1、過程控制系統(tǒng)及工程,§0-1 課程的性質(zhì)和教學安排,凡是采用數(shù)字或模擬控制方式對生產(chǎn)過程的某一或某些物理參數(shù)進行的自動控制通稱為過程控制。(另有運動控制方向),1、過程控制的概念,第0章 緒論,,,,,,,3、教學安排,4、主要參考書,(1)、過程控制工程，孫洪程，化學化工出版社,（1）學時:40學時；（2）實驗情況：6個實驗，12學時,(2)、從實際應用看,(1)、從專業(yè)特點看,,2、過程控制是自動化專業(yè)的主要內(nèi)容之一,

2、§0-2 過程控制的發(fā)展概況,生產(chǎn)過程自動化是保持生產(chǎn)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(chǎn)率重要手段，一直起著極其重要的作用。其發(fā)展經(jīng)歷了以下幾個方面,,過程控制系統(tǒng)在控制結(jié)構(gòu)上經(jīng)歷了三個發(fā)展階段：分散控制階段, 集中控制階段和集散控制階段。 從過程控制采用的理論與技術手段來看，可以粗略地把它劃為三個階段：,第一階段 70 年代之前 初級階段，包括人工控制，以古典控制理論為主要基礎，采用常

3、規(guī)氣動、液動和電動儀表，對生產(chǎn)過程中的溫度、流量、壓力和液位進行控制，在諸多控制系統(tǒng)中，以單回路結(jié)構(gòu)、PID 策略為主，同時針對不同的對象與要求，創(chuàng)造了一些專門的控制系統(tǒng)，如：使物料按比例配制的比值控制，克服大滯后的Smith 預估器，克服干擾的前饋控制和串級控制等等，這階段的主要任務是穩(wěn)定系統(tǒng)，實現(xiàn)定值控制。這與當時生產(chǎn)水平是相適應的。,第二階段（70 年代——90 年代初） 發(fā)展階段，以現(xiàn)代控制理論為主要基礎，以微型計算機和高檔

4、儀表為工具，對較復雜的工業(yè)過程進行控制。這階段的建模理論、在線辨識和實時控制已突破前期的形式，繼而涌現(xiàn)了大量的先進控制系統(tǒng)和高級控制策略，如克服對象特性時變和環(huán)境干擾等不確定影響的自適應控制，消除因模型失配而產(chǎn)生不良影響的預測控制等。這階段的主要任務是克服干擾和模型變化，滿足復雜的工藝要求，提高控制質(zhì)量。1975 年，世界上第一臺分散控制系統(tǒng)在美國Honeywell公司問世，從而揭開了過程控制嶄新的一頁。分散控制系統(tǒng)也叫集散控制系統(tǒng)，它

5、綜合了計算機技術、控制技術、通信技術和顯示技術，采用多層分級的結(jié)構(gòu)形式,按總體分散、管理集中的原則，完成對工業(yè)過程的操作、監(jiān)視、控制。由于采用了分散的結(jié)構(gòu)和冗余等技術，使系統(tǒng)的可靠性極高，再加上硬件方面的開放式框架和軟件方面的模塊化形式，使得它組態(tài)、擴展極為方便，還有眾多的控制算法(幾十至上百種) 、較好的人—機界面和故障檢測報告功能。經(jīng)過20 多年的發(fā)展，它已日臻完善，在眾多的控制系統(tǒng)中，顯示出出類拔萃的風范，因此，可以毫不夸張地說，

6、分散控制系統(tǒng)是過程控制發(fā)展史上的一個里程碑。,第三階段 90 年代后。 高級階段。目前，過程控制正朝高級階段走來，不論是從過程控制的歷史和現(xiàn)狀看，還是從過程控制發(fā)展的必要性、可能性來看，過程控制是朝綜合化、智能化方向發(fā)展，以智能控制理論為基礎，以計算機及網(wǎng)絡為主要手段，對企業(yè)的經(jīng)營、計劃、調(diào)度、管理和控制全面綜合，實現(xiàn)從原料進庫到產(chǎn)品出廠的自動化、整個生產(chǎn)系統(tǒng)信息管理的最優(yōu)化。它表現(xiàn)的最大特征是仿人腦功能，這一點在某種程度上是回

7、復到初級階段的人工控制，但更多的是在人工控制基礎上的進步與飛躍。,§0-3 過程控制的特點,過程控制的目的：保持過程中的有關參數(shù)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。,,1-1典型單回路控制系統(tǒng),§0-4 過程控制的組成及術語,一、系統(tǒng)組成,1、控制原理

8、(如下圖),以液體儲槽的水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(chǎn)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(qū)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

