过程控制工程-俞金寿-第一章简单控制系统PPT课件.ppt

第一章简单控制系统 1 第一章简单控制系统 工业生产过程控制研究的基本观点 2 第一章简单控制系统第一节控制系统组成和控制性能指标 一 控制系统的组成1 简单控制系统示例2 控制系统的框图3 控制系统的有关术语4 控制系统框图的几点说明二 控制系统的控制性能指标1 时域控制性能指标2 积分性能指标3 控制系统正常运行的重要准则 3 第二节过程动态特性和建立过程的动态模型 一 过程动态特性1 典型过程动态特性自衡的非振荡过程无自衡的非振荡过程自衡的振荡过程具有反向特性的过程2 过程特性对控制性能指标的影响增益的影响时间常数的影响时滞的影响扰动进入系统位置的影响时间常数匹配的影响被控变量与操作变量的选择二 过程动态模型的建立1 对过程模型的要求2 过程模型建立的方法机理建模示例系统辨识方法机理建摸方法混合方法 4 第三节检测变送环节一 检测变送环节的性能 1 检测元件和变送器的作用 2 对检测变送单元的基本要求 3 选用时的基本考虑 4 动态特性 对Tm的基本考虑 减小Tm的途径 对 m的考虑 m l w减小 m的途径 二 对检测变送信号的处理1 滤波及信号处理的目的 2 滤波的方法 模拟滤波 数字滤波 3 数字滤波的算法 4 信号处理 5 第四节执行器环节 一 执行器概述1 执行器的类型2 执行机构的分析3 调节机构的分析二 流量特性1 线性流量特性2 等百分比流量特性3 抛物线流量特性4 快开流量特性三 控制阀特性的选择1 从静态考虑选择控制阀的工作特性2 从动态考虑选择控制阀的工作特性3 从控制阀的工作特性选择控制阀的理想特性4 控制阀气开 气关形式的选择 5 压降比S的考虑四 阀门定位器的正确使用五 其他执行器 6 第五节控制器的模拟控制算法 一 基本控制算法分析二 比例控制算法1 比例控制算法2 比例增益对控制系统的影响三 比例积分控制算法1 比例积分控制算法2 对PI控制作用的分析3 PI控制作用对系统过渡过程的影响四 积分饱和及其防止1 积分饱和2 积分饱和的防止五 比例微分控制算法1 比例微分控制算法2 使用注意事项六 比例积分微分控制算法1 比例积分微分控制算法2 PID控制作用对过渡过程的影响 7 第六节控制器的数字控制算法 一 模拟控制算法的数字化1 位置算法2 增量算法3 速度算法二 数字控制算法的改进1 数字控制算法的特点2 数字控制算法的改进 对积分控制算法的改进 对微分控制算法的改进3 实现数字控制算法时应注意的问题三 连续系统的离散化1 差分近似2 输入只在采样时刻作变化情况下的精确方法3 s域到z域的对应变换4 插入保持器后s域到z域的对应变换5 时间离散系统到时间连续系统的变换 8 第七节控制器参数整定和控制系统投运 一 控制器参数整定的若干原则对已存在的控制系统 调整控制器参数使系统达到满意的控制品质二 控制器参数整定1 控制器参数的经验整定法2 控制器参数的半经验整定法 衰减曲线法 临界比例度法 控制度法3 控制器参数整定的反应曲线法 Ziegler Nichols法 Lopez法 Cohen Coon法4 理论计算法5 控制器正反作用的设置三 控制系统的投运和维护 9 第八节与PID控制密切相关的几类控制算法 一 二维PID控制算法1 PID PD控制算法2 设定滤波的两维PID控制算法二 时间比例控制系统1 开关控制2 时间比例控制三 差拍控制系统1 差拍控制系统的基本原理2 差拍控制系统的特点3 Dahlin控制算法 Dahlin控制算法 改进Dahlin控制算法4 V E 控制算法5 卡尔曼控制算法 差拍控制算法总汇 10 第一节控制系统组成 一 控制系统的组成液位控制系统示例当系统受到外界扰动的影响时为使被控变量 液位 与设定值保持一致检测被控变量 并与设定值比较得到偏差按一定控制规律对偏差运算输出信号驱动操纵变量 流量 最终使被控变量回复到设定值变送器检测液位控制器对偏差运算执行器改变操纵变量 11 一 控制系统的组成 压力控制系统的示例当系统受到外界扰动的影响时为使被控变量 压力 与设定值保持一致检测被控变量 并与设定值比较得到偏差按一定控制规律对偏差运算输出信号驱动操纵变量 流量 最终使被控变量回复到设定值变送器检测压力控制器对偏差运算执行器改变操纵变量 12 第一节控制系统组成 一 控制系统的组成温度控制系统示例当系统受到外界扰动的影响时为使被控变量 温度 与设定值保持一致检测被控变量 并与设定值比较得到偏差按一定控制规律对偏差运算输出信号驱动操纵变量 