第9章-过程控制系统

1、第九章,过程控制系统,1,一、组成与分类,Q,i,h,LC,h,sp,Q,o,手动控制,自动控制,液位控制系统,2,?,控制系统的组成,?,对象：,?,检测元件及变送器：,?,控制器：,?,执行器：,3,?,控制系统方框图,扰动,Q,i,(,t,),设定值,h,sp,+,_,偏差,e,(,t,),控制信号,u,(,t,),操纵变量,Q,o,(,t,),液体贮罐,干扰,通道,控制,通道,+,+,被控变量,h,(,t,),液位,控制器,出水,控制阀,测量值,h,m,(,t,),液位传感,测量变送器,液位控制系统的组成与方块图,4,?,被控变量：,?,给定值（设定值）：,?,测量值：,?,操纵变量（

2、控制变量）：,?,干扰：,?,偏差信号：,?,控制信号：,5,?,闭环系统：,?,开环系统：,?,反馈：,x,(,t,),e,(,t,),调节器,z,(,t,),测量变送,u,(,t,),执行器,q,(,t,),过程,y,(,t,),6,过热蒸汽温度控制系统,TC,冷,水,减,温,器,TT,温度测,量,x,(,t,),e,(,t,),调节器,u,(,t,),执行器,q,(,t,),过程,y,(,t,),z,(,t,),测量变送,7,液位控制器,液,位,调,节,HC,器,储罐,执行器,干扰,x,(,t,),z,(,t,),e,(,t,),调节器,u,(,t,),执行器,q,(,t,),过程,y,

3、(,t,),HT,差压变送器,测量变送,8,烤炉温度控制示意图,x,(,t,),e,(,t,),调节器,u,(,t,),执行器,q,(,t,),过程,y,(,t,),z,(,t,),测量变送,9,?,控制系统的分类,?,定值控制系统：,将被控制量保持在,某一定值或很小的范围中的控制系统。,?,程序控制系统：,被控量的给定值按,预定的时间程序而变化的控制系数。,?,随动控制系统：,被控量的给定值随,时间任意地变化的控制系统。,10,二、过程控制系统的发展概况,?,第一阶段（,20,世纪,50,年代）：,采用基地式仪表和部分单元组合,2,仪表。信号标准：,0.2-1.0kgf/cm,。,?,第二阶

4、段（,20,世纪,60,年代）：,采用半导体分立元件制造的电动,II,型仪表，集中控制，计算机开始应,用。信号标准：,0-10mADC,。,11,?,第三阶段（,20,世纪,70,年代）：,采用电动,III,型仪表，,DCS,和,PLC,得,到应用。信号标准：,4-20mADC,。,?,第四阶段（,20,世纪,80,年代）：,DCS,广泛应用，自动化仪表数字,化、智能化，网络、通信技术应用。,?,第五阶段（,20,世纪,90,年代）：,现场总线控制系统和智能化仪表。,12,三、过程控制系统的过渡过程,和品质指标,?,自动控制系统的静态与动态,?,系统的静态：,被控量不随时间而变,化的平衡状态。

5、,?,系统的动态：,被控量随时间而变化,的不平衡状态。,13,?,自动控制系统的过渡过程,?,系统的过渡过程：,当系统的输入发,生变化后，被控量随时间不断变化的,过程。,?,过渡过程的基本形式：,?,发散振荡,?,等幅振荡,?,衰减振荡,?,单调振荡,14,2.0,1.5,1.0,0.5,0.0,0,1,2,3,4,t,发散振荡,15,F1,2.0,1.8,1.6,1.4,1.2,h,(,t,),1.0,0.8,0.6,0.4,0.2,0.0,0,2,4,6,8,t,10,12,14,16,等幅振荡,16,1.6,1.4,1.2,1.0,h,(,t,),0.8,0.6,0.4,0.2,0.0,

6、0,5,10,t,15,20,25,衰减振荡,17,1.0,0.8,0.6,h,(,t,),0.4,0.2,0.0,0,2,4,6,t,8,10,12,单调振荡,18,?,自动控制系统的品质指标,?,衰减比,n,：,振荡过程的第一个波的振,幅与第二个波的振幅之比。,?,衰减率,：,经过一个周期后，波动,幅度衰减的百分比。,19,1.6,1.4,y,1,1.2,1.0,h,(,t,),0.8,0.6,0.4,0.2,0.0,0,5,y,2,y1,衰减比,y2,y1-y2,衰减率,y1,10,t,15,20,25,20,?,最大偏差,A,：,被控参数第一个波的峰,值与给定值的差。,?,余差,e,：

7、,系统过渡过程终了时给定值,与被控参数稳定值之差。,21,1.6,1.4,1.2,最,大,偏,差,给定值,1.0,h,(,t,),余差,0.8,0.6,0.4,0.2,0.0,0,5,10,t,15,20,25,22,?,稳定时间,t,s,：,系统过渡过程曲线进,入新的稳定值的,5%,或,2%,范围内所需的,时间。,?,峰值时间,t,p,：,系统过渡过程曲线到,达第一个峰值所需的时间，反映系统,响应的灵敏程度。,23,1.6,1.4,1.2,余差,给定值,1.0,h,(,t,),2%,或,5%,0.8,0.6,0.4,0.2,0.0,tp,0,5,10,ts,t,15,20,25,24,对控制

