现代测控技术(第1章).ppt

现代测控技术,动力学院顾洲,第一章自动化概论,1.1自动控制的基本概念,1.自动控制所谓自动控制，就是在没有人直接参与的情况下，利用外加的设备或装置控制装置，使机器、设备或生产过程控制对象的某个工作状态或参数被控量自动地按照预定的规律运行。现代科学技术的众多领域中，自动控制技术起着越来越重要的作用。如数控车床按预定程序自动切削，人造卫星准确进人预定轨道并回收，雷达自动跟踪空中的飞行体等，所有这些都离不开自动控制技术。,1.1自动控制的基本概念,2.自动控制系统是指能够对被控对象的工作状态进行自动控制的系统。它一般由控制装置和被控对象组成。被控制对象是指那些要求实现自动控制的机器、设备或生产过程。控制装置是指对被控对象起控制作用的设备总体。,1.1自动控制的基本概念,自动控制系统的功能和组成是多种多样的，其结构有简单的也有复杂的。它可以只控制一个物理量，也可以控制多个物理量，甚至一个企业机构的全部生产和管理过程它可以是一个具体的工程系统，也可以是比较抽象的社会系统、生态系统或经济系统。本课程以工业生产自动化为主介绍有关自动检测与控制系统的知识。,1.1自动控制的基本概念,3.自动控制系统的种类常用的自动控制系统分类方法1、按控制对象的特征划分2、按控制的设定值划分3、按控制系统的结构划分,按控制对象的特征划分控制系统种类,在石油、化工、冶金等行业，生产过程具有水流一样的连续特征，称之为流程工业，其自动化系统称之为连续生产过程自动化或过程自动化。在机械、汽车、电子等行业，工业生产具有间断的、按件料加工的特征，其自动化系统称之为断续生产过程自动化或制造工业自动化。在食品、制药、选矿等行业，生产同时具有连续和间断的待征，称之为混合型工业自动化。,按控制的设定值划分控制系统种类,定值控制系统是指设定值恒定的控制系统。其基本任务是克服扰动对被控变量的影响，使被控变量保持在设定值。如常见的热水器的温度控制就是定值控制系统的一个例子。工业生产大部分控制系统都属于这种类型。随动控制系统也称自动跟踪系统。这类系统的特点是设定值不断地变化，而且这种变化是随机的、不可预知的。随动系统的主要目的是使被控变量能尽快地、准确地跟踪设定值的变化。例如航空上的导航雷达系统、电视台的天线接收系统都均属于随动控制系统。程序控制系统其设定值也是变化的，但它是时间和条件的已知函数，即设定值按人规定的时间和条件程序变化。这类系统在断续生产过程中应用比较普遍。如自动洗衣机控制就属于此类。,按控制系统的结构划分控制系统种类,开环控制系统若系统的输出信号不反馈到输入端，也就不能形成闭合回路，这样的系统就称为开环控制系统。开环系统的构成特点是简单、实用，但由于无反馈信息，控制的效果取决于控制模型是否难确的、适当的合理程度和组成开环系统的各个环节是否稳定，系统任何部分的变化都可能影响控制的最终结果。闭环控制系统系统的输出被控变量通过某种方式一般为测量传感器送回到控制系统的输入端。这样控制系统就形成了一个闭合的环路，称闭环控制系统。在电子学中，将输出信号引回到输入端叫做反馈。同理，闭环控制系统也是反馈控制系统，而且是负反馈，负反馈可以使控制系统稳定。多数控制系统都是闭环负反馈控制系统。,开环和闭环控制系统的实例,1、开环炉温控制系统电炉是控制对象，炉温是要求进行自动控制的物理量，称为被控量。控制装置是电阻丝和开关，电阻丝接通电源受时间继电器触点开关K的控制。开关K闭合与断开的时间按照在正常情况下炉温可达到的希望值的经验数据预先设定。,开环和闭环控制系统的实例,分析实际炉温显然可能高于或低于希望值，但基本能保持恒温。