流量 最终使被控变量回复到设定值变送器检测温度控制器对偏差运算执行器改变操纵变量 返回 13 返回 14 第一节控制系统组成一 控制系统的组成控制系统的框图控制系统由被控对象 检测变送 控制器和执行器等组成 传递函数 15 随动控制系统 Fixedsetpointcontrolsystem 传递函数 16 定值控制系统 Follow upcontrolsystem 传递函数 返回 17 控制系统组成请点击 18 被控对象请点击变送器请点击计算机请点击检测元件请点击控制器请点击执行器请点击 返回 19 被控对象 20 变送器 21 计算机 22 检测元件 23 控制器 24 执行器 25 一 控制系统的组成控制系统框图的几点说明 返回 26 说明几点 简单控制系统有两个通道 控制通道和扰动通道 框图中的各个信号都是增量 图中的箭头表示信号的流向 并非物流或能流的方向 各环节的增益有正 有负 当该环节的输入增加时 其输出增加 则该环节的增益为正 反之 如果输出减小则增益为负 返回 27 对象的增益有正 有负例如 加热系统的增益为正 冷却系统的增益为负 气开阀的增益为正 气关阀的增益为负 正作用控制器的增益为负 反作用控制器的增益为正 检测变送器的增益一般为正 通过调整控制器的正反作用来保证系统为负反馈 28 29 加热系统对象放大倍数为正采用气开阀放大倍数为正检测变送器放大倍数为正控制器应选放大倍数为正即反作用冷却系统对象放大倍数为负采用气开阀放大倍数为正检测变送器放大倍数为正控制器应选放大倍数为负即正作用 30 通常将执行器 被控对象和检测变送环节合并为广义对象 广义对象传递函数用Go s 表示 控制系统中如果包含采样开关 则这类控制系统称为采样控制系统 Samplingcontrolsystem 返回 31 第一节控制系统组成二 控制系统的控制性能指标时域控制性能指标 返回 32 1 衰减比n 衰减比 Subsidenceratio 是控制系统的稳定性指标 它是相邻同方向两个波峰的幅值之比 即 n1衰减振荡n无穷大为非周期过程衰减率 也用于表示控制系统的稳定性 它是每经过一个周期后 波动幅度衰减的百分数 即 33 2 超调量和最大动态偏差 随动控制系统中 超调量 Overshoot 定义为 定值控制系统采用最大动态偏差A表示超调程度 即 34 3 余差 它是控制系统的最终稳态偏差e 在阶跃输入作用下 余差 Steady stateerror 为 定值控制系统中 r 0 因此有 e C 余差是控制系统稳态准确性指标 35 4 回复时间和振荡频率 被控变量从过渡过程开始到进入稳态值 5 或 2 范围内的时间作为过渡过程的回复时间Ts Settlingtime 回复时间是控制系统的快速性指标 振荡频率 与振荡周期T的关系是在相同衰减比n下 振荡频率越高 回复时间越短 在相同振荡频率下 衰减比越大 回复时间越短 36 5 偏离度 控制系统偏离度是被控变量统计特性的描述 在相同干扰作用下 定值控制系统输出的最大偏差越大 系统的偏离度越大 在相同的衰减比下 系统输出的周期越大 系统的偏离度越大 返回 37 综合性控制指标 积分鉴定指标 返回 38 控制系统运行的重要准则 返回 39 第二节过程特性及动态模型建立一 过程特性类型 过程特性类型 参数估计 曲线拟合 返回 40 过程特性1 自衡非振荡过程 下一页 上一页 返回 41 过程特性2 无自衡非振荡过程 下一页 上一页 返回 42 过程特性3 有自衡振荡过程 下一页 上一页 返回 43 过程特性4 具有反向特性的过程 上一页 返回 44 增益的影响 返回 45 时间常数的影响 返回 46 时间常数匹配的影响 返回 47 扰动进入系统位置的影响 返回 48 时滞的影响 控制通道时滞的影响 当检测变送环节存在时滞时 被控变量的变化不能及时传送到控制器 当被控对象存在时滞时 控制作用不能及时使被控变量变化 当执行器存在时滞时 控制器的信号不能及时引起操纵变量的变化 因此 开环传递函数存在时滞 使控制不及时 超调增大 并引起系统不稳定 用 o To反映时滞的相对影响 通常 o To 0 3时 系统尚可用简单控制系统进行控制 当 o To 0 3时 应采用其他控制方案对该类过程进行控制 因此 在设计和应用时应尽量减小时滞 有时可增大时间常数以减小 o To 49 扰动通道时滞的影响 时滞 f的存在不影响系统闭环极点的分布 因此 不影响系统稳定性 它仅表示扰动进入系统的时间先后 