過程自動檢測與控制技術(shù)_CHAPT6_簡單控制系統(tǒng)

1、第六章 簡單控制系統(tǒng) 第一節(jié)、控制系統(tǒng)基本概念1、自動控制系統(tǒng)的組成生產(chǎn)人們總是希望生產(chǎn)過程按人們的期望進行，而生產(chǎn)過程中會發(fā)生各種各樣的變化，這些變化可能是人們所希望的，也可能是人們所不希望的。為了是生產(chǎn)過程按人們預(yù)期的方式進行，就需要對生產(chǎn)過程進行干預(yù)，從而按某種規(guī)律變化。這些干預(yù)可由操作人員按生產(chǎn)要求進行操作，這叫做人工操作。也可能由一些裝置代替人們按一定規(guī)律對生產(chǎn)過程進行操作，則生產(chǎn)也能按要求進行下去。這叫做自動操作。1、自動控制系統(tǒng)的組成自動控制系統(tǒng)是仿照人的控制方式工作的。人的控制方式是首先觀察被控參數(shù)的情況如何，偏離了預(yù)先設(shè)定數(shù)值有多少。然后根據(jù)偏差的大小與正負，去改變其他參數(shù)使

2、得被控參數(shù)重新回到預(yù)期數(shù)值。人是怎樣進行工作的呢？流入閥流出閥液位操作員人控制液位示意圖1、自動控制系統(tǒng)的組成我們分析人控制液位的過程，然后畫出其邏輯關(guān)系。儲水槽入口閥門儲水槽液位人工控制方塊圖液位觀察比較期望液位人1、自動控制系統(tǒng)的組成自動控制系統(tǒng)是采用智能裝置來代替人對液位進行控制，既用自動測量裝置代替人的眼睛，用自動控制器代替人的大腦，用自動執(zhí)行器代替生產(chǎn)過程的的手動閥。儲水槽控制閥儲水槽液位自動控制方塊圖液位 檢測控制器期望液位流入閥流出閥液位 液位自動控制示意圖給定液位LC1、自動控制系統(tǒng)的組成自動控制系統(tǒng)由五部分組成：l被控對象。被控對象是生產(chǎn)裝置上的相關(guān)設(shè)備。儲水槽液位自動控制中

3、為儲水槽。被控對象有時也簡稱為對象。l檢測裝置?？梢允歉鞣N液位傳感器或液位變送器。l控制器?？刂破骺梢允侵悄芸刂破鳎⑾到y(tǒng)（DCS）等具體設(shè)備，也可以是計算機中的一個虛擬控制器。l執(zhí)行器。這里是一個自動控制閥。自動控制閥是根據(jù)作用其上的信號大小來改變流通能力的閥門。l各個部分之間的連線。這些連線表示的是各個部分之間的信息聯(lián)系。 2、開環(huán)控制與閉環(huán)控制1）開環(huán)例如煤氣發(fā)生爐，根據(jù)生產(chǎn)要求，首先需要向爐子內(nèi)鼓風(fēng)，使得爐內(nèi)溫度升高，然后向爐子內(nèi)通入水蒸汽使得爐內(nèi)產(chǎn)生半水煤氣。隨著蒸汽的通入，爐內(nèi)溫度會下降，然后需要停止向爐內(nèi)通入蒸汽，對爐子內(nèi)部進行吹掃以便將爐子內(nèi)部的半水煤氣吹掃干凈，再向爐子內(nèi)部

4、鼓風(fēng)一提高爐溫。接下來進入下一個循環(huán)。 煤氣發(fā)生爐閥門煤氣發(fā)生爐操作示意方塊圖2、開環(huán)控制與閉環(huán)控制2）閉環(huán)例如生產(chǎn)過程中對儲水槽內(nèi)的水溫進行控制。儲水槽上有兩條管道，一條是熱水管道，一條是冷水管道。每條管道上都裝有閥門。首先向儲水槽內(nèi)放一些冷水，然后打開熱水閥門向里注入熱水，根據(jù)儲水槽內(nèi)水溫的情況，開大或關(guān)小熱水閥門，直至水溫符合要求為止。 儲水槽閥門儲水槽水溫操作示意方塊圖水溫觀察3、傳遞函數(shù)傳遞函數(shù)是控制系統(tǒng)使用最多的一種分析方法。有了傳遞函數(shù)概念，就可利用方塊圖來描述系統(tǒng)，可以很直觀的觀察系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)。所以傳遞函數(shù)與方塊圖是控制系統(tǒng)分析的最基本，最常見的工具。傳遞函數(shù)是描寫輸入信息傳遞到

