3 化工自动控制系统的基本概念.ppt

华北电力大学 可再生能源学院 能源工程及自动化教研室 华北电力大学 太阳能中心,授课教师：朱红路,化工仪表及过程控制 第一章 自动控制系统基本概念,本章内容,化工自动化的主要内容 化工自动控制系统的基本组成及方块图 化工自动控制系统的分类 化工自动控制系统的过渡过程及品质指标 工艺管道及控制流程图,化工自动控制系统的分类,（1）定值控制系统,其中 r（t）给定值，c（t）被控量。,定值控制系统：也称恒值控制系统。输出量以一定的精度等于给定值，而给定值一般不变化或变化很缓慢，扰动可随时变化的系统称为恒值系统，在生产过程中，这类系统非常多。例如，冶金部门的恒温系统，石油部门的恒压系统等。,c（t） r（t） const,1 按给定值的变化形式分类,（2）随动控制系统,r（t）为未知时间函数。,随动系统：输出量能以一定精度跟随给定值变化的系统称随动系统，又称为跟踪系统。这类系统的特点是系统的给定值变化规律完全取决于事先不能确定的时间函数。例如，火炮系统等。,c（t） r（t）,（2）随动控制系统,（3）程序控制系统,r（t）为已知时间函数。,程序控制系统：自动控制系统的被控制量如果是根据预先编好的程序进行控制的系统称程序控制系。例如，炼钢炉中的微机控制系统，洲际弹道导弹的程序控制系统、电梯升降控制、退火炉的炉温控制等。,c（t） r（t）,洲际弹道导弹视屏,（1）线性控制系统,如果系统的特性可用线性微分 (或差分）方程描述，即系统中各环节的特性都呈线性关系，则称此系统为线性控制系统。,2 按系统的特性（数学模型）分类,线性系统的主要特征是满足叠加原理，即：当系统在输入信号r1(t)的作用下产生系统的输出c1(t)，当系统在输入信号r2(t)的作用下产生系统的输出c2(t)。如果系统的输入信号为 ar1(t)+br2(t) 则系统的输出满足: ac1(t)+bc2(t) 系数a、b可以是常数，也可以是时变参数。这样的系统称为线性系统。,(2) 非线性控制系统,当系统中存在非线性特性的组成环节或元件，系统的特性就由非线性方程描述，这种系统即为非线性系统。非线性系统不具备叠加性。,（1） 连续控制系统,系统中个部分的信号都是时间变量的连续函数。连续系统的运动状态或特性用微分方程描述。用模拟式仪表实现自动化的过程控制系统均属此类系统。,3 按系统信号流的形式分类,（2）离散控制系统,系统某处或多处的信号为时间上离散的脉冲序列或数码形式时，该系统为离散控制系统。 离散控制系统用差分方程描述。,离散控制系统:,（1） 单变量系统,单变量系统也称作单输入单输出系统，其输入量和输出量都为1个，系统结构较为简单。,4 按系统变量的多少分类,（2） 多变量系统,单变量系统也称作多输入多输出系统，其输入量和输出量多于1个，系统结构较为复杂。,分类小结,本章内容,化工自动化的主要内容 化工自动控制系统的基本组成及方块图 化工自动控制系统的分类 化工自动控制系统的过渡过程及品质指标 工艺管道及控制流程图,控制系统的过渡过程,1、控制系统的过渡过程 对于一个自动控制系统，扰动作用是经常存在的。假如一个自动控制系统原来处于某一相对平衡状态，由于扰动的作用，平衡被破坏，被控变量也就产生波动，经过控制器的控制作用，使系统达到一个新的平衡状态。从扰动作用，发生时起到控制器的控制作用使系统达到新的平衡时为止，这段时间内被控变量的变化过程，称为控制系统的过渡过程。亦即系统从一个平衡状态过渡到另一个平衡状态的过程。 在阶跃扰动（或给定）的作用下，控制系统的过渡过程有如下五种基本形式。