北邮过程控制第5节.ppt

1、17:22,1,第4章 被控过程的数学模型,17:22,2,解析法建模,17:22,3,单容过程,纯滞后,17:22,4,多容过程,容量滞后,17:22,5,一阶环节,实验法建模,17:22,6,（2）确定一阶时延环节的参数,如果曲线呈现S形状,则该过程可用一阶惯性+时延环节近似,一阶惯性+时延环节的传递函数,三个参数需要确定,时延时间,17:22,7,的确定方法不变,和,的确定步骤是：,即：,相应的阶跃响应表达式为,选取两个不同时刻 t1，t2，代入,两边取自然对数， 求解化简可得：,这样便求出,和,先将阶跃响应转化为标么值,17:22,8,（3）确定二阶环节的参数,二阶无时延环节阶跃响应曲

2、线,传递函数为：,三个需要确定的参数,的确定与一阶环节确定方法相同,的确定采用两点法。,二阶无时延环节的输入、输出关系为,其中,为阶跃输入的幅值,17:22,9,取曲线上任意两个时刻的坐标,求解可得,0.4y()， 0.8y(),17:22,10,注意：用这种方法确定T1和T2时，应满足,的条件,当,时，应为一阶环节,其中,当,时，应为二阶环节,其中,时，应为二阶以上环节。,当,对于n阶环节传递函数,可以按,近似计算,大小由下表确定,其中n可以根据的,17:22,11,（4）确定二阶时延环节的参数,二阶时延环节阶跃响应曲线,传递函数为：,需确定参数,在阶跃响应曲线上，通过拐点F 作切线,得纯滞

3、后时间,，容量滞后时间,以及,、,的确定与前面所讲的相同，而总的纯滞后时间,17:22,12,可以证明：,与,的关系为,其中,在,的约束条件下，可以解得,和,这个方程为超越方程，求解比较复杂，通常采用图解法,17:22,13,方波响应曲线法,17:22,14,第五章 简单控制系统设计,17:22,15,5.1 简单控制系统设计,简单控制系统是只对一个被控参数进行控制的单回路闭环控制系统。是最基本的过程控制系统,是构成复杂过程控制系统的基础。,广义对象,17:22,16,控制方案的确定、仪表的选型和调节器的参数整定是过程控制系统设计的重要内容。,17:22,17,5.2 控制方案的确定,控制方案

4、的确定主要包括系统被控参数的选择、测量信息的获取及变送、 控制参数的选择、调节规律的选取、调节阀（执行器）的选择和调节器正 、反作用的确定等内容。,5.2.1 被控参数的选取,1）决定性作用的、直接参数作为被控参数,2）与直接参数有单值函数关系的所谓间接参数作为被控参数,3）当采用间接参数时，该参数对产品质量应具有足够高的控制灵敏度,4）考虑工艺上的合理性和所用测量仪表的性能、价格、售后服务等因素,对于一个已经运行的生产过程，被控参数往往是由工艺要求事先确定的。,17:22,18,5.2.2 控制参数的选择,5.2.2.1 过程特性对控制质量的影响,1. 干扰通道特性对控制质量的影响,R(s)

5、= 0,17:22,19,假设,为一单容过程，其传递函数为,若单容过程具有纯时延时间,则：,则：,(式2),(式3),系统输出与干扰之间的传递函数为,(式1),17:22,20,(1)干扰通道 的影响：,越大，由干扰引起的输出也越大，被控参数偏离给定值就越多。,在系统设计时应尽可能选择静态增益,小的干扰通道，以减小干扰对被控参数,的影响。当,(式2),(2) 干扰通道 的影响,为惯性环节，对干扰,具有“滤波”作用，,越大，“滤波”,效果越明显，因此干扰通道的时间常数越大，干扰对被控参数的动态影响就越,小，因而越有利于系统控制质量的提高。,17:22,21,(3) 干扰通道 的影响,的存在，仅仅

