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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 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) -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。 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。 调节机构：调节机构为各种阀体（改变调节参数大小）。 类型 ：电动执行器；气动执行器；液压执行器； （一） 气动薄膜调节阀 1 气动薄膜执行机构 工作原理： 设气压信号为P，膜片有效面积为A0， 推杆位移为L，弹簧刚度为k 有：PA0kL （压力与位移一一对应） 正反作用：正作用：压力增加，阀杆位移向下。 反作用：压力增加，阀杆位移向上。,六 终端器件（执行器）,2 调节机构（阀体） 原理：阀体可认为是局部阻力可变的节流元件，对于不可压缩流体，根 据能量守恒原理可知，阀的压力损失为：,P:阀前后的压差； ：流体密度； ：阻尼系数，随阀开度变化； V：流体的平均流速；,当P恒定时，A、为常数，Q随而变，即：随开度的变化而变化。,Q：流体的体积流量； A：阀的接管截面积；,六 终端器件（执行器）,阀的结构形式：直通单座，直通双座，角型阀，蝶阀，隔膜阀等。 阀的正反作用（正装、反装）： 正作用（正装）：阀芯下移流通面积减小。 反作用（反装）：阀芯下移流通面积增大。 阀的流开与流关：在流体作用下使阀门打开或关闭。 执行器的气开与气关： 气开：信号压力增加，阀门开度增大。 正作用的执行机构 + 反作用的阀； 反作用的执行机构 + 正作用的阀； 气关：信号压力增加，阀门开度减小。 正作用的执行机构 + 正作用的阀 反作用的执行机构 + 反作用的阀,六 终端器件（执行器）,（二） 控制阀的流量特性 阀的流量特性：流过阀门的相对流量与相对开度的关系。 Q , Qmax :分别为阀某一开度和最大开度时对应的流量。 l , L :分别为阀某一开度和最大开度时阀杆的位移量。 理想流量特性：阀两端压力不变时的流量特性。 工作流量特性：考虑阀两端压力变化时的流量特性。,六 终端器件（执行器）,1 理想流量特性（阀门两端的压力不变时的流量特性） 理想流量特性取决于阀的结构特性，主要取决于阀芯的曲面形状。 (1) 直线流量特性：控制阀的相对流量与相对开度成直线关系。 数学表达式为： 积分可得： 根据边界条件：l0 时，QQmin lL时，QQmax Qmin：控制阀所能控制的流量下限，注意泄漏量。 Qmax ：控制阀所能控制的流量上限。,六 终端器件（执行器）,直线阀的流量特性方程为： 直线阀的特点：小开度下调节作用太强，大开度下调节作用太弱。 (2) 对数流量特性：单位行程变化引起的相对流量变化与该点的相对流 量成正比。即： 流量特性方程为： 对数阀的特点：小开度时流量变化量小，调节作用平稳，大开度时流量 变化量大，控制作用灵敏，也就是说在不同开度下具有 同样动作灵敏度。有利于控制系统的工作。,六 终端器件（执行器）,(3) 快开特性：单位行程变化引起的相对流量变化与该点相对流量的倒数 成正比。即： 特性方程为： 特点：小开度时流量就比较大，随开度的增加流量很快达到最 大。 快开特性的阀门适用于快速开闭的位式控制系统。 (4 )抛物线特性：单位行程变化引起的相对流量变化与该点相对流量的平 方根成正比。即： 特点：介于直线与对数流量特性之间。 可弥补直线特性小开度时控制性能差的缺点。,六 终端器件（执行器）,2 工作流量特性 串连管道中的工作流量特性 定义：阀阻比 S值越小，分配到阀上的压降越小， 流量特性畸变越大。S值不应小于0.3。 并联管道的工作流量特性 阀的流量比： 值越小，可控比也越小， 即阀的控制能力降低。通常希望0.8。,六 终端器件（执行器）,3 流量特性的选择 从控制系统特性、负荷变化情况和S值三个方面综合考虑。 控制系统特性：开环放大倍数为常数 负荷变化情况：变化小直线、对数均可，变化大采用对数阀。 S值：S0.3-0.6时考虑流量特性的变化。 （三） 控制阀的口径计算（参考教材相应内容） （四） 阀门的结构形式选择 选择原则：了解各种阀门的特点，考虑控制介质工艺条件、物理性质。 （五） 执行器气开气关形式的选择 选择原则：1 安全原则：控制系统故障状态下，保证生产安全。 2 质量原则：控制系统故障状态下，保证产品质量不受影响。 3 节能降耗：控制系统故障状态下，有利于节能降耗。,七 控制器的选型,(一) 控制作用对控制质量的影响 1 比例控制作用： 比例是基本控制作用，控制作用的大小与偏差成正比； 比例控制是有差控制，只能起到“粗调”的作用； 放大系数不同，调节作用强弱、系统的稳定性、余差不同； 2 积分控制作用： 积分是一个滞后环节，加入积分系统的稳定性下降； 积分时间Ti越小，积分作用越强，稳定性越差； 积分作用可以消除余差； 3 微分作用： 微分属于超前环节，可提高系统的稳定性； 微分时间Td越大，微分作用越强；,七 控制器的选型,(二) 控制规律选择： P：适用于通道滞后小，负荷变化小，控制质量要求不高的场合。 PI：适用于通道滞后小，负荷变化小，控制质量要求高的场合。 PID：适用于对象容量滞后大，控制品质要求高的情况。 (三) 正反作用方式选择（原则：自动控制系统必须是负反馈系统 ） 定义：控制器偏差增大，输出增大为正作用，反之为反作用。 控制器的偏差定义为：ezr （测量给定） 方法：（控制器“±”）×（执行器“±”）×（对象“±”）“” 符号确定方法：正作用为“” 反作用为“” 阀门：气开为正作用，气关为反作用 对象：操纵量增加时，被控参数也增加的为正作用，反之为反作用。,控制器正反作用方式确定,首先确定阀门的气开气关形式 判断对象的正反作用 确定控制器正反作用,八 控制系统投运和参数整定,（一） 系统投运： 准备工作： 熟悉工艺，了解对象； 掌握系统的设计原理、方法和方案； 弄清楚各种设备的性能、规格、安装地点； 线路与管路检查：检查各种线路连接、管路连接是否正确、合格； 仪表的调整与校验：对系统中的各种仪表进行调整和校验校验。 传感器与变送器：安装位置是否正确，零点与量程是否准确。 控制器：手动/自动、正/反作用 选择是否正确 执行器：行程范围、运行是否平稳、动作方向是否正确。 系统投运：手动遥控使系统达到平衡后，在控制器偏差为零的情况 下，由手动切换到自动。,八 控制系统投运和参数整定,（二） 控制器参数整定 参数整定：确定使控制系统的过渡过程达到最佳所需的控制器参数。 整定方法：理论计算法:根据系统特性，用理论分析法确定控制器参数。 工程整定法：通过现场实验确定控制器参数。 1 经验凑试法：经验参数闭环运行加干扰观察曲线调整参数,八 控制系统投运和参数整定,经验凑试法的两种顺序 第一种顺序：（以比例控制作用为基础） 首先整定比例度，然后再加积分，最后加微分。 对于P控制器：首先将比例度放在较大数值，逐步减小比例度，观察过渡 过程曲线形状，直到满意为止。 对于PI控制器：先将Ti，整定比例度，使之达到4：1衰减曲线。 加入积分，同时将比例度放大1020， 积分时间由大到小，直到获得满意曲线。 对于PID控制器：先按PI整定方法整定和Ti。 然后加入微分，同时减小(1020)，Ti也适当减小。 Td由小到大逐步加入，观察曲线形状，直到满意为止。,八 控制系统投运和参数整定,第二种顺序：（出发点：比例度与积分时间在一定范围内匹配） 先预置一积分时间， 然后由大到小调整比例度，得到满意的过渡过程为止。 若加入微分，可使Td（1/3-1/4）Ti，然后再整定比例度。 2 临界比例度法： 整定步骤： 将Ti= Td0，根据对象特性选择一个较大的比例度，系统稳定的情况 下由手动打到自动。 加扰动（给定值阶跃或外扰），观察过渡过程曲线形状，一般为衰减振 荡过程，然后减小比例度，重做扰动实验，直到出现等幅振荡为止，记 下此时的比例度k（临界比例度）和振荡周期Tk（临界震荡周期） 。 根据控制器类型和k ，Tk 根据经验公式确定控制器所需的参数。,八 控制系统投运和参数整定,临界比例度法参数计算表 将计算的参数置于控制器，投入自动，不满意再作适当调整。 注意事项： 不允许被控量做等幅振荡的工艺过程不能用该方法。 控制通道时间常数很大时也不适合用临界比例度法。 控制系统临界比例度很小，控制器的比例度放到最小仍不能产生等幅振荡时，可把最小刻度的比例度作为临界比例度。,八 控制系统投运和参数整定,3 衰减曲线法 整定步骤：纯比例作用下得到4:1 或10:1衰减振荡过程曲线，记下此时的 比例度s和衰减振荡周期Tk ，再按经验公式计算相关参数。 4 响应曲线法： 测出广义对象的响应曲线，并作一阶近似处理，得到Ko、To、o。 