9、 (簡稱對象或過程)：前已述及。2、被控變量：按照生產(chǎn)過程要求，某些變量應該維持在穩(wěn)定的變化范圍內(nèi)，如果對其施加控制作用，就稱其為被控參數(shù)。如溫度、壓力、流量、液位、成分等。,二、常用術語,,3、干擾: 凡是影響被控量的各種作用均叫做干擾或擾動。4、操縱量：受控于執(zhí)行器(控制閥)，用于調(diào)節(jié)被控變量大小的物理量，稱為操縱變量。它是系統(tǒng)的一種擾動。 5、測量值：被控變量經(jīng)檢測變送后即是測量值。6、給定值：即被控變量的設定值

10、。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，故通常把測量值與給定值之差稱作為偏差。 對于控制系統(tǒng)而言，外部輸入為給定值，故偏差定義為：給定值-測量值（sp-pv） 對于控制器而言，外部輸入為測量值，故偏差定義為：測量值-給定值（pv-sp） 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。,,一、一般分類,1、按工藝參數(shù)分類：,有溫度控

11、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。,,,,,,,,,§0-5 過程控制系統(tǒng)的分類,,二、按設定值形式分類,5、按是否形成閉合回路分類：,是工業(yè)生產(chǎn)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(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。,4、按控制器的動作分類：,有開環(huán)、閉環(huán),1、定值控制系

12、統(tǒng),,,,P,PI,PID,,位式,,,2、隨動控制系統(tǒng),其給定值按預定的時間程序來變化。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、衰減比,見圖,一般認為，n=4:1時穩(wěn)定性好，但溫度等慢

13、變化過程約取10:1為好，應根據(jù)實際情況靈活處理。,2、衰減率,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?=0.75～0.9。,§0-6 控制系統(tǒng)的質(zhì)量指標,見圖,,3、動態(tài)偏差（亦即超調(diào)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(diào)節(jié)時間、靜態(tài)偏差（即余差）,見以下兩圖中的C。,,,超調(diào)量,上升時間,調(diào)節(jié)時間,穩(wěn)態(tài)誤差e(∞),數(shù)學模型的有關概念,數(shù)學模型:指過程在各

14、輸入量的作用下，其相應輸出量變化的函數(shù)關系數(shù)學表達式。通道:輸入量與輸出量間的信號聯(lián)系。 控制通道--控制作用與被控量間的信號聯(lián)系； 擾動通道--擾動作用與被控量間的信號聯(lián)系。,0-7 過程控制對象的特性,,一.自衡過程的數(shù)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(zhì)，稱為平衡能力。,(一)、單容

15、過程的數(shù)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。,0-8 有自平衡能力對象特性,,,過程演示,2-1,,返回,2、參量關系分析,討論：(1)、靜態(tài)時，q10=q20=dh0/dt=0 ; (2)、當q1變化時?h變化? q2變化。 經(jīng)線性化處理，有,其中，R2為閥門2的阻力，稱為液阻或流阻。,,3、建立數(shù)學模型,由式(*)可畫出框圖如圖所示。即

16、 AsR2H(s)+H(s)=R2Q1(s) , 故,式中，時間常數(shù)TO=AR2=R2C , C為容量系數(shù)(或容量)。,由式(2-6)和式(2-7)，有,,(1)、容量C 含義：生產(chǎn)設備和傳輸管路都具有一定的儲蓄物質(zhì)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(shù)，其意義是：引起單位被控量變化時，被控過程儲存量變化量。

17、 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頭和流率。 種類：電阻、熱阻、氣阻、流(液)阻。,4、容量和阻力的概念,,返回,(二)、具有純滯后單容過程的數(shù)學模型,1、純滯后的概念 純滯后是普遍存在的，如下頁圖所示。,2、數(shù)學模型,,無純滯后,有純滯后,,(三)、多容過程的數(shù)學模型,1、多容過程是工業(yè)生產(chǎn)中常見的，如下兩圖。,,2

18、-5,,h1,h2,2、三容過程的微分方程模型: 如式(2-10),,3、三容過程的方框圖,由式(2-10)的拉氏變換，可得圖2-6。,4、三容過程的數(shù)學模型由圖2-6，應用自控理論即可獲得其模型。,,無自衡過程的概念：如下圖。,,,(四)、無自平衡能力對象特性,(1)、單容過程的數(shù)學模型,1、參量關系分析 在自衡過程(圖2-7)下，有,,返回,而在無自衡過程(圖2-8)下，因q2=0，故,2、傳遞函數(shù),二容、三容過程形式：如圖

