过程控制系统基本概念课件

单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,*,*,*,单击此处编辑母版标题样式,*,*,*,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,过程控制仪表与系统,任课教师：黄学章、张建智,9/5/2024,1,过程控制仪表与系统任课教师：黄学章、张建智9/12/2023,前 言,课程简介及课程内容,课程的重要性,教学团队,课程安排,参考文献,考核办法,9/5/2024,2,前 言9/12/20232,课程简介及课程内容,过程控制仪表+过程控制系统,（Process Control Instrument and System）,课程简介：本课程为专业基础课，具有较高的理论性与实践性。其目的和任务是通过本课程的学习，学生将掌握单回路和常见复杂过程控制系统的组成、工作过程、特点以及应用等知识，为毕业设计及将来学习和工作打下过程控制的专业基础。,主要内容：,过程控制仪表与装置：包括过程控制仪表的组成与分类、控制器（可编程调节器）与控制规律、变送器、执行机构与调节阀等；,过程控制系统：包括过程控制系统的组成、单回路过程控制系统的设计、要求和参数整定；常用复杂过程控制系统的原理和特点，以及设计和应用。此外，还要了解计算机控制系统（PLC)、先进的过程控制系统和智能控制系统，以及各类过程控制系统在工业生产过程中的实际应用。,9/5/2024,3,课程简介及课程内容过程控制仪表+过程控制系统9/12/202,相关课程,热工过程,控制工程,前期课程,计算机应用基础,计算机程序设计,流体力学,传热学,工程热力学,自动控制原理,热工测试技术,后续课程,计算机控制技术,内燃机电控技术,数据采集与处理技术,工程数据分析方法,课程设计,毕业设计,Text,9/5/2024,4,相关课程热工过程前期课程后续课程Text9/12/20234,课程的重要性,本课程是培养学生综合应用所学知识设计工业生产过程控制系统的专业课，具有很强实践性。,涉及的学科面广，是一门与材料科学、计算机技术、信息技术密切相关的快速发展的学科。,与专业方向相关：热能工程；电厂动力；内燃机；制冷与低温工程；环境与设备工程；热工自动化；新能源科学与工程。,与学术研究相关：热工过程与设备的计算机仿真与优化；节能与环保新技术；热工过程检测；诊断与智能决策；现代热物性测试技术；新型制冷系统与装置；空调系统与设备节能新技术；CFD建筑能耗分析与管理研究；建筑室内外空气品质及其控制。,9/5/2024,5,课程的重要性本课程是培养学生综合应用所学知识设计工业生产过程,教学团队,任课教师：黄学章；张建智；宋彦坡,联系方式：,zjz0712,9/5/2024,6,教学团队任课教师：黄学章；张建智；宋彦坡9/12/20236,课程安排,请参考教学日历（40学时）,绪论（4学时）+过程控制仪表（8学时）+过程控制系统（14学时）+计算机控制系统（4学时）+工程应用（6学时）+机动（2学时）+复习（2学时）,9/5/2024,7,课程安排请参考教学日历（40学时）绪论（4学时）+过程控制仪,参考文献,1 刘玉长主编，自动检测和过程控制，第四版，冶金工业出版社，2010,2 周泽魁主编，控制仪表与计算机控制装置，化学工业出版社，2002,3 何衍庆、俞金寿主编，工业生产过程控制，化学工业出版社，2004,4 潘永湘主编，过程控制与自动化仪表第2版，机械工业出版社，2007,5 曹润生等编，过程控制仪表，浙江大学出版社，1987,6 徐春山主编，过程控制仪表，冶金工业出版社，1995.,7 吴勤勤主编，控制仪表及装置，第二版，化学工业出版社，2002,8 方康玲主编，过程控制系统，武汉理工大学出版社，2002,9 王骥程、祝和云主编，化工过程控制工程，化工出版社，1981,10 向婉成主编，过程控制调节装置，机械工业出版社，1987,11 涂植英等主编,过程控制系统, 机械工业出版社，1988,12 金以慧主编，过程控制，清华大学出版社，1993.4,13 孟华主编，工业过程检测与控制，北京航空航天大学出版社，2002,14 