1、過(guò)程控制系統(tǒng),第一章 緒論 2 3 4 5 6 第二章 被控過(guò)程的數(shù)學(xué)模型 2 3 第三章 單回路控制系統(tǒng)設(shè)計(jì) 2 3 4 5 第四章 串級(jí)控制系統(tǒng) 2 3 4 5 第五章 前饋及復(fù)合控制系統(tǒng) 2 第六章 時(shí)間滯后控制系統(tǒng) 2 3 第七章 其它過(guò)程控制系統(tǒng) 2 3 4 第八章 過(guò)程控制中的計(jì)算機(jī)應(yīng)用 2 3 4,1-1 課程的性質(zhì)和教學(xué)安排,凡是采用數(shù)字或模擬控制方式對(duì)生產(chǎn)過(guò)程的某一或某些物理參數(shù)進(jìn)行的自動(dòng)控制通稱(chēng)為過(guò)程控制。(另有電力拖動(dòng)控制方向),1、過(guò)程控制的概念,2、過(guò)程控制是自動(dòng)化專(zhuān)業(yè)的主要內(nèi)容之一,第一章 緒論,1.2 1.3 1.4 1.5 1.6,3、教學(xué)安排,4、主要參考書(shū),

2、(1)、過(guò)程控制工程，馮品如，輕工業(yè)出版社 (2)、過(guò)程控制與自動(dòng)化儀表，侯志林， 機(jī)械工業(yè)出版社 (3)、微型計(jì)算機(jī)控制技術(shù)，于海生， 清華大學(xué)出版社,(1)、學(xué)時(shí)、實(shí)驗(yàn)情況 (2)、內(nèi)容安排,(2)、從實(shí)際應(yīng)用看,(1)、從專(zhuān)業(yè)特點(diǎn)看,返回,生產(chǎn)過(guò)程自動(dòng)化是保持生產(chǎn)穩(wěn)定、降低消耗、減少成本、改善勞動(dòng)條件、保證安全和提高勞動(dòng)生產(chǎn)率重要手段，一直起著極其重要的作用。其發(fā)展經(jīng)歷了以下幾個(gè)方面： 1、初期階段(3040年代) 2、簡(jiǎn)單儀表化階段(4060年代) 3、綜合自動(dòng)化階段(6070年代中期) 4、全盤(pán)自動(dòng)化(及智能化)階段(70年代中期自今),1-2 過(guò)程控制的發(fā)展概況,1-3 過(guò)程控制的

3、特點(diǎn) 及計(jì)算機(jī)的作用,過(guò)程控制的目的：保持過(guò)程中的有關(guān)參數(shù)為一定值或按一定規(guī)律變化。,1、被空對(duì)象的多樣性 2、對(duì)象特性的難辨性 白色系統(tǒng)、黑色系統(tǒng)、灰色系統(tǒng)的概念 3、普遍存在滯后 4、特性往往具有非線(xiàn)性： 如間歇式加溫、齒輪運(yùn)動(dòng)等。,5、計(jì)算機(jī)在過(guò)程控制中的地位和作用,計(jì)算機(jī)的應(yīng)用不僅促進(jìn)了現(xiàn)代控制理論的發(fā)展，而且也推動(dòng)了自動(dòng)化向深度與廣度進(jìn)軍，使生產(chǎn)自動(dòng)化提高到更高的水平。甚至在向智能化的方向大步邁進(jìn)。 微型計(jì)算機(jī)控制生產(chǎn)過(guò)程，按不同的控制目的，可分為兩類(lèi)：一是數(shù)據(jù)檢測(cè)處理，二是形成微機(jī)控制系統(tǒng)。 微機(jī)控制在提高產(chǎn)品質(zhì)量、保證安全運(yùn)行、減少原料和能量消耗、控制和減少環(huán)境污染、提高企業(yè)的管

4、理水平方面正在并將發(fā)揮越來(lái)越重要的作用。,1-1典型單回路控制系統(tǒng),一、系統(tǒng)組成,1-4 過(guò)程控制的組成及術(shù)語(yǔ),1、控制原理(如下圖),以液體儲(chǔ)槽的水位控制為例進(jìn)行說(shuō)明。,液位變送器,液位控制器,執(zhí)行器,2、系統(tǒng)方塊圖,3、主要組成部分,(1)、被控對(duì)象：生產(chǎn)過(guò)程中被控制的工藝設(shè)備或裝置。 (2)、檢測(cè)變送單元：儀表課中已做介紹。 (3)、控制器：實(shí)時(shí)地對(duì)被控系統(tǒng)施加控制作用。 (4)、執(zhí)行器：將控制信號(hào)進(jìn)行放大以驅(qū)動(dòng)控制閥。常見(jiàn)的有氣動(dòng)和電動(dòng)兩種。 (5)、控制閥：控制進(jìn)料量。有氣開(kāi)式和氣關(guān)式之別。,1、被控對(duì)象 (簡(jiǎn)稱(chēng)對(duì)象或過(guò)程)：前已述及。 2、被控參數(shù)：按照生產(chǎn)過(guò)程要求，某些變量應(yīng)該維

5、持在穩(wěn)定的變化范圍內(nèi)，如果對(duì)其施加控制作用，就稱(chēng),二、常用術(shù)語(yǔ),： 凡是影響被控量的各種作用均叫做干擾或擾動(dòng)。分內(nèi)干擾和外干擾。(內(nèi)干擾如原料成分變化等。) 4、控制參數(shù)：即調(diào)節(jié)介質(zhì)。如儲(chǔ)水槽液位控制系統(tǒng)的給水量。 5、測(cè)量值：被控變量經(jīng)檢測(cè)變送后即是測(cè)量值。 6、給定值：即被控變量的設(shè)定值。 7、偏差值：準(zhǔn)確地說(shuō)，應(yīng)是被控量的給定值與實(shí)際值之差。但能夠直接得到的信號(hào)是被控量的測(cè)量值，故通常把給定值與測(cè)量值之差稱(chēng)作為偏差。 8、調(diào)節(jié)器輸出：根據(jù)偏差值、經(jīng)一定算法得到的輸出值。調(diào)節(jié)器輸出亦稱(chēng)控制作用。,3、干擾:,其為被控參數(shù)。如溫度、壓力、流量、液位、成分等。,有常規(guī)控制系統(tǒng)、計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)。

6、,一、一般分類(lèi),1、按工藝參數(shù)分類(lèi)：,有溫度控制系統(tǒng)、壓力控制系統(tǒng)、流量控制系統(tǒng)、成分控制系統(tǒng)、物位控制系統(tǒng)等。,2、按系統(tǒng)的任務(wù)分類(lèi)：,有比例控制、均勻控制、前饋控制等。,3、按自動(dòng)化裝置的不同分類(lèi)：,1-5 過(guò)程控制系統(tǒng)的分類(lèi),5、按是否形成閉合回路分類(lèi)：,是工業(yè)生產(chǎn)過(guò)程中應(yīng)用最大的一種過(guò)程控制系統(tǒng)。在運(yùn)行時(shí)，系統(tǒng)被控量的給定值是不變的。有時(shí)根據(jù)生產(chǎn)工藝要求，被控量的給定值保持在規(guī)定的小范圍附近波動(dòng)。,二、按設(shè)定值形式分類(lèi),4、按控制器的動(dòng)作分類(lèi)：,有,1、定值控制系統(tǒng),P,PI,PID,位式,開(kāi)環(huán),閉環(huán),、,。,2、隨動(dòng)控制系統(tǒng),其給定值按預(yù)定的時(shí)間程序來(lái)變化。如機(jī)械工業(yè)中的退火爐的溫度

7、控制系統(tǒng)，其給定值是按升溫、 保溫、 逐次降溫等程序變化的。家用電器中應(yīng)用定值控制系統(tǒng)的也很多，如電腦控制的洗衣機(jī)、電飯煲等。,是一種被控量的給定值隨時(shí)間任意變化的控制系統(tǒng)。它的主要作用是克服一切擾動(dòng)，使被控量隨時(shí)跟蹤給定值。,3、程序控制系統(tǒng),1、遞減比,見(jiàn)圖,一般認(rèn)為，n:1=4:1時(shí)穩(wěn)定性好，但溫度等慢變化過(guò)程約取10:1為好，應(yīng)根據(jù)實(shí)際情況靈活處理。,2、衰減率,是衡量過(guò)度過(guò)程穩(wěn)定性的一個(gè)動(dòng)態(tài)指標(biāo)(于遞減比含義相同).一般取=0.750.9。,1-6 控制系統(tǒng)的質(zhì)量指標(biāo),見(jiàn)圖,3、動(dòng)態(tài)偏差（亦即超調(diào)量）,為被控量偏離穩(wěn)定值或設(shè)定值的最大偏差值。其它課程已做介紹，不再詳述。,4、調(diào)節(jié)時(shí)間

