过程装备控制技术及应用2015第二章(3)

1、被控对象的特征是其输出变量随时间的变化规律(包括变化的大小和速度等)。)当受控对象的输入变量改变时。对于受控对象，其输出变量是控制系统的受控变量，而其输入变量是控制系统的操纵变量和干扰。受控对象的输入变量和输出变量之间的联系称为通道。操纵变量和受控变量之间的联系称为控制通道。干扰和受控变量之间的关系称为干扰通道。一般来说，对象特征是指控制信道的对象特征。2.1受控对象的特性，对于储罐液位对象，在静态条件下，每单位时间流入对象的物质(或能量)等于流出系统的物质(或能量)；在动态条件下，单位时间内流入物体的物质(或能量)与单位时间内流出系统的物质(或能量)之差等于系统中物质(或能量)储存的变化率。

2、受控对象的数学描述是由这两种关系导出的微分方程。2.1.1受控对象的数学描述，(1)具有自平衡特性的单容量对象。图21示出了简单的储罐液位控制对象。输出变量是液位h。罐的流入量qV1由管道上的阀1调节，罐的流出量qV2取决于管道上的阀2的开度。qV1和qV2都是体积流量。显然，水位在任何时候的变化都满足以下物质平衡关系式：其中V罐中的液体存储量(液体体积)；t时间；dV/dt存储的变化率。(21)假设水槽的横截面积为A，A是一个常数，因此(2-3)在静态情况下，dV/dt=0，qV1=qV2当qV1改变时，液位H改变，流出qV2也改变。假设变化非常小，可以近似地考虑流出量。将公式(2-2)和公

3、式(2-3)代入公式(2-1)，得到公式(2-5)。公式(2-6)是描述单罐被控对象的微分方程，是一阶常系数微分方程。因此，这种受控对象通常称为一阶受控对象。其中，t称为时间常数，k称为被控对象的放大系数，它反映了被控对象的特性。让T=ARs，K=Rs，代入方程(2-5)，得到(26)。假设系统的初始状态为零，进行拉普拉斯变换，系统传递函数为：如果输入流量为q倍阶跃输入，系统输出为：等式(2-6)是用于描述单个储罐的受控对象的微分方程，它是一阶微分方程。因此，这种受控对象通常称为一阶受控对象。其中，t称为时间常数，k称为被控对象的放大系数，它反映了被控对象的特性。在初始平衡状态下，流入量qv1

4、等于流出量qv2，液位稳定在H0。在t0，如果流入突然具有阶跃变化qV1，则相应的液位变化可以通过公式(2-5)获得。根据公式(27)，图21中的水箱液位控制对象在阶跃输入作用下的特性曲线如图22所示。从曲线可以看出，由于qV1的突然增加，液位h迅速上升，但流出量没有变化。随着液位的上升，水箱出口处的静压增加，因此qV2增加，qV1和qV2之间的差值越来越小，液位H的上升速度越来越慢。当t、(27)、(28)、K和qV1都是常数时。因此，液位再次恢复平衡。此时，qV1=qV2是被控对象的自平衡特性，即当输入变化和被控对象的平衡发生变化时，被控对象可以在没有人为干预的情况下恢复平衡。自我平衡有利

5、于控制。无自平衡特性的单容量对象见图2-3。由于泵的出口流量不随液位的变化而变化，因此物体的动力学方程为：(2-9)。在t0之前，受控对象处于平衡状态，qV1=qV2。假设在t0时刻，水箱的进水突然有一个阶跃变化qV1，由公式(2-9)和(2-10)得到，其特性曲线如图24所示。从其特性曲线可以看出，随着时间t的推移，液位h将以恒定的速度上升，并且直到从水槽顶部溢出时才会稳定。这是没有自我平衡的特征。没有自平衡特性的被控对象在受到干扰后无法恢复平衡，因此控制要求较高。除了控制之外，通常还为这种受控对象提供自动报警系统。(2)双容液位对象双容水箱如图2-5所示。它有两个串联的水箱，两个水箱之间的

