1、第六章 简单控制系统 第一节、控制系统基本概念1、自动控制系统的组成生产人们总是希望生产过程按人们的期望进行，而生产过程中会发生各种各样的变化，这些变化可能是人们所希望的，也可能是人们所不希望的。为了是生产过程按人们预期的方式进行，就需要对生产过程进行干预，从而按某种规律变化。这些干预可由操作人员按生产要求进行操作，这叫做人工操作。也可能由一些装置代替人们按一定规律对生产过程进行操作，则生产也能按要求进行下去。这叫做自动操作。1、自动控制系统的组成自动控制系统是仿照人的控制方式工作的。人的控制方式是首先观察被控参数的情况如何，偏离了预先设定数值有多少。然后根据偏差的大小与正负，去改变其他参数使
2、得被控参数重新回到预期数值。人是怎样进行工作的呢？流入阀流出阀液位操作员人控制液位示意图1、自动控制系统的组成我们分析人控制液位的过程，然后画出其逻辑关系。储水槽入口阀门储水槽液位人工控制方块图液位观察比较期望液位人1、自动控制系统的组成自动控制系统是采用智能装置来代替人对液位进行控制，既用自动测量装置代替人的眼睛，用自动控制器代替人的大脑，用自动执行器代替生产过程的的手动阀。储水槽控制阀储水槽液位自动控制方块图液位 检测控制器期望液位流入阀流出阀液位 液位自动控制示意图给定液位LC1、自动控制系统的组成自动控制系统由五部分组成：l被控对象。被控对象是生产装置上的相关设备。储水槽液位自动控制中
3、为储水槽。被控对象有时也简称为对象。l检测装置。可以是各种液位传感器或液位变送器。l控制器。控制器可以是智能控制器，集散系统（DCS）等具体设备，也可以是计算机中的一个虚拟控制器。l执行器。这里是一个自动控制阀。自动控制阀是根据作用其上的信号大小来改变流通能力的阀门。l各个部分之间的连线。这些连线表示的是各个部分之间的信息联系。 2、开环控制与闭环控制1）开环例如煤气发生炉，根据生产要求，首先需要向炉子内鼓风，使得炉内温度升高，然后向炉子内通入水蒸汽使得炉内产生半水煤气。随着蒸汽的通入，炉内温度会下降，然后需要停止向炉内通入蒸汽，对炉子内部进行吹扫以便将炉子内部的半水煤气吹扫干净，再向炉子内部
4、鼓风一提高炉温。接下来进入下一个循环。 煤气发生炉阀门煤气发生炉操作示意方块图2、开环控制与闭环控制2）闭环例如生产过程中对储水槽内的水温进行控制。储水槽上有两条管道，一条是热水管道，一条是冷水管道。每条管道上都装有阀门。首先向储水槽内放一些冷水，然后打开热水阀门向里注入热水，根据储水槽内水温的情况，开大或关小热水阀门，直至水温符合要求为止。 储水槽阀门储水槽水温操作示意方块图水温观察3、传递函数传递函数是控制系统使用最多的一种分析方法。有了传递函数概念，就可利用方块图来描述系统，可以很直观的观察系统的结构。所以传递函数与方块图是控制系统分析的最基本，最常见的工具。传递函数是描写输入信息传递到
5、输出信息的方式。传递函数的定义：系统输出的拉氏变换注1与系统输入拉氏变换之比，称为该系统的传递函数。有了传递函数，就可以用一个方块来表示这个环节。 3、传递函数例1： 如图有一个RC电路，其中C为电容，R为电阻，ui为输入电压，uo为输出电压根据电学原理可知：对两端取拉氏变换，则有： ooiduRCuudt( )( )( )ooiRCsUsUsU s( )1( )( )1oiUsG sU sRCs11RCs( )oUs( )iU s3、传递函数例2： 有一个储水槽，水从上面连续流入，从下面连续流出。设流入流量为Qi，流出流量为Qo，水槽横截面积为F，流出口阻力为R。从而可得经过线性化的机理模型