,被控变量,时间,（1）发散振荡过程,设定值,被控变量,时间,（2）等幅荡过程,设定值,被控变量,时间,（3）衰减振荡过程,设定值,被控变量,时间,（4）非周期衰减 （5）非周期发散,设定值,非周期发散,非周期衰减,被控变量,时间,阶跃给定作用下系统的过渡过程,设定值,总结：什么是所期望的过渡过程？什么是应该避免的过渡过程？,2、影响控制系统过渡过程的主要因素,一个简单的自动控制系统由个环节组成，可以概括为由被控对象和自动化装置两个部分组成。影响控制系统过渡过程的主要因素来自这两个部分。下面分别介绍。,过渡过程由控制系统本身决定！,什么叫被控对象的特性呢？就是指对象受到扰动作用后，被控变量是如何变化的。换句话说，就是对象的输入发生变化时，其输出是如何变化的，变化的快慢如何，以及最终变化了多少等等。,（一）被控对象特性对控制质量的影响,1. 对象的自平衡能力,依控制对象有无自平衡能力划分，可分为有自平衡能力被控对象和无自平衡能力被控对象。 自平衡能力：指对象在受到扰动后，仅依靠自身能力而不依靠任何外加的调节作用就能使被调量趋于某一稳定值的能力。,无自平衡能力的被控对象称为无自平衡能力被控对象，简称无自平衡对象。,2. 对象的放大系数,对于有自衡能力的对象，输入量一定时，输出量最终也是一定的，且不同的输入量对应着不同的输出量。把自衡对象的前后两个状态(平衡状态)的输出变化量与输入变化量之比，称为对象的放大系数。 K=（Y2-Y1）/（X2-X1） K大，控制起来比较灵敏，但稳定性差；K小，则不大灵敏，但较稳定。,3. 对象的容量和容量系数,对象的容量就是指对象能够存放物料量或能量的能力。 对象的容量系数就是被控变量变化一个单位时，需要向对象加入或取出的物料量或能量。 S=（Q2-Q1）/（Y2-Y1） 式中： S容量系数。 Q容量。 Y被控变量。 S越大，所引起的被控变量变化就比较慢而小，对象的灵敏度就较低；相反，对象的灵敏度就高。,4. 对象的滞后时间,对象的被控变量（输出变量）落后于控制作用或扰动作用（输入变量）的现象，叫做滞后。滞后一般分两种：即纯滞后和容量滞后。 当对象的输入作用变化后，输出变量不是立即变化，而是要经过一段时间后才开始变化的现象叫纯滞后。用符号0表示。,当对象的输入作用变化后，输出变量开始变化的速度非常慢，然后才慢慢加快，最后又变慢，即成“S型“这种现象叫容量滞后。用符号c表示。 容量滞后一般是由于物料量或能量在传递过程中有一定有阻力而引起的。,5.对象的时间常数,当对象的输入作用变化后，输出量以最快速度达到新的稳态值所需要的时间，称对象的时间常数。用符号T表示。,H,时间,液位,时间,液位,时间,H,T,T,不同对象的反应曲线,通常用滞后时间=0+c与时间常数T的比值来表示对象滞后的严重程度。 当/T1为大滞后对象。 被控对象的控制通道的滞后时间直接影响控制质量。滞后严重到一定程度，常规的PID控制系统就无能为力了。（即控制作用无效果）,6.控制通道静态特性对被控变量的影响 从理论推导和实践证明，在选择构成控制系统时，被控对象控制通道的静态特性放大倍数K0希望大些。K0大表明操纵变量对被控变量有足够大的灵敏度，使控制作用更为有效。被控对象的放大倍数K0，可以通过整定控制器的放大倍数KC来补偿。,控制器 Kc,控制阀 Kv,被控对象 K0,7.扰动通道静态特性对被控变量的影响 至于被控对象扰动通道的放大倍数Kf应愈小愈好。这表示扰动对被控变量的影响不大，过渡过程的超调量不大，故确定控制系统时，要考虑被控对象扰动通道的静态特性。 8.控制通道动态特性对被控变量的影响 控制器的较正作用，是通过控制通道加于被控对象去影响被控变量的。因而要求被控对象控制通道的时间常数TC适当小，使之反应灵敏，控制及时，获得良好的控制质量。但时间常数TC也不能过小，否则容易引起振荡；同时也不能过大，而使操纵变量校正作用迟缓，超调量大，回复时间加长。