《過程控制系統(tǒng)》PPT課件.ppt

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1、過程控制系統(tǒng) 第一章 緒論 2 3 4 5 6 第二章 被控過程的數學模型 2 3 第三章 單回路控制系統(tǒng)設計 2 3 4 5 第四章 串級控制系統(tǒng) 2 3 4 5 第五章 前饋及復合控制系統(tǒng) 2 第六章 時間滯后控制系統(tǒng) 2 3 第七章 其它過程控制系統(tǒng) 2 3 4 第八章 過程控制中的計算機應用 2 3 4 1-1 課程的性質和教學安排 凡是采用數字或模擬控制方式對生產過程的某一或 某些物理參數進行的自動控制通稱為過程控制。 (另有電 力拖動控制方向 ) 1、過程控制的概念 2、過程控制

2、是自動化專業(yè)的主要內容之一 第一章 緒論 1.2 1.3 1.4 1.5 1.6 3、教學安排 4、主要參考書 (1)、過程控制工程，馮品如，輕工業(yè)出版社 (2)、過程控制與自動化儀表，侯志林， 機械工業(yè)出版社 (3)、微型計算機控制技術， 于海生， 清華大學出版社 (1)、學時、實驗情況 (2)、內容安排 (2)、從實際應用看 (1)、從專業(yè)特點看 返回 生產過程自動化是保持生產穩(wěn)定、降低 消耗、減少成本、改善勞動條件、保證安全 和提高勞動生產率重要手段，一直起著極其 重要

3、的作用。其發(fā)展經歷了以下幾個方面： 1、初期階段 (30 40年代 ) 2、簡單儀表化階段 (40 60年代 ) 3、綜合自動 化階段 (60 70年代中期 ) 4、全盤自動化 (及智能化 )階段 (70年代 中期自今 ) 1-2 過程控制的發(fā)展概況 1-3 過程控制的特點 及計算機的作用 過程控制的目的：保持過程中的有關參數為一 定值或按一定規(guī)律變化。 1、被空對象的 多樣性 2、對象特性的 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、齒輪運動等。 5、計算機在過程控制中的地位和作用 計算機的應用不僅促進了現代控制理論的發(fā)展， 而且也推動了自動化向深度與廣度進軍，使生產自 動化提高到更高的水平。甚至在向智能化的方向大 步邁進。 微型計算機控制生產過程，按不同的控制目的， 可分為兩類：一是 數據檢測 處理，二是形成 微機控 制 系統(tǒng)。 微機控制在提高產品質量、保證安全運行、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 過程控制的組成及術語 1、控制原理 (如下圖 ) 以液體儲槽的水

5、位控制為例進行說明。 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)、被控對象： 生產過程中被控制的工藝設備或裝置。 (2)、檢測變送單元： 儀表課中已做介紹。 (3)、控制器： 實時地對被控系統(tǒng)施加控制作用。 (4)、執(zhí)行器： 將控制信號進行放大以驅動控制閥。常見的 有氣動和電動兩種。 (5)、控制閥： 控制進料量。有氣開式和氣關式之別。 1、 被控對象 (簡稱對象或過程 )：前已述及。 2、 被控參數： 按照生產過程要求，某些變量應該維 持在穩(wěn)定的變化范圍內，如果對其施加控制作用， 就稱 二、常用術語 ： 凡

6、是影響被控量的各種作用均叫做干擾或擾 動。分內干擾和外干擾。 (內干擾如原料成分變化等。 ) 4、控制參數 ： 即調節(jié)介質。如儲水槽液位控制系統(tǒng)的給 水量。 5、測量值： 被控變量經檢測變送后即是測量值。 6、給定值 ：即被控變量的設定值。 7、偏差值： 準確地說，應是被控量的給定值與實際值之 差。但能夠直接得到的信號是被控量的測量值，故通常把給定 值與測量值之差稱作為偏差。 8、調節(jié)器輸出： 根據偏差值、經一定算法得到的輸出值。 調節(jié)器輸出亦稱控制作用。 3、干擾 : 其為被控參數。如溫度、壓力、流量、液位、成分等。 有常規(guī)控制系統(tǒng)、計算機控制系統(tǒng)。 一、一般分

7、類 1、按工藝參數分類： 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)的任務分類： 有比例控制、均勻控制、前饋控制等。 3、按自動化裝置的不同分類： 1-5 過程控制系統(tǒng)的分類 5、按是否形成閉合回路分類： 是工業(yè)生產過程中應用最大的一種過程控制系統(tǒng)。 在運行時，系統(tǒng)被控量的給定值是不變的。有時根據生 產工藝要求，被控量的給定值保持在規(guī)定的小范圍附近 波動。 二、按設定值形式分類 4、按控制器的動作分類： 有 1、定值控制系統(tǒng) P PI PID 位式 、 。 2、隨動控制系統(tǒng) 其給定值按預定的時

