《過程控制基礎(chǔ)知識》ppt課件

1、1.1 自動控制系統(tǒng)的組成1.1.1 人工控制與自動控制自動控制系統(tǒng)的組成自動控制系統(tǒng)的組成被控對象被控對象丈量變送丈量變送控制器控制器執(zhí)行器執(zhí)行器被控制的消費(fèi)被控制的消費(fèi)過程或設(shè)備過程或設(shè)備執(zhí)行控制器指執(zhí)行控制器指令，改動支配令，改動支配變量，對消費(fèi)變量，對消費(fèi)過程實(shí)施控制過程實(shí)施控制作用作用接納丈量來的接納丈量來的信號與給定值信號與給定值比較，作出控比較，作出控制決策送指令制決策送指令給執(zhí)行器給執(zhí)行器對被控變量進(jìn)對被控變量進(jìn)行檢測并轉(zhuǎn)換行檢測并轉(zhuǎn)換成規(guī)范一致號成規(guī)范一致號送控制器送控制器1.1.2 過程控制系統(tǒng)組成過程控制系統(tǒng)組成 在消費(fèi)過程中有各種各樣的控制系統(tǒng)，以在消費(fèi)過程中有各種各樣

2、的控制系統(tǒng)，以下圖所示為幾個簡單控制系統(tǒng)的例如。下圖所示為幾個簡單控制系統(tǒng)的例如。 給定值：消費(fèi)過程中所期望的參數(shù)值。給定值：消費(fèi)過程中所期望的參數(shù)值。丈量值：丈量變送輸出值。丈量值：丈量變送輸出值。偏向：給定值與丈量值之差。偏向：給定值與丈量值之差。被控變量：消費(fèi)過程希望控制好的變量。被控變量：消費(fèi)過程希望控制好的變量。支配變量：控制閥支配的變量。支配變量：控制閥支配的變量。擾動量：破壞系統(tǒng)平衡形狀的外界要素。擾動量：破壞系統(tǒng)平衡形狀的外界要素。控制造用：控制器輸出對消費(fèi)過程的影響?？刂圃煊茫嚎刂破鬏敵鰧οM(fèi)過程的影響。擾動作用：擾動量對消費(fèi)過程的影響。擾動作用：擾動量對消費(fèi)過程的影響。1.

3、2.1自動控制系統(tǒng)普通有兩種根本控制方式：自動控制系統(tǒng)普通有兩種根本控制方式：1開環(huán)控制系統(tǒng)開環(huán)控制系統(tǒng) 控制系統(tǒng)的輸出信號對控制造用沒有影響，那么稱為開控制系統(tǒng)的輸出信號對控制造用沒有影響，那么稱為開環(huán)控制系統(tǒng)，即系統(tǒng)的輸出信號不反響到輸入端，不構(gòu)環(huán)控制系統(tǒng)，即系統(tǒng)的輸出信號不反響到輸入端，不構(gòu)成信號傳送的閉合環(huán)路的控制系統(tǒng)。成信號傳送的閉合環(huán)路的控制系統(tǒng)。 舉例如下：以下圖是數(shù)控加工機(jī)床中廣泛運(yùn)用的精細(xì)定舉例如下：以下圖是數(shù)控加工機(jī)床中廣泛運(yùn)用的精細(xì)定位控制系統(tǒng)位控制系統(tǒng)開環(huán)控制系統(tǒng)原理方框圖開環(huán)控制系統(tǒng)原理方框圖2閉環(huán)控制系統(tǒng)閉環(huán)控制系統(tǒng)控制系統(tǒng)的輸出信號對控制造用有直接影響的控控制系統(tǒng)

