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1、水工艺仪表与控制,给水排水工程专业,第一章 自动控制基础知识,1.1 自动控制系统的作用与构成,一、 自动控制系统的概念,1 自动控制：在人不直接参与的情况下，利用外加的设备或装置使整个生产过程或工作机械（被控对象）自动地按预定规律运行，或使其某个参数（被控量）按预定要求变化。,组成：测量元件 比较元件 调节元件 执行元件,2 水位自动控制系统,图1.1 水位自动控制系统示意图,进水,阀门,出水,电位器,放大器,电动机,浮子,连杆,水池,减速器,要求水位,实际水位,3 方框图,方框图：控制系统的元件作用图。 图中每一个方框表示组成系统的一个部分（如元件或设备），称之为环节，用带箭头的直线表示信
2、号的相互联系和传递方向。,水位自动控制方框图,放大元件,调节元件,执行元件,控制对象,测量元件,比较元件,给定量,被控量,（控制对象部分）,（控制器部分）,扰动作用,图1.2 水位自动控制方框图,被控量输出量给定量输入量 给定输入：决定系统输出量的变化 规律或要求值 扰动输入：系统不希望的外作用,自动控制系统,（给定量）,输出量,（被控量）,输入量,输入量,（扰动作用）,图1.3 控制系统简图,4 自动控制系统的工作原理、主要特点,（1）工作原理：当被控量偏离给定要求值时，测量元件测得被测量或经物理量变换后由比较元件将其给定值比较得出偏差，根据偏差大小，经放大、调节、执行等元件后产生控制作用，
3、控制作用使被控量回复到或趋近于要求值，从而使偏差消除或减小。,（2）主要特点：从信号传送来看，输出量经测量后回送到输入端，回送的信号使信号回路闭合，构成闭环，即为负反馈。从控制作用的产生看，由偏差产生的控制作用使系统沿减少或消除偏差的方向运动。偏差控制,二、 自动控制系统的构成,整定元件：给出被控量应取的值。测量元件：检测被控量的大小传感器比较元件：用来得到给定值与被控量之间的误差。放大元件：将误差信号放大。执行元件：执行控制命令，推动被控对象。校正元件：改善系统的动、静态性能。能源元件：提供控制系统所需的能量。,专业术语,被控量和控制量对象系统扰动,三、 自动控制系统的分类,1 闭环控制,比
4、较、计算,执行,受控对象,被控量,干扰,给定量,测量,图1.4 闭环控制框图,2 开环控制,（1）按给定值控制,计算,执行,受控对象,被控量,干扰,给定量,图1.5 开环控制框图,计算,执行,受控对象,被控量,干扰,给定量,图1.5 开环控制框图,（2）按干扰补偿,计算,执行,受控对象,被控量,测量,干扰,图1.6 按干扰补偿框图,3 复合控制,计算,执行,受控对象,被控量,计算,干扰,测量,测量,给定值,图1.7 复合控制框图,1.2 传递函数与环节特性,一、比例环节,其传递函数为：,特点：当输人信号变化时，输出信号会同时以一定的比例复现输入信号的变化。,x(t),A,y(t),A,A,KA
5、,图1.8 比例环节动态特性,二、一阶环节,特点：当输入信号x(t)作阶跃变化后，输出信号y(t)立刻以最大速度开始变化，曲线斜率最大，而后变化速度开始放慢，并越来越慢，经过相当长的时间后，逐渐趋于平直，最后达到一个新的稳定状态。,其传递函数为：,图1.9 一阶非周期环节反应曲线,三、积分环节,特点：当这些环节的输入信号作阶跃变化时，它们的输出信号将等速地一直变化到最大或最小。,其传递函数为：,x(t),y(t),0,t,A,t,0,图1.10 阶跃输入积分环节反应曲线,四、微分环节,特点：在信号加入瞬间变化速度极大，所以微分环节的输出信号也极大。一般采用等速信号作为输入信号，即 (常数)。在
