過程控制第三章

1、主編 倪志蓮 龔素文機(jī)械工業(yè)出版社過程控制與自動化儀表過程控制與自動化儀表2第三章控制規(guī)律掌握典型的控制規(guī)律及其特點(diǎn)。掌握Simulink仿真輔助分析設(shè)計系統(tǒng)的方法。3掌握系統(tǒng)校正的概念。12過程控制與自動化儀表33.13.1控制系統(tǒng)的校正控制系統(tǒng)的校正v3.1.13.1.1校正的概念校正的概念n在原有的系統(tǒng)中有目的地增添一些裝置和元件，人為地改變系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)和性能，使之滿足所要求的性能指標(biāo)，我們把這種方法稱為系統(tǒng)校正系統(tǒng)校正。增添的裝置和元件稱為校正裝置和校正元件校正裝置和校正元件。過程控制與自動化儀表43.1.2校正的方式v. .串聯(lián)校正串聯(lián)校正n如果校正裝置Gc(s)串聯(lián)在系統(tǒng)固有部分的前

2、向通道中，則稱為串聯(lián)校正。過程控制與自動化儀表5v2.2.反饋校正反饋校正n將校正裝置Gc(s)與需要校正的環(huán)節(jié)進(jìn)行反饋連接，形成局部反饋回路，稱為反饋校正。3.1.2校正的方式過程控制與自動化儀表6v3.3.復(fù)合校正復(fù)合校正n復(fù)合校正是在反饋控制的基礎(chǔ)上，引入輸入補(bǔ)償構(gòu)成的校正方式，通常可以分為兩種：一種是引入給定輸入信號補(bǔ)償；另一種是引入擾動輸入信號補(bǔ)償。3.1.2校正的方式過程控制與自動化儀表73.1.3常用校正裝置v. .無源校正裝置無源校正裝置n無源校正裝置通常是由一些電阻和電容組成的二端口網(wǎng)絡(luò)。無源校正裝置無源校正裝置過程控制與自動化儀表8v2.2.有源校正裝置有源校正裝置n有源校

3、正裝置是由運(yùn)算放大器組成的調(diào)節(jié)器。有源校正裝置3.1.3常用校正裝置過程控制與自動化儀表93.1.4 校正應(yīng)用舉例 有一隨動系統(tǒng)，框圖如下。圖中G1(s)為隨動系統(tǒng)的固有部分?，F(xiàn)對其進(jìn)行串聯(lián)校正，串聯(lián)一個比例校正裝置，比例系數(shù)Kc=0.5。具有校正環(huán)節(jié)的系統(tǒng)框圖具有校正環(huán)節(jié)的系統(tǒng)框圖舉例舉例過程控制與自動化儀表103.1.4 校正應(yīng)用舉例v校正前、后系統(tǒng)的伯德圖校正前、后系統(tǒng)的伯德圖過程控制與自動化儀表113.1.4 校正應(yīng)用舉例校正前、后系統(tǒng)的階躍響應(yīng)曲線校正前、后系統(tǒng)的階躍響應(yīng)曲線過程控制與自動化儀表123.1.4 校正應(yīng)用舉例v結(jié)論：加入串聯(lián)校正裝置，降低系統(tǒng)增益后：結(jié)論：加入串聯(lián)校正裝

4、置，降低系統(tǒng)增益后：n）系統(tǒng)的相對穩(wěn)定性得到改善相對穩(wěn)定性得到改善，超調(diào)量下降，振蕩次數(shù)減少。n）增益降低為原來的/，系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)精度變差穩(wěn)態(tài)精度變差。過程控制與自動化儀表133.2位式控制. .理想的雙位控制理想的雙位控制理想雙位控制規(guī)律的數(shù)學(xué)表達(dá)式為當(dāng)e0時，u(t)=umax ；當(dāng)e0時， u(t)=umin 。理想雙位控制輸出特性溫度雙位控制系統(tǒng)示意圖溫度雙位控制系統(tǒng)示意圖過程控制與自動化儀表142.2.實(shí)際的雙位控制實(shí)際的雙位控制實(shí)際雙位控制輸出特性實(shí)際雙位控制輸出特性實(shí)際雙位控制的過程曲線實(shí)際雙位控制的過程曲線3.2位式控制過程控制與自動化儀表15v雙位控制器結(jié)構(gòu)簡單，容易實(shí)現(xiàn)控制，

5、且價格便宜，適用于單容對象且對象時間常數(shù)較大、負(fù)荷變化較小、過程時滯小、工藝允許被控變量在一定范圍內(nèi)波動的場合，如壓縮空氣的壓力控制，恒溫箱、管式爐的溫度控制以及貯槽的液位控制等。在實(shí)際使用中，只要選用帶上、下限觸頭的檢測儀表、雙位控制器，再配上繼電器、電磁閥、執(zhí)行器等即可構(gòu)成雙位控制系統(tǒng)。3.2位式控制過程控制與自動化儀表163.3比例控制v3.3.1 3.3.1 比例控制規(guī)律及其特點(diǎn)比例控制規(guī)律及其特點(diǎn) 階躍偏差作用下比例階躍偏差作用下比例控制器的開環(huán)輸出特性控制器的開環(huán)輸出特性u是控制器輸出變化量；Kc是控制器的放大倍數(shù)，即比例增益；e是控制器的輸入，即偏差。過程控制與自動化儀表173.

