《過(guò)程控制系統(tǒng)》PPT課件.ppt

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1、過(guò)程控制系統(tǒng) 第一章 緒論 2 3 4 5 6 第二章 被控過(guò)程的數(shù)學(xué)模型 2 3 第三章 單回路控制系統(tǒng)設(shè)計(jì) 2 3 4 5 第四章 串級(jí)控制系統(tǒng) 2 3 4 5 第五章 前饋及復(fù)合控制系統(tǒng) 2 第六章 時(shí)間滯后控制系統(tǒng) 2 3 第七章 其它過(guò)程控制系統(tǒng) 2 3 4 第八章 過(guò)程控制中的計(jì)算機(jī)應(yīng)用 2 3 4 1-1 課程的性質(zhì)和教學(xué)安排 凡是采用數(shù)字或模擬控制方式對(duì)生產(chǎn)過(guò)程的某一或 某些物理參數(shù)進(jìn)行的自動(dòng)控制通稱為過(guò)程控制。 (另有電 力拖動(dòng)控制方向 ) 1、過(guò)程控制的概念 2、過(guò)程控制

2、是自動(dòng)化專業(yè)的主要內(nèi)容之一 第一章 緒論 1.2 1.3 1.4 1.5 1.6 3、教學(xué)安排 4、主要參考書 (1)、過(guò)程控制工程，馮品如，輕工業(yè)出版社 (2)、過(guò)程控制與自動(dòng)化儀表，侯志林， 機(jī)械工業(yè)出版社 (3)、微型計(jì)算機(jī)控制技術(shù)， 于海生， 清華大學(xué)出版社 (1)、學(xué)時(shí)、實(shí)驗(yàn)情況 (2)、內(nèi)容安排 (2)、從實(shí)際應(yīng)用看 (1)、從專業(yè)特點(diǎn)看 返回 生產(chǎn)過(guò)程自動(dòng)化是保持生產(chǎn)穩(wěn)定、降低 消耗、減少成本、改善勞動(dòng)條件、保證安全 和提高勞動(dòng)生產(chǎn)率重要手段，一直起著極其 重要

3、的作用。其發(fā)展經(jīng)歷了以下幾個(gè)方面： 1、初期階段 (30 40年代 ) 2、簡(jiǎn)單儀表化階段 (40 60年代 ) 3、綜合自動(dòng) 化階段 (60 70年代中期 ) 4、全盤自動(dòng)化 (及智能化 )階段 (70年代 中期自今 ) 1-2 過(guò)程控制的發(fā)展概況 1-3 過(guò)程控制的特點(diǎn) 及計(jì)算機(jī)的作用 過(guò)程控制的目的：保持過(guò)程中的有關(guān)參數(shù)為一 定值或按一定規(guī)律變化。 1、被空對(duì)象的 多樣性 2、對(duì)象特性的 難辨性 白色系統(tǒng)、黑色系統(tǒng)、灰色系統(tǒng)的概念 3、普遍存在 滯后 4、特性往往具有 非線性 ： 如間歇

4、式加溫、齒輪運(yùn)動(dòng)等。 5、計(jì)算機(jī)在過(guò)程控制中的地位和作用 計(jì)算機(jī)的應(yīng)用不僅促進(jìn)了現(xiàn)代控制理論的發(fā)展， 而且也推動(dòng)了自動(dòng)化向深度與廣度進(jìn)軍，使生產(chǎn)自 動(dòng)化提高到更高的水平。甚至在向智能化的方向大 步邁進(jìn)。 微型計(jì)算機(jī)控制生產(chǎn)過(guò)程，按不同的控制目的， 可分為兩類：一是 數(shù)據(jù)檢測(cè) 處理，二是形成 微機(jī)控 制 系統(tǒng)。 微機(jī)控制在提高產(chǎn)品質(zhì)量、保證安全運(yùn)行、減 少原料和能量消耗、控制和減少環(huán)境污染、提高企 業(yè)的管理水平方面正在并將發(fā)揮越來(lái)越重要的作用。 1-1典型單回路控制系統(tǒng) 一、系統(tǒng)組成 1-4 過(guò)程控制的組成及術(shù)語(yǔ) 1、控制原理 (如下圖 ) 以液體儲(chǔ)槽的水

5、位控制為例進(jìn)行說(shuō)明。 液位變送器 液位控制器 執(zhí)行器 2、系統(tǒng)方塊圖 3、主要組成部分 (1)、被控對(duì)象： 生產(chǎn)過(guò)程中被控制的工藝設(shè)備或裝置。 (2)、檢測(cè)變送單元： 儀表課中已做介紹。 (3)、控制器： 實(shí)時(shí)地對(duì)被控系統(tǒng)施加控制作用。 (4)、執(zhí)行器： 將控制信號(hào)進(jìn)行放大以驅(qū)動(dòng)控制閥。常見的 有氣動(dòng)和電動(dòng)兩種。 (5)、控制閥： 控制進(jìn)料量。有氣開式和氣關(guān)式之別。 1、 被控對(duì)象 (簡(jiǎn)稱對(duì)象或過(guò)程 )：前已述及。 2、 被控參數(shù)： 按照生產(chǎn)過(guò)程要求，某些變量應(yīng)該維 持在穩(wěn)定的變化范圍內(nèi)，如果對(duì)其施加控制作用， 就稱 二、常用術(shù)語(yǔ) ： 凡

6、是影響被控量的各種作用均叫做干擾或擾 動(dòng)。分內(nèi)干擾和外干擾。 (內(nèi)干擾如原料成分變化等。 ) 4、控制參數(shù) ： 即調(diào)節(jié)介質(zhì)。如儲(chǔ)水槽液位控制系統(tǒng)的給 水量。 5、測(cè)量值： 被控變量經(jīng)檢測(cè)變送后即是測(cè)量值。 6、給定值 ：即被控變量的設(shè)定值。 7、偏差值： 準(zhǔn)確地說(shuō)，應(yīng)是被控量的給定值與實(shí)際值之 差。但能夠直接得到的信號(hào)是被控量的測(cè)量值，故通常把給定 值與測(cè)量值之差稱作為偏差。 8、調(diào)節(jié)器輸出： 根據(jù)偏差值、經(jīng)一定算法得到的輸出值。 調(diào)節(jié)器輸出亦稱控制作用。 3、干擾 : 其為被控參數(shù)。如溫度、壓力、流量、液位、成分等。 有常規(guī)控制系統(tǒng)、計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)。 一、一般分

7、類 1、按工藝參數(shù)分類： 有溫度控制系統(tǒng)、壓力控制系統(tǒng)、流量控制系 統(tǒng)、成分控制系統(tǒng)、物位控制系統(tǒng)等。 2、按系統(tǒng)的任務(wù)分類： 有比例控制、均勻控制、前饋控制等。 3、按自動(dòng)化裝置的不同分類： 1-5 過(guò)程控制系統(tǒng)的分類 5、按是否形成閉合回路分類： 是工業(yè)生產(chǎn)過(guò)程中應(yīng)用最大的一種過(guò)程控制系統(tǒng)。 在運(yùn)行時(shí)，系統(tǒng)被控量的給定值是不變的。有時(shí)根據(jù)生 產(chǎn)工藝要求，被控量的給定值保持在規(guī)定的小范圍附近 波動(dòng)。 二、按設(shè)定值形式分類 4、按控制器的動(dòng)作分類： 有 1、定值控制系統(tǒng) P PI PID 位式 、 。 2、隨動(dòng)控制系統(tǒng) 其給定值按預(yù)定的時(shí)