8、、靜態(tài)偏差（即余差）,見(jiàn)以下兩圖中的C。,返回,1。數(shù)學(xué)模型的有關(guān)概念,2-1 概述,數(shù)學(xué)模型:指過(guò)程在各輸入量的作用下，其相應(yīng)輸出量變化的函數(shù)關(guān)系數(shù)學(xué)表達(dá)式。 干擾:內(nèi)干擾-調(diào)節(jié)器的輸出量u(t)； 外干擾-其余非控制的輸入量。 通道:輸入量與輸出量間的信號(hào)聯(lián)系。,擾動(dòng)通道-擾動(dòng)作用與被控量間的信號(hào)聯(lián)系。,2。研究并建立數(shù)學(xué)模型的目的,(1)、設(shè)計(jì)過(guò)程控制系統(tǒng)、整定調(diào)節(jié)器參數(shù)。 (2)、指導(dǎo)生產(chǎn)工藝設(shè)備的設(shè)計(jì)。 (3)、進(jìn)行仿真實(shí)驗(yàn)研究。 (4)、培訓(xùn)運(yùn)行操作人員。,3。單輸入-單輸出過(guò)程的常見(jiàn)模型,(1)、線(xiàn)性時(shí)間連續(xù)模型 (2)、線(xiàn)性時(shí)間離散模型,4。有/無(wú)平衡能力的概念,(參見(jiàn)圖 1

9、2 ),控制通道-控制作用與被控量間的信號(hào)聯(lián)系；,一。自衡過(guò)程的數(shù)學(xué)模型,自衡的定義：對(duì)象受到干擾作用后，平衡狀態(tài)被破壞 ，無(wú)須外加任何控制作用，依靠對(duì)象本身自動(dòng)平衡的傾向，逐漸地達(dá)到新的平衡狀態(tài)的性質(zhì)，稱(chēng)為平衡能力。,(一)、單容過(guò)程的數(shù)學(xué)模型,1、單容過(guò)程的定義：只有一個(gè)儲(chǔ)蓄容量的過(guò)程。如下頁(yè)圖所示。,2-2 機(jī)理分析法建模,過(guò)程演示,2-1,返回,討論：(1)、靜態(tài)時(shí)，q1=q2=dh/dt=0 ; (2)、當(dāng)q1變化時(shí)h變化 q2變化。 經(jīng)線(xiàn)性化處理，有,其中，R2為閥門(mén)2的阻力，稱(chēng)為液阻或流阻。,2、參量關(guān)系分析,3、建立數(shù)學(xué)模型,由式(*)可畫(huà)出框圖如圖所示。即 AsR2H(s)+

10、H(s)=R2Q1(s) , 故,式中，TO=AR2=R2C ,C為容量系數(shù)(或容量)。,由式(2-6)和式(2-7)，有,2-2,(1)、容量C 含義：生產(chǎn)設(shè)備和傳輸管路都具有一定的儲(chǔ)蓄物質(zhì)或能量的能力。被控對(duì)象儲(chǔ)存能力的大小，稱(chēng)為容量或容量系數(shù)，其意義是：引起單位被控量變化時(shí)，被控過(guò)程儲(chǔ)存量變化量。,4、容量和阻力的概念,返回,1、純滯后的概念 純滯后是普遍存在的，如下頁(yè)圖所示。,種類(lèi)：有電容、熱容、氣容、液容等等。,(2)、阻力 概念：凡是物質(zhì)或能量的轉(zhuǎn)移，都要克服阻力，阻力的大小決定于不同的勢(shì)頭和流率。 種類(lèi)：電阻、熱阻、氣阻、流(液)阻。,2、數(shù)學(xué)模型,(二)、具有純滯后單容過(guò)程的數(shù)

11、學(xué)模型,無(wú)純滯后,有純滯后,(三)、多容過(guò)程的數(shù)學(xué)模型,1、多容過(guò)程是工業(yè)生產(chǎn)中常見(jiàn)的，如下兩圖。,2-5,2、三容過(guò)程的微分方程模型: 如式(2-10),3、三容過(guò)程的方框圖,由式(2-10)的拉氏變換，可得圖2-6。,4、三容過(guò)程的數(shù)學(xué)模型 由圖2-6，應(yīng)用自控理論即可獲得其模型。,二、無(wú)自衡過(guò)程的數(shù)學(xué)模型,無(wú)自衡過(guò)程的概念：如下圖。,(一)、單容過(guò)程的數(shù)學(xué)模型,1、參量關(guān)系分析 在自衡過(guò)程(圖2-7)下，有,圖2-8,返回,而在無(wú)自衡過(guò)程(圖2-8)下，因q2=0，故,2、傳遞函數(shù),二容、三容過(guò)程形式： 如圖2-9、圖2-10所示。,(二)、多容過(guò)程的數(shù)學(xué)模型,2-10,對(duì)正常生產(chǎn)影響小

12、。轉(zhuǎn)換成階躍響應(yīng)的方法如下圖。,一、響應(yīng)曲線(xiàn)法,問(wèn)題的提出：大多數(shù)工業(yè)過(guò)程的機(jī)理模型是很難建立的，只有采用實(shí)驗(yàn)建模。,是一種時(shí)域法辨識(shí)對(duì)象的動(dòng)態(tài)特的方法。,(一)、階躍擾動(dòng)法測(cè)定對(duì)象的響應(yīng)曲線(xiàn),實(shí)驗(yàn)時(shí)往往會(huì)對(duì)正常生產(chǎn)造成影響。,(二)、矩形脈沖法測(cè)定對(duì)象的響應(yīng)曲線(xiàn),2-3 試驗(yàn)法建模 -過(guò)程辨識(shí),2-11,將矩形脈沖看成正負(fù)兩個(gè)等幅的階躍信號(hào)，據(jù)此而得到輸出的階躍響應(yīng)。即,轉(zhuǎn)換的思路是：,x(t)=x1 (t)+ x2(t) (見(jiàn)圖2-11上) =x1 (t)- x1(t-a) (2-20) 則 y*(t)=y(t)-y(t-a) 或 y(t)= y*(t)y(t-a) (2-21) 用式(2

13、-21)進(jìn)行轉(zhuǎn)換的過(guò)程如圖2-11中部(有自衡過(guò)程)和下部(無(wú)自衡過(guò)程)。,(三)、由階躍響應(yīng)曲線(xiàn)確定過(guò)程的傳遞函數(shù),多數(shù)過(guò)程的數(shù)學(xué)模型表達(dá)式如P19所示。 1、確定一階慣性環(huán)節(jié)的參數(shù),(1)、放大系數(shù),(2)、時(shí)間常數(shù) a、切線(xiàn)法：如右圖。,b、圖解法（半對(duì)數(shù)法）：P20-21及下圖,通過(guò)P20-21的分析，得斜率為：,2、確定有時(shí)滯的一階慣性環(huán)節(jié)的參數(shù),圖2-14,(2)、圖解法：如下圖2-14 b)。,(1)、切線(xiàn)法：如下圖2-14 a)。,0和T0的經(jīng)驗(yàn)公式為式(2-36) (詳見(jiàn)涂植英教材)。,2-15,3、二階慣性環(huán)節(jié)的參數(shù),響應(yīng)曲線(xiàn)如圖2-15 所示。,(1).形式:,（假設(shè) K

14、=1),則其單位階躍響應(yīng)特性方程為,(2).求解,由拐點(diǎn)處，,得,由圖可見(jiàn),拐點(diǎn)A處的斜率為,BC=T2-T1, AE=f(T2/T1),由圖還有：,整理后可得有關(guān)計(jì)算表格(P23表2-2)。,第三章 單回路 3.2 3.3 3.4 3.5 控制系統(tǒng)設(shè)計(jì),1、典型例子：見(jiàn)下圖,一、系統(tǒng)的基本結(jié)構(gòu),單回路控制系統(tǒng)又稱(chēng)為簡(jiǎn)單控制系統(tǒng)。雖然簡(jiǎn)單，但應(yīng)用較廣；過(guò)程控制的基本概念主要是在本章建立的。因此，本章內(nèi)容無(wú)疑是重點(diǎn)之一。,3-1 概述,液位變送器,液位控制器,執(zhí)行器,2、系統(tǒng)方框圖,3、特點(diǎn),最簡(jiǎn)單、最基本；應(yīng)用最廣泛、最成熟。 是各種復(fù)雜控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)和參數(shù)整定的基礎(chǔ)。 適用于被控對(duì)象滯后時(shí)間較

