熱工過程自動控制課件

熱工過程自動控制熱工過程自動控制1控制單元

測量單元執(zhí)行單元被控對象給定值擾動被控量測量單元自動控制中三個基本組成部分系統(tǒng)的組成自動控制裝置：變送器、控制器、執(zhí)行器控制單元測量單元執(zhí)行單元被控對象給定值擾動被控量測量單元自2

1、被控量表征生產(chǎn)過程是否正常運行并需要加以控制的物理量。

2、給定值希望被控量應該具有的數(shù)值。3、控制對象被控制的生產(chǎn)過程或設備。

常用術語常用術語34、控制機構可改變進入控制對象的物質(zhì)或能量的裝置（閥門、擋板）5、控制量由控制機構改變的流量或能量，用來控制被控量的變化6、擾動引起被控量偏離給定值的各種因素常用術語4、控制機構可改變進入控制對象的物質(zhì)常用4控制器

執(zhí)行器被控對象被控量變送器給定值按結構分類1.反饋控制系統(tǒng)

（閉環(huán)）

控制器執(zhí)行器被控對象被控量變送器給定值按結構分類52.前饋控制系統(tǒng)（開環(huán)）前饋控制

變送器執(zhí)行器被控對象被控量擾動按結構分類2.前饋控制系統(tǒng)（開環(huán)）前饋控制變送器執(zhí)行器被控對象被控量6

反饋控制1）按偏差調(diào)節(jié)，可以克服各種擾動；2）閉環(huán)系統(tǒng)需要進行穩(wěn)定性分析；3）控制作用落后于擾動，不及時。

前饋控制1）按擾動調(diào)節(jié)，只能克服某種擾動；2）無需進行穩(wěn)定性分析；3）控制作用及時。特點比較反饋控制73.前饋-反饋控制系統(tǒng)(復合）反饋調(diào)節(jié)器執(zhí)行器控制通道變送器c0e(t)c(t)前饋調(diào)節(jié)器擾動通道r

(t)按結構分類3.前饋-反饋控制系統(tǒng)(復合）反饋調(diào)節(jié)器執(zhí)行器控制通道81.3控制系統(tǒng)的性能指標控制系統(tǒng)的調(diào)節(jié)品質(zhì)可用系統(tǒng)在受到單位階躍輸入作用后，被調(diào)量在控制過程中的變化曲線來分析。

單位階躍函數(shù)1.3控制系統(tǒng)的性能指標控制系統(tǒng)的調(diào)節(jié)品質(zhì)可用系統(tǒng)在受到9階躍響應函數(shù)：在輸入為階躍函數(shù)時，系統(tǒng)的輸出隨時間變化的過程。(a)發(fā)散振蕩(b)等幅振蕩階躍響應函數(shù)：在輸入為階躍函數(shù)時，系統(tǒng)(a)發(fā)散振10

(c)衰減振蕩(d)單調(diào)過程階躍響應函數(shù)：在輸入為階躍函數(shù)時，系統(tǒng)的輸出隨時間變化的過程。(c)衰減振蕩(d)單調(diào)過11一、控制過程的基本形式(a)發(fā)散振蕩(b)等幅振蕩(c)衰減振蕩(d)單調(diào)過程

穩(wěn)定的調(diào)節(jié)過程一、控制過程的基本形式(a)發(fā)散振蕩(b)12二、性能指標1.靜態(tài)偏差2.最大動態(tài)偏差

3.衰減率4.控制過程時間二、性能指標1.靜態(tài)偏差2.最大動態(tài)偏差131、靜態(tài)偏差:指被調(diào)量的穩(wěn)態(tài)值與給定值間的偏差

e(∞)=y(∞)2.最大動態(tài)偏差:指調(diào)節(jié)過程中被調(diào)量的最大暫時

偏差ym=y1+y(∞)超調(diào)量1、靜態(tài)偏差:指被調(diào)量的穩(wěn)態(tài)值與給定值間的偏差超調(diào)量143.衰減率衰減比n=y1

