工業(yè)過程控制工程課件第二章 控制系統(tǒng)組成及指標.ppt

1、第二章 控制系統(tǒng)組成及指標,簡單控制系統(tǒng)是由一個被調(diào)量、一個控制量而且只用一個調(diào)節(jié)器、一個調(diào)節(jié)閥所組成的一個閉合回路。 簡單控制系統(tǒng)是最基本、最常見、應(yīng)用最廣泛的控制系統(tǒng)，約占控制回路的80 以上。,2.1 控制系統(tǒng)組成 2.2 控制性能指標,2.1 控制系統(tǒng)組成,2.1.1 控制系統(tǒng)組成 2.1.2 控制系統(tǒng)的方框圖,自動調(diào)節(jié)中的一些常用術(shù)語,1被調(diào)量（被控制量） 表征生產(chǎn)過程是否正常運行并需要加以調(diào)節(jié)的物理量。 2給定值 按生產(chǎn)要求被調(diào)量必須維持的希望值。 3控制對象（被控對象） 被調(diào)節(jié)的生產(chǎn)過程或設(shè)備稱為控制對象。 4調(diào)節(jié)機構(gòu) 可用來改變進入控制對象的物質(zhì)或能量的裝置稱為調(diào)節(jié)機構(gòu)。 5控

2、制量（調(diào)節(jié)量） 由調(diào)節(jié)機構(gòu)(閥門、擋板等)改變的流量(或能量)，用以控制被調(diào)量的變化。,6擾動 引起被調(diào)量偏離其給定值的各種原因稱為擾動。 如果擾動不包括在控制回路內(nèi)部(例外界負荷)，稱為外擾。 如果擾動發(fā)生在控制回路內(nèi)部，稱為內(nèi)擾。 由于調(diào)節(jié)機構(gòu)開度變化造成的擾動，稱為基本擾動。 變更控制器的給定值的擾動稱為給定值擾動,也稱控制作用擾動。 7控制過程（調(diào)節(jié)過程） 原來處于平衡狀態(tài)的控制對象，一旦受到擾動作用，被調(diào)量就會偏離給定值。要通過自動控制儀表或運行人員的調(diào)節(jié)作用使被調(diào)量重新恢復(fù)到新的平衡狀態(tài)的過程，稱為調(diào)節(jié)過程。 8自動控制系統(tǒng) 自動控制儀表和控制對象通過信號的傳遞互相聯(lián)系起來就構(gòu)成一

3、個自動控制系統(tǒng)。,2.1.1 控制系統(tǒng)組成,自動控制系統(tǒng)是在人工控制的基礎(chǔ)上產(chǎn)生和發(fā)展起來的。 例1 液位控制系統(tǒng) ：,圖2.1-1為液體儲罐內(nèi)液位的人工控制示意圖。從維持生產(chǎn)平穩(wěn)進行考慮，工藝上希望罐內(nèi)的液位h 能維持在所希望的位置hs上。液位h 是需要控制的工藝變量，稱為被控變量。顯然，當(dāng)進水量Qi或出水量Qo波動時，都會使罐內(nèi)的液位發(fā)生變化?，F(xiàn)假定通過控制出水量Qo維持液位的恒定，稱Qo為操縱變量。進水量Qi是造成被控變量產(chǎn)生不期望波動的原因，稱為擾動。,圖2.1-1 液位人工控制示意圖,若由操作工來完成這一控制任務(wù)，所要做的工作是： 用眼睛觀察液位計實際液位的指示值，并通過神經(jīng)系統(tǒng)告訴

4、大腦； 通過大腦對眼睛觀測到的實際液位值與事先在大腦中儲存好的希望值即給定值進行比較，根據(jù)偏差的大小和方向，經(jīng)過分析、思考，然后根據(jù)操作經(jīng)驗發(fā)出命令； 根據(jù)大腦發(fā)出的控制命令，通過手去改變出水閥門開度，以改變Qo來控制液位； 反復(fù)執(zhí)行上述操作，直到將液位控制到所希望的數(shù)值上。 上述操作工通過眼、腦、手相互配合完成液位的控制過程就是一個人工控制過程。,由于人工控制受到生理上的限制，滿足不了大型現(xiàn)代化生產(chǎn)的要求。如果能用一些儀表或裝置來代替操作工的眼、腦、手自動地完成控制任務(wù)，不僅能大大減輕操作工的勞動強生度，而且可大大提高控制速度和精度。為此，采用液位測量變送器LT檢測液位值并轉(zhuǎn)換為標準信號，如

