第一篇 簡單控制系統(tǒng)

第一篇簡單控制系統(tǒng)1第1頁，課件共74頁，創(chuàng)作于2023年2月一生產(chǎn)過程自動(dòng)化的發(fā)展概況和趨勢(shì)

1)過程控制定義

2)自動(dòng)化技術(shù)發(fā)展簡介二過程控制的任務(wù)和要求

緒論2第2頁，課件共74頁，創(chuàng)作于2023年2月一生產(chǎn)過程自動(dòng)化的發(fā)展概況和趨勢(shì)1.過程控制定義：通常是指石油,化工,電力,冶金,輕工,建材和核能等工業(yè)生產(chǎn)中連續(xù)或按一定周期進(jìn)行的生產(chǎn)過程自動(dòng)控制,它是自動(dòng)化技術(shù)的重要組成部分．2.針對(duì)參數(shù)：溫度,壓力,流量,液位(物位),成分和物性3第3頁，課件共74頁，創(chuàng)作于2023年2月3.工業(yè)生產(chǎn)對(duì)過程控制的要求①安全性（最基本，最重要要求）在整個(gè)生產(chǎn)過程中，確保人身和設(shè)備的安全保證措施：參數(shù)越限報(bào)警,事故報(bào)警,聯(lián)鎖保護(hù),在線故障預(yù)測(cè)和診斷,設(shè)計(jì)容錯(cuò)控制系統(tǒng)．②經(jīng)濟(jì)性使生產(chǎn)同樣質(zhì)量和數(shù)量產(chǎn)品所消耗的能量和原材料最少,即低成本高效率.通過實(shí)現(xiàn)生產(chǎn)過程局部或整體最優(yōu)化來實(shí)現(xiàn)．③穩(wěn)定性系統(tǒng)具有抑制外部干擾，保持生產(chǎn)過程長期穩(wěn)定運(yùn)行的能力4第4頁，課件共74頁，創(chuàng)作于2023年2月4.自動(dòng)化技術(shù)發(fā)展概況(三個(gè)階段)(1)第一階段(經(jīng)典控制理論)

1)理論基礎(chǔ)：傳遞函數(shù)(被控系統(tǒng)的數(shù)學(xué)描述)根軌跡法和頻率法(對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行分析和綜合)2)設(shè)計(jì)方法：將復(fù)雜的生產(chǎn)過程分解為若干個(gè)簡單過程，實(shí)現(xiàn)單輸入單輸出的控制系統(tǒng)3)缺點(diǎn)：①只能滿足于保持生產(chǎn)的穩(wěn)定和安全，屬于局部自動(dòng)化范疇②依賴手工和經(jīng)驗(yàn)5第5頁，課件共74頁，創(chuàng)作于2023年2月

簡單控制系統(tǒng)方框圖r---給定值(模擬,數(shù)字)e---偏差(e=r-ym)u---調(diào)節(jié)器輸出μ---執(zhí)行器輸出

ym---被調(diào)量的測(cè)量信號(hào)D---干擾y---被調(diào)量實(shí)際值6第6頁，課件共74頁，創(chuàng)作于2023年2月(2)第二階段(現(xiàn)代控制理論)1)理論基礎(chǔ):狀態(tài)空間分析方法,包括以最小二乘法為基礎(chǔ)的系統(tǒng)辯識(shí),

以極大值和動(dòng)態(tài)規(guī)劃為主要方法的最優(yōu)控制和以卡爾曼濾波理論為核心的最佳估計(jì)等．2)優(yōu)點(diǎn)：①能夠深入揭示系統(tǒng)內(nèi)在的規(guī)律性,從局部控制進(jìn)入到一定意義下

的全局最優(yōu)②在結(jié)構(gòu)上已經(jīng)從單環(huán)擴(kuò)展到適應(yīng)環(huán),學(xué)習(xí)環(huán)．3)缺點(diǎn):①由于當(dāng)時(shí)計(jì)算機(jī)技術(shù)的限制,計(jì)算機(jī)控制處于試驗(yàn)階段②現(xiàn)代控制理論與工程實(shí)際之間有較大差距:建模困難,性能指標(biāo)不易確定,控制策略缺乏.現(xiàn)代控制理論是人們對(duì)控制技術(shù)在認(rèn)識(shí)上的一次質(zhì)的飛躍,為實(shí)現(xiàn)高水平的自動(dòng)化奠定了理論基礎(chǔ).同時(shí),電子計(jì)算機(jī)的發(fā)展為實(shí)現(xiàn)工業(yè)自動(dòng)化提供了重要的技術(shù)手段.出現(xiàn)了直接數(shù)字控制(DDC)系統(tǒng)和計(jì)算機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)．7第7頁，課件共74頁，創(chuàng)作于2023年2月直接數(shù)字控制系統(tǒng)直接數(shù)字控制系統(tǒng)特點(diǎn)：①多輸入多輸出，在線實(shí)時(shí)控制②分時(shí)方式控制③靈活性、多功能性，控制由計(jì)算機(jī)完成．8第8頁，課件共74頁，創(chuàng)作于2023年2月