/y3衰減比是衡量振蕩過程衰減程度的指標，等于2個相鄰同向波峰值之比。衰減率指每經(jīng)過1個周期以后，波動幅度衰減的百分數(shù)。3.衰減率衰減比n=y1/y3衰減比是衡量振蕩154.控制過程時間

tsΔ=5%|y(∞)|Δ=2%|y(∞)|在穩(wěn)態(tài)值附近設定誤差帶2%或5%穩(wěn)定值，當被控量進入穩(wěn)態(tài)值范圍內(nèi)，就認為過渡過程結束。所需時間稱控制過程時間。4.控制過程時間tsΔ=5%|y(∞)16特征參數(shù)

（1）

放大系數(shù)（2）

自平衡率

（3）

時間常數(shù)

（4）

響應速度

有自衡單容特征參數(shù)（1）

放大系數(shù)（2）

17（1）

放大系數(shù)c(∞)有自衡單容

放大系數(shù)在數(shù)值上放大系數(shù)等于對象的輸出穩(wěn)態(tài)值與輸入穩(wěn)態(tài)值之比（1）

放大系數(shù)c(∞)有自衡單容放18c(∞)（2）

自平衡率

被控量每化一個單位所能克服的擾動量,ρ=0時表示沒有自平衡能力，ρ越大表示自平衡能力越強。有自衡單容c(∞)（2）

自平衡率有自衡單容19c(∞)（3）

時間常數(shù)

T0.632c(∞)有自衡單容當對象受到階躍輸人后，輸出(被調(diào)量)達到新的穩(wěn)態(tài)值的63.2%所需的時間就是時間常數(shù)T

c(∞)（3）

時間常數(shù)T0.632c(∞)有自20c(∞)（4）

響應速度

（飛升速度）

θ有自衡單容是指在單位階越擾動作用下，被調(diào)量的最大變化速度

c(∞)（4）

響應速度（飛升速度）θ有自衡21特征參數(shù)

響應速度

2、動態(tài)特性無自衡單容特征參數(shù)響應速度2、動態(tài)特性無22△μtc0θ無自衡單容△μtc0θ無自衡單容23主要內(nèi)容PID控制概述

第三章控制器的動態(tài)特性§1§2§3比例控制積分控制微分控制控制規(guī)律的實現(xiàn)方法§4§5主要內(nèi)容PID控制概述第三章控制器的動態(tài)24一、基本控制作用二、控制器比例控制P積分控制I

