過(guò)程控制工程第三版1-3章習(xí)題1ppt課件

.,習(xí)題講解,.,第一章P16頁(yè)思考與習(xí)題,1-1自動(dòng)控制系統(tǒng)主要由哪里些環(huán)節(jié)組成？各環(huán)節(jié)起什么作用？答：自動(dòng)控制系統(tǒng)由被控對(duì)象、測(cè)量變送器、執(zhí)行器（控制閥）和控制器組成。被告控對(duì)象：是指被控制的生產(chǎn)設(shè)備或裝置。測(cè)量變送器：用于測(cè)量被控變量，并按一定的規(guī)律將其轉(zhuǎn)換為標(biāo)準(zhǔn)信號(hào)作為輸出。執(zhí)行器：常用的是控制閥，接受來(lái)自控制器的命令信號(hào)，用于改變控制閥的開(kāi)度。控制器：它將被告控變量的測(cè)量值班與設(shè)定值進(jìn)行比較，得出偏差信號(hào)e(t)，并按一定規(guī)律性輸出控制信號(hào)u(t)。,.,1-2試討論比較常見(jiàn)的計(jì)算機(jī)控制裝置的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)與特點(diǎn),1）直接數(shù)字控制：計(jì)算靈活，不僅能實(shí)現(xiàn)典型的PID控制規(guī)律，還可以分時(shí)處理多個(gè)控制回路。2）集中型計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)：可實(shí)現(xiàn)解耦控制、聯(lián)鎖控制等各種更復(fù)雜的控制功能；信息集中，便于實(shí)現(xiàn)操作管理與優(yōu)化生產(chǎn)；靈活性大，控制回路的增減、控制方案的改變可由軟件來(lái)實(shí)現(xiàn)；人機(jī)交互好，操作方便。3）集散控制系統(tǒng)：同時(shí)適應(yīng)管理與控制兩方面的需要，一方面使用若干個(gè)控制器完成系統(tǒng)的控制任務(wù)，每個(gè)控制器實(shí)現(xiàn)一定的控制目標(biāo)，可以獨(dú)立的完成數(shù)據(jù)采集、信號(hào)處理、算法實(shí)現(xiàn)與控制輸出等功能；另一方面，強(qiáng)調(diào)穦的集中性。,.,1-3,P:被控變量，儲(chǔ)罐：被控對(duì)象U:控制變量，進(jìn)氣流量：操縱變量被控變量：被控對(duì)象需要維持在其理想值的工藝變量，也是測(cè)量變送的輸入。控制變量：控制器的輸出電信號(hào)。操作變量：執(zhí)行器的操作對(duì)象，對(duì)被控變量有影響。擾動(dòng)變量:影響被控變量的變量（除了操作變量）。,.,壓力控制器,控制對(duì)象,進(jìn)氣控制閥,干擾通道,測(cè)量變送,.,1-4以圖1-16所示的液位控制系統(tǒng)為例，當(dāng)進(jìn)料量Qi突然增大時(shí)，詳細(xì)說(shuō)明系統(tǒng)如何運(yùn)用反饋控制機(jī)制來(lái)實(shí)現(xiàn)液位定值控制之目的。,液位控制器,控制對(duì)象,流出控制閥,測(cè)量變送,假設(shè)控制閥為氣關(guān)閥，控制器為反作用，偏差為指定值與測(cè)量值之差。,.,答：根據(jù)輸出相對(duì)于輸入變化的響應(yīng)情況可將過(guò)程分為兩大類：自衡過(guò)程和非自衡過(guò)程。自衡過(guò)程：當(dāng)輸入變化時(shí)，無(wú)需外加的任何控制作用，過(guò)程能夠自發(fā)地趨于新的平衡狀態(tài)的性質(zhì)稱為自衡性。自衡過(guò)程包括純滯后過(guò)程、單容過(guò)程和多容過(guò)程。