工業(yè)過程控制工程課件第二章 控制系統(tǒng)組成及指標(biāo).ppt

1、第二章 控制系統(tǒng)組成及指標(biāo),簡單控制系統(tǒng)是由一個(gè)被調(diào)量、一個(gè)控制量而且只用一個(gè)調(diào)節(jié)器、一個(gè)調(diào)節(jié)閥所組成的一個(gè)閉合回路。 簡單控制系統(tǒng)是最基本、最常見、應(yīng)用最廣泛的控制系統(tǒng)，約占控制回路的80 以上。,2.1 控制系統(tǒng)組成 2.2 控制性能指標(biāo),2.1 控制系統(tǒng)組成,2.1.1 控制系統(tǒng)組成 2.1.2 控制系統(tǒng)的方框圖,自動(dòng)調(diào)節(jié)中的一些常用術(shù)語,1被調(diào)量（被控制量） 表征生產(chǎn)過程是否正常運(yùn)行并需要加以調(diào)節(jié)的物理量。 2給定值 按生產(chǎn)要求被調(diào)量必須維持的希望值。 3控制對象（被控對象） 被調(diào)節(jié)的生產(chǎn)過程或設(shè)備稱為控制對象。 4調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu) 可用來改變進(jìn)入控制對象的物質(zhì)或能量的裝置稱為調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)。 5控

2、制量（調(diào)節(jié)量） 由調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)(閥門、擋板等)改變的流量(或能量)，用以控制被調(diào)量的變化。,6擾動(dòng) 引起被調(diào)量偏離其給定值的各種原因稱為擾動(dòng)。 如果擾動(dòng)不包括在控制回路內(nèi)部(例外界負(fù)荷)，稱為外擾。 如果擾動(dòng)發(fā)生在控制回路內(nèi)部，稱為內(nèi)擾。 由于調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)開度變化造成的擾動(dòng)，稱為基本擾動(dòng)。 變更控制器的給定值的擾動(dòng)稱為給定值擾動(dòng),也稱控制作用擾動(dòng)。 7控制過程（調(diào)節(jié)過程） 原來處于平衡狀態(tài)的控制對象，一旦受到擾動(dòng)作用，被調(diào)量就會(huì)偏離給定值。要通過自動(dòng)控制儀表或運(yùn)行人員的調(diào)節(jié)作用使被調(diào)量重新恢復(fù)到新的平衡狀態(tài)的過程，稱為調(diào)節(jié)過程。 8自動(dòng)控制系統(tǒng) 自動(dòng)控制儀表和控制對象通過信號(hào)的傳遞互相聯(lián)系起來就構(gòu)成一

3、個(gè)自動(dòng)控制系統(tǒng)。,2.1.1 控制系統(tǒng)組成,自動(dòng)控制系統(tǒng)是在人工控制的基礎(chǔ)上產(chǎn)生和發(fā)展起來的。 例1 液位控制系統(tǒng) ：,圖2.1-1為液體儲(chǔ)罐內(nèi)液位的人工控制示意圖。從維持生產(chǎn)平穩(wěn)進(jìn)行考慮，工藝上希望罐內(nèi)的液位h 能維持在所希望的位置hs上。液位h 是需要控制的工藝變量，稱為被控變量。顯然，當(dāng)進(jìn)水量Qi或出水量Qo波動(dòng)時(shí)，都會(huì)使罐內(nèi)的液位發(fā)生變化。現(xiàn)假定通過控制出水量Qo維持液位的恒定，稱Qo為操縱變量。進(jìn)水量Qi是造成被控變量產(chǎn)生不期望波動(dòng)的原因，稱為擾動(dòng)。,圖2.1-1 液位人工控制示意圖,若由操作工來完成這一控制任務(wù)，所要做的工作是： 用眼睛觀察液位計(jì)實(shí)際液位的指示值，并通過神經(jīng)系統(tǒng)告訴

