企业信息化第二章-1.ppt

授课教师 李荣雨 电子与信息工程学院 本讲主要内容 控制系统的简单介绍 简单控制算法PID的基本原理 简单控制前馈控制 串级控制 控制系统的简单介绍 简单控制算法PID的基本原理 简单控制前馈控制 串级控制 本部分的要求 l结合具体对象，掌握单回路控制系统的方 块图描述法，并掌握方块图中线与方框图 的物理意义 l能够结合具体对象，了解控制系统的组成 l掌握过程控制中的常用术语（中英文） l了解控制系统的主要分类与设计过程 控制系统的由来 传感测量器：液位计+人眼 控制器：大脑 执行机构：手+手动阀 差压传感变送器 电动调节器 自动调节阀 液位控制系统的组成与方块图 问题：指出每一条连接线所对应的变量信号的物理意义与单位，以及 每一个方块所表示的意义？ 热交换器的温度控制系统 一般的单回路控制系统 被控变量：温度、压力、流量、液位或料位、成分与物性等六大参数； “广义对象”的概念 过程控制系统的重要术语 l 被控变量/受控变量/过程变量 （Controlled Variable - CV, Process Variable - PV） l 设定值/给定值 (Setpoint - SP, Setpoint Value - SV ) l 操纵变量/操作变量 (Manipulated Variable, MV) l 扰动/扰动变量 (Disturbance Variable, DV) l 对控制器而言，测量/测量信号 (Measurement ) ，控制/控 制信号/控制变量（Control Variable ） 控制系统的目标 l 过程控制系统的目标： 在扰动存在的情况下，通过调节操纵变量使被 控变量保持在其设定值。 l 应用过程控制系统的主要原因： （1）安全性：确保生产过程中人身与设备的安全，保 护或减少生产过程对环境的影响； （2）稳定性：确保产品质量与产量的长期稳定，以抑 制各种外部干扰； （3）经济性：实现效益最大化或成本最小化。 控制系统的分类 l 定值控制（Regulatory Control, “调节控制”）与 伺服控制（Servo Control, “跟踪控制”） 对照举例：连续过程与间歇过程（Batch Processes）或飞行控制。 l 前馈控制（Feedforward Control）与反馈控制（ Feedback Control） 对照举例：热交换器的出口温度控制。 控制系统的分类（续） l 开关量控制（Switch Control）与连续量控制（ Continuous Control） 举例：空调器的控制 l 连续时间控制（Continuous-Time Control）与 离散时间控制（Discrete-Time Control, 也称“采 样控制”/“数字控制”） 举例：计算机控制系统 l 多变量控制与单变量多回路控制 l 线性控制与非线性控制等 控制系统的设计与实施 l 确定控制目标：依据生产过程安全性、经济性与稳 定性的要求，针对具体工业对象确定控制目标； l 选择被控变量：选择与控制目标直接或间接相关的 可测量参数作为控制系统的被控变量； l 选择操作变量：从所有可操作变量中选择合适的操 作变量，要求对被控变量的调节作用尽可能大而快； l 确定控制方案：当被控变量与操作变量多于1个时 ，既可以直接用MIMO（多输入多输出）控制方案； 也可以将系统分解成几个SISO（单输入单输出）子系 统再进行设计（当然这里存在最佳分解问题）。 控制系统的设计与实施（续） l 调节阀的选择：根据被控变量与操作变量的工艺条 件及对象特性，选择合适大小与流量特性的调节阀； l 控制算法的选择：依据控制方案选择合适的控制算 法。通常对于SISO系统，PID控制算法能满足大部分 情况；而对于MIMO系统，可采用的控制算法很多， 但一般都需要对象模型，仅适用于计算机控制系统。 