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过程控制课件--第三章 简单控制系统的整定

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过程控制讲义课件(全套)

过程控制讲义课件(全套)
前馈—反馈控制系统
29
1.4 过程控制系统的分类
6. 按给定信号的特点分类 ： 定值控制系统 程序控制系统 随动控制系统
（1）定值控制系统：就是系统被控量的给定值保持在规定 值不变，或在小范围附近不变。定值控制系统是过程控 制中应用最多的一种控制系统，因为在工业生产过程中 大多要求系统被控量的给定值保持在某一定值，或在某 很小范围内不变。 例如过热蒸汽温度控制系统、转炉供氧量控制系统 均为一个定值控制系统。
30
1.4 过程控制系统的分类
（2）程序控制系统：它是被控量的给定值按预定的时 间程序变化工作的。控制的目的就是使系统被控量按 工艺要求规定的程序自动变化。 例如同期作业的加热设备(机械、冶金工业中的热 处理炉)，一般工艺要求加热升温、保温和逐次降温 等程序，给定值就按此程序自动地变化，控制系统按 此给定程序自动工作，达到程序控制的目的。
4. 按被控制量的多少分类：
单变量控制系统 多变量控制系统
25
1.4 过程控制系统的分类
5. 按系统的结构分类：
反馈控制系统 前馈控制系统 复合控制系统 单回路控制系统 串级控制系统
26
1.4 过程控制系统的分类
（1）反馈控制系统
它是过程控制系统中的一种最基本的控制结构形 式。反馈控制系统是根据系统被控量的偏差进行工作 的，偏差值是控制的依据，最后达到消除或减小偏差 的目的。如过热蒸汽温度控制系统就是一个反馈控制 系统。另外，反馈信号也可能有多个，从而可以构成 多个闭合回路，称其为多回路控制系统。
23
1.4 过程控制系统的分类
1. 按被控量分类 ：
温度控制系统 压力控制系统 流量控制系统 液位控制系统等
2. 按完成的功能分类：

过程控制系统ppt课件

过程控制系统ppt课件
2、调节原理 二、稳定边界法（临界比例度法）
4、变送器：一般为“＋”； 一般控制系统中，有效办法是采用串级控制。
当口径A和差压(P1-P2)一定时，流量Q仅随阻尼的
变化而变化。改变阀门的开启程度，可改变流通阻力而 控制介质流量。
二、控制阀的流量特性
1、概念
l Q ,L Q max
Ql f( )(33)
§2-2 被控参数和控制参数的选择
一、被控参数(即被控量)的选择
1.选择的意义
2. 选择方法
(1).选直接参数
即能直接发映生产过程产品产量和质量，以及安全 运行的参数。(如锅炉锅筒的水位控制。)
(2).选间接参数
当选直接参数有困难时采用。(如用反应釜的温度 控制间接实现化学反应的质量控制。)
3. 选间接参数的原则
它是每经过一个周期后，波动幅度衰减的百分数，即：
B1 B2
B1
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：
B1 100%
C
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：
A B1 C
它是控制系统的最终稳态偏差e(∞)。在阶跃输入作
用下，余差（Steady-state error）为：
以液体储槽的水位控制为例进行说明。
1、控制原理(如下图)
液位变送器 液位控制器
执行器
2、系统方块图
1-1典型单回路控制系统
3、主要组成部分
(1)、被控对象：生产过程中被控制的工艺设备或装置。 (2)、检测变送单元： (3)、控制器：实时地对被控系统施加控制作用。 (4)、执行器：将控制信号进行放大以驱动控制阀。常见的
• 必须考虑工艺生产的合理性和仪表的现状。 • 间接参数应与直接参数有某种单值函数关系。 • 间接参数要有足够的灵敏度。