8、間程序來變化。如機械工業(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。家用電器中應用定 值控制系統(tǒng)的也很多，如電腦控制的洗衣機、電飯煲 等。 是一種被控量的給定值隨時間任意變化的控制 系統(tǒng)。它的主要作用是克服一切擾動，使被控量隨 時跟蹤給定值。 3、程序控制系統(tǒng) 1、遞減比 2 1 B Bn 見圖 一般認為， n:1=4:1時穩(wěn)定性好，但溫度等慢變化 過程約取 10:1為好，應根據實際情況靈活處理。 2、衰減率 n/11BB1B BB 2 1 1 21 是衡量過度過程穩(wěn)定性的一個動態(tài)指標 (于遞減比 含義相同 ).一般取

9、 =0.75 0.9。 1-6 控制系統(tǒng)的質量指標 見圖 3、動態(tài)偏差（亦即超調量） 為被控量偏離穩(wěn)定值或設定值的最大偏差值。 其它課程已做介紹，不再詳述。 4、調節(jié)時間、靜態(tài)偏差（即余差） 見以下兩圖中的 C。 返回 1。數學模型的有關概念 2-1 概述 數學模型 :指過程在各輸入量的作用下，其相應輸出 量變化的函數關系數學表達式。 干擾 :內干擾 ---調節(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聯(lián)系。 第二章 被控過程 的數學模型 2.2 2.3 擾動通道 --擾動作用與被控量間

10、的信號聯(lián)系。 2。研究并建立數學模型的目的 (1)、設計過程控制系統(tǒng)、整定調節(jié)器參數。 (2)、指導生產工藝設備的設計。 (3)、進行仿真實驗研究。 (4)、培訓運行操作人員。 3。單輸入 -單輸出過程的常見模型 (1)、線性時間連續(xù)模型 (2)、 線性時間離散模型 4。有 /無平衡能力的概念 (參見圖 1 2 ) 控制通道 --控制作用與被控量間的信號聯(lián)系； 一。自衡過程的數學模型 自衡的定義 ： 對象受到干擾作用后，平衡狀態(tài) 被破壞 ，無須外加任何控制作用，依靠對象本身自動 平衡的傾向，逐漸地達到新的平衡狀態(tài)的性質，稱為 平衡能力。 (一 )、單容過程

11、的數學模型 1、單容過程的定義： 只有一個儲蓄容量的過程。 如下頁圖所示。 2-2 機理分析法建模 過程演示 返回 討論： (1)、靜態(tài)時， q1=q2=dh/dt=0 ; (2)、 當 q1變化時 h變化 q2變化。 經線性化處理，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、參量關系分析 3、建立數學模型 )) .... .. .. (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 (或容量 )。 由式 (2-6)和式 (2-7)，有 2-2 (1)、容量 C

13、 含義：生產設備和傳輸管路都具有一定的儲蓄物質 或能量的能力。被控對象儲存能力的大小，稱為容量或 容量系數，其意義是：引起單位被控量變化時，被控過 程儲存量變化量。 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：凡是物質或能量的轉移，都要克服阻力， 阻力的大小 決定于不同的勢頭和流率。 種類：

14、電阻、熱阻、氣阻、流 (液 )阻。 2、數學模型 (二 )、具有純滯后單容過程的數學模型 純滯后單容過程及其響應曲線 無純滯后 有純滯后 (三 )、多容過程的數學模型 1、多容過程 是工業(yè)生產中常見的，如下兩圖。 2-5 2、三容過程的微分方程模型 : 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、三容過程的方框圖 由式 (2

15、-10)的拉氏變換，可得圖 2-6。 4、三容過程的數學模型 由圖 2-6，應用自控理論即可獲得其模型。 二、無自衡過程的數學模型 無自衡過程的概念：如下圖。 (一 )、單容過程的數學模型 1、參量關系分析 在自衡過程 (圖 2-7)下，有 dt hdCqq 21 圖 2-8 返回 而在無自衡過程 (圖 2-8)下，因 q2=0，故 1qdt hdC 2、傳遞函數 )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、 三容過程形式： 如圖 2-9、圖 2-10所示。 (二 )、多容過程的數學模型 對正常生產影響小。轉換成階躍響應的方法如下圖。 一、響應曲線法 問題的提出： 大多數工業(yè)過程的機理模型是很 難建立的，只有采用實驗建模。 是一種時域法辨識對象的動態(tài)特的方法。 (一 )、階躍擾動法測定對象的響應曲線 實驗時往往會對正常生產造成影響。 (二 )、矩形脈沖法測定對象的響應曲線 2-3 試驗法建模 ---過程辨識 將矩形脈沖看成正負兩個等幅的階 躍信號，據此而得到輸出的階躍 響應。即 轉換的思路

