自动控制原理第二章复习总结第二版中学教育中考中学教育中学课件.pdf

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1、第二章 过程装备控制基础 本章内容：简单过程控制系统的设计 复杂控制系统的结构、特点及应用。第一节 被控对象的特性 一、被控对象的数学描述（一）单容液位对象 1有自衡特性的单容对象 2无自衡特性的单容对象（二）双容液位对象 1典型结构：双容水槽如图 2-5所示。图 2-5 双容液位对象 图 2-6 二阶对象特性曲线 2平衡关系：水槽 1 的动态平衡关系为：3二阶被控对象：1222122221)(QKhdtdhTTdthdTT 式（2-18）就是描述图 2-5所示双容水槽被控对象的二阶微分方程式。称二阶被控对象。二、被控对象的特性参数（一）放大系数 K（又称静态增益）（二）时间常数 T（三）滞后

2、时间（1）传递滞后0（或纯滞后）：（2）容量滞后c 可知=0+c。三、对象特性的实验测定 对象特性的求取方法通常有两种：1数学方法 2实验测定法 （一）响应曲线法：（二）脉冲响应法 第二节 单回路控制系统 定义：（又称简单控制系统），是指由一个被控对象、一个检测元件及变送器、一个调节器和一个执行器所构成的闭合系统。性一被控对象的数学描述一单容液位对象有自衡特性的单容对象无自衡特性的单容对象二双容液位对象典型结构双容水槽如图所示图双容液位对象图二阶对象特性曲线平衡关系水槽的动态平衡关系为二阶被控对象式就是描述图所示三滞后时间传递滞后或纯滞后容量滞后可知三对象特性的实验测定对象特性的求取方法通常有

3、两种数学方法实验测定法一响应曲线法二脉冲响应法第二节单回路控制系统定义又称简单控制系统是指由一个被控对象一个检测元件及变动静态特性及工艺过程设备等确定控制方案整定调节器的参数一被控变量的选择二操纵变量的选择三检测变送环节的影响四执行器的影响二调节器的调节规律概念调节器的输出信号随输入信号变化的规律类型位式比例积分微分一位 一、单回路控制系统的设计 设计步骤：1了解被控对象 2了解被控对象的动静态特性及工艺过程、设备等 3确定控制方案 4整定调节器的参数（一）被控变量的选择（二）操纵变量的选择（三）检测变送环节的影响（四）执行器的影响 二、调节器的调节规律 1概念 调节器的输出信号随输入信号变化

4、的规律。2类型 位式、比例、积分、微分。（一）位式调节规律 性一被控对象的数学描述一单容液位对象有自衡特性的单容对象无自衡特性的单容对象二双容液位对象典型结构双容水槽如图所示图双容液位对象图二阶对象特性曲线平衡关系水槽的动态平衡关系为二阶被控对象式就是描述图所示三滞后时间传递滞后或纯滞后容量滞后可知三对象特性的实验测定对象特性的求取方法通常有两种数学方法实验测定法一响应曲线法二脉冲响应法第二节单回路控制系统定义又称简单控制系统是指由一个被控对象一个检测元件及变动静态特性及工艺过程设备等确定控制方案整定调节器的参数一被控变量的选择二操纵变量的选择三检测变送环节的影响四执行器的影响二调节器的调节规

5、律概念调节器的输出信号随输入信号变化的规律类型位式比例积分微分一位1双位调节 2具有中间区的双位调节 3其他 三位或更多位的调节。（二）比例调节规律（P）1比例放大倍数（K）2比例度 3比例度对过渡过程的影响（如图2-24所示）4调节作用 比例调节能较为迅速地克服干扰的影响，使系统很快地稳定下来。通常适用于干扰少扰动幅度小、符合变化不大、滞后较小或者控制精度要求不高的场合。（三）比例积分调节规律（PI）1积分调节规律（I）（1）概念：调节器输出信号的变化量与输入偏差的积分成正比 tItIdtteTdtteKtu00)(1)()(式中：KI为积分速度，TI为积分时间。（2）控制作用：积分控制作用

6、是力图消除余差。缺点纯积分控制的缺点在于其输出变化总要滞后于偏差的变化。2比例积分控制规律（PI）（四）比例积分微分调节规律（PID）1微分调节规律（D）（1）概念：调节器输出信号的变化量与输入偏差的变化速度成正比 性一被控对象的数学描述一单容液位对象有自衡特性的单容对象无自衡特性的单容对象二双容液位对象典型结构双容水槽如图所示图双容液位对象图二阶对象特性曲线平衡关系水槽的动态平衡关系为二阶被控对象式就是描述图所示三滞后时间传递滞后或纯滞后容量滞后可知三对象特性的实验测定对象特性的求取方法通常有两种数学方法实验测定法一响应曲线法二脉冲响应法第二节单回路控制系统定义又称简单控制系统是指由一个被控