15、小，負(fù)載和干擾不 大，控制質(zhì)量要求不很高的場(chǎng)合。,二、 過(guò)程控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)的要求,1、安全性 2、穩(wěn)定性 3、經(jīng)濟(jì)性,三、 過(guò)程控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)步驟,1、建立被控過(guò)程的數(shù)學(xué)模型 2、選擇控制方案 3、選擇控制設(shè)備型號(hào)規(guī)格 4、實(shí)驗(yàn)（與仿真）,四、控制系統(tǒng)的工程考慮,包括儀表（微機(jī)）選型、控制室和儀表盤(pán)設(shè)計(jì)、供水供電供氣設(shè)計(jì)、信號(hào)系統(tǒng)設(shè)計(jì)、安全防暴設(shè)計(jì)等。,(2)、對(duì)象信息的獲取和變送 (3)、執(zhí)行器的選擇 (4)、控制器的選擇,3、工程安裝,4、儀表調(diào)試,5、參數(shù)整定,2、工程設(shè)計(jì),1、方案設(shè)計(jì),是整個(gè)控制工程設(shè)計(jì)中最重要的一步，應(yīng)注意： (1)、合理選擇被控量(被控參數(shù))和操縱量(控制參數(shù)),

16、是控制系統(tǒng)方案設(shè)計(jì)的一個(gè)至關(guān)重要的問(wèn)題。 恰當(dāng)?shù)倪x擇對(duì)于穩(wěn)定生產(chǎn)、提高產(chǎn)品產(chǎn)量和質(zhì)量、改善勞動(dòng)條件有很大的作用。 若選擇不當(dāng)，則不論組成什么樣的控制系統(tǒng)，選擇多么先進(jìn)的過(guò)程檢測(cè)控制儀表，都不能達(dá)到良好的控制效果。,一、被控參數(shù)(即被控量)的選擇,1.選擇的意義,3-2 被控參數(shù)和控制參數(shù)的選擇,影響正常操作的因素很多，但并非都需加以控制。 只有根據(jù)工藝要求，深入分析工藝過(guò)程，才能選擇 出合適、可測(cè)的工藝參數(shù)。,2. 選擇方法,(2).選間接參數(shù) 當(dāng)選直接參數(shù)有困難時(shí)采用。(如用反應(yīng)釜的溫度 控制間接實(shí)現(xiàn)化學(xué)反應(yīng)的質(zhì)量控制。),(1).選直接參數(shù) 即能直接發(fā)映生產(chǎn)過(guò)程產(chǎn)品產(chǎn)量和質(zhì)量，以及安全 運(yùn)

17、行的參數(shù)。(如鍋爐鍋筒的水位控制。),3. 選間接參數(shù)的原則, 必須考慮工藝生產(chǎn)的合理性和儀表的現(xiàn)狀。 間接參數(shù)應(yīng)與直接參數(shù)有某種單值函數(shù)關(guān)系。 間接參數(shù)要有足夠的靈敏度。,二、控制參數(shù) (即控制量)的選擇,當(dāng)生產(chǎn)過(guò)程中有多個(gè)因素能影響被控參數(shù)(量)變化時(shí)，應(yīng)分析過(guò)程擾動(dòng)通道特性與控制通道特性對(duì)控制質(zhì)量的影響，正確地選擇可控性良好的變量作為操縱(控制)量。 一般希望控制通道克服擾動(dòng)的能力要強(qiáng)，動(dòng)態(tài)響應(yīng)應(yīng)比擾動(dòng)通道快。,圖3-3,(一)、過(guò)程靜態(tài)參數(shù)對(duì)控制質(zhì)量的影響,(1).基本形式：如圖3-3所示,選擇控制參數(shù)的一般原則如下：,1.系統(tǒng)的簡(jiǎn)化方框圖,(2).突出干擾作用: 框圖如下圖所示,2.

18、傳遞函數(shù),則在定值控制下輸出對(duì)干擾的閉環(huán)傳遞函數(shù)為,設(shè)傳遞函數(shù)分別為,3.穩(wěn)態(tài)余差,由于系統(tǒng)本質(zhì)是穩(wěn)定的，則在單位階躍擾動(dòng)下的余差為,過(guò)程穩(wěn)態(tài)特性對(duì)控制質(zhì)量有很大影響，這是選擇操縱參數(shù)的一個(gè)重要依據(jù)。 應(yīng)使Kf越小越好，以減弱擾動(dòng)對(duì)控制參數(shù)的影響。,4. 討論,1.時(shí)間常數(shù)的影響 由P145、6的分析及右圖可知： 系統(tǒng)的超調(diào)量隨Tf的增大而減少，控制質(zhì)量得到提高。,最佳控制過(guò)程中，KcK0應(yīng)為一常數(shù)，K0大小可通過(guò)Kc來(lái)調(diào)節(jié)。 在控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)時(shí)，控制通道的K0擬適當(dāng)選大一些。,(二).干擾通道動(dòng)態(tài)特性 對(duì)控制質(zhì)量的影響,2. 滯后時(shí)間的影響,Tf變大或個(gè)數(shù)增多，均對(duì)干擾起到了一種濾波作用。,干

19、擾通道的純滯后時(shí)間僅使被控參數(shù)對(duì)其反應(yīng)在時(shí)間上平移了一段時(shí)間，理論上無(wú)影響。 干擾通道的容量滯后會(huì)使干擾信號(hào)變得緩和一些，對(duì)克服干擾有利。,3.干擾作用位置的影響,(1).分析： 如以下兩圖。,(三).控制通道動(dòng)態(tài)特性對(duì)控制質(zhì)量的影響,在系統(tǒng)設(shè)計(jì)時(shí)，應(yīng)使擾動(dòng)作用點(diǎn)位置遠(yuǎn)離被控量。,(1).T太大 特點(diǎn)：使控制作用變?nèi)?，控制質(zhì)量變壞。 措施：合理選擇執(zhí)行器位置；采用前饋或復(fù)雜控制.,(2).結(jié)論,1.時(shí)間常數(shù)的影響,(2).T過(guò)小 特點(diǎn)：控制作用增強(qiáng)，但系統(tǒng)容易振蕩。 措施：選擇快速監(jiān)測(cè)、控制、執(zhí)行器件；設(shè)法降 低控制通道的靈敏度；改革工藝以使T增大。,(1).純滯后0的影響較大, 如圖所示。應(yīng)

20、從工藝著手改善。 (2).容量滯后c比較緩和，引入微分作用可有效克服。,(四).選擇控制參數(shù)的一般原則,2.滯后時(shí)間的影響,1.控制通道的放大系數(shù)K0要適當(dāng)選大一些；時(shí)間常數(shù)T0要適當(dāng)小一些；純滯后時(shí)間0越小越好，0與T0之比應(yīng)小于1. 2.擾動(dòng)通道的放大系數(shù)Kf應(yīng)盡可能小；時(shí)間常數(shù)Tf要大；擾動(dòng)引入系統(tǒng)的位置要遠(yuǎn)離控制過(guò)程(即靠近調(diào)節(jié)閥)；容量滯后愈大，愈有利于控制。 3.注意工藝操作的合理性、經(jīng)濟(jì)性。,(五).實(shí)例討論,例1：噴霧式乳粉干燥設(shè)備的控制（P171) 。,1.工藝流程：參見(jiàn)教材P172圖3-28。 2.控制要求：干燥后的產(chǎn)品含水量波動(dòng)要小。 3.被控參數(shù)選擇：干燥器里的溫度 4

21、.控制參數(shù)的選擇 (三種方案如圖所示),討論后知，以風(fēng)量作控制參數(shù)為最佳選擇。,例2,儲(chǔ)槽液位控制(P173),在自動(dòng)控制系統(tǒng)中，接受調(diào)節(jié)器的指令； 經(jīng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)將其轉(zhuǎn)換為相應(yīng)的角位移或直線(xiàn)位移； 去操縱調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)，改變被控對(duì)象進(jìn)、出的能量或物料。,0、概述,1. 作用,2. 組成,3-3 執(zhí) 行 器 選 擇,3. 類(lèi)型,由兩部分組成，如右圖所示。,一、氣動(dòng)薄膜控制閥的工作原理,(一)、氣動(dòng)薄膜執(zhí)行機(jī)構(gòu),1、組成：由膜片、推桿、彈簧等組成。 2、作用方式 正作用控制氣壓增加時(shí)，其開(kāi)度增加。 反作用-控制氣壓增加時(shí)，其開(kāi)度減小。 3、作用原理 PPAe=kll=AeP/k,(二)、控制閥體 1、作用