19、2-9、圖2-10所示。,(2)、多容過程的數(shù)學模型,,圖2-8,,2-10,,第一章 單回路控制系統(tǒng),§1-1 概述,1、典型例子：見下圖,一、單回路控制系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)組成,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；過程控制的基本概念主要是在本章建立的。因此，本章內(nèi)容無疑是重點之一。,,液位變送器,液位控制器,執(zhí)行器,,控制器選擇反作用，分兩種情況討論該控制系統(tǒng)：情況1：流入量突然增大（正偏差）情況2：流出量

20、突然增大（負偏差）,氣開,2、系統(tǒng)方框圖,,,,,,,,,,,3、特點,①最簡單、最基本；應用最廣泛、最成熟。 ②是各種復雜控制系統(tǒng)設計和參數(shù)整定的基礎。 ③適用于被控對象滯后時間較小，負載和干擾不大，控制質(zhì)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(jīng)濟性,三、 過程控制系統(tǒng)的設計步驟,1、建立被控過程的數(shù)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

21、程考慮,包括儀表（微機）選型、控制室和儀表盤設計、供水供電供氣設計、信號系統(tǒng)設計、安全防暴設計等。,3、工程安裝,4、儀表調(diào)試,5、參數(shù)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(shù))和操縱量(控制參數(shù))(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,,? 是控制系統(tǒng)方案設計的一個至關重要的問題。 ? 恰當?shù)倪x擇對于穩(wěn)定生產(chǎn)、提高產(chǎn)品產(chǎn)量

22、和質(zhì)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。 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，深入分析工藝過程，才能選擇出合適、可測的工藝參數(shù)。,1.選擇的意義,§1-2 被控變量的選擇,,2. 選擇方法,(2).選間接參數(shù) 當選直接參數(shù)（如密度、粘度、成分含量）有困難時采用。(如用反應釜的溫度控

23、制間接實現(xiàn)化學反應的質(zhì)量控制。),(1).選直接參數(shù) 即能直接發(fā)映生產(chǎn)過程產(chǎn)品產(chǎn)量和質(zhì)量，以及安全運行的參數(shù)。多為溫度、壓力、流量、液位為直接參數(shù)指標的。,,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)應與直接參數(shù)有某種單值函數(shù)關系。 ? 間接參數(shù)要有足夠的靈敏度。,,P3 精餾例子,當生產(chǎn)過程中有多個因素能影響被控變量變化時，應分析過程擾動通道特性與控制通道特性對控制

24、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的能力要強，動態(tài)響應比擾動通道快。,,通道的概念：某個參數(shù)影響另一個參數(shù)的通路。 F1~Fn為系統(tǒng)的輸入，在F1~Fn中選取某一個作為操縱變量，那么其他的則稱為干擾。,§1-3 對象特性對控制質(zhì)量的影響及操縱變量的選擇,1.3.1 干擾通道特性對控制質(zhì)量的影響,,突出干擾作用: 框圖如下圖所示,,,(1)干擾通道放大倍數(shù)Kf

25、的影響,運用終值定理,KC——控制器放大倍數(shù),K0——被控對象放大倍數(shù),即系統(tǒng)殘差，越小,Kf越小,要求,(2)干擾通道時間常數(shù)Tf的影響,結(jié)論： Tf越大，信號被衰減的越多，即濾波作用越強，那么干擾信號對被控變量的影響越弱,,結(jié)論：干擾通道時間常數(shù)越大，個數(shù)越多，或者說干擾進入系統(tǒng)的位置越遠離被控變量而靠近控制閥，干擾對被控變量的影響越小，系統(tǒng)的質(zhì)量越高。,,(2-1)干擾進入位置的影響,,(3)干擾通道純滯后的影響,結(jié)論：干擾通道的

26、純滯后時間僅使被控參數(shù)對其反應在時間上平移了一段時間，理論上無影響。,,,,1.3.2 控制通道動態(tài)特性對控制質(zhì)量的影響,(1)控制通道放大倍數(shù)K0的影響,ξ一定時，必有KCK0=常數(shù)。即K0越大則需要調(diào)整KC越小。整體系統(tǒng)由干擾產(chǎn)生的誤差也不改變。,,結(jié)論：系統(tǒng)余差y(∞)與K0無關，但K0大表示操縱量對控制變量的影響大，更為有效。當該通道不選做控制通道（不選擇此干擾為操縱量），則該通道為干擾通道，此干擾對被控變量影響大，對系統(tǒng)不

