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1、控制工程概论,- 简单控制系统,回顾,2.8 过程动态特性和动态建模,建立数学模型的途径,机理模型(白箱)、经验模型(黑箱)、机理和经验(灰箱),动态特性对控制性能指标的影响,过程的动态特性分析,阶跃输入条件下，过程响应的特性；,动态过程的分类,自衡非振荡，无自衡非振荡，衰减振荡，反向特性；,增益，时间常数，时滞，扰动，操纵变量，被控变量,第二章 简单控制系统,2.9 检测变送环节,检测变送环节的性能,将工业过程的参数（流量、压力、温度、物位、成分等）经检测、变送单元转换为标准信号。,2.9 检测变送环节,检测变送环节的性能,检测元件和变送器的类型繁多，现场总线仪表的出现使检测变送器呈现模拟和
2、数字并存的状态。但它们都可以用时滞的一阶环节近似，其传递函数为，,Km，Tm和m分别为检测变送环节的增益、时间常数和时滞。,2.9 检测变送环节,检测变送环节的性能,检测元件和变送器的基本要求：准确、迅速和可靠。,准确：检测元件和变送器能正确反映被控或被测变量，且误差小；,迅速：能及时反应被控变量或被测变量的变化；,可靠：能在环境工况下长期稳定运行；,2.8 过程动态特性和过程动态建模,对检测变送信号的处理,（1）信号补偿,热电偶：冷端温度补偿；热电阻：线路电阻补偿；气体流量：温压补偿；,2.8 过程动态特性和过程动态建模,对检测变送信号的处理,（2）线性化,有些被控变量存在非线性，非线性会造
3、成控制系统的非线性，因此需要对检测变送信号进行线性化处理。硬件非线性环节，软件非线性环节。,2.8 过程动态特性和过程动态建模,对检测变送信号的处理,（3）信号滤波,由于存在环境噪声，噪声使得检测变送信号波动并影响控制系统的稳定运行，因此需要对检测变送信号进行滤波处理。硬件滤波，软件滤波。,一阶低通滤波；一阶高通滤波；递推平均滤波；程序判别滤波；,2.8 过程动态特性和过程动态建模,对检测变送信号的处理,（4）信号处理,当检测信号与被控变量之间有一定的函数关系时，需要进行数字运算获得实际的被控变量数值。,数字变换也被常常应用于检测变送信号的处理（傅里叶变换、小波变换），此外还有模数转换（A/D
4、）和数模转换（D/A）也是经常使用的。,如果检测变送信号超出工艺过程的允许范围，就要进行信号报警和联锁处理。,第二章 简单控制系统,2.10 控制阀的选择,结构形式及材质的选择,口径大小及开闭形式的选择,流量特性的选择,控制阀是自动控制系统中的一个重要组成部分，其作用是根据控制器输出的信号，直接控制能量或物料等介质的输送量，达到控制工艺参数的目的。,2.10 控制阀的选择,结构形式及材质的选择,控制阀结构: 执行机构将控制器输出信号转换成直线位移或角位移，两者之间成比例关系；调节机构将执行机构的直线位移或角位移转换成流通截面积的变化，从而控制操纵变量。,2.10 控制阀的选择,结构形式及材质的
5、选择,控制阀结构 执行机构：薄膜型、活塞型和长行程型；调节机构：直通阀、角阀、三通阀、球型阀、蝶阀、偏心旋转阀、套筒阀等。,控制阀材质 阀芯：不锈钢、特殊合金、表面涂层阀芯等；阀体：铸钢、铸铁、青铜、高分子材料、复合材料等。,2.10 控制阀的选择,结构形式及材质的选择,2.10 控制阀的选择,2.10 控制阀的选择,口径大小及控制阀作用方式的选择,口径大小的选择 控制阀口径的大小直接决定着流过介质的能力。口径过大，控制阀可调比减小，控制性能变差；口径过小，使阀的特性不好，也不适应生产发展的需要。 选择原则：最大流量时，阀门开度为85%左右；最小流量时，阀门开度在15%左右。,2.10 控制阀