简单控制系统的设计及参数整定方法PPT学习教案

简单控制系统的设计及参数整定方法PPT学习教案
反作用：输入量↑↓时,输出量↓↑,KP为负
如水池在出口流量一定时,进口流量↑ 液位↑,为 正作用 如水池在入口流量一定时,出口流量↑ 液位↓,为 反作用
第26页/共99页
调节阀 气开:KV为正 气关:KV为负
测量变送环节 Km为正
27
调节器正反作用确定： 由安全确定气开气关
过程特性确定正反类型 确定测量变送环节极性
第74页共99页76gc11tis11tistds85tipipid调节规律pipid11ttitd075无自衡075有自衡第75页共99页771027以075为性能指标反应曲线法之柯恩反应曲线法之柯恩库恩整定公式库恩整定公式第76页共99页78对误差积分iae方误差积分isee2tdt间与绝对误差乘积积分itaep调节kckoai调节totiatobd调节tdtoatob的数值查下表反应曲线法以积分误差为准则反应曲线法以积分误差为准则第77页共99页79判据调节规律调节作用iaeiseitaeiaeiseitaeiaepipipipidisepiditaepid995反应曲线法以积分误差为准则表格反应曲线法以积分误差为准则表格定值第78页共99页80判据调节规律调节作用iaeitaeiaeitaepipipidpidp调节kckoad调节tdtoatob于随动系统反应曲线法以积分误差为准则表格反应曲线法以积分误差为准则表格随动第79页共99页81已知被控过程为二阶惯性环节2s1测量仪表特性gm调节阀特性gv10则广义过程传递函数gp2s110s1实验得到阶跃响应曲线为近似带纯时延的一阶惯性环节5s举例举例第80页共99页8225200125020根据075的准则查表p调节0125即k825pid调节k125p调节k83pi调节k66pid调节k20s1第81页共99页83临界比例法在纯比例时使比例带由大到小出现等幅振荡得1512p调节k625pi调节k1285pid调节k189主要是实验

过程控制系统-第3章-简单系统-习题与解答

过程控制系统-第3章-简单系统-习题与解答

第3章习题与思考题3-1.简单控制系统由哪几部分组成？各部分的作用是什么？解答：简单控制系统由检测变送装置、控制器、执行器及被控对象组成。

检测变送装置的作用是检测被控变量的数值并将其转换为一种特定输出信号。

控制器的作用是接受检测装置送来的信号，与给定值相比较得出偏差，并按某种运算规律算出结果送往执行器。

执行器能自动地根据控制器送来的控制信号来改变操纵变量的数值，以达到控制被控变量的目的。

被控对象是指需要控制其工艺参数的生产设备或装置。

3-2.什么叫直接参数和间接参数？各使用在什么场合？解答：如果被控变量本身就是需要控制的工艺指标，则称为直接参数；如果被控变量本身不是需要控制的工艺指标，但与其有一定的间接对应关系时，称为间接参数。

在控制系统设计时，尽量采用直接参数控制，只有当被控变量无法直接检测，或虽能检测，但信号很微弱或滞后很大，才考虑采用间接参数控制。

3-3.被控变量的选择应遵循哪些原则？解答：被控变量的正确选择是关系到系统能否达到预期控制效果的重要因素，它选择的一般原则是：（1）被控变量应能代表一定的工艺操作指标或是反映工艺操作状态重要变量；（2）被控变量应是工艺生产过程中经常变化，因而需要频繁加以控制的变量；（3）被控变量应尽可能选择工艺生产过程的直接控制指标，当无法获得直接控制指标信号，或其测量或传送滞后很大时，可选择与直接控制指标有单值对应关系的间接控制指标；（4）被控变量应是能测量的，并具有较大灵敏度的变量；（5）被控变量应是独立可控的；（6）应考虑工艺的合理性与经济性。

3-4.操纵变量的选择应遵循哪些原则？解答：（1）操纵变量应是工艺上允许加以控制的可控变量；（2）操纵变量应是对被控变量影响诸因素中比较灵敏的变量，即控制通道的放大系数要大一些，时间常数要小一些，纯滞后时间要尽量小；（3）操纵变量的选择还应考虑工艺的合理性和生产的经济性。