27、利。,,(2)控制通道時間常數(shù)T0的影響,,ξ不變的情況下， T01或者T02的增大導致ωβ的下降，會導致系統(tǒng)控制速度變慢。,根軌跡法有同樣的結(jié)論。,,(3) 控制通道純滯后的影響,C：無控制作用時的反應曲線A：控制及時控制作用曲線D：控制及時反應曲線B：控制不及時控制作用曲線E：控制不及時反應曲線,,純滯后的存在會使控制不及時，動態(tài)偏差（超調(diào)量）增大，穩(wěn)定性下降,1.3.3 操縱變量的選擇,1、所選的操縱變量必須是可控的；2

28、、所選的操縱變量應是通道放大倍數(shù)比較大者，最好大于擾動通道的放大倍數(shù)；3、所選的操縱變量應使擾動通道時間常數(shù)越大越好，而控制通道時間常數(shù)應適當小一些為好，但不宜過小；4、所選的操縱變量其通道純滯后時間應越小越好；5、所選的操縱變量應盡量使干擾點遠離被控變量而靠近控制閥；6、注意工藝操作的合理性、經(jīng)濟性。（不宜選用生產(chǎn)負荷作為操縱量）,,1.控制通道的放大系數(shù)K0要適當選大一些；時間常數(shù)T0要適當小一些；純滯后時間?0越小越好，?

29、0與T0之比應小于1.2.擾動通道的放大系數(shù)Kf應盡可能??；時間常數(shù)Tf要大；擾動引入系統(tǒng)的位置要遠離控制過程(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)濟性。,,,實例討論,例1：噴霧式乳粉干燥設備的控制。,,1.工藝流程：以乳化物的干燥過程為例來設計干燥器。由于乳化物屬于膠體物質(zhì)，激烈攪拌易固化，也不能用泵抽送，因而采用高位槽的辦法。濃縮的乳液由高位槽流經(jīng)過濾器A或B，慮去凝結(jié)塊和其他雜質(zhì)，并從干

30、燥器頂部由噴嘴噴下。有鼓風機將一部分空氣送至換熱器，用蒸汽進行加熱，并將與來自鼓風機的另一部分空氣混合，經(jīng)風管送往干燥器，由下而上吹，以便蒸發(fā)掉乳液中的水分，使之成為粉狀物，并隨濕空氣一起由底部送出進行分離。生產(chǎn)工藝對干燥后的產(chǎn)品質(zhì)量要求很高，水分含量不能波動太大，因而需要對干燥的溫度進行嚴格控制。,2.被控變量選擇：干燥器里的溫度 3.操縱變量的選擇(三種方案如圖所示),乳液流量f1；空氣流量f2；蒸汽流量f3,,1、圖a 乳液直接

31、進入干燥器，控制通道的滯后最小，對被控溫度的校正作用最靈敏，而且干擾進入系統(tǒng)的位置遠離被控量，所以將乳液流量作為控制參數(shù)應該是最佳的控制方案；但是，由于乳液流量是生產(chǎn)負荷，工藝要求必須穩(wěn)定，若作為控制參數(shù)則很難滿足工藝要求。所以，將乳液流量作為控制參數(shù)的控制方案應盡可能避免。,2、旁路空氣量與熱風量混合，經(jīng)風管進入干燥器，它與圖a控制方案相比，控制通道存在一定的純滯后，對干燥溫度校正作用的靈敏度雖然差一些，但可通過縮短傳輸管道的長度而減

32、小純滯后時間。,3、對圖c所示的控制方案分析可知，蒸汽需經(jīng)過換熱器的熱交換，才能改變空氣溫度。由于換熱器的時間常數(shù)較大，而且該方案的控制通道既存在容量滯后又存在純滯后，因而對干燥溫度校正作用的靈敏度最差。,討論后知，以風量作控制參數(shù)為最佳選擇。,,§1.4 控制閥的選擇,§1.4.1 控制閥口徑的選擇,略,§1.4.2 控制閥開、閉形式的選擇,1、生產(chǎn)安全出發(fā)2、保證產(chǎn)品質(zhì)量3、降低原料、成品、動力耗損

33、來考慮4、介質(zhì)的特點考慮。,,§1.4.2 控制閥流量特性的選擇,直線,對數(shù),快開,生產(chǎn)負荷,流量,保持在生產(chǎn)負荷變化時，衰減比n=4:1，有,不變，則,假設,,,K0和F的平方根成正比，,,和F的平方根成反比，,故選擇線性的閥門。,,,,生產(chǎn)負荷G發(fā)生變化時：,利用,消去,,,線性閥門,§1.4.4 控制閥結(jié)構(gòu)形式的選擇,§1.4.5 閥門定位器的選用,§1-5 測量傳送滯后對控制質(zhì)量的影響及