5、輸出信息的方式。傳遞函數(shù)的定義：系統(tǒng)輸出的拉氏變換注1與系統(tǒng)輸入拉氏變換之比，稱為該系統(tǒng)的傳遞函數(shù)。有了傳遞函數(shù)，就可以用一個方塊來表示這個環(huán)節(jié)。 3、傳遞函數(shù)例1： 如圖有一個RC電路，其中C為電容，R為電阻，ui為輸入電壓，uo為輸出電壓根據(jù)電學(xué)原理可知：對兩端取拉氏變換，則有： ooiduRCuudt( )( )( )ooiRCsUsUsU s( )1( )( )1oiUsG sU sRCs11RCs( )oUs( )iU s3、傳遞函數(shù)例2： 有一個儲水槽，水從上面連續(xù)流入，從下面連續(xù)流出。設(shè)流入流量為Qi，流出流量為Qo，水槽橫截面積為F，流出口阻力為R。從而可得經(jīng)過線性化的機理模型

6、 ：對兩端取拉氏變換，則有： id hRFhR Qdt ( )( )( )iRFsH sH sRQ s( )( )( )1iH sRG sQ sRFs1RRFs ( )H s( )iQ s3、傳遞函數(shù)控制系統(tǒng)的傳遞函數(shù)X（s）ZGc（s）Y（s）Go（s）Gv（s）反饋控制系統(tǒng)方塊圖Gm（s）E( )( )( )( )( )( )1( )( )( )( )cvocvomG s G s G sY ssX sG s G s G s Gs 4、控制系統(tǒng)的評價指標(biāo) 1）作用函數(shù)為了分析系統(tǒng)的特性，首先假定給系統(tǒng)施加一個作用。通常作用函數(shù)有階躍函數(shù)、斜波函數(shù)、正弦函數(shù)等。用的最多的是階躍函數(shù)。為了分析問

7、題方便，通常采用單位階躍函數(shù)，既階躍函數(shù)的幅度為1。tf0A階躍函數(shù)圖像0( )00Atf tt4、控制系統(tǒng)的評價指標(biāo)2）系統(tǒng)的過渡過程在階躍函數(shù)作用下，系統(tǒng)可能出現(xiàn)4種過渡過程：l非周期過渡過程；l衰減振蕩過渡過程；l等幅振蕩過渡過程；l發(fā)散振蕩過渡過程。下面是它們的圖象。4、控制系統(tǒng)的評價指標(biāo)tx0A階躍函數(shù)下非周期過渡過程圖象ty0KAtx0Aty0ab給定作用下的過渡過程曲線；干擾作用下的過渡過程曲線。4、控制系統(tǒng)的評價指標(biāo)tx0A 階躍函數(shù)下衰減振蕩過渡過程圖象ty0KAtx0Aty0ab給定作用下的過渡過程曲線；干擾作用下的過渡過程曲線。4、控制系統(tǒng)的評價指標(biāo)tx0A階躍函數(shù)下等幅

8、振蕩過程圖象ty0KAtx0Aty0ab給定作用下的過渡過程曲線；干擾作用下的過渡過程曲線。4、控制系統(tǒng)的評價指標(biāo)tx0A階躍函數(shù)下發(fā)散振蕩過程圖象ty0KAtx0Aty0ab給定作用下的過渡過程曲線；干擾作用下的過渡過程曲線。4、控制系統(tǒng)的評價指標(biāo)3）余差 余差是指系統(tǒng)重新穩(wěn)定之后，期望數(shù)值與最終穩(wěn)定數(shù)值之差。即： 公式中y（t）R為系統(tǒng)的期望函數(shù)。過程控制中的控制系統(tǒng)常常是定值系統(tǒng)，既系統(tǒng)的期望函數(shù)是常量，其數(shù)值是不變的，因此y（t）R變化量為零。因此系統(tǒng)的余差C常常是小于等于零的。對于給定作用下的系統(tǒng)余差，因為在時間t=0時系統(tǒng)的給定發(fā)生改變，被控參數(shù)應(yīng)當(dāng)跟隨這個變化。對于階躍輸入A，由

