第1章#自动控制基础知识1.1自动控制系统的作用与构成1.1.1自动控制系统的作用用自动控制系统的基本自的有两点：一是在人类的生产生活中，应用自动控制技术可以解脱繁重的、单调的、低效的人类劳动，以便提高生产效率和提高生活水平：是对现代生产中很复杂的或极精密的丁作，用人力不能胜任时，应用自动控制技术就可以保证高质量地完成任务。自动控制的基本概念来源于人工控制。人体本身，包括眼、耳等感觉器宫，脑下和神经等控制器官以及肩、手、脚等操作执行器官，就是天生的一个具有高度控制能力的系统举如下一个例子。在给水排水工程中，贮液容器是最常见的设备。图1.1是一个贮水池，水由上部进人，由底部流出。当水池出水量和进水量相等时，液位将保持在某一正常位置。且生产发生变化而使水池出水量改变，液位就相应变化。为保持液位恒定，操作人员必须密切注视液位的变化情况，一经发现实际的液位高度与应该维持的正常液位值之间出现偏差时，就要马上进行调节，即开大进水阀门或关小进水阀门，使之恢复到正常位置。上述过程归纳起来，操作人员所进行的工作是：（1）观察玻璃液位计的指示值：（2）将指示值与规定液位数值比较，并算出两者的差值；（3)根据液位变化的方向（偏高还是偏低）和出水大小作出判断，按一定的规律去调节阀门。当指用示偏高时，关小进水阀；反之开大进水阀上水将上述三步工作不断重复进行，直至液位回到要求的高度为止。这个过程就叫做人工控制，图1.1人工控制水池示意图图1.2（α）对此进行了形象的描述。如果使用自动化装置来代替上述人工操作，就叫做自动控制。如图1.2（6）所示从图1.3中可以更清楚地看出自动化等装置代替人工操作的过程。在这个水池液位自动控制系统中，首先用变送器代替了人眼的观察。控制的对象是水池，被控制的参数水池的液位。在人工操作时，水池液位的高低是通过人眼的观察得到的。现在使用一个差压变送器来代替人的观察，随时把液位的高低变成相应的标准信号送给控制器和色带指示仪，其次，控制器接受差压变送器发出的测量信号和按工艺要求预先给定的信号，并进行比较。两个信号若相等，反映了当时的实际液位正是规定的液位值，如果两个信号不相等。1
工艺过程或设备工艺过程或设备I.艺荟梦物科或能量T.艺参数物料或焦量测草变送费V自动化装置(0)(a)图1.2自动控制示意图色带指示仪4口-D水变送器气源出水定值器节润调节器容给水图1.3水池液位自动控制示意图就说明实际的液位值和规定值有偏差，这就需要进行调节。于是控制器发出相应的调节信号去控制阀门，这就是调节作用，相当于人的大脑。这个比较环节装在控制器内。上例说明了自动控制的基本概念。所谓自动控制，就是利用机械的、电气的、光学的等装置代替人工控制器官的作用，在不用人工直接参与的情况下，可以自动地实现预定的控制过程。虽然自动控制的基本概念来源于人力控制，但是由于科学技术的飞速发展，使各种自动控制装置的性能远远超过人力控制器官的能力。最初的光学镜头是模仿人的眼睛而做成的，但用新技术做成的光学装置却远远比人眼的能力强得多。例如天文望远镜看得很远，显微镜看到极微小的东西，航空照相机在几百公里高空对地面摄影十分精确清晰。这些都是凭人的眼力不能做到的事。光电敏感元件和快速电子线路的作用也比人的视神经系统灵敏得多，由此可见，从模仿自然界生物的功能所获得的控制概念，通过科学技术的作用，人们可以创造性地做成更灵敏的、更精确的、更有能力的自动控制装置。1.1.2自动控制系统的构成从上面简单的实例中，可以总结出一般自动控制系统是由控制对象、测量变送器、控制器、执行装置几部分组成的。为了更清楚地表达一个自动控制系统各个组成环节的相互影响和信号联系，常用方块图来表示。图中每一个方块表示组成系统的一个部分，称之环节，用带箭头的直线表示信号的相互联系和传递方向。如图1.4所示。图1.4中的每一个方块都代表一个具体的实物，具有单方向作用的性质，方块的输人信号直接影响输出信号，但输出不会反过来影响输入。变送器、控制器、执行装置都是这2
