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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 控制系统组成控制系统组成2.2 控制性能指标控制性能指标2.1 控制系统组成控制系统组成2.1.1 控制系统组成控制系统组成2.1.2 控制系统的方框图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）l 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l 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）l 被调节的生产过程或设备称为控
2、制对象。l4调节机构l 可用来改变进入控制对象的物质或能量的装置称为调节机构。l5控制量调节量）l 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。 6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。7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
3、过程。8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系起来就构成一个自动控制系统。 2.1.1 控制系统组成控制系统组成 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。 图图2.1-1 液位人工控制示意图液位人工控
4、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、思索，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
5、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，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。 图图2.1-2 液位自动控制系统液位自动控制系统 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。表表表表2.1-1 2.1-1 被测变量和仪表功能的代号被测变量和仪表功能的代号被
6、测变量和仪表功能的代号被测变量和仪表功能的代号 例例2 2 温度控制系统温度控制系统 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。图图2.1-3 蒸汽加热器温度自动控制系统蒸汽加热器温度自动控制系统例例3 3 流量控制系统流量控制系统 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
7、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。 图图2.1-4 流量控制系统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
8、，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 。图图2.1-5 简单控制系统的方框图简单控制系统
9、的方框图几点说明：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)
10、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2.2.1 控制系统的稳态和动态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阶跃输入和过渡过程的形式2.2.3 控制系统的性能指标控制系统的性能指标2.2.1 控制系统的稳态和动态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
11、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
12、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。 图图2.2-1 阶跃输入阶跃输入 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
13、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
14、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。图图2.2-3 设定值和扰动作用阶跃变化时过渡过程的典型曲线设定值和扰动作用阶跃变化时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 阐明： 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
15、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 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
16、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
17、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，表明控制品质越差。 偏差积分性能指标几种形式: 偏差积分IE平方偏差积分ISE绝对偏差积分IAE时间与偏差绝对值的积分ITAE IE的缺点是不能保证控制系统具有合适的衰减比。如一个等幅震荡过程，IE却等于
18、0，现仍然不合理，所以很少用。 IAE 在图形上也就是偏差面积积分。这种指标，对出现在设定值附近的偏差面积与出现在远离设定值的偏差面积是同等看待的，根据这一指标设计的二阶或近似二阶的系统，在单位阶跃输入信号下，具有较快的过渡过程和不大的超调量约为5%) ，是一种常用的误差性能指标。 ITAE指标，实质上是把偏差积分面积用时间来加权，同样的偏差积分面积，由于在过渡过程中出现时间的前后前后差异，目标值J是不同的。出现时间越迟，J值越大；出现越早，J值越小。所以这指标对初始偏差不敏感，对后期偏差敏感。 采用不同的积分公式意味着对过渡过程优良程度的侧重点不同。假若针对同一广义对象，采用同一种的控制器，利用不同的性能指标，就导致不同的控制器参数设置。 关于控制系统性能指标还有两点需要说明: 首先需按具体工艺和整体情况统筹兼顾，提出合理的控制要求。 另外，对设定值变动的随动系统与设定值不变的定值系统，控制要求有相同点，也有不同点。