根据广义对象特性按照经验公式确定相应的控制器参数。,§3-2 串级控制系统,一 串级控制系统的组成 二 串级控制系统的工作过程 三 串级控制系统的特点 四 串级控制系统的应用范围 五 串级控制系统的设计 六 串级控制系统的运行,§3-2 串级控制系统,简单控制系统（单回路控制系统） 结构简单、设备投资少； 应用广泛：占过程控制系统总数的80%左右； 是过程控制系统的基础； 难以解决复杂问题； 复杂控制系统 凡在控制系统中采用两个或两个以上检测元件和变送器，或控制器，或执行器，完成一些复杂的或特殊的控制任务，这样的系统被称为复杂控制系统。 常见的复杂控制系统： 串级控制系统、比值控制系统、前馈控制系统、 均匀控制系统、选择性与分程控制系统等。,一 串级控制系统的组成,炼油厂管式加热炉原料油出口温度控制,一 串级控制系统的组成,直接控制方案：以原料油出口温度为被控量，以燃料油流量为操纵量构成 单回路控制系统。,设定值,测量值,TT,TC,T1 原料油出口温度,特点：回路包括了所有干扰； 控制通道控制作用不及时；,一 串级控制系统的组成,间接控制方案：,FT,FC,控制燃油流量：以燃油管道出口流量为被控量，入口流量 为操纵量，构成流量控制系统。,特点：快速克服燃油压力波动，但不能消除其它干扰对原油出口温度的影响。 燃油流量只是手段，燃油出口温度才是最终目的。,测量值,设定值,一 串级控制系统的组成,串级控制方案：将温度控制系统与流量控制系统合二为一。,FT,FC,流量测量值,流量设定值,TT,TC,温度测量值,温度设定值,一 串级控制系统的组成,串级控制系统方框图,一 串级控制系统的组成,名词术语 串级控制系统：两台控制器串联在一起控制一个执行器的系统。 主变量：串级控制系统中起主导作用的那个被控量，也称主参数。 副变量：为稳定主变量或因某种需要引入的辅助变量，也称副参数。 主控制器：按主变量的测量值与偏差进行工作的控制器 副控制器：按副变量的测量值与偏差进行工作的控制器 主对象：主变量所处的那部分工艺设备，其输入为副变量，输出为主变量 副对象：副变量所处的那部分工艺设备，其输入为操纵量，输出为副变量 主回路：串级控制系统中处于外环的回路 副回路：串级控制系统中处于内环的回路 一次干扰：作用于主对象上的干扰 二次干扰：作用于副对象上的干扰,二 串级控制系统的工作过程,1 干扰作用于副回路（二次干扰）：假设干扰来自燃料油压力,结论：副回路能迅速克服二次干扰，减小对主变量的影响。,二 串级控制系统的工作过程,2 干扰作用于主回路（一次干扰）：假设原料油流量变化,由于控制通道环节多，控制作用不及时， 串级控制系统克服一次干扰的过程慢于克服二次干扰的过程。,二 串级控制系统的工作过程,3 干扰同时作用于主、副回路（一、二次干扰同时出现） 干扰使主副变量同向变化：,流量控制器偏差,干扰使主副变量通向变化时，串级控制系统的调节作用更强烈！,二 串级控制系统的工作过程,3 干扰同时作用于主、副回路（一、二次干扰同时出现） 干扰使主副变量反向变化：,流量控制器偏差变化小,阀门开度变化小,两种干扰有相互抵消的作用（“以毒攻毒”）,三 串级控制系统的特点,1 时间常数（等效副对象的时间常数）,将副回路看成一个等效副对象，方框图简化为：,三 串级控制系统的特点,假设：,等效副对象的传递函数为：,将各环节传递函数代入Wo2（S）有：,一般情况下：Km2 1 所以有：Ko2 Ko2 To2 To2 结论：控制通道总的时间常数变小，因此控制作用更及时。 Ko2 有所减小，但可通过整定Kc1弥补，有利于提高系统的抗干扰能力。,三 串级控制系统的特点,2 工作频率 串级控制系统的特征方程为： 副回路各环节仍采用上面的假定，主回路各环节假定如下： 将各环节的传函代入特征方程，并整理成标准形式： 即： 串级系统的工作频率为：,三 串级控制系统的特点,为便于比较，求出对应的单回路系统的工作频率： 系统的特征方程为： 令 Wc1(S)=Kc (仍采用纯比例控制) 其他环节不变。 用同样的方法可求得单回路系统的工作频率： 为比较两系统的工作频率，将两系统整定成相同的衰减比，即串= 单 显然，串级系统的工作频率高于单回路系统的工作频率。