第二章过程装备控制基础

1、第二章第二章 过程装备控制基础过程装备控制基础2.1 被控对象的特性被控对象的特性 1、被控对象的特性定义： 当被控对象的输入变量发生变化时,其输出量随时间的 变化规律,说明：对被控对象, 输出变量是系统的被控变量, 输入变量是操纵变量和干扰作用。*通道：变量和变量之间的联系称为通道。 控制通道控制通道：操纵变量与被控变量之间的联：操纵变量与被控变量之间的联系称为控制通道。系称为控制通道。 *干扰通道干扰通道：干扰作用与被控变量之间的联：干扰作用与被控变量之间的联系称为干扰通道。系称为干扰通道。 第9章 数字控制器的设计 说明： 1. 数字控制器连续化设计及PID算法、 改进、整定（*）； 2

2、. 纯滞后对象的常见控制方法）（*）； 3. 模糊控制器的基本结构与应用设计（*）； 原因：控制器是控制系统的核心，类似于一般仪表控制 的控制器，计算机应用一般称为算法。 设计方法：1. 连续化设计；2.离散化设计（略）； 9.1 数字控制器的连续化设计*基本思想：1.把整个系统看为连续系统的设计，得到连续控制器； 2.采用近似法把连续控制器离散为数字控制器 ；3.用某种语言编程后由计算机实现 数字控制器 ；4.校验。 ； 偏差 控制量 控制输出 干扰 测量值测量值 图 1 .2 闭环控制系统 9.1 数字控制器的连续化设计*基本思想：1.把整个系统看为连续系统的设计，得到连续控制器； 2.采

3、用近似法把连续控制器离散为数字控制器 ；3.用某种语言编程后由计算机实现 数字控制器 ；4.校验。控制器执行机构被控对象传感器设定值被控量2.1.1 被控对象的数学描述被控对象的数学描述 根据被控对象的特点，1、分清输入、分清输入/出；出；2、依据定律建立相应的微分方程；、依据定律建立相应的微分方程；3、消除中间变量、消除中间变量；4、整理得被控变量的数学表示式。、整理得被控变量的数学表示式。 分析水槽液位被控对象的数学描述式。（1）单容液位对象）单容液位对象 有自衡特性的单容对象， 输出变量为液位H，水槽流入量为 ，水槽流出量 ，两者均为体积流量。 则有 其中 A为水槽的横截面积。 所以有，

4、2vq1vqdtdVqqvv21HAV222sRHqv 如果静态情况，如果静态情况， 0dtdV021vvqq。svRHq2 变化、液位H将随之变化，水槽出口的静压随之变化，流出量亦发生变化，认为流出量与液位H成正比关系，而与出水阀的水阻成反比关系：即。 令dtdHARHqsv11vssqRHdtdHARsART sRK 该微分方程是一个一阶常系数微分方程式。 通常将这样的被控对象叫做一阶被控对象，T称为时间常数，K称为被控对象的放大系数。 当输入流量为 时，液位高度保持不变， 1vKqHdtdHT1vq10vKqHH 当输入流量为 时，液位高度随时间 变化，符合以上微分方程。因为 所以 由此

5、可得 所以11vvqqHHH0dtHddtdH110vvqqKHHdtHdT 1vqKHdtHdTTttveqKH/011t1vqKH当 无自衡特性的单容对象 其流量由泵控制，则该控制系统具有无自衡特性，泵的出口流量不随液位变化而变化。这类被控对象除必须施加控制外，还常常有自动报警系统。（2）双容液位对象）双容液位对象 双容水槽是两个串联在一起的水槽，它们之间的连接管具有阻力，因此两者液位不同， 水槽1的动态平衡关系： dtdhAqqvv1121svRHq2水槽水槽2动态平衡关系动态平衡关系dtdhAdtdhAqvqvdtdhAqqvv2211312232 列写物料守恒方程：两式相加两式相加