計(jì)算機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)9第9頁，課件共74頁，創(chuàng)作于2023年2月(3)第三階段(第三代控制理論)特點(diǎn):①可靠性高，價(jià)格低．由于計(jì)算機(jī)，大規(guī)模集成電路技術(shù)的發(fā)展，使計(jì)算機(jī)功能更強(qiáng)，價(jià)格大幅度降低.在采用了冗余技術(shù),軟硬件自診斷功能等措施后，可靠性提高到基本上能夠滿足工業(yè)控制的要求②多學(xué)科相互交叉,相互滲透.突破了局部控制,進(jìn)入到全局控制.英文縮寫DDC－－直接數(shù)字控制(DirectDigitalControl)DCS－－分布式/集散控制(DistributedControlSystem)CIPS－－計(jì)算機(jī)集成過程(生產(chǎn))系統(tǒng)(ComputerIntegratedProduc-tionSystem)10第10頁，課件共74頁，創(chuàng)作于2023年2月二過程控制的任務(wù)和要求任務(wù)：在了解掌握工藝流程及生產(chǎn)過程的靜態(tài)和動(dòng)態(tài)特性的基礎(chǔ)上，根據(jù)安全性，經(jīng)濟(jì)性，穩(wěn)定性的要求，應(yīng)用理論對(duì)控制系統(tǒng)進(jìn)行分析和綜合，最后采用適宜的技術(shù)手段加以實(shí)現(xiàn)．要求：安全性，經(jīng)濟(jì)性，穩(wěn)定性11第11頁，課件共74頁，創(chuàng)作于2023年2月過程控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)步驟：

加熱爐控制流程圖1)確定控制目標(biāo)要設(shè)計(jì)過程控制系統(tǒng)，首先必須了解控制目標(biāo)．對(duì)于給定的被控過程，可以根據(jù)具體情況提出各種不同的控制目標(biāo).本例中可以有幾個(gè)目標(biāo):①在安全運(yùn)行的條件下，保證熱油出口溫度穩(wěn)定②在安全運(yùn)行條件下，保證熱油出口溫度和煙氣含氧量穩(wěn)定③在安全運(yùn)行條件下，保證熱油出口溫度穩(wěn)定,而且加熱爐熱效最高12第12頁，課件共74頁，創(chuàng)作于2023年2月2)選擇測(cè)量參數(shù)(被調(diào)量)無論采用什么控制方案，都需要通過某些參數(shù)的測(cè)量來控制和監(jiān)視整個(gè)生產(chǎn)過程．參數(shù)由目標(biāo)確定．如需溫度穩(wěn)定，就肯定要檢測(cè)溫度參數(shù)．確定了參數(shù)，應(yīng)選擇合適的測(cè)量元件和變送器．有些參數(shù)難以直接測(cè)量,則應(yīng)通過測(cè)量與之成一定關(guān)系的另一些參數(shù)來獲取3)操作量的選擇一般情況下，操作量都是工藝規(guī)定的，設(shè)計(jì)中沒有多大的選擇余地．但在有多個(gè)操作量和被調(diào)量的情況下，用哪個(gè)操作量去控制哪個(gè)被調(diào)量還是需要認(rèn)真選擇的．4)控制方案的確定控制方案是隨控制目標(biāo)和控制精度要求而不同的,它是整個(gè)設(shè)計(jì)過程中的關(guān)鍵步驟13第13頁，課件共74頁，創(chuàng)作于2023年2月①如果采用的是第一種方案，即：在安全運(yùn)行的條件下，保證熱油出口溫度穩(wěn)定．那么只要對(duì)爐子進(jìn)行人工調(diào)整，使之不冒黑煙，不熄火，保證一定的安全性和經(jīng)濟(jì)性，然后采用熱油出口溫度簡單控制系統(tǒng)的方案就可以滿足要求．②對(duì)于第二個(gè)目標(biāo)，需要煙氣含氧量穩(wěn)定，則可以再加一個(gè)煙氣含氧量簡單控制系統(tǒng)，用兩個(gè)單回路來完成控制任務(wù)．③對(duì)于第三個(gè)控制目標(biāo)，除了分別對(duì)溫度和含氧量采用定值控制外，含氧量的設(shè)定值還應(yīng)該保證加熱爐熱效最高。這需要建立燃燒過程數(shù)學(xué)模型，使之在不同工況下，均能依靠調(diào)整含氧量設(shè)定值保持加熱爐熱效率最高．可以看到，控制策略是隨控制目標(biāo)和控制精度要求而不同的．14第14頁，課件共74頁，創(chuàng)作于2023年2月5)選擇控制算法控制算法由控制方案確定常見的控制算法有：PID控制，解藕控制，最優(yōu)控制等如加熱爐熱油溫度控制，可采用PID控制．6)執(zhí)行器的選擇在自動(dòng)控制系統(tǒng)中,執(zhí)行器的作用是按控制器的命令,直接控制能量或物料等被測(cè)介質(zhì)的輸送,是自動(dòng)控制系統(tǒng)的終端執(zhí)行部件,一般由執(zhí)行機(jī)構(gòu),調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)兩部分組成．按使用能源種類可分為氣動(dòng)，電動(dòng)，液動(dòng)三種．7)設(shè)計(jì)報(bào)警和聯(lián)鎖保護(hù)系統(tǒng)對(duì)于關(guān)鍵參數(shù),應(yīng)根據(jù)工藝要求規(guī)定其高低報(bào)警值,當(dāng)參數(shù)超過報(bào)警值時(shí),應(yīng)立即進(jìn)行越限報(bào)警.報(bào)警系統(tǒng)的作用是及時(shí)提醒操作人員密切注意監(jiān)視生產(chǎn)狀況,以便采取措施減少事故的發(fā)生．聯(lián)鎖保護(hù)系統(tǒng)是指當(dāng)生產(chǎn)出現(xiàn)嚴(yán)重事故時(shí),為保證設(shè)備,人身的安全,使各個(gè)設(shè)備按一定次序緊急停止運(yùn)轉(zhuǎn)的系統(tǒng)．15第15頁，課件共74頁，創(chuàng)作于2023年2月8)控制系統(tǒng)的調(diào)試和投運(yùn)控制系統(tǒng)安裝完畢后，應(yīng)隨著生產(chǎn)過程進(jìn)行試運(yùn)行，按控制要求檢查和調(diào)整各控制儀表和設(shè)備的工作狀況，包括調(diào)節(jié)器參數(shù)的整定等，依次將全部控制系統(tǒng)投入運(yùn)行．對(duì)于一個(gè)從事過程控制的工作者來說，除了掌握控制理論，計(jì)算機(jī)，儀器儀表知識(shí)以及現(xiàn)代控制技術(shù)之外，還要十分熟悉生產(chǎn)過程的工藝流程，從控制的角度理解它的靜態(tài)和動(dòng)態(tài)特性．例如加熱爐運(yùn)行中出現(xiàn)嚴(yán)重事故必須緊急停止運(yùn)行時(shí)，聯(lián)鎖保護(hù)系統(tǒng)應(yīng)采取的停止步驟是：①停燃油泵②關(guān)閉燃油閥③等待一定時(shí)間后停引風(fēng)機(jī)④最后切斷熱油閥．16第16頁，課件共74頁，創(chuàng)作于2023年2月第一篇簡單控制系統(tǒng)簡單控制系統(tǒng):◆單閉合回路◆一個(gè)被調(diào)量,一個(gè)調(diào)節(jié)量,一個(gè)調(diào)節(jié)器,一個(gè)調(diào)節(jié)閥◆約占目前工業(yè)控制的80%簡單控制系統(tǒng)方框圖17第17頁，課件共74頁，創(chuàng)作于2023年2月1-1過程控制系統(tǒng)的性能指標(biāo)研究目的:為了配置合適的控制系統(tǒng),以滿足生產(chǎn)過程的要求.過程控制系統(tǒng)在運(yùn)行中的狀態(tài):穩(wěn)態(tài):①系統(tǒng)不受外來干擾②設(shè)定值保持不變

