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第一篇 简单控制系统1本讲稿第一页，共七十四页一生产过程自动化的发展概况和趋势一生产过程自动化的发展概况和趋势1)1)过程控制定义过程控制定义2)2)自动化技术发展简介自动化技术发展简介二过程控制的任务和要求二过程控制的任务和要求绪绪 论论2本讲稿第二页，共七十四页一一 生产过程自动化的发展概况和趋势生产过程自动化的发展概况和趋势1.1.1.1.过程控制定义：过程控制定义：过程控制定义：过程控制定义：通常是指石油通常是指石油通常是指石油通常是指石油,化工化工化工化工,电力电力电力电力,冶金冶金冶金冶金,轻工轻工轻工轻工,建材和核能等工业生产中连续或按一定周期进建材和核能等工业生产中连续或按一定周期进建材和核能等工业生产中连续或按一定周期进建材和核能等工业生产中连续或按一定周期进行的生产过程自动控制行的生产过程自动控制行的生产过程自动控制行的生产过程自动控制,它是自动化技术的重要组成部分它是自动化技术的重要组成部分它是自动化技术的重要组成部分它是自动化技术的重要组成部分2.2.2.2.针对参数：温度针对参数：温度针对参数：温度针对参数：温度,压力压力压力压力,流量流量流量流量,液位液位液位液位(物位物位物位物位),),),),成分和物性成分和物性成分和物性成分和物性3本讲稿第三页，共七十四页3.3.工业生产对过程控制的要求工业生产对过程控制的要求工业生产对过程控制的要求工业生产对过程控制的要求 安全性（最基本，最重要要求）安全性（最基本，最重要要求）安全性（最基本，最重要要求）安全性（最基本，最重要要求）在整个生产过程中，确保人身和设备的安全在整个生产过程中，确保人身和设备的安全在整个生产过程中，确保人身和设备的安全在整个生产过程中，确保人身和设备的安全保证措施：参数越限报警保证措施：参数越限报警保证措施：参数越限报警保证措施：参数越限报警,事故报警事故报警事故报警事故报警,联锁保护联锁保护联锁保护联锁保护,在线故障预测和在线故障预测和在线故障预测和在线故障预测和诊断诊断诊断诊断,设计容错控制系统设计容错控制系统设计容错控制系统设计容错控制系统 经济性经济性经济性经济性使生产同样质量和数量产品所消耗的能量和原材料最少使生产同样质量和数量产品所消耗的能量和原材料最少使生产同样质量和数量产品所消耗的能量和原材料最少使生产同样质量和数量产品所消耗的能量和原材料最少,即低成即低成即低成即低成本高效率本高效率本高效率本高效率.通过实现生产过程局部或整体最优化来实现通过实现生产过程局部或整体最优化来实现通过实现生产过程局部或整体最优化来实现通过实现生产过程局部或整体最优化来实现 稳定性稳定性稳定性稳定性系统具有抑制外部干扰，保持生产过程长期稳定运行的能力系统具有抑制外部干扰，保持生产过程长期稳定运行的能力系统具有抑制外部干扰，保持生产过程长期稳定运行的能力系统具有抑制外部干扰，保持生产过程长期稳定运行的能力4本讲稿第四页，共七十四页4.自动化技术发展概况自动化技术发展概况(三个阶段三个阶段)(1)第一阶段第一阶段(经典控制理论经典控制理论)1)理论基础：传递函数理论基础：传递函数(被控系统的数学描述被控系统的数学描述)根轨迹法和频率法根轨迹法和频率法(对系统进行分析和综合对系统进行分析和综合)2)设计方法：将复杂的生产过程分解为若干个简单过程，实现单输设计方法：将复杂的生产过程分解为若干个简单过程，实现单输 入单输出的控制系统入单输出的控制系统 3)缺点：缺点：只能满足于保持生产的稳定和安全，属于局部自动化范畴只能满足于保持生产的稳定和安全，属于局部自动化范畴 依赖手工和经验依赖手工和经验5本讲稿第五页，共七十四页简单控制系统方框图简单控制系统方框图r-给定值给定值(模拟模拟,数字数字)e-偏差偏差(e=r-ym)u-调节器输出调节器输出-执行器输出执行器输出 ym-被调量的测量信号被调量的测量信号 D-干扰干扰y-被调量实际值被调量实际值6本讲稿第六页，共七十四页(2)第二阶段第二阶段(现代控制理论现代控制理论)1)理论基础理论基础:状态空间分析方法状态空间分析方法,包括以最小二乘法为基础的包括以最小二乘法为基础的系统辩系统辩 识识,以极大值和动态规划为主要方法的以极大值和动态规划为主要方法的最优控制最优控制和以卡尔曼滤波理和以卡尔曼滤波理 论为核心的论为核心的最佳估计最佳估计等等2)优点：优点：能够深入揭示系统内在的规律性能够深入揭示系统内在的规律性,从局部控制进入到一定意义从局部控制进入到一定意义下下 的全局最优的全局最优 在结构上已经从单环扩展到适应环在结构上已经从单环扩展到适应环,学习环学习环3)缺点缺点:由于当时计算机技术的限制由于当时计算机技术的限制,计算机控制处于试验阶段计算机控制处于试验阶段 现代控制理论与工程实际之间有较大差距现代控制理论与工程实际之间有较大差距:建模困难建模困难,性能指标不性能指标不 易确定易确定,控制策略缺乏控制策略缺乏.