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)進行 轉換的過程如圖 2-11中部 (有自衡 過程 )和下 部 (無自衡 過程 )。 (三 )、由階躍響應曲線確定過程的傳遞函數 多數過程的數學模型表達式如 P19所示。 1、確定一階慣性環(huán)節(jié)的參數 中：在 ...1sT K)s(W. . . . o o o (1)、放大系數

18、 )302. . . . . (x )0(y)(yK 0 0 (2)、時間常數 a、 切線法：如右圖 。 b、 圖解法（半對數法）： P20-21及下圖 圖 2-12 階躍響應曲線 通過 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、確定有時滯的一階慣性環(huán)節(jié)的參數 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 經驗公式為式 (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 響應曲線如圖 2-15 所示 。 21 T/t 12 2T/t 12 1 e TT Te TT T1)t(y (1).形式 : （ 假設 K=1) 則其單位階躍響應特性方程為 (2).求解 由拐點處， 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 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 整理后可得有關計算表格 (P23表 2-2)。 第三章 單回路 3.2 3.3 3.4 3.5 控制系統(tǒng)設計 1、典型例子： 見下圖 一、系統(tǒng)的基本結構 單回路控制系統(tǒng)又稱為簡單控制系統(tǒng)。雖然簡 單，但應用較廣；過程控

21、制的基本概念主要是在本章 建立的。因此，本章內容無疑是重點之一。 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 最簡單、最基本；應用最廣泛、最成熟。 是各種復雜控制系統(tǒng)設計和參數整定的基礎。 適用于被控對象滯后時間較小，負載和干擾不 大，控制質量要求不很高的場合。 二、 過程控制系統(tǒng)設計的要求 1、安全性 2、穩(wěn)定性 3、經濟性 三、 過程控制系統(tǒng)的設計步驟 1、建立被控過程的數學模型 2、選擇控制方案 3、選擇控制設備型號規(guī)格 4、實驗（與仿真） 四、控制系統(tǒng)的工程考慮 包括儀表（微機）選型、控制室和儀表盤

22、設計、供水 供電供氣設計、信號系統(tǒng)設計、安全防暴設計等。 (2)、對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、儀表調試 5、參數整定 2、工程設計 1、方案設計 是整個控制工程設計中最重要的一步，應注意： (1)、合理選擇被控量 (被控參數 )和操縱量 (控制參數 ) 是控制系統(tǒng)方案設計的一個至關重要的問題。 恰當的選擇對于穩(wěn)定生產、提高產品產量和質量、 改善勞動條件有很大的作用。 若選擇不當，則不論組成什么樣的控制系統(tǒng)，選 擇多么先進的過程檢測控制儀表，都不能達到良好的控 制效果 。 一、被控參數

23、 (即被控量 )的選擇 1.選擇的意義 3-2 被控參數和控制參數的選擇 影響正常操作的因素很多，但并非都需加以控制。 只有根據工藝要求，深入分析工藝過程，才能選擇 出合適、可測的工藝參數。 2. 選擇方法 (2).選間接參數 當選直接參數有困難時采用。 (如用反應釜的溫度 控制間接實現化學反應的質量控制。 ) (1).選直接參數 即能直接發(fā)映生產過程產品產量和質量，以及安全 運行的參數。 (如鍋爐鍋筒的水位控制。 ) 3. 選間接參數的原則 必須考慮工藝生產的合理性和儀表的現狀 。 間接參數應與直接參數有某種單值函數關系。

24、 間接參數要有足夠的靈敏度。 二、控制參數 (即控制量 )的選擇 當生產過程中有多個因素能影響被控參數 (量 )變化 時，應分析過程擾動通道特性與控制通道特性對控制質 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的能力要強，動態(tài)響應 應比擾動通道快。 圖 3-3 (一 )、過程靜態(tài)參數對控制質量的影響 (1).基本形式： 如圖 3-3所示 選擇控制參數的一般原則如下： 1.系統(tǒng)的簡化方框圖 (2).突出干擾作用 : 框圖如下圖所示 2.傳遞函數 cc K)s(W 1sT K)s(W o o o 則在定值控