第一章生產(chǎn)過程的動(dòng)態(tài)特性穩(wěn)態(tài)動(dòng)態(tài)被調(diào)量不隨時(shí)間變化,整個(gè)系統(tǒng)處于穩(wěn)定平衡的工況18第18頁，課件共74頁，創(chuàng)作于2023年2月動(dòng)態(tài):①系統(tǒng)受到外來干擾②改變了設(shè)定值過渡過程:從一個(gè)穩(wěn)態(tài)到達(dá)另一個(gè)穩(wěn)態(tài)的歷程由于被控對(duì)象總是不時(shí)受到各種外來干擾的影響，設(shè)置控制系統(tǒng)的目的也正是為了對(duì)付這種情況，因此系統(tǒng)經(jīng)常處于動(dòng)態(tài)過程，而要評(píng)價(jià)一個(gè)過程控制系統(tǒng)的工作質(zhì)量，只看穩(wěn)態(tài)是不夠的，還應(yīng)該考核它在動(dòng)態(tài)過程中被調(diào)量隨時(shí)間變化的情況．控制系統(tǒng)的性能指標(biāo)可概括為三個(gè)方面穩(wěn)定性

準(zhǔn)確性快速性這三個(gè)方面的要求在時(shí)域上體現(xiàn)為若干性能指標(biāo)，如：衰減比(及衰減)，最大動(dòng)態(tài)偏差(及超調(diào)量)，殘余偏差，調(diào)節(jié)時(shí)間(及振蕩頻率)等．原來的穩(wěn)態(tài)遭到破壞,系統(tǒng)中各組成部分的輸入輸出量都相繼發(fā)生變化,被調(diào)量偏離原穩(wěn)態(tài)值而隨時(shí)間變化19第19頁，課件共74頁，創(chuàng)作于2023年2月閉環(huán)控制系統(tǒng)在設(shè)定值擾動(dòng)下的階躍響應(yīng)r20第20頁，課件共74頁，創(chuàng)作于2023年2月1.衰減比和衰減率衰減比是衡量一個(gè)振蕩過程的衰減程度的指標(biāo),它等于兩個(gè)相臨的同向波峰峰值之比.即衰減比n>1收斂，趨于穩(wěn)定n=1振蕩（等幅）n<1發(fā)散衡量振蕩過程衰減程度的另一個(gè)指標(biāo)為衰減率，它是指每經(jīng)過一個(gè)周期后，波動(dòng)幅度衰減的百分?jǐn)?shù)，即一單項(xiàng)指標(biāo)：衰減率21第21頁，課件共74頁，創(chuàng)作于2023年2月2.最大動(dòng)態(tài)偏差和超調(diào)量最大動(dòng)態(tài)偏差：指設(shè)定值階躍響應(yīng)中,過渡過程開始后第一個(gè)波峰超過其新穩(wěn)態(tài)值的幅度．y1超調(diào)量：最大動(dòng)態(tài)偏差占被調(diào)量穩(wěn)態(tài)變化幅度的百分?jǐn)?shù).σ%=y1/y∞對(duì)于二階振蕩過程而言，超調(diào)量與衰減率有嚴(yán)格的對(duì)應(yīng)關(guān)系．3.殘余偏差:指過渡過程結(jié)束后，被調(diào)量新的穩(wěn)態(tài)值y∞與新的設(shè)定值r之間的差值,它是衡量控制系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)準(zhǔn)確度的指標(biāo)y∞-r4.調(diào)節(jié)時(shí)間和振蕩頻率調(diào)節(jié)時(shí)間是從過渡過程開始到結(jié)束所需的時(shí)間,理論上它需要無限長的時(shí)間,一般認(rèn)為當(dāng)被調(diào)量已進(jìn)入其穩(wěn)態(tài)值的±5%范圍內(nèi),就算過渡過程結(jié)束.22第22頁，課件共74頁，創(chuàng)作于2023年2月穩(wěn)定性：衰減比(衰減率)準(zhǔn)確性：殘余偏差(穩(wěn)態(tài))，最大動(dòng)態(tài)偏差(動(dòng)態(tài))快速性：調(diào)節(jié)時(shí)間，衰減比,振蕩頻率二綜合指標(biāo)在過程控制中，還時(shí)常用誤差積分指標(biāo)衡量控制系統(tǒng)的優(yōu)良程度．它是過渡過程中被調(diào)量偏離新穩(wěn)態(tài)值的誤差沿時(shí)間軸的積分．無論是誤差幅度大或是時(shí)間拖長都會(huì)使誤差積分增大，因此它是一類綜合指標(biāo)，希望它越小越好．誤差積分有各種不同的形式，常用的有：(1)誤差積分(IE)(2)絕對(duì)誤差積分(IAE)絕對(duì)值---AbsoluteValue正負(fù)誤差抵消,對(duì)等幅振蕩不起作用23第23頁，課件共74頁，創(chuàng)作于2023年2月(3)平方誤差積分(ISE)平方---square(4)時(shí)間與絕對(duì)誤差乘積積分(ITAE)

