过程控制原理(经典部分)-复习-rev课件

1、2022-1-28过程控制原理（北京理工大学过程控制原理（北京理工大学 5 5 院）院）12022-1-282022-1-28过程控制原理(经典部分)-复习-rev化工与环境学院化工与环境学院过程装备与控制工程过程装备与控制工程专业专业陈祥光陈祥光2012年年4月月过程控制原理过程控制原理复习复习( (经典部分经典部分) )2022-1-28过程控制原理（北京理工大学过程控制原理（北京理工大学 5 5 院）院）22022-1-282022-1-28过程控制原理(经典部分)-复习-rev 1.1 简述自动控制理论的发展简述自动控制理论的发展 1.2 控制系统工作原理控制系统工作原理 1.3 自动

2、控制系统的类型自动控制系统的类型 1.4 基本术语与概念基本术语与概念过程控制原理过程控制原理复习复习( (第第1 1章章) )第第1 1章章 自动控制的基本概念自动控制的基本概念2022-1-28过程控制原理（北京理工大学过程控制原理（北京理工大学 5 5 院）院）32022-1-282022-1-28过程控制原理(经典部分)-复习-rev图图1 自动控制系统的组成自动控制系统的组成过程控制原理过程控制原理复习复习( (第第1 1章章) )（1 1）系统组成：控制器、执行机构、被控对象、）系统组成：控制器、执行机构、被控对象、检测元件四大部分。检测元件四大部分。实际值实际值2022-1-28

3、过程控制原理（北京理工大学过程控制原理（北京理工大学 5 5 院）院）42022-1-282022-1-28过程控制原理(经典部分)-复习-rev过程控制原理过程控制原理复习复习( (第第2 2章章) )第第2 2章章 控制系统数学基础及数学模型控制系统数学基础及数学模型2.2 Laplace2.2 Laplace变换及其应用变换及其应用2.3 2.3 传递函数传递函数2.3 2.3 方块图方块图2.4 2.4 信号流图信号流图2.5 2.5 自动控制系统的数学模型自动控制系统的数学模型2.6 2.6 典型环节的数学模型典型环节的数学模型2022-1-28过程控制原理（北京理工大学过程控制原理

4、（北京理工大学 5 5 院）院）52022-1-282022-1-28过程控制原理(经典部分)-复习-rev过程控制原理过程控制原理复习复习( (第第3 3章章) )3.2 3.2 典型输入信号典型输入信号3.3 3.3 控制系统的瞬态响应控制系统的瞬态响应3.4 3.4 劳斯稳定判据劳斯稳定判据3.5 3.5 控制系统的稳态误差控制系统的稳态误差3.6 3.6 控制系统瞬态响应性能指标控制系统瞬态响应性能指标3.7 3.7 常规调节规律及其对控制系统性能的影响常规调节规律及其对控制系统性能的影响第第3 3章章 控制系统的时域分析法控制系统的时域分析法2022-1-28过程控制原理（北京理工大

5、学过程控制原理（北京理工大学 5 5 院）院）62022-1-282022-1-28过程控制原理(经典部分)-复习-rev过程控制原理过程控制原理复习复习( (第第3 3章章) )时域分析法时域分析法： 控制系统的时间响应一般分为两部分，即控制系统的时间响应一般分为两部分，即瞬态响应瞬态响应和和稳态响应稳态响应。时间响应可表示为。时间响应可表示为式中式中: )()()(tytytyst;)(瞬态响应tyt。稳态响应)(lim)(tytyts(3-1)2022-1-28过程控制原理（北京理工大学过程控制原理（北京理工大学 5 5 院）院）72022-1-282022-1-28过程控制原理(经典部

6、分)-复习-rev令令 ，即二阶系统数学模型的，即二阶系统数学模型的标准形式标准形式为为 )()()(2)(2222txtydttdydttydnnn（3-17) 称为称为自然频率自然频率或无阻尼振荡频率；或无阻尼振荡频率； 称为称为阻尼系数阻尼系数或阻尼比。或阻尼比。n过程控制原理过程控制原理复习复习( (第第3 3章章) )1pK txKtydttdydttydnpnn222222022-1-28过程控制原理（北京理工大学过程控制原理（北京理工大学 5 5 院）院）82022-1-282022-1-28过程控制原理(经典部分)-复习-rev过程控制原理过程控制原理复习复习( (第第3 3章