俞金寿、蒋慰孙编著，过程控制工程，电子工业出版社，2007,15 林德杰主编，过程控制仪表及控制系统，机械工业出版社，2004,16 侯志林，过程控制与自动化仪表，机械工业出版社，2007,9/5/2024,8,参考文献1 刘玉长主编，自动检测和过程控制，第四版，冶金,考核办法,平时成绩(30%)期末笔试(70%),平时成绩：考勤（5分/次）,作业（5分/次）,回答问题（5分/次）,课堂秩序（5分/次）,考勤有4次未到者或平时成绩不及格者，取消考试资格,附加题：1、教室照明节电自动控制系统设计,2、校园厕所节水自动控制系统设计,3、公交车实时信息预报系统的研究和设计,9/5/2024,9,考核办法平时成绩(30%)期末笔试(70%) 附加题：1、,1.1 过程控制系统的组成与分类,1.2 过程控制系统的过渡过程和品质指标,1.3 被控对象特性,1.4 被控过程的数学模型,第一章 过程控制系统的基本概念,9/5/2024,10,1.1 过程控制系统的组成与分类第一章 过程控制系统的基本,进料口,出料口,H,玻璃管液位计,进料口,执行器,变送器,调节器,1.1.1 过程控制系统,例1：水槽液位控制,9/5/2024,11,进料口出料口H玻璃管液位计进料口执行器变送器调节器1.1,水槽液位控制,F1,LC,工作过程：,F1增加 L增加 变送器输出信号增加 偏差（测量值-设定值）为正、增加 控制器输出增加 阀开度增加 F2增加 L降低；,F2,F1,9/5/2024,12,水槽液位控制 F1LC工作过程：F2F19/12/2023,1.1.1 过程控制系统,例2：锅炉汽包水位控制,（a）手动控制 （b）自动控制,蒸汽,汽包,省煤器,给水,LT,LC,蒸汽,汽包,省煤器,给水,玻璃管液位计,锅炉汽包液位控制,9/5/2024,13,1.1.1 过程控制系统例2：锅炉汽包水位控制（a）手动控制,1.1.1 过程控制系统,锅炉,9/5/2024,14,1.1.1 过程控制系统锅炉9/12/202314,1.1.1 过程控制系统,锅炉,9/5/2024,15,1.1.1 过程控制系统锅炉9/12/202315,锅炉设备的三大控制系统,主要控制系统：（1）锅炉汽包水位的控制；,（2）锅炉燃烧系统的控制；,（3）过热蒸汽系统的控制。,9/5/2024,16,锅炉设备的三大控制系统主要控制系统：（1）锅炉汽包水位的控制,1.1.1 过程控制系统,例2：锅炉汽包水位控制,（a）手动控制 （b）自动控制,蒸汽,汽包,省煤器,给水,LT,LC,蒸汽,汽包,省煤器,给水,玻璃管液位计,锅炉汽包液位控制,9/5/2024,17,1.1.1 过程控制系统例2：锅炉汽包水位控制（a）手动控制,例3：加热炉的温度控制,1.1.1 过程控制系统,9/5/2024,18,例3：加热炉的温度控制1.1.1 过程控制系统9/12/20,1.1.2 过程控制系统的组成,例：加热炉的控制过程工艺流程,9/5/2024,19,1.1.2 过程控制系统的组成例：加热炉的控制过程工艺流,工作原理：,燃油量增加 T2增大 T1增大变送器输出信号增加 偏差（测量值-设定值）为正、增加 控制器输出减小 （反作用）阀开度减小 燃油量降低,讨论：分析原油量减少的控制过程；,加热炉温度控制,9/5/2024,20,工作原理：加热炉温度控制9/12/202320,1.1.2 控制系统组成,简单控制系统由检测变送单元、控制器、执行器和被控对象组成。,被控对象：是指某些被控制的装置或设备。例如加热炉、高炉、沸腾炉、回转窑以及贮藏物料的槽罐或输送物料的管段等。,检测元件和变送器：用于检测被控变量，并将检测到的信号转换为标准信号输出。,控制器：用于将检测变送单元的输出信号与设定值信号进行比较，按一定的控制规律对其偏差信号进行运算，运算结果输出到执行器。,执行器：执行器接收控制器的输出信号，通过改变执行器节流件的流通面积来改变操纵变量。