由于誤差積分指標(biāo)的缺陷(不能保證控制系統(tǒng)具有合適的衰減率),通常的做法是首先規(guī)定衰減率的要求,在滿足這個(gè)目標(biāo)的前提下,再來考慮使誤差積分最?。畬?duì)大誤差敏感對(duì)長過渡時(shí)間敏感24第24頁，課件共74頁，創(chuàng)作于2023年2月1-2被控對(duì)象的動(dòng)態(tài)特性1.基本概念動(dòng)態(tài)特性:它是被控對(duì)象本身的性質(zhì),控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)方案都是根據(jù)被控對(duì)象的控制要求和動(dòng)態(tài)特性進(jìn)行的,而且調(diào)節(jié)器參數(shù)的整定也是根據(jù)對(duì)象的動(dòng)態(tài)特性進(jìn)行的.它描述被調(diào)量和調(diào)節(jié)量之間的關(guān)系.過程控制中所涉及的被控對(duì)象,其中所進(jìn)行的過程幾乎都離不開物質(zhì)或能量的流動(dòng)．流入量:從外部流入對(duì)象內(nèi)部的物質(zhì)或能量流出量:從對(duì)象內(nèi)部流出的物質(zhì)或能量被控對(duì)象保持平衡條件:只有流入量與流出量保持平衡,對(duì)象才會(huì)處于穩(wěn)定平衡的工況.25第25頁，課件共74頁，創(chuàng)作于2023年2月例如：液位↓，則液體流出>流入液位↑，液體流出<流入溫度↓，熱量流出>流入，溫度↑，熱量流出<流入轉(zhuǎn)速↓，動(dòng)能流出>流入，轉(zhuǎn)速↑，動(dòng)能流出<流入流入量，流出量與輸入輸出的區(qū)別輸入輸出在控制系統(tǒng)的每個(gè)環(huán)節(jié)都存在，往往一個(gè)環(huán)節(jié)的輸出是另一個(gè)環(huán)節(jié)的輸入．而流入流出量則是通過執(zhí)行結(jié)構(gòu)來實(shí)現(xiàn)的．如液體的出入是通過調(diào)節(jié)閥實(shí)現(xiàn)，溫度的高低是通過電子開關(guān)的通斷實(shí)現(xiàn)，轉(zhuǎn)速的升降可以通過電機(jī)的運(yùn)轉(zhuǎn)實(shí)現(xiàn)．26第26頁，課件共74頁，創(chuàng)作于2023年2月2.若干簡單被控對(duì)象的動(dòng)態(tài)特性1)單容水槽單容水槽Qi---水流入量，由調(diào)節(jié)閥開度μ控制Qo---水流出量，由負(fù)載閥