比较机构干扰给定值！被调参数：偏热值调节器A调节阁调节器测节对象输出力调节--找数！1La则量道测量变送图1.4自动控制系统方块图样。在一个自动控制系统中，只要有一个方块是单向作用的，那么整个系统就具有单向作用性。自动控制系统都是不能逆向动作的。还应注意，方块与方块之间的连接线，只代表方块间的信号联系，连接线的箭头也只代表信号作用的方向，与工艺流程图上设备间的连线不同，并不代表实物之间的物料联系。结合液位调节的例子，下面再分析一下方块图的意义，并对控制系统中一些常用概念进行简单介绍。控制对象：就是生产过程中被控制的设备或机器。在水池液位调节的例子中，控制对象就是水池。被控参数：按照工艺要求，某些参数应该保持在预定的变化幅度之内，并对它们进行调节，它们就叫做被控参数。在上例中，液位就是被控参数。干扰于：干扰是指破坏系统平衡状态、引起被控参数变化的外界因素。由于外界的干扰作用，破坏了生产的平衡，改变了工艺要求保持的定值参数，使正常的生产过程产生波动。生产的每一个工序都可能出现干扰，一个工序失去相对平衡状态，又会导致其它工序产生波动。在水池液位调节的例子中，影响被控参数的因素有下一工序需水量的变化，或是进水压力变化，都称为干扰。在分析控制系统时，常假设一些特定的干扰形式，其中最常用的是阶跃干扰作用，如图1.5所示。阶跃干扰可用如下数学式表示：fot<toF(t) =(1. 1)(A.- constt≥to我们把F（t）=1叫单位阶跃干扰。阶跃干扰是一种突变作用，而且一经F(c)产生就持续下去不再消失。它对被控参数的影响最大，为最不利于控制的干扰作用形式。若一个自动控制系统能够很好地克服阶跃形式的于扰，那么其它形式的于扰就不难克服了。2控制作用Q：为了克服干扰，利用阀门去改变物料的进料量，这种手段就叫做控图1.5阶联干扰形式3
制作用，所用的介质叫控制介质。在水池液位控制的例子中，注入的水就是控制介质，而进水流量的改变就是控制作用。划量元件及变送器：感受并测量被控参数的变化，并将其转变为标准信号输出的段表称测量元件及变送器。如本例中所用的差压变送器。测量元件及变送器又称为传感器，测量值：变送器的输出值。对于气动单元组合仪表，为输出气压，一般为2100kPa：对于电动单元组合仪表，有直流电流0~10mA、4~20mA，电压0~10V等给定值工：自动控制系统中，设定的与工艺预期的被控参数相对应的信号值偏差值：给定值与测量值之差。控制器输出p：在控制器内，将给定值与测量值进行比较，得出偏差值·并按一定的控制规律，发出相应的输出信号力去推动执行器。为了突出比较机构，用一个圆圈表示在控制器之前。执行装置：完成控制器的指令。实施控制调节的装置。在给水排水控制系统中常见的有泵、阀门等。通过以上对自动控制系统方块图各组成部分的分析，各个环节之间的相互关系更加清楚了。概括来讲每个自动控制系统都包含这些基本环节，每个环节之间都有这样的相互关系，即输出与输人之间的关系，它反映了这个环节自身的特点和规律性，即这个环节的特性：在生产过程中，由于干扰的客观存在，它会不断地破坏生产平衡，通过控制作用新的平衡又不断地建立起来，这就构成了控制过程。在水池水位控制的例子中，由于干扰作用使水位变化，测量元件及变送器将水位变化测量出来，与给定值进行比较，控制器依据偏差发出相应的控制信号驱动调节阀改变水池进水量，使水池水位向给定值靠扰并稳定在给定值上。