过程控制系统第五章(再续)
过程控制第5章.ppt
系统特性—是指控制系统输入输出之间的关系。
环节特性—是指环节本身输入输出之间的关系。
干扰f + 给定值
e
－
控制器
执行器
被控对象
被控量
实测值
变送器
前几章的讨论中，我们已知变送器和执行器的 特性是比例关系、控制器的特性由控制规律决定。 本章讨论被控对象的特性。
X r i (s)
被控对象
X c i (s)
又称一阶惯性特性或单容特性
对象的特性参数K、T反映了对象的物理本质。 因为工艺过程就是能量或物质的交换过程，在 此过程中，肯定存在能量的储存和阻力。 （1）容量系数——反映对象存储能量的能力。 如水槽面积A，它影响时间常数 T 的大小。 T = ARS （2）阻力系数——反映对象对物料或能量传递 的阻力。
t
用自衡率ρ表征对象自衡能力的大小
1 1 h ( ) K
与放大系数K互为倒数
如果 ρ大，说明对象的自 衡能力大 。即对象能以较小 的自我调整量Δh（∞），来抵 消较大的扰动量Δμ1。
1
Δμ1
t Δh
K
T
t
并不是所有被控过程都具有自衡特性。同样的 单容水槽如果出水用泵抽出，则成为无自衡特性。
3
即：经过 3T 时间，输出已经变化了满幅值的 95％。这时，可以近似地认为动态过程基本结束。
例：被控过程的单位阶跃响应是一条 S 形单调曲 线，用有纯滞后的一阶环节近似描述该过程的特性。 作图法： 1）在响应曲线的拐 点处作一条切线，该切线 与时间轴的交点切出τ； 2）以τ为起点，与 y(∞)的交点切出的时间段 为T； 3）K= y(∞)/1
此时，对象的输入量是流入水槽的流量 Q1 ，对 象的输出量是液位h。 Q1 W(S) h 机理建模步骤： 从水槽的物料平衡关 系考虑，找出表征 h 与 Q1 关 系的方程式。 设水槽的截面积为A
过程控制系统课件-第五章-执行单元分解
第五节 电/气转换器与阀门定位器
一、 电/气转换器
为了使气动调节阀能够接收电动调节器的输出信号，必 须把标准电流信号转换为标准气压信号。
电/气转换器作用：
将4～20mA的电流 信号转换成20～100KPa 的标准气压信号。
力平衡式电/气转换器的原理图
I ↑ 吸力Fi↑ 杠杆偏转 挡板与喷嘴间隙↓ 背压↑ 放大器输入↑ 输出压力P ↑ 杠杆 的反馈力Ff ↑ 杠杆平衡 P∝I
当流体为不可压缩时，通过调节阀的体积流量为:
Q A 2p
式中各参数的单位变化时，注意进行修正。
调节阀尺寸的确定过程为：
根据通过调节阀的最大流量 qmax ，流体密度
以及调节阀的前后压差 p ，先由上式求得最大的流通能力
Cmax ，然后选取大于 Cmax 的最低级别的C值，
即可依据表5－2确定出Dg和dg的大小。
可看出，调节阀全关时阀上压降最大，基本等于系
统总压力；调节阀全开时阀上压力降至最小。
为了表示调节阀两端压差△PT的变化范围，以 阀权度s表示调节阀全开时，阀前后最小压差△PTmin 与总压力△ P之比。 s = △ PTmin / △ P
以 qmax 表 示 串 联 管 道 阻 力 为 零 时 (s=1) ， 阀 全 开时达到的最大流量。可得串联管道在不同s值时， 以自身qmax作参照的工作流量特性。
x
1
时，流量变化大。
qmax
❖ 等百分比阀在各流量点的放大系数不同，但对 流量的控制力却是相同的。
同样以10％、50％及80％三点为例，分别增加
10%开度，相对流量变化的比值为：
10%处：
Q/Q100
（6.58%-4.68%）/4.68%≈41%
华南农业大学过程控制课件过程控制系统5-4
(2)在副控制器的比例度仍为 2s的情况下，将副回路看作是 主回路的一个环节，用同样的方法将主控制器的比例度， 由大到小调节，直到主变量的过渡过程曲线呈4：1衰减振 荡为止。记下此时主控制器的比例度 1s ，量出主变量振 荡周期了T1s
(3)由已求得的 2s 、T2s和 1s、Tls的值，结合主、副控制 器的选型，按照单回路控制系统的衰减曲线法整定参数的 经验公式，分别计算出主、副控制器的最佳参数值。 (4)按照“先副后主”、“先P再I后D”的顺序．将计算出的 参数设置到控制器上，作些扰动试验，观察过渡过程曲线， 作适当的参数调整，直到控制质量最佳。
• 其步骤如下： 先断开主回路，整定副控制器。 后闭合主回路，整定主控制器。 重新调整副控制器参数。 若未达到控制要求，再调整主控制器参数。 以上步骤循环进行，直到满足(逼近)控制指标为止。 对于不同的控制系统和不同的品质指标要求，逐步逼近法逼近的循 环次数是不同的，所以往往费时较多。
2、两步整定法
3、一步整定法理论依据
• 把副回路等效看成是完成“粗调”的控制器，串级控制可看成两个控 制器串联的单回路控制系统，所以有： • Kc1*K2’=Kc Kc：整个回路等效放大系数 Kc1：主控制器的放大系数 K2’：等效副回路放大系数 只要Kc=Ks，主变量就可产生4：1的衰减过程。Kc1和K2’可以任意 调节 • 等效副回路放大系数K2’和副控制器放大系数Kc2的关系
