第一篇简单控制系统学习教案

1、会计学1第一篇简单第一篇简单(jindn)控制系统控制系统第一页，共74页。2第1页/共73页第二页，共74页。3第2页/共73页第三页，共74页。44.自动化技术发展自动化技术发展(fzhn)概况概况 (三个三个阶段阶段)(1) 第一阶段第一阶段 (经典控制理论经典控制理论)1) 理论基础：传递函数理论基础：传递函数 (被控系统的数学描述被控系统的数学描述) 根轨迹法和频率法根轨迹法和频率法 (对系统进行分析对系统进行分析(fnx)和综合和综合) 2) 设计方法：将复杂的生产过程分解为若干个简单过程，实现单输设计方法：将复杂的生产过程分解为若干个简单过程，实现单输 入单输出的控制系统入单输出

2、的控制系统 3) 缺点：缺点： 只能满足于保持生产的稳定和安全，属于局部自动化范畴只能满足于保持生产的稳定和安全，属于局部自动化范畴 依赖手工和经验依赖手工和经验第3页/共73页第四页，共74页。5简单(jindn)控制系统方框图r -给定值给定值(模拟模拟,数字数字(shz)e-偏差偏差 (e=r-ym) u-调节器输出调节器输出-执行器输出执行器输出 ym-被调量的测量信号被调量的测量信号 D-干扰干扰y-被调量实际值被调量实际值第4页/共73页第五页，共74页。6(2) 第二阶段第二阶段(现代现代(xindi)控制控制理论理论)1) 理论基础理论基础: 状态空间分析方法状态空间分析方法,

3、 包括以最小二乘法为基础的系统辩包括以最小二乘法为基础的系统辩 识识, 以极大值和动态以极大值和动态(dngti)规划为主要方法的最优控制和以卡尔曼滤波规划为主要方法的最优控制和以卡尔曼滤波理理 论为核心的最佳估计等论为核心的最佳估计等2) 优点：优点： 能够深入揭示系统内在的规律性能够深入揭示系统内在的规律性, 从局部控制进入从局部控制进入(jnr)到一定意义下到一定意义下 的全局最优的全局最优 在结构上已经从单环扩展到适应环在结构上已经从单环扩展到适应环, 学习环学习环3) 缺点缺点: 由于当时计算机技术的限制由于当时计算机技术的限制, 计算机控制处于试验阶段计算机控制处于试验阶段 现代控

4、制理论与工程实际之间有较大差距现代控制理论与工程实际之间有较大差距: 建模困难建模困难, 性能指标不性能指标不 易确定易确定, 控制策略缺乏控制策略缺乏.现代控制理论是人们对控制技术在认识上的一次质的飞跃现代控制理论是人们对控制技术在认识上的一次质的飞跃,为实现高水平的自动为实现高水平的自动化奠定了理论基础化奠定了理论基础. 同时同时, 电子计算机的发展为实现工业自动化提供了重要的技术手电子计算机的发展为实现工业自动化提供了重要的技术手段段. 出现了直接数字控制出现了直接数字控制(DDC)系统和计算机监控系统系统和计算机监控系统第5页/共73页第六页，共74页。7直接数字直接数字(shz)控制

5、控制系统系统直接数字控制系统特点：直接数字控制系统特点：多输入多输出，在线实时控制多输入多输出，在线实时控制分时方式分时方式(fngsh)控制控制灵活性、多功能性，控制由计算机完成灵活性、多功能性，控制由计算机完成 第6页/共73页第七页，共74页。8计算机监控(jin kn)系统第7页/共73页第八页，共74页。9(3) 第三阶段第三阶段(第三代控制理论第三代控制理论) 特点特点: 可靠性高，价格低可靠性高，价格低由于计算机，大规模集成电路技术的发展，使计算机功能更强，由于计算机，大规模集成电路技术的发展，使计算机功能更强，价格大幅度降低价格大幅度降低. 在采用了冗余技术在采用了冗余技术,

6、软硬件自诊断功能等措施软硬件自诊断功能等措施后，可靠性提高到基本上能够后，可靠性提高到基本上能够(nnggu)满足工业控制的要求满足工业控制的要求 多学科相互交叉多学科相互交叉, 相互渗透相互渗透. 突破了局部控制突破了局部控制, 进入到全局控制进入到全局控制.英文缩写英文缩写DDC直接数字控制直接数字控制 (Direct Digital Control)DCS分布式分布式/集散控制集散控制 (Distributed Control System)CIPS计算机集成过程计算机集成过程(生产生产(shngchn)系统系统 (Computer Integrated Produc -tion Sys

7、tem)第8页/共73页第九页，共74页。10二过程控制的任务二过程控制的任务(rn wu)和要求和要求任务：在了解掌握工艺流程及生产过程的静态和动态特性的基础上，根据任务：在了解掌握工艺流程及生产过程的静态和动态特性的基础上，根据安全性，经济性，稳定性的要求，应用理论对控制系统进行安全性，经济性，稳定性的要求，应用理论对控制系统进行(jnxng)分析和分析和 综合，最后采用适宜的技术手段加以实现综合，最后采用适宜的技术手段加以实现要求要求(yoqi)：安全性，经济性，稳定性安全性，经济性，稳定性第9页/共73页第十页，共74页。11过程控制系统过程控制系统(kn zh x tn)的设计步骤：