4、的輸出信號對控制造用有直接影響的控制系統(tǒng)，稱為閉環(huán)控制系統(tǒng)。在閉環(huán)控制系統(tǒng)中，制系統(tǒng)，稱為閉環(huán)控制系統(tǒng)。在閉環(huán)控制系統(tǒng)中，系統(tǒng)的輸出信號經(jīng)過反響環(huán)節(jié)前往到輸入端，構(gòu)系統(tǒng)的輸出信號經(jīng)過反響環(huán)節(jié)前往到輸入端，構(gòu)成閉合環(huán)路，故又稱為反響控制系統(tǒng)。成閉合環(huán)路，故又稱為反響控制系統(tǒng)。如以下圖如以下圖 按設(shè)定值的變化將自動控制系統(tǒng)分為三類:1定值控制系統(tǒng) 設(shè)定值堅持不變?yōu)楹愣ㄖ档姆错懣刂葡到y(tǒng)稱為定值控制系統(tǒng)。 定值控制系統(tǒng)的根本義務(wù)就是要抑制擾動對被控變量的影響。隨動控制系統(tǒng)也稱跟蹤控制系統(tǒng)。這類控制系隨動控制系統(tǒng)也稱跟蹤控制系統(tǒng)。這類控制系統(tǒng)的特點(diǎn)是設(shè)定值在不斷變化統(tǒng)的特點(diǎn)是設(shè)定值在不斷變化.控制的目的

5、是要使被控變量可以及時而準(zhǔn)確地控制的目的是要使被控變量可以及時而準(zhǔn)確地跟蹤設(shè)定值的變化跟蹤設(shè)定值的變化.程序控制系統(tǒng)的設(shè)定值是一個知的時間函數(shù)程序控制系統(tǒng)的設(shè)定值是一個知的時間函數(shù).在石油、化工、冶金、電力、陶瓷、輕工、制藥等在石油、化工、冶金、電力、陶瓷、輕工、制藥等工業(yè)消費(fèi)中，定值控制系統(tǒng)占大多數(shù)，是主要的控工業(yè)消費(fèi)中，定值控制系統(tǒng)占大多數(shù)，是主要的控制系統(tǒng)，其次是程序控制系統(tǒng)與隨動控制系統(tǒng)制系統(tǒng)，其次是程序控制系統(tǒng)與隨動控制系統(tǒng).1.3.1 控制系統(tǒng)的動態(tài)與靜態(tài)控制系統(tǒng)的動態(tài)與靜態(tài)系統(tǒng)或環(huán)節(jié)特性系統(tǒng)或環(huán)節(jié)特性系統(tǒng)或環(huán)節(jié)的輸入與輸出的關(guān)系。系統(tǒng)或環(huán)節(jié)的輸入與輸出的關(guān)系。自動控制系自動控制系

6、統(tǒng)的輸入統(tǒng)的輸入設(shè)定值的變化或稱設(shè)定作用設(shè)定值的變化或稱設(shè)定作用)擾動的變化或稱擾動作用擾動的變化或稱擾動作用控制系統(tǒng)的控制系統(tǒng)的過渡過程過渡過程控制系統(tǒng)由一個平衡形狀過渡到另控制系統(tǒng)由一個平衡形狀過渡到另一個平衡形狀的過程。一個平衡形狀的過程。1.靜態(tài)或穩(wěn)態(tài)靜態(tài)或穩(wěn)態(tài)在自動控制系統(tǒng)中，被控變量不隨時間變化的平在自動控制系統(tǒng)中，被控變量不隨時間變化的平衡形狀，稱為系統(tǒng)的靜態(tài)或穩(wěn)態(tài)衡形狀，稱為系統(tǒng)的靜態(tài)或穩(wěn)態(tài).在堅持平衡時環(huán)節(jié)的輸出與輸入關(guān)系稱為環(huán)在堅持平衡時環(huán)節(jié)的輸出與輸入關(guān)系稱為環(huán)節(jié)的靜態(tài)特性。節(jié)的靜態(tài)特性?？刂葡到y(tǒng)的控制系統(tǒng)的過渡過程過渡過程控制系統(tǒng)的控制系統(tǒng)的靜態(tài)過程靜態(tài)過程被控變量不隨