有：K2’=cKc2 而 Kc1*K2’=Ks’ 所以 Ks’=Kc1*cKc2
一般副控制器比例度取值范围
一步整定法的具体步骤： （1）按照上述方式选择副回路控制器的比例度 2 ，使副回路按纯 比例控制运行 （2）将系统投入串级控制状态运行，按单回路控制系统参数整定 的方法对主控制器进行参数整定，使主变量的控制品质最佳。
过程控制系统作业答案(全)
比值控制系统
2、如图所示一氧化氮生产串级比值控制系统， 要保证产品质量，需要稳定氧化炉出口温度。 回答以下问题 。 （1）图中除法器的输出代表什么？ （2）系统中开方器有什么作用？ （3）图中Q1是主流量还是副流量？ （4）系统主副流量无变化，当扰动作用使氧 化炉出口温度偏离设定值时，系统如何调节？
串级控制系统
2、某一温度-压力串级控制系统采用两步法整 定控制器参数，测得4：1衰减过程的参数为： δ 8% 、 100 s 、δ 40% 、 T 10 s T 主控制器采用PI控制规律，副控制器采用P控 制，确定系统整定参数。
s1
s1
s2
s2
（1）4:1衰减法参数整定表
（2）临界比例度法参数整定表
m1 m2
c1 c2
双输入双输出系统，输入输出关系如下：
c1 2 m 1 3 m 2 c 2 4 m1 m 2
（1）求相对增益矩阵。 （2）求正确的变量配对。
多变量解耦控制系统
c1 2 m 1 3 m 2 c 2 4 m1 m 2
dh Q i Q o1 Q o 2 C dt h Q o1 R1 h Qo2 R2 Q ( s ) Q o1 ( s ) Q o 2 ( s ) CsH ( s ) i H (s) Q o1 ( s ) R1 H (s) Qo2 (s) R2
m 2 c 2 4m1
解：（1）由式 c 2 4 m1 m 2 ，得 代入 c 2 m 3 m 式中，得
1 1 2
第五章 过程控制系统概述
第五章过程控制系统概述第一节 自动检测与自动控制系统一、自动检测系统实现被测变量的自动检测、数据处理及显示 （记录）功能的系统叫过程自动检测系统。
自动检 测系统由两部分组成：检测对象和检测装置。
如下 图所示：检测部分检测对象 转换放大 就地显示远传显示检测装置 数据处理计算机系统若检测装置由检测部分、转换放大和就地显示环节构 成，则检测装置实际为一块就地显示的检测仪表。
如单圈弹 簧管压力表、玻璃温度计等。
若检测装置由检测部分、转换放大和数据处理环节 与远传显示仪表（或计算机系统）组成，则把检测、转换 、数据处理环节称为“传感器”（如霍尔传感器、热电 偶、热电阻等），它将被测变量转换成规定信号送给远传显 示仪表（或计算机系统）进行显示。
若传感器输出信号为国 际统一标准信号4～20mA DC电流（或20~100KPa气 压），则称其为变送器（如压力变送器、温度变送器等）。
二、过程自动控制系统能替代人工来操作生产过程的装置组成了过程自动控制系统。
由 于生产过程中“定值系统”使用最多，所以常常通过“定值系统” 来讨论过程自动控制系统。
（利用自动控制装置对生产中某些关键性参数进行自动控制，使 他们在受到外界扰动的影响而偏离正常状态时，能自动的回到 规定范围。
）过程控制系统的组成框图过程控制系统的组成过程控制系统 检测元件和变送器比较机构 检测被控制的物理量，其作用是把被控变量转化为测量值 将设定值与测量值比较并产生偏差值工艺参数需要控制的工艺设备、机器或生产过程， 如上例中的水槽 对象 控制器 根据偏差的正负、大小及变化情况，按预定的控制规律实施控制作用，比较机构和控制器通常组合在一起，它可以是气动控制器、电动控制器、可编程序控制器、分布式控制系统（DCS ）等过程控制系统的组成被控变量 设定值被控对象中，通过控制能达到工艺要求设 定值的工艺变量，如上例中的水槽液位被控变量的希望值，由工艺要求决 定，如上例中的50%液位高度接受控制器送来的信号，相应地去改变操纵变 量q以稳定被控变y，最常用的执行器是气动薄膜 控制阀执行器过程控制系统的组成偏差e 操纵变量 操纵变量q q 设定值与被控变量的测量值（统一标准信号）之差由控制器操纵，能使被控变量恢复到设定值的物理量或能量，如上例中的出水量 被控变量的实际测量值 测量值Z扰动 扰动ff 除操纵变量外，作用于生产过程对象并引起被控变量变化的随机因素，如进料量的波动 起被控变量变化的随机因素，如进料量的波动第二节 传递函数与方块图变换传递函数可以直观、形象地表示出一个系统 的结构和系统各变量之间的关系。
过程控制系统第五章
续缓慢上升, 同时乙塔的进料量也缓慢增加, 当液位上 升到某一数值时, 甲塔采出量等于在干扰作用下的入料 量, 液位不再上升而暂处某一高度. 从而使液位和流量 都处于缓慢变化中, 达到均匀协调的控制目的.