8、的设计步骤：加热炉控制(kngzh)流程图1) 确定确定(qudng)控控制目标制目标要设计过程控制系统，首先必须了解控制要设计过程控制系统，首先必须了解控制目标对于给定的被控过程，可以根据具目标对于给定的被控过程，可以根据具体情况提出各种不同的控制目标体情况提出各种不同的控制目标.本例中本例中可以有几个目标可以有几个目标: 在安全运行的条件下，保证热油在安全运行的条件下，保证热油 出口温度稳定出口温度稳定 在安全运行条件下，保证热油出在安全运行条件下，保证热油出 口温度和烟气含氧量稳定口温度和烟气含氧量稳定 在安全运行条件下，保证热油出在安全运行条件下，保证热油出 口温度稳定口温度稳定,而且

9、加热炉热效最高而且加热炉热效最高第10页/共73页第十一页，共74页。122) 选择选择(xunz)测量参数测量参数(被调量被调量)无论采用什么控制方案，都需要无论采用什么控制方案，都需要(xyo)通过某些参数的测量来控制和监视整个生产过通过某些参数的测量来控制和监视整个生产过程参数由目标确定如需温度稳定，就肯定要检测温度参数确定了参数，应选择合适程参数由目标确定如需温度稳定，就肯定要检测温度参数确定了参数，应选择合适的测量元件和变送器的测量元件和变送器有些参数难以直接测量有些参数难以直接测量,则应通过测量与之成一定关系的另一些参数来获取则应通过测量与之成一定关系的另一些参数来获取3) 操作操

10、作(cozu)量的量的选择选择一般情况下，操作量都是工艺规定的，设计中没有多大的选择余地但在有多个操作量和一般情况下，操作量都是工艺规定的，设计中没有多大的选择余地但在有多个操作量和被调量的情况下，用哪个操作量去控制哪个被调量还是需要认真选择的被调量的情况下，用哪个操作量去控制哪个被调量还是需要认真选择的4) 控制方案的确定控制方案的确定控制方案是随控制目标和控制精度要求而不同的控制方案是随控制目标和控制精度要求而不同的,它是整个设计过程中的关键它是整个设计过程中的关键步骤步骤第11页/共73页第十二页，共74页。13 如果采用如果采用(ciyng)的是第一种方案，即：在安全运行的条件下，保证

11、热油出口的是第一种方案，即：在安全运行的条件下，保证热油出口 温度稳定那么只要对炉子进行人工调整，使之不冒黑烟，不熄火，温度稳定那么只要对炉子进行人工调整，使之不冒黑烟，不熄火， 保证一定的安全性和经济性，然后采用保证一定的安全性和经济性，然后采用(ciyng)热油出口温度简单控制系统的热油出口温度简单控制系统的 方案就可以满足要求方案就可以满足要求 对于第二个目标，需要烟气含氧量稳定，则可以再加一个烟气含氧对于第二个目标，需要烟气含氧量稳定，则可以再加一个烟气含氧 量简单控制系统，用两个单回路量简单控制系统，用两个单回路(hul)来完成控制任务来完成控制任务 对于第三个控制目标，除了对于第三

12、个控制目标，除了(ch le)分别对温度和含氧量采用定值控制分别对温度和含氧量采用定值控制外，外， 含氧量的设定值还应该保证加热炉热效最高。这需要建立燃烧过程含氧量的设定值还应该保证加热炉热效最高。这需要建立燃烧过程 数学模型，使之在不同工况下，均能依靠调整含氧量设定值保持加数学模型，使之在不同工况下，均能依靠调整含氧量设定值保持加 热炉热效率最高热炉热效率最高可以看到，控制策略是随控制目标和控制精度要求而不同的可以看到，控制策略是随控制目标和控制精度要求而不同的第12页/共73页第十三页，共74页。145) 选择选择(xunz)控制控制算法算法控制算法由控制方案确定控制算法由控制方案确定常见

13、常见(chn jin)的控制算法有：的控制算法有：PID控制，解藕控制，解藕控制，最优控制等控制，最优控制等如加热炉热油温度控制，可采用如加热炉热油温度控制，可采用PID控制控制6) 执行器的选择执行器的选择(xunz)在自动控制系统中在自动控制系统中,执行器的作用是按控制器的命令执行器的作用是按控制器的命令, 直接控制能量或物料等被测介质的直接控制能量或物料等被测介质的输送输送, 是自动控制系统的终端执行部件是自动控制系统的终端执行部件, 一般由执行机构一般由执行机构, 调节机构两部分组调节机构两部分组成按使用能源种类可分为气动，电动，液动三种成按使用能源种类可分为气动，电动，液动三种7)

14、设计报警和联锁保护系统设计报警和联锁保护系统对于关键参数对于关键参数,应根据工艺要求规定其高低报警值应根据工艺要求规定其高低报警值,当参数超过报警值时当参数超过报警值时,应应立即立即进行越限报警进行越限报警. 报警系统的作用是及时提醒操作人员密切注意监视生产状况报警系统的作用是及时提醒操作人员密切注意监视生产状况, 以便采取以便采取措施减少事故的发生措施减少事故的发生联锁保护系统是指当生产出现严重事故时联锁保护系统是指当生产出现严重事故时, 为保证设备为保证设备, 人身的安全人身的安全, 使各个设备使各个设备按一定次序紧急停止运转的系统按一定次序紧急停止运转的系统第13页/共73页第十四页，共

15、74页。158) 控制系统控制系统(kn zh x tn)的调试和投运的调试和投运控制系统控制系统(kn zh x tn)安装完毕后，应随着生产过程进行试运行，安装完毕后，应随着生产过程进行试运行，按控制要求检查和调整各控制仪表和设备的工作状况，包括调节器参数的按控制要求检查和调整各控制仪表和设备的工作状况，包括调节器参数的整定等，依次将全部控制系统整定等，依次将全部控制系统(kn zh x tn)投入运行投入运行对于一个从事过程控制的工作者来说，除了掌握控制理论，计算机，仪器仪表知识对于一个从事过程控制的工作者来说，除了掌握控制理论，计算机，仪器仪表知识以及现代控制技术之外，还要十分熟悉生产

