控制系统基本概念.ppt

1、第三篇 过程控制系统,第十三章 自动控制系统的基本概念 第十四章 简单控制系统 第十五章 复杂控制系统 第十六章 典型操作单元的控制方案,第十三章 自动控制系统的 基本概念,自动控制系统组成及分类 过渡过程及品质指标 小 结,返回,第一节 自动控制系统组成及分类,一、自动控制系统的组成,图13-2 称为工艺控制流程图,TT温度变送器 TC温度控制器 FT流量变送器 FC流量控制器 PT压力变送器 PC压力控制器 LT液位变送器 LC液位控制器,自动控制系统由测量变送、控制器、执行器和被控对象等组成。,返回,任何一个自动控制系统，均可采用方框图来描述。,第一节 自动控制系统组成及分类,二、反馈控

2、制系统,特点：,1. 构成负反馈闭环控制系统。,反馈：将系统输出直接或经某些环节后又返回到输入端。,负反馈：反馈信号与输入信号极性相反。,自动控制系统绝不能单独采用正反馈。,返回,2. 控制作用由偏差引起。,自动控制系统是具有被控变量负反馈的闭环系统，控制作用由偏差产生。,三、自动控制系统的分类,1. 定值控制系统,给定值恒定不变的控制系统。,2. 随动控制系统,给定值不固定，随时间而变。,目的是使所控制的工艺参数准确快速地跟随给定值变化。,3. 程序控制系统,给定值变化，但它是一个已知的时间函数。,第一节 自动控制系统组成及分类,返回,第二节 过渡过程及品质指标,自动控制系统的过渡过程 过渡

3、过程的形式 控制系统的品质指标,返回,第二节 过渡过程及品质指标,一、自动控制系统的过渡过程,自动控制系统在运行中有两种状态：,静态(稳态)：干扰及给定值均保持不变，被控变量不随 时间变化，系统处于相对平衡状态，各组成环节都 暂不动作，输出信号均处于相对静止状态。,各变量(或信号)的变化率为零。,动态：受到外来扰动时，系统中各部分输入输出相应发 生变化，被控变量偏离原静态值随时间而变。,若是稳定系统，经调整后，系统又重新恢复稳定状态。,从一种平衡状态到达另一种新平衡状态的过程称为过渡过程。,返回,第二节 过渡过程及品质指标,二、过渡过程的形式,当自控系统输入为阶跃变化时，则其过渡过程有：,发散

4、振荡过程：如图13-7(a)；,等幅度振荡过程：如图 (b)；,衰减振荡过程：如图(c)；,非周期衰减过程：图(d)曲线；,非周期发散过程：图 (d)曲线。,发散振荡、等幅振荡及非周期发散过程属不稳定过程； 非周期衰减与衰减振荡过程属稳定过程。,返回,第二节 过渡过程及品质指标,三、控制系统的品质指标,一般以阶跃干扰作用下，衰减振荡过程为研究依据。,1. 余差C,新的稳态值与给定值之差。,静态指标，反映控制系统的控制精度，希望越小越好。,2. 最大偏差A与超调量,定值系统衰减振荡过程，最大偏差为第一个波的峰值。,返回,第二节 过渡过程及品质指标,随动控制系统，采用超调量。,A或是衡量稳定程度的

5、指标，希望不要太大。,返回,3. 衰减比,表示过渡过程的衰减程度，过渡过程同方向前后相邻两峰值的比。,习惯上表示为 n:1,n1，发散振荡；,n1，等幅振荡；,n1，衰减振荡。,一般控制系统衰减比： 4:110:1为宜。,返回,4. 调节时间Ts,又称过渡过程时间。,从干扰发生起至被控变量建立新平衡状态为止的时间。,规定：从干扰作用开始，至被控变量进入新稳态值的 5(或2) 范围内所经历的时间。,反映系统快速性的一个重要指标。,返回,第二节 过渡过程及品质指标,5. 振荡周期T,同方向两波峰之间的间隔时间。,相同n，T与Ts成正比。,过渡过程品质好坏，与控制系统中各个环节都有不同程度的关系。,

6、设计时，应对每一个环节进行认真的考虑。,返回,第十三章 小 结,二、过渡过程及品质指标,一、自动控制系统组成及分类,由测量变送、控制器、执行器和被控对象等组成。,构成负反馈闭环控制系统。,控制作用的产生由偏差引起。,分为定值控制系统、随动控制系统、程序控制系统三类。,从一种平衡状态到达另一种新的平衡状态的过程称为过渡过程。,自动控制系统在运行中有动态与静态两种状态。,过渡过程有几种基本形式、评价的品质指标。,返回,第十四章 简单控制系统,简单控制系统的设计 控制系统的投运 小 结,返回,第一节 简单控制系统的设计,设计内容 被控变量选择 操纵变量选择 气动执行器选择 控制器选择,返回,第一节

