1、04:00:22,给水排水工程仪表与控制庞胜华福州大学土木工程学院,FuZhou University 2011,第一章 自动控制基础知识 第一节 自动控制系统的作用与构成,一、控制仪表的分类： 基地式：检测控制显示组合在一起的仪表。 单元组合式：在系统规定的统一的通讯方式下，按要求给出相应的控制信号。 计算机式：以计算机为中心控制单元，以测试仪表、执行机构等单元为外围设备的系统。,第1章 基础知识,二、自动化及仪表发展从自动控制系统结构看，经历四个阶段：1、20世纪50年代以基地式控制器组成的控制系统；2、20世纪60年代以单元组合仪表组成的控制系统；3、20世纪70年代出现了计算机控制系统
2、；4、20世纪80年代以后出现二级优化控制。,第1章 基础知识,FuZhou University 2011,第1章 基础知识,FuZhou University 2011,第1章 基础知识,三、自动控制系统的作用1、定义：在没有人直接参与的情况下，使生产过 程或被控对象的某些物理量准确地按照预期规律变化2、目的：提高生产效率、提高生活水平；保证高质量地完成任务。,FuZhou University 2011,控制流程图字母意义,第1章 基础知识,FuZhou University 2011,四、自动控制系统的构成1、控制对象：生产过程中被控制的设备和机器；2、测量变送器：感受规定的被测量并按
3、照一定规 律转化成有用输出信号的器件或装置，由敏感元件、 传感元件和测量转换电路组成；3、控制器：比较得出差值、发出信号推动执行器4、执行装置：完成指令实施调节，包括水泵等。,第1章 基础知识,FuZhou University 2011,五、系统的分类1、给定值形式,第1章 基础知识,FuZhou University 2011,2、系统的结构特点,第1章 基础知识,系统,项目,FuZhou University 2011,自动控制系统方块图,第1章 基础知识,FuZhou University 2011,前馈控制系统方块图,第1章 基础知识,FuZhou University 2011,复
4、合控制系统方块图,第1章 基础知识,FuZhou University 2011,六、在给水排水工程中的应用遥感技术自动收集供水管网各节点的工作参数， 实现运行优化；建筑内恒压给水系统；泵站的自动 控制系统；水处理单元环节的自动控制系统等。,第1章 基础知识,FuZhou University 2011,第二节 传递函数与环节一、方块图与传递函数 方块图：一个方块代表一个环节。 拉普拉斯变换：一种积分变换，微分方程 代数 幂函数，微分方程 代数方程。 传递函数：拉氏变换基础上，以系统本身参数描述 的线性定常系统输入量与输出量的关系式，表达了 系统内在的固有特性，与输入量无关。,第1章 基础知识
5、,FuZhou University 2011,传递函数的优点：比较简单；当系统输入典型信号时，输出与传递 函数有一定的关系；零极点分布决定系统响应过渡 过程。 二、典型环节的动态特性及传递函数 动态特性：当输入信号加入环节，其输出信号随时 间变化的规律。,第1章 基础知识,FuZhou University 2011,比例环节：时间域内输入输出函数成比例，表示 为：一阶环节：又称一阶惯性环节，其传递函数为：,第1章 基础知识,K-比例系数，是比例环节的特征参数,K-静态参数，决定环节在过渡过程结束后的新稳定值；T-动态参数,FuZhou University 2011,积分环节：输出信号正比
6、于输入信号对时间的积 分，传递函数为： 微分环节：a. 理想微分环节：输出量与输入量的变化速度成正 比，其传递函数为：式中：Td-反映微分作用强弱的特征参数。 b. 实际微分环节：输出信号的变化滞后与输入信号 的变化，是具有惯性的环节。,第1章 基础知识,FuZhou University 2011,纯滞后环节：经过一段纯滞后时间后等量地复现输 入信号变化，称距离-速度滞后，其传递函数为：式中- 纯滞后时间。 第三节 自动控制系统的过渡过程 静态：各个参数的变化率为零，即参数保持不变。 动态：静态随时被打破，使被控参数发生变化。,第1章 基础知识,FuZhou University 2011,
7、一、过渡过程：从一平衡到另一平衡的过程。,第1章 基础知识,FuZhou University 2011,二、质量指标一般自动控制系统，常采用以下几个质量指标。 1、最大偏差：被控参数偏离给定值的最大差值，衡 量过渡过程稳定性的动态指标。 2、过渡时间：系统受到干挠，被控变量从原稳定值 达到新稳定值所需要时间，反映控制快速性的指标。 3、余差：控制系统过渡过程终了时给定值与被控变 量稳定值之差，反映控制准确性的一个重要指标。,第1章 基础知识,FuZhou University 2011,4、衰减比：第一个波的振幅与同方向第二个波的振 幅之比，衡量过渡过程稳定性的动态指标。 5、振荡周期：第一