4、大腦； 通過大腦對眼睛觀測到的實(shí)際液位值與事先在大腦中儲(chǔ)存好的希望值即給定值進(jìn)行比較，根據(jù)偏差的大小和方向，經(jīng)過分析、思考，然后根據(jù)操作經(jīng)驗(yàn)發(fā)出命令； 根據(jù)大腦發(fā)出的控制命令，通過手去改變出水閥門開度，以改變Qo來控制液位； 反復(fù)執(zhí)行上述操作，直到將液位控制到所希望的數(shù)值上。 上述操作工通過眼、腦、手相互配合完成液位的控制過程就是一個(gè)人工控制過程。,由于人工控制受到生理上的限制，滿足不了大型現(xiàn)代化生產(chǎn)的要求。如果能用一些儀表或裝置來代替操作工的眼、腦、手自動(dòng)地完成控制任務(wù)，不僅能大大減輕操作工的勞動(dòng)強(qiáng)生度，而且可大大提高控制速度和精度。為此，采用液位測量變送器LT檢測液位值并轉(zhuǎn)換為標(biāo)準(zhǔn)信號(hào)，如

5、420mA。這一測量信號(hào)送往液位控制器LC，控制器的設(shè)定值由人工給定?？刂破鞲鶕?jù)偏差的正負(fù)、大小及變化情況，發(fā)出控制信號(hào)?？刂破鞯妮敵鏊屯鶊?zhí)行器，此處為控制閥，控制閥根據(jù)控制信號(hào)變化增大或減小閥門的開度，調(diào)節(jié)出水流量，使測量值接近或等于給定值。這樣，就構(gòu)成了液位自動(dòng)控制系統(tǒng)。,圖2.1-2 液位自動(dòng)控制系統(tǒng),TI表示溫度指示，TT表示溫度變送器，TIC表示溫度指示控制，HC表示手動(dòng)控制。,表2.1-1 被測變量和儀表功能的代號(hào),例2 溫度控制系統(tǒng),它由蒸汽加熱器、溫度變送器TT、溫度控制器TC 和蒸汽流量控制閥組成?？刂频哪繕?biāo)是保持流體出口溫度恒定。當(dāng)進(jìn)料流量或溫度等因素的變化引起出口物料的溫

6、度變化時(shí)，通過溫度變送器TT測得溫度的變化，并將其信號(hào)送至溫度控制器TC與給定值進(jìn)行比較，溫度控制器TC根據(jù)其偏差信號(hào)進(jìn)行運(yùn)算后將控制命令送至控制閥，以改變蒸汽流量來維持出口溫度。,圖2.1-3 蒸汽加熱器溫度自動(dòng)控制系統(tǒng),例3 流量控制系統(tǒng),它由管路系統(tǒng)、孔板和差壓變送器、流量控制器FC和流量控制閥組成?？刂频哪繕?biāo)是保持流量恒定。當(dāng)管道其他部分阻力發(fā)生變化或有其他擾動(dòng)時(shí)，流量將偏離設(shè)定值。利用孔板作為檢測元件，把孔板上、下游的靜壓用連接導(dǎo)管接至差壓變送器，將流量信號(hào)轉(zhuǎn)化為標(biāo)準(zhǔn)電流信號(hào)；該信號(hào)送至流量控制器FC 與給定值進(jìn)行比較，流量控制器FC 根據(jù)其偏差信號(hào)進(jìn)行運(yùn)算后將控制命令送至控制閥，改

7、變閥門開度，就調(diào)整了管道中流體的阻力，從而影響了流量，使流量維持在設(shè)定值。,圖2.1-4 流量控制系統(tǒng),簡單控制系統(tǒng)特征： 被控對象 也稱對象。是指被控制的生產(chǎn)設(shè)備或裝置。針對以上三例，分別是液罐、蒸汽加熱器、管路系統(tǒng)。被控對象需要控制的變量稱為被控變量，上述各例中為液位、溫度：流量。 測量變送器 測量被控變量，并按一定的規(guī)律將其轉(zhuǎn)換為標(biāo)準(zhǔn)信號(hào)的輸出，作為測量值。標(biāo)準(zhǔn)信號(hào)的含義是其上下限符合規(guī)定系列010mA，420mA，0.020.1MPa,執(zhí)行器 常用的是控制閥。接受控制器來的信號(hào)u，直接改變操縱變量q。操縱變量是被控對象的某輸入變量，通過操作這個(gè)變量可克服擾動(dòng)對被控變量的影響，通常是由執(zhí)