5、420mA。這一測量信號送往液位控制器LC，控制器的設(shè)定值由人工給定?？刂破鞲鶕?jù)偏差的正負、大小及變化情況，發(fā)出控制信號?？刂破鞯妮敵鏊屯鶊?zhí)行器，此處為控制閥，控制閥根據(jù)控制信號變化增大或減小閥門的開度，調(diào)節(jié)出水流量，使測量值接近或等于給定值。這樣，就構(gòu)成了液位自動控制系統(tǒng)。,圖2.1-2 液位自動控制系統(tǒng),TI表示溫度指示，TT表示溫度變送器，TIC表示溫度指示控制，HC表示手動控制。,表2.1-1 被測變量和儀表功能的代號,例2 溫度控制系統(tǒng),它由蒸汽加熱器、溫度變送器TT、溫度控制器TC 和蒸汽流量控制閥組成?？刂频哪繕耸潜３至黧w出口溫度恒定。當(dāng)進料流量或溫度等因素的變化引起出口物料的溫

6、度變化時，通過溫度變送器TT測得溫度的變化，并將其信號送至溫度控制器TC與給定值進行比較，溫度控制器TC根據(jù)其偏差信號進行運算后將控制命令送至控制閥，以改變蒸汽流量來維持出口溫度。,圖2.1-3 蒸汽加熱器溫度自動控制系統(tǒng),例3 流量控制系統(tǒng),它由管路系統(tǒng)、孔板和差壓變送器、流量控制器FC和流量控制閥組成?？刂频哪繕耸潜３至髁亢愣?。當(dāng)管道其他部分阻力發(fā)生變化或有其他擾動時，流量將偏離設(shè)定值。利用孔板作為檢測元件，把孔板上、下游的靜壓用連接導(dǎo)管接至差壓變送器，將流量信號轉(zhuǎn)化為標準電流信號；該信號送至流量控制器FC 與給定值進行比較，流量控制器FC 根據(jù)其偏差信號進行運算后將控制命令送至控制閥，改

7、變閥門開度，就調(diào)整了管道中流體的阻力，從而影響了流量，使流量維持在設(shè)定值。,圖2.1-4 流量控制系統(tǒng),簡單控制系統(tǒng)特征： 被控對象 也稱對象。是指被控制的生產(chǎn)設(shè)備或裝置。針對以上三例，分別是液罐、蒸汽加熱器、管路系統(tǒng)。被控對象需要控制的變量稱為被控變量，上述各例中為液位、溫度：流量。 測量變送器 測量被控變量，并按一定的規(guī)律將其轉(zhuǎn)換為標準信號的輸出，作為測量值。標準信號的含義是其上下限符合規(guī)定系列010mA，420mA，0.020.1MPa,執(zhí)行器 常用的是控制閥。接受控制器來的信號u，直接改變操縱變量q。操縱變量是被控對象的某輸入變量，通過操作這個變量可克服擾動對被控變量的影響，通常是由執(zhí)

8、行器控制的某工藝流量。 控制器 也稱調(diào)節(jié)器。它將被控變量的設(shè)定值與測量值進行比較得出偏差信號e，并按一定規(guī)律給出控制信號u 。,2.1.2 控制系統(tǒng)的方框圖,用文字敘述的方法來描述控制系統(tǒng)的組成和工作原理較為繁瑣，在自動控制中常常采用直觀圖形的方法來表達，即方框圖 。,圖2.1-5 簡單控制系統(tǒng)的方框圖,幾點說明：,方框圖中的各個信號值都是增量，增益放大系數(shù)和傳遞函數(shù)都是在穩(wěn)態(tài)值為零的條件下得到的。 各環(huán)節(jié)的增益有正、負之分/ 方框圖中箭頭方向表示的是信號的流向，指向與指離的關(guān)系，使原因與后果的關(guān)系，不是物料或能量的流向。,區(qū)分輸入量、輸出量和流入量、流出量： 從物料平衡和能量平衡的角度看，把

9、被控對象視為一隔離體，從外部流入對象內(nèi)部的物質(zhì)或能量流稱為流入量從對象內(nèi)部流出的流量稱為流出量。在控制系統(tǒng)中，無論流入量和流出量，它們作為引起被控變量（輸出量）變化的原因，都是被控對象的輸入量。,在有些框圖表示中，各環(huán)節(jié)除Gc(s)外，其他合并成一個環(huán)節(jié)G0(s)，稱廣義對象。整個系統(tǒng)由 Gc(s)和 G0(s)組成。 在有些框圖表示中，把擾動項F(s)和操作變量項Q(s)直接相加，認為擾動通道與控制通道的傳遞函數(shù)都是Gp(s）。,2.2 控制性能指標,2.2.1 控制系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)和動態(tài) 2.2.2 階躍輸入和過渡過程的形式 2.2.3 控制系統(tǒng)的性能指標,2.2.1 控制系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)和動態(tài),工業(yè)

