1简单控制系统课件

ProcessControl

过程控制简单控制系统是指单回路控制系统，是最基本、结构最简单的一种，具有相当广泛的适应性。在计算机控制已占主流地位的今天，这类控制仍占控制70％以上。简单控制系统虽然结构简单，却能解决生产过程中的大量控制问题，同时也是复杂控制系统的基础。掌握了单回路系统的分析和设计方法，将会给复杂控制系统的分析和研究提供很大的方便。1、简单控制系统控制速度和精度不能满足大型现代化生产的需要眼手脑水位测量与变送执行器控制器给定1、1控制系统组成和控制性能指标1、1、1控制系统组成液位控制系统示例1、1控制系统组成和控制性能指标1、1、1控制系统组成液位计+人眼大脑手+手动阀

传感测量器

控制器

执行机构温度控制

系统示例当系统受到外界扰动的影响时

为使被控变量（温度）与设定值保持一致检测被控变量，并与设定值比较得到偏差按一定控制规律对偏差运算,

输出信号驱动操纵变量（流量）最终使被控变量回复到设定值变送器检测温度控制器对偏差运算执行器改变操纵变量控制系统组成

简单控制系统由四个基本环节组成被控对象测量变送装置控制阀

控制器热交换器温度控制系统方块图一般控制系统方框图反馈负反馈正反馈绘制方框图注意事项说明几点简单控制系统有两个通道：控制通道和扰动通道。框图中的各个信号都是增量。图中的箭头表示信号的流向，并非物流或能流的方向。各环节的增益有正、有负。当该环节的输入增加时，其输出增加，则该环节的增益为正，反之，如果输出减小则增益为负。对象的增益有正、有负例如：加热系统的增益为正、冷却系统的增益为负；气开阀的增益为正、气关阀的增益为负；正作用控制器的增益为负，反作用控制器的增益为正；检测变送器的增益一般为正。通过调整控制器的正反作用来保证系统为负反馈。1、1、2控制系统的控制性能指标

对每一个控制回路来说，在设定值发生变化或系统受到扰动作用后，被控变量应该平稳、迅速和准确地趋近或回复到设定值。因此，通常在稳定性、快速性和准确性三个方面提出各种单项控制指标，把它们适当地组合起来，也可提出综合性指标。控制系统的过渡过程系统由一个平衡状态过渡到另一个平衡状态的过程。

当干扰作用于对象，系统输出y发生变化，在系统负反馈作用下，经过一段时间，系统重新恢复平衡。举例

控制系统方块图1、1、2控制系统的控制性能指标系统在过渡过程中，被控变量是随时间变化的。被控变量随时间的变化规律首先取决于作用于系统的干扰形式。在生产中，出现的干扰是没有固定形式的，且多半属于随机性质。在分析和设计控制系统时，为了安全和方便，常选择一些定型的干扰形式，其中常用的是阶跃干扰。控制系统的过渡过程采用阶跃干扰的优点：

这种形式的干扰比较突然、危险，且对被控变量的影响也最大。如果一个控制系统能够有效地克服这种类型的干扰，那么一定能很好地克服比较缓和的干扰。这种干扰的形式简单，容易实现，便于分析、实验和计算。阶跃干扰作用20控制系统的过渡过程自动控制系统在阶跃干扰作用下过渡过程的四种形式非周期衰减过程衰减振荡过程等幅振荡过程

发散振荡过程X√√？对于控制质量要求不高的场合，如果被控变量允许在工艺许可的范围内振荡（主要指在位式控制时），才可采用。

控制系统的过渡过程1、1、2控制系统的控制性能指标时域控制性能指标

假定自动控制系统在阶跃输入作用下，被控变量的变化曲线如上图所示，这是属于衰减振荡的过渡过程

多数情况下，希望得到衰减振荡过程，在此取这种过程形式讨论控制系统的品质指标。B1B21、1、2控制系统的控制性能指标衰减比超调量与最大偏差余差调节时间和振荡频率偏离度