6、的选择,口径大小及控制阀作用方式的选择,控制阀的气开和气关作用 气开：输入的气压信号越高，阀门开度越大，失气时全关； 气关：输入的气压信号越高，阀门开度越小，失气时全开。,2.10 控制阀的选择,2.10 控制阀的选择,流量特性的选择,介质流过阀门的流量与阀杆行程之间的关系，通常用相对值来表示：,控制阀的流量特性：,Qmax和Lmax分别为阀全开时的最大流量和阀杆的最大行程。,2.10 控制阀的选择,流量特性的选择,工作流量特性：,理想流量特性：,控制阀两端压降恒定时的流量特性（出厂时提供的流量特性）；,控制阀两端压降变化时的流量特性（工作状态下的流量特性）。,2.10 控制阀的选择,流量特性
7、的选择,流量特性-线性流量特性 控制阀的流量与阀杆的行程成线性关系，即单位行程变化引起的流量变化是常数。,当L=0时，Q=Qmin；当L=Lmax时，Q=Qmax；,流量与行程的关系式：,2.10 控制阀的选择,流量特性的选择,流量特性-线性流量特性,可调比：,流量特性：,增益：,斜率,横截,2.10 控制阀的选择,流量特性的选择,流量特性-等百分比特性 单位行程变化引起的流量变化与此点的流量成正比关系。,流量与行程的关系式：,流量特性：,增益：,2.10 控制阀的选择,流量特性的选择,流量特性-抛物线特性 单位行程变化引起的流量变化与此点的流量平方根成正比。,流量与行程的关系式：,流量特性：
8、,增益：,2.10 控制阀的选择,流量特性的选择,流量特性-快开特性 单位行程变化引起的流量变化与此点的流量成反比。,流量与行程的关系式：,流量特性：,增益：,2.10 控制阀的选择,流量特性的选择,2.10 控制阀的选择,流量特性的选择,根据控制系统稳定运行准则，扰动或设定变化时，控制系统静态稳定运行的条件是控制系统各开环增益之积基本恒定；控制系统动态稳定运行的条件是控制系统总开环传递函数的模基本恒定。 通过控制阀增益Kv的变化来补偿被控对象增益Kp的变化，使系统开环增益基本恒定。,2.10 控制阀的选择,流量特性的选择,用Kv变化来补偿Kp的变化，使k开=KcKvKpKm基本恒定。,2.1
9、1 控制器的控制算法,在生产过程的自动控制系统中，控制器是很重要的组成部分。控制器将系统被控变量的测量值与设定值相比较，如果存在偏差，就按预先设置的不同控制规律发出控制信号，控制生产过程，使被控变量的测量值与设定值相等。 控制器的输出信号随偏差信号的变化而变化的规律成为控制规律。,第二章 简单控制系统,2.11 控制器的控制算法,常用的控制规律,比例（P）控制,比例积分（PI）控制,比例微分（PD）控制,比例积分微分（PID）控制,2.11 控制器的控制算法,比例（P）作用,数学表达式：,2.11 控制器的控制算法,比例（P）作用,2.11 控制器的控制算法,比例（P）作用,比例控制器的工作过
10、程：被控变量y(t)控制器偏差e(t)控制器输出u(t)被控变量y(t),比例（P）作用,由于设定值为0，y(t)和e(t)的曲线形状对称；e(t)和u(t)的曲线形状相似，呈比例关系；y(t)稳态值不为0。,2.11 控制器的控制算法,有余差,2.11 控制器的控制算法,比例（P）控制,余差现象：,比例增益Kc对控制系统的影响:Kc越大，余差越小，最大偏差也越小，但系统的振荡也越剧烈，稳定性变差。,Kc增大,2.11 控制器的控制算法,比例（P）作用,2.11 控制器的控制算法,比例（P）作用,- 控制器输出与偏差在一定范围内保持比例关系；- 用比例度表示控制器输出与偏差成线性关系的比例控制
11、器输入（偏差）的范围；- 比例控制是有余差的控制，Kc越大，余差越小，最大偏差也越小，但系统的振荡也越剧烈，稳定性越差。,特点：,2.11 控制器的控制算法,积分（I）作用,积分作用的表达式:,比例积分作用的表达式:,2.11 控制器的控制算法,2.11 控制器的控制算法,积分（I）作用,u(t)不仅和e(t)相关，还与e(t) 存在时间长短相关；当e(t)存在时，u(t)不断变化，e(t)存在时间越长，u(t)的变化量越大；e(t)等于零时，u(t)不再变化而稳定下来。,可以消除余差,2.11 控制器的控制算法,积分（I）作用,比例积分控制器在克服干扰时，比例部分的主要作用是使偏差迅速接近于