如干扰来自乙塔塔压变化而使其入料量发生变化, 则先由流量副回路控制, 当这一控制作用使甲塔液位受 到影响时, 再由液位控制器改变流量控制器的设定值, 让流量控制器作进一步的调整, 缓慢改变控制阀的开度 两控制器互相配合, 使液位和流量都在允许的范围内缓 慢地均匀变化.
0
t0
t
作用下, 液位和流量均在各自允许的范围内缓慢变化,
如上右图所示. 通常, 简单均匀方案中的控制器采用纯
比例控制, 且比例度较大, 一般大于100%, 当需采用PI 控制时, 应使积分弱些, 即积分时间常数整定的大些.
简单均匀控制系统的最大优点是结构简单, 投运方 便, 成本低廉. 但当前后设备的压力变化较大时, 尽管 控制阀的开度不变, 输出流量也会发生变化, 所以它适 用于干扰不大, 要求不高的场合. 此外, 在液位对象的 自衡能力较强时, 均匀控制的效果也较差.
先说明主控制器Wc1(s) 前负号的由来. D1(s)
1
H
R
(
s)
E1
(
s)
Wc1
(
s
)
QR
(s)
E2 (s)
Wc2 (s)
Q(s) Wo2 (s)
Z1(s)
Z2(s)
H m2 (s)
H (s) Wo1 ( s )
H m1 ( s)
前已选择主控制器为正作用方式, 则: E1(s) Z1(s) HR (s) 主控制器正作用方式如下图所示. 等效变换得, 设:
过程控制系统
图0.1 锅炉汽包示意图
图0.1所示是工业生产中常见的锅炉汽 包示意图。
锅炉是生产蒸汽的设备，几乎是工业生
产中不可缺少的设备。保持锅炉汽包内的液 （水）位高度在规定范围内是非常重要的， 若水位过低，则会影响产汽量，且锅炉易烧 干而发生事故；若水位过高，生产的蒸汽含 水量高，不仅会影响蒸汽质量，还可能溢出 水。这些都是危险的。因此对汽包液位严加 控制是保证锅炉正常生产必不可少的措施。 其液位是一个重要的工艺参数。
自动化技术的前驱，可以追溯到我国古代，如指南车的出现。 至于工业上的应用，一般以瓦特的蒸汽机调速器作为正式起点。 工业自动化的萌芽是与工业革命同时开始的，这时的自动化装置 是机械式的，而且是自力型的。随着电动、液动和气动这些动力 源的应用，电动、液动和气动的控制装置开创了新的控制手段。
有人把直到20世纪30年代末这段时期的控制理论称为第一代 控制理论。第一代控制理论分析的主要问题是稳定性，主要的数 学方法是微分方程解析方法。这时候的系统（包括过程控制系统） 是简单控制系统，仪表是基地式、大尺寸的，满足当时的需要
绪论
生产过程自动化，一般是指石油、化工、冶金、炼焦、造纸、建 材、陶瓷及电力发电等工业生产中连续的或按一定程序周期进行的生产 过程的自动控制。电力拖动及电机运转等过程的自动控制一般不包括在 内。凡是采用模拟或数字控制方式对生产过程的某一或某些物理参数进 行的自动控制通称为过程控制。过程控制是自动控制学科的一个重要分 支
过程控制系统可分为常规仪表过程控制系统与计算机过程控 制系统两大类。前者在生产过程自动化中应用最早，已有六十余 年的发展历史，这是本书要介绍的主要内容。后者是自20世纪70 年代发展起来的以计算机为核心的控制系统，这部分内容将在 《计算机过程控制》课程中予以专门介绍，因此不再纳入本书的 讨论范围。
《过程控制》
《过程控制》课程笔记第一章概论一、过程控制系统组成与分类1. 过程控制系统的基本组成过程控制系统主要由被控对象、控制器、执行器、检测仪表四个部分组成。
（1）被控对象：指生产过程中的各种设备、机器、容器等，它们是生产过程中需要控制的主要对象。
被控对象具有各种不同的特性，如线性、非线性、时变性等。
（2）控制器：控制器是过程控制系统的核心部分，它根据给定的控制策略，对检测仪表的信号进行处理，生成控制信号，驱动执行器动作，从而实现对被控对象的控制。
控制器的设计和选择直接影响控制效果。
（3）执行器：执行器是控制器与被控对象之间的桥梁，它接收控制器的信号，调节阀门的开度或者调节电机转速，从而实现对被控对象的控制。
执行器的响应速度和精度对控制系统的性能有很大影响。
（4）检测仪表：检测仪表用于实时测量被控对象的各项参数，如温度、压力、流量等，并将这些参数转换为电信号，传输给控制器。
