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1、绪论,工业生产过程概述 工业控制系统由过程监测、边松和控制仪表、执行装置等组成 被控对象具有非线性、时变、时滞及不确定等特点； 多属于慢过程，控制过不需要在极短时间内完成 控制方案具有多样性。同一被控对象，应受到的主要扰动不同，须采用不同控制方案；儿童已控制方案可适用于不同的生产过程。 控制系统分为：定值控制和随动控制。常采用定值控制 实施手段具有多样性,绪论,工业生产过程控制的任务与研究对象 任务：对过程控制系统进行分析、设计和应用。 对生产过程中已有的控制方案进行分析，总结各种方案的特点； 在确定出工艺流程和控制指标的基础上，设计出满足工艺控制要求的控制方案 通过安装、调试厚实的控制系统正
2、常运行，并发挥其功能；,绪论,工业生产 过程装置,工业生产过程工艺分析,工业生产过程控制,自动化仪表和计算机控制,自动控制理论,分析,设计,应用,工业生产过程控制学科结构图,绪论,工业生产过程装置,检测变送,控制装置,监控系统,工业生产过程控制系统结构图,执行器,第一章 简单控制系统,第一节、控制系统组成和控制性能指标 一、控制系统的组成 1简单控制系统示例 2控制系统的框图 3控制系统的有关术语 4控制系统框图的几点说明 二、控制系统的控制性能指标 1.时域控制性能指标 2.积分性能指标 3.控制系统正常运行的重要准则,第一节 控制系统的组成 一、控制系统的组成 当系统受到外界扰动的影响时,
3、为使被控变量（液位）与设定值保持一致 检测被控变量并与设定值比较得到偏差 按一定控制规律对偏差运算 输出信号驱动操纵变量（流量） 最终使被控变量回复到设定值 变送器检测液位 控制器对偏差运算 执行器改变操纵变量,第一章 简单控制系统,液位控制系统的示例,当系统受到外界扰动的影响时 为使被控变量（压力）与设定值保持一致 检测被控变量，并与设定值比较得到偏差 按一定控制规律对偏差运算 输出信号驱动操纵变量（流量） 最终使被控变量回复到设定值 变送器检测压力 控制器对偏差运算 执行器改变操纵变量,压力控制系统的示例,第一章 简单控制系统,当系统受到外界扰动的影响时,为使被控变量（温度）与设定值保持一
4、致,检测被控变量，并与设定值比较得到偏差 按一定控制规律对偏差运算 输出信号驱动操纵变量（流量） 最终使被控变量回复到设定值 变送器检测温度 控制器对偏差运算 执行器改变操纵变量,温度控制系统的示例,第一章 简单控制系统,一、 控制系统的组成,控制系统的有关术语 被控对象：被控制的设备或装置 被控变量:需要对其进行控制的工艺变量 操纵变量:受执行机构操纵用于克服扰动影响的变量 扰动：应向被控变量的各种扰动作用 检测变送:把被控变量检测出并转换成标准信号,送控制器 执行器：接受控制器输出信号，控制操纵变量的设备,第一章 简单控制系统,控制系统框图的几点说明 框图中的各个信号是增量。 信号流向用箭
5、头，不是物流和能流方向 各环节增益的正负根据稳态条件下输出增量与输入增量之比确定 该缓解输入增加时，输出增加，增益为正，输出减少，增益为负 常用执行器、被控对象和检测变送环节组成广义对象 Go(s)表示该环节增益除以该物理基准值表示为无量纲描述控制器输入和输出采用标准信号时 广义对象增益是无量纲的,第一章 简单控制系统,控制系统框图的几点说明 控制通道：操纵变量到被控变量的通道 扰动通道：扰动变量到被控变量的通道 扰动影响被控变量或设定变化时，通过控制通道的调节 改变操纵变量，克服扰动对被控变量的影响或跟随设定变化 定值控制系统：设定值固定的控制系统 随动控制系统：被控变量跟随设定值变化的控制