6、 ：对两端取拉氏变换，则有： id hRFhR Qdt ( )( )( )iRFsH sH sRQ s( )( )( )1iH sRG sQ sRFs1RRFs ( )H s( )iQ s3、传递函数控制系统的传递函数X（s）ZGc（s）Y（s）Go（s）Gv（s）反馈控制系统方块图Gm（s）E( )( )( )( )( )( )1( )( )( )( )cvocvomG s G s G sY ssX sG s G s G s Gs 4、控制系统的评价指标 1）作用函数为了分析系统的特性，首先假定给系统施加一个作用。通常作用函数有阶跃函数、斜波函数、正弦函数等。用的最多的是阶跃函数。为了分析问
7、题方便，通常采用单位阶跃函数，既阶跃函数的幅度为1。tf0A阶跃函数图像0( )00Atf tt4、控制系统的评价指标2）系统的过渡过程在阶跃函数作用下，系统可能出现4种过渡过程：l非周期过渡过程；l衰减振荡过渡过程；l等幅振荡过渡过程；l发散振荡过渡过程。下面是它们的图象。4、控制系统的评价指标tx0A阶跃函数下非周期过渡过程图象ty0KAtx0Aty0ab给定作用下的过渡过程曲线；干扰作用下的过渡过程曲线。4、控制系统的评价指标tx0A 阶跃函数下衰减振荡过渡过程图象ty0KAtx0Aty0ab给定作用下的过渡过程曲线；干扰作用下的过渡过程曲线。4、控制系统的评价指标tx0A阶跃函数下等幅
8、振荡过程图象ty0KAtx0Aty0ab给定作用下的过渡过程曲线；干扰作用下的过渡过程曲线。4、控制系统的评价指标tx0A阶跃函数下发散振荡过程图象ty0KAtx0Aty0ab给定作用下的过渡过程曲线；干扰作用下的过渡过程曲线。4、控制系统的评价指标3）余差 余差是指系统重新稳定之后，期望数值与最终稳定数值之差。即： 公式中y（t）R为系统的期望函数。过程控制中的控制系统常常是定值系统，既系统的期望函数是常量，其数值是不变的，因此y（t）R变化量为零。因此系统的余差C常常是小于等于零的。对于给定作用下的系统余差，因为在时间t=0时系统的给定发生改变，被控参数应当跟随这个变化。对于阶跃输入A，由
9、于系统的放大作用。期望值应当是KA。此时系统的余差常常是大于等于零。lim( )( )RtCy ty t4、控制系统的评价指标ty0KA 阶跃函数下衰减振荡过渡过程图象余差CtrtsBB5%或2%4、控制系统的评价指标4）衰减比 衰减比描述的是系统的衰减情况。衰减比大则系统衰减过程快，过渡过程时间比较短。但是衰减比过大，超调量可能比较大。衰减比定义为系统过渡过程中第一个波峰与同方向第二个波峰之比，即： BnB 波峰是指偏离最终稳定值的峰值。如果系统是无余差的，该数值等于期望值，即系统最终稳定值等于期望值。如果系统有余差，则偏离峰值不等于期望值。常采用的衰减比在4到10之间。 4、控制系统的评价
10、指标5）超调量 系统超调量定义为；过渡过程中偏离最终稳定值的最大峰值。该数值体现的是过渡过程中的最大动态偏差。图中的B即为超调量。系统的超调量越小越好，超调量小表明系统的动态偏差小。6）过渡过程时间 过渡过程时间是系统一个过渡过程的时间。从系统受到扰动，被控变量开始变化时刻起，到被控变量进入到5%（或2%）误差带，并且再没有超出该误差带。这段时间即为系统的过渡过程时间。过渡过程时间越短越好，过渡过程时间短说明系统受到扰动后稳定的越快。 4、控制系统的评价指标7）最大峰值时间 最大峰值时间是表征系统受到扰动之后上升快慢的参数。从系统受到扰动，被控变量开始变化时刻起，到被控变量达到最大峰值的时间。