25、制下輸出對干擾的閉環(huán)傳遞函數為 設傳遞函數分別為 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)本質是穩(wěn)定的，則在單位階躍擾動下的余 差為 過程穩(wěn)態(tài)特性對控制質量有很大影響，這是選擇操 縱參數的一個重要依據。 應使 Kf越小越好，以減弱擾動對控制參數的影響。 4. 討論 )1sT(KK)1sT)(1sT(s )1sT(Kslim focfo of 0s K1

26、K KK1 K f oc f 1.時間常數的影響 由 P145、 6的分析及右圖可知： 系統(tǒng)的超調量隨 Tf的增大而減 少，控制質量得到提高。 最佳控制過程中， KcK0應為一常數， K0大小可通 過 Kc來調節(jié)。 在控制系統(tǒng)設計時，控制通道的 K0擬適當選大一 些。 (二 ).干擾通道動態(tài)特性 對控制質量的影響 fT a 1 2. 滯后時間的影響 Tf變大或個數增多，均對干擾起到了一種濾波 作用。 干擾通道的純滯后時間僅使被控參數對其反應在 時間上平移了一段時間，理論上無影響。 干擾通道的容量滯后會使干擾信號變得緩和一些 ，對

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 ).控制通道動態(tài)特性對控制質量的影響 在系統(tǒng)設計時，應使擾動作用點位置遠離被控量。 (1).T太大 特點：使控制作用變弱，控制質量變壞。 措施：合理選擇執(zhí)行器位置；采用前饋或復雜控制 . (2).結論 1.時間常數的影響 (2).T過小 特點：控制作用增強，但系統(tǒng)容易振蕩。 措施：選擇快速監(jiān)測、控制、執(zhí)行器件；設法降 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 的 一般 原則 2.滯后時間的影響 1.控制通道 的放大系數 K0要適當選大 一些；時間常數 T0要適當小一些；純滯后 時間 0越小越好， 0與 T0之比應小于 1. 2.擾動通道 的放大系數 Kf應盡可能小 ；時間常數 Tf要大；擾動引入系統(tǒng)的位置 要遠離控制過程 (即靠近調節(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、經濟性。 (五 ).實例討論 例 1：噴霧式乳粉干 燥設備的控制（ P171) 。 1.工藝流程： 參見教 材 P172圖 3-28。 2.控制要求： 干燥后 的產

29、品含水量波動要小。 3.被控參數選擇 ： 干 燥器里的溫度 4.控制 參數 的選擇 (三種方案如圖所示 ) 討論后知，以風量作控制參數為最佳選擇。 例 2 儲槽液位控制 (P173) 在自動控制系統(tǒng)中，接受調節(jié)器的指令； 經執(zhí)行機構將其轉換為相應的角位移或直線位移； 去操縱調節(jié)機構，改變被控對象進、出的能量或 物料。 調節(jié)機構 執(zhí)行機構 0、概述 1. 作用 2. 組成 3-3 執(zhí) 行 器 選 擇 3. 類型 液動執(zhí)行器 電動執(zhí)行器 滾動膜片機構 長行程機構 活塞機構 薄膜機構應用

30、最廣 氣動執(zhí)行器 由兩部分組成， 如右圖所示。 一、氣動薄膜控制 閥的工作原理 (一 )、氣動薄膜執(zhí)行機構 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，其開度增加。 反作用 --控制氣壓增加時，其開度減小。 3、作用原理 PPAe=kll=AeP/k (二 )、控制閥體 1、作用： 是一個局部阻力可以變化的節(jié)流元件。 2、流量方程 當口徑 A和差壓 (P1-P2)一定時，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 阻力而控制介質流量 。 1)-(32PpP 22

31、1 A Q )23()PP(2AQ 21 3、調節(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：控制閥的相對流量預相對開度成直線 關系，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：適于在較大開度下使用。 (注：國產 閥，可控比 R=30) 對數特性：小流量時，控制作用平緩；大流量時， 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：介于直線特性與對數特性之間，彌 補了直線特性小開度時控制性能差的缺點。 (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；增大產量 (流量 ) (2)、可調比：在下圖中，設 Q1--調節(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 選擇原則是廣義對象具有線性特性，即總放大系 數為常數。 選擇方法可分為理論計算法和經驗

34、法兩大類。 由對象特性 選工作特性 推理想特性 查廠家 手冊。 )x1( L lxf Q Q m a x 三、控制閥作用方式的選擇 選氣開還是氣關式，由生產工藝的要求決定。 1、從生產的安全出發(fā) 2、從保證產品質量考慮 3、從降低原料和動力的損耗考慮 4、從介質特點考 (一 )、氣開氣關方式的選擇 執(zhí)行機構與閥體部件的配用有表可查。 先選氣開、氣關方式，再選執(zhí)行機構。 (二 )、執(zhí)行機構正、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