检测仪表的准确性和灵敏度对控制系统的性能同样重要。
2. 过程控制系统的分类根据控制系统的结构特点，过程控制系统可以分为两大类：开环控制系统和闭环控制系统。
（1）开环控制系统：开环控制系统没有反馈环节，控制器根据给定的控制策略，直接生成控制信号，驱动执行器动作。
开环控制系统的优点是结构简单，成本低，但缺点是控制精度较低，容易受到外部干扰。
（2）闭环控制系统：闭环控制系统具有反馈环节，控制器根据检测仪表的信号，实时调整控制策略，生成控制信号，驱动执行器动作。
闭环控制系统的优点是控制精度高，抗干扰能力强，但缺点是结构复杂，成本较高。
二、过程控制系统性能指标1. 稳态误差：稳态误差是指系统在稳态时，输出值与设定值之间的差值。
稳态误差越小，表示系统的控制精度越高。
稳态误差可以通过调整控制器的参数来减小。
2. 动态性能：动态性能是指系统在过渡过程中，输出值随时间的变化规律。
动态性能指标包括上升时间、调整时间、超调量等。
动态性能的好坏直接影响到系统的响应速度和稳定性。
《过程控制系统》习题解答课件
《过程控制系统》习题解答课件《过程控制系统》习题解答1-2 与其它自动控制相比，过程控制有哪些优点？为什么说过程控制的控制过程多属慢过程？过程控制的特点是与其它自动控制系统相比较而言的。
一、延续生产过程的自动控制延续控制指延续生产过程的自动控制，其被控量需定量控制，而且应是延续可调的。
若控制动作在时光上是离散的（如采纳控制系统等），但是其被控量需定量控制，也归入过程控制。
二、过程控制系统由过程检测、控制仪表组成过程控制是通过各种检测仪表、控制仪表和电子计算机等自动化技术工具，对囫囵生产过程举行自动检测、自动监督和自动控制。
一个过程控制系统是由被控过程和检测控制仪表两部分组成。
三、被控过程是多种多样的、非电量的现代工业生产过程中，工业过程日趋复杂，工艺要求各异，产品多种多样；动态特性具有大惯性、大滞后、非线性特性。
有些过程的机理（如发酵等）复杂，很难用目前过程辨识办法建立过程的精确数学模型，因此设计能适应各种过程的控制系统并非易事。
四、过程控制的控制过程多属慢过程，而且多半为参量控制由于大惯性、大滞后等特性，打算了过程控制的控制过程多属慢过程；在一些特别工业生产过程中，采纳一些物理量和化学量来表征其生产过程情况，故需要对过程参数举行自动检测和自动控制，所以过程控制多半为参量控制。
五、过程控制计划非常丰盛过程控制系统的设计是以被控过程的特性为依据的。
过程特性：多变量、分布参数、大惯性、大滞后和非线性等。
单变量控制系统、多变量控制系统；仪表过程控制系统、计算机集散控制系统；复杂控制系统，满足特定要求的控制系统。
六、定值控制是过程控制的一种常用方式过程控制的目的：消退或减小外界干扰对被控量的影响，使被控量能稳定控制在给定值上，使工业生产能实现优质、高产和低耗能的目标。
1-3 什么是过程控制系统，其基本分类办法有哪些？过程控制系统：工业生产过程中自动控制系统的被控量是温度、压力、流量、液位、成分、粘度、湿度和pH等这样一些过程变量的系统。
过程控制系统(1)
第一章过程控制系统概述1.五大参量：温度、压力、流量、物位（液位）、成分2.过程控制系统的组成：控制器，执行器，被控过程和测量变送等组成；除被控对象外都是变送单元。
过程控制系统由两大部分组成:过程仪表和被控对象过程控制系统由三大部分组成:检测变送单元，控制器，被控对象。
系统中的名词术语：1）被控过程：生产过程中被控制的工艺设备或装置（即从被控参数检测点至调节阀之间的管道或设备）。
2）检测变送器：检测量转换为统一标准的电信号。
3）调节器（控制器）：实时地对被控系统施加控制用。
4）执行器：将控制信号进行放大以驱动调节阀。
5）被控参数：被控过程内要求保持稳定的工艺参数。
6）控制参数：使被控参数保持期望值的物料量或能量。
7）设定值：被控参数的预定值。
8）测量值：测量变送器输出的被控参数值。
9）偏差：设定值与测量值之差。
10）扰动作用：作用于被控对象并引起被控变量变化的作用。
11）控制作用：调节器的输出（控制调节阀的开度）。
控制器，执行器和检测变送环节称为过程仪表；过程控制系统由过程仪表和被控过程组成。
