2 简单控制系统-2.ppt

控制工程概论,-简单控制系统,回顾,(I)简单控制系统的定义和特点,简单控制系统是指单输入-单输出(SISO,SingleInputSingleOutput)的，以传递函数为基础的线性控制系统，是控制系统的基本形式。特点：结构简单，应用较广泛且适应性强。,回顾,(II)液位控制实例,蒸汽,给水,锅炉,LT,LC,液位变送器,液位控制器,执行器,设定值：工艺液位设定值；扰动作用：给水量、蒸汽量的变化；被控变量：实际液位值；操纵变量：蒸汽流量；,控制作用：改变给水量。,回顾,(III)正反馈和负反馈,输入变量和输出变量，两者相加，称为正反馈；两者相减，称为负反馈。输出变量与输入变量相比较的结果叫做偏差。有反馈存在，按偏差进行控制，是自动控制系统最主要的特点。,回顾,(IV)闭环控制和开环控制,在反馈控制系统中，被控变量送回输入端，与设定值进行比较，根据偏差进行控制，控制被控变量，这样，整个系统构成了一个闭环。,不需要对被控变量进行检测，只根据输入信号进行控制，则成为开环控制。,回顾,(V)控制系统框图,r(t),e(t),u(t),q(t),f(t),y(t),回顾,(VI)控制系统的传递函数描述,广义对象,控制器,第二章简单控制系统,2.1简单控制系统举例,2.2正、负反馈控制,2.3闭环控制和开环控制,2.4控制系统的组成框图,2.5控制系统的传递函数描述,2.6控制系统的分类,2.7控制系统的控制性能指标,2.8过程动态特性和动态建模,第二章简单控制系统,2.6控制系统的分类,按照对操纵变量的影响划分,闭环,开环,控制器,执行器,被控对象,扰动通道,检测变送,2.6控制系统的分类,按照给定值的特点划分,定值控制系统,随动控制系统或伺服控制系统,2.6控制系统的分类,定值控制系统,设定值保持不变（为一恒定值）的反馈控制系统称为定值控制系统。,例如：各种温度、压力、流量、液位等控制系统；恒温箱的温度控制；稳压电源的电压稳定控制等。,2.6控制系统的分类,定值控制系统,2.6控制系统的分类,随动控制系统,设定值不断变化，且事先是不知道的，并要求系统的输出（被控变量）随之而变化,例如：雷达跟踪系统。各类测量仪表中的变送器本身亦可以看作是一个随动控制系统，它的输出（指示值）应迅速和正确地随着输入（被测量值）而变化。,2.6控制系统的分类,随动控制系统,2.6控制系统的分类,按照克服干扰的方法划分,反馈控制系统,前馈控制系统,2.6控制系统的分类,反馈控制系统,输出变量通过适当的检测仪表，又送回输入端，并与输入变量相比较，按照偏差进行控制。,f,2.6控制系统的分类,前馈控制系统,直接按扰动而不是按偏差进行控制。干扰发生后，被控量还未显现出变化之前，控制器就产生了控制作用。,f,2.6控制系统的分类,f,前馈-反馈控制系统,2.6控制系统的分类,按照系统复杂程度划分,简单控制系统,复杂控制系统,2.6控制系统的分类,简单控制系统,控制器,执行器,被控对象,检测变送,2.6控制系统的分类,复杂控制系统,2.7控制系统的控制性能指标,控制系统的要求稳定性、准确性、快速性,控制系统的指标单项控制性能指标综合控制性能指标,2.7控制系统的控制性能指标,阶跃作用为输入时的被控变量的过渡过程。,定值控制系统随动控制系统,2.7控制系统的控制性能指标,单项控制指标,（1）衰减比n稳定性指标第一个波的振幅与同方向第二个波的振幅之比。,2.7控制系统的控制性能指标,单项控制指标,（随动控制）,（2）超调量或最大动态偏差emax稳定性指标描述被控变量偏离设定值最大程度的物理量,2.7控制系统的控制性能指标,单项控制指标,（定值控制）,（2）超调量或最大动态偏差emax稳定性指标描述被控变量偏离设定值最大程度的物理量,2.7控制系统的控制性能指标,单项控制指标,（3）余差C稳态准确性指标控制系统过渡过程终了时设定值与被控变量稳态值之差。,2.7控制系统的控制性能指标,单项控制指标,（4）回复时间Ts快速性指标表示控制系统过渡过程的长短，也就是控制系统在受到阶跃外作用后，被控变量从原有稳态值达到新的稳态值所需要的时间。