7、对象一个检测元件及变动静态特性及工艺过程设备等确定控制方案整定调节器的参数一被控变量的选择二操纵变量的选择三检测变送环节的影响四执行器的影响二调节器的调节规律概念调节器的输出信号随输入信号变化的规律类型位式比例积分微分一位dttdeTtuD)()(式中：TD为微分时间。（2）控制作用：微分调节器的输出只与偏差的变化速度有关，而与偏差的存在与否无关。即微分作用对恒定不变的偏差是没有克服能力的。不能单独使用。2比例微分控制规律（PD）4比例积分微分控制规律（PID）（五）调节规律的选取 1调节规律选取原则：2调节规律选取参考 三、调节器参数的工程整定 介绍几种简单控制系统调节器参数的工程整定方法：

8、（一）经验试凑法（二）临界比例度法（又称 Ziegler-Nichols 方法）（三）衰减曲线法（四）方法比较 第三节 复杂控制系统 一、串级控制系统（一）串级控制的基本原理 性一被控对象的数学描述一单容液位对象有自衡特性的单容对象无自衡特性的单容对象二双容液位对象典型结构双容水槽如图所示图双容液位对象图二阶对象特性曲线平衡关系水槽的动态平衡关系为二阶被控对象式就是描述图所示三滞后时间传递滞后或纯滞后容量滞后可知三对象特性的实验测定对象特性的求取方法通常有两种数学方法实验测定法一响应曲线法二脉冲响应法第二节单回路控制系统定义又称简单控制系统是指由一个被控对象一个检测元件及变动静态特性及工艺过程

9、设备等确定控制方案整定调节器的参数一被控变量的选择二操纵变量的选择三检测变送环节的影响四执行器的影响二调节器的调节规律概念调节器的输出信号随输入信号变化的规律类型位式比例积分微分一位2通用的串级控制系统：图 2-42 串级控制系统方块图 （3）串级控制系统中常用的名词和术语。主变量 y1：使它保持平稳使控制的主要目标。副变量 y2：它使被控对象中引出的中间变量。副对象：副变量与操纵变量之间的通道特性 主对象：主变量与副变量之间的通道特性。副控制器：接受副变量的偏差，其输出去操纵阀门。主控制器：接受主变量的偏差，其输出去改变副控制器的设定值。副回路：处于串级控制系统内部的，由副变量检测变送器、副

10、控制器、调节阀、副对象组成的回路。主回路：若将副回路看成一个以主控制器输出 r2为输入，以副变量 y2为输出的等效环节，则串级系统转化为一个单回路，我们称这个单回路为主回路。（二）串级控制系统的主要特点及其应用场合 1主要特点：（1）能迅速克服进入副回路的干扰 性一被控对象的数学描述一单容液位对象有自衡特性的单容对象无自衡特性的单容对象二双容液位对象典型结构双容水槽如图所示图双容液位对象图二阶对象特性曲线平衡关系水槽的动态平衡关系为二阶被控对象式就是描述图所示三滞后时间传递滞后或纯滞后容量滞后可知三对象特性的实验测定对象特性的求取方法通常有两种数学方法实验测定法一响应曲线法二脉冲响应法第二节单

11、回路控制系统定义又称简单控制系统是指由一个被控对象一个检测元件及变动静态特性及工艺过程设备等确定控制方案整定调节器的参数一被控变量的选择二操纵变量的选择三检测变送环节的影响四执行器的影响二调节器的调节规律概念调节器的输出信号随输入信号变化的规律类型位式比例积分微分一位（2）能改善被控对象的特性，提高系统克服干扰的能力 （3）主回路对副对象具有“鲁棒性”，提高了系统的控制精度 2应用场合：在被控对象的容量滞后大、干扰强、要求高的场合；对上述特点之一有明显提高的场合。二、前馈控制系统 （一）前馈控制的基本原理 1前馈控制（又称扰动补偿）：测量进入过程的干扰（包括外界干扰和设定值变化），并按其信号产

12、生合适的控制作用去改变操纵变量，使被控变量维持在设定值上。（3）前馈控制系统框图：（图 2-42）图 2-44 前馈控制方块图 af y 之间的两个传递通道：f Gfy；f 测量装置补偿器Gpy。（二）前馈控制的主要结构形式 1静态前馈控制 2前馈-反馈控制系统 性一被控对象的数学描述一单容液位对象有自衡特性的单容对象无自衡特性的单容对象二双容液位对象典型结构双容水槽如图所示图双容液位对象图二阶对象特性曲线平衡关系水槽的动态平衡关系为二阶被控对象式就是描述图所示三滞后时间传递滞后或纯滞后容量滞后可知三对象特性的实验测定对象特性的求取方法通常有两种数学方法实验测定法一响应曲线法二脉冲响应法第二节