现代控制理论是人们对控制技术在认识上的一次质的飞跃现代控制理论是人们对控制技术在认识上的一次质的飞跃,为实现高水平的自动化奠定了理为实现高水平的自动化奠定了理论基础论基础.同时同时,电子计算机的发展为实现工业自动化提供了重要的技术手段电子计算机的发展为实现工业自动化提供了重要的技术手段.出现了直接出现了直接数字控制数字控制(DDC)系统和计算机监控系统系统和计算机监控系统7本讲稿第七页，共七十四页直接数字控制系统直接数字控制系统直接数字控制系统特点：直接数字控制系统特点：多输入多输出，在线实时控制多输入多输出，在线实时控制分时方式控制分时方式控制灵活性、多功能性，控制由计算机完成灵活性、多功能性，控制由计算机完成 8本讲稿第八页，共七十四页计算机监控系统计算机监控系统9本讲稿第九页，共七十四页(3)第三阶段第三阶段(第三代控制理论第三代控制理论)特点特点:可靠性高，价格低可靠性高，价格低由于计算机，大规模集成电路技术的发展，使计算机功能更强，由于计算机，大规模集成电路技术的发展，使计算机功能更强，价格大幅度降低价格大幅度降低.在采用了冗余技术在采用了冗余技术,软硬件自诊断功能等措施软硬件自诊断功能等措施后，可靠性提高到基本上能够满足工业控制的要求后，可靠性提高到基本上能够满足工业控制的要求 多学科相互交叉多学科相互交叉,相互渗透相互渗透.突破了局部控制突破了局部控制,进入到全局控进入到全局控制制.英文缩写英文缩写DDC直接数字控制直接数字控制(Direct Digital Control)DCS分布式分布式/集散控制集散控制(Distributed Control System)CIPS计算机集成过程计算机集成过程(生产生产)系统系统(Computer Integrated Produc -tion System)10本讲稿第十页，共七十四页二过程控制的任务和要求二过程控制的任务和要求任务：在了解掌握工艺流程及生产过程的静态和动态特性的基础上，根据任务：在了解掌握工艺流程及生产过程的静态和动态特性的基础上，根据安全性，经济性，稳定性的要求，应用理论对控制系统进行分析和安全性，经济性，稳定性的要求，应用理论对控制系统进行分析和 综合，最后采用适宜的技术手段加以实现综合，最后采用适宜的技术手段加以实现要求：要求：安全性，经济性，稳定性安全性，经济性，稳定性11本讲稿第十一页，共七十四页过程控制系统的设计步骤：过程控制系统的设计步骤：加热炉控制流程图加热炉控制流程图1)确定控制目标确定控制目标要设计过程控制系统，首先必须了解控制要设计过程控制系统，首先必须了解控制目标对于给定的被控过程，可以根据具目标对于给定的被控过程，可以根据具体情况提出各种不同的控制目标体情况提出各种不同的控制目标.本例中本例中可以有几个目标可以有几个目标:在安全运行的条件下，保证热油在安全运行的条件下，保证热油 出口温度稳定出口温度稳定 在安全运行条件下，保证热油出在安全运行条件下，保证热油出 口温度和烟气含氧量稳定口温度和烟气含氧量稳定 在安全运行条件下，保证热油出在安全运行条件下，保证热油出 口温度稳定口温度稳定,而且加热炉热效最高而且加热炉热效最高12本讲稿第十二页，共七十四页2)选择测量参数选择测量参数(被调量被调量)无论采用什么控制方案，都需要通过某些参数的测量来控制和监视整个生产无论采用什么控制方案，都需要通过某些参数的测量来控制和监视整个生产过程参数由目标确定如需温度稳定，就肯定要检测温度参数确定了参过程参数由目标确定如需温度稳定，就肯定要检测温度参数确定了参数，应选择合适的测量元件和变送器数，应选择合适的测量元件和变送器有些参数难以直接测量有些参数难以直接测量,则应通过测量与之成一定关系的另一些参数来获取则应通过测量与之成一定关系的另一些参数来获取3)操作量的选择操作量的选择一般情况下，操作量都是工艺规定的，设计中没有多大的选择余地但在有多个一般情况下，操作量都是工艺规定的，设计中没有多大的选择余地但在有多个操作量和被调量的情况下，用哪个操作量去控制哪个被调量还是需要认真选择的操作量和被调量的情况下，用哪个操作量去控制哪个被调量还是需要认真选择的4)控制方案的确定控制方案的确定控制方案是随控制目标和控制精度要求而不同的控制方案是随控制目标和控制精度要求而不同的,它是整个设计过程中的关键它是整个设计过程中的关键步骤步骤13本讲稿第十三页，共七十四页 