35、通道在被控參數和控制參數確定之后就定下 來了。 根據對象特性和控制質量要求 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 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、積分控制作用對控制質量的影響 一、比例控制作用對控制質量的影響 三、微分控制作用對控制質量的影響 (1)、特點：抗干擾能力強，過渡過程時間短，但 有余差。 (2)、適用：控制通道滯后較小，負荷變化不大， 允許被控量在一定范圍內變化的系統(tǒng)。 引入微分控制作用后，控制質量將全面提高。 微分

36、作用太強，會引起控制閥時而全開、時而 全關。 四、控制器的選型 應由對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：對克服對象的容量滯后有顯著的效果。 (2)、適用：負荷變化大，容量滯后大，控制質量 要求很高的系統(tǒng)。 (1)、特點：過渡過程結束時無余差，但系統(tǒng)的穩(wěn) 定性降低。 (2)、適用：滯后較小，負荷變化不大，被控量不 允許有余差的控制系統(tǒng) 。 負荷變化大，純滯后大，采用 PID達不到要求時采用。 4、復雜控制系統(tǒng) 3、 PID控制器的選擇 五、控制器正、反作用的選擇 原則 ： 使整個單回路構

37、成負反饋系統(tǒng) ---乘積為 負。 1、控制閥：氣開式為 “ ” ，氣關式為 “ -” ； 2、控制器：正作用為 “ ” ，反作用為 “ -” ； 3、被控對象：物料或能量增加時，被控參數隨之 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 “ ” )(對象 “ ” )=“ -” 如果控制方案已經確定，則過程各通道的靜態(tài) 和動態(tài)特性就已確定，系統(tǒng)的控制質量就取決于控制 器各個參數值的設置。 控制器的參數整定，就是確定最佳過渡過程中 控制器的比例

38、度 、積分時間 TI、微分時間 TD的具體 數值。 所謂最佳過渡過程，就是在某種質量指標下， 系統(tǒng)達到最佳調整狀態(tài)。 4： 1遞減比為最佳參數整定的常用依據。 4:1 參數整定的方法 : 0、概述 3-5 控制器的參數整定 ： 對數頻率特性法、根軌跡法等。 (2)、 工程整定法： 經驗湊試法、衰減曲線法、臨 界比例度法、響應曲線法等。 (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 控制器輸入的測量范 圍

39、式中 對于單元組合儀表， %.100 K 1 c 比例度 的概念：對于比例作用大小，工業(yè)控制 器常用 表示，其義為： 一、現場經驗湊試法 1、常用的參數經驗范圍： 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)投入運行； 若曲線振蕩頻繁，則加大比例度 ； 若超調量大，且趨于非周期，則減少 ，求得滿意 的 4： 1過渡過程曲線。 (2)、引入積分作用 (此時應將上述 加大 1.2倍 ) 將積分時間 TI由大到小進行整

40、定； 若曲線波動較大，則應增大 TI； 若曲線偏離給定值后長時間回不來，則需減少 TI， 以求得較好的過渡過程曲線。 (3)、若需引入微分作用 1、特點 : 是目前工程上應用較廣泛的一種控制器 參數的整定方法。 2、整定步驟 (1)、在純比例作用下投入 (TI=,TD=0),比例度 適 當；平穩(wěn)操作一段時間，把系統(tǒng)投入自動運行。 將 TD按經驗值或按 TD=(1/3 1/4)TI設置，并由小 到大加入； 若曲線超調量大而衰減慢，則需增大 TD； 若曲線振蕩厲害，則應減小 TD； 觀察曲線，再適當調節(jié) 和 TI，反復

41、調試直到獲得 滿意的過渡過程曲線。 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 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 K和 TK值，采用表 3-2中的經驗公式，計 算 、 TI、 TD的值。 用臨界比例度法整定某過程控制系統(tǒng)所得 的比例度 K=20%,臨界振蕩周期 TK=1min，當控制器分別 采用比例作用、比例積分作用、比例積分微分作用時， 求其最佳整定參數值 。 例 3-1 (4)、按 “ 先 P后 I最后 D”的操作程序，將控制器整 定參數調整到計

42、算值上。 觀察其運行曲線，若不夠滿意， 再 做進一步調整。 解：應用表 3-2經驗公式， 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 應用臨界比例度法的幾點注意事項見 P155。

