第9章-過(guò)程控制系統(tǒng)

1、1第九章第九章 過(guò)程控制系統(tǒng)過(guò)程控制系統(tǒng)2一、組成與分類一、組成與分類LChhspQiQo手動(dòng)控制手動(dòng)控制自動(dòng)控制自動(dòng)控制液位控制系統(tǒng)液位控制系統(tǒng)3控制系統(tǒng)的組成控制系統(tǒng)的組成u對(duì)象：對(duì)象：u檢測(cè)元件及變送器：檢測(cè)元件及變送器：u控制器：控制器：u執(zhí)行器：執(zhí)行器：4液位控制器設(shè)定值hsp偏差e(t)+_測(cè)量值hm(t)干擾通道+液位傳感測(cè)量變送器出水控制閥被控變量h(t)控制信號(hào)u(t)操縱變量Qo(t)控制通道擾動(dòng)Qi(t)液體貯罐液位控制系統(tǒng)的組成與方塊圖液位控制系統(tǒng)的組成與方塊圖控制系統(tǒng)方框圖控制系統(tǒng)方框圖5u被控變量：被控變量：u給定值（設(shè)定值）：給定值（設(shè)定值）：u測(cè)量值：測(cè)量值：u

2、操縱變量（控制變量）：操縱變量（控制變量）：u干擾：干擾：u偏差信號(hào)：偏差信號(hào)：u控制信號(hào)：控制信號(hào)：6u閉環(huán)系統(tǒng)：閉環(huán)系統(tǒng)：u開環(huán)系統(tǒng)：開環(huán)系統(tǒng)：u反饋：反饋：調(diào)節(jié)器執(zhí)行器過(guò)程測(cè)量變送x (t)e (t)u (t)q (t)y (t)z (t)7過(guò)熱蒸汽溫度控制系統(tǒng)TCTT減溫器溫度測(cè)量冷水調(diào)節(jié)器執(zhí)行器過(guò)程測(cè)量變送x (t)e (t)u (t)q (t)y (t)z (t)8液位控制器儲(chǔ)罐HTHC差壓變送器液位調(diào)節(jié)器執(zhí)行器調(diào)節(jié)器執(zhí)行器過(guò)程測(cè)量變送x (t)e (t)u (t)q (t)y (t)z (t)干擾9烤爐溫度控制示意圖調(diào)節(jié)器執(zhí)行器過(guò)程測(cè)量變送x (t)e (t)u (t)q (t)

3、y (t)z (t)10控制系統(tǒng)的分類控制系統(tǒng)的分類u定值控制系統(tǒng)：定值控制系統(tǒng)：將被控制量保持在將被控制量保持在某一定值或很小的范圍中的控制系統(tǒng)。某一定值或很小的范圍中的控制系統(tǒng)。u程序控制系統(tǒng)：程序控制系統(tǒng)：被控量的給定值按被控量的給定值按預(yù)定的時(shí)間程序而變化的控制系數(shù)。預(yù)定的時(shí)間程序而變化的控制系數(shù)。u隨動(dòng)控制系統(tǒng)：隨動(dòng)控制系統(tǒng)：被控量的給定值隨被控量的給定值隨時(shí)間任意地變化的控制系統(tǒng)。時(shí)間任意地變化的控制系統(tǒng)。11二、過(guò)程控制系統(tǒng)的發(fā)展概況二、過(guò)程控制系統(tǒng)的發(fā)展概況u第一階段（第一階段（2020世紀(jì)世紀(jì)5050年代）：年代）： 采用基地式儀表和部分單元組合采用基地式儀表和部分單元組合儀

4、表。信號(hào)標(biāo)準(zhǔn)：儀表。信號(hào)標(biāo)準(zhǔn)：0.2-1.0kgf/cm0.2-1.0kgf/cm2 2。u第二階段（第二階段（2020世紀(jì)世紀(jì)6060年代）：年代）： 采用半導(dǎo)體分立元件制造的電動(dòng)采用半導(dǎo)體分立元件制造的電動(dòng)IIII型儀表，集中控制，計(jì)算機(jī)開始應(yīng)型儀表，集中控制，計(jì)算機(jī)開始應(yīng)用。信號(hào)標(biāo)準(zhǔn)：用。信號(hào)標(biāo)準(zhǔn)：0-10mADC0-10mADC。12u第三階段（第三階段（2020世紀(jì)世紀(jì)7070年代）：年代）： 采用電動(dòng)采用電動(dòng)IIIIII型儀表，型儀表，DCSDCS和和PLCPLC得得到應(yīng)用。信號(hào)標(biāo)準(zhǔn)：到應(yīng)用。信號(hào)標(biāo)準(zhǔn)：4-20mADC4-20mADC。u第四階段（第四階段（2020世紀(jì)世紀(jì)8080