即不影响控制系统控制品质 50 被控变量和操纵变量的选择 深入了解工艺过程 选择能够反映工艺过程的被控变量 尽量选用易于测量且关系简单的直接质量指标作为被控变量 操纵变量的选择原则 选择对被控变量影响较大的操纵变量 即Ko尽量大 选择对被控变量有较快响应的操纵变量 即过程的 o To应尽量小 过程的To Tf应尽量小 使过程的KfF尽量小 工艺的合理性与动态响应的快速性应有机结合 51 过程动态模型的建立 对过程模型的要求对过程模型的要求是正确 可靠和简单 过程动态模型可分为三类 黑箱模型 白箱模型和灰箱模型 过程模型建立的方法有 系统辩识方法 经验建模方法 机理建模方法 混合方法 返回 52 系统辩识方法 根据过程输入输出数据确定过程模型的结构和参数的建模方法称为系统辩识方法 建立的模型称为黑箱模型 过程辨识的方法很多 依据输入变量的变化情况 即所施加外作用的形式 目前大致可分为非周期函数 周期函数 非周期性随机函数及周期性函数等四类 阶跃响应法脉冲响应法需要验前知识少 但建立的模型不具有放大功能 即不能类推到不同型号的放大设备或过程中 53 1 阶跃响应法 阶跃响应法非常简单 只要有遥控阀和被控变量纪录仪表就可以进行 先使工况保持平稳一段时间 然后使阀门作阶跃式的变化 通常在10 以内 在此同时把被控变量的变化过程记录下来 得到广义对象的阶跃响应曲线 54 把对象作为具有时滞的一阶对象来处理 式中K0 对象放大系数 T0 对象时间常数 对象时滞 55 56 各参数求法如下 时间轴原点至通过拐点切线与时间轴交点的时间间隔T0 被控变量y完成全部变化量的63 2 所需时间 57 另外一种确定 和T0的方法 是把达到39 和63 响应的时间读出来 分别用t0 39和t0 63来表示 按下式计算T0 2 t0 63 t0 39 2t0 39 t0 63 58 2 脉冲响应法 59 输入是 u t u1 t u2 t u1 t u t t 而输出是 y t h1 t h2 t h1 t h1 t t h1 t y t h1 t t 上式表示了响应曲线关系式 在0 t时间内 h1 t 等于脉冲响应即h1 t y t 而后h1 t 等于当时的脉冲响应 y t 加 t时间以前的阶跃响应h1 t t 随着时间推移就可得到完整阶跃响应曲线 得阶跃响应曲线后 可以通过前述有关方法求取过程的数学模型 返回 60 机理建模方法 根据过程的内在机理 应用物料平衡 能量平衡和有关的化学 物理规律建立过程模型的方法是机理建模方法 又称为过程动态学方法 建立的模型称为白箱模型 建立机理模型的方法是 列写基本方程 物料平衡和能量平衡方程等 消去中间变量 建立状态变量x 控制变量u和输出变量y的关系 增量化 在工作点处对方程进行增量化 获得增量方程 线性化 在工作点处进行线性化处理 简化过程特性 列写状态和输出方程 61 机理模型的优点是 1 可以充分利用已知的过程知识 从事物的本质上去认识外部特性 2 可以验前得出 在流程和设备的设计阶段即能求取 3 有较大的适用范围 操作条件变化是可以类推 但也有两个弱点 1 对于复杂的过程 人们对基本方程的某些参数不完全掌握 例如 换热器的K值 由传热学书籍提供的公式可能有 10 30 的误差 又如 象精馏塔的塔板效率 塔板流体中的汽液比值等参数 很难预先精确估计 2 如不经过输入输出数据的验证 则近乎纸上谈兵 难以判断其正确性 62 下一页 返回 63 上一页 返回 64 混合方法 把两种途径结合 可兼采两者之长 补各自之短 介于上述两种方法之间的建模方法 称为混合方法 所得模型称为灰箱模型 返回 65 一 测量性能 返回 66 二 动态特性 返回 67 三 滤波和信号处理 返回 68 1 执行器的类型 控制框图 返回 69 执行器的传递函数描述 返回 70 2 执行机构的分析 死区的影响 返回 71 返回 72 3 调解机构的分析 返回 73 控制阀流量特性 返回 特性曲线 等百分比流量特性 74 第一页 下一页 返回 75 第二页 下一页 返回 上一页 76 第三页 下一页 上一页 返回 77 第四页 下一页 上一页 返回 78 第五页 下一页 上一页 返回 79 第六页 下一页 上一页 返回 80 第七页 下一页 上一页 返回 81 等百分比流量特性 特性曲线 返回 82 快开流量特性 返回 特性曲线 83 抛物线流量特性 特性曲线 返回 84 随动控制系统 设定值R变化 返回 85 定值控制系统 负荷变化 返回 