从图1.4的方块图看出，自动控制系统中被控参数由变送器测出变成统一信号的测量值：送进控制器：在控制器内与给定值比较得到偏差e，并进行一定运算得到控制信号P，P送到调节阀，调节阀依据控制信号p产生一个控制作用9；9作用到对象上又去影响被控参数。信号传递过程为y→→e→→9→：从信号传递的角度来看，形成了-个闭合回路，称为控制回路或闭环系统。控制系统的输出参数也就是被控参数y，要通过显示仪表显示在工艺过程中，但它同时经过测量变送器又回到系统的输入端与给定值相比较。这种把系统的输出信号以一·定力式又引回到输人端叫做反馈。控制回路就是通过反馈作用形成的。从图1.4还可以看到，在反馈信号之旁有一个负号“”，而在给定值信号r旁有个正号“十”，这表示两个信号通过比较机构进行比较时作用方向相反，控制器的偏差e一，，通常称这种反馈作用为“负反馈”。若反馈信号与系统的输人信号作用方向相同，即比较结果是两个信号之和，即偏差e一十时，则称为“正反馈”。在自动控制系统中，目的是为了消除偏差稳定输出，总是要求引人负反馈。例如前面介绍的水池，被控参数液位受到千扰而波动，如偏高，即z>r，e一一<0，控制器发出信号，使装在进水管的调节阀关小，水池液位下降，直至=工，即e=一2=0，调节作用停止，系统保持稳定。负反馈在定值调节的特定情况下也可以这样简单理解，偏差是给定值与测量值之差，自动调节的日的是使偏差为零，只有给定值和测量值做减法才能实现。闭环系统正是利用负反馈获得的4
偏差进行调节，使系统达到稳定。否则，如果引用了正反馈，e一十Z，只要被控参数稍微有点变化，控制作用不仅不能克服干扰的影响，反而助长干扰作用，破坏正常生产，因此自动控制系统必须构成负反馈回路，决不能单独采用正反馈，在自动控制系统中，有一点要注意。一般规定偏差值e=无一之。但在仪表制造部门，习惯上是取偏差e=一e=一。就是说在仪表校验时常把>称为正偏差，<称为负偏差。在各种自动控制系统中，测量变送装置的形式多种多样，它们能够敏感各种物理量（例如敏感温度、压力、力矩和加速度等），并有传送信号的作用。所以，这些敏感装置也叫做传感器。各种传感器在自动控制系统中都起著十分重要的作用。有了稍确的传感器做基础，就容易组成各种不同用途的自动控制系统。因此，研究和发展各种新型传感器，是掩好自动控制系统最重要的基础工作。多了解各类传感器的作用，也有助于灵活运用自动控制系统。除了传感器之外，控制器的发展也起着很重要的作用，微型计算机和微处理器的发展，已经使它们成为现代控制系统中不可缺少的组成部分。计算机就是更完善的控制器。1.1.3自动控制系统的分类自动控制系统的分类方法很多，其中最基本的分类方法有如下两类1.1.3.1按给定值的形式不同分类（1）定值控制系统定值控制系统的特点是给定值恒定。生产工艺中要求控制系统的被控参数保持在··个技术指标上，这个技术指标就是给定值。在生产过程中大多数是这种类型的系统。当然，有时根据工艺要求，给定值也可以从某一值改变到另一值。（2）随动控制系统这类系统的特点是给定值在不断地、任意地变化，并要求系统的输出跟着变化。它的主要作用是克服一切扰动，使被控量随时跟踪给定值。随动系统也称跟踪系统。（3）程序控制系统这类系统的给定值也是变的，但它是按一定的时间程序变化。如水处理工艺中滤池的反冲洗过程控制就是这类系统。程序控制系统的给定值可用特定的乃轮或曲线板来实现，图1.6就是一个例子，图1.6（α）曲线是工艺要求的参数变化规律，图1.6（b）是特定凸轮TI(b)(a)图1.6程序给定示意图（a）时间程序曲线：（6）时间想序给定凸轮5