单回路控制系统PPT课件

第三章单回路控制系统的设计，1。数学模型的相关概念，3-1概述，数学模型：是指过程在每个输入的作用下，相应的输出变化的数学表达式的函数。干扰：内部干扰调节器的输出单位(t)；外部干扰-剩余的不受控制的输入。通道：的输入和输出之间的信号连接。扰动通道-扰动和受控变量之间的信号关系。2 .研究和建立数学模型的目的是：(1)设计过程控制系统和设定调节器参数。(2)指导生产工艺设备的设计。(3)进行模拟实验。(4)、培训操作人员。3 .单输入单输出过程的常见模型，(1)、线性时间连续模型(2)、线性时间离散模型、控制函数与被控量之间的控制通道-信号关系；一。有一个自平衡过程的数学模型，并且有一个自平衡的定义：在一个物体被扰乱之后，平衡状态被破坏而没有任何额外的控制效果，并且依靠物体自动平衡自身的趋势，新的平衡状态的性质被逐渐达到，这被称为平衡能力。(1)单能力过程的数学模型，1)单能力过程的定义：只有一个节约能力的过程。如下图所示。3-2机制分析建模，3-1，返回，讨论：(1)静态下，Q1=Q2=DH/dt=0；(2)当q1改变时，H改变，Q2改变。线性化后，R2是阀门2的阻力，称为液体阻力或流动阻力。(2)参数关系分析，(3)数学模型的建立，(2)数学模型与自平衡多卷过程(无交互作用)，1)多卷过程在工业生产中很常见，如下图所示。(3)具有自平衡(相互影响)的多卷过程的数学模型，作业：绘制框图并推导系统的传递函数，2)非自平衡过程的数学模型和非自平衡过程的概念：下图。(1)单容过程的数学模型，(1)参数关系分析，(2)回归，而在非自平衡过程中，由于q2=0，2)传递函数，(3-3)单回路控制系统设计，单回路控制系统又称为简单控制系统。虽然简单，但它被广泛使用。过程控制的基本概念主要建立在本章中。因此，这一章无疑是焦点之一。特性，最简单和最基本的；应用最为广泛和成熟。它是各种复杂控制系统设计和参数设置的基础。适用于被控对象滞后时间少、负载和干扰小、控制质量要求低的场合。一、过程控制系统设计要求，1、安全2、稳定3、经济3、过程控制系统设计步骤，1、建立受控过程的数学模型2、选择控制方案3、选择控制设备型号规格4、实验(和模拟)、控制系统工程考虑因素，包括仪表(微机)选择、控制室和仪表板设计、供水、供电、信号系统设计、安全和防暴设计等。(2)、目标信息的获取和传输(3)、执行器的选择(4)、控制器的选择(3)、工程安装(4)、仪表调试(5)、参数设置(2)、工程设计(1)、方案设计(1)是整个控制工程设计中最重要的步骤。应注意：(1)合理选择被控变量(控制参数)和操纵变量(控制参数)，1、单回路控制系统，单回路控制系统可以实现：定值控制、程序控制、跟踪控制等。例如：液位定值控制系统，其结构图如下：定义：是指由测量变送器、调节器、执行器和受控过程组成的反馈控制系统，控制一个受控参数。从结构图可以看出，单回路控制系统是最简单、最基本、最成熟的控制方式。根据被控量的类型，单回路控制系统可分为温度单回路控制系统、压力单回路控制系统和流量单回路控制系统。单回路控制系统框图的一般形式如下：根据cybe积极效果：输出信号随着输入信号的增加而增加；(放大系数为正)反应：输出信号随着输入信号的增加而减少；(放大系数为负)，2。调节器的正作用、反作用、正作用：输出信号U随控制量Y的增加而增加；调节器的反应：输出信号U随控制量Y的增加而减小；执行机构、液位过程、传动检测、调节器、排气式、排气式、排气式的结构示意图如下：在上述示例中，执行机构、液位过程、传动检测、调节器、排气式、排气式、返回式、受控参数和控制参数的选择、受控参数(受控变量)的选择是控制系统设计的重要组成部分。正确选择对稳定生产、提高产品产量和质量、节约能源、改善劳动条件和保护环境卫生具有决定性意义。如果选择不当，无论形成何种控制系统，选择何种先进的过程检测和控制仪器，都无法达到预期的控制效果。1，选择的意义，2，选择的方法，(1)选择直接参数可以直接反映生产过程中的产品质量和产量，以及安全操作的参数。