11、该时间短说明调整动作明显，但动态偏差比较大。 第二节、被控变量的选择 被控变量的原则：(1)应当尽量选择生产指标参数作为被控变量。(2)当不能选择生产指标参数作被控变量时，应当选择一个与产品指标有单值对应关系的间接指标参数作为被控变量。(3)所选择的间接指标参数应当具有足够大的灵敏度，以便反映生产状况的变化。(4)选择被控变量时需考虑到工艺的合理性和国内、外仪表生产的现状。 第三节、操纵变量的选择 一对象特性对控制质量的影响及控制变量的选择F1 F2F3Fn Y多输入单输出对象示意图案对象输入输出关系图图案F1(s)F2(s)GPD1(s)GPD2(s)GPC2(s)U(s)Y(s)一、对象特
12、性对控制质量的影响及控制变量的选择1干扰通道特性对控制质量的影响我们从K、T、三个方面来进行分析。(1)放大倍数Kf的影响单回路控制系统方块图F(s)GPD（s）R（s）Y（s）Gc（s）GPC（s）)()()(1)()(sFsGsGsGsYPCCPD)1)(1 ()(21sTsTKsGoooPC令( )1fPDfKGsT s令；1干扰通道特性对控制质量的影响则有： 式中KCK0为控制器放大倍数与被控对象放大倍数的乘积，称之为该系统的开环放大倍数。对于定值系统，y（）即系统的余差。由式可以看出，干扰通道放大倍数越大，系统的余差也越大，即控制静态质量越差。 OCfoooCffssKKKsTsTK
13、KsTKssssYy1)1)(1 (111lim)(lim)(21001干扰通道特性对控制质量的影响(2)时间常数Tf的影响 由对象特性分析可知，时间常数是由于容量滞后引起的，当输入信号发生阶越变化，其输出会慢慢的按指数形式发生改变，经过一定时间之后才能稳定在新的数值上。时间常数越大输出变化越慢。如果干扰通道的时间常数大，则其对被控参数的影响就越缓慢。如果干扰通道的阶次越高，则时间常数个数就越多，对被控参数的影响就越缓慢。这当然对控制系统的控制质量是有益处的。 由上分析可得出如下结论：干扰通道时间常数越大，个数越多，干扰对被控变量的影响就越小，系统的质量则越高。 1干扰通道特性对控制质量的影响
14、(3)纯滞后f的影响 纯滞后时间是这样一种特性，即输入发生变化滞后，其输出延迟一段时间之后才发生变化。通常是由生产过程中的传输引起的，例如长距离管道输送、皮带输送等。注意，纯滞后与容量滞后不是一个概念，容量滞后的输出是在其输入变化的同时发生变化，只不过是要经过一段时间才能稳定在相应数值上。而纯滞后特性的输出，在输入发生变化的时刻，其输出不发生变化，而是要经过一段时间之后才发生变化。假定干扰信号同为f=f（t），则没有纯滞后的系统输出为y（t），而有有纯滞后的系统输出为y（t-f）。y(t)与y(t)是两条形状完全相同，只是时间上滞后了一个时间f。这就是说干扰通道有、无纯滞后对质量没有影响。 1
15、干扰通道特性对控制质量的影响干扰通道特性对控制质量的影响特性参数对静态质量的影响对动态质量的影响Kf增加余差增加无影响Tf增加无影响过渡过程时间减小，振荡幅值减小f增加无影响无影响2控制通道特性对控制质量的影响 (1)放大倍数K0的影响 放大倍数K0对控制质量的影响要从静态和动态两个方面进行分析。从静态方面分析，由式（78)可以看出，控制系统的余差与干扰通道放大倍数成正比，与控制系统的开环放大倍数成反比。因此当Kf、KC不变时，控制通道放大倍数K0越大，系统的余差越小。 同时，K0越大则表示操纵变量对被控变量的影响越灵敏，这表示通过对它的调节来克服干扰影响更为有效。 也就是说， K0大系统就越
16、敏感。 在KC不变的前提下，K0大到一定程度系统就变的不稳定了，也就没有余差的说法了。2控制通道特性对控制质量的影响(2)时间常数T0的影响 控制通道时间常数可看作控制变量对被控参数作用的“柔软”程度。时间常数T0小表示控制变量对被控参数作用比较“硬”，时间常数T0大表示控制变量对被控参数作用比较“软”。因为过程工业生产过程关联、偶合比较强，一点的波动会影响上、下游的生产环节，因此过程控制中总是希望控制变量对被控参数的影响要“柔和”一些。另外一方面，控制参数对被控变量的影响有不能太迟钝，因为控制参数不能及时的影响被控变量会造成控制的不及时，这对控制也是不利的。因此希望控制通道的时间常数T0不能
