《过程控制系统》课件-项目一：单回路控制系统的分析与实现

任务1.1自动控制的基本概念项目一：单回路控制系统的分析与实现军事、航天领域2工业生产过程轧钢过程造纸化工水泥制造3自动灌概农业生产过程疫情检测农产品质量检测4电厂热工自动化水平的高低是衡量电厂生产技术的先进与否和企业现代化的重要标志。5自动控制的基本概念自动控制的发展火电厂热工自动控制的主要内容人工控制与自动控制主目录自动控制系统的组成和方框图6自动控制的发展第一部分主要经历了以下几个阶段第一阶段初级阶段第二阶段仪表化阶段第三阶段综合自动化阶段自动控制的发展8自动控制的发展随着计算机技术的迅速发展，经历了以下几个计算机控制过程1集中型计算机控制2分散型计算机控制3计算机分散控制4现场总线控制9火电厂热工自动控制的主要内容第二部分0102040503自动检测顺序控制连续控制自动保护管理和信息处理火电厂热工自动控制的主要内容内容11人工控制与自动控制第三部分常用术语由控制作用来改变并对被控量进行调节物理量。控制量根据控制作用对调节量进行改变的具体设备。控制机构扰动被控制的生产设备及生产过程。控制对象表征生产过程是否符合要求而需要加以控制的物理量。被控量希望被调量保持的数值。给定值人工控制与自动控制引起被控量偏离给定值的因素。其中，由于控制机构开度变化造成的扰动，称为基本扰动；变更控制器的给定值的扰动，称为定值扰动。外扰发生在控制回路内部的扰动内扰不包括在控制回路内部的扰动13人工控制与自动控制以水箱水位控制为例，来分析人工控制与自动控制的不同图1-1水箱水位控制示意图（a）人工控制1、人工控制眼---起观察作用，观测水位(h)脑---起运算作用，思考、决策(偏差ho-h的大小和方向)手---起执行作用，操作进水位控制阀(改变w)主要取决于人员的运行经验和操作的熟练程度，调节精确度较低。14人工控制与自动控制以水箱水位控制为例，来分析人工控制与自动控制的不同2、自动调节如果用自动化装置代替上述人工操作就构成自动调节系统。图1-1水箱水位控制示意图（b）自动控制自动调节装置：一套机械的、气动的、液压的、电动的装置。三大基本部件：①变送器取代人眼起观察作用，相当于热工测量部分②调节器取代大脑起运算作用（PID）③执行器取代人手按照调节器发出的调节信号使调节机关动作，改变调节量。15图1-1水箱水位控制示意图（a）人工控制（b）自动控制人工控制与自动控制自动控制装置包括以下三个部分：030201测量部件（测量变送器）控制器（调节器）执行器16以水箱水位控制为例，来分析人工控制与自动控制的不同自动控制系统的组成和方框图第四部分0201自动控制系统由被控对象和自动控制装置两个基本部分组成自动控制系统中的各装置是通过信号的传递和转换相互联系起来的自动控制系统的组成18执行器根据调节器输出的控制指令信号去对调节机构进行调节；被控对象被控制的生产过程或设备。调节器（控制器）对测量变送器输出信号与给定值的差值信号进行控制运算，输出控制指令信号给执行器；测量变送器对现场被控参数进行测量，并将其转换成统一的电信号；01020403自动控制系统的组成一个完整的自动控制系统的组成19将实际的生产设备以及它们之间的连接关系用抽象的形式表示。系统方框图由有四要素：自动控制系统方框图自动控制系统的组成20概念四要素信号线信号综合点信号分支点环节自动调节系统方框图控制器执行器被控对象被控量给定值变送器扰动控制量自动控制系统的组成21任务1.2自动控制的分类和品质指标项目一单回路控制系统的分析与实现自动控制的分类及品质指标自动控制系统的分类自动控制系统的品质指标主目录23自动控制系统的分类第一部分02开环（前馈）调节系统：01闭环（反馈）调节系统：自动控制系统的分类1.按控制系统所采用的控制方式分分类(a)(b)03复合调节系统：按输入信号补偿(a)按扰动作用补偿(b)252.按调节系统闭环回路的数目分分类自动控制系统的分类一个被调量（1）单回路调节系统：除被调量外还有另外的辅助信号（2）多回路调节系统：26程序调节系统给定值是预先已规定好的已知函数定值调节系统系统中给定值为恒定值随动调节系统给定值是根据事先不能确定的一些随机因素来改变。3.按给定值的变化规律分010302自动控制系统的分类27自动控制系统的品质指标第二部分0102静态与动态静态：被控参数不随时间变化。过程是暂时的、相对的和有条件的。动态：被控参数随时间变化的状态。自动控制系统的品质指标1.自动控制系统的静态与动态29自动控制系统的品质指标1.自动控制系统的静态与动态控制过程：控制干扰控制静态新的静态动态动态30自动控制系统的品质指标2.自动控制系统的过渡过程自动控制系统的过渡过程指自动控制系统在动态过程中，被控量是不断变化的，这种随时间而变化的过程。生产过程总是希望被控参数保持不变，然而这时很难办到的。原因是干扰的客观存在，系统受到干扰后，被控参数就要变化。31自动控制系统的品质指标（1）单调过程在给定值的某一侧做缓慢变化，最后能回到给定值，如图(a)所示。32（2）非周期发散过程在给定值的某一侧，逐渐偏离给定值，而且随时间t的变化，偏差越来越大，永远回不到给定值，如图(b)所示。自动控制系统的品质指标（3）