l 控制系统的调试和投用：控制系统安装完毕后， 按控制要求检查和调整各控制仪表和设备的工作状况 (包括控制器参数的在线整定)，依次将其投入运行。 举例：精馏塔控制系统 控制目标 CV、MV选择 控制系统 调试与投用 控制方案 控制算法 常用控制算法 lPID类（包括：单回路PID、串级、前馈、均匀 、比值、分程、选择或超驰控制等）， 特点：主要适用于SISO系统、基本上不需要对象 的动态模型、结构简单、在线调整方便 lAPC类（先进控制方法，包括：解耦控制、内模 控制、预测控制、自适应控制等）， 特点：主要适用于MIMO或大纯滞后SISO系统、 需要动态模型、结构复杂、在线计算量大。 PID Proportional Integral Differential 比例积分微分 APC Advanced Process Control 先进控制 控制系统的简单介绍 简单控制算法PID的基本原理 简单控制前馈控制 串级控制 被控对象动态建模方法 l 机理建模 原理：根据过程的工艺机理，写出各种有关的平衡方程，如物料平衡 、能量平衡等，以及反映流体流动、传热、传质等基本规律的运动方 程，由此获得被控对象的动态数学模型。 特点：概念明确、适用范围宽，要求对该过程机理明确。 l 测试建模 原理：对过程的输入（包括控制变量与扰动变量）施加一定形式的激 励信号，如阶跃、脉冲信号等，同时记录相关的输入输出数据，再对 这些数据进行处理，由此获得对象的动态模型。 特点：无需深入了解过程机理，但适用范围小，模型准确性有限。 传递函数1引言 系统的微分方程模型 用D表示求微分算子 找出输入和输出之间关系 图1 传递函数1引言 实际如何得到上述有理式描述呢？ 现在对上述微分方程两端进行拉氏变换，并考虑电容上的 初始电压uc(0)，得: 可以用来求输出的时域动态变化 l对传递函数作如下表述： (引出数学工具1) 线性（或线性化）定常系统在零初始条件下 ，输出量的拉氏变换与输入量的拉氏变换 之比称为传递函数。 传递函数2定义 一般地，若线性定常系统由下述n阶微分方程描述： (1) 式中c(t)是系统输出量，r(t)是系统输入量，a0，a1， an，b0，b1，bm是与系统结构参数有关的常系数。 令C(s)=Lc(t)，R(s)=Lr(t)，在初始条件为零时，对式(9)进行拉氏变换， 可得到s的代数方程： ansn+an-1sn-1+a1s+a0C(s) =bmsm+bm-1sm-1+b1s+b0R(s) 传递函数2定义 (2) 由传递函数的定义，由式(1)描述的线性定常系统的传递函数： 式中 M(s)= bmsm+bm-1sm-1+b1s+b0为传递函数的分子多项式； D(s)= ansn+an-1sn-1+a1s+a0为传递函数的分母多项式。 (3) 传递函数是在初始条件为零（或称零初始条件）时定义的。控制系统的零初 始条件有两方面的含义，一系统输入量及其各阶导数在t=0时的值均为零；二系 统输出量及其各阶导数在t=0时的值也为零。 传递函数2定义 从线性定常系统传递函数的定义式(3)可知，传递函数具有 以下性质： 1. 传递函数是复变量s的有理真分式函数，分子的阶数m低于或等于分母的阶 数n （mn） ，且所有系数均为实数。 2. 传递函数只取决于系统和元件的结构和参数，与外作用 及初始条件无关。 (4) 3. 传递函数的零、极点分布图也表征了系统的动态性能。将式(10)中分子多项 式及分母多项式因式分解后，写为如下形式： 传递函数3性质 l 式中k为常数，-z1,-zm为 传递函数分子多项式方程的 m个根，称为传递函数的零 点；-p1,-pn为分母多项式 方程的n个根，称为传递函数 的极点。 l 一般zi, pi可为实数，也可为 复数，且若为复数，必共轭 成对出现。将零、极点标在 复平面上，则得传递函数的 零极点分布图，如图2所示。 