8、間程序來(lái)變化。如機(jī)械工業(yè) 中的退火爐的溫度控制系統(tǒng)，其給定值是按升溫、 保溫、 逐次降溫等程序變化的。家用電器中應(yīng)用定 值控制系統(tǒng)的也很多，如電腦控制的洗衣機(jī)、電飯煲 等。 是一種被控量的給定值隨時(shí)間任意變化的控制 系統(tǒng)。它的主要作用是克服一切擾動(dòng)，使被控量隨 時(shí)跟蹤給定值。 3、程序控制系統(tǒng) 1、遞減比 2 1 B Bn 見圖 一般認(rèn)為， n:1=4:1時(shí)穩(wěn)定性好，但溫度等慢變化 過(guò)程約取 10:1為好，應(yīng)根據(jù)實(shí)際情況靈活處理。 2、衰減率 n/11BB1B BB 2 1 1 21 是衡量過(guò)度過(guò)程穩(wěn)定性的一個(gè)動(dòng)態(tài)指標(biāo) (于遞減比 含義相同 ).一般取

9、 =0.75 0.9。 1-6 控制系統(tǒng)的質(zhì)量指標(biāo) 見圖 3、動(dòng)態(tài)偏差（亦即超調(diào)量） 為被控量偏離穩(wěn)定值或設(shè)定值的最大偏差值。 其它課程已做介紹，不再詳述。 4、調(diào)節(jié)時(shí)間、靜態(tài)偏差（即余差） 見以下兩圖中的 C。 返回 1。數(shù)學(xué)模型的有關(guān)概念 2-1 概述 數(shù)學(xué)模型 :指過(guò)程在各輸入量的作用下，其相應(yīng)輸出 量變化的函數(shù)關(guān)系數(shù)學(xué)表達(dá)式。 干擾 :內(nèi)干擾 ---調(diào)節(jié)器的輸出量 u(t)； 外 干擾 ---其余非控制的輸入量。 通道 :輸入量與輸出量間的信號(hào)聯(lián)系。 第二章 被控過(guò)程 的數(shù)學(xué)模型 2.2 2.3 擾動(dòng)通道 --擾動(dòng)作用與被控量間

10、的信號(hào)聯(lián)系。 2。研究并建立數(shù)學(xué)模型的目的 (1)、設(shè)計(jì)過(guò)程控制系統(tǒng)、整定調(diào)節(jié)器參數(shù)。 (2)、指導(dǎo)生產(chǎn)工藝設(shè)備的設(shè)計(jì)。 (3)、進(jìn)行仿真實(shí)驗(yàn)研究。 (4)、培訓(xùn)運(yùn)行操作人員。 3。單輸入 -單輸出過(guò)程的常見模型 (1)、線性時(shí)間連續(xù)模型 (2)、 線性時(shí)間離散模型 4。有 /無(wú)平衡能力的概念 (參見圖 1 2 ) 控制通道 --控制作用與被控量間的信號(hào)聯(lián)系； 一。自衡過(guò)程的數(shù)學(xué)模型 自衡的定義 ： 對(duì)象受到干擾作用后，平衡狀態(tài) 被破壞 ，無(wú)須外加任何控制作用，依靠對(duì)象本身自動(dòng) 平衡的傾向，逐漸地達(dá)到新的平衡狀態(tài)的性質(zhì)，稱為 平衡能力。 (一 )、單容過(guò)程

11、的數(shù)學(xué)模型 1、單容過(guò)程的定義： 只有一個(gè)儲(chǔ)蓄容量的過(guò)程。 如下頁(yè)圖所示。 2-2 機(jī)理分析法建模 過(guò)程演示 返回 討論： (1)、靜態(tài)時(shí)， q1=q2=dh/dt=0 ; (2)、 當(dāng) q1變化時(shí) h變化 q2變化。 經(jīng)線性化處理，有 )62.... .( dt hd A dt dV qq )52.(.... .......... ...... dt dh Aqq 21 21 )72.(. . . . . . . . . .. . . . . . . . . . R hq 2 2 其中， R2為閥門 2的阻力，稱為液

12、阻或流阻。 2、參量關(guān)系分析 3、建立數(shù)學(xué)模型 )) .... .. .. (s(A s H R )s(H )s(Q dt hd A R h q 2 2 1 由式 (*)可畫出框圖 如圖 所示。即 AsR2H(s)+H(s)=R2Q1(s) , 故 )82. . . . . . (. . . . . . . . . .!sT K1sAR R)s(Q )S(H)s(W O O 2 2 1 O 式中， TO=AR2=R2C ,C為容量系數(shù) (或容量 )。 由式 (2-6)和式 (2-7)，有 2-2 (1)、容量 C

13、 含義：生產(chǎn)設(shè)備和傳輸管路都具有一定的儲(chǔ)蓄物質(zhì) 或能量的能力。被控對(duì)象儲(chǔ)存能力的大小，稱為容量或 容量系數(shù)，其意義是：引起單位被控量變化時(shí)，被控過(guò) 程儲(chǔ)存量變化量。 4、容量和阻力的概念 返回 1、純滯后的概念 純滯后是普遍存在的，如下頁(yè)圖所示。 )92( e 1sT K )s(Q )s(H )s(W )t(qKh dt hd T s 0 0 1 0 0100 0 種類：有電容、熱容、氣容、液容等等。 (2)、阻力 概念：凡是物質(zhì)或能量的轉(zhuǎn)移，都要克服阻力， 阻力的大小 決定于不同的勢(shì)頭和流率。 種類：

14、電阻、熱阻、氣阻、流 (液 )阻。 2、數(shù)學(xué)模型 (二 )、具有純滯后單容過(guò)程的數(shù)學(xué)模型 純滯后單容過(guò)程及其響應(yīng)曲線 無(wú)純滯后 有純滯后 (三 )、多容過(guò)程的數(shù)學(xué)模型 1、多容過(guò)程 是工業(yè)生產(chǎn)中常見的，如下兩圖。 2-5 2、三容過(guò)程的微分方程模型 : 如式 (2-10) )102( R h q dt hd Cqq R h q dt hd Cqq R h q dt hd Cqq 3 3 3 3 332 2 2 2 2 221 1 1 1 1 11 3、三容過(guò)程的方框圖 由式 (2

15、-10)的拉氏變換，可得圖 2-6。 4、三容過(guò)程的數(shù)學(xué)模型 由圖 2-6，應(yīng)用自控理論即可獲得其模型。 二、無(wú)自衡過(guò)程的數(shù)學(xué)模型 無(wú)自衡過(guò)程的概念：如下圖。 (一 )、單容過(guò)程的數(shù)學(xué)模型 1、參量關(guān)系分析 在自衡過(guò)程 (圖 2-7)下，有 dt hdCqq 21 圖 2-8 返回 而在無(wú)自衡過(guò)程 (圖 2-8)下，因 q2=0，故 1qdt hdC 2、傳遞函數(shù) )162.(..... .....e sT 1 )s(Q )s(H )s(W ) ..152..(..... .......... .......... ..... sT 1

16、)s(W s 01 0 0 0 0 或 二容、 三容過(guò)程形式： 如圖 2-9、圖 2-10所示。 (二 )、多容過(guò)程的數(shù)學(xué)模型 對(duì)正常生產(chǎn)影響小。轉(zhuǎn)換成階躍響應(yīng)的方法如下圖。 一、響應(yīng)曲線法 問題的提出： 大多數(shù)工業(yè)過(guò)程的機(jī)理模型是很 難建立的，只有采用實(shí)驗(yàn)建模。 是一種時(shí)域法辨識(shí)對(duì)象的動(dòng)態(tài)特的方法。 (一 )、階躍擾動(dòng)法測(cè)定對(duì)象的響應(yīng)曲線 實(shí)驗(yàn)時(shí)往往會(huì)對(duì)正常生產(chǎn)造成影響。 (二 )、矩形脈沖法測(cè)定對(duì)象的響應(yīng)曲線 2-3 試驗(yàn)法建模 ---過(guò)程辨識(shí) 將矩形脈沖看成正負(fù)兩個(gè)等幅的階 躍信號(hào)，據(jù)此而得到輸出的階躍 響應(yīng)。即 轉(zhuǎn)換的思路