,三 串级控制系统的特点,3 抗干扰能力 在一个控制系统中，我们经常关注两个传递函数： 干扰作用下的传递函数： 给定值作用下的传递函数： 控制系统的抗干扰能力可用二者的比值来评价：,0,1,三 串级控制系统的特点,方框图进行等效变换： 虚线框内用等效环节代替：Wo2(S) 给定值作用下的传递函数为： 二次干扰作用下的传函为： 两传递函数之比为：,Wo2(S),三 串级控制系统的特点,同等情况下的单回路控制系统： 同理可求得两传递函数之比为：（控制器仍采用纯比例） 总结：串级控制系统改善了对象特性，副对象时间常数减小，系统的工作 频率得到了提高，使控制系统抗干扰的能力得到了提高。,三 串级控制系统的特点,4 对负荷变化有一定的自适应能力 (1) 工作点的变化： 被控对象往往就有非线性特性，负荷变化导致对象特性发生变化。 对于单回路系统：原工作点整定的参数不能保证系统为最佳状态。 对于串级系统：等效副对象的特性参数变化较小，适应能力比单回路强。 (2) 对负荷变化的适应性： 串级控制系统的副回路是一个随动系统，可以根据负荷的变化或操作 条件的变化调整副回路的设定值，以满足负荷或操作条件的要求。,四 串级控制系统的应用范围,1 用于克服对象的纯滞后,工艺特点及要求：通过改变减温水流量控制二段过热器A点的温度。 主要扰动：减温水压力。 控制方案：温度温度串级控制系统。,T1T,T1C,T2T,T2C,四 串级控制系统的应用范围,2 用于克服对象的容量滞后,T2T,T2C,T1T,T1C,工艺要求：原料油出口温度恒定。 主要干扰：燃油热值变化。 控制方案：出口温度炉膛温度串级控制系统。,四 串级控制系统的应用范围,3 用于克服变化剧烈和幅值大的干扰 利用串级控制系统副回路克服干扰能力强的特点，将变化剧烈和幅值 大的干扰包括在副回路中。 把副控制器的放大倍数整定大一些，进一步提高克服干扰的能力。 4 用于克服对象的非线性 负荷变化引起工作点的变化，导致对象特性发生变化。负荷变化较大 时就要考虑非线性的影响，为此可通过选择副变量，使具有较大非线性的 部分包括在副回路中。 5 用于自校正设定值 串级控制系统的副回路是一个随动系统，即副控制器的给定值是随着 主变量的要求而变化的。 当某一被控量的设定值需要随着另一个被控量变化而变时，可采用串 级控制系统 。工艺操作条件为主变量，需跟踪的量为副变量。,五 串级控制系统的设计,1 主回路的选择：确定主变量 选择原则：(1) 尽量选用直接指标； (2) 选择与主变量有单值对应关系的变量； (3) 主变量要有足够的变化灵敏度； (4) 考虑工艺过程的合理性与可能性； 2 副回路的选择：确定副变量 选择原则 (1) 主、副变量要有对应关系，调整副变量可改变主变量； (2) 副回路应包括主要的干扰和更多的干扰； (3) 主、副对象的时间常数要匹配（To1/To2=310）； (4) 要考虑工艺的合理性与可能性； (5) 要注意生产的经济性；（不同方案的性价比）,五 串级控制系统的设计,3 主副控制器选择 控制规律选择 (1) 对主变量控制品质要求高，副变量为主变量服务： (2) 对主、副变量控制质量要求都比较高： (3) 对主变量要求不高，副变量要求快速准确跟踪主变量： (4) 对主副变量要求都不高，但两变量要相互兼顾：,主控制器：PI 或 PID,副控制器：P 或 PI,主控制器：PI,副控制器：PI,主控制器：P,副控制器：PI,主控制器：P 或 PI,副控制器：P,五 串级控制系统的设计,控制器正反作用方式选择 原则：保证系统是负反馈系统。 方法：首先确定执行器的气开、气关形式； 副回路：（副控制器“±”）×（副对象“±”）×（执行器“±”）“” 主回路：（主控制器“±”）×（副对象“±”）×（主对象“±”）“” 实例：,五 串级控制系统的设计,4 串级控制系统的实施 控制系统的实施就是控制系统的具体“仪表”构成方案。 基本要求：1 应满足指定的操作要求；（手动、主、副环单独运行） 2 系统要力求简单、可靠； 3 维修要方便； 4 要采取防止积分饱和的措施；,六 串级控制系统的运行,(一）串级控制系统的投运 投运前的准备工作：电气线路检查； 仪表与变送器的检查、校验； 控制器检查：功能、正反作用方式； 阀门检查：行程、气开气关形式等； 投运方法 原则：先手动遥控，达到稳定转为自动。切换过程中要实现无扰动切换。 一步投运法：副回路直接闭环，只投运主回路。 两步投运法：先投副环，后投主环。 投运时注意问题：设定好控制器的正反作用方式、给定值所处的状态。 切换过程一定要保证无扰动。,六 串级控制系统的运行,(二) 串级控制系统的参数整定 1 逐步逼近法：先副环后主环，逐步逼近。