工业过程控制工程课件第二章 控制系统组成及指标1

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1、第二章 控制系统组成及指标简单控制系统是由一个被调量、一个控制量 而且只用一个调节器、一个调节阀所组成的一个 闭合回路。简单控制系统是最基本、最常见、应用最广 泛的控制系统，约占控制回路的80 以上。输入量输出量调节器被控对象2.1 控制系统组成2.2 控制性能指标2.1 控制系统组成2.1.1 控制系统组成2.1.2 控制系统的方框图自动调节中的一些常用术语 l1被调量（被控制量）表征生产过程是否正常运行并需要加以调节的物理量 。l2给定值按生产要求被调量必须维持的希望值。l3控制对象（被控对象）被调节的生产过程或设备称为控制对象。l4调节机构可用来改变进入控制对象的物质或能量的装置称为调节

2、 机构。l5控制量（调节量）由调节机构(阀门、挡板等)改变的流量(或能量)，用 以控制被调量的变化。 l6扰动引起被调量偏离其给定值的各种原因称为扰动。如果扰动不包括在控制回路内部(例外界负荷)，称为外扰 。 如果扰动发生在控制回路内部，称为内扰。由于调节机构开度变化造成的扰动，称为基本扰动。变更控制器的给定值的扰动称为给定值扰动,也称控制作 用扰动。l7控制过程（调节过程）原来处于平衡状态的控制对象，一旦受到扰动作用，被 调量就会偏离给定值。要通过自动控制仪表或运行人员的 调节作用使被调量重新恢复到新的平衡状态的过程，称为 调节过程。l8自动控制系统自动控制仪表和控制对象通过信号的传递互相联

3、系起来 就构成一个自动控制系统。 2.1.1 控制系统组成自动控制系统是在人工控制的基础上产生和发展 起来的。 例1 液位控制系统 ：图2.1-1为液体储罐内液位的人工控制 示意图。从维持生产平稳进行考虑， 工艺上希望罐内的液位h 能维持在所希 望的位置hs上。液位h 是需要控制的工 艺变量，称为被控变量。显然，当进 水量Qi或出水量Qo波动时，都会使罐 内的液位发生变化。现假定通过控制 出水量Qo维持液位的恒定，称Qo为操 纵变量。进水量Qi是造成被控变量产 生不期望波动的原因，称为扰动。 图2.1-1 液位人工控制示意图若由操作工来完成这一控制任务，所要做的工作是 ： 用眼睛观察液位计实际

4、液位的指示值，并通过 神经系统告诉大脑； 通过大脑对眼睛观测到的实际液位值与事先在大 脑中储存好的希望值即给定值进行比较，根据偏差的 大小和方向，经过分析、思考，然后根据操作经验发 出命令； 根据大脑发出的控制命令，通过手去改变出水阀 门开度，以改变Qo来控制液位； 反复执行上述操作，直到将液位控制到所希望的 数值上。 上述操作工通过眼、脑、手相互配合完成液位的控 制过程就是一个人工控制过程。由于人工控制受到生理上的限制，满足不了大型 现代化生产的要求。如果能用一些仪表或装置来代替 操作工的眼、脑、手自动地完成控制任务，不仅能大 大减轻操作工的劳动强生度，而且可大大提高控制速 度和精度。为此，

5、采用液位测量变送器LT检测液位值 并转换为标准信号，如420mA。这一测量信号送往液 位控制器LC，控制器的设定值由人工给定。控制器根 据偏差的正负、大小及变化情况，发出控制信号。控 制器的输出送往执行器，此处为控制阀，控制阀根据 控制信号变化增大或减小阀门的开度，调节出水流量 ，使测量值接近或等于给定值。这样，就构成了液位 自动控制系统。 图2.1-2 液位自动控制系统TI表示温度指示，TT表示温度变送器，TIC表示温度指示 控制，HC表示手动控制。表2.1-1 被测变量和仪表功能的代号例2 温度控制系统它由蒸汽加热器、温度 变送器TT、温度控制器 TC 和蒸汽流量控制阀 组成。控制的目标是