衰减比衰减率ψ也用于表示控制系统的稳定性。它是每经过一个周期后，波动幅度衰减的百分数，即：衰减比n：衰减比是控制系统的稳定性指标。它是相邻同方向两个波峰的幅值之比。即：n<1扩散振荡即不稳定n=1等幅振荡n.>1衰减振荡n无穷大为非周期过程B1B2超调量和最大动态偏差超调量:在随动系统中，是一个反映超调情况，也是衡量稳定程度的指标。设被控变量的最终稳定值为C，最大瞬态偏差为B1，则超调量的表达公式为：

超调量和最大动态偏差最大动态偏差:在定值控制系统中，最终稳态值是０或是很小的数值，仍用作为指标来衡量系统的超调不合适了，通常改用最大偏差作为指标反映系统超调量的大小。

是控制系统的最终稳态偏差e(∞)。在阶跃输入作用下，余差为：

定值控制系统中，r=0，因此有：e(∞)=-C。余差是控制系统稳态准确性指标。余

差

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。回复时间是控制系统的快速性指标。振荡频率ω与振荡周期T的关系是

在相同衰减比n下，振荡频率越高，回复时间越短；在相同振荡频率下，衰减比越大，回复时间越短。回复时间和振荡频率：偏离度

控制系统偏离度是被控变量统计特性的描述在相同干扰作用下，定值控制系统输出的最大偏差越大，系统的偏离度越大；在相同的衰减比下，系统输出的周期越大，系统的偏离度越大。随动系统过渡过程曲线

定值系统过渡过程曲线

最大偏差超调量衰减比振荡周期余差1、1、2控制系统的控制性能指标回复时间ts

某化学反应器，工艺规定操作温度为200±10℃，考虑安全因素，调节过程中温度规定值最大不得超过15℃。现设计运行的温度定值调节系统，在最大阶跃干扰作用下的过渡过程曲线如下图所示，试求：该系统的过渡过程品质指标（最大偏差、余差、衰减比、振荡周期和过渡时间），并问该调节系统是否满足工艺要求。

工艺规定操作温度为200±10℃，考虑安全因素，调节过程中温度规定值最大不得超过15℃，而该调节系统=30℃，不满足工艺要求解：最大偏差：=230-200=30℃

余差：=205-200=5℃

衰减比：

振荡周期：=20-5=15min

过渡时间（调节时间）：1、1、2控制系统的控制性能指标积分性能指标2)平方误差积分准则ISE

3)绝对误差积分准则IAE

4)时间乘绝对误差积分准则ITAE

1)误差积分准则IE

1、1、2控制系统的控制性能指标采用不同的积分公式意味着估计整个过渡过程优良程度时的侧重点不同;e(t）=x(t)-y(t),应为希望的输出与实际输出，有余差时实际的e(t）=y(∞)-y(t);在考虑积分性能指标时通常是在规定合适衰减比的前提下，否则，振荡过程IE为0.！！1、1、2控制系统的控制性能指标积分性能指标1、2过程动态特性和建立过程的动态模型动态特性与静态特性

动态特性被控参数随时间变化的特性y(t)

静态特性稳定平衡状态下参数间的相互关系输入u输出y单输入单输出过程被控过程y1yny2被控过程u1u2um多输入多输出过程......1。数学模型的有关概念§2-1概述

数学模型:指过程在各输入量的作用下，其相应输出量变化的函数关系数学表达式。 干扰:内干扰---控制器的输出量u(t)；

外干扰---其余非控制的输入量。 通道:输入量与输出量间的信号联系。第二章被控过程

的数学模型

2.2

2.31、2、1过程动态特性1）典型过程动态特性自衡非振荡过程非自衡非振荡过程有自衡振荡过程具有反向特性的过程不稳定过程a、自衡非振荡过程b、无自衡非振荡过程c、有自衡振荡过程反向响应：指其阶跃响应在初始情况与最终情况方向相反。

d、具有反向特性的过程锅炉汽包水位h受蒸汽量干扰时的变化过程d、具有反向特性的过程在加入冷水过程中：汽包内水泡受冷后收缩，水面下降当燃料量不变时，汽包内水位应随冷上加入量而增大两种变化的迭加总特性为e、不稳定过程