13、单回路控制系统定义又称简单控制系统是指由一个被控对象一个检测元件及变动静态特性及工艺过程设备等确定控制方案整定调节器的参数一被控变量的选择二操纵变量的选择三检测变送环节的影响四执行器的影响二调节器的调节规律概念调节器的输出信号随输入信号变化的规律类型位式比例积分微分一位3其它控制系统：（1）动态前馈控制：当对象的控制通道和干扰通道的动态特性差异很大时使用。（2）多变量前馈控制：具有多个输入和多个输出的系统。三、比值控制系统 1目的：为了实现几种物料符合一定的比例关系，使生产能安全正常地进行。2意义：在化工、炼油生产中，经常需要两种或两种以上的物料按一定比例混合或进行化学反应。若比例失调，轻则影

14、响产品质量，重则影响安全。（一）定比值控制系统 定义：系统以保持两物料流量比值一定为目的，比值器的参数经计算设置好后不再变动，工艺要求的实际流量比值 r 也就固定不变，称为定比值控制系统。1开环比值控制系统 2单闭环比值控制系统 3双闭环比值控制系统 定义：为使流量的比值恒定，总负荷平稳，在单闭环比值控制的基础上作以改进。（二）变比值控制系统 （三）比值控制系统的实施 1应用比值器的方案 2应用乘法器的方案 3应用除法器的方案 性一被控对象的数学描述一单容液位对象有自衡特性的单容对象无自衡特性的单容对象二双容液位对象典型结构双容水槽如图所示图双容液位对象图二阶对象特性曲线平衡关系水槽的动态平衡

15、关系为二阶被控对象式就是描述图所示三滞后时间传递滞后或纯滞后容量滞后可知三对象特性的实验测定对象特性的求取方法通常有两种数学方法实验测定法一响应曲线法二脉冲响应法第二节单回路控制系统定义又称简单控制系统是指由一个被控对象一个检测元件及变动静态特性及工艺过程设备等确定控制方案整定调节器的参数一被控变量的选择二操纵变量的选择三检测变送环节的影响四执行器的影响二调节器的调节规律概念调节器的输出信号随输入信号变化的规律类型位式比例积分微分一位四、选择性控制系统 目的：减少开停车中的不稳定工况。（一）选择性控制的基本原理 1原理：在控制回路中引入选择器的系统都称为选择性控制系统。2选择器种类：（1）高值

16、选择器：（2）低值选择器；4特点：与自动联锁保护系统不同，可以在工艺过程不停车的情况下解决生产中的不正常状况。（二）选择性控制的类型 1选择器位于两个调节器与执行器之间：2选择器在变送器与调节器之间：（三）选择性控制中选择器性质的确定 1确定选择器的任务：是使用高值选择器，还是使用低值选择器。2确定选择器性质的步骤：首先从工艺安全出发确定调节阀的气开、气关形式；然后确定调节器的正反作用方式；最后确定选择器的类型。五、均匀控制系统（一）基本概念 性一被控对象的数学描述一单容液位对象有自衡特性的单容对象无自衡特性的单容对象二双容液位对象典型结构双容水槽如图所示图双容液位对象图二阶对象特性曲线平衡关

17、系水槽的动态平衡关系为二阶被控对象式就是描述图所示三滞后时间传递滞后或纯滞后容量滞后可知三对象特性的实验测定对象特性的求取方法通常有两种数学方法实验测定法一响应曲线法二脉冲响应法第二节单回路控制系统定义又称简单控制系统是指由一个被控对象一个检测元件及变动静态特性及工艺过程设备等确定控制方案整定调节器的参数一被控变量的选择二操纵变量的选择三检测变送环节的影响四执行器的影响二调节器的调节规律概念调节器的输出信号随输入信号变化的规律类型位式比例积分微分一位特点：图 2-61 前一设备的液位与后一设备的进料量关系 1液位变化曲线；2流量变化曲线（二）实现均匀控制的三种可行方案：1简单均匀控制 2串级均

18、匀控制 3双冲量均匀控制 六、分程控制系统 性一被控对象的数学描述一单容液位对象有自衡特性的单容对象无自衡特性的单容对象二双容液位对象典型结构双容水槽如图所示图双容液位对象图二阶对象特性曲线平衡关系水槽的动态平衡关系为二阶被控对象式就是描述图所示三滞后时间传递滞后或纯滞后容量滞后可知三对象特性的实验测定对象特性的求取方法通常有两种数学方法实验测定法一响应曲线法二脉冲响应法第二节单回路控制系统定义又称简单控制系统是指由一个被控对象一个检测元件及变动静态特性及工艺过程设备等确定控制方案整定调节器的参数一被控变量的选择二操纵变量的选择三检测变送环节的影响四执行器的影响二调节器的调节规律概念调节器的输出信号随输入信号变化的规律类型位式比例积分微分一位