習(xí)題講解鄭重聲明本PPT可以下載，但禁止轉(zhuǎn)載。1ppt課件第一章P16頁思考與習(xí)題1-1自動(dòng)控制系統(tǒng)主要由哪里些環(huán)節(jié)組成？各環(huán)節(jié)起什么作用？答：自動(dòng)控制系統(tǒng)由被控對(duì)象、測(cè)量變送器、執(zhí)行器（控制閥）和控制器組成。被告控對(duì)象：是指被控制的生產(chǎn)設(shè)備或裝置。測(cè)量變送器：用于測(cè)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)作為輸出。執(zhí)行器：常用的是控制閥，接受來自控制器的命令信號(hào)，用于改變控制閥的開度?？刂破鳎核鼘⒈桓婵刈兞康臏y(cè)量值班與設(shè)定值進(jìn)行比較，得出偏差信號(hào)e(t)，并按一定規(guī)律性輸出控制信號(hào)u(t)。2ppt課件1-2試討論比較常見的計(jì)算機(jī)控制裝置的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)與特點(diǎn)1）直接數(shù)字控制：計(jì)算靈活，不僅能實(shí)現(xiàn)典型的PID控制規(guī)律，還可以分時(shí)處理多個(gè)控制回路。2）集中型計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)：可實(shí)現(xiàn)解耦控制、聯(lián)鎖控制等各種更復(fù)雜的控制功能；信息集中，便于實(shí)現(xiàn)操作管理與優(yōu)化生產(chǎn)；靈活性大，控制回路的增減、控制方案的改變可由軟件來實(shí)現(xiàn)；人機(jī)交互好，操作方便。3）集散控制系統(tǒng)：同時(shí)適應(yīng)管理與控制兩方面的需要，一方面使用若干個(gè)控制器完成系統(tǒng)的控制任務(wù)，每個(gè)控制器實(shí)現(xiàn)一定的控制目標(biāo)，可以獨(dú)立的完成數(shù)據(jù)采集、信號(hào)處理、算法實(shí)現(xiàn)與控制輸出等功能；另一方面，強(qiáng)調(diào)穦的集中性。3ppt課件1-3P:被控變量，儲(chǔ)罐：被控對(duì)象U:控制變量，進(jìn)氣流量：操縱變量被控變量：被控對(duì)象需要維持在其理想值的工藝變量，也是測(cè)量變送的輸入?？刂谱兞浚嚎刂破鞯妮敵鲭娦盘?hào)。操作變量：執(zhí)行器的操作對(duì)象，對(duì)被控變量有影響。擾動(dòng)變量:影響被控變量的變量（除了操作變量）。4ppt課件壓力控制器控制對(duì)象進(jìn)氣控制閥干擾通道測(cè)量變送5ppt課件1-4以圖1-16所示的液位控制系統(tǒng)為例，當(dāng)進(jìn)料量Qi突然增大時(shí)，詳細(xì)說明系統(tǒng)如何運(yùn)用反饋控制機(jī)制來實(shí)現(xiàn)液位定值控制之目的。液位控制器控制對(duì)象流出控制閥測(cè)量變送

假設(shè)控制閥為氣關(guān)閥，控制器為反作用，偏差為指定值與測(cè)量值之差。6ppt課件答：根據(jù)輸出相對(duì)于輸入變化的響應(yīng)情況可將過程分為兩大類：自衡過程和非自衡過程。自衡過程：當(dāng)輸入變化時(shí)，無需外加的任何控制作用，過程能夠自發(fā)地趨于新的平衡狀態(tài)的性質(zhì)稱為自衡性。自衡過程包括純滯后過程、單容過程和多容過程。非自衡過程：與自衡過程不同，當(dāng)輸入發(fā)生變化時(shí)，非自衡過程不能夠自發(fā)地趨于新的平衡狀態(tài)。習(xí)題2-1工業(yè)過程中被控對(duì)象的動(dòng)態(tài)特性有哪些特點(diǎn)？