如果采用的是第一种方案，即：在安全运行的条件下，保证热油出口如果采用的是第一种方案，即：在安全运行的条件下，保证热油出口 温度稳定那么只要对炉子进行人工调整，使之不冒黑烟，不熄火，温度稳定那么只要对炉子进行人工调整，使之不冒黑烟，不熄火，保证一定的安全性和经济性，然后采用热油出口温度简单控制系统的保证一定的安全性和经济性，然后采用热油出口温度简单控制系统的 方案就可以满足要求方案就可以满足要求 对于第二个目标，需要烟气含氧量稳定，则可以再加一个烟气含氧对于第二个目标，需要烟气含氧量稳定，则可以再加一个烟气含氧 量简单控制系统，用两个单回路来完成控制任务量简单控制系统，用两个单回路来完成控制任务 对于第三个控制目标，除了分别对温度和含氧量采用定值控制外，对于第三个控制目标，除了分别对温度和含氧量采用定值控制外，含氧量的设定值还应该保证加热炉热效最高。这需要建立燃烧过程含氧量的设定值还应该保证加热炉热效最高。这需要建立燃烧过程 数学模型，使之在不同工况下，均能依靠调整含氧量设定值保持加数学模型，使之在不同工况下，均能依靠调整含氧量设定值保持加 热炉热效率最高热炉热效率最高可以看到，控制策略是随控制目标和控制精度要求而不同的可以看到，控制策略是随控制目标和控制精度要求而不同的14本讲稿第十四页，共七十四页5)选择控制算法选择控制算法控制算法由控制方案确定控制算法由控制方案确定常见的控制算法有：常见的控制算法有：PID控制，解藕控制，最优控制等控制，解藕控制，最优控制等如加热炉热油温度控制，可采用如加热炉热油温度控制，可采用PID控制控制6)执行器的选择执行器的选择在自动控制系统中在自动控制系统中,执行器的作用是按控制器的命令执行器的作用是按控制器的命令,直接控制能量或物料等被直接控制能量或物料等被测介质的输送测介质的输送,是自动控制系统的终端执行部件是自动控制系统的终端执行部件,一般由执行机构一般由执行机构,调节机构两调节机构两部分组成按使用能源种类可分为气动，电动，液动三种部分组成按使用能源种类可分为气动，电动，液动三种7)设计报警和联锁保护系统设计报警和联锁保护系统对于关键参数对于关键参数,应根据工艺要求规定其高低报警值应根据工艺要求规定其高低报警值,当参数超过报警值时当参数超过报警值时,应应立即立即进行越限报警进行越限报警.报警系统的作用是及时提醒操作人员密切注意监视生产状况报警系统的作用是及时提醒操作人员密切注意监视生产状况,以便采取以便采取措施减少事故的发生措施减少事故的发生联锁保护系统是指当生产出现严重事故时联锁保护系统是指当生产出现严重事故时,为保证设备为保证设备,人身的安全人身的安全,使各个设备使各个设备按一定次序紧急停止运转的系统按一定次序紧急停止运转的系统15本讲稿第十五页，共七十四页8)控制系统的调试和投运控制系统的调试和投运控制系统安装完毕后，应随着生产过程进行试运行，按控制要求检查和调整各控制系统安装完毕后，应随着生产过程进行试运行，按控制要求检查和调整各控制仪表和设备的工作状况，包括调节器参数的整定等，依次将全部控制系统控制仪表和设备的工作状况，包括调节器参数的整定等，依次将全部控制系统投入运行投入运行对于一个从事过程控制的工作者来说，除了掌握控制理论，计算机，仪器仪表知识以及现代对于一个从事过程控制的工作者来说，除了掌握控制理论，计算机，仪器仪表知识以及现代控制技术之外，还要十分熟悉生产过程的工艺流程，从控制的角度理解它的静态和动态特性控制技术之外，还要十分熟悉生产过程的工艺流程，从控制的角度理解它的静态和动态特性例如加热炉运行中出现严重事故必须紧急停止运行时，联锁保护系统应采取的停止步骤是：例如加热炉运行中出现严重事故必须紧急停止运行时，联锁保护系统应采取的停止步骤是：停燃油泵停燃油泵关闭燃油阀关闭燃油阀等待一定时间后停引风机等待一定时间后停引风机最后切断热油阀最后切断热油阀16本讲稿第十六页，共七十四页第一篇简单控制系统第一篇简单控制系统简单控制系统简单控制系统:单闭合回路单闭合回路一个被调量一个被调量,一个调节量一个调节量,一个调节器一个调节器,一个调节阀一个调节阀约占目前工业控制的约占目前工业控制的80%简单控制系统方框图简单控制系统方框图17本讲稿第十七页，共七十四页1-1 过程控制系统的性能指标过程控制系统的性能指标研究目的研究目的:为了配置合适的控制系统为了配置合适的控制系统,以满足生产过程的要求以满足生产过程的要求.