《过程控制基础知识》ppt课件

1、1.1 自动控制系统的组成1.1.1 人工控制与自动控制自动控制系统的组成自动控制系统的组成被控对象被控对象丈量变送丈量变送控制器控制器执行器执行器被控制的消费被控制的消费过程或设备过程或设备执行控制器指执行控制器指令，改动支配令，改动支配变量，对消费变量，对消费过程实施控制过程实施控制作用作用接纳丈量来的接纳丈量来的信号与给定值信号与给定值比较，作出控比较，作出控制决策送指令制决策送指令给执行器给执行器对被控变量进对被控变量进行检测并转换行检测并转换成规范一致号成规范一致号送控制器送控制器1.1.2 过程控制系统组成过程控制系统组成 在消费过程中有各种各样的控制系统，以在消费过程中有各种各样

2、的控制系统，以下图所示为几个简单控制系统的例如。下图所示为几个简单控制系统的例如。 给定值：消费过程中所期望的参数值。给定值：消费过程中所期望的参数值。丈量值：丈量变送输出值。丈量值：丈量变送输出值。偏向：给定值与丈量值之差。偏向：给定值与丈量值之差。被控变量：消费过程希望控制好的变量。被控变量：消费过程希望控制好的变量。支配变量：控制阀支配的变量。支配变量：控制阀支配的变量。扰动量：破坏系统平衡形状的外界要素。扰动量：破坏系统平衡形状的外界要素。控制造用：控制器输出对消费过程的影响。控制造用：控制器输出对消费过程的影响。扰动作用：扰动量对消费过程的影响。扰动作用：扰动量对消费过程的影响。1.

3、2.1自动控制系统普通有两种根本控制方式：自动控制系统普通有两种根本控制方式：1开环控制系统开环控制系统 控制系统的输出信号对控制造用没有影响，那么称为开控制系统的输出信号对控制造用没有影响，那么称为开环控制系统，即系统的输出信号不反响到输入端，不构环控制系统，即系统的输出信号不反响到输入端，不构成信号传送的闭合环路的控制系统。成信号传送的闭合环路的控制系统。 举例如下：以下图是数控加工机床中广泛运用的精细定举例如下：以下图是数控加工机床中广泛运用的精细定位控制系统位控制系统开环控制系统原理方框图开环控制系统原理方框图2闭环控制系统闭环控制系统控制系统的输出信号对控制造用有直接影响的控控制系统

4、的输出信号对控制造用有直接影响的控制系统，称为闭环控制系统。在闭环控制系统中，制系统，称为闭环控制系统。在闭环控制系统中，系统的输出信号经过反响环节前往到输入端，构系统的输出信号经过反响环节前往到输入端，构成闭合环路，故又称为反响控制系统。成闭合环路，故又称为反响控制系统。如以下图如以下图 按设定值的变化将自动控制系统分为三类:1定值控制系统 设定值坚持不变为恒定值的反响控制系统称为定值控制系统。 定值控制系统的根本义务就是要抑制扰动对被控变量的影响。随动控制系统也称跟踪控制系统。这类控制系随动控制系统也称跟踪控制系统。这类控制系统的特点是设定值在不断变化统的特点是设定值在不断变化.控制的目的

5、是要使被控变量可以及时而准确地控制的目的是要使被控变量可以及时而准确地跟踪设定值的变化跟踪设定值的变化.程序控制系统的设定值是一个知的时间函数程序控制系统的设定值是一个知的时间函数.在石油、化工、冶金、电力、陶瓷、轻工、制药等在石油、化工、冶金、电力、陶瓷、轻工、制药等工业消费中，定值控制系统占大多数，是主要的控工业消费中，定值控制系统占大多数，是主要的控制系统，其次是程序控制系统与随动控制系统制系统，其次是程序控制系统与随动控制系统.1.3.1 控制系统的动态与静态控制系统的动态与静态系统或环节特性系统或环节特性系统或环节的输入与输出的关系。系统或环节的输入与输出的关系。自动控制系自动控制系

6、统的输入统的输入设定值的变化或称设定作用设定值的变化或称设定作用)扰动的变化或称扰动作用扰动的变化或称扰动作用控制系统的控制系统的过渡过程过渡过程控制系统由一个平衡形状过渡到另控制系统由一个平衡形状过渡到另一个平衡形状的过程。一个平衡形状的过程。1.静态或稳态静态或稳态在自动控制系统中，被控变量不随时间变化的平在自动控制系统中，被控变量不随时间变化的平衡形状，称为系统的静态或稳态衡形状，称为系统的静态或稳态.在坚持平衡时环节的输出与输入关系称为环在坚持平衡时环节的输出与输入关系称为环节的静态特性。节的静态特性。控制系统的控制系统的过渡过程过渡过程控制系统的控制系统的静态过程静态过程被控变量不随