衰减振荡过程被控变量在给定值附近上下波动，但振幅逐渐减小，最终能回到给定值，如图(c)所示。33（4）等幅振荡过程被控变量在给定值附近上下波动且振幅不变，最终也不能回到给定值，如图(d)所示。自动控制系统的品质指标被控变量在给定值附近来回波动，而且振幅逐渐增大，偏离给定值越来越远，如图（e）所示。34（5）发散振荡过程不稳定的过渡过程如：非周期发散过程、等幅震荡过程、发散震荡过程所示。

是绝对不能采用的。稳定的过渡过程如：单调过程和衰减震荡过程。

是所希望的。以上5种过程可归纳为两类：自动控制系统的品质指标等幅震荡过程是介于稳定和不稳定过渡过程之间的一种临界状态。也可采用。35第一类第二类自动控制系统的品质指标使被控对象的被控变量按给定值变化。控制精确度是衡量自动控制系统技术性能的重要尺度。工程上常从“稳”、“快”、“准”三个主要方面来要求。363.

1对控制系统的要求控制系统任务：3.自动控制系统的品质指标自动控制系统的品质指标3.2品质指标为评定衰减振荡过程的质量，常用五个品质指标：37自动控制系统的品质指标(1)最大偏差A（超调量B）----“稳”yt0ABC38A：瞬间被控变量偏离给定值的最大值emaxB：B=A-C，C：新的稳态值。表征被控变量偏离给定值的程度，A越大，偏离越大，对生产越不利。工艺上对最大偏差有所限制。自动控制系统的品质指标(2)衰减比n----“稳”yt0BB’39过渡过程曲线上同方向相邻两波峰（或波谷）值之比n=B/B‘习惯用n:1表示，一般要求n=4~10（经验值）n>1，衰减振荡；n→1，接近等幅振荡；n<1，发散振荡。n越大，系统越稳定；n→∞，接近于非振荡衰减。表示衰减程度的指标。自动控制系统的品质指标(3)余差C----“准”yt040过渡过程终了时，被控变量所达到的新稳态值与给定值之差，即静差。C=y(∞)-X反映了控制的精确程度，希望余差足够小。C≠0，有余差，有差调节，有差系统。C=0，无余差，无差调节，无差系统。自动控制系统的品质指标(4)过渡时间Ts----“快”yt0Ts41系统从受到干扰作用发生变化开始，到建立新平衡所需时间Ts。反映了克服干扰的能力。一般认为被控变量进入新稳态值的±5%范围内就已达到。Ts越小，表示系统恢复稳定快。Ts越大，表示系统恢复稳定慢。自动控制系统的品质指标(5)振荡周期----“快”yt0T42过渡过程同向两波峰（或波谷）之间的间隔时间。反映了自动控制系统克服干扰的能力。生产要求：尽量短。任务1.3控制对象的动态特性项目一单回路控制系统的分析与实现控制对象动态特性分析