3.性能指标：包含了对控制系统的稳定性、准确性和快速性三方面的评价。
稳态误差ess：描述系统稳态特性的唯一指标（静态指标）。
衰减比n：n<1,表示过渡过程为发散振荡;n=1,表示过渡过程为等幅振荡;n>1,表示过渡过程为衰减振荡。
一般为4:1-10:1，4:1为理想指标，也是用来调试的。
前馈，反馈控制特点（1）反馈控制系统：根据系统被控参数与给定值的偏差进行工作；是按照偏差进行调节，达到减小或消除偏差的目的；偏差值是系统调节的依据；可以有多个反馈信号；属于闭环控制系统。
（2）前馈控制系统：根据扰动大小进行控制，扰动是控制的依据；控制及时；属于开环控制系统；实际生产中不采用第二章过程检测仪表控制器输出:1.电动仪表：4-20mA，DC（远距离）；1-5V，DC（短距离）气动仪表：20-100Kpa（100m）直流电流4-20mA，空气压力20-100Kpa为通用标准信号。
过程控制系统_齐卫红第五章解读
第五章 比值控制系统 比值控制系统是控制两种物料流量比值的控制系统，一种物料 需要跟随另一种物料流量的变化。在需要保持比例关系的两种物料 中，必有一种物料处于主导地位，称此物料为主动量（或主物料）， 用表示；而另一种物料以一定的比例随的变化而变化，称为从动量 （或从物料），用表示。由于主、从物料均为流量参数，故又分别 称为主流量和副流量。例如，在燃烧过程的比值控制系统中，当燃 料量增加或减少时，空气流量也要随之增加或减少，因此，燃料量 应为主动量，而空气量为从动量。比值控制系统就是要实现从动量 与主动量的对应比值关系，即满足关系式
F2 ＝K F 1
（5-1）
式中，K为从动量与主动量的比值。 由此可见，在比值控制系统中，从动量是跟随主动量变化的物 料流量，因此，比值控制系统实际上是一种随动控制系统。
第五章 比值控制系统
5.2 比值控制系统的类型
按照系统结构，可将比值控制系统分为单闭环、双闭环和变 比值控制系统三种结构类型。 从控制原理看，比值控制系统属于前馈控制系统。开环比值 控制系统是最简单的比值控制系统，其实现方法就是根据一种物 料的流量来调节另一种物料的流量，它的系统组成如图5.1所示。 在这个系统中，当主动量增大时，应相应地开大从动量控制阀的 开度，使从动量F2跟随主动量F1变化，以满足的要求。因此，当 F2因管线两端的压力波动而发生变化时，系统不起控制作用，此 时难以保证F2与F1间的比值关系。也就是说，开环比值控制系统 对来自于从动量所在管线的扰动并无抗干扰能力，只能适用于从 动量较平稳且对比值要求不高的场合。而实际生产过程中，对F2 的扰动常常是不可避免的，因此生产上很少采用开环比值控制系 统。
图5.5 二氧化碳与氧气流量双闭环比值控制系统
第五章 比值控制系统 双闭环比值控制的另一个优点是升降负荷比较方便，只要缓 慢地改变主动量控制器的设定值，就可以升降主动量，同时从动 量也就自动跟踪升降，并保持两者的比值不变。双闭环比值控制 方案主要应用于主动量扰动频繁且工艺上不允许负荷有较大波动， 或工艺上经常需要升降负荷的场合。但由于双闭环比值控制方案 使用仪表较多，投资高，而且投运也较麻烦，因此，如果没有以 上控制要求，采用两个单独的单回路定值控制系统来分别稳定主、 副流量，也能使两种物料保持一定的比例关系（仅仅在动态过程 中，比例关系不能保证）。这样在投资上可节省一台比值装置， 而且两个单回路流量控制系统在操作上也较方便。 在采用双闭环比值控制方案时，还需防止共振的产生。因主、 副流量控制回路通过比值器是相互联系的，当主流量进行定值控 制后，它变化的幅值会大大减小，但变化的频率往往会加快，使 副流量控制器的设定值经常处于变化之中，当主流量回路的频率 和副流量回路的工作频率接近时，就有可能引起共振，使副流量 回路失控，以致系统无法正常投入运行。因此，对主流量控制器 进行参数整定时，应尽量保证其输出为非周期变化，以防止产生 共振。
过程控制系统 第5章
⑶ 主、副控制器正、反作用的选择
