热工过程自动控制课件

热工过程自动控制热工过程自动控制1控制单元

测量单元执行单元被控对象给定值扰动被控量测量单元自动控制中三个基本组成部分系统的组成自动控制装置：变送器、控制器、执行器控制单元测量单元执行单元被控对象给定值扰动被控量测量单元自2

1、被控量表征生产过程是否正常运行并需要加以控制的物理量。

2、给定值希望被控量应该具有的数值。3、控制对象被控制的生产过程或设备。

常用术语常用术语34、控制机构可改变进入控制对象的物质或能量的装置（阀门、挡板）5、控制量由控制机构改变的流量或能量，用来控制被控量的变化6、扰动引起被控量偏离给定值的各种因素常用术语4、控制机构可改变进入控制对象的物质常用4控制器

执行器被控对象被控量变送器给定值按结构分类1.反馈控制系统

（闭环）

控制器执行器被控对象被控量变送器给定值按结构分类52.前馈控制系统（开环）前馈控制

变送器执行器被控对象被控量扰动按结构分类2.前馈控制系统（开环）前馈控制变送器执行器被控对象被控量6

反馈控制1）按偏差调节，可以克服各种扰动；2）闭环系统需要进行稳定性分析；3）控制作用落后于扰动，不及时。

前馈控制1）按扰动调节，只能克服某种扰动；2）无需进行稳定性分析；3）控制作用及时。特点比较反馈控制73.前馈-反馈控制系统(复合）反馈调节器执行器控制通道变送器c0e(t)c(t)前馈调节器扰动通道r

(t)按结构分类3.前馈-反馈控制系统(复合）反馈调节器执行器控制通道81.3控制系统的性能指标控制系统的调节品质可用系统在受到单位阶跃输入作用后，被调量在控制过程中的变化曲线来分析。

单位阶跃函数1.3控制系统的性能指标控制系统的调节品质可用系统在受到9阶跃响应函数：在输入为阶跃函数时，系统的输出随时间变化的过程。(a)发散振荡(b)等幅振荡阶跃响应函数：在输入为阶跃函数时，系统(a)发散振10

(c)衰减振荡(d)单调过程阶跃响应函数：在输入为阶跃函数时，系统的输出随时间变化的过程。(c)衰减振荡(d)单调过11一、控制过程的基本形式(a)发散振荡(b)等幅振荡(c)衰减振荡(d)单调过程

稳定的调节过程一、控制过程的基本形式(a)发散振荡(b)12二、性能指标1.静态偏差2.最大动态偏差

3.衰减率4.控制过程时间二、性能指标1.静态偏差2.最大动态偏差131、静态偏差:指被调量的稳态值与给定值间的偏差

e(∞)=y(∞)2.最大动态偏差:指调节过程中被调量的最大暂时

偏差ym=y1+y(∞)超调量1、静态偏差:指被调量的稳态值与给定值间的偏差超调量143.衰减率衰减比n=y1

/y3衰减比是衡量振荡过程衰减程度的指标，等于2个相邻同向波峰值之比。衰减率指每经过1个周期以后，波动幅度衰减的百分数。3.衰减率衰减比n=y1/y3衰减比是衡量振荡154.控制过程时间

tsΔ=5%|y(∞)|Δ=2%|y(∞)|在稳态值附近设定误差带2%或5%稳定值，当被控量进入稳态值范围内，就认为过渡过程结束。所需时间称控制过程时间。4.控制过程时间tsΔ=5%|y(∞)16特征参数

（1）

放大系数（2）

自平衡率

（3）

时间常数

（4）

响应速度

有自衡单容特征参数（1）

放大系数（2）

17（1）

放大系数c(∞)有自衡单容

放大系数在数值上放大系数等于对象的输出稳态值与输入稳态值之比（1）

放大系数c(∞)有自衡单容放18c(∞)（2）

自平衡率

被控量每化一个单位所能克服的扰动量,ρ=0时表示没有自平衡能力，ρ越大表示自平衡能力越强。有自衡单容c(∞)（2）

自平衡率有自衡单容19c(∞)（3）

时间常数

T0.632c(∞)有自衡单容当对象受到阶跃输人后，输出(被调量)达到新的稳态值的63.2%所需的时间就是时间常数T

c(∞)（3）

时间常数T0.632c(∞)有自20c(∞)（4）

响应速度

（飞升速度）

θ有自衡单容是指在单位阶越扰动作用下，被调量的最大变化速度

c(∞)（4）

响应速度（飞升速度）θ有自衡21特征参数

响应速度

2、动态特性无自衡单容特征参数响应速度2、动态特性无22△μtc0θ无自衡单容△μtc0θ无自衡单容23主要内容PID控制概述

第三章控制器的动态特性§1§2§3比例控制积分控制微分控制控制规律的实现方法§4§5主要内容PID控制概述第三章控制器的动态24一、基本控制作用二、控制器比例控制P积分控制I