17、是： x(t)=x1 (t)+ x2(t) (見圖 2-11上 ) =x1 (t)- x1(t-a) (2-20) 則 y*(t)=y(t)-y(t-a) 或 y(t)= y*(t) y(t-a) (2-21) 用式 (2-21)進(jìn)行 轉(zhuǎn)換的過(guò)程如圖 2-11中部 (有自衡 過(guò)程 )和下 部 (無(wú)自衡 過(guò)程 )。 (三 )、由階躍響應(yīng)曲線確定過(guò)程的傳遞函數(shù) 多數(shù)過(guò)程的數(shù)學(xué)模型表達(dá)式如 P19所示。 1、確定一階慣性環(huán)節(jié)的參數(shù) 中：在 ...1sT K)s(W. . . . o o o (1)、放大系數(shù)

18、 )302. . . . . (x )0(y)(yK 0 0 (2)、時(shí)間常數(shù) a、 切線法：如右圖 。 b、 圖解法（半對(duì)數(shù)法）： P20-21及下圖 圖 2-12 階躍響應(yīng)曲線 通過(guò) P20-21的分析，得 斜率為： 圖 2-13 0 BC BA T 1 303.2 1 tt ZlgZlg t g a BA 0 ZlgZlg BC 303.2 1T..... 則 2、確定有時(shí)滯的一階慣性環(huán)節(jié)的參數(shù) 圖 2-14 (2)、圖解法：如 下 圖 2-14 b)。 (1)、 切線法：如 下 圖 2-14 a)。 0和 T0的 經(jīng)驗(yàn)公式為式 (2-36) (

19、詳見涂植英教材 )。 1k 2-15 )1sT)(1sT( K)s(W 21 3、二階慣性環(huán)節(jié)的參數(shù) 響應(yīng)曲線如圖 2-15 所示 。 21 T/t 12 2T/t 12 1 e TT Te TT T1)t(y (1).形式 : （ 假設(shè) K=1) 則其單位階躍響應(yīng)特性方程為 (2).求解 由拐點(diǎn)處， 0dt )t(yd 2 2 得 2 1 21 21 1 T Tln TT TTt )TT/(T 2 1 12 1)TT/(T 2 1 12 2 ...... 11 1...... 12 2 1 122121 ) T T ( TT T ) T T ( TT T )a

20、48472 e TT T e TT T )t(y1AF1AB 、由式（ ))TT()TT(TT 1)t(yt a n )TT/(T 2 1)TT/(T 2 1 12 tt 122121 1 由圖可見 拐點(diǎn) A處的斜率為 BC=T2-T1, AE=f(T2/T1) 由圖還有： t a ntEA,t a n/ABBC 1 整理后可得有關(guān)計(jì)算表格 (P23表 2-2)。 第三章 單回路 3.2 3.3 3.4 3.5 控制系統(tǒng)設(shè)計(jì) 1、典型例子： 見下圖 一、系統(tǒng)的基本結(jié)構(gòu) 單回路控制系統(tǒng)又稱為簡(jiǎn)單控制系統(tǒng)。雖然簡(jiǎn) 單，但應(yīng)用較廣；過(guò)程控

21、制的基本概念主要是在本章 建立的。因此，本章內(nèi)容無(wú)疑是重點(diǎn)之一。 3-1 概述 液位變送器 液位控制器 執(zhí)行器 2、系統(tǒng)方框圖 3、特點(diǎn) 最簡(jiǎn)單、最基本；應(yīng)用最廣泛、最成熟。 是各種復(fù)雜控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)和參數(shù)整定的基礎(chǔ)。 適用于被控對(duì)象滯后時(shí)間較小，負(fù)載和干擾不 大，控制質(zhì)量要求不很高的場(chǎng)合。 二、 過(guò)程控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)的要求 1、安全性 2、穩(wěn)定性 3、經(jīng)濟(jì)性 三、 過(guò)程控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)步驟 1、建立被控過(guò)程的數(shù)學(xué)模型 2、選擇控制方案 3、選擇控制設(shè)備型號(hào)規(guī)格 4、實(shí)驗(yàn)（與仿真） 四、控制系統(tǒng)的工程考慮 包括儀表（微機(jī)）選型、控制室和儀表盤

22、設(shè)計(jì)、供水 供電供氣設(shè)計(jì)、信號(hào)系統(tǒng)設(shè)計(jì)、安全防暴設(shè)計(jì)等。 (2)、對(duì)象信息的獲取和變送 (3)、執(zhí)行器的選擇 (4)、控制器的選擇 3、工程安裝 4、儀表調(diào)試 5、參數(shù)整定 2、工程設(shè)計(jì) 1、方案設(shè)計(jì) 是整個(gè)控制工程設(shè)計(jì)中最重要的一步，應(yīng)注意： (1)、合理選擇被控量 (被控參數(shù) )和操縱量 (控制參數(shù) ) 是控制系統(tǒng)方案設(shè)計(jì)的一個(gè)至關(guān)重要的問題。 恰當(dāng)?shù)倪x擇對(duì)于穩(wěn)定生產(chǎn)、提高產(chǎn)品產(chǎn)量和質(zhì)量、 改善勞動(dòng)條件有很大的作用。 若選擇不當(dāng)，則不論組成什么樣的控制系統(tǒng)，選 擇多么先進(jìn)的過(guò)程檢測(cè)控制儀表，都不能達(dá)到良好的控 制效果 。 一、被控參數(shù)

23、 (即被控量 )的選擇 1.選擇的意義 3-2 被控參數(shù)和控制參數(shù)的選擇 影響正常操作的因素很多，但并非都需加以控制。 只有根據(jù)工藝要求，深入分析工藝過(guò)程，才能選擇 出合適、可測(cè)的工藝參數(shù)。 2. 選擇方法 (2).選間接參數(shù) 當(dāng)選直接參數(shù)有困難時(shí)采用。 (如用反應(yīng)釜的溫度 控制間接實(shí)現(xiàn)化學(xué)反應(yīng)的質(zhì)量控制。 ) (1).選直接參數(shù) 即能直接發(fā)映生產(chǎn)過(guò)程產(chǎn)品產(chǎn)量和質(zhì)量，以及安全 運(yùn)行的參數(shù)。 (如鍋爐鍋筒的水位控制。 ) 3. 選間接參數(shù)的原則 必須考慮工藝生產(chǎn)的合理性和儀表的現(xiàn)狀 。 間接參數(shù)應(yīng)與直接參數(shù)有某種單值函數(shù)關(guān)系。

24、 間接參數(shù)要有足夠的靈敏度。 二、控制參數(shù) (即控制量 )的選擇 當(dāng)生產(chǎn)過(guò)程中有多個(gè)因素能影響被控參數(shù) (量 )變化 時(shí)，應(yīng)分析過(guò)程擾動(dòng)通道特性與控制通道特性對(duì)控制質(zhì) 量的影響，正確地選擇可控性良好的變量作為操縱 (控 制 )量。 一般希望控制通道克服擾動(dòng)的能力要強(qiáng)，動(dòng)態(tài)響應(yīng) 應(yīng)比擾動(dòng)通道快。 圖 3-3 (一 )、過(guò)程靜態(tài)參數(shù)對(duì)控制質(zhì)量的影響 (1).基本形式： 如圖 3-3所示 選擇控制參數(shù)的一般原則如下： 1.系統(tǒng)的簡(jiǎn)化方框圖 (2).突出干擾作用 : 框圖如下圖所示 2.傳遞函數(shù) cc K)s(W 1sT K)s(W o o o 則在定值控

25、制下輸出對(duì)干擾的閉環(huán)傳遞函數(shù)為 設(shè)傳遞函數(shù)分別為 1sT K)s(W f f f )1sT(KK)1sT)(1sT( )1sT(K .. .... ... )s(W)s(W1 )s(W )s(F )s(Y focfo of oc f 3.穩(wěn)態(tài)余差 )t(ylim)(y t 由于系統(tǒng)本質(zhì)是穩(wěn)定的，則在單位階躍擾動(dòng)下的余 差為 過(guò)程穩(wěn)態(tài)特性對(duì)控制質(zhì)量有很大影響，這是選擇操 縱參數(shù)的一個(gè)重要依據(jù)。 應(yīng)使 Kf越小越好，以減弱擾動(dòng)對(duì)控制參數(shù)的影響。 4. 討論 )1sT(KK)1sT)(1sT(s )1sT(Kslim focfo of 0s K1