Ｒ改變被調(diào)量---水位Ｈ，反映水流入流出量的平衡關(guān)系27第27頁，課件共74頁，創(chuàng)作于2023年2月對(duì)于水槽，在起始的穩(wěn)定平衡的工況下，平衡方程為則：28第28頁，課件共74頁，創(chuàng)作于2023年2月設(shè)H在H0附近變化，則：即29第29頁，課件共74頁，創(chuàng)作于2023年2月令則上式為其傳遞函數(shù)為水容水阻時(shí)間常數(shù)30第30頁，課件共74頁，創(chuàng)作于2023年2月單容水槽水位階躍響應(yīng)31第31頁，課件共74頁，創(chuàng)作于2023年2月非線形微分方程的線性化方法嚴(yán)格地說,實(shí)際物理元件或系統(tǒng)都是非線性的,如彈簧的剛度與其形變有關(guān)系,因此彈簧系數(shù)K實(shí)際上是其位移x的函數(shù),并非常數(shù).電阻、電容、電感等參數(shù)值與周圍環(huán)境(溫度、濕度、壓力等)及流過它們的電流有關(guān),也并非常值;電動(dòng)機(jī)本身的摩擦,死區(qū)等非線性因素會(huì)使其運(yùn)動(dòng)方程復(fù)雜化而成為非線性方程.在一定條件下,為了簡化數(shù)學(xué)模型,可以忽略它們的影響,將這些元件視為線性元件.此外，還有一種線性化方法,稱為切線法,特別適合于具有連續(xù)變化的非線性特性函數(shù)，其實(shí)質(zhì)是在一個(gè)很小的范圍內(nèi)，將非線性特性用一段直線來代替．設(shè)連續(xù)變化的非線性函數(shù)為y=f(x),在x=x0出將y=f(x)用泰勒級(jí)數(shù)展開,則有當(dāng)(x-x0)很小時(shí)，略去高次冪，則有32第32頁，課件共74頁，創(chuàng)作于2023年2月令則線性化方程可簡記為略去增量符號(hào)△，便的函數(shù)y=f(x)在工作點(diǎn)x0附近的線性化方程為當(dāng)系統(tǒng)或元件具有非線性特性時(shí),則其動(dòng)態(tài)數(shù)學(xué)模型常為非線性微分方程,而非線性微分方程的解析求解是異常困難的,且由于非線性特性類型不同,沒有通用的解析方法.因此,在理論研究時(shí)總是力圖將非線性問題在合理的情況下簡化處理成線性問題，即所謂的線性化.33第33頁，課件共74頁，創(chuàng)作于2023年2月對(duì)于微分方程在平衡點(diǎn)H0處有兩式相減，有令則代入上式可得34第34頁，課件共74頁，創(chuàng)作于2023年2月即所以一般情況下非線性微分方程的線性化步驟為⑴按給出的非線性微分方程寫出在平衡位置處的微分方程⑵將兩微分方程相減⑶根據(jù)泰勒級(jí)數(shù)將相減后表達(dá)式中非線性部分展開,即為線性微分方程35第35頁，課件共74頁，創(chuàng)作于2023年2月2)單容積分水槽單容積分水槽水槽流出側(cè)裝有水泵，水箱的流出水量與水位無關(guān)在某一時(shí)間dt內(nèi)由得在某一平衡位置H0處，有相減即有36第36頁，課件共74頁，創(chuàng)作于2023年2月單容積分水槽的階躍響應(yīng)單容積分水槽的階躍響應(yīng)方程為該響應(yīng)曲線是一個(gè)發(fā)散過程.與單容水槽不同的是:單容水槽由于出水量由水位控制,相當(dāng)于有一個(gè)自調(diào)節(jié)系統(tǒng),水位增大,則出水量隨之增大,使水位趨于變小.而積分水槽出水量與水位無關(guān),無自調(diào)節(jié)作用,平衡破壞后,很難再次達(dá)到另一個(gè)平衡點(diǎn)．37第37頁，課件共74頁，創(chuàng)作于2023年2月3工業(yè)過程動(dòng)態(tài)特性的特點(diǎn)(被控對(duì)象本身的性質(zhì))

1)對(duì)象的動(dòng)態(tài)特性是不振蕩的對(duì)象的階躍響應(yīng)曲線通常是單調(diào)曲線，被調(diào)量的變化比較緩慢．工業(yè)對(duì)象的幅頻特性M(ω)和相頻特性φ(ω)都隨著頻率的增高而減?。?)對(duì)象動(dòng)態(tài)特性有遲延由于遲延的存在，調(diào)節(jié)閥的動(dòng)作效果往往需要經(jīng)過一段遲延時(shí)間才能在被調(diào)量上表現(xiàn)出來．遲延的主要來源是多個(gè)容積的存在．容積越大和數(shù)目越多，遲延時(shí)間也越長．3)被控對(duì)象本身是穩(wěn)定的或中性穩(wěn)定的自平衡:當(dāng)輸入量改變時(shí)，被調(diào)量能夠自動(dòng)穩(wěn)定在新的位置上，則該過程自平衡率:K---對(duì)象的靜態(tài)增益自衡過程:是自平衡的．(帶純遲延的一階慣性環(huán)節(jié))38第38頁，課件共74頁，創(chuàng)作于2023年2月非自平衡:當(dāng)輸入改變后,不平衡不因被調(diào)量的變化而改變,因而被調(diào)量將以固定的速度一直變化下去而不會(huì)自動(dòng)地在新的水平上恢復(fù)平衡.它是中性平衡的．不穩(wěn)定過程是指原來的平衡一旦破壞，被調(diào)量在很短的時(shí)間內(nèi)就發(fā)生很大的變化．典型工業(yè)過程在調(diào)節(jié)閥開度擾動(dòng)下的階躍(飛升)響應(yīng):非自衡過程:39第39頁，課件共74頁，創(chuàng)作于2023年2月再經(jīng)過τ時(shí)間后，被調(diào)量的變化量近似為對(duì)于非自衡過程，此時(shí)Δy=ετ是準(zhǔn)確成立的，其中因此，可以用ετ的大小作為衡量被控對(duì)象控制難易程度的簡易指標(biāo)．

ετ越大,過程越難控制

ετ越小,過程越易控制對(duì)象受到階躍擾動(dòng),經(jīng)過一段遲延時(shí)間τ后,被調(diào)量開始以某個(gè)速度變化,這個(gè)起始速度稱為響應(yīng)速度，表示為=dy/dt|t=τετ小:K小,ρ大自平衡率大,易于平衡

