自动化控制课件--过程控制

4、操纵变量：即调节介质。如储水槽液位控制系统的给
水量。
5、测量值：被控变量经检测变送后即是测量值。 6、给定值：即被控变量的设定值。 7、偏差值：准确地说，应是被控量的给定值与实际值之
差。但能够直接得到的信号是被控量的测量值，故通常把给定 值与测量值之差称作为偏差。
8、控制器输出：根据偏差值、经一定算法得到的输出值。
控制通道--控制作用与被控量间的信号联系；
扰动通道--扰动作用与被控量间的信号联系。
2。研究并建立数学模型的目的
(1)、设计过程控制系统、整定控制器参数。 (2)、指导生产工艺设备的设计。 (3)、进行仿真实验研究。 (4)、培训运行操作人员。
3。单输入-单输出过程的常见模型
(1)、线性时间连续模型 (2)、线性时间离散模型
· 纯滞后对象（总结）
典型的微分方程
dh(t ) T h(t ) K qi (t ) dt
H (s) K s e Qi (s) Ts 1
纯滞后产生的主要原因： 物料输送等中间过程产生纯滞后 （大时间常数表现出来的等效滞后） 由于纯滞后的出现，控制作用必 须经历一定的时间延迟（滞后）才能
由式(*)可画出框图如图所示。即
AsR2H(s)+H(s)=R2Q1(s) ,
故
KO H (S ) R2 WO ( s) .......... ......( 8) 2 Q1 ( s) AR2 s 1 TO s 1
式中，TO=AR2=R2C ,C为容量系数(或容量)。
特征参数
过程控制系统
第一章
绪论
1.2 1.3 1.4 1.5 1.6
§1-1 课程的性质和教学安排
1、过程控制的概念
凡是采用数字或模拟控制方式对生产过程的某一或 某些物理变量进行的自动控制通称为过程控制。(另有电 力拖动控制方向)
2、过程控制是自动化专业的主要内容之一
(1)、从专业特点看
(2)、从实际应用看
T越小，表示对象惯性越小，输出对 输入的反应越快。
对 h(t)=K· μ 0（1－e－t/T）微分 Δ
t K 0 T dh e dt T
dh dt
t 0
K0 h（） T T
响应曲线在起始 点切线的斜率
K 0 T dh t 0 dt
时间常数T的物理意义 ：当 对 象受到阶跃输入后，被调 量如果保持初始速度变化，达 到新的稳态值所需的时间就是 时间常数
(1)、容量C
含义：生产设备和传输管路都具有一定的储蓄物质 或能量的能力。被控对象储存能力的大小，称为容量或 容量系数，其意义是：引起单位被控量变化时，被控过 程储存量变化量。
种类：有电容、热容、气容、液容等等。 (2)、阻力 概念：凡是物质或能量的转移，都要克服阻力， 阻力的大小决定于不同的势头和流率。 种类：电阻、热阻、气阻、流(液)阻。
(二)、具有纯滞后单容过程的数学模型
· 纯滞后一阶对象 在工业过程中常有一些输送物料的中 间过程，如图所示，qi为操纵变量， 但需要经过导流槽才送入水箱。如果 把水箱入口的进料量记为qf，并设： 导流槽长度l，流体平均速度v，流体 流经导流槽所需的时间τ，所以当qi 发生改变以后，经过时间以后qf才 有变化：
二、常用术语
1、被控对象 (简称对象或过程)：前已述及。 2、被控变量：按照生产过程要求，某些变量应该维 持在稳定的变化范围内，如果对其施加控制作用，就称
其为被控变量。如温度、压力、流量、液位、成分等。 ： 3、干扰: 凡是影响被控量的各种作用均叫做干扰或扰 动。分内干扰和外干扰。(内干扰如原料成分变化等。)
典型的传递函数
典型的阶跃响应函数
0 h(t ) t Ka(1 e T )
h
t< t
在被控变量上得到体现，致使当被控 变量的反馈反映出控制作用时，可能 会输入过多的控制量，导致系统严重 超调甚至失稳。
典型的阶跃响应曲线
qi
a t
0.632h()
h()
3、程序控制系统
其给定值按预定的时间程序来变化。如机械工业 中的退火炉的温度控制系统，其给定值是按升温、 保温、 逐次降温等程序变化的。家用电器中应用定 值控制系统的也很多，如电脑控制的洗衣机、电饭煲 等。
§1-6 控制系统的质量指标
过程控制系统的评价指标可概括为：
系统必须是稳定的； （平稳） 系统应能提供尽可能好的稳态调节；（准确） 系统应能提供尽可能好的过渡过程。（迅速）
h q 2 .......... .......... 2 7) .( R2
其中，R2为阀门2的阻力，称为液阻或流阻。
3、建立数学模型 由式(2-6)和式(2-7)，有
q 1 h dh A R2 dt
H( s ) Q(s ) As H(s )........( ) R2
微型计算机控制生产过程，按不同的控制目的， 可分为两类：一是数据检测处理，二是形成微机控 制系统。
微机控制在提高产品质量、保证安全运行、减 少原料和能量消耗、控制和减少环境污染、提高企 业的管理水平方面正在并将发挥越来越重要的作用。
§1-4 过程控制的组成及术语
一、系统组成
以液体储槽的水位控制为例进行说明。 1、控制原理(如下图) 液位变送器 液位控制器 执行器
控制性能指标应根据生产工艺过程的实际需 要确定，通常采用系统阶跃响应曲线的性能 指标.