6、连接管有阻力，所以两个水箱的水位不同。进入的水qV1首先进入水箱1，然后通过水箱2流出。受控变量是水箱2的液位h2。以下是在阀1打开的干扰下h2的动态特性分析。根据物质平衡方程，可以写出两个关系，水槽1的动平衡关系为(2-11)，水槽2的动平衡关系为(2-12)、(2-13)，这两个关系是将方程(2-11)和(2-12)相加得到的。类似地，当qV2和qV3的变化很小时，将公式(214)和公式(215)代入公式(212)，对它们进行微分，得到公式(216)，然后将公式(215)和公式(216)代入公式(213)，得到公式(217)，设T1=1RS 1，T2=0。通常，这种受控对象被称为二阶受控对

7、象。在公式中，T1是水箱1的时间常数，T2是水箱2的时间常数，k是受控对象的放大率。图26示出了在阶跃输入下双储罐的响应曲线。描述控制对象参数包括放大系数k、时间常数t和滞后时间。(1)等式(26)和(218)中的放大系数k是物体的放大系数。放大系数，也称为静态增益，是当被控对象再次达到平衡状态时，输出变化与输入变化的比值。放大系数的一般结论：放大系数k表示被控对象在干扰下再次达到平衡的性能，是一个不随时间变化的参数。因此，k是被控对象的静态特征参数。在相同的输入变化下，被控对象的k越大，输出变化越大，即输入对输出的影响越大，被控对象本身的稳定性越差；相反，k越小，被控对象的稳定性越好。在任何

8、输入变化下，k为常数的受控对象称为线性对象。放大系数不恒定的受控对象称为非线性对象。非线性物体很难控制。2.1.2被控对象的特征参数和不同通道的放大系数k对控制质量有不同的影响。对于控制通道，如果k值很大，即使调节器的输出变化很小，也会对被控变量产生很大的影响，而且控制非常灵敏。相反，如果k很小，受控变量的变化将很慢。对于干扰信道，如果k很小，即使干扰幅度很大，对被控变量也不会有很大的影响。如果k较大，当干扰较大且频繁时，系统将难以稳定，应消除干扰或采用复杂的控制系统，否则难以保证控制质量。(2)方程(26)和(218)中的时间常数T1和T2都称为时间常数。它反映了被控对象受输入作用后，输出变

9、量达到新的稳态值的速度，并决定了整个动态过程的长度。它是被控对象的动态特征参数。(3)有许多化学物体具有滞后时间。受输入变量影响后，受控变量不会立即改变，而是在一段时间后才会改变。这种现象叫做滞后现象。滞后时间是描述物体滞后现象的动态参数。根据迟滞特性，可以分为传递迟滞和容量两种类型传输滞后，也称为纯滞后，是由信号、介质或热量的传输引起的。容量滞后通常是由物质或能量传递过程中的一定阻力或大量容量引起的。它的主要特点是当施加输入阶跃时，被控对象的输出变量开始缓慢变化，然后逐渐加速，然后减速，直至逐渐接近稳定值。见图2-5及其响应图2-6。容量滞后是指在响应曲线的拐点处做一条切线，切线与时间轴的交

10、点与受控变量开始变化的起始点之间的时间间隔是容量滞后时间。当转移滞后和容量滞后同时存在时，它们通常被加在一起，这被称为滞后时间，用=表示。受控对象的建模方法通常有两种：一种是基于过程机理的数学方法；二是通过实验测试获得被控对象的特征参数，称为实验测量法。确定被控对象的实验方法很多，主要不同于输入变量的信号形式。常用的方法有两种：时域分析、频域分析和统计分析。(1)时域分析：时域分析是测量阶跃或脉冲输入作用下输出随时间的变化规律。根据响应曲线确定物体的数学模型。(2)频域分析法根据经典控制理论中实验测得的不同频率输入下系统的幅频和相频特性，确定系统的传递函数。(3)统计分析方法，2.1.3对象特

11、征的实验测量。单回路控制系统，又称简单控制系统，是指由被控对象、检测元件和变送器、调节器和执行器组成的闭环控制系统。框图如图12所示。2.2单回路控制系统(1)控制变量的选择合理选择控制变量是单回路控制系统设计的第一步，也是控制方案成败的关键。受控变量是一个过程参数，预计在生产过程中保持恒定值。作为一个受控变量，它应该是一个在提高产品质量和产量、促进安全生产、提高劳动生产率和节约能源方面起决定性作用的过程变量。合理选择被控变量的基本原则：作为被控变量，其信号应通过直接测量获得，测量和传递的滞后应小。2.2.1在单回路控制系统的设计中，如果被控变量的信号不能直接获得，可以选择具有单值函数关系的间