6、保 持流体出口温度恒定。 当进料流量或温度等因 素的变化引起出口物料 的温度变化时，通过温 度变送器TT测得温度的 变化，并将其信号送至 温度控制器TC与给定值 进行比较，温度控制器 TC根据其偏差信号进行 运算后将控制命令送至 控制阀，以改变蒸汽流 量来维持出口温度。图2.1-3 蒸汽加热器温度自动控制系统例3 流量控制系统它由管路系统、孔板和差 压变送器、流量控制器FC 和流量控制阀组成。控制 的目标是保持流量恒定。 当管道其他部分阻力发生 变化或有其他扰动时，流 量将偏离设定值。利用孔 板作为检测元件，把孔板 上、下游的静压用连接导 管接至差压变送器，将流 量信号转化为标准电流信 号；该

7、信号送至流量控制 器FC 与给定值进行比较 ，流量控制器FC 根据其 偏差信号进行运算后将控 制命令送至控制阀，改变 阀门开度，就调整了管道 中流体的阻力，从而影响 了流量，使流量维持在设 定值。 图2.1-4 流量控制系统简单控制系统特征：被控对象也称对象。是指被控制的生产设备或装置。 针对以上三例，分别是液罐、蒸汽加热器、管 路系统。被控对象需要控制的变量称为被控变 量，上述各例中为液位、温度：流量。测量变送器测量被控变量，并按一定的规律将其转换为 标准信号的输出，作为测量值。标准信号的含 义是其上下限符合规定系列010mA， 420mA，0.020.1MPa 执行器常用的是控制阀。接受控

8、制器来的信号u，直 接改变操纵变量q。操纵变量是被控对象的某 输入变量，通过操作这个变量可克服扰动对 被控变量的影响，通常是由执行器控制的某 工艺流量。 控制器也称调节器。它将被控变量的设定值与测量 值进行比较得出偏差信号e，并按一定规律给 出控制信号u 。2.1.2 控制系统的方框图用文字叙述的方法来描述控制系统的 组成和工作原理较为繁琐，在自动控制 中常常采用直观图形的方法来表达，即 方框图 。图2.1-5 简单控制系统的方框图几点说明：方框图中的各个信号值都是增量，增益放大 系数和传递函数都是在稳态值为零的条件下 得到的。各环节的增益有正、负之分/方框图中箭头方向表示的是信号的流向，指

9、向与指离的关系，使原因与后果的关系，不 是物料或能量的流向。区分输入量、输出量和流入量、流出量：从物料平衡和能量平衡的角度看，把被控对 象视为一隔离体，从外部流入对象内部的物质 或能量流称为流入量从对象内部流出的流量 称为流出量。在控制系统中，无论流入量和流 出量，它们作为引起被控变量（输出量）变化 的原因，都是被控对象的输入量。在有些框图表示中，各环节除Gc(s)外， 其他合并成一个环节G0(s)，称广义对象 。整个系统由 Gc(s)和 G0(s)组成。在有些框图表示中，把扰动项F(s)和操 作变量项Q(s)直接相加，认为扰动通道 与控制通道的传递函数都是Gp(s）。 2.2 控制性能指标2

10、.2.1 控制系统的稳态和动态2.2.2 阶跃输入和过渡过程的形式2.2.3 控制系统的性能指标2.2.1 控制系统的稳态和动态工业过程控制系统在运行中有两种状态。一种是稳态，此时系统没有受到任何外来扰动，同 时设定值保持不变，因而被控变量也不会随时间变化 ，整个系统处于稳定平衡的工况。另一种是动态，当系统受到外来扰动的影响或者 爱改变了设定值后，原来的稳态遭到破坏，系统中各 组成部分的输入输出量都相应发生变化，尤其是被控 变量也将偏离原稳态值而随时间变化，这时系统处于 动态。经过一段调整时间后，如果系统是稳定的，被 控变量将会重新达到新设定值或其附近，系统又恢复 稳定平衡工况。这种从一个稳态

11、到达另一个稳态的历 程称为过渡过程。显然，要评价一个过程控制系统的工作质量，只 着稳态是不够的，还应该考核它在动态过程中被控变 量随时间变化的情况。2.2.2 阶跃输入和过渡过程的形式在生产中，出现的扰动是没有固定形式的，多半属 于随机性质。在分析和设计控制系统时，为了安全 和方便，常选择一些典型的输人形式，其中最常用 的是阶跃输入，其形式如图2.2-1 所示。所谓阶跃输入就是在某一时刻 ，输入突然阶跃式变化，并继 续保持在这个幅度上。阶跃输 入容易产生而且简单，同时阶 跃输入是一种很剧烈的扰动， 如果一个控制系统能够有效地 克服阶跃扰动，那么对于其他 比较缓和的扰动一般也能满足 性能指标要求