6、整理得,如果 变化量极小则有1vq2vqsvRHq22.1.2 被控对象的特性参数被控对象的特性参数 描绘被控对象特性的参数有放大系数K，时间常数T和滞后时间T （1）放大系数放大系数K 放大系数又称静态增益,是被控对象重新达到平衡状态的输出变化量与输入 变化量之比。（单位阶跃图说明） 放大系数的几个一般性结论：放大系数的几个一般性结论： 1、放大系数放大系数K表达了被控对象在干扰作用下重新达到平衡的表达了被控对象在干扰作用下重新达到平衡的性能，是不随时间变化的参数，性能，是不随时间变化的参数，K是被控对象的静态特性参是被控对象的静态特性参数。数。 2、在一定、在一定输入变化量作用下输入变化量

7、作用下，被控对象，被控对象的的K越大，越大，输出变化输出变化量就越大，即输入量就越大，即输入 对输出对输出 的影响越大，被控对象的自身稳定的影响越大，被控对象的自身稳定性就越差；反之，性就越差；反之，K越小，被控对象的稳定性就越好。越小，被控对象的稳定性就越好。 3、线性对象：、线性对象：K在任何输入变化情况下都有是常数的被控对在任何输入变化情况下都有是常数的被控对象称为线性对象。象称为线性对象。 4、非线性对象：输入不同的变化量其放大系数不为常数的被输入不同的变化量其放大系数不为常数的被控对象称为非线性对象。控对象称为非线性对象。 （2）时间常数）时间常数 时间常数反映了被控对象受到输入作用

8、后，输出时间常数反映了被控对象受到输入作用后，输出变量达到新稳态值的快慢，它决定了整个动态过变量达到新稳态值的快慢，它决定了整个动态过程长短程长短。它是被对象的动态特性参数。它是被对象的动态特性参数。 处于不同通道的时间常数的对控制系统的影响是不一样的。加以分析理解。 （3）滞后时间）滞后时间 滞后现象滞后现象：被控对象受到输入变量作用后，其被控变量并不立即发生变化，而是过一段时间方发生变化，这种现象叫滞后现象。 滞后时间性是描绘滞后现象的动态参数滞后时间性是描绘滞后现象的动态参数。 根据滞后性质的不同可分为传递滞后传递滞后和容量滞后容量滞后两种 传递滞后传递滞后0 0：又叫纯滞后，：又叫纯滞

9、后，是由于信号的传输，介质的输送或热的传递要经过一段时间而且产生的常用0 0表示。 容量滞后容量滞后c;Tc;T ：一般是由于物料或能量的传递过程中受到一定的阻力而且引起的，或者说是由于容量数目多而产生的。 一般用容量滞后时间T来表征其滞后的程度，其主要特征是当输入阶跃作用后，被控对象的输出就是开始变化很慢，然后逐渐加快，接着又慢，直至逐渐接近稳定值。 容量滞后时间容量滞后时间T就是在响应曲线的拐点处切线，切线与时间轴的交点。与被控变量开始变化的起点之间的时间的隔就是容量滞后时间T 传递滞后和容量滞后的本质是不同的传递滞后和容量滞后的本质是不同的，但实际上很维区分，当两者同时存在时，通常反这两

10、种滞后时间加在一起，统称为滞后时间性，用T表示，即T= c c + 0 0 。分析并理解滞后时间对调节通道，干扰通道的影响作用。2.2 2.2 单回路控制系统单回路控制系统 单回路控制系统又称简单控制系统单回路控制系统又称简单控制系统，是指由一个被控对象，一个检测元件及变送器，一个调节器和一个招待器所构成的闭合系统，优点包括：结构简单、易于分析设计，投资少、便于施工，并能满足一般生产过程的控制要求。2.2.1 单回路控制系统的设计单回路控制系统的设计 如何设计一个控制系统如何设计一个控制系统 1、了解、了解。除被控对象的动态特性外，对于工艺过程、设备等也需要比较深入的了解； 2 2、确定正确的

11、控制方案、确定正确的控制方案，包括合理地选择被控变量和操纵变量，选择合适的检测变送元件及检测位置，迁用恰当的执行器，调节器以及控制规律等；最后将调节器的参数整定到最佳值。 （1 1）被控变量的选择）被控变量的选择 被控变量是对提高产品质量和产量、促进安全生产、提高劳动生产率、节能等到具有决定作用的工艺变量。 被控变量被控变量选择的基本原则：选择的基本原则： 信号最好是能够直接测量获得信号最好是能够直接测量获得， 无法直接获取时，可选择与之有单值函数关系的参数作为被控变量；例如：苯-二甲苯二元精馏塔。xD塔顶易挥发成分；P或Td间接指标控制。 必须考虑工艺合理性必须考虑工艺合理性。 被控量选择不

