工業(yè)過(guò)程控制工程第二章控制系統(tǒng)組成及指標(biāo)課件

第二章控制系統(tǒng)組成及指標(biāo)簡(jiǎn)單控制系統(tǒng)是由一個(gè)被調(diào)量、一個(gè)控制量而且只用一個(gè)調(diào)節(jié)器、一個(gè)調(diào)節(jié)閥所組成的一個(gè)閉合回路。

簡(jiǎn)單控制系統(tǒng)是最基本、最常見(jiàn)、應(yīng)用最廣泛的控制系統(tǒng)，約占控制回路的80％以上。輸入量輸出量調(diào)節(jié)器被控對(duì)象1課件2.1控制系統(tǒng)組成2.2控制性能指標(biāo)2課件2.1控制系統(tǒng)組成2.1.1控制系統(tǒng)組成2.1.2控制系統(tǒng)的方框圖3課件6．?dāng)_動(dòng)引起被調(diào)量偏離其給定值的各種原因稱(chēng)為擾動(dòng)。如果擾動(dòng)不包括在控制回路內(nèi)部(例外界負(fù)荷)，稱(chēng)為外擾。如果擾動(dòng)發(fā)生在控制回路內(nèi)部，稱(chēng)為內(nèi)擾。由于調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)開(kāi)度變化造成的擾動(dòng)，稱(chēng)為基本擾動(dòng)。變更控制器的給定值的擾動(dòng)稱(chēng)為給定值擾動(dòng),也稱(chēng)控制作用擾動(dòng)。7．控制過(guò)程（調(diào)節(jié)過(guò)程）原來(lái)處于平衡狀態(tài)的控制對(duì)象，一旦受到擾動(dòng)作用，被調(diào)量就會(huì)偏離給定值。要通過(guò)自動(dòng)控制儀表或運(yùn)行人員的調(diào)節(jié)作用使被調(diào)量重新恢復(fù)到新的平衡狀態(tài)的過(guò)程，稱(chēng)為調(diào)節(jié)過(guò)程。8．自動(dòng)控制系統(tǒng)自動(dòng)控制儀表和控制對(duì)象通過(guò)信號(hào)的傳遞互相聯(lián)系起來(lái)就構(gòu)成一個(gè)自動(dòng)控制系統(tǒng)。5課件2.1.1控制系統(tǒng)組成自動(dòng)控制系統(tǒng)是在人工控制的基礎(chǔ)上產(chǎn)生和發(fā)展起來(lái)的。例1液位控制系統(tǒng)：圖2.1-1為液體儲(chǔ)罐內(nèi)液位的人工控制示意圖。從維持生產(chǎn)平穩(wěn)進(jìn)行考慮，工藝上希望罐內(nèi)的液位h能維持在所希望的位置hs上。液位h是需要控制的工藝變量，稱(chēng)為被控變量。顯然，當(dāng)進(jìn)水量Qi或出水量Qo波動(dòng)時(shí)，都會(huì)使罐內(nèi)的液位發(fā)生變化?，F(xiàn)假定通過(guò)控制出水量Qo維持液位的恒定，稱(chēng)Qo為操縱變量。進(jìn)水量Qi是造成被控變量產(chǎn)生不期望波動(dòng)的原因，稱(chēng)為擾動(dòng)。圖2.1-1液位人工控制示意圖6課件若由操作工來(lái)完成這一控制任務(wù)，所要做的工作是：①用眼睛觀(guān)察液位計(jì)實(shí)際液位的指示值，并通過(guò)神經(jīng)系統(tǒng)告訴大腦；

②通過(guò)大腦對(duì)眼睛觀(guān)測(cè)到的實(shí)際液位值與事先在大腦中儲(chǔ)存好的希望值即給定值進(jìn)行比較，根據(jù)偏差的大小和方向，經(jīng)過(guò)分析、思考，然后根據(jù)操作經(jīng)驗(yàn)發(fā)出命令；③根據(jù)大腦發(fā)出的控制命令，通過(guò)手去改變出水閥門(mén)開(kāi)度，以改變Qo來(lái)控制液位；④反復(fù)執(zhí)行上述操作，直到將液位控制到所希望的數(shù)值上。上述操作工通過(guò)眼、腦、手相互配合完成液位的控制過(guò)程就是一個(gè)人工控制過(guò)程。7課件

