1过程控制系统的基本概念ppt课件

2020 4 13 1 过程控制仪表与系统 任课教师 黄学章 张建智 宋彦坡 2020 4 13 2 前言 本课程的重要性课程主要内容课程安排参考文献考核办法 2020 4 13 3 任课教师自我介绍 任课教师简介 黄学章 张建智 宋彦坡联系方式jz0712 请各班班长或各班选出一名科代表在课后留下联系方式 以便通知各项事宜 2020 4 13 4 课程重要性 本课程是培养学生综合应用所学知识设计工业生产过程控制系统的专业课 具有很强实践性 涉及的学科面广 是一门与材料科学 计算机技术 信息技术密切相关的快速发展的学科 与专业方向相关 热能工程 电厂动力 内燃机 制冷与低温工程 环境与设备工程 热工自动化 新能源科学与工程 与学术研究相关 热工过程与设备的计算机仿真与优化 节能与环保新技术 热工过程检测 诊断与智能决策 现代热物性测试技术 新型制冷系统与装置 空调系统与设备节能新技术 CFD建筑能耗分析与管理研究 建筑室内外空气品质及其控制 2020 4 13 5 课程主要内容 过程控制仪表 过程控制系统 ProcessControlInstrumentandSystem 课程简介 本课程为专业基础课 具有较高的理论性与实践性 其目的和任务是通过本课程的学习 学生将掌握单回路和常见复杂过程控制系统的组成 工作过程 特点以及应用等知识 为毕业设计及将来学习和工作打下过程控制的专业基础 主要内容 过程控制仪表与装置 包括过程控制仪表的组成与分类 控制器 可编程调节器 与控制规律 变送器 执行机构与调节阀等 过程控制系统 包括过程控制系统的组成 单回路过程控制系统的设计 要求和参数整定 常用复杂过程控制系统的原理和特点 以及设计和应用 此外 还要了解计算机控制系统 PLC 先进的过程控制系统和智能控制系统 以及各类过程控制系统在工业生产过程中的实际应用 2020 4 13 6 课程安排 请参考教学日历 40学时 绪论 4学时 过程控制仪表 8学时 过程控制系统 14学时 计算机控制系统 4学时 工程应用 6学时 机动 2学时 复习 2学时 2020 4 13 7 参考文献 1 刘玉长主编 自动检测和过程控制 第四版 冶金工业出版社 2010 2 周泽魁主编 控制仪表与计算机控制装置 化学工业出版社 2002 3 吴勤勤主编 控制仪表及装置 第二版 化学工业出版社 2002 4 林德杰主编 过程控制仪表及控制系统 机械工业出版社 2004 5 曹润生等编 过程控制仪表 浙江大学出版社 1987 6 徐春山主编 过程控制仪表 冶金工业出版社 1995 7 何衍庆 俞金寿主编 工业生产过程控制 化学工业出版社 2004 8 方康玲主编 过程控制系统 武汉理工大学出版社 2002 9 王骥程 祝和云主编 化工过程控制工程 化工出版社 1981 10 向婉成主编 过程控制调节装置 机械工业出版社 1987 11 涂植英等主编 过程控制系统 机械工业出版社 1988 12 金以慧主编 过程控制 清华大学出版社 1993 4 13 孟华主编 工业过程检测与控制 北京航空航天大学出版社 2002 14 俞金寿 蒋慰孙编著 过程控制工程 电子工业出版社 2007 15 潘永湘主编 过程控制与自动化仪表第2版 机械工业出版社 2007 16 侯志林 过程控制与自动化仪表 机械工业出版社 2007 2020 4 13 8 过程控制网络资源 中国工控网 MATLAB大观圆 http www matlab 2020 4 13 9 考核办法 平时成绩 30 期末笔试 70 平时成绩 考勤 5分 次 作业 5分 次 回答问题 5分 次 课堂秩序 5分 次 考勤有4次未到者 取消考试资格违反课堂纪律不听劝告者 取消考试资格平时成绩不及格者 总评成绩不及格 2020 4 13 10 1 1过程控制系统的组成与分类1 2过程控制系统的过渡过程和品质指标1 3被控对象特性1 4被控过程的数学模型 第一章过程控制系统的基本概念 