,自动控制系统中一切先进的控制理论、巧妙的控制思想、复杂的控制策略都是通过执行器对被控对象进行作用的。,(二) 控制阀的特性对控制质量的影响,1.控制阀的流量特性,它表示控制阀的开度与流过它的流量之间的关系。具体地说，流量特性就是调节阀的相对开度与流过阀的相对流量之间的函数关系。,1.控制阀的流量特性,它表示控制阀的开度与流过它的流量之间的关系。具体地说，流量特性就是调节阀的相对开度与流过阀的相对流量之间的函数关系。,相对开度（%）,相对流量（%）,1直线 2对数 3快开 4抛物线,1,2,3,4,理想流量特性？,测量元件和变送器的特性与控制对象一样，也是用放大系数Km、时间常数Tm和滞后时间m来表示。它们对控制质量的影响也和对象一样。若是它们测量的被控参数不准或不及时，控制系统就会按照一个不正确的信号动作，不但给操作人员造成错觉，误认为工况正常，甚至严重时还会造成事故。 绝大多数变送器的输入与输出信号间成线性关系，其时间常数和滞后时间都很小，只有放大系数Km是可以调节的。,(三) 测量元件、变送器的特性对控制质量的影响,自动控制系统性能指标,1 基本性能要求,为了实现自动控制的基本任务，必须对系统在控制过程中表现出来的行为提出要求。对控制系统的基本要求，通常是通过系统对特定输入信号的响应来满足的。例如，用单位阶跃信号的过渡过程及稳态的一些特征值来表示。在确保稳定性的前提下，要求系 统的动态性能和稳态性能好，即：,动态过程平稳（稳定性）； 响应动作要快（快速性）； 跟踪值要准确（准确性）；,（1）控制系统的“稳态(静态)”和“动态”,稳态：被控量不随时间变化的平衡状态,动态：被控量随时间变化的不平衡状态,由于存在干扰，控制系统的正常运行状态总是“稳态”和“动态”间交叉运行。,稳定性(稳)、快速性(快)、准确性(准) (1)“稳”与“快”是说明系统动态（过渡过 程）品质。 (2)“准”是说明系统的稳态（静态）品质。 (3)稳定性 是保证控制系统正常工作的先决条件。线性控制系统的稳定性由系统本身的结构与参数所决定的，与外部条件和初始状态无关。,（2）自动控制系统性能指标,延迟时间 响应曲线第一次达到稳态值的一半所需时间。,上升时间 从稳态值的10%上升到90%所需时间。 （对欠阻尼系统常采用0-100%）,峰值时间 响应曲线达到过调量的第一个蜂值所需的时间。,超调量,输出最大值与输出稳态值的相对误差。 反映了系统的平稳性。超调量越小，则说明系统过渡过程越平稳。,调节时间 (过渡过程时间),系统的输出量进入并一直保持在稳态输出值附近的允许误差带内所需的时间。允许误差带宽度一般取稳态输出值的2%或5%。 调节时间的长短反映了系统的快速性。调节时间越小，系统的快速性越好。,衰减率,系统输出的第一个波动峰值B1到第三个波动峰值B3的衰减百分数。它表示系统输出响应过程振荡衰减的程度。,振荡次数 在调节时间内，输出量在稳态值附近上下波动的次数。 它也反映系统的平稳性。振荡次数越少，说明系统的平稳性越好。,当系统从一个稳态过渡到新的稳态，或系统受扰动作用又重新平衡后，系统可能会出现偏差，这种偏差称为稳态误差。 系统稳态误差的大小反映了系统的稳态精度，它表明了系统控制的准确程度和抗扰动的能力。稳态误差越小，则系统的稳态精度越高。,稳态误差,有差系统（图a） 若稳态误差不为零，则系统称为有差系统。 无差系统（图b） 若稳态误差为零，则系统称为无差系统。,控制系统的品质指标计算实例： 某换热器的温度控制系统在单位阶跃干扰作用下的过渡过程曲线如下图所示。试分别求出最大偏差、余差、衰减比、振荡周期和过渡时间(给定值为200°C)。,控制系统评价的时间域综合评价指标,控制系统评价的时间域综合评价指标,控制系统评价的时间域综合评价指标,控制系统评价的时间域综合评价指标,