43、 三 、阻尼振蕩法 （衰減曲線法） (1)、實現 4： 1衰減比 先把參數置成純比例作用 (TI=,TD=0)， 使系統(tǒng)投入運行； 再把 從大逐漸調小，直到 出現右圖所示的 4： 1衰減過程曲 線 ； 此時的 4： 1衰減比例度為 S， 4： 1衰減振蕩周期為 TS。 運行效 果如下圖。 1、特點： 是在總結 穩(wěn)定邊界法 的基礎上，經過 反復實驗提出來的。 2、整定步驟： 對于要求系統(tǒng)過渡過程達到 4： 1 衰減的步驟如下。 返回 (3)、進一步調整 按 “ 先 P后 I最后 D”的操作程序，將求得的參數設置 在控制器上；

44、 (2)、計算參數 再觀察運行曲線，若不太理想，可做適當調整。 根據 S和 TS，使用表 3-8計算出控制器的各個整定 參數值。 某溫度控制系統(tǒng)，采用 4： 1衰減曲線法整 定控制器參數，得 S=20%， TS=10分，當控制器分別為比 例作用、比例積分作用、比例積分微分作用時，試求其 整定參數值。 例 3-2 解 應用表 3-8中的經驗公式，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、響應曲線法 （動態(tài)特性參數法） 2、整定步驟 (1)、用 P17-18”實驗法建模 “ 中所介紹的方法獲取 對象的響應曲線，如下圖所示。 1、特點： 依據對象的響應曲線 ---飛升特性整定 參數，精度更高。 (2)、求取廣義對象的放大系數 Ko mi nma xmi nma x o XX X yy yK 式中 y ---被控參數測量值的變化量； X ---控制器輸出的變化量；

46、ymax-ymin---測量儀表的刻度范圍； Xmax-Xmin---控制器輸出變化范圍。 (3)、 根據 對象的 K0 、 T0 、 0 ，按下表 3-4所給公式求 出 4： 1衰減過程控制器的參數 、 TI和 TD 。 在某一蒸汽加熱器的控制系統(tǒng)中，當電動 單元組合控制器的輸出從 6mA改變到 7mA時，溫度記錄儀 的指針從 85 升到 87.8 ，從原來的穩(wěn)定狀態(tài)達到新的 穩(wěn)定狀態(tài)。儀表的刻度為 50100 ，并測出 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。 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： =1.127%=30% TI=3.31.2=4min 在 PID控制器時： =0.8527%=23% TI=21.2=2.4min TD=0.51.2=0.6min 解畢。 1、試說明單回路控制系統(tǒng)的構成、主要特點及其

48、應用場合。并說明系統(tǒng)設計的主要內容。 2、過程控制系統(tǒng)方案設計應包含哪些主要內容？ 3、選擇被控參數時應遵循哪些基本原則？ 4、在選擇控制參數時，為什么取過程控制通道的 靜態(tài)放大系數 K0 應適當大一些，而時間常數 T0應適當 小一些？ 5、在設計過程控制系統(tǒng)時，怎樣選擇調節(jié)器的控 制規(guī)律？怎樣確定調節(jié)器的正、反作用方式和調節(jié)閥 氣開、氣關形式？ 思考題 第四章 串級控制系統(tǒng) 4-1 概述 單回路控制系統(tǒng) ：結構簡單，但難于適應工藝參數 間關系比較復雜的控制，特別是現代大規(guī)模工業(yè)生產。 復雜控制系統(tǒng) ：具有兩個以上的檢測變送單元、或 控制器、或執(zhí)

49、行器，能完成一些復雜或特殊的任務 串級控制系統(tǒng) ：對改善控制品質有獨到之處，故而 在過程控制系統(tǒng)中應用很廣泛。 4.2 4.3 4.4 4.5 一 .串級控制系統(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：所有對溫度的干擾都包括在控制回路之中。 缺點：對燃油流量變化等干擾控制不及時，總滯后 較大。 (2)、采用 間接控制 方案：如圖 4-2所示。 優(yōu)點：能及時而有效地克服來自燃料油壓力方面的 干擾。 缺點：燃料油控制只起輔助作用；放棄爐出口溫度 控制將無法克服來自原料流量和溫度、爐

50、膛壓力變化等 方面的干擾。 1、問題的提出 (1)、 結構圖 ：將圖 4-1、圖 4-2方案綜合起來， 即得串級控制系統(tǒng)如圖 4-4所示。 2、系統(tǒng)組成 加熱 流量測量 溫度測量 (2)、 方框圖 ：如圖 4-3所示。 (3)、 特征 ：兩臺控制器串聯(lián)在一起，控制一個 調節(jié)閥。 (4)、 另一實例 (5)、 常見名詞術語 : 主、副變量，主、副控制器，主、副對象，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、副對象上的干擾分別為一、二次干擾。 圖 4-5為串級控制系統(tǒng)的通用方框圖。 三、串級控制系統(tǒng)的工作

