哈工大控制系统设计第16讲-2012

哈尔滨工业大学控制与仿真中心第6章调节系统的设计——Part2授课教师：马杰CompanyLogo哈尔滨工业大学控制与仿真中心Contents调节系统的特点及控制规律A1调节系统的类型A217March2020A3PID系统的设计A4过程控制系统的设计CompanyLogo哈尔滨工业大学控制与仿真中心17March20206.4过程控制系统的设计6.4.1过程控制系统的对象特性及系统设计特点6.4.2调节系统的整定CompanyLogo哈尔滨工业大学控制与仿真中心17March2020过程控制系统的定义6.4.1过程控制系统的对象特性及系统设计特点一般是指石油、化工、冶金、机械、电力、轻工、建材、原子能等工业部门生产过程自动化。即通过采用各种控制装置及电子计算机等自动化技术工具，对整个生产过程进行自动检测、监督和控制，以达到实现各种最优的技术经济指标、提高经济效益和劳动生产率、节约能源、改善劳动条件、保护环境卫生等目的。过程控制是控制理论、工艺知识、计算机技术和仪表等知识相结合构成的应用科学。CompanyLogo哈尔滨工业大学控制与仿真中心17March2020过程控制的任务和要求6.4.1过程控制系统的对象特性及系统设计特点工业生产对过程控制的要求安全性经济性稳定性过程控制的任务就是在了解、掌握工艺流程和生产过程的静态和动态特性的基础上，根据要求应用理论对控制系统进行分析和综合，最后采用现代化技术手段加以实现。CompanyLogo哈尔滨工业大学控制与仿真中心17March2020过程控制的性能指标6.4.1过程控制系统的对象特性及系统设计特点衰减比和衰减率衰减比：13yny衰减率：131yyyCompanyLogo哈尔滨工业大学控制与仿真中心17March2020过程控制的性能指标6.4.1过程控制系统的对象特性及系统设计特点最大动态偏差和超调量最大动态偏差：y1CompanyLogo哈尔滨工业大学控制与仿真中心17March2020过程控制的性能指标6.4.1过程控制系统的对象特性及系统设计特点残余偏差过渡过程结束后被调量新的稳态值与新设定值的差值，它是控制系统稳态准确性的衡量标志。CompanyLogo哈尔滨工业大学控制与仿真中心17March2020过程控制的性能指标6.4.1过程控制系统的对象特性及系统设计特点调节时间和振荡频率调节时间：过渡过程开始到结束所需的时间（一般认为被调量进入稳态值５％为结束）振荡频率：衡量控制系统快速性的指标CompanyLogo哈尔滨工业大学控制与仿真中心17March2020过程控制的性能指标6.4.1过程控制系统的对象特性及系统设计特点误差积分性能指标误差积分绝对误差积分平方误差积分时间与绝对误差乘积积分0IEetdt0IAEetdt20ISEetdt0ITAEtetdtCompanyLogo哈尔滨工业大学控制与仿真中心17March2020过程控制的对象特性6.4.1过程控制系统的对象特性及系统设计特点电路加热器被控温度输入热量Q2为四壁散热量室外温度目标：容器内水的温度为T1保持不变输出量：T1输入量：Q1Q2为向四周散热量当Q1=Q2时，水从电炉得到的热量与向四周散发的热量相等，T1不变。CompanyLogo哈尔滨工业大学控制与仿真中心17March2020过程控制的对象特性6.4.1过程控制系统的对象特性及系统设计特点电路加热器热量存储的变化率为其中：G---加热器内水总重量Cp---水的定压比热容C---热容(表示T1每升高1度所需的储蓄热量）C=GCp被加热的水要不断地通过保温材料向向四周空气散发热量，这个热量可表示为：K—传热系数；A－表面积；T2－周围空气温度1112dTdTQQCGCpdtdt2(12)QKATTCompanyLogo哈尔滨工业大学控制与仿真中心17March2020过程控制的对象特性6.4.1过程控制系统的对象特性及系统设计特点电路加热器保温材料向四周散发热量是有阻力的，这个阻力称热阻用R表示，保温材料传热系数越大，则热阻越小，散热表面积越大，则热阻越小。由此，有1112dTRCTRQTdt1RKA如果周围的空气不变即△T2＝0,则:111dTRCTRQdtCompanyLogo哈尔滨工业大学控制与仿真中心17March2020过程控制的对象特性6.4.1过程控制系统的对象特性及系统设计特点电路加热器写成更一般形式，有由此，有1()()1()11TsKKGsQsRCsTs式中:T—对象的时间常数T=RCK—对象的放大系数K=R111dTTTKQdtCompanyLogo哈尔滨工业大学控制与仿真中心17March2020过程控制的对象特性6.4.1过程控制系统的对象特性及系统设计特点单容水槽控制水槽的流入量Q1由调节阀u控制，流出量由负载阀R2控制。被调量为水位高度h，它反映流入与流出量的平衡关系。hR2Q1uQ2CompanyLogo哈尔滨工业大学控制与仿真中心17March2020过程控制的对象特性6.4.1过程控制系统的对象特性及系统设计特点单容水槽控制物料平衡方程为：hR2Q1uQ2121()dhQQdtC式中C——容积系数，本例中即水槽的截面积CompanyLogo哈尔滨工业大学控制与仿真中心17March2020过程控制的对象特性6.4.1过程控制系统的对象特性及系统设计特点单容水槽控制在过程控制中，扰动发生前，水槽处于平衡态，即：hR2Q1uQ2上式说明平衡态时，流入量等于流出量，速度为零。