过程控制系统在运行中的状态过程控制系统在运行中的状态:稳态稳态:系统不受外来干扰系统不受外来干扰 设定值保持不变设定值保持不变第一章生产过程的动态特性第一章生产过程的动态特性稳态稳态动态动态被调量不随时间变化被调量不随时间变化,整个系统整个系统处于稳定平衡的工况处于稳定平衡的工况18本讲稿第十八页，共七十四页动态动态:系统受到外来干扰系统受到外来干扰 改变了设定值改变了设定值过渡过程过渡过程:从一个稳态到达另一个稳态的历程从一个稳态到达另一个稳态的历程由于被控对象总是不时受到各种外来干扰的影响，设置控制系统的目的也正是为了对付由于被控对象总是不时受到各种外来干扰的影响，设置控制系统的目的也正是为了对付这种情况，因此系统经常处于动态过程，而要评价一个过程控制系统的工作质量，只看这种情况，因此系统经常处于动态过程，而要评价一个过程控制系统的工作质量，只看稳态是不够的，还应该考核它在动态过程中被调量随时间变化的情况稳态是不够的，还应该考核它在动态过程中被调量随时间变化的情况控制系统的性能指标可概括为三个方面控制系统的性能指标可概括为三个方面稳定性稳定性准确性准确性快速性快速性这三个方面的要求在时域上体现为若干性能指标，如：衰减比这三个方面的要求在时域上体现为若干性能指标，如：衰减比(及衰减及衰减)，最大动态，最大动态偏差偏差(及超调量及超调量)，残余偏差，调节时间，残余偏差，调节时间(及振荡频率及振荡频率)等等原来的稳态遭到破坏原来的稳态遭到破坏,系统中各组成部分的输系统中各组成部分的输入输出量都相继发生变化入输出量都相继发生变化,被调量偏离原稳被调量偏离原稳态值而随时间变化态值而随时间变化19本讲稿第十九页，共七十四页 闭环控制系统在设定值扰动下的阶跃响应闭环控制系统在设定值扰动下的阶跃响应r20本讲稿第二十页，共七十四页1.衰减比和衰减率衰减比和衰减率衰减比是衡量一个振荡过程的衰减程度的指标衰减比是衡量一个振荡过程的衰减程度的指标,它等于两个相临的同向波峰峰值之比它等于两个相临的同向波峰峰值之比.即衰减比即衰减比n1 收敛，趋于稳定n=1 振荡（等幅）n流入流入液位液位，液体，液体流出流出流入流入，温度温度，热量，热量流出流出流入流入，转速转速，动能，动能流出流出流入流入流入量，流出量与输入输出的区别流入量，流出量与输入输出的区别输入输出在控制系统的每个环节都存在，往往一个环节的输出是另一个环节的输入而流输入输出在控制系统的每个环节都存在，往往一个环节的输出是另一个环节的输入而流入流出量则是通过执行结构来实现的如液体的出入是通过调节阀实现，温度的高低是通入流出量则是通过执行结构来实现的如液体的出入是通过调节阀实现，温度的高低是通过电子开关的通断实现，转速的升降可以通过电机的运转实现过电子开关的通断实现，转速的升降可以通过电机的运转实现26本讲稿第二十六页，共七十四页2.若干简单被控对象的动态特性若干简单被控对象的动态特性1)单容水槽单容水槽单容水槽Qi-水流入量，由调节阀开 度控制Qo-水流出量，由负载阀 改变被调量-水位，反映水流入 流出量的平衡关系27本讲稿第二十七页，共七十四页对于水槽，在起始的稳定平衡的工况下，平衡方程为则：28本讲稿第二十八页，共七十四页设H在H0附近变化，则：即29本讲稿第二十九页，共七十四页令则上式为其传递函数为水容水阻时间常数30本讲稿第三十页，共七十四页单容水槽水位阶跃响应31本讲稿第三十一页，共七十四页非线形微分方程的线性化方法非线形微分方程的线性化方法严格地说严格地说,实际物理元件或系统都是非线性的实际物理元件或系统都是非线性的,如弹簧的刚度与其形变有关系如弹簧的刚度与其形变有关系,因此弹簧系数因此弹簧系数K实际上是其位移实际上是其位移x的函数的函数,并非常数并非常数.电阻、电容、电感等参数值电阻、电容、电感等参数值与周围环境与周围环境(温度、湿度、压力等温度、湿度、压力等)及流过它们的电流有关及流过它们的电流有关,也并非常值也并非常值;电动机电动机本身的摩擦本身的摩擦,死区等非线性因素会使其运动方程复杂化而成为非线性方程死区等非线性因素会使其运动方程复杂化而成为非线性方程.