3-5.简述选择调节器正、反作用的目的，如何选择?解答：其目的是使控制器、执行器、对象三个环节组合起来，能在控制系统中起负反馈作用。

过程控制系统及仪表第简单控制系统PPT课件

过程控制系统及仪表第简单控制系统PPT课件

PID如 何选择？
设定值 控制仪表
—
气开、气 关如何选 择？
如何选 择？
如何选 择？
操纵 执行仪表 变量 被控对象 被控变量
如何构 成负反 馈？
20
测量仪表
测量仪 表如何 选择？
第20页/共53页
一、 阀流量特性的选择
21
第21页/共53页
二、执行器开、闭形式的选择 气动执行器有气开和气关两种工作方式。在控制系统 中，选用气开式还是气关式，主要由具体的生产工艺来 决定。
第3篇 过程控制系统
• 第6章 简单控制系统 • 第7章 复杂控制系统
自动化
• 第8章 先进控制系统
设定值 控制仪表
—
被控变量 执行仪表 操纵 被控对象
变量
仪表
测量仪表
“化工仪表自动化”
1
第1页/共53页
第6章 简单控制系统 须解决的几个问题：
PID如 何选择？
设定值 控制仪表
—
气开、气 关如何选 择？
测量仪 表如何 选择？
第16页/共53页
一、测量变送问题对控制质量的影响 关键问题：测量变送中的纯滞后问题 测量纯滞后是指：被控变量受干扰后，测量环节不能立 即检测，而是隔一段时间后才反映出被控变量的变化。
造成测量纯滞后的原因有： （1）测量元件安装位置不当，远离被控变量的灵敏 变化区； （2）受到工艺条件的限制，无法将测量元件安装在 理想的测量点； （3）成分和物性测量仪表本身存在严重的纯滞后； （4）测量信号的传输线路长造成的传递纯滞后； （5）测量仪表的不灵敏也可能引起纯滞后问题。
3、选择间接参数作为被控变量时，应该具有足够大灵 敏度，以便能反映直接指标参数的变化。

简单控制系统的投运与参数整定

简单控制系统的投运与参数整定
• 1.定值控制系统 • 这类自动控制系统的给定值在控制系统运行过程中通常是固定不变的。
在工业生产中，自动控制系统大多为定值控制系统。 • 2.随动控制系统（也称自动跟踪系统） • 这类自动控制系统的特点是给定值不断地变化，而且，这种变化不是预
先规定的，也就是说给定值是随机变化的。随动控制系统的目的就是使 所控制的工艺参数准确而快速地跟随给定值的变化而变化。伺服控制系 统被控变量为位置、速度或加速度的跟踪系统，属于随动控制系统。
• 当被控变量选定以后，接下来应对工艺进行分析，找出有哪些因素会 影响被控变量发生变化，并找出这些影响因素中哪些是可控的，哪些 是不可控的。原则上，应将对被控变量影响较显著的可控因素作为操 纵变量。
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任务一 简单控制系统的投运
• 操纵变量和干扰变量作用在对象上，都会引起被控变量的变化。干扰 变量由干扰通道施加在对象上，起着破坏作用，使被控变量偏离给定 值；操纵变量由控制通道加到对象上，使被控变量回复到给定值，起 着校正作用，这是一对相互矛盾的变量，它们对被控变量的影响都与 对象特性有密切的关系。因此在选择操纵变量时，要认真分析对象特 性，以提高控制系统的调节品质。
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任务一 简单控制系统的投运
• 比例控制器适用于调节通道滞后较小、负荷变化不大、工艺上没有提 出无差要求的系统。
• 2.比例积分控制器
• 比例积分控制器输出ΔP与输入e关系为：
• 比例积分控制器的特点：积分作用使控制器的输出与偏差的积分成比 例，故过渡过程结束时无余差，这是积分作用的显著优点。但是，加 上积分作用，会使稳定性降低。虽然在加上积分作用的同时，可以通 过加大比例度，使稳定性基本保持不变，但超调量和振荡周期都相应 增大，过渡过程时间也加长。