12、接参数作为被控变量。作为一个受控变量，它必须是一个独立变量。作为一个受控变量，需要考虑过程的合理性以及仪器的当前状态是否满足要求。(2)操纵变量的选择在控制系统中，用于克服干扰对被控变量的影响，实现控制功能的变量是操纵变量。在化学工业和炼油生产中，最常见的操纵变量是流量，但也包括电压、速度等。对于图211所示的热交换器，已知受控变量是加热介质的温度。您选择加热介质的流速作为操纵变量还是加热介质的流速作为操纵变量？考虑到工艺的合理性，热载体的流量应作为控制变量。由于热载体是用来加热介质的，它不会直接影响生产所需的物料量，因此不会影响生产过程的负荷和正常生产。考虑到被控对象的特性，操纵变量和被控变

13、量之间的关系构成了被控对象的控制通道特性；干扰和受控对象之间的关系构成了受控对象的干扰信道特性。可以得出结论，操纵变量选择的一般原则是使被控对象的控制通道的放大系数变大，时间常数变小，纯滞后时间变小纯滞后在过程控制中，由于检测元件安装位置不当，会产生纯滞后。如图214所示，它是一个酸碱度控制系统。由于检测电极不能放置在大流量的主管道中，只能安装在小流量的支管中，这就导致了酸碱度测量的纯滞后。(238)纯滞后使测量信号不能及时反映被控变量的实际值，从而降低了控制系统的控制质量。测量滞后(惯性)测量滞后是由测量元件本身的特性引起的动态误差。当测量元件感觉到受控变量的变化时，它必须经过一个变化过程来

14、反映受控变量的实际值，然后测量元件本身就构成一个具有一定时间常数的惯性环节。克服测量滞后通常有两种方法：一是尽可能选择快速测量元件；其次，在测量元件之后引入差动作用。传输滞后，即信号传输滞后，主要是由于管道传输过程中气压信号造成的滞后。克服或减少信号传输延迟的方法有：尽可能缩短信号管道的长度；切换到电信号传输；在气动管道上增加气动继电器或在执行机构上增加气动阀门定位器，以增加输出功率，减少传输延迟的影响。执行器是过程控制系统中的一个重要环节。其功能是接收调节器发出的控制信号，调节管道中介质的流量(调节操纵变量)，从而实现生产过程的自动控制。执行器通常是调节阀，包括执行器和阀门。如果执行机构选择

15、不当或维护不当，整个系统将经常无法可靠地工作或严重影响控制系统的质量。(4)执行器、调节器的影响是控制系统的核心。其功能是将测量的传动信号与给定值进行比较，产生偏差信号，然后根据一定的操作规则产生输出信号，驱动执行机构，实现生产过程的自动控制。调节规律是指调节器的输出信号随输入信号变化的规律。工业过程中大多数调节器的调节规律可分为四种类型：位置、比例、整合和分化。其中，位置是间歇调节，另外三个是连续调节。目前，环型调节器采用了一些现代控制方法和智能控制方法，如最优控制、自适应控制、模糊控制和神经网络控制。(1)位置调节的调节双位置调节是位置调节调节的最简单形式。2 . 2 . 2调节器的调节规

16、律，理想两位调节规律的数学表达式是相应调节器在e0(或e0)时的特性曲线，见图2-16。两位调节律是典型的非线性调节律。当测量值大于或小于给定值时，调节器的输出达到最大或最小极限位置。与调节器连接的执行器只有两种极端工作状态：“开”和“关”。位置调节具有结构简单、成本低廉、使用方便的优点，对配套的控制阀没有特殊要求。其主要缺点是被控变量经常波动，控制质量不高。当被控对象的纯滞后较大时，被控变量的波动范围较大。因此，当控制质量要求稍高时，不应使用。两位调节器的实际控制过程是间歇作用下的恒幅振荡过程。显然，振幅小、周期长，控制质量高。然而，对于双位置控制系统，振幅小，周期必然短；如果周期长，振幅必须大。