第9章-过程控制系统

第九章过程控制系统一、组成与分类手动控制自动控制液位控制系统控制系统的组成对象：检测元件及变送器：控制器：执行器：液位控制系统的组成与方块图控制系统方框图被控变量：给定值（设定值）：测量值：操纵变量（控制变量）：干扰：偏差信号：控制信号：闭环系统：开环系统：反馈：调节器执行器过程测量变送x(t)e(t)u(t)q(t)y(t)z(t)过热蒸汽温度控制系统TCTT减温器温度测量冷水调节器执行器过程测量变送x(t)e(t)u(t)q(t)y(t)z(t)＋－液位控制器储罐HTHC差压变送器液位调节器执行器调节器执行器过程测量变送x(t)e(t)u(t)q(t)y(t)z(t)＋－干扰烤炉温度控制示意图调节器执行器过程测量变送x(t)e(t)u(t)q(t)y(t)z(t)＋－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。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仪表。信号标准：0.2-1.0kgf/cm2。第二阶段（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。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。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。系统的动态：被控量随时间而变化的不平衡状态。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发散振荡等幅振荡衰减振荡单调振荡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

Φ：经过一个周期后，波动幅度衰减的百分比。 y2 y1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：系统过渡过程终了时给定值与被控参数稳定值之差。最大偏差给定值余差稳定时间ts：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tp：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。给定值tpts余差2%或5%对控制系统的性能要求：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。过程2过程1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。过程2过程1快：动态过程进行的时间长短，过程时间持续很长，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。过程2过程1四、过程特性对象特性的类型：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。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。Q2Q1h1h2液位控制的阶跃响应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。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。描述对象特性的参数：放大系数K：在两个稳定状态下，输出量的变化值与输入量的变化值之比。时间常数Tc：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τ：当输入量变化时，被控量要滞后一定的时间才开始变化。五、被控过程的数学模型静态数学模型：动态数学模型：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。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、试验数据过程的信息能通过对对象的试验与测量而获得。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。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。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，要求对该过程机理明确。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。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。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。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，现代辨识法可以消除测试数据中的偶然性误差即噪声的影响，需要处理大量的测