6、这种情况下微分环节的输出y(t)TdM，,其传递函数为：,图1.11 等速信号微分环节反应曲线,五、纯滞后环节,特点：当输入信号产生一个阶跃变化时，它的输出信号既不是立刻反映输入信号的变化，也不是慢慢地反映，而是要经过一段纯滞后时间以后才等量地复现输人信号的变化。,其传递函数为：,Qi(t),Qi(t),0,t,t,0,图1.12 纯滞后环节反应曲线,1.3 自动控制系统的过渡过程及品质指标,一、典型输入信号,t,r(t),0,(a)阶跃函数,t,r(t),0,t,r(t),0,t,r(t),0,(b)速度函数,(c)加速度函数,(d)脉冲函数,a,at,at2,1/,不同的函数表示不同的输入
7、信号:,二、自动控制系统的静态与动态,系统的静态：被控参数不随时间变化的状态系统的动态：被控参数随时间变化的状态,三、过渡过程,定义：系统在动态过程中被控量不断变化，这种随时间而变化的过程称为自动控制系统的过渡过程。,实质：系统由一个平衡状态过渡到另一个平衡状态的过程。,典型的过渡过程,(a)单调过程：这是一种非周期过程，被控变量在某一侧偏离给定值后经过相当的时间又慢慢地接近给定值。,（a）,（b）,(b)衰减振荡过程：被控变量在给定值附近上下波动但振幅逐渐减小，最终能回到给定值。,给定值,给定值,(a) (b)稳定的过渡过程,C(t),C(t),（d）,（c）,(c)等幅振荡过程：被控变量在
8、给定值附近上下波动且振幅不变，最终也不能回到给定值。,(d)发散振荡过程：被控变量在给定值附近来回波动，且振幅逐渐变大，偏离给定值越来越远。,给定值,给定值,C(t),C(t),t,C(t),给定值,(e)非周期发散过程：被控变量在给定值的某一侧，逐渐偏离给定值，而且随时间t的变化，偏差越来越大，永远回不到给定值。,（e）,(c) (d) (e) 不稳定的过渡过程,四、品质指标,（1）要求系统的动态过程“稳”、“快”、“准”,（2）过渡过程的5个品质指标,最大偏差A过渡时间ts余差C衰减比振荡周期Tp,图1.13 定值系统的过渡过程,y,1.4 自动控制的基本方式,控制系统的控制方式：控制器接
9、受了偏差信号以后，它的输出信号的变化方式。,被控对象,控制器,f,u,c,r0,e,c,图1.14 控制系统方框图,实质：控制器的输入信号e(t)与其输出信号u(t)之间的关系，即 u(t)=f e(t),基本控制方式,位式控制比例控制积分控制微分控制,一、位式控制,1 双位控制,图1.15 双位控制原理图,（a） 水池液位控制示意图,（b） 双位控制电路图,双位控制在给排水工程中采用普遍，如:水池、水箱的液位控制，实验室恒温箱的温度控制等。,双位控制的特点：控制器只有最大和最小两个输出值，执行器只有“开”和“关”两个极限位置。被控对象中物料量或能量总是处于不平衡状态，被控变量总是剧烈振荡，得
10、不到比较平衡的控制过程。,控制器的输出可以增加一个中间值，即当被控变量在某一个范围内时，执行器可以处于某一中间位置，以使系统中物料量或能量的不平衡状态得到缓解。三位控制,2 多位控制,50,100,0,e,u,图1.16 三位控制器特性示意图,二、比例控制,定义：使被控量的偏差量与调节阀的开关量对应起来，如图1.15所示的系统，当液面高于给定值Lo后，阀门不是全关，而是关小，液面越高，阀关得越小；反之液面低于给定值Lo，阀也不是全开，而是开大，液面越低，阀开得越大。例如，液面低于给定值Lo的10时，则调节信号也能使阀门开大10。这样当对象负荷变化时，调节作用就会与之相适应。这种控制器的输出与被
11、控量的偏差值成比例的调节方式称为比例控制，又称P控制。,举例：浮球阀液位控制系统,图1.17 简单的比例调节系统示意图,三、比例积分控制,积分环节的特性是当有输入信号存在时，其输出就会一直积累下去，直到极值。利用积分环节构成的控制器就叫积分控制器。在自动控制系统中只要被调参数有偏差，积分控制器就会为消除这个偏差继续控制。控制系统中设置的控制作用都要大于干扰的作用，因此积分控制器就一定可以克服偏差，直到偏差为零时，控制的过渡过程才停止。,一个既具有比例作用又有积分作用的调节器称为比例积分调节器。它是在比例作用的基础上，又引入了积分作用。两者之间的关系是比例加积分。,E,Pp,0,t,A,t,0,