微分控制D第三章§1PID控制概述PPIPDPID一、基本控制作用二、控制器比例控制P积分控制I25传递函数比例控制比例带比例增益阶跃响应曲线控制过程结束后，被控量不可能与给定值相等，之间有残差传递函数比例控制比例带比例增益阶跃响应曲线控制过程结束26比例控制无迟延、无惯性存在静态偏差优点：缺点：比例控制特点：比例控制是有差控制比例控制无迟延、无惯性存在静态偏差优点：缺点：比例27比例控制比例控制是有差控制比例控制比例控制是有差控制28比例控制比例带越大，控制系统越稳定δ=0.5δ=0.625δ=1δ=10比例控制比例带越大，控制系统越稳定δ=0.5δ=0.629比例控制δ=1δ=10δ=2δ=5比例带越大，静态偏差越大比例控制δ=1δ=10δ=2δ=5比例带越大，静态偏差30比例带越大，控制系统越稳定，比例带有一个临界值，由试验确定比例带越大，控制系统越稳定，比例带有一个临界值，由试验确定31第三章一、积分控制作用二、积分控制的特点三、积分时间对控制过程的影响§3积分（I）控制四、比例积分控制器第三章一、积分控制作用二、积分控制的特点三、积分时间32传递函数积分控制积分时间积分增益阶跃响应曲线TiΔe积分控制：是指控制器输出的控制信号与其偏差输入信号随时间的积累值成比例。传递函数积分控制积分时间积分增益阶跃响应曲线TiΔe积33积分控制能消除静态偏差易引起振荡优点：缺点：积分控制特点：积分控制是无差控制积分控制能消除静态偏差易引起振荡优点：缺点：积分控34积分控制积分时间太小时，积分作用过强，系统越不稳定积分时间太大时，最大偏差将很大.但振荡频率将减小Ti=20Ti=50Ti=200积分时间不宜过大或过小，兼顾最大动态偏差和振荡频率.选取合适的积分时间积分控制积分时间太小时，积分作用过强，系统越不稳定积分35PI比例积分控制PI比例积分控制36PI传递函数PI控制阶跃响应曲线由比例P和积分I2部分组成PI传递函数PI控制阶跃响应曲线由比例P和积分I2部37PI传递函数PI控制阶跃响应曲线由比例P和积分I2部分组成PI传递函数PI控制阶跃响应曲线由比例P和积分I2部38可调参数Ti和δδ同时影响P和I作用，Ti越小，积分作用越强PI控制特点：PI控制引入积分动作带来消除系统静态偏差好处的同时，却降低原来系统的稳定性，为保持控制系统原来的衰减率，控制比例带必须适当加大。PI控制在稍微牺牲控制系统的动态品质以换取较好的稳定性。可调参数Ti和δPI控制特点：PI控制引入积分动作带来消39第三章一、微分控制作用二、比例微分控制三、比例积分微分控制§4微分（D）控制第三章一、微分控制作用二、比例微分控制三、比例积分微40传递函数微分控制微分时间微分控制：是指控制器的输出与被控量或其偏差对时间的导数成正比。控制效果：赋予控制器以某种成度的预见性。传递函数微分控制微分时间微分控制：是指控制器的输出与被41传递函数微分控制阶跃响应曲线微分时间传递函数微分控制阶跃响应曲线微分时间42超前调节、减少动态偏差不适应负荷变化优点：缺点：微分控制微分控制只起辅助的控制作用，与其他控制PD、PID动作结合。微分D控制特点：超前调节、减少动态偏差不适应负荷变化优点：缺点：微分43PD比例微分控制PD比例微分控制44PD传递函数PD控制阶跃响应曲线由比例P和微分D二部分组成。PD与P控制相同，也是有差控制PD传递函数PD控制阶跃响应曲线由比例P和微分D45PD控制引入微分动作后，可以采用较小比例带，结果减少动态偏差，同时减少短期最大偏差和提高振荡频率。PD控制引入微分动作后，可以采用较小比例带，结果减少动态46引入微分动作后，也有不利之处：微分太强容易导致调节阀开度向两端饱和，PD控制以比例动作为主，微分动作辅助。PD控制抗干扰能力差，一般不用于流量和液位控制系统微分控制对于纯迟延过程无效微分动作适度，TD超出上限，系统变得不稳定。引入微分动作后，也有不利之处：47PID比例积分微分控制PID比例积分微分控制48PID传递函数PID控制阶跃响应曲线由比例P、积分I和微分D三部分组成。PID传递函数PID控制阶跃响应曲线由比例P、积分49比例积分微分（PID）比例积分微分（PID）501、放大系数K