(例如锅炉水位、蒸汽温度等。)。(2)选择间接参数，例如：蒸馏塔通常用于化工生产中，将混合物分离成更纯的产品或中间产品。控制目标(直接参数):纯度或浓度、浓度、温度和压力。由于压力P不仅与分离纯度有关，而且还影响塔的工作效率和经济性，因此选择温度作为间接参数。如果难以选择直接参数，请使用。间接参数的选择原则必须考虑工艺生产的合理性和仪器的现状。间接参数应该与直接参数有某种单值函数关系。间接参数应具有足够的灵敏度。选择对产品产量和质量、安全生产、经济运行和环境保护有决定性影响的受控参数和可直接测量的工艺参数的一般原则作为控制量。当直接参数不能作为被控变量时，应选择与直接参数有单值函数关系的间接参数作为被控参数。受控参数必须具有足够的灵敏度。受控参数的选择必须考虑过程的合理性和所用仪器的性能。(2)控制参数(操纵变量)的选择。下图显示了单回路控制系统的框图。根据控制质量，通过分析过程的静态和动态特性，讨论了控制参数选择的一般原则。过程静态特性分析控制通道克服扰动的能力强，动态响应比扰动通道快。被控变量对扰动的闭环传递函数如下：传递函数如下：由于系统是稳定的，单位阶跃扰动下系统的稳态值为：结论：2。根据根据过程特性选择操纵变量的一般原则，控制信道的放大因子K0应该适当地选择得更大。时间常数T0应该更小。纯延迟时间0越小越好。在纯延迟时间为0的条件下，0与T0的比值应小于1。干扰通道的放大系数Kf应尽可能小；时间常数Tf较大；扰动引入系统的位置应远离控制过程(即靠近调节阀)；容量滞后越大，控制越好。广义过程(包括调节阀和测量变送器)由几个一阶环节组成。选择控制参数时，几个时间常数应尽可能错开，使一个时间常数远大于其他时间常数，并应注意减少其他时间常数。注意工艺操作的合理性和经济性。(5)示例讨论，示例1:喷雾奶粉干燥设备的控制为了控制流入或流出受控过程的材料或能量，致动器接收调节器输出的控制信号，并通过致动器将其转换成相应的角位移或线性位移，以改变调节机构(调节阀)的流动横截面积，从而实现过程参数的自动控制。(1)气动执行器，1个气动执行器，1个上盖；2.隔膜；3.平衡弹簧。4.阀杆；5.阀体。6.阀座。7.阀芯；工作原理：阀杆受力平衡，其中：2调节机构(调节阀)，a类，节流元件局部阻力可变，大口径调节阀一般采用双座阀，推力小，动作灵活，泄漏大。小口径调节阀一般采用单座阀，泄漏量小。阀门B的空气开关方式、前进阀和后退阀、空气开关阀、空气开关方式、空气关闭方式、空气开关方式、空气开关方式的选择原则、工艺生产的安全性。也就是说，当空气供应中断时，阀门是完全打开还是关闭取决于首先确保设备和人员安全的原则。冷水阀：燃料阀：空气关闭型，空气开启型，以加热炉为例(见右图)，实现调节阀的空气开启和空气关闭有四种方式：(2)电动执行机构，利用电动机等电力来开启和关闭调节阀，1。电动执行器、比例电动执行器、电磁阀、比例电动执行器：通常采用伺服系统的结构方案。回路、3-4PID调节器、调节器(控制器):将被控变量的测量值与给定值进行比较，得到偏差信号，然后对得到的偏差信号进行比例、积分、微分等运算，并将运算结果以一定的信号形式发送给执行器，进一步实现被控变量的自动控制。PID控制是20世纪40年代以前除开关控制以外唯一的控制方法，也是目前应用最广泛、最简单、最基本的控制方法。使用率为80% 90%，控制器的输入输出：控制器的控制规律是u(t)与e(t)的关系，这是在人工经验的基础上总结和发展起来的。控制器的基本控制规律有：比例、积分和微分，此外，还有继电器特性等潜在的控制规律。反应器温度控制，手动操作过程分析，以蒸汽加热反应器为例：设定反应温度：85度，轻微放热反应操作变量：蒸汽流量控制变量：反应温度干扰：蒸汽压力、进料流量等。手动操作(1):开关控制，如果温度低于85度，如果蒸汽阀全开，温度高于85度，蒸汽阀全关现象：温度继续波动，过程处于振荡状态。结果：二位置控制法控制质量差，不能满足生产要求。温度为85度，蒸汽阀门开度为3圈。