12、零，积分部分的主要作用是消除接近于零而比例作用又无法加以响应的余差。 积分作用降低系统稳定性,要保持原有的稳定裕度，增加了积分作用后，应适当减小比例增益Kc。,比例 + 积分作用：,2.11 控制器的控制算法,积分（I）作用,Ti减小,积分时间对控制系统的影响：积分时间越小，积分作用越强; 积分时间趋于无穷大时，无积分作用。当积分时间从大到小变化时，系统的过渡过程可能由不振荡到振荡，积分作用越强，振荡越剧烈。,2.11 控制器的控制算法,微分（D）作用,微分作用的表达式：,比例微分作用的表达式：,比例积分微分作用的表达式：,2.11 控制器的控制算法,t,ut,u0,微分控制输出,比例微分控制
13、输出,ut,u0,t0,t,KC e,微分（D）作用,2.11 控制器的控制算法,u0,比例控制输出,u0,比例微分控制输出,u0,积分控制输出,e,u0,比例积分微分控制输出,偏差,2.11 控制器的控制算法,微分（D）作用,何时使用微分作用： 当被控对象滞后较大或负荷变化剧烈时，比例积分控制不能及时控制，而且偏差的变化速度越大，产生的超调就越大，需要越长的调整时间。在这种情况下，可以采用微分控制，微分控制能够根据偏差的变化趋势进行控制，从而能避免较大的偏差，缩短调整时间。,2.11 控制器的控制算法,微分（D）作用,微分时间对控制系统的影响： 微分时间越小，微分作用越弱； 微分时间越大，输
14、出响应的振荡程度减低，系统稳定性提高。,Td过小,Td适中,Td过大,Td过小,Td适中,Td过大,2.11 控制器的控制算法,控制器控制规律的选择,比例（P）控制器： 能够克服干扰的影响，或使被控变量跟踪设定值的变化，过渡时间短，只有一个参数需要整定。但是，过渡过程结束后有余差存在。,适于：负荷变化小，自衡能力强，对象控制通道中的纯时滞后时间与时间常数之比/T 较小，工艺上允许余差存在，控制质量要求不高。,2.11 控制器的控制算法,控制器控制规律的选择,比例微分（PD）控制器： 增大了系统的稳定裕度，使比例增益加大，从而可以加快过渡过程，减小动态偏差和余差，对克服对象的容量滞后有显著效果。
15、但是，微分作用不能过强，可能引起系统振荡程度加剧。,适于：负荷变化较小，时间常数较大，反应速度较慢。不适于：容量滞后很小，干扰作用频繁，存在测量噪声或周期性干扰。,2.11 控制器的控制算法,控制器控制规律的选择,比例积分（PI）控制器： 减小了系统的稳定裕度，使比例增益减小，从而使过渡过程变慢，动态偏差变大。但是，积分作用可以消除余差，比例积分控制器是使用较广的一种控制器。,适于：负荷变化不大，时间常数较小，要求没有余差。不适于：容量滞后和纯滞后都较大。,2.11 控制器的控制算法,控制器控制规律的选择,比例微分积分（PID）控制器： 综合了三种控制作用的优点，既能克服对象的容量滞后，减小动
16、态偏差，提高系统的稳定裕度，又能消除系统的余差。,适于：负荷变化不大，时间常数较大，要求没有余差，控制质量较高。不适于：纯滞后较大、负荷变化较大。,2.11 控制器的控制算法,控制器参数整定的原则,参数整定： 对于一个已经设计并安装就绪的控制系统，选择合适的控制参数比例度(Kc), 积分时间Ti, 微分时间Td，来改善系统的静态和动态特性，使系统的过渡过程达到最为满意的质量指标要求。,2.11 控制器的控制算法,控制器参数整定的原则,工程整定法： 无需确切知道对象的数学模型，无需具备理论计算所必需的控制理论知识，可以在控制系统中直接进行整定。- 经验整定法 - 临界比例度法 - 衰减曲线法 - 反应曲线法,