以增量形式表示上述各式为：10201()0QQC111022200hhQQQQQQCompanyLogo哈尔滨工业大学控制与仿真中心17March2020过程控制的对象特性6.4.1过程控制系统的对象特性及系统设计特点单容水槽控制hR2Q1uQ2121()dhQQdtC121()dhQQdtC2hRQ液阻R表示为111()dhQhdtCRCompanyLogo哈尔滨工业大学控制与仿真中心17March2020过程控制的对象特性6.4.1过程控制系统的对象特性及系统设计特点单容水槽控制hR2Q1uQ21dhRChRQdt111()dhQhdtCR1()1QRGshTsTRCT为液位时间常数，它反映对象在扰动作用下被控参数的快慢程度，即表示对象惯性大小的参数。CompanyLogo哈尔滨工业大学控制与仿真中心17March2020过程控制的对象特性6.4.1过程控制系统的对象特性及系统设计特点单容水槽控制hR2Q1uQ21()1sQRGsehTs但液位控制系统中存在延迟，一般的被控对象为：CompanyLogo哈尔滨工业大学控制与仿真中心17March2020过程控制的对象特性6.4.1过程控制系统的对象特性及系统设计特点多级水位过程控制两只水箱,每只水箱的流出量是不变的,即与液位无关,当流入量发生阶跃变化时,液位发生变化.该例为两只水箱串联工作。h2R3C1C2h1R2Q1Q2Q3CompanyLogo哈尔滨工业大学控制与仿真中心17March2020过程控制的对象特性6.4.1过程控制系统的对象特性及系统设计特点多级水位过程控制平衡关系：h2R3C1C2h1R2Q1Q2Q311211()dhQQdtC22321()dhQQdtC3221QhR21211()QhhR111211dhThhRQdt111122212212TCRRRTCRRRrRR22210dhThrhdtCompanyLogo哈尔滨工业大学控制与仿真中心17March2020过程控制的对象特性6.4.1过程控制系统的对象特性及系统设计特点多级水位过程控制h2R3C1C2h1R2Q1Q2Q321211212''1122()()()()(1)()()HsrRGsQsTTsTTsrKTskTsk对多容对象的特点是:当受到扰动后,被控参数h2的变化速度不是一开始就变化,而是要经历一段滞后的时间----称容积滞后,产生容积滞后的原因主要是两个容积之间存在阻力，容量滞后的时间用τ表示，如果对象的容量愈大,则容量滞后的时间也愈大CompanyLogo哈尔滨工业大学控制与仿真中心17March2020过程控制的对象特性6.4.1过程控制系统的对象特性及系统设计特点多级水位过程控制多容对象的传递函数为:1122()()()...()nnKGsTskTskTsk阶跃响应曲线CompanyLogo哈尔滨工业大学控制与仿真中心17March2020过程控制的设计特点6.4.2过程控制系统的设计特点调节系统的控制规律是PID，但对过程控制系统而言，又有其特有的设计考虑。微分增加阻尼的效果不显著()1sKGseTs由于对象的滞后特性，控制规律引入的微分项增加阻尼的效果并不明显，若设计不好，甚至会带来相反的效果。CompanyLogo哈尔滨工业大学控制与仿真中心17March2020过程控制的设计特点6.4.2过程控制系统的设计特点微分增加阻尼的效果不显著-80-60-40-20020Magnitude(dB)100101-1080-720-3600360Phase(deg)BodeDiagramFrequency(rad/sec)0.51()1sGses/1.51()3/61sDssCompanyLogo哈尔滨工业大学控制与仿真中心17March2020过程控制的设计特点6.4.2过程控制系统的设计特点增益低、带宽窄导致静差大——引入积分由于滞后环节的存在，系统的增益和带宽都比较小，要减少或消除静差就得在控制规律中加积分环节来提高其低频段增益，所以调节规律中都要加积分项。CompanyLogo哈尔滨工业大学控制与仿真中心17March2020整定的含义6.4.3过程控制系统的整定根据系统中被控过程的动态特性，确定调节器中的各可调整参数，使系统的工作性能达规定的要求（如稳定性、某项指标最优）。CompanyLogo哈尔滨工业大学控制与仿真中心17March2020整定方法6.4.3过程控制系统的整定1.理论计算整定基于数学模型（传递函数、频率特性），按性能指标进行计算，得到整定参数2.工程整定根据响应曲线、特征参数，按工程经验数据或经验公式得到整定参数3.直接经验调整参照性能指标，按实际运行曲线进行调整CompanyLogo哈尔滨工业大学控制与仿真中心17March2020整定方法——临界比例度法6.4.3过程控制系统的整定调节规律KpTiTdP0.5Kpc0PI0.45Kpc0.83Tc0PID0.6Kpc0.5Tc0.125TcKpc——临界增益；Tc=2/cr哈尔滨工业大学控制与仿真中心