22、：是一個(gè)局部阻力可以變化的節(jié)流元件。,2、流量方程,當(dāng)口徑A和差壓(P1-P2)一定時(shí)，流量Q僅隨阻尼的變化而變 化。改變閥門(mén)的開(kāi)啟程度，可改變流通阻力而控制介質(zhì)流量。,3、調(diào)節(jié)原理,二、控制閥的流量特性,1、概念,理想(固有)流量特性-假定閥前后差壓不變。 工作(實(shí)際)流量特性.,2、類(lèi)型,(一)、理想流量特性 取決于閥芯曲面的形狀。,1、直線(xiàn)流量特性 (1)、定義：控制閥的相對(duì)流量預(yù)相對(duì)開(kāi)度成直線(xiàn)關(guān)系，即,(2)、特性方程,2、其他流量特性,(3)、特點(diǎn)：適于在較大開(kāi)度下使用。(注：國(guó)產(chǎn)閥，可控比R=30),對(duì)數(shù)特性：小流量時(shí)，控制作用平緩；大流量時(shí)，控制作用靈敏有效，克服了直流特性的不足

23、。 快開(kāi)特性：適于要求快速開(kāi)、閉的控制系統(tǒng)。 拋物線(xiàn)特性：介于直線(xiàn)特性與對(duì)數(shù)特性之間，彌補(bǔ)了直線(xiàn)特性小開(kāi)度時(shí)控制性能差的缺點(diǎn)。,(二)、工作流量特性,(1)、閥上的差壓：如圖3-10所示。,1、串聯(lián)管道中的特性,(2)、流量特性,(1)、并聯(lián)的目的：冗余措施；增大產(chǎn)量(流量) (2)、可調(diào)比：在下圖中，設(shè) Q1-調(diào)節(jié)閥流量； Q2-旁路閥流量; Q-總管流量;,2、并聯(lián)管道的流量特性,可控比,并聯(lián)管道的工作流量圖,(3)、流量特性,選擇原則是廣義對(duì)象具有線(xiàn)性特性，即總放大系數(shù)為常數(shù)。 選擇方法可分為理論計(jì)算法和經(jīng)驗(yàn)法兩大類(lèi)。 由對(duì)象特性選工作特性推理想特性查廠家手冊(cè)。,三、控制閥作用方式的選擇

24、, 選氣開(kāi)還是氣關(guān)式，由生產(chǎn)工藝的要求決定。 1、從生產(chǎn)的安全出發(fā) 2、從保證產(chǎn)品質(zhì)量考慮 3、從降低原料和動(dòng)力的損耗考慮 4、從介質(zhì)特點(diǎn)考,(一)、氣開(kāi)氣關(guān)方式的選擇, 執(zhí)行機(jī)構(gòu)與閥體部件的配用有表可查。 先選氣開(kāi)、氣關(guān)方式，再選執(zhí)行機(jī)構(gòu)。,(二)、執(zhí)行機(jī)構(gòu)正、反作用方式的選擇,3-4 控制器的選型,積分控制作用能消除余差，但降低了系統(tǒng)的穩(wěn)定性。 TI愈小，穩(wěn)定性愈差。, 信號(hào)通道在被控參數(shù)和控制參數(shù)確定之后就定下來(lái)了。 根據(jù)對(duì)象特性和控制質(zhì)量要求 選擇控制器的控制作用 確定控制器的類(lèi)型。,隨著控制器放大系數(shù)Kc的增大，控制系統(tǒng)的穩(wěn)定性降低。(與自控理論的分析一致。) 隨著Kc的增大，余差將

25、減少，但不能消除。,二、積分控制作用對(duì)控制質(zhì)量的影響,一、比例控制作用對(duì)控制質(zhì)量的影響,三、微分控制作用對(duì)控制質(zhì)量的影響,(1)、特點(diǎn)：抗干擾能力強(qiáng)，過(guò)渡過(guò)程時(shí)間短，但 有余差。 (2)、適用：控制通道滯后較小，負(fù)荷變化不大， 允許被控量在一定范圍內(nèi)變化的系統(tǒng)。,引入微分控制作用后，控制質(zhì)量將全面提高。 微分作用太強(qiáng)，會(huì)引起控制閥時(shí)而全開(kāi)、時(shí)而全關(guān)。,四、控制器的選型,應(yīng)由對(duì)象的特性和工藝要求確定,1、P控制器的選擇,2、PI控制器的選擇,(1)、特點(diǎn)：對(duì)克服對(duì)象的容量滯后有顯著的效果。 (2)、適用：負(fù)荷變化大，容量滯后大，控制質(zhì)量 要求很高的系統(tǒng)。,(1)、特點(diǎn)：過(guò)渡過(guò)程結(jié)束時(shí)無(wú)余差，但系

26、統(tǒng)的穩(wěn) 定性降低。 (2)、適用：滯后較小，負(fù)荷變化不大，被控量不 允許有余差的控制系統(tǒng) 。,負(fù)荷變化大，純滯后大，采用PID達(dá)不到要求時(shí)采用。,4、復(fù)雜控制系統(tǒng),3、PID控制器的選擇,五、控制器正、反作用的選擇,原則：使整個(gè)單回路構(gòu)成負(fù)反饋系統(tǒng)-乘積為負(fù)。 1、控制閥：氣開(kāi)式為“”，氣關(guān)式為“-”； 2、控制器：正作用為“”，反作用為“-”； 3、被控對(duì)象：物料或能量增加時(shí)，被控參數(shù)隨之增加為“”，隨之減少為“-”； 4、變送器：一般為“”；,控制器正、反作用選擇的判別式： (控制器“”)(控制閥“”)(對(duì)象“”)=“-”,如果控制方案已經(jīng)確定，則過(guò)程各通道的靜態(tài)和動(dòng)態(tài)特性就已確定，系統(tǒng)的

27、控制質(zhì)量就取決于控制器各個(gè)參數(shù)值的設(shè)置。 控制器的參數(shù)整定，就是確定最佳過(guò)渡過(guò)程中控制器的比例度、積分時(shí)間TI、微分時(shí)間TD的具體數(shù)值。 所謂最佳過(guò)渡過(guò)程，就是在某種質(zhì)量指標(biāo)下，系統(tǒng)達(dá)到最佳調(diào)整狀態(tài)。 4：1遞減比為最佳參數(shù)整定的常用依據(jù)。4:1 參數(shù)整定的方法:,0、概述,3-5 控制器的參數(shù)整定,：對(duì)數(shù)頻率特性法、根軌跡法等。 (2)、工程整定法：經(jīng)驗(yàn)湊試法、衰減曲線(xiàn)法、臨 界比例度法、響應(yīng)曲線(xiàn)法等。,(1)、理論整定法,對(duì)于單元組合儀表，,比例度的概念：對(duì)于比例作用大小，工業(yè)控制器常用表示，其義為：,一、現(xiàn)場(chǎng)經(jīng)驗(yàn)湊試法,1、常用的參數(shù)經(jīng)驗(yàn)范圍：如表 3-1所示,2、整定步驟,(1)、在純

28、比例作用下(TI=、TD=0) 在比例度按表3-1的取值下，將系統(tǒng)投入運(yùn)行； 若曲線(xiàn)振蕩頻繁，則加大比例度； 若超調(diào)量大，且趨于非周期，則減少，求得滿(mǎn)意 的4：1過(guò)渡過(guò)程曲線(xiàn)。,(2)、引入積分作用 (此時(shí)應(yīng)將上述加大1.2倍),將積分時(shí)間TI由大到小進(jìn)行整定； 若曲線(xiàn)波動(dòng)較大，則應(yīng)增大TI； 若曲線(xiàn)偏離給定值后長(zhǎng)時(shí)間回不來(lái)，則需減少TI， 以求得較好的過(guò)渡過(guò)程曲線(xiàn)。,(3)、若需引入微分作用,1、特點(diǎn): 是目前工程上應(yīng)用較廣泛的一種控制器 參數(shù)的整定方法。 2、整定步驟 (1)、在純比例作用下投入(TI=,TD=0),比例度適 當(dāng)；平穩(wěn)操作一段時(shí)間，把系統(tǒng)投入自動(dòng)運(yùn)行。,將TD按經(jīng)驗(yàn)值或按T