6、3.2比例度v比例度比例度，就是指控制器輸入的相對變化量與相，就是指控制器輸入的相對變化量與相應(yīng)的輸出相對變化量之比的百分?jǐn)?shù)。應(yīng)的輸出相對變化量之比的百分?jǐn)?shù)。e為控制器輸入信號的變化量，即偏差信號；u為控制器輸出信號的變化量，即控制命令；（ZmaxZmin）為控制器輸入信號的變化范圍，即量程；（ ZmaxZmin ）為控制器輸出信號的變化范圍。過程控制與自動化儀表18v控制器的比例度控制器的比例度可理解為：要使輸出信號作全可理解為：要使輸出信號作全范圍變化，輸入信號必須改變?nèi)砍痰陌俜种畮住７秶兓?，輸入信號必須改變?nèi)砍痰陌俜种畮?。v在單元組合儀表中，控制器的輸入和輸出都是標(biāo)在單元組合儀表中

7、，控制器的輸入和輸出都是標(biāo)準(zhǔn)統(tǒng)一信號，即準(zhǔn)統(tǒng)一信號，即v此時比例度可表示為此時比例度可表示為v式中，式中，3.3.2比例度過程控制與自動化儀表193.3.3比例度對過渡過程的影響v）比例控制是有余差的）比例控制是有余差的控制?？刂啤）比例度）比例度對閉環(huán)系統(tǒng)對閉環(huán)系統(tǒng)穩(wěn)定性的影響穩(wěn)定性的影響。過程控制與自動化儀表20v通常，工業(yè)上常見系統(tǒng)的比例度通常，工業(yè)上常見系統(tǒng)的比例度的參考選取范的參考選取范圍如下圍如下：n）壓力控制系統(tǒng)為30% 70 % 。n）流量控制系統(tǒng)為40 % 100 % 。n）液位控制系統(tǒng)為20 % 80 % 。n）溫度控制系統(tǒng)為20 % 60 % 。3.3.3比例度對過渡過

8、程的影響過程控制與自動化儀表213.4積分控制v3.4.13.4.1積分控制規(guī)律及其特點(diǎn)積分控制規(guī)律及其特點(diǎn)n積分控制是控制器的輸出變化量u與輸入偏差值e隨時間的變化成正比的控制規(guī)律，亦即控制器的輸出變化速度與輸入偏差值成正比。KI為控制器的積分速度；TI為控制器的積分時間（TI=1/KI）。過程控制與自動化儀表22v與比例控制不同的是，與比例控制不同的是，在在輸入偏差為零輸入偏差為零時，比時，比例控制器的例控制器的輸出變化量輸出變化量uu是零是零，即處在初始位，即處在初始位置上，而積分控制器的置上，而積分控制器的輸出卻可以處在任何數(shù)輸出卻可以處在任何數(shù)值的位置上。值的位置上。偏差作用下的積分

9、控偏差作用下的積分控制器的開環(huán)輸出特性制器的開環(huán)輸出特性3.4.1積分控制規(guī)律及其特點(diǎn)過程控制與自動化儀表23v雖然消除余差是積分控制的顯著優(yōu)點(diǎn)，但在工業(yè)上卻很少單獨(dú)使用積分控制。因?yàn)榕c比例控制相比，積分控制器的輸出變化總是滯后于偏差的變化，控制作用不可能像比例控制那樣及時，從而難以對擾動進(jìn)行及時且有效的抑制。積分作用的滯后性積分作用的滯后性3.4.1積分控制規(guī)律及其特點(diǎn)過程控制與自動化儀表243.4.2比例積分控制規(guī)律與積分時間v將比例作用與積分作用組將比例作用與積分作用組合成比例積分（合成比例積分（PIPI）控制）控制規(guī)律來使用，既規(guī)律來使用，既能及時控能及時控制制，又能，又能消除余差消除

