過程控制第三章

主編倪志蓮龔素文機械工業(yè)出版社過程控制與自動化儀表1過程控制與自動化儀表第三章控制規(guī)律掌握典型的控制規(guī)律及其特點。掌握Simulink仿真輔助分析設(shè)計系統(tǒng)的方法。3掌握系統(tǒng)校正的概念。122過程控制與自動化儀表3.1控制系統(tǒng)的校正3.1.1校正的概念在原有的系統(tǒng)中有目的地增添一些裝置和元件，人為地改變系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)和性能，使之滿足所要求的性能指標(biāo)，我們把這種方法稱為系統(tǒng)校正。增添的裝置和元件稱為校正裝置和校正元件。3過程控制與自動化儀表3.1.2校正的方式１.串聯(lián)校正如果校正裝置Gc(s)串聯(lián)在系統(tǒng)固有部分的前向通道中，則稱為串聯(lián)校正。4過程控制與自動化儀表2.反饋校正將校正裝置Gc(s)與需要校正的環(huán)節(jié)進行反饋連接，形成局部反饋回路，稱為反饋校正。3.1.2校正的方式5過程控制與自動化儀表3.復(fù)合校正復(fù)合校正是在反饋控制的基礎(chǔ)上，引入輸入補償構(gòu)成的校正方式，通?？梢苑譃閮煞N：一種是引入給定輸入信號補償；另一種是引入擾動輸入信號補償。3.1.2校正的方式6過程控制與自動化儀表3.1.3常用校正裝置１.無源校正裝置無源校正裝置通常是由一些電阻和電容組成的二端口網(wǎng)絡(luò)。無源校正裝置7過程控制與自動化儀表2.有源校正裝置有源校正裝置是由運算放大器組成的調(diào)節(jié)器。有源校正裝置3.1.3常用校正裝置8過程控制與自動化儀表3.1.4校正應(yīng)用舉例

有一隨動系統(tǒng)，框圖如下。圖中G1(s)為隨動系統(tǒng)的固有部分。現(xiàn)對其進行串聯(lián)校正，串聯(lián)一個比例校正裝置，比例系數(shù)Kc=0.5。具有校正環(huán)節(jié)的系統(tǒng)框圖舉例9過程控制與自動化儀表3.1.4校正應(yīng)用舉例校正前、后系統(tǒng)的伯德圖10過程控制與自動化儀表3.1.4校正應(yīng)用舉例校正前、后系統(tǒng)的階躍響應(yīng)曲線11過程控制與自動化儀表3.1.4校正應(yīng)用舉例結(jié)論：加入串聯(lián)校正裝置，降低系統(tǒng)增益后：１）系統(tǒng)的相對穩(wěn)定性得到改善，超調(diào)量下降，振蕩次數(shù)減少。２）增益降低為原來的１/２，系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)精度變差。12過程控制與自動化儀表3.2位式控制１.理想的雙位控制理想雙位控制規(guī)律的數(shù)學(xué)表達(dá)式為當(dāng)e＞0時，u(t)=umax；當(dāng)e＜0時，u(t)=umin。理想雙位控制輸出特性溫度雙位控制系統(tǒng)示意圖13過程控制與自動化儀表2.實際的雙位控制實際雙位控制輸出特性實際雙位控制的過程曲線3.2位式控制14過程控制與自動化儀表雙位控制器結(jié)構(gòu)簡單，容易實現(xiàn)控制，且價格便宜，適用于單容對象且對象時間常數(shù)較大、負(fù)荷變化較小、過程時滯小、工藝允許被控變量在一定范圍內(nèi)波動的場合，如壓縮空氣的壓力控制，恒溫箱、管式爐的溫度控制以及貯槽的液位控制等。在實際使用中，只要選用帶上、下限觸頭的檢測儀表、雙位控制器，再配上繼電器、電磁閥、執(zhí)行器等即可構(gòu)成雙位控制系統(tǒng)。3.2位式控制15過程控制與自動化儀表3.3比例控制3.3.1比例控制規(guī)律及其特點

階躍偏差作用下比例控制器的開環(huán)輸出特性Δu是控制器輸出變化量；Kc是控制器的放大倍數(shù)，即比例增益；e是控制器的輸入，即偏差。16過程控制與自動化儀表3.3.2比例度比例度δ，就是指控制器輸入的相對變化量與相應(yīng)的輸出相對變化量之比的百分?jǐn)?shù)。e為控制器輸入信號的變化量，即偏差信號；Δu為控制器輸出信號的變化量，即控制命令；（Zmax－Zmin）為控制器輸入信號的變化范圍，即量程；（Zmax－Zmin

