环境工程仿真模拟第三章简单控制系统

1环境工程仿真与控制第三章简单控制系统2自动控制系统的例子3.1自动控制系统的基本概念变送器控制器执行器给定值自自自自自自第三章简单控制系统3自动控制系统的组成简单控制系统是指单输入-单输出（SISO）的线性控制系统，是控制系统的基本形式。3.1自动控制系统的基本概念控制器执行器被控对象测量变送器+-第三章简单控制系统第三章简单控制系统4自动控制系统中的名词及意义3.1自动控制系统的基本概念控制器执行器被控对象测量变送器+-被控变量操纵变量（控制变量）干扰给定值（设定值）偏差测量值reumyzf被控变量y：需要控制的工艺参数，环境工程中的常见被控变量有温度、压力、流量、液位、组分、PH值等。第三章简单控制系统53.1自动控制系统的基本概念控制器执行器被控对象测量变送器+-被控变量操纵变量（控制变量）干扰给定值（设定值）偏差测量值reumyzf给定值r：生产过程中被控变量需要保持的值。第三章简单控制系统63.1自动控制系统的基本概念控制器执行器被控对象测量变送器+-被控变量操纵变量（控制变量）干扰给定值（设定值）偏差测量值reumyzf操纵变量m：受控于调节阀，用于改变被控变量大小的物理量称为操纵变量。第三章简单控制系统73.1自动控制系统的基本概念控制器执行器被控对象测量变送器+-被控变量操纵变量（控制变量）干扰给定值（设定值）偏差测量值reumyzf干扰f：除操纵变量外，作用于被控对象并对被控变量影响较大的输入作用为干扰。第三章简单控制系统83.1自动控制系统的基本概念控制器执行器被控对象测量变送器+-被控变量操纵变量（控制变量）干扰给定值（设定值）偏差测量值reumyzf偏差信号e：设定值r减去反馈信号z之差。控制器根据偏差信号的大小去控制操纵变量。9自动控制系统中的名词及意义3.1自动控制系统的基本概念控制器执行器被控对象测量变送器+-被控变量操纵变量（控制变量）干扰给定值（设定值）偏差测量值reumyzf工业控制器广义对象第三章简单控制系统第三章简单控制系统10自动控制系统中的名词及意义3.1自动控制系统的基本概念变送器控制器执行器给定值自自自自自自被控对象控制器执行器被控对象测量变送器+-被控变量操纵变量（控制变量）干扰给定值（设定值）偏差测量值reumyzfrzeumyf11自动控制系统中的名词及意义？被控变量：2#槽液位；给定值：r；操纵变量：2#槽出水流量；干扰：进水流量。3.1自动控制系统的基本概念LTLCinqoutqmqr第三章简单控制系统12第三章简单控制系统3.2控制系统的负反馈原则什么是反馈反馈是系统输出通过测量变送器返回到输入，并和设定值比较的过程。负反馈、正反馈133.2控制系统的负反馈原则正反馈与负反馈变送器控制器执行器给定值自自自自自自期望液位正反馈负反馈第三章简单控制系统143.2控制系统的负反馈原则正作用与负作用环节的输出信号随输入信号增加而增加为正作用环节；环节的输出信号随输入信号增加而减少为反作用环节。第三章简单控制系统153.3控制系统的分类按照对操纵变量的影响划分控制器执行器被控对象测量变送器+-闭环开环（自动）（手动）第三章简单控制系统163.3控制系统的分类按照给定值的特点划分控制器执行器被控对象测量变送器+-定值随动第三章简单控制系统173.4控制系统的性能指标控制系统的要求稳定性、准确性、快速性控制系统的指标时域控制性能指标积分控制性能指标第三章简单控制系统第三章简单控制系统183.4控制系统的性能指标时域控制性能指标（1）衰减比n稳定性指标相邻同方向两个波峰的幅值之比。