2020 4 13 11 1 1 1过程控制系统 例1 水槽液位控制 2020 4 13 12 水槽液位控制 工作过程 F1增加 L增加 变送器输出信号增加 偏差 测量值 设定值 为正 增加 控制器输出增加 阀开度增加 F2增加 L降低 F2 2020 4 13 13 1 1 1过程控制系统 例2 锅炉汽包水位控制 锅炉汽包液位控制 2020 4 13 14 1 1 1过程控制系统 锅炉 2020 4 13 15 1 1 1过程控制系统 锅炉 2020 4 13 16 锅炉设备的三大控制系统 主要控制系统 1 锅炉汽包水位的控制 2 锅炉燃烧系统的控制 3 过热蒸汽系统的控制 2020 4 13 17 1 1 1过程控制系统 例2 锅炉汽包水位控制 锅炉汽包液位控制 2020 4 13 18 例3 加热炉的温度控制 1 1 1过程控制系统 2020 4 13 19 1 1 2过程控制系统的组成 例 加热炉的控制过程 工艺流程 2020 4 13 20 工作原理 燃油量增加 T2增大 T1增大 变送器输出信号增加 偏差 测量值 设定值 为正 增加 控制器输出减小 反作用 阀开度减小 燃油量降低讨论 分析原油量减少的控制过程 加热炉温度控制 2020 4 13 21 1 1 2控制系统组成 简单控制系统由检测变送单元 控制器 执行器和被控对象组成 被控对象 是指某些被控制的装置或设备 例如加热炉 高炉 沸腾炉 回转窑以及贮藏物料的槽罐或输送物料的管段等 检测元件和变送器 用于检测被控变量 并将检测到的信号转换为标准信号输出 控制器 用于将检测变送单元的输出信号与设定值信号进行比较 按一定的控制规律对其偏差信号进行运算 运算结果输出到执行器 执行器 执行器接收控制器的输出信号 通过改变执行器节流件的流通面积来改变操纵变量 2020 4 13 22 1 1 3控制系统方框图 例 加热炉的控制过程 方框图 2020 4 13 23 控制系统框图 控制装置 执行器 过程 r t e t 检测元件 变送器 比较机构 控制器 q t 被控变量 c t 扰动 f t 广义对象 测量值y t 闭环控制系统的组成 u t 注意几个变量的区别 被控变量c 给定值 或设定值 r 测量值y 操纵变量 或控制变量 q 干扰 或外界扰动 f 偏差信号e 控制信号u 闭环系统 开环系统 反馈 2020 4 13 24 流量测量 物位与厚度检测 压力测量 温度测量 检测技术基础 温度测量 压力测量 应变与厚度检测 流量测量 物位与厚度检测 过程成分检测 显示仪表 检测仪表 2020 4 13 25 铠装热电偶 带热电偶 热电阻双金属温度计 隔爆式双金属温度计 温度测量 2020 4 13 26 电接点压力表 耐振压力表 隔膜式耐振压力表 压力测量 2020 4 13 27 电磁流量计 涡街流量计 浮子流量计 流量测量 2020 4 13 28 物位测量 锅炉磁力水位仪 射频导纳物位计 电动浮筒液位计 2020 4 13 29 成分测量 TP HW2000红外碳硫分析仪 红外线气体分析器 二氧化碳 温度检测仪 2020 4 13 30 变送器 压力变送器 一体式温度变送器 扩散硅液位变送器 2020 4 13 31 控制器 数字调节器 模拟调节器 2020 4 13 32 执行器 电动调节阀 电动调节蝶阀 直行程电动执行器 2020 4 13 33 复杂过程控制系统 过程控制系统实验装置 1 控制系统的被控量包含了温度 压力 流量 液位四大热工参数 2 执行器中既有仪表类执行器 又有交流变频器 加热控制器 加热器等电力拖动类执行器 3 该装置是一个微型的锅炉加热 给排水系统 是模拟了工业现场的小型工厂 具有真实可靠性和直观性 4 通过工业总线 上位机可对装置进行实时监测控制 5 可提供监控图形画面 2020 4 13 34 过程控制实验装置监控画面 2020 4 13 35 计算机过程控制系统 DCS控制系统 IFIX组态软件 2020 