TI表示溫度指示，TT表示溫度變送器，TIC表示溫度指示控制，HC表示手動(dòng)控制。表2.1-1被測(cè)變量和儀表功能的代號(hào)

9課件例2溫度控制系統(tǒng)它由蒸汽加熱器、溫度變送器TT、溫度控制器TC和蒸汽流量控制閥組成。控制的目標(biāo)是保持流體出口溫度恒定。當(dāng)進(jìn)料流量或溫度等因素的變化引起出口物料的溫度變化時(shí)，通過(guò)溫度變送器TT測(cè)得溫度的變化，并將其信號(hào)送至溫度控制器TC與給定值進(jìn)行比較，溫度控制器TC根據(jù)其偏差信號(hào)進(jìn)行運(yùn)算后將控制命令送至控制閥，以改變蒸汽流量來(lái)維持出口溫度。圖2.1-3蒸汽加熱器溫度自動(dòng)控制系統(tǒng)10課件例3流量控制系統(tǒng)它由管路系統(tǒng)、孔板和差壓變送器、流量控制器FC和流量控制閥組成?？刂频哪繕?biāo)是保持流量恒定。當(dāng)管道其他部分阻力發(fā)生變化或有其他擾動(dòng)時(shí)，流量將偏離設(shè)定值。利用孔板作為檢測(cè)元件，把孔板上、下游的靜壓用連接導(dǎo)管接至差壓變送器，將流量信號(hào)轉(zhuǎn)化為標(biāo)準(zhǔn)電流信號(hào)；該信號(hào)送至流量控制器FC與給定值進(jìn)行比較，流量控制器FC根據(jù)其偏差信號(hào)進(jìn)行運(yùn)算后將控制命令送至控制閥，改變閥門(mén)開(kāi)度，就調(diào)整了管道中流體的阻力，從而影響了流量，使流量維持在設(shè)定值。圖2.1-4流量控制系統(tǒng)11課件執(zhí)行器常用的是控制閥。接受控制器來(lái)的信號(hào)u，直接改變操縱變量q。操縱變量是被控對(duì)象的某輸入變量，通過(guò)操作這個(gè)變量可克服擾動(dòng)對(duì)被控變量的影響，通常是由執(zhí)行器控制的某工藝流量?？刂破饕卜Q(chēng)調(diào)節(jié)器。它將被控變量的設(shè)定值與測(cè)量值進(jìn)行比較得出偏差信號(hào)e，并按一定規(guī)律給出控制信號(hào)u。13課件2.1.2控制系統(tǒng)的方框圖用文字?jǐn)⑹龅姆椒▉?lái)描述控制系統(tǒng)的組成和工作原理較為繁瑣，在自動(dòng)控制中常常采用直觀(guān)圖形的方法來(lái)表達(dá)，即方框圖。14課件圖2.1-5簡(jiǎn)單控制系統(tǒng)的方框圖15課件區(qū)分輸入量、輸出量和流入量、流出量：從物料平衡和能量平衡的角度看，把被控對(duì)象視為一隔離體，從外部流入對(duì)象內(nèi)部的物質(zhì)或能量流稱(chēng)為流入量．從對(duì)象內(nèi)部流出的流量稱(chēng)為流出量。在控制系統(tǒng)中，無(wú)論流入量和流出量，它們作為引起被控變量（輸出量）變化的原因，都是被控對(duì)象的輸入量。17課件在有些框圖表示中，各環(huán)節(jié)除Gc(s)外，其他合并成一個(gè)環(huán)節(jié)G0(s)，稱(chēng)廣義對(duì)象。整個(gè)系統(tǒng)由