7ppt課件習(xí)題2-2液阻：凡是能局部改變液流的通流面積使液流產(chǎn)生壓力損失（阻力特性）或在壓力差一定情況下，分配調(diào)節(jié)流量（控制特性）的液壓閥口以及類似結(jié)構(gòu)，如薄壁小孔、短孔、細(xì)長(zhǎng)孔、縫隙等，都稱之為液阻。各種液阻都應(yīng)滿足流量壓力方程。液阻可類似電阻用R=P/q確定,P與液位差ΔH有關(guān)?；蛘?當(dāng)液體流過一段較長(zhǎng)的管道或各種閥孔、彎管及管接頭時(shí)，由于流動(dòng)液體各質(zhì)點(diǎn)之間以及液體與管壁之間的相互摩擦和碰撞會(huì)產(chǎn)生阻力，這種阻礙液體流動(dòng)的阻力稱為液阻。液阻的大小由流量和壓力決定8ppt課件（1）據(jù)液體力學(xué)原理有：9ppt課件（2）過程的方框圖10ppt課件習(xí)題2-3:機(jī)理建模舉例(1)列寫過程微分方程組;(2)畫出方框圖;(3)求傳遞函數(shù)11ppt課件習(xí)題2-3:列寫狀態(tài)方程物料平衡方程:將流量方程代入物料平衡方程,即得到過程狀態(tài)方程12ppt課件習(xí)題2-3:狀態(tài)方程傳遞函數(shù)表示由以上傳遞函數(shù)方程,可畫出相應(yīng)的方框圖.13ppt課件習(xí)題2-3:過程傳遞函數(shù)方框圖14ppt課件習(xí)題2-3:計(jì)算輸入輸出傳遞函數(shù)利用方框圖等效變換;直接用傳遞函數(shù)計(jì)算公式;通過求解傳遞函數(shù)方程組.15ppt課件2-4什么是線性化？為什么在過程控制中經(jīng)常采用近似線性化模型？所謂線性化，就是在一定的條件下作某種近似，或者縮小一些工作范圍，而將非線性微分方程近似地作為線性微分方程來處理。自然界中并不存在真正的線性系統(tǒng)，而所謂的線性系統(tǒng)，也只是在一定的工作范圍內(nèi)保持其線性關(guān)系。實(shí)際上，所有元件和系統(tǒng)在不同程度上，均具有非線性的性質(zhì)。例如，機(jī)械系統(tǒng)中的阻尼器，在低速時(shí)可以看作線性的，但在高速時(shí)，粘性阻尼力則與運(yùn)動(dòng)速度的平方成正比，而為非線性函數(shù)關(guān)系。又例如，電路中的電感，由于磁路中鐵心受飽和的影響，電感值與流過的電流呈非線性函數(shù)關(guān)系。對(duì)于包含有非線性函數(shù)關(guān)系的系統(tǒng)來說，非線性數(shù)學(xué)模型的建立和求解，其過程是非常復(fù)雜的。為了繞過非線性系統(tǒng)在數(shù)學(xué)處理上的困難，對(duì)于大部分元件和系統(tǒng)來說，當(dāng)信號(hào)或變量變化范圍不大或非線性不太嚴(yán)重時(shí)，都可以近似地線性化，即用線性化數(shù)學(xué)模型來代替非線性數(shù)學(xué)模型。一旦用線性化數(shù)學(xué)模型來近似地表示非線性系統(tǒng)，就可以運(yùn)用線性理論對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行分析和設(shè)計(jì)。16ppt課件習(xí)題2-6測(cè)量變送環(huán)節(jié)如下：式中Km為增益，Tm為時(shí)間常數(shù)，τm為滯后時(shí)間。測(cè)量變送環(huán)節(jié)的非線性會(huì)影響這些參數(shù)，為了便于處理，一般采用線性化處理得到以上動(dòng)態(tài)特性。17ppt課件習(xí)題2-7:

控制閥流量特性選擇熱平衡方程:控制通道靜態(tài)增益:為平衡點(diǎn)流量。18ppt課件被控對(duì)象的動(dòng)態(tài)特性變化

