计算机控制技术与系统.ppt
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1、计算机控制技术与系统,河北理工大学计算机与自动控制学院 张湧涛,计算机控制技术与系统,第一章 过程控制系统的基础知识 第二章 过程控制对象的特性 第三章 常规过程控制系统的基本类型 第三章 计算机控制系统的基本概念 第四章 过程计算机输入输出技术 第五章 过程计算机常规控制技术 第六章 过程计算机抗干扰技术,过程控制系统:针对工业生产过程的控制系统,自动控制系统,运动控制系统(拖动系统):电机传动控制,工业生产过程:连续的或者按照一定周期运行的工业生产对象。 如石油、化工、电力、冶金、轻工、建材、制药等。,特征,生产的连续性:时间上:连续运行 工艺上:一道工序接着另一道工序,主要参数:温度、流
2、量、压力、物位、成分等热工参数,常规过程控制系统:采用常规仪表的控制系统,过程控制系统,计算机过程控制系统:采用计算机的控制系统,过程控制系统,教学用书及参考书,过程控制系统 1 朱麟章 主编 过程控制系统及设计 机械工业出版社 2 邵裕森 主编 过程控制工程 第二版 机械工业出版社 3 金以惠 主编 过程控制 清华大学出版社 4 蒋慰孙、俞金寿 编著 过程控制工程 中国石化出版社 计算机控制技术与系统 1 王锦标 编著 过程计算机控制 清华大学出版社 2 王慧 主编 计算机控制系统 化学工业出版社 3 王锦标 编著 计算机控制系统 清华大学出版社 4 李华、范多旺 等编 计算机控制系统 机械
3、工业出版社 5 杨天怡、黄勤 等编 微型计算机控制技术 重庆大学出版社,第一章 过程控制系统的基础知识,本章主要内容 1-1 过程控制系统的特点 1-2 过程控制系统的发展概况 1-3过程控制系统的组成与类别 1-3过程控制系统的品质指标,1-1 过程控制系统的特点,过程控制系统的特点取决于被控对象的特点 被控对象复杂多样; 生产过程大多比较复杂、规模差异大、机理不同 对被控对象的辨识比较困难。 多数对象存在纯滞后; 设备庞大,存在容量、惯性和阻力,难以控制。 对象特性的非线性; 对象的输入与输出之间的关系通常是非线性的,实际控制系统只能在一定范围内做线性处理,控制质量受到影响。 控制系统比较
4、复杂; 控制系统考虑的因素很多,系统变得庞大。,1-2 过程控制系统的发展概况,过程控制的目的: 保证生产安全、稳定、可靠、改善劳动条件。 提高产品产量、质量。 节能、降耗、高效。 随着控制理论、检测技术、电子技术、计算机技术的发 展,过程控制系统的发展可分为三个阶段: 初级阶段(40年代前后):手工控制、基地仪表 仪表化阶段(50-60年代):单元组合仪表 综合自动化阶段(70年代后):计算机控制技术,1-3 过程控制系统的组成与类别,一 过程控制系统的组成,1-3 过程控制系统的组成与类别,1-3 过程控制系统的组成与类别,被控对象:控制系统所控制的生产设备或装置。,被控参数(被控量):控
5、制系统中需要控制的参数,控制参数(操纵量):控制系统中起调节作用的参数,检测、变送器:控制系统中的反馈装置。,执行器:(执行机构+调节机构):控制动作的执行者。,1-3 过程控制系统的组成与类别,控制器(调节器):控制系统中的分析、决策装置。,控制器输入(e):偏差=设定值r - 测量值ym 控制器输出(u):控制作用,是控制器的决策结果。,扰动(干扰 d):引起被控参数变化的所有因素。 内扰:经过控制通道的扰动。外扰:系统外部干扰因素,设定值(给定值):希望被控参数保持的值,1-3 过程控制系统的组成与类别,课堂问题 画出控制系统的方框图 指出:被控对象、被控参数、控制参数、主要扰动,1-3
6、 过程控制系统的组成与类别,根据控制设备的不同分类: 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,常规仪表控制系统 按照给定值形式分类: 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。,二 过程控制系统的类型,1-4 过程控制系统品质指标,一 控制系统的静态、动态与过渡过程,二 典型输入与过渡过程形式,静态:被控量保持不变的状态称为系统的静态。 静态是系统的相对稳定状态,也称稳态。,动态:被控量处于变化的状态称为系统的动态。 动态