16、过程的工艺流程，从控制的角度理解它以及现代控制技术之外，还要十分熟悉生产过程的工艺流程，从控制的角度理解它的静态和动态的静态和动态(dngti)特性特性例如加热炉运行中出现严重事故必须紧急停止运行时，联锁保护系统应采例如加热炉运行中出现严重事故必须紧急停止运行时，联锁保护系统应采取的停止步骤是：停燃油泵取的停止步骤是：停燃油泵关闭燃油阀关闭燃油阀等待一定时间后停引风等待一定时间后停引风机机最后切断热油阀最后切断热油阀第14页/共73页第十五页，共74页。16第一篇简单第一篇简单(jindn)控制系统控制系统简单简单(jindn)控控制系统制系统:单闭合单闭合(b h)(b h)回路回路一个被调

17、量一个被调量, 一个调节量一个调节量, 一个调节器一个调节器,一个调节阀一个调节阀约占目前工业控制的约占目前工业控制的80%简单控制系统方框图简单控制系统方框图第15页/共73页第十六页，共74页。171-1 过程过程(guchng)控制系统的性控制系统的性能指标能指标研究目的研究目的:为了配置合适的控制系统为了配置合适的控制系统, 以满足生产以满足生产(shngchn)过程的要求过程的要求.过程控制系统在运行过程控制系统在运行(ynxng)中的状态中的状态:稳态稳态: 系统不受外来干扰系统不受外来干扰 设定值保持不变设定值保持不变第一章生产过程的动态特性第一章生产过程的动态特性稳态稳态动态动

18、态被调量不随时间变化被调量不随时间变化,整个系统整个系统处于稳定平衡的工况处于稳定平衡的工况第16页/共73页第十七页，共74页。18动态动态: 系统受到外来系统受到外来(wili)干扰干扰 改变了设定值改变了设定值过渡过程过渡过程(guchng): 从一个稳态到达另从一个稳态到达另一个稳态的历程一个稳态的历程由于被控对象总是不时受到各种外来干扰的影响，设置由于被控对象总是不时受到各种外来干扰的影响，设置(shzh)控制系统的目的也正控制系统的目的也正是为了对付这种情况，因此系统经常处于动态过程，而要评价一个过程控制系统的工是为了对付这种情况，因此系统经常处于动态过程，而要评价一个过程控制系统

19、的工作质量，只看稳态是不够的，还应该考核它在动态过程中被调量随时间变化的情况作质量，只看稳态是不够的，还应该考核它在动态过程中被调量随时间变化的情况控制系统的性能指标可概括为三个方面控制系统的性能指标可概括为三个方面稳定性稳定性准确性准确性快速性快速性这三个方面的要求在时域上体现为若干性能指标，如：衰减比这三个方面的要求在时域上体现为若干性能指标，如：衰减比(及衰减及衰减)，最大动态，最大动态偏差偏差(及超调量及超调量)，残余偏差，调节时间，残余偏差，调节时间(及振荡频率及振荡频率)等等原来的稳态遭到破坏原来的稳态遭到破坏,系统中各组成部分的系统中各组成部分的输入输出量都相继发生变化输入输出量

20、都相继发生变化, 被调量偏离原被调量偏离原稳态值而随时间变化稳态值而随时间变化第17页/共73页第十八页，共74页。19 闭环控制系统闭环控制系统(xtng)在设定值扰动下的阶跃响应在设定值扰动下的阶跃响应r第18页/共73页第十九页，共74页。201. 衰减衰减(shui jin)比和衰减比和衰减(shui jin)率率衰减比是衡量一个振荡衰减比是衡量一个振荡(zhndng)过程的衰减程过程的衰减程度的指标度的指标,它等于两个相临的同向波峰峰值之比它等于两个相临的同向波峰峰值之比.即衰减比即衰减比n1 收敛(shulin)，趋于稳定n=1 振荡（等幅）n流入液位流入液位，液体，液体(yt)流

21、出流出流入，流入， 温度温度，热量流出，热量流出流入，流入， 转速转速，动能流出，动能流出流入流入流入量，流出量与输入输出的区别流入量，流出量与输入输出的区别(qbi)输入输出在控制系统的每个环节都存在，往往一个环节的输出是另一个输入输出在控制系统的每个环节都存在，往往一个环节的输出是另一个环节的输入而流入流出量则是通过执行结构来实现的如液体的出入环节的输入而流入流出量则是通过执行结构来实现的如液体的出入是通过调节阀实现，温度的高低是通过电子开关的通断实现，转速是通过调节阀实现，温度的高低是通过电子开关的通断实现，转速(zhun s)的升降可以通过电机的运转实现的升降可以通过电机的运转实现第2

22、4页/共73页第二十五页，共74页。262. 若干若干(rugn)简单被控对象的动态特性简单被控对象的动态特性1) 单容水槽单容水槽单容水槽Qi-水流入量，由调节阀开水流入量，由调节阀开 度度控制控制(kngzh)Qo-水流出量，由负载水流出量，由负载(fzi)阀阀 改变改变被调量-水位，反映水流入 流出量的平衡关系iQKoQKH()iodvd FHdHQQFdtdtdt第25页/共73页第二十六页，共74页。27对于水槽，在起始的稳定平衡(wndng pnghng)的工况下，平衡方程为11()()iodHQQKKHdtFF0010()ioQQF则：001()()ioiodHQQQQdtF00