但是，如果工作条件发生变化，例如，炉门开关次数增加，由于没有对被控制量炉温进行测量，并根据实际炉温与希望值的偏差来改变开关K接通和断开时间，炉温就会低于希望值。因此，系统的控制精度较低。开环控制的特点是控制装置只按照约定的输入信号对被控制量进行单向控制，而不对控制量进行测量并反向影响控制作用。因此，开环控制不具有修正由于扰动使被控制量偏离希望值的因素而出现的被控制量与希望值之间偏差的能力，即开环系统的抗干扰能力较差。,开环和闭环控制系统的实例,2、闭环炉温控制系统在炉温控制系统中加入一个接触式水银温度计测量炉温，就可由开环系统转换成闭环系统。,开环和闭环控制系统的实例,分析水银温度计的两个触点A和B接在常闭继电器的线圈电路中，它们随着水银柱的升降接通或断开电源，使触点K开启或闭合。例如，当温度升至希望值时对应水银柱在一点位置A,B两点接通，此时继电器线圈回路电源接通，常闭触点K断开，使电阻丝没有电流流过，炉温开始下降，当温度低于设定值时，水银柱下降，继电器线圈无电流通过，常闭触点K闭合，电阻丝与电源接通，使温度上升。调整水银温度计触点一的位置，就可改变炉温的希望值。,1.2控制系统的组成,以液体贮槽的液位控制为例，来说明过程控制系统的基本构成。人工控制的贮槽液位控制原理图,1.2控制系统的组成,人工控制眼睛观察玻璃管液位计测量元件指示的高度头脑将液位高度与期望高度进行比较，经过思考估算出需要改变的流出量，然后发出控制命令手根据命令改变出口阀门开度，相应地增减流量，使液位保持在合理的范围内。,1.2控制系统的组成,以液体贮槽的液位控制为例，来说明过程控制系统的基本构成。自动控制的贮槽液位控制原理图,1.2控制系统的组成,自动控制液位变送器检测并变换成统一标准信号送到控制器（代替人的眼睛）自动控制器接收变送器信号与液位期望值进行比较，根据偏差按某种规律运算，结果送给执行器（调节阀）（相当于人的大脑）自动执行器将控制器指令信号转换成相应的位移信号，驱动阀门动作，改变液体流出量，实现液位的自动控制（相当于人的手）。,1.2控制系统的组成,水温的人工控制操作员要用于通过感觉来测试水的温度，并将此温度与他要求的值给定值相比较通过大脑。同时他要决定通过大脑他的手应该朝哪个方向旋转加温用的蒸汽阀门和旋转多大的角度。,1.2控制系统的组成,水温的自动控制采用自动控制时上述功能都由各种的元件和仪表来代替。例如温度测量元件、控制记录仪表和调节阀等。,自动控制装置和被控对象,从宏观土看，自动控制系统是由两部分构成的一部分是起控制作用的全套仪表、自动装置，称为自动控制装置，通常包括测量元件、变送器、控制器和执行器即自动控制阀等另一部分是控制装置所要控制的生产设备，称为被控对象。控制系统的任务当被控对象受到干扰使被控变量产生偏差时，能够及时检测，并通过合理地调节操纵变量使被控变量回到给定值。,被控对象亦称受控过程,在自动控制系统中，需要控制工艺参数的生产设备叫被控对象，简称对象。如化工生产中的各种塔、反应器、热交换器等，都是常见的被控对象。在复杂的生产设备中，例如精馏塔，常常需要控制塔顶温度、压力，而塔底又需要控制液位，有时在塔的中部还需要控制进料流量，这种情况下，就只有塔的某一相应部分才是某一控制系统的对象因为同时控制这些量是很困难的。由此看来，对象不一定就是生产设备的整个装置．一个设备也不一定就只有一个控制系统。,测量元件与变送器,是用来检测被控变量的变化并将其转换为一种特定信号如气压、电流或机械位移等的装置。