7、是控制系统的调节状态。,过渡过程:控制系统克服干扰的调节过程。,单调衰减:无超调、调节过程缓慢,衰减振荡:具有一定的快速性和稳定性,等幅震荡:临界稳定状态,发散震荡:振幅发散,直至系统破坏,1-4 过程控制系统品质指标,三 品质指标,1 衰减比:nB1/B2,衰减比衡量过渡过程的快慢程度和,稳定裕量。 一般取n4:1-10:1,2 最大动态偏差:B1 或 A,过渡过程开始后,被控量的最大值,与新稳态值或设定值之差。,超调量:最大动态偏差与稳态值之比。,3 调整时间(过渡过程时间ts):,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。,4 静态偏差(余差):C,过渡过程结束时被控
8、量与设定值之差。,第二章 过程控制对象的特性,本章主要内容 2-1 概述 2-2 有自平衡能力对象的动态特性 2-3 无自平衡能力对象的动态特性 2-4 时域法辨识对象的动态特性 2-5 频域法辨识对象的动态特性,2-1 概述,其意义可归纳为以下几点: 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,一 对象特性,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。,描述对象输入与输出关系的数学模型。,二 研究对象特性的意义,2-1 概述,两种方法相结合:通过机理分析获得模型
9、的结构 利用试验数据确定参数大小。,三 建立对象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。,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。,实验辨识法:,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。,2-1 概述,四 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
10、模型。 输入输出模型: 多输入单输出: 多输入多输出,为控制通道传递矩阵 为干扰通道传递矩阵,2-1 概述,五 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。,h在很小范围变化时可认为 h与Q2 成近似线性关系。令,2-2 有自平衡能力对象的动态特性,一 无纯滞后单容对象的动态特性 采用物料平衡方程建立对象的数学模型: 稳态下:Q10Q20 hh0 进出物料平衡,液位保持不变。 阀门R1开度突然增大X, 则 Q1Q10Q1 同时流出量Q2随着液位的升高逐渐增大 Q2Q20Q2 根据物
11、料平衡关系可得: 流入量 流出量 稳态点处微分 联立几式并整理可得:,2-2 有自平衡能力对象的动态特性,写成通用表达式为: 式中 T 对象的时间常数 TRC 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,CA 对应水箱的截面积 K 对象的放大系数 对微分方程求拉式变换可得传递函数: 当输入为阶跃时解微分方程可得 : 放大系数K: 当 t 时 可得出 : 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,在稳态工作点附近可认为是常数。,时间响应,2-2 有自平衡能力对象的动态特
12、性,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。 流体传送过程中的阻力 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。,时间常数T:,2-2 有自平衡能力对象的动态特性,二 有纯滞后单容对象的动态特性 对象输入发生变化后,输出并不立即跟随变化,经过一段时间 后输