34、克服辦法,§1.5.1 測量滯后的影響,測量滯后包括：測量環(huán)節(jié)的容量滯后和信號測量過程的純滯后,（1）容量滯后,（2）測量環(huán)節(jié)的純滯后,測量環(huán)節(jié)的純滯后和控制通道的純滯后的影響相同。,溫度參數(shù)和物性參數(shù)的測量很容易引入純滯后，且一般比較大。流量參數(shù)的測量滯后一般都比較小。,,§1.5.2 信號傳送滯后的影響,信號的傳送滯后包括： 測量信號傳送滯后

35、 控制信號傳送滯后,對于電號滯后時間常數(shù)=0,對于氣動信號φ48×1：,純滯后時間ι=K1 ×L,時間常數(shù)T=K2×L,,,§1.5.3 克服測量、傳送滯后的方法,（1）克服測量滯后的辦法1、選擇惰性小的快速測量元件，以減小時間常數(shù)。2、選擇合適的測量點，以減少純滯后。3、使用微分單元，以克服測量環(huán)節(jié)的容量滯后。,通過調(diào)整使Tm=TD就可完全克服容量滯后。,,微分環(huán)節(jié)加入

36、位置分析：兩種加入位置,1、克服干擾效果對比,由方框圖有傳遞函數(shù)均為：,,2、設定值變化效果對比,1-23結(jié)構(gòu),1-24結(jié)構(gòu),,對比兩種結(jié)構(gòu)，后一種較前一種多了一個微分單元。,§1-6 控制器參數(shù)對系統(tǒng)控制質(zhì)量的影響及控制規(guī)律的選擇,? 被控對象、被控變量、操縱變量、變送裝置和控制閥確 定之后控制其參數(shù)是決定控制系統(tǒng)質(zhì)量唯一因素。 ? 根據(jù)對象特性和控制質(zhì)量要求選擇控制器的控制作用確 定控制器的類型。

37、,,,,§1.6.1 控制器參數(shù)對系統(tǒng)靜態(tài)誤差的影響,系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)性能指標=穩(wěn)態(tài)誤差=靜態(tài)誤差=余差,利用終值定理,徹底消除靜差就需要引入積分環(huán)節(jié)：,,§1.6.2 控制器參數(shù)對系統(tǒng)動態(tài)誤差的影響,（1）比例放大倍數(shù)Kc,?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。?隨著Kc的增大，余差將減少，但不能消除。?應用系統(tǒng)穩(wěn)定裕度理論有同樣的結(jié)論。（ Kc 使系統(tǒng)幅頻特性曲線上移，而相頻特性不改變，從而降低了系統(tǒng)

38、的穩(wěn)定裕度）,,（2）積分時間Ti,,?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（阻尼系數(shù)變小）。,（3）微分時間TD,§1.6.3 控制規(guī)律的選擇,(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(nèi)變化的系統(tǒng)。,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)

39、、特點：過渡過程結(jié)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) 。,(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(zhì)量 要求很高的系統(tǒng)。,3、PID控制器的選擇,,§1-8 單回路系統(tǒng)的投運和整定,控制系統(tǒng)按照設計的要求連好后，檢查線路無誤，所有儀表經(jīng)過檢查符合精度要求并運行正常，則可著手進行控制系統(tǒng)的投運和控制器

40、參數(shù)的整定工作。,§1.8.0 控制器正、反作用的選擇,(1)方框圖的“+”、“-”號的判斷：a）環(huán)節(jié)輸入增加?輸出增加，則此環(huán)節(jié)方框圖為“+”，否則為“-” 。b）對于測量環(huán)節(jié)，輸出總是隨著測量量的增大而增加，故測量環(huán)節(jié)一般為“+”。c）氣開閥符號為“+”，氣閉閥為“-”。d)控制器正作用符號為“+”，反作用為“-”。,,控制器正、反作用的選擇,?原則：使整個單回路構(gòu)成負反饋系統(tǒng)---乘積為“-” 。,控制器正、反作

41、用選擇的判別式：(控制器“±”)(控制閥“±”)(對象“±”) =“-”,,,,,分析系統(tǒng)是否為負反饋系統(tǒng)！,§1.8.1 控制系統(tǒng)的投運,手動—自動狀態(tài)的無擾動切換。,,§1.8.2 控制系統(tǒng)的整定,?比例度的概念：對于比例作用大小，工業(yè)控制器常用δ表示，其義為：,對于單元組合儀表:,,（1）系統(tǒng)整定的目的 ?如果控制方案已經(jīng)確定，則過程各通道的靜態(tài)和動態(tài)特性就已確定，系

