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1、控制工程概论控制工程概论-简单控制系统简单控制系统回顾回顾2.8 2.8 过程动态特性和动态建模过程动态特性和动态建模l建立数学模型的途径建立数学模型的途径机理模型机理模型(白箱白箱)、经验模型、经验模型(黑箱黑箱)、机理和经验、机理和经验(灰箱灰箱)l动态特性对控制性能指标的影响动态特性对控制性能指标的影响l过程的动态特性分析过程的动态特性分析阶跃输入条件下，过程响应的特性；阶跃输入条件下，过程响应的特性；l动态过程的分类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；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，被控变量增益，时间常数，时滞
2、，扰动，操纵变量，被控变量第二章第二章 简单控制系统简单控制系统2.9 2.9 检测变送环节检测变送环节l检测变送环节的性能检测变送环节的性能 将将工业过程的参数工业过程的参数（流量、压力、温度、物位、成（流量、压力、温度、物位、成分等）经分等）经检测、变送检测、变送单元转换为单元转换为标准信号标准信号。2.9 2.9 检测变送环节检测变送环节l检测变送环节的性能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现使检测变送器呈现模拟和数字并存模拟和数字并存的状态。但它们都的状态。但它们都可以用可以用时滞的一阶环节时滞
3、的一阶环节近似，其传递函数为，近似，其传递函数为，Km，Tm和和m分别为检测变送环节的分别为检测变送环节的增益、时间常数和时滞。增益、时间常数和时滞。2.9 2.9 检测变送环节检测变送环节l检测变送环节的性能检测变送环节的性能 检测元件和变送器的基本要求：检测元件和变送器的基本要求：准确、迅速和可靠准确、迅速和可靠。准确准确：检测元件和变送器能正确反映被控或被测变量，：检测元件和变送器能正确反映被控或被测变量，且误差小；且误差小；迅速迅速：能及时反应被控变量或被测变量的变化；：能及时反应被控变量或被测变量的变化；可靠可靠：能在环境工况下长期稳定运行；：能在环境工况下长期稳定运行；2.8 2.
4、8 过程动态特性和过程动态建模过程动态特性和过程动态建模l对检测变送信号的处理对检测变送信号的处理（1）信号补偿信号补偿热电偶：冷端温度补偿；热电偶：冷端温度补偿；热电阻：线路电阻补偿；热电阻：线路电阻补偿；气体流量：温压补偿；气体流量：温压补偿；2.8 2.8 过程动态特性和过程动态建模过程动态特性和过程动态建模l对检测变送信号的处理对检测变送信号的处理（2）线性化线性化 有些被控变量存在非线性，有些被控变量存在非线性，非线性会造成控制非线性会造成控制系统的非线性系统的非线性，因此需要对检测变送信号进行线性，因此需要对检测变送信号进行线性化处理。化处理。硬件硬件非线性环节，非线性环节，软件软
5、件非线性环节。非线性环节。2.8 2.8 过程动态特性和过程动态建模过程动态特性和过程动态建模l对检测变送信号的处理对检测变送信号的处理（3）信号滤波信号滤波 由于存在环境噪声，由于存在环境噪声，噪声噪声使得检测变送信号波使得检测变送信号波动并动并影响控制系统的稳定运行影响控制系统的稳定运行，因此需要对检测变，因此需要对检测变送信号进行滤波处理。送信号进行滤波处理。硬件硬件滤波，滤波，软件软件滤波。滤波。一阶低通滤波；一阶低通滤波；一阶高通滤波；一阶高通滤波；递推平均滤波；递推平均滤波；程序判别滤波；程序判别滤波；2.8 2.8 过程动态特性和过程动态建模过程动态特性和过程动态建模l对检测变送
6、信号的处理对检测变送信号的处理（4）信号处理）信号处理 当检测信号与被控变量之间有一定的函数关系当检测信号与被控变量之间有一定的函数关系时，需要进行时，需要进行数字运算数字运算获得实际的被控变量数值。获得实际的被控变量数值。数字变换数字变换也被常常应用于检测变送信号的处理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（傅里叶变换、小波变换），此外还有模数转换（A/D）和数模转换（）和数模转换（D/A）也是经常使用的。）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，如果检测变送信号超出工艺过程的允许范围，就要进行就要进行信号报警信号报警和联锁处理。和联锁处理
7、。第二章第二章 简单控制系统简单控制系统2.10 2.10 控制阀的选择控制阀的选择l结构形式及材质的选择结构形式及材质的选择l口径大小及开闭形式的选择口径大小及开闭形式的选择l流量特性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，其作控制阀是自动控制系统中的一个重要组成部分，其作用是用是根据控制器输出的信号，直接控制能量或物料等介质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的输送量，达到控制工艺参数的目的。，达到控制工艺参数的目的。2.10 2.10 控制阀的选择控制阀的选择l结构形式及材质的选择结构形式及材质的选择控制阀结构控制阀结构:执行机构执行机构将控制器
8、输出信号转换成直线位移或角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；位移，两者之间成比例关系；调节机构调节机构将执行机构的直线位移或角位移转换成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。流通截面积的变化，从而控制操纵变量。2.10 2.10 控制阀的选择控制阀的选择l结构形式及材质的选择结构形式及材质的选择调节机构执行机构控制阀结构控制阀结构 执行机构执行机构：薄膜型、活塞型和长行程型；：薄膜型、活塞型和长行程型；调节机构调节机构：直通阀、角阀、三通阀、球型阀、蝶阀、偏：直通阀、角阀、三通阀、球型阀、蝶阀、偏心旋转阀、套筒阀等。心旋转阀、套筒阀等。