如果温度高于85度，阀门将每5度关闭一次。如果温度低于85度，阀门将每5度打开一次。相应的控制规则可以写成：u(0):当偏差为0时，控制器输出Kc:控制器的比例放大，手动操作(2):比例控制，现象：温度控制相对稳定。结果，控制质量得到了一定程度的提高，但当负载发生变化时，会有更大的差异。如果工作条件改变，当阀门打开3圈时，温度将不再保持在85度。手动操作(3):增加积分功能，先按比例控制操作，然后持续观察温度是否低于85度，缓慢持续打开大阀门。如果温度高于85度，缓慢持续地打开小阀门，直到温度恢复到85度，即控制器输出变化的速度与偏差成正比：KI:积分速度，现象：只要有偏差，控制器输出就会持续变化。结果：输出稳定在设定的85度，即残差消除时间连续的PID控制规律理想PID控制器运行规律的数学表达式：其传递函数形式为：1、连续的PID控制规律，控制器运行规律通常以增量形式表示，如果以实际值表示，则为：其中u(0)为控制器的初始输出，即当t=0的瞬时偏差为0时的输出。(1)比例控制(P)分析，(1)比例控制法则控制器的输出变化与输入偏差成比例。时间没有延迟。在相同的偏差下，Kc越大，输出越大，所以Kc是衡量比例作用强度的一个参数。在工业中，比例带用来表示比例作用的强度。传递函数形式：比例控制器在阶跃偏差下的开环输出特性，(7-6)，(2)，比例带，(7-7)，(a)扰动(或负载)变化和设定点变化时有剩余差。因为在这些情况下，控制器必须有一个输出来改变阀门的开度，以便在过程中达到新的材料和能量平衡。然而，它与偏差E成正比，所以此时控制器的输入信号不能为0。当比例带很小时，对应于相同变化的E很小。因此，剩余差异很小。(3)比例带对系统过渡过程的影响，(2)比例带越大，过渡过程曲线越平滑；随着比例带减小，系统振荡程度增加。当比例带减小到某个值时，系统将以等幅振荡，然后如果减小，系统将发散。因此，如果控制系统参数设置不当，无法达到控制系统的设计效果，只有根据系统各环节的特性，特别是过程特性，选择合适的控制器参数，才能获得理想的控制指标。扰动下的最大偏差越小，最大偏差越小。在扰动的作用下，不同的比例带跃迁过程，(d)如果很小，振荡频率增加，因此将受控变量拉回到设定值所需的时间很短。一般来说，当广义对象的放大因子较小时，时间常数较大，时延较小，可以选择较小的控制器比例带来提高系统的灵敏度。当广义对象的放大系数较大、时间常数较小、时延较大时，需要适当增加控制器的比例带，以提高系统的稳定性。工业生产中的常值控制系统通常要求控制系统有一个振荡不太剧烈、残差较小的过渡过程。衰减比设置在4:110:1，而后续系统的衰减比一般在10:1以上。比例控制概述比例控制是最基本、最重要和最常用的控制规律。它能快速克服干扰的影响，快速稳定系统。比例控制通常适用于小扰动幅度、小负载变化、小过程延时()或低控制要求。(1)积分控制律KI代表积分速度。控制器输出信号的大小不仅与偏差的大小有关，还取决于偏差存在的时间长度。只要有偏差，控制器的输出就会不断变化。偏差存在的时间越长，输出信号的变化就越大，直到达到输出极限。只有当残差为0时，控制器的输出才是稳定的。试图消除残差是积分函数的一个重要特征。在幅度为a的阶跃作用下，积分控制器的开环输出如图所示。输出直线的斜率为KIA。(2)积分控制律分析比例作用下的输出与偏差是同步的，具有大偏差、大输出、小偏差和小输出，因此控制是及时的。但积分函数不是。积分控制总是滞后于偏差的存在，因此无法有效克服扰动的影响，难以稳定控制系统。因此，积分控制很少单独使用，系统容易振荡。在周期的前半部分，测量值h这通常会导致受控变量的过冲和严重波动。在工业中，比例作用和积分作用经常被结合成比例积分控制律。(2)比例积分控制律比例积分控制器的传递函数是：(7-9)，(7-10)，其中，是比例项；是一个积分项，是比例积分控制器在阶跃偏差作用下的输出。在偏差幅度A的阶跃作用下，比例输出立即跳至KCA，积分输出随时间线性增加。当确定KC和A时，直线的斜率取决于积分