在自动控制系统中起着获取信息的作用，它的精确度、灵敏度及可靠性直接影响自动控制系统的品质指标。,3、控制器亦称调节器,它接收测量元件与变送器的信号，根据被控对象的数学模型及控制所要达到的要求，按照一定的控制规律进行运算，并输出相应的信号气压或电流等给执行器。在闭环控制系统中它是将被控变量的测量值与工艺上需要保持的参数给定值进行比较，得出偏差。根据这个偏差的大小及变化趋势，按预先设计的运算规律进行运算。在自动控制系统中，可以采用模拟式控制器或数字式控制器。当用电子计算机来实现控制功能时，即构成计算机控制系统。,4、执行器,它接收来自控制器的信号，改变操纵变量的大小或符号，从而实现对生产过程的控制．常见的执行器有电动机、调节阀等。,,自动控制系统除上述基本环节外，还有其他一些辅助装置，如电源、稳压装置、显示仪表等。显示仪表可以接收测量元件或变送器的信号，显示被控量的数值及趋势。,1.3控制系统方框图,方框图方框图是从信号流的角度出发，依据信号的流向将组成控制系统的各个环节相互连接起来的一种图解表达方式。在方框图中，每个组成部分用一个方框表示并标上该组成部分的名称，一个方框可以对应于一个元件、一个设备或几个设备的组合，或一个局部的生产过程，通常称之为环节。对自动控制系统进行分析研究时，经常用方框图来表示一个自动控制系统的组成。,方框图的符号,环节图中的方框表示控制系统的一个组成部分，称为“环节”。箭头指向方框的信号X表示该环节的输入，称为输入变量。箭头离开方框的信号Y表示该环节的输出，称为输出变量。箭头所指的方向就是信号的流向，它表明信号的作用方向。,方框图的符号,相加点CABCA-B分支点BCA,,,A,C,,,B,,,,A,C,,,B,,,,A,B,C,,控制系统方框图,控制系统方框图,常用术语,1、被控变量对象中需要进行控制（保持数值在某一范围内或按预定规律变化）的物理量称为被控变量。2、操纵变量受到控制装置的操纵，用以使被控变量保持在设定数值的物料或能量称为操纵变量。,常用术语,3、干扰（扰动）除操纵变量外，作用于对象并使被控变量发生变化的因素称为干扰（扰动）。4、给定值（设定值）按照生产工艺的要求为被控变量规定的所要求达到或保持的数值。5、偏差在理论上偏差应该是给定值与被控变量的实际之差。但是我们只能获得测量值，所以通常把给定值与测量值之差作为偏差。,例题,下图为一换热器的控制系统流程图。问被控变量操纵变量被控对象画出控制系统方框图。,例题,被控变量物料出口温度操纵变量蒸汽流量被控对象换热器控制系统方框图,1.4过渡过程和性能指标,过渡过程从一个平衡状态（稳态）到达另一个平衡状态（稳态）的动态历程称为过渡过程。稳态系统的被控变量不随时间而变化的平衡状态，称为稳态（或静态）。动态系统的被控变量随时间而变化的不平衡状态，称为动态。,阶跃输入信号,为了便于了解控制系统的动态特性，通常是在系统的输人端施加一些特殊的试验输入信号，然后研究系统对该输入信号的响应。最常采用的试验信号是阶跃输入信号，其作用方式如图所示。,过渡过程几种典型形式,1、非振荡衰减过程如图a所示，其特点是被控变量在给定值的某一侧作缓慢变化，没有来回波动，最后稳定在某一数值上。,过渡过程几种典型形式,2衰减振荡过程如图b所示，其特点是被控变量在给定值附近上下波动，但幅度逐渐减小，经过几个振荡周期后，逐渐收敛在某一数值上。,过渡过程几种典型形式,3、等幅振荡过程图c所示，其特点是被控变量在给定值附近来回波动，且波动幅度保持不变。,过渡过程几种典型形式,4、发散振荡过程图d所示，其特点是当干扰进人系统后，使被控变量开始产生振荡，控制作用不仅无法将被控变量稳定到给定值上，反而使振荡的幅度越来越大。