控制对象分类单容对象的动态特性主目录44多容对象的动态特性被控对象分析影响对象动态的特征参数控制对象分类第一部分控制对象分类461.按输入输出对象的多少分类xyf1……fn多输入单输出x1…xnf1……fny1…yn多输入多输出控制对象分类472.按有无自衡能力分类自平衡能力是指控制对象在受到扰动后，仅依靠自身能力而不依靠任何外加的控制作用就能使被控量趋于某一稳定值的能力。无自衡能力有自衡能力控制对象分类483.控制对象包含容积的数目多少分类单容对象多容对象单容对象的动态特性第二部分单容对象的动态特性50有自平衡能力的单容控制对象称为单容有自平衡能力控制对象简称：单容有自平衡对象过渡过程如：

单容对象的动态特性51无自平衡能力的单容控制对象称为单容无自平衡能力控制对象简称：单容无自平衡对象其水位变化过程如下：多容对象的动态特性第三部分多容对象的动态特性53图1-7双容有自平衡控制对象被控对象分析第四部分被控对象分析单容自平衡控制对象多容有自平衡控制对象单容无自平衡控制对象多容无自平衡控制对象55四类：被控对象分析NO.1NO.2NO.3被调量的变化大多是不振荡的；被调量在干扰发生的开始阶段有迟延和惯性；最后阶段，对有自平衡能力的，被调量可能达到一个新的平衡态；对无自平衡能力的，被调量也可能不断变化而无法进入平衡态。56热工被控对象的特点:影响对象动态特性的特征参数第五部分影响对象动态特性的特征参数581.容量系数来衡量对象储存物质（能量）的能力流入q1，流出q2某一时刻q1＝q2，水位H稳定在某一值有某种原因使得q1≠q2，水量G变化，水位H变化（1-1）（1-2）式中，C——比例系数由式（1－1）可求得代入式（1－2）可得（1-3）容量系数描述了对象抵抗扰动的能力可以用数学关系式描述描述了对象抵抗扰动的能力影响对象动态特性的特征参数592.阻力水箱水位越高，则水箱中的水对箱底产生的压力就越大，调节阀门2前后的压差就越大，因而流量就越大。可以用右式描述调节阀门2的阻力R、水箱水位和流量q之间的关系。影响对象动态特性的特征参数603.传递迟延滞后时间τ＝L/v传递迟延是指被调量变化的时刻滞后于引起被调量发生变化的扰动发生的时刻，将这种时间上的滞后现象称为对象的传递迟延。传递迟延用迟延时间来进行描述，迟延时间越大，说明对象的传递迟延越严重。影响对象动态特性的特征参数61注意：3214传递迟延可能发生在流入侧（控制侧），也可能发生在流出侧（负荷侧），或两侧都存在。传递迟延发生在流入侧，控制作用不能及时影响被调量；发生在流出侧，造成调节器在被调量发生变化时不能立即动作。故在设计主设备及控制系统时应尽量避免或减小对象的传递迟延。任务1.4控制器的动态特性项目一单回路控制系统的分析与实现任务要求2NO:1能掌握控制器的三种动作规律NO:2能理解不同控制规律对控制过程的影响控制器的动态特性比例控制规律积分控制规律主目录64微分控制规律比例控制规律第一部分比例控制规律的数学模型及其对过渡过程的影响1.基本概念66比例调节规律是指调节器输出的控制信号μ(t)与其偏差输入信号e(t)之间成比例关系，即:（1-6）传递函数：（1-7）

式中比例控制规律的数学模型及其对过渡过程的影响67内容调节规律传递函数主要参数及其对调节作用的影响比例作用与比例系数成正比关系，与比例带成反比关系I调节规律P调节规律积分作用与积分时间成反比关系阶跃响应曲线(偏差信号阶跃扰动量为ΔE)表1－6基本调节规律比例控制规律的数学模型及其对过渡过程的影响0102比例调节规律调节及时、迅速。有差调节特点682.比例调节规律的特点积分控制规律第二部分积分控制规律及其对控制过程的影响1.基本概念70积分控制规律是指控制器输出的控制作用μ(t)与输入偏差信号e(t)对时间的积累成正比关系。即：传递函数为：