21BBn012345678910x10400.10.20.30.40.50.60.7×0.01衰减比n=4.1037B1B2第三章简单控制系统193.4控制系统的性能指标时域控制性能指标（2）超调量σ和最大偏差A稳定性指标随动控制%1001CB012345678910x10400.20.40.60.811.2×0.01超调量σ=42.8281CB1第三章简单控制系统203.4控制系统的性能指标时域控制性能指标（2）超调量σ和最大偏差A稳定性指标定值控制CBA1012345678910x10400.10.20.30.40.50.60.7×0.01最大偏差A=0.63509B1C第三章简单控制系统213.4控制系统的性能指标时域控制性能指标（3）余差C稳态准确性指标012345678910x10400.10.20.30.40.50.60.7×0.01余差C=0.19783C第三章简单控制系统223.4控制系统的性能指标时域控制性能指标（4）回复时间Ts快速性指标从过渡过程开始到进入稳态值±5%或±2%范围内的时间012345678910x10400.10.20.30.40.50.60.7×0.01回复时间TS=421.38Ts第三章简单控制系统233.4控制系统的性能指标时域控制性能指标（5）振荡频率ω与振荡周期Tp快速性指标pT2012345678910x10400.10.20.30.40.50.60.7×0.01振荡周期Tp=144.79Tp243.4控制系统的性能指标积分控制性能指标误差平方积分指标绝对误差积分指标时间乘绝对误差积分指标02)(dtteISE0)(dtteIAE0)(dttetITAE第三章简单控制系统253.5自动化仪表检测变送环节将工业生产过程的参数（流量、压力、温度、物位、成分等）经检测、变送单元转换为标准信号。在模拟仪表中，标准信号通常采用1~5V、4~20mA、0~10mA电流或电压信号，20~100kPa气压信号；在现场总线仪表中，标准信号是数字信号。第三章简单控制系统检测元件变送器过程变量位移、压力差压、电量标准信号检测变送环节的工作原理图263.5自动化仪表检测变送环节检测变送环节包括传感器和变送器。传感器：将非电物理量通过各种物理、化学、光学等原理转换为电学量；变送器：将物理测量信号或普通电信号转换为标准电信号输出。第三章简单控制系统检测元件变送器过程变量位移、压力差压、电量标准信号检测变送环节的工作原理图273.5自动化仪表检测变送环节检测元件和变送器的基本要求：准确、迅速和可靠准确：能正确反映被控或被测变量，误差小；迅速：能及时反映被控或被测变量的变化；可靠：检测元件和变送器的基本要求，能在环境工况下长期稳定运行。第三章简单控制系统283.5自动化仪表检测变送环节检测变送环节的选择原则：1)由于检测元件直接与被测或被控介质接触，因此在选择检测元件时，首先考虑该元件是否能适应工业生产过程中的高低温、高压、腐蚀性、粉尘和爆炸性环境，能否长期稳定运行；2)检测元件的精度、快速性、线性特性：以满足工艺检测和控制要求为原则，仪表的量程应满足读数误差的要求同时应尽量选用线性特性。第三章简单控制系统293.5自动化仪表检测变送环节检测变送环节的选择原则：3）检测变送环节的时间常数相对过程，大多数检测变送环节的时间常数是较小的成分检测变送环节的时间常数和时滞很大；气动仪表的时间常数比电动仪表大；采用保护套管的温度计比直接与被侧介质接触检测温度有更大的时间常数（保护套管结垢—变大；保护套管磨损—变小）第三章简单控制系统303.5自动化仪表检测变送环节对检测变送信号的处理：1.信号补偿气体流量：温度、压力补偿。2.线性化检测变送环节是根据有关的物理化学规律检测被控变量的，有些存在非线性，如热电势与温度、差压与流量等，会造成控制系统的非线性，应进行线性化处理。（1）软件实现线性化；（2）硬件实现线性化——开方器。第三章简单控制系统313.5自动化仪表检测变送环节对检测变送信号的处理：3.信号滤波信号滤波有硬件滤波和软件滤波，有高频滤波、低频滤波、带通滤波、带阻滤波等。硬件滤波：通常采用阻容滤波环节，可以用电阻电容组成低通滤波，也可以用气阻和气容组成滤波环节；可以组成有源滤波，也可组成无源滤波等。