7、章) )3.4.1 3.4.1 稳态误差和误差传递函数稳态误差和误差传递函数X(s) E(s) )(sGc)(sGv)(0sG)(sGf)(sHZ(s) Y(s)F(s)图图3-14 3-14 控制系统方块图控制系统方块图2022-1-28过程控制原理（北京理工大学过程控制原理（北京理工大学 5 5 院）院）92022-1-282022-1-28过程控制原理(经典部分)-复习-rev过程控制原理过程控制原理复习复习( (第第3 3章章) )定值调节系统定值调节系统的误差传递函数为的误差传递函数为: :)()(1)()()()(sHsGsHsGsFsEf (3-37)式中式中 )()()()(0

8、sGsGsGsGvc)()(sHsG为系统的为系统的开环传递函数开环传递函数。 在随动系统中，在随动系统中，主要输入信号是给定作用，要求主要输入信号是给定作用，要求输出变量随时跟踪给定作用。所以输出变量随时跟踪给定作用。所以随动系统随动系统的的误差误差传递函数传递函数为为)()(11)()(sHsGsXsE (3-40)2022-1-28过程控制原理（北京理工大学过程控制原理（北京理工大学 5 5 院）院）102022-1-282022-1-28过程控制原理(经典部分)-复习-rev过程控制原理过程控制原理复习复习( (第第3 3章章) )3.4.2 3.4.2 控制系统的控制系统的结构类型结

9、构类型) 1() 1)(1() 1() 1)(1()()(2121sTsTsTssTsTsTKsHsGnm (3-46)设系统的开环传递函数具有以下形式：设系统的开环传递函数具有以下形式：2022-1-28过程控制原理（北京理工大学过程控制原理（北京理工大学 5 5 院）院）112022-1-282022-1-28过程控制原理(经典部分)-复习-rev过程控制原理过程控制原理复习复习( (第第3 3章章) ) 3.5.1 瞬态响应性能指标瞬态响应性能指标图图3-15(a)3-15(a)单位阶跃扰动单位阶跃扰动作用下的定值系统响应曲线作用下的定值系统响应曲线2022-1-28过程控制原理（北京理

10、工大学过程控制原理（北京理工大学 5 5 院）院）122022-1-282022-1-28过程控制原理(经典部分)-复习-rev过程控制原理过程控制原理复习复习( (第第3 3章章) )图图3-15(b)3-15(b)单位阶跃给定单位阶跃给定作用下的随动系统响应曲线作用下的随动系统响应曲线2022-1-28过程控制原理（北京理工大学过程控制原理（北京理工大学 5 5 院）院）132022-1-282022-1-28过程控制原理(经典部分)-复习-rev过程控制原理过程控制原理复习复习( (第第3 3章小结章小结) )(1)(1)系统的系统的稳定性稳定性及及响应性能响应性能都由描述系统的微分都由

11、描述系统的微分 方程所决定；方程所决定；(2)(2)系统传递函数分子和分母多项式的各项系数决系统传递函数分子和分母多项式的各项系数决 定了定了传递函数极点与零点传递函数极点与零点在在S S平面上的位置；平面上的位置； 系统的传递函数零、极点的分布决定了系统的系统的传递函数零、极点的分布决定了系统的 时间响应，并表达了系统的动态性能。时间响应，并表达了系统的动态性能。(3)(3)对于线性定常一、二阶系统，能够得出系统结对于线性定常一、二阶系统，能够得出系统结 构及构及参数与系统性能参数与系统性能之间的明确的解析表达之间的明确的解析表达 式，这些解析式不但能用来分析系统的性能，而式，这些解析式不但

12、能用来分析系统的性能，而 且也能用来设计系统。且也能用来设计系统。 2022-1-28过程控制原理（北京理工大学过程控制原理（北京理工大学 5 5 院）院）142022-1-282022-1-28过程控制原理(经典部分)-复习-rev(4)(4)远离虚轴的极点对高阶系统的响应影响很小，远离虚轴的极点对高阶系统的响应影响很小， 由此导出高阶系统由此导出高阶系统主导极点主导极点的概念，于是可的概念，于是可 以不求解高阶系统的响应，而且借用二阶系以不求解高阶系统的响应，而且借用二阶系 统的理论去统的理论去分析甚至设计高阶系统分析甚至设计高阶系统。(5)(5)线性定常系统稳定的充分必要条件是：线性定常