29、D=(1/31/4)TI設(shè)置，并由小到大加入； 若曲線(xiàn)超調(diào)量大而衰減慢，則需增大TD； 若曲線(xiàn)振蕩厲害，則應(yīng)減小TD； 觀察曲線(xiàn)，再適當(dāng)調(diào)節(jié)和TI，反復(fù)調(diào)試直到獲得滿(mǎn)意的過(guò)渡過(guò)程曲線(xiàn)。,二、穩(wěn)定邊界法（臨界比例度法）,圖3-12,，得到圖3-12所示等幅振蕩過(guò)程記下臨界比例度K和臨界振蕩周期TK值。,(2)、將逐漸減小,(3)、根據(jù)K和TK值，采用表3-2中的經(jīng)驗(yàn)公式，計(jì)算、TI、TD的值。,用臨界比例度法整定某過(guò)程控制系統(tǒng)所得的比例度K=20%,臨界振蕩周期TK=1min，當(dāng)控制器分別采用比例作用、比例積分作用、比例積分微分作用時(shí)，求其最佳整定參數(shù)值。,例3-1,(4)、按“先P后I最后D”

30、的操作程序，將控制器整定參數(shù)調(diào)整到計(jì)算值上。,觀察其運(yùn)行曲線(xiàn)，若不夠滿(mǎn)意，再做進(jìn)一步調(diào)整。,解：應(yīng)用表3-2經(jīng)驗(yàn)公式， 可得,(1).比例控制器 =2K=220%=40% (2).比例積分控制器 =2.2K=2.220%=44% TI=TK/1.2=1/1.2=0.83min (3).比例積分微分控制器 =1.6K=1.620%=32% TI=0.5TK=0.51=0.5min TD=0.25TI=0.250.5=0.125min 應(yīng)用臨界比例度法的幾點(diǎn)注意事項(xiàng)見(jiàn)P155。,三 、阻尼振蕩法（衰減曲線(xiàn)法）,(1)、實(shí)現(xiàn)4：1衰減比 先把參數(shù)置成純比例作用(TI=,TD=0)，使系統(tǒng)投入運(yùn)行；

31、再把從大逐漸調(diào)小，直到出現(xiàn)右圖所示的4：1衰減過(guò)程曲線(xiàn) ； 此時(shí)的4：1衰減比例度為S，4：1衰減振蕩周期為T(mén)S。運(yùn)行效果如下圖。,1、特點(diǎn)：是在總結(jié)穩(wěn)定邊界法的基礎(chǔ)上，經(jīng)過(guò)反復(fù)實(shí)驗(yàn)提出來(lái)的。 2、整定步驟：對(duì)于要求系統(tǒng)過(guò)渡過(guò)程達(dá)到4：1衰減的步驟如下。,返回,(3)、進(jìn)一步調(diào)整 按“先P后I最后D”的操作程序，將求得的參數(shù)設(shè)置在控制器上；,(2)、計(jì)算參數(shù),再觀察運(yùn)行曲線(xiàn)，若不太理想，可做適當(dāng)調(diào)整。,根據(jù)S和TS，使用表3-8計(jì)算出控制器的各個(gè)整定參數(shù)值。,某溫度控制系統(tǒng)，采用4：1衰減曲線(xiàn)法整定控制器參數(shù)，得S=20%，TS=10分，當(dāng)控制器分別為比例作用、比例積分作用、比例積分微分作用時(shí)

32、，試求其整定參數(shù)值。,例3-2,解 應(yīng)用表3-8中的經(jīng)驗(yàn)公式，可得 (1)、比例控制器 =S=20% (2)、比例積分控制器 =1.2S=1.220%=24% TI=0.5TS=0.510=5min (3)、比例積分微分控制器 =0.8S=0.820%=16% TI=0.3TS=0.310=3min TD=0.1TS=0.110=1min,四、響應(yīng)曲線(xiàn)法（動(dòng)態(tài)特性參數(shù)法）,2、整定步驟 (1)、用P17-18”實(shí)驗(yàn)法建?！爸兴榻B的方法獲取對(duì)象的響應(yīng)曲線(xiàn)，如下圖所示。,1、特點(diǎn)：依據(jù)對(duì)象的響應(yīng)曲線(xiàn)-飛升特性整定參數(shù)，精度更高。,(2)、求取廣義對(duì)象的放大系數(shù)Ko,式中 y -被控參數(shù)測(cè)量值的變

33、化量； X -控制器輸出的變化量； ymax-ymin-測(cè)量?jī)x表的刻度范圍； Xmax-Xmin-控制器輸出變化范圍。,(3)、根據(jù)對(duì)象的K0 、T0 、0 ，按下表3-4所給公式求出4：1衰減過(guò)程控制器的參數(shù)、TI和 TD 。,在某一蒸汽加熱器的控制系統(tǒng)中，當(dāng)電動(dòng)單元組合控制器的輸出從6mA改變到7mA時(shí)，溫度記錄儀的指針從85升到87.8，從原來(lái)的穩(wěn)定狀態(tài)達(dá)到新的穩(wěn)定狀態(tài)。儀表的刻度為50100，并測(cè)出O=1.2min,TO=2.5min。如采用PI和PID控制規(guī)律，試確定出整定參數(shù)。,例3-3,本例中，X=7-6=1mA Xmax-Xmin=10-0=10mA y=87.8-85.0=2

34、.8 ymax-ymin=100-50=50 所以,解：,因此，在PI控制器時(shí)：,=1.127%=30% TI=3.31.2=4min,在PID控制器時(shí)： =0.8527%=23% TI=21.2=2.4min TD=0.51.2=0.6min 解畢。,1、試說(shuō)明單回路控制系統(tǒng)的構(gòu)成、主要特點(diǎn)及其應(yīng)用場(chǎng)合。并說(shuō)明系統(tǒng)設(shè)計(jì)的主要內(nèi)容。 2、過(guò)程控制系統(tǒng)方案設(shè)計(jì)應(yīng)包含哪些主要內(nèi)容？ 3、選擇被控參數(shù)時(shí)應(yīng)遵循哪些基本原則？ 4、在選擇控制參數(shù)時(shí)，為什么取過(guò)程控制通道的靜態(tài)放大系數(shù)K0 應(yīng)適當(dāng)大一些，而時(shí)間常數(shù)T0應(yīng)適當(dāng)小一些？ 5、在設(shè)計(jì)過(guò)程控制系統(tǒng)時(shí)，怎樣選擇調(diào)節(jié)器的控制規(guī)律？怎樣確定調(diào)節(jié)器的正、

35、反作用方式和調(diào)節(jié)閥氣開(kāi)、氣關(guān)形式？,思考題,第四章 串級(jí)控制系統(tǒng),4-1 概述,單回路控制系統(tǒng)：結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，但難于適應(yīng)工藝參數(shù)間關(guān)系比較復(fù)雜的控制，特別是現(xiàn)代大規(guī)模工業(yè)生產(chǎn)。,復(fù)雜控制系統(tǒng)：具有兩個(gè)以上的檢測(cè)變送單元、或控制器、或執(zhí)行器，能完成一些復(fù)雜或特殊的任務(wù),串級(jí)控制系統(tǒng)：對(duì)改善控制品質(zhì)有獨(dú)到之處，故而在過(guò)程控制系統(tǒng)中應(yīng)用很廣泛。,4.2 4.3 4.4 4.5,一.串級(jí)控制系統(tǒng)的組成,以煉油廠管式加熱爐的出口溫度控制為例。 (1)、采用直接控制方案：如圖4-1所示。 優(yōu)點(diǎn)：所有對(duì)溫度的干擾都包括在控制回路之中。 缺點(diǎn)：對(duì)燃油流量變化等干擾控制不及時(shí)，總滯后較大。 (2)、采用間接控制方案

36、：如圖4-2所示。 優(yōu)點(diǎn)：能及時(shí)而有效地克服來(lái)自燃料油壓力方面的干擾。 缺點(diǎn)：燃料油控制只起輔助作用；放棄爐出口溫度控制將無(wú)法克服來(lái)自原料流量和溫度、爐膛壓力變化等方面的干擾。,1、問(wèn)題的提出,(1)、結(jié)構(gòu)圖：將圖4-1、圖4-2方案綜合起來(lái)，即得串級(jí)控制系統(tǒng)如圖4-4所示。,2、系統(tǒng)組成,加熱,流量測(cè)量,溫度測(cè)量,(2)、方框圖：如圖4-3所示。,(3)、特征：兩臺(tái)控制器串聯(lián)在一起，控制一個(gè)調(diào)節(jié)閥。,(4)、另一實(shí)例,(5)、常見(jiàn)名詞術(shù)語(yǔ):,主、副變量，主、副控制器，主、副對(duì)象，主、副變送器，主、副回路等，如圖4-5.,二、二次干擾,作用在主、副對(duì)象上的干擾分別為一、二次干擾。 圖4-5為串

