第一篇简单控制金以慧清华大学出版社PPT课件

第一章生产过程动态特性,1-1过程控制系统的性能指标1-2被控对象的动态特性1-3过程数学模型及其建立方法,1-1过程控制系统的性能指标一、单项性能指标衰减率、超调量、稳态误差、调节时间二、时间积分指标IE、IAE、ISE、ITAE小结：1单项指标用若干特征参数评价系统优劣；2积分指标用误差积分综合评价系统优劣；3根据具体生产过程的实际选用不同的指标；4通常将衰减率和积分指标结合，首先满足衰减率。,1-2被控对象的动态特性一、基本概念被控对象的动态特性是指被控对象的输入发生变化时，其输出（被调量）随时间变化的规律二、典型对象动态特性三、工业过程动态特性的特点无振荡、稳定、有迟延、非线性,典型自衡对象传递函数表达式,典型非自衡对象传递函数表达式,一、过程数学模型的表达形式与对模型的要求二、建立数学模型的两个基本方法机理建模法测试建模法三、阶跃响应确定传递函数1阶跃响应获取应注意的问题2确定自衡对象传递函数3确定非自衡对象传递函数,1-3过程数学模型及其建立方法,控制器,广义被控对象,给定值,被调量,稳态,稳态,动态,控制要求安全性经济性稳定性,评价指标稳定性准确性快速性,给定,被调量,y1,y3,y,ess,ts,单项性能指标衰减率:=超调量:=稳态误差:ess=y-r调节时间:ts(进入稳态值5%范围内）,r,单项性能指标衰减率:反映了系统稳定性超调量:反映了动态准确性稳态误差ess:反映了静态准确性调节时间ts:反映了快速型,一般对定值系统衰减率要求为75%对随动系统衰减率要求为90%,讨论：（对二阶系统）,小结：衰减率越大，则系统振荡频率越低；,各种积分指标：IE（误差积分）优点：简单，也称为线性积分准则局限：不能抑制响应等幅波动IAE（绝对误差积分）特点：抑制响应等幅波动ISE（平方误差积分）优点：抑制响应等幅波动和大误差局限：不能反映微小误差对系统的影响ITAE（时间与绝对误差乘积积分）优点：着重惩罚过度时间过长,1被控对象数学模型的表达形式,按模型结构划分：,输入输出模型状态空间模型,连续系统模型离散系统模型,按系统的连续性划分：,2被控对象数学模型的利用方式离线方式：数学模型只是在进行控制系统时间或调试整定阶段中发挥作用在线方式：数学模型作为一个组成部分嵌入控制系统中，具有实时性。3对被控对象数学模型的要求一般不要求非常准确。闭环控制本身具有一定的鲁棒性。,机理建模：,物质平衡方程能量平衡方程动量平衡方程,输入输出微分方程,传递函数,在工作点附近线性化处理,测试建模：用阶跃响应曲线建模（开环）用脉冲响应曲线建模（开环）用正弦响应建模（闭环）其他辨识方法建模,飞升曲线,阶跃响应获取应注意的问题,（1）合理选择阶跃扰动的幅度(一般约为额定负荷的10%20%)（2）实际阀门只能以有限速度移动一般认为阶跃信号是在t1/2时加入（3）试验前确保被控对象处于稳定工况考虑过程的非线性特性，应进行多次测试。（4）若过程不允许同一方向扰动加入，则采用矩形脉冲扰动可从脉冲响应曲线求出所需的阶跃响应。,2确定自衡对象传递函数,典型自衡过程：一阶惯性环节,用有理分式表示的传递函数,选择哪种传递函数的形式，可依据以下两点：对被控对象的验前知识的掌握对建立数学模型准确性的要求,二阶或n阶惯性环节,（1）确定,参数,的作图法,t1/2处为扰动起点；在s型响应曲线找拐点，并作切线；记交点a、b和c,a,b,起点到a的距离为；a点到c点的距离为T；,c,（2）确定,参数的两点法,将响应曲线标幺,取y*(t1)=0.39，取y*(t2)=0.63，记t1和t2,取,验证,（3）确定,参数的两点方法,将响应曲线标幺并去掉纯迟延的到y*(t),取y*(t1)=0.4，取y*(t2)=0.8，记t1和t2,若0.320.46，则为高阶对象见表1-1（p.28),nt1/t210.31720.4630.53440.58450.61860.64070.666,nt1/t280.68490.699100.712110.724120.734130.748140.751,表1-1高阶对象中n与比值t1/t2的关系,（4）确定有理分式参数的方法（面积方法）,定义,根据拉氏变换的终值定理，可知,又定义,则有：,h(t)是单位阶跃响应,依次类推，可得到一个线性方程组：,求解该方程组就可得到a0an和b0bm的值,3由阶跃响应确定非自衡过程近似传递函数,一阶积分环节的多容过程,非自衡过程传递函数为：,一阶积分环节的纯迟延过程,*当对象的阶数n30s）的系统，对象的和T较小不适用；T较大的单容对象因采用P调节时，系统永远稳定，也不适用对于非自衡对象，所得到的调节器参数将使系统的衰减率0.75对于自衡对象，所得到的调节器参数将使系统的衰减率0.9,因此除了在阻塞流情况下需要进行流量修正外，在非阻塞流时，只有球阀和蝶阀在D/d1.5时，才需要修正。,3）气体流量系数修正（可压缩流体）,4）管件形状修正,1.调节阀结构特性,快开阀,直线阀,抛物线阀,等百分比阀,4-3调节阀结构特性和流量特性,结构特性：,*调节阀全关时，仍然有约5%的流量，这是为了防止卡瑟；,线性,*实际应用中常采用等百分比阀，因为对象特性往往是非线性的，即：,K(Q),2调节阀的流量特性,1）理想流量特性,在调节阀前后差压固定时，有,即理想流量特性就是阀门的结构特性,根据,2）工作流量特性,（1）串联管系调节阀工作流量特性,全开阀阻比：,流量特性畸变,流量特性：,（2）并联管系调节阀工作流量特性,阀全开流量比：,流量特性：,流量特性畸变见p.81图4.20,小结*在理想情况下，阀门流量特性就是阀门结构特性。*串联在管道中的阀门流量特性发生畸变，随S100减小，调节范围减小，调节性能变差。*并联在管道中的阀门流量特性发生畸变，随S100减小，调节范围减小，调节性能变差。*在设计管段时，管道中其他部件引起的差压应尽量小，这样可使流量特性发生畸变较少。,4-4气动调节阀选型,1.调节阀结构形式的选择2.调节阀气开、气关形式的选择选用原则：断气后，调节阀所处的位