先依据控制阀的气开、气关形式，副对象的放大倍数,决定副 控制器正反作用方式,即必须使的Kc2KvKp2Km2乘积为正值， 其中Km2通常总是正值。 然后，决定主控制器的正、反作用方式, 主控制器的正、反 作用主要取决于主对象的放大倍数，至于控制阀的气开、气 关形式不影响主控制器正、反作用的选择，因为控制阀已包 含在副回路内。总之，应使Kc1Kp1Km1的乘积为正值,通常 Km1总是正值,因此主控制器的正、反作用选择应使Kc1Kp1 为正值。
5.1.4 串级控制系统控制器参数的 整定
串级控制系统常用的控制器参数整定方法有三 种：
逐步逼近法 两步法 一步法
对新型智能控制仪表和DCS控制装置构成的串 级控制系统，可以将主控制器选为具备自整定 功能。
5.1.5 串级控制系统的变型
采用常规仪表时，为减少仪表投资，采用加法 器等运算单元来实现串级控制系统，以节省控 制器的投资。 采用阀门定位器，引入串级控制系统，这时副 控制器参数通常不调整。
设计副回路应注意工艺上的合理性 应考虑经济性 注意主、副对象时间常数的匹配
⑵ 串级控制系统中主、副控制器控制规律的 选择
主、副控制规律的选择 串级控制系统中，主、副 控制器所起的作用是不同的。主控制器起定值控制 作用，副控制器对主控制器输出起随动控制作用， 而对扰动作用起定值控制作用，因此主被控变量要 求无余差，副被控变量却允许在一定范围内变动。 这是选择控制规律的基本出发点。 一般主控制器可采用比例、积分两作用或比例、积 分、微分三作用控制规律，副控制器单比例作用或 比例积分作用控制规律即可。
过程装备控制技术及应用课件-第五章计算机控制系统
过程装备控制技术及应用第五章计算机控制系统CONTENTS 目录第三节测试软件设计第一节概述第二节计算机控制系统的组成及分类第四节直接数字控制系统一、计算机直接数字控制系统构成二、计算机控制系统的控制步骤1. 实时数据采样：测量被控量的当前值，转换成离散数字化信号；2. 实时判断：判断被控量当前值与给定值的偏差e ；3. 实时控制：根据偏差e ，作出控制决策，即按照预定的算法对偏差进行运算，向执行机构发出控制信号；控制信号包括：a. 经过D/A转换输出的模拟控制信号；b. 开关量输出(控制电平、脉冲)：报警、限位＼延时等特定操作；c. 数字量输出。
三、计算机控制系统的优点1. 用分时操作实现对多个被控对象、多个回路的控制；2. 操作由计算机程序完成，扩充修改方便，硬件改动少；3. 在模拟控制系统中很多由硬件难以完成的功能，可以方便地由软件完成。
如：大时间常数的滤波，线性补偿、系统的误差补偿。
5.2计算机控制系统的组成及分类一、计算机控制系统的组成1. 硬件部分①主机②过程输入输出通道③操作设备④外部设备⑤通讯设备⑥系统支持功能监控定时器、掉电保护、后备存储器、实时日历、总线匹配等2. 软件部分①系统软件：操作系统、数据库系统、通讯网络软件、调试程序及诊断程序等。
②应用软件：系统设计人员针对生产过程要求而编制的控制和管理程序。
包括：过程输入程序、过程控制程序、过程输出程序、打印显示程序、人机接口程序等。
二、计算机控制系统的分类1. 数据采集和数据处理系统①数据采集：由传感器把温度、压力、流量、位移等物理量转换来的模拟电信号经过处理并转换成计算机能识别的数字量，输入并存贮到计算机中。
②数据处理：计算机将采集来的数字量进行实时数据分析，得出所需要的结果。
计算机不直接参与过程控制，属于计算机应用于过程控制的低级阶段。
2. 直接数字控制系统(Direct Digital Control, DDC)①分时地对被控对象的状态参数进行测试；②将测试的结果与给定值比较得到偏差e，按预定的控制算法进行数字分析、运算；③将控制量直接输出到调节阀等执行机构上，使各个被控参数保持在给定值上，实现对被控对象的闭环自动调节。
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阀位, 并作为阀位控制器的测量值, 阀位控制器的给定
值 r2 表示了操纵变量B管线上阀门应保持的阀位. 阀位控
制系统也因此而得名. 二﹑阀位控制系统的应用
(1)管式加热炉原油出口温度控制
管式加热炉原油出口温度控制, 一般都选原油出口 温度为被控变量, 选择燃料油(或气)为纵变操量,
组成下图所示的单回路控制系统. 该系统选燃料油作为
上图.