7、時間變化的被控變量不隨時間變化的平衡形狀平衡形狀控制系統(tǒng)的控制系統(tǒng)的動態(tài)過程動態(tài)過程被控變量隨時間變化的形被控變量隨時間變化的形狀狀在自動控制系統(tǒng)中，被控變量隨時間變化的形狀，在自動控制系統(tǒng)中，被控變量隨時間變化的形狀，稱為系統(tǒng)的動態(tài)或暫態(tài)稱為系統(tǒng)的動態(tài)或暫態(tài).2.動態(tài)或暫態(tài)動態(tài)或暫態(tài)系統(tǒng)處于動態(tài)時的輸出與輸入之間的系統(tǒng)處于動態(tài)時的輸出與輸入之間的關(guān)系稱為系統(tǒng)的動態(tài)特性。關(guān)系稱為系統(tǒng)的動態(tài)特性。系統(tǒng)的動系統(tǒng)的動態(tài)特性態(tài)特性3靜態(tài)與動態(tài)的辯證關(guān)系靜態(tài)與動態(tài)的辯證關(guān)系以哲理的觀念看，在自動控制系統(tǒng)中，靜態(tài)是暫時的、相對的、以哲理的觀念看，在自動控制系統(tǒng)中，靜態(tài)是暫時的、相對的、有條件的，動態(tài)才是普

8、遍的、絕對的、無條件的。有條件的，動態(tài)才是普遍的、絕對的、無條件的。在消費(fèi)過程中，擾動作用總是不斷產(chǎn)生，控制造用不斷去抑制在消費(fèi)過程中，擾動作用總是不斷產(chǎn)生，控制造用不斷去抑制擾動對被控變量的影響。所以，自動控制系統(tǒng)總是處在動態(tài)之?dāng)_動對被控變量的影響。所以，自動控制系統(tǒng)總是處在動態(tài)之中。中。消費(fèi)過程要求自動控制系統(tǒng)運(yùn)轉(zhuǎn)時要消費(fèi)過程要求自動控制系統(tǒng)運(yùn)轉(zhuǎn)時要 “穩(wěn)、快、準(zhǔn)穩(wěn)、快、準(zhǔn) 。1穩(wěn)定性：穩(wěn)定性： 指系統(tǒng)遭到外來作用后，其動態(tài)過程的振蕩傾向指系統(tǒng)遭到外來作用后，其動態(tài)過程的振蕩傾向和系統(tǒng)恢復(fù)平衡的才干。和系統(tǒng)恢復(fù)平衡的才干。 假設(shè)系統(tǒng)遭到外來作用后，經(jīng)過一段時間調(diào)整，假設(shè)系統(tǒng)遭到外來作用后，

9、經(jīng)過一段時間調(diào)整，其被控變量可以到達(dá)新的穩(wěn)定形狀，這樣的系統(tǒng)是其被控變量可以到達(dá)新的穩(wěn)定形狀，這樣的系統(tǒng)是穩(wěn)定的系統(tǒng)。穩(wěn)定的系統(tǒng)。穩(wěn)定的系統(tǒng)判別方式：穩(wěn)定的系統(tǒng)判別方式：線性自動控制系統(tǒng)的穩(wěn)定性是由系統(tǒng)構(gòu)造參數(shù)所決議線性自動控制系統(tǒng)的穩(wěn)定性是由系統(tǒng)構(gòu)造參數(shù)所決議的，與外界要素?zé)o關(guān)。因此，保證控制系統(tǒng)的穩(wěn)定性，的，與外界要素?zé)o關(guān)。因此，保證控制系統(tǒng)的穩(wěn)定性，是設(shè)計和操作人員的首要義務(wù)。是設(shè)計和操作人員的首要義務(wù)?？焖傩允顷U明系統(tǒng)輸出對輸入呼應(yīng)的快慢程度。快速性是闡明系統(tǒng)輸出對輸入呼應(yīng)的快慢程度。提高呼應(yīng)速度、縮短過渡過程的時間，對提高系提高呼應(yīng)速度、縮短過渡過程的時間，對提高系統(tǒng)的控制效率和控制

10、過程的精度都是有利的。統(tǒng)的控制效率和控制過程的精度都是有利的。3準(zhǔn)確性準(zhǔn)確性余差：余差：控制系統(tǒng)到達(dá)新的平衡形狀時，被控變控制系統(tǒng)到達(dá)新的平衡形狀時，被控變量的穩(wěn)態(tài)值與設(shè)定值之間的差值，為穩(wěn)量的穩(wěn)態(tài)值與設(shè)定值之間的差值，為穩(wěn)態(tài)誤差，也簡稱余差。態(tài)誤差，也簡稱余差。穩(wěn)態(tài)誤差是衡量控制系統(tǒng)靜態(tài)控制精度的重要標(biāo)穩(wěn)態(tài)誤差是衡量控制系統(tǒng)靜態(tài)控制精度的重要標(biāo)志。志。1.3.1控制系統(tǒng)的過渡過程系統(tǒng)從一個平衡形狀過渡到另系統(tǒng)從一個平衡形狀過渡到另一個平衡形狀的過程。一個平衡形狀的過程?？刂葡到y(tǒng)的過渡過程：控制系統(tǒng)的過渡過程：過程控制系統(tǒng)的過渡過程，本質(zhì)上就是控制造用不過程控制系統(tǒng)的過渡過程，本質(zhì)上就是控制造

