简单控制系统

会计学1简单控制系统简单控制系统 回顾回顾(I)(I)简单控制系统的定义和特点简单控制系统的定义和特点 简单控制系统简单控制系统是指是指单输入单输入-单输出单输出(SISO,(SISO,Single Input Single Output)Single Input Single Output)的，以的，以传递函数传递函数为为基础的基础的线性控制系统线性控制系统，是控制系统的基本形式。，是控制系统的基本形式。特点：结构简单，应用较广泛且适应性强。特点：结构简单，应用较广泛且适应性强。第1页/共54页回顾回顾(II)(II)液位控制实例液位控制实例蒸汽蒸汽给水给水锅锅炉炉LTLC液位液位变送器变送器液位液位控制器控制器执行器执行器设定值：设定值：工艺液位设定值；工艺液位设定值；扰动作用：扰动作用：给水量、蒸汽量的变化；给水量、蒸汽量的变化；被控变量：被控变量：实际液位值；实际液位值；操纵变量：操纵变量：蒸汽流量；蒸汽流量；控制作用：控制作用：改变给水量。改变给水量。第2页/共54页回顾回顾(III)(III)正反馈和负反馈正反馈和负反馈 输入变量和输出变量，两者相加，称为输入变量和输出变量，两者相加，称为正反馈正反馈；两者；两者相减，称为相减，称为负反馈负反馈。输出变量与输入变量相比较的结果叫做输出变量与输入变量相比较的结果叫做偏差偏差。有有反馈反馈存在，按存在，按偏差偏差进行控制，是自动控制系统最主进行控制，是自动控制系统最主要的特点。要的特点。第3页/共54页回顾回顾(IV)(IV)闭环控制和开环控制闭环控制和开环控制 在反馈控制系统中，在反馈控制系统中，被控变量送回输入端被控变量送回输入端，与，与设定值进行比较，根据偏差进行控制，控制被控设定值进行比较，根据偏差进行控制，控制被控变量，这样，变量，这样，整个系统构成了一个闭环整个系统构成了一个闭环。不需要对被控变量进行检测，不需要对被控变量进行检测，只根据输入信只根据输入信号进行控制号进行控制，则成为，则成为开环控制开环控制。第4页/共54页回顾回顾(V)(V)控制系统框图控制系统框图r(t)e(t)u(t)q(t)f(t)y(t)第5页/共54页回顾回顾(VI)(VI)控制系统的传递函数描述控制系统的传递函数描述广义对象广义对象控制器控制器第6页/共54页第二章第二章 简单控制系统简单控制系统2.1 2.1 2.1 2.1 简单控制系统举例简单控制系统举例简单控制系统举例简单控制系统举例2.2 2.2 2.2 2.2 正、负反馈控制正、负反馈控制正、负反馈控制正、负反馈控制2.3 2.3 2.3 2.3 闭环控制和开环控制闭环控制和开环控制闭环控制和开环控制闭环控制和开环控制2.4 2.4 2.4 2.4 控制系统的组成框图控制系统的组成框图控制系统的组成框图控制系统的组成框图2.5 2.5 2.5 2.5 控制系统的传递函数描述控制系统的传递函数描述控制系统的传递函数描述控制系统的传递函数描述2.6 2.6 2.6 2.6 控制系统的分类控制系统的分类控制系统的分类控制系统的分类2.7 2.7 2.7 2.7 控制系统的控制性能指标控制系统的控制性能指标控制系统的控制性能指标控制系统的控制性能指标2.8 2.8 2.8 2.8 过程动态特性和动态建模过程动态特性和动态建模过程动态特性和动态建模过程动态特性和动态建模第7页/共54页第二章第二章 简单控制系统简单控制系统2.6 2.6 控制系统的分类控制系统的分类l 按照对操纵变量的影响划分按照对操纵变量的影响划分闭环闭环开环开环控制器控制器执行器执行器被控对象被控对象扰动通道扰动通道检测变送检测变送第8页/共54页2.6 2.6 控制系统的分类控制系统的分类l按照给定值的特点划分按照给定值的特点划分定值定值控制系统控制系统随动随动控制系统控制系统 或或 伺服伺服控制系统控制系统第9页/共54页2.6 2.6 控制系统的分类控制系统的分类定值定值控制系统控制系统 设定值保持不变设定值保持不变（为一恒定值）的（为一恒定值）的反馈控制系统称为定值控制系统。