6、系统 采样控制系统：包含采样开关的控制系统，如计算机控制系统常将检测变送环节表示为1，检测变送与被控对象合并考虑尽可能选择直接被控变量，少用间接被控变量,第一章 简单控制系统,二、控制系统的控制性能指标 时域控制性能指标 稳定性：控制系统闭环极点位于s左半平面 准确性：控制系统被控变量与设定（参比变量）之间的偏差小 快速性：控制系统存在偏差的时间尽量短 偏离度：控制系统被控变量偏离设定（参比变量）的离散程度小 衰减比：系统稳定性指标 超调量和最大动态偏差：系统稳定性指标 余差：系统准确性指标 回复时间和震荡频率：系统快速性质指标 偏离度：系统综合性指标,第一章 简单控制系统,综合性控制指标（积
7、分鉴定指标） 常用积分鉴定指标的形势是： 平方误差积分准则是ISE : 绝对误差积分准则是IAE : 时间乘绝对误差积分准则ITAE 对存在于差的系统，采用e(t)-e()=-C(t)-C()作为误差项代入 采用不同积分指标，所获得的过渡过程的性能要求也不同 例如，ISE最小的系统着重于抑制过度过程中的大误差，但衰减比很大,ITAE最小的系统着重于惩罚过渡过程时间过长，但过渡过程震荡激烈 误差积分指标不能都保证控制系统具有合适的衰减比,第一章 简单控制系统,控制系统运行的重要准则 1负反馈准则 控制系统成为负反馈的条件是该控制系统各开环增益之积为正 即：K开=KCKVKPKM0 2.稳定运行准
8、则 控制系统静态运行条件是扰动或设定条件变化时，控制系统各环节增益之积的模恒定 即：K开=KCKVKPKM =常数 控制系统动态运行条件是扰动或设定条件变化时，控制系统总开环传递增益的模恒定 即：|Gc(s)Gv(s)Gp(s)Gm(s)|=常数,第一章 简单控制系统,第二节 过程动态特性和建立过程的动态模型 一、过程动态特性 1典型过程动态特性 自衡的非振荡过程 无自衡的非振荡过程 自衡的振荡过程 具有反向特性的过程 2过程特性对控制性能指标的影响 增益的影响 时间常数的影响 时滞的影响 扰动进入系统位置的影响 时间常数匹配的影响 被控变量和操纵变量的选择,第一章 简单控制系统,二、过程动态
9、模型的建立 1、对过程模型的要求 2、过程模型建立的方法 系统辨识方法 机理建模方法 混合方法,第一章 简单控制系统,K：过程增益或放大系数 T：过程时间常数 ：过程时滞,第二节 过程特性及动态模型建立 一、过程特性类型 典型过程动态特性 多数工业过程的特性分属下列四种类型：（各系数均为正） （1）自衡的非振荡过程：最常见的过程特性 传递函数形式：,第一章 简单控制系统,：输出新稳态值 ：原稳态值,切线法：响应曲线拐点做切线，从图中求出时间常数T和时滞,1-2 过程特性与动态模型的建立,第一章 简单控制系统,两点法：,1-2 过程特性与动态模型的建立,1-2 过程特性与动态模型的建立,(2)无
10、自衡的非振荡过程： 传递函数形式：,1-2 过程特性与动态模型的建立,(3) 自衡的振荡过程： 传递函数形式：,参数确定：,1-2 过程特性与动态模型的建立,可用一阶时滞环节近似,测量变送 1检测元件和变送器的作用： 把工艺生产过程的变量（流量、压力、温度、液位和成分等） 经检测、变送单元转换成标准的电或气信号 变送其输出时被控变量的测量值，它被送到显示和控制装置，用于显示和控制 检测元件和变送器的输入输出关系表示 y(t)=f(c(t),t),第一章 简单控制系统,2对检测变送单元的基本要求 正确：正确反映被控变量，误差小 迅速：及时反映被控变量的变化 可靠：长期稳定运行 3选用时的基本考虑
11、： 在环境工况条件下应能长期稳定运行 仪表精度和量程的选择 选用仪表的精度要合适：应符合工艺检测要求 仪表测量误差：仪表本身误差、环境工况引入的误差和动态误差 量程选择：量程的改变会引起最大读数误差变化和增益的变化,第一章 简单控制系统,二、动态特性 对Tm的考虑： 作为广义对象的组成部分，应与Tp、Tv一起考虑时间常数的匹配 一般情况下，与Tp比较，Tm不大，因此，它的影响也不大 减少Tm的途径： 选用快速影响的检测元件 缩短气动管线的长度和减少管径 正确使用微分单元 选用继动器或放大器等 对m的考虑：m=I/w 与Tm一起考虑，应使m/T 通常在温度、成分分析等被控过程中要考 减小m的途径
