1、工业自动控制技术,材料科学与工程专业教师 :竺培显,绪 论,工 业 自 动 化： 是采用各种自动检测仪器、控制 仪表、显示仪表、及计算机等自动化仪表或装置，对整个生产过程进行自动检测、监督和控制，以实现各种最优控制和经济指标。 自动控制的目的：保证生产的质量和产量，提高经济效率和劳动生产率，节约能源，改善劳动条件，保证生产安全，保护环境，减少污染等。,工业自动化的发展历史,一 仪表化与局部自动化（5060年代）阶段二 综合自动化（6070年代）阶段三 全盘自动化（70年代中期至今）阶段,本课 程学习目的,1 了解工业自动化的基础知识，理解自动控制系的组 成、基本原理及各环节的作用；2 能了解工
2、业过程控制对象的基本特性及其对控制过程 的影响；3 了解基本控制规律及其控制器参数与被控制过程的控 制质量之间的关系；4 了解主要工艺参数（温度、压力、流量及物位）的基 本测量方法和仪表的工作原理及其特点，在未来的生 产控制、管理和调度中，能正确地选用和使用常见的测量仪表和控制装置，初步掌握自动控制系统的投运及控制器的参数整定。,自动控制系统的 第一章基础知识,第一节 自动控制的任务和内容1、自动检测,自动检测系统：利用各种检测仪表对主要工艺参数进行测量、指示或记录，起到人的眼睛作用检测仪表：流量计、压力表、测温表、记录仪,图1-1 热交换器自动检测系统示意图,2 自动信号和联锁保护系统：对工
3、艺参数超过了允许的范围，在事故即将发生之前，信号系统就自动地发出声光信号，告诫操作人员注意，并及时采取措施。 3 自动操纵及自动开停车系统：它是根据预先规定的步骤自动地对生产设备进行某种周期性操作，或是按照预先规定好的步骤，将生产过程自动地投入运行或自动停车。,2 自动信号和联锁保护系统：对工艺参数超过了允许的范围，在事故即将发生之前，信号系统就自动地发出声光信号，告诫操作人员注意，并及时采取措施。 3 自动操纵及自动开停车系统：它是根据预先规定的步骤自动地对生产设备进行某种周期性操作，或是按照预先规定好的步骤，将生产过程自动地投入运行或自动停车。,4 自动控制系统：利用各种自动化装置（仪表）
4、，对生产过程中某些重要工艺变量进行自动控制，是被控制变量在受外界干扰而偏离正常给定值 后，能自动地克服各种扰动作用的影响，并不断调节，使被控制变量回到给定范围内。,2 自动信号和联锁保护系统：对工艺参数超过了允许的范围，在事故即将发生之前，信号系统就自动地发出声光信号，告诫操作人员注意，并及时采取措施。 3 自动操纵及自动开停车系统：它是根据预先规定的步骤自动地对生产设备进行某种周期性操作，或是按照预先规定好的步骤，将生产过程自动地投入运行或自动停车。,自动控制系统的任务：使加工过程生产设备的工艺参数自动维持在给定值的范围内，使生产设备保持在一个稳定、安全、经济、快捷的最佳运动状态。,2 自动
5、信号和联锁保护系统：对工艺参数超过了允许的范围，在事故即将发生之前，信号系统就自动地发出声光信号，告诫操作人员注意，并及时采取措施。 3 自动操纵及自动开停车系统：它是根据预先规定的步骤自动地对生产设备进行某种周期性操作，或是按照预先规定好的步骤，将生产过程自动地投入运行或自动停车。,第二节 自动控制系统的组成,方法一：人工控制,方法二：自动控制,实现对工业生产过程工艺参数控制,2 自动信号和联锁保护系统：对工艺参数超过了允许的范围，在事故即将发生之前，信号系统就自动地发出声光信号，告诫操作人员注意，并及时采取措施。 3 自动操纵及自动开停车系统：它是根据预先规定的步骤自动地对生产设备进行某种