反馈控制系统称为定值控制系统。例如：各种温度、压力、流量、液位等控制系统；例如：各种温度、压力、流量、液位等控制系统；恒温箱的温度控制；稳压电源的电压稳定控制等。恒温箱的温度控制；稳压电源的电压稳定控制等。第10页/共54页2.6 2.6 控制系统的分类控制系统的分类定值定值控制系统控制系统第11页/共54页2.6 2.6 控制系统的分类控制系统的分类随动随动控制系统控制系统 设定值不断变化设定值不断变化，且，且事先是不知道事先是不知道的，的，并要求系统的输出（被控变量）随之而变并要求系统的输出（被控变量）随之而变化化 例如：雷达跟踪系统。各类测量仪表中的变送器本例如：雷达跟踪系统。各类测量仪表中的变送器本身亦可以看作是一个随动控制系统，它的输出（指示值）身亦可以看作是一个随动控制系统，它的输出（指示值）应迅速和正确地随着输入（被测量值）而变化。应迅速和正确地随着输入（被测量值）而变化。第12页/共54页2.6 2.6 控制系统的分类控制系统的分类随动随动控制系统控制系统第13页/共54页2.6 2.6 控制系统的分类控制系统的分类l按照克服干扰的方法划分按照克服干扰的方法划分反馈反馈控制系统控制系统前馈前馈控制系统控制系统第14页/共54页2.6 2.6 控制系统的分类控制系统的分类反馈反馈控制系统控制系统 输出变量通过适当的检测仪表，又送回输入端，并与输出变量通过适当的检测仪表，又送回输入端，并与输入变量相比较，按照输入变量相比较，按照偏差偏差进行控制。进行控制。f第15页/共54页2.6 2.6 控制系统的分类控制系统的分类前馈前馈控制系统控制系统 直接按直接按扰动扰动而不是按偏差进行控制。干扰发生后，被而不是按偏差进行控制。干扰发生后，被控量还未显现出变化之前，控制器就产生了控制作用。控量还未显现出变化之前，控制器就产生了控制作用。f第16页/共54页2.6 2.6 控制系统的分类控制系统的分类f前馈前馈-反馈反馈控制系统控制系统第17页/共54页2.6 2.6 控制系统的分类控制系统的分类l按照系统复杂程度划分按照系统复杂程度划分简单简单控制系统控制系统复杂复杂控制系统控制系统第18页/共54页2.6 2.6 控制系统的分类控制系统的分类简单简单控制系统控制系统控制器控制器执行器执行器被控对象被控对象检测变送检测变送第19页/共54页2.6 2.6 控制系统的分类控制系统的分类复杂复杂控制系统控制系统第20页/共54页2.7 2.7 控制系统的控制性能指标控制系统的控制性能指标l控制系统的要求控制系统的要求稳定性、准确性、快速性稳定性、准确性、快速性l控制系统的指标控制系统的指标单项单项控制性能指标控制性能指标综合综合控制性能指标控制性能指标第21页/共54页2.7 2.7 控制系统的控制性能指标控制系统的控制性能指标阶跃作用为阶跃作用为输入时的被控变输入时的被控变量的过渡过程。量的过渡过程。定值控制系统定值控制系统随动控制系统随动控制系统第22页/共54页2.7 2.7 控制系统的控制性能指标控制系统的控制性能指标l单项控制指标单项控制指标（1 1）衰减比）衰减比n n稳定性指标稳定性指标第一个波的振幅与同方向第二个波的振幅之比。第一个波的振幅与同方向第二个波的振幅之比。第23页/共54页2.7 2.7 控制系统的控制性能指标控制系统的控制性能指标l单项控制指标单项控制指标（随动控制）（随动控制）（2 2）超调量）超调量或或最大动态偏差最大动态偏差e emaxmax稳定性指标稳定性指标描述被控变量偏离设定值最大程度的物理量描述被控变量偏离设定值最大程度的物理量第24页/共54页2.7 2.7 控制系统的控制性能指标控制系统的控制性能指标l单项控制指标单项控制指标（定值控制）（定值控制）（2 2）超调量）超调量或或最大动态偏差最大动态偏差e emaxmax稳定性指标稳定性指标描述被控变量偏离设定值最大程度的物理量描述被控变量偏离设定值最大程度的物理量第25页/共54页2.7 2.7 控制系统的控制性能指标控制系统的控制性能指标l单项控制指标单项控制指标（3 3）余差）余差C C稳态准确性指标稳态准确性指标控制系统过渡过程终了时设定值与被控变量稳态值之差。