Gc(s)和G0(s)組成。在有些框圖表示中，把擾動(dòng)項(xiàng)F’(s)和操作變量項(xiàng)Q(s)直接相加，認(rèn)為擾動(dòng)通道與控制通道的傳遞函數(shù)都是Gp(s）。18課件2.2控制性能指標(biāo)2.2.1控制系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)和動(dòng)態(tài)2.2.2階躍輸入和過(guò)渡過(guò)程的形式2.2.3控制系統(tǒng)的性能指標(biāo)19課件2.2.2階躍輸入和過(guò)渡過(guò)程的形式在生產(chǎn)中，出現(xiàn)的擾動(dòng)是沒(méi)有固定形式的，多半屬于隨機(jī)性質(zhì)。在分析和設(shè)計(jì)控制系統(tǒng)時(shí)，為了安全和方便，常選擇一些典型的輸人形式，其中最常用的是階躍輸入，其形式如圖2.2-1所示。所謂階躍輸入就是在某一時(shí)刻，輸入突然階躍式變化，并繼續(xù)保持在這個(gè)幅度上。階躍輸入容易產(chǎn)生而且簡(jiǎn)單，同時(shí)階躍輸入是一種很劇烈的擾動(dòng)，如果一個(gè)控制系統(tǒng)能夠有效地克服階躍擾動(dòng)，那么對(duì)于其他比較緩和的擾動(dòng)一般也能滿(mǎn)足性能指標(biāo)要求。

圖2.2-1階躍輸入21課件在階躍輸入下，過(guò)渡過(guò)程的形式可分為振蕩過(guò)程和非周期過(guò)程。非周期過(guò)程是指系統(tǒng)受到擾動(dòng)后，在控制作用下，被控變量的變化是單調(diào)的增大或減小的過(guò)程。22課件被控變量的變化是單調(diào)上升或減小，偏離給定值越來(lái)越遠(yuǎn)程為非周期發(fā)散過(guò)程。被控變量的變化速度越來(lái)越慢，逐步趨近于給定值而穩(wěn)定下來(lái)，成為非周期衰減過(guò)程。23課件如果系統(tǒng)受到擾動(dòng)后，被控變量的波動(dòng)幅度愈來(lái)愈大，稱(chēng)為發(fā)散振蕩過(guò)程。

如受擾動(dòng)后，被控變量始終在其給定值附近波動(dòng)且波動(dòng)幅度相等，稱(chēng)為等幅振蕩過(guò)程。如受擾動(dòng)后，被控變量波動(dòng)的幅度越來(lái)越小，最后逐漸趨于穩(wěn)定，稱(chēng)為衰減振蕩過(guò)程。衰減振蕩過(guò)程變化趨勢(shì)明顯，易于觀(guān)察，過(guò)渡過(guò)程短，控制系統(tǒng)經(jīng)常采用這種曲線(xiàn)作為分析系統(tǒng)性能指標(biāo)的典型曲線(xiàn)。

25課件2.2.3控制系統(tǒng)的性能指標(biāo)一個(gè)控制過(guò)程的優(yōu)劣在于設(shè)定值發(fā)生變化或系統(tǒng)受到擾動(dòng)作用后，能否在控制器的作用下穩(wěn)定下來(lái)，及克服擾動(dòng)造成的偏差而回到設(shè)定值的準(zhǔn)確性、平穩(wěn)性和快速型如何。采用兩類(lèi)性能指標(biāo)：階躍響應(yīng)曲線(xiàn)的幾個(gè)征參數(shù)作為性能指標(biāo)和偏差積分性能指標(biāo)。

26課件說(shuō)明：衰減比習(xí)慣上表示為n:1。衰減比n＜l，過(guò)渡過(guò)程是發(fā)散振蕩；衰減比n=1，過(guò)渡過(guò)程是等幅振蕩；衰減比n＞1，過(guò)渡過(guò)程是衰減振蕩，n越大，衰減越大，系統(tǒng)越接近非周期過(guò)程。為了保持足夠的穩(wěn)定裕度，衰減比一般取(4:1)~(10:1)，大約經(jīng)過(guò)兩個(gè)周期，系統(tǒng)趨于新的穩(wěn)態(tài)值。29課件超調(diào)量與最大動(dòng)態(tài)偏差在隨動(dòng)控制系統(tǒng)中，定程度的指標(biāo)。則定義超調(diào)量為

若整個(gè)閉環(huán)系統(tǒng)可看做二階振蕩環(huán)節(jié)，則有對(duì)定值控制系統(tǒng)來(lái)說(shuō)，最終穩(wěn)態(tài)值是零或是很小的數(shù)值，仍用