过程控制第三章第9,10,11讲



过程静态特性是选择控制参数的重要依据。 结论：扰动通道静态放大系数Kf 越大，则系统 的稳态误差越大，降低了控制质量。控制通道 的静态放大系数K0越大，表示控制作用越灵敏， 克服扰动的能力越强。 因此确定控制参数时，使K0大于Kf是合理的。 这一要求不能满足时，调节Kc的值来补偿，使 K0 Kc值远大于Kf 。
结论：扰动通道的时间常数 T f 愈大，容积愈多，则扰动
通道对被控参数的影响也愈小，控制质量也愈好
（2）时延τf 的影响
有纯滞后时系统对扰动的闭环传递函数为
Y ( s) F ( s ) 1 Wc ( s )W0 ( s)
根据拉氏变换的平移定理，被控量的时间响应为
W f ( s )e
f s
y(∞) t
ห้องสมุดไป่ตู้
图1.3 闭环控制系统对设定值的阶跃扰动的响应曲线
控制系统的阶跃响应性能指标小结
稳定性 衰减比n = 4:1~10:1最佳


准确性 余差C小好
最大偏差 A 小好 快速性 过渡时间 Ts 短好
各品质指标之间既有联系、又有矛盾。例如， 过分减小最大偏差，会使过渡时间变长。因此， 应根据具体工艺情况分清主次，对生产过程有决 定性意义的主要品质指标应优先予以保证。
三、控制参数的选择


控制参数又称为控制变量或控制量。 在生产过程中，可能有几个控制量可供 选择来影响被控参数。选择不同的控制 参数就有不同的控制通道和扰动通道。 不同的控制通道和扰动通道的控制质量 是不相同的。因此应选择较优的控制参 数，即正确选择控制通道。
三、控制参数的选择

（一）过程静态特性分析
在新稳态值（ 205℃）两侧以宽度为±4.1℃画一 区域（阴影线）。曲线进入时间点 Ts = 22min

第三章 简单控制系统的整定

j p ( ms , )
.
M c ( m s , ) M p ( ms , ) 1 c (ms , ) p (ms , )
1.单参数调节器的整定 1).比例调节器
Gc (ms , j ) S1 S1e j 0 S1M p (ms , ) 1 . p (ms , ) 1 S1 , M p ( ms , )
四、经验整定法
最后讨论广义被控对象和等效调节器问题
1)在通过试验测取动态特性时，如果调节阀并未考虑在被控对象
的范围之内，则广义被控对象的传递函数为 Gp(s)＝G(s)Gm(s) 此时等效调节器的传递函数： Gc*(s)=Gc(s)Gv(s) 由于调节阀Gv(s)可近似视为比例环节，即Gv(s) ＝Kv，因此，当 调节器为PID作用时，等效PID调节器的传递函数为：
(3 19)
2 [( 2 m T 1 ) cos ( T m T m ) sin ] s s s Ke msm 2 (1 ms ) S0 [ T cos ( m T 1 ) sin ] s Ke ms 或写成无量纲形式，即 K 1 2 S1 m [(2ms ) cos ( ms ms ) sin ] T T T e s 2 (1 ms ) K 2 S0 [ cos ( m ) sin ] s T T e ms
§3-2衰减频率特性法
衰减频率特性法就是通过改变系统的整定参数使控制系统 的普通开环频率特性变成具有规定相对稳定度的衰减频率特性， 从而使闭环系统响应满足规定衰减率的一种系统整定方法。 一、衰减频率特性和稳定度判据