τ/T小，接近自衡單容過程易于控制過程40第40頁，課件共74頁，創(chuàng)作于2023年2月單純由遲延構(gòu)成的過程是很難控制的,而自平衡的單容過程則極易控制.右圖是自衡過程在調(diào)節(jié)閥開度單位擾動(dòng)下的響應(yīng)的初期情況.為了便于在相同的基礎(chǔ)上對(duì)各種被控對(duì)象進(jìn)行比較,輸入輸出都用相對(duì)值表示．τ---遲延時(shí)間T---時(shí)間常數(shù)時(shí)間常數(shù)T的意義:表示被控對(duì)象以t=τ時(shí)的切線速度一直變化到穩(wěn)態(tài)值時(shí)所需要的時(shí)間．將t=T代入方程可得到也就是對(duì)象受階躍輸入作用后，被控變量達(dá)到新穩(wěn)態(tài)值63.2%所需時(shí)間(可用做驗(yàn)算)y=k(1-e-(t-τ)/T)41第41頁，課件共74頁，創(chuàng)作于2023年2月4)被控對(duì)象具有非線性特性嚴(yán)格地說,幾乎所有的被控對(duì)象的動(dòng)態(tài)特性都呈現(xiàn)非線性特性,只是程度不同而已.如許多被控對(duì)象的增益就不是常數(shù).對(duì)于被控對(duì)象的非線性特性,如果控制精度要求不高或者負(fù)荷變化不大,則可用線性化方法進(jìn)行處理.但是如果非線性不可忽略,必須采用其他方法,如分段線性化的方法,非線性補(bǔ)償或者利用非線性控制理論來進(jìn)行系統(tǒng)的分析和設(shè)計(jì)．需要強(qiáng)調(diào)的是,時(shí)間常數(shù)T越大,被控量的變化越慢,達(dá)到新的穩(wěn)態(tài)值所需要的時(shí)間越長.時(shí)間常數(shù)大的對(duì)象,系統(tǒng)穩(wěn)定性好,動(dòng)態(tài)偏差較小,但同時(shí)系統(tǒng)的調(diào)節(jié)性能變差,一旦系統(tǒng)偏離設(shè)定值后,所需調(diào)節(jié)時(shí)間較長.因此,對(duì)于時(shí)間常數(shù)大的調(diào)節(jié)對(duì)象,在自控系統(tǒng)設(shè)計(jì)時(shí)可適當(dāng)降低系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)偏差要求.但靜態(tài)指標(biāo)應(yīng)嚴(yán)格控制.而對(duì)于時(shí)間常數(shù)小的系統(tǒng),則動(dòng)態(tài)指標(biāo)是控制系統(tǒng)的主要目標(biāo)．42第42頁，課件共74頁，創(chuàng)作于2023年2月4描述過程特性的參數(shù)(放大系數(shù),時(shí)間常數(shù),遲延時(shí)間)

冷物料熱物料W蒸汽QQΔQΔWWtt數(shù)學(xué)表達(dá)式

a蒸汽加熱器系統(tǒng)b溫度響應(yīng)曲線靜態(tài)特性參數(shù)1)放大系數(shù)K(靜態(tài)增益)單位:℃/1%意義:……43第43頁，課件共74頁，創(chuàng)作于2023年2月增益的求?、僖阎獋鬟f函數(shù)②已知模型表達(dá)式(無微分)③已知實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)或調(diào)節(jié)量和被調(diào)量的變化量K非線性P94:1.10,1.1144第44頁，課件共74頁，創(chuàng)作于2023年2月放大系數(shù)K對(duì)系統(tǒng)的影響放大系數(shù)越大，操縱變量的變化對(duì)被控變量的影響就越大，控制作用對(duì)擾動(dòng)的補(bǔ)償能力強(qiáng)，有利于克服擾動(dòng)的影響，余差就越??；反之，放大系數(shù)小，控制作用的影響不顯著，被控變量變化緩慢。但放大系數(shù)過大，會(huì)使控制作用對(duì)被控變量的影響過強(qiáng)，使系統(tǒng)穩(wěn)定性下降?？刂仆ǖ?/p>

當(dāng)擾動(dòng)頻繁出現(xiàn)且幅度較大時(shí)，放大系數(shù)大，被控變量的波動(dòng)就會(huì)很大，使得最大偏差增大；而放大系數(shù)小，即使擾動(dòng)較大，對(duì)被控變量仍然不會(huì)產(chǎn)生多大影響。擾動(dòng)通道45第45頁，課件共74頁，創(chuàng)作于2023年2月2)時(shí)間常數(shù)T以圖直接蒸汽加熱器為例，假設(shè)蒸汽流量作階躍變化，階躍幅值為ΔQ，熱物料出口溫度W(t)隨蒸汽流量變化的曲線可用方程式表示時(shí)間常數(shù)是動(dòng)態(tài)參數(shù)，用來表征被控變量的快慢程度。式中：T為時(shí)間常數(shù)。46第46頁，課件共74頁，創(chuàng)作于2023年2月時(shí)間常數(shù)T對(duì)系統(tǒng)的影響控制通道，對(duì)于擾動(dòng)通道，時(shí)間常數(shù)大，擾動(dòng)作用比較平緩，被控變量的變化比較平穩(wěn)，過程較易控制。控制通道在相同的控制作用下，時(shí)間常數(shù)大，被控變量的變化比較緩慢，此時(shí)過程比較平穩(wěn)，容易進(jìn)行控制，但過渡過程時(shí)間較長；若時(shí)間常數(shù)小，則被控變量的變化速度快，控制過程比較靈敏，不易控制。時(shí)間常數(shù)太大或太小，對(duì)控制上都不利。擾動(dòng)通道47第47頁，課件共74頁，創(chuàng)作于2023年2月3)滯后時(shí)間τ又稱為傳遞滯后。純滯后的產(chǎn)生一般是由于介質(zhì)的輸送、能量傳遞和信號(hào)傳輸需要一段時(shí)間而引起的。

⑴純滯后τ0:皮帶輸送裝置例濃度監(jiān)測(cè)點(diǎn)溶解槽vLXYtt溶解槽過程的響應(yīng)曲線

τ0輸送機(jī)將固體溶質(zhì)由加料斗送至溶解槽所經(jīng)過的時(shí)間，稱為純滯后時(shí)間。其中l(wèi)表示皮帶長度，v表示皮帶移動(dòng)的線速度。不少過程在輸入變化后，輸出并不立即變化，而是要經(jīng)過一段時(shí)間后輸出才發(fā)生變化，這段時(shí)間稱為純滯后(時(shí)間).τ0=L/V48第48頁，課件共74頁，創(chuàng)作于2023年2月