9、于系統(tǒng)的放大作用。期望值應(yīng)當(dāng)是KA。此時系統(tǒng)的余差常常是大于等于零。lim( )( )RtCy ty t4、控制系統(tǒng)的評價指標(biāo)ty0KA 階躍函數(shù)下衰減振蕩過渡過程圖象余差CtrtsBB5%或2%4、控制系統(tǒng)的評價指標(biāo)4）衰減比 衰減比描述的是系統(tǒng)的衰減情況。衰減比大則系統(tǒng)衰減過程快，過渡過程時間比較短。但是衰減比過大，超調(diào)量可能比較大。衰減比定義為系統(tǒng)過渡過程中第一個波峰與同方向第二個波峰之比，即： BnB 波峰是指偏離最終穩(wěn)定值的峰值。如果系統(tǒng)是無余差的，該數(shù)值等于期望值，即系統(tǒng)最終穩(wěn)定值等于期望值。如果系統(tǒng)有余差，則偏離峰值不等于期望值。常采用的衰減比在4到10之間。 4、控制系統(tǒng)的評價

10、指標(biāo)5）超調(diào)量 系統(tǒng)超調(diào)量定義為；過渡過程中偏離最終穩(wěn)定值的最大峰值。該數(shù)值體現(xiàn)的是過渡過程中的最大動態(tài)偏差。圖中的B即為超調(diào)量。系統(tǒng)的超調(diào)量越小越好，超調(diào)量小表明系統(tǒng)的動態(tài)偏差小。6）過渡過程時間 過渡過程時間是系統(tǒng)一個過渡過程的時間。從系統(tǒng)受到擾動，被控變量開始變化時刻起，到被控變量進入到5%（或2%）誤差帶，并且再沒有超出該誤差帶。這段時間即為系統(tǒng)的過渡過程時間。過渡過程時間越短越好，過渡過程時間短說明系統(tǒng)受到擾動后穩(wěn)定的越快。 4、控制系統(tǒng)的評價指標(biāo)7）最大峰值時間 最大峰值時間是表征系統(tǒng)受到擾動之后上升快慢的參數(shù)。從系統(tǒng)受到擾動，被控變量開始變化時刻起，到被控變量達到最大峰值的時間。

11、該時間短說明調(diào)整動作明顯，但動態(tài)偏差比較大。 第二節(jié)、被控變量的選擇 被控變量的原則：(1)應(yīng)當(dāng)盡量選擇生產(chǎn)指標(biāo)參數(shù)作為被控變量。(2)當(dāng)不能選擇生產(chǎn)指標(biāo)參數(shù)作被控變量時，應(yīng)當(dāng)選擇一個與產(chǎn)品指標(biāo)有單值對應(yīng)關(guān)系的間接指標(biāo)參數(shù)作為被控變量。(3)所選擇的間接指標(biāo)參數(shù)應(yīng)當(dāng)具有足夠大的靈敏度，以便反映生產(chǎn)狀況的變化。(4)選擇被控變量時需考慮到工藝的合理性和國內(nèi)、外儀表生產(chǎn)的現(xiàn)狀。 第三節(jié)、操縱變量的選擇 一對象特性對控制質(zhì)量的影響及控制變量的選擇F1 F2F3Fn Y多輸入單輸出對象示意圖案對象輸入輸出關(guān)系圖圖案F1(s)F2(s)GPD1(s)GPD2(s)GPC2(s)U(s)Y(s)一、對象特

