过程控制作业

1 研究控制规律的意义研究控制规律的意义 控制器的控制规律就是 u t 与 e t 之间的关系 是在人工经验的基础上总结并发 展的 控制器的基本控制规律有 比例 积分和微分 此外还有如继电器特性 的位式控制规律等 控制器的输入 输出 y t 被控变量的测量值 r t 被控变量的给定值 控制器的输出信号 相对于控制器输入信号 e 的输出的变化量 u 分析方法 输入 e t 给一个阶跃信号 分析输出信号随时间的变化规律 控制器作用 给出输出控制信号 以消除被控变量与给定值之间的偏差 控制效果的好坏很大程度上决定于控制器的性能 也即控制规律的选择 2 控制规律的发展 包括控制规律的类型 各类型的优缺点等 控制规律的发展 包括控制规律的类型 各类型的优缺点等 1 控制规律的类型 位式控制 双位控制 理想的双位控制器其输出 p 与输入偏差额 e 之间的关系为 tu trtyte 00 0 0 min max eep eep p 或 或 图9 1 理想双位控制特性 图9 2 双位控制示例 具有中间区的双位控制 将上图中的测量装置及继电器线路稍加改变 便可成为一个具有 中间区的双位控制器 见下图 由于设置了中间区 当偏差在中间区 内变化时 控制机构不会动作 因此可以使控制机构开关的频繁程度 大为降低 延长了控制器中运动部件的使用寿命 图9 3 实际的双位控制规律 图9 4 具有中间区的双位控制过程 双位控制过程中一般采用振幅与周期作为品质指标 被控变量波动的上 下限在允许范围内 使周期长些比较有利 优点 双位控制器结构简单 成本较低 易于实现 因而 应用很普遍 多位控制 对系统的控制效果较好 但会使控制装置的复杂程度增加 图9 5 三位控制器特性图 优点 结构简单 价格便宜 缺点 控制质量不高 被控变量会振荡 比例控制 比例控制规律及其特点 eKp C 9 4 比例控制器 KC e p 图9 7 比例控制器 比例控制器实际上是一个放大倍数可调的放大量 图9 8 简单比例控制系统示意图 比例度及其对控制过程的影响 1 比例度 比例度 是指控制器输入的变化相对值与相应的输出变化相对值 之比的百分数 100 minmaxminmax pp p xx e 9 7 图9 9 比例度与输入输出的关系 100 minmax minmax xx pp p e 将式 9 7 改写后得 100 1 minmax minmax xx pp KC 即 9 8 minmax minmax xx pp K 对于一只具体的比例控制器 仪表的量程和控制器的输出范 围都是固定的 令 9 9 对一只控制器来说 K 是一个固定常数 100 C K K 将式 9 9 代入式 9 8 得 9 10 e p KC 而 100 1 C K 在单元组合式仪表中 9 11 优点 反应快 控制及时 结构简单 控制及时 参数整定方便 缺点 控制结果有余差 若对象的滞后较小 时间常数较大以及放大倍数较小时 控制器的比例度 可以选得小些 以提高系统的灵敏度 使反应快些 从而过渡过程曲线的形状 较好 反之 比例度就要选大些以保证稳定 积分控制 比例度愈大 过渡过程曲线震荡愈小 余差愈大 比例度愈小 过渡过程曲线震荡激烈 可能不稳定 2 积分控制 积分控制规律及其特点 当对控制质量有更高要求时 就需要在比例控制的基础上 再加 上能消除余差的积分控制作用 积分控制作用的输出变化量 p 与输入偏差 e 的积分成正比 即 edtKp I 积分控制作用的输出变化量 p与输入偏差e的积分成正比 即 9 12 AtKedtKp II 当输入偏差是常数A时 对式 9 12 微分 可得 9 13 对式 9 12 微分 可得 eK dt pd I 9 14 A 积分控制作用输出信号的大小不仅取决于偏差信号的大小 而且主要取 决于偏差存在的时间长短 B 