26、K KK1 K f oc f 1.時(shí)間常數(shù)的影響 由 P145、 6的分析及右圖可知： 系統(tǒng)的超調(diào)量隨 Tf的增大而減 少，控制質(zhì)量得到提高。 最佳控制過(guò)程中， KcK0應(yīng)為一常數(shù)， K0大小可通 過(guò) Kc來(lái)調(diào)節(jié)。 在控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)時(shí)，控制通道的 K0擬適當(dāng)選大一 些。 (二 ).干擾通道動(dòng)態(tài)特性 對(duì)控制質(zhì)量的影響 fT a 1 2. 滯后時(shí)間的影響 Tf變大或個(gè)數(shù)增多，均對(duì)干擾起到了一種濾波 作用。 干擾通道的純滯后時(shí)間僅使被控參數(shù)對(duì)其反應(yīng)在 時(shí)間上平移了一段時(shí)間，理論上無(wú)影響。 干擾通道的容量滯后會(huì)使干擾信號(hào)變得緩和一些 ，對(duì)

27、克服干擾有利。 3.干擾作用位置的影響 (1).分析： 如以下兩圖。 (三 ).控制通道動(dòng)態(tài)特性對(duì)控制質(zhì)量的影響 在系統(tǒng)設(shè)計(jì)時(shí)，應(yīng)使擾動(dòng)作用點(diǎn)位置遠(yuǎn)離被控量。 (1).T太大 特點(diǎn)：使控制作用變?nèi)酰刂瀑|(zhì)量變壞。 措施：合理選擇執(zhí)行器位置；采用前饋或復(fù)雜控制 . (2).結(jié)論 1.時(shí)間常數(shù)的影響 (2).T過(guò)小 特點(diǎn)：控制作用增強(qiáng)，但系統(tǒng)容易振蕩。 措施：選擇快速監(jiān)測(cè)、控制、執(zhí)行器件；設(shè)法降 低控制通道的靈敏度；改革工藝以使 T增大。 (1).純滯后 0的影響較大 , 如 圖所示。 應(yīng)從工藝著手改善。 (2).容量滯后 c比較緩和，引 入微分作用

28、可有效克服。 (四 ).選擇控制參數(shù) 的 一般 原則 2.滯后時(shí)間的影響 1.控制通道 的放大系數(shù) K0要適當(dāng)選大 一些；時(shí)間常數(shù) T0要適當(dāng)小一些；純滯后 時(shí)間 0越小越好， 0與 T0之比應(yīng)小于 1. 2.擾動(dòng)通道 的放大系數(shù) Kf應(yīng)盡可能小 ；時(shí)間常數(shù) Tf要大；擾動(dòng)引入系統(tǒng)的位置 要遠(yuǎn)離控制過(guò)程 (即靠近調(diào)節(jié)閥 )；容量滯 后愈大，愈有利于控制。 3.注意 工藝操作的合理性、經(jīng)濟(jì)性。 (五 ).實(shí)例討論 例 1：噴霧式乳粉干 燥設(shè)備的控制（ P171) 。 1.工藝流程： 參見教 材 P172圖 3-28。 2.控制要求： 干燥后 的產(chǎn)

29、品含水量波動(dòng)要小。 3.被控參數(shù)選擇 ： 干 燥器里的溫度 4.控制 參數(shù) 的選擇 (三種方案如圖所示 ) 討論后知，以風(fēng)量作控制參數(shù)為最佳選擇。 例 2 儲(chǔ)槽液位控制 (P173) 在自動(dòng)控制系統(tǒng)中，接受調(diào)節(jié)器的指令； 經(jīng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)將其轉(zhuǎn)換為相應(yīng)的角位移或直線位移； 去操縱調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)，改變被控對(duì)象進(jìn)、出的能量或 物料。 調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu) 執(zhí)行機(jī)構(gòu) 0、概述 1. 作用 2. 組成 3-3 執(zhí) 行 器 選 擇 3. 類型 液動(dòng)執(zhí)行器 電動(dòng)執(zhí)行器 滾動(dòng)膜片機(jī)構(gòu) 長(zhǎng)行程機(jī)構(gòu) 活塞機(jī)構(gòu) 薄膜機(jī)構(gòu)應(yīng)用

30、最廣 氣動(dòng)執(zhí)行器 由兩部分組成， 如右圖所示。 一、氣動(dòng)薄膜控制 閥的工作原理 (一 )、氣動(dòng)薄膜執(zhí)行機(jī)構(gòu) 1、組成： 由膜片、推桿、彈簧等組成。 2、作用方式 正作用 控制氣壓增加時(shí)，其開度增加。 反作用 --控制氣壓增加時(shí)，其開度減小。 3、作用原理 PPAe=kll=AeP/k (二 )、控制閥體 1、作用： 是一個(gè)局部阻力可以變化的節(jié)流元件。 2、流量方程 當(dāng)口徑 A和差壓 (P1-P2)一定時(shí)，流量 Q僅隨阻尼 的變化而變 化。改變閥門的開啟程度，可改變流通 阻力而控制介質(zhì)流量 。 1)-(32PpP 22

31、1 A Q )23()PP(2AQ 21 3、調(diào)節(jié)原理 二、控制閥的流量特性 1、概念 ma xQL,Ql )33()Ll(fQ Q ma x 理想 (固有 )流量特性 --假定閥前后差壓不變。 工作 (實(shí)際 )流量特性 . 2、類型 (一 )、理想流量特性 取決于閥芯曲面的形狀。 1、直線流量特性 (1)、定義：控制閥的相對(duì)流量預(yù)相對(duì)開度成直線 關(guān)系，即 ).43(KLldQ Qd ma x ) QQ Ll .........(CK1 ) QQ 0l .(C R 1

32、 Q Q C L l KCLl m a x m i nm a x m i n 由上式， (2)、特性方程 2、其他流量特性 )53(Ll)1R(1R1Q Q m a x (3)、特點(diǎn)：適于在較大開度下使用。 (注：國(guó)產(chǎn) 閥，可控比 R=30) 對(duì)數(shù)特性：小流量時(shí)，控制作用平緩；大流量時(shí)， 控制作用靈敏有效，克服了直流特性的不足。 快開特性：適于要求快速開、閉的控制系統(tǒng)。 拋物線特性：介于直線特性與對(duì)數(shù)特性之間，彌 補(bǔ)了直線特性小開度時(shí)控制性能差的缺點(diǎn)。 (二 )、工作流量特性 (1)、閥上的差壓：如圖 3-10所示。 1、串聯(lián)管道

33、中的特性 (2)、流量特性 (1)、并聯(lián)的目的：冗余措施；增大產(chǎn)量 (流量 ) (2)、可調(diào)比：在下圖中，設(shè) Q1--調(diào)節(jié)閥流量； Q2--旁路閥流量 ; Q---總管流量 ; 1 L l f)1s( 1 L l f Q Q 21m a x 2、并聯(lián)管道的流量特性 可控比 2mi n.1 ma x r QQ QR 2 ma x r Q Q x1 11R x)1R(R RR 通常 并聯(lián)管道的工作流量圖 (3)、流量特性 選擇原則是廣義對(duì)象具有線性特性，即總放大系 數(shù)為常數(shù)。 選擇方法可分為理論計(jì)算法和經(jīng)驗(yàn)

34、法兩大類。 由對(duì)象特性 選工作特性 推理想特性 查廠家 手冊(cè)。 )x1( L lxf Q Q m a x 三、控制閥作用方式的選擇 選氣開還是氣關(guān)式，由生產(chǎn)工藝的要求決定。 1、從生產(chǎn)的安全出發(fā) 2、從保證產(chǎn)品質(zhì)量考慮 3、從降低原料和動(dòng)力的損耗考慮 4、從介質(zhì)特點(diǎn)考 (一 )、氣開氣關(guān)方式的選擇 執(zhí)行機(jī)構(gòu)與閥體部件的配用有表可查。 先選氣開、氣關(guān)方式，再選執(zhí)行機(jī)構(gòu)。 (二 )、執(zhí)行機(jī)構(gòu)正、反作用方式的選擇 3-4 控制器的選型 積分控制作用能消除余差，但降低了系統(tǒng)的穩(wěn)定性。 TI愈小，穩(wěn)定性愈差。 信號(hào)

