第一篇簡(jiǎn)單控制系統(tǒng)學(xué)習(xí)教案

1、會(huì)計(jì)學(xué)1第一篇簡(jiǎn)單第一篇簡(jiǎn)單(jindn)控制系統(tǒng)控制系統(tǒng)第一頁，共74頁。2第1頁/共73頁第二頁，共74頁。3第2頁/共73頁第三頁，共74頁。44.自動(dòng)化技術(shù)發(fā)展自動(dòng)化技術(shù)發(fā)展(fzhn)概況概況 (三個(gè)三個(gè)階段階段)(1) 第一階段第一階段 (經(jīng)典控制理論經(jīng)典控制理論)1) 理論基礎(chǔ)：傳遞函數(shù)理論基礎(chǔ)：傳遞函數(shù) (被控系統(tǒng)的數(shù)學(xué)描述被控系統(tǒng)的數(shù)學(xué)描述) 根軌跡法和頻率法根軌跡法和頻率法 (對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行分析對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行分析(fnx)和綜合和綜合) 2) 設(shè)計(jì)方法：將復(fù)雜的生產(chǎn)過程分解為若干個(gè)簡(jiǎn)單過程，實(shí)現(xiàn)單輸設(shè)計(jì)方法：將復(fù)雜的生產(chǎn)過程分解為若干個(gè)簡(jiǎn)單過程，實(shí)現(xiàn)單輸 入單輸出的控制系統(tǒng)入單輸出

2、的控制系統(tǒng) 3) 缺點(diǎn)：缺點(diǎn)： 只能滿足于保持生產(chǎn)的穩(wěn)定和安全，屬于局部自動(dòng)化范疇只能滿足于保持生產(chǎn)的穩(wěn)定和安全，屬于局部自動(dòng)化范疇 依賴手工和經(jīng)驗(yàn)依賴手工和經(jīng)驗(yàn)第3頁/共73頁第四頁，共74頁。5簡(jiǎn)單(jindn)控制系統(tǒng)方框圖r -給定值給定值(模擬模擬,數(shù)字?jǐn)?shù)字(shz)e-偏差偏差 (e=r-ym) u-調(diào)節(jié)器輸出調(diào)節(jié)器輸出-執(zhí)行器輸出執(zhí)行器輸出 ym-被調(diào)量的測(cè)量信號(hào)被調(diào)量的測(cè)量信號(hào) D-干擾干擾y-被調(diào)量實(shí)際值被調(diào)量實(shí)際值第4頁/共73頁第五頁，共74頁。6(2) 第二階段第二階段(現(xiàn)代現(xiàn)代(xindi)控制控制理論理論)1) 理論基礎(chǔ)理論基礎(chǔ): 狀態(tài)空間分析方法狀態(tài)空間分析方法,

3、 包括以最小二乘法為基礎(chǔ)的系統(tǒng)辯包括以最小二乘法為基礎(chǔ)的系統(tǒng)辯 識(shí)識(shí), 以極大值和動(dòng)態(tài)以極大值和動(dòng)態(tài)(dngti)規(guī)劃為主要方法的最優(yōu)控制和以卡爾曼濾波規(guī)劃為主要方法的最優(yōu)控制和以卡爾曼濾波理理 論為核心的最佳估計(jì)等論為核心的最佳估計(jì)等2) 優(yōu)點(diǎn)：優(yōu)點(diǎn)： 能夠深入揭示系統(tǒng)內(nèi)在的規(guī)律性能夠深入揭示系統(tǒng)內(nèi)在的規(guī)律性, 從局部控制進(jìn)入從局部控制進(jìn)入(jnr)到一定意義下到一定意義下 的全局最優(yōu)的全局最優(yōu) 在結(jié)構(gòu)上已經(jīng)從單環(huán)擴(kuò)展到適應(yīng)環(huán)在結(jié)構(gòu)上已經(jīng)從單環(huán)擴(kuò)展到適應(yīng)環(huán), 學(xué)習(xí)環(huán)學(xué)習(xí)環(huán)3) 缺點(diǎn)缺點(diǎn): 由于當(dāng)時(shí)計(jì)算機(jī)技術(shù)的限制由于當(dāng)時(shí)計(jì)算機(jī)技術(shù)的限制, 計(jì)算機(jī)控制處于試驗(yàn)階段計(jì)算機(jī)控制處于試驗(yàn)階段 現(xiàn)代控

4、制理論與工程實(shí)際之間有較大差距現(xiàn)代控制理論與工程實(shí)際之間有較大差距: 建模困難建模困難, 性能指標(biāo)不性能指標(biāo)不 易確定易確定, 控制策略缺乏控制策略缺乏.現(xiàn)代控制理論是人們對(duì)控制技術(shù)在認(rèn)識(shí)上的一次質(zhì)的飛躍現(xiàn)代控制理論是人們對(duì)控制技術(shù)在認(rèn)識(shí)上的一次質(zhì)的飛躍,為實(shí)現(xiàn)高水平的自動(dòng)為實(shí)現(xiàn)高水平的自動(dòng)化奠定了理論基礎(chǔ)化奠定了理論基礎(chǔ). 同時(shí)同時(shí), 電子計(jì)算機(jī)的發(fā)展為實(shí)現(xiàn)工業(yè)自動(dòng)化提供了重要的技術(shù)手電子計(jì)算機(jī)的發(fā)展為實(shí)現(xiàn)工業(yè)自動(dòng)化提供了重要的技術(shù)手段段. 出現(xiàn)了直接數(shù)字控制出現(xiàn)了直接數(shù)字控制(DDC)系統(tǒng)和計(jì)算機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)系統(tǒng)和計(jì)算機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)第5頁/共73頁第六頁，共74頁。7直接數(shù)字直接數(shù)字(shz)控制

5、控制系統(tǒng)系統(tǒng)直接數(shù)字控制系統(tǒng)特點(diǎn)：直接數(shù)字控制系統(tǒng)特點(diǎn)：多輸入多輸出，在線實(shí)時(shí)控制多輸入多輸出，在線實(shí)時(shí)控制分時(shí)方式分時(shí)方式(fngsh)控制控制靈活性、多功能性，控制由計(jì)算機(jī)完成靈活性、多功能性，控制由計(jì)算機(jī)完成 第6頁/共73頁第七頁，共74頁。8計(jì)算機(jī)監(jiān)控(jin kn)系統(tǒng)第7頁/共73頁第八頁，共74頁。9(3) 第三階段第三階段(第三代控制理論第三代控制理論) 特點(diǎn)特點(diǎn): 可靠性高，價(jià)格低可靠性高，價(jià)格低由于計(jì)算機(jī)，大規(guī)模集成電路技術(shù)的發(fā)展，使計(jì)算機(jī)功能更強(qiáng)，由于計(jì)算機(jī)，大規(guī)模集成電路技術(shù)的發(fā)展，使計(jì)算機(jī)功能更強(qiáng)，價(jià)格大幅度降低價(jià)格大幅度降低. 在采用了冗余技術(shù)在采用了冗余技術(shù),

6、軟硬件自診斷功能等措施軟硬件自診斷功能等措施后，可靠性提高到基本上能夠后，可靠性提高到基本上能夠(nnggu)滿足工業(yè)控制的要求滿足工業(yè)控制的要求 多學(xué)科相互交叉多學(xué)科相互交叉, 相互滲透相互滲透. 突破了局部控制突破了局部控制, 進(jìn)入到全局控制進(jìn)入到全局控制.英文縮寫英文縮寫DDC直接數(shù)字控制直接數(shù)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計(jì)算機(jī)集成過程計(jì)算機(jī)集成過程(生產(chǎn)生產(chǎn)(shngchn)系統(tǒng)系統(tǒng) (Computer Integrated Produc -tion Sys

7、tem)第8頁/共73頁第九頁，共74頁。10二過程控制的任務(wù)二過程控制的任務(wù)(rn wu)和要求和要求任務(wù)：在了解掌握工藝流程及生產(chǎn)過程的靜態(tài)和動(dòng)態(tài)特性的基礎(chǔ)上，根據(jù)任務(wù)：在了解掌握工藝流程及生產(chǎn)過程的靜態(tài)和動(dòng)態(tài)特性的基礎(chǔ)上，根據(jù)安全性，經(jīng)濟(jì)性，穩(wěn)定性的要求，應(yīng)用理論對(duì)控制系統(tǒng)進(jìn)行安全性，經(jīng)濟(jì)性，穩(wěn)定性的要求，應(yīng)用理論對(duì)控制系統(tǒng)進(jìn)行(jnxng)分析和分析和 綜合，最后采用適宜的技術(shù)手段加以實(shí)現(xiàn)綜合，最后采用適宜的技術(shù)手段加以實(shí)現(xiàn)要求要求(yoqi)：安全性，經(jīng)濟(jì)性，穩(wěn)定性安全性，經(jīng)濟(jì)性，穩(wěn)定性第9頁/共73頁第十頁，共74頁。11過程控制系統(tǒng)過程控制系統(tǒng)(kn zh x tn)的設(shè)計(jì)步驟：