12、性對控制質(zhì)量的影響及控制變量的選擇1干擾通道特性對控制質(zhì)量的影響我們從K、T、三個方面來進行分析。(1)放大倍數(shù)Kf的影響單回路控制系統(tǒng)方塊圖F(s)GPD（s）R（s）Y（s）Gc（s）GPC（s）)()()(1)()(sFsGsGsGsYPCCPD)1)(1 ()(21sTsTKsGoooPC令( )1fPDfKGsT s令；1干擾通道特性對控制質(zhì)量的影響則有： 式中KCK0為控制器放大倍數(shù)與被控對象放大倍數(shù)的乘積，稱之為該系統(tǒng)的開環(huán)放大倍數(shù)。對于定值系統(tǒng)，y（）即系統(tǒng)的余差。由式可以看出，干擾通道放大倍數(shù)越大，系統(tǒng)的余差也越大，即控制靜態(tài)質(zhì)量越差。 OCfoooCffssKKKsTsTK

13、KsTKssssYy1)1)(1 (111lim)(lim)(21001干擾通道特性對控制質(zhì)量的影響(2)時間常數(shù)Tf的影響 由對象特性分析可知，時間常數(shù)是由于容量滯后引起的，當(dāng)輸入信號發(fā)生階越變化，其輸出會慢慢的按指數(shù)形式發(fā)生改變，經(jīng)過一定時間之后才能穩(wěn)定在新的數(shù)值上。時間常數(shù)越大輸出變化越慢。如果干擾通道的時間常數(shù)大，則其對被控參數(shù)的影響就越緩慢。如果干擾通道的階次越高，則時間常數(shù)個數(shù)就越多，對被控參數(shù)的影響就越緩慢。這當(dāng)然對控制系統(tǒng)的控制質(zhì)量是有益處的。 由上分析可得出如下結(jié)論：干擾通道時間常數(shù)越大，個數(shù)越多，干擾對被控變量的影響就越小，系統(tǒng)的質(zhì)量則越高。 1干擾通道特性對控制質(zhì)量的影響

14、(3)純滯后f的影響 純滯后時間是這樣一種特性，即輸入發(fā)生變化滯后，其輸出延遲一段時間之后才發(fā)生變化。通常是由生產(chǎn)過程中的傳輸引起的，例如長距離管道輸送、皮帶輸送等。注意，純滯后與容量滯后不是一個概念，容量滯后的輸出是在其輸入變化的同時發(fā)生變化，只不過是要經(jīng)過一段時間才能穩(wěn)定在相應(yīng)數(shù)值上。而純滯后特性的輸出，在輸入發(fā)生變化的時刻，其輸出不發(fā)生變化，而是要經(jīng)過一段時間之后才發(fā)生變化。假定干擾信號同為f=f（t），則沒有純滯后的系統(tǒng)輸出為y（t），而有有純滯后的系統(tǒng)輸出為y（t-f）。y(t)與y(t)是兩條形狀完全相同，只是時間上滯后了一個時間f。這就是說干擾通道有、無純滯后對質(zhì)量沒有影響。 1

15、干擾通道特性對控制質(zhì)量的影響干擾通道特性對控制質(zhì)量的影響特性參數(shù)對靜態(tài)質(zhì)量的影響對動態(tài)質(zhì)量的影響Kf增加余差增加無影響Tf增加無影響過渡過程時間減小，振蕩幅值減小f增加無影響無影響2控制通道特性對控制質(zhì)量的影響 (1)放大倍數(shù)K0的影響 放大倍數(shù)K0對控制質(zhì)量的影響要從靜態(tài)和動態(tài)兩個方面進行分析。從靜態(tài)方面分析，由式（78)可以看出，控制系統(tǒng)的余差與干擾通道放大倍數(shù)成正比，與控制系統(tǒng)的開環(huán)放大倍數(shù)成反比。因此當(dāng)Kf、KC不變時，控制通道放大倍數(shù)K0越大，系統(tǒng)的余差越小。 同時，K0越大則表示操縱變量對被控變量的影響越靈敏，這表示通過對它的調(diào)節(jié)來克服干擾影響更為有效。 也就是說， K0大系統(tǒng)就越