则:
Y '(s) U (s若令Wo (s)es W (s) Wo (s)则W (s) Wo (s)(1 es ) (7)
可见补偿器的作用完全补偿了被控对象的纯滞后. 这一方
法由史密斯(Smith)首先提出, 故叫史密斯补偿法, 补偿器
叫史密斯预估补偿器.
在实际应用中, 史密斯预估补偿器并不直接并接在被控
操纵变量虽经济合理, 但它对克服外
界干扰的影响却不及时. 因燃料量的
原油
Tr
TC
变化至出口温度这一通道容量较大,
即时间常数较大. 燃料变化所改变的
燃料 燃烧热要通过辐射﹑传导和对流等
传热过程, 将热量传给管道中的原油后, 才使原油出口
温度发生变化, 而这段时间可长达十几分钟, 对克服干
扰的有效性和快速性较差. 如在原油入 气开VB 口和出口间直接引条支管, 并以它作为 B
对比式(4)和式(2), 两种方案系统输出对干扰的传递函数
完全一样, 而式(3)比式(1)在分子上少了一个 z 1/TD
的零点, 故超调要比PI+D控制方案小些. 教材P.157举了 一个实验例子.
由两种方案的四个传递函数可知, 它们的系统特征方
程都相同, 且都含有 es项, 若将其按泰勒级数展开成s的
对于克服纯滞后对控制质量的不利影响的自动控制 方案有以下几类: 一是当纯滞后时间不是很大, 对控制 质量要求不是很高, 可采用两位式控制或采样控制方案; 二是采用预估补偿方案; 三是采用先进新型的控制技术; 四是常规控制方案.
本节主要讨论常规控制方案和预估补偿方案. 一﹑微分先行控制方案
微分控制的特点是能按被控量变化速度的大小来校
y 1
()
lim
s0
[
s
Ko Tos
1
(1
es
)
u s
]
0
(15)
y
2 ()
lim
s0
[s
1 To s
(1
es
)
u s
]
To
u
(16)
四﹑预估补偿器的实现及预估补偿控制方案的改进(补充)
史密斯补偿器的模型 W (s) Wo (s)(1 es ), 从理论
上讲, 只要能准确获得对象的数学模型, 就可达到完全
阀位控制系统的原理结构如下图所示. 操纵变量A经济
A
d 合理, 操纵变量B快速有效, 两 y 个操纵变量分别由两只控制器
B
控制 . 其中, 控制操纵变量B的
是主控制器 C1, 控制纵变操量A
C2
C1
的是阀位控制器 C2 .主控制器的
r2
r1 给定值 r1 表示产品的质量指标, 主控
制器的输出大小实际上表示了操纵变量B管线上阀门的
Y (s)
TI ses
(2)
D(s) TI sW01(s) Kc (TI s 1)(TDs 1)es
对常规的PID控制方案一种改进叫微分先行控制方案, 其
方框图见下. 其特点是比例加微分作用置于反馈通道上,
R(s)
K
c
(1
1 TI s
)
D(s)
其输出既包括被
Wo (s)es
Y (s)
控变量, 也包括 被控变量的变化
y'(t) y(t) y'(t) r(t)
曲线如图中红线所示. y(t)比 y'(t)
滞后了 这段时间. 且 y(t) 的调
y(t)
节时间也比 y'(t)的调节时间多了
0
ts ts
t 若令WH (s) Wo (s)es , 则 Wo (s) WH (s)es , 式(10)可改为:
Y (s) WC (s)Wo (s)es WC (s)WH (s)
es
)
(8)
式(8)中 WK (s) WC (s)Wo (s) ,式(8)可表成:
U (s) E(s)
WC
(s) 1 WC
1 (s)Wo (s)(1
es
)
WC
(s)W
'(s)
(9)
从而带纯滞后补偿的控制器可看成由一个常规控制器WC (s)
和一个传递函数为
W
'
(
s)
1
WC
1 (s)Wo (s)(1
代数方程, 则有无穷多项, 即系统有无穷多个极点, 这无 穷多个极点, 总有若干个位置极差的极点, 因此用PI+D 控制方案对改善控制品质就显的力不从心, 微分先行控制 方案的效果要好些.