13、系统稳定的充分必要条件是： 其特征方程的根其特征方程的根全部位于全部位于S S平面的左半部平面的左半部。(6)(6)采用劳斯判据不须求解出采用劳斯判据不须求解出特征方程的根特征方程的根， 就可判断就可判断系统的稳定性系统的稳定性。(7)P.I.D(7)P.I.D调节器规律及其对系统调节器规律及其对系统调节品质调节品质的影响。的影响。过程控制原理过程控制原理复习复习( (第第3 3章小结章小结) )2022-1-28过程控制原理（北京理工大学过程控制原理（北京理工大学 5 5 院）院）152022-1-282022-1-28过程控制原理(经典部分)-复习-rev过程控制原理过程控制原理复习复习(

14、 (第第3 3章小结章小结) ) 表表3-13-1归纳列出了归纳列出了0 0型、型、1 1型和型和2 2型系统在型系统在3 3种输种输入作用下入作用下的稳态误差。的稳态误差。 稳态稳态 误差误差系统类型系统类型单位阶跃单位阶跃函数函数1)()(tutx单位斜坡单位斜坡函数函数ttrtx)()(单位加速单位加速度函数度函数221)(ttx输入输入 作用作用0形系统形系统2形系统形系统1形系统形系统K110001/k1/k表表3 31 1 以开环放大系数以开环放大系数K K表示的稳态误差表示的稳态误差2022-1-28过程控制原理（北京理工大学过程控制原理（北京理工大学 5 5 院）院）16202

15、2-1-282022-1-28过程控制原理(经典部分)-复习-rev过程控制原理过程控制原理复习复习( (第第4 4章章) )4.1 4.1 根轨迹法的基本概念根轨迹法的基本概念4.2 4.2 绘制根轨迹图的基本条件和基本规则绘制根轨迹图的基本条件和基本规则4.3 4.3 根轨迹绘制方法举例根轨迹绘制方法举例4.4 4.4 系统具有纯滞后环节的根轨迹系统具有纯滞后环节的根轨迹4.5 4.5 根轨迹法在控制系统分析和设计中的应用根轨迹法在控制系统分析和设计中的应用第第4 4章章 控制系统根轨迹分析法控制系统根轨迹分析法2022-1-28过程控制原理（北京理工大学过程控制原理（北京理工大学 5 5

16、 院）院）172022-1-282022-1-28过程控制原理(经典部分)-复习-rev过程控制原理过程控制原理复习复习( (第第4 4章章) )()()()()()(2121nmpspspsszszszsKsHsG系统开环传递函数表达式为：系统开环传递函数表达式为：图图4-8 4-8 根轨迹的渐近线根轨迹的渐近线 2022-1-28过程控制原理（北京理工大学过程控制原理（北京理工大学 5 5 院）院）182022-1-282022-1-28过程控制原理(经典部分)-复习-rev 在已知系统开环传递函数的零、极点情况下，可确在已知系统开环传递函数的零、极点情况下，可确定闭环的极点，并依此分析系

17、统参量发生变化时对闭定闭环的极点，并依此分析系统参量发生变化时对闭环极点位置的影响。本章的主要内容可归纳环极点位置的影响。本章的主要内容可归纳以下几点：以下几点： 系统参量（增益）变化时，系统参量（增益）变化时，闭环极点在闭环极点在S S平面上平面上运动的轨迹运动的轨迹称为根轨迹。称为根轨迹。当以系统开环增益为变量的当以系统开环增益为变量的轨迹，称为常规根轨迹，轨迹，称为常规根轨迹，而以其他系统参量作为变量而以其他系统参量作为变量绘制的根轨迹称为参量根轨迹（绘制的根轨迹称为参量根轨迹（广义根轨迹广义根轨迹）。过程控制原理过程控制原理复习复习( (第第4 4章小结章小结) )2022-1-28过

18、程控制原理（北京理工大学过程控制原理（北京理工大学 5 5 院）院）192022-1-282022-1-28过程控制原理(经典部分)-复习-rev 当系统开环传递增函数零点、极点已知，根据闭当系统开环传递增函数零点、极点已知，根据闭环特征方程得到的幅值条件和相角条件，可以推导出环特征方程得到的幅值条件和相角条件，可以推导出绘制常规根轨迹的基本规则。绘制常规根轨迹的基本规则。 滞后环节的存在使系统的特征方程成为滞后环节的存在使系统的特征方程成为超越方程，超越方程，相应的根轨迹有无限多条，相应的根轨迹有无限多条，绘制常规根轨迹所依据的绘制常规根轨迹所依据的幅值条件和相角条件幅值条件和相角条件应作一

