简单控制系统1

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1、第二章 简单控制系统n一、单回路控制系统结构和组成 四个基本环节四个基本环节：被控对象、测量变送、控制器和控制阀：被控对象、测量变送、控制器和控制阀反馈控制中的最基本系统反馈控制中的最基本系统特点特点：简单、有效、：简单、有效、 应用最成熟、最普遍应用最成熟、最普遍 - - 占占 70%70%以上以上1过程控制系统的组成n传感器、测量元件及变送器（检测装置）作用是检测被控制的物理量。n控制器 作用是将设定值与测量信号进行比较，求出它们之间的偏差，然后按照预先选定的控制规律进行计算，并将计算结果作为控制信号送给执行装置。n执行器（装置） 作用是接受控制器的控制信号，直接影响被控对象，使被控变量发

2、生变化。2过程控制系统的重要术语被控变量- CV ( Controlled Variable)设定值 - SP (Setpoint)操纵变量 - MV (Manipulated Variable)扰动变量 - DV (Disturbance Variable)控制变量 - Control Variable测量信号 - Measurement3一般的单回路控制系统被控变量：温度、压力、流量、液位或料位、成分与 物性等六大参数； 4术语n被控过程（被控对象）：自动控制系统中，工 艺参数需要控制的生产过程、设备或机器。（ 液位罐）n被控变量：被控过程内要求保持设定值的工艺 参数（液位罐的液位）n操纵

3、变量：受控制器操纵的用以克服干扰的影 响，使被控变量保持设定值的物料量或能量（ 液位罐的出口流量）n扰动：除操纵变量外，作用于被控过程并引起 被控变量变化的因素（液位罐的入口流量）n设定值：工艺参数所要求保持的数值n偏差：被控变量设定值与实际值之差5自动调节系统的表示方法n1、方框图表示方式n2、管道及仪表流程图 P&ID图（或工艺控制流程图）6检测元件和变送器的作用是把被控变量c(t)转化为测 量值y(t)。比较机构的作用是比较设定值r(t)与测量值y(t)并输 出其差值。控制装置的作用是根据偏差的正负、大小及变化情况 ，按某种预定的控制规律给出控制作用u(t)。比较机 构和控制装置通常组合

4、在一起，称为控制器。执行器的作用是接受控制器送来的u(t)，相应地去改 变操纵变量q(t)。系统中控制器以外的各部分组合在一起，即过程、执 行器、检测元件与变送器的组合称为广义对象。 7绘制方框图注意事项通过测量变送装置将被控变量的测量值送回到系统的 输入端反馈反馈负反馈负反馈 正反馈正反馈82、管道及仪表流程图 P&ID图管道及仪表流程图（工艺控制流程图）提 供的信息：n1。测量点位置、测量名称n2。仪表名称、功能、编号、n 安装位置n3。执行机构的形式、安装位置n4。控制回路的组成、连线9控制流程图符号意义序号安装位置图形符号备注序号安装位置图形符号备注1就地安装仪表4集中仪表盘后 安装仪

5、表嵌在管道中2集中仪表盘面 安装仪表5就地仪表盘后 安装仪表3就地仪表盘面 安装仪表10工艺控制控制流程图字母意义字 母第一位字母后继字母字 母第一位字母后继字母被测变量修饰词功能被测变量修饰词功能A分析报警P压力C电导率控制Q数量积分累积D密度差R放射性记录E电压S速度安全开关F流量比T温度传送I电流指示V粘度阀K时间W力L物位YM水分Z位置执行机构11二、过程动态特性建模与分析过程：需要实现控制的机器、设备或生产过程 过程特性：是指被控过程的输入变量（操纵变 量或扰动变量）发生变化时，其输出变量（被 控变量）随时间的变化规律。 研究过程特性的必要性：为了更好地实施控制121、工业过程数学模

6、型n过程特性的数学描述称为过程的数学模型。n在控制系统的分析和设计中，过程的数学模型 是极为重要的基础资料。n过程的特性可从稳态和动态两方面来考察，前 者指的是过程在输入和输出变量达到平稳状态 下的行为，后者指的是输出变量和状态变量在 输入影响下的变化过程的情况。可以认为，动 态特性是在稳态特性基础上的发展，稳态特性 是动态特性达到平稳状态的特例。 13被控过程常见种类：换热器、锅炉、精馏塔、化学反应器、 贮液槽罐、加热炉等 被控变量（输出量） 扰动变量（输入量）操纵变量（输入量）通道被控过程的输入量与输出量之间的信号联系被控过程的输入量与输出量之间的信号联系 控制通道-操纵变量至被控变量的信