,控制系统的主要性能指标,以衰减振荡过程的形式讨论假设性能指标的出发点是以控制系统原先所处的平衡状态时刻的被控变量y0作为基准值，且被控变量等于给定值。从t0的时刻开始，系统受到阶跃输入作用，于是被控变量开始变化。经过一段时间的衰减振荡后，最终达到新的平衡状态，使被控变量稳定在y∞。,响应曲线,在干扰作阶跃变化时，被控变量的响应曲线如图所示,主要性能指标,1、最大偏差emax（或超调量σ）最大偏差和超调量是描述被控变量偏离给定值程度的物理量。是衡量控制系统动态性能的重要指标。最大偏差是指在过渡过程中，被控变量的第一个波峰值与给定值的差。超调量用来表示被控变量偏离给定值的程度。在上图中，emaxBC，σB/C,主要性能指标,2、余差e∞余差又称残余偏差，是指在过渡过程终了时，系统的给定值与被控变量新的稳定值之间的差值。余差是衡量控制系统稳态准确性的重要指标。在上图中，e∞r-y∞,主要性能指标,3、衰减比是衡量控制系统稳定性的一个动态指标，它反映了一个振荡过程的衰减程度，它等于两个相邻的同向波峰值之比。在图中，衰减比nB/B‘,习惯上表示为n1。一般希望衰减比在41到101的范围内。,主要性能指标,4、过渡时间又叫控制时间或回复时间，它是控制系统在受到外界作用后，被控变量从原来的稳态值达到新的稳态值所需的时间。理论上讲，被控变量达到新的平衡状态需要无限长的时间。所以一般认为当被控变量已进人其新稳态值的5（或2）的范围内，并不再越出时，就认为控制系统已经重新回复到稳定状态。在图中，过渡时间以ts表示。,主要性能指标,5、偏差积分性能指标属于一种综合性能指标，有以下几种形式1偏差绝对值积分（IAE）2偏差平方积分（ISE）3时间与偏差绝对值乘积积分（ITAE）4时间与偏差平方乘积积分（ITSE）采用不同的性能指标对控制系统的过渡过程进行优化时，其侧重点是不同的。IAE、ISE对偏差幅值比较敏感ITAE、ITSE对偏差持续的时间长短比较敏感,1.5检测技术及仪表与自动控制系统的关系,任何一个工业控制系统都必然要应用一定的检测技术和相应的仪表单元，检测技术和仪表两部分是紧密相关和相辅相成的，它们是控制系统的重要基础。检测单元完成对各种过程参数的测量，并实现必要的数据处理；仪表单元则是实现各种控制作用的手段和条件，它将检测得到的数据进行运算处理，并通过相应的单元实现对被控变量的调节。新技术的不断出现，使传统的自动控制系统以及相关的检测和仪表技术都发生了很大变化。,练习题,1、试列举几个生活中开环控制系统和闭环控制系统的实例，并分析它们的工作原理。2、家用电冰箱的控制方式是开环还是闭环控制方式，试分析冰箱控制系统的工作原理。并画出系统方框图3、在下面一段文章中，试分别指出被控变量、操作变量、干扰、控制对象、控制方式。“发动机内的燃烧是由空气燃料比空气量／燃料喷射量来控制。通过控制燃料喷射量，使空气与燃料的比值保持一定，不受空气量变化影响，特别是消除外部干扰的影响。”,思考题,问题一个军士每天早晨9点钟路过珠宝店时，都与橱窗里的精密时钟对表。一天，这个军士走进店内．向店主恭维那只精密时钟的准确性。它是不是按照阿林顿的时间信号精确对时的不，我每天下午5点按照城堡的鸣炮声来调钟，你为什么你每天都要停下对表呢我是城堡中的炮手。思考题画出系统的方框图。若这个珠宝店的“精密”时钟每24小时慢2分钟的话，军士的表每8小时慢3分钟，那么，12天后，城堡中鸣炮的时间误差是多少,电信学院先进控制技术研究所,ThankYou,