作為超調(diào)情況的指標(biāo)就不合適了。通常改用最大動(dòng)態(tài)偏差A(yù)作為一項(xiàng)指標(biāo)，它指在單位階躍擾動(dòng)下，最大振幅B與最終穩(wěn)態(tài)值C之和的絕對(duì)值。30課件余差余差是系統(tǒng)的最終穩(wěn)態(tài)偏差，即過(guò)渡過(guò)程終了時(shí)新穩(wěn)態(tài)值與給定值之差。對(duì)于定值控制系統(tǒng)，r=0，則有余差是反映控制精確度的一個(gè)穩(wěn)態(tài)指標(biāo)，相當(dāng)于生產(chǎn)中允許的被控變量與給定值之間長(zhǎng)期存在的偏差。

31課件調(diào)節(jié)時(shí)間和振蕩頻率調(diào)節(jié)時(shí)間是從過(guò)渡過(guò)程開(kāi)始到結(jié)束所需的時(shí)間。過(guò)渡過(guò)程要絕對(duì)地達(dá)到新的穩(wěn)態(tài)，理論上需要無(wú)限長(zhǎng)的時(shí)間，一般認(rèn)為當(dāng)被控變量進(jìn)入新穩(wěn)態(tài)值附近±5%或±2%以?xún)?nèi)區(qū)域，并保持在該區(qū)域內(nèi)時(shí)，過(guò)渡過(guò)程結(jié)束，此時(shí)所需要的時(shí)間稱(chēng)為調(diào)節(jié)時(shí)間。調(diào)節(jié)時(shí)間是反映控制系統(tǒng)快速性的一個(gè)指標(biāo)。

過(guò)渡過(guò)程振蕩頻率是振蕩周期P的倒數(shù)，記為在同樣的振蕩頻率下，衰減比越大，則調(diào)節(jié)時(shí)間越短。而在同樣的衰減比下，振蕩頻率越高，則調(diào)節(jié)時(shí)間越短。因此，振蕩頻率在一定程度下也可作為衡量控制快速性的指標(biāo)。32課件峰值時(shí)間和上升時(shí)間被控變量達(dá)到最大值時(shí)的時(shí)間稱(chēng)為峰值時(shí)間。過(guò)渡過(guò)程開(kāi)始到被控變量第一個(gè)波峰時(shí)的時(shí)間稱(chēng)為上升時(shí)間。它們都是反映系統(tǒng)快速性的指標(biāo)。33課件(2)偏差積分性能指標(biāo)

常用的綜合性能指標(biāo)是偏差積分指標(biāo)，它是過(guò)渡過(guò)程中偏差和時(shí)間的某些函數(shù)沿時(shí)間軸的積分，可表示為無(wú)論是偏差幅度或是偏差存在的時(shí)間都與指標(biāo)有關(guān)，可以兼顧衰減比、超調(diào)量、調(diào)節(jié)時(shí)間各方面因素，因此它是一類(lèi)綜合指標(biāo)。一般說(shuō)來(lái)，過(guò)渡過(guò)程中的動(dòng)態(tài)偏差越大，或是調(diào)節(jié)得越慢，則目標(biāo)函數(shù)值將越大，表明控制品質(zhì)越差。34課件偏差積分性能指標(biāo)幾種形式:偏差積分IE平方偏差積分ISE絕對(duì)偏差積分IAE時(shí)間與偏差絕對(duì)值的積分ITAE35課件IE的缺點(diǎn)是不能保證控制系統(tǒng)具有合適的衰減比。如一個(gè)等幅震蕩過(guò)程，IE卻等于0，現(xiàn)仍然不合理，所以很少用。IAE在圖形上也就是偏差面積積分。這種指標(biāo)，對(duì)出現(xiàn)在設(shè)定值附近的偏差面積與出現(xiàn)在遠(yuǎn)離設(shè)定值的偏差面積是同等看待的，根據(jù)這一指標(biāo)設(shè)計(jì)的二階或近似二階的系統(tǒng)，在單位階躍輸入信號(hào)下，具有較快的過(guò)渡過(guò)程和不大的超調(diào)量（約為5%)，是一種常用的誤差性能指標(biāo)。ITAE指標(biāo)，實(shí)質(zhì)上是把偏差積分面積用時(shí)間來(lái)加權(quán)，同樣的偏差積分面積，由于在過(guò)渡過(guò)程中出現(xiàn)時(shí)間的前后前后差異，目標(biāo)值J是不同的。出現(xiàn)時(shí)間越遲，J值越大；出現(xiàn)越早，J