6、周期性操作，或是按照预先规定好的步骤，将生产过程自动地投入运行或自动停车。,a,b,图1-2 液位人工控制,首先通过眼睛观察到液位仪表的指示值，再通过大脑计算出液位示值与工艺规定值之间的差值，根据偏差值的大小和方向发出相应的操作命令，手操作开启或者关闭阀门的开度。,2 自动信号和联锁保护系统：对工艺参数超过了允许的范围，在事故即将发生之前，信号系统就自动地发出声光信号，告诫操作人员注意，并及时采取措施。 3 自动操纵及自动开停车系统：它是根据预先规定的步骤自动地对生产设备进行某种周期性操作，或是按照预先规定好的步骤，将生产过程自动地投入运行或自动停车。,观测,判断,指令,操作,自动控制,2 自
7、动信号和联锁保护系统：对工艺参数超过了允许的范围，在事故即将发生之前，信号系统就自动地发出声光信号，告诫操作人员注意，并及时采取措施。 3 自动操纵及自动开停车系统：它是根据预先规定的步骤自动地对生产设备进行某种周期性操作，或是按照预先规定好的步骤，将生产过程自动地投入运行或自动停车。,图1-3 液位自动控制系统,人眼观察,检测变送器,控制器,执行器,人脑判断,人工操作,自动控制装置 （或仪表）的组成,测量变送器,控制器,执行器,2 自动信号和联锁保护系统：对工艺参数超过了允许的范围，在事故即将发生之前，信号系统就自动地发出声光信号，告诫操作人员注意，并及时采取措施。 3 自动操纵及自动开停车
8、系统：它是根据预先规定的步骤自动地对生产设备进行某种周期性操作，或是按照预先规定好的步骤，将生产过程自动地投入运行或自动停车。,被控制对象 （生产设备）,自动控制系统组成,自动化仪表,反应器、加热炉 、换热器、 加工机器、 风机、水泵、 压力罐 、管路 、冷却器、 锅炉测量变送仪表、 控制仪表、执行器、显示仪表、 计算仪表、转换器、其他辅助仪表仪器,2 自动信号和联锁保护系统：对工艺参数超过了允许的范围，在事故即将发生之前，信号系统就自动地发出声光信号，告诫操作人员注意，并及时采取措施。 3 自动操纵及自动开停车系统：它是根据预先规定的步骤自动地对生产设备进行某种周期性操作，或是按照预先规定好
9、的步骤，将生产过程自动地投入运行或自动停车。,第三节自动控制系统控制流程图与方框图,1自动控制系统的工艺控制流程图,储液罐自动液位 控制系统工艺流程图,图1-4 自动控制系统示意图,2 自动信号和联锁保护系统：对工艺参数超过了允许的范围，在事故即将发生之前，信号系统就自动地发出声光信号，告诫操作人员注意，并及时采取措施。 3 自动操纵及自动开停车系统：它是根据预先规定的步骤自动地对生产设备进行某种周期性操作，或是按照预先规定好的步骤，将生产过程自动地投入运行或自动停车。,1.1 图形符号,1） 测量点（检出点、取样点）,2） 连接线,是由工艺设备轮廓线或工艺管线引到仪表圆圈的连接线的起点，一般
10、无特定的图形符号。,通用的仪表信号 均以细实线表示,图1-5 测量点的一般表示方法,图1-6 连接线的表示法,2 自动信号和联锁保护系统：对工艺参数超过了允许的范围，在事故即将发生之前，信号系统就自动地发出声光信号，告诫操作人员注意，并及时采取措施。 3 自动操纵及自动开停车系统：它是根据预先规定的步骤自动地对生产设备进行某种周期性操作，或是按照预先规定好的步骤，将生产过程自动地投入运行或自动停车。,3）常用的图形符号,表1-1 自控系统常用的图形符号,2 自动信号和联锁保护系统：对工艺参数超过了允许的范围，在事故即将发生之前，信号系统就自动地发出声光信号，告诫操作人员注意，并及时采取措施。