17、太大，也不能太小，要适当的小些 。2控制通道特性对控制质量的影响(3)纯滞后0的影响 如果控制作用在tl时刻产生，要等到tl +0时刻才开始对干扰起抑制作用，而在此时间以前，系统由于得不到及时的控制，因而被控变量只能任由干扰作用影响而不断地上升(或下降)。显然，与控制通道没有纯滞后的情况相比，此时的动态偏差将增大，系统的质量将变差。 2控制通道特性对控制质量的影响控制通道特性对控制质量的影响图特性参数对静态质量的影响对动态质量的影响K0增加余差减小（稳定前提下）系统趋向于振荡T0增加无影响过渡过程时间增加，系统频率变慢0增加无影响稳定程度大大降低3操纵变量的选择 操纵变量选择原则：所选的操纵变
18、量必须是可控的；所选的操纵变量应是通道放大倍数比较大者，最好大于扰动通道的放大倍数；所选的操纵变量应使扰动通道时间常数越大越好，而控制通道时间常数应适当小一些为好，但不易过小；所选的操纵变量其通造纯滞后时间应越小越好；所选的操纵变量应尽量使干扰点远离被控变量而靠近控制阀；在选择操纵变量时还需考虑到工艺的合理性。一般来说，生产负荷直接关系到产品的产量，不宜经常变动，在不是十分必要的情况下，不宜选择生产负荷作为操纵变量。 第四节、控制器参数对系统控制质量的影响及控制规律的选择 1、控制器参数对系统静态误差的影响2、控制器参数对系统动态误差的影响1）比例放大倍数KC 00lim ( )1ftcK K
19、e tG K如果有KCK01，Kf=1，则余差就等于1/GC， ytKC增加根据图中所示则有：LV/ LT = L1/L2，令KP= L1/L2则有：LV = L1/L2LT， LV = KPLT。LT = LV/KP已知 LT为真实液位期望液位之差。所以 LT不可能为零。第四节、控制器参数对系统控制质量的影响及控制规律的选择2）积分时间Ti ytTi减小第四节、控制器参数对系统控制质量的影响及控制规律的选择3）微分时间TD ytTD增加第四节、控制器参数对系统控制质量的影响及控制规律的选择3、控制规律的选择（1）对于不太重要的参数，例如中间储罐的液位、热量回收预热系统等，对这些参数的控制一般
20、要求不太严格，可考虑采用比例控制，甚至采用开关控制。（2）对于不太重要的参数，但是惯性较大，又不希望动态偏差较大，可考虑采用比例微分控制器。但是对于系统噪声较大的参数，例如流量，则不能选用比例微分控制器。（3）对于比较重要的，控制精度要求比较高参数，可采用比例积分控制器。（4）对于比较重要的，控制精度要求比较高，希望动态偏差较小，被控对象的时间滞后比较大的参数，应当采用比例积分微分控制器。 第四节、控制器参数对系统控制质量的影响及控制规律的选择4、控制器正反作用选择 控制器正反作用选择是控制系统稳定的前提条件。准则是保证控制系统是负反馈系统。条件是保证组成系统的各个环节符号乘积为负（），即回路
21、中各个环节中，负号环节的个数为奇数个。用公式表示为： 具体有两种方法，一种是从方块图上确定，一种是控制系统结构原理图上确定。这两种方法的前提是要先确定控制阀的开闭形式。()()()()1CVOmSign GSign GSign GSign G 第四节、控制器参数对系统控制质量的影响及控制规律的选择例单回路温度反馈控制系统方块图GC-GVGmTRGO+-加热炉温度控制系统原料燃料油spTTCA.O第五节 测量变送装置与控制阀的选择一、测量变送装置选择 测量变送装置选择主要有下面几个方面：测量变送装置结构类型的选择 在防火防爆场合就需要选择隔离报爆或本质安全测量变送装置；现场具有强电磁干扰时需要选