51、過程 仍以管式加熱爐出口溫度控制為例，分析克服干 擾的過程。 1、干擾來自燃料油流量 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，溫度控制器不斷改變著流量控 制器的設定值。 2、干擾來自原料油 (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 ” 作用，主控 制器具有 “ 細調 ” 作用；兩者配合，控制質量必高于 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 定值 。 3、一、二次干擾同時出現 燃料油流量為適應溫度控制的需要而不斷變化。 4

52、-2 串級控制系統(tǒng)的特點 一、時間常數 串級控制系統(tǒng)能使等效副對象的時間常數變小， 放大系數增大，從而顯著提高控制質量。 將整個副回路看成一個副對象，則簡化圖如圖 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 設干擾從閥前進入。 進一步等效 ,圖 4-6。 分析可得式 : K1*K2越大，抗干擾能力越強。 進一步分析可 知單回路比串級抗干擾能力差 。 21 21 11 KK )s(F/)s(Y )s(X/)s(Y 四、有一定的自適應能力 單回路控制系統(tǒng)只有一個控制器，設定值一般不 變，難以

53、適應負荷非線性的變化。 串級控制系統(tǒng)中，副回路是一個隨動系統(tǒng)，設定 值隨主控制器的輸出而變化，適應負荷變化的能力較 強。 由式 (5-22)(P172)可知， K02變化對等效 K 02影 響很小，亦可說明副回路能自動地克服對象非線性特 性的影響。 4-3 串級控制系統(tǒng)的工業(yè) 應用 當被控對象純滯后時間較長時，在離控制閥較近、 純滯后時間較小的地方選擇一個副變量，把干擾拉入副 回路。 利用副回路的超前作用來克服對象的純滯后僅僅是 對二次干擾而言的，一次干擾不直接影響副變量。 例 如下圖所示： 堅持一個設計原則：凡是用單回路控制系統(tǒng)能 滿足控制要求的，就不再用串級控

54、制系統(tǒng)。 一、用于克服對象的純滯后 副變量：過熱蒸汽溫度，位于滯后較小的 B點 。 被控參數： A點溫度 控制參數：減溫水流量 主要干擾：減溫水壓力波動。 二、用于克服對象的容量滯后 容量滯后會使被控對象反應遲鈍，超調大，過渡 過程長。 以溫度或質量作為被控量的控制對象，其容量滯 后往往比較大，致使控制質量變差。 對象容量滯后大、干擾復雜的情況下，串級控制 系統(tǒng)的使用最為普遍，效果較好。 此時應選擇一個滯后較小的輔助變量組成副回路。 副環(huán)的時間常數不能過大，以防共振；也不能過 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 串級控制系統(tǒng)對二次 干擾具有很強的克服能 力。 設計時應把變化劇烈、幅值大的干擾包含 在副回路中。 副回路放大系數應大 些，會使抗干擾能力大 大提高。 例 如下 圖 4-13，脫 氣塔的壓力對主控指標 (液位 )影響很大，甚至 造成溢出或打干的事故， 是主干擾，串級控制后 效果很好。 四、用于克服對象的非線性 負荷變化會引起工作點的移動。 當負荷變化大且頻繁時，只有高級控制系統(tǒng)才 有重整參數以適應控制要求的能力。 一般控制系 統(tǒng)中，有效辦法是 采用串級

56、控制。 例 在 圖 4-14 中，其中部溫度要 嚴控，則將具有非 線性特性的換熱器 包含在副回路。 4-4 串級控制系統(tǒng)的設計 主變量 (操縱量 )的選擇原則主要有： (1)、條件允許時選質量指標作為主變量。 正確合理地設計，才能使串級控制系統(tǒng)發(fā)揮其 特點。 設計包括主、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 )、主回路是一個定值控制系統(tǒng)，可以按單回 路控制系統(tǒng)的設計原則進行。 (二 )、副回路應包括盡可能多的擾動。 前已述及，應將變化最劇烈、幅度最大、最頻 繁的擾動包括在副回路中。

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

58、未發(fā)揮。 (2)、當 T01/T02<3時，說明 T02過大，副回路的控 制作用不及時。 (3)、當 T01/T021時，主、副回路易出現 “ 共振 效應 ” 。 一般認為： T01/T02=310 較合適。 究竟 T02取多大為好，應按具體情況確定。若欲 快速克服主干擾，則小一點為好；若欲克服對象的大 滯后，可取大點；若欲克服對象的非線性，則 T01/T02 宜取大一些。 (四 )、選副回路應考慮工藝上的合理性 只有滿足工藝要求，才具有實用性。 先考慮工藝要求，再考慮其他要求。 (五 )、副回路設計應考慮經濟性原則 技術與經濟指標應綜合考