8、的設(shè)計(jì)步驟：加熱爐控制(kngzh)流程圖1) 確定確定(qudng)控控制目標(biāo)制目標(biāo)要設(shè)計(jì)過程控制系統(tǒng)，首先必須了解控制要設(shè)計(jì)過程控制系統(tǒng)，首先必須了解控制目標(biāo)對(duì)于給定的被控過程，可以根據(jù)具目標(biāo)對(duì)于給定的被控過程，可以根據(jù)具體情況提出各種不同的控制目標(biāo)體情況提出各種不同的控制目標(biāo).本例中本例中可以有幾個(gè)目標(biāo)可以有幾個(gè)目標(biāo): 在安全運(yùn)行的條件下，保證熱油在安全運(yùn)行的條件下，保證熱油 出口溫度穩(wěn)定出口溫度穩(wěn)定 在安全運(yùn)行條件下，保證熱油出在安全運(yùn)行條件下，保證熱油出 口溫度和煙氣含氧量穩(wěn)定口溫度和煙氣含氧量穩(wěn)定 在安全運(yùn)行條件下，保證熱油出在安全運(yùn)行條件下，保證熱油出 口溫度穩(wěn)定口溫度穩(wěn)定,而且

9、加熱爐熱效最高而且加熱爐熱效最高第10頁/共73頁第十一頁，共74頁。122) 選擇選擇(xunz)測(cè)量參數(shù)測(cè)量參數(shù)(被調(diào)量被調(diào)量)無論采用什么控制方案，都需要無論采用什么控制方案，都需要(xyo)通過某些參數(shù)的測(cè)量來控制和監(jiān)視整個(gè)生產(chǎn)過通過某些參數(shù)的測(cè)量來控制和監(jiān)視整個(gè)生產(chǎn)過程參數(shù)由目標(biāo)確定如需溫度穩(wěn)定，就肯定要檢測(cè)溫度參數(shù)確定了參數(shù)，應(yīng)選擇合適程參數(shù)由目標(biāo)確定如需溫度穩(wěn)定，就肯定要檢測(cè)溫度參數(shù)確定了參數(shù)，應(yīng)選擇合適的測(cè)量元件和變送器的測(cè)量元件和變送器有些參數(shù)難以直接測(cè)量有些參數(shù)難以直接測(cè)量,則應(yīng)通過測(cè)量與之成一定關(guān)系的另一些參數(shù)來獲取則應(yīng)通過測(cè)量與之成一定關(guān)系的另一些參數(shù)來獲取3) 操作操

10、作(cozu)量的量的選擇選擇一般情況下，操作量都是工藝規(guī)定的，設(shè)計(jì)中沒有多大的選擇余地但在有多個(gè)操作量和一般情況下，操作量都是工藝規(guī)定的，設(shè)計(jì)中沒有多大的選擇余地但在有多個(gè)操作量和被調(diào)量的情況下，用哪個(gè)操作量去控制哪個(gè)被調(diào)量還是需要認(rèn)真選擇的被調(diào)量的情況下，用哪個(gè)操作量去控制哪個(gè)被調(diào)量還是需要認(rèn)真選擇的4) 控制方案的確定控制方案的確定控制方案是隨控制目標(biāo)和控制精度要求而不同的控制方案是隨控制目標(biāo)和控制精度要求而不同的,它是整個(gè)設(shè)計(jì)過程中的關(guān)鍵它是整個(gè)設(shè)計(jì)過程中的關(guān)鍵步驟步驟第11頁/共73頁第十二頁，共74頁。13 如果采用如果采用(ciyng)的是第一種方案，即：在安全運(yùn)行的條件下，保證

11、熱油出口的是第一種方案，即：在安全運(yùn)行的條件下，保證熱油出口 溫度穩(wěn)定那么只要對(duì)爐子進(jìn)行人工調(diào)整，使之不冒黑煙，不熄火，溫度穩(wěn)定那么只要對(duì)爐子進(jìn)行人工調(diào)整，使之不冒黑煙，不熄火， 保證一定的安全性和經(jīng)濟(jì)性，然后采用保證一定的安全性和經(jīng)濟(jì)性，然后采用(ciyng)熱油出口溫度簡(jiǎn)單控制系統(tǒng)的熱油出口溫度簡(jiǎn)單控制系統(tǒng)的 方案就可以滿足要求方案就可以滿足要求 對(duì)于第二個(gè)目標(biāo)，需要煙氣含氧量穩(wěn)定，則可以再加一個(gè)煙氣含氧對(duì)于第二個(gè)目標(biāo)，需要煙氣含氧量穩(wěn)定，則可以再加一個(gè)煙氣含氧 量簡(jiǎn)單控制系統(tǒng)，用兩個(gè)單回路量簡(jiǎn)單控制系統(tǒng)，用兩個(gè)單回路(hul)來完成控制任務(wù)來完成控制任務(wù) 對(duì)于第三個(gè)控制目標(biāo)，除了對(duì)于第三

12、個(gè)控制目標(biāo)，除了(ch le)分別對(duì)溫度和含氧量采用定值控制分別對(duì)溫度和含氧量采用定值控制外，外， 含氧量的設(shè)定值還應(yīng)該保證加熱爐熱效最高。這需要建立燃燒過程含氧量的設(shè)定值還應(yīng)該保證加熱爐熱效最高。這需要建立燃燒過程 數(shù)學(xué)模型，使之在不同工況下，均能依靠調(diào)整含氧量設(shè)定值保持加數(shù)學(xué)模型，使之在不同工況下，均能依靠調(diào)整含氧量設(shè)定值保持加 熱爐熱效率最高熱爐熱效率最高可以看到，控制策略是隨控制目標(biāo)和控制精度要求而不同的可以看到，控制策略是隨控制目標(biāo)和控制精度要求而不同的第12頁/共73頁第十三頁，共74頁。145) 選擇選擇(xunz)控制控制算法算法控制算法由控制方案確定控制算法由控制方案確定常見

13、常見(chn jin)的控制算法有：的控制算法有：PID控制，解藕控制，解藕控制，最優(yōu)控制等控制，最優(yōu)控制等如加熱爐熱油溫度控制，可采用如加熱爐熱油溫度控制，可采用PID控制控制6) 執(zhí)行器的選擇執(zhí)行器的選擇(xunz)在自動(dòng)控制系統(tǒng)中在自動(dòng)控制系統(tǒng)中,執(zhí)行器的作用是按控制器的命令執(zhí)行器的作用是按控制器的命令, 直接控制能量或物料等被測(cè)介質(zhì)的直接控制能量或物料等被測(cè)介質(zhì)的輸送輸送, 是自動(dòng)控制系統(tǒng)的終端執(zhí)行部件是自動(dòng)控制系統(tǒng)的終端執(zhí)行部件, 一般由執(zhí)行機(jī)構(gòu)一般由執(zhí)行機(jī)構(gòu), 調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)兩部分組調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)兩部分組成按使用能源種類可分為氣動(dòng)，電動(dòng)，液動(dòng)三種成按使用能源種類可分為氣動(dòng)，電動(dòng)，液動(dòng)三種7)

14、設(shè)計(jì)報(bào)警和聯(lián)鎖保護(hù)系統(tǒng)設(shè)計(jì)報(bào)警和聯(lián)鎖保護(hù)系統(tǒng)對(duì)于關(guān)鍵參數(shù)對(duì)于關(guān)鍵參數(shù),應(yīng)根據(jù)工藝要求規(guī)定其高低報(bào)警值應(yīng)根據(jù)工藝要求規(guī)定其高低報(bào)警值,當(dāng)參數(shù)超過報(bào)警值時(shí)當(dāng)參數(shù)超過報(bào)警值時(shí),應(yīng)應(yīng)立即立即進(jìn)行越限報(bào)警進(jìn)行越限報(bào)警. 報(bào)警系統(tǒng)的作用是及時(shí)提醒操作人員密切注意監(jiān)視生產(chǎn)狀況報(bào)警系統(tǒng)的作用是及時(shí)提醒操作人員密切注意監(jiān)視生產(chǎn)狀況, 以便采取以便采取措施減少事故的發(fā)生措施減少事故的發(fā)生聯(lián)鎖保護(hù)系統(tǒng)是指當(dāng)生產(chǎn)出現(xiàn)嚴(yán)重事故時(shí)聯(lián)鎖保護(hù)系統(tǒng)是指當(dāng)生產(chǎn)出現(xiàn)嚴(yán)重事故時(shí), 為保證設(shè)備為保證設(shè)備, 人身的安全人身的安全, 使各個(gè)設(shè)備使各個(gè)設(shè)備按一定次序緊急停止運(yùn)轉(zhuǎn)的系統(tǒng)按一定次序緊急停止運(yùn)轉(zhuǎn)的系統(tǒng)第13頁/共73頁第十四頁，共