8、行器控制的某工藝流量。 控制器 也稱調(diào)節(jié)器。它將被控變量的設(shè)定值與測量值進(jìn)行比較得出偏差信號(hào)e，并按一定規(guī)律給出控制信號(hào)u 。,2.1.2 控制系統(tǒng)的方框圖,用文字?jǐn)⑹龅姆椒▉砻枋隹刂葡到y(tǒng)的組成和工作原理較為繁瑣，在自動(dòng)控制中常常采用直觀圖形的方法來表達(dá)，即方框圖 。,圖2.1-5 簡單控制系統(tǒng)的方框圖,幾點(diǎn)說明：,方框圖中的各個(gè)信號(hào)值都是增量，增益放大系數(shù)和傳遞函數(shù)都是在穩(wěn)態(tài)值為零的條件下得到的。 各環(huán)節(jié)的增益有正、負(fù)之分/ 方框圖中箭頭方向表示的是信號(hào)的流向，指向與指離的關(guān)系，使原因與后果的關(guān)系，不是物料或能量的流向。,區(qū)分輸入量、輸出量和流入量、流出量： 從物料平衡和能量平衡的角度看，把

9、被控對象視為一隔離體，從外部流入對象內(nèi)部的物質(zhì)或能量流稱為流入量從對象內(nèi)部流出的流量稱為流出量。在控制系統(tǒng)中，無論流入量和流出量，它們作為引起被控變量（輸出量）變化的原因，都是被控對象的輸入量。,在有些框圖表示中，各環(huán)節(jié)除Gc(s)外，其他合并成一個(gè)環(huán)節(jié)G0(s)，稱廣義對象。整個(gè)系統(tǒng)由 Gc(s)和 G0(s)組成。 在有些框圖表示中，把擾動(dòng)項(xiàng)F(s)和操作變量項(xiàng)Q(s)直接相加，認(rèn)為擾動(dòng)通道與控制通道的傳遞函數(shù)都是Gp(s）。,2.2 控制性能指標(biāo),2.2.1 控制系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)和動(dòng)態(tài) 2.2.2 階躍輸入和過渡過程的形式 2.2.3 控制系統(tǒng)的性能指標(biāo),2.2.1 控制系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)和動(dòng)態(tài),工業(yè)

10、過程控制系統(tǒng)在運(yùn)行中有兩種狀態(tài)。 一種是穩(wěn)態(tài)，此時(shí)系統(tǒng)沒有受到任何外來擾動(dòng)，同時(shí)設(shè)定值保持不變，因而被控變量也不會(huì)隨時(shí)間變化，整個(gè)系統(tǒng)處于穩(wěn)定平衡的工況。 另一種是動(dòng)態(tài)，當(dāng)系統(tǒng)受到外來擾動(dòng)的影響或者愛改變了設(shè)定值后，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應(yīng)發(fā)生變化，尤其是被控變量也將偏離原穩(wěn)態(tài)值而隨時(shí)間變化，這時(shí)系統(tǒng)處于動(dòng)態(tài)。經(jīng)過一段調(diào)整時(shí)間后，如果系統(tǒng)是穩(wěn)定的，被控變量將會(huì)重新達(dá)到新設(shè)定值或其附近，系統(tǒng)又恢復(fù)穩(wěn)定平衡工況。這種從一個(gè)穩(wěn)態(tài)到達(dá)另一個(gè)穩(wěn)態(tài)的歷程稱為過渡過程。 顯然，要評價(jià)一個(gè)過程控制系統(tǒng)的工作質(zhì)量，只著穩(wěn)態(tài)是不夠的，還應(yīng)該考核它在動(dòng)態(tài)過程中被控變量隨時(shí)間變化的情況。