23、1()()iiooQQQQF1()ioQQF第26页/共73页第二十七页，共74页。28设H在H0附近(fjn)变化，则：00()1()d HHdHKKHKHdtdtF01()2HKKFH即01()2d HHKKdtFH001()HHKKFHH第27页/共73页第二十八页，共74页。29令02,HRTRF kK RK则上式为d HTHkdt其传递函数为( )( )( )1kH sG sU sTs水容(shu rn)水阻时间常数(sh jin chn sh)CF02 HRK0022HHd HFHKKdtK02 HTFRCK第28页/共73页第二十九页，共74页。30单容水槽水位(shuwi)阶跃

24、响应111Tkss( )(1)tTh ske( )( ) ( )H sU s G s11kTss第29页/共73页第三十页，共74页。31非线形非线形(xin xn)微分方程的线性微分方程的线性化方法化方法严格地说严格地说, 实际物理元件或系统都是非线性的实际物理元件或系统都是非线性的, 如弹簧的刚度与其形变如弹簧的刚度与其形变(xngbin)有关系有关系,因此弹簧系数因此弹簧系数K实际上是其位移实际上是其位移x的函数的函数,并非常数并非常数.电阻、电容、电感等电阻、电容、电感等参数值与周围环境参数值与周围环境(温度、湿度、压力等温度、湿度、压力等)及流过它们的电流有关及流过它们的电流有关,也

25、并非常值也并非常值; 电电动机本身的摩擦动机本身的摩擦, 死区等非线性因素会使其运动方程复杂化而成为非线性方程死区等非线性因素会使其运动方程复杂化而成为非线性方程. 在一定条件下在一定条件下, 为了简化数学模型为了简化数学模型,可以忽略它们的影响可以忽略它们的影响, 将这些元件视为线性元将这些元件视为线性元件件. 此外，还有一种线性化方法此外，还有一种线性化方法, 称为切线法称为切线法, 特别适合于具有连续变化的非线特别适合于具有连续变化的非线性特性函数，其实质是在一个很小的范围内，将非线性特性用一段直线来代性特性函数，其实质是在一个很小的范围内，将非线性特性用一段直线来代替替设连续变化的非线

26、性函数为设连续变化的非线性函数为y=f(x),在在x=x0出将出将y=f(x)用泰勒级数用泰勒级数(j sh)展开展开,则有则有000( )( )()().xdf xyf xf xxxdx当当(x-x0)很小时，略去高次幂，则有很小时，略去高次幂，则有第30页/共73页第三十一页，共74页。320000( )( )( )()xdf xy yf xf xx xdx令000,( )/)xyyyxxxKdf xdx 则线性化方程(fngchng)可简记为yK x 略去增量符号，便的函数y=f(x)在工作点x0附近(fjn)的线性化方程为yK x当系统或元件具有非线性特性时当系统或元件具有非线性特性时

27、,则其动态数学模型常为非线性微分方程则其动态数学模型常为非线性微分方程,而非线性微分方程而非线性微分方程的解析求解是异常困难的的解析求解是异常困难的,且由于非线性特性类型不同且由于非线性特性类型不同,没有没有(mi yu)通用的解析方法通用的解析方法.因此因此,在理论研究时总是力图将非线性问题在合理的情况下简化处理成线性问题，即所谓的线性化在理论研究时总是力图将非线性问题在合理的情况下简化处理成线性问题，即所谓的线性化.第31页/共73页第三十二页，共74页。33对于(duy)微分方程1()dHKKHdtF在平衡点H0处有0001()dHKKHdtF两式相减，有000()1()()d HHKK

28、HHdtF令yH则0000/|()HyyHHdy dtHH001()2HHH代入上式可得0000()1()()2d HHKKHHdtFH第32页/共73页第三十三页，共74页。34即01()2dHKKHdtFH所以所以(suy)一般情况下非线性微分方程的线性化步骤一般情况下非线性微分方程的线性化步骤为为 按给出的非线性微分方程按给出的非线性微分方程(wi fn fn chn)写出在写出在平衡位置处的微分方程平衡位置处的微分方程(wi fn fn chn) 将两微分方程将两微分方程(wi fn fn chn)相减相减 根据泰勒级数将相减后表达式中非线性部分展开根据泰勒级数将相减后表达式中非线性部

29、分展开,即为线性微分方程即为线性微分方程第33页/共73页第三十四页，共74页。352) 单容积单容积(rngj)分水槽分水槽单容积(rngj)分水槽水槽流出侧装有水泵(shubng)，水箱的流出水量与水位无关在某一时间dt内iQkdtoQM dtVF dH由ioVQQ得kdHMdtFF在某一平衡位置H0处，有00kdHMdtFF相减即有kd HdtF第34页/共73页第三十五页，共74页。36单容积(rngj)分水槽的阶跃响应单容积分水槽的阶跃响应(xingyng)方程为( )kh ttF该响应该响应(xingyng)曲线是一个发散过程曲线是一个发散过程.与单容水槽不同的是与单容水槽不同的是

30、:单容水槽由于出水单容水槽由于出水量由水位控制量由水位控制,相当于有一个自调节系统相当于有一个自调节系统, 水位增大水位增大, 则出水量随之增大则出水量随之增大, 使水位趋使水位趋于变小于变小. 而积分水槽出水量与水位无关而积分水槽出水量与水位无关,无自调节作用无自调节作用, 平衡破坏后平衡破坏后, 很难再次达很难再次达到另一个平衡点到另一个平衡点第35页/共73页第三十六页，共74页。373 工业过程动态特性的特点工业过程动态特性的特点(被控对象本身被控对象本身(bnshn)的性质的性质)1) 对象对象(duxing)的动态特性的动态特性是不振荡的是不振荡的对象的阶跃响应曲线通常是单调曲线，