积分控制器输出的变化速度与偏差成正比 C 积分控制作用在最后达到稳定时 偏差等于零 图 9 13 液位控制系统 图 9 14 积分控制过程 比例积分控制规律与积分时间 图9 15 比例积分控制规律 比例积分控制规律可用下式表示 edtKeKp IC 9 15 I K T 1 由于 9 16 则 edt T eKp I C 1 9 17 At T K AKppp I C CIP 若偏差是幅值为A的阶跃干扰 9 18 PCCCIP pAKAKAKppp 2 在时间t TI时 有 9 19 积分时间对系统过渡过程的影响 图9 16 积分时间对过渡过程的影响 积分时间对过渡过程的影响具有两重性 当缩短积分时间 加强积分控制作用时 一方面克服余差的能力增加 另一方面会使过程振荡加剧 稳定性降低 积分时间越短 振荡倾向越 强烈 甚至会成为不稳定的发散振荡 优点 能消除余差 缺点 积分作用控制慢 会使系统稳定性变差 3 微分控制 比例积分控制器对于多数系统都可采用 比例度和积分时间两个参数 均可调整 当对象滞后很大时 可能控制时间较长 最大偏差也较大 负荷变化过于剧烈时 由于积分动作缓慢 使控制作用不及时 此时 可增加微分作用 微分控制规律及其特点 dt de Tp D 具有微分控制规律的控制器具有微分控制规律的控制器具有微分控制规律的控制器 9 20 优点优点优点 具有超前控制功能 具有超前控制功能 具有超前控制功能 图9 17 微分控制的动态特性 实际的微分控制规律及微分时间 微分作用的特点 在偏差存在但不变化时 微分作用都没有输出 实际微分控制规律是由两部分组成 比例作用与近似微分作用 其比例度是固 定不变的 恒等于 100 所以认为 实际的微分控制器是一个比例度为 100 的比例微分控制器 t T K DDP D D eKAAppp 1 当输入是一幅值为 A的阶跃信号时 9 21 可见 t 0 时 p KDA t 时 p A 微分控制器在阶跃信号的作用下 输出 p 一开始就立即升高到输入幅值 A 的 KD 倍 然后再逐渐下降 到最后就只有比例作用 A 了 微分放大倍数 KD 决定了微分控制器在阶跃作用瞬间的最大输出幅度 图9 18 实际微分器输出变化曲线 微分时间 TD 是表征微分作用强弱的一个重要参数 它决定了微 分作用的衰减快慢 且它是可以调整的 t T K DD D D eKAp 1 9 22 1368 0 1 1 DDD KAeKAp D D K T T 假定 则 9 23 9 24 在 t T 时 整个微分控制器的输出为 1368 0 DT KAAp 9 25 比例微分控制系统的过渡过程 dt de TeKppp DCDP 当比例作用和微分作用结合时 构成比例微分控制规律 9 27 说明 比例微分控制器的输出 p 等于比例作用的输出 pP 与微分作 用的输出 pD 之和 改变比例度 或 KC 和微分时间 TD 分别可 以改变比例作用的强弱和微分作用的强弱 微分作用具有抑制振荡的效果 可以提高系统的稳定性 减少被控变 量 的波动幅度 并降低余差 微分作用也不能加得过大 微分控制具有 超前 控制作用 优点 响应快 偏差小 能增加系统稳定性 有超前控制作用 可以克服对 象的惯性 控制质量最高 无余差 缺点 但控制作用余差但参数整定较麻烦 3 3 控制规律的前沿领域控制规律的前沿领域 控制规律前沿技术 自动化控制的诞生 自动化在炮火中发展自动化原理 控制器 系统的大脑传感器 系统 的耳目执行器 系统的手脚受控对象 温柔的羔羊稳定性 不可 或缺鲁棒性 健康的系统极点 控制系统的精灵自动化的前沿技术 模糊控制最优控制 自适应控制 鲁棒控制 线性控制理论 非线性控制理论 PID 控制 简而优秀 预测控制 故障诊断 人工智能 专家系统 集散控制 系统 DCS 自动化技术的十八般兵器 自动化技术的应用 自动化技术在工业 