35、通道在被控參數(shù)和控制參數(shù)確定之后就定下 來(lái)了。 根據(jù)對(duì)象特性和控制質(zhì)量要求 選擇控制器的 控制作用 確定控制器的類型。 隨著控制器放大系數(shù) Kc的增大，控制系統(tǒng)的穩(wěn)定 性降低。 (與自控理論的分析一致。 ) 隨著 Kc的增大，余差將減少，但不能消除。 二、積分控制作用對(duì)控制質(zhì)量的影響 一、比例控制作用對(duì)控制質(zhì)量的影響 三、微分控制作用對(duì)控制質(zhì)量的影響 (1)、特點(diǎn)：抗干擾能力強(qiáng)，過(guò)渡過(guò)程時(shí)間短，但 有余差。 (2)、適用：控制通道滯后較小，負(fù)荷變化不大， 允許被控量在一定范圍內(nèi)變化的系統(tǒng)。 引入微分控制作用后，控制質(zhì)量將全面提高。 微分

36、作用太強(qiáng)，會(huì)引起控制閥時(shí)而全開、時(shí)而 全關(guān)。 四、控制器的選型 應(yīng)由對(duì)象的特性和工藝要求確定 1、 P控制器的選擇 2、 PI控制器的選擇 (1)、特點(diǎn)：對(duì)克服對(duì)象的容量滯后有顯著的效果。 (2)、適用：負(fù)荷變化大，容量滯后大，控制質(zhì)量 要求很高的系統(tǒng)。 (1)、特點(diǎn)：過(guò)渡過(guò)程結(jié)束時(shí)無(wú)余差，但系統(tǒng)的穩(wěn) 定性降低。 (2)、適用：滯后較小，負(fù)荷變化不大，被控量不 允許有余差的控制系統(tǒng) 。 負(fù)荷變化大，純滯后大，采用 PID達(dá)不到要求時(shí)采用。 4、復(fù)雜控制系統(tǒng) 3、 PID控制器的選擇 五、控制器正、反作用的選擇 原則 ： 使整個(gè)單回路構(gòu)

37、成負(fù)反饋系統(tǒng) ---乘積為 負(fù)。 1、控制閥：氣開式為 “ ” ，氣關(guān)式為 “ -” ； 2、控制器：正作用為 “ ” ，反作用為 “ -” ； 3、被控對(duì)象：物料或能量增加時(shí)，被控參數(shù)隨之 增加為 “ ” ，隨之減少為 “ -” ； 4、變送器：一般為 “ ” ； 控制器正、反作用選擇的判別式： (控制器 “ ” )(控制閥 “ ” )(對(duì)象 “ ” )=“ -” 如果控制方案已經(jīng)確定，則過(guò)程各通道的靜態(tài) 和動(dòng)態(tài)特性就已確定，系統(tǒng)的控制質(zhì)量就取決于控制 器各個(gè)參數(shù)值的設(shè)置。 控制器的參數(shù)整定，就是確定最佳過(guò)渡過(guò)程中 控制器的比例

38、度 、積分時(shí)間 TI、微分時(shí)間 TD的具體 數(shù)值。 所謂最佳過(guò)渡過(guò)程，就是在某種質(zhì)量指標(biāo)下， 系統(tǒng)達(dá)到最佳調(diào)整狀態(tài)。 4： 1遞減比為最佳參數(shù)整定的常用依據(jù)。 4:1 參數(shù)整定的方法 : 0、概述 3-5 控制器的參數(shù)整定 ： 對(duì)數(shù)頻率特性法、根軌跡法等。 (2)、 工程整定法： 經(jīng)驗(yàn)湊試法、衰減曲線法、臨 界比例度法、響應(yīng)曲線法等。 (1)、 理論整定法 %100)x xe e( ma xma x .x ;x ;e ;e m a x m a x 輸出變化量 圍控制器輸出的變化全 范 輸入變化量 控制器輸入的測(cè)量范 圍

39、式中 對(duì)于單元組合儀表， %.100 K 1 c 比例度 的概念：對(duì)于比例作用大小，工業(yè)控制 器常用 表示，其義為： 一、現(xiàn)場(chǎng)經(jīng)驗(yàn)湊試法 1、常用的參數(shù)經(jīng)驗(yàn)范圍： 如表 3-1所示 2、整定步驟 (1)、 在純比例作用下 (TI=、 TD=0) 在比例度 按表 3-1的取值下，將系統(tǒng)投入運(yùn)行； 若曲線振蕩頻繁，則加大比例度 ； 若超調(diào)量大，且趨于非周期，則減少 ，求得滿意 的 4： 1過(guò)渡過(guò)程曲線。 (2)、引入積分作用 (此時(shí)應(yīng)將上述 加大 1.2倍 ) 將積分時(shí)間 TI由大到小進(jìn)行整

40、定； 若曲線波動(dòng)較大，則應(yīng)增大 TI； 若曲線偏離給定值后長(zhǎng)時(shí)間回不來(lái)，則需減少 TI， 以求得較好的過(guò)渡過(guò)程曲線。 (3)、若需引入微分作用 1、特點(diǎn) : 是目前工程上應(yīng)用較廣泛的一種控制器 參數(shù)的整定方法。 2、整定步驟 (1)、在純比例作用下投入 (TI=,TD=0),比例度 適 當(dāng)；平穩(wěn)操作一段時(shí)間，把系統(tǒng)投入自動(dòng)運(yùn)行。 將 TD按經(jīng)驗(yàn)值或按 TD=(1/3 1/4)TI設(shè)置，并由小 到大加入； 若曲線超調(diào)量大而衰減慢，則需增大 TD； 若曲線振蕩厲害，則應(yīng)減小 TD； 觀察曲線，再適當(dāng)調(diào)節(jié) 和 TI，反復(fù)

41、調(diào)試直到獲得 滿意的過(guò)渡過(guò)程曲線。 二、穩(wěn)定邊界法 （臨界比例度法） 圖 3-12 ，得到圖 3-12所示等幅振蕩過(guò) 程記下臨界比例度 K和臨界振蕩周期 TK值。 kT (2)、將 逐漸減小 (3)、根據(jù) K和 TK值，采用表 3-2中的經(jīng)驗(yàn)公式，計(jì) 算 、 TI、 TD的值。 用臨界比例度法整定某過(guò)程控制系統(tǒng)所得 的比例度 K=20%,臨界振蕩周期 TK=1min，當(dāng)控制器分別 采用比例作用、比例積分作用、比例積分微分作用時(shí)， 求其最佳整定參數(shù)值 。 例 3-1 (4)、按 “ 先 P后 I最后 D”的操作程序，將控制器整 定參數(shù)調(diào)整到計(jì)

42、算值上。 觀察其運(yùn)行曲線，若不夠滿意， 再 做進(jìn)一步調(diào)整。 解：應(yīng)用表 3-2經(jīng)驗(yàn)公式， 可得 (1).比例 控制器 =2K=2 20%=40% (2).比例積分 控制器 =2.2K=2.2 20%=44% TI=TK/1.2=1/1.2=0.83min (3).比例積分微分 控制器 =1.6K=1.620%=32% TI=0.5TK=0.51=0.5min TD=0.25TI=0.250.5=0.125min 應(yīng)用臨界比例度法的幾點(diǎn)注意事項(xiàng)見 P155。