59、慮，如下兩圖。 1、對 主變量控制質量要求高 主變量宜采用 PI規(guī)律；欲克服容量滯后，應引進 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、對主變量控制要求不高，甚至允許小波動 主變量采用 P規(guī)律，副回路對主回路的跟隨要求快 而準時采用 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、對主、副變量控制要求均不高

60、 可均采用 P規(guī)律；必要時對主變量控制引進微分 作用 。 (主控制器 +/-)(副對象 +/-)(主對象 +/-)=(-) 主、副控制器正、反作用方式的確定是否正確， 可進行驗證，如圖。 4-5 串級控制系統(tǒng) 控制器參數的整定 所謂投運，就是通過適當的步驟，使主、副控制 器從手動工作狀態(tài)轉到自動工作狀態(tài)。 兩種投運方法：、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、串級控制系統(tǒng)的投運 二、串級控制系統(tǒng)控制器參數的整定 串級控制系統(tǒng)的方案正確設計后，為了使系統(tǒng)運 行在最佳狀態(tài)，按照自控理論，必須對系統(tǒng)進行校正，

61、 這在過程控制中稱為參數整定。 在工程實踐中，串級控制系統(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。 重新調整副控制器參數。 若未達到控制要求，再調整主控制器參數。 以上步驟循環(huán)進行，直到滿足 (逼近 )控制指 標為止。 對于不同的控制系統(tǒng)和不同的品質指標要求，逐步 逼近法逼近的循環(huán)次數是不同的，所以往往費時較多。 (二 )、兩步整定法 (應用最廣泛

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。 應用舉例 在硝酸生產過程中，有一個氧化爐溫度與氨氣流量 的串級控制系統(tǒng)。溫度為主參數，工藝要求較高，溫度 最大偏差不 能超過 5 ，氨氣流量為副參數，允許在一 定范圍內變化，要求不高。系統(tǒng)控制器參數采用兩步整 定法，過程如下。 、在系統(tǒng)設計 時，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，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節(jié)，取得主 控制器的 1S =50%,T1S=7min。 2S=32%,T2S=15s。 根據上述求得的各參數，運用 4： 1衰減曲線法 整定計算公式 (見上表 4-1)，計算主、副控制器的整定 參數為： 主控制器 (溫度控制器 )：比例度 1=1.21S=60%， 積分時間 T1=0.5 T1S=3.5min 副控制器 (流量控制器 )：比例度 2 = 2S =32% 把上述計算的參數，按先 P后 I的次序，分別設 置在主、副控制器上，并使串級控制系統(tǒng)在該參數下 運行。 實際運行，氧化爐溫度

64、穩(wěn)定，完全滿足生產工藝 的要求。 1、與單回路系統(tǒng)相比，串級控制系統(tǒng)有哪些主 要特點？ 2、為什么說串級控制系統(tǒng)具有改善過程動態(tài)特 性的特點？ T02和 K02減小與提高控制質量有何關系 ？ 3、為什么提高系統(tǒng)工作頻率也算是串級控制系 統(tǒng)的一大特點？ 思考題 下一章 加熱 溫度測量 返回 加熱 流量測量 返回 第五章 前饋及復合控制系統(tǒng) 其他反饋控制的缺點： 無法將干擾克服在被控制量偏離設計值之前。 被控對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

65、思路 直接按擾動而不是按偏差進行控制。 干擾發(fā)生后，被控量還未顯現出變化之前，控 制器就產生了控制作用。 這種 前饋控制系統(tǒng) 對干擾的克服要比反饋控制 系統(tǒng)及時得多。 3、工作 原理 用右 圖針對 反饋控 制做比 較說明。 其中 Ma為擾動量， T2為出口 溫度， WO(s)為控制通道的傳遞函數 ,Wf(s)為前饋通道的 傳遞函數 ,Wd(s)為干擾通道的傳遞函數。 補償過程如下圖所示。 可實現對擾動的完全補償，使被控量成為對擾 動絕對不靈敏的系統(tǒng)。（不變性原理） 4、前饋與反饋的比較 (1)、 檢測 ：前饋控制

66、測干擾；反饋控制測被控 量。 (2)、 效果 ： 克服干擾，前饋控制及時，理論上可實現 完全補償；反饋控制不及時。 (3)、 經濟性 ：克服干擾，前饋控制只能一對一， 不如反饋控制經濟。 (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)的結構形式 控制器的輸出僅僅 是輸入 F的函數，與時 間 t無關。 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)。 動態(tài)前饋控制能顯著提高系統(tǒng)的控制質量，但結 構和參數整定均比較復雜。 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。 三、復合控制系統(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：