过控第二章

过程装备控制技术及应用教案第二章过程装备控制基础第1页共15页第二章过程装备控制基础2.1被控对象的特性被控对象的特性就是当被控对象的输入变量发生变化时,其输出量随时间变化规律,对一个控对象来说,其输出变量就是控制系统的被控变量,而输入变量则是控制系统的操纵变量和干扰作用。通道：被控对象输入变量和输出变量之间的联系称为通道。控制通道：操纵变量与被控变量之间的联系称为控制通道。干扰通道：干扰作用与被控变量之间的联系称为干扰通道。2.1.1被控对象的数学描述根据被控对象的特点，利用有关的定理、定律建立相应的微分方程，得到被控变量的数学表示式。下面以水槽液位对象为例，分析被控对象的数学描述式。（1）单容液位对象有自衡特性的单容对象输出变量为液位H，水槽流入量1vq，水槽流出量2vq。1vq、2vq均为体积流量。dtdVqqvv21HAV，A为水槽的横截面积。所以dtdHAdtdV静态情况，0dtdV，021vvqq；1vq变化、液位H将随之变化，水槽出口的静压随之变化，流出量亦发生变化，认为流出量2vq与液位H成正比关系，而与出水阀的水阻sR成反比关系：即svRHq2。在讨论被控对象的特性时，所研究的是未受任何人为控制的被控对象，所以出水阀开度不变，阻力sR为常数。dtdHARHqsv1由此可得1vssqRHdtdHAR令sART，sRK，得1vKqHdtdHT该微分方程是一个一阶常系数微分方程式。通常将这样的被控对象叫做一阶被控对象，T称为时间常数，K称为被控对象的放大系数。过程装备控制技术及应用教案第二章过程装备控制基础第2页共15页当输入流量为1vq时，液位高度保持不变，10vKqHH。当输入流量为11vvqq时，液位高度随时间变化，符合以上微分方程。因为HHH0，所以dtHddtdH由此可得110vvqqKHHdtHdT所以1vqKHdtHdT解得TttveqKH/011当t时，1vqKH无自衡特性的单容对象其流量由泵控制，则该控制系统具有无自衡特性，泵的出口流量不随液位变化而变化。这类被控对象除必须施加控制外，还常常高有自动报警系统。（2）双容液位对象双容水槽是两个串联在一起的水槽，它们之间的连接管具有阻力，因此两者液位不同，图见P18水槽1的动态平衡关系：水槽2变化量极小时，水流出量与液位的关系近似为：将上两式代入2并求微分后，经整理得到：将上式代入3整理得这样的控制对象叫做二阶被控对象2.1.2被控制地象的特性参数描绘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T（1）放大系数K放大系数又称静态增益是被控重新达到平衡状态的办输出变化量与输入变化量之比。放大系数的几个一般性结论：1放大系数K表达了被控对象在干扰作用下重新达到平衡的性能，是不随时间变化的参数，K是被控对象的静态特性参数。过程装备控制技术及应用教案第二章过程装备控制基础第3页共15页2在相输入变化量作用下，被控对象的K越大，输出变化量就越大，即输入地输出的影响越大，被控对象的自身稳定性就越差；反之，K越小，被控对象的稳定性就越好。线性对象：K在任何输入变化情况下都有是常灵敏的被控对象称为线性对象。非线性对象：输入不同的变化量其放大系数不为常数的被控对象称为非线性对象。]（2）时间常数时间常数反映了被控对象受到输入作用后，输出变量达到新稳态值的快慢，它决定了整个动态过程长短。它是被对象的动态特性参数。处于不同通道的时间常数的对控制系统的影响是不一样的。加以分析理解。（3）滞后时间滞后现象：被控对象受到输入变量作用后，其被控变量并不立即发生变化，而是过一段时间方发生变化，这种现象叫滞后现象。滞后时间性是描绘滞后现象的动态参数。根据滞后性质的不同可分为传递滞后和容光焕发量滞后两种传递滞后T：又叫纯滞后，是由于信号的传输，介质的输送或热的传递要经过一段时间而且产生的常用T表示。