主要在化学反应中，如吸热反应的反应温度T是稳定的，反应器内部存在负反馈。为开环不稳定系统1、2、2过程动态模型的建立1)数学模型的有关概念

数学模型:指过程在各输入量的作用下，其相应输出量变化的函数关系数学表达式。 干扰:内干扰---控制器的输出量u(t)；

外干扰---其余非控制的输入量。 通道:输入量与输出量间的信号联系。扰动通道--扰动作用与被控量间的信号联系。

控制通道--控制作用与被控量间的信号联系；1、2、2过程动态模型的建立1）过程建模的要求正确可靠简单2）过程动态模型分类黑箱模型白箱模型灰箱模型1、2、2过程动态模型的建立3)研究并建立数学模型的目的设计过程控制系统、整定控制器参数。指导生产工艺设备的设计。进行仿真实验研究。培训运行操作人员。4）被控对象动态建模方法系统辩识方法-经验建模方法机理建模方法混合方法1、2、2过程动态模型的建立一、系统辨识建模特点：无需深入了解过程机理，但适用范围小，模型准确性有限。过程辨识的方法很多，依据输入变量的变化情况，大致可分为非周期函数，周期函数，非周期性随机函数及周期性函数等四类。原理：根据过程输入输出数据确定过程模型的结构和参数的建模方法称为系统辩识方法，建立的模型称为黑箱模型当生产过程机理不明、模型参数难以确定时，需要用过程辩识方法把数学模型估计出来。复杂的工业过程对象常由高阶非线性微分方程描述，求解困难。机理建模得到的近似数学模型也需用试验测量加以验证采用辨识建模的原因试验测定的方法施加激励试验测定方法的分类（根据加入的激励信号和结果的分析方法分）经典辨识法（非参数模型辨识）时域法频域法相关法现代辨识法最小二乘梯度校正极大似然法由以时间或频率为自变量的试验曲线得到：1）数学模型结构2）模型参数首先假定模型的结构；然后极小化模型与过程间的误差准则函数以确定参数。对象记录仪表输入变送器输出变送器tX(t)0其它参数ty(t)0一、系统辨识建模1、输入信号选择2、实验结果的数据处理如何将实验所获得的各种不同响应曲线进行处理，以便用一些简单的典型微分方程或传递函数来近似表达，既适合工程应用，又有足够的精度，这就是数据处理要解决的问题。微分方程传递函数（含结构和参数）一、系统辨识建模典型的工业过程的传递函数（自平衡过程）：一阶惯性环节加纯延迟

二阶惯性环节加纯延迟n个相同极点的n阶惯性环节加纯延迟

一、系统辨识建模典型的工业过程的传递函数（无自平衡过程）：其传递函数中应含有一个积分环节一、系统辨识建模选择何种传递函数？测试者对被控对象的验前知识本人的经验与标准的一阶、二阶阶跃响应曲线比较选择传递函数阶次的原则：低阶数据处理简单，计算量也小，但准确程度较低高阶数据处理麻烦，计算量大，但拟合精度也较高一、系统辨识建模传递函数参数的确定：1）如果传函为带纯迟延的一阶惯性环节：K的确定用参数T、τ的确定作图法两点法(一)、阶跃响应曲线的测试