微分控制D第三章§1PID控制概述PPIPDPID一、基本控制作用二、控制器比例控制P積分控制I25傳遞函數(shù)比例控制比例帶比例增益階躍響應曲線控制過程結束后，被控量不可能與給定值相等，之間有殘差傳遞函數(shù)比例控制比例帶比例增益階躍響應曲線控制過程結束26比例控制無遲延、無慣性存在靜態(tài)偏差優(yōu)點：缺點：比例控制特點：比例控制是有差控制比例控制無遲延、無慣性存在靜態(tài)偏差優(yōu)點：缺點：比例27比例控制比例控制是有差控制比例控制比例控制是有差控制28比例控制比例帶越大，控制系統(tǒng)越穩(wěn)定δ=0.5δ=0.625δ=1δ=10比例控制比例帶越大，控制系統(tǒng)越穩(wěn)定δ=0.5δ=0.629比例控制δ=1δ=10δ=2δ=5比例帶越大，靜態(tài)偏差越大比例控制δ=1δ=10δ=2δ=5比例帶越大，靜態(tài)偏差30比例帶越大，控制系統(tǒng)越穩(wěn)定，比例帶有一個臨界值，由試驗確定比例帶越大，控制系統(tǒng)越穩(wěn)定，比例帶有一個臨界值，由試驗確定31第三章一、積分控制作用二、積分控制的特點三、積分時間對控制過程的影響§3積分（I）控制四、比例積分控制器第三章一、積分控制作用二、積分控制的特點三、積分時間32傳遞函數(shù)積分控制積分時間積分增益階躍響應曲線TiΔe積分控制：是指控制器輸出的控制信號與其偏差輸入信號隨時間的積累值成比例。傳遞函數(shù)積分控制積分時間積分增益階躍響應曲線TiΔe積33積分控制能消除靜態(tài)偏差易引起振蕩優(yōu)點：缺點：積分控制特點：積分控制是無差控制積分控制能消除靜態(tài)偏差易引起振蕩優(yōu)點：缺點：積分控34積分控制積分時間太小時，積分作用過強，系統(tǒng)越不穩(wěn)定積分時間太大時，最大偏差將很大.但振蕩頻率將減小Ti=20Ti=50Ti=200積分時間不宜過大或過小，兼顧最大動態(tài)偏差和振蕩頻率.選取合適的積分時間積分控制積分時間太小時，積分作用過強，系統(tǒng)越不穩(wěn)定積分35PI比例積分控制PI比例積分控制36PI傳遞函數(shù)PI控制階躍響應曲線由比例P和積分I2部分組成PI傳遞函數(shù)PI控制階躍響應曲線由比例P和積分I2部37PI傳遞函數(shù)PI控制階躍響應曲線由比例P和積分I2部分組成PI傳遞函數(shù)PI控制階躍響應曲線由比例P和積分I2部38可調(diào)參數(shù)Ti和δδ同時影響P和I作用，Ti越小，積分作用越強PI控制特點：PI控制引入積分動作帶來消除系統(tǒng)靜態(tài)偏差好處的同時，卻降低原來系統(tǒng)的穩(wěn)定性，為保持控制系統(tǒng)原來的衰減率，控制比例帶必須適當加大。PI控制在稍微犧牲控制系統(tǒng)的動態(tài)品質(zhì)以換取較好的穩(wěn)定性?？烧{(diào)參數(shù)Ti和δPI控制特點：PI控制引入積分動作帶來消39第三章一、微分控制作用二、比例微分控制三、比例積分微分控制§4微分（D）控制第三章一、微分控制作用二、比例微分控制三、比例積分微40傳遞函數(shù)微分控制微分時間微分控制：是指控制器的輸出與被控量或其偏差對時間的導數(shù)成正比?？刂菩Ч嘿x予控制器以某種成度的預見性。傳遞函數(shù)微分控制微分時間微分控制：是指控制器的輸出與被41傳遞函數(shù)微分控制階躍響應曲線微分時間傳遞函數(shù)微分控制階躍響應曲線微分時間42超前調(diào)節(jié)、減少動態(tài)偏差不適應負荷變化優(yōu)點：缺點：微分控制微分控制只起輔助的控制作用，與其他控制PD、PID動作結合。微分D控制特點：超前調(diào)節(jié)、減少動態(tài)偏差不適應負荷變化優(yōu)點：缺點：微分43PD比例微分控制PD比例微分控制44PD傳遞函數(shù)PD控制階躍響應曲線由比例P和微分D二部分組成。PD與P控制相同，也是有差控制PD傳遞函數(shù)PD控制階躍響應曲線由比例P和微分D45PD控制引入微分動作后，可以采用較小比例帶，結果減少動態(tài)偏差，同時減少短期最大偏差和提高振蕩頻率。PD控制引入微分動作后，可以采用較小比例帶，結果減少動態(tài)46引入微分動作后，也有不利之處：微分太強容易導致調(diào)節(jié)閥開度向兩端飽和，PD控制以比例動作為主，微分動作輔助。PD控制抗干擾能力差，一般不用于流量和液位控制系統(tǒng)微分控制對于純遲延過程無效微分動作適度，TD超出上限，系統(tǒng)變得不穩(wěn)定。引入微分動作后，也有不利之處：47PID比例積分微分控制PID比例積分微分控制48PID傳遞函數(shù)PID控制階躍響應曲線由比例P、積分I和微分D三部分組成。PID傳遞函數(shù)PID控制階躍響應曲線由比例P、積分49比例積分微分（PID）比例積分微分（PID）501、放大系數(shù)K