12、： 减小检出点到变送器间距离I 加大信号传递速度w,第一章 简单控制系统,信号处理 一、滤波及信号处理的目的： 1、由于存在随机噪声，引起检测信号波动 2、计算机控制时，由于信号是采样输入，因此，引入噪声二、滤波的方法： 1、模拟滤波：RC电路、气阻气容等组成滤波线路 2、数字滤波：数字低通、高通、带通滤波等程序 三、数字滤波的算法： 1、高通滤波：用于滤去低频噪声和零漂 2、低通滤波：用于滤去高频噪声 3、移动平均滤波：对一段时间内的输入数据加权平均 3、程序判别滤波：用于剔除跳变信号 四、信号处理：线性化；求积和平方；复合运算；信号转换；数字变换,数字滤波算法 高通滤波算法： 算法1 算法
13、2 低通滤波算法： 算法,第一章 简单控制系统,移动平均滤波算法： m的选择：流量=11；压力m=3;温度m=1; C1的选择： 程序判别滤波算法： 算法： B是规定的阈值,第一章 简单控制系统,一、执行器概述 1、执行器的类型 2、执行机构的分析 3、调节机构的分析 二、流量特性 1、线性流量特性 2、等百分比流量特性 3、抛物线流量特性 4、快开流量特性 三、控制法特型的选择 1、从静态考虑选择控制阀的工作特性 2、从动态考虑选择控制阀的工作特性 3、从控制阀的工作特性选择控制阀的理想特性 4、控制阀气开、气关形式的选择 5、压降比S的考虑,第一章 简单控制系统,执行机构分为： 气动 电动
14、 液动,通常应使调节结构的开度再15%-85%；控制阀的基本公式：,Q：流过控制阀的流体流量 Pv：阀两端的压差 ：流体密度 Cv：比例系数，即流通能力,执行结构类型 执行器由执行机构和调节机构两部分组成 执行机构可分解为两部分 控制器输出信号转化为控制阀的推力或力矩的部件称为力或力矩转换部件 推力或力矩转换为直线或角位移的部件称为转换部件 调节机构将位移信号转换为流通面积的变化，改变操纵变量的数值,第一章 简单控制系统,2执行机构的分析 气动薄膜执行机构的分析： F:执行机构输出力，向下为正，向上为负， NAe:膜片有效面积，cm2 P:操作压力，kPa Pi:弹簧初始压力，kPa Pr:弹
15、簧范围，kPa; 增益的考虑： 增大增益方法：加大操作压力，增大有效面积，减小弹簧初始力等 时间常数的考虑 减小时间常数方法：增大管径，缩短管线长度等 死区：执行其输入变化不能使流过执行器的流量发生变化时，执行其输入的变化范围 当控制器输出反向时，摩擦力与原合力方向相反，造成回差 由于回差，阀杆不能及时响应控制器的输出，使控制不及时 增益变化时，造成偏离度增大，使控制系统不稳定,第一章 简单控制系统,3.调节结构的分析 控制阀的气开和气关 执行机构：正作用执行机构：控制器输出增加，阀杆下移 反作用执行机构：控制器输出增加，阀杆上移 调节机构：正体阀：阀杆下移时，流量减少 反体阀：阀杆下移时，流
16、量增加,气指输入到执行机构的信号 气开表示输入到执行机构的信号增加时，流过执行器的流量增加 气关表示输入到执行机构的信号增加时，流过执行器的流量减少,第一章 简单控制系统,流量特性：流过控制阀的流量Q和阀杆行程L之间的函数关系,Qmax和Lmax分别阀全开最大流量和最大行程,控制阀流量特性：理想流量特性和工作流量特性 理想流量特性：控制阀两端压降恒定时流量 工作流量特性：工作状况（压降变化）控制阀流量特性 国内常用理想流量特性有分线性、等百分比、抛物线和快开等几种,第一章 简单控制系统,Final element-valve（流量特性）,控制阀流量特性 线性特性： 移项后，得dq=kdl，两边积分，得： 代入边界条件： L=0时,Q=Qmin=Qmax/R L=Lmax时,Q=Qmax 得到：Co=1/R k=1-1/R 线性流量特性： 放大系数： 放大系数是常数，不随Q的变化而变化 R称为可调比，国产