4 13 36 1 1 4过程控制系统的分类 一 按系统的结构特点分类 1 反馈控制系统2 前馈控制系统3 前馈 反馈控制系统 二 按给定值信号的特点分类1 定值控制系统2 随动控制系统3 程序控制系统 2020 4 13 37 1 1 4过程控制系统的分类 定值控制系统 所谓定值就是设定值恒定 不随时间而变 生产过程中往往要求控制系统的被控量保持在某一定值不变 当被控量波动时 控制器动作 使被控量回复至设定值 或接近设定数值 大多数生产过程的自动控制 都是定值控制系统 上述锅炉汽包水位的自动控制 就是一种定值控制系统 在定值控制系统中 有简单的控制系统 又有复杂的控制系统 2020 4 13 38 1 1 4过程控制系统的分类 程序控制系统在此系统中 设定值在时间上按一定程序变化 被控量在时间上也按一定程序变化 例如某些热处理炉温度的自动控制 需要采用程序控制系统 因为工艺要求有一定的升温 保温 降温时间 如图所示 其中0 1 2线段是升温曲线 2 3线段是保温时间 3 4 5线段是降温曲线 通过系统中的程序设定装置 可使设定值按工艺要求的预定程序变化 从而使被控量也跟随设定值的程序变化 2020 4 13 39 1 1 4过程控制系统的分类 随动控制系统在随动系统中 设定值随时间不断的变化 而且预先不知道它的变化规律 但要求系统的输出即被控量跟着变化 而且希望被控量随设定值的变化即快又准 例如在燃料燃烧过程中 空气与燃料量之间的比值是有一定要求的 但是燃料量需要多少 则随生产情况而定 而且预先不知道它的变化规律 在这里燃料需要量相当于设定值 它随温度的变化而变化 故这样的系统称为随动控制系统 在这样的随动控制系统中 由于空气量的变化必须随着燃料量按一定比值而变 因此又称为比值控制系统 比值控制系统是工业中较常见的随动系统形式 2020 4 13 40 1 1 4过程控制仪表与装置的分类 按能源形式分类按信号类型分类按结构形式分类 2020 4 13 41 按能源形式分类 可分为电动 气动 液动和机械式等 工业上普遍使用电动和气动控制仪表 表1 1电动控制仪表和气动控制仪表的比较 2020 4 13 42 电动仪表信号标准的使用 1 一般现场与控制室仪表之间采用直流电流信号为什么 2020 4 13 43 电动仪表信号标准的使用 1 现场与控制室仪表之间采用直流电流信号优点 直流信号比交流信号干扰少 交流信号容易产生交变电磁场的干扰 直流信号对负载的要求简单 交流信号有频率和相位问题 电流比电压更利于远传信息 采用电压形式传送时 如负载电阻很小 距离较远时 导线上的电压会引起误差 要求 接收仪表输入电阻小 缺点 多个仪表接收同一电流信息 它们必须串联 2020 4 13 44 任何一个仪表在拆离信号回路之前首先要把该仪表的两个输入端短接 否则其它仪表将会因电流中断而失去信号 仪表无公共接地点 须浮空工作 否则会引起信号混乱 2020 4 13 45 2 控制室内部仪表之间采用直流电压信号 优点 并联 任何一个仪表拆离信号回路都不会影响其它仪表的运行 各个仪表具有公共接地点 可以共用一个直流电源 要求 接收仪表的输入阻抗要足够高 否则会引起误差 2020 4 13 46 电动仪表信号标准的使用 3 控制系统仪表之间典型联接方式 Io 发送仪表的输出电流Ro 发送仪表的输出电阻Ri 接收仪表的输入电阻R 电流 电压转换电阻 Io 4 20mA时R取250 2020 4 13 47 按信号类型分类 模拟式控制仪表由模拟元器件构成 其传输信号为连续变化的模拟量 如电流 电压 气压信号等 数字式控制仪表以微处理器 单片机芯片为核心 其传输信号为断续变化的数字量 可以进行各种数字运算和逻辑判断 能解决模拟式控制仪表难以解决的问题 分为模拟式和数字式两大类 2020 4 13 48 按结构形式分类 单元组合式控制仪表基地式控制仪表集散型计算机控制系统现场控制系统 2020 4 13 49 过程控制发展的历史 1 1930 