容量滞后T：一般是由于物料或能量的传递过程中受到一定的阻力而且引起的，或者说是由于容量数目多而产生的。一般用容量滞后时间T来表征其滞后的程度，其主要特征是当输入阶跃作用后，被控对象的输出就是开始变化很慢，然后逐渐加快，接着又慢，直至逐渐接近稳定值。容量滞后时间T就是在响应曲线的拐点处切线，切线与时间轴的交点。与被控变量开始变化的起点之间的时间的隔就是容量滞后时间T传递滞后和容量滞后的本质是不同的，但实际上很维区分，当两者同时存在时，通常反这两种滞后时间加在一起，统称为滞后时间性，用T表示，即T=T+T。分析并理解滞后时间对窑通道，干扰通道的影响作用。2.1.3对象特性的实验测定对象特性的两种求取方法：一种是从工艺过程的弯机理出发，写出各有关的平衡议程，进而且领导出被控数学模型，得出其特性参数，再结合实际进行理论分析，就是所谓数学方法；另一种是通过对被控对象实验测试求出其特性参数，即所谓的实验测定法。在工程上常用实验方法测定对象的动态特性，原因如下：（3点）1对象的动态特性虽可运用流动、蒸发、化学反应、传热、吸引等特理化学基础理论来推导求解，但由于具体对象的物理化学过程是复杂的，在数学推导过和中必须作许多假设和简化，推导的结果尚需实验测试来验证；2实际工业对象的机理很复杂，有时甚至很难用数学方法推导，这时只能用实验方法来测定；3有许多被控对象的特性在运行过程中会随工沉变化而且改变，或随其他因素而改变，为了提高控制系统的品质，有时需采用直整定控制或直适应控制，这种系统就非得在这运行过程中用实验主法测定对象的动态特性不可。被控对象的实验测定法，就是给所要研究的对象人为地输入一个扰动信号，然后测取被控对象输出变量随时间的变化规律，得出一系列的实验数据或曲线，这些数数据和曲线就表征不一定的被控对象特性。介绍两种常用的实验测定方法：（1）响应曲线法（阶跃响应曲线法）响应曲线法就是用实验的方法测定对象在阶跃输入作用下，其输出量随时间的变化规律。将测得的反应曲线转化成近似的数学表达式有三个步骤：1求纯滞后时间：从T时刻起到输出开始变化的这段时间，即输入变化而且输出不变的这段过程装备控制技术及应用教案第二章过程装备控制基础第4页共15页时间为纯滞后时间。求静态放大倍数：求时间常数T：在反应曲线上按到输出量变化在终值时的坐标点，它所对应的时刻与输出量开始变化时刻之差就是时间常数T。（2）脉冲的应法。（脉冲响应曲线法）脉冲响应法就是用实验的方法测取对象在矩形脉搏冲办入信号作用下，其办出量随旱的变化规律。矩形脉冲响应曲线与阶跃响应曲线有着密切关系，可得矩形脉冲看作是T时刻的正向阶跃信号懒惰T时刻的后向阶跃进信号-X的组合信号，那么其响应曲线也就是这两条阶跃响应曲线的合成曲线，即。根据这个关系，可轻易得到完整的脉冲响应曲线，从而求得对象的特性参数。理解矩形脉搏冲响应曲线法精度高，不影响正常和产的原因。此外，还有频域方法，即采用不同频率的正弦波和矩形波信号作为对象的输入信号束测取对象的动态特性；统计方法，即直接利用对象正常运行状态到此为止的数据或对象在特殊信号作用下的响应数据进行分析统计获得对象的动态特性。2.2单回路控制系统单回路控制系统又称简单控制系统，是指由一个被控对象，一个检测元件及变送器，一个调节器和一个招待器所构成的闭合系统，优点包括：结构简单、易于分析设计，投资少、便于施工，并能满足一般生产过程的控制要求。2.2.1单回路控制系统的设计如何设计一个控制系统设计一个控制系统，首先应对被控对象做全面的了解。除被控对象的动态特性外，对于工艺过程、设备等也需要比较深入的了解；在此基础上，确定正确的控制方案，包括合理地选择被控变量和操纵变量，选择合适的检测变送元件及检测位置，迁用恰当的执行器，调节器以及控制规律等；最后将调节器的参数整定到最佳值。（1）被控变量的选择被控变量是对提高产品质量和产量、促进安全生产、提高劳动生产率、节能等到具有决定作用的工艺变量。