12、P1, P,0,t,A,t,0,(a)阶跃干扰输入,(b)比例输出,(c)积分输出,(d)比例加积分输出,KcA,KcA,Ti,KcA,KcA,Ti,比例积分作用的特性可理解为：比例粗调和积分细调的组合。,四、比例积分微分控制,微分控制规律是根据被调参数的变化趋势即变化速度而输出控制信号，具有明显的超前作用。它是根据偏差的变化速度而引入的控制作用，只要偏差的变化一露头，就立即动作，这样控制的效果将会更好。输入变化越快，输出的值越大。微分控制器不能独立作为控制器使用，因为偏差固定不变时，微分作用停止，控制器不起作业。,比例微分调节器的特点是具有超前作用的调节规律。它既有和偏差大小成比例的调节作用
13、，又有和偏差变化率成比例的微分作用，有利于克服干扰，降低最大偏差，因此，当对象时间常数T。较大时，常用比例微分调节器。,比例积分微分控制（PID）：是比例、积分、微分三种控制规律组合。以比例作为基本控制规律，以微分的超前作用克服容量滞后、测量滞后，以积分作用消除余差。在容量滞后大而又要消除余差的场合广泛使用。,5 控制方式的选择6 控制参数整定,1.5 双位逻辑控制系统,一、逻辑代数初步1 逻辑代数的基本运算(1)单变量运算,表示“相等”、“相同”，表达式为：,“是”函数可用常开开关符号代表：,a“是”函数,设逻辑变量a，函数S。有如下运算：,b“非”函数,“非”函数的基本性质如下：,“非”函
14、数可用常闭开关符号代表：,“反置”运算，表示“相反”、“否定”，表达式为：,(2) 双变量(多变量)运算,设变量“a、b、c、d”，函数S，有如下运算：,a“与”函数,又称“逻辑乘”，表示“同时”、“共同 ” 表达式为：,等价于两个常开开关串联：,基本性质：,置换律：,结合律：,几个特殊关系：,当有n个变量时，“与”函数可表示为：,上述性质均成立,b“或”函数,又称“逻辑加”，“选一”、“取一”之意，表达式为：,等价于两个常开开关并联：,置换律：,结合律：,几个特殊关系：,基本性质：,当有n个变量时，“与”函数可表示为：,上述性质均成立,2 逻辑代数基本规则,(1)分配律,逻辑乘对于逻辑加的分
15、配律,逻辑加对于逻辑乘的分配律,(2)吸收律,(3)反置关系,3 逻辑关系式的简化,以图1.18电路为例，对应的逻辑关系式为：,图1.18 简单的比例调节系统示意图,根据前述逻辑代数运算规则，可以简化为:,等效、简化前后的电路分别如（a），（b）所示：,（a） 原始电路图,（b） 简化电路图,t,u,r,s,+,-,二、真值表,真值表是研究因果问题的一种表格形式在表中把各种因素全部考虑进去，然后研究其结果。,一个逻辑问题若有n个变量，在真值表中就有(n1)列，其中包括n列变量和1列结果；横向有2n项（行），每2项（行）反映一个变量的取值变化(0或1)。,每一项（行）最后，根据要求在结果列中给出
16、相应逻辑表达式的取值，满足结果的项为 “1”，不满足结果的项为“o”，不确定项不填或以“”表示。,举例：,例1：“非”函数的真值表,例2：“是”函数的真值表,例3：“与”函数的真值表,例4：“或”函数的真值表,三、卡诺图,卡诺图：就是按一定规则画出的方块图。,图中一个方块就代表变量的一种取值情况，和真值表类似，有n个逻辑变量，在卡诺图中就有2n 个格。,a a,a b a b a b a b,a b c a b c a b c a b ca b c a b c a b c a b c,0,1,0,1,00,01,11,10,a,0,1,b,ab,0,1,c,图1.19 单变量 卡诺图,图1.2