,9/5/2024,21,1.1.2 控制系统组成简单控制系统由检测变送单元、控制器,1.1.3 控制系统方框图,例：加热炉的控制过程工艺流程图,9/5/2024,22,1.1.3 控制系统方框图例：加热炉的控制过程工艺流程图,1.1.3 控制系统方框图,例：加热炉的控制过程方框图,9/5/2024,23,1.1.3 控制系统方框图例：加热炉的控制过程方框图9/,控制系统框图,控制装置,执行器,过 程,+,r(t),e(t),_,检测元件、变送器,比较机构,控制器,q(t),被控变量,c(t),扰动,f(t),广义对象,测量值y(t),闭环控制系统的组成,u(t),注意几个变量的区别：,被控变量c 、给定值（或设定值）r、测量值y 、操纵变量（或控制变量）q、干扰（或外界扰动）f 、偏差信号e 、控制信号u 、闭环系统 、开环系统、反馈。,9/5/2024,24,控制系统框图控制装置执行器过 程+r(t) e(t) _检测,流,量,测,量,物,位,与,厚,度,检,测,压,力,测,量,温,度,测,量,检,测,技,术,基,础,温,度,测,量,压,力,测,量,应,变,与,厚,度,检,测,流,量,测,量,物,位,与,厚,度,检,测,过,程,成,分,检,测,显,示,仪,表,控制器,被控对象,测量变送装置,+,SP,执行器,检测仪表,9/5/2024,25,流物压温温过显控制器被控对象测量变送装置+SP执行器检测仪,铠装热电偶,带热电偶-热电阻双金属温度计,隔爆式双金属温度计,温度测量,9/5/2024,26,铠装热电偶带热电偶-热电阻双金属温度计隔爆式双金属温度计温度,电接点压力表,耐振压力表,隔膜式耐振压力表,压力测量,9/5/2024,27,电接点压力表耐振压力表隔膜式耐振压力表压力测量9/12/20,电磁流量计,涡街流量计,浮子流量计,流量测量,9/5/2024,28,电磁流量计涡街流量计浮子流量计流量测量9/12/202328,物位测量,锅炉磁力水位仪,射频导纳物位计,电动浮筒液位计,9/5/2024,29,物位测量锅炉磁力水位仪 射频导纳物位计 电动浮筒液位计9/1,控制器,被控对象,测量变送装置,+,SP,执行器,变送器,压力变送器,一体式温度变送器,扩散硅液位变送器,9/5/2024,30,控制器被控对象测量变送装置+SP执行器变送器压力变送器 一,控制器,被控对象,测量变送装置,+,SP,执行器,控制器,数字调节器,模拟调节器,9/5/2024,31,控制器被控对象测量变送装置+SP执行器控制器数字调节器 模,控制器,被控对象,测量变送装置,+,SP,执行器,执行器,电动调节阀,电动调节蝶阀,直行程电动执行器,9/5/2024,32,控制器被控对象测量变送装置+SP执行器执行器电动调节阀电动,复杂过程控制系统,控制器,被控对象,测量变送装置,+,SP,执行器,过程控制系统实验装置,1、控制系统的被控量包含了温度、压力、流量、液位四大热工参数。,2、执行器中既有仪表类执行器，又有交流变频器、加热控制器、加热器等电力拖动类执行器。,3、该装置是一个微型的锅炉加热、给排水系统，是模拟了工业现场的小型工厂，具有真实可靠性和直观性。,4、通过工业总线，上位机可对装置进行实时监测控制。,5、可提供监控图形画面。,9/5/2024,33,复杂过程控制系统控制器被控对象测量变送装置+SP执行器过程,过程控制实验装置监控画面,9/5/2024,34,过程控制实验装置监控画面9/12/202334,计算机过程控制系统,DCS控制系统,IFIX组态软件,9/5/2024,35,计算机过程控制系统DCS控制系统IFIX组态软件9/12/2,1.1.4 过程控制系统的分类,（一）按系统的结构特点分类：,1、反馈控制系统,2、前馈控制系统,3、前馈-反馈控制系统,（二）按给定值信号的特点分类,1、定值控制系统,2、随动控制系统,3、程序控制系统,9/5/2024,36,1.1.4 过程控制系统的分类（一）按系统的结构特点分类：9,1.1.4 过程控制系统的分类,反馈控制,前馈控制,9/5/2024,37,1.1.4 过程控制系统的分类反馈控制前馈控制9/12/20,1.1.4 过程控制系统的分类,前馈-反馈控制,9/5/2024,38,1.1.4 过程控制系统的分类前馈-反馈控制9/12/202,1.1.4 过程控制系统的分类,（一）按系统的结构特点分类：,1、反馈控制系统,2、前馈控制系统,3、前馈-反馈控制系统,（二）按给定值信号的特点分类,1、定值控制系统,2、随动控制系统,3、程序控制系统,9/5/2024,39,1.1.4 过程控制系统的分类（一）按系统的结构特点分类：9,1.1.4 过程控制系统的分类,定值控制系统：,所谓定值就是设定值恒定，不随时间而变。