冶金过程控制基础及应用第二章讲义.ppt

第二章  过程装备控制基础 内 容 简单过程控制系统的设计。 工业常用复杂控制系统的结构、特点及应用。 它们中的多数系统仍只有一个(或一个主要的)被控变量，仍参照简单控制系统的基本原理来分析和设计，仍是经典控制理论发展的产物。 设计一个控制系统 设计一个控制系统步骤： 对被控对象作全面了解。 解决控制方案和调节器参数的整定。 系统投运。 第一节 被控对象的特性 控制系统控制质量的优劣——过程控制中最重要的问题，取决于自动控制系统的结构及其各个环节的特性。 被控对象的特性——由生产工艺过程和工艺设备决定，在控制系统的设计中无法改变。只有深刻了解被控对象的特性，才能得到良好的控制质量。 第一节 被控对象的特性 概念1： 被控对象的特性：是指当被控对象的输入变量发生变化时，其输出变量随时间的变化规律(包括变化的大小、速度等)。通常所讲的对象特性是指控制通道的对象特性。 对一个被控对象来说，其输出变量就是控制系统的被控变量，而其输入变量则是控制系统的操纵变量和干扰作用。 第一节 被控对象的特性 概念2： 通道：被控对象输入变量与输出变量之间的联系。 概念3： 控制通道：操纵变量与被控变量之间的联系。 第一节 被控对象的特性 概念4： 干扰通道：干扰作用与被控变量之间的联系。 第一节 被控对象的特性 2.1.1 被控对象的数学描述： 以工业过程中最简单的水槽液位对象为例分析推导。 在连续生产过程中，最基本的关系是物料平衡和能量平衡。 第一节 被控对象的特性 在静态条件下，单位时间流入对象的物料(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就是由这两种关系推导出来的微分方程式。 第一节 被控对象的特性 水槽液位对象： （1）单容液位对象 有自衡特性的单容对象 无自衡特性的单容对象 （2）双容液位对象 第一节 被控对象的特性 有自衡特性的单容对象 第一节 被控对象的特性 显然，在任何时刻水位的变化均满足下面的物料平衡关系： （2-1） V－水槽内液体的贮存量(液体体积)； t－时间； dV/dt－贮存量的变化率。 第一节 被控对象的特性 设水槽的横截面积为A，是一个常数，则因为 （2-2） 所以 （2-3） 第一节 被控对象的特性 静态情况时： dV/dt = 0 qv1 = qv2 qv1变化 ? 液位H变化 ? 水槽出口处静压液变化 ? qv2变化。 第一节 被控对象的特性 假设qv1变化量很小，可近似认为流出量取qv2与液位H成正比关系，与出水阀的水阻Rs成反比关系，即 (2-4) 第一节 被控对象的特性 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，因而出水阀的开度不变，阻力Rs为常数。 第一节 被控对象的特性 将式(2-2)和式(2-3)代入式(2-1)，整理得 (2-5) 令T=ARs，K=Rs，代入(2-5)，得 (2-6) 第一节 被控对象的特性 式(2-6)是用来描述单容水槽被控对象的微分方程式，它是一个一阶常系数微分方程式。因此，通常将这样的被控对象叫做一阶被控对象。式(2-6)中的T称为时间常数，K称为被控对象的放大系数，它们反映了被控对象的特性(将在下一节中详述)。 第一节 被控对象的特性 图2-l所示的水槽液位被控对象,在初始平衡状态时，流入水槽的流量qv1等于流出水槽的流量qv2，因此，液位稳定在某一数值H0上，处于平衡状态。在t0时刻，若流人量qv1突然有一阶跃变化量?qv1，则可由式(2-5)求出相应的液体变化量 第一节 被控对象的特性 (2-7) 根据式(2-7)画出图2-l水槽液位被控对象在阶跃输入作用下的特性曲线如图2-2所示。 第一节 被控对象的特性