5、年代）：年代）： DCS DCS廣泛應(yīng)用，自動(dòng)化儀表數(shù)字廣泛應(yīng)用，自動(dòng)化儀表數(shù)字化、智能化，網(wǎng)絡(luò)、通信技術(shù)應(yīng)用?；?、智能化，網(wǎng)絡(luò)、通信技術(shù)應(yīng)用。u第五階段（第五階段（2020世紀(jì)世紀(jì)9090年代）：年代）： 現(xiàn)場(chǎng)總線控制系統(tǒng)和智能化儀表。現(xiàn)場(chǎng)總線控制系統(tǒng)和智能化儀表。13三、過(guò)程控制系統(tǒng)的過(guò)渡過(guò)程三、過(guò)程控制系統(tǒng)的過(guò)渡過(guò)程和品質(zhì)指標(biāo)和品質(zhì)指標(biāo)自動(dòng)控制系統(tǒng)的靜態(tài)與動(dòng)態(tài)自動(dòng)控制系統(tǒng)的靜態(tài)與動(dòng)態(tài)u系統(tǒng)的靜態(tài)：系統(tǒng)的靜態(tài)：被控量不隨時(shí)間而變被控量不隨時(shí)間而變化的平衡狀態(tài)?；钠胶鉅顟B(tài)。u系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)：系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)：被控量隨時(shí)間而變化被控量隨時(shí)間而變化的不平衡狀態(tài)。的不平衡狀態(tài)。14自動(dòng)控制系統(tǒng)的過(guò)渡過(guò)程自

6、動(dòng)控制系統(tǒng)的過(guò)渡過(guò)程u系統(tǒng)的過(guò)渡過(guò)程：系統(tǒng)的過(guò)渡過(guò)程：當(dāng)系統(tǒng)的輸入發(fā)當(dāng)系統(tǒng)的輸入發(fā)生變化后，被控量隨時(shí)間不斷變化的生變化后，被控量隨時(shí)間不斷變化的過(guò)程。過(guò)程。u過(guò)渡過(guò)程的基本形式：過(guò)渡過(guò)程的基本形式：l發(fā)散振蕩發(fā)散振蕩l等幅振蕩等幅振蕩l衰減振蕩衰減振蕩l單調(diào)振蕩單調(diào)振蕩15012340.00.51.01.52.0t發(fā)散振蕩發(fā)散振蕩16等幅振蕩等幅振蕩02468101214160.00.20.40.60.81.01.21.41.61.82.0 h(t)t F117衰減振蕩衰減振蕩05101520250.00.20.40.60.81.01.21.41.6 h(t)t18單調(diào)振蕩單調(diào)振蕩02468

7、10120.00.20.40.60.81.0 h(t)t19自動(dòng)控制系統(tǒng)的品質(zhì)指標(biāo)自動(dòng)控制系統(tǒng)的品質(zhì)指標(biāo)u衰減比衰減比n n：振蕩過(guò)程的第一個(gè)波的振振蕩過(guò)程的第一個(gè)波的振幅與第二個(gè)波的振幅之比。幅與第二個(gè)波的振幅之比。u衰減率衰減率 ：經(jīng)過(guò)一個(gè)周期后，波動(dòng)經(jīng)過(guò)一個(gè)周期后，波動(dòng)幅度衰減的百分比。幅度衰減的百分比。2005101520250.00.20.40.60.81.01.21.41.6 h(t)ty2y1y1衰減比y2y1-y2衰減率y121u最大偏差最大偏差A(yù) A：被控參數(shù)第一個(gè)波的峰被控參數(shù)第一個(gè)波的峰值與給定值的差。值與給定值的差。u余差余差e e：系統(tǒng)過(guò)渡過(guò)程終了時(shí)給定值系統(tǒng)過(guò)渡過(guò)程