⑵容量滯后τn容量滯后的產(chǎn)生一般是物料或能量傳遞需要通過一定的阻力而引起的。它是多容過程所固有的特性。

τnAh1

Q1Q12h2Q2A1A2ⅠⅡoXYtt串聯(lián)水槽及其響應(yīng)曲線

如圖所示的兩個(gè)串聯(lián)水槽的液位（雙容）過程來說明容量滯后現(xiàn)象.49第49頁，課件共74頁，創(chuàng)作于2023年2月從理論上講,純滯后與容量滯后有著本質(zhì)的區(qū)別,但在實(shí)際生產(chǎn)過程中兩者同時(shí)存在,有時(shí)很難區(qū)別.通常用滯后時(shí)間τ來表示純滯后與容量滯后之和.即τ=τ0+τn.下圖為滯后時(shí)間τ示意圖。滯后時(shí)間τ示意圖τoXYttτ0τn50第50頁，課件共74頁，創(chuàng)作于2023年2月⑶滯后時(shí)間τ對(duì)系統(tǒng)的影響由于存在滯后,使控制作用落后于被控變量的變化,從而使被控變量的偏差增大,控制質(zhì)量下降.滯后時(shí)間越大,控制質(zhì)量越差.控制通道

對(duì)于擾動(dòng)通道,如果存在純滯后,相當(dāng)于擾動(dòng)延遲了一段時(shí)間才進(jìn)入系統(tǒng),而擾動(dòng)在什么時(shí)間出現(xiàn),本來就是無從預(yù)知的,因此,并不影響控制系統(tǒng)的品質(zhì).擾動(dòng)通道中存在容量滯后,可使階躍擾動(dòng)的影響趨于緩和,對(duì)控制系統(tǒng)是有利的.擾動(dòng)通道51第51頁，課件共74頁，創(chuàng)作于2023年2月1.3過程數(shù)學(xué)模型及其建立方法數(shù)學(xué)模型是對(duì)事物行為規(guī)律的數(shù)學(xué)描述，根據(jù)所描述的是事物在穩(wěn)態(tài)下的行為還是在動(dòng)態(tài)下的，數(shù)學(xué)模型有靜態(tài)模型和動(dòng)態(tài)模型之分．1)建立數(shù)學(xué)模型的目的①制訂工業(yè)過程優(yōu)化操作方案②制訂控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)方案,利用數(shù)學(xué)模型進(jìn)行仿真研究