42、統(tǒng)的控制質(zhì)量就取決于控制器各個參數(shù)值的設置。?控制器的參數(shù)整定，就是確定最佳過渡過程中控制器的比例度δ、積分時間TI、微分時間TD的具體數(shù)值。?所謂最佳過渡過程，就是在某種質(zhì)量指標下，系統(tǒng)達到最佳調(diào)整狀態(tài)。?4：1遞減比為最佳參數(shù)整定的常用依據(jù)。,?參數(shù)整定的方法: 1、理論整定法:時域法、頻率特性法、根軌跡法等。,,(2) 工程整定法：經(jīng)驗湊試法、臨界比例度法、衰減曲線法、響應曲線法等。,一、經(jīng)驗湊試法,,,整定步驟,(1)在

43、純比例作用下(TI=?、TD=0)?系統(tǒng)閉環(huán)情況下，在比例度?按表的取值下，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

44、過渡過程曲線。,,,,(3)若需引入微分作用,?將TD按經(jīng)驗值或按TD=(1/3--1/4)TI設置，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，則應減小TD；?觀察曲線，再適當調(diào)節(jié)?和TI，反復調(diào)試直到獲得滿意的過 渡過程曲線。,,,,(3)根據(jù)?K和TK值，采用表1-5中的經(jīng)驗公式，計算?、TI、TD的值。,2、整定步驟(1)系統(tǒng)在閉環(huán)情況下，純比例作用下投入(TI=?,TD=0),比例度?適

45、當(一般?=100%);(2)改變?觀察輸出y，每次改變?需要用設定值重新施加階躍干擾。若y呈現(xiàn)衰減振蕩，則減小?繼續(xù)觀察；若y呈現(xiàn)發(fā)散振蕩，則增大?；直到出現(xiàn)等幅振蕩過程，記下臨界比例度?K和臨界振蕩周期TK值。,二、穩(wěn)定邊界法（臨界比例度法）,,,,1、特點: 是目前工程上應用較廣泛的一種控制器參數(shù)的整定方法。,(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)整到計算值上。,缺點是：1、只能用于2階以上系統(tǒng)或者1階帶有

46、純滯后的系統(tǒng)（能夠產(chǎn)生等幅振蕩）。2、對于嚴格控制系統(tǒng)等幅時間的系統(tǒng)無法應用。,,,例3-1 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(shù)值。,,解：應用表1-5經(jīng)驗公式， 可得(1)比例控制器 ?=2?K=2×20%=40%(2)比例積分控制器 ?=2

47、.2?K=2.2×20%=44% TI=0.85TK=0.85min(3)比例積分微分控制器 ?=1.7?K=1.7?20%=34% TI=0.5TK=0.5?1=0.5min TD=0.13Tk=0.13?1=0.13min,三、衰減曲線法,1.在系統(tǒng)閉環(huán)條件下，把參數(shù)置成純比例作用(TI

48、=?,TD=0)，比例度?適當(一般?=100%) ；2.改變?觀察輸出y，每次改變?需要用設定值重新施加階躍干擾。若衰減比大于4:1，則減小?繼續(xù)觀察；若衰減比小于4:1，則增大?；直到出現(xiàn)等幅振蕩過程，記下此時的比例?s和振蕩周期Ts值。3.根據(jù)?s和Ts ，使用表1-6計算出控制器的各個整定參數(shù)值。,1、特點：是在總結(jié)穩(wěn)定邊界法的基礎上，經(jīng)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。,,缺

49、點是：1、只能用于2階以上系統(tǒng)或者1階帶有純滯后的系統(tǒng)（能夠產(chǎn)生等幅振蕩）。,,例3-2 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=10min，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(shù)值。,解 應用表1-6中的經(jīng)驗公式，可得 (1)比例控制器 ?=?S=20% (2)比例積分控制器 ?=1.2?S=1

50、.2?20%=24% TI=0.5TS=0.5?10=5min (3)比例積分微分控制器 ?=0.8?S=0.8?20%=16% TI=0.3TS=0.3?10=3min TD=0.1TS=0.1?10=1min,,四、響應曲線法,2、整定步驟(1) 系統(tǒng)處于開環(huán)穩(wěn)定情況下，手動施加控制器輸出一階躍信號Δp，獲

51、取對象的響應曲線，如下圖所示。,1、特點：依據(jù)對象的響應曲線---飛升曲線整定參數(shù)，精度更高。,,(2)求取廣義對象的放大系數(shù)K0,(3)根據(jù)對象的K0 、T 0 、? 0 ，按下表3-4所給公式求出4：1衰減過程控制器的參數(shù)?、TI和 TD 。,式中 Δy ---被控參數(shù)測量值的變化量； Δp ---控制器輸出的變化量； ymax-ymin---測量儀表的刻度范圍； pmax-pmin---控制器輸出變化范圍。,