（进入稳态值附近+/-5%或+/-3%）,2.7控制系统的控制性能指标,单项控制指标,（5）振荡频率与振荡周期Tp快速性指标,2.7控制系统的控制性能指标,单项控制指标,指出该输出曲线的性能指标（衰减比、超调量、余差、回复时间、振荡周期）,衰减比：2.6342超调量：55.0424余差：0.15332回复时间：355.09振荡周期：130.43,2.7控制系统的控制性能指标,综合控制指标,误差平方积分指标绝对误差积分指标时间乘绝对误差积分指标,2.8过程动态特性和过程动态建模,动态数学模型的作用和要求,过程模型：建模（modeling）是把系统的本质部分信息简缩成有用的描述方式的过程。过程模型表示过程的输出变量与输入变量之间的关系。,过程,输入变量（操纵变量）,输出变量（被控变量）,2.8过程动态特性和过程动态建模,动态数学模型的作用和要求,建模的要求:简单：适于在线控制正确：提高控制性能可靠：保证控制系统运行,2.8过程动态特性和过程动态建模,数学模型的分类,线性与非线性线性模型用来描述线性过程，满足迭加原理和均匀性；,2.8过程动态特性和过程动态建模,数学模型的分类,线性与非线性非线性模型用来描述非线性过程，不满足叠加原理。,化学反应速度系数k与绝对温度T之间的关系就是一种非线性模型：其中，R是通用气体常数，和E是特定的常数。,2.8过程动态特性和过程动态建模,数学模型的分类,动态与静态动态模型是用来描述过程处于过渡过程时的各状态变量之间的关系。,2.8过程动态特性和过程动态建模,数学模型的分类,动态与静态静态模型是用来描述过程处于稳态时的各状态变量之间的关系。,2.8过程动态特性和过程动态建模,数学模型的分类,随机与确定由确定性模型所描述的过程，当过程的状态确定之后，过程的输出响应是唯一确定的。,2.8过程动态特性和过程动态建模,数学模型的分类,随机与确定由随机性模型所描述的过程，即使过程的状态确定了，过程的输出响应仍然是不确定的。,钢材的屈服点s与含碳量c和含锰量Mn满足：其中，e是随机噪声，碳、锰含量单位取0.01%，屈服点s的量纲为kg/mm2。,2.8过程动态特性和过程动态建模,数学模型的分类,集中参数与分布参数集中参数模型中，状态和输出值不随位置而变化，具有相同的数值。例：搅拌式反应器，各点的温度和浓度是均一的。,2.8过程动态特性和过程动态建模,数学模型的分类,集中参数与分布参数分布参数模型中，状态随几何位置而连续变化，模型中必须引入位置参数。例：管式反应器，沿管长各点浓度不同。,2.8过程动态特性和过程动态建模,数学模型的分类,连续与离散模型中的时间变量是在一定区间内变化的模型称为连续时间模型。可由微分方程描述。,2.8过程动态特性和过程动态建模,数学模型的分类,连续与离散离散时间模型中的时间变量是在一定区间内变化的采样点。一般由差分方程描述。,2.8过程动态特性和过程动态建模,数学模型的分类,定常与时变模型特性不随时间变化而变化，为定常模型。模型特性随时间变化而变化，为时变模型。,2.8过程动态特性和过程动态建模,数学模型的分类,2.8过程动态特性和过程动态建模,建立数学模型的途径,机理建模（白箱）从机理出发，也就是从过程内在的物理和化学规律出发建立稳态数学模型的工作。,2.8过程动态特性和过程动态建模,建立数学模型的途径,经验模型（黑箱）对已投产的过程，通过测试或依靠积累的操作数据，用数学方法回归，得到经验模型。,由测试数据确定模型的结构和参数的建模方法称为系统辨识方法；系统辨识方法分为非参数模型辨识和参数模型辨识。在已定模型结构的基础上由测试数据确定参数的方法为参数估计。,2.8过程动态特性和过程动态建模,建立数学模型的途径,机理模型的优点：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，操作条件变化可以类推，即使处理的物料有所改变，只要已知其物理化学参数，仍不难计算。,2.8过程动态特性和过程动态建模,建立数学模型的途径,机理模型的缺点：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，很难预先精确估计；2)如不经过输入输出数据的验证，难以判断其正确性。,2.8过程动态特性和过程动态建模,建立数学模型的途径,机理建模和经验建模相结合：1)主体上按照机理方程建模，但对其中的部分参数通过实测得到；2)通过机理分析，把自变量适当组合，得出数学模型的函数形式；3)由机理出发，通过计算或仿真，得到大量的输入输出数据，再用回归方法得出简化模型。,2.8过程动态特性和过程动态建模,数学模型的用途,控制方案的确定方案的确定与工艺要求及操作情况有关，如能对过程的数学模型有所了解，对这一选择可起到定量剖析的作用。,2.8过程动态特性和过程动态建模,数学模型的用途,控