15、74頁。158) 控制系統(tǒng)控制系統(tǒng)(kn zh x tn)的調(diào)試和投運(yùn)的調(diào)試和投運(yùn)控制系統(tǒng)控制系統(tǒng)(kn zh x tn)安裝完畢后，應(yīng)隨著生產(chǎn)過程進(jìn)行試運(yùn)行，安裝完畢后，應(yīng)隨著生產(chǎn)過程進(jìn)行試運(yùn)行，按控制要求檢查和調(diào)整各控制儀表和設(shè)備的工作狀況，包括調(diào)節(jié)器參數(shù)的按控制要求檢查和調(diào)整各控制儀表和設(shè)備的工作狀況，包括調(diào)節(jié)器參數(shù)的整定等，依次將全部控制系統(tǒng)整定等，依次將全部控制系統(tǒng)(kn zh x tn)投入運(yùn)行投入運(yùn)行對(duì)于一個(gè)從事過程控制的工作者來說，除了掌握控制理論，計(jì)算機(jī)，儀器儀表知識(shí)對(duì)于一個(gè)從事過程控制的工作者來說，除了掌握控制理論，計(jì)算機(jī)，儀器儀表知識(shí)以及現(xiàn)代控制技術(shù)之外，還要十分熟悉生產(chǎn)

16、過程的工藝流程，從控制的角度理解它以及現(xiàn)代控制技術(shù)之外，還要十分熟悉生產(chǎn)過程的工藝流程，從控制的角度理解它的靜態(tài)和動(dòng)態(tài)的靜態(tài)和動(dòng)態(tài)(dngti)特性特性例如加熱爐運(yùn)行中出現(xiàn)嚴(yán)重事故必須緊急停止運(yùn)行時(shí)，聯(lián)鎖保護(hù)系統(tǒng)應(yīng)采例如加熱爐運(yùn)行中出現(xiàn)嚴(yán)重事故必須緊急停止運(yùn)行時(shí)，聯(lián)鎖保護(hù)系統(tǒng)應(yīng)采取的停止步驟是：停燃油泵取的停止步驟是：停燃油泵關(guān)閉燃油閥關(guān)閉燃油閥等待一定時(shí)間后停引風(fēng)等待一定時(shí)間后停引風(fēng)機(jī)機(jī)最后切斷熱油閥最后切斷熱油閥第14頁/共73頁第十五頁，共74頁。16第一篇簡(jiǎn)單第一篇簡(jiǎn)單(jindn)控制系統(tǒng)控制系統(tǒng)簡(jiǎn)單簡(jiǎn)單(jindn)控控制系統(tǒng)制系統(tǒng):單閉合單閉合(b h)(b h)回路回路一個(gè)被調(diào)

17、量一個(gè)被調(diào)量, 一個(gè)調(diào)節(jié)量一個(gè)調(diào)節(jié)量, 一個(gè)調(diào)節(jié)器一個(gè)調(diào)節(jié)器,一個(gè)調(diào)節(jié)閥一個(gè)調(diào)節(jié)閥約占目前工業(yè)控制的約占目前工業(yè)控制的80%簡(jiǎn)單控制系統(tǒng)方框圖簡(jiǎn)單控制系統(tǒng)方框圖第15頁/共73頁第十六頁，共74頁。171-1 過程過程(guchng)控制系統(tǒng)的性控制系統(tǒng)的性能指標(biāo)能指標(biāo)研究目的研究目的:為了配置合適的控制系統(tǒng)為了配置合適的控制系統(tǒng), 以滿足生產(chǎn)以滿足生產(chǎn)(shngchn)過程的要求過程的要求.過程控制系統(tǒng)在運(yùn)行過程控制系統(tǒng)在運(yùn)行(ynxng)中的狀態(tài)中的狀態(tài):穩(wěn)態(tài)穩(wěn)態(tài): 系統(tǒng)不受外來干擾系統(tǒng)不受外來干擾 設(shè)定值保持不變?cè)O(shè)定值保持不變第一章生產(chǎn)過程的動(dòng)態(tài)特性第一章生產(chǎn)過程的動(dòng)態(tài)特性穩(wěn)態(tài)穩(wěn)態(tài)動(dòng)態(tài)動(dòng)

18、態(tài)被調(diào)量不隨時(shí)間變化被調(diào)量不隨時(shí)間變化,整個(gè)系統(tǒng)整個(gè)系統(tǒng)處于穩(wěn)定平衡的工況處于穩(wěn)定平衡的工況第16頁/共73頁第十七頁，共74頁。18動(dòng)態(tài)動(dòng)態(tài): 系統(tǒng)受到外來系統(tǒng)受到外來(wili)干擾干擾 改變了設(shè)定值改變了設(shè)定值過渡過程過渡過程(guchng): 從一個(gè)穩(wěn)態(tài)到達(dá)另從一個(gè)穩(wěn)態(tài)到達(dá)另一個(gè)穩(wěn)態(tài)的歷程一個(gè)穩(wěn)態(tài)的歷程由于被控對(duì)象總是不時(shí)受到各種外來干擾的影響，設(shè)置由于被控對(duì)象總是不時(shí)受到各種外來干擾的影響，設(shè)置(shzh)控制系統(tǒng)的目的也正控制系統(tǒng)的目的也正是為了對(duì)付這種情況，因此系統(tǒng)經(jīng)常處于動(dòng)態(tài)過程，而要評(píng)價(jià)一個(gè)過程控制系統(tǒng)的工是為了對(duì)付這種情況，因此系統(tǒng)經(jīng)常處于動(dòng)態(tài)過程，而要評(píng)價(jià)一個(gè)過程控制系統(tǒng)

19、的工作質(zhì)量，只看穩(wěn)態(tài)是不夠的，還應(yīng)該考核它在動(dòng)態(tài)過程中被調(diào)量隨時(shí)間變化的情況作質(zhì)量，只看穩(wěn)態(tài)是不夠的，還應(yīng)該考核它在動(dòng)態(tài)過程中被調(diào)量隨時(shí)間變化的情況控制系統(tǒng)的性能指標(biāo)可概括為三個(gè)方面控制系統(tǒng)的性能指標(biāo)可概括為三個(gè)方面穩(wěn)定性穩(wěn)定性準(zhǔn)確性準(zhǔn)確性快速性快速性這三個(gè)方面的要求在時(shí)域上體現(xiàn)為若干性能指標(biāo)，如：衰減比這三個(gè)方面的要求在時(shí)域上體現(xiàn)為若干性能指標(biāo)，如：衰減比(及衰減及衰減)，最大動(dòng)態(tài)，最大動(dòng)態(tài)偏差偏差(及超調(diào)量及超調(diào)量)，殘余偏差，調(diào)節(jié)時(shí)間，殘余偏差，調(diào)節(jié)時(shí)間(及振蕩頻率及振蕩頻率)等等原來的穩(wěn)態(tài)遭到破壞原來的穩(wěn)態(tài)遭到破壞,系統(tǒng)中各組成部分的系統(tǒng)中各組成部分的輸入輸出量都相繼發(fā)生變化輸入輸出量

20、都相繼發(fā)生變化, 被調(diào)量偏離原被調(diào)量偏離原穩(wěn)態(tài)值而隨時(shí)間變化穩(wěn)態(tài)值而隨時(shí)間變化第17頁/共73頁第十八頁，共74頁。19 閉環(huán)控制系統(tǒng)閉環(huán)控制系統(tǒng)(xtng)在設(shè)定值擾動(dòng)下的階躍響應(yīng)在設(shè)定值擾動(dòng)下的階躍響應(yīng)r第18頁/共73頁第十九頁，共74頁。201. 衰減衰減(shui jin)比和衰減比和衰減(shui jin)率率衰減比是衡量一個(gè)振蕩衰減比是衡量一個(gè)振蕩(zhndng)過程的衰減程過程的衰減程度的指標(biāo)度的指標(biāo),它等于兩個(gè)相臨的同向波峰峰值之比它等于兩個(gè)相臨的同向波峰峰值之比.即衰減比即衰減比n1 收斂(shulin)，趨于穩(wěn)定n=1 振蕩（等幅）n流入液位流入液位，液體，液體(yt)流