10、余差。比例積分控制器的輸入比例積分控制器的輸入與輸出特性曲線與輸出特性曲線過程控制與自動化儀表25v積分時間積分時間TI定義為：定義為： n在階躍偏差作用下， 控制器的輸出達(dá)到比例輸出的兩倍所經(jīng)歷的時間。積分時間的測定3.4.2比例積分控制規(guī)律與積分時間過程控制與自動化儀表263.4.3積分時間對系統(tǒng)過渡過程的影響v積分時間積分時間TI應(yīng)根據(jù)不同應(yīng)根據(jù)不同的對象特性加以選擇，的對象特性加以選擇，一般情況下一般情況下TI的大致范的大致范圍如下：圍如下：n）壓力控制：TI 0.43min。n）流量控制：TI 0.11min。n）溫度控制：TI 310min。n）液位控制：一般不需積分作用。不變時對

11、過渡過程的影響過程控制與自動化儀表273.5微分控制v3.5.13.5.1微分控制規(guī)律及其特點(diǎn)微分控制規(guī)律及其特點(diǎn)n微分控制是根據(jù)偏差的變化趨勢進(jìn)行動作的，從而避免產(chǎn)生較大的偏差，還可以縮短控制時間。n理想微分控制是指控制器的輸出變化量與輸入偏差的變化速度成正比的控制規(guī)律理想微分控制器輸出特性TD 為控制器的微分時間過程控制與自動化儀表283.5.2比例微分控制規(guī)律及微分時間v微分作用與比例作用結(jié)合，構(gòu)成比例微分控制規(guī)微分作用與比例作用結(jié)合，構(gòu)成比例微分控制規(guī)律（律（PDPD）。）。比例微分控制器的輸出特性曲線過程控制與自動化儀表293.5.3比例微分控制系統(tǒng)的過渡過程微分時間微分時間TD 的

12、大小對的大小對系統(tǒng)過渡過程的影響系統(tǒng)過渡過程的影響若TD 取得太小取得太小，則對系統(tǒng)的控制指標(biāo)沒有影響或影響甚微，如圖中曲線曲線所示；選取適當(dāng)?shù)倪m當(dāng)?shù)腡D，系統(tǒng)的控制指標(biāo)將得到全面的改善，如圖中曲線曲線所示；但若TD 取得過大取得過大，即引入太強(qiáng)的微分作用，反而可能導(dǎo)致系統(tǒng)產(chǎn)生劇烈的振蕩，如圖中曲線曲線所示。過程控制與自動化儀表303.6比例積分微分控制v理想理想PIDPIDv實(shí)際實(shí)際PIDPID比例積分微分控制器比例積分微分控制器的輸出特性曲線的輸出特性曲線過程控制與自動化儀表31PID控制器各種組合控制效果圖控制器各種組合控制效果圖3.6比例積分微分控制過程控制與自動化儀表32v各類生產(chǎn)過

13、程對象常用的控制規(guī)律如下：各類生產(chǎn)過程對象常用的控制規(guī)律如下：n）液位液位：一般要求不高，用P或或PI控制規(guī)律。n）流量流量：時間常數(shù)較小，測量中混有擾動，用PI或加或加反微分反微分控制規(guī)律。n）壓力壓力：介質(zhì)為液體的時間常數(shù)較小，介質(zhì)為氣體的時間常數(shù)中等，用P或或PI控制規(guī)律。n）溫度溫度：容量滯后較大，用PID控制規(guī)律。3.6比例積分微分控制過程控制與自動化儀表333.7控制系統(tǒng)Simulink輔助設(shè)計分析 設(shè)某控制系統(tǒng)的傳遞函數(shù) 利用Simulink仿真工具輔助分析在不同的控制方式下，系統(tǒng)的動態(tài)響應(yīng)情況。系統(tǒng)的控制框圖系統(tǒng)的控制框圖舉例舉例過程控制與自動化儀表34v1.1.采用比例（采用

14、比例（P P）控制）控制v2.2.采用比例積分（采用比例積分（PIPI）控制）控制3.7控制系統(tǒng)Simulink輔助設(shè)計分析過程控制與自動化儀表35v3.3.采用比例微分（采用比例微分（PDPD）控制）控制v4.4.采用比例積分微分（采用比例積分微分（PIDPID）控制）控制3.7控制系統(tǒng)Simulink輔助設(shè)計分析過程控制與自動化儀表36采用不同的控制方式的系統(tǒng)單位階躍響應(yīng)曲線采用不同的控制方式的系統(tǒng)單位階躍響應(yīng)曲線 3.7控制系統(tǒng)Simulink輔助設(shè)計分析過程控制與自動化儀表37采用不同的控制方式的系統(tǒng)單位階躍響應(yīng)曲線采用不同的控制方式的系統(tǒng)單位階躍響應(yīng)曲線 3.7控制系統(tǒng)Simulink輔助設(shè)計分析過程控制與自動化儀表38采用不同的控制方式的系統(tǒng)