11、,2.2.2 階躍輸入和過渡過程的形式,在生產(chǎn)中，出現(xiàn)的擾動(dòng)是沒有固定形式的，多半屬于隨機(jī)性質(zhì)。在分析和設(shè)計(jì)控制系統(tǒng)時(shí)，為了安全和方便，常選擇一些典型的輸人形式，其中最常用的是階躍輸入，其形式如圖2.2-1 所示。,所謂階躍輸入就是在某一時(shí)刻，輸入突然階躍式變化，并繼續(xù)保持在這個(gè)幅度上。階躍輸入容易產(chǎn)生而且簡單，同時(shí)階躍輸入是一種很劇烈的擾動(dòng)，如果一個(gè)控制系統(tǒng)能夠有效地克服階躍擾動(dòng)，那么對于其他比較緩和的擾動(dòng)一般也能滿足性能指標(biāo)要求。,圖2.2-1 階躍輸入,在階躍輸入下，過渡過程的形式可分為振蕩過程和非周期過程。 非周期過程是指系統(tǒng)受到擾動(dòng)后，在控制作用下，被控變量的變化是單調(diào)的增大或減小的

12、過程。,被控變量的變化是單調(diào)上升或減小，偏離給定值越來越遠(yuǎn)程為非周期發(fā)散過程。,被控變量的變化速度越來越慢，逐步趨近于給定值而穩(wěn)定下來，成為非周期衰減過程。,振蕩過程是指當(dāng)系統(tǒng)受到擾動(dòng)作用后在控制作用下，被控變量在其給定值附近上下波動(dòng)的過程。,如果系統(tǒng)受到擾動(dòng)后，被控變量的波動(dòng)幅度愈來愈大，稱為發(fā)散振蕩過程。,如受擾動(dòng)后，被控變量始終在其給定值附近波動(dòng)且波動(dòng)幅度相等，稱為等幅振蕩過程。,如受擾動(dòng)后，被控變量波動(dòng)的幅度越來越小，最后逐漸趨于穩(wěn)定，稱為衰減振蕩過程。衰減振蕩過程變化趨勢明顯，易于觀察，過渡過程短，控制系統(tǒng)經(jīng)常采用這種曲線作為分析系統(tǒng)性能指標(biāo)的典型曲線。,2.2.3 控制系統(tǒng)的性能指

13、標(biāo),一個(gè)控制過程的優(yōu)劣在于設(shè)定值發(fā)生變化或系統(tǒng)受到擾動(dòng)作用后，能否在控制器的作用下穩(wěn)定下來，及克服擾動(dòng)造成的偏差而回到設(shè)定值的準(zhǔn)確性、平穩(wěn)性和快速型如何。 采用兩類性能指標(biāo)：階躍響應(yīng)曲線的幾個(gè)征參數(shù)作為性能指標(biāo)和偏差積分性能指標(biāo)。,（1）階躍響應(yīng)曲線的幾個(gè)征參數(shù)作為性能指標(biāo) 在工業(yè)過程控制中經(jīng)常采用時(shí)域方面的單項(xiàng)指標(biāo)，并以階躍作用下的過渡過程為準(zhǔn)。,圖2.2-3 設(shè)定值和擾動(dòng)作用階躍變化時(shí)過渡過程的典型曲線,設(shè)被控變量最終穩(wěn)態(tài)值是C，超出其最終穩(wěn)態(tài)值的最大瞬態(tài)偏差為B。,主要的時(shí)域指標(biāo)包括衰減比、超調(diào)量與最大動(dòng)態(tài)偏差、余差、調(diào)節(jié)時(shí)間和振蕩頻率、上升時(shí)間和峰值時(shí)間等。 衰減比 衰減比表示振蕩過程

14、的衰減程度，是衡量過渡過程穩(wěn)定程度的動(dòng)態(tài)指標(biāo)，它等于曲線中前后兩個(gè)相鄰波峰值之比，即,說明： 衰減比習(xí)慣上表示為n:1。衰減比nl，過渡過程是發(fā)散振蕩；衰減比n= 1 ，過渡過程是等幅振蕩；衰減比n1，過渡過程是衰減振蕩，n越大，衰減越大，系統(tǒng)越接近非周期過程。為了保持足夠的穩(wěn)定裕度，衰減比一般取(4:1)(10:1)，大約經(jīng)過兩個(gè)周期，系統(tǒng)趨于新的穩(wěn)態(tài)值。,超調(diào)量與最大動(dòng)態(tài)偏差 在隨動(dòng)控制系統(tǒng)中，定程度的指標(biāo)。則定義超調(diào)量為,若整個(gè)閉環(huán)系統(tǒng)可看做二階振蕩環(huán)節(jié)，則有,對定值控制系統(tǒng)來說，最終穩(wěn)態(tài)值是零或是很小的數(shù)值，仍用 作為超調(diào)情況的指標(biāo)就不合適了。通常改用最大動(dòng)態(tài)偏差A(yù)作為一項(xiàng)指標(biāo)，它指在