21、出流出流入，流入， 溫度溫度，熱量流出，熱量流出流入，流入， 轉(zhuǎn)速轉(zhuǎn)速，動(dòng)能流出，動(dòng)能流出流入流入流入量，流出量與輸入輸出的區(qū)別流入量，流出量與輸入輸出的區(qū)別(qbi)輸入輸出在控制系統(tǒng)的每個(gè)環(huán)節(jié)都存在，往往一個(gè)環(huán)節(jié)的輸出是另一個(gè)輸入輸出在控制系統(tǒng)的每個(gè)環(huán)節(jié)都存在，往往一個(gè)環(huán)節(jié)的輸出是另一個(gè)環(huán)節(jié)的輸入而流入流出量則是通過執(zhí)行結(jié)構(gòu)來實(shí)現(xiàn)的如液體的出入環(huán)節(jié)的輸入而流入流出量則是通過執(zhí)行結(jié)構(gòu)來實(shí)現(xiàn)的如液體的出入是通過調(diào)節(jié)閥實(shí)現(xiàn)，溫度的高低是通過電子開關(guān)的通斷實(shí)現(xiàn)，轉(zhuǎn)速是通過調(diào)節(jié)閥實(shí)現(xiàn)，溫度的高低是通過電子開關(guān)的通斷實(shí)現(xiàn)，轉(zhuǎn)速(zhun s)的升降可以通過電機(jī)的運(yùn)轉(zhuǎn)實(shí)現(xiàn)的升降可以通過電機(jī)的運(yùn)轉(zhuǎn)實(shí)現(xiàn)第2

22、4頁/共73頁第二十五頁，共74頁。262. 若干若干(rugn)簡(jiǎn)單被控對(duì)象的動(dòng)態(tài)特性簡(jiǎn)單被控對(duì)象的動(dòng)態(tài)特性1) 單容水槽單容水槽單容水槽Qi-水流入量，由調(diào)節(jié)閥開水流入量，由調(diào)節(jié)閥開 度度控制控制(kngzh)Qo-水流出量，由負(fù)載水流出量，由負(fù)載(fzi)閥閥 改變改變被調(diào)量-水位，反映水流入 流出量的平衡關(guān)系iQKoQKH()iodvd FHdHQQFdtdtdt第25頁/共73頁第二十六頁，共74頁。27對(duì)于水槽，在起始的穩(wěn)定平衡(wndng pnghng)的工況下，平衡方程為11()()iodHQQKKHdtFF0010()ioQQF則：001()()ioiodHQQQQdtF00

23、1()()iiooQQQQF1()ioQQF第26頁/共73頁第二十七頁，共74頁。28設(shè)H在H0附近(fjn)變化，則：00()1()d HHdHKKHKHdtdtF01()2HKKFH即01()2d HHKKdtFH001()HHKKFHH第27頁/共73頁第二十八頁，共74頁。29令02,HRTRF kK RK則上式為d HTHkdt其傳遞函數(shù)為( )( )( )1kH sG sU sTs水容(shu rn)水阻時(shí)間常數(shù)(sh jin chn sh)CF02 HRK0022HHd HFHKKdtK02 HTFRCK第28頁/共73頁第二十九頁，共74頁。30單容水槽水位(shuwi)階躍

24、響應(yīng)111Tkss( )(1)tTh ske( )( ) ( )H sU s G s11kTss第29頁/共73頁第三十頁，共74頁。31非線形非線形(xin xn)微分方程的線性微分方程的線性化方法化方法嚴(yán)格地說嚴(yán)格地說, 實(shí)際物理元件或系統(tǒng)都是非線性的實(shí)際物理元件或系統(tǒng)都是非線性的, 如彈簧的剛度與其形變?nèi)鐝椈傻膭偠扰c其形變(xngbin)有關(guān)系有關(guān)系,因此彈簧系數(shù)因此彈簧系數(shù)K實(shí)際上是其位移實(shí)際上是其位移x的函數(shù)的函數(shù),并非常數(shù)并非常數(shù).電阻、電容、電感等電阻、電容、電感等參數(shù)值與周圍環(huán)境參數(shù)值與周圍環(huán)境(溫度、濕度、壓力等溫度、濕度、壓力等)及流過它們的電流有關(guān)及流過它們的電流有關(guān),也

25、并非常值也并非常值; 電電動(dòng)機(jī)本身的摩擦動(dòng)機(jī)本身的摩擦, 死區(qū)等非線性因素會(huì)使其運(yùn)動(dòng)方程復(fù)雜化而成為非線性方程死區(qū)等非線性因素會(huì)使其運(yùn)動(dòng)方程復(fù)雜化而成為非線性方程. 在一定條件下在一定條件下, 為了簡(jiǎn)化數(shù)學(xué)模型為了簡(jiǎn)化數(shù)學(xué)模型,可以忽略它們的影響可以忽略它們的影響, 將這些元件視為線性元將這些元件視為線性元件件. 此外，還有一種線性化方法此外，還有一種線性化方法, 稱為切線法稱為切線法, 特別適合于具有連續(xù)變化的非線特別適合于具有連續(xù)變化的非線性特性函數(shù)，其實(shí)質(zhì)是在一個(gè)很小的范圍內(nèi)，將非線性特性用一段直線來代性特性函數(shù)，其實(shí)質(zhì)是在一個(gè)很小的范圍內(nèi)，將非線性特性用一段直線來代替替設(shè)連續(xù)變化的非線

26、性函數(shù)為設(shè)連續(xù)變化的非線性函數(shù)為y=f(x),在在x=x0出將出將y=f(x)用泰勒級(jí)數(shù)用泰勒級(jí)數(shù)(j sh)展開展開,則有則有000( )( )()().xdf xyf xf xxxdx當(dāng)當(dāng)(x-x0)很小時(shí)，略去高次冪，則有很小時(shí)，略去高次冪，則有第30頁/共73頁第三十一頁，共74頁。320000( )( )( )()xdf xy yf xf xx xdx令000,( )/)xyyyxxxKdf xdx 則線性化方程(fngchng)可簡(jiǎn)記為yK x 略去增量符號(hào)，便的函數(shù)y=f(x)在工作點(diǎn)x0附近(fjn)的線性化方程為yK x當(dāng)系統(tǒng)或元件具有非線性特性時(shí)當(dāng)系統(tǒng)或元件具有非線性特性時(shí)

27、,則其動(dòng)態(tài)數(shù)學(xué)模型常為非線性微分方程則其動(dòng)態(tài)數(shù)學(xué)模型常為非線性微分方程,而非線性微分方程而非線性微分方程的解析求解是異常困難的的解析求解是異常困難的,且由于非線性特性類型不同且由于非線性特性類型不同,沒有沒有(mi yu)通用的解析方法通用的解析方法.因此因此,在理論研究時(shí)總是力圖將非線性問題在合理的情況下簡(jiǎn)化處理成線性問題，即所謂的線性化在理論研究時(shí)總是力圖將非線性問題在合理的情況下簡(jiǎn)化處理成線性問題，即所謂的線性化.第31頁/共73頁第三十二頁，共74頁。33對(duì)于(duy)微分方程1()dHKKHdtF在平衡點(diǎn)H0處有0001()dHKKHdtF兩式相減，有000()1()()d HHKK

28、HHdtF令yH則0000/|()HyyHHdy dtHH001()2HHH代入上式可得0000()1()()2d HHKKHHdtFH第32頁/共73頁第三十三頁，共74頁。34即01()2dHKKHdtFH所以所以(suy)一般情況下非線性微分方程的線性化步驟一般情況下非線性微分方程的線性化步驟為為 按給出的非線性微分方程按給出的非線性微分方程(wi fn fn chn)寫出在寫出在平衡位置處的微分方程平衡位置處的微分方程(wi fn fn chn) 將兩微分方程將兩微分方程(wi fn fn chn)相減相減 根據(jù)泰勒級(jí)數(shù)將相減后表達(dá)式中非線性部分展開根據(jù)泰勒級(jí)數(shù)將相減后表達(dá)式中非線性部

29、分展開,即為線性微分方程即為線性微分方程第33頁/共73頁第三十四頁，共74頁。352) 單容積單容積(rngj)分水槽分水槽單容積(rngj)分水槽水槽流出側(cè)裝有水泵(shubng)，水箱的流出水量與水位無關(guān)在某一時(shí)間dt內(nèi)iQkdtoQM dtVF dH由ioVQQ得kdHMdtFF在某一平衡位置H0處，有00kdHMdtFF相減即有kd HdtF第34頁/共73頁第三十五頁，共74頁。36單容積(rngj)分水槽的階躍響應(yīng)單容積分水槽的階躍響應(yīng)(xingyng)方程為( )kh ttF該響應(yīng)該響應(yīng)(xingyng)曲線是一個(gè)發(fā)散過程曲線是一個(gè)發(fā)散過程.與單容水槽不同的是與單容水槽不同的是