1940年代 微分方程解析方法 主要研究单输入 单输出控制系统 采用基地式仪表和部分气动单元组合仪表 2 1940 1950年代 经典控制理论 频域法 根轨迹法 主要研究定值控制系统的分析和综合问题 采用基地式仪表和大量气动单元组合仪表 3 1950 1960年代 现代控制理论 极小值原理 动态规划 随机性系统的最小二乘状态估计等 系统辩识和参数估计 随机控制 自适应控制和鲁棒控制等控制领域的理论分支相继得到开发和研究 PID控制和复杂控制系统 1 1 5过程控制系统的发展概况 2020 4 13 50 4 1970 1980年代 为解决大规模复杂系统的优化和控制问题 现代控制理论与系统理论相结合 形成大系统控制理论 出现高维线性系统 同时 基于知识的专家系统 模糊控制 人工神经网络控制 学习控制和基于信息论的智能控制 含有大量不确定性和难于建模的复杂控制系统应运而生 并在许多应用领域得到广泛应用 这阶段的仪表从直接数字控制进化为集散控制系统 5 1980开始 随着计算机技术 显示技术 控制技术 通讯技术的发展 工业生产过程控制也得到了飞速发展 现场总线控制系统和仪表开始得到应用 工业生产过程和控制与管理集成在一起 组成了计算机集成过程控制系统 或综合自动化系统 2020 4 13 51 直接服务于工业生产过程的工程性技术控制理论20世纪40年代开始形成控制理论自动化发展的两个特点 1 任务的需要 理论的开拓 技术手段的进展2 一门综合性的技术 过程控制系统 检测和控制仪表 被控过程 1 1 5过程控制系统的发展概况 2020 4 13 52 经典控制 PID控制规律 80 90 Nyquist 1932 频率域分析技术和稳定性判据Bode 1945 Bod图Evans 1948 根轨迹分析方法现代控制状态空间技术 极小值原理 Pontryagin 1962 动态规划 Belman 1963 Kalman 1960 滤波 二次型大系统理论 1970 智能控制理论 80年代后 模糊控制 神经网络控制 专家控制遗传算法 灰色理论 2020 4 13 53 过程 Process 生产过程 历经一段时间一般工业生产伴随物质能量变化 过程 Process 的特点 连续过程 ContinuousProcess 批量 间歇 过程 BatchProcess 离散过程 DiscreteProcess 流程工业 FlowManufacturingIndustry 离散制造业 DiscreteIndustry 2020 4 13 54 针对连续或半连续 间歇 过程中的温度 压力 流量 液 物 位 化学成分 如含氧量 物性参数 如粘度 融溶指数 等变量而实现的自动控制系统 称为过程控制 过程控制 ProcessControl 被控参数种类 温度 压力 流量 液位成分 氧含量 产品组份等 物性 粘度 干点 冰点等 2020 4 13 55 过程控制领域 石油化工 输油 炼油 乙烯 合成橡胶 合成氨电力 火电厂冶金 冶金加热炉 热处理炉生化 啤酒 制药轻工 食品 漂染环境 水处理 大气监测其它 农业 养殖业 2020 4 13 56 过程控制策略与算法的发展 简单控制单回路PID 以经典控制理论为基础复杂控制满足更高的控制要求 串级 均匀 比值 前馈 分程与选择控制等系统先进控制以现代控制理论和人工智能为基础 2020 4 13 57 过程控制系统的发展1 局部自动化阶段 20世纪50 60年代 基地式仪表 单元组合仪表 控制系统 主要是单回路控制系统2 集中控制阶段 20世纪60 70年代 DDC实现集中控制 控制策略仍以PID为主 加上某些复杂控制算法3 集散控制阶段 20世纪70年代至今 DCS DistributedControlSystem 4 20世纪90年代 FA CIPS CIMS ERP 企业资源综合规划 2020 4 13 58 PID Proportional Integral Derivative 控制及高级算法DDC