多数过程的数学模型表达式如下所示。

1、确定一阶惯性环节的参数2、确定有时滞的一阶惯性环节的参数(一)、阶跃响应曲线的测试

(1)切线法简单，但误差大适用于PID参数的工程整(一)、阶跃响应曲线的测试

增益K的确定参数的求取时间常数T的确定（1）过拐点做切线，相交线段在时间轴上的投影

（1）响应曲线上找y(t1)＝0.632y(∞)的时间t1，则时间常数T＝t1-t0

注意1、试验前应将对象调整到适当的初始状态；2、试验加扰动前要保证系统处于稳定状态；3、保证扰动信号大小适当（一般约为额定负荷10%~20%）；4、阶跃信号加入时间的确定（一般为t/2）；5、仔细记录响应曲线的起始和渐近稳定阶段；6、应具有复现性；7、注意对象的非线性（上行、下行两方向特性）；8、尽可能多记录一些参数信息，供分析时参考。对象机理建模根据过程的内在机理，应用物料平衡、能量平衡和有关的化学、物理规律建立过程模型的方法是机理建模方法，又称为过程动态学方法。建立的模型称为白箱模型。特点：概念明确、适用范围宽，要求对该过程机理明确。建立机理模型的方法是：列写基本方程：物料平衡和能量平衡方程等；消去中间变量，建立状态变量x、控制变量u和输出变量y的关系；增量化：在工作点处对方程进行增量化，获得增量方程；线性化：在工作点处进行线性化处理，简化过程特性；列写状态和输出方程。对象机理建模对象机理建模单容水槽的模型建立根据进出水量平衡方程有：单位时间内水槽内存储水量变化

=进水流量-出水流量若R为线性阻力可整理为微分方程

单容过程一阶微分方程，T，K为特征参数传递函数阶跃响应函数过程的阶跃响应曲线对象机理建模优点

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可以验前得出，在流程和设备的设计阶段即能求取有较大的适用范围，操作条件变化是可以类推。弱点：

对于复杂的过程，人们对基本方程的某些参数不完全掌握，例如，换热器的K值，由传热学书籍提供的公式可能有±10～30％的误差。又如，象精馏塔的塔板效率、塔板流体中的汽液比值等参数，很难预先精确估计；如不经过输入输出数据的验证，则近乎纸上谈兵，难以判断其正确性。混合方法把两种途径结合，可兼采两者之长，补各自之短。介于上述两种方法之间的建模方法，称为混合方法。所得模型称为灰箱模型。1.2.3过程的阶跃响应特征参数1)放大系数K

物理意义：K在数值上等于对象的输出稳态值与输入稳态值之比，

有时也称静态放大系数。1、过程的阶跃响应特征参数2)时间常数T

当对象受到阶跃输入后，输出(被调量)达到新的稳态值的63.2%所需的时间，就是时间常数T

T越小，表示对象惯性越小，输出对输入的反应越快。

过程的阶跃响应特征参数响应曲线在起始点切线的斜率

时间常数T的物理意义：当对象受到阶跃输入后，被调量如果保持初始速度变化，达到新的稳态值所需的时间就是时间常数

对

微分3）滞后时间τ分类定义

对象在受到输入作用后，被控变量却不能立即而迅速地变化，这种现象称为滞后现象。滞后性质时滞容量滞后

时滞又叫纯滞后，一般用τ0表示。τ0的产生一般是由于介质的输送需要一段时间而引起的。

对象在受到阶跃输入作用x后，被控变量y开始变化很慢，后来才逐渐加快，最后又变慢直至逐渐接近稳定值。2

过程特性对控制性能指标的影响增益的影响时间常数的影响纯滞后的影响1.2.3过程的阶跃响应特征参数增益的影响调节通道的增益对控制品质的影响

增益K0↑时，余差↓，最小偏差↓，控制作用↑，

系统稳定性↓K0变化，不改变闭环特征根位置，因此，响应曲线形状不改变闭环总放大倍数的稳定是控制系统稳定的前提。因此K0KC乘积应保持恒定选择操作变量时，应考虑K0：大、稳扰动通道的增益对控制品质的影响

