哈工大的过程控制课程第一章.ppt

第一篇 简单控制系统 简单控制系统指SISO（single input single output）的线性系统，是控制系统的基本形式。也称单回路系统，单回路调节系统，指一个被调量、一个调节量、一个调节器和调节阀组成的系统，只有一个调节回路，这类系统在过程控制中占大部分，约80%以上。 复杂控制系统在简单系统的基础上发展起来的。 其特点： （1）结构简单，容易掌握 （2）具有广泛的适应性 （3）经济实用 （4）可靠性高 控制系统的组成（仪表） 被控对象：在自动控制系统中，工艺变量需要控制的生产设备或机器称为被控制对象。 ? 测量元件和变送器：测量需控制的式艺参数并将其转化为一种特定信号的仪器。 执行器：接受调节器送来的信号，自动地改变阀门（挡板等）的开度，从而改变输送给被控对象的能量和或物料量。 调节器：控制器，将检测元件或变送器送来的信号志其内部的工艺参数给定值信号进行比较，得到偏差信号；根据偏差的大小按一定的运算规律计算出控制信号，将控制信号传送给执行器。 还有一些辅助装置，如给定装置、转换装置、显示仪表等。 被控对象、调节对象（process, plant, object） 被控变量、被调量(controlled variable) 给定值(set point) 操纵变量、调节量(manipulated variable) 扰动、噪声、干扰(disturbance, noise) 检测变送(sensor, transmitter) 控制器、调节器(controller, regulator ) 执行器(control valve, actuator, control element) 1.衰减比n：衰减比（Subsidence ratio）是控制系统的稳定性指标。是相邻同方向两个波峰的幅值之比。即： n1发散振荡不稳定；n=1等幅振荡； n1衰减振荡；n无穷大为非周期过程 衰减率ψ表示控制系统的稳定性。每经过一个周期后，波动幅度衰减的百分数，即： 对定值系统衰减率要求为75%； 对随动系统衰减率要求为90% 2．超调量和最大动态偏差： 随动控制系统中，超调量（Overshoot）σ定义为： 定值控制系统采用最大动态偏差A表示超调程度。即： 3．余差e(∞) ：控制系统的最终稳态偏差 在阶跃输入作用下，余差（Steady-state error）为： 定值控制系统中，r=0，因此有： 余差是控制系统稳态准确性指标。 4．回复时间Ts和振荡频率ω ：被控变量从过渡过程开始到进入稳态值±5%或±2%范围内（误差带）的时间作为过渡过程的回复时间Ts（Settling time），是控制系统的快速性指标。 振荡频率ω与振荡周期T的关系是 相同衰减比n下， ω越高，回复时间Ts越短；在相同ω下， n越大， Ts越短。 一、基本概念 控制系统的运行效果取决于被控对象（内因）和控制系统（外因）两个方面。 外因只有通过内因起作用，内因是最终效果的决定因素。 设计调节系统的前提是：正确掌握工艺系统调节作用（输入）与调节结果（输出）之间的关系——对象的特性。 1.定义：所谓研究对象的特性，就是用数学的方法来描述出对象输入量与输出量之间的关系——数学建模。 对象的数学模型：对象特性的数学描述。 2. 对象特性的分类 对象的数学模型可以分为静态数学模型和动态数学模型。 ★静态数学模型描述的是对象在稳定时（静态）的输入与输出关系； ★动态数学模型描述的是在输入量改变以后输出量跟随变化的规律； 动态数学模型是更精确的模型，静态数学模型是动态数学模型在对象达到平衡时的特例。 3.系统的动态特性：对象受到干扰作用或调节作用后，被调参数跟随变化规律。 ★研究系统动态特性的核心是：寻找系统输入与输出之间的（函数）规律。 ? 系统输入量：干扰作用、调节作用 ? 系统输出量：系统的主要被调参数、副作用 ★数学模型的表示方法： ? 非参量模型：用曲线、图表表示的系统输入与输出量之间的关系； ? 参量模型：用数学方程式表示的系统输入与输出量之间的关系。 4. 对象动态特性的研究方法 ★理论分析 根据系统工艺实际过程的数、质、量关系，分析计算输入量与输出量之间的关系。 ★实验研究 有些系统的输入与输出之间的关系是比较难以通过计算来获得的。需要在实际系统或实验系统中，通过一组输入来考察输出的跟随变化规律——反映输