37、級(jí)控制系統(tǒng)的通用方框圖。,三、串級(jí)控制系統(tǒng)的工作過(guò)程,仍以管式加熱爐出口溫度控制為例，分析克服干 擾的過(guò)程。,1、干擾來(lái)自燃料油流量,初始階段，出口溫度不變，溫度控制器的輸出不變。 出口溫度變化時(shí)，溫度控制器不斷改變著流量控制器的設(shè)定值。,2、干擾來(lái)自原料油,(1)、使主、副變量同向變化 (2)、使主、副變量反向變化 分析可知：副控制器具有“粗調(diào)”作用，主控制器具有“細(xì)調(diào)”作用；兩者配合，控制質(zhì)量必高于單回路控制系統(tǒng)。,出口溫度 溫度控制器輸出 流量控制器設(shè)定值 。,3、一、二次干擾同時(shí)出現(xiàn),燃料油流量為適應(yīng)溫度控制的需要而不斷變化。,4-2 串級(jí)控制系統(tǒng)的特點(diǎn),一、時(shí)間常數(shù),串級(jí)控制系統(tǒng)能使

38、等效副對(duì)象的時(shí)間常數(shù)變小，放大系數(shù)增大，從而顯著提高控制質(zhì)量。 將整個(gè)副回路看成一個(gè)副對(duì)象，則簡(jiǎn)化圖如圖4-5所示（或下張兩圖）。,由P181分析，可得式(4-3) T02T02意味著控制通道的縮短。,由于等效副回路時(shí)間常數(shù)的縮短，系統(tǒng)的工作頻率提高了（可使振蕩周期縮短）。 通過(guò)對(duì)串級(jí)和單回路控制系統(tǒng)特征方程的分析(P1812)，可知:串單。,二、工作頻率,三、抗干擾能力,設(shè)干擾從閥前進(jìn)入。 進(jìn)一步等效,圖4-6。,分析可得式:,K1*K2越大，抗干擾能力越強(qiáng)。 進(jìn)一步分析可知單回路比串級(jí)抗干擾能力差。,四、有一定的自適應(yīng)能力,單回路控制系統(tǒng)只有一個(gè)控制器，設(shè)定值一般不變，難以適應(yīng)負(fù)荷非線(xiàn)性的

39、變化。 串級(jí)控制系統(tǒng)中，副回路是一個(gè)隨動(dòng)系統(tǒng)，設(shè)定值隨主控制器的輸出而變化，適應(yīng)負(fù)荷變化的能力較強(qiáng)。 由式(5-22)(P172)可知，K02變化對(duì)等效K02影響很小，亦可說(shuō)明副回路能自動(dòng)地克服對(duì)象非線(xiàn)性特性的影響。,4-3 串級(jí)控制系統(tǒng)的工業(yè)應(yīng)用,當(dāng)被控對(duì)象純滯后時(shí)間較長(zhǎng)時(shí)，在離控制閥較近、純滯后時(shí)間較小的地方選擇一個(gè)副變量，把干擾拉入副回路。 利用副回路的超前作用來(lái)克服對(duì)象的純滯后僅僅是對(duì)二次干擾而言的，一次干擾不直接影響副變量。 例 如下圖所示：,堅(jiān)持一個(gè)設(shè)計(jì)原則：凡是用單回路控制系統(tǒng)能滿(mǎn)足控制要求的，就不再用串級(jí)控制系統(tǒng)。,一、用于克服對(duì)象的純滯后,副變量：過(guò)熱蒸汽溫度，位于滯后較小的

40、B點(diǎn)。,被控參數(shù)：A點(diǎn)溫度,控制參數(shù)：減溫水流量,主要干擾：減溫水壓力波動(dòng)。,二、用于克服對(duì)象的容量滯后,容量滯后會(huì)使被控對(duì)象反應(yīng)遲鈍，超調(diào)大，過(guò)渡過(guò)程長(zhǎng)。 以溫度或質(zhì)量作為被控量的控制對(duì)象，其容量滯后往往比較大，致使控制質(zhì)量變差。 對(duì)象容量滯后大、干擾復(fù)雜的情況下，串級(jí)控制系統(tǒng)的使用最為普遍，效果較好。 此時(shí)應(yīng)選擇一個(gè)滯后較小的輔助變量組成副回路。 副環(huán)的時(shí)間常數(shù)不能過(guò)大，以防共振；也不能過(guò)小，力求多包含一些干擾。 例 如下張圖：,燃料油熱值變化后，爐膛反應(yīng)滯后3分鐘，而出口溫度則需 15分鐘。,三、用于克服變化劇烈和幅值大的干擾,串級(jí)控制系統(tǒng)對(duì)二次干擾具有很強(qiáng)的克服能力。 設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)把變化劇

41、烈、幅值大的干擾包含在副回路中。 副回路放大系數(shù)應(yīng)大些，會(huì)使抗干擾能力大大提高。 例 如下圖4-13，脫氣塔的壓力對(duì)主控指標(biāo)(液位)影響很大，甚至造成溢出或打干的事故，是主干擾，串級(jí)控制后效果很好。,四、用于克服對(duì)象的非線(xiàn)性,負(fù)荷變化會(huì)引起工作點(diǎn)的移動(dòng)。 當(dāng)負(fù)荷變化大且頻繁時(shí)，只有高級(jí)控制系統(tǒng)才有重整參數(shù)以適應(yīng)控制要求的能力。,一般控制系統(tǒng)中，有效辦法是采用串級(jí)控制。 例 在圖4-14中，其中部溫度要嚴(yán)控，則將具有非 線(xiàn)性特性的換熱器包含在副回路。,4-4 串級(jí)控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì),主變量(操縱量)的選擇原則主要有： (1)、條件允許時(shí)選質(zhì)量指標(biāo)作為主變量。,正確合理地設(shè)計(jì)，才能使串級(jí)控制系統(tǒng)發(fā)揮其

42、特點(diǎn)。 設(shè)計(jì)包括主、副回路選擇，主、副控制器控制規(guī)律選型和正、反作用的確定。,一、主、副回路的選擇,(一)、主回路是一個(gè)定值控制系統(tǒng)，可以按單回路控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)原則進(jìn)行。,(二)、副回路應(yīng)包括盡可能多的擾動(dòng)。,前已述及，應(yīng)將變化最劇烈、幅度最大、最頻繁的擾動(dòng)包括在副回路中。 研究系統(tǒng)的干擾來(lái)源是十分重要的。如前述的管式加熱爐，主擾動(dòng)為然油壓力還是然油熱值，則副回路的選擇大不相同。,(2)、其次考慮選擇與質(zhì)量有單值關(guān)系的參數(shù)作為主變量。 (3)、所選主變量應(yīng)有足夠的靈敏度，且工藝合理、易實(shí)現(xiàn)。,并非包括的干擾越大越好。干擾包括得越大，副變量的位置會(huì)越靠近主變量，靈敏度會(huì)降低。,前已分析得到串與單

43、的關(guān)系如P182所示。 繪出分析曲線(xiàn)，如右圖所示。,(三)、主、副對(duì)象的時(shí)間常數(shù)要匹配。,分析可知,(1)、當(dāng)T01/T0210時(shí)，則T02很小，副回路包括的干擾很少，作用未發(fā)揮。 (2)、當(dāng)T01/T023時(shí)，說(shuō)明T02過(guò)大，副回路的控制作用不及時(shí)。 (3)、當(dāng)T01/T021時(shí)，主、副回路易出現(xiàn)“共振效應(yīng)”。 一般認(rèn)為：T01/T02=310 較合適。 究竟T02取多大為好，應(yīng)按具體情況確定。若欲快速克服主干擾，則小一點(diǎn)為好；若欲克服對(duì)象的大滯后，可取大點(diǎn)；若欲克服對(duì)象的非線(xiàn)性，則T01/T02宜取大一些。,(四)、選副回路應(yīng)考慮工藝上的合理性,只有滿(mǎn)足工藝要求，才具有實(shí)用性。 先考慮工藝

44、要求，再考慮其他要求。,(五)、副回路設(shè)計(jì)應(yīng)考慮經(jīng)濟(jì)性原則,技術(shù)與經(jīng)濟(jì)指標(biāo)應(yīng)綜合考慮，如下兩圖。,1、對(duì)主變量控制質(zhì)量要求高 主變量宜采用PI規(guī)律；欲克服容量滯后，應(yīng)引進(jìn)微分作用，采用PID規(guī)律。 副變量一般采用P規(guī)律就可以了。 2、對(duì)副變量控制要求也較高 主、副變量均采用PI控制規(guī)律。 3、對(duì)主變量控制要求不高，甚至允許小波動(dòng) 主變量采用P規(guī)律，副回路對(duì)主回路的跟隨要求快而準(zhǔn)時(shí)采用PI控制規(guī)律。,二、主、副控制器的選擇,(一)、控制規(guī)律的選擇,副控制器按單回路方式選擇，具體見(jiàn)P154。 主控制器按下式確定:,(二)、正、反作用方式的選擇,4、對(duì)主、副變量控制要求均不高 可均采用P規(guī)律；必要時(shí)