在一在一定条件下定条件下,为了简化数学模型为了简化数学模型,可以忽略它们的影响可以忽略它们的影响,将这些元件视为线性元件将这些元件视为线性元件.此外，还有一种线性化方法此外，还有一种线性化方法,称为切线法称为切线法,特别适合于具有连续变化的非线性特别适合于具有连续变化的非线性特性函数，其实质是在一个很小的范围内，将非线性特性用一段直线来代替特性函数，其实质是在一个很小的范围内，将非线性特性用一段直线来代替设连续变化的非线性函数为设连续变化的非线性函数为y=f(x),在在x=x0出将出将y=f(x)用泰勒级数展开用泰勒级数展开,则有则有当当(x-x0)很小时，略去高次幂，则有很小时，略去高次幂，则有32本讲稿第三十二页，共七十四页令则线性化方程可简记为略去增量符号，便的函数y=f(x)在工作点x0附近的线性化方程为当系统或元件具有非线性特性时当系统或元件具有非线性特性时,则其动态数学模型常为非线性微分方程则其动态数学模型常为非线性微分方程,而非线性微分而非线性微分方程的解析求解是异常困难的方程的解析求解是异常困难的,且由于非线性特性类型不同且由于非线性特性类型不同,没有通用的解析方法没有通用的解析方法.因此因此,在理论研究时总是力图将非线性问题在合理的情况下简化处理成线性问题，即所谓的线在理论研究时总是力图将非线性问题在合理的情况下简化处理成线性问题，即所谓的线性化性化.33本讲稿第三十三页，共七十四页对于微分方程在平衡点H0处有两式相减，有令则代入上式可得34本讲稿第三十四页，共七十四页即所以一般情况下非线性微分方程的线性化步骤为所以一般情况下非线性微分方程的线性化步骤为 按给出的非线性微分方程写出在平衡位置处的微分方程按给出的非线性微分方程写出在平衡位置处的微分方程 将两微分方程相减将两微分方程相减 根据泰勒级数将相减后表达式中非线性部分展开根据泰勒级数将相减后表达式中非线性部分展开,即为线性微分方程即为线性微分方程35本讲稿第三十五页，共七十四页2)单容积分水槽单容积分水槽单容积分水槽水槽流出侧装有水泵，水箱的流出水量与水位无关在某一时间dt内由得在某一平衡位置H0处，有相减即有36本讲稿第三十六页，共七十四页单容积分水槽的阶跃响应单容积分水槽的阶跃响应方程为该响应曲线是一个发散过程该响应曲线是一个发散过程.与单容与单容水槽不同的是水槽不同的是:单容水槽由于出水量单容水槽由于出水量由水位控制由水位控制,相当于有一个自调节系相当于有一个自调节系统统,水位增大水位增大,则出水量随之增大则出水量随之增大,使水位趋于变小使水位趋于变小.而积分水槽出水量而积分水槽出水量与水位无关与水位无关,无自调节作用无自调节作用,平衡破平衡破坏后坏后,很难再次达到另一个平衡点很难再次达到另一个平衡点37本讲稿第三十七页，共七十四页3 工业过程动态特性的特点工业过程动态特性的特点(被控对象本身的性质被控对象本身的性质)1)对象的动态特性是不振荡的对象的动态特性是不振荡的对象的阶跃响应曲线通常是单调曲线，被调量的变化比较缓慢工业对象的幅频特性M()和相频特性()都随着频率的增高而减小2)对象动态特性有迟延对象动态特性有迟延由于迟延的存在，调节阀的动作效果往往需要经过一段迟延时间才能在被调量上表现出来迟延的主要来源是多个容积的存在容积越大和数目越多，迟延时间也越长3)被控对象本身是稳定的或中性稳定的被控对象本身是稳定的或中性稳定的自平衡:当输入量改变时，被调量能够自动稳定在新的位置上，则该过程自平衡率自平衡率:K-对象的静态增益对象的静态增益自衡过程自衡过程:是自平衡的(带纯迟延的一阶惯性环节带纯迟延的一阶惯性环节)38本讲稿第三十八页，共七十四页非自平衡非自平衡:当输入改变后当输入改变后,不平衡不因被调量的变化而改变不平衡不因被调量的变化而改变,因而因而被调量被调量 将以固定的速度一直变化下去而不会自动地在新的水平上恢将以固定的速度一直变化下去而不会自动地在新的水平上恢 复复平衡平衡.