過程控制課件 第一章

1、第一章第一章 自動控制的基本概念自動控制的基本概念 1.1 自動控制系統(tǒng)的組成及分類自動控制系統(tǒng)的組成及分類1.2 自動控制系統(tǒng)的過渡過程及品質(zhì)指標自動控制系統(tǒng)的過渡過程及品質(zhì)指標 1.3 過程控制系統(tǒng)的發(fā)展概況過程控制系統(tǒng)的發(fā)展概況1. 人工控制人工控制人工人工/自動自動汽包鍋爐水位汽包鍋爐水位 人工控制示意圖人工控制示意圖過熱器過熱器W給水給水蒸汽蒸汽 DH省煤器省煤器汽包汽包H 0H 一、自動控制系統(tǒng)的組成一、自動控制系統(tǒng)的組成H 0H 測量單元測量單元執(zhí)行單元執(zhí)行單元汽包鍋爐水位自動控制示意圖汽包鍋爐水位自動控制示意圖人工人工/自動自動2.自動控制自動控制W給水給水蒸汽蒸汽 DH省煤器

2、省煤器汽包汽包控制單元控制單元I0IH測量單元測量單元調(diào)節(jié)單元調(diào)節(jié)單元執(zhí)行單元執(zhí)行單元WDHI0IH1被控對象（被控對象（控制對象）控制對象）2被控量被控量（被調(diào)量）（被調(diào)量）3給定值給定值6控制控制 機構(gòu)機構(gòu)5控制量控制量（調(diào)節(jié)量）（調(diào)節(jié)量）4擾動擾動(外擾外擾)4擾動擾動(內(nèi)擾內(nèi)擾)7控制過程控制過程 （調(diào)節(jié)過程）（調(diào)節(jié)過程）8自動控制系統(tǒng)自動控制系統(tǒng)控制（調(diào)節(jié)）控制（調(diào)節(jié)）: 就是根據(jù)就是根據(jù)被調(diào)量被調(diào)量偏離偏離給定值給定值的的情況，適當動作情況，適當動作調(diào)節(jié)機構(gòu)調(diào)節(jié)機構(gòu)，改變，改變調(diào)調(diào)節(jié)量節(jié)量，抵消，抵消擾動擾動，使，使被調(diào)量被調(diào)量恢復為恢復為給定值給定值的過程。的過程。-H0被控對象

3、被控對象控制單元控制單元測量單元測量單元執(zhí)行單元執(zhí)行單元H給定單元給定單元二、自動控制系統(tǒng)的分類二、自動控制系統(tǒng)的分類 ( (一）根據(jù)給定值分類一）根據(jù)給定值分類 1. 1. 恒值（定值）控制系統(tǒng)恒值（定值）控制系統(tǒng) 恒定不變恒定不變 2. 2. 隨動控制系統(tǒng)隨動控制系統(tǒng) 變，預先不知規(guī)律變，預先不知規(guī)律 3 3程序控制系統(tǒng)程序控制系統(tǒng) 變，按預先給定規(guī)律變變，按預先給定規(guī)律變 （二）根據(jù)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)分類（二）根據(jù)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)分類 （1 1）閉環(huán)（反饋）控制系統(tǒng)）閉環(huán)（反饋）控制系統(tǒng) （2 2）開環(huán)（前饋）開環(huán)（前饋）控制系統(tǒng)控制系統(tǒng) （3 3）復合（前饋）復合（前饋- -反饋）控制系統(tǒng)反饋）控制系統(tǒng)