控制系统过渡过程终了时设定值与被控变量稳态值之差。第26页/共54页2.7 2.7 控制系统的控制性能指标控制系统的控制性能指标l单项控制指标单项控制指标（4 4）回复时间）回复时间TsTs快速性指标快速性指标表示控制系统过渡过程的长短，也就是控制系统在受到表示控制系统过渡过程的长短，也就是控制系统在受到阶跃外作用后，被控变量从原有稳态值达到新的稳态值阶跃外作用后，被控变量从原有稳态值达到新的稳态值所需要的时间。（进入稳态值附近所需要的时间。（进入稳态值附近 +/-5%+/-5%或或 +/-3%+/-3%）第27页/共54页2.7 2.7 控制系统的控制性能指标控制系统的控制性能指标l单项控制指标单项控制指标（5 5）振荡频率）振荡频率与振荡周期与振荡周期TpTp快速性指标快速性指标第28页/共54页2.7 2.7 控制系统的控制性能指标控制系统的控制性能指标l单项控制指标单项控制指标 指出该输出曲线指出该输出曲线的性能指标（衰减比、的性能指标（衰减比、超调量、余差、回复超调量、余差、回复时间、振荡周期）时间、振荡周期）衰减比：衰减比：2.6342超调量：超调量：55.0424余差：余差：0.15332回复时间：回复时间：355.09振荡周期：振荡周期：130.43第29页/共54页2.7 2.7 控制系统的控制性能指标控制系统的控制性能指标l综合控制指标综合控制指标误差平方积分指标误差平方积分指标绝对误差积分指标绝对误差积分指标时间乘绝对误差积分指标时间乘绝对误差积分指标第30页/共54页2.8 2.8 过程动态特性和过程动态建模过程动态特性和过程动态建模l动态数学模型的作用和要求动态数学模型的作用和要求过程模型：过程模型：建模建模（modeling）是把系统的本质部分信息简）是把系统的本质部分信息简缩成有用的描述方式的过程。过程模型表示过程的输缩成有用的描述方式的过程。过程模型表示过程的输出变量与输入变量之间的关系。出变量与输入变量之间的关系。过程过程输入变量输入变量（操纵变量）（操纵变量）输出变量输出变量（被控变量）（被控变量）第31页/共54页2.8 2.8 过程动态特性和过程动态建模过程动态特性和过程动态建模l动态数学模型的作用和要求动态数学模型的作用和要求建模的要求建模的要求:简单：适于在线控制简单：适于在线控制正确：提高控制性能正确：提高控制性能可靠：保证控制系统运行可靠：保证控制系统运行第32页/共54页2.8 2.8 过程动态特性和过程动态建模过程动态特性和过程动态建模l数学模型的分类数学模型的分类线性与非线性线性与非线性 线性模型用来描述线性过程，满足迭加原理线性模型用来描述线性过程，满足迭加原理和均匀性；和均匀性；第33页/共54页2.8 2.8 过程动态特性和过程动态建模过程动态特性和过程动态建模l数学模型的分类数学模型的分类线性与非线性线性与非线性 非线性模型用来描述非线性过程，不满足叠非线性模型用来描述非线性过程，不满足叠加原理。加原理。化学反应速度系数化学反应速度系数k与绝对温度与绝对温度T之间之间的关系的关系就是一种非线性模型：就是一种非线性模型：其中，其中，R是通用气体常数，是通用气体常数，和和E是特定是特定的常数。的常数。第34页/共54页2.8 2.8 过程动态特性和过程动态建模过程动态特性和过程动态建模l数学模型的分类数学模型的分类动态与静态动态与静态 动态模型是用来描述过程处于过渡过程时的动态模型是用来描述过程处于过渡过程时的各状态变量之间的关系。各状态变量之间的关系。