9、控制阀材质控制阀材质 阀芯阀芯：不锈钢、特殊合金、表面涂层阀芯等；：不锈钢、特殊合金、表面涂层阀芯等；阀体阀体：铸钢、铸铁、青铜、高分子材料、复合材料等。：铸钢、铸铁、青铜、高分子材料、复合材料等。2.10 2.10 控制阀的选择控制阀的选择l结构形式及材质的选择结构形式及材质的选择2.10 2.10 控制阀的选择控制阀的选择2.10 2.10 控制阀的选择控制阀的选择l口径大小及控制阀作用方式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口径大小的选择 控制阀控制阀口径的大小直接决定着流过介质的能力口径的大小直接决定着流过介质的能力。口。口径过大，控制阀可调比减小，控制性能变差；口径过小
10、，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。使阀的特性不好，也不适应生产发展的需要。选择原则选择原则：最大流量时，阀门开度为：最大流量时，阀门开度为85%85%左右；最小流量左右；最小流量时，阀门开度在时，阀门开度在15%15%左右。左右。2.10 2.10 控制阀的选择控制阀的选择l口径大小及控制阀作用方式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控制阀的气开和气关作用 气开气开：输入的气压信号越高，阀门开度越大，失：输入的气压信号越高，阀门开度越大，失气时全关；气时全关；气关气关：输入的气压信号越高，阀门开度越小，失：输入的气
11、压信号越高，阀门开度越小，失气时全开。气时全开。2.10 2.10 控制阀的选择控制阀的选择2.10 2.10 控制阀的选择控制阀的选择l流量特性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：常用相对值来表示：控制阀的流量特性：控制阀的流量特性：Qmax和和Lmax分别为阀全开时的分别为阀全开时的最大流量和阀杆的最大行程。最大流量和阀杆的最大行程。2.10 2.10 控制阀的选择控制阀的选择l流量特性的选择流量特性的选择工作流量特性：工作流量特性：理想流量特性：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
12、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）；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）。的流量特性）。2.10 2.10 控制阀的选择控制阀的选择l流量特性的选择流量特性的选择流量特性流量特性-线性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。行程变化引起的流量变化是常数。当当L=0时，时，Q=Qmin；当；当L=Lmax时，时，Q=Qmax；流量与行程的关系式：流量与行程的关系式：2.10 2.10 控制阀的选择控制阀的选择
13、l流量特性的选择流量特性的选择流量特性流量特性-线性流量特性线性流量特性可调比：可调比：流量特性：流量特性：增益：增益：斜率斜率横截横截2.10 2.10 控制阀的选择控制阀的选择l流量特性的选择流量特性的选择流量特性流量特性-等百分比特性等百分比特性 单位行程变化引起的流量变化与此点的流量成正单位行程变化引起的流量变化与此点的流量成正比关系。比关系。流量与行程的关系式：流量与行程的关系式：流量特性：流量特性：增益：增益：2.10 2.10 控制阀的选择控制阀的选择l流量特性的选择流量特性的选择流量特性流量特性-抛物线特性抛物线特性 单位行程变化引起的流量变化与此点的流量平方单位行程变化引起的
14、流量变化与此点的流量平方根成正比。根成正比。流量与行程的关系式：流量与行程的关系式：流量特性：流量特性：增益：增益：2.10 2.10 控制阀的选择控制阀的选择l流量特性的选择流量特性的选择流量特性流量特性-快开特性快开特性 单位行程变化引起的流量变化与此点的流量成反比。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：流量与行程的关系式：流量特性：流量特性：增益：增益：2.10 2.10 控制阀的选择控制阀的选择l流量特性的选择流量特性的选择 2.10 2.10 控制阀的选择控制阀的选择l流量特性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，根据控制系统稳
15、定运行准则，扰动或设定变化时，控制系统控制系统静态稳定静态稳定运行的条件是控制系统运行的条件是控制系统各开环增益各开环增益之积基本恒定之积基本恒定；控制系统；控制系统动态稳定动态稳定运行的条件是控制运行的条件是控制系统系统总开环传递函数的模基本恒定总开环传递函数的模基本恒定。通过控制阀通过控制阀增益增益Kv的变化的变化来来补偿补偿被控对象增益被控对象增益Kp的变化的变化，使系统，使系统开环增益基本恒定开环增益基本恒定。2.10 2.10 控制阀的选择控制阀的选择l流量特性的选择流量特性的选择用用Kv变化来补偿变化来补偿Kp的变化的变化，使使k开开=KcKvKpKm基本恒定基本恒定。2.11 2
16、.11 控制器的控制算法控制器的控制算法 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，值相比较，如果存在偏差，就按预先设置的不同控制如果存在偏差，就按预先设置的不同控制规律发出控制信号规律发出控制信号，控制生产过程，使被控变量的测，控制生产过程，使被控变量的测量值与设定值相等。量值与设定值相等。控制器的控制器的输出信号随偏差信号输出信号随偏差信号的变化而变化的规的变化而变化的规律成为律成为控制规律控制规律。第二章第二章 简单控制系统简单控制系统2.11 2.11 控制器的控制算法控制器的控制算法l常用的控制规律常用的控制规律比例（比例（P）控制）控制比例积分（比例积分（PI）控制）控制比例微分（比例微分（PD）控制）控制比例积分微分（比例积分微分（PID）控制）控制2.11 2.11 控制器的控制算法控制器的控制算法l比例（比例（P）作用）作用数学表达式数学表达式：2.11 2.11 控制器的控制算法控制器的控制算法l比例（比例（P）作用）作用u
