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3 过程控制系统设计（补充） 3 过程控制系统设计 本章学习内容 3.1 单回路系统的特点 3.2 单回路系统的分析 §3.1 单回路系统的特点 一、典型单回路系统的组成 单回路控制系统为SISO系统 信号以增益方式表示 整个系统为负反馈系统 执行器、对象、变送/检测环节可作为一个广义对象 实际范例 §3.1 单回路系统的特点 控制系统的组成 控制系统由被控对象、检测变送、控制器和执行器等组成，典型框图如下所示： §3.1 单回路系统的特点 二、负反馈闭环系统对控制品质的提升 闭环负反馈增加了系统的抗干扰能力 闭环负反馈提高了系统的自适应能力 适当的控制方式可以消除系统的控制余差 §3.1 单回路系统的特点 开/闭环情况下干扰通道的传递函数： §3.1 单回路系统的特点 控制对象的调节通道有时可能有一定的非线性,静态增益Ko随时间发生变化 §3.1 单回路系统的特点 §3.1 单回路系统的特点 定值控制系统的余差可表示为： §3.2 单回路系统的分析 在控制系统的设计过程对象一般比较复杂，影响被控参数的因素往往不止一个，它们可能成为干扰信号，也可能被选作控制参数，而要合理的进行设计，就必须了解系统的每个环节特性对控制效果的作用，通过合理的选择控制参数，使每个环节的动态特性参数配置有利于控制。以下将通过对单回路系统主要环节的动态特性对控制质量影响的分析，说明干扰信号、控制参数对控制效果产生影响的特点。 §3.2 单回路系统的分析 一、干扰通道特性对控制效果的影响 §3.2 单回路系统的分析 Kf的影响：当干扰信号F(S)为幅度是Δf的阶跃信号时，干扰对系统影响的产生的稳态输出变化可表示为： §3.2 单回路系统的分析 Tf的影响：干扰通道的传递函数可表示为： §3.2 单回路系统的分析 τf的影响：令 设干扰通道传递函数为 时干扰对被控参数的影响为 干扰通道传递函数为 时干扰对被控参数的影响为 则有 也即 上式说明纯滞后的存在只是使干扰作用的时间出现延迟，其他方面没有区别。 §3.2 单回路系统的分析 §3.2 单回路系统的分析 设调节器的传递函数 设执行机构和检测变送环节的传递函数为 设各容积环节的传递函数为 不同作用点的干扰对被控参数影响的传递函数分别为: §3.2 单回路系统的分析 当f1、f2、f3为相同的阶跃信号时，被控参数对干扰响应的过渡过程曲线的效果如图所示。 可见，被控对象的各惯性环节对干扰起了滤波的作用，引入位置离被控参数越远，对被控参数的影响越小。 结论：干扰作用点离被控参数越近（离控制量越远），对控制系统的稳定性影响越大。 §3.2 单回路系统的分析 二、调节通道对控制效果的影响 控制通道的是控制量(控制参数)对被控参数产生作用的通道。其特性参数的变化同样对控制效果产生影响。以下仍以典型的一阶惯性加纯滞后的传递函数为例，分析调节通道特性对控制的影响。 §3.2 单回路系统的分析 Ko对控制的影响 §3.2 单回路系统的分析 To对控制的影响：可将控制通道To的作用看作是对控制量的惯性滤波作用， To太大，控制作用太弱，控制不及时，过渡过程时间长，控制质量下降。 To太小，控制作用强，控制及时，反应较快，但衰减率下降，系统稳定性降低。 对于多容对象的控制通道，每个单容环节的To应错开，应尽量减小远离被控参数的单容环节的To值。 §3.2 单回路系统的分析 τo对控制的影响： τo的存在不利于控制，它使控制系统无法及时反映被控量的作用效果。对控制效果的影响是降低了系统的稳定性和快速性。以下以一阶惯性环节调节通道为例： §3.2 单回路系统的分析 纯滞后对系统的影响通常用比值 表示。 * * est 设定值 图1-1 简单控制系统示例 (a) 温度控制系统 b)流量控制系统 FT FC 蒸汽 TT TC 设定值 §3.1 单回路系统的特点 可将被控对象、执行机构、变送检测环节作为一个整体---称为“广义对象”。传递函数符号Go(s) 控制信号和干扰信号分别经过其各自的信号传递通道对被控变量产生作用 a)控制通道 b) 扰动通道 闭环： 开环: 设各环节传递函数的静态增益分别为:Kc/Ko/Kf 闭环系统干扰的最终影响可表示为: 开环系统干扰的最终影响可表示为: 所以闭环系统干扰影响小于开环系统 back 闭环: 稳态时： 产生的相对变化： 当Ko发生变化时，闭环系统的被控量变化： 当Ko发生变化时，闭环系统的被控量变化： 稳