）為控制器輸出信號的變化范圍。17過程控制與自動化儀表控制器的比例度δ可理解為：要使輸出信號作全范圍變化，輸入信號必須改變?nèi)砍痰陌俜种畮?。在單元組合儀表中，控制器的輸入和輸出都是標(biāo)準(zhǔn)統(tǒng)一信號，即此時比例度可表示為式中，3.3.2比例度18過程控制與自動化儀表3.3.3比例度對過渡過程的影響１）比例控制是有余差的控制。２）比例度δ對閉環(huán)系統(tǒng)穩(wěn)定性的影響。19過程控制與自動化儀表通常，工業(yè)上常見系統(tǒng)的比例度δ的參考選取范圍如下：１）壓力控制系統(tǒng)為30%～70%。２）流量控制系統(tǒng)為40%～100%。３）液位控制系統(tǒng)為20%～80%。４）溫度控制系統(tǒng)為20%～60%。3.3.3比例度對過渡過程的影響20過程控制與自動化儀表3.4積分控制3.4.1積分控制規(guī)律及其特點積分控制是控制器的輸出變化量Δu與輸入偏差值e隨時間的變化成正比的控制規(guī)律，亦即控制器的輸出變化速度與輸入偏差值成正比。KI為控制器的積分速度；TI為控制器的積分時間（TI=1/KI）。21過程控制與自動化儀表與比例控制不同的是，在輸入偏差為零時，比例控制器的輸出變化量Δu是零，即處在初始位置上，而積分控制器的輸出卻可以處在任何數(shù)值的位置上。偏差作用下的積分控制器的開環(huán)輸出特性3.4.1積分控制規(guī)律及其特點22過程控制與自動化儀表雖然消除余差是積分控制的顯著優(yōu)點，但在工業(yè)上卻很少單獨使用積分控制。因為與比例控制相比，積分控制器的輸出變化總是滯后于偏差的變化，控制作用不可能像比例控制那樣及時，從而難以對擾動進行及時且有效的抑制。積分作用的滯后性3.4.1積分控制規(guī)律及其特點23過程控制與自動化儀表3.4.2比例積分控制規(guī)律與積分時間將比例作用與積分作用組合成比例積分（PI）控制規(guī)律來使用，既能及時控制，又能消除余差。比例積分控制器的輸入與輸出特性曲線24過程控制與自動化儀表積分時間TI定義為：

在階躍偏差作用下，控制器的輸出達(dá)到比例輸出的兩倍所經(jīng)歷的時間。積分時間的測定3.4.2比例積分控制規(guī)律與積分時間25過程控制與自動化儀表3.4.3積分時間對系統(tǒng)過渡過程的影響積分時間TI應(yīng)根據(jù)不同的對象特性加以選擇，一般情況下TI的大致范圍如下：１）壓力控制：TI

＝0.4～3min。２）流量控制：TI

＝0.1～1min。３）溫度控制：TI

＝3～10min。４）液位控制：一般不需積分作用。

δ不變時ＴＩ對過渡過程的影響26過程控制與自動化儀表3.5微分控制3.5.1微分控制規(guī)律及其特點微分控制是根據(jù)偏差的變化趨勢進行動作的，從而避免產(chǎn)生較大的偏差，還可以縮短控制時間。理想微分控制是指控制器的輸出變化量Δｕ與輸入偏差ｅ的變化速度成正比的控制規(guī)律理想微分控制器輸出特性TD

為控制器的微分時間27過程控制與自動化儀表3.5.2比例微分控制規(guī)律及微分時間微分作用與比例作用結(jié)合，構(gòu)成比例微分控制規(guī)律（PD）。比例微分控制器的輸出特性曲線28過程控制與自動化儀表3.5.3比例微分控制系統(tǒng)的過渡過程微分時間TD

的大小對系統(tǒng)過渡過程的影響若TD

取得太小，則對系統(tǒng)的控制指標(biāo)沒有影響或影響甚微，如圖中曲線①所示；選取適當(dāng)?shù)腡D，系統(tǒng)的控制指標(biāo)將得到全面的改善，如圖中曲線②所示；但若TD

取得過大，即引入太強的微分作用，反而可能導(dǎo)致系統(tǒng)產(chǎn)生劇烈的振蕩，如圖中曲線③所示。29過程控制與自動化儀表3.6比例積分微分控制理想PID實際PID比例積分微分控制器的輸出特性曲線30過程控制與自動化儀表

PID控制器各種組合控制效果圖3.6比例積分微分控制31過程控制與自動化儀表各類生產(chǎn)過程對象常用的控制規(guī)律如下：１）液位：一般要求不高，用P或PI控制規(guī)律。２）流量：時間常數(shù)較小，測量中混有擾動，用PI或加反微分控制規(guī)律。３）壓力：介質(zhì)為液體的時間常數(shù)較小，介質(zhì)為氣體的時間常數(shù)中等，用P或PI控制規(guī)律。４）溫度：容量滯后較大，用PID控制規(guī)律。3.6比例積分微分控制32過程控制與自動化儀表3.7控制系統(tǒng)Simulink輔助設(shè)計分析設(shè)某控制系統(tǒng)的傳遞函數(shù)利用Simulink仿真工具輔助分析在不同的控制方式下，系統(tǒng)的動態(tài)響應(yīng)情況。系統(tǒng)的控制框圖舉例33過程控制與自動化儀表1.采用比例（P）控制2.采用比例積分（PI）控制3.7控制系統(tǒng)Simulink輔助設(shè)計分析34過程控制與自動化儀表3.采用比例微分（PD）控制4.采用比例積分微分（PID）控制3.7控制系統(tǒng)Simulink輔助設(shè)計分析35過程控制與自動化儀表采用不同的控制方式的系統(tǒng)單位階躍響應(yīng)曲線3.7控制系統(tǒng)Simulink輔助設(shè)計分析36過程控制與自動化儀表采用不同的控制方式的系統(tǒng)單位階躍響應(yīng)曲線3.7控制系統(tǒng)Simulink輔助設(shè)計分析37過程控制與自動化儀表采用不同的控制方式的系統(tǒng)單位階