选择的基本原则：作为被控变量，其信号最好是能够直接测量获得，并且测量和变送环节的滞后也要比较小；若被控变量信号无法直接获取，可选择与之有单值函数关系的间接奇数作为被控变量；作为被控变量，必须是独立变量。变量的数目一般可以用物理化学中的相律关系来确定；作为被控变量，必须考虑工艺合理性，以及目前仪表的现状能否满足要求。（2）操纵变量的选择在控制系统中，用来克服干扰对被控变量的影响，实现控制作用的变量就是操纵变量。操纵变量的选择主要应从工艺合理性及被控对象的特性方面考虑。操纵变量的选择原则：使被控对象控制通道的放大系数较大，时间常驻数较小，纯滞后时间越小越好；使被控对象干扰通道的放大系数尽可能小，时间常数越大越好。（3）检测变送环节的影响检测变送环节在控制系统中起着获取信息和传送信息的作用。一个控制系统如果不能正确及时地获取被控变量变化信息，并把一信息及进地传送给予调节器，就不可能及时有效地克服干扰对被控变量的影响，甚至会产生误、失调等危及生产安全的问题。纯滞后，在过程控制中，由于检测元件安装位置的不适当将会产生纯滞后。纯滞后使测量信过程装备控制技术及应用教案第二章过程装备控制基础第5页共15页号不能及时地反映被控变量的实际值，从而降低了控制系统的控制质量。测量滞后勤是指由测量元件本身特性所引起的动态误差。当测量元件感受被控变量的变化时，要经过一个过程，才能反映被控变量的实际值，这时测量元件本身就构成了一个具有一个时间常数的惯性环节。克服测量滞后的两种方法：一是尽量选用快速测量元件，以测量元件的时间常数为被控对象的时间常数的十分之一以下为宜；二是在测量元件之后引入微分作用，在调节器中加入微分控制作用，使调节器在偏差产生的初期，根据偏差的变化趋势发生相应的控制信号。传递滞后，即信号传输滞后，主要是由于气压信号在管路传送过程中引起的滞后。传递滞后总是存在的，克服减小信号传递滞后的方法有：尽量缩短气压信号管线的长度，一般不超过300M；改用电信号传递，即先用气电转换器把调节器输出的气压信号变成电信号，送到现场后，再用电气转换成气压信号送到执行器上；在气压管线上加气动继动器，或在执行器上加气动阀门定位器，以增大输出功率，减少传递滞后的影响；等（4）执行器的影响执行器的作用是接受调节器送来的控制信号，改变操纵变量，从而实现生产过程的自动控制执行器通常为调节阀，包括执行机构和阀两个部分。从广义对象的角度考虑，执行器可看作是被控对象的一部分，其动态特殊性相当于在被控对象中增加了一个容量滞后环节。2.2.2调节器的调节规律调节器是控制系统的心脏。它的作是将测量变送信号与给予定值相比较产生偏差信号，然后按一定运算规律产生输出信号，推动执行器，实现对生产过程的自动控制。调节规律是指调节器的输出信号随输入信号变的规律。四种基本调节规律：位式、比例、积分、微分。其中位式是断续调节，另三种均是连续调节规律。（1）位式调节规律双位调节是位式高节规律中最简单的形式。理想的双位调节规律的数字表达式：双位调节器规律是一促典型的非线性调节规律，当测量值大于或小于给定值时，调节器的输出达到最大或最小两个极限位置。优点：位式调节结构简单，成本较低、使用方便，对配用的调节阀无任何特殊的要求缺点：被控变量总在波动，控制量不高，当被控对象纯滞后较大时，被控变量波动幅度较大。不宜用于控制要求稍高的场合。实际应用的双位调节器都有一个中间区域。只有当偏差达到一定数值时，调节器的输出才会变，而在中间区内调节器的输出将取决于它原来的状态。中间区的出现还有另外两个原因：一个是婢机构都有不灵敏区，这时理想双位调节实际上具有中间区的双位调节；二是采用双位调节的系统本身要求就不高，只要求被控变量在两个极限值之间，这就是可用中间区的双位调节方案。（2）比例调节规律（P）比例放大系数在比例调节中，调节器的输出信号变化量与输入信号成比例关系式中KP称为比例增益或比例放大倍数，在调节器中是可以改变的。特点：比例调节器的输出变化量与输入偏差具有一一对应的比例关系，因此比例控制具有控制及时、克服偏差