6、使干扰引起的输出推迟了一段时间,因此，,的存在并不影响系统的控制质量。,(式3),17:22,22,(4) 干扰进入系统位置的影响,17:22,23,干扰进入系统的位置越远离被控参数，对系统的动态控制质量越有利。,但从静态看，这会使干扰引起被控参数偏离给定值的偏差相对增大，这对系统的控制品质又是不利的。因此需要权衡它们的利弊。,17:22,24,(1) 控制通道,2. 控制通道特性对控制质量的影响,的影响,在调节器增益,一定的条件下，当控制通道静态增益,越大时，则控制作用,越强，克服干扰的能力也越强，系统的稳态误差就越小；与此同时，当,，被控参数对控制作用的反应就越灵敏，响应越迅速。但是，当调

7、节器静态增,越大,益,一定,越大时，系统的开环增益也越大，这对系统的闭环稳定性是不利,的。因此，在系统设计时，应综合考虑系统的稳定性、快速性和稳态误差三方,面的要求。,17:22,25,(2) 控制通道,的影响,如果控制通道的时间常数 太大，则调节器对被控参数变化的调节作用就不够及 时，系统的过渡过程时间就会延长，最终导致控制质量下降；但当 太小，则调 节过程又过于灵敏，容易引起振荡，同样难以保证控制质量。在系统设计时，应 使控制通道的时间常数 既不能太大也不能太小。,17:22,26,产生的原因：,(3) 控制通道,的影响,控制通道纯滞后时间,一是由信号传输滞后所致；,二是由信号的测量变送滞

8、后所致；,三是执行器的动作滞后所致。,17:22,27,控制通道的纯滞后，都会使系统的动态偏差增大，超调量增加，最终导致控制 质量下降。从系统的频率特性分析可知，控制通道纯滞后的存在，会增加开环 频率特性的相角滞后，导致系统的稳定性降低。因此，无论如何，应减小控制 通道的纯滞后，以利于提高系统的控制质量。,(4) 控制通道时间常数匹配的影响,实际生产过程中，广义被控过程可近似看成由几个一阶惯性环节串联而成。,以三阶为例,系统传函为：,17:22,28,相应的临界稳定增益,为,的大小完全取决于,三个时间常数的相对比值,可以证明：时间常数相差越大，临界稳定的增益则越大，这对系统的稳定性是利的。,在

9、保持稳定性相同的情况下，时间常数错开得越多，系统开环增益就允许增大得越多，因而对系统的控制质量就越有利。,17:22,29,5.2.2.2 控制参数的确定,简单控制系统控制参数选择的一般性原则如下：,1) 选择结果应使控制通道的静态增益,尽可能大，时间常数,选择适当。,2) 控制通道的纯时延时间,应尽可能小,和,的比值一般应小于0.3。,3) 干扰通道的静态增益,应尽可能小；时间常数,应尽可能大，其个数,尽可能多；扰动进入系统的位置应尽可能远离被控参数而靠近调节阀。,这样选择对抑制扰动对被控参数的影响均有利。,4) 当广义被控过程由几个一阶惯性环节串联而成时，应尽量设法使几个时间,常数中的最大

10、与最小的比值尽可能大，以便尽可能提高系统的可控性。,17:22,30,5.2.3 被控参数的测量与变送,在控制系统中，测量变送环节的作用是将被控参数转换为统一的标准信号,反馈给调节器。该环节的特性可近似表示为,分别为测量及变送环节的静态增益、时间常数和纯时延时间。,测量及变送环节是一个带有纯时延的惯性环节，因而当,不为零时,它的输出不能及时地反映被测信号的变化，二者之间必然存在动态偏差。,而且这种动态偏差并不会因为检测仪表的精度等级的提高而减小或消除。,17:22,31,下图是测量变送环节在阶跃信号作用和速度信号作用时的响应曲线:,从图中可以看到只要,存在，,动态偏差就会必然存在。,17:22,32,为了减小测量信号与被控参数之间的动态偏差，应尽可能选择快速测量仪表， 并且注意以下几点问题：,1) 应尽可能做到对测量仪表的正确安装，这是因为安装不