7、号联系扰动通道-扰动变量至被控变量的信号联系14用数学方程式来表示，如微分方程（差分方程）、传递函数、状态空间表达式等。数学模型类型非参数模型用曲线 或数据表格来表示，如阶跃响应曲线、脉冲响应曲线和频率特性曲线特点：形象、清晰，易看出定性特性，但缺乏数学方程的解析性质，一般由试验直接获取。参数模型151、工业过程数学模型工业过程稳态数学模型n从生产控制的角度来看，在被控变量与操纵变 量的选择、检测点位置的选择、控制算法设计 、操作优化控制的设计等方面，无不需要稳态 数学模型的知识。n在不少情况下，必须同时掌握过程的动态特性 ，需要把稳态和动态的考虑结合起来，然而， 象操作优化这样一个极富有经济

8、价值的控制命 题，主要就依靠稳态数学模型。n模型的建立途径可分机理建模与实验测试两大 类，也可将两者结合起来。16被控对象动态建模方法n机理建模原理：根据过程的工艺机理，写出各种有关的平衡方程，如物料平 衡、能量平衡等，以及反映流体流动、传热、传质等基本规律的运动 方程，由此获得被控对象的动态数学模型。 特点：概念明确、适用范围宽，要求对该过程机理明确。n测试建模原理：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。1718

9、/20机理模型n从机理出发，也就是从过程内在的物理和 化学规律出发，建立稳态数学模型 n最常用的是解析法和仿真方法 n解析法适用于原始方程比较简单的场合。 这里又分两类:n一是求输入变量作小范围变化的影响，通常采 用增量化处理方法；n二是求输入变量作大范围变化时的影响，这通 常需要逐步求解，如采用数值方法或试差方法 ，则与仿真求解无甚区别了。18机理建模的步骤n根据建模的对象和模型使用的目的进行 合理的假设 ；n根据过程的内在机理建立数学方程；n进行自由度分析，保证模型有解；n简化模型。19对象机理建模举例#1（参p. 21） 液体储罐的动态模型 n 物料平衡方程：n 流体运动方程：20对象机

10、理建模举例#1(续)线性化：21一阶过程的描述n一阶过程通常的描述方式为：过程增益K时间常数T22工程中常见的一阶对象23对象机理建模举例#2 双容量液位过程的动态数学模型 n 物料平衡方程：n 流体运动方程：24高阶过程25工程上常见的二阶过程26机理建模举例#3物料平衡方程：无振荡的非自衡过程27工业过程数学模型经验模型n通过测试或依据积累的操作数据，用数学方法回归 ，得出经验模型。 n经验模型的建立通常要经过下列步骤：n确定输入变量与输出变量。输入变量是经验方程式中的 自变量，输出变量是因变量。自变量的数目不宜太多。n进行测试。理论上有很多实验设计方法，如正交设计等 。在实施上可能会遇到

11、选取变化区域困难。有一种解决 办法是吸收调优操作的经验，即逐步向更好的操作点移 动，这样有可能一举两得，既扩大了测试的区间，又改 进了工艺操作。测试中要确定稳态是否真正建立 。n把数据进行回归分析或神经网络建模。 n检验。分为自身与交叉检验。28工业过程数学模型机理与经验的组合建模 n主体上是按照机理方程建模，但对其中的部分参数通过 实测得到。例如，换热器的K值可通过现场操作数据计算求出 ；精馏塔的情况，塔板效率可先作假定，用以计算出各塔板的温 度分布，再与温度的实测值核对，如有不符，则对塔板效率的假 定值作相应的修正。n通过机理分析，把自变量适当组合，得出数学模型的函 数形式。这样确定模型结