DirectDigitalControl PLC ProgrammableLogicControl DCS DistributedControlSystem FCS FieldbusControlSystem CIPS ComputerIntegratedProcessSystem CIMS ComputerIntegratedManufacturingSystem 2020 4 13 59 发展趋势 1 逐步实现全数字式 开放式的DCSFCS 2 发展小型的DCS 扩展覆盖面 3 开发先进的过程控制软件 4 人工智能 专家系统在工业控制中逐步深入 5 人 机接口界面不断更新 完善 方便操作人员的监视与操作 语音输入技术 图像显示技术 2020 4 13 60 1 2过程控制系统的过渡过程和品质指标1 2 1自动控制系统的静态和动态在自动控制中 把被控量不随时间而变化的平衡状态称为系统的静态 而把被控量随时间而变化的不平衡状态称为系统的动态 当一个自动控制系统的输入 设定值和扰动 及输出均恒定不变时 整个系统就处于一种相对的平衡状态 系统的各个组成环节如变送器 控制器 控制阀都不改变其原先的状态 他们的输出信号都处于相对静止状态 这种状态就是上述的静态 必须注意 这里所指的静态并不是一般所说的静止状态 一般所说的静止是指静止不动 而在自动控制中 静态是指各参数 或信号 的变化率为零 即参数保持不变 因为系统处于静态时 生产还在进行 物料和能量仍有进出 只是平稳的进行没有改变就是了 2020 4 13 61 1 2过程控制系统的过渡过程和品质指标1 2 1自动控制系统的静态和动态在生产过程中 扰动是客观存在 且是不可避免的 因此了解系统的静态是必要的 但是了解系统的动态更为重要 例如生产过程中前后工序的互相影响 负荷的改变 电压 气压的波动 气候的影响等等 这些扰动是破坏系统平衡状态 引起被控量发生变化的外界因素 在一个自动控制系统投入运行时 时时刻刻都有扰动作用于被控对象 以至破坏正常的生产状态 因之就需要通过自动控制装置 不断的施加调节作用去对抗或抵消扰动作用的影响 从而使被控量保持在生产所要控制的技术指标上 2020 4 13 62 1 2 2过程控制系统的过渡过程当控制系统的输入发生变化后 被控变量随时间不断变化的过程称为系统的过渡过程 也就是系统从一个平衡状态到达另一个平衡状态的过程 在阶跃扰动作用下 系统的过渡过程主要有以下几种形式 2020 4 13 63 1 2 3控制系统的品质指标 1 稳定性是控制系统性能的首要指标 表明组成控制系统的闭环极点应位于s左半平面 2 准确性是控制系统的重要性能指标 表明控制系统的被控变量与参比变量 设定值 之间的偏差 即静态偏差应尽可能小 3 快速性也是控制系统的重要性能指标 当控制系统受到扰动影响时 控制系统应尽快地做出响应 改变操纵变量 使被控变量与参比变量之间有偏差的时间尽可能短 4 偏离度也是重要的控制系统性能指标 表示在控制系统运行过程中被控变量偏离参比变量的离散程度 2020 4 13 64 时域控制性能指标 用阶跃输入信号作用下控制系统输出响应曲线表示的控制系统性能指标称为时域控制性能指标 2020 4 13 65 1 衰减比n 稳定性指标衰减率二阶系统常用衰减度m表示衰减的程度 2020 4 13 66 2 超调量和最大动态偏差 稳定性指标超调量 最大动态偏差 2020 4 13 67 3 余差 准确性指标4 回复时间和振荡频率 快速性指标过度过程要绝对达到新稳态值需要无限时间 因此 用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 过渡过程的振荡频率与振荡周期的关系 2020 4 13 68 5 偏离度控制系统偏离度是被控变量统计特性的描述 在控制系统运行过程中 被控变量的分布通常遵循正态分布 被控变量的正态分布曲线 2020 4 13 69 例 某换热器的温度调节系统在单位阶跃干扰作用下的过渡过程曲线如图所示 