形式，其中最常用的為階躍干擾第二十九頁(yè)，共三十五頁(yè)，2022年，8月28日階躍干擾

在某一瞬時(shí)t。干擾(即輸入量)突然階躍式地加到系統(tǒng)上，并繼續(xù)保持在這個(gè)幅度上第三十頁(yè)，共三十五頁(yè)，2022年，8月28日自動(dòng)控制系統(tǒng)在于擾作用下的過(guò)渡過(guò)程有圖7—13所示的幾種基本形式

非周期衰減過(guò)渡過(guò)程衰減振蕩過(guò)程等幅振蕩過(guò)程發(fā)散振蕩過(guò)程第三十一頁(yè)，共三十五頁(yè)，2022年，8月28日四種過(guò)渡過(guò)程的基本形式可以歸納為三類①過(guò)渡過(guò)程(d)形式是發(fā)散的，稱為不穩(wěn)定的過(guò)渡過(guò)程。②過(guò)渡過(guò)程(a)和過(guò)渡過(guò)程(b)都是衰減的，稱為穩(wěn)定的過(guò)渡過(guò)程。③過(guò)渡過(guò)程(c)介于不穩(wěn)定