12、。 图2.2-1 阶跃输入在阶跃输入下，过渡过程的形式可分 为振荡过程和非周期过程。非周期过程是指系统受到扰动后，在 控制作用下，被控变量的变化是单调的 增大或减小的过程。 被控变量的变化是 单调上升或减小，偏 离给定值越来越远程 为非周期发散过程。被控变量的变化速度越 来越慢，逐步趋近于 给定值而稳定下来， 成为非周期衰减过程 。振荡过程是指当系统受到扰动作用后 在控制作用下，被控变量在其给定值附 近上下波动的过程。 如果系统受到扰 动后，被控变量 的波动幅度愈来 愈大，称为发散 振荡过程。 如受扰动后，被控变 量始终在其给定值附 近波动且波动幅度相 等，称为等幅振荡过 程。如受扰动后，被控

13、变量波动的 幅度越来越小，最后逐渐趋于 稳定，称为衰减振荡过程。衰 减振荡过程变化趋势明显，易 于观察，过渡过程短，控制系 统经常采用这种曲线作为分析 系统性能指标的典型曲线。 2.2.3 控制系统的性能指标一个控制过程的优劣在于设定值发生变化或系 统受到扰动作用后，能否在控制器的作用下稳定 下来，及克服扰动造成的偏差而回到设定值的准 确性、平稳性和快速型如何。采用两类性能指标：阶跃响应曲线的几个征参 数作为性能指标和偏差积分性能指标。 （1）阶跃响应曲线的几个征参数作为性能指标在工业过程控制中经常采用时域方面的单项指标， 并以阶跃作用下的过渡过程为准。图2.2-3 设定值和扰动作用阶跃变化时

14、过渡过程的典型曲线设被控变量最终稳态值是C，超出其最终稳态值的最大瞬态偏差为B。 主要的时域指标包括衰减比、超调量与 最大动态偏差、余差、调节时间和振荡频率 、上升时间和峰值时间等。 衰减比衰减比表示振荡过程的衰减程度，是衡量 过渡过程稳定程度的动态指标，它等于曲线 中前后两个相邻波峰值之比，即说明：衰减比习惯上表示为n:1。衰减比nl，过渡过 程是发散振荡；衰减比n= 1 ，过渡过程是等幅 振荡；衰减比n1，过渡过程是衰减振荡，n越 大，衰减越大，系统越接近非周期过程。为了 保持足够的稳定裕度，衰减比一般取 (4:1)(10:1)，大约经过两个周期，系统趋于新 的稳态值。超调量与最大动态偏差

15、 在随动控制系统中，定程度的指标。则定义超调量 为若整个闭环系统可看做二阶振荡环节，则有对定值控制系统来说，最终稳态值是零或是很小的数 值，仍用 作为超调情况的指标就不合适了。通常改用最 大动态偏差A作为一项指标，它指在单位阶跃扰动下，最 大振幅B与最终稳态值C之和的绝对值。余差余差是系统的最终稳态偏差，即过渡过程终了时 新稳态值与给定值之差。对于定值控制系统，r=0，则有 余差是反映控制精确度的一个稳态指标，相当于生 产中允许的被控变量与给定值之间长期存在的偏差。 调节时间和振荡频率调节时间是从过渡过程开始到结束所需的时间。 过渡过程要绝对地达到新的稳态，理论上需要无限 长的时间，一般认为当

16、被控变量进入新稳态值附近 5%或2%以内区域，并保持在该区域内时，过渡过 程结束，此时所需要的时间称为调节时间。调节时 间是反映控制系统快速性的一个指标。 过渡过程振荡频率 是振荡周期P的倒数，记为在同样的振荡频率下，衰减比越大，则调节时间 越短。而在同样的衰减比下，振荡频率越高，则调节 时间越短。因此，振荡频率在一定程度下也可作为衡 量控制快速性的指标。 峰值时间和上升时间被控变量达到最大值时的时间称为峰值时 间。过渡过程开始到被控变量第一个波峰时 的时间称为上升时间。它们都是反映系统快 速性的指标。 (2)偏差积分性能指标常用的综合性能指标是偏差积分指标，它是过渡过 程中偏差和时间的某些函数沿时间轴的积分，可表 示为无论是偏差幅度或是偏差存在的时间都与指标有 关，可以兼顾衰减比、超调量、调节时间各方面因素 ，因此它是一类综合指标。 一般说来，过渡过程中的动态偏差越大，或是调 节得越慢，则目标函数值将越大，表明控