7、简单控制系统的设计,一、设计的内容,根据工艺要求 ：,控制方案是设计的核心。,选择被控变量，操纵变量；,选择测量元件及变送器、控制器、执行器、显示仪表和其它仪表；,确定合理的控制系统方案；,图14-1 简单控制系统方框图,简单控制系统：由一个被控对象、测量变送、控制器和 执行器所组成的单回路反馈控制系统。,返回,确定控制规律与参数整定。,第一节 简单控制系统的设计,二、被控变量选择,寻找对产量、质量、安全等方面起决定作用的变量。,选择原则：,尽量选用直接指标（或间接指标）；,应可测并有足够灵敏度；,应独立可调；,考虑工艺过程的合理性及仪表的现状。,三、操纵变量选择,用以克服干扰实现控制作用的变

8、量。,执行器控制的变量，最常见为流量、电压、转速等。,选择原则：,工艺的合理性、经济性；,克服干扰能力强，控制通道放大系数较大、滞后尽量小。,返回,第一节 简单控制系统的设计,控制通道： 操纵变量至被控变量的信号联系；,干扰通道： 干扰作用至被控变量的信号联系。,被控对象： 自动控制系统中所要控制的工艺生产设备。,对象特性: 被控对象的输出量随输入量及时间而变化的特性。,返回,第一节 简单控制系统的设计,例：将浓缩乳液干燥成乳粉。,选间接参数T作被控变量,影响干燥筒出口温度的因素：,滞后最小，但为生产负荷，不宜选用。,乳化物流量,控制通道滞后较大，对干燥温度校正作用灵敏度较差。,旁路空气量,因

9、换热器时间常数T大，对干燥温度校正作用灵敏度最差。,加热蒸汽量,选用旁路空气量做操纵变量,返回,第一节 简单控制系统的设计,四、气动执行器选择,1. 流量特性选择,若广义对象为线性且S值接近于1，可采用直线特性。,对非线性对象或S0.5时，调节阀则应选非线性特性。以补偿广义对象特性基本保持不变。,等百分比特性适应性更广。,2. 气开、气关形式的选择,原则同前述（略）。,根据广义对象特性选择。,广义对象：除控制器外，其它环节合并成的环节。,返回,第一节 简单控制系统的设计,五、控制器的选择,（一）正反作用的选择,原则：构成负反馈控制系统。,根据调节阀气开、气关方式，确定控制器正、反作用。,加热炉

10、出口温控系统：,液位控制系统：信号压力中断时， 避免抽空。,气开,控制器反作用,选用气开阀。,测量给定,希望阀开度,Mv,反作用,选用气开阀。,控制器正作用,测量给定,希望阀开度,Mv,正作用,气开,返回,第一节 简单控制系统的设计,（二）控制规律的选取,根据广义对象特性和工艺要求选择。,1. 比例控制器,适用：控制通道滞后小，负荷变化小，允许有余差的系统。,特点：输出与偏差成比例，调节作用快，克服干扰能力强。 存在余差，且KP 余差。,2. 比例积分控制器,特点：输出与偏差存在时间成比例，可消除余差。 但会降低系统稳定性，可适当增加PB ( KP )保持稳 定性，A相应会增大，Ts加长。,适

11、用：控制通道滞后较小，负荷变化小，不允许有余差的 系统。,返回,第一节 简单控制系统的设计,3. 比例积分微分控制器,特点：微分输出与偏差变化速度成正比，积分可消除余差; 适当调整PB、TI和TD ，可获得较高控制质量。,适用：容量滞后较大，负荷变化大，质量要求高的系统。,控制器参数整定：确定最合适的Kp(PB )、TI和TD ，使控制 质量为最佳。,一般希望： C小、A(或 )小、Ts短、衰减比4:110:1之间。,返回,第二节 控制系统的投运,一、投运前的准备工作,熟悉工艺过程、控制方案和所用自动化仪表情况，进行全面检查。,二、投运,1. 检测系统投运,2. 调节阀手动遥控,控制器：切换至“手动”，打开阀1与2，关闭旁路阀3。,3. 自动控制,将PID参数放置到需要值上，检查控制器正、反作用，当偏差为零(Dv=0)时，切换至“自动”。,改变手动输出调整塔顶回流量，使塔顶温度接近给定值。,返回,第二节 控制系统的投运,三、控制器参数的工程整定,观察过渡过程曲线，进一步调整控制器参数。,注意：无论手、自动操作状态，旁路阀3均不允许打开，否则调节阀特性会产生畸变。,在控制器“手动自动”切换中，要做到无扰动切换。即要求调节阀阀位保持不变，保持被控变量不变。,按照确定的控制方案，求取控制质量最佳的控制器参数。即：确定最佳的Kp(PB )、TI和