11、用不斷抑制擾動作用的過程。斷抑制擾動作用的過程。研討控制系統(tǒng)的過渡過程，對分析和改良控制系統(tǒng)研討控制系統(tǒng)的過渡過程，對分析和改良控制系統(tǒng)具有很重要的意義。具有很重要的意義。過渡過程直接反映控制系統(tǒng)質(zhì)量的優(yōu)劣，與消費(fèi)過過渡過程直接反映控制系統(tǒng)質(zhì)量的優(yōu)劣，與消費(fèi)過程中的平安及產(chǎn)品的產(chǎn)量、質(zhì)量有著親密的聯(lián)絡(luò)。程中的平安及產(chǎn)品的產(chǎn)量、質(zhì)量有著親密的聯(lián)絡(luò)。圖1.9定值控制系統(tǒng)過渡過程的幾種方式常見的過渡過程方式常見的過渡過程方式圖圖1-3為一個過程控制系統(tǒng)的階躍呼應(yīng)曲線。為一個過程控制系統(tǒng)的階躍呼應(yīng)曲線。1.3.2 過程控制系統(tǒng)的性能目的過程控制系統(tǒng)的性能目的 過程控制系統(tǒng)性能目的是衡量系統(tǒng)控制質(zhì)過程控

12、制系統(tǒng)性能目的是衡量系統(tǒng)控制質(zhì)量優(yōu)劣的根據(jù)，又稱為質(zhì)量目的或質(zhì)量量優(yōu)劣的根據(jù)，又稱為質(zhì)量目的或質(zhì)量目的。目的。 通常主要采用兩類性能目的：單項性能目通常主要采用兩類性能目的：單項性能目的和綜合的和綜合 控制目的?？刂颇康?。1.單項性能目的單項性能目的 單項性能目的是系統(tǒng)在單位階躍輸入作用下單項性能目的是系統(tǒng)在單位階躍輸入作用下,被控被控 變量隨時間變化的衰減振蕩曲線來定變量隨時間變化的衰減振蕩曲線來定義的。義的。單項性能目的是三個動態(tài)目的，一個靜態(tài)目的。它們分別是：衰減比n、超調(diào)量 與最大動態(tài)偏向、回復(fù)時間Ts、余差e()。留意：這些控制目的僅適用于衰減振蕩過程。過渡過程曲線上兩個同方向相鄰峰

13、值之比。1BBn 假設(shè)用B表示第一個波的振幅，B表示同方向第二個波的振幅，那么衰減比為:衰減比是控制系統(tǒng)的穩(wěn)定性目的 假設(shè)衰減比n1，過渡過程是發(fā)散振蕩，系統(tǒng)不穩(wěn)定； 假設(shè)衰減比n1，過渡過程是等幅振蕩，系統(tǒng)在臨界穩(wěn)定形狀； 假設(shè)衰減比n1，過渡過程是衰減振蕩，n越大，系統(tǒng)衰減越越快,系統(tǒng)越穩(wěn)定。 衰減比普通取4 110 1，即大約兩個周期后，系統(tǒng)能趨于新的穩(wěn)態(tài)。 通常，隨動控制系統(tǒng)的衰減比要求為10 1，定值控制系統(tǒng)的衰減比為4 1。 衰減比須視詳細(xì)被控對象的不同來選取。習(xí)慣上用n 1表示衰減比。 2超調(diào)量 與最大動態(tài)偏向 。maxe超調(diào)量和最大動態(tài)偏向是表征被控變量偏離參比變量的超調(diào)程度，