13、出才开始变化。这种现象叫纯滞后,相应的时间叫纯滞后 时间。一般用表示纯滞后时间。 物料或能量的传递过程中存在一定的传输距离; 检测点与输入作用点之间存在一定的距离; 具有纯滞后单容对象的微分方程可表示为: 相应的传递函数为: 控制通道中存在纯滞后,意味着控制作用不及时。,纯滞后:,产生纯滞后的原因:,2-2 有自平衡能力对象的动态特性,三 多容对象的动态特性 两个串连单容对象的动态特性 T1:第一容积的时间常数 T2:第二容积的时间常数 K:放大系数,2-2 有自平衡能力对象的动态特性,工业对象的一般表达形式为 : 用等容环节近似有: 高阶对象的一阶近似处理: 小结: 有自平衡能力对象的特性有
14、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。 描述有自平衡能力对象的特性,通常用K T 三个参数。三个参数 从不同的角度反映了对象的特征。 高阶对象可以用一阶对象近似表示。,2-3 无自平衡能力对象的动态特性,一 单容对象的动态特性 时间解为: 令 响应速度 响应时间 则 传递函数为:,2-3 无自平衡能力对象的动态特性,二 双容对象的动态特性 微分方程为: 传递函数为: 若含滞后传递函数为: 多容对象的传递函数:,2-4 时域法辨识对象的动态特性,一 阶跃扰动法 测试方法: 注意事项 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
15、为流过阀门最大流量的10(520%) 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。,辨识法包括,经典辨识法:,经典辨识法又分为时域法和频域法,现代辨识法:,特征是用计算机进行数据处理。,2-4 时域法辨识对象的动态特性,二 矩形脉冲法 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: 设 x(t) 为矩形脉冲信号 则 x(t)x1(t)x2(t) 而 x2(t)x1(tt0) 即 x(t)x1(t) -
16、x1(tt0) 矩形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-t0)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),yp(t),ys(t),2-4 时域法辨识对象的动态特性,三 根据阶跃响应确定对象的传递函数 切线法 计算法 图解法 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, 与 y() 的交点对应的时间为 T , 传递函数为:,2-5 频域法辨识对象的动态特性,一 测试方法 针对每个每一频率正弦信号,记录
17、下输入和输出的幅值与相位差, 得到对象的幅频特性和相频特性。 二 测试注意事项 1 选择合适的频率范围,频率不能过高。 2 合理确定幅值,过大易产生饱和,过小易进入死区。,第三章 过程控制系统的基本类型,本章内容 3-1 单回路控制系统 3-2 串级控制系统 3-3 比值控制系统 3-4 前馈控制系统 3-5 均匀控制系统 3-6 选择性与分程控制系统,3-1 单回路控制系统,一 单回路控制系统的组成及应用范围 二 控制系统的工程考虑 三 被控量的选择 四 操纵量的选择 五 检测变送装置的选择 六 终端器件(执行器) 七 控制器的选型 八 控制系统投运和参数整定,一 单回路控制系统的组成及应用
18、范围,单回路控制系统又称简单控制系统。其组成如图所示: 组成 特点:结构最简单、应用广泛、技术成熟; 是各类控制系统的基础; 应用范围:适用于对象滞后比较小,负荷变化不大, 控制品质要求不太高的场合。,二 控制系统的工程考虑,控制工程包含四个方面的内容: 控制系统的方案设计(理论设计阶段) 工程设计(仪表选型、施工图纸设计) 仪表选型 控制室和仪表盘设计 供水、供电、供气系统设计 信号系统设计 安全防爆设计 仪表安装与调校(现场安装) 控制系统投运与参数整定(系统运行),确定控制系统类型,选择被控量和操纵量,对象信息的获取与变送,执行器的选择,控制器的选择,三 被控量的选择,1 选择被控参数的