8、系统的性能要求：,?,稳：,动态过程的振荡倾向和系统重,新恢复平衡工作状态的能力。,2.0,2.0,1.8,1.6,过,程,1,1.5,1.4,1.2,1.0,h,(,t,),1.0,0.8,0.6,0.5,0.4,0.2,过,程,2,5,10,t,0.0,0,1,2,3,4,0.0,0,15,t,20,25,25,?,准：,系统过渡到新的平衡工作状态,后或系统受到扰动后重新恢复平衡后，,最终保持的精度，反映了动态后期的,性能。,1.6,1.2,过程,1,0.8,过程,2,0.4,0.0,10,12,14,16,18,20,22,24,26,t,26,?,快：,动态过程进行的时间长短，过,程时

9、间持续很长，将使系统长时间出,现大偏差，同时也说明系统响应很迟,钝，难以复现快速变化的信号。,1.6,1.4,1.2,1.0,过程,1,h,(,t,),0.8,0.6,0.4,0.2,0.0,0,过程,2,5,10,t,15,20,25,27,四、过程特性,指当被控量（操纵变量或扰动变量）,发生变化时输出变量（被控变量）随时,间的变化规律。,?,对象特性的类型：,28,?,自衡的非振荡过程：,在阶跃作用下，,被控变量无须外加任何控制作用、不,经振荡过程能逐渐趋于新的状态的性,质。,Q,1,h,2,h,1,Q,2,29,液位控制的阶跃响应,1.2,1.0,0.8,?,u,(,t,),?,h,(,

10、t,),1.2,1.0,0.8,0.6,0.4,0.2,0,1,2,t,3,4,0.0,0,1,2,t,3,4,0.6,0.4,0.2,0.0,30,?,无自衡的非振荡过程：,在阶跃作用,下，被控变量不能建立新的平衡状态。,20,18,16,14,12,10,8,6,4,2,0,0,2,4,6,8,10,12,14,16,18,20,31,?,有自衡的振荡过程：,在阶跃作用下，,被控变量出现衰减振荡过程，最后趋,于新的稳态值。,?,具有反向特性的过程：,在阶跃作用,下，被控变量起始时的变化方向与最,终的变化方向相反。,32,?,描述对象特性的参数：,?,放大系数,K,：,在两个稳定状态下，输,

11、出量的变化值与输入量的变化值之比。,?,时间常数,T,c,：,对象在阶跃扰动作用,下，被调量以最大的速度变化到新稳,态值时所需要的时间。,?,滞后时间：,当输入量变化时，被,控量要滞后一定的时间才开始变化。,33,五、被控过程的数学模型,?,静态数学模型：,?,动态数学模型：,34,三类主要的信息源：,1,、要确定明确的输入量与输出量,通常选一个可控性良好，对输出量影响,最大的一个输入信号作为输入量，其余,的输入信号则为干扰量。,35,2,、要有先验知识,在建模中，被控对象内部所进行的物理、,化学过程符合已经发现的许多定理、原,理及模型。,在建模中必须掌握建模对,象所要用到的先验知识。,3,、

12、试验数据,过程的信息能通过对对象的试验与测量,而获得。,36,被控对象数学模型的要求,:,?,要求它,准确、可靠,。,?,在线运用的数学模型要求,实时性,。,?,在建立数学模型时，要,抓住主要因素，,忽略次要因素,，需要做很多近似处理，,如：线性化、分布参数系统和模型降阶,处理等。,37,?,用于控制的数学模型,并不要求非常准,确,。闭环控制本身具有一定的鲁棒性，,模型的误差可以视为干扰，闭环控制在,某种程度上具有自动消除干扰影响的能,力。,38,?,机理建模,原理：,根据对象或生产过程的内部机,理，写出各种有关的平衡方程从而获,取对象或过程的数学模型。,特点：,概念明确、适用范围宽，要求,对

13、该过程机理明确。,39,?,用机理法建模的,首要条件,是生产过,程的机理必须为人们充分掌握，可以,比较确切的加以数学描述,。,?,模型应该尽量,简单,，保证达到,合理,的精度。,?,用机理法建模时，出现模型中某些,参数难以确定的情况或用机理法建模,太烦琐，可以用,测试的方法,来建模。,40,41,42,43,?,实验建模,原理：,对,过程的输入,（包括控制变量,与扰动变量）施,加一定形式的激励信,号,，如阶跃、脉冲信号等，同时记录,相关的输入输出数据，再对这些数据,进行处理，由此获得对象的动态模型。,特点：,无需深入了解过程机理，但适,用范围小，模型准确性有限。,44,?,为了获得动态特性，必须使被研究,的过程处于被激励的状态，施加一个,阶跃扰动或脉冲扰动等。,?,用测试法建模一般比用机理法建模,要简单和省力，如果两者都能达到同,样的目的，一般都采用测试法建模。,45,测试法建模又可分为,经典辨识法,和,现,代辨识法,两大类。,经典辨识法只需对少量的测试数据进,行简单的数学处理，,现代辨识法