對控制質(zhì)量的影響2、時間常數(shù)T和階次

n對控制質(zhì)量的影響3、遲延時間τ對控制質(zhì)量的影響控制通道

τ/Tμ越大，控制質(zhì)量越差時間常數(shù)Tμ越大，階次n越高，控制作用越遲緩放大系數(shù)KcKμ越大，系統(tǒng)的靜態(tài)偏差越小1、放大系數(shù)K對控制質(zhì)量的影響2、時間常數(shù)T和階次n51δ越大，系統(tǒng)越穩(wěn)定但動態(tài)偏差、靜態(tài)偏差增大比例帶對P控制過程的影響采用控制器Pδ越大，系統(tǒng)越穩(wěn)定比例帶對P控制過程的影響采用52I作用越強系統(tǒng)越不穩(wěn)定

采用控制器PI比例與積分作用比較I作用越強系統(tǒng)越不穩(wěn)定采用控制53采用控制器PI積分時間Ti對控制過程的影響采用控制器PI積分時間Ti對控制過程的影響54PI控制系統(tǒng)可消除靜態(tài)偏差但降低了穩(wěn)定性采用控制器PIPI控制系統(tǒng)可消除靜態(tài)偏差但降低了穩(wěn)定性采用控制55采用控制器PITi越大，系統(tǒng)越穩(wěn)定,但動態(tài)偏差增大采用控制器PITi越大，系統(tǒng)越穩(wěn)定,但動態(tài)56D作用能顯著減小動態(tài)偏差

采用控制器PDyμ比例與微分作用比較超前調(diào)節(jié)D作用能顯著減小動態(tài)偏差采用控制器PDyμ57熱工過程自動控制熱工過程自動控制58控制單元

測量單元執(zhí)行單元被控對象給定值擾動被控量測量單元自動控制中三個基本組成部分系統(tǒng)的組成自動控制裝置：變送器、控制器、執(zhí)行器控制單元測量單元執(zhí)行單元被控對象給定值擾動被控量測量單元自59

1、被控量表征生產(chǎn)過程是否正常運行并需要加以控制的物理量。

2、給定值希望被控量應該具有的數(shù)值。3、控制對象被控制的生產(chǎn)過程或設備。

常用術語常用術語604、控制機構可改變進入控制對象的物質(zhì)或能量的裝置（閥門、擋板）5、控制量由控制機構改變的流量或能量，用來控制被控量的變化6、擾動引起被控量偏離給定值的各種因素常用術語4、控制機構可改變進入控制對象的物質(zhì)常用61控制器

執(zhí)行器被控對象被控量變送器給定值按結構分類1.反饋控制系統(tǒng)

（閉環(huán)）

控制器執(zhí)行器被控對象被控量變送器給定值按結構分類622.前饋控制系統(tǒng)（開環(huán)）前饋控制

變送器執(zhí)行器被控對象被控量擾動按結構分類2.前饋控制系統(tǒng)（開環(huán)）前饋控制變送器執(zhí)行器被控對象被控量63

反饋控制1）按偏差調(diào)節(jié)，可以克服各種擾動；2）閉環(huán)系統(tǒng)需要進行穩(wěn)定性分析；3）控制作用落后于擾動，不及時。

前饋控制1）按擾動調(diào)節(jié)，只能克服某種擾動；2）無需進行穩(wěn)定性分析；3）控制作用及時。特點比較反饋控制643.前饋-反饋控制系統(tǒng)(復合）反饋調(diào)節(jié)器執(zhí)行器控制通道變送器c0e(t)c(t)前饋調(diào)節(jié)器擾動通道r

(t)按結構分類3.前饋-反饋控制系統(tǒng)(復合）反饋調(diào)節(jié)器執(zhí)行器控制通道651.3控制系統(tǒng)的性能指標控制系統(tǒng)的調(diào)節(jié)品質(zhì)可用系統(tǒng)在受到單位階躍輸入作用后，被調(diào)量在控制過程中的變化曲線來分析。

單位階躍函數(shù)1.3控制系統(tǒng)的性能指標控制系統(tǒng)的調(diào)節(jié)品質(zhì)可用系統(tǒng)在受到66階躍響應函數(shù)：在輸入為階躍函數(shù)時，系統(tǒng)的輸出隨時間變化的過程。(a)發(fā)散振蕩(b)等幅振蕩階躍響應函數(shù)：在輸入為階躍函數(shù)時，系統(tǒng)(a)發(fā)散振67