8、終了時(shí)給定值與被控參數(shù)穩(wěn)定值之差。與被控參數(shù)穩(wěn)定值之差。2205101520250.00.20.40.60.81.01.21.41.6 h(t)t最大偏差給定值余差23u穩(wěn)定時(shí)間穩(wěn)定時(shí)間t ts s：系統(tǒng)過(guò)渡過(guò)程曲線進(jìn)系統(tǒng)過(guò)渡過(guò)程曲線進(jìn)入新的穩(wěn)定值的入新的穩(wěn)定值的5%5%或或2%2%范圍內(nèi)所需的范圍內(nèi)所需的時(shí)間。時(shí)間。u峰值時(shí)間峰值時(shí)間t tp p：系統(tǒng)過(guò)渡過(guò)程曲線到系統(tǒng)過(guò)渡過(guò)程曲線到達(dá)第一個(gè)峰值所需的時(shí)間，反映系統(tǒng)達(dá)第一個(gè)峰值所需的時(shí)間，反映系統(tǒng)響應(yīng)的靈敏程度。響應(yīng)的靈敏程度。2405101520250.00.20.40.60.81.01.21.41.6 h(t)t給定值tpts余差2%或5

9、%25對(duì)控制系統(tǒng)的性能要求：對(duì)控制系統(tǒng)的性能要求：u穩(wěn)：穩(wěn)：動(dòng)態(tài)過(guò)程的振蕩傾向和系統(tǒng)重動(dòng)態(tài)過(guò)程的振蕩傾向和系統(tǒng)重新恢復(fù)平衡工作狀態(tài)的能力。新恢復(fù)平衡工作狀態(tài)的能力。012340.00.51.01.52.0t05101520250.00.20.40.60.81.01.21.41.61.82.0 h(t)t過(guò)程2過(guò)程126u準(zhǔn)：準(zhǔn)：系統(tǒng)過(guò)渡到新的平衡工作狀態(tài)系統(tǒng)過(guò)渡到新的平衡工作狀態(tài)后或系統(tǒng)受到擾動(dòng)后重新恢復(fù)平衡后，后或系統(tǒng)受到擾動(dòng)后重新恢復(fù)平衡后，最終保持的精度，反映了動(dòng)態(tài)后期的最終保持的精度，反映了動(dòng)態(tài)后期的性能。性能。1012141618202224260.00.40.81.21.6t過(guò)程2

10、過(guò)程127u快：快：動(dòng)態(tài)過(guò)程進(jìn)行的時(shí)間長(zhǎng)短，過(guò)動(dòng)態(tài)過(guò)程進(jìn)行的時(shí)間長(zhǎng)短，過(guò)程時(shí)間持續(xù)很長(zhǎng)，將使系統(tǒng)長(zhǎng)時(shí)間出程時(shí)間持續(xù)很長(zhǎng)，將使系統(tǒng)長(zhǎng)時(shí)間出現(xiàn)大偏差，同時(shí)也說(shuō)明系統(tǒng)響應(yīng)很遲現(xiàn)大偏差，同時(shí)也說(shuō)明系統(tǒng)響應(yīng)很遲鈍，難以復(fù)現(xiàn)快速變化的信號(hào)。鈍，難以復(fù)現(xiàn)快速變化的信號(hào)。051 01 52 02 50 .00 .20 .40 .60 .81 .01 .21 .41 .6 h(t)t過(guò)程2過(guò)程128四、過(guò)程特性四、過(guò)程特性對(duì)象特性的類型：對(duì)象特性的類型： 指當(dāng)被控量（操縱變量或擾動(dòng)變量）指當(dāng)被控量（操縱變量或擾動(dòng)變量）發(fā)生變化時(shí)輸出變量（被控變量）隨時(shí)發(fā)生變化時(shí)輸出變量（被控變量）隨時(shí)間的變化規(guī)律。間的變化規(guī)律

11、。29u自衡的非振蕩過(guò)程：自衡的非振蕩過(guò)程：在階躍作用下，在階躍作用下，被控變量無(wú)須外加任何控制作用、不被控變量無(wú)須外加任何控制作用、不經(jīng)振蕩過(guò)程能逐漸趨于新的狀態(tài)的性經(jīng)振蕩過(guò)程能逐漸趨于新的狀態(tài)的性質(zhì)。質(zhì)。Q2Q1h1h230012340.00.20.40.60.81.01.2u(t)t012340.00.20.40.60.81.01.2h(t)t液位控制的階躍響應(yīng)液位控制的階躍響應(yīng)31u無(wú)自衡的非振蕩過(guò)程：無(wú)自衡的非振蕩過(guò)程：在階躍作用在階躍作用下，被控變量不能建立新的平衡狀態(tài)。下，被控變量不能建立新的平衡狀態(tài)。024681012141618200246810121416182032u有自

