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第二章 过程装备控制基础 本章讲述简单过程控制系统的设计以及复杂控制系统的结构、特点及应用。 控制系统设计步骤： 1.全面了解被控对象； 2.确定控制方案和整定调节器参数； 3.系统投运； 4. 简单控制系统不能满足生产过程的控制要求时，要选用适当的复杂控制系统。 §2-1 被控对象的特性 控制质量的优劣取决于自动控制系统的结构及各个环节的特性。 被控对象的特性由生产工艺过程和工艺设备决定。 为设计出合适的控制方案，必须深刻了解被控对象的特性，以取得良好的控制质量。 一．被控对象的特征： 被控对象的特性： 被控对象的输入变量发生变化时，输出变量随时间的变化规律。 输出变量：控制系统的被控变量； 输入变量：a.控制系统的操纵变量； b.干扰作用。 通道: 被控对象输入变量与输出变量之 间的联系通道； 控制通道: 操纵变量与被控变量之间的 联系通道； 干扰通道: 干扰作用与被控变量之间的 联系通道。 通常所讲的对象特性是控制通道的对象特性。 在静态条件下，流入对象的物料(或能量)等于从系统中流出的物料(或能量)； 在动态条件下，单位时间流入对象的物料(或能量)与单位时间从系统中流出的物料(或能量)之差 等于系统内物料(或能量)贮存量的变化率。 被控对象的数学描述: 由这两种关系推导出来的微分方程。 1．单容液位对象： H---液位 (输出变量) qvl---水槽的进水流量， 由管路上的阀1来调节； qv2---水槽的出水流量，由管道上阀2的开度来控制； qvl、qv2---体积流量 设水槽的横截面积为A，为常数： 当qv1发生变化时，液位H将随之变化，水槽出口处的静压液随之发生变化，流出量qv2亦发生变化。 流出量qv2与液位H成正比关系，而与出水阀的水阻Rs成反比关系，即: 上式是用来描述单容水槽被控对象的微分方程式，为一阶常系数微分方程式。 称此被控对象为： 一阶被控对象 静态: 流入水槽的流量qv1等于流出水槽的流量qv2，液位稳定在某一数值Ho上，处于平衡状态。 动态：在t。时刻，进口流量qvl突然有一阶跃变化量Δqv1，可由式(2-5)求出相应的液位变化量: 根据上式画出水槽液位在阶跃输入作用下的单容自衡特性曲线： 在初始阶段，由于qvl突然增加而流出量qv2还没有变化，因此液位H上升速度很快；随着液位的上升，水槽出口处的静压增大，qv2随之增加，qvl与qv2之间的差值就越来越小，液位H的上升速度逐渐变慢。 结论 被控对象的自衡特性： 当输入变量发生变化破坏了被控对象的平衡而引起输出量变化时，在没有人为干预的情况下，被控对象自身能够重新恢复平衡。 (2) 无自衡特性的单容对象 泵的出口流量qv2不随液位变化而变化，其对象的动态方程为： 单容液位对象 小结： (1) 有自衡特性的单容对象 ： 2．双容液位对象 流入量qvl由阀1控制； 流出量qv2决定于阀2的开度； h2---水槽2的液位（被控变量） 分析：h2在阀1开度扰动下的动态特性 由于两个水槽之间的连通管具有阻力， 两个水槽的液位不同。 根据物料平衡方程可以写出两个关系式： 在qv2、qv3变化很小时，水的流出量与液位的关系近似为： 将式（2-15）和式（2-16）代入式（2-13），得到式（2-17）： 令T1=Al·Rs1，T2=A2·Rs2，K=Rs2， 则有 式（2-18）： 式(2—18) 描述了双容水槽被控对象的二阶微分方程式。称：二阶被控对象。 图2—6 b 显示了双容水槽在阶跃输入作用下的响应曲线。 ----容量滞后时间。 在响应曲线的拐点B处作切线A，切线与时间轴的交点即是： 容量滞后时间。 二．被控对象的特性参数： 描述被控对象特性的参数有放大系数K、时间常数T 和 滞后时间。 1.放大系数K K---对象的放大系数，又称静态增益。 被控对象重新达到平衡状态时的输出变化量与输入变化量之比。 水槽液位在阶跃干扰作用下产生变化，当它重新达到平衡状态时，液位H稳定在一个新的数值上。 输出变化量H与输入变化量Δqv1有对应关系。