31、被调量的变化比较(bjio)缓慢工业对象的幅频特性M()和相频特性()都随着频率的增高而减小2) 对象动态特性有迟延对象动态特性有迟延由于迟延的存在，调节阀的动作效果往往需要经过一段迟延时间才能在被调量上表现出来迟延的主要来源是多个容积的存在容积越大和数目越多，迟延时间也越长3) 被控对象本身是稳定的或中性稳定的被控对象本身是稳定的或中性稳定的自平衡: 当输入量改变时，被调量能够自动稳定在新的位置上，则该过程自平衡率自平衡率:1KhK-对象的静态增益对象的静态增益自衡过程自衡过程:( )1sKG seTs 是自平衡的(带纯迟延的一阶惯性环节带纯迟延的一阶惯性环节)第36页/共73页第三十七页，

32、共74页。38非自平衡非自平衡: 当输入改变当输入改变(gibin)后后, 不平衡不因被调量的变化而改变不平衡不因被调量的变化而改变(gibin), 因而因而被调量被调量 将以固定的速度一直变化下去而不会自动地在新的水平上恢将以固定的速度一直变化下去而不会自动地在新的水平上恢 复平衡复平衡.它是中性平衡的它是中性平衡的不稳定过程是指原来的平衡一旦破坏不稳定过程是指原来的平衡一旦破坏(phui)，被调量在很短的时间内，被调量在很短的时间内就发生很大的变化就发生很大的变化典型工业过程在调节阀开度扰动下的阶跃(飞升(fi shn)响应:非自衡过程非自衡过程:( )sKG seTs第37页/共73页第

33、三十八页，共74页。39再经过再经过时间时间(shjin)后，被调量的变化量近后，被调量的变化量近似为似为KyKTT 对于非自衡过程，此时对于非自衡过程，此时(c sh)y=是准确成立的，是准确成立的，其中其中1T因此，可以因此，可以(ky)用用的大小作为衡量被控对象控制难易程度的简易指的大小作为衡量被控对象控制难易程度的简易指标标 越大越大, 过程越难控制过程越难控制 越小越小, 过程越易控制过程越易控制对象受到阶跃扰动对象受到阶跃扰动,经过一段迟延时间经过一段迟延时间 后后, ,被调量开始以某个速度变化被调量开始以某个速度变化, ,这个这个起始速度称为响应速度，表示为起始速度称为响应速度，

34、表示为KT=dy/dt|t=小小: K小小, 大大自平衡率大自平衡率大, 易于平衡易于平衡 /T 小，接近小，接近自自衡单容过程衡单容过程易于控制过程易于控制过程第38页/共73页第三十九页，共74页。40单纯由迟延构成的过程单纯由迟延构成的过程(guchng)是很难控制的是很难控制的,而自平衡的单容过程而自平衡的单容过程(guchng)则极易控制则极易控制.右图是自衡过程在调节阀开度单位扰动下的响应(xingyng)的初期情况.为了便于在相同的基础上对各种被控对象进行比较, 输入输出都用相对值表示-迟延迟延(chyn)时间时间T-时间常数时间常数时间常数时间常数T的意义的意义:表示被控对象表

35、示被控对象以以t=时的切线速度一直变化到稳时的切线速度一直变化到稳态值时所需要的时间态值时所需要的时间将将t=T代入方程代入方程(1)tTyKe可得到1( )(1) 0.6320.632yTKeKy也就是对象受阶跃输入作用后，被控变量达到新稳态值63.2%所需时间(可用做验算)y=k(1-e-(t-)/T)第39页/共73页第四十页，共74页。414) 被控被控(bi kn)对象具有对象具有非线性特性非线性特性严格地说严格地说, 几乎所有的被控对象的动态特性都呈现非线性特性几乎所有的被控对象的动态特性都呈现非线性特性, 只是程度不只是程度不同而已同而已. 如许多被控对象的增益就不是常数如许多被

36、控对象的增益就不是常数. 对于被控对象的非线性特性对于被控对象的非线性特性, 如果控制精度要求不高或者负荷变化不大如果控制精度要求不高或者负荷变化不大, 则可用线性化方法进行则可用线性化方法进行(jnxng)处理处理. 但是如果非线性不可忽略但是如果非线性不可忽略,必须采用其他方法必须采用其他方法, 如分段线性化的方法如分段线性化的方法, 非线性补偿或者利用非线性控制理论来进行非线性补偿或者利用非线性控制理论来进行(jnxng)系统的分析和设计系统的分析和设计需要强调的是需要强调的是,时间常数时间常数T越大越大,被控量的变化越慢被控量的变化越慢,达到新的稳态值所需要的时间达到新的稳态值所需要的

37、时间越长越长.时间常数大的对象时间常数大的对象,系统稳定性好系统稳定性好, 动态偏差较小动态偏差较小,但同时但同时(tngsh)系统的调系统的调节性能变差节性能变差, 一旦系统偏离设定值后一旦系统偏离设定值后,所需调节时间较长所需调节时间较长. 因此因此,对于时间常数大的对于时间常数大的调节对象调节对象, 在自控系统设计时可适当降低系统的动态偏差要求在自控系统设计时可适当降低系统的动态偏差要求.但静态指标应严格但静态指标应严格控制控制.而对于时间常数小的系统而对于时间常数小的系统,则动态指标是控制系统的主要目标则动态指标是控制系统的主要目标第40页/共73页第四十一页，共74页。424 描述过