过程控制动态特性解析


第一篇 简单控制
第一章 生产过程动态特性
第一篇 简单控制
第一章 生产过程动态特性
§1-2 被控对象的动态特性
一、基本概念 被控对象的动态特性是指被控对象的输入发生变化时，
其输出（被调量）随时间变化的规律 。 对于线性系统，其动态特性可用传递函数来描述。
二、典型对象动态特性 1. 典型实例分析
第一篇 简单控制
简单控制系统
占工业控制系统的80％； 复杂过程控制系统的基础。
重要性
第一篇 简单控制
第一章 生产过程动态特性
目录
第一章 生产过程的动态特性 第二章 比例积分微分控制及其调节过程 第三章 简单控制系统的整定
第一篇 简单控制
第一章 生产过程动态特性
第一章 生产过程动态特性
§1-1 过程控制系统的性能指标 §1-2 被控对象的动态特性 §1-3 过程数学模型及其建立方法
第一篇 简单控制
第一章 生产过程动态特性
给定值
控制器
-
广义被控对象
被调量
过程控制的研究内容：
（1）制定控制系统的控制目标（即设计指标参数）； （2）认识生产过程的动态特性（一般为广义对象的动态性）； （3）设计控制器的控制规律及控制结构，使控制系统达到控制 系统的控制指标要求。
第一篇 简单控制
第一章 生产过程动态特性
水阻
T CR K k R
2 R
H0
k
第一篇 简单控制
第一章 生产过程动态特性
（2）双容水箱
Qi
H1 F1
R1 Q1
H2
F2
对物质平衡方程在工作点处进行 线性化处理后达到传递函数为：
G(s) = H2(s) =
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2019/2/13 过程控制 7
高阶系统响应包含多个与系统特征方程 根相对应的振荡分量，每个振荡分量的 衰减率取决于各共轭复根的β 角值．其 中主导复根所对应的振荡分量衰减最慢, 因此高阶系统响应的衰减率由其决定． 所以，要使一个系统响应的衰减率不低 于某一规定值Ψs，只需系统特征方程全 部的根落在右图复平面的OBCAO周界 之外．其中
2019/2/13 过程控制 5
3.2 衰减频率特性法
衰减频率特性法是通过改变系统的整定参数使控制系统的普通开环频率 特性变成具有规定相对稳定度的衰减频率特性，从而使闭环系统响应满 足规定衰减率的一种系统整定方法 一 衰减频率特性和稳定度判据 从控制理论得知，对于二阶 系统，其特征方程有一对共 轭复根
在实际系统整定过程中，常将两种指标综合起来使用。一般先改变某些 调节器参数（如比例带）使系统获得规定的衰减率，然后再改变另外的 参数使系统满足积分指标。经过多次反复调整，使系统在规定的衰减率 下使选定的某一误差指标最小，从而获得调节器的最佳整定参数。
2019/2/13 过程控制 4
5) 常用整定方法
① 理论计算整定法
根轨迹法，频率特性法
由于数学模型总会存在误差，实际调节器与理想调节器的动作规律有差 别，所以理论计算求得的整定参数并不可靠．而且，理论计算整定法复 杂，烦琐，使用不方便．但它有助于深入理解问题的本质，结果可以作 为工程整定法的理论依据．
② 工程整定法 动态特性参数法，稳定边界法，衰减曲线法 方法简单，易于掌握
2019/2/13
过程控制
10
例3.1 求单容对象积分控制系统开环衰减频率特性WO(m,jω).
已知系统的开环传递函数为 R(s)
K S0 T s1 s m j 代入上式，得其衰减频率特性的一个分支．即 以s W ) o(s
2019/2/13
过程控制
9
稳定度判据为：
如果系统开环传递函数WO(s)在复平面AOB折线右侧有p个极点,当ω从－∞＋ ∞变化时，WO(m, jω)轨线逆时针包围(-1,j0)点的次数也为p, 则闭环系统衰减 率满足规定的要求，即： Ψ>Ψs 若WO(s)在复平面AOB折线右侧无极点，则频率ω从－∞到＋∞变化时： WO(m, jω)不包围点(-1,j0),则闭环系统衰减率满足规定要求:Ψ>Ψs WO(m, jω)通过点(-1,j0),则闭环系统衰减率满足规定要求: Ψ =Ψs WO(m, jω)包围点(-1,j0),则闭环系统衰减率不满足规定要求: Ψ<Ψs
