计算机控制系统

h Kx(1 e ) 当输入为阶跃时解微分方程可得 ： 下面讨论一下对象的几个参数 ： 放大系数K： h K 当 t＝∞ 时 可得出 ： x ● K 与变化过程无关，只与稳态值有关，是描述对象静态特性的参数。 ● K 表征了对象输出在输入作用下的灵敏程度。 ● K 与负荷（稳态工作点）有关，在稳态工作点附近变化时可认为是常数
－
控制器
执行器 记录仪
被控对象
测试方法: 注意事项

检测变送器



输出应处于稳定状态，且应为正常工作点 阶跃幅值要适当，一般为流过阀门最大流量的10％（5－20％）， 允许的情况下大一些好。 实验要进行到被控量接近新的稳态值。 在额定负荷或平均负荷下重复进行几次，至少得到两次基本相同 的曲线。 扰动要正反方向变化，分别测出正反方向的响应曲线。 要特别注意记录下响应曲线的起始部分。
T dh dt h Kx(t 0 )
相应的传递函数为：
W ( s) K e 0 s Ts 1
控制通道中存在纯滞后，意味着不能及时起到控制作用。
1.3.2 机理法建模

多容对象的动态特性
蒸汽 热水 R1 Tg Cg R2 Tb Cb R3 Tc Cc R4
冷水 冷凝水
两个串连单容对象的动态特性
x
y
多输入－多输出
x1
d1
d2
dn y11 y2 yn
Y (s) Wr (s) X (s) Wd (s) D(s)
Wr (s)
Wd (s)
x2 xn
为控制通道传递矩阵 为干扰通道传递矩阵
1.3.1 基本概念

对象的自平衡能力
对象受到扰动后平衡状态被破坏，无需外加任何控制作用， 依靠对象本身自动趋向平衡的特性，能自动达到新的平衡状态 的性质，称为对象的自平衡能力。
1.3.1 基本概念

对象数学模型的分类：

按照是否线性划分：线性系统模型和非线性系统模型。 按照对象的连续性划分：连续系统模型和离散系统模型。 按照模型的结构划分：输入－输出模型 和状态空间模型。 d d d 输入－输出模型：
1 2 n
多输入－单输出：
Y (s) W (s) X (s) Wd1 (s)D1 (s) Wd 2 (s)D2 (s) ......... Wdn (s)D n (s)
T RC RA
1.3.2 机理法建模
式中 R 对象的液阻，在此与阀门R2的开度相对应，与稳态点有关。 C 对象的液容，C＝A 对应水箱的截面积 T 对象的时间常数 T＝RC
K 对象的放大系数
K kxR
H (s) K X ( s ) Ts 1
t T
对微分方程求拉式变换可得传递函数：
1.1.2 过程控制系统的类型

按照设定值(给定值)分类:


定值控制系统：控制过程中给定值保持不变的系统。 随动控制系统：控制过程中给定值是变化的但变化的规律 是未知的。 程序控制系统：控制过程中给定值是变化的但变化的规律 是已知的。 常规仪表控制系统：控制器（调节器）采用常规仪表 计算机控制系统：控制器采用计算机
计算机控制系统
主要讲授内容



过程控制系统的基本概念与基础知识 常规过程控制系统的基本类型 计算机控制系统的基本概念与基础知识 计算机控制系统的控制算法 计算机控制系统的抗干扰技术 计算机控制系统的应用现状及发展趋势
1 过程控制系统的基本概念与基础知识

过程控制系统－针对工业生产过程的自动控制系统。
τc
t
1.3.2 机理法建模
工业对象的一般表达形式为 ：
W ( s) K e s (T1 S 1)(T2 S 1) (Tn S 1)
用等容环节近似有：
W ( s)
K e s n (T1 S 1)
K e s (T S 1)
高阶对象的一阶近似处理： 小结： ①有自平衡能力对象的特性有单容和多容的情况，容量的不同描述 对象特性的微分方程的阶次不同。多容可以认为是单容串连形成的。 ②描述有自平衡能力对象的特性，通常用K T τ 三个参数。三个参数 从不同的角度反映了对象的特征。 ③高阶对象可以用一阶对象近似表示。

制定控制系统设计方案 进行控制系统调试和参数整定 设计工业过程的故障检测与诊断系统 设计工业过程运行人员培训系统 指导设计生产工艺设备－从生产工艺角度考虑设备的结构
1.3.1 基本概念

建立数学模型的基本方法 :

机理分析法:根据生产过程实际发生的变化机理，写出 有关的平衡方程，从而获得所需的数学模型（微分方程、 传递函数等）。 特点：简单对象比较准确，复杂对象很难精确表达，往 往需要近似处理。 辨识法:用实验的方法测试出对象在输入作用下输出变 化的全过程，根据变化过程的特性估计参数。 特点：不需要深入了解过程的机理。但必须设计合理 的试验，以获得对象所含的最大信息量。 两种方法可相互补充，比如：先通过机理分析获得模型 的结构，再通过试验数据确定参数大小。
r t y t y t y t y t