11、3 自动操纵及自动开停车系统：它是根据预先规定的步骤自动地对生产设备进行某种周期性操作，或是按照预先规定好的步骤，将生产过程自动地投入运行或自动停车。,1.2 字母代号,用来表示仪表的小圆圈的上半圆内，一般写有两位（或两位以上）字母，第一位字母表示被测变量，后继字母表示仪表的功能,表1-2 自控系统常用被测变量及仪表功能字母代号,2 自动信号和联锁保护系统：对工艺参数超过了允许的范围，在事故即将发生之前，信号系统就自动地发出声光信号，告诫操作人员注意，并及时采取措施。 3 自动操纵及自动开停车系统：它是根据预先规定的步骤自动地对生产设备进行某种周期性操作，或是按照预先规定好的步骤，将生产过程自
12、动地投入运行或自动停车。,1.3 仪表位号用阿拉伯数字编号写在圆圈的下半部，第一位表示工段号，后继数字表示仪表序号。,图1-7 压力指示仪表 图1-8 温度记录控制仪表在1工段、第21号表 在1工段、第41号表,2 自动信号和联锁保护系统：对工艺参数超过了允许的范围，在事故即将发生之前，信号系统就自动地发出声光信号，告诫操作人员注意，并及时采取措施。 3 自动操纵及自动开停车系统：它是根据预先规定的步骤自动地对生产设备进行某种周期性操作，或是按照预先规定好的步骤，将生产过程自动地投入运行或自动停车。,图1-9a、b 自控原理图,图1-9b 、c 自控工艺控制流程图,2 自动信号和联锁保护系统：
13、对工艺参数超过了允许的范围，在事故即将发生之前，信号系统就自动地发出声光信号，告诫操作人员注意，并及时采取措施。 3 自动操纵及自动开停车系统：它是根据预先规定的步骤自动地对生产设备进行某种周期性操作，或是按照预先规定好的步骤，将生产过程自动地投入运行或自动停车。,2 自动控制系统的方框图和常用术语,用一个长方块代表自动控制系统中的一个组成环节用一条带有单向箭头线连接两个方块之间，表示两环节信号联系和传递方向（不代表工艺流程或物料的流动方向）。,2.1 自动控制系统方框图,图1-10 换热器带控制点工艺流程图,图1-11 简单控制系统方框图,2 自动信号和联锁保护系统：对工艺参数超过了允许的范
14、围，在事故即将发生之前，信号系统就自动地发出声光信号，告诫操作人员注意，并及时采取措施。 3 自动操纵及自动开停车系统：它是根据预先规定的步骤自动地对生产设备进行某种周期性操作，或是按照预先规定好的步骤，将生产过程自动地投入运行或自动停车。, 被控对象： 生产设备、加工机器 被控变量y：被控过程的输出变量 干扰变量f： 引起波动的外来各种输入参数 操纵变量q：使被控量y回到预期值的输入参数， 执行器的操作参数量 给定值X： 希望保持被控变量的最佳工艺参数的预期值 偏 差 e： 给定值X与测量值的比较结果 反 馈： 把输出信号引回到输入端进行比较的过程 自动控制系统是一个具有被控变量负反馈的闭环
15、控制系统。,2.2 自动控制系统常用术语,2 自动信号和联锁保护系统：对工艺参数超过了允许的范围，在事故即将发生之前，信号系统就自动地发出声光信号，告诫操作人员注意，并及时采取措施。 3 自动操纵及自动开停车系统：它是根据预先规定的步骤自动地对生产设备进行某种周期性操作，或是按照预先规定好的步骤，将生产过程自动地投入运行或自动停车。,第四节 自动控制系统的分类,1控制系统的基本结构形式分类开环控制系统就是把控制信号从一个环节送到另一个环节，而系统的被控对象不引回信号反馈到输入端进行比较，还构成闭合回路的工作系统。,2 自动信号和联锁保护系统：对工艺参数超过了允许的范围，在事故即将发生之前，信号