30、:單容水槽由于出水單容水槽由于出水量由水位控制量由水位控制,相當(dāng)于有一個(gè)自調(diào)節(jié)系統(tǒng)相當(dāng)于有一個(gè)自調(diào)節(jié)系統(tǒng), 水位增大水位增大, 則出水量隨之增大則出水量隨之增大, 使水位趨使水位趨于變小于變小. 而積分水槽出水量與水位無關(guān)而積分水槽出水量與水位無關(guān),無自調(diào)節(jié)作用無自調(diào)節(jié)作用, 平衡破壞后平衡破壞后, 很難再次達(dá)很難再次達(dá)到另一個(gè)平衡點(diǎn)到另一個(gè)平衡點(diǎn)第35頁/共73頁第三十六頁，共74頁。373 工業(yè)過程動(dòng)態(tài)特性的特點(diǎn)工業(yè)過程動(dòng)態(tài)特性的特點(diǎn)(被控對(duì)象本身被控對(duì)象本身(bnshn)的性質(zhì)的性質(zhì))1) 對(duì)象對(duì)象(duxing)的動(dòng)態(tài)特性的動(dòng)態(tài)特性是不振蕩的是不振蕩的對(duì)象的階躍響應(yīng)曲線通常是單調(diào)曲線，

31、被調(diào)量的變化比較(bjio)緩慢工業(yè)對(duì)象的幅頻特性M()和相頻特性()都隨著頻率的增高而減小2) 對(duì)象動(dòng)態(tài)特性有遲延對(duì)象動(dòng)態(tài)特性有遲延由于遲延的存在，調(diào)節(jié)閥的動(dòng)作效果往往需要經(jīng)過一段遲延時(shí)間才能在被調(diào)量上表現(xiàn)出來遲延的主要來源是多個(gè)容積的存在容積越大和數(shù)目越多，遲延時(shí)間也越長(zhǎng)3) 被控對(duì)象本身是穩(wěn)定的或中性穩(wěn)定的被控對(duì)象本身是穩(wěn)定的或中性穩(wěn)定的自平衡: 當(dāng)輸入量改變時(shí)，被調(diào)量能夠自動(dòng)穩(wěn)定在新的位置上，則該過程自平衡率自平衡率:1KhK-對(duì)象的靜態(tài)增益對(duì)象的靜態(tài)增益自衡過程自衡過程:( )1sKG seTs 是自平衡的(帶純遲延的一階慣性環(huán)節(jié)帶純遲延的一階慣性環(huán)節(jié))第36頁/共73頁第三十七頁，

32、共74頁。38非自平衡非自平衡: 當(dāng)輸入改變當(dāng)輸入改變(gibin)后后, 不平衡不因被調(diào)量的變化而改變不平衡不因被調(diào)量的變化而改變(gibin), 因而因而被調(diào)量被調(diào)量 將以固定的速度一直變化下去而不會(huì)自動(dòng)地在新的水平上恢將以固定的速度一直變化下去而不會(huì)自動(dòng)地在新的水平上恢 復(fù)平衡復(fù)平衡.它是中性平衡的它是中性平衡的不穩(wěn)定過程是指原來的平衡一旦破壞不穩(wěn)定過程是指原來的平衡一旦破壞(phui)，被調(diào)量在很短的時(shí)間內(nèi)，被調(diào)量在很短的時(shí)間內(nèi)就發(fā)生很大的變化就發(fā)生很大的變化典型工業(yè)過程在調(diào)節(jié)閥開度擾動(dòng)下的階躍(飛升(fi shn)響應(yīng):非自衡過程非自衡過程:( )sKG seTs第37頁/共73頁第

33、三十八頁，共74頁。39再經(jīng)過再經(jīng)過時(shí)間時(shí)間(shjin)后，被調(diào)量的變化量近后，被調(diào)量的變化量近似為似為KyKTT 對(duì)于非自衡過程，此時(shí)對(duì)于非自衡過程，此時(shí)(c sh)y=是準(zhǔn)確成立的，是準(zhǔn)確成立的，其中其中1T因此，可以因此，可以(ky)用用的大小作為衡量被控對(duì)象控制難易程度的簡(jiǎn)易指的大小作為衡量被控對(duì)象控制難易程度的簡(jiǎn)易指標(biāo)標(biāo) 越大越大, 過程越難控制過程越難控制 越小越小, 過程越易控制過程越易控制對(duì)象受到階躍擾動(dòng)對(duì)象受到階躍擾動(dòng),經(jīng)過一段遲延時(shí)間經(jīng)過一段遲延時(shí)間 后后, ,被調(diào)量開始以某個(gè)速度變化被調(diào)量開始以某個(gè)速度變化, ,這個(gè)這個(gè)起始速度稱為響應(yīng)速度，表示為起始速度稱為響應(yīng)速度，

34、表示為KT=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，接近自自衡單容過程衡單容過程易于控制過程易于控制過程第38頁/共73頁第三十九頁，共74頁。40單純由遲延構(gòu)成的過程單純由遲延構(gòu)成的過程(guchng)是很難控制的是很難控制的,而自平衡的單容過程而自平衡的單容過程(guchng)則極易控制則極易控制.右圖是自衡過程在調(diào)節(jié)閥開度單位擾動(dòng)下的響應(yīng)(xingyng)的初期情況.為了便于在相同的基礎(chǔ)上對(duì)各種被控對(duì)象進(jìn)行比較, 輸入輸出都用相對(duì)值表示-遲延遲延(chyn)時(shí)間時(shí)間T-時(shí)間常數(shù)時(shí)間常數(shù)時(shí)間常數(shù)時(shí)間常數(shù)T的意義的意義:表示被控對(duì)象表

35、示被控對(duì)象以以t=時(shí)的切線速度一直變化到穩(wěn)時(shí)的切線速度一直變化到穩(wěn)態(tài)值時(shí)所需要的時(shí)間態(tài)值時(shí)所需要的時(shí)間將將t=T代入方程代入方程(1)tTyKe可得到1( )(1) 0.6320.632yTKeKy也就是對(duì)象受階躍輸入作用后，被控變量達(dá)到新穩(wěn)態(tài)值63.2%所需時(shí)間(可用做驗(yàn)算)y=k(1-e-(t-)/T)第39頁/共73頁第四十頁，共74頁。414) 被控被控(bi kn)對(duì)象具有對(duì)象具有非線性特性非線性特性嚴(yán)格地說嚴(yán)格地說, 幾乎所有的被控對(duì)象的動(dòng)態(tài)特性都呈現(xiàn)非線性特性幾乎所有的被控對(duì)象的動(dòng)態(tài)特性都呈現(xiàn)非線性特性, 只是程度不只是程度不同而已同而已. 如許多被控對(duì)象的增益就不是常數(shù)如許多被

36、控對(duì)象的增益就不是常數(shù). 對(duì)于被控對(duì)象的非線性特性對(duì)于被控對(duì)象的非線性特性, 如果控制精度要求不高或者負(fù)荷變化不大如果控制精度要求不高或者負(fù)荷變化不大, 則可用線性化方法進(jìn)行則可用線性化方法進(jìn)行(jnxng)處理處理. 但是如果非線性不可忽略但是如果非線性不可忽略,必須采用其他方法必須采用其他方法, 如分段線性化的方法如分段線性化的方法, 非線性補(bǔ)償或者利用非線性控制理論來進(jìn)行非線性補(bǔ)償或者利用非線性控制理論來進(jìn)行(jnxng)系統(tǒng)的分析和設(shè)計(jì)系統(tǒng)的分析和設(shè)計(jì)需要強(qiáng)調(diào)的是需要強(qiáng)調(diào)的是,時(shí)間常數(shù)時(shí)間常數(shù)T越大越大,被控量的變化越慢被控量的變化越慢,達(dá)到新的穩(wěn)態(tài)值所需要的時(shí)間達(dá)到新的穩(wěn)態(tài)值所需要的

37、時(shí)間越長(zhǎng)越長(zhǎng).時(shí)間常數(shù)大的對(duì)象時(shí)間常數(shù)大的對(duì)象,系統(tǒng)穩(wěn)定性好系統(tǒng)穩(wěn)定性好, 動(dòng)態(tài)偏差較小動(dòng)態(tài)偏差較小,但同時(shí)但同時(shí)(tngsh)系統(tǒng)的調(diào)系統(tǒng)的調(diào)節(jié)性能變差節(jié)性能變差, 一旦系統(tǒng)偏離設(shè)定值后一旦系統(tǒng)偏離設(shè)定值后,所需調(diào)節(jié)時(shí)間較長(zhǎng)所需調(diào)節(jié)時(shí)間較長(zhǎng). 因此因此,對(duì)于時(shí)間常數(shù)大的對(duì)于時(shí)間常數(shù)大的調(diào)節(jié)對(duì)象調(diào)節(jié)對(duì)象, 在自控系統(tǒng)設(shè)計(jì)時(shí)可適當(dāng)降低系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)偏差要求在自控系統(tǒng)設(shè)計(jì)時(shí)可適當(dāng)降低系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)偏差要求.但靜態(tài)指標(biāo)應(yīng)嚴(yán)格但靜態(tài)指標(biāo)應(yīng)嚴(yán)格控制控制.而對(duì)于時(shí)間常數(shù)小的系統(tǒng)而對(duì)于時(shí)間常數(shù)小的系統(tǒng),則動(dòng)態(tài)指標(biāo)是控制系統(tǒng)的主要目標(biāo)則動(dòng)態(tài)指標(biāo)是控制系統(tǒng)的主要目標(biāo)第40頁/共73頁第四十一頁，共74頁。424 描述過