45、對(duì)主變量控制引進(jìn)微分作用 。,(主控制器+/-)(副對(duì)象+/-)(主對(duì)象+/-)=(-) 主、副控制器正、反作用方式的確定是否正確， 可進(jìn)行驗(yàn)證，如圖。,4-5 串級(jí)控制系統(tǒng) 控制器參數(shù)的整定,所謂投運(yùn)，就是通過(guò)適當(dāng)?shù)牟襟E，使主、副控制器從手動(dòng)工作狀態(tài)轉(zhuǎn)到自動(dòng)工作狀態(tài)。 兩種投運(yùn)方法：、先投副環(huán)后投主環(huán)(常用)；、先投主環(huán)后投副環(huán)(很少用)。,一、串級(jí)控制系統(tǒng)的投運(yùn),二、串級(jí)控制系統(tǒng)控制器參數(shù)的整定,串級(jí)控制系統(tǒng)的方案正確設(shè)計(jì)后，為了使系統(tǒng)運(yùn)行在最佳狀態(tài)，按照自控理論，必須對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行校正，這在過(guò)程控制中稱(chēng)為參數(shù)整定。 在工程實(shí)踐中，串級(jí)控制系統(tǒng)中常用的整定方法有：逐步逼近法、兩步整定法、一步整

46、定法等。,(一)、逐步逼近法,逐步逼近法是先副后主，逐步逼近。該方法較繁瑣。 具體步驟為： 先斷開(kāi)主回路，整定副控制器。 后閉合主回路，整定主控制器。 重新調(diào)整副控制器參數(shù)。 若未達(dá)到控制要求，再調(diào)整主控制器參數(shù)。 以上步驟循環(huán)進(jìn)行，直到滿(mǎn)足(逼近)控制指標(biāo)為止。 對(duì)于不同的控制系統(tǒng)和不同的品質(zhì)指標(biāo)要求，逐步逼近法逼近的循環(huán)次數(shù)是不同的，所以往往費(fèi)時(shí)較多。,(二)、兩步整定法 (應(yīng)用最廣泛),第一步，整定副控制器；第二步，整定主控制器。 具體步驟:見(jiàn)教材P186。 應(yīng)用舉例 在硝酸生產(chǎn)過(guò)程中，有一個(gè)氧化爐溫度與氨氣流量的串級(jí)控制系統(tǒng)。溫度為主參數(shù)，工藝要求較高，溫度最大偏差不能超過(guò)5，氨氣流量

47、為副參數(shù)，允許在一定范圍內(nèi)變化，要求不高。系統(tǒng)控制器參數(shù)采用兩步整定法，過(guò)程如下。,、在系統(tǒng)設(shè)計(jì)時(shí)，主控制器選用PI控制規(guī)律，副控制器選用P控制規(guī)律。在系統(tǒng)穩(wěn)定允許條件下，主、副控制器均置于純比例作用，主控制器的比例度置于100%，用4：1衰減曲線(xiàn)法(見(jiàn)右圖)整定副控制器的參數(shù)，得,將副控制器的比例度置于32%上，用相同的方法整定，將主控制器的比例度由大到小逐漸調(diào)節(jié)，取得主控制器的1S =50%,T1S=7min。,2S=32%,T2S=15s。,根據(jù)上述求得的各參數(shù)，運(yùn)用4：1衰減曲線(xiàn)法整定計(jì)算公式(見(jiàn)上表4-1)，計(jì)算主、副控制器的整定參數(shù)為： 主控制器(溫度控制器)：比例度1=1.21S

48、=60%，積分時(shí)間T1=0.5 T1S=3.5min 副控制器(流量控制器)：比例度2 = 2S =32% 把上述計(jì)算的參數(shù)，按先P后I的次序，分別設(shè)置在主、副控制器上，并使串級(jí)控制系統(tǒng)在該參數(shù)下運(yùn)行。 實(shí)際運(yùn)行，氧化爐溫度穩(wěn)定，完全滿(mǎn)足生產(chǎn)工藝的要求。,1、與單回路系統(tǒng)相比，串級(jí)控制系統(tǒng)有哪些主要特點(diǎn)？ 2、為什么說(shuō)串級(jí)控制系統(tǒng)具有改善過(guò)程動(dòng)態(tài)特性的特點(diǎn)？T02和K02減小與提高控制質(zhì)量有何關(guān)系？ 3、為什么提高系統(tǒng)工作頻率也算是串級(jí)控制系統(tǒng)的一大特點(diǎn)？,思考題,下一章,加熱,溫度測(cè)量,返回,加熱,流量測(cè)量,返回,第五章 前饋及復(fù)合控制系統(tǒng),其他反饋控制的缺點(diǎn)： 無(wú)法將干擾克服在被控制量偏離

49、設(shè)計(jì)值之前。 被控對(duì)象總是存在一定的純滯后和容量滯后，故限制了控制作用的充分發(fā)揮。,5-1 基本概念,1、問(wèn)題的提出,5.2,2、技術(shù)思路,直接按擾動(dòng)而不是按偏差進(jìn)行控制。 干擾發(fā)生后，被控量還未顯現(xiàn)出變化之前，控制器就產(chǎn)生了控制作用。 這種前饋控制系統(tǒng)對(duì)干擾的克服要比反饋控制系統(tǒng)及時(shí)得多。,3、工作原理,用右圖針對(duì)反饋控制做比較說(shuō)明。,其中Ma為擾動(dòng)量，T2為出口溫度，WO(s)為控制通道的傳遞函數(shù),Wf(s)為前饋通道的傳遞函數(shù),Wd(s)為干擾通道的傳遞函數(shù)。,補(bǔ)償過(guò)程如下圖所示。,可實(shí)現(xiàn)對(duì)擾動(dòng)的完全補(bǔ)償，使被控量成為對(duì)擾動(dòng)絕對(duì)不靈敏的系統(tǒng)。（不變性原理）,4、前饋與反饋的比較,(1)、

50、檢測(cè)：前饋控制測(cè)干擾；反饋控制測(cè)被控量。 (2)、效果：克服干擾，前饋控制及時(shí)，理論上可實(shí)現(xiàn)完全補(bǔ)償；反饋控制不及時(shí)。 (3)、經(jīng)濟(jì)性：克服干擾，前饋控制只能一對(duì)一，不如反饋控制經(jīng)濟(jì)。 (4)、穩(wěn)定性：前饋為開(kāi)環(huán)，不存在此問(wèn)題；反饋則不同，穩(wěn)定性與控制精度是矛盾的。,5-2 前饋控制系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)形式,控制器的輸出僅僅是輸入F的函數(shù)，與時(shí)間t無(wú)關(guān)。 在圖4-12中，令前饋控制器傳函滿(mǎn)足下式即可：,一、靜態(tài)前饋控制,靜態(tài)前饋的含義,二、動(dòng)態(tài)前饋控制,靜態(tài)前饋控制只能有效抑制靜態(tài)偏差； 動(dòng)態(tài)前饋控制不但能有效抑制靜態(tài)偏差；而且能有效抑制動(dòng)態(tài)偏差。,1、問(wèn)題及辦法,2、原理：如右圖，其中Wm(S)非純比

51、例環(huán)節(jié)。,動(dòng)態(tài)前饋控制能顯著提高系統(tǒng)的控制質(zhì)量，但結(jié)構(gòu)和參數(shù)整定均比較復(fù)雜。 只適用于控制精度要求很高、反饋與靜態(tài)前饋難于滿(mǎn)足時(shí)。,三、復(fù)合控制系統(tǒng),亦稱(chēng)為前饋-反饋控制系統(tǒng)。,1、方法的提出,前饋控制是有局限性的： 對(duì)補(bǔ)償結(jié)果無(wú)法檢測(cè)； 難以對(duì)每個(gè)干擾均設(shè)計(jì)一套前饋控制裝置； 一個(gè)固定的前饋模型難以獲得良好的控制質(zhì)量。,3、特點(diǎn)及適用性,復(fù)合控制的好處：既發(fā)揮了前饋校正及時(shí)的優(yōu)點(diǎn)，又保持了反饋控制能抑制多個(gè)干擾并對(duì)被控量始終給予檢驗(yàn)的長(zhǎng)處。,2、組成原理及結(jié)構(gòu)圖:,當(dāng)負(fù)荷變化時(shí) 對(duì)于前饋控制未能完全消除的偏差，以及未能引入前饋控制的其他干擾( 如物料進(jìn)口溫度、蒸汽壓力等),3、特點(diǎn), 實(shí)現(xiàn)前