10、過程控制系統(tǒng)在運行中有兩種狀態(tài)。 一種是穩(wěn)態(tài)，此時系統(tǒng)沒有受到任何外來擾動，同時設(shè)定值保持不變，因而被控變量也不會隨時間變化，整個系統(tǒng)處于穩(wěn)定平衡的工況。 另一種是動態(tài)，當(dāng)系統(tǒng)受到外來擾動的影響或者愛改變了設(shè)定值后，原來的穩(wěn)態(tài)遭到破壞，系統(tǒng)中各組成部分的輸入輸出量都相應(yīng)發(fā)生變化，尤其是被控變量也將偏離原穩(wěn)態(tài)值而隨時間變化，這時系統(tǒng)處于動態(tài)。經(jīng)過一段調(diào)整時間后，如果系統(tǒng)是穩(wěn)定的，被控變量將會重新達到新設(shè)定值或其附近，系統(tǒng)又恢復(fù)穩(wěn)定平衡工況。這種從一個穩(wěn)態(tài)到達另一個穩(wěn)態(tài)的歷程稱為過渡過程。 顯然，要評價一個過程控制系統(tǒng)的工作質(zhì)量，只著穩(wěn)態(tài)是不夠的，還應(yīng)該考核它在動態(tài)過程中被控變量隨時間變化的情況。

11、,2.2.2 階躍輸入和過渡過程的形式,在生產(chǎn)中，出現(xiàn)的擾動是沒有固定形式的，多半屬于隨機性質(zhì)。在分析和設(shè)計控制系統(tǒng)時，為了安全和方便，常選擇一些典型的輸人形式，其中最常用的是階躍輸入，其形式如圖2.2-1 所示。,所謂階躍輸入就是在某一時刻，輸入突然階躍式變化，并繼續(xù)保持在這個幅度上。階躍輸入容易產(chǎn)生而且簡單，同時階躍輸入是一種很劇烈的擾動，如果一個控制系統(tǒng)能夠有效地克服階躍擾動，那么對于其他比較緩和的擾動一般也能滿足性能指標要求。,圖2.2-1 階躍輸入,在階躍輸入下，過渡過程的形式可分為振蕩過程和非周期過程。 非周期過程是指系統(tǒng)受到擾動后，在控制作用下，被控變量的變化是單調(diào)的增大或減小的

12、過程。,被控變量的變化是單調(diào)上升或減小，偏離給定值越來越遠程為非周期發(fā)散過程。,被控變量的變化速度越來越慢，逐步趨近于給定值而穩(wěn)定下來，成為非周期衰減過程。,振蕩過程是指當(dāng)系統(tǒng)受到擾動作用后在控制作用下，被控變量在其給定值附近上下波動的過程。,如果系統(tǒng)受到擾動后，被控變量的波動幅度愈來愈大，稱為發(fā)散振蕩過程。,如受擾動后，被控變量始終在其給定值附近波動且波動幅度相等，稱為等幅振蕩過程。,如受擾動后，被控變量波動的幅度越來越小，最后逐漸趨于穩(wěn)定，稱為衰減振蕩過程。衰減振蕩過程變化趨勢明顯，易于觀察，過渡過程短，控制系統(tǒng)經(jīng)常采用這種曲線作為分析系統(tǒng)性能指標的典型曲線。,2.2.3 控制系統(tǒng)的性能指

13、標,一個控制過程的優(yōu)劣在于設(shè)定值發(fā)生變化或系統(tǒng)受到擾動作用后，能否在控制器的作用下穩(wěn)定下來，及克服擾動造成的偏差而回到設(shè)定值的準確性、平穩(wěn)性和快速型如何。 采用兩類性能指標：階躍響應(yīng)曲線的幾個征參數(shù)作為性能指標和偏差積分性能指標。,（1）階躍響應(yīng)曲線的幾個征參數(shù)作為性能指標 在工業(yè)過程控制中經(jīng)常采用時域方面的單項指標，并以階躍作用下的過渡過程為準。,圖2.2-3 設(shè)定值和擾動作用階躍變化時過渡過程的典型曲線,設(shè)被控變量最終穩(wěn)態(tài)值是C，超出其最終穩(wěn)態(tài)值的最大瞬態(tài)偏差為B。,主要的時域指標包括衰減比、超調(diào)量與最大動態(tài)偏差、余差、調(diào)節(jié)時間和振蕩頻率、上升時間和峰值時間等。 衰減比 衰減比表示振蕩過程