16、敏感。 在KC不變的前提下，K0大到一定程度系統(tǒng)就變的不穩(wěn)定了，也就沒有余差的說法了。2控制通道特性對控制質(zhì)量的影響(2)時間常數(shù)T0的影響 控制通道時間常數(shù)可看作控制變量對被控參數(shù)作用的“柔軟”程度。時間常數(shù)T0小表示控制變量對被控參數(shù)作用比較“硬”，時間常數(shù)T0大表示控制變量對被控參數(shù)作用比較“軟”。因為過程工業(yè)生產(chǎn)過程關(guān)聯(lián)、偶合比較強，一點的波動會影響上、下游的生產(chǎn)環(huán)節(jié)，因此過程控制中總是希望控制變量對被控參數(shù)的影響要“柔和”一些。另外一方面，控制參數(shù)對被控變量的影響有不能太遲鈍，因為控制參數(shù)不能及時的影響被控變量會造成控制的不及時，這對控制也是不利的。因此希望控制通道的時間常數(shù)T0不能

17、太大，也不能太小，要適當(dāng)?shù)男⌒?。2控制通道特性對控制質(zhì)量的影響(3)純滯后0的影響 如果控制作用在tl時刻產(chǎn)生，要等到tl +0時刻才開始對干擾起抑制作用，而在此時間以前，系統(tǒng)由于得不到及時的控制，因而被控變量只能任由干擾作用影響而不斷地上升(或下降)。顯然，與控制通道沒有純滯后的情況相比，此時的動態(tài)偏差將增大，系統(tǒng)的質(zhì)量將變差。 2控制通道特性對控制質(zhì)量的影響控制通道特性對控制質(zhì)量的影響圖特性參數(shù)對靜態(tài)質(zhì)量的影響對動態(tài)質(zhì)量的影響K0增加余差減?。ǚ€(wěn)定前提下）系統(tǒng)趨向于振蕩T0增加無影響過渡過程時間增加，系統(tǒng)頻率變慢0增加無影響穩(wěn)定程度大大降低3操縱變量的選擇 操縱變量選擇原則：所選的操縱變

18、量必須是可控的；所選的操縱變量應(yīng)是通道放大倍數(shù)比較大者，最好大于擾動通道的放大倍數(shù)；所選的操縱變量應(yīng)使擾動通道時間常數(shù)越大越好，而控制通道時間常數(shù)應(yīng)適當(dāng)小一些為好，但不易過?。凰x的操縱變量其通造純滯后時間應(yīng)越小越好；所選的操縱變量應(yīng)盡量使干擾點遠離被控變量而靠近控制閥；在選擇操縱變量時還需考慮到工藝的合理性。一般來說，生產(chǎn)負荷直接關(guān)系到產(chǎn)品的產(chǎn)量，不宜經(jīng)常變動，在不是十分必要的情況下，不宜選擇生產(chǎn)負荷作為操縱變量。 第四節(jié)、控制器參數(shù)對系統(tǒng)控制質(zhì)量的影響及控制規(guī)律的選擇 1、控制器參數(shù)對系統(tǒng)靜態(tài)誤差的影響2、控制器參數(shù)對系統(tǒng)動態(tài)誤差的影響1）比例放大倍數(shù)KC 00lim ( )1ftcK K

19、e tG K如果有KCK01，Kf=1，則余差就等于1/GC， ytKC增加根據(jù)圖中所示則有：LV/ LT = L1/L2，令KP= L1/L2則有：LV = L1/L2LT， LV = KPLT。LT = LV/KP已知 LT為真實液位期望液位之差。所以 LT不可能為零。第四節(jié)、控制器參數(shù)對系統(tǒng)控制質(zhì)量的影響及控制規(guī)律的選擇2）積分時間Ti ytTi減小第四節(jié)、控制器參數(shù)對系統(tǒng)控制質(zhì)量的影響及控制規(guī)律的選擇3）微分時間TD ytTD增加第四節(jié)、控制器參數(shù)對系統(tǒng)控制質(zhì)量的影響及控制規(guī)律的選擇3、控制規(guī)律的選擇（1）對于不太重要的參數(shù)，例如中間儲罐的液位、熱量回收預(yù)熱系統(tǒng)等，對這些參數(shù)的控制一般