16、系统就自动地发出声光信号，告诫操作人员注意，并及时采取措施。 3 自动操纵及自动开停车系统：它是根据预先规定的步骤自动地对生产设备进行某种周期性操作，或是按照预先规定好的步骤，将生产过程自动地投入运行或自动停车。,a定值控制 按设定值进行控制,图 1-12按设定值而控制的开环系统,图 1-13按扰动量而控制的开环系统,b按扰动量控制 当扰动出现时，操作量随之变化,2 自动信号和联锁保护系统：对工艺参数超过了允许的范围，在事故即将发生之前，信号系统就自动地发出声光信号，告诫操作人员注意，并及时采取措施。 3 自动操纵及自动开停车系统：它是根据预先规定的步骤自动地对生产设备进行某种周期性操作，或是
17、按照预先规定好的步骤，将生产过程自动地投入运行或自动停车。,闭环控制系统.或反馈控制系统：它是按系统的偏差进行控制，从各环节信号的传递关系而言，它们构成了一个闭合回路，输出端被控变量的信号是经过反馈环节变回到系统输入端控制器上的，所以闭环控制也就是反馈控制。,图1-14 换热器带控制点工艺流程图,2 自动信号和联锁保护系统：对工艺参数超过了允许的范围，在事故即将发生之前，信号系统就自动地发出声光信号，告诫操作人员注意，并及时采取措施。 3 自动操纵及自动开停车系统：它是根据预先规定的步骤自动地对生产设备进行某种周期性操作，或是按照预先规定好的步骤，将生产过程自动地投入运行或自动停车。,2按被控
18、变量的给定值是否变化分类1） 定值控制系统： 被控变量的设定值保持恒定不变的控 制系统；2） 随动控制系统： 被控变量的设定值是不可预测和随机 变化的系统。要求输出被控变量准确、快速地跟踪输入给定值；3） 程序控制系统： 被控变量的设定值是一个按已知确定 的时间函数变化，是按规定时间程序变化系统。,2 自动信号和联锁保护系统：对工艺参数超过了允许的范围，在事故即将发生之前，信号系统就自动地发出声光信号，告诫操作人员注意，并及时采取措施。 3 自动操纵及自动开停车系统：它是根据预先规定的步骤自动地对生产设备进行某种周期性操作，或是按照预先规定好的步骤，将生产过程自动地投入运行或自动停车。,第五节
19、 自动控制系统的过渡与质量指标,自动控制系统的过渡过程 过渡过程被控变量从变化到稳定的整个调节过程，即是从一个平衡到另一个平衡态的动态变化过程。,1） 系统的静态与动态 静态系统被控变量不随时间变化的平衡稳态而静态是相对的，暂时的，有条件的静态不是生产状态禁止，不是系统的能量或物料停止传递（或为零）。 动态被控变量随时间不断变化的不平衡状态，动态是绝对的、普遍的、无条件的、客观存在的、不可避免的。,2 自动信号和联锁保护系统：对工艺参数超过了允许的范围，在事故即将发生之前，信号系统就自动地发出声光信号，告诫操作人员注意，并及时采取措施。 3 自动操纵及自动开停车系统：它是根据预先规定的步骤自动
20、地对生产设备进行某种周期性操作，或是按照预先规定好的步骤，将生产过程自动地投入运行或自动停车。,干扰信号的形式典型试验干扰信号：阶跃信号、斜坡信号、正弦波信号、脉冲信号,2） 自动控制系统的过渡过程,图1-14 阶跃信号,图1-15 斜坡信号,图1-16 正弦波信号,图1-17 脉冲信号,2 自动信号和联锁保护系统：对工艺参数超过了允许的范围，在事故即将发生之前，信号系统就自动地发出声光信号，告诫操作人员注意，并及时采取措施。 3 自动操纵及自动开停车系统：它是根据预先规定的步骤自动地对生产设备进行某种周期性操作，或是按照预先规定好的步骤，将生产过程自动地投入运行或自动停车。,控制系统过渡过程
21、的几种形式,图1-18 自动控制系统过渡过程的五种形式,a 单调发散,b发散振荡,c等幅振荡,d单调衰减,e衰减振荡,2 自动信号和联锁保护系统：对工艺参数超过了允许的范围，在事故即将发生之前，信号系统就自动地发出声光信号，告诫操作人员注意，并及时采取措施。 3 自动操纵及自动开停车系统：它是根据预先规定的步骤自动地对生产设备进行某种周期性操作，或是按照预先规定好的步骤，将生产过程自动地投入运行或自动停车。,a非周期单调发散过程： b发散振荡过程： c等幅振荡过程： d非周期衰减过程： e衰减振荡过程：,控制系统过渡的三种状态：发散型不稳定过程；等幅振荡型一般为不稳过渡；衰减型稳定过渡。,2