它是中性平衡的它是中性平衡的不稳定过程是指原来的平衡一旦破坏，被调量在很短的时间内就发生很大的变化不稳定过程是指原来的平衡一旦破坏，被调量在很短的时间内就发生很大的变化典型工业过程在调节阀开度扰动下的阶跃(飞升)响应:非自衡过程非自衡过程:39本讲稿第三十九页，共七十四页再经过再经过时间后，被调量的变化量近似为时间后，被调量的变化量近似为对于非自衡过程，此时对于非自衡过程，此时 y=y=是准确成立的，其中是准确成立的，其中因此，可以用因此，可以用的大小作为衡量被控对象控制难易程度的简易指标的大小作为衡量被控对象控制难易程度的简易指标 越大越大,过程越难控制过程越难控制 越小越小,过程越易控制过程越易控制对象受到阶跃扰动对象受到阶跃扰动,经过一段迟延时间经过一段迟延时间 后后,被调量开始以某个速度变化被调量开始以某个速度变化,这个起始这个起始速度称为响应速度，表示为速度称为响应速度，表示为=dy/dt|t=小小:K小小,大大自平衡率大自平衡率大,易于平衡易于平衡 /T 小，接近小，接近自自衡衡单单容容过过程程易于控制过程易于控制过程40本讲稿第四十页，共七十四页单纯由迟延构成的过程是很难控制的单纯由迟延构成的过程是很难控制的,而自平衡的单容过程则极易控制而自平衡的单容过程则极易控制.右图是自衡过程在调节阀开度单位扰动下的响应的初期情况.为了便于在相同的基础上对各种被控对象进行比较,输入输出都用相对值表示-迟延时间迟延时间T-时间常数时间常数时间常数时间常数T的意义的意义:表示被控对象以表示被控对象以t=时的切线速度一直变化到稳态值时时的切线速度一直变化到稳态值时所需要的时间所需要的时间将将t=T代入方程代入方程可得到也就是对象受阶跃输入作用后，被控变量达到新稳态值63.2%所需时间(可用做验算)y=k(1-e-(t-)/T)41本讲稿第四十一页，共七十四页4)被控对象具有非线性特性被控对象具有非线性特性严格地说严格地说,几乎所有的被控对象的动态特性都呈现非线性特性几乎所有的被控对象的动态特性都呈现非线性特性,只是程度不同而已只是程度不同而已.如许多如许多被控对象的增益就不是常数被控对象的增益就不是常数.对于被控对象的非线性特性对于被控对象的非线性特性,如果控制精度要求不高如果控制精度要求不高或者负荷变化不大或者负荷变化不大,则可用线性化方法进行处理则可用线性化方法进行处理.但是如果非线性不可忽略但是如果非线性不可忽略,必须采必须采用其他方法用其他方法,如分段线性化的方法如分段线性化的方法,非线性补偿或者利用非线性控制理论来进行系非线性补偿或者利用非线性控制理论来进行系统的分析和设计统的分析和设计需要强调的是需要强调的是,时间常数时间常数T越大越大,被控量的变化越慢被控量的变化越慢,达到新的稳态值所需要的时间越达到新的稳态值所需要的时间越长长.时间常数大的对象时间常数大的对象,系统稳定性好系统稳定性好,动态偏差较小动态偏差较小,但同时系统的调节性能变差但同时系统的调节性能变差,一旦系统偏离设定值后一旦系统偏离设定值后,所需调节时间较长所需调节时间较长.因此因此,对于时间常数大的调节对象对于时间常数大的调节对象,在自在自控系统设计时可适当降低系统的动态偏差要求控系统设计时可适当降低系统的动态偏差要求.但静态指标应严格控制但静态指标应严格控制.而对于时间而对于时间常数小的系统常数小的系统,则动态指标是控制系统的主要目标则动态指标是控制系统的主要目标42本讲稿第四十二页，共七十四页4 描述过程特性的参数描述过程特性的参数 (放大系数放大系数,时间常数时间常数,迟延时间迟延时间)冷物料冷物料热物料热物料W蒸汽蒸汽QQQWWtt数学表达式数学表达式 a a 蒸汽加热器系统蒸汽加热器系统 b b 温度响应曲线温度响应曲线静态特性参数静态特性参数1)放大系数放大系数K(静态增益静态增益)单位单位:/1%意义意义:43本讲稿第四十三页，共七十四页增益的求取增益的求取已知传递函数已知传递函数已知模型表达式已知模型表达式(无微分无微分)已知实验数据或调节量和被调量的变化量已知实验数据或调节量和被调量的变化量K非线性非线性P94:1.10,1.1144本讲稿第四十四页，共七十四页放大系数放大系数K对系统的影响对系统的影响放大系数越大，操纵变量的变化对被控变量的影响就越大，控制作用对扰动的补放大系数越大，操纵变量的变化对被控变量的影响就越大，控制作用对扰动的补偿能力强，有利于克服扰动的影响，余差就越小；反之，放大系数小，控制作用的影偿能力强，有利于克服扰动的影响，余差就越小；反之，放大系数小，控制作用的影响不显著，被控变量变化缓慢。但放大系数过大，会使控制作用对被控变量的影响过响不显著，被控变量变化缓慢。但放大系数过大，会使控制作用对被控变量的影响过强，使系统稳定性下降。强，使系统稳定性下降。