20、要求不太嚴(yán)格，可考慮采用比例控制，甚至采用開關(guān)控制。（2）對于不太重要的參數(shù)，但是慣性較大，又不希望動態(tài)偏差較大，可考慮采用比例微分控制器。但是對于系統(tǒng)噪聲較大的參數(shù)，例如流量，則不能選用比例微分控制器。（3）對于比較重要的，控制精度要求比較高參數(shù)，可采用比例積分控制器。（4）對于比較重要的，控制精度要求比較高，希望動態(tài)偏差較小，被控對象的時間滯后比較大的參數(shù)，應(yīng)當(dāng)采用比例積分微分控制器。 第四節(jié)、控制器參數(shù)對系統(tǒng)控制質(zhì)量的影響及控制規(guī)律的選擇4、控制器正反作用選擇 控制器正反作用選擇是控制系統(tǒng)穩(wěn)定的前提條件。準(zhǔn)則是保證控制系統(tǒng)是負反饋系統(tǒng)。條件是保證組成系統(tǒng)的各個環(huán)節(jié)符號乘積為負（），即回路

21、中各個環(huán)節(jié)中，負號環(huán)節(jié)的個數(shù)為奇數(shù)個。用公式表示為： 具體有兩種方法，一種是從方塊圖上確定，一種是控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)原理圖上確定。這兩種方法的前提是要先確定控制閥的開閉形式。()()()()1CVOmSign GSign GSign GSign G 第四節(jié)、控制器參數(shù)對系統(tǒng)控制質(zhì)量的影響及控制規(guī)律的選擇例單回路溫度反饋控制系統(tǒng)方塊圖GC-GVGmTRGO+-加熱爐溫度控制系統(tǒng)原料燃料油spTTCA.O第五節(jié) 測量變送裝置與控制閥的選擇一、測量變送裝置選擇 測量變送裝置選擇主要有下面幾個方面：測量變送裝置結(jié)構(gòu)類型的選擇 在防火防爆場合就需要選擇隔離報爆或本質(zhì)安全測量變送裝置；現(xiàn)場具有強電磁干擾時需要選

22、擇屏蔽功能測量變送裝置；高溫/低溫場合選擇帶有隔離措施，或選擇帶隔熱/保溫措施的，或選擇室內(nèi)安裝型測量變送裝置。測量變送裝置信號類型的選擇 根據(jù)具體要求，選擇非標(biāo)準(zhǔn)信號的傳感器或選擇標(biāo)準(zhǔn)信號的變送器。變送器還可分為兩線制變送器和四線制變送器。測量變送裝置量程的選擇 量程是指變送器所測最小參數(shù)點到最大參數(shù)點的范圍，量程范圍是指變送器的最小量程到最大量程的調(diào)整范圍。應(yīng)當(dāng)將生產(chǎn)中被測參數(shù)的變化范圍包含在變送器的測量范圍之內(nèi)。 傳感器的量程需要根據(jù)被測參數(shù)變化范圍進行選擇。第五節(jié) 測量變送裝置與控制閥的選擇二、控制閥選擇 控制閥選擇的內(nèi)容包括：1）開、閉形式的選擇 (1)首先要從生產(chǎn)安全出發(fā)。即當(dāng)控制

23、閥失去信號的時候，其所位置應(yīng)當(dāng)是生產(chǎn)安全位置。 (2)從保證產(chǎn)品質(zhì)量出發(fā)。即當(dāng)控制閥失去信號的時候，其所位置不應(yīng)降低產(chǎn)品的質(zhì)量。 (3)從降低原料、成品、動力損耗來考慮。即當(dāng)控制閥失去信號的時候，其所位置不會造成浪費。(4)從介質(zhì)的特點考慮。即當(dāng)控制閥失去信號的時候，其所位置不會形成結(jié)晶、沉淀、凍結(jié)等現(xiàn)象。第五節(jié) 測量變送裝置與控制閥的選擇2）口徑選擇參考有關(guān)手冊，根據(jù)工藝提供的條件進行計算。3）控制閥流量特性的選擇 （1）根據(jù)對象特性選擇；（2）根據(jù)管道阻力情況選擇；配管情況s=10.6s=0.60.3S0.3未考慮配管情況時閥特性直線對數(shù)直線對數(shù)不適宜控制考慮配管情況時閥特性直線對數(shù)直線對數(shù)第五節(jié) 測量變送裝置與控制閥的選擇4）結(jié)構(gòu)形式的選擇。 不同結(jié)構(gòu)形式控制閥特點及適用場合閥結(jié)構(gòu)形式特 點 及 使 用 場 合直通單座閥前后壓降低，適用于要求泄漏量小