(c)衰減振蕩(d)單調(diào)過程階躍響應函數(shù)：在輸入為階躍函數(shù)時，系統(tǒng)的輸出隨時間變化的過程。(c)衰減振蕩(d)單調(diào)過68一、控制過程的基本形式(a)發(fā)散振蕩(b)等幅振蕩(c)衰減振蕩(d)單調(diào)過程

穩(wěn)定的調(diào)節(jié)過程一、控制過程的基本形式(a)發(fā)散振蕩(b)69二、性能指標1.靜態(tài)偏差2.最大動態(tài)偏差

3.衰減率4.控制過程時間二、性能指標1.靜態(tài)偏差2.最大動態(tài)偏差701、靜態(tài)偏差:指被調(diào)量的穩(wěn)態(tài)值與給定值間的偏差

e(∞)=y(∞)2.最大動態(tài)偏差:指調(diào)節(jié)過程中被調(diào)量的最大暫時

偏差ym=y1+y(∞)超調(diào)量1、靜態(tài)偏差:指被調(diào)量的穩(wěn)態(tài)值與給定值間的偏差超調(diào)量713.衰減率衰減比n=y1

/y3衰減比是衡量振蕩過程衰減程度的指標，等于2個相鄰同向波峰值之比。衰減率指每經(jīng)過1個周期以后，波動幅度衰減的百分數(shù)。3.衰減率衰減比n=y1/y3衰減比是衡量振蕩724.控制過程時間

tsΔ=5%|y(∞)|Δ=2%|y(∞)|在穩(wěn)態(tài)值附近設定誤差帶2%或5%穩(wěn)定值，當被控量進入穩(wěn)態(tài)值范圍內(nèi)，就認為過渡過程結束。所需時間稱控制過程時間。4.控制過程時間tsΔ=5%|y(∞)73特征參數(shù)

（1）

放大系數(shù)（2）

自平衡率

（3）

時間常數(shù)

（4）

響應速度

有自衡單容特征參數(shù)（1）

放大系數(shù)（2）

74（1）

放大系數(shù)c(∞)有自衡單容

放大系數(shù)在數(shù)值上放大系數(shù)等于對象的輸出穩(wěn)態(tài)值與輸入穩(wěn)態(tài)值之比（1）

放大系數(shù)c(∞)有自衡單容放75c(∞)（2）

自平衡率

被控量每化一個單位所能克服的擾動量,ρ=0時表示沒有自平衡能力，ρ越大表示自平衡能力越強。有自衡單容c(∞)（2）

自平衡率有自衡單容76c(∞)（3）

時間常數(shù)

T0.632c(∞)有自衡單容當對象受到階躍輸人后，輸出(被調(diào)量)達到新的穩(wěn)態(tài)值的63.2%所需的時間就是時間常數(shù)T

c(∞)（3）

時間常數(shù)T0.632c(∞)有自77c(∞)（4）

響應速度

（飛升速度）

θ有自衡單容是指在單位階越擾動作用下，被調(diào)量的最大變化速度

c(∞)（4）

響應速度（飛升速度）θ有自衡78特征參數(shù)

響應速度

2、動態(tài)特性無自衡單容特征參數(shù)響應速度2、動態(tài)特性無79△μtc0θ無自衡單容△μtc0θ無自衡單容80主要內(nèi)容PID控制概述

第三章控制器的動態(tài)特性§1§2§3比例控制積分控制微分控制控制規(guī)律的實現(xiàn)方法§4§5主要內(nèi)容PID控制概述第三章控制器的動態(tài)81一、基本控制作用二、控制器比例控制P積分控制I