生产过程中往往要求控制系统的被控量保持在某一定值不变；当被控量波动时，控制器动作，使被控量回复至设定值(或接近设定数值)。,大多数生产过程的自动控制，都是定值控制系统。上述锅炉汽包水位的自动控制，就是一种定值控制系统。在定值控制系统中，有简单的控制系统，又有复杂的控制系统。,9/5/2024,40,1.1.4 过程控制系统的分类定值控制系统：9/12/202,1.1.4 过程控制系统的分类,程序控制系统,在此系统中，设定值在时间上按一定程序变化，被控量在时间上也按一定程序变化。例如某些热处理炉温度的自动控制，需要采用程序控制系统，因为工艺要求有一定的升温、保温、降温时间，如图所示。其中0-1-2线段是升温曲线，2-3线段是保温时间，3-4-5线段是降温曲线；通过系统中的程序设定装置，可使设定值按工艺要求的预定程序变化，从而使被控量也跟随设定值的程序变化。,t,0,1,2,3,4,T,5,9/5/2024,41,1.1.4 过程控制系统的分类程序控制系统 t01234T5,1.1.4 过程控制系统的分类,随动控制系统,在随动系统中，设定值随时间不断的变化，而且预先不知道它的变化规律，但要求系统的输出即被控量跟着变化，而且希望被控量随设定值的变化即快又准。,例如在燃料燃烧过程中，空气与燃料量之间的比值是有一定要求的，但是燃料量需要多少，则随生产情况而定，而且预先不知道它的变化规律。在这里燃料需要量相当于设定值，它随温度的变化而变化，故这样的系统称为随动控制系统。在这样的随动控制系统中，由于空气量的变化必须随着燃料量按一定比值而变，因此又称为比值控制系统，比值控制系统是工业中较常见的随动系统形式。,9/5/2024,42,1.1.4 过程控制系统的分类随动控制系统 9/12/202,过程控制发展的历史：,（1）1930-1940年代。微分方程解析方法。主要研究单输入、单输出控制系统。采用基地式仪表和部分气动单元组合仪表。,（2）1940-1950年代。经典控制理论频域法、根轨迹法。主要研究定值控制系统的分析和综合问题。采用基地式仪表和大量气动单元组合仪表。,（3）1950-1960年代。现代控制理论极小值原理、动态规划、随机性系统的最小二乘状态估计等。系统辩识和参数估计、随机控制、自适应控制和鲁棒控制等控制领域的理论分支相继得到开发和研究。PID控制和复杂控制系统。,1.1.5 过程控制系统的发展概况,9/5/2024,43,过程控制发展的历史：1.1.5 过程控制系统的发展概况9/1,（4）1970-1980年代，为解决大规模复杂系统的优化和控制问题，现代控制理论与系统理论相结合，形成大系统控制理论。出现高维线性系统，同时，基于知识的专家系统、模糊控制、人工神经网络控制、学习控制和基于信息论的智能控制、含有大量不确定性和难于建模的复杂控制系统应运而生，并在许多应用领域得到广泛应用。这阶段的仪表从直接数字控制进化为集散控制系统。,（5）1980开始。随着计算机技术、显示技术、控制技术、通讯技术的发展，工业生产过程控制也得到了飞速发展。现场总线控制系统和仪表开始得到应用。工业生产过程和控制与管理集成在一起，组成了计算机集成过程控制系统，或综合自动化系统。,9/5/2024,44,（4）1970-1980年代，为解决大规模复杂系统的优化和控,1.2 过程控制系统的过渡过程和品质指标,1.2.1 自动控制系统的静态和动态,在自动控制中，把被控量不随时间而变化的平衡状态称为系统的静态，而把被控量随时间而变化的不平衡状态称为系统的动态。,当一个自动控制系统的输入(设定值和扰动)及输出均恒定不变时，整个系统就处于一种相对的平衡状态，系统的各个组成环节如变送器、控制器、控制阀都不改变其原先的状态，他们的输出信号都处于相对静止状态，这种状态就是上述的静态。必须注意，这里所指的静态并不是一般所说的静止状态。一般所说的静止是指静止不动，而在自动控制中，静态是指各参数(或信号)的变化率为零，即参数保持不变，因为系统处于静态时，生产还在进行，物料和能量仍有进出，只是平稳的进行没有改变就是了。