12、衡的振蕩過(guò)程：有自衡的振蕩過(guò)程：在階躍作用下，在階躍作用下，被控變量出現(xiàn)衰減振蕩過(guò)程，最后趨被控變量出現(xiàn)衰減振蕩過(guò)程，最后趨于新的穩(wěn)態(tài)值。于新的穩(wěn)態(tài)值。u具有反向特性的過(guò)程：具有反向特性的過(guò)程：在階躍作用在階躍作用下，被控變量起始時(shí)的變化方向與最下，被控變量起始時(shí)的變化方向與最終的變化方向相反。終的變化方向相反。33描述對(duì)象特性的參數(shù)：描述對(duì)象特性的參數(shù)：u放大系數(shù)放大系數(shù)K K：在兩個(gè)穩(wěn)定狀態(tài)下，輸在兩個(gè)穩(wěn)定狀態(tài)下，輸出量的變化值與輸入量的變化值之比。出量的變化值與輸入量的變化值之比。u時(shí)間常數(shù)時(shí)間常數(shù)T Tc c：對(duì)象在階躍擾動(dòng)作用對(duì)象在階躍擾動(dòng)作用下，被調(diào)量以最大的速度變化到新穩(wěn)下，被調(diào)

13、量以最大的速度變化到新穩(wěn)態(tài)值時(shí)所需要的時(shí)間。態(tài)值時(shí)所需要的時(shí)間。u滯后時(shí)間滯后時(shí)間：當(dāng)輸入量變化時(shí)，被當(dāng)輸入量變化時(shí)，被控量要滯后一定的時(shí)間才開始變化?？亓恳獪笠欢ǖ臅r(shí)間才開始變化。34五、被控過(guò)程的數(shù)學(xué)模型五、被控過(guò)程的數(shù)學(xué)模型u靜態(tài)數(shù)學(xué)模型：靜態(tài)數(shù)學(xué)模型：u動(dòng)態(tài)數(shù)學(xué)模型：動(dòng)態(tài)數(shù)學(xué)模型：35三類主要的信息源：三類主要的信息源： 1 1、要確定明確的輸入量與輸出量、要確定明確的輸入量與輸出量 通常選一個(gè)可控性良好，對(duì)輸出量影響通常選一個(gè)可控性良好，對(duì)輸出量影響最大的一個(gè)輸入信號(hào)作為輸入量，其余最大的一個(gè)輸入信號(hào)作為輸入量，其余的輸入信號(hào)則為干擾量。的輸入信號(hào)則為干擾量。362 2、要有先驗(yàn)知

14、識(shí)、要有先驗(yàn)知識(shí) 在建模中，被控對(duì)象內(nèi)部所進(jìn)行的物理、在建模中，被控對(duì)象內(nèi)部所進(jìn)行的物理、化學(xué)過(guò)程符合已經(jīng)發(fā)現(xiàn)的許多定理、原化學(xué)過(guò)程符合已經(jīng)發(fā)現(xiàn)的許多定理、原理及模型。理及模型。 在建模中必須掌握建模對(duì)在建模中必須掌握建模對(duì)象所要用到的先驗(yàn)知識(shí)。象所要用到的先驗(yàn)知識(shí)。3 3、試驗(yàn)數(shù)據(jù)、試驗(yàn)數(shù)據(jù) 過(guò)程的信息能通過(guò)對(duì)對(duì)象的試驗(yàn)與測(cè)量過(guò)程的信息能通過(guò)對(duì)對(duì)象的試驗(yàn)與測(cè)量而獲得。而獲得。37被控對(duì)象數(shù)學(xué)模型的要求被控對(duì)象數(shù)學(xué)模型的要求: :u要求它要求它準(zhǔn)確、可靠準(zhǔn)確、可靠。 u在線運(yùn)用的數(shù)學(xué)模型要求在線運(yùn)用的數(shù)學(xué)模型要求實(shí)時(shí)性實(shí)時(shí)性。 u在建立數(shù)學(xué)模型時(shí)，要在建立數(shù)學(xué)模型時(shí)，要抓住主要因素，抓住主要因

15、素，忽略次要因素忽略次要因素，需要做很多近似處理，需要做很多近似處理，如：線性化、分布參數(shù)系統(tǒng)和模型降階如：線性化、分布參數(shù)系統(tǒng)和模型降階處理等。處理等。38u用于控制的數(shù)學(xué)模型用于控制的數(shù)學(xué)模型并不要求非常準(zhǔn)并不要求非常準(zhǔn)確確。閉環(huán)控制本身具有一定的魯棒性，。閉環(huán)控制本身具有一定的魯棒性，模型的誤差可以視為干擾，閉環(huán)控制在模型的誤差可以視為干擾，閉環(huán)控制在某種程度上具有自動(dòng)消除干擾影響的能某種程度上具有自動(dòng)消除干擾影響的能力。力。39機(jī)理建模機(jī)理建模原理：原理：根據(jù)對(duì)象或生產(chǎn)過(guò)程的內(nèi)部機(jī)根據(jù)對(duì)象或生產(chǎn)過(guò)程的內(nèi)部機(jī)理，寫出各種有關(guān)的平衡方程從而獲理，寫出各種有關(guān)的平衡方程從而獲取對(duì)象或過(guò)程的數(shù)