14、是衡量過渡過程動態(tài)準(zhǔn)確度即準(zhǔn)確性的一個動態(tài)目的。它也反映了控制系統(tǒng)的穩(wěn)定性。 在隨動控制系統(tǒng)中，超調(diào)量是一個反映被控變量偏離新穩(wěn)態(tài)值最大程度的目的。%100%100)(CByBC是輸出的最終穩(wěn)態(tài)值，B是輸出超越最終穩(wěn)態(tài)值的最大振幅即第一個波峰的幅值。%100%100)(CByB 在定值控制系統(tǒng)中，最終穩(wěn)態(tài)值很小或趨近于零，因此，仍用 作為超調(diào)情況的目的就不適宜了。通常改用最大動態(tài)偏向 來替代超調(diào)程度.maxe最大動態(tài)偏向maxe:被控變量偏離設(shè)定值的最大程度也等于最大振幅B與最終穩(wěn)態(tài)值C之和的絕對值maxeBC 假設(shè)用增量方式描畫參數(shù)變化,那么最大動態(tài)偏向就是最大指示值.最大動態(tài)偏向或超調(diào)量越

15、大，消費(fèi)過程瞬時偏離設(shè)定值就越遠(yuǎn)。在實(shí)踐任務(wù)中，最大動態(tài)偏向不允許超越工藝所允許的最大值。如存在爆炸極限的化學(xué)反響，需限制最大動態(tài)偏向的允許值.3回復(fù)時間Ts回復(fù)時間又稱為過渡過程時間，表示控制系統(tǒng)過渡過程的長短,即被控變量從原穩(wěn)態(tài)值到達(dá)新穩(wěn)態(tài)值所需求的時間.工程上用“被控變量開場變化到進(jìn)入穩(wěn)態(tài)值附近5%或2%范圍內(nèi)所需求的時間作為過渡過程的回復(fù)時間Ts?？刂葡到y(tǒng)的快速性也可以用振蕩頻率w 來表示2T振蕩頻率也可作為控制系統(tǒng)的快速性目的。定值控制系統(tǒng)常用振蕩頻率來衡量控制過程的快慢。4余差余差e(),也稱剩余偏向也稱剩余偏向 余差又稱剩余偏向或靜差，是控制系統(tǒng)的最終余差又稱剩余偏向或靜差，是控

16、制系統(tǒng)的最終穩(wěn)態(tài)偏向穩(wěn)態(tài)偏向e()，即過渡過程終了時被控變量的設(shè)，即過渡過程終了時被控變量的設(shè)定值與新穩(wěn)態(tài)值之差，即定值與新穩(wěn)態(tài)值之差，即Cxyxteet)()(lim)(對于定值控制系統(tǒng)，x0，那么有e()C必需闡明，以上這些控制目的在不同的控制系統(tǒng)中各有其重要性，而且相互之間又有著內(nèi)在的聯(lián)絡(luò)。假設(shè)要要求同時滿足這幾個控制目的是不能夠的。應(yīng)根據(jù)工藝消費(fèi)的詳細(xì)要求分清主次，區(qū)別輕重，對于主要的控制目的應(yīng)優(yōu)先保證。2綜合控制目的 單項性能目的分別只代表系一致個方面的性能.這些目的往往相互影響、相互制約，難以同時滿足要求。 綜合控制目的又稱為偏向的積分性能目的，常用于分析系統(tǒng)的動態(tài)呼應(yīng)性能。名 稱公 式特 點(diǎn)控 制 結(jié) 果適 用 范 圍 絕對偏向積分 鑒定目的IAE 把不同時辰、不同幅值的偏向等同對待 各方面的性能比較平衡 普通用于評定定值控制系統(tǒng)的質(zhì)量目的 偏向平方積分鑒定目的ISE 對大偏向敏感 最大偏向小但回復(fù)時間長 普通用于評定定值控制系統(tǒng)的質(zhì)量目的 時間與偏向絕對值乘積的積分鑒定目的ITAE 對初期偏向不敏感而對后期偏向敏感 最大偏向大但回復(fù)時間短 普通用于評定隨動控制系統(tǒng)的質(zhì)量目的dtteIAE0)(dtteIAE02)(dttetITAE0)(對于存在余差的控制系統(tǒng)，由于余差e()不為零，因此，積分目的都將趨于無窮大，這時，可用e(t