第35页/共54页2.8 2.8 过程动态特性和过程动态建模过程动态特性和过程动态建模l数学模型的分类数学模型的分类动态与静态动态与静态 静态模型是用来描述过程处于稳态时的各状静态模型是用来描述过程处于稳态时的各状态变量之间的关系。态变量之间的关系。第36页/共54页2.8 2.8 过程动态特性和过程动态建模过程动态特性和过程动态建模l数学模型的分类数学模型的分类随机与确定随机与确定 由确定性模型所描述的过程，当过程的状态由确定性模型所描述的过程，当过程的状态确定之后，过程的输出响应是唯一确定的。确定之后，过程的输出响应是唯一确定的。第37页/共54页2.8 2.8 过程动态特性和过程动态建模过程动态特性和过程动态建模l数学模型的分类数学模型的分类随机与确定随机与确定 由随机性模型所描述的过程，即使过程的状由随机性模型所描述的过程，即使过程的状态确定了，过程的输出响应仍然是不确定的。态确定了，过程的输出响应仍然是不确定的。钢材的屈服点钢材的屈服点s与含碳量与含碳量c和含锰量和含锰量Mn满足：满足：其中，其中，e是随机噪声，碳、锰含量单位取是随机噪声，碳、锰含量单位取0.01%，屈服点屈服点s的量纲为的量纲为kg/mm2。第38页/共54页2.8 2.8 过程动态特性和过程动态建模过程动态特性和过程动态建模l数学模型的分类数学模型的分类集中参数与分布参数集中参数与分布参数 集中参数模型中，状态和输出值不随位置而变集中参数模型中，状态和输出值不随位置而变化，具有相同的数值。化，具有相同的数值。例：搅拌式反应器，各点的温度和浓度是均一的。例：搅拌式反应器，各点的温度和浓度是均一的。第39页/共54页2.8 2.8 过程动态特性和过程动态建模过程动态特性和过程动态建模l数学模型的分类数学模型的分类集中参数与分布参数集中参数与分布参数 分布参数模型中，状态随几何位置而连续变分布参数模型中，状态随几何位置而连续变化，模型中必须引入位置参数。化，模型中必须引入位置参数。例：管式反应器，沿管长各点浓度不同。例：管式反应器，沿管长各点浓度不同。第40页/共54页2.8 2.8 过程动态特性和过程动态建模过程动态特性和过程动态建模l数学模型的分类数学模型的分类连续与离散连续与离散 模型中的时间变量是在一定区间内变化的模型模型中的时间变量是在一定区间内变化的模型称为连续时间模型。可由微分方程描述。称为连续时间模型。可由微分方程描述。第41页/共54页2.8 2.8 过程动态特性和过程动态建模过程动态特性和过程动态建模l数学模型的分类数学模型的分类连续与离散连续与离散 离散时间模型中的时间变量是在一定区间内离散时间模型中的时间变量是在一定区间内变化的采样点。一般由差分方程描述。变化的采样点。一般由差分方程描述。第42页/共54页2.8 2.8 过程动态特性和过程动态建模过程动态特性和过程动态建模l数学模型的分类数学模型的分类定常与时变定常与时变 模型特性不随时间变化而变化，为定常模型。模型特性不随时间变化而变化，为定常模型。模型特性随时间变化而变化，为时变模型。模型特性随时间变化而变化，为时变模型。第43页/共54页2.8 2.8 过程动态特性和过程动态建模过程动态特性和过程动态建模l数学模型的分类数学模型的分类过程类型过程类型静态模型静态模型动态模型动态模型集中参数模型集中参数模型代数方程代数方程微分方程微分方程分布参数模型分布参数模型微分方程微分方程偏微分方程偏微分方程多级过程多级过程差分方程差分方程微分微分差分差分方程方程第44页/共54页2.8 2.8 过程动态特性和过程动态建模过程动态特性和过程动态建模l建立数学模型的途径建立数学模型的途径机理建模（白箱）机理建模（白箱）从机理出发，也就是从过程内在的物理和从机理出发，也就是从过程内在的物理和化学规律出发建立稳态数学模型的工作。化学规律出发建立稳态数学模型的工作。