52、,,解：本例中，?p=7-6=1mA pmax-pmin=10-0=10mA ?y=87.8-85.0=2.8℃ ymax-ymin=100-50=50℃ 所以,,例 在某一蒸汽加熱器的控制系統(tǒng)中，當電動II型控制器的輸出從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50?100℃，并測出

53、?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)。,因此，在PI控制器時：,?=1.1?27%=30%TI=3.3?1.2=4min,在PID控制器時： ?=0.85?27%=23% TI=2?1.2=2.4min TD=0.5?1.2=0.6min 解畢。,,引申：1、由階躍響應曲線確定過程的傳遞函數(shù),1、確定一階慣性環(huán)節(jié)的參數(shù),

54、(1) 放大系數(shù),(2) 時間常數(shù):切線法：如右圖。,,(3)原理：,直線,的直線與,的交點為所求。,2、確定有時滯的一階慣性環(huán)節(jié)的參數(shù),2階系統(tǒng)可以近似為帶有滯后的1階慣性環(huán)節(jié)，切線法：如下圖：,,對正常生產(chǎn)影響小。轉(zhuǎn)換成階躍響應的方法如下。,3、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(chǎn)造成影響。,4、矩形脈沖法測定對象的響應曲線,,轉(zhuǎn)換的思路是：將矩形脈沖看成正負兩個等幅的階躍信號，據(jù)此而得到輸出的階躍響應。即,x(t)

55、=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),,ys=[0.45 1.7 3.7 9 19 26.4 36 37.5 33.5 27.2 21 1

56、0.4 5.1 2.8 1.1 0.5];y=[0.45, 1.7, 3.7, 9, 19, 26.4, 36+9, 37.5+20, 33.5+26.4, 27.2+36+9, 21+33.5+26.4, 10.4+21+33.5+26.4, 5.1+10.4+21+33.5+26.4, 2.8+5.1+10.4+21+33.5+26.4, 1.1+2.8+5.1+10.4+21+33.5+26.4, 0.5+1.1+2.8+5.1

57、+10.4+21+33.5+26.4];t=1:16;plot(t,ys,t,y,'r'),作業(yè)：1,3,4,5,6,7,8,10,第二章 串級控制系統(tǒng),§2-1 概述,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.,,設閥門：氣開閥；流量控制器：反作用；溫度控制器：反作用；,情況1：干擾來自副環(huán)；情況2：干擾來自主環(huán)；,系統(tǒng)分析：,干擾來自副環(huán),干擾

58、來自主環(huán),§2-2 控制系統(tǒng)的實施,,,,注意切換條件,2.2.1 電動III型儀表構(gòu)成串級控制方案,2.2.2 串級控制性的實施,（1） 主、副控制器規(guī)律的選擇,主控制器：主環(huán)為一定制控制系統(tǒng)，一般要求無偏差，故多為：PI或者PID。,,副控制器：副環(huán)為一隨動系統(tǒng)系統(tǒng)，要求快速跟蹤，故多為：P。,,例2-1 以煉油廠管式加熱爐的出口溫度控制為例。 (1)采用單回路控制方案： ?優(yōu)點：所有對溫度的干擾都包括

59、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） 控制器正反作用的選擇,選擇順序：先副后主,,副回路整體看做“+”,,(2)采用串級控制方案：如下圖,串級控制系統(tǒng)如圖所示。,,,加熱,,流量測量,,溫度測量,,流量,,+,+,+,-,+,+,+,-,,+,例2-2 精餾塔提餾段溫度與加熱蒸汽流量的串級控制系統(tǒng),+,+,-,+,-,,+,副控制器：正作用主控制器：反作用,（3） 串級控制系統(tǒng)串級與

60、主控直接切換條件,1、副控制器為正作用2、副控制器為反作用,結(jié)論：副控制器為反作用時可以直接切換！,,§2.3串級控制系統(tǒng)的投運和整定,?所謂投運，就是通過適當?shù)牟襟E，使主、副控制器從手動工作狀態(tài)轉(zhuǎn)到自動工作狀態(tài)； ?投運順序：先投副環(huán)后投主環(huán)(常用)； ?投運原則：雙向無擾動；,2.3.1 串級控制系統(tǒng)的投運,,二、串級控制系統(tǒng)控制器參數(shù)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