4、 -r擾動通道調(diào)節(jié)通道調(diào)節(jié)器測量變送調(diào)節(jié)機構(gòu)y （1 1）閉環(huán)（反饋）控制系統(tǒng)）閉環(huán)（反饋）控制系統(tǒng) （2 2）開環(huán)（前饋）控制系統(tǒng)）開環(huán)（前饋）控制系統(tǒng)擾動通道調(diào)節(jié)通道前饋調(diào)節(jié)器y-r擾動通道調(diào)節(jié)通道調(diào)節(jié)器測量變送調(diào)節(jié)機構(gòu)y前饋調(diào)節(jié)器 （3 3）復合（前饋）復合（前饋- -反饋）控制系統(tǒng)反饋）控制系統(tǒng)前饋控制為粗調(diào)，反饋控制為細調(diào)前饋控制為粗調(diào)，反饋控制為細調(diào) （三）（三）按照控制器形式分類按照控制器形式分類 （1 1）常規(guī)控制系統(tǒng)（或稱模擬控制系統(tǒng)）：常規(guī)控制系統(tǒng)（或稱模擬控制系統(tǒng)）： （2 2）計算機控制系統(tǒng)計算機控制系統(tǒng) （四）（四）按照系統(tǒng)的輸入與輸出信號的數(shù)量分類按照系統(tǒng)的輸入與輸

5、出信號的數(shù)量分類 （1 1）單變量系統(tǒng)（單變量系統(tǒng)（SISO） （2 2）多變量系統(tǒng)（多變量系統(tǒng)（MIMO） H H注注入入控控制制器器（比比較較、放放大大）Q Q1 1浮浮子子流流出出Q Q2 2（I I） 原原理理圖圖氣氣動動閥閥門門課后練習題課后練習題爐膛壓力控制爐膛壓力控制本節(jié)結(jié)束本節(jié)結(jié)束一、靜態(tài)特性與動態(tài)特性一、靜態(tài)特性與動態(tài)特性靜態(tài)靜態(tài)靜態(tài)靜態(tài)動態(tài)動態(tài)二、自動控制系統(tǒng)的過渡過程二、自動控制系統(tǒng)的過渡過程 三、自動控制系統(tǒng)的性能指標三、自動控制系統(tǒng)的性能指標 綜合性能指標單項性能指標時域指標頻域指標靜態(tài)偏差y()或e()最大動態(tài)偏差ym或超調(diào)量 衰減率衰減比n 控制過程時間ts 其它

6、指標調(diào)節(jié)時間調(diào)節(jié)時間 tS靜態(tài)偏差靜態(tài)偏差y( )或或e( ) 最大動態(tài)偏差最大動態(tài)偏差ym或超調(diào)量或超調(diào)量 衰減率衰減率 衰減比衰減比n 給定值給定值1靜態(tài)偏差y()或e() *定值定值控制系統(tǒng)中，靜態(tài)偏差是指被調(diào)量控制系統(tǒng)中，靜態(tài)偏差是指被調(diào)量的穩(wěn)態(tài)值與給定值之間的長期偏差的穩(wěn)態(tài)值與給定值之間的長期偏差。 * *隨動隨動控制系統(tǒng)中，靜態(tài)偏差是指被調(diào)量控制系統(tǒng)中，靜態(tài)偏差是指被調(diào)量的穩(wěn)態(tài)值與的穩(wěn)態(tài)值與新新給定值之間的長期偏差。給定值之間的長期偏差。 靜態(tài)偏差是衡量控制系統(tǒng)靜態(tài)偏差是衡量控制系統(tǒng)準確性準確性的重要指的重要指標之一，它反映了控制系統(tǒng)的調(diào)節(jié)精度。標之一，它反映了控制系統(tǒng)的調(diào)節(jié)精度。

7、（一）單項指標（一）單項指標y1y3yesstsry1y3y靜差tsr定值控制系統(tǒng)隨動控制系統(tǒng)2.衰減率衰減比n 衰減率是指每經(jīng)過一個波動周期，被調(diào)量波動幅值減少的百分數(shù)。 式中 y1偏離穩(wěn)態(tài)值的第一個波峰幅值； y3偏離穩(wěn)態(tài)值的第三個波峰幅值。 它常被工程上用來描述過渡過程為衰減振蕩時的衰減速度。131311yyyyy 若若 0 0，則調(diào)節(jié)過程是，則調(diào)節(jié)過程是發(fā)散振蕩，這發(fā)散振蕩，這種系統(tǒng)是種系統(tǒng)是不穩(wěn)定不穩(wěn)定的。的。 若若 0 0，則調(diào)節(jié)過程是，則調(diào)節(jié)過程是等幅振蕩等幅振蕩，這種系統(tǒng)處，這種系統(tǒng)處于于邊界穩(wěn)定邊界穩(wěn)定。若若0 0 1 1，則調(diào)節(jié)過程是，則調(diào)節(jié)過程是衰減振蕩衰減振蕩，這種系，