图中零点用“O”表示，极点 用“ ”表示。 G(s)= 图图2 零极点分布 图图 传递函数3性质 5. 传递函数无法全面反映信号传递通路中的中间变量。多输入多输出系统各变 量间的关系要用传递函数阵表示。 4. 若取式(4)中s = 0，则： 或 b0 /a0恰为输出输入时静态比值。 常称为传递系数（或静态放大系数）。从微分方程式(9) 看，s=0相当于所有 导数项为零，方程蜕变为静态方程 传递函数3性质 控制系统从动态性能或数学模型来看可分成为以下几种基 本环节，也就是典型环节。 图 3(a)所示为一电位器，输入量和输出量关系如图 3(b)所示。 比例环节环节 图图3(a) 图图3(b) 比例环节的传递函数为： G(s)= K 输出量与输入量成正比，比例环节又称为无 惯性环节或放大环节。 （一）比例环节 传递函数4典型环节 （二）惯性环节 传递函数为如下形式的环节为惯性环节： 当环节的输入量为单位阶跃 函数时，环节的输出量将按指 数曲线上升，具有惯性，如图 4(a)所示。 图4 惯性环节 式中 K环节的比例系数； T环节的时间常数。 （三）积分环节 它的传递函数为: 当积分环节的输入为单位阶跃函数时， 则输出为t/T，它随着时间直线增长。T称 为积分时间常数。T很大时惯性环节的作 用就近似一个积分环节。 图 7(b)为积分调节器。积分时间常数 为RC。 图5 积分环节 （四）微分环节 理想微分环节传递函数为: G(s) = T s * 输入是单位阶跃函数1(t)时，理想微分环节的输出为c(t)=T(t)，是个脉冲函 数。 理想微分环节的实例示于图 6(a)、(b)。其中(a)为测速发电机。图中(b)为微 分运算放大器。 在实际系统中，微分环节常带有惯性，它的传递函数为： 它由理想微分环节和惯性环节组成，如图6(c)、(d)所示。在低频时近似 为理想微分环节，否则就有*式的传递函数。 图6 微分环节 （四）微分环节 （五）振荡环节 振荡环节的传递函数为： 式中: wn -无阻尼自然振荡频率，wn=1/T； 阻尼比，0 1。 图9所示为单位阶跃函数作用 下的响应曲线。 图7 振荡环节的单位阶跃响应曲线 （六）延滞(delay,纯滞后)环节 延滞环节是线性环节， t 称为延滞时间（又称死时 deadtime）。具有延滞环节的系统叫做延滞系统。 如图8所示，当输入为阶跃信号，输出要隔一定时间t 后 才出现阶跃信号，在01t 内，输出为零。 图8 延滞环节 延滞环节的传递函数可求之如下： c(t)= r(tt) 其拉氏变换为: 式中x = t-t，所以延滞环节的传递函数为: 系统具有延滞环节对系统的稳定性不利，延滞越大，影响越大。 传递函数5意义进一步描述 l 控制系统的微分方程是在时域描述系统动态性能的数学 模型，在给定外作用及初始条件下，求解微分方程可以 得到系统的输出响应。但系统中某个参数变化或者结构 形式改变，便需要重新列写并求解微分方程。 l 传递函数：对线性常微分方程进行拉氏变换，得到的系 统在复数域的数学模型为传递函数（或是利用微分算子 ，得到系统的微分算子形式传递函数） 传递函数不仅可以表征系统的动态特性，而且可以研 究系统的结构或参数变化对系统性能的影响。 传递函数是经典控制理论中最基本也是最重要的概念 传递函数只取决于系统的结构与参数，与输入变量形 式无关；它不反映系统内部的信息，也不反映系统的初 始条件； 它是输入输出模型的表现形式（可以是时域的表达， 更多是复域形式。传递函数可与时域微分方程、状态方 程相互转换； 视回路是否闭合，分为闭环传递函数与开环传递函数 。 传递函数5意义进一步描述 纯比例控制器 控制器增益 Kc或比例度对系统性能的影响：增 益 Kc 的增大（或比例度下降），使系统的调节作用 增强，但稳定性下降（当系统稳定时，调节频率提高 、最大偏差下降）； PID控制器1 比例增益对控制性能的影响 比例积分控制器 l 积分时间Ti 对系统性能的影响 引入积分作用的根本目的是为了消除稳态余差，但使控制 系统的稳定性下降。