對(duì)控制閥流量特性選擇的考慮從靜態(tài)增益補(bǔ)償?shù)慕嵌葟膭?dòng)態(tài)特性變化的角度(Why?)閥特性選擇請(qǐng)參考表2-1：控制閥固有流量特性19ppt課件單回路系統(tǒng)防積分飽和原理分析討論：正常情況為標(biāo)準(zhǔn)的PI控制算法；而當(dāng)出現(xiàn)超限時(shí)，自動(dòng)切除積分作用。為什么?20ppt課件習(xí)題2-81、注意：液阻與液位高度（壓力）的關(guān)系為R=ΔH/ΔQ。那么有：2、根據(jù)流量壓力平衡方程有：即：拉氏變換得：即：時(shí)間常數(shù)為：T=0.01注意：這里在假設(shè)液位升高，那么否則21ppt課件習(xí)題2-9單位化：t=[0,10,20,40,60,80,100,150,200,300,400,500]y=[0,0.09596,0.18182,0.33333,0.45455,0.55556,0.63636,0.78788,0.86869,0.9596,0.9899,1]，假設(shè)液位的測(cè)量范圍為0---1000.單位階躍響應(yīng)，當(dāng)t=T時(shí)，振幅為0.632，由表可知，當(dāng)和t=100時(shí)，h=0.632，所以，T=100.22ppt課件23ppt課件習(xí)題2-10單位階躍響應(yīng)：?。翰楸淼茫阂?yàn)椋簞t說明該階躍響應(yīng)需要更高級(jí)的函數(shù)才能擬全的更好，查表2-2得，n=3由：得：24ppt課件習(xí)題2-11依題意系統(tǒng)模型為：?jiǎn)挝浑A躍響應(yīng)：查表得：得：25ppt課件習(xí)題3-1PID控制表達(dá)式：偏置值u0是控制器的穩(wěn)態(tài)輸出，反映了控制系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)工作點(diǎn)，所以它的值由控制系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)輸出確定。傳遞函數(shù)反映的是系統(tǒng)在工作點(diǎn)的動(dòng)態(tài)特性，故在時(shí)域變?yōu)轭l域時(shí)沒有這一項(xiàng)，即：26ppt課件習(xí)題3-2僅加加強(qiáng)控制器的積分作用在相同階躍干擾情況下，最大偏差是否增大？振蕩是否加劇？答：在相同階躍干擾情況下，增強(qiáng)積分作用，最大偏差會(huì)減小，振蕩會(huì)加劇。參考仿真。27ppt課件習(xí)題3-2僅加加強(qiáng)控制器的積分作用在相同階躍干擾情況下，最大偏差是否增大？振蕩是否加劇？答：在相同階躍干擾情況下，增強(qiáng)積分作用，最大偏差會(huì)減小，振蕩會(huì)加劇。為了獲得以前相同的穩(wěn)定性，可減小KC，參考仿真。28ppt課件習(xí)題3-3積分飽和：對(duì)于一個(gè)有積分功能的偏差，控制器的作用就會(huì)對(duì)偏差進(jìn)行累積來改變控制器的輸出。如果這時(shí)閥門已經(jīng)達(dá)到飽和（已經(jīng)全開或者全關(guān)），而無法繼續(xù)進(jìn)行調(diào)節(jié)，那么偏差將無法消除。然而由于積分作用，控制的輸出仍在增加，直到達(dá)到某個(gè)極限值并停留在那里，這種情況成為積分飽和。由定義可知，發(fā)生積分飽和的前提是控制器具有積分功能，控制器的飽和輸出極限值要比熱先機(jī)榣信號(hào)范圍大。后果：系統(tǒng)控制效果差，產(chǎn)品質(zhì)量無法保證，可能對(duì)人或者設(shè)備構(gòu)成威脅。