非自衡過(guò)程：與自衡過(guò)程不同，當(dāng)輸入發(fā)生變化時(shí)，非自衡過(guò)程不能夠自發(fā)地趨于新的平衡狀態(tài)。,習(xí)題2-1工業(yè)過(guò)程中被控對(duì)象的動(dòng)態(tài)特性有哪些特點(diǎn)？,.,習(xí)題2-2,液阻：凡是能局部改變液流的通流面積使液流產(chǎn)生壓力損失（阻力特性）或在壓力差一定情況下，分配調(diào)節(jié)流量（控制特性）的液壓閥口以及類似結(jié)構(gòu)，如薄壁小孔、短孔、細(xì)長(zhǎng)孔、縫隙等，都稱之為液阻。各種液阻都應(yīng)滿足流量壓力方程。液阻可類似電阻用R=P/q確定,P與液位差H有關(guān)。或者,當(dāng)液體流過(guò)一段較長(zhǎng)的管道或各種閥孔、彎管及管接頭時(shí)，由于流動(dòng)液體各質(zhì)點(diǎn)之間以及液體與管壁之間的相互摩擦和碰撞會(huì)產(chǎn)生阻力，這種阻礙液體流動(dòng)的阻力稱為液阻。液阻的大小由流量和壓力決定,.,（1）據(jù)液體力學(xué)原理有：,.,（2）過(guò)程的方框圖,.,習(xí)題2-3:機(jī)理建模舉例,(1)列寫(xiě)過(guò)程微分方程組;(2)畫(huà)出方框圖;(3)求傳遞函數(shù),.,習(xí)題2-3:列寫(xiě)狀態(tài)方程,物料平衡方程:,將流量方程代入物料平衡方程,即得到過(guò)程狀態(tài)方程,.,習(xí)題2-3:狀態(tài)方程傳遞函數(shù)表示,由以上傳遞函數(shù)方程,可畫(huà)出相應(yīng)的方框圖.,.,習(xí)題2-3:過(guò)程傳遞函數(shù)方框圖,.,習(xí)題2-3:計(jì)算輸入輸出傳遞函數(shù),利用方框圖等效變換;直接用傳遞函數(shù)計(jì)算公式;通過(guò)求解傳遞函數(shù)方程組.,.,2-4什么是線性化？為什么在過(guò)程控制中經(jīng)常采用近似線性化模型？,所謂線性化，就是在一定的條件下作某種近似，或者縮小一些工作范圍，而將非線性微分方程近似地作為線性微分方程來(lái)處理。自然界中并不存在真正的線性系統(tǒng)，而所謂的線性系統(tǒng)，也只是在一定的工作范圍內(nèi)保持其線性關(guān)系。實(shí)際上，所有元件和系統(tǒng)在不同程度上，均具有非線性的性質(zhì)。例如，機(jī)械系統(tǒng)中的阻尼器，在低速時(shí)可以看作線性的，但在高速時(shí)，粘性阻尼力則與運(yùn)動(dòng)速度的平方成正比，而為非線性函數(shù)關(guān)系。又例如，電路中的電感，由于磁路中鐵心受飽和的影響，電感值與流過(guò)的電流呈非線性函數(shù)關(guān)系。對(duì)于包含有非線性函數(shù)關(guān)系的系統(tǒng)來(lái)說(shuō)，非線性數(shù)學(xué)模型的建立和求解，其過(guò)程是非常復(fù)雜的。為了繞過(guò)非線性系統(tǒng)在數(shù)學(xué)處理上的困難，對(duì)于大部分元件和系統(tǒng)來(lái)說(shuō)，當(dāng)信號(hào)或變量變化范圍不大或非線性不太嚴(yán)重時(shí)，都可以近似地線性化，即用線性化數(shù)學(xué)模型來(lái)代替非線性數(shù)學(xué)模型。一旦用線性化數(shù)學(xué)模型來(lái)近似地表示非線性系統(tǒng)，就可以運(yùn)用線性理論對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行分析和設(shè)計(jì)。,.,習(xí)題2-6測(cè)量變送環(huán)節(jié)如下：,式中Km為增益，Tm為時(shí)間常數(shù)，m為滯后時(shí)間。