43、 三 、阻尼振蕩法 （衰減曲線法） (1)、實(shí)現(xiàn) 4： 1衰減比 先把參數(shù)置成純比例作用 (TI=,TD=0)， 使系統(tǒng)投入運(yùn)行； 再把 從大逐漸調(diào)小，直到 出現(xiàn)右圖所示的 4： 1衰減過(guò)程曲 線 ； 此時(shí)的 4： 1衰減比例度為 S， 4： 1衰減振蕩周期為 TS。 運(yùn)行效 果如下圖。 1、特點(diǎn)： 是在總結(jié) 穩(wěn)定邊界法 的基礎(chǔ)上，經(jīng)過(guò) 反復(fù)實(shí)驗(yàn)提出來(lái)的。 2、整定步驟： 對(duì)于要求系統(tǒng)過(guò)渡過(guò)程達(dá)到 4： 1 衰減的步驟如下。 返回 (3)、進(jìn)一步調(diào)整 按 “ 先 P后 I最后 D”的操作程序，將求得的參數(shù)設(shè)置 在控制器上；

44、 (2)、計(jì)算參數(shù) 再觀察運(yùn)行曲線，若不太理想，可做適當(dāng)調(diào)整。 根據(jù) S和 TS，使用表 3-8計(jì)算出控制器的各個(gè)整定 參數(shù)值。 某溫度控制系統(tǒng)，采用 4： 1衰減曲線法整 定控制器參數(shù)，得 S=20%， TS=10分，當(dāng)控制器分別為比 例作用、比例積分作用、比例積分微分作用時(shí)，試求其 整定參數(shù)值。 例 3-2 解 應(yīng)用表 3-8中的經(jīng)驗(yàn)公式，可得 (1)、 比例 控制器 =S=20% (2)、 比例積分 控制器 =1.2S=1.220%=24% TI=0.5TS=0.510=5min (3)、 比例積分微分

45、 控制器 =0.8S=0.820%=16% TI=0.3TS=0.310=3min TD=0.1TS=0.110=1min 四、響應(yīng)曲線法 （動(dòng)態(tài)特性參數(shù)法） 2、整定步驟 (1)、用 P17-18”實(shí)驗(yàn)法建模 “ 中所介紹的方法獲取 對(duì)象的響應(yīng)曲線，如下圖所示。 1、特點(diǎn)： 依據(jù)對(duì)象的響應(yīng)曲線 ---飛升特性整定 參數(shù)，精度更高。 (2)、求取廣義對(duì)象的放大系數(shù) Ko mi nma xmi nma x o XX X yy yK 式中 y ---被控參數(shù)測(cè)量值的變化量； X ---控制器輸出的變化量；

46、ymax-ymin---測(cè)量?jī)x表的刻度范圍； Xmax-Xmin---控制器輸出變化范圍。 (3)、 根據(jù) 對(duì)象的 K0 、 T0 、 0 ，按下表 3-4所給公式求 出 4： 1衰減過(guò)程控制器的參數(shù) 、 TI和 TD 。 在某一蒸汽加熱器的控制系統(tǒng)中，當(dāng)電動(dòng) 單元組合控制器的輸出從 6mA改變到 7mA時(shí)，溫度記錄儀 的指針從 85 升到 87.8 ，從原來(lái)的穩(wěn)定狀態(tài)達(dá)到新的 穩(wěn)定狀態(tài)。儀表的刻度為 50100 ，并測(cè)出 O=1.2min,TO=2.5min。如采用 PI和 PID控制規(guī)律，試確 定出整定參數(shù)。 例 3-3 本例中， X=7-6=

47、1mA Xmax-Xmin=10-0=10mA y=87.8-85.0=2.8 ymax-ymin=100-50=50 所以 解： 27.0 5.2 2.1 56.0 T K 56.0 101 508.2 K o oo o 因此，在 PI控制器時(shí)： =1.127%=30% TI=3.31.2=4min 在 PID控制器時(shí)： =0.8527%=23% TI=21.2=2.4min TD=0.51.2=0.6min 解畢。 1、試說(shuō)明單回路控制系統(tǒng)的構(gòu)成、主要特點(diǎn)及其

48、應(yīng)用場(chǎng)合。并說(shuō)明系統(tǒng)設(shè)計(jì)的主要內(nèi)容。 2、過(guò)程控制系統(tǒng)方案設(shè)計(jì)應(yīng)包含哪些主要內(nèi)容？ 3、選擇被控參數(shù)時(shí)應(yīng)遵循哪些基本原則？ 4、在選擇控制參數(shù)時(shí)，為什么取過(guò)程控制通道的 靜態(tài)放大系數(shù) K0 應(yīng)適當(dāng)大一些，而時(shí)間常數(shù) T0應(yīng)適當(dāng) 小一些？ 5、在設(shè)計(jì)過(guò)程控制系統(tǒng)時(shí)，怎樣選擇調(diào)節(jié)器的控 制規(guī)律？怎樣確定調(diào)節(jié)器的正、反作用方式和調(diào)節(jié)閥 氣開、氣關(guān)形式？ 思考題 第四章 串級(jí)控制系統(tǒng) 4-1 概述 單回路控制系統(tǒng) ：結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，但難于適應(yīng)工藝參數(shù) 間關(guān)系比較復(fù)雜的控制，特別是現(xiàn)代大規(guī)模工業(yè)生產(chǎn)。 復(fù)雜控制系統(tǒng) ：具有兩個(gè)以上的檢測(cè)變送單元、或 控制器、或執(zhí)

49、行器，能完成一些復(fù)雜或特殊的任務(wù) 串級(jí)控制系統(tǒng) ：對(duì)改善控制品質(zhì)有獨(dú)到之處，故而 在過(guò)程控制系統(tǒng)中應(yīng)用很廣泛。 4.2 4.3 4.4 4.5 一 .串級(jí)控制系統(tǒng)的組成 以煉油廠管式加熱爐的出口溫度控制為例。 (1)、采用 直接控制 方案：如圖 4-1所示。 優(yōu)點(diǎn)：所有對(duì)溫度的干擾都包括在控制回路之中。 缺點(diǎn)：對(duì)燃油流量變化等干擾控制不及時(shí)，總滯后 較大。 (2)、采用 間接控制 方案：如圖 4-2所示。 優(yōu)點(diǎn)：能及時(shí)而有效地克服來(lái)自燃料油壓力方面的 干擾。 缺點(diǎn)：燃料油控制只起輔助作用；放棄爐出口溫度 控制將無(wú)法克服來(lái)自原料流量和溫度、爐

50、膛壓力變化等 方面的干擾。 1、問題的提出 (1)、 結(jié)構(gòu)圖 ：將圖 4-1、圖 4-2方案綜合起來(lái)， 即得串級(jí)控制系統(tǒng)如圖 4-4所示。 2、系統(tǒng)組成 加熱 流量測(cè)量 溫度測(cè)量 (2)、 方框圖 ：如圖 4-3所示。 (3)、 特征 ：兩臺(tái)控制器串聯(lián)在一起，控制一個(gè) 調(diào)節(jié)閥。 (4)、 另一實(shí)例 (5)、 常見名詞術(shù)語(yǔ) : 主、副變量，主、副控制器，主、副對(duì)象，主、 副變送器，主、副回路等，如圖 4-5. 4-5 二、二次干擾 作用在主、副對(duì)象上的干擾分別為一、二次干擾。 圖 4-5為串級(jí)控制系統(tǒng)的通用方框圖。 三、串級(jí)控制系統(tǒng)的工作

51、過(guò)程 仍以管式加熱爐出口溫度控制為例，分析克服干 擾的過(guò)程。 1、干擾來(lái)自燃料油流量 初始階段，出口溫度不變，溫度控制器的輸出不 變。 出口溫度變化時(shí)，溫度控制器不斷改變著流量控 制器的設(shè)定值。 2、干擾來(lái)自原料油 (1)、使主、副變量同向變化 (2)、使主、副變量反向變化 分析可知 ： 副控制器具有 “ 粗調(diào) ” 作用，主控 制器具有 “ 細(xì)調(diào) ” 作用；兩者配合，控制質(zhì)量必高于 單回路控制系統(tǒng)。 出口溫度 溫度控制器輸出 流量控制器設(shè) 定值 。 3、一、二次干擾同時(shí)出現(xiàn) 燃料油流量為適應(yīng)溫度控制的需要而不斷變化。 4