19、定的修改应作一定的修改。 用根轨迹法可确定闭环系统的零、极点在用根轨迹法可确定闭环系统的零、极点在S S平面平面上的位置。如系统存在一对主导极点，则可上的位置。如系统存在一对主导极点，则可根据主导根据主导极点近似估算出系统暂态响应。极点近似估算出系统暂态响应。过程控制原理过程控制原理复习复习( (第第4 4章小结章小结) )2022-1-28过程控制原理（北京理工大学过程控制原理（北京理工大学 5 5 院）院）202022-1-282022-1-28过程控制原理(经典部分)-复习-rev 超前校正环节的加入，可使系统的根轨迹左移，超前校正环节的加入，可使系统的根轨迹左移，改善系统的改善系统的瞬

20、态响应特性；瞬态响应特性；而滞后校正环节的加入，而滞后校正环节的加入，可改善系统的稳态特性，即可改善系统的稳态特性，即提高系统的稳态精度提高系统的稳态精度。过程控制原理过程控制原理复习复习( (第第4 4章小结章小结) )2022-1-28过程控制原理（北京理工大学过程控制原理（北京理工大学 5 5 院）院）212022-1-282022-1-28过程控制原理(经典部分)-复习-rev过程控制原理过程控制原理复习复习( (第第5 5章章) )5.2 频率特性及其与传递函数的关系频率特性及其与传递函数的关系5.3 频率特性的图示方法频率特性的图示方法5.4 奈魁斯特稳定判据奈魁斯特稳定判据5.5

21、 控制系统的稳定裕量控制系统的稳定裕量5.6 闭环频率特性闭环频率特性5.7 频率法在校正装置设计中的应用频率法在校正装置设计中的应用第第5 5章章 控制系统频率特性分析法控制系统频率特性分析法2022-1-28过程控制原理（北京理工大学过程控制原理（北京理工大学 5 5 院）院）222022-1-282022-1-28过程控制原理(经典部分)-复习-rev过程控制原理过程控制原理复习复习( (第第5 5章章) ) 研究系统对正弦输入信号的研究系统对正弦输入信号的稳态响应稳态响应。当输入是正弦信号。当输入是正弦信号时时, , 线性定常系统的输出也是正弦信号。它们的频率相同线性定常系统的输出也是

22、正弦信号。它们的频率相同, , 而而幅值与相角幅值与相角则有所不同。但输出信号的幅值和相角还是输入信则有所不同。但输出信号的幅值和相角还是输入信号频率的函数。号频率的函数。 首先介绍系统的频率特性函数首先介绍系统的频率特性函数, , 即即S=jS=j时的系统传递函数时的系统传递函数G(s), G(s), 然后又研究如何用图解方法来表示频率特性函数然后又研究如何用图解方法来表示频率特性函数G(j)G(j)随随的变化情况。的变化情况。BodeBode图方法就是这样一种图解方法图方法就是这样一种图解方法, , 它非常适合它非常适合控制系统的分析和设计。也讨论了控制系统的分析和设计。也讨论了极坐标图极

23、坐标图和和对数幅相图对数幅相图两种图两种图解方法。解方法。 介绍增益裕度、相角裕度、带宽等概念介绍增益裕度、相角裕度、带宽等概念, ,研究了频率域内的稳研究了频率域内的稳定性判别方法定性判别方法NyquistNyquist稳定性判据稳定性判据, ,是并通过例子说明是并通过例子说明NyquistNyquist判据的应用。判据的应用。2022-1-28过程控制原理（北京理工大学过程控制原理（北京理工大学 5 5 院）院）232022-1-282022-1-28过程控制原理(经典部分)-复习-rev过程控制原理过程控制原理复习复习( (第第5 5章章) )带宽带宽( Bandwidth): 从低频开始到频率响应的对数幅值下降从低频开始到频率响应的对数幅值下降-3dB 所对应的频率范围。所对应的频率范围。Bode图图(Bode plot):传递函数的对数幅值与对数频率传递函数的对数幅值与对数频率之间的关之间的关 系图以及传递函数的相角与对数频率系图以及传递函数的相角与对数频率之间的关系图。之间的关系图。转折频率转折频率(Corner frequency