控制通道控制通道 当扰动频繁出现且幅度较大时，放大系数大，被控变量的波动就当扰动频繁出现且幅度较大时，放大系数大，被控变量的波动就会很大，使得最大偏差增大；而放大系数小，即使扰动较大，对被会很大，使得最大偏差增大；而放大系数小，即使扰动较大，对被控变量仍然不会产生多大影响。控变量仍然不会产生多大影响。扰动通道扰动通道45本讲稿第四十五页，共七十四页2)时间常数时间常数T以图直接蒸汽加热器为例，假设蒸汽流量作阶跃变化，阶跃以图直接蒸汽加热器为例，假设蒸汽流量作阶跃变化，阶跃幅值为幅值为QQ，热物料出口温度，热物料出口温度W(t)W(t)随蒸汽流量变化的曲线可用方随蒸汽流量变化的曲线可用方程式表示程式表示 时间常数是动态参数，用来表征被控变量的快慢程度。时间常数是动态参数，用来表征被控变量的快慢程度。式中：式中：T T为时间常数。为时间常数。46本讲稿第四十六页，共七十四页时间常数时间常数T T对系统的影响对系统的影响控制通道，对于扰动通道，时间常数大，扰动作用比较平缓，控制通道，对于扰动通道，时间常数大，扰动作用比较平缓，被控变量的变化比较平稳，过程较易控制。被控变量的变化比较平稳，过程较易控制。控制通道控制通道在相同的控制作用下，时间常数大，被控变量的变化比较缓在相同的控制作用下，时间常数大，被控变量的变化比较缓慢，此时过程比较平稳，容易进行控制，但过渡过程时间较慢，此时过程比较平稳，容易进行控制，但过渡过程时间较长；若时间常数小，则被控变量的变化速度快，控制过程比长；若时间常数小，则被控变量的变化速度快，控制过程比较灵敏，不易控制。时间常数太大或太小，对控制上都不利。较灵敏，不易控制。时间常数太大或太小，对控制上都不利。扰动通道扰动通道47本讲稿第四十七页，共七十四页3)3)滞后时间滞后时间 又称为传递滞后。纯滞后的产生一般是由于介质的输送、能量传又称为传递滞后。纯滞后的产生一般是由于介质的输送、能量传递和信号传输需要一段时间而引起的。递和信号传输需要一段时间而引起的。纯滞后纯滞后 0:0:皮带输送装置皮带输送装置例例浓度监测点浓度监测点溶解槽溶解槽v vL LXYtt溶解槽过程的响应曲线溶解槽过程的响应曲线 0输送机将固体溶质由加料斗送至溶解槽所经过的时间，称为输送机将固体溶质由加料斗送至溶解槽所经过的时间，称为纯滞后时间纯滞后时间。其中其中l l表示皮带长度，表示皮带长度，v v表示皮带移动的线速度。表示皮带移动的线速度。不少过程在输入变化后，输出并不立即变化，而是要经过一段不少过程在输入变化后，输出并不立即变化，而是要经过一段时间后输出才发生变化，这段时间称为纯滞后时间后输出才发生变化，这段时间称为纯滞后(时间时间).0=L/V48本讲稿第四十八页，共七十四页 容量滞后容量滞后n n 容量滞后的产生一般是物料或能量传递需要通过一定的阻力而引容量滞后的产生一般是物料或能量传递需要通过一定的阻力而引起的。它是多容过程所固有的特性。起的。它是多容过程所固有的特性。nAh1 Q1 Q12 h2 Q2 A1A2oXYtt串联水槽及其响应曲线串联水槽及其响应曲线 如图所示的两个串联水槽的液位（双容）过程来说明容量滞后现象如图所示的两个串联水槽的液位（双容）过程来说明容量滞后现象.49本讲稿第四十九页，共七十四页从理论上讲从理论上讲,纯滞后与容量滞后有着本质的区别纯滞后与容量滞后有着本质的区别,但在实际生产但在实际生产过程中两者同时存在过程中两者同时存在,有时很难区别有时很难区别.通常用滞后时间通常用滞后时间 来表示纯来表示纯滞后与容量滞后之和滞后与容量滞后之和.即即=0 0+n n.下图为滞后时间下图为滞后时间示意图。示意图。滞后时间滞后时间示意图示意图oXYtt0n50本讲稿第五十页，共七十四页滞后时间滞后时间对系统的影响对系统的影响由于存在滞后由于存在滞后,使控制作用落后于被控变量的变化使控制作用落后于被控变量的变化,从而使被控从而使被控变量的偏差增大变量的偏差增大,控制质量下降控制质量下降.滞后时间越大滞后时间越大,控制质量越控制质量越差差.控制通道控制通道对于扰动通道对于扰动通道,如果存在纯滞后如果存在纯滞后,相当于扰动延迟了一段时间相当于扰动延迟了一段时间才进入系统才进入系统,而扰动在什么时间出现而扰动在什么时间出现,本来就是无从预知的本来就是无从预知的,因此因此,并不影响控制系统的品质并不影响控制系统的品质.扰动通道中存在容量滞后扰动通道中存在容量滞后,可可使阶跃扰动的影响趋于缓和使阶跃扰动的影响趋于缓和,对控制系统是有利的对控制系统是有利的.