22、择屏蔽功能测量变送装置；高温/低温场合选择带有隔离措施，或选择带隔热/保温措施的，或选择室内安装型测量变送装置。测量变送装置信号类型的选择 根据具体要求，选择非标准信号的传感器或选择标准信号的变送器。变送器还可分为两线制变送器和四线制变送器。测量变送装置量程的选择 量程是指变送器所测最小参数点到最大参数点的范围，量程范围是指变送器的最小量程到最大量程的调整范围。应当将生产中被测参数的变化范围包含在变送器的测量范围之内。 传感器的量程需要根据被测参数变化范围进行选择。第五节 测量变送装置与控制阀的选择二、控制阀选择 控制阀选择的内容包括：1）开、闭形式的选择 (1)首先要从生产安全出发。即当控制
23、阀失去信号的时候，其所位置应当是生产安全位置。 (2)从保证产品质量出发。即当控制阀失去信号的时候，其所位置不应降低产品的质量。 (3)从降低原料、成品、动力损耗来考虑。即当控制阀失去信号的时候，其所位置不会造成浪费。(4)从介质的特点考虑。即当控制阀失去信号的时候，其所位置不会形成结晶、沉淀、冻结等现象。第五节 测量变送装置与控制阀的选择2）口径选择参考有关手册，根据工艺提供的条件进行计算。3）控制阀流量特性的选择 （1）根据对象特性选择；（2）根据管道阻力情况选择；配管情况s=10.6s=0.60.3S0.3未考虑配管情况时阀特性直线对数直线对数不适宜控制考虑配管情况时阀特性直线对数直线对
24、数第五节 测量变送装置与控制阀的选择4）结构形式的选择。 不同结构形式控制阀特点及适用场合阀结构形式特 点 及 使 用 场 合直通单座阀前后压降低，适用于要求泄漏量小的场合直通双座阀前后压降大，适用于允许较大泄漏量的场合角阀适用于高压降、高粘度、含悬浮物或颗粒状物质的场合高压阀适用于高压控制的特殊场合蝶阀适用于悬浮物的流体、大流量气体、压差低、允许较大泄漏量的场合隔膜阀适用于有腐蚀性介质的场合三通阀适用于分流或合流控制的场合第六节、控制器参数的工程整定 一、临界比例度法 在系统闭环情况下，将控制器的积分时间Ti放到最大，微分时间TD放置为0，比例度放于适当数值(一般为100)。然后使由大往小逐
25、步改变，并且每改变一次值时，改变给定值给系统施加一阶跃干扰，同时观察被控变量y的变化情况。若y的过渡过程呈衰 减振荡，则继续减小值，若y的过渡过程呈发散振荡，则应增大值，直到调至某一值，过渡过程出现不衰减的等幅振荡为止。这时过渡过程称之为临界振荡过程。出现临界振荡过程的比例度k称为临界比例度，临界振荡的周期Tk则称临界周期。 第六节、控制器参数的工程整定Tk0ty临界比例度整定控制器参数经验公式控制器类型控制器参数，%Ti，minTD，minP2k%PI2.2k%0.85TkPID1.7k%0.5Tk0.13Tk第六节、控制器参数的工程整定二、 4：1衰减曲线法 在系统闭环情况下，将控制器积分时间Ti放在最大，微分时间TD放置为0 ，比例度放于适当数值(一般为100)，然后使由大往小逐渐改变，并在每改变一次值时，通过改变给定值给系统施加一阶跃干扰，同时观察过渡过程变化情况。如果衰减比大于4：1，应继续减小，当衰减比小于4：1时应增大，直至过渡过程呈现4：1衰减时为止。4：1衰减振荡时的比例度度s及振荡周期了Ts。 第六节、控制器参数的工程整定y41TS0t衰减曲线法整定控制器参数经验公式控制器类型控制器参数，%Ti，minTD，minPS%PI1.2S%0.5TSPID0.8S%0.3TS0.1TS