52、-2 串級(jí)控制系統(tǒng)的特點(diǎn) 一、時(shí)間常數(shù) 串級(jí)控制系統(tǒng)能使等效副對(duì)象的時(shí)間常數(shù)變小， 放大系數(shù)增大，從而顯著提高控制質(zhì)量。 將整個(gè)副回路看成一個(gè)副對(duì)象，則簡(jiǎn)化圖如圖 4-5所示（或下張兩圖）。 由 P181分析，可得式 (4-3) T02單 。 二、工作頻率 三、抗干擾能力 設(shè)干擾從閥前進(jìn)入。 進(jìn)一步等效 ,圖 4-6。 分析可得式 : K1*K2越大，抗干擾能力越強(qiáng)。 進(jìn)一步分析可 知單回路比串級(jí)抗干擾能力差 。 21 21 11 KK )s(F/)s(Y )s(X/)s(Y 四、有一定的自適應(yīng)能力 單回路控制系統(tǒng)只有一個(gè)控制器，設(shè)定值一般不 變，難以

53、適應(yīng)負(fù)荷非線性的變化。 串級(jí)控制系統(tǒng)中，副回路是一個(gè)隨動(dòng)系統(tǒng)，設(shè)定 值隨主控制器的輸出而變化，適應(yīng)負(fù)荷變化的能力較 強(qiáng)。 由式 (5-22)(P172)可知， K02變化對(duì)等效 K 02影 響很小，亦可說(shuō)明副回路能自動(dòng)地克服對(duì)象非線性特 性的影響。 4-3 串級(jí)控制系統(tǒng)的工業(yè) 應(yīng)用 當(dāng)被控對(duì)象純滯后時(shí)間較長(zhǎng)時(shí)，在離控制閥較近、 純滯后時(shí)間較小的地方選擇一個(gè)副變量，把干擾拉入副 回路。 利用副回路的超前作用來(lái)克服對(duì)象的純滯后僅僅是 對(duì)二次干擾而言的，一次干擾不直接影響副變量。 例 如下圖所示： 堅(jiān)持一個(gè)設(shè)計(jì)原則：凡是用單回路控制系統(tǒng)能 滿足控制要求的，就不再用串級(jí)控

54、制系統(tǒng)。 一、用于克服對(duì)象的純滯后 副變量：過(guò)熱蒸汽溫度，位于滯后較小的 B點(diǎn) 。 被控參數(shù)： A點(diǎn)溫度 控制參數(shù)：減溫水流量 主要干擾：減溫水壓力波動(dòng)。 二、用于克服對(duì)象的容量滯后 容量滯后會(huì)使被控對(duì)象反應(yīng)遲鈍，超調(diào)大，過(guò)渡 過(guò)程長(zhǎng)。 以溫度或質(zhì)量作為被控量的控制對(duì)象，其容量滯 后往往比較大，致使控制質(zhì)量變差。 對(duì)象容量滯后大、干擾復(fù)雜的情況下，串級(jí)控制 系統(tǒng)的使用最為普遍，效果較好。 此時(shí)應(yīng)選擇一個(gè)滯后較小的輔助變量組成副回路。 副環(huán)的時(shí)間常數(shù)不能過(guò)大，以防共振；也不能過(guò) 小，力求多包含一些干擾。 例 如下張圖： 燃料油熱值 變化后，爐膛反 應(yīng)滯

55、后 3分鐘 ，而 出口溫度則需 15 分鐘 。 三、用于克服變化劇烈和幅值大的干擾 串級(jí)控制系統(tǒng)對(duì)二次 干擾具有很強(qiáng)的克服能 力。 設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)把變化劇烈、幅值大的干擾包含 在副回路中。 副回路放大系數(shù)應(yīng)大 些，會(huì)使抗干擾能力大 大提高。 例 如下 圖 4-13，脫 氣塔的壓力對(duì)主控指標(biāo) (液位 )影響很大，甚至 造成溢出或打干的事故， 是主干擾，串級(jí)控制后 效果很好。 四、用于克服對(duì)象的非線性 負(fù)荷變化會(huì)引起工作點(diǎn)的移動(dòng)。 當(dāng)負(fù)荷變化大且頻繁時(shí)，只有高級(jí)控制系統(tǒng)才 有重整參數(shù)以適應(yīng)控制要求的能力。 一般控制系 統(tǒng)中，有效辦法是 采用串級(jí)

56、控制。 例 在 圖 4-14 中，其中部溫度要 嚴(yán)控，則將具有非 線性特性的換熱器 包含在副回路。 4-4 串級(jí)控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì) 主變量 (操縱量 )的選擇原則主要有： (1)、條件允許時(shí)選質(zhì)量指標(biāo)作為主變量。 正確合理地設(shè)計(jì)，才能使串級(jí)控制系統(tǒng)發(fā)揮其 特點(diǎn)。 設(shè)計(jì)包括主、副回路選擇，主、副控制器控制 規(guī)律選型和正、反作用的確定。 一、主、副回路的選擇 (一 )、主回路是一個(gè)定值控制系統(tǒng)，可以按單回 路控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)原則進(jìn)行。 (二 )、副回路應(yīng)包括盡可能多的擾動(dòng)。 前已述及，應(yīng)將變化最劇烈、幅度最大、最頻 繁的擾動(dòng)包括在副回路中。

57、 研究系統(tǒng)的干擾來(lái)源是十分重要的。如前述的 管式加熱爐，主擾動(dòng)為然油壓力還是然油熱值，則副 回路的選擇大不相同。 (2)、其次考慮選擇與質(zhì)量有單值關(guān)系的參數(shù)作 為主變量。 (3)、所選主變量應(yīng)有足夠的靈敏度，且工藝合 理、易實(shí)現(xiàn)。 并非包括的干擾越大越好。干擾包括得越大， 副變量的位置會(huì)越靠近主變量，靈敏度會(huì)降低。 前已分析 得到 串 與 單 的關(guān)系如 P182 所示。 繪出分析 曲線，如右圖 所示。 (三 )、主、副對(duì)象的時(shí)間常數(shù)要匹配。 分析可知 (1)、當(dāng) T01/T0210時(shí)，則 T02很小，副回路包括的 干擾很少，作用

58、未發(fā)揮。 (2)、當(dāng) T01/T02<3時(shí)，說(shuō)明 T02過(guò)大，副回路的控 制作用不及時(shí)。 (3)、當(dāng) T01/T021時(shí)，主、副回路易出現(xiàn) “ 共振 效應(yīng) ” 。 一般認(rèn)為： T01/T02=310 較合適。 究竟 T02取多大為好，應(yīng)按具體情況確定。若欲 快速克服主干擾，則小一點(diǎn)為好；若欲克服對(duì)象的大 滯后，可取大點(diǎn)；若欲克服對(duì)象的非線性，則 T01/T02 宜取大一些。 (四 )、選副回路應(yīng)考慮工藝上的合理性 只有滿足工藝要求，才具有實(shí)用性。 先考慮工藝要求，再考慮其他要求。 (五 )、副回路設(shè)計(jì)應(yīng)考慮經(jīng)濟(jì)性原則 技術(shù)與經(jīng)濟(jì)指標(biāo)應(yīng)綜合考

59、慮，如下兩圖。 1、對(duì) 主變量控制質(zhì)量要求高 主變量宜采用 PI規(guī)律；欲克服容量滯后，應(yīng)引進(jìn) 微分作用，采用 PID規(guī)律。 副變量一般采用 P規(guī)律就可以了。 2、對(duì)副變量控制要求也較高 主、副變量均采用 PI控制規(guī)律。 3、對(duì)主變量控制要求不高，甚至允許小波動(dòng) 主變量采用 P規(guī)律，副回路對(duì)主回路的跟隨要求快 而準(zhǔn)時(shí)采用 PI控制規(guī)律。 二、主、副控制器的選擇 (一 )、控制規(guī)律的選擇 副控制器按單回路方式選擇，具體見 P154。 主控制器按下式確定 : (二 )、正、反作用方式的選擇 4、對(duì)主、副變量控制要求均不高