增益Kf常与干扰幅值F得乘积一起考虑KfF的值大，则干扰对控制系统的影响也大可通过增加前馈控制来减小或消除扰动的影响增益的影响增益的影响时间常数的影响调节通道的时间常数对控制品质的影响采用时滞τ0与时间常数T0之比来判断当τ0/T0小时，系统的控制品质较好当τ0/T0的比值固定时，T0对系统的稳定性无影响当τ0/T0的比值固定时，T0影响系统响应的快慢减小中间时间常数，可使系统响应加快，品质变好扰动通道的时间常数对控制品质的影响Tf大，则扰动对输出的影响慢，有利于克服扰动的影响应选择操作变量，尽量使扰动作用点向控制阀移动时间常数的影响纯滞后的影响控制通道时滞的影响当检测变送环节存在时滞时，被控变量的变化不能及时传送到控制器；当被控对象存在时滞时，控制作用不能及时使被控变量变化；当执行器存在时滞时，控制器的信号不能及时引起操纵变量的变化。因此，开环传递函数存在时滞，使控制不及时，超调增大，并引起系统不稳定。用τo/To反映时滞的相对影响。通常，τo/To≤0.3时，系统尚可用简单控制系统进行控制，当τo/To>0.3时，应采用其他控制方案对该类过程进行控制。因此，在设计和应用时应尽量减小时滞，有时可增大时间常数以减小τo/To。扰动通道时滞的影响时滞τf的存在不影响系统闭环极点的分布，因此，不影响系统稳定性。它仅表示扰动进入系统的时间先后，即不影响控制系统控制品质。纯滞后的影响工业过程控制对象的特点除液位对象外的大多数被控对象本身是稳定自衡对象；对象动态特性存在不同程度的纯迟延；对象的阶跃响应通常为单调曲线，除流量对象外的被调量的变化相对缓慢；被控对象往往具有非线性、不确定性与时变等特性。1、2、4被控变量与操纵变量的选择系统被控变量的选择:

深入了解工艺过程，选择能够反映工艺过程的被控变量；尽量选用易于测量且关系简单的直接质量指标作为被控变量；操纵变量的选择:工艺的合理性对受控变量有明显的影响作用，即要求有放大系数大，时间常数快速。1、2、4被控变量与操纵变量的选择检测变送环节的任务是对被控变量或其它有关参数作正确测量，并将它转换成统一信号测量变送环节的传递函数可表示为：1、3测量变送环节1、3、1检测变送环节的性能检测变送环节的选择原则环境的适应性检测元件的精确度和响应的快速性选用线性特性时间常数的影响时滞的影响关于测量误差：仪表本身误差安装不当引入误差测量的动态误差1、3、2检测变送环节考虑关于检测变送信号的处理：对呈同周期性的脉动信号需进行低通滤波对测量噪声需进行滤波线性化处理信号补偿1、3、2检测变送环节考虑1.4执行器环节在自动控制系统中，接受控制器的指令；

经执行机构将其转换为相应的角位移或直线位移；去操纵调节机构，改变被控对象进、出的能量或物料。

1.4.1概述

1.作用2.组成3.类型

1.4执行器环节

1——薄膜

2——弹簧

3——调零弹簧

4——推杆

5——阀杆

6——填料

7——阀体

8——阀芯

9——阀座

外形图薄膜式启动执行器结构

4.功能分析控制机构：执行器的控制部分，它直接与被控介质接触，控制流体的流量。所以它是将阀杆的位移转换为流过阀的流量的装置。执行机构：执行器的推动装置，它按控制信号压力的大小产生相应的推力，推动控制机构动作，所以它是将信号压力的大小转换为阀杆位移的装置。5．调节阀的可调比R（1）可调比定义指该阀所能调节的最大流量Qmax和最小流量Qmin的比值:关于Qmin的说明：Qmin是调节阀可控流量的下限值，通常为最大流量的10%左右，最低约为2%－4%4．调节阀的可调比R理想可调比调节阀两端压差不变时的可调比此时，是阀的最大和最小流通能力之比使用时希望Ｒ大，但实际做不到（Qmin受限制）实际可调比实际使用时，阀前后的压差会变化，如随管道阻力的变化而变化随有无旁路阀而变化1.4.2调节阀的流量特性指流体流过阀门的相对流量和相对开度之间的函数关系，即流量系数反映调节阀的静特性流量特性刻画调节阀的动特性二者对调节阀的选用均具有重要意义相对流量相对开度调节阀的流量特性是指被控介质流过阀门的相对流量和阀门相对开度之间的关系；阀的流量特性会直接影响到自动调节系统的调节质量和稳定性；改变阀芯和阀座之间的节流面积，便可调节流量为便于分析，首先假定阀前后压差固定，然后再考虑实际情况，于是调节阀的流量特性分为理想流量特性和工作流量特性。在调节阀前后压差固定的情况下得出的流量特性就是理想流量特性。1.4.2调节阀的流量特性流量特性的分类：理想流量特性阀前后压差不变,它取决于阀芯的形状