12、构，估计参数就比较容易了， 并使自变量数减少。n由机理出发，通过计算或仿真，得到大量的输入输出数 据，再用回归方法得出简化模型29工业过程数学模型动态数学模型的作用和要求n过程的动态数学模型，是表示输出向量（或 变量）与输入向量（或变量）间动态关系的 数学描述。从控制系统的角度来看，操纵变 量和扰动变量都属于输入变量，被控变量属 于输出变量。n过程动态数学模型的用途大体可分为两个方 面：n一是用于各类自动控制系统的分析和设计；n二是用于工艺设计以及操作条件的分析和确定。30工业过程数学模型典型过程动态特性n自衡的非振荡过程n无自衡的非振荡过程 n衰减振荡过程n具有反向特性的过程31自衡的非振荡

13、过程 过程能自动地趋于新稳态值的 特性称为自衡性。在外部阶跃 输入信号作用下，过程原有平 衡状态被破坏，并在外部信号 作用下自动地非振荡地稳定到 一个新的稳态，这类工业过程 称为具有自衡的非振荡过程。 32有自衡的非振荡过程如下图中的液位过程33n具有自衡的非振荡过程的特性：n具有时滞的一阶环节：n具有时滞的二阶非振荡环节：K是过程的增益或放大系数 T是过程的时间常数， 是过程的时滞(纯滞后)。34无自衡的非振荡过程n该类过程没有自衡能力，它 在阶跃输入信号作用下的输 出响应曲线无振荡地从一个 稳态一直上升或下降，不能 达到新的稳态。例如，某些液位储罐的出料采 用定量泵排出，当进料阀开 度阶跃

14、变化时，液位会一直 上升到溢出或下降到排空。35无自衡的非振荡过程如下图中的液位过程F2：定量泵， 当进料量作阶跃变化后，液位变化如图。36工业过程数学模型具有无自衡的非振荡过程的特性n具有时滞的积分环节n有时滞的一阶和积分串联环节37衰减振荡过程n该类过程具有自衡能力， 在阶跃输入信号作用下， 输出响应呈现衰减振荡特 性，最终过程会趋于新的 稳态值。图2-4是这类过程 的阶跃响应。在控制过程 中，这类过程不多见，它 们的控制也比第一类过程 困难一些。38具有反向特性的过 程n该类过程在阶跃输入 信号作用下开始与终 止时出现反向的变化 。该类过程的阶跃响 应曲线如图所示39建立动态数学模型的途

15、径n机理模型的建立 n验前知识；原始微分方程推导；数学模型简化 数学模型验证n系统辨识和参数估计 n由测试数据直接求取模型的途径称为系统辨识 ，而把在已定模型结构的基础上，由测试数据 确定参数的方法称为参数估计。n亦有人统称之为系统辨识，而把参数估计作为 其中的一个步骤。工业过程数学模型402、工业过程控制对象的特点n除液位对象外的大多数被控对象本身是 稳定自衡对象；n对象动态特性存在不同程度的纯迟延；n对象的阶跃响应通常为单调曲线，除流 量对象外的被调量的变化相对缓慢；n被控对象往往具有非线性、不确定性与 时变等特性。413、过程特性的一般分析描述有自衡非振荡过程的特性参数有放大 系数K、时

16、间常数T和时滞。 放大系数K(1) 控制通道的放大系数Ko(2) 扰动通道的放大系数Kf42(1) 控制通道的放大系数Ko定义：在扰动变量f(t)不变的情况下，被控变量 的变化量c与操纵变量q在时间趋于无穷大时 之比控制通道的放大系数Ko反映了过程以初始工作点为 基准的被控变量与操纵变量在过程结束时的变化量之 间的关系，是一个稳态特性参数。43过程的放大系数受负荷和工 作点的影响。在相同的负荷下， Ko随工 作点的增大而减小；在相同的工作点下，Ko随 负荷的增大而减小。 蒸汽加热器的稳态特性选择Ko的原则：希望Ko稍大。44 时间常数T时间常数T是表征被控变量变化快慢的 动态参数。控制过程中时间常数的概念来源于电工 学中时间常数的概念。在阻容环节的充电过程中，T=RC表征 了充电过程的快慢。45定义1：在阶跃外作用 下，一个阻容环节的输 出变化量完成全部变化 量的63.2%所需要的时 间。定义2：在阶跃外作用 下，一个阻容环节的输 出变化量保持初始变化 速度，达