測(cè)量變送環(huán)節(jié)的非線性會(huì)影響這些參數(shù)，為了便于處理，一般采用線性化處理得到以上動(dòng)態(tài)特性。,.,習(xí)題2-7:控制閥流量特性選擇,熱平衡方程:,控制通道靜態(tài)增益:,為平衡點(diǎn)流量。,.,被控對(duì)象的動(dòng)態(tài)特性變化對(duì)控制閥流量特性選擇的考慮,從靜態(tài)增益補(bǔ)償?shù)慕嵌?從動(dòng)態(tài)特性變化的角度(Why?),閥特性選擇請(qǐng)參考表2-1：控制閥固有流量特性,.,單回路系統(tǒng)防積分飽和原理分析,討論：正常情況為標(biāo)準(zhǔn)的PI控制算法；而當(dāng)出現(xiàn)超限時(shí)，自動(dòng)切除積分作用。為什么?,.,習(xí)題2-8,1、注意：液阻與液位高度（壓力）的關(guān)系為R=H/Q。那么有：,2、根據(jù)流量壓力平衡方程有：,即：,拉氏變換得：,即：,時(shí)間常數(shù)為：T=0.01,注意：這里在假設(shè)液位升高，那么,否則,.,習(xí)題2-9,單位化：t0,10,20,40,60,80,100,150,200,300,400,500y=0,0.09596,0.18182,0.33333,0.45455,0.55556,0.63636,0.78788,0.86869,0.9596,0.9899,1，假設(shè)液位的測(cè)量范圍為0-1000.,單位階躍響應(yīng)，當(dāng)t=T時(shí)，振幅為0.632，由表可知，當(dāng)和t=100時(shí)，h=0.632，所以，T=100.,.,.,習(xí)題2-10,單位階躍響應(yīng)：,?。?查表得：,因?yàn)椋?則說(shuō)明該階躍響應(yīng)需要更高級(jí)的函數(shù)才能擬全的更好，查表2-2得，n=3,由：,得：,.,習(xí)題2-11,依題意系統(tǒng)模型為：,單位階躍響應(yīng)：,查表得：,得：,.,習(xí)題3-1,PID控制表達(dá)式：,偏置值u0是控制器的穩(wěn)態(tài)輸出，反映了控制系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)工作點(diǎn)，所以它的值由控制系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)輸出確定。傳遞函數(shù)反映的是系統(tǒng)在工作點(diǎn)的動(dòng)態(tài)特性，故在時(shí)域變?yōu)轭l域時(shí)沒(méi)有這一項(xiàng)，即：,.,習(xí)題3-2僅加加強(qiáng)控制器的積分作用,在相同階躍干擾情況下，最大偏差是否增大？振蕩是否加?。看穑涸谙嗤A躍干擾情況下，增強(qiáng)積分作用，最大偏差會(huì)減小，振蕩會(huì)加劇。參考仿真。,.,習(xí)題3-2僅加加強(qiáng)控制器的積分作用,在相同階躍干擾情況下，最大偏差是否增大？振蕩是否加?。看穑涸谙嗤A躍干擾情況下，增強(qiáng)積分作用，最大偏差會(huì)減小，振蕩會(huì)加劇。為了獲得以前相同的穩(wěn)定性，可減小KC，參考仿真。,.,習(xí)題3-3,積分飽和：對(duì)于一個(gè)有積分功能的偏差，控制器的作用就會(huì)對(duì)偏差進(jìn)行累積來(lái)改變控制器的輸出。如果這時(shí)閥門(mén)已經(jīng)達(dá)到飽和（已經(jīng)全開(kāi)或者全關(guān)），而無(wú)法繼續(xù)進(jìn)行調(diào)節(jié)，那么偏差將無(wú)法消除。然而由于積分作用，控制的輸出仍在增加，直到達(dá)到某個(gè)極限值并停留在那里，這種情況成為積分飽和。由定義可知，發(fā)生積分飽和的前提是