38、程描述過程(guchng)特性的參數(shù)特性的參數(shù) (放大系數(shù)放大系數(shù), 時(shí)間常數(shù)時(shí)間常數(shù), 遲延時(shí)遲延時(shí)間間)冷物料冷物料熱 物 料熱 物 料W蒸汽蒸汽QQQWWtt數(shù)學(xué)數(shù)學(xué)(shxu)(shxu)表達(dá)式表達(dá)式 a a 蒸汽加熱器系統(tǒng)蒸汽加熱器系統(tǒng) b b 溫度響應(yīng)溫度響應(yīng)(xingyng)(xingyng)曲線曲線靜態(tài)特性參數(shù)靜態(tài)特性參數(shù)1) 放大系數(shù)放大系數(shù)K (靜態(tài)增益靜態(tài)增益)WKQ被調(diào)量變化量調(diào)節(jié)量變化量WK Q單位單位: /1%意義意義: 第41頁/共73頁第四十二頁，共74頁。43增益增益(zngy)的求取的求取已知傳遞函數(shù)已知傳遞函數(shù)( )( )1Kd HH sTHKdtsTs1

39、2122() sphsppspDHQc TQDHQc TTTQcHdTKdDQc已知模型已知模型(mxng)(mxng)表達(dá)式表達(dá)式 ( (無微分無微分) )已知實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)已知實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)(shj)(shj)或調(diào)節(jié)量和被調(diào)量的變化量或調(diào)節(jié)量和被調(diào)量的變化量K非線性非線性P94: 1.10, 1.11K 被調(diào)量變化量調(diào)節(jié)量變化量第42頁/共73頁第四十三頁，共74頁。44放大系數(shù)放大系數(shù)K對(duì)系統(tǒng)的影響對(duì)系統(tǒng)的影響(yngxing)放大系數(shù)越大，操縱變量放大系數(shù)越大，操縱變量(binling)的變化對(duì)被控變量的變化對(duì)被控變量(binling)的影響就越大，控制作用對(duì)擾動(dòng)的補(bǔ)償能力強(qiáng)，有利于克服擾動(dòng)的影響

40、，余差就越??；反之，放大系數(shù)小，控制作用的影響不顯著，被控變量的影響就越大，控制作用對(duì)擾動(dòng)的補(bǔ)償能力強(qiáng)，有利于克服擾動(dòng)的影響，余差就越小；反之，放大系數(shù)小，控制作用的影響不顯著，被控變量(binling)變化緩慢。但放大系數(shù)過大，會(huì)使控制作用對(duì)被控變量變化緩慢。但放大系數(shù)過大，會(huì)使控制作用對(duì)被控變量(binling)的影響過強(qiáng)，使系統(tǒng)穩(wěn)定性下降。的影響過強(qiáng)，使系統(tǒng)穩(wěn)定性下降?？刂瓶刂?kngzh)通道通道 當(dāng)擾動(dòng)頻繁出現(xiàn)且幅度較大時(shí)，放大系數(shù)大，被控變量的波動(dòng)就當(dāng)擾動(dòng)頻繁出現(xiàn)且幅度較大時(shí)，放大系數(shù)大，被控變量的波動(dòng)就會(huì)很大，使得最大偏差增大；而放大系數(shù)小，即使擾動(dòng)較大，對(duì)被會(huì)很大，使得最大偏差

41、增大；而放大系數(shù)小，即使擾動(dòng)較大，對(duì)被控變量仍然不會(huì)產(chǎn)生多大影響?？刈兞咳匀徊粫?huì)產(chǎn)生多大影響。擾動(dòng)通道擾動(dòng)通道第43頁/共73頁第四十四頁，共74頁。452) 時(shí)間常數(shù)時(shí)間常數(shù)(sh jin chn sh)T以圖直接蒸汽加熱器為例，假設(shè)蒸汽流量作階躍變化以圖直接蒸汽加熱器為例，假設(shè)蒸汽流量作階躍變化(binhu)(binhu)，階躍幅值為，階躍幅值為QQ，熱物料出口溫度，熱物料出口溫度W(t)W(t)隨蒸汽流量變化隨蒸汽流量變化(binhu)(binhu)的曲線可用方程式表示的曲線可用方程式表示 時(shí)間常數(shù)是動(dòng)態(tài)參數(shù)，用來表征被控變量的快慢時(shí)間常數(shù)是動(dòng)態(tài)參數(shù)，用來表征被控變量的快慢(kuimn)

42、程度。程度。式中：式中：T T為時(shí)間常數(shù)。為時(shí)間常數(shù)。( )(1)tTW tK Qe第44頁/共73頁第四十五頁，共74頁。46時(shí)間常數(shù)時(shí)間常數(shù)(sh jin chn (sh jin chn sh)Tsh)T對(duì)系統(tǒng)的影響對(duì)系統(tǒng)的影響控制通道，對(duì)于擾動(dòng)通道，時(shí)間常數(shù)控制通道，對(duì)于擾動(dòng)通道，時(shí)間常數(shù)(sh jin chn sh)大，擾動(dòng)作用比較平緩，大，擾動(dòng)作用比較平緩，被控變量的變化比較平穩(wěn)，過程較易控制。被控變量的變化比較平穩(wěn)，過程較易控制。控制控制(kngzh)通道通道在相同的控制作用下，時(shí)間常數(shù)大，被控變量的變化比較緩在相同的控制作用下，時(shí)間常數(shù)大，被控變量的變化比較緩慢，此時(shí)過程比較平穩(wěn)

43、，容易進(jìn)行控制，但過渡過程時(shí)間較慢，此時(shí)過程比較平穩(wěn)，容易進(jìn)行控制，但過渡過程時(shí)間較長(zhǎng)；若時(shí)間常數(shù)小，則被控變量的變化速度快，控制過程比長(zhǎng)；若時(shí)間常數(shù)小，則被控變量的變化速度快，控制過程比較靈敏，不易控制。時(shí)間常數(shù)太大或太小，對(duì)控制上都不利。較靈敏，不易控制。時(shí)間常數(shù)太大或太小，對(duì)控制上都不利。擾動(dòng)通道擾動(dòng)通道第45頁/共73頁第四十六頁，共74頁。473) 3) 滯后滯后(zh (zh hu)hu)時(shí)間時(shí)間又稱為傳遞滯后又稱為傳遞滯后(zh hu)(zh hu)。純滯后。純滯后(zh hu)(zh hu)的產(chǎn)生一般是由于介質(zhì)的輸送、能量傳遞和信號(hào)傳輸需要一段時(shí)間而引起的。的產(chǎn)生一般是由于介質(zhì)

44、的輸送、能量傳遞和信號(hào)傳輸需要一段時(shí)間而引起的。 純滯后純滯后(zh (zh hu)0:hu)0:皮帶輸送裝置皮帶輸送裝置例例濃度監(jiān)測(cè)點(diǎn)濃度監(jiān)測(cè)點(diǎn)溶解槽溶解槽v vL LXYtt溶解槽過程的響應(yīng)曲線溶解槽過程的響應(yīng)曲線 0輸送機(jī)將固體溶質(zhì)由加料斗送至溶解槽所經(jīng)過的時(shí)間，稱為輸送機(jī)將固體溶質(zhì)由加料斗送至溶解槽所經(jīng)過的時(shí)間，稱為純滯后時(shí)間純滯后時(shí)間。其中其中l(wèi) l表示皮帶長(zhǎng)度，表示皮帶長(zhǎng)度， v v表示皮帶移動(dòng)的線速度。表示皮帶移動(dòng)的線速度。不少過程在輸入變化后，輸出并不立即變化，而是要經(jīng)過不少過程在輸入變化后，輸出并不立即變化，而是要經(jīng)過一段時(shí)間后輸出才發(fā)生變化，這段時(shí)間稱為純滯后一段時(shí)間后輸出

45、才發(fā)生變化，這段時(shí)間稱為純滯后(時(shí)間時(shí)間).0=L/V第46頁/共73頁第四十七頁，共74頁。48 容量容量(rngling)滯后滯后n 容量滯后的產(chǎn)生一般是物料或能量傳遞需要通過容量滯后的產(chǎn)生一般是物料或能量傳遞需要通過(tnggu)一定一定的阻力而引起的。它是多容過程所固有的特性。的阻力而引起的。它是多容過程所固有的特性。 nAh1 Q1 Q12 h2 Q2 A1A2oXYtt串聯(lián)水槽及其響應(yīng)串聯(lián)水槽及其響應(yīng)(xingyng)曲線曲線 如圖所示的兩個(gè)串聯(lián)水槽的液位（雙容）過程來說明容量滯后現(xiàn)象如圖所示的兩個(gè)串聯(lián)水槽的液位（雙容）過程來說明容量滯后現(xiàn)象.第47頁/共73頁第四十八頁，共74頁