60、 可均采用 P規(guī)律；必要時(shí)對(duì)主變量控制引進(jìn)微分 作用 。 (主控制器 +/-)(副對(duì)象 +/-)(主對(duì)象 +/-)=(-) 主、副控制器正、反作用方式的確定是否正確， 可進(jìn)行驗(yàn)證，如圖。 4-5 串級(jí)控制系統(tǒng) 控制器參數(shù)的整定 所謂投運(yùn)，就是通過(guò)適當(dāng)?shù)牟襟E，使主、副控制 器從手動(dòng)工作狀態(tài)轉(zhuǎn)到自動(dòng)工作狀態(tài)。 兩種投運(yùn)方法：、先投副環(huán)后投主環(huán) (常用 )； 、先投主環(huán)后投副環(huán) (很少用 )。 一、串級(jí)控制系統(tǒng)的投運(yùn) 二、串級(jí)控制系統(tǒng)控制器參數(shù)的整定 串級(jí)控制系統(tǒng)的方案正確設(shè)計(jì)后，為了使系統(tǒng)運(yùn) 行在最佳狀態(tài)，按照自控理論，必須對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行校正，

61、 這在過(guò)程控制中稱為參數(shù)整定。 在工程實(shí)踐中，串級(jí)控制系統(tǒng)中常用的整定方法 有：逐步逼近法、兩步整定法、一步整定法等。 (一 )、逐步逼近法 逐步逼近法是先副后主，逐步逼近。該方法較繁瑣。 具體步驟為： 先斷開主回路，整定副控制器。 后閉合主回路，整定主控制器。 重新調(diào)整副控制器參數(shù)。 若未達(dá)到控制要求，再調(diào)整主控制器參數(shù)。 以上步驟循環(huán)進(jìn)行，直到滿足 (逼近 )控制指 標(biāo)為止。 對(duì)于不同的控制系統(tǒng)和不同的品質(zhì)指標(biāo)要求，逐步 逼近法逼近的循環(huán)次數(shù)是不同的，所以往往費(fèi)時(shí)較多。 (二 )、兩步整定法 (應(yīng)用最廣泛

62、) 第一步，整定副控制器；第二步，整定主控制器。 具體步驟 :見教材 P186。 應(yīng)用舉例 在硝酸生產(chǎn)過(guò)程中，有一個(gè)氧化爐溫度與氨氣流量 的串級(jí)控制系統(tǒng)。溫度為主參數(shù)，工藝要求較高，溫度 最大偏差不 能超過(guò) 5 ，氨氣流量為副參數(shù)，允許在一 定范圍內(nèi)變化，要求不高。系統(tǒng)控制器參數(shù)采用兩步整 定法，過(guò)程如下。 、在系統(tǒng)設(shè)計(jì) 時(shí)，主控制器選用 PI 控制規(guī)律，副控制器 選用 P控制規(guī)律。在系 統(tǒng)穩(wěn)定允許條件下， 主、副控制器均置于 純比例作用，主控制 器的比例度 置于 100%， 用 4： 1衰減曲線法 (見 右 圖 )整定副控制器的 參數(shù)，得 將副控制器的比例

63、度置于 32%上，用相同的方法 整定，將主控制器的比例度由大到小逐漸調(diào)節(jié)，取得主 控制器的 1S =50%,T1S=7min。 2S=32%,T2S=15s。 根據(jù)上述求得的各參數(shù)，運(yùn)用 4： 1衰減曲線法 整定計(jì)算公式 (見上表 4-1)，計(jì)算主、副控制器的整定 參數(shù)為： 主控制器 (溫度控制器 )：比例度 1=1.21S=60%， 積分時(shí)間 T1=0.5 T1S=3.5min 副控制器 (流量控制器 )：比例度 2 = 2S =32% 把上述計(jì)算的參數(shù)，按先 P后 I的次序，分別設(shè) 置在主、副控制器上，并使串級(jí)控制系統(tǒng)在該參數(shù)下 運(yùn)行。 實(shí)際運(yùn)行，氧化爐溫度

64、穩(wěn)定，完全滿足生產(chǎn)工藝 的要求。 1、與單回路系統(tǒng)相比，串級(jí)控制系統(tǒng)有哪些主 要特點(diǎn)？ 2、為什么說(shuō)串級(jí)控制系統(tǒng)具有改善過(guò)程動(dòng)態(tài)特 性的特點(diǎn)？ T02和 K02減小與提高控制質(zhì)量有何關(guān)系 ？ 3、為什么提高系統(tǒng)工作頻率也算是串級(jí)控制系 統(tǒng)的一大特點(diǎn)？ 思考題 下一章 加熱 溫度測(cè)量 返回 加熱 流量測(cè)量 返回 第五章 前饋及復(fù)合控制系統(tǒng) 其他反饋控制的缺點(diǎn)： 無(wú)法將干擾克服在被控制量偏離設(shè)計(jì)值之前。 被控對(duì)象總是存在一定的純滯后和容量滯后，故 限制了控制作用的充分發(fā)揮。 5-1 基本概念 1、問題的提出 5.2 2、技術(shù)

65、思路 直接按擾動(dòng)而不是按偏差進(jìn)行控制。 干擾發(fā)生后，被控量還未顯現(xiàn)出變化之前，控 制器就產(chǎn)生了控制作用。 這種 前饋控制系統(tǒng) 對(duì)干擾的克服要比反饋控制 系統(tǒng)及時(shí)得多。 3、工作 原理 用右 圖針對(duì) 反饋控 制做比 較說(shuō)明。 其中 Ma為擾動(dòng)量， T2為出口 溫度， WO(s)為控制通道的傳遞函數(shù) ,Wf(s)為前饋通道的 傳遞函數(shù) ,Wd(s)為干擾通道的傳遞函數(shù)。 補(bǔ)償過(guò)程如下圖所示。 可實(shí)現(xiàn)對(duì)擾動(dòng)的完全補(bǔ)償，使被控量成為對(duì)擾 動(dòng)絕對(duì)不靈敏的系統(tǒng)。（不變性原理） 4、前饋與反饋的比較 (1)、 檢測(cè) ：前饋控制

66、測(cè)干擾；反饋控制測(cè)被控 量。 (2)、 效果 ： 克服干擾，前饋控制及時(shí)，理論上可實(shí)現(xiàn) 完全補(bǔ)償；反饋控制不及時(shí)。 (3)、 經(jīng)濟(jì)性 ：克服干擾，前饋控制只能一對(duì)一， 不如反饋控制經(jīng)濟(jì)。 (4)、 穩(wěn)定性 ：前饋為開環(huán)，不存在此問題；反 饋則不同，穩(wěn)定性與控制精度是矛盾的。 5-2 前饋控制系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)形式 控制器的輸出僅僅 是輸入 F的函數(shù)，與時(shí) 間 t無(wú)關(guān)。 在圖 4-12中，令前 饋控制器傳函滿足下式 即可： 一、靜態(tài)前饋控制 靜態(tài)前饋的含義 o f mm K KK)s(W 二、動(dòng)態(tài)前饋控制 靜態(tài)前饋控制只能有效抑制靜態(tài)偏差； 動(dòng)態(tài)前饋控制不但能有效抑制靜態(tài)偏差；而且 能有效抑制動(dòng)態(tài)偏差。 1、問題及辦法 2、原理： 如右圖，其中 Wm(S)非純比例 環(huán)節(jié)。 動(dòng)態(tài)前饋控制能顯著提高系統(tǒng)的控制質(zhì)量，但結(jié) 構(gòu)和參數(shù)整定均比較復(fù)雜。 只適用于控制精度要求很高、反饋與靜態(tài)前饋難 于滿足時(shí)。 三、復(fù)合控制系統(tǒng) 亦稱為前饋 --反饋控制系統(tǒng)。 1、方法的提出 前饋控制是有局限性的：