7、时间变化的被控变量不随时间变化的平衡形状平衡形状控制系统的控制系统的动态过程动态过程被控变量随时间变化的形被控变量随时间变化的形状状在自动控制系统中，被控变量随时间变化的形状，在自动控制系统中，被控变量随时间变化的形状，称为系统的动态或暂态称为系统的动态或暂态.2.动态或暂态动态或暂态系统处于动态时的输出与输入之间的系统处于动态时的输出与输入之间的关系称为系统的动态特性。关系称为系统的动态特性。系统的动系统的动态特性态特性3静态与动态的辩证关系静态与动态的辩证关系以哲理的观念看，在自动控制系统中，静态是暂时的、相对的、以哲理的观念看，在自动控制系统中，静态是暂时的、相对的、有条件的，动态才是普

8、遍的、绝对的、无条件的。有条件的，动态才是普遍的、绝对的、无条件的。在消费过程中，扰动作用总是不断产生，控制造用不断去抑制在消费过程中，扰动作用总是不断产生，控制造用不断去抑制扰动对被控变量的影响。所以，自动控制系统总是处在动态之扰动对被控变量的影响。所以，自动控制系统总是处在动态之中。中。消费过程要求自动控制系统运转时要消费过程要求自动控制系统运转时要 “稳、快、准稳、快、准 。1稳定性：稳定性： 指系统遭到外来作用后，其动态过程的振荡倾向指系统遭到外来作用后，其动态过程的振荡倾向和系统恢复平衡的才干。和系统恢复平衡的才干。 假设系统遭到外来作用后，经过一段时间调整，假设系统遭到外来作用后，

9、经过一段时间调整，其被控变量可以到达新的稳定形状，这样的系统是其被控变量可以到达新的稳定形状，这样的系统是稳定的系统。稳定的系统。稳定的系统判别方式：稳定的系统判别方式：线性自动控制系统的稳定性是由系统构造参数所决议线性自动控制系统的稳定性是由系统构造参数所决议的，与外界要素无关。因此，保证控制系统的稳定性，的，与外界要素无关。因此，保证控制系统的稳定性，是设计和操作人员的首要义务。是设计和操作人员的首要义务。快速性是阐明系统输出对输入呼应的快慢程度。快速性是阐明系统输出对输入呼应的快慢程度。提高呼应速度、缩短过渡过程的时间，对提高系提高呼应速度、缩短过渡过程的时间，对提高系统的控制效率和控制

10、过程的精度都是有利的。统的控制效率和控制过程的精度都是有利的。3准确性准确性余差：余差：控制系统到达新的平衡形状时，被控变控制系统到达新的平衡形状时，被控变量的稳态值与设定值之间的差值，为稳量的稳态值与设定值之间的差值，为稳态误差，也简称余差。态误差，也简称余差。稳态误差是衡量控制系统静态控制精度的重要标稳态误差是衡量控制系统静态控制精度的重要标志。志。1.3.1控制系统的过渡过程系统从一个平衡形状过渡到另系统从一个平衡形状过渡到另一个平衡形状的过程。一个平衡形状的过程。控制系统的过渡过程：控制系统的过渡过程：过程控制系统的过渡过程，本质上就是控制造用不过程控制系统的过渡过程，本质上就是控制造

11、用不断抑制扰动作用的过程。断抑制扰动作用的过程。研讨控制系统的过渡过程，对分析和改良控制系统研讨控制系统的过渡过程，对分析和改良控制系统具有很重要的意义。具有很重要的意义。过渡过程直接反映控制系统质量的优劣，与消费过过渡过程直接反映控制系统质量的优劣，与消费过程中的平安及产品的产量、质量有着亲密的联络。程中的平安及产品的产量、质量有着亲密的联络。图1.9定值控制系统过渡过程的几种方式常见的过渡过程方式常见的过渡过程方式图图1-3为一个过程控制系统的阶跃呼应曲线。为一个过程控制系统的阶跃呼应曲线。1.3.2 过程控制系统的性能目的过程控制系统的性能目的 过程控制系统性能目的是衡量系统控制质过程控