12、好，再好的控制系统、设备也没用！ （2 2）操纵变量的选择）操纵变量的选择 定义：定义：在控制系统中，用来克服干扰对被控变量的影响，实现控制作用的变量就是操纵变量。 操纵变量的选择主要应从工艺合理性工艺合理性及及被被控对象的特性方面控对象的特性方面考虑。见图。 操纵变量的选择原则：操纵变量的选择原则： 使被控对象控制通道的放大系数较大控制通道的放大系数较大，时时间常数较小间常数较小，纯滞后时间越小越好纯滞后时间越小越好；使被使被控对象干扰通道的放大系数尽可能小，时控对象干扰通道的放大系数尽可能小，时间常数越大越好。间常数越大越好。 （3 3）检测变送环节的影响）检测变送环节的影响 检测变送环节

13、在控制系统中起着获取信息和传送获取信息和传送信息的作用信息的作用。 正确、及时地获取被控变量变化信息，正确、及时地传送给调节器。 纯滞后纯滞后，检测元件安装不适当将会产生纯滞检测元件安装不适当将会产生纯滞后后。例如，输送带传输延迟（图）： 测量滞后测量滞后是指由测量元件本身特性所引起的动态误差。当测量元件感受被控变量，要经过一个过程，才能反映被控变量的实际值，这时测量元件本身就构成了一个具有一个时间常数的惯性环节。 克服测量滞后的两种方法克服测量滞后的两种方法： 一、选用快速测量元件选用快速测量元件，以测量元件的时间常数为被控对象的时间常数的十分之一十分之一以下为宜以下为宜； 二、是在测量元件

14、之后引入微分作用，在调节器中加入微分控制作用，使调节器在偏差产生的初期，根据偏差的变化趋势发生相应的控制信号。 传递滞后传递滞后，即信号传输滞后，主要是由于气压信号在管路传送过程中引起的滞后。 传递滞后总是存在的，克服减小信号传递滞后的方法有：尽量缩短气压信号管线的长度，一般不超过300M；改用电信号传递，即先用气电转换器气电转换器把调节器输出 的气压信号变成电信号，送到现场后送到现场后，再用电气转换成气压信号送到执行器上；在气压管线上加气动继动器，或在执行器上加气动阀门定位器，以增大输出功率，减少传递滞后的影响等； （4 4）执行器的影响）执行器的影响 执行器的作用是接受调节器送来的控制信号

15、，改变操纵变量，从而实现生产过程的自动控制 执行器通常为调节阀，包括执行机构和阀执行器通常为调节阀，包括执行机构和阀两个部分。两个部分。 从广义对象广义对象的角度考虑，的角度考虑，执行器可看作是执行器可看作是被控对象的一部分被控对象的一部分，其动态特殊性相当于，其动态特殊性相当于在被控对象中增加了一个容量滞后环节。2.2.2 调节器的调节规律调节器的调节规律 调节器是控制系统的心脏调节器是控制系统的心脏。它的作是将测量变送信号与给予定值相比较产生偏差信号，然后按一定运算规律产生输出信号，推动执行器。 四种基本调节规律：四种基本调节规律：位式、比例、积分、微分。其中位式是断续调节，另三种均是连续

16、调节规律。 （1）位式调节规律）位式调节规律 双位调节是位式高节规律中最简单的形式。 理想的双位调节规律的数字表达式： （2）比例调节规律（）比例调节规律（P） 比例放大系数比例放大系数 在比例调节中，调节器的输出信号调节器的输出信号变化量与输入信号成比例关系变化量与输入信号成比例关系 U(t) = Kp e(t) 式中，式中， U(t) 、e(t) 分别是调节器（控制器）输出、输入的变化量。变化量。Kp称为比例增益或比例放大倍数。 例如：典型电路图；典型器路图（下页） 特点：特点： 1.比例调节器的输出与输入的变化量具有对应比例的关系，因此比例控制具有控制及时、克服偏差有力的特点。 2、在系