第45页/共54页2.8 2.8 过程动态特性和过程动态建模过程动态特性和过程动态建模l建立数学模型的途径建立数学模型的途径经验模型（黑箱）经验模型（黑箱）对已投产的过程，通过测试或依靠积累的操作对已投产的过程，通过测试或依靠积累的操作数据，用数学方法回归，得到经验模型。数据，用数学方法回归，得到经验模型。由测试数据确定模型的结构和参数的建模方法称为由测试数据确定模型的结构和参数的建模方法称为系统辨识方法系统辨识方法；系统辨识方法分为；系统辨识方法分为非参数模型辨识非参数模型辨识和和参参数模型辨识数模型辨识。在已定模型结构的基础上由测试数据确定。在已定模型结构的基础上由测试数据确定参数的方法为参数的方法为参数估计参数估计。第46页/共54页2.8 2.8 过程动态特性和过程动态建模过程动态特性和过程动态建模l建立数学模型的途径建立数学模型的途径机理模型的优点机理模型的优点：1)可以充分利用已知的过程知识，从事物的本质上去认可以充分利用已知的过程知识，从事物的本质上去认识外部特性；识外部特性；2)可以验前得出，在流程和设备的设计阶段即能求取；可以验前得出，在流程和设备的设计阶段即能求取；3)有较大的适用范围，操作条件变化可以类推，即使处有较大的适用范围，操作条件变化可以类推，即使处理的物料有所改变，只要已知其物理化学参数，仍不难理的物料有所改变，只要已知其物理化学参数，仍不难计算。计算。第47页/共54页2.8 2.8 过程动态特性和过程动态建模过程动态特性和过程动态建模l建立数学模型的途径建立数学模型的途径机理模型的缺点机理模型的缺点：1)对于复杂的过程，人们对基本方程的某些参数不完对于复杂的过程，人们对基本方程的某些参数不完全掌握，很难预先精确估计；全掌握，很难预先精确估计；2)如不经过输入输出数据的验证，难以判断其正确性。如不经过输入输出数据的验证，难以判断其正确性。第48页/共54页2.8 2.8 过程动态特性和过程动态建模过程动态特性和过程动态建模l建立数学模型的途径建立数学模型的途径机理建模和经验建模相结合：机理建模和经验建模相结合：1)1)主体上按照机理方程建模，但对其中的部分参数通主体上按照机理方程建模，但对其中的部分参数通过实测得到；过实测得到；2)2)通过机理分析，把自变量适当组合，得出数学模型通过机理分析，把自变量适当组合，得出数学模型的函数形式；的函数形式；3)3)由机理出发，通过计算或仿真，得到大量的输入输由机理出发，通过计算或仿真，得到大量的输入输出数据，再用回归方法得出简化模型。出数据，再用回归方法得出简化模型。第49页/共54页2.8 2.8 过程动态特性和过程动态建模过程动态特性和过程动态建模l数学模型的用途数学模型的用途控制方案的确定控制方案的确定 方案的确定与工艺要求及操作情况有关，如方案的确定与工艺要求及操作情况有关，如能对过程的数学模型有所了解，对这一选择可起能对过程的数学模型有所了解，对这一选择可起到定量剖析的作用。到定量剖析的作用。第50页/共54页2.8 2.8 过程动态特性和过程动态建模过程动态特性和过程动态建模l数学模型的用途数学模型的用途控制算法的设计控制算法的设计 -PID控制控制-前馈控制前馈控制-Smith预估预估-内模控制内模控制-解耦控制解耦控制第51页/共54页2.8 2.8 过程动态特性和过程动态建模过程动态特性和过程动态建模l数学模型的用途数学模型的用途生产装置的故障诊断生产装置的故障诊断 通过数学模型预报生产过程的故障，分析故通过数学模型预报生产过程的故障，分析故障原因，对过程参数进行监测等。障原因，对过程参数进行监测等。第52页/共54页2.8 2.8 过程动态特性和过程动态建模过程动态特性和过程动态建模l数学模型的用途数学模型的用途用于工艺运行和设计用于工艺运行和设计 在实际生产中，一套生产装置的合理设计或实际在实际生产中，一套生产装置的合理设计或实际生产装置的优化操作，以及生产装置生产能力的预测生产装置的优化操作，以及生产装置生产能力的预测或评价等均离不开过程模型。或评价等均离不开过程模型。第53页/共54页