当积分作用过强时（即Ti 过小），可 能使控制系统不稳定。 PID控制器2 积分作用对控制性能的影响 理想的比例积分微分控制器 微分时间Td 对系统性能的影响 微分作用的增强（即Td 增大），从理论上讲使 系统的超前作用增强，稳定性得到加强，但高 频噪声起放大作用。对于测量噪声较大的对象 ，需要引入测量信号的平滑滤波；而微分作用 主要适合于特性一阶滞后较大的广义对象，如 温度、成份等。 PID控制器 微分作用对控制性能的影响 问题：控制作 用的变化过大 ，对噪声敏感 ，如何克服？ 实际的比例积分微分控制器 其中Ad 为微分增益 SimuLink 结构: PID控制器计算机实现 l 控制器增益 Kc或比例度 增益 Kc 的增大（或比例度下降），使系统的调节作 用增强，但稳定性下降； l 积分时间Ti 积分作用的增强（即Ti 下降），使系统消除余差的能 力加强，但控制系统的稳定性下降； l 微分时间Td 微分作用增强（即Td 增大），可使系统的超前作用增 强，稳定性得到加强，但对高频噪声起放大作用，主 要适合于特性滞后较大的广义对象，如温度对象等。 PID参数对控制性能的影响 CSTR实例分析 - 连续搅拌釜式反应器 CSTR实例- 模型 CSTR实例-输入流扰动P控制 CSTR实例-输入流扰动I控制 控制器的“正反作用”选择 n 定义：当被控变量的测量值增大时，控制器的输出也增大 ，则该控制器为“正作用”；否则，当测量值增大时，控制器 输出反而减少，则该控制器为“反作用”。 n 选择要点：使控制回路成为“负反馈”系统。选择方法为： （1）假设检验法，先假设控制器的作用方向，再检查控制 回路能否成为“负反馈”系统； （2）回路判别法，先画出控制系统的方块图，并确定回路 除控制器外的各环节作用方向，再确定控制器的正反作用。 控制器的作用方向选择： 假设检验法 假设温度控制器为正作用，即：Tm u；则 结论：该控制器的作用方向不能为正作用，而应为反作用. 控制器的作用方向选择： 回路判别法 回路判别法的要点： （1）反馈回路中负增益环节（包括比较器）数为奇数； （2）对控制器而言，“正作用”是指Tm u。 PID控制器设计1 工业PID控制器的选择 *1：当工业对象具有较大 的滞后时，可引入微分作 用；但如果测量噪声较大 ，则应先对测量信号进行 一阶或平均滤波。 PID控制器设计 工业PID控制器参数的整定 经验法 临界比例度法 响应曲线法 Ziegler-Nichols参数整定法 1/4准则 控制系统的简单介绍 简单控制算法PID的基本原理 简单控制前馈控制 串级控制 前馈控制的概念 D1，Dn为可测 扰动；u，y分别为被 控对象的操作变量与 受控变量。 前馈思想：在扰动还未影响输出以前，直接改变操作变量，以使输出不 受或少受外部扰动的影响。 前馈与反馈控制系统举例 前馈控制 l 引入前馈控制的可能应用场合： （1）主要被控量不可测； （2）尽管被控量可测，但控制系统所受的干扰严 重，常规反馈控制系统难以满足要求。 l 应用前馈控制的前提条件： （1）主要干扰可测； （2）干扰通道的响应速度比控制通道慢，至少应 接近； （3）干扰通道与控制通道的动态特性变化不大。 前馈控制方块图 u (t)、y (t) 分别表示控制 变量与被控变量； d (t) 表示某一外部干扰; GYD(s)、GYC(s)分别为干 扰通道与控制通道的动 态特性； GFF(s)为前馈控制器的 动态特性。 控制目标： 前馈不变性原理 l 动态不变性：在扰动d(t)的作用下，被控量y(t) 在整个过渡过程中始终保持不变，称系统对于 扰动d(t)具有动态不变性，即Y(s)/D(s) = 0,（调节 过程的动态和稳态偏差均为零，”理想情况“）。 l 稳态