29ppt課件習(xí)題3-4見表3-330ppt課件習(xí)題3-5——兩點(diǎn)法設(shè)階躍相應(yīng)傳遞函數(shù)為：作無量綱階躍響應(yīng)：取：31ppt課件得：參考仿真實(shí)驗(yàn)，對(duì)比：K=0.6,KI=20;K=1.4,KI=20;32ppt課件習(xí)題4-1前饋反饋控制器：33ppt課件34ppt課件35ppt課件36ppt課件37ppt課件習(xí)題4-2前饋控制器：38ppt課件習(xí)題4-3系統(tǒng)框圖：39ppt課件由圖可得：由不變性原理得：即：得：40ppt課件習(xí)題5-11、副控制器的正反作用要改變，主控制器的正反作用不改變。閥門是副加中的執(zhí)行器，在主回路中，副回路作為一個(gè)整體為正作用，故執(zhí)行器的改變對(duì)主回路無影響，主控制器正反作用不變。在副回路中，執(zhí)行器由氣開閥變以為氣關(guān)閥，正反作用改變。而正反作用的選擇是使系統(tǒng)成為負(fù)反饋系統(tǒng)，而副回路中除副控制器外其余正反作用不變。幫副控制器正反作用改變。2、比例度的積分都要改變，副控制器的輸出是改變閥門，比例度要增加，而積分時(shí)間要減小?？趶阶兇笙喈?dāng)于控制通道放大倍數(shù)增加，此時(shí)若比例度和積分不變則控制系統(tǒng)的開環(huán)放大倍數(shù)增加，系統(tǒng)余差變小，但是系統(tǒng)會(huì)變得不穩(wěn)定。對(duì)于一個(gè)不穩(wěn)定系統(tǒng)談?dòng)嗖钍菦]有意義的。因此，首先要保持系統(tǒng)穩(wěn)定性，那么要減小控制器放大倍數(shù)，即增大比例度。此時(shí)余差肯定會(huì)變大，因此要加強(qiáng)積分作用，即減小積分時(shí)間，噴水消除余差。3、主控制器的比例度和積分時(shí)間不改變，由于串級(jí)控制系統(tǒng)對(duì)副對(duì)象和控制閥特性變化具有魯棒性，即副對(duì)象控制閥特性的變化不會(huì)影響主控制器。41ppt課件習(xí)題5-21、最合適的應(yīng)該選擇θ2，，因?yàn)樗母蓴_最多，而且距離第四貯罐比較遠(yuǎn)，不容易引起系統(tǒng)共振。2、控制方框圖如下：3、副控制器的選擇與主回路無關(guān)，而測(cè)量變送器，副對(duì)象為正作用，調(diào)節(jié)閥為正作用，故副控制器為負(fù)作用，主控制器與主對(duì)象正反作用相反。而主對(duì)象為正作用，故主控制器為負(fù)作用。42ppt課件習(xí)題5-3應(yīng)該把下面這個(gè)采用串級(jí)控制，首先，因?yàn)楦蓴_通道時(shí)間常數(shù)為0.2，對(duì)被變量的影響相當(dāng)大。其次副本回路中包含的純滯后時(shí)間上，有利于提高副回路的快速性。第三主控制對(duì)象為大慣性環(huán)節(jié)，其響應(yīng)時(shí)間比副回路要大。上面那個(gè)回路，前面那個(gè)環(huán)節(jié)為大慣性環(huán)節(jié)，通道沒延時(shí)，主控制對(duì)象時(shí)間常數(shù)小，響應(yīng)快速，當(dāng)干擾影響到副變量的時(shí)候，很快影響到主控變量，而由于大慣性環(huán)節(jié)，副回路還來不及處理干擾。43ppt課件習(xí)題5-5首先在結(jié)構(gòu)上來看，串級(jí)控制由兩個(gè)反饋控制回路組成，而前饋-反饋控制器由一個(gè)反饋和一個(gè)開環(huán)補(bǔ)償回路疊加而成。在變量上，串級(jí)控制的副參數(shù)與前饋-反饋控制的輸入量是兩截然不同的變量，前者是串級(jí)控制系統(tǒng)中反映主被控變量的中間變量，控制作用對(duì)他產(chǎn)生明顯的調(diào)節(jié)效果。