52、饋控制作用的完全補(bǔ)償?shù)臈l件不變。（令Y(s)/F(s)=0即可。） 不會(huì)因引入前饋控制而影響反饋控制的穩(wěn)定性。,4、前饋-反饋控制的優(yōu)點(diǎn), 只需對(duì)主要的干擾采用前饋補(bǔ)償，大大簡(jiǎn)化了原來(lái)的純前饋控制系統(tǒng)。 降低了對(duì)前饋控制精度的要求，為工程上實(shí)現(xiàn)簡(jiǎn)單的前饋補(bǔ)償創(chuàng)造了條件。 比純反饋控制具有控制精度高、溫度速度快的特點(diǎn)。 因而是前饋控制中廣泛應(yīng)用的控制系統(tǒng)。,為了保證前饋控制的精度，常希望控制閥靈敏、線(xiàn)性等； 采用串級(jí)控制系統(tǒng)可滿(mǎn)足以上要求。,四、前饋-串級(jí)控制系統(tǒng),1、方法的提出,2、原理與結(jié)構(gòu)圖,3、應(yīng)用舉例：,思考題,1、前饋控制有哪幾種主要型式？ 2、前饋控制與反饋控制各有什么特點(diǎn)？ 3、

53、為什么一般不單獨(dú)使用前饋控制方案？,1、預(yù)估補(bǔ)償：原理上能消除純滯后對(duì)控制系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)影響，但需被控過(guò)程的精確模型，工程上往往難以實(shí)現(xiàn)。,第六章 大滯后補(bǔ)償控制,6.2 6.3,6-1 克服純滯后的幾種常見(jiàn)方案,2、采樣控制：成本較低，但干擾加入的時(shí)刻對(duì)控制效果影響較大。 3、改進(jìn)型常規(guī)控制：具有通用性廣等特點(diǎn)，目前較常用。 4、其他：大林算法、卡爾曼預(yù)估算法、灰色預(yù)測(cè)控制等。,是一種比較簡(jiǎn)單、工程上易實(shí)現(xiàn)、又能滿(mǎn)足一定控制質(zhì)量要求的控制方案。 對(duì)降低超調(diào)量更有顯著的效果。,6-2 改進(jìn)型常規(guī)控制方案,一、微分先行控制方案,1、特點(diǎn),2、組成結(jié)構(gòu),一般常規(guī)PID控制方案：見(jiàn)下張圖6-1。 微分先

54、行控制方案：見(jiàn)下張圖6-2。,3、傳遞函數(shù)（隨動(dòng)特性與抗擾動(dòng)性能）,一般常規(guī) PID：式(1)、式(2)。,微分先行：式(3)、式(4)。,：微分先行較常規(guī)PID少了一個(gè)零點(diǎn)Z=1/TD , 故超調(diào)量要小一些。,4、過(guò)渡過(guò)程比較：, 區(qū)別,二、中間反饋控制方案,使控制系統(tǒng)閉環(huán)傳遞函數(shù)極點(diǎn)位置發(fā)生變化，從而使超調(diào)量大大下降，控制質(zhì)量得到改善。 微分作用是獨(dú)立的，能及時(shí)起校正作用。,1、特點(diǎn),2、原理方案,3、控制效果：,與一般常規(guī)控制對(duì)比： （1）、在給定值變化時(shí)，無(wú)論是微分先行方案，或中間反饋控制方案，其控制過(guò)程的品質(zhì)均優(yōu)于常規(guī)PID，尤其在減小超調(diào)量方面效果更佳。 （2）、在擾動(dòng)作用下，其控

55、制品質(zhì)與常規(guī)PID相差不大。,6-3 預(yù)估控制方案,在PID控制回路上再并聯(lián)一個(gè)補(bǔ)償回路，以抵消對(duì)象的純滯后因素。,1、特點(diǎn),2、原理結(jié)構(gòu),單回路控制系統(tǒng)：,史密斯補(bǔ)償原理：如下圖所示。,3、控制效果：,控制器接受的測(cè)量信號(hào)比實(shí)際檢測(cè)到的被控量提前了時(shí)間，是一個(gè)對(duì)被控量的預(yù)估器。,如下圖所示。,4、工業(yè)應(yīng)用舉例：,加熱爐溫度預(yù)估補(bǔ)償控制,1、生產(chǎn)過(guò)程中的時(shí)間滯后是怎么引起的？ 2、試舉一生產(chǎn)過(guò)程實(shí)例，簡(jiǎn)述當(dāng)其擾動(dòng)通道及控制通道存在純滯后因素時(shí)，它們帶給被控參數(shù)的不利影響如何？ 3、微分先行控制方案與常規(guī)PID控制方案有何異同？,思考題,第七章 實(shí)現(xiàn)特殊要求 2 3 4 的過(guò)程控制系統(tǒng),7-1

56、比值控制系統(tǒng),在現(xiàn)代工業(yè)生產(chǎn)過(guò)程中，要求兩種或多種物料流量成一定比例關(guān)系；一旦比例失調(diào)，會(huì)影響生產(chǎn)的正常進(jìn)行，影響產(chǎn)品質(zhì)量，浪費(fèi)動(dòng)力，造成環(huán)境污染，甚至產(chǎn)生生產(chǎn)事故。如： 燃燒過(guò)程中，往往要求燃料量與空氣量需按一定比例混合后送入爐膛。 制藥生產(chǎn)中要求藥物和注入劑按比例混合。,一、概述,1、方法的產(chǎn)生,2、比值控制的含義,凡是兩個(gè)或多個(gè)變量自動(dòng)維持一定比值關(guān)系的過(guò)程控制系統(tǒng)，統(tǒng)稱(chēng)為比值控制系統(tǒng)。,3、變量及關(guān)系,主動(dòng)量-起主導(dǎo)作用而又不可控的物料流量； 從動(dòng)量-跟隨主動(dòng)量而變化的物料流量； 比例系數(shù): K=Q1/ Q2,造紙過(guò)程中為保證紙漿濃度，要求自動(dòng)控制紙漿量和水量比例。 水泥配料系統(tǒng),1、

57、系統(tǒng)組成: 如下圖所示。,二、比值控制系統(tǒng)的類(lèi)型,(一)、開(kāi)環(huán)比值控制,(二)、單閉環(huán)比值控制,簡(jiǎn)單、成本低； 只有當(dāng)Q1變化時(shí)才起控制作用； Q2變化時(shí)Q1不會(huì)響應(yīng)，比例關(guān)系被破壞。,3、適用場(chǎng)合,副流量沒(méi)有干擾的情況。,2、系統(tǒng)組成：如下圖所示。,1、特點(diǎn): 能克服開(kāi)環(huán)比值方案的不足。,2、特點(diǎn),3、工作過(guò)程,穩(wěn)定狀態(tài)下 主流量變化時(shí) 副變量由于干擾而變化時(shí),如右圖所示。,4、應(yīng)用實(shí)例:,優(yōu)點(diǎn)：不但能實(shí)現(xiàn)流量的副量跟主量變化，而且能克服流量干擾等。 缺點(diǎn)：主流量不受控。,6、應(yīng)用場(chǎng)合,在負(fù)荷變化不太大的場(chǎng)合得到廣泛應(yīng)用。,5、優(yōu)缺點(diǎn),能克服單閉環(huán)主流量不受控的不足。,1、特點(diǎn),2、系統(tǒng)組成：如下圖所示。,(三)、雙閉環(huán)比值控制,7-4 a) 雙閉環(huán)比值控制,給定(隨動(dòng)值),設(shè)定值(定值),常用在主流量干擾頻繁或工藝上不允許負(fù)荷有較大的波動(dòng)，或工藝上經(jīng)常需要升降負(fù)荷的場(chǎng)合。,3、另一優(yōu)點(diǎn)：,升降負(fù)荷比較方便。,4、適用場(chǎng)合,5、應(yīng)用實(shí)例：如圖。,設(shè)定值,在有些生產(chǎn)過(guò)程中，要求兩種物料流量的比值隨第三個(gè)變量的變化而變化。 為了滿(mǎn)足上述生產(chǎn)工藝要求，開(kāi)發(fā)并應(yīng)用變比值控制。,(四)、變比值控制,1、方法的產(chǎn)生,2、系統(tǒng)結(jié)構(gòu)：如下圖所示。,3、變比值控制的含義,比值只是一種手段，不是最終目的，而第三變量Y