46、。49從理論上講從理論上講, ,純滯后與容量滯后有著純滯后與容量滯后有著(yu zhe)(yu zhe)本質(zhì)的區(qū)別本質(zhì)的區(qū)別, , 但在實(shí)際生產(chǎn)過程中兩者同時(shí)存在但在實(shí)際生產(chǎn)過程中兩者同時(shí)存在, ,有時(shí)很難區(qū)別有時(shí)很難區(qū)別. . 通常用滯通常用滯后時(shí)間后時(shí)間來表示純滯后與容量滯后之和來表示純滯后與容量滯后之和. . 即即=0+n.=0+n.下圖下圖為滯后時(shí)間為滯后時(shí)間示意圖。示意圖。 滯后滯后(zh hu)(zh hu)時(shí)間時(shí)間示意圖示意圖oXYtt0n第48頁/共73頁第四十九頁，共74頁。50滯后時(shí)間滯后時(shí)間(shjin)對(duì)對(duì)系統(tǒng)的影響系統(tǒng)的影響由于存在由于存在(cnzi)滯后滯后,使控制

47、作用落后于被控變量的變化使控制作用落后于被控變量的變化,從而使從而使被控變量的偏差增大被控變量的偏差增大, 控制質(zhì)量下降控制質(zhì)量下降. 滯后時(shí)間越大滯后時(shí)間越大, 控制質(zhì)量越控制質(zhì)量越差差.控制控制(kngzh)通道通道對(duì)于擾動(dòng)通道對(duì)于擾動(dòng)通道, 如果存在純滯后如果存在純滯后,相當(dāng)于擾動(dòng)延遲了一段時(shí)間才進(jìn)相當(dāng)于擾動(dòng)延遲了一段時(shí)間才進(jìn)入系統(tǒng)入系統(tǒng), 而擾動(dòng)在什么時(shí)間出現(xiàn)而擾動(dòng)在什么時(shí)間出現(xiàn),本來就是無從預(yù)知的本來就是無從預(yù)知的, 因此因此,并不影并不影響控制系統(tǒng)的品質(zhì)響控制系統(tǒng)的品質(zhì).擾動(dòng)通道中存在容量滯后擾動(dòng)通道中存在容量滯后,可使階躍擾動(dòng)的可使階躍擾動(dòng)的影響趨于緩和影響趨于緩和, 對(duì)控制系統(tǒng)

48、是有利的對(duì)控制系統(tǒng)是有利的.擾動(dòng)通道擾動(dòng)通道第49頁/共73頁第五十頁，共74頁。511.3 過程過程(guchng)數(shù)學(xué)模型及其建數(shù)學(xué)模型及其建立方法立方法數(shù)學(xué)模型是對(duì)事物行為規(guī)律的數(shù)學(xué)描述，根據(jù)所描述的是事物在穩(wěn)態(tài)下的行為還是數(shù)學(xué)模型是對(duì)事物行為規(guī)律的數(shù)學(xué)描述，根據(jù)所描述的是事物在穩(wěn)態(tài)下的行為還是(hi shi)在動(dòng)態(tài)下的，數(shù)學(xué)模型有靜態(tài)模型和動(dòng)態(tài)模型之分在動(dòng)態(tài)下的，數(shù)學(xué)模型有靜態(tài)模型和動(dòng)態(tài)模型之分1) 建立建立(jinl)數(shù)學(xué)模型的數(shù)學(xué)模型的目的目的 制訂工業(yè)過程優(yōu)化操作方案制訂工業(yè)過程優(yōu)化操作方案 制訂控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)方案制訂控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)方案,利用數(shù)學(xué)模型進(jìn)行仿真研究利用數(shù)學(xué)模型進(jìn)行仿

49、真研究 進(jìn)行控制系統(tǒng)的調(diào)試和調(diào)節(jié)器參數(shù)的整定進(jìn)行控制系統(tǒng)的調(diào)試和調(diào)節(jié)器參數(shù)的整定 設(shè)計(jì)工業(yè)過程的故障檢測(cè)和診斷系統(tǒng)設(shè)計(jì)工業(yè)過程的故障檢測(cè)和診斷系統(tǒng) 制訂大型設(shè)備啟動(dòng)和停車的操作方案制訂大型設(shè)備啟動(dòng)和停車的操作方案 設(shè)計(jì)工業(yè)過程運(yùn)行人員培訓(xùn)系統(tǒng)設(shè)計(jì)工業(yè)過程運(yùn)行人員培訓(xùn)系統(tǒng)1. 過程數(shù)學(xué)模型的表達(dá)形式與對(duì)模型的要求過程數(shù)學(xué)模型的表達(dá)形式與對(duì)模型的要求第50頁/共73頁第五十一頁，共74頁。522) 被控被控(bi kn)對(duì)象數(shù)學(xué)模型的表對(duì)象數(shù)學(xué)模型的表達(dá)形式達(dá)形式(1) 按系統(tǒng)按系統(tǒng)(xtng)的連續(xù)性劃分：連續(xù)系統(tǒng)的連續(xù)性劃分：連續(xù)系統(tǒng)(xtng)模型，離散系統(tǒng)模型，離散系統(tǒng)(xtng)模型模型

50、(2) 按模型按模型(mxng)的結(jié)構(gòu)劃分：輸入輸出模型的結(jié)構(gòu)劃分：輸入輸出模型(mxng)，狀態(tài)空間模型狀態(tài)空間模型(mxng)(3) 輸入輸出模型按域劃分：輸入輸出模型按域劃分：時(shí)域時(shí)域-階躍響應(yīng)，脈沖響應(yīng)階躍響應(yīng)，脈沖響應(yīng)頻域頻域-傳遞函數(shù)傳遞函數(shù)在控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)中,所需的被控對(duì)象數(shù)學(xué)模型在表達(dá)方式上因情況而異.例如：PID控制要求過程模型用傳遞函數(shù)表達(dá)；二次型最優(yōu)控制要求用狀態(tài)空間表達(dá)式；基于參數(shù)估計(jì)的自適應(yīng)控制通常要求用脈沖傳遞函數(shù)表達(dá);預(yù)測(cè)控制要求用階躍響應(yīng)或脈沖響應(yīng)表達(dá)第51頁/共73頁第五十二頁，共74頁。533) 被控對(duì)象被控對(duì)象(duxing)數(shù)學(xué)模型的利用方式數(shù)學(xué)模型的利用

51、方式離線：數(shù)學(xué)模型只是離線：數(shù)學(xué)模型只是(zhsh)在進(jìn)行控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)研究中或在控制系統(tǒng)的調(diào)試在進(jìn)行控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)研究中或在控制系統(tǒng)的調(diào)試整定階段發(fā)揮作用整定階段發(fā)揮作用在線：將數(shù)學(xué)模型作為一個(gè)組成部分在線：將數(shù)學(xué)模型作為一個(gè)組成部分(z chn b fn)砌入控制系統(tǒng)中砌入控制系統(tǒng)中4) 被控對(duì)象對(duì)數(shù)學(xué)模型的要求被控對(duì)象對(duì)數(shù)學(xué)模型的要求用于控制的數(shù)學(xué)模型并不要求非常準(zhǔn)確用于控制的數(shù)學(xué)模型并不要求非常準(zhǔn)確. 閉環(huán)控制本身具有一定的魯棒性閉環(huán)控制本身具有一定的魯棒性,模型的誤模型的誤差可視為干擾差可視為干擾,而閉環(huán)控制具有自動(dòng)消除干擾的能力而閉環(huán)控制具有自動(dòng)消除干擾的能力另外另外,控制工程師在

52、建立數(shù)學(xué)模型時(shí)控制工程師在建立數(shù)學(xué)模型時(shí),應(yīng)該突出主要因素應(yīng)該突出主要因素,忽略次要因素忽略次要因素.為此需要作很為此需要作很多近似處理多近似處理,如：線性化，分布參數(shù)系統(tǒng)集總化如：線性化，分布參數(shù)系統(tǒng)集總化,模型降階處理模型降階處理.第52頁/共73頁第五十三頁，共74頁。542. 建模的兩個(gè)基本建模的兩個(gè)基本(jbn)方法方法(機(jī)理(j l)法測(cè)試法)1) 機(jī)理機(jī)理(j l)法法它是根據(jù)生產(chǎn)過程中實(shí)際發(fā)生的變化機(jī)理，寫出各種有關(guān)的平衡方程它是根據(jù)生產(chǎn)過程中實(shí)際發(fā)生的變化機(jī)理，寫出各種有關(guān)的平衡方程如：物質(zhì)平衡方程；能量平衡方程；動(dòng)量平衡方程等基本規(guī)律的運(yùn)動(dòng)方程，物性參數(shù)方程和某些設(shè)備的特性