式中（1-8）（1-9）积分控制规律及其对控制过程的影响71内容调节规律传递函数主要参数及其对调节作用的影响比例作用与比例系数成正比关系，与比例带成反比关系I调节规律P调节规律积分作用与积分时间成反比关系阶跃响应曲线(偏差信号阶跃扰动量为ΔE)表1－6基本调节规律积分控制规律及其对控制过程的影响722.积分控制规律的特点无差调节特点微分控制规律第三部分微分控制规律及其对控制过程的影响1.基本概念74微分控制规律是指控制器输出的控制信号与输入偏差信号对时间的变化率成正比关系，即：其传递函数为：式中（1-10）

（1-11）微分控制规律及其对控制过程的影响752.微分控制规律的特点动态过程中的动态偏差减小，可改善系统的调节品质。特点微分控制规律及其对控制过程的影响76在实际应用中，微分控制规律具有惯性，其传递函数如下：（1-12）

式中微分控制规律及其对控制过程的影响77内容调节规律传递函数主要参数及其对调节作用的影响D调节规律微分作用与微分时间成正比关系阶跃响应曲线(偏差信号阶跃扰动量为ΔE)微分作用与微分时间成正比关系理想实际表1－6基本调节规律控制器的动态特性784312比例控制作用是最基本的控制作用，而积分和微分是辅助调节作用。比例控制作用贯穿于整个控制过程之中，调节快速、及时；微分控制作用主要体现在控制过程的初期，用以克服对象的惯性和迟延，具有超前控制的作用；积分控制作用则体现在控制过程的后期，用以消除静态偏差。小结：任务1.5单回路控制系统的构成项目一单回路控制系统的分析与实现任务要求NO.1NO.2NO.3能弄清单回路控制系统的基本概念能理解单回路控制系统的构成分析能灵活分析不同单回路控制系统的构成800102单回路系统的结构单回路控制系统的基本概念单回路控制系统的构成分析主目录实例分析81单回路控制的基本概念第一部分指控制系统中只对被控参数进行测量并反馈到控制器的输入端，从而只构成一个反馈回路的控制系统，称为单回路控制系统。概念单回路控制系统的基本概念83单回路控制系统的基本概念02010403单回路控制系统只对被控参数进行测量反馈单回路控制系统只含有一个反馈回路单回路控制系统只含有一个调节器单回路控制系统只含有一个被控对象并且被控参数只有一个84单回路控制系统的构成分析第二部分单回路控制系统的构成分析单回路控制系统的组成原理方框图如图2-1所示8601020304单回路控制系统的构成分析05调节器单回路控制系统的核心元件，是控制系统的“神经中枢”。执行器执行调节器的输出指令信号，对调节机构的开度进行调节。（例如汽包水位控制系统中用来调节给水流量的给水调节阀门）调节结构主要有调节阀门和调节挡板。对象设计控制系统进行控制的对象，可以是电厂中的某一个具体设备（例如汽包、过热器等），也可以是某一热力生产过程（例如燃烧过程）。测量变送器其性能直接决定测量信号的准确性。87第三部分实例分析实例分析—单回路汽包水位控制系统结构分析组成系统的元件如下：执行器—控制电机