8、个波峰到相邻波峰之间的时间， 衡量过渡过程快速性的指标。,控制指标在不同控制系统中各有其重要性，且相互之间又有着内在的联系。高标准地同时要求满足这几个控制指标是很困难的，因此，应根据具体要求分清主次，优先保证主要控制指标。,第1章 基础知识,FuZhou University 2011,第四节 自动控制系统的调节规律 调节规律：调节器输出信号与输入信号之间随时间的变化规律 一、双位调节特点：被调参数等幅振荡，动作频繁，容易损坏，因而难以 保证系统安全可靠地运行，如恒温箱温度控制，泵站液位控制 二、比例调节特点：调节器的输出与被测参数的偏差值成比例，响应速度 快,调节动作及时、迅速，但有余差，如
9、压缩机贮气罐的压力 控制。,第1章 基础知识,FuZhou University 2011,第1章 基础知识,FuZhou University 2011,1、调节规律输出与输入成比例，没有滞后，传递函数是： 2、比例度 ，调节器输入的变化与相应输出变化的百分数。 用式子表示为：式中：e偏差的变化量； p输出信号的变化量。比 例度与比例系数成反比，其值越大，比例作用越弱。,第1章 基础知识,FuZhou University 2011,3、比例度的影响 静态余差（为什么比例作用会有余差呢？）,第1章 基础知识,FuZhou University 2011,动态过渡过程比例系数对过渡过程的影响见
10、下图：,第1章 基础知识,Kc增加： 1. 余差减小； 2. 振动倾向加强稳定程度下降 3. 工作频率增大工作周期减小 4. 最大偏差减小,因此适用于干扰幅度小，滞后小，时间常数较长的对象,FuZhou University 2011,三、积分调节特点：可以消除偏差，但调节动作缓慢，不能及时克服扰动 的影响，致使被调参数的动态偏差增大，甚至使系统难稳定。 四、比例积分调节 1、特点：既具有比例作用，又具有积分作用，如流量控制。 传递函数是： 2、积分时间的影响 对输出特性的影响：比例粗调和积分细调作用，粗调及时 克服干扰，细调逐渐克服余差。,第1章 基础知识,可单独使用、但一般不单独使用,积分
11、作用与比例作用相同时所需的时间,有差则动，无差则停。对变化很慢的偏差具有很强的调整能力,FuZhou University 2011,对过渡过程的影响：对于不同的对象，其固有特性不同，为获得理想的过渡过 程，应选择不同的积分时间数值与之对应。,第1章 基础知识,Ti增加产生现象 1. 消除余差较慢 2. 振动倾向减弱稳定程度提高 3. 最大偏差增大,工程实践中为消除余差增加积分作用，常适当增大比例度以维持一定的衰减比。,FuZhou University 2011,第1章 基础知识,适用于干扰幅度小，滞后小，时间常数不大，被控变 量不允许有余差的系统。如流量、压力等控制系统。,FuZhou U
12、niversity 2011,五、微分调节特点：偏差信号变化速度越大，微分作用输出越大，对于固 定不变的偏差信号，不管大小都无微分输出，所以不能克服余 差。 六、比例微分调节特点：具有超前作用，传递函数为：微分增益：在阶跃输入信号的作用下，实际比例微分调节 器输出的初始变化量和最终变化量之比，表示微分作用输出幅 度的大小，其值越大，微分作用越强。,第1章 基础知识,不能单独使用微分调节，需与比例调节规律配合使用,微分增益等于1时表示只剩下比例调节作用了,FuZhou University 2011,七、比例积分微分调节 特点：比例、积分、微分三种调节相结合，既能快速调节 又能消除偏差，还能根据
13、偏差信号的变化趋势提前动作，具有 较好的调节性能，如pH值的控制。 时间特性：当偏差信号为阶跃信号时，微分调节先起主导 作用，而后是比例调节，最后是积分调节。 特征参数及其影响：比例度，积分时间，微分时间三个参 数。微分作用减小过渡过程的最大偏差值和调节时间，积分作 用消除余差，但会增大过渡过程的最大偏差值及调节时间。,第1章 基础知识,适用于容量滞后大，干扰幅度大、不允许有余差的系统。,FuZhou University 2011,八、调节规律的选择 不太重要的参数，如中间储罐的液位等可考虑采用比例调 节，甚至采用双位调节； 不太重要的参数，但惯性较大，又不希望动态偏差较大， 可考虑采用比例
14、微分调节，但对于系统噪声较大的参数，如流 量则不能采用比例微分调节； 比较重要、控制精度要求较高参数，可采用比例积分调节; 比较重要、控制精度要求较高、希望动态偏差较小、被控 对象的时间滞后较大的参数，应当采用比例积分微分调节。,第1章 基础知识,FuZhou University 2011,九、被控变量的选择 以工艺控制指标（温度、压力等）作为被控变量，应是能够最好地反映工艺所需状态变化的参数； 以产品质量指标作为被控变量，是最直接也是最有效的控制参数，如工业锅炉的蒸汽压力等； 作为被控变量必须是能够获得检测信号并有足够大的灵敏度，且滞后要小，否则无法得到高精度的控制质量; 选择被控变量时必