,9/5/2024,45,1.2 过程控制系统的过渡过程和品质指标9/12/20,1.2 过程控制系统的过渡过程和品质指标,1.2.1 自动控制系统的静态和动态,在生产过程中，扰动是客观存在，且是不可避免的，因此了解系统的静态是必要的，但是了解系统的动态更为重要。例如生产过程中前后工序的互相影响，负荷的改变，电压、气压的波动，气候的影响等等，这些扰动是破坏系统平衡状态，引起被控量发生变化的外界因素。在一个自动控制系统投入运行时，时时刻刻都有扰动作用于被控对象，以至破坏正常的生产状态，因之就需要通过自动控制装置，不断的施加调节作用去对抗或抵消扰动作用的影响，从而使被控量保持在生产所要控制的技术指标上。,9/5/2024,46,1.2 过程控制系统的过渡过程和品质指标9/12/20,1.2.2 过程控制系统的过渡过程,当控制系统的输入发生变化后，被控变量随时间不断变化的过程称为系统的过渡过程。也就是系统从一个平衡状态到达另一个平衡状态的过程。在阶跃扰动作用下，系统的过渡过程主要有以下几种形式：,(a) 发散振荡 (b) 等幅振荡 (c) 衰减振荡 (d) 单调过程,过渡过程的几种基本形式,9/5/2024,47,1.2.2 过程控制系统的过渡过程(a) 发散振荡,1.2.3 控制系统的品质指标,1、稳定性：是控制系统性能的首要指标。表明组成控制系统的闭环极点应位于s左半平面。,2、准确性：是控制系统的重要性能指标。表明控制系统的被控变量与参比变量（设定值）之间的偏差，即静态偏差应尽可能小。,3、快速性：也是控制系统的重要性能指标。当控制系统受到扰动影响时，控制系统应尽快地做出响应，改变操纵变量，使被控变量与参比变量之间有偏差的时间尽可能短。,4、偏离度：也是重要的控制系统性能指标。表示在控制系统运行过程中被控变量偏离参比变量的离散程度。,9/5/2024,48,1.2.3 控制系统的品质指标1、稳定性：是控制系统性能的首,时域控制性能指标,用阶跃输入信号作用下控制系统输出响应曲线表示的控制系统性能指标称为时域控制性能指标。,9/5/2024,49,时域控制性能指标用阶跃输入信号作用下控制系统输出响应曲线表示,1、衰减比 n 稳定性指标,衰减率,二阶系统常用衰减度 m 表示衰减的程度。,9/5/2024,50,1、衰减比 n 稳定性指标9/12/202350,2、超调量和最大动态偏差稳定性指标,超调量：,最大动态偏差：,9/5/2024,51,2、超调量和最大动态偏差稳定性指标9/12/202351,3、余差准确性指标,4、回复时间和振荡频率快速性指标,过度过程要绝对达到新稳态值需要无限时间，因此，用被控变量从过渡过程开始到进入稳态值5%或2%范围内的时间作为过渡过程的回复时间TS。,过渡过程的振荡频率与振荡周期的关系：,9/5/2024,52,3、余差准确性指标9/12/202352,5、偏离度,控制系统偏离度是被控变量统计特性的描述。在控制系统运行过程中，被控变量的分布通常遵循正态分布。,被控变量的正态分布曲线,9/5/2024,53,5、偏离度被控变量的正态分布曲线9/12/202353,例：,某换热器的温度调节系统在单位阶跃干扰作用下的过渡过程曲线如图所示。试分别求出最大偏差、余差、衰减比、振荡周期和回复时间（给定值200）。,t/min,230,210,205,200,5,20,温度控制系统过渡过程,曲线,220,温度/,9/5/2024,54,例： 某换热器的温度调节系统在单位阶跃干,解 最大偏差：A=230-200=30,余差：C=205-200=5,衰减比：由图上可以看出，第一个波峰值B1=230- 205=25，第二个波峰值B2=230-205=5，故衰减比应为B1B2 =255=51。,振荡周期：为同向两波峰之间的时间间隔，故周期T=20-5=15（min）,过渡时间与规定的被控变量限制范围大小有关，假定被控变量进入额定值的2%，就可以认为过渡过程已经结束，那么限制范围为200（2%）=4，这时，可在新稳态值（205）两侧以宽度为4画一区域，图中以画有阴影线区域表示，只要被控变量进入这一区域且不再越出，过渡过程就可以认为已经结束。因此，从图上可以看出，过渡时间为22min。