③進(jìn)行控制系統(tǒng)的調(diào)試和調(diào)節(jié)器參數(shù)的整定④設(shè)計(jì)工業(yè)過程的故障檢測(cè)和診斷系統(tǒng)⑤制訂大型設(shè)備啟動(dòng)和停車的操作方案⑥設(shè)計(jì)工業(yè)過程運(yùn)行人員培訓(xùn)系統(tǒng)1.過程數(shù)學(xué)模型的表達(dá)形式與對(duì)模型的要求52第52頁，課件共74頁，創(chuàng)作于2023年2月2)被控對(duì)象數(shù)學(xué)模型的表達(dá)形式(1)按系統(tǒng)的連續(xù)性劃分：連續(xù)系統(tǒng)模型，離散系統(tǒng)模型(2)按模型的結(jié)構(gòu)劃分：輸入輸出模型，狀態(tài)空間模型(3)輸入輸出模型按域劃分：時(shí)域---階躍響應(yīng)，脈沖響應(yīng)頻域---傳遞函數(shù)在控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)中,所需的被控對(duì)象數(shù)學(xué)模型在表達(dá)方式上因情況而異.例如：PID控制要求過程模型用傳遞函數(shù)表達(dá)；二次型最優(yōu)控制要求用狀態(tài)空間表達(dá)式；基于參數(shù)估計(jì)的自適應(yīng)控制通常要求用脈沖傳遞函數(shù)表達(dá);預(yù)測(cè)控制要求用階躍響應(yīng)或脈沖響應(yīng)表達(dá)．53第53頁，課件共74頁，創(chuàng)作于2023年2月3)被控對(duì)象數(shù)學(xué)模型的利用方式離線：數(shù)學(xué)模型只是在進(jìn)行控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)研究中或在控制系統(tǒng)的調(diào)試整定階段發(fā)揮作用在線：將數(shù)學(xué)模型作為一個(gè)組成部分砌入控制系統(tǒng)中4)被控對(duì)象對(duì)數(shù)學(xué)模型的要求用于控制的數(shù)學(xué)模型并不要求非常準(zhǔn)確.閉環(huán)控制本身具有一定的魯棒性,模型的誤差可視為干擾,而閉環(huán)控制具有自動(dòng)消除干擾的能力．另外,控制工程師在建立數(shù)學(xué)模型時(shí),應(yīng)該突出主要因素,忽略次要因素.為此需要作很多近似處理,如：線性化，分布參數(shù)系統(tǒng)集總化,模型降階處理.54第54頁，課件共74頁，創(chuàng)作于2023年2月2.建模的兩個(gè)基本方法(機(jī)理法測(cè)試法)1)機(jī)理法它是根據(jù)生產(chǎn)過程中實(shí)際發(fā)生的變化機(jī)理，寫出各種有關(guān)的平衡方程如：物質(zhì)平衡方程；能量平衡方程；動(dòng)量平衡方程等基本規(guī)律的運(yùn)動(dòng)方程，物性參數(shù)方程和某些設(shè)備的特性方程，從中獲得所需的數(shù)學(xué)模型．條件：充分掌握生產(chǎn)過程的機(jī)理，可以用數(shù)學(xué)進(jìn)行確切的描述隨著計(jì)算機(jī)的使用，只要機(jī)理清楚，可以用計(jì)算機(jī)求解幾乎任何復(fù)雜系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型，而且根據(jù)對(duì)模型的要求，合理的近似假定必不可少要求：模型應(yīng)該盡量簡單，同時(shí)保證達(dá)到合理的精度，有時(shí)還需要考慮實(shí)時(shí)性的問題55第55頁，課件共74頁，創(chuàng)作于2023年2月雙容水槽雙容水槽雙容水槽有兩個(gè)串聯(lián)在一起的水槽,它們之間的連通管具有阻力,因此兩者的水位是不同的.兩個(gè)水槽的物料平衡方程為:其中56第56頁，課件共74頁，創(chuàng)作于2023年2月將(3)代入(1)可得令則將(3)代入(2)可得其中(4)(5)將(5)式對(duì)t微分可得：57第57頁，課件共74頁，創(chuàng)作于2023年2月則有(6)r*(4)+(5)得代入(6)傳遞函數(shù)為58第58頁，課件共74頁，創(chuàng)作于2023年2月雙容水槽的水位H2運(yùn)動(dòng)方程是一個(gè)二階微分方程，它是被控對(duì)象中含有兩個(gè)串聯(lián)容積的反映．圖中t0t1是由于多加了一個(gè)儲(chǔ)蓄容積而使階躍響應(yīng)向后推遲的時(shí)間，稱為容積遲延．如果系統(tǒng)中串聯(lián)的容積越多和越大，則容積遲延也越大，這往往是有些工業(yè)過程難以控制的原因．雙容水槽的階躍響應(yīng)59第59頁，課件共74頁，創(chuàng)作于2023年2月2)測(cè)試法建模根據(jù)工業(yè)過程輸入和輸出的實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行某種數(shù)學(xué)處理后得到的模型適用范圍：只用于建立輸入輸出模型特點(diǎn)：把工業(yè)過程視為一個(gè)黑匣子，完全從外特性上測(cè)試和描述它的動(dòng)態(tài)特性，不需深入了解內(nèi)部機(jī)理實(shí)驗(yàn)過程：①激勵(lì)過程的動(dòng)態(tài)特性只有當(dāng)它處于變動(dòng)狀態(tài)下才會(huì)表現(xiàn)出來．在穩(wěn)態(tài)下是表現(xiàn)不出來的．因此為了獲得動(dòng)態(tài)特性，必須使被研究的過程處于被激勵(lì)狀態(tài),如施加一個(gè)階躍或脈沖擾動(dòng)．為了有效地進(jìn)行動(dòng)態(tài)特性測(cè)試，還是有必要對(duì)過程的內(nèi)部機(jī)理有明確的定性了解，如哪些主要因素在起作用60第60頁，課件共74頁，創(chuàng)作于2023年2月階躍響應(yīng)的獲取原理：給已經(jīng)處于平衡狀態(tài)下的過程一個(gè)突變的擾動(dòng)信號(hào)，比如增大輸入量，系統(tǒng)在此情況下由于自身的調(diào)節(jié)作用，過渡到另一個(gè)穩(wěn)態(tài)．注意事項(xiàng):不能使正常生產(chǎn)受到嚴(yán)重干擾;盡量減小其他隨機(jī)擾動(dòng)的影響;應(yīng)考慮系統(tǒng)中的非線性因素.為了得到可靠的測(cè)試結(jié)果,應(yīng)注意下列事項(xiàng)：ⅰ)

階躍擾動(dòng)信號(hào)的幅度應(yīng)合理.幅度過小不能保證測(cè)試結(jié)果的可靠性(隨機(jī)干擾嚴(yán)重),過大則會(huì)干擾正常生產(chǎn)，危及生產(chǎn)安全，通常，擾動(dòng)量取為額定值的8~10%ⅱ)實(shí)驗(yàn)開始前確保被控對(duì)象處于某一穩(wěn)定工況,實(shí)驗(yàn)期間應(yīng)設(shè)法避免發(fā)生偶然性的其他擾動(dòng)．ⅲ)考慮到實(shí)際被控對(duì)象的非線性,應(yīng)選取不同的負(fù)荷,在被調(diào)量的不同設(shè)定值下，進(jìn)行多次測(cè)試．同一負(fù)荷和被調(diào)量的同一設(shè)定值下,也要在正向和反向擾動(dòng)下多次重復(fù)測(cè)試，以求全面掌握對(duì)象的動(dòng)態(tài)特性.61第61頁，課件共74頁，創(chuàng)作于2023年2月為了能夠施加比較大的擾動(dòng)幅度而又不至于嚴(yán)重干擾正常生產(chǎn),可以用矩形脈沖輸入代替正常的階躍輸入,即大幅度的階躍擾動(dòng)施加一小段時(shí)間后立即消除．圖中矩形脈沖輸入u(t)可視為兩個(gè)階躍擾動(dòng)u1(t)u2(t)的疊加，它們的幅度相等但方向相反并且開始的時(shí)間不同．其中假定對(duì)象無明顯非線性，則矩形脈沖響應(yīng)就是兩個(gè)階躍響應(yīng)之和，即62第62頁，課件共74頁，創(chuàng)作于2023年2月②數(shù)據(jù)測(cè)試測(cè)試量：測(cè)試特定響應(yīng)下輸出量隨時(shí)間變化的一系列點(diǎn)．③擬合步驟：(選定傳遞函數(shù)形式確定參數(shù))ⅰ)

選型在擬合時(shí),首先要選定模型的結(jié)構(gòu).典型的工業(yè)過程的傳遞函數(shù)可以選取多種形式,如：a)一階慣性環(huán)節(jié)加純遲延b)二階或n階慣性環(huán)節(jié)