扰动通道扰动通道51本讲稿第五十一页，共七十四页1.3 过程数学模型及其建立方法过程数学模型及其建立方法数学模型是对事物行为规律的数学描述，根据所描述的是事物在稳态下的行为还是在动态数学模型是对事物行为规律的数学描述，根据所描述的是事物在稳态下的行为还是在动态下的，数学模型有静态模型和动态模型之分下的，数学模型有静态模型和动态模型之分1)建立数学模型的目的建立数学模型的目的 制订工业过程优化操作方案制订工业过程优化操作方案 制订控制系统的设计方案制订控制系统的设计方案,利用数学模型进行仿真研究利用数学模型进行仿真研究 进行控制系统的调试和调节器参数的整定进行控制系统的调试和调节器参数的整定 设计工业过程的故障检测和诊断系统设计工业过程的故障检测和诊断系统 制订大型设备启动和停车的操作方案制订大型设备启动和停车的操作方案 设计工业过程运行人员培训系统设计工业过程运行人员培训系统1.过程数学模型的表达形式与对模型的要求过程数学模型的表达形式与对模型的要求52本讲稿第五十二页，共七十四页2)被控对象数学模型的表达形式被控对象数学模型的表达形式(1)按系统的连续性划分：连续系统模型，离散系统模型按系统的连续性划分：连续系统模型，离散系统模型(2)按模型的结构划分：输入输出模型，状态空间模型按模型的结构划分：输入输出模型，状态空间模型(3)输入输出模型按域划分：输入输出模型按域划分：时域时域-阶跃响应，脉冲响应阶跃响应，脉冲响应频域频域-传递函数传递函数在控制系统设计中,所需的被控对象数学模型在表达方式上因情况而异.例如：PID控制要求过程模型用传递函数表达；二次型最优控制要求用状态空间表达式；基于参数估计的自适应控制通常要求用脉冲传递函数表达;预测控制要求用阶跃响应或脉冲响应表达53本讲稿第五十三页，共七十四页3)被控对象数学模型的利用方式被控对象数学模型的利用方式离线：数学模型只是在进行控制系统的设计研究中或在控制系统的调试离线：数学模型只是在进行控制系统的设计研究中或在控制系统的调试整定阶段发挥作用整定阶段发挥作用在线：将数学模型作为一个组成部分砌入控制系统中在线：将数学模型作为一个组成部分砌入控制系统中4)被控对象对数学模型的要求被控对象对数学模型的要求用于控制的数学模型并不要求非常准确用于控制的数学模型并不要求非常准确.闭环控制本身具有一定的鲁棒性闭环控制本身具有一定的鲁棒性,模模型的误差可视为干扰型的误差可视为干扰,而闭环控制具有自动消除干扰的能力而闭环控制具有自动消除干扰的能力另外另外,控制工程师在建立数学模型时控制工程师在建立数学模型时,应该突出主要因素应该突出主要因素,忽略次要因素忽略次要因素.为此需要作很为此需要作很多近似处理多近似处理,如：线性化，分布参数系统集总化如：线性化，分布参数系统集总化,模型降阶处理模型降阶处理.54本讲稿第五十四页，共七十四页2.建模的两个基本方法建模的两个基本方法(机理法测试法)1)机理法机理法它是根据生产过程中实际发生的变化机理，写出各种有关的平衡方程它是根据生产过程中实际发生的变化机理，写出各种有关的平衡方程如：物质平衡方程；能量平衡方程；动量平衡方程等基本规律的运动方程，物性参数方程和某些设备的特性方程，从中获得所需的数学模型条件：充分掌握生产过程的机理，可以用数学进行确切的描述条件：充分掌握生产过程的机理，可以用数学进行确切的描述随着计算机的使用，只要机理清楚，可以用计算机求解几乎任何复杂系统的数学模型，而且根据对模型的要求，合理的近似假定必不可少要求：模型应该尽量简单，同时保证达到合理的精度，有时还需要考虑实时性的问题要求：模型应该尽量简单，同时保证达到合理的精度，有时还需要考虑实时性的问题55本讲稿第五十五页，共七十四页双容水槽双容水槽双容水槽双容水槽有两个串联在一起的水槽,它们之间的连通管具有阻力,因此两者的水位是不同的.两个水槽的物料平衡方程为:其中56本讲稿第五十六页，共七十四页将(3)代入(1)可得令则将(3)代入(2)可得其中(4)(5)将(5)式对t微分可得：57本讲稿第五十七页，共七十四页则有(6)r*(4)+(5)得代入(6)传递函数为58本讲稿第五十八页，共七十四页双容水槽的水位H2运动方程是一个二阶微分方程，它是被控对象中含有两个串联容积的反映图中t0t1是由于多加了一个储蓄容积而使阶跃响应向后推迟的时间，称为容积迟延如果系统中串联的容积越多和越大，则容积迟延也越大，这往往是有些工业过程难以控制的原因双容水槽的阶跃响应59本讲稿第五十九页，共七十四页2)