调节机构—给水调节阀门测量变送器—水位测量仪表及差压变送器对象—汽包调节器—常规调节器89THANKS感谢观看主讲人：李玉娜任务1.6单回路控制系统的工作原理项目一单回路控制系统的分析与实现任务要求0102熟练掌握自动控制系统的基本作用要学会分析单回路控制系统的工作原理任务要求92主目录单回路控制系统的整定基本作用工作原理分析93基本作用第一部分基本作用1.稳态稳态也称为平衡状态，指控制系统的被调量稳定在某一确定的数值或在一定的范围内波动。具有以下特点：控制器的输出为常数，不随时间发生变化；控制机构（调节阀门或挡板）保持一定的开度不发生变化；被调量稳定在某一确定的数值；稳态误差ess常用来描述系统的稳态性能95基本作用2.动态系统在t0前处于平衡状态。假设在t0时刻扰动作用于系统，则系统原来的平衡状态就被破坏，被调量在扰动的作用下就会偏离原先的稳态值而随时间发生变化，系统进入动态。这时被调量的变化导致控制器输入端的偏差信号随之发生变化，控制器输出的调节信号也发生变化。通过执行器对被调量进行调节，直到被调量重新达到一个稳定的数值，系统进入另一个平衡状态。动态实质是一个动态过渡过程，是系统从一个平衡状态到另一个平衡状态的过渡状态。96基本作用通常在分析系统时，要绘制被调量随时间的变化特性曲线，称该特性曲线为系统的调节特性曲线或动态过渡过程曲线。如图2-4所示。一个控制系统的输入信号基本可以分为两类，即定值输入和扰动输入。97基本作用321控制器输出的调节信号随时间发生变化；控制机构在执行器的操纵下开度发生变化，去改变控制量的大小，对被调量进行调节。被调量随时间波动、变化，无法稳定在某一个确定的数值上。系统处于动态时，具有以下特征：98工作原理分析第二部分工作原理图中：Δf—

—给水调节阀门的开度（％）Wr(s)—

—

调节器的传递函数KZ、Kf

—

—分别为执行器、调节机构的特性系数Wob(s)—

—

对象的传递函数Km

—

—

测量变送器的变送系数Ig—

—

被调量的给定值信号(mA)Ih

—

—

水位的测量变送信号(mA)Iu

—

—

调节器输出的调节信号(mA)100工作原理设系统在在t0时刻前处于稳态，在t0时刻扰动作用于系统使得汽包水位升高（例如：蒸汽流量D发生反向的阶跃扰动），偏离给定值，平衡状态被打破。系统的控制过程：扰动作用D↑→H↑→ih↑→Δe=(ig-ih)↓→iu↓→Δf↓→W↓→H↓经过一定时间的调节H=稳定的数值101THANKS感谢观看主讲人：李玉娜任务1.7单回路控制系统的整定项目一单回路控制系统的分析与实现任务要求0102能够熟练掌握工程整定法的分类会根据现场实际需求选用不同的方法任务要求104主目录单回路控制系统的整定系统整定的基本概念工程整定法四种工程整定方法比较105系统整定的基本概念第一部分系统整定的基本概念概念：所谓控制系统的整定，就是根据被控对象的特性选择最佳的整定参数以达到满意的控制效果。控制器参数的设置、各信号间的静态配合、变送器以及调节机构的参数选择等，其中主要是设置合适的控制器参数。主要参数有：107040302系统整定的基本概念控制系统整定的前提条件就是控制系统的结构已知。衡量系统参数整定是否达到最佳的依据是控制系统的性能指标。值得注意的是，系统参数的整定只能在一定的范围内起作用。01控制器的参数主要有三个，即比例控制规律的比例带、积分控制规律的积分时间和微分控制规律的微分时间。单回路控制系统的整定实际上就是控制器的参数整定。108系统整定的基本概念常用的系统整定方法可以分为两类：0102理论整定法：工程整定法：比较复杂，在现场应用较少在现场得到了广泛的应用109工程整定法第二部分工程整定法经验法临界比例带法衰减曲线法响应曲线法四种工程整定法111工程整定法1.经验法经验法实际是一种试凑法，是在生产实践中总结出来的参数整定法，该方法在现场中得到了广泛的应用。112工程整定法2.临界比例带法临界比例带法又称边界稳定法，首先将控制器设置成纯比例控制器，然后系统闭环投入运行，将比例带由大到小改变，观察系统输出，直到系统产生等幅振荡为止。记下此状态下的比例带数值（即为临界比例带δk）和振荡周期Tk，然后根据经验公式计算控制器的其它参数。113工程整定法3.衰减曲线法它是利用比例作用下产生的4:1衰减振荡（ψ＝0.75）过程时的控制器比例带δs及衰减周期Ts，或10:1衰减振荡（ψ＝0.9）过程时