微分控制D第三章§1PID控制概述PPIPDPID一、基本控制作用二、控制器比例控制P積分控制I82傳遞函數(shù)比例控制比例帶比例增益階躍響應曲線控制過程結束后，被控量不可能與給定值相等，之間有殘差傳遞函數(shù)比例控制比例帶比例增益階躍響應曲線控制過程結束83比例控制無遲延、無慣性存在靜態(tài)偏差優(yōu)點：缺點：比例控制特點：比例控制是有差控制比例控制無遲延、無慣性存在靜態(tài)偏差優(yōu)點：缺點：比例84比例控制比例控制是有差控制比例控制比例控制是有差控制85比例控制比例帶越大，控制系統(tǒng)越穩(wěn)定δ=0.5δ=0.625δ=1δ=10比例控制比例帶越大，控制系統(tǒng)越穩(wěn)定δ=0.5δ=0.686比例控制δ=1δ=10δ=2δ=5比例帶越大，靜態(tài)偏差越大比例控制δ=1δ=10δ=2δ=5比例帶越大，靜態(tài)偏差87比例帶越大，控制系統(tǒng)越穩(wěn)定，比例帶有一個臨界值，由試驗確定比例帶越大，控制系統(tǒng)越穩(wěn)定，比例帶有一個臨界值，由試驗確定88第三章一、積分控制作用二、積分控制的特點三、積分時間對控制過程的影響§3積分（I）控制四、比例積分控制器第三章一、積分控制作用二、積分控制的特點三、積分時間89傳遞函數(shù)積分控制積分時間積分增益階躍響應曲線TiΔe積分控制：是指控制器輸出的控制信號與其偏差輸入信號隨時間的積累值成比例。傳遞函數(shù)積分控制積分時間積分增益階躍響應曲線TiΔe積90積分控制能消除靜態(tài)偏差易引起振蕩優(yōu)點：缺點：積分控制特點：積分控制是無差控制積分控制能消除靜態(tài)偏差易引起振蕩優(yōu)點：缺點：積分控91積分控制積分時間太小時，積分作用過強，系統(tǒng)越不穩(wěn)定積分時間太大時，最大偏差將很大.但振蕩頻率將減小Ti=20Ti=50Ti=200積分時間不宜過大或過小，兼顧最大動態(tài)偏差和振蕩頻率.選取合適的積分時間積分控制積分時間太小時，積分作用過強，系統(tǒng)越不穩(wěn)定積分92PI比例積分控制PI比例積分控制93PI傳遞函數(shù)PI控制階躍響應曲線由比例P和積分I2部分組成PI傳遞函數(shù)PI控制階躍響應曲線由比例P和積分I2部94PI傳遞函數(shù)PI控制階躍響應曲線由比例P和積分I2部分組成PI傳遞函數(shù)PI控制階躍響應曲線由比例P和積分I2部95可調(diào)參數(shù)Ti和δδ同時影響P和I作用，Ti越小，積分作用越強PI控制特點：PI控制引入積分動作帶來消除系統(tǒng)靜態(tài)偏差好處的同時，卻降低原來系統(tǒng)的穩(wěn)定性，為保持控制系統(tǒng)原來的衰減率，控制比例帶必須適當加大。PI控制在稍微犧牲控制系統(tǒng)的動態(tài)品質(zhì)以換取較好的穩(wěn)定性?？烧{(diào)參數(shù)Ti和δPI控制特點：PI控制引入積分動作帶來消96第三章一、微分控制作用二、比例微分控制三、比例積分微分控制§4微分（D）控制第三章一、微分控制作用二、比例微分控制三、比例積分微97傳遞函數(shù)微分控制微分時間微分控制：是指控制器的輸出與被控量或其偏差對時間的導數(shù)成正比?？刂菩Ч嘿x予控制器以某種成度的預見性。傳遞函數(shù)微分控制微分時間微分控制：是指控制器的輸出與被98傳遞函數(shù)微分控制階躍響應曲線微分時間傳遞函數(shù)微分控制階躍響應曲線微分時間99超前調(diào)節(jié)、減少動態(tài)偏差不適應負荷變化優(yōu)點：缺點：微分控制微分控制只起輔助的控制作用，與其他控制PD、PID動作結合。微分D控制特點：超前調(diào)節(jié)、減少動態(tài)偏差不適應負荷變化優(yōu)點：缺點：微分