衡量控制系统性能的品质指标：

阶跃输入作用下几种典型的过渡过程形式
单调衰减：无超调，调节过程比较缓慢。 衰减振荡：有超调，具有一定的快速性和稳定性。 等幅振荡：被控参数在一定幅值范围内波动。 属于临界稳定状态 。 发散振荡：发散振荡，直到系统遭到破坏。
1.2 过程控制系统的品质指标
x1(t)
t0
Δx
t x2(t)
1.3.4由阶跃响应求取对象的传递函数

根据阶跃响应曲线确定对象传递函数的方法

切线法 计算法 图解法

计
切线法:
通过响应曲线的拐点A作一切线。 在时间轴上的交点为滞后时间τ， 与 y () 的交点对应的时间为 T ，
K y() y(0) X
传递函数为：
衰减比：n＝B1/B2 衰减比衡量过渡过程快慢的程度和 稳定裕量。 一般取n＝4:1--10:1 最大动态偏差：过渡过程开始后，被控 量的最大值与新稳态值之差。 超调量：最大动态偏差与稳态值之比。 调整时间（过渡过程时间）： 从过渡过程开始直到被控量达到新 稳态值的5％(2％)所经历的时间。 静态偏差（余差）：过渡过程结束时被 控量与设定值之差。一般用符号 C 表示。 除上述指标还有上升时间、延迟时间、 振荡频率等。
1.3过程控制的对象特性

1.3.1 基本概念


对象特性：被控对象在输入的作用下，输出变化的状态和 特征。也就是描述对象输入与输出关系的数学模型。 研究对象特性的意义：控制系统的性能取决于系统中各个 环节的结构和特性，其中被控对象的特性最为重要。不同 的对象具有不同的特性，只有充分了解了被控对象的特性， 才能根据其特点设计出性能优良的控制系统。其意义可归 纳为以下几点：
dt dt
流入量 Q1 K x x 流出量 Q2 k h 0 稳态点处微分 h 在很小范围变化时，可认为 Q 与h 成近似线性关系 即令：
2
Q2
kh 2 h0
k 2 h0

1 R
即
h Q2 R
或
R
h Q2
联立几式并整理可得： T
dh h Kx dt
1.3.3 试验法(辨识法)建模

矩形脉冲法

x
x(t)
Δx
测试方法:与阶跃响应法相同，激励信号不同。 矩形脉冲响应转换为阶跃响应的原理与方法： 设x(t) 为矩形脉冲信号 则x(t)＝x1(t)＋x2(t) 而 x2(t)＝－x1(t－t0) 即x(t)＝x1(t) -x1(t－t0) 脉冲响应可认为是两个阶跃响应的叠加。 设ys(t)为对应x1(t)的阶跃响应 ys(t-t0)为对应x1(t)的阶跃响应 yp(t)为脉冲响应 于是有: yp(t)= ys(t)- ys(t-t0) 即: ys(t)= yp(t)- ys(t-t0)
液体储罐 调节器
调节阀
液位测量仪表
图1 过程控制系统组成示意图
设定值r + e 控制器（调节器） u 执行器 q 被控对象 被调参数 y
-
ym
测量变送器
图2 过程控制系统组成方框图
1.1.1过程控制系统的组成



被控对象：控制系统所要控制的设备。要注意与被控参 数的区别 。 检测变送仪表：对被控参数进行测量与变换。反馈装臵。 控制器：对被控量进行分析判断并产生控制作用。 执行器：控制动作的完成者。 设定值（给定值）：希望被控参数保持的值。 e：偏差：给定值与测量值之差。e＝r－z u：控制作用：控制器的决策输出。 q：操纵量（调节参数）：系统中起控制作用的参数。 y：被控参数：控制系统中需要控制的参数。通常是表 征生产过程 运行情况的参数。 ym被控参数的测量值。
W ( s)
K e 0 s TS 1
2 常规过程控制系统的基本类型

2.1单回路控制系统

2.1.1单回路控制系统的组成及应用范围
1.3.2 机理法建模
时间常数T: 被控量保持起始变化速度不变达到新稳态值所需要的时间。 ●时间常数反应的是对象受到扰动后，被控量变化的速度。 ●时间常数是描述对象惯性大小的参数。它由容量和阻力决定。 ● 可用4T作为响应时间标准。
阻力R: 物料和能量的传递过程中都有阻力。 Rn dh ●流体传送过程中的阻力 dQ ●阻力大变化过程慢，阻力小变化过程快。 容量C ：表征对象储存能力的大小，也叫容量系数。 ●容量C的物理意义：引起被控量单位变化时，对象储存量变化的大小。 ●容量只反应动态过程，因此C只影响时间常数T。

根据控制设备的不同：