,9/5/2024,55,解 最大偏差：A=230-200=309/12/2,积分性能指标,1、误差平方积分鉴定指标ISE,缺点：会产生振荡的响应,2、绝对误差积分鉴定指标IAE,缺点：最小系统误差的确定有困难,3、时间乘绝对误差积分鉴定指标ITAE,缺点：积分鉴定指标的解析解不易获得,不同积分性能指标对控制系统优良程度的侧重点不同。,9/5/2024,56,积分性能指标1、误差平方积分鉴定指标ISE9/12/2023,1.3 被控对象特性,在过程控制系统中，锅炉、热交换器、反应器、加热炉、窑炉、料仓、贮槽、流体输送设备及一些动力设备等等是最常见的被控对象。,各种对象千差万别，每个对象都有其自身的固有的特性，而对象特性的差异对整个系统的运行控制有着很大的影响。有的对象很容易操作，控制比较平稳；有的生产过程很难操作，只要不小心就会超出正常工艺条件，轻则影响生产，重则造成事故。,因此，只有全面了解和掌握被控对象动态特性，才能合理的设计控制方案，选用合适的检测和控制仪表，进行控制器参数整定。特别是要设计高质量的、新型复杂的控制方案时，如前馈控制、自适应控制、计算机最优控制等等，由于涉及到过程的数学模型问题，更离不开对被控对象特性的研究。,9/5/2024,57,1.3 被控对象特性9/12/202357,1.3 被控对象特性,过程特性是指当被控量（操纵变量或扰动变量）发生变化时，其输出变量（被控变量）随时间的变化规律。,多数工业过程的特性分为四种类型。,（1）自衡的非振荡过程；,（2）无自衡的非振荡过程；,（3）自衡的振荡过程；,（4）具有反向特性的过程。,9/5/2024,58,1.3 被控对象特性9/12/202358,（1）自衡的非振荡过程。该类过程在阶跃输入信号作用下的输出响应曲线没有振荡地从一个稳态趋向于另一个稳态。,例如：液位储罐在进料阀开度增大时，原来的稳定液位会上升，由于出料阀开度未变，随着液位的升高，静压增大，出料流量也增大，因此，液位上升逐渐变慢，直到液位达到一个新的稳定位置。,传递函数：,9/5/2024,59,（1）自衡的非振荡过程。该类过程在阶跃输入信号作用下的输出响,（2）无自衡的非振荡过程。该过程没有自衡能力，它在阶跃输入信号作用下输出响应曲线无振荡地从一个稳态一直上升或下降，不能达到新的稳态。,例如：某些液位储罐的出料阀采用定量泵排出，当进料阀开度阶跃变化时，液位会一直上升到溢出或下降到排空。,传递函数：,9/5/2024,60,（2）无自衡的非振荡过程。该过程没有自衡能力，它在阶跃,（3）自衡的振荡过程。该过程具有自衡能力，它在阶跃输入信号作用下输出呈现衰减振荡特性，最终过程会趋于新的稳态值。,9/5/2024,61,（3）自衡的振荡过程。该过程具有自衡能力，它在阶跃输入,（4）具有反向特性的过程。该类过程在阶跃输入信号作用下开始与终止时出现反向的变化。,该类过程的典型例子就是锅炉水位。,9/5/2024,62,（4）具有反向特性的过程。该类过程在阶跃输入信号作用下,（a）手动控制 （b）自动控制,锅炉汽包液位控制,蒸汽,汽包,省煤器,给水,LT,LC,蒸汽,汽包,省煤器,给水,玻,管,液,位,计,当蒸汽用量阶跃增加时，引起蒸汽压力突然下降，汽包水位由于水的闪急汽化，造成虚假水位上升，但因用汽量的增加，最终，水位反而下降。这类过程由于控制器根据水位的上升会做出减少给水量的误操作，因此，控制这类过程最为困难。,9/5/2024,63,（a）手动控制,描述对象特性的参数：,（放大系数、时间常数、滞后时间）,1,2,L,储液槽,F,1,F,2,以储液槽对象为例：,水经过阀门不断地流入水槽，水槽内的水又通过阀门不断流出，工艺上要求水槽液位保持一定数值。此处，水槽就是被控对象，液位就是被控量。如果阀门的开度不变，而阀门的开度变化，则此阀门的开度变化就是引起液位变化的扰动因数。这里所指的对象特性是指当阀门的开度发生变化，也就是输入水量F1发生变化时，液位是如何变化的。,9/5/2024,64,描述对象特性的参数：12L,当通过阀流入水槽的流量F1等于流出水槽的流量F2时，槽内液位就保持在L0不变。如果假定在某时刻突然开大阀门1，并设输入水槽流量变化，则由于阀2开度未变，液位上升，上升，液体静压加大，使得输出流量F2也随之增加，经过一段时间，F1等于F2，即输入与输出平衡，故稳定在一新的数值L2。