工作流量特性真实情况（阀前后压差）串联管道并联管道1.4.2调节阀的流量特性1．理想流量特性（阀前后压差不变）快开等百分比抛物线直线(1)直线流量特性指调节阀的单位相对位移的变化所引起的相对流量的变化是常数，即K为常数，调节阀的放大系数。解微分方程得：Ｒ为可调比，R=Qmax/Qmin起点(0,1/R)终点(100,100)(1)直线流量特性在调节阀开度变化dl相同的情况下，∴当流量小时，流量的变化值dQ相对较大，调节作用较强，易产生超调和引起振荡；

当流量大时，dQ相对较小，调节作用进行缓慢，不够灵敏。（2）对数流量特性（百分比特性）调节阀单位相对开度的变化所引起的相对流量的变化和此点的相对流量成正比关系。数学表达式为解微分方程得

（2）对数流量特性（百分比特性）（续）∴在同样的开度变化值dl下流量小时（小开度时）流量的变化dQ也小，调节平稳缓和；流量大时（大开度时）流量的变化dQ也大，调节灵敏有效。无论是小开度还是大开度，相对流量的变化率都是相等的，流量变化的百分比是相同的。

（3）抛物线流量特性阀的相对流量与相对流量的平方根成正比的关系的特性其数学表达式为解微分方程得：抛物线流量特性介于直线流量特性和对数流量特性之间（4）快开流量特性阀在开度很小时，就已经将流量放大，随着开度的增加，流量很快就达到最大（饱和）值，以后再增加开度，流量几乎没有变化。适用于迅速启闭的切断阀或双位控制系统。其数学表达式为解微分方程得

2．工作流量特性在实际生产中，调节阀前后压差总是变化的，这时的流量特性称为工作流量特性。工作流量特性与管道系统阻力有关。串联管道的工作流量特性并联管道的工作流量特性1.4.2调节阀的流量特性1.4.2调节阀的流量特性（1）

串联管道的工作流量特性

管道损失变大，阀全开流量变小，压降比ｓ变小,实际可调比变小工作流量特性1.4.2调节阀的流量特性管道串联时控制阀的工作流量特性结论：随着s值减小直线特性→快开特性对数特性→直线特性实际使用中，一般希望s值不低于0.3~0.5。1.4.2调节阀的流量特性（2）并联管道的工作流量特性

控制阀一般都装有旁路，以便手动操作和维护。当生产量提高或控制阀选小了时，只好将旁路阀打开一些，此时控制阀的理想流量特性就改变成为工作特性。如图显然这时管路的总流量Q是控制阀流量Q1与旁路流量Q2之和，即Q＝Q1＋Q2。

并联管道情况1.4.2调节阀的流量特性

以x代表并联管道时控制阀全开时的流量与总管最大流量Qmax之比，可以得到在压差Δp为一定时，而x为不同数值时的工作流量特性曲线。

并联管道时控制阀的工作特性1.4.2调节阀的流量特性由上图可见

当x＝1，即旁路阀关闭时，控制阀的工作流量特性与理想流量特性相同。随着x值的减小，即旁路阀逐渐打开，虽然阀