B s1
S1’
jω
β
a r c t g a r c t g m
m↑,β↑, Ψ↑
α α ’
S2’
O
α
特征方程的共轭根s1,2也可表示为：
A s2
系统特征方程共轭根的位置与 衰减率之间存在的对应关系
s m j 1 ,2
因m,β都与Ψ 有单值对应关系，都表示系统的稳定程度． Ψ越大, m,β也 越大，斜线OA,OB越远离虚轴，系统的稳定程度越高． 在斜线AOB上的极点所对应的二阶系统具有相同的相对稳定度m。 在斜线AOB右边的极点所对应的二阶系统具有小于m的相对稳定度。 在斜线AOB左边的极点所对应的二阶系统具有大于m的相对稳定度。
2019/2/13
过程控制
3
② 误差积分性能指标
各种积分指标： IE（误差积分） 优点：简单，也称为线性积分准则 局限：不能抑制响应等幅波动 IAE（绝对误差积分） 特点：抑制响应等幅波动 ISE（平方误差积分） 优点：抑制响应等幅波动和大误差 局限：不能反映微小误差对系统的影响 ITAE（时间与绝对误差乘积积分） 优点：着重惩罚过度时间过长
A
jω
ω
∞
β - mω O
α C
a r c tg m s
ms是规定的相对稳定度，与Ψs对应
这时，AOB折线上的任一点可以表示为：
B
具有规定衰减率Ψ s的系统特征方程根 的分布范围
s |m | j m是衰减率Ψs相对应的规定值
过程控制 8
2019/2/13
判别系统特征方程根的分布是否满足稳定条件的方法
|m | j 代入系统开环传递函数WO(s),便得到系统开环衰减频率特性 将s
WO(m,jω),它是相对稳定度m和频率ω的复变函数．如果ω从－∞＋∞,就得到对 应于某一m值的WO(m,jω)．利用系统开环衰减频率特性WO(m,jω)判别闭环系统 稳定度的推广奈奎斯特稳定判据，特别称为稳定度判据． 稳定度判据以AOB为分界线，判断闭环系统是否具有规定的衰减率Ψs.
2019/2/13 过程控制 2
4) 评定整定效果的指标（参数整定的依据）
① 单项性能指标
y 衰减率： ψ=(y1-y3)/y1=1-1/n 最大动态偏差： y1 y1 r y3 ess
超调量：σ=y1/y∞
调节时间: ts(进入稳态值5%范围内) y∞ t
单一指标概念比较笼统，难以准确衡量；一个指标不足以确定所期 望的性能，多项指标往往难以同时满足．
Wo(s) r
e
u GC(s)
2 m
GP(s)
y
s j 1 ,2
对应的系统阶跃响应衰减率为： 1e 其中 m
称为系统的相对稳定度,是特征方程根的实部与虚部之比
m越大系统越稳定，m=0为等幅振荡．
2019/2/13
过程控制
6
系统响应的衰减率Ψ 与系统特征方程根在复平面 上的位置存在对应关系．
这里要判别的是一个系统的稳定性的问题．由控制理论可知，奈氏稳定性判据是 通过系统开环频率特性WO(jω)在ω从－∞到＋∞变化时的轨线与临界点 (-1,j0)间的 相互关系来判别闭环系统特征方程的根分布在复平面虚轴(jω)两侧的数目,从而确 定闭环系统的稳定性.如果以AOB折线代替虚轴作为判别的界限, 则奈氏稳定性判 据的基本方法也同样适用．
第三章
简单控制系统的整定
2019/2/13
过程控制
1
3.1 控制系统整定的基本要求
给定值r e u 被调量y
PID
广义被控对象
简ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ控制系统组成
1) 控制系统的控制质量的决定因素:被控对象的动态特性 2) 整定的实质: 通过选择控制器参数，使其特性和过程特性 相匹配，以改善系统的动态和静态指标，实现最佳的控制效 果 3) 整定的前提条件：设计方案合理，仪表选择得当，安装正确