15、须考虑工艺流程的合理性和国内仪表生产的现状。,第1章 基础知识,FuZhou University 2011,十、调节作用的实现方法控制器一般可按能源形式、信号类型和结构形式进行分类。1、能源形式 （1）气动：发展较早，其特点是结构简单、性能稳定、可靠 性高、价格便宜，且在本质上安全防爆，因而广泛应用于石油 化工等有爆炸危险的场所。 （2）电动：发展相对较晚，实现远距离监视操作等方面容易 且易与计算机等现代化信息技术工具联用，因此发展极为迅速 应用极为广泛，目前大多采用。2、信号类型,第1章 基础知识,FuZhou University 2011,（1）模拟式：线路简单，操作方便，在过程控制中
16、已广泛应 用，如电动调节器、气动调节器等； （2）数字式：以微型计算机为核心，功能完善，性能优越， 可靠性高，维护方便，如可编程控制器、微电脑调节器等。3、结构形式 （1）基地式：结构简单，但通用性差，使用不够灵活，一般 仅用于一些简单控制系统； （2）单元组合式：使用灵活方便，因此在生产现场得到广泛 应用，目前使用较多的属于电动控制器；,第1章 基础知识,FuZhou University 2011,（3）组装式：在单元组合仪表的基础上发展起来的，功能分 离、结构组件化； （4）集散控制式：微处理器为基础的控制器，在结构、功能 可靠性等各方面都进入一个新阶段。,第1章 基础知识,FuZhou
17、 University 2011,第五节 双位逻辑控制系统1、实现方法 气动技术：气压的高、低。 液动技术：液体的通、断，液位开关等。 电子技术：二极管单向导通性改变电压的高、低。2、常用元件及符号 开关：按钮开关、拨动开关、滑动开关；单极开关、双极 或多极开关；常开开关、常闭开关。 熔断器：电流过大时断开电路，保护设备安全。 继电器：电磁继电器、热继电器、时间继电器。 接触器：通断较大的电流。,第1章 基础知识,FuZhou University 2011,第六节 计算机控制系统概述 一、系统的组成 参数采集：模拟量转换为数字量称模/数转换器。 运算控制：输入参数数字量逻辑运算，得出控制信号
18、输出。 信号输出：数字量转换为模拟量称数/模转换器。 外围设备：显示器、存储记录装置、打印机等。,第1章 基础知识,FuZhou University 2011,二、应用方式1、操作指示控制系统：计算机巡回检测参数并对测量结果进行处理后输出数据。2、直接数字控制系统(DDC)：计算机巡回检测参数，运算后发出控制信号，直接控制被控对象。3、分级控制系统：适用于规模大或复杂的系统。4、集散控制系统：集中管理、分散控制，可靠性大大提高。,第1章 基础知识,指标：可靠性和可维护性,FuZhou University 2011,思考题 1. 以同等精度元件组成的开环系统和闭环系统，其精度比较 为（ ）。
19、A、开环高 B、闭环高 C、相差不多 D、一样高 2. 系统的输出信号对控制作用的影响（ ）。A、开环有 B、闭环有 C、都没有 D、都有 3. 对系统抗干扰能力（ ）强。A、开环 B、闭环 C、都强 D、都不强 4. 对系统抗干扰能力（ ）及时。 A、开环 B、闭环 C、都及时 D、都不及时,第1章 基础知识,FuZhou University 2011,5. 温度控制系统需要采用（ ）规律。A、P调节 B、PI调节 C、PD调节 D、PID调节 6. pH值控制系统采用（ ）规律。A、P调节 B、PI调节 C、PD调节 D、PID调节 7. 流量控制系统采用（ ）规律。A、P调节 B、PI
20、调节 C、PD调节 D、PID调节 8. 在容量滞后大而又要消除余差的场合采用（ ）规律。A、P调节 B、PI调节 C、PD调节 D、PID调节 9. 比例微分调节器是（ ）调节。A、有差 B、无差 C、有时有差、有时无差,第1章 基础知识,FuZhou University 2011,10. 恒温箱温度控制属于（ ）系统。A、定值控制 B、随动控制 C、程序控制 11. 各类测量仪中变送器属于（ ）系统。A、定值控制 B、随动控制 C、程序控制 12. 可克服多种扰动的系统有（ ）。A、反馈控制 B、前馈控制 C、复合控制 13. 对衰减振荡而言，衰减比越小，稳定度（ ）。 A、越低 B、越高 C、没有影响 14. 衡量过渡过程稳定性的动态指标有（ ）。A 最大偏差 B 余差 C 过渡时间 D 衰减比 E 振荡周期,第1章 基础知识,FuZhou University 2011,15. 微分调节规律主要可用来克服调节对象的（ ）和（ ）的影响。 16. （ ）控制器对变化很慢的偏差具有很强的调整能力。,第1章 基础知识,FuZhou University 2011,第1章 基础知识,