1. 控制系统的过渡过程 • 控制系统的过渡过程：
– 在扰动或给定值变化的情况下，被控量偏离给定值和在 控制调节作用下，接近给定值或跟随给定值变化的过程。
• 控制系统的动态特性
– 被控变量向给定值变化过程的特性。

T
(三)、多容过程的数学模型
1.二阶线性对象
问题：求右图所示的对象模型（输入输出模型）。 解： 该对象的输入量为qi 被控变量为液位h2
A2 h2
qi
A1 h1
R1 q1
（同样利用物料平衡方程） 槽1： A1 槽2： A2
dh1 qi q1 dt
(q1
h1 ) R1
R2 q0
dh2 q1 qo dt
1．放大系数K ∵ h(∞)＝KΔ μ
0
K＝h(∞)/Δ μ
0
物理意义：K在数值上等于对象的输出稳态值 与输入稳态值之比， 有时也称静态放大系数。
2．时间常数T
h(T ) Ku0 (1 e 1 ) 0.632 Ku0 0.632h( )
当对象受到阶跃输入后，输出(被 调量)达到新的稳态值的63.2%所需的时 间，就是时间常数T
传递函数：
H 2 (s) K K Qi ( s ) T1T2 s 2 (T1 T2 ) s 1 (T1s 1)(T2 s 1)
· 二阶线性对象（总结）
(2)动态偏差（亦即最大偏差A）
最大偏差A是指被控变量第一个波峰值与给定值之差 。
(3)调节时间Ts
指系统从受扰动作用时起，直到被控变量进入新的稳 态值±5%（或±2%）的范围内所经历的时间。
(4)静态偏差（即余差C）
指系统过渡过程终了时给定值与被控变量稳态值之差。
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性能指标之间的关系
• 有些是相互矛盾的（如超调量与过渡过 程时间）
• 对于不同的控制系统，这些性能指标各 有其重要性。
• 应根据工艺生产的具体要求，分清主次， 统筹兼顾，保证优先满足主要的品质指 标要求。
第二章 被控过程 的数学模型
2.2 2.3
§2-1 概述
1。数学模型的有关概念
数学模型:指过程在各输入量的作用下，其相应输出 量变化的函数关系数学表达式。 干扰:内干扰---控制器的输出量u(t)； 外干扰---其余非控制的输入量。 通道:输入量与输出量间的信号联系。
5、按是否形成闭合回路分类：
P PI PID 位式
有
、
。
二、按设定值形式分类
1、定值控制系统
是工业生产过程中应用最大的一种过程控制系统。 在运行时，系统被控量的给定值是不变的。有时根据生 产工艺要求，被控量的给定值保持在规定的小范围附近 波动。
2、随动控制系统
是一种被控量的给定值随时间任意变化的控制 系统。它的主要作用是克服一切扰动，使被控量随 时跟踪给定值。
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过程演示
2、参量关系分析
dh .......... 2 5) .( q 1 q 2 A dt .......... q q dV A dh .....(2 6) 2 1 dt dt
讨论：(1)、静态时，q1=q2=dh/dt=0 ; (2)、当q1变化时h变化 q2变化。 经线性化处理，有
1-1典型单回路控制系统
2、系统方块图
3、主要组成部分
(1)、被控对象：生产过程中被控制的工艺设备或装置。 (2)、检测变送单元：仪表课中已做介绍。
(3)、控制器：实时地对被控系统施加控制作用。
(4)、执行器：将控制信号进行放大以驱动控制阀。常见的
有气动和电动两种。
(5)、控制阀：控制进料量。有气开式和气关式之别。
控制器输出亦称控制作用。
§1-5 过程控制系统的分类
一、一般分类
1、按工艺变量分类：
有温度控制系统、压力控制系统、流量控制系 统、成分控制系统、物位控制系统等。
2、按系统的任务分类： 有比例控制、均匀控制、前馈控制等。 3、按自动化装置的不同分类：
有常规控制系统、计算机控制系统。
4、按控制器的动作分类：
qi
qf
l /v
A, h
q0
q f (t ) qi (t )
dh(t ) h(t ) K q f (t ) 对于qf与h来说，根据前面的推导，可知 T dt ： dh(t ) T h(t ) K qi (t ) dt