对控制质量的影响2、时间常数T和阶次

n对控制质量的影响3、迟延时间τ对控制质量的影响控制通道

τ/Tμ越大，控制质量越差时间常数Tμ越大，阶次n越高，控制作用越迟缓放大系数KcKμ越大，系统的静态偏差越小1、放大系数K对控制质量的影响2、时间常数T和阶次n51δ越大，系统越稳定但动态偏差、静态偏差增大比例带对P控制过程的影响采用控制器Pδ越大，系统越稳定比例带对P控制过程的影响采用52I作用越强系统越不稳定

采用控制器PI比例与积分作用比较I作用越强系统越不稳定采用控制53采用控制器PI积分时间Ti对控制过程的影响采用控制器PI积分时间Ti对控制过程的影响54PI控制系统可消除静态偏差但降低了稳定性采用控制器PIPI控制系统可消除静态偏差但降低了稳定性采用控制55采用控制器PITi越大，系统越稳定,但动态偏差增大采用控制器PITi越大，系统越稳定,但动态56D作用能显著减小动态偏差

采用控制器PDyμ比例与微分作用比较超前调节D作用能显著减小动态偏差采用控制器PDyμ57热工过程自动控制热工过程自动控制58控制单元

测量单元执行单元被控对象给定值扰动被控量测量单元自动控制中三个基本组成部分系统的组成自动控制装置：变送器、控制器、执行器控制单元测量单元执行单元被控对象给定值扰动被控量测量单元自59

1、被控量表征生产过程是否正常运行并需要加以控制的物理量。

2、给定值希望被控量应该具有的数值。3、控制对象被控制的生产过程或设备。

常用术语常用术语604、控制机构可改变进入控制对象的物质或能量的装置（阀门、挡板）5、控制量由控制机构改变的流量或能量，用来控制被控量的变化6、扰动引起被控量偏离给定值的各种因素常用术语4、控制机构可改变进入控制对象的物质常用61控制器

执行器被控对象被控量变送器给定值按结构分类1.反馈控制系统

（闭环）

控制器执行器被控对象被控量变送器给定值按结构分类622.前馈控制系统（开环）前馈控制

变送器执行器被控对象被控量扰动按结构分类2.前馈控制系统（开环）前馈控制变送器执行器被控对象被控量63

反馈控制1）按偏差调节，可以克服各种扰动；2）闭环系统需要进行稳定性分析；3）控制作用落后于扰动，不及时。

前馈控制1）按扰动调节，只能克服某种扰动；2）无需进行稳定性分析；3）控制作用及时。特点比较反馈控制643.前馈-反馈控制系统(复合）反馈调节器执行器控制通道变送器c0e(t)c(t)前馈调节器扰动通道r

(t)按结构分类3.前馈-反馈控制系统(复合）反馈调节器执行器控制通道651.3控制系统的性能指标控制系统的调节品质可用系统在受到单位阶跃输入作用后，被调量在控制过程中的变化曲线来分析。

单位阶跃函数1.3控制系统的性能指标控制系统的调节品质可用系统在受到66阶跃响应函数：在输入为阶跃函数时，系统的输出随时间变化的过程。(a)发散振荡(b)等幅振荡阶跃响应函数：在输入为阶跃函数时，系统(a)发散振67

(c)衰减振荡(d)单调过程阶跃响应函数：在输入为阶跃函数时，系统的输出随时间变化的过程。(c)衰减振荡(d)单调过68一、控制过程的基本形式(a)发散振荡(b)等幅振荡(c)衰减振荡(d)单调过程

稳定的调节过程一、控制过程的基本形式(a)发散振荡(b)69二、性能指标1.静态偏差2.最大动态偏差

3.衰减率4.控制过程时间二、性能指标1.静态偏差2.最大动态偏差701、静态偏差:指被调量的稳态值与给定值间的偏差

e(∞)=y(∞)2.最大动态偏差:指调节过程中被调量的最大暂时

偏差ym=y1+y(∞)超调量1、静态偏差:指被调量的稳态值与给定值间的偏差超调量713.衰减率衰减比n=y1

/y3衰减比是衡量振荡过程衰减程度的指标，等于2个相邻同向波峰值之比。衰减率指每经过1个周期以后，波动幅度衰减的百分数。3.衰减率衰减比n=y1/y3衰减比是衡量振荡724.控制过程时间

tsΔ=5%|y(∞)|Δ=2%|y(∞)|在稳态值附近设定误差带2%或5%稳定值，当被控量进入稳态值范围内，就认为过渡过程结束。所需时间称控制过程时间。4.控制过程时间tsΔ=5%|y(∞)73特征参数