22、自动信号和联锁保护系统：对工艺参数超过了允许的范围，在事故即将发生之前，信号系统就自动地发出声光信号，告诫操作人员注意，并及时采取措施。 3 自动操纵及自动开停车系统：它是根据预先规定的步骤自动地对生产设备进行某种周期性操作，或是按照预先规定好的步骤，将生产过程自动地投入运行或自动停车。,2 自动控制系统的质量指标,控制系统的过渡过程是衡量自动控制系统质量的重要依据。稳 动态过程的振荡倾向和系统重新恢复平 衡工作状态的能力 快动态过渡过程进行的时间长短 准系统过渡到新的平衡工作状态或受干扰重 恢复平衡后，最终保持的精度。,2 自动信号和联锁保护系统：对工艺参数超过了允许的范围，在事故即将发生之
23、前，信号系统就自动地发出声光信号，告诫操作人员注意，并及时采取措施。 3 自动操纵及自动开停车系统：它是根据预先规定的步骤自动地对生产设备进行某种周期性操作，或是按照预先规定好的步骤，将生产过程自动地投入运行或自动停车。,图1-19 衰减振荡控制过程质量指标示意图,质量指标 最大偏差A（或超调量B）：偏离给定值的最大差值 超调量B=A-C 余差C：被控变量重新稳定值与给定值之差C=y（） y（0） 衰减比n：第一个波峰值与同方向上的第二个波峰值比, 过渡时间t0 ：从干扰作用发生时刻起，到系统重新建立新的平衡止。 振荡周期T： 过渡过程同向两波峰之间的间隔时间 上升时间tp：在干扰作用后，开始
24、变化达到第一波峰最大值时所经过的时间。,2 自动信号和联锁保护系统：对工艺参数超过了允许的范围，在事故即将发生之前，信号系统就自动地发出声光信号，告诫操作人员注意，并及时采取措施。 3 自动操纵及自动开停车系统：它是根据预先规定的步骤自动地对生产设备进行某种周期性操作，或是按照预先规定好的步骤，将生产过程自动地投入运行或自动停车。,例：某换热器的温度控制系统在单位阶跃干扰作用下的过渡过程曲线如图所示。试分别求出最大偏差、余差、衰减比、振荡周期和过渡时间。（已知给定值为200）,图1-20 温度控制系统过渡过程曲线,2 自动信号和联锁保护系统：对工艺参数超过了允许的范围，在事故即将发生之前，信号
25、系统就自动地发出声光信号，告诫操作人员注意，并及时采取措施。 3 自动操纵及自动开停车系统：它是根据预先规定的步骤自动地对生产设备进行某种周期性操作，或是按照预先规定好的步骤，将生产过程自动地投入运行或自动停车。,解： 最大偏差A=230-200=30余差C=205-200=5第一波峰值B=230-205=25第二波峰值B=210-205=5衰减比n B：B=25：5=5：1振荡周期 T=20-5=15（min） 过渡时间t0 设被控变量进入稳定范围为2%时，则200（2%）=4，即新稳定值（205）两侧宽度为4%的区域内，从图中可看出t0=22min,2 自动信号和联锁保护系统：对工艺参数超过了允许的范围，在事故即将发生之前，信号系统就自动地发出声光信号，告诫操作人员注意，并及时采取措施。 3 自动操纵及自动开停车系统：它是根据预先规定的步骤自动地对生产设备进行某种周期性操作，或是按照预先规定好的步骤，将生产过程自动地投入运行或自动停车。,3 影响控制系统质量指标的因素,与控制量有关工艺参数设备的结构、材质因素等,装置的选择、调试自动化装置两者的配合,影响源,影响源,