17、统的平衡遭到破坏平衡遭到破坏后，要建立新的平衡建立新的平衡，要求调节器有输出要求调节器有输出。而要使调节器有输出，而要使调节器有输出，就必须要有偏差存在就必须要有偏差存在，因此，比例控制必有余比例控制必有余差差。 比例度比例度: :指调节器的输入相对变化输入相对变化量，量，与相应输出与相应输出的相对变化量之比的百分数的相对变化量之比的百分数。用公式表示为。用公式表示为 =e/(emax-emin)/u/(umax-umin) 100% 调节器的比例度可以理解为：要使输出信号作全范围的变化，输入信号必须改变全量程的百分之几，即输入与输出的比例范围。 如果输入、输出采用统一标准信（如果输入、输出采

18、用统一标准信（010mA,或或 420mA），比例度和比例放大系数互为倒数。），比例度和比例放大系数互为倒数。 比例度对过渡过程的影响比例度对过渡过程的影响 比例度对余差的影响：比例度对余差的影响： 1、比例度越大，放大倍数越小，余差就越大。、比例度越大，放大倍数越小，余差就越大。反之，比例度越小，系统的余差也随之越小。反之，比例度越小，系统的余差也随之越小。 2、比例度对最大偏差、振荡周期的影响、比例度对最大偏差、振荡周期的影响：相同大小的干扰下，调节器的调节器的比例度越小比例度越小，则比例作用越强，调节器的输出越大，使被控变量偏离给定值越小，被控变量被拉回到给定值所需的时间越短。所以，比例

19、度越小，最大偏差越小，振荡周比例度越小，最大偏差越小，振荡周期也越短，工作频率提高。期也越短，工作频率提高。 比例度对系统稳定性的影响：比例度对系统稳定性的影响：比例度的减小，系比例度的减小，系统的稳定程度降低，其过渡过程逐渐从衰减振荡统的稳定程度降低，其过渡过程逐渐从衰减振荡走向临界振荡直至发散振荡。走向临界振荡直至发散振荡。 比例调节是最基本、最主要、应用最普遍比例调节是最基本、最主要、应用最普遍的规律，它能较为迅速地克服干扰的影响，的规律，它能较为迅速地克服干扰的影响，使系统很快平稳下来使系统很快平稳下来。比例控制作用通常适用于干扰少、振动幅度小、负荷变化不大，滞后较小或者控制精度要求不

20、高的场合。 （3）比例积分调节规律（） U(t)=KI KI-积分速度；TI-积分时间 对积分调节起来说，其输出信号的大小不仅与输入偏差信号的大小有关，而且还取决于偏差存在的时间的长短。只要有偏差，调节器的输出就不断变化，只有偏差为零，积分调节器的输出信号才能相对稳定，积分控制作用是力图消除余差。 在幅值为A的阶跃偏差输入作用下，积分调节器的输出为 积分时间对系统过渡过程的影响：在比例积分控制在比例积分控制系统中，若保持调节的比例度不变，则积分时间对系统中，若保持调节的比例度不变，则积分时间对过渡过程的影响具有双重性：过渡过程的影响具有双重性：随着积分时间性的减小，积分作用不断增强，在相同的扰

21、动作用下，调节器的输出增大，最大偏差减小，余差消除加快，但系统的振荡加剧，稳定性下降，TI过小，还可能导致系统的不稳定。 积分作用的引入，一方面消除了系统的余差，而且另一方面却降低了系统的其他品质指标。 比例积分调节规律的适用性很强，在多数场合下均可采用。只是当被控对象的滞后很大时，可能PI调节的时间较长；或者当负荷变化特别剧烈时，PI调节不免及时，在这种情况下，可再增加微分作用。 例2.1 一比例积分调节器，比例度50%，积分时间1分钟，初态，给定、测量、输出都为50%。当测量变化到55%时，问，输出变化多少？1分钟后变化到多少? 解：比例积分调节器的输入、出关系为： P = （1/ ）e +1/ TIedt 如果输入为一阶跃信号，则有 P = （1/ ） e +1/ TI et 测量由 50%变化到55%，由上式得：开始时， t=0, P = (1/ 50%)*5%+(1/ 50%*1)* 5%*0 = 10%; 当t=1分钟时输出变化为 P = (1/ 50%)*5%+(1/ 50%*1)* 5%*1 =