19、方法 直接参数:直接反应生产过程的产品产量、质量及安全性能的参数。 间接参数:间接反映生产过程的产品产量、质量及安全性能的参数。 2 选择被控量应遵循的原则: 被控量必须是工艺过程中比较重要的变量; 被控量在操作过程中经常受到干扰的影响,需要调节的变量 ; 被控量应能测量出来,而且要有一定的灵敏度。 尽量选用直接参数,选择间接参数时,最好选择与直接参数 有单值 对应关系的参数; 被控量应是独立、可调的; 选择被控量要考虑工艺的合理性和仪表产品的现状;,四 操纵量(控制量)的选择,选择控制量就是从众多影响被控量的因素中选择一个作为操纵量,保证 系统是一个可控性良好的控制系统。 (一)放大系数对控
20、制品质的影响 设 干扰作用下的传递函数为:,控制通道,干扰通道,四 操纵量(控制量)的选择,系统的偏差为: 对于定值系统: 设干扰为单位阶跃:D(s)=1/S 系统的余差为 : 讨论:从余差角度看:干扰通道放大系数Kd越小越好; 控制通道放大系数Ko越大越好; 从调节作用看: Ko过小,调节作用太弱,Ko过大,调节作用太强。 Kc Ko 的为一常数, Ko可适当用Kc补偿 结论:干扰通道放大系数Kd越小越好,控制通道放大系数Ko应适当大。,四 操纵量(控制量)的选择,(二)干扰通道动态特性对控制品质的影响 1 时间常数对控制品质的影响 设各环节的放大系数均为1, 干扰通道的对象特性为: 干扰作
21、用下的闭环传递函数为: 系统的特征方程为: 讨论:特征方程增加一个负极点使过渡过程变慢,但动态分量的幅 值减 小Td倍,即干扰对被控量的影响大大减小。 结论:干扰通道增加惯性环节相当于一个滤波器,使干扰对系统的影响减 小,且Td越大、环节越多控制质量越好。,四 操纵量(控制量)的选择,2 滞后时间对控制品质的影响 干扰通道存在滞后时,系统的闭环传递函数为: 输入为单位阶跃时,被控量的时间响应为: 结论:干扰通道存在纯滞后对控制质量没有影响,相当于干扰发生的时刻 推移了一段时间。干扰通道存在容量滞后时,使干扰变得缓和。 3 干扰作用位置对控制品质的影响,四 操纵量(控制量)的选择,(三)控制通道
22、特性对控制品质的影响 1时间常数对控制品质的影响 时间常数T太大,控制作用缓慢,过渡过程时间加长,质量下降。 时间常数T太小,控制作用过于灵敏,易产生振荡。 结论:控制通道的时间常数T应适当小。 2. 滞后时间对控制质量的影响 对系统稳定性的影响: 对象不存在纯滞后时: 对象存在纯滞后时: 结论:对象控制通道存在滞后,系统的稳定性 下降,随KcKo或0的增大,有可能变成不稳定系统。,四 操纵量(控制量)的选择,纯滞后对动态质量的影响 定性分析有无滞后时的调节过程: 结论:对象控制通道存在纯滞后,使系统 超调量增大,过渡过程时间加长, 控制系统的控制质量全面下降。 容量滞后也会降低控制系统的品质
23、。 3 时间常数匹配对控制质量的影响 设有如下系统:,四 操纵量(控制量)的选择,衡量控制系统性能的准品质指标:Kmk(反应系统的综合性能) Km:控制系统的临界放大系数,k:控制系统的临界振荡频率。 根据稳定性判据可得:,结论:时间常数恰当的错开,可使控制系统的控制质量得到提高。,四 操纵量(控制量)的选择,操纵量(控制量)的选择原则: 从对象特性入手,合理选择操纵量使: 控制通道: 放大系数 Ko 应适当大; 时间常数 To 适当小; 滞后时间o c 越小越好; 干扰通道:放大系数 Kd 越小越好; 时间常数Td 越大越好; 纯滞后时间d 没有关系; 应力求使干扰远离被控参数检测点,靠近执
24、行器; 广义对象的时间常数要错开; 操纵量应具有可控性、工艺操作的合理性与经济性;,五 检测变送装置的选择,1 检测变送装置对控制质量的影响 作用:快速准确的获取被控参数的信息。 近似数学模型: 目标:希望 Tm m越小越好。 2 注意问题及处理方法: 选择快速检测元件; 合理选择测量点位置,减小测量滞后和纯滞后; 对测量信号要进行处理:抑制噪声、线性化等; 正确采用微分补偿 补偿后的传递函数:,六 终端器件(执行器),执行器的作用:是控制系统中的重要组成部分,是完成控制作用的 执行者,执行器的性能直接影响控制系统的品质。 执行器的组成与分类: 组成:执行机构:执行机构是执行器的驱动部分。 调
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