中的应用 电力系统自动化 建筑自动化 交通运输自动化 信息自动化 自动无极 限 自动化技术在军事中的应用 自动化技术在军事中的应用 自动化技术在日常 生活中的应用 自动化技术在日常生活中的应用 自动化技术在日常生活中的应 用 自动化技术在日常生活中的应用 自动化技术在日常生活中的应用 自动化技 术在日常生活中的应用 自动化技术在日常生活中的应用 流量控制 吞吐自如 气动控制和电磁阀 灭火自动关气 停水自动关气 逻辑控制 液位行程 巧夺天 工 行程开关 液位开关 浮子式液位控制 定时控制 岁月有情 机械钟表定 时 微波炉双速定时 录象机自动定时录像 顺控程控 亲疏不同 洗衣 机 音乐喷泉 1 自动化技术的概述 1 自动化技术诞生 2 自动化技术发展 3 自动化技术原理 2 自动化前沿技术 1 自动化技术的江湖门派 2 自动化技术的十八般武艺 3 自动化技术的应用 工业 军事 日常生活 人类自开始进行劳动以来 就 一直梦想着制造出能够无需人的参与就可以自己完成任务的劳动工具 从刀耕 火种的年代起 人们就梦想着省时省力地生产出更多的东西 来满足人们生活 的需要 人们在几千年的生产过程中 发明了很多节省力气的工具 如在河流 上建造的水车 可以通过水的冲击带动轮子转动 实现灌溉 淘米等工作 工业革命的到来 1788 年 为自动化的发展带来了巨大的动力 此后的一百 多年中 人们一直在探索 特别是 经过从 1934 年到 1947 年的十几年研究 二战期间 最终提出了自动化的理论基础著作 控制论 标志着自动化 技术的正式诞生 从诞生到现在 自动化技术在各个领域大显身手 飞机导航 交通运输 导弹控制中到处都是自动化技术的应用 自动化技术从产生到现在 它的发展 始终没有离开武器装备的需要 在第二次世界大战中 同盟国军队的主要作战 武器是火炮 当时的火炮威力大 射程远 但是命中精度比较差 如果没有二 战这个巨大的实验场 自动化技术也不会有如此大的发展 可以这样说 军事装 备是自动化之父 二战是自动化诞生的产房 如果说军事设备是自动化之父 那么工业生产就是自动化之母 自动化生产是人们梦寐以求的事情 福特发明的汽车生产线是最成功的早期生产线 1913 年福特创建了由专 用机床组成的 运动中的组装线 在这种生产线上 要组装的部件由传送带运到 一个个工人面前 每一个工人只完成一种操作 自动化技术为生产力的发展起 了巨大作用 实现了人们摆脱繁重的劳动的愿望 同时自动化技术也在应用中 得到不断发展和完善 下面我们以一个简单的例子 来说明自动化的原理 自动化设备和机器的关键就在于反馈的存在 正是有了他的存在 才使自动化 成为可能 反馈就是自动化的奥妙所在 所以自动控自原理也叫反馈控制原理 一个自动化系统无论结构多么复杂都是由下面几部分组成 第一 检测比较装置 第二 控制器 第三 执行机构 第四 控制量 模糊控制 其实我很清楚 最优控制 没有更好只有最好 自适应 控制 以变制变 鲁棒控制 以静制动 线性控制理论纵横 非线性 控制理论的发展 PID 控制 简而优秀 预测控制 未卜先知 故障 诊断 神医妙手 人工智能 智慧之巅 专家系统 身边的专 家 推理控制 经验的作用 集散控制系统 DCS 图9 19 微分时间对过渡过程的影响 比例积分微分控制 同时具有比例 积分 微分三种控制作用的控制器称为比例积分微分 控制器 dt de Tedt T eKpppp D I CDIP 1 9 28 三个可调参数 比例度 积分时间 TI 和微分时间 TD 适用场合 对象滞后较大 负荷变化较快 不允许有余差的情况 控制规律 比例控制 积分控制 微分控制 图9 20 PID控制器输出特性 参考文献 1 侯志林主编 过程控制与自动化仪表 机械工业出版社 2 邵裕森主编 过程控制及仪表 上海交通大学出版社 3 吴勤勤主编 电动调节仪表 化学工业出版社