的变化开始快以后逐渐变慢，最后稳定在L2不变，其原因乃是开始时F1与F2差别大，以后由于的增加，F1与F2的差别逐渐减小直到完全消除。由此可得水流量变化与液位变化的变化曲线如图所示。此曲线可以描述对象特性。尽管不同对象可以作出不同的变化曲线，但基本上都可以用几个主要物理量来说明对象的特性。,液位和流量变化曲线,F,F,1,F,10,L,2,L,0,L,F,1,F,2,1,2,L,储液槽,F,1,F,2,9/5/2024,65,当通过阀流入水槽的流量F1等于流出水槽的流量F2时,1、放大系数K,由上例可知，在稳定状态下，一定的F对应着一定的L，且令K为L与F之比，用数学表示，即KL/F或 LKF。,放大系数K是一个静态特性参数，只与被控量的变化过程起点与终点有关，而与被控量的变化过程没有关系。利用放大系数K，可以获得任何幅值阶跃扰动（输入变化值）对被控量（输出变化值）的静态影响；K愈大（或愈小），则输入对输出稳定值的影响愈大（或愈小）。显然，不同扰动通过不同通道进入对象时，对输出的影响各不相同，也即对象的放大系数是不同的。,9/5/2024,66,1、放大系数K9/12/202366,1、放大系数K,因此：在考虑控制方案时，应分析各种扰动对被控量的影响，比较它们的放大系数，分析它们的可控性能，选择放大系数较大，可控性能较好的作为操纵量，以利于迅速克服扰动对被控量的影响。,9/5/2024,67,1、放大系数K9/12/202367,2、时间常数Tc,时间常数Tc是说明被控量变化快慢的参数。从大量的生产实践中发现，有的对象受到扰动作用后，被控量变化很快，能较迅速地达到了稳定值；有的对象，被控量要经过很长时间才能达到新的稳定值，由图可以看出，不同对象，其时间常数不同，当受到阶跃扰动时，其响应曲线是不一样的。,水槽液位单容对象,时间常数Tc的求解方法：上图所示的水槽对象是没有滞后的单容对象，其响应曲线是一条指数曲线，被控量液位经过一段时间之后，稳定在一新的数值L；由o点作响应曲线的切线交L于B，则ob即为时间常数Tc。,一般说来，时间常数Tc小，则对象惯性小，被控量变化速度大，不易控制。,9/5/2024,68,2、时间常数Tc水槽液位单容对象 时间常数Tc,3、滞后时间,有的对象在受到扰动作用后，被控量不是立即变化，而是经过一段时间后才开始变化。,0,测点在管道上的蒸汽直接加热器及其特性,F,F,1,F,10,T,2,T,1,F,T,F,1,F,2,l,T,F,蒸汽,水溶液,9/5/2024,69,3、滞后时间 0 测点在管道上的蒸汽直接加热器及其特,3、滞后时间,在实际生产过程中，纯滞后的现象是普遍存在的，因为控制阀门等的安装位置与对象本身之间总有一段距离，输入量（或输出量）的改变和信息的传递均需要时间；另外在被控量虽已发生变化，但要在显示仪表上反映出来，也有一个信息传递的问题，因此我们把纯滞后也叫做传递滞后。传递滞后随调节机构与检测元件之间安装距离的增加而增大。传递滞后给自动控制带来很大的困难，因为在这段时间内，控制装置无能为力，控制器不可能在感受到偏差以前就发出控制信号，所以在自动控制系统中，应当尽可能地避免或减小过程的传递滞后。,9/5/2024,70,3、滞后时间 在实际生产过程中，纯滞后,注意：,放大系数K是用来表征对象静态特性的参数，而时间常数Tc和滞后时间都是用来表征对象受到扰动作用后被控量是如何变化的，因此它们是反映对象动态特性的参数。,9/5/2024,71,注意： 9/12/202371,注意：,最后还应指出，对象的特性还与其负荷变化有关。所谓对象的负荷，是指对象的生产能力或运行能力。,负荷的改变，是由生产需要决定的。当负荷在生产允许的极限范围内变化时，设备就正常运转，但是负荷变化后，对象的各种阻力就会改变，以致使对象的容量、放大系数和时间常数等对象特性亦会改变；另外负荷变化，物料输送量或输送速度也会随之而变，因而也会影响传递滞后。总之，被控对象在不同负荷下，它的特性参数是不同的。在设计自动控制系统时，就应当考虑到负荷变化的影响，使系统各组成环节适应对象负荷的变化，保证控制的质量要求。