38、程描述过程(guchng)特性的参数特性的参数 (放大系数放大系数, 时间常数时间常数, 迟延时迟延时间间)冷物料冷物料热 物 料热 物 料W蒸汽蒸汽QQQWWtt数学数学(shxu)(shxu)表达式表达式 a a 蒸汽加热器系统蒸汽加热器系统 b b 温度响应温度响应(xingyng)(xingyng)曲线曲线静态特性参数静态特性参数1) 放大系数放大系数K (静态增益静态增益)WKQ被调量变化量调节量变化量WK Q单位单位: /1%意义意义: 第41页/共73页第四十二页，共74页。43增益增益(zngy)的求取的求取已知传递函数已知传递函数( )( )1Kd HH sTHKdtsTs1

39、2122() sphsppspDHQc TQDHQc TTTQcHdTKdDQc已知模型已知模型(mxng)(mxng)表达式表达式 ( (无微分无微分) )已知实验数据已知实验数据(shj)(shj)或调节量和被调量的变化量或调节量和被调量的变化量K非线性非线性P94: 1.10, 1.11K 被调量变化量调节量变化量第42页/共73页第四十三页，共74页。44放大系数放大系数K对系统的影响对系统的影响(yngxing)放大系数越大，操纵变量放大系数越大，操纵变量(binling)的变化对被控变量的变化对被控变量(binling)的影响就越大，控制作用对扰动的补偿能力强，有利于克服扰动的影响

40、，余差就越小；反之，放大系数小，控制作用的影响不显著，被控变量的影响就越大，控制作用对扰动的补偿能力强，有利于克服扰动的影响，余差就越小；反之，放大系数小，控制作用的影响不显著，被控变量(binling)变化缓慢。但放大系数过大，会使控制作用对被控变量变化缓慢。但放大系数过大，会使控制作用对被控变量(binling)的影响过强，使系统稳定性下降。的影响过强，使系统稳定性下降。控制控制(kngzh)通道通道 当扰动频繁出现且幅度较大时，放大系数大，被控变量的波动就当扰动频繁出现且幅度较大时，放大系数大，被控变量的波动就会很大，使得最大偏差增大；而放大系数小，即使扰动较大，对被会很大，使得最大偏差

41、增大；而放大系数小，即使扰动较大，对被控变量仍然不会产生多大影响。控变量仍然不会产生多大影响。扰动通道扰动通道第43页/共73页第四十四页，共74页。452) 时间常数时间常数(sh jin chn sh)T以图直接蒸汽加热器为例，假设蒸汽流量作阶跃变化以图直接蒸汽加热器为例，假设蒸汽流量作阶跃变化(binhu)(binhu)，阶跃幅值为，阶跃幅值为QQ，热物料出口温度，热物料出口温度W(t)W(t)随蒸汽流量变化随蒸汽流量变化(binhu)(binhu)的曲线可用方程式表示的曲线可用方程式表示 时间常数是动态参数，用来表征被控变量的快慢时间常数是动态参数，用来表征被控变量的快慢(kuimn)

42、程度。程度。式中：式中：T T为时间常数。为时间常数。( )(1)tTW tK Qe第44页/共73页第四十五页，共74页。46时间常数时间常数(sh jin chn (sh jin chn sh)Tsh)T对系统的影响对系统的影响控制通道，对于扰动通道，时间常数控制通道，对于扰动通道，时间常数(sh jin chn sh)大，扰动作用比较平缓，大，扰动作用比较平缓，被控变量的变化比较平稳，过程较易控制。被控变量的变化比较平稳，过程较易控制。控制控制(kngzh)通道通道在相同的控制作用下，时间常数大，被控变量的变化比较缓在相同的控制作用下，时间常数大，被控变量的变化比较缓慢，此时过程比较平稳

43、，容易进行控制，但过渡过程时间较慢，此时过程比较平稳，容易进行控制，但过渡过程时间较长；若时间常数小，则被控变量的变化速度快，控制过程比长；若时间常数小，则被控变量的变化速度快，控制过程比较灵敏，不易控制。时间常数太大或太小，对控制上都不利。较灵敏，不易控制。时间常数太大或太小，对控制上都不利。扰动通道扰动通道第45页/共73页第四十六页，共74页。473) 3) 滞后滞后(zh (zh hu)hu)时间时间又称为传递滞后又称为传递滞后(zh hu)(zh hu)。纯滞后。纯滞后(zh hu)(zh hu)的产生一般是由于介质的输送、能量传递和信号传输需要一段时间而引起的。的产生一般是由于介质

44、的输送、能量传递和信号传输需要一段时间而引起的。 纯滞后纯滞后(zh (zh hu)0:hu)0:皮带输送装置皮带输送装置例例浓度监测点浓度监测点溶解槽溶解槽v vL LXYtt溶解槽过程的响应曲线溶解槽过程的响应曲线 0输送机将固体溶质由加料斗送至溶解槽所经过的时间，称为输送机将固体溶质由加料斗送至溶解槽所经过的时间，称为纯滞后时间纯滞后时间。其中其中l l表示皮带长度，表示皮带长度， v v表示皮带移动的线速度。表示皮带移动的线速度。不少过程在输入变化后，输出并不立即变化，而是要经过不少过程在输入变化后，输出并不立即变化，而是要经过一段时间后输出才发生变化，这段时间称为纯滞后一段时间后输出

45、才发生变化，这段时间称为纯滞后(时间时间).0=L/V第46页/共73页第四十七页，共74页。48 容量容量(rngling)滞后滞后n 容量滞后的产生一般是物料或能量传递需要通过容量滞后的产生一般是物料或能量传递需要通过(tnggu)一定一定的阻力而引起的。它是多容过程所固有的特性。的阻力而引起的。它是多容过程所固有的特性。 nAh1 Q1 Q12 h2 Q2 A1A2oXYtt串联水槽及其响应串联水槽及其响应(xingyng)曲线曲线 如图所示的两个串联水槽的液位（双容）过程来说明容量滞后现象如图所示的两个串联水槽的液位（双容）过程来说明容量滞后现象.第47页/共73页第四十八页，共74页