86 定值控制系统 阀前后的压力变化 返回 87 从动态性能考虑控制阀的工作特性 返回 88 根据压降比S选择控制阀的理想特性 返回 89 根据被控变量选择控制阀的理想特性 返回 90 换热器定值控制系统中控制阀的选择 返回 91 选择控制法特性时的注意事项 返回 92 控制阀气开 气关形式的选择 返回 93 压降比S的考虑 返回 94 阀门定位器的工作原理 返回 95 阀门定位器的功能 返回 96 其他执行器 返回 97 基本控制算法分析 返回 98 P作用控制算法 返回 99 比例度 返回 100 控制器的正反作用 返回 101 方框图和传递函数 返回 102 控制器增益对控制品质的影响 返回 103 控制器增益Kc对最大偏差的影响 最大偏差 对于二阶衰减振荡 可见 随着过程增益Kc的增加 最大偏差减小 但稳定性变差 104 液位控制的余差 返回 105 随动控制系统 单比例 余差 对于二阶衰减振荡 随着增大Kc 余差减小 而超调量增大 超调量 106 随动控制系统 返回 107 定值控制系统 返回 108 幅频特性分析 返回 109 开环不稳定对象的示例 返回 110 比例积分控制算法 返回 111 对PI控制作用的分析 返回 112 对稳定性的影响 返回 113 控制器积分时间变化时的输出曲线 返回 定值控制系统 114 控制器积分时间变化时的输出曲线 随动控制系统 返回 115 积分饱和 返回 示例 116 安全放空系统 返回 117 积分饱和的防止 积分外反馈 PI控制规则的实现 返回 118 积分外反馈 返回 119 比例微分控制算法 返回 120 比例微分控制算法使用注意事项 返回 121 比例积分微分控制算法 返回 122 PID控制作用对过渡过程的影响 返回 123 位置算法 返回 124 增量算法 返回 125 速度算法 返回 126 离散PID算法特点 返回 采样周期的考虑 影响控制度因素 127 采样周期对控制品质的影响 返回 128 香农定理 返回 129 采样周期的选择 返回 130 影响控制度因素 返回 131 对积分作用的改进之一 返回 132 对积分作用的改进之二 返回 133 对积分作用的改进之三 返回 134 微分先行 135 不完全微分 136 输入滤波 137 实现数字控制算法时应注意的问题 输入 返回 数字滤波 DDC系统框图 138 对检测变送信号的处理 局部放大 返回 139 DDC系统原理框图 返回 140 实现数字控制算法时应注意的问题 信号量化和线性化 返回 示例 141 信号量化示例 返回 142 实现数字控制算法时应注意的问题 输出 返回 143 应注意的问题 返回 144 PID控制作用 比例作用P是基本控制作用 输出与输入无相位差 Kc越大控制作用越强 随着Kc的增加 比例度 减小 余差下降 最大偏差减小 但稳定性变差 比例作用P引入积分作用I后 可以消除余差 但是幅值增加 相位滞后 使稳定性裕度下降 为保持同样稳定性裕度 Kc应减少10 20 比例度 应增加10 20 积分时间Ti越短 积分作用越强 Ti趋向无穷大时无积分作用 应防积分饱和 145 PID控制作用 比例作用P引入适当微分作用D后 幅值增加 相位超前 使稳定性裕度提高 为保持同样稳定性裕度 Kc应增加10 20 比例度 应减少10 20 微分作用D可以克服容滞后 但对时滞毫无作用 微分时间Td越大 微分作用越强 Td 0无微分作用 146 控制器参数整定的若干原则 返回 147 控制器参数整定的若干原则 返回 148 控制器参数整定的若干原则 返回 149 控制器参数整定的若干原则 返回 150 控制器参数整定的若干原则 返回 151 控制器参数的经验整定法 返回 152 控制器参数经验数据 流量 对象时间常数小 参数有波动 要大40 100 Ti要短0 3 1min 不用微分 温度 对象容量滞后较大 即参数受干扰后变化迟缓 应小20 60 Ti要长3 10min 一般需加微分Td 0 5 3min压力 对象的容量滞后不算大 一般不加微分 30 70 Ti 0 4 3min液位 对象时间常数范围较大 要求不高时 可在一定范围内选取 一般不用微分 20 80 153 控制器参数的经验整定法 返回 154 控制器参数的半经验整定法 返回 155 临界比例度法 返回 156 控制度法 返回 157 Ziegler Nichols法 返回 158 Lopez法 返回 159 Cohen Coon法 返回 160 根轨