试分别求出最大偏差 余差 衰减比 振荡周期和回复时间 给定值200 2020 4 13 70 解最大偏差 A 230 200 30 余差 C 205 200 5 衰减比 由图上可以看出 第一个波峰值B1 230 205 25 第二个波峰值B2 230 205 5 故衰减比应为B1 B2 25 5 5 1 振荡周期 为同向两波峰之间的时间间隔 故周期T 20 5 15 min 过渡时间与规定的被控变量限制范围大小有关 假定被控变量进入额定值的 2 就可以认为过渡过程已经结束 那么限制范围为200 2 4 这时 可在新稳态值 205 两侧以宽度为 4 画一区域 图中以画有阴影线区域表示 只要被控变量进入这一区域且不再越出 过渡过程就可以认为已经结束 因此 从图上可以看出 过渡时间为22min 2020 4 13 71 积分性能指标 1 误差平方积分鉴定指标ISE缺点 会产生振荡的响应2 绝对误差积分鉴定指标IAE缺点 最小系统误差的确定有困难3 时间乘绝对误差积分鉴定指标ITAE缺点 积分鉴定指标的解析解不易获得不同积分性能指标对控制系统优良程度的侧重点不同 2020 4 13 72 1 3被控对象特性在过程控制系统中 锅炉 热交换器 反应器 加热炉 窑炉 料仓 贮槽 流体输送设备及一些动力设备等等是最常见的被控对象 各种对象千差万别 每个对象都有其自身的固有的特性 而对象特性的差异对整个系统的运行控制有着很大的影响 有的对象很容易操作 控制比较平稳 有的生产过程很难操作 只要不小心就会超出正常工艺条件 轻则影响生产 重则造成事故 因此 只有全面了解和掌握被控对象动态特性 才能合理的设计控制方案 选用合适的检测和控制仪表 进行控制器参数整定 特别是要设计高质量的 新型复杂的控制方案时 如前馈控制 自适应控制 计算机最优控制等等 由于涉及到过程的数学模型问题 更离不开对被控对象特性的研究 2020 4 13 73 1 3被控对象特性过程特性是指当被控量 操纵变量或扰动变量 发生变化时 其输出变量 被控变量 随时间的变化规律 多数工业过程的特性分为四种类型 1 自衡的非振荡过程 2 无自衡的非振荡过程 3 自衡的振荡过程 4 具有反向特性的过程 2020 4 13 74 1 自衡的非振荡过程 该类过程在阶跃输入信号作用下的输出响应曲线没有振荡地从一个稳态趋向于另一个稳态 例如 液位储罐在进料阀开度增大时 原来的稳定液位会上升 由于出料阀开度未变 随着液位的升高 静压增大 出料流量也增大 因此 液位上升逐渐变慢 直到液位达到一个新的稳定位置 传递函数 2020 4 13 75 2 无自衡的非振荡过程 该过程没有自衡能力 它在阶跃输入信号作用下输出响应曲线无振荡地从一个稳态一直上升或下降 不能达到新的稳态 例如 某些液位储罐的出料阀采用定量泵排出 当进料阀开度阶跃变化时 液位会一直上升到溢出或下降到排空 传递函数 2020 4 13 76 3 自衡的振荡过程 该过程具有自衡能力 它在阶跃输入信号作用下输出呈现衰减振荡特性 最终过程会趋于新的稳态值 2020 4 13 77 4 具有反向特性的过程 该类过程在阶跃输入信号作用下开始与终止时出现反向的变化 该类过程的典型例子就是锅炉水位 2020 4 13 78 a 手动控制 b 自动控制锅炉汽包液位控制 蒸汽 汽包 省煤器 给水 LT LC 蒸汽 汽包 省煤器 给水 玻管液位计 当蒸汽用量阶跃增加时 引起蒸汽压力突然下降 汽包水位由于水的闪急汽化 造成虚假水位上升 但因用汽量的增加 最终 水位反而下降 这类过程由于控制器根据水位的上升会做出减少给水量的误操作 因此 控制这类过程最为困难 2020 4 13 79 描述对象特性的参数 放大系数 时间常数 滞后时间 以储液槽对象为例 水经过阀门 不断地流入水槽 水槽内的水又通过阀门 不断流出 工艺上要求水槽液位 保持一定数值 此处 水槽就是被控对象 液位 就是被控量 如果阀门 的开度不变 而阀门 