8、這種系統(tǒng)是統(tǒng)是穩(wěn)定穩(wěn)定的?？梢詰谩５?。可以應用。 若若 1，則調(diào)節(jié)過程是不振蕩的衰減過程，則調(diào)節(jié)過程是不振蕩的衰減過程(非非周期過程周期過程)，這種系統(tǒng)穩(wěn)定。，這種系統(tǒng)穩(wěn)定。 在在0 1的范圍內(nèi)，的范圍內(nèi)， 的數(shù)值還可表明系統(tǒng)穩(wěn)的數(shù)值還可表明系統(tǒng)穩(wěn)定裕量定裕量(富裕量或貯備量富裕量或貯備量)的大小的大小 ，一般取一般取 0.750.90。 衰減比衰減比n n是指振蕩過程的第一個波的振幅是指振蕩過程的第一個波的振幅y y1 1與第三個波的振幅與第三個波的振幅y y3 3之比，之比， 即即 n ny y1 1/y/y3 3 它也是衡量系統(tǒng)過渡過程穩(wěn)定性的一個動它也是衡量系統(tǒng)過渡過程穩(wěn)定性的一個動

9、態(tài)指標，反映了振蕩的衰減程度。態(tài)指標，反映了振蕩的衰減程度。 n1 n1 n1表示系統(tǒng)穩(wěn)定；表示系統(tǒng)穩(wěn)定； n=4 n=4表示系統(tǒng)為表示系統(tǒng)為4:14:1的衰減振蕩。的衰減振蕩。 3最大動態(tài)偏差最大動態(tài)偏差ym或超調(diào)量或超調(diào)量 在定值控制系統(tǒng)中，常用最大動態(tài)偏差在定值控制系統(tǒng)中，常用最大動態(tài)偏差ym這個指標來衡量被調(diào)量偏離給定值的程度這個指標來衡量被調(diào)量偏離給定值的程度。 ymy1y() 隨動控制系統(tǒng)常用超調(diào)量這個指標來衡量隨動控制系統(tǒng)常用超調(diào)量這個指標來衡量被控制量偏離給定值的程度。被控制量偏離給定值的程度。超調(diào)量可定義為： %1001yy4過渡過程時間ts和振蕩頻率 *過渡過程時間ts，*

10、振蕩頻率 在定值控制系統(tǒng)中，突出的要求在定值控制系統(tǒng)中，突出的要求是克服擾動的性能。是克服擾動的性能。 在隨動控制系統(tǒng)中突出的要求是在隨動控制系統(tǒng)中突出的要求是跟蹤性能。跟蹤性能。 ISE（平方誤差積分）平方誤差積分） 優(yōu)點：抑制響應等幅波動和大誤差優(yōu)點：抑制響應等幅波動和大誤差局限：不能反映微小誤差對系統(tǒng)的影響局限：不能反映微小誤差對系統(tǒng)的影響IAE（絕對誤差積分）絕對誤差積分） 特點：抑制響應等幅波動特點：抑制響應等幅波動ITAE（時間與絕對誤差乘積積分）時間與絕對誤差乘積積分） 優(yōu)點：著重懲罰過渡時間過長優(yōu)點：著重懲罰過渡時間過長 本節(jié)結(jié)束本節(jié)結(jié)束1 儀表自動化階段儀表自動化階段（1）基地式儀表控制系統(tǒng)（2）單元組合式儀表控制系統(tǒng)2. 計算機控制階段計算機控制階段 （1）計算機集中式數(shù)字控制系統(tǒng)2. 計算機控制階段計算機控制階段 （2