软件滤波：采用计算方法，用程序编制各种数字滤波器。在智能仪表、DCS等装置中，通常采用软件滤波。第三章简单控制系统323.5自动化仪表检测变送环节对检测变送信号的处理：4.信号处理（1）数学运算压差数据的开方；累积流量是瞬时流量的积分；温度压力补偿时的加、乘、除运算。（2）信号报警与联锁（3）数学变换：富里叶变换、小波变换、数模变换、模数变换等。第三章简单控制系统333.5自动化仪表控制阀控制阀是自动控制系统中的重要组成部分，其作用是根据控制器输出信号，直接控制能量或物料等介质的输送量，达到控制工艺参数的目的。由于控制阀安装在生产现场，常年与生产介质直接接触，且不少控制阀工作在高温、高压、深冷、强腐蚀、易堵塞等恶劣条件下，如果控制阀选择不当或维护不善，就会使整个控制系统不能可靠工作，严重影响系统的控制质量。第三章简单控制系统343.5自动化仪表控制阀气动调节阀第三章简单控制系统353.5自动化仪表控制阀电动调节阀第三章简单控制系统363.5自动化仪表控制阀液动调节阀第三章简单控制系统373.5自动化仪表控制阀控制阀根据能源分类：气动、液动和电动。气动阀具有结构简单、工作可靠、价格便宜、防火防爆等优点。控制阀选择的内容包括：结构形式及材料的选择；口径大小及开闭形式的选择；流量特性的选择；阀门定位器的选择等。第三章简单控制系统383.5自动化仪表控制阀控制阀的结构：控制阀由执行机构和调节机构两部分组成。执行机构：控制器的输出信号—→直线位移或角位移，两者之间为比例关系；类型：薄膜式（直线位移）、活塞式（直线位移）和长行程式（角位移）。调节机构：执行机构输出的直线位移或角位移—→流通截面积的变化，从而改变操纵变量的大小。类型：直通阀、角阀、三通阀、球型阀、蝶阀、偏心旋转阀、套筒阀等。第三章简单控制系统393.5自动化仪表控制阀控制阀的结构：第三章简单控制系统403.5自动化仪表控制阀直通单座阀只有一个阀芯,阀前后压差小，适用于要求泄漏量小的场合。第三章简单控制系统有一个阀芯和一个阀座。阀杆与阀芯连接，当执行机构作直线位移时，通过阀杆带动阀芯移动，从而改变操纵变量，实现调节流体流量的功能。直通单座阀是一种最常见的控制阀。413.5自动化仪表控制阀控制阀的材质：阀芯：不锈钢、特殊合金、表面涂层阀芯等；阀体：铸钢、铸铁、青铜、高分子材料、复合材料等。口径大小的选择：选择原则：最大流量时，阀门开度为85%左右；最小流量时，阀门开度在15%左右。第三章简单控制系统423.5自动化仪表控制阀控制阀气开和气关作用方式：气开：输入的气压信号越高，阀门开度越大，失气时全关，故称FC型；气关：输入的气压信号越高，阀门开度越小，失气时全开，故称FO型。气动薄膜控制阀的执行机构和调节机构组合起来可以实现气开和气关式两种调节。第三章简单控制系统433.5自动化仪表控制阀控制阀气开和气关作用方式：第三章简单控制系统正反反反反正正（b）（c）（d）正（a）序号执行机构阀体控制阀a正方向正方向气关b正方向反方向气开c反方向正方向气开d反方向反方向气关气动控制阀气开、气关组合方式表443.5自动化仪表控制阀控制阀气开和气关作用方式：基本原则：根据安全生产的要求选择控制阀的气开气关特性实际应用例子：气源中断或电源中断时：进入装置的原料、热源应切断——进料阀选气开切断装置向外输出产品——出料阀选气开精馏塔回流应打开——回流阀选气关第三章简单控制系统453.5自动化仪表控制阀控制阀的流量特性：控制阀流量特性指介质流过阀门的流量与阀杆行程之间的关系理想流量特性可分为线性、等百分比（对数）、抛物线、双曲线、快开、平方根等多种类型。国内常用的理想特性有线性、等百分比和快开等几种。流量特性选择的目的：通过控制阀增益Kv的变化来补偿被控对象增益Kp的变化。第三章简单控制系统463.5自动化仪表第三章简单控制系统1-线性；2-对数（等百分比）；3-快开L/Lmax(%)5010031203.350100Q/Qmax(%