46、。49从理论上讲从理论上讲, ,纯滞后与容量滞后有着纯滞后与容量滞后有着(yu zhe)(yu zhe)本质的区别本质的区别, , 但在实际生产过程中两者同时存在但在实际生产过程中两者同时存在, ,有时很难区别有时很难区别. . 通常用滞通常用滞后时间后时间来表示纯滞后与容量滞后之和来表示纯滞后与容量滞后之和. . 即即=0+n.=0+n.下图下图为滞后时间为滞后时间示意图。示意图。 滞后滞后(zh hu)(zh hu)时间时间示意图示意图oXYtt0n第48页/共73页第四十九页，共74页。50滞后时间滞后时间(shjin)对对系统的影响系统的影响由于存在由于存在(cnzi)滞后滞后,使控制

47、作用落后于被控变量的变化使控制作用落后于被控变量的变化,从而使从而使被控变量的偏差增大被控变量的偏差增大, 控制质量下降控制质量下降. 滞后时间越大滞后时间越大, 控制质量越控制质量越差差.控制控制(kngzh)通道通道对于扰动通道对于扰动通道, 如果存在纯滞后如果存在纯滞后,相当于扰动延迟了一段时间才进相当于扰动延迟了一段时间才进入系统入系统, 而扰动在什么时间出现而扰动在什么时间出现,本来就是无从预知的本来就是无从预知的, 因此因此,并不影并不影响控制系统的品质响控制系统的品质.扰动通道中存在容量滞后扰动通道中存在容量滞后,可使阶跃扰动的可使阶跃扰动的影响趋于缓和影响趋于缓和, 对控制系统

48、是有利的对控制系统是有利的.扰动通道扰动通道第49页/共73页第五十页，共74页。511.3 过程过程(guchng)数学模型及其建数学模型及其建立方法立方法数学模型是对事物行为规律的数学描述，根据所描述的是事物在稳态下的行为还是数学模型是对事物行为规律的数学描述，根据所描述的是事物在稳态下的行为还是(hi shi)在动态下的，数学模型有静态模型和动态模型之分在动态下的，数学模型有静态模型和动态模型之分1) 建立建立(jinl)数学模型的数学模型的目的目的 制订工业过程优化操作方案制订工业过程优化操作方案 制订控制系统的设计方案制订控制系统的设计方案,利用数学模型进行仿真研究利用数学模型进行仿

49、真研究 进行控制系统的调试和调节器参数的整定进行控制系统的调试和调节器参数的整定 设计工业过程的故障检测和诊断系统设计工业过程的故障检测和诊断系统 制订大型设备启动和停车的操作方案制订大型设备启动和停车的操作方案 设计工业过程运行人员培训系统设计工业过程运行人员培训系统1. 过程数学模型的表达形式与对模型的要求过程数学模型的表达形式与对模型的要求第50页/共73页第五十一页，共74页。522) 被控被控(bi kn)对象数学模型的表对象数学模型的表达形式达形式(1) 按系统按系统(xtng)的连续性划分：连续系统的连续性划分：连续系统(xtng)模型，离散系统模型，离散系统(xtng)模型模型

50、(2) 按模型按模型(mxng)的结构划分：输入输出模型的结构划分：输入输出模型(mxng)，状态空间模型状态空间模型(mxng)(3) 输入输出模型按域划分：输入输出模型按域划分：时域时域-阶跃响应，脉冲响应阶跃响应，脉冲响应频域频域-传递函数传递函数在控制系统设计中,所需的被控对象数学模型在表达方式上因情况而异.例如：PID控制要求过程模型用传递函数表达；二次型最优控制要求用状态空间表达式；基于参数估计的自适应控制通常要求用脉冲传递函数表达;预测控制要求用阶跃响应或脉冲响应表达第51页/共73页第五十二页，共74页。533) 被控对象被控对象(duxing)数学模型的利用方式数学模型的利用

51、方式离线：数学模型只是离线：数学模型只是(zhsh)在进行控制系统的设计研究中或在控制系统的调试在进行控制系统的设计研究中或在控制系统的调试整定阶段发挥作用整定阶段发挥作用在线：将数学模型作为一个组成部分在线：将数学模型作为一个组成部分(z chn b fn)砌入控制系统中砌入控制系统中4) 被控对象对数学模型的要求被控对象对数学模型的要求用于控制的数学模型并不要求非常准确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闭环控制本身具有一定的鲁棒性,模型的误模型的误差可视为干扰差可视为干扰,而闭环控制具有自动消除干扰的能力而闭环控制具有自动消除干扰的能力另外另外,控制工程师在

52、建立数学模型时控制工程师在建立数学模型时,应该突出主要因素应该突出主要因素,忽略次要因素忽略次要因素.为此需要作很为此需要作很多近似处理多近似处理,如：线性化，分布参数系统集总化如：线性化，分布参数系统集总化,模型降阶处理模型降阶处理.第52页/共73页第五十三页，共74页。542. 建模的两个基本建模的两个基本(jbn)方法方法(机理(j l)法测试法)1) 机理机理(j l)法法它是根据生产过程中实际发生的变化机理，写出各种有关的平衡方程它是根据生产过程中实际发生的变化机理，写出各种有关的平衡方程如：物质平衡方程；能量平衡方程；动量平衡方程等基本规律的运动方程，物性参数方程和某些设备的特性