二﹑中间反馈控制方案
中间反馈控制方案的方框图见下. 其特点是被控量的
R(s)
1 Kc (1 TI s )
D(s)
气开
阀VB处于某个与VC给定值 r2 相对应 的开度, 阀VA 也处于某个开度. 一 旦由于某种原因(如低压管线用户增
r1
PC
“-”
0.3Mpa
加)低压总管压力下降, PC输出增大
使VB 开度变大,
在VC作用下V
开度
A
也增大, 低压总管压力回升.
5-7 纯滞后过程的常规控制
具有纯滞后的生产过程的被控对象, 被称为难于控 制的对象. 纯滞后对系统的控制质量会产生严重的不利 影响, 这是因为当系统受到扰动时, 被控参数已经发生 变化, 控制虽已感受到这一变化, 并且控制器的输出立 即改变, 但操纵变量要经过一段纯滞后时间才能影响到 被控参数, 而在这期间被控参数还会继续变化, 从而造 成被控参数产生较大的动态偏差.
(12)
R(s) 1 WC (s)Wo (s) 1 WC (s)WH (s)es
由式(12)可画出如下方框图.
R(s)
WC (s)
Wo (s)es Y (s)
es 1s (s)2 / 2!(s)3 / 3!
下面再对纯滞后补偿控制的误差作一分析. 工业对象可
分成有自平衡能力对象和无自平衡能力对象, 假设这两
对象上, 而是如下图所示反向并接在控制器上.
R(s) E (s)
WC (s) U (s)
D(s) Wo (s)es
Y (s)
Y (s) Wo (s)(1 es ) WC '(s)
图中内反馈回路传递函数为:
U (s) E(s)
WC
'(s)
1
WC
WC (s) (s)Wo (s)(1
es
)
WC (s) 1 WK (s)(1
e
s
)
的补偿器串联而成, 于是可得下面的等效方框图.
R(s) E(s) WC '(s) U (s)
D(s) Wo (s)es
Y (s)
由上图可得在系统输入及干扰分别作用下, 系统的闭环
传递函数分别为:
Y (s) WC (s)Wo (s)es Y '(s)es (10) R(s) 1 WC (s)Wo (s) R(s)
“+”
TC r1
操纵变量B, 构成右图所示阀位控制系统.
系统在稳定工况下, 原油出口温度等于
主控制器TC的温度设定值 r1 ,控制阀VB 原油 处于某一开度,控制阀VA 处于阀位控制 器VC所设置的小开度 r2.
r2
VC
“-”
A
燃料
VA气开
当系统受到干扰使原油出口温度上升时, 因温度控制器
TC为正作用, 其输出增大, 这一增大的 气开VB 信号一路去VB ,使其开度增大, 导致原油 B
Y (s) Wo (s)[1 WC (s)Wo (s)(1 es )] es (11)
D(s)
1 WC (s)Wo (s)
由上两式可见, 系统的特征方程中不再出现 es项.
由式(10)可得:Y(s) Y'(s)es, 设系统在阶跃输入信号
作用下, Y '(s)的原函数 y'(t) 曲线如下图所示, 则 y(t)
(一)纯滞后环节的模拟实现
用帕德一阶分式近似纯滞后环节, 即:
es (1 s ) /(1 s ) [2 /(1 s )] 1 (17)
2
2
2
从而: 1 es 2[1 1/(1 s )]
2
式(18)可用下图结构实现.
输入
(18)
输出
2
1/(1s / 2)
如纯滞后环节用帕德二阶分式近似, 即:
TDs 1
速度值, 将这两
信号叠加后输入到比例积分控制器中, 使系统克服超调的
能力得以增强.
微分先行控制方案传递函数为:
Y (s)
Kc (TI s 1)es
(3)
R(s) TI sW01(s) Kc (TI s 1)(TDs 1)es
Y (s)
TI ses
(4)
D(s) TI sW01(s) Kc (TI s 1)(TDs 1)es
“+”
TC r1
出口温度下降;另一路去VC, 作为VC的
测量值, 由于阀位控制器VC为反作用
r2
且其设定值不变, 故VC输出减小, 使 原油
VC
燃料阀VA 的开度变小, 其作用也使原 油出口温度下降. 随原油出口温度的下降,
“-”
A
燃料
VA气开