12、制系统性能目的是衡量系统控制质量优劣的根据，又称为质量目的或质量量优劣的根据，又称为质量目的或质量目的。目的。 通常主要采用两类性能目的：单项性能目通常主要采用两类性能目的：单项性能目的和综合的和综合 控制目的。控制目的。1.单项性能目的单项性能目的 单项性能目的是系统在单位阶跃输入作用下单项性能目的是系统在单位阶跃输入作用下,被控被控 变量随时间变化的衰减振荡曲线来定变量随时间变化的衰减振荡曲线来定义的。义的。单项性能目的是三个动态目的，一个静态目的。它们分别是：衰减比n、超调量 与最大动态偏向、回复时间Ts、余差e()。留意：这些控制目的仅适用于衰减振荡过程。过渡过程曲线上两个同方向相邻峰

13、值之比。1BBn 假设用B表示第一个波的振幅，B表示同方向第二个波的振幅，那么衰减比为:衰减比是控制系统的稳定性目的 假设衰减比n1，过渡过程是发散振荡，系统不稳定； 假设衰减比n1，过渡过程是等幅振荡，系统在临界稳定形状； 假设衰减比n1，过渡过程是衰减振荡，n越大，系统衰减越越快,系统越稳定。 衰减比普通取4 110 1，即大约两个周期后，系统能趋于新的稳态。 通常，随动控制系统的衰减比要求为10 1，定值控制系统的衰减比为4 1。 衰减比须视详细被控对象的不同来选取。习惯上用n 1表示衰减比。 2超调量 与最大动态偏向 。maxe超调量和最大动态偏向是表征被控变量偏离参比变量的超调程度，

14、是衡量过渡过程动态准确度即准确性的一个动态目的。它也反映了控制系统的稳定性。 在随动控制系统中，超调量是一个反映被控变量偏离新稳态值最大程度的目的。%100%100)(CByBC是输出的最终稳态值，B是输出超越最终稳态值的最大振幅即第一个波峰的幅值。%100%100)(CByB 在定值控制系统中，最终稳态值很小或趋近于零，因此，仍用 作为超调情况的目的就不适宜了。通常改用最大动态偏向 来替代超调程度.maxe最大动态偏向maxe:被控变量偏离设定值的最大程度也等于最大振幅B与最终稳态值C之和的绝对值maxeBC 假设用增量方式描画参数变化,那么最大动态偏向就是最大指示值.最大动态偏向或超调量越

15、大，消费过程瞬时偏离设定值就越远。在实践任务中，最大动态偏向不允许超越工艺所允许的最大值。如存在爆炸极限的化学反响，需限制最大动态偏向的允许值.3回复时间Ts回复时间又称为过渡过程时间，表示控制系统过渡过程的长短,即被控变量从原稳态值到达新稳态值所需求的时间.工程上用“被控变量开场变化到进入稳态值附近5%或2%范围内所需求的时间作为过渡过程的回复时间Ts。控制系统的快速性也可以用振荡频率w 来表示2T振荡频率也可作为控制系统的快速性目的。定值控制系统常用振荡频率来衡量控制过程的快慢。4余差余差e(),也称剩余偏向也称剩余偏向 余差又称剩余偏向或静差，是控制系统的最终余差又称剩余偏向或静差，是控

16、制系统的最终稳态偏向稳态偏向e()，即过渡过程终了时被控变量的设，即过渡过程终了时被控变量的设定值与新稳态值之差，即定值与新稳态值之差，即Cxyxteet)()(lim)(对于定值控制系统，x0，那么有e()C必需阐明，以上这些控制目的在不同的控制系统中各有其重要性，而且相互之间又有着内在的联络。假设要要求同时满足这几个控制目的是不能够的。应根据工艺消费的详细要求分清主次，区别轻重，对于主要的控制目的应优先保证。2综合控制目的 单项性能目的分别只代表系一致个方面的性能.这些目的往往相互影响、相互制约，难以同时满足要求。 综合控制目的又称为偏向的积分性能目的，常用于分析系统的动态呼应性能。名 称公 式特 点控 制 结 果适 用 范 围 绝对偏向积分 鉴定目的IAE 把不同时辰、不同幅值的偏向等同对待 各方面的性能比较平衡 普通用于评定定值控制系统的质量目的 偏向平方积分鉴定目的ISE 对大偏向敏感 最大偏向小但回复时间长 普通用于评定定值控制系统的质量目的 时间与偏向绝对值乘积的积分鉴定目的ITAE 对初期偏向不敏感而对后期偏向敏感 最大偏向大但回复时间短 普通用于评定随动控制系统的质量目的dtteIAE0)(dtteIAE02)(dttetITAE0)(对于存在余差的控制系统，由于余差e()不为零，因此，积分目的都将趋于无穷大，这时，可用e(t