（1）

放大系数（2）

自平衡率

（3）

时间常数

（4）

响应速度

有自衡单容特征参数（1）

放大系数（2）

74（1）

放大系数c(∞)有自衡单容

放大系数在数值上放大系数等于对象的输出稳态值与输入稳态值之比（1）

放大系数c(∞)有自衡单容放75c(∞)（2）

自平衡率

被控量每化一个单位所能克服的扰动量,ρ=0时表示没有自平衡能力，ρ越大表示自平衡能力越强。有自衡单容c(∞)（2）

自平衡率有自衡单容76c(∞)（3）

时间常数

T0.632c(∞)有自衡单容当对象受到阶跃输人后，输出(被调量)达到新的稳态值的63.2%所需的时间就是时间常数T

c(∞)（3）

时间常数T0.632c(∞)有自77c(∞)（4）

响应速度

（飞升速度）

θ有自衡单容是指在单位阶越扰动作用下，被调量的最大变化速度

c(∞)（4）

响应速度（飞升速度）θ有自衡78特征参数

响应速度

2、动态特性无自衡单容特征参数响应速度2、动态特性无79△μtc0θ无自衡单容△μtc0θ无自衡单容80主要内容PID控制概述

第三章控制器的动态特性§1§2§3比例控制积分控制微分控制控制规律的实现方法§4§5主要内容PID控制概述第三章控制器的动态81一、基本控制作用二、控制器比例控制P积分控制I

微分控制D第三章§1PID控制概述PPIPDPID一、基本控制作用二、控制器比例控制P积分控制I82传递函数比例控制比例带比例增益阶跃响应曲线控制过程结束后，被控量不可能与给定值相等，之间有残差传递函数比例控制比例带比例增益阶跃响应曲线控制过程结束83比例控制无迟延、无惯性存在静态偏差优点：缺点：比例控制特点：比例控制是有差控制比例控制无迟延、无惯性存在静态偏差优点：缺点：比例84比例控制比例控制是有差控制比例控制比例控制是有差控制85比例控制比例带越大，控制系统越稳定δ=0.5δ=0.625δ=1δ=10比例控制比例带越大，控制系统越稳定δ=0.5δ=0.686比例控制δ=1δ=10δ=2δ=5比例带越大，静态偏差越大比例控制δ=1δ=10δ=2δ=5比例带越大，静态偏差87比例带越大，控制系统越稳定，比例带有一个临界值，由试验确定比例带越大，控制系统越稳定，比例带有一个临界值，由试验确定88第三章一、积分控制作用二、积分控制的特点三、积分时间对控制过程的影响§3积分（I）控制四、比例积分控制器第三章一、积分控制作用二、积分控制的特点三、积分时间89传递函数积分控制积分时间积分增益阶跃响应曲线TiΔe积分控制：是指控制器输出的控制信号与其偏差输入信号随时间的积累值成比例。传递函数积分控制积分时间积分增益阶跃响应曲线TiΔe积90积分控制能消除静态偏差易引起振荡优点：缺点：积分控制特点：积分控制是无差控制积分控制能消除静态偏差易引起振荡优点：缺点：积分控91积分控制积分时间太小时，积分作用过强，系统越不稳定积分时间太大时，最大偏差将很大.但振荡频率将减小Ti=20Ti=50Ti=200积分时间不宜过大或过小，兼顾最大动态偏差和振荡频率.选取合适的积分时间积分控制积分时间太小时，积分作用过强，系统越不稳定积分92PI比例积分控制PI比例积分控制93PI传递函数PI控制阶跃响应曲线由比例P和积分I2部分组成PI传递函数PI控制阶跃响应曲线由比例P和积分I2部94PI传递函数PI控制阶跃响应曲线由比例P和积分I2部分组成PI传递函数PI控制阶跃响应曲线由比例P和积分I2部95可调参数Ti和δδ同时影响P和I作用，Ti越小，积分作用越强PI控制特点：PI控制引入积分动作带来消除系统静态偏差好处的同时，却降低原来系统的稳定性，为保持控制系统原来的衰减率，控制比例带必须适当加大。PI控制在稍微牺牲控制系统的动态品质以换取较好的稳定性。可调参数Ti和δPI控制特点：PI控制引入积分动作带来消96第三章一、微分控制作用二、比例微分控制三、比例积分微分控制§4微分（D）控制第三章一、微分控制作用二、比例微分控制三、比例积分微97传递函数微分控制微分时间微分控制：是指控制器的输出与被控量或其偏差对时间的导数成正比。控制效果：赋予控制器以某种成度的预见性。传递函数微分控制微分时间微分控制：是指控制器的输出与被98传递函数微分控制阶跃响应曲线微分时间传递函数微分控制阶跃响应曲线微分时间99超前调节、减少动态偏差不适应负荷变化优点：缺点：微分控制微分控制只起辅助的控制作用，与其他控制PD、PID动作结合。微分D控制特点：超前调节、减少动态偏差不适应负荷变化优点：缺点：微分