15、單位階躍擾動(dòng)下，最大振幅B與最終穩(wěn)態(tài)值C之和的絕對值。,余差 余差是系統(tǒng)的最終穩(wěn)態(tài)偏差，即過渡過程終了時(shí)新穩(wěn)態(tài)值與給定值之差。,對于定值控制系統(tǒng)，r=0，則有,余差是反映控制精確度的一個(gè)穩(wěn)態(tài)指標(biāo)，相當(dāng)于生產(chǎn)中允許的被控變量與給定值之間長期存在的偏差。,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。過渡過程要絕對地達(dá)到新的穩(wěn)態(tài)，理論上需要無限長的時(shí)間，一般認(rèn)為當(dāng)被控變量進(jìn)入新穩(wěn)態(tài)值附近5%或2%以內(nèi)區(qū)域，并保持在該區(qū)域內(nèi)時(shí)，過渡過程結(jié)束，此時(shí)所需要的時(shí)間稱為調(diào)節(jié)時(shí)間。調(diào)節(jié)時(shí)間是反映控制系統(tǒng)快速性的一個(gè)指標(biāo)。,過渡過程振蕩頻率 是振蕩周期P的倒數(shù)，記為,在同樣的振蕩頻率下，衰減比越

16、大，則調(diào)節(jié)時(shí)間越短。而在同樣的衰減比下，振蕩頻率越高，則調(diào)節(jié)時(shí)間越短。因此，振蕩頻率在一定程度下也可作為衡量控制快速性的指標(biāo)。,峰值時(shí)間和上升時(shí)間 被控變量達(dá)到最大值時(shí)的時(shí)間稱為峰值時(shí)間。過渡過程開始到被控變量第一個(gè)波峰時(shí)的時(shí)間稱為上升時(shí)間。它們都是反映系統(tǒng)快速性的指標(biāo)。,(2)偏差積分性能指標(biāo) 常用的綜合性能指標(biāo)是偏差積分指標(biāo)，它是過渡過程中偏差和時(shí)間的某些函數(shù)沿時(shí)間軸的積分，可表示為,無論是偏差幅度或是偏差存在的時(shí)間都與指標(biāo)有關(guān)，可以兼顧衰減比、超調(diào)量、調(diào)節(jié)時(shí)間各方面因素，因此它是一類綜合指標(biāo)。 一般說來，過渡過程中的動(dòng)態(tài)偏差越大，或是調(diào)節(jié)得越慢，則目標(biāo)函數(shù)值將越大，表明控制品質(zhì)越差。,偏差積分性能指標(biāo)幾種形式: 偏差積分IE,平方偏差積分ISE,絕對偏差積分IAE,時(shí)間與偏差絕對值的積分ITAE,IE的缺點(diǎn)是不能保證控制系統(tǒng)具有合適的衰減比。如一個(gè)等幅震蕩過程，IE卻等于0，現(xiàn)仍然不合理，所以很少用。 IAE 在圖形上也就是偏差面積積分。這種指標(biāo)，對出現(xiàn)在設(shè)定值附近的偏差面積與出現(xiàn)在遠(yuǎn)離設(shè)定值的偏差面積是同等看待的，根據(jù)這一指標(biāo)設(shè)計(jì)的二階或近似二階的系統(tǒng)，在單位階躍輸入信號(hào)下，具有較快的過渡過程和不大的超調(diào)量（約為5%) ，是一種常用的誤差性能指標(biāo)。 ITAE指標(biāo)，實(shí)質(zhì)