14、的衰減程度，是衡量過渡過程穩(wěn)定程度的動態(tài)指標，它等于曲線中前后兩個相鄰波峰值之比，即,說明： 衰減比習(xí)慣上表示為n:1。衰減比nl，過渡過程是發(fā)散振蕩；衰減比n= 1 ，過渡過程是等幅振蕩；衰減比n1，過渡過程是衰減振蕩，n越大，衰減越大，系統(tǒng)越接近非周期過程。為了保持足夠的穩(wěn)定裕度，衰減比一般取(4:1)(10:1)，大約經(jīng)過兩個周期，系統(tǒng)趨于新的穩(wěn)態(tài)值。,超調(diào)量與最大動態(tài)偏差 在隨動控制系統(tǒng)中，定程度的指標。則定義超調(diào)量為,若整個閉環(huán)系統(tǒng)可看做二階振蕩環(huán)節(jié)，則有,對定值控制系統(tǒng)來說，最終穩(wěn)態(tài)值是零或是很小的數(shù)值，仍用 作為超調(diào)情況的指標就不合適了。通常改用最大動態(tài)偏差A(yù)作為一項指標，它指在

15、單位階躍擾動下，最大振幅B與最終穩(wěn)態(tài)值C之和的絕對值。,余差 余差是系統(tǒng)的最終穩(wěn)態(tài)偏差，即過渡過程終了時新穩(wěn)態(tài)值與給定值之差。,對于定值控制系統(tǒng)，r=0，則有,余差是反映控制精確度的一個穩(wěn)態(tài)指標，相當(dāng)于生產(chǎn)中允許的被控變量與給定值之間長期存在的偏差。,調(diào)節(jié)時間和振蕩頻率 調(diào)節(jié)時間是從過渡過程開始到結(jié)束所需的時間。過渡過程要絕對地達到新的穩(wěn)態(tài)，理論上需要無限長的時間，一般認為當(dāng)被控變量進入新穩(wěn)態(tài)值附近5%或2%以內(nèi)區(qū)域，并保持在該區(qū)域內(nèi)時，過渡過程結(jié)束，此時所需要的時間稱為調(diào)節(jié)時間。調(diào)節(jié)時間是反映控制系統(tǒng)快速性的一個指標。,過渡過程振蕩頻率 是振蕩周期P的倒數(shù)，記為,在同樣的振蕩頻率下，衰減比越

16、大，則調(diào)節(jié)時間越短。而在同樣的衰減比下，振蕩頻率越高，則調(diào)節(jié)時間越短。因此，振蕩頻率在一定程度下也可作為衡量控制快速性的指標。,峰值時間和上升時間 被控變量達到最大值時的時間稱為峰值時間。過渡過程開始到被控變量第一個波峰時的時間稱為上升時間。它們都是反映系統(tǒng)快速性的指標。,(2)偏差積分性能指標 常用的綜合性能指標是偏差積分指標，它是過渡過程中偏差和時間的某些函數(shù)沿時間軸的積分，可表示為,無論是偏差幅度或是偏差存在的時間都與指標有關(guān)，可以兼顧衰減比、超調(diào)量、調(diào)節(jié)時間各方面因素，因此它是一類綜合指標。 一般說來，過渡過程中的動態(tài)偏差越大，或是調(diào)節(jié)得越慢，則目標函數(shù)值將越大，表明控制品質(zhì)越差。,偏差積分性能指標幾種形式: 偏差積分IE,平方偏差積分ISE,絕對偏差積分IAE,時間與偏差絕對值的積分ITAE,IE的缺點是不能保證控制系統(tǒng)具有合適的衰減比。如一個等幅震蕩過程，IE卻等于0，現(xiàn)仍然不合理，所以很少用。 IAE 在圖形上也就是偏差面積積分。這種指標，對出現(xiàn)在設(shè)定值附近的偏差面積與出現(xiàn)在遠離設(shè)定值的偏差面積是同等看待的，根據(jù)這一指標設(shè)計的二階或近似二階的系統(tǒng)，在單位階躍輸入信號下，具有較快的過渡過程和不大的超調(diào)量（約為5%) ，是一種常用的誤差性能指標。 ITAE指標，實質(zhì)