61、自控理論，必須對系統(tǒng)進行校正，這在過程控制中稱為參數(shù)整定。 ?在工程實踐中，串級控制系統(tǒng)中常用的整定方法有：兩步整定法、一步整定法等。,,(1)兩步整定法,?第一步，整定副控制器放大倍數(shù)使之成為4:1衰減比；?第二步，整定主控制器放大倍數(shù)使之成為4:1衰減比。再按照表1-7配置其他參數(shù)。,,(2)一步整定法,?按照表2-1預先配置主副調(diào)節(jié)器的放大倍數(shù)；?按照單回路系統(tǒng)整定法整定主控制器的參數(shù)。,§2-4 串級

62、控制系統(tǒng)的特點,一、時間常數(shù),,單回路方案,串級方案,,,,串級控制系統(tǒng)能使等效副對象的時間常數(shù)變小，放大系數(shù)變?。梢酝ㄟ^控制參數(shù)Kc調(diào)節(jié)），從而顯著提高控制質(zhì)量。,,,,,二、工作頻率,串級控制系統(tǒng)的特征方程：,帶入環(huán)節(jié)：,,單回路控制系統(tǒng)的特征方程：,帶入環(huán)節(jié)：,,,,Kc2越大工作頻率提高越明顯。,（二）抗干擾能力,（三）有一定的自適應能力,當干擾作用于副環(huán)時，船及控制系統(tǒng)的質(zhì)量提高10~100倍；當干擾作用于主環(huán)時，串級系統(tǒng)的

63、質(zhì)量要高2-5倍。,,,K02變化m倍時， K’02 變化,倍，當,較大時，遠小于K02的變化幅度。,,①放大倍數(shù)的自適應解釋1,②放大倍數(shù)的自適應解釋2,適當?shù)倪x擇Kc2使得,,當Kc2足夠大時，等效回路的放大倍數(shù)只取決于Km2而與K02無關。,,§2-5 串級控制系統(tǒng)的設計,(一) 使主要干擾包含在副環(huán)內(nèi)。,(二) 副回路應包含盡可能多的擾動。,,相對于方案1，方案2的副環(huán)大，副變量離主變量越近，這樣會引起：1、副環(huán)過大

64、，靈敏度下降；2、副變量與主變量過近，串級效果不明顯；3、副環(huán)過大，時間常數(shù)與主環(huán)接近，產(chǎn)生“共振”。,(三) 應使非線性環(huán)節(jié)處于副回路。,(四) 當對象具有較大純滯后時，應使副回路盡量少包含或不包含純滯后。,(五) 主、副對象的時間常數(shù)要匹配,防止“共振發(fā)生”,主環(huán)工作頻率：w1β，共振頻率w1c,副環(huán)工作頻率：w2β，共振頻率w2c,主環(huán)工作頻率落在副環(huán)增益區(qū)。,副環(huán)工作頻率落在主環(huán)增益區(qū)。,①當,,系統(tǒng)產(chǎn)生共振。,②當,,系統(tǒng)

65、不產(chǎn)生共振。,,系統(tǒng)不產(chǎn)生共振。,一般的，副環(huán)頻率高于主環(huán)頻率，有,,,副環(huán)頻率高于主環(huán)頻率3倍以上才不會引起共振。,,(五) 副回路設計應考慮工藝的合理性和經(jīng)濟性,(四) 考慮主、副環(huán)的關聯(lián)問題,§2-6 串級控制系統(tǒng)的應用,?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。?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，就不再用串級控制系統(tǒng)。,

66、一、用于克服對象的純滯后,,,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(diào)大，過渡過程長。?以溫度或質(zhì)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(zhì)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(shù)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

67、滯后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(shù)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

68、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(shù)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。,,第三章 比值控制系統(tǒng),在現(xiàn)代工業(yè)生產(chǎn)過程中，要求兩種或多種物料流量成一定比例關系；一旦比例失調(diào)，會影響生產(chǎn)的正常進行，影響產(chǎn)品質(zhì)量，浪費動力，造成環(huán)境污染，甚至產(chǎn)生生產(chǎn)事故。如：

69、?燃燒過程中，往往要求燃料量與空氣量需按一定比例混合后送入爐膛。 ?制藥生產(chǎn)中要求藥物和注入劑按比例混合。,3.1、概述,,1、應用,2、比值控制的含義,凡是兩個或多個變量自動維持一定比值關系的過程控制系統(tǒng)，統(tǒng)稱為比值控制系統(tǒng)。,3、變量及關系,?主動量---起主導作用而又不可控的物料流量；F1表示?從動量---跟隨主動量而變化的物料流量； F2表示?比值: K=F2/ F1,,,3.2 比值控制系統(tǒng)的類型,1、系