,9/5/2024,72,注意： 9/12/202372,1.4 过程动态模型的建立,一个过程控制系统由被控过程和检测控制仪表两部分组成。因此，系统的控制品质取决于被控过程和检测控制仪表的特性。由于过程控制仪表的特性是可以人为改变的，以适应不同被控过程的需要。因此，系统控制品质的优劣，主要取决于对生产过程的了解和建立被控过程的数学模型。,建立过程动态模型的方法：,（1）系统辨识法,（2）机理建模法,（3）混合方法,9/5/2024,73,1.4 过程动态模型的建立9/12/202373,系统辨识方法,根据过程输入输出数据确定过程模型的结构和参数的建模方法称为系统辨识方法，建立的模型称为黑箱模型。,根据所建立模型的参数不同，系统辨识法可分为非参数模型辨识和参数模型辨识两类方法。,上面介绍的四类过程特性是用非参数模型辨识建立的模型。非参数模型的过程特性参数可用曲线拟合法估计。,参数模型辨识方法根据输入输出数据用参数估计的方法确定参数模型中的有关参数值。常用的参数模型有自回归模型、扩展自回归模型。参数估计的方法有最小二乘法、最大似然法、仪表变量法、两步法。,9/5/2024,74,系统辨识方法 根据过程输入输出数据确定过程模型的结,系统辨识方法,系统辨识方法不需要过程的先验知识，但建立的模型不具有放大功能，即不能类推到不同型号的放大设备或过程中。,9/5/2024,75,系统辨识方法9/12/202375,机理建模方法,根据过程的内在机理，应用物料平衡、能量平衡和有关的化学、物理规律建立的过程模型的方法是机理建模的方法，又称为过程动态学方法。建立的模型称为白箱模型。建立机理模型的方法如下：,（1）列写基本方程,（2）消去中间变量，建立状态变量x、控制变量u和输出变量y的关系,（3）增量化,（4）线性化,（5）列写状态和输出方程,9/5/2024,76,机理建模方法 根据过程的内在机理，应用物,例：单容水槽,R,1,a,1,2,h,Q,1,Q,2,R,2,液位对象及其特性,h,h,Q,2,ho,Q,2,Q,20,上图为水箱液位控制对象，其液体流入量为Q1，改变调节阀1的开度1，可以改变Q1的大小。液体流出量为Q2，它取决于用户的需要，可调节阀门2的开度来加以改变。液位h的变化就反映了因液体流入量Q1与流出量Q2的不等，而引起水箱中蓄水或泄水的变化过程。请根据条件利用机理建模的方法建立输出与输入之间的数学模型。,9/5/2024,77,例：单容水槽R1a12hQ1Q2R2 液位对象及其特性hh,将其表示为增量形式：,式中Q1、Q2、h分别为偏离某平衡状态Q10、Q20、h0的增量； A水箱截面积。,设某一平衡状态下的流入量Q10等于流出量Q20；水位的稳定值为h0。Q1是调节阀1的开度变化引起的，假设Q1与阀门1的开度变化量的关系为,Q1k （3）,式中 k比例系数,流出量Q2随液位h变化，h愈高，液体出口静压愈大，Q2就愈大，假设二者变化量之间关系为,或,（4）,9/5/2024,78,将其表示为增量形式：式中Q1、Q2、h分别为偏离某,式中 R2阀门2的阻力，称为液阻，其物理意义是产生单位流量变化所必须的液位变化量。,在一般情况下，液位h与流量Q2之间的关系是非线性的。因此液阻R2 在不同流量Q2时是不同的。为了简化问题，在曲线上工作点a附近不大的范围内，用切于a点的一段切线，代替原曲线上的一段曲线，进行线性化处理。经过线性化后，液阻R2则可认为是常数，可以用式（4）表示。,将（3）和式（4）代入式（2）可得,写成一般形式为,或者,上式h和经拉氏变换为H(s)和,(s),得对象传递函数GO(s)为：,式中 C液容又称为容量系数，在数值上等于水箱横截面积A。,9/5/2024,79,式中 R2阀门2的阻力，称为液阻，其物理意义是产,作业：单容传热过程,图为电炉和加热容器组成的温度过程。要求容器内水温T,1,在生产过程中保持恒定，故为被控参数，即过程的输出量。电炉连续给水供热Q,1,为该过程的输入量（控制参数）。盛水容器向室外散发热量Q,2,，室温T,2,。试建立温度过程的数学模型。（G为加热器内水的质量，C,P,为水的比热容，Kr为传热系数，A为容器表面积。）,电加热器温度对象,9/5/2024,80,作业：单容传热过程 图为电炉和加热容器,