16、學(xué)模型。取對(duì)象或過(guò)程的數(shù)學(xué)模型。特點(diǎn)：特點(diǎn)：概念明確、適用范圍寬，要求概念明確、適用范圍寬，要求對(duì)該過(guò)程機(jī)理明確。對(duì)該過(guò)程機(jī)理明確。40u用機(jī)理法建模的用機(jī)理法建模的首要條件首要條件是生產(chǎn)過(guò)是生產(chǎn)過(guò)程的機(jī)理必須為人們充分掌握，可以程的機(jī)理必須為人們充分掌握，可以比較確切的加以數(shù)學(xué)描述比較確切的加以數(shù)學(xué)描述。u模型應(yīng)該盡量模型應(yīng)該盡量簡(jiǎn)單簡(jiǎn)單，保證達(dá)到，保證達(dá)到合理合理的精度。的精度。u用機(jī)理法建模時(shí)，出現(xiàn)模型中某些用機(jī)理法建模時(shí)，出現(xiàn)模型中某些參數(shù)難以確定的情況或用機(jī)理法建模參數(shù)難以確定的情況或用機(jī)理法建模太煩瑣，可以用太煩瑣，可以用測(cè)試的方法測(cè)試的方法來(lái)建模。來(lái)建模。41424344實(shí)驗(yàn)建模

17、實(shí)驗(yàn)建模原理：原理：對(duì)對(duì)過(guò)程的輸入過(guò)程的輸入（包括控制變量（包括控制變量與擾動(dòng)變量）施與擾動(dòng)變量）施加一定形式的激勵(lì)信加一定形式的激勵(lì)信號(hào)號(hào)，如階躍、脈沖信號(hào)等，同時(shí)記錄，如階躍、脈沖信號(hào)等，同時(shí)記錄相關(guān)的輸入輸出數(shù)據(jù)，再對(duì)這些數(shù)據(jù)相關(guān)的輸入輸出數(shù)據(jù)，再對(duì)這些數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，由此獲得對(duì)象的動(dòng)態(tài)模型。進(jìn)行處理，由此獲得對(duì)象的動(dòng)態(tài)模型。特點(diǎn)：特點(diǎn)：無(wú)需深入了解過(guò)程機(jī)理，但適無(wú)需深入了解過(guò)程機(jī)理，但適用范圍小，模型準(zhǔn)確性有限。用范圍小，模型準(zhǔn)確性有限。45u為了獲得動(dòng)態(tài)特性，必須使被研究為了獲得動(dòng)態(tài)特性，必須使被研究的過(guò)程處于被激勵(lì)的狀態(tài)，施加一個(gè)的過(guò)程處于被激勵(lì)的狀態(tài)，施加一個(gè)階躍擾動(dòng)或脈沖擾動(dòng)等。階躍擾動(dòng)或脈沖擾動(dòng)等。u用測(cè)試法建模一般比用機(jī)理法建模用測(cè)試法建模一般比用機(jī)理法建模要簡(jiǎn)單和省力，如果兩者都能達(dá)到同要簡(jiǎn)單和省力，如果兩者都能達(dá)到同樣的目的，一般都采用測(cè)試法建模。樣的目的，一般都采用測(cè)試法建模。46測(cè)試法建模又可分為測(cè)試法建模又可分為經(jīng)典辨識(shí)法經(jīng)典辨識(shí)法和和現(xiàn)現(xiàn)代辨識(shí)法代辨識(shí)法兩大類。兩大類。 經(jīng)典辨識(shí)法只需對(duì)少量的測(cè)試數(shù)據(jù)進(jìn)經(jīng)典辨識(shí)法只需對(duì)少量的測(cè)試數(shù)據(jù)進(jìn)行簡(jiǎn)單的數(shù)學(xué)處理，行簡(jiǎn)單的數(shù)學(xué)處理， 現(xiàn)代辨識(shí)法可以現(xiàn)代辨識(shí)法可以消除測(cè)試數(shù)據(jù)中的偶然性誤差即噪聲消除測(cè)試數(shù)據(jù)中的偶然性誤差即噪聲的影響，需要處理大量