53、方程，从中获得所需的数学模型条件：充分掌握生产过程的机理，可以用数学进行确切的描述条件：充分掌握生产过程的机理，可以用数学进行确切的描述随着计算机的使用，只要机理清楚，可以用计算机求解几乎任何复杂系统的数学模型，而且根据对模型的要求，合理的近似假定必不可少要求：模型应该尽量简单，同时保证达到合理的精度，有时还需要考虑实时性的问要求：模型应该尽量简单，同时保证达到合理的精度，有时还需要考虑实时性的问题题第53页/共73页第五十四页，共74页。55双容水槽双容水槽双容水槽双容水槽有两个串联在一起的水槽,它们之间的连通管具有阻力,因此两者的水位(shuwi)是不同的.两个水槽的物料(w lio)平衡

54、方程为:1111()(1)idHQQdtF水槽211()(2)odHQQdtF水槽2其中(qzhng)112122()/3/ioQkQHHRQH R（）第54页/共73页第五十五页，共74页。56将(3)代入(1)可得111121dHF RHHk Rdt令111FRT则11121dHTHHk Rdt将(3)代入(2)可得22210dHTHrHdt其中(qzhng)(4)(5)将(5)式对t微分(wi fn)可得：2221220d HdHdHTrdtdtdt122221212,RRRTFrRRRR第55页/共73页第五十六页，共74页。57则有212222dHd HdHrTdtdtdt(6)r*

55、(4)+(5)得2122121dHdHTHTrrHrk Rdtdt代入(6)2221 212212()(1)d HdHTTTTr Hrk Rdtdt传递函数为1221 212( )( )( )()(1)rk RHsG sU sTT sTT sr第56页/共73页第五十七页，共74页。58双容水槽的水位H2运动方程(fngchng)是一个二阶微分方程(fngchng)，它是被控对象中含有两个串联容积的反映图中t0t1是由于多加了一个储蓄(chx)容积而使阶跃响应向后推迟的时间，称为容积迟延如果系统中串联的容积越多和越大，则容积迟延也越大，这往往是有些工业过程难以控制的原因双容水槽的阶跃响应(xi

56、ngyng)第57页/共73页第五十八页，共74页。592) 测试法建模测试法建模根据工业过程输入和输出的实测数据进行某种数学根据工业过程输入和输出的实测数据进行某种数学(shxu)处理后得到的模型处理后得到的模型适用范围：只用于建立适用范围：只用于建立(jinl)输入输出模型输入输出模型特点(tdin)：把工业过程视为一个黑匣子，完全从外特性上测试和描述它的动态特性，不需深入了解内部机理实验过程：实验过程： 激励激励过程的动态特性只有当它处于变动状态下才会表现出来过程的动态特性只有当它处于变动状态下才会表现出来在稳态下是表现不出来的因此为了获得动态特性，必须使被研究的过程处于被激励状态,如施

57、加一个阶跃或脉冲扰动为了有效地进行动态特性测试，还是有必要对过程的内部机理有明确的定性了解，为了有效地进行动态特性测试，还是有必要对过程的内部机理有明确的定性了解，如哪些主要因素在起作用如哪些主要因素在起作用第58页/共73页第五十九页，共74页。60阶跃响应阶跃响应(xingyng)的获的获取取原理(yunl)：给已经处于平衡状态下的过程一个突变的扰动信号，比如增大输 入量，系统在此情况下由于自身的调节作用，过渡到另一个稳态注意事项注意事项: 不能使正常生产受到严重干扰不能使正常生产受到严重干扰; 尽量减小其他随机扰动尽量减小其他随机扰动(rodng)的影响的影响; 应考虑系统中的非线性因素

58、应考虑系统中的非线性因素.为了得到可靠的测试结果为了得到可靠的测试结果,应注意下列事应注意下列事项：项：) 阶跃扰动信号的幅度应合理阶跃扰动信号的幅度应合理.幅度过小不能保证测试结果的可靠性(随机干扰严重),过大则会干扰正常生产，危及生产安全，通常，扰动量取为额定值的810%) 实验开始前确保被控对象处于某一稳定工况,实验期间应设法避免发避免发 生偶然性的其他扰动生偶然性的其他扰动) 考虑到实际被控对象的非线性,应选取不同的负荷,在被调量的不同设 定值下，进行多次测试进行多次测试同一负荷和被调量的同一设定值下,也要在正 向和反向扰动下多次重复测试，以求全面掌握对象的动态特性.第59页/共73页

59、第六十页，共74页。61为了为了(wi le)能够施加比较大的扰动幅度而又不至于严重干扰正常生产能够施加比较大的扰动幅度而又不至于严重干扰正常生产,可以用矩形脉冲输入代替正常的阶跃输入可以用矩形脉冲输入代替正常的阶跃输入,即大幅度的阶跃扰动施加一小段即大幅度的阶跃扰动施加一小段时间后立即消除时间后立即消除图中矩形脉冲输入u(t)可视为两个阶跃扰动u1(t)u2(t)的叠加，它们的幅度相等但方向相反并且开始的时间(shjin)不同12( )( )( )u tu tu t其中(qzhng)21( )()u tu tt 假定对象无明显非线性，则矩形脉冲响应就是两个阶跃响应之和，即1211()()()()()yty ty ty ty tt第60页/共73页第六十一页，共74页。62 数据测试数据测试测试量：测试特定响应下输出量随时间(shjin)变化的一系列点 拟合拟合(n h)步骤(bzhu)：(选定传递函数形式确定参数) 选型选型在拟合时,首先要选定模型的结构.典型的工业过程的传递函数可以选取多种形式,如：a) 一阶惯性环节加纯迟延一阶惯性环节加纯迟延b) 二阶或二阶或n阶惯性环节加纯迟延阶惯性环节加纯迟延( )(1)1sK eG sTs12( )