的开度变化 则此阀门 的开度变化就是引起液位 变化的扰动因数 这里所指的对象特性是指当阀门 的开度发生变化 也就是输入水量F1发生变化时 液位 是如何变化的 2020 4 13 80 当通过阀 流入水槽的流量F1等于流出水槽的流量F2时 槽内液位就保持在L0不变 如果假定在某时刻突然开大阀门1 并设输入水槽流量变化 则由于阀2开度未变 液位 上升 上升 液体静压加大 使得输出流量F2也随之增加 经过一段时间 F1等于F2 即输入与输出平衡 故 稳定在一新的数值L2 的变化开始快以后逐渐变慢 最后稳定在L2不变 其原因乃是开始时F1与F2差别大 以后由于 的增加 F1与F2的差别逐渐减小直到完全消除 由此可得水流量变化 与液位变化 的变化曲线如图所示 此曲线可以描述对象特性 尽管不同对象可以作出不同的变化曲线 但基本上都可以用几个主要物理量来说明对象的特性 2020 4 13 81 1 放大系数K由上例可知 在稳定状态下 一定的 F对应着一定的 L 且令K为 L与 F之比 用数学表示 即K L F或 L K F 放大系数K是一个静态特性参数 只与被控量的变化过程起点与终点有关 而与被控量的变化过程没有关系 利用放大系数K 可以获得任何幅值阶跃扰动 输入变化值 对被控量 输出变化值 的静态影响 K愈大 或愈小 则输入对输出稳定值的影响愈大 或愈小 显然 不同扰动通过不同通道进入对象时 对输出的影响各不相同 也即对象的放大系数是不同的 2020 4 13 82 1 放大系数K因此 在考虑控制方案时 应分析各种扰动对被控量的影响 比较它们的放大系数 分析它们的可控性能 选择放大系数较大 可控性能较好的作为操纵量 以利于迅速克服扰动对被控量的影响 2020 4 13 83 2 时间常数Tc时间常数Tc是说明被控量变化快慢的参数 从大量的生产实践中发现 有的对象受到扰动作用后 被控量变化很快 能较迅速地达到了稳定值 有的对象 被控量要经过很长时间才能达到新的稳定值 由图可以看出 不同对象 其时间常数不同 当受到阶跃扰动时 其响应曲线是不一样的 水槽液位单容对象 时间常数Tc的求解方法 上图所示的水槽对象是没有滞后的单容对象 其响应曲线是一条指数曲线 被控量液位 经过一段时间之后 稳定在一新的数值L 由o点作响应曲线的切线交L 于B 则ob即为时间常数Tc 一般说来 时间常数Tc小 则对象惯性小 被控量变化速度大 不易控制 2020 4 13 84 3 滞后时间 有的对象在受到扰动作用后 被控量不是立即变化 而是经过一段时间后才开始变化 2020 4 13 85 3 滞后时间 在实际生产过程中 纯滞后的现象是普遍存在的 因为控制阀门等的安装位置与对象本身之间总有一段距离 输入量 或输出量 的改变和信息的传递均需要时间 另外在被控量虽已发生变化 但要在显示仪表上反映出来 也有一个信息传递的问题 因此我们把纯滞后也叫做传递滞后 传递滞后随调节机构与检测元件之间安装距离的增加而增大 传递滞后给自动控制带来很大的困难 因为在这段时间内 控制装置无能为力 控制器不可能在感受到偏差以前就发出控制信号 所以在自动控制系统中 应当尽可能地避免或减小过程的传递滞后 2020 4 13 86 注意 放大系数K是用来表征对象静态特性的参数 而时间常数Tc和滞后时间 都是用来表征对象受到扰动作用后被控量是如何变化的 因此它们是反映对象动态特性的参数 2020 4 13 87 注意 最后还应指出 对象的特性还与其负荷变化有关 所谓对象的负荷 是指对象的生产能力或运行能力 负荷的改变 是由生产需要决定的 当负荷在生产允许的极限范围内变化时 设备就正常运转 但是负荷变化后 对象的各种阻力就会改变 以致使对象的容量 放大系数和时间常数等对象特性亦会改变 另外负荷变化 物料输送量或输送速度也会随之而变 因而也会影响传递滞后 总之 被控对象在不同负荷下 它的特性参数是不同的 在设计自动控制系统时 就应当考虑到负荷变化的影响 使系统各组成环节适应对象负荷的变化 保