53、方程，從中獲得所需的數(shù)學(xué)模型條件：充分掌握生產(chǎn)過程的機(jī)理，可以用數(shù)學(xué)進(jìn)行確切的描述條件：充分掌握生產(chǎn)過程的機(jī)理，可以用數(shù)學(xué)進(jìn)行確切的描述隨著計(jì)算機(jī)的使用，只要機(jī)理清楚，可以用計(jì)算機(jī)求解幾乎任何復(fù)雜系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型，而且根據(jù)對(duì)模型的要求，合理的近似假定必不可少要求：模型應(yīng)該盡量簡(jiǎn)單，同時(shí)保證達(dá)到合理的精度，有時(shí)還需要考慮實(shí)時(shí)性的問要求：模型應(yīng)該盡量簡(jiǎn)單，同時(shí)保證達(dá)到合理的精度，有時(shí)還需要考慮實(shí)時(shí)性的問題題第53頁/共73頁第五十四頁，共74頁。55雙容水槽雙容水槽雙容水槽雙容水槽有兩個(gè)串聯(lián)在一起的水槽,它們之間的連通管具有阻力,因此兩者的水位(shuwi)是不同的.兩個(gè)水槽的物料(w lio)平衡

54、方程為:1111()(1)idHQQdtF水槽211()(2)odHQQdtF水槽2其中(qzhng)112122()/3/ioQkQHHRQH R（）第54頁/共73頁第五十五頁，共74頁。56將(3)代入(1)可得111121dHF RHHk Rdt令111FRT則11121dHTHHk Rdt將(3)代入(2)可得22210dHTHrHdt其中(qzhng)(4)(5)將(5)式對(duì)t微分(wi fn)可得：2221220d HdHdHTrdtdtdt122221212,RRRTFrRRRR第55頁/共73頁第五十六頁，共74頁。57則有212222dHd HdHrTdtdtdt(6)r*

55、(4)+(5)得2122121dHdHTHTrrHrk Rdtdt代入(6)2221 212212()(1)d HdHTTTTr Hrk Rdtdt傳遞函數(shù)為1221 212( )( )( )()(1)rk RHsG sU sTT sTT sr第56頁/共73頁第五十七頁，共74頁。58雙容水槽的水位H2運(yùn)動(dòng)方程(fngchng)是一個(gè)二階微分方程(fngchng)，它是被控對(duì)象中含有兩個(gè)串聯(lián)容積的反映圖中t0t1是由于多加了一個(gè)儲(chǔ)蓄(chx)容積而使階躍響應(yīng)向后推遲的時(shí)間，稱為容積遲延如果系統(tǒng)中串聯(lián)的容積越多和越大，則容積遲延也越大，這往往是有些工業(yè)過程難以控制的原因雙容水槽的階躍響應(yīng)(xi

56、ngyng)第57頁/共73頁第五十八頁，共74頁。592) 測(cè)試法建模測(cè)試法建模根據(jù)工業(yè)過程輸入和輸出的實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行某種數(shù)學(xué)根據(jù)工業(yè)過程輸入和輸出的實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行某種數(shù)學(xué)(shxu)處理后得到的模型處理后得到的模型適用范圍：只用于建立適用范圍：只用于建立(jinl)輸入輸出模型輸入輸出模型特點(diǎn)(tdin)：把工業(yè)過程視為一個(gè)黑匣子，完全從外特性上測(cè)試和描述它的動(dòng)態(tài)特性，不需深入了解內(nèi)部機(jī)理實(shí)驗(yàn)過程：實(shí)驗(yàn)過程： 激勵(lì)激勵(lì)過程的動(dòng)態(tài)特性只有當(dāng)它處于變動(dòng)狀態(tài)下才會(huì)表現(xiàn)出來過程的動(dòng)態(tài)特性只有當(dāng)它處于變動(dòng)狀態(tài)下才會(huì)表現(xiàn)出來在穩(wěn)態(tài)下是表現(xiàn)不出來的因此為了獲得動(dòng)態(tài)特性，必須使被研究的過程處于被激勵(lì)狀態(tài),如施

57、加一個(gè)階躍或脈沖擾動(dòng)為了有效地進(jìn)行動(dòng)態(tài)特性測(cè)試，還是有必要對(duì)過程的內(nèi)部機(jī)理有明確的定性了解，為了有效地進(jìn)行動(dòng)態(tài)特性測(cè)試，還是有必要對(duì)過程的內(nèi)部機(jī)理有明確的定性了解，如哪些主要因素在起作用如哪些主要因素在起作用第58頁/共73頁第五十九頁，共74頁。60階躍響應(yīng)階躍響應(yīng)(xingyng)的獲的獲取取原理(yunl)：給已經(jīng)處于平衡狀態(tài)下的過程一個(gè)突變的擾動(dòng)信號(hào)，比如增大輸 入量，系統(tǒng)在此情況下由于自身的調(diào)節(jié)作用，過渡到另一個(gè)穩(wěn)態(tài)注意事項(xiàng)注意事項(xiàng): 不能使正常生產(chǎn)受到嚴(yán)重干擾不能使正常生產(chǎn)受到嚴(yán)重干擾; 盡量減小其他隨機(jī)擾動(dòng)盡量減小其他隨機(jī)擾動(dòng)(rodng)的影響的影響; 應(yīng)考慮系統(tǒng)中的非線性因素

58、應(yīng)考慮系統(tǒng)中的非線性因素.為了得到可靠的測(cè)試結(jié)果為了得到可靠的測(cè)試結(jié)果,應(yīng)注意下列事應(yīng)注意下列事項(xiàng)：項(xiàng)：) 階躍擾動(dòng)信號(hào)的幅度應(yīng)合理階躍擾動(dòng)信號(hào)的幅度應(yīng)合理.幅度過小不能保證測(cè)試結(jié)果的可靠性(隨機(jī)干擾嚴(yán)重),過大則會(huì)干擾正常生產(chǎn)，危及生產(chǎn)安全，通常，擾動(dòng)量取為額定值的810%) 實(shí)驗(yàn)開始前確保被控對(duì)象處于某一穩(wěn)定工況,實(shí)驗(yàn)期間應(yīng)設(shè)法避免發(fā)避免發(fā) 生偶然性的其他擾動(dòng)生偶然性的其他擾動(dòng)) 考慮到實(shí)際被控對(duì)象的非線性,應(yīng)選取不同的負(fù)荷,在被調(diào)量的不同設(shè) 定值下，進(jìn)行多次測(cè)試進(jìn)行多次測(cè)試同一負(fù)荷和被調(diào)量的同一設(shè)定值下,也要在正 向和反向擾動(dòng)下多次重復(fù)測(cè)試，以求全面掌握對(duì)象的動(dòng)態(tài)特性.第59頁/共73頁

59、第六十頁，共74頁。61為了為了(wi le)能夠施加比較大的擾動(dòng)幅度而又不至于嚴(yán)重干擾正常生產(chǎn)能夠施加比較大的擾動(dòng)幅度而又不至于嚴(yán)重干擾正常生產(chǎn),可以用矩形脈沖輸入代替正常的階躍輸入可以用矩形脈沖輸入代替正常的階躍輸入,即大幅度的階躍擾動(dòng)施加一小段即大幅度的階躍擾動(dòng)施加一小段時(shí)間后立即消除時(shí)間后立即消除圖中矩形脈沖輸入u(t)可視為兩個(gè)階躍擾動(dòng)u1(t)u2(t)的疊加，它們的幅度相等但方向相反并且開始的時(shí)間(shjin)不同12( )( )( )u tu tu t其中(qzhng)21( )()u tu tt 假定對(duì)象無明顯非線性，則矩形脈沖響應(yīng)就是兩個(gè)階躍響應(yīng)之和，即1211()()()()()yty ty ty ty tt第60頁/共73頁第六十一頁，共74頁。62 數(shù)據(jù)測(cè)試數(shù)據(jù)測(cè)試測(cè)試量：測(cè)試特定響應(yīng)下輸出量隨時(shí)間(shjin)變化的一系列點(diǎn) 擬合擬合(n h)步驟(bzhu)：(選定傳遞函數(shù)形式確定參數(shù)) 選型選型在擬合時(shí),首先要選定模型的結(jié)構(gòu).典型的工業(yè)過程的傳遞函數(shù)可以選取多種形式,如：a) 一階慣性環(huán)節(jié)加純遲延一階慣性環(huán)節(jié)加純遲延b) 二階或二階或n階慣性環(huán)節(jié)加純遲延階慣性環(huán)節(jié)加純遲延( )(1)1sK eG sTs12( )