过程控制系统设计(补充).ppt

3 过程控制系统设计 （补充）,3 过程控制系统设计,本章学习内容 3.1 单回路系统的特点 3.2 单回路系统的分析,3.1 单回路系统的特点,一、典型单回路系统的组成 单回路控制系统为SISO系统 信号以增益方式表示 整个系统为负反馈系统 执行器、对象、变送/检测环节可作为一个广义对象 实际范例,设定值,图1-1 简单控制系统示例,(a) 温度控制系统,3.1 单回路系统的特点,控制系统的组成 控制系统由被控对象、检测变送、控制器和执行器等组成，典型框图如下所示：,3.1 单回路系统的特点,可将被控对象、执行机构、变送检测环节作为一个整体-称为“广义对象”。传递函数符号Go(s) 控制信号和干扰信号分别经过其各自的信号传递通道对被控变量产生作用,a)控制通道,b) 扰动通道,3.1 单回路系统的特点,二、负反馈闭环系统对控制品质的提升 闭环负反馈增加了系统的抗干扰能力 闭环负反馈提高了系统的自适应能力 适当的控制方式可以消除系统的控制余差,3.1 单回路系统的特点,开/闭环情况下干扰通道的传递函数：,闭环：,开环:,设各环节传递函数的静态增益分别为:Kc/Ko/Kf 闭环系统干扰的最终影响可表示为: 开环系统干扰的最终影响可表示为: 所以闭环系统干扰影响小于开环系统,back,3.1 单回路系统的特点,控制对象的调节通道有时可能有一定的非线性,静态增益Ko随时间发生变化,闭环:,稳态时：,产生的相对变化：,当Ko发生变化时，闭环系统的被控量变化：,3.1 单回路系统的特点,当Ko发生变化时，闭环系统的被控量变化：,产生的相对变化：,对比闭环的情况： 可见闭环系统Ko变化时对输出产生的影响小。,back,3.1 单回路系统的特点,定值控制系统的余差可表示为：,当调节通道为纯比例环节时: 要求 需要 实际无法实现,而当Gc(s)中包含积分环节 (n0)时，,结论：消除阶跃干扰的余差，调节器必须包含一个积分环节。,3.2 单回路系统的分析,在控制系统的设计过程对象一般比较复杂，影响被控参数的因素往往不止一个，它们可能成为干扰信号，也可能被选作控制参数，而要合理的进行设计，就必须了解系统的每个环节特性对控制效果的作用，通过合理的选择控制参数，使每个环节的动态特性参数配置有利于控制。以下将通过对单回路系统主要环节的动态特性对控制质量影响的分析，说明干扰信号、控制参数对控制效果产生影响的特点。,3.2 单回路系统的分析,一、干扰通道特性对控制效果的影响,相关的动态特性参数分别是Kf、Tf、f，以下分别讨论它们 对控制效果的影响。,3.2 单回路系统的分析,Kf的影响：当干扰信号F(S)为幅度是f的阶跃信号时，干扰对系统影响的产生的稳态输出变化可表示为：,由上式可见Kf 越大，干扰对输出的稳态值的影响越大。 结论： Kf 越大，干扰对系统的静态指标的影响越大。,3.2 单回路系统的分析,Tf的影响：干扰通道的传递函数可表示为：,结论：Tf 越大，干扰对控制稳定性的影响越小。,Tf将决定传递函数特征方程的一个极点， Tf越大，在复平面上极点越接近虚轴(j)，这表示过渡过程时间将延长；同时系数1/ Tf将减小，使过渡过程的超调量减小。 可将Tf作用看作惯性滤波环节时间常数的作用， Tf大干扰信号经过Gf(s)环节产生的输出变化越缓慢，对系统影响就越小，控制质量就越好。,3.2 单回路系统的分析,f的影响：令 设干扰通道传递函数为 时干扰对被控参数的影响为 干扰通道传递函数为 时干扰对被控参数的影响为 则有 也即 上式说明纯滞后的存在只是使干扰作用的时间出现延迟，其他方面没有区别。,结论： f 理论上不影响控制质量。,3.2 单回路系统的分析,干扰的作用点：干扰信号引入系统的位置不同，对被控参数的影响也不同，特别在被控对象为多容对象时，作用点的位置选择很重要。如图所示一个三阶的液位对象，干扰f1、f1、f3分别从不同的液槽对被控参数产生影响。系统流程图和框图如图所示。,3.2 单回路系统的分析,设调节器的传递函数 设执行机构和检测变送环节的传递函数为 设各容积环节的传递函数为 不同作用点的干扰对被控参数影响的传递函数分别为:,由于各传递函数特征方程一致，过渡过程的振荡频率和衰减率相同；但零点多的传递函数表示其过渡过程的偏差大，达到稳态所需的时间长。,当f1、f2、f3为相同的阶跃信号时，被控参数对干扰响应的过渡过程曲线的效果如图所示。 可见，被控对象的各惯性环节对干扰起了滤波的作用，引入位置离被控参数越远，对被控参数的影响越小。 结论：干扰作用点离被控参数越近（离控制量越远），对控制系统的稳定性影响越大。,3.2 单回路系统的分析,3.2 单回路系统的分析,二、调节通道对控制效果的影响 控制通道的是控制量(控制参数)对被控参数产生作用的通道。其特性参数的变化同样对控制效果产生影响。以下仍以典型的一阶惯性加纯滞后的传递函数为例，分析调节通道特性对控制的影响。,设调节通道为一个单容过程，其传递函数为：,并设其它环节传递函数为：,调节器：,执行机构和检测变送环节的传递函数为,由于系统的余差为： 可见Ko大有利于减少系统的余差。 系统的开环传递函数为： 其开环频率特性 可用下式表示： 当Ko越大，闭环系统的衰减率越小，系统稳定性越差。 另外Ko也是影响系统衰减振荡频率的因素之一，Ko越大，振荡频率越高，系统的快速性得到提高。 结论：保证系统稳定的前提下，适当提高Ko的值。,3.2 单回路系统的分析,Ko对控制的影响,3.2 单回路系统的分析,To对控制的影响：可将控制通道To的作用看作是对控制量的惯性滤波作用， To太大，控制作用太弱，控制不及时，过渡过程时间长，控制质量下降。 To太小，控制作用强，控制及时，反应较快，但衰减率下降，系统稳定性降低。 对于多容对象的控制通道，每个单容环节的To应错开，应尽量减小远离被控参数的单容环节的To值。,结论：保证稳定的前提下，减少To对控制有利，多容环节的各单元的To应错开。,3.2 单回路系统的分析,o对控制的影响： o的存在不利于控制，它使控制系统无法及时反映被控量的作用效果。对控制效果的影响是降低了系统的稳定性和快速性。以下以一阶惯性环节调节通道为例：,如果调节通道的传递函数为 ，在纯比例控制下，系统开环频率特性曲线如图蓝色曲线所示。根据奈氏判据，闭环系统必然处于稳定状态。,如果调节通道的传递函数为 ，由于纯滞后的作用，系统开环频率特性曲线如图红色曲线所示。由于纯滞后造成