17、0 双变量 卡诺图,图1.21 三变量 卡诺图,a,利用卡诺图，可以简化已知的逻辑表达式。,将逻辑关系式或真值表中的各项对应地填入图中标为“1”，余下的空格填“0”；,按每个合并块尽量大的原则，以卡诺图中每一个合并块为一项，各项之间以逻辑加符号相连，就可得到最简的逻辑表达式;,每一项中变量的符号(以变量a为例)：如该变量取值发生了变化(合并块中该变量分别出现了0和1)，则该变量消去不写；如该变量取值恒为1，则保留，记为a;如该变量取值恒为0，则保留，记为a。,更一般地，在有n个变量的卡诺图中(2n个格)，若有2k个相邻格( kn)的值为1，则可简化为含(n-k)个变量的逻辑表达式。这些相邻格应
18、是偶数个，且是对称的。,当相邻的偶数个格(对称的)皆为“1” 时，就可将之合并简化为逻辑表达式的一项，其中变量之间为逻辑乘关系，其余“0”项不考虑;,基本方法：,例1：简化,最终的简化逻辑表达式为：,ab,c,四、双位逻辑系统的结构与实现方法,1 逻辑系统的结构,两种结构形式：组合式和记忆式。,设有一个双位系统，输人为n个变量的变量组E(e1、e2en)，输出为m个参数组成的参数组S(s1、s2sm)，由输入到输出经过了运算过程F(如图)。,若任一时刻，在输出与输入之间有一一对应的关系：SF(E)。则将该逻辑系统称为组合式系统。反之，若在某一时刻，系统的输出不仅与输入变量有关，还与系统内部的当
19、前状态有关。则这种逻算系统就称为有记忆的系统。,图1.22 组合式系统,举例：,图1.23 水泵运行过程分析,参数,阶段,m,a,M,1,2,3,4,5(1),一台水泵，由按钮m 和a来控制它的运行。当m动作一下，水泵启动，当a动作一下，水泵停止。水泵的运转状态就是系统的输出，用M表示，运行为1，停止为o；按钮m 和a就是两个输入变量，动作(按下状态)为1，不动作(弹起状态)为o。,2 逻辑功能的实现方法,逻辑系统中的变量只有两种取值：0和l，分别代表两种状态。这种逻辑变量又称为开关量，可以由多种技术方法实现。,对于有记忆的逻辑系统，要增加记忆单元，可以由计算机的工作程序容易地实现，也可以由各
20、种常规电器元件实现，如常用的交流接触器、继电器，就是通过电磁技术实现记忆功能的装置。,气动技术：气压的高、低；液动技术：液体的通、断；电子技术：利用二极管PN结的单向导通特性，改变其两端电压的高低,即可实现通、断两种状态。,3 常规逻辑控制常用元件及符号,常规逻辑控制系统是由电器元件等装置组合起来进行工作的系统。常用的元件有开关、熔断器、继电器、接触器等。,(1) 开关,（a） 单极开关,（b）双极开关,（c）常开开关,（d）常闭开关,图1.23 常用开关符号,(2) 熔断器,熔断器的作用是在电流过大时断开电路，保护设备安全。熔断器的图形符号见图。,图1.24 熔断器图形符号,(3) 继电器,
21、常见的继电器有电磁继电器、热继电器和时间继电器等。,图1.25 电磁继电器结构图,热继电器是将两片热膨胀系数不同的金属片复合在一起，当热继电器通过电流过大时金属片受热变形，使常闭触点断开常开触点闭和。热继电器一般用作过流保护装置。,时间继电器的结构与电磁继电器相似，只是用各种办法，使衔铁在线圈通电或断电瞬间不能立即吸合或不能立即释放，达到使触点延时断开或延时闭合的作用。,五、逻辑控制系统的建立,例2 水泵的开停控制,0 0 0 11 0 0 1,00,01,11,10,ma,0,1,Mt-1,逻辑表达式：,真值表,采用交流接触器可以简单地实现该逻辑表达式的内容。以X代表交流接触器的线圈，它的通断就代表了水泵的运行与停止； Mt-1用交流接触器的一个常开触点代替，用x表示，一旦X导通，就有x动作(闭合)，可以代表水泵的运行状态(开、停)；m、a分别为常开、常闭按钮开关。于是有：,相应的控制线路如图：,1.6 控制科学与技术的发展,一、计算机控制系统的组成,图1.26 计算机控制系统,二、智能信息处理技术,智能控制系统的基本功能特点容错性多模态性全局性混合模型和混合计算学习和联想记忆能力动态自适应性组织协调能力,
