[工学]计算机过程控制-第一章.ppt

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[工学]计算机过程控制-第一章

第一篇 简单控制系统 简单控制系统:只有一个被调量、一个调节量而且只用一个调节器、一个调节阀所组成的控制回路,因而也只有一个闭合回路(见下图)。 最基本的,约占目前工业控制系统的80%以上。复杂控制系统也是在简单控制系统的基础上发展起来的。简单控制系统,例如流量跟随系统是高级过程控制系统的最低层。 第一章 生产过程的动态特性 §1-l 过程控制系统的性能指标 根据被控对象动态特性以配置合适的控制系统,以满足生产过程的要求。 过程控制系统在运行中有两种状态 :稳态 与动态 稳态:此时系统没有受到任何外来干扰,同时设定值保持不变,因而被调量也不会随时间变化,整个系统处于稳定平衡的工况。 动态:当系统受到外来干扰的影响或者在改变了设定值后,原来的稳态遭到破坏,系统中各组成部分的输入输出量都相继发生变化,尤其是被调量也将偏离原稳态值而随时间变化,这时就称系统处于动态。经过一段调整时间后,如果系统是稳定的,被调量将会重新达到新设定值或其附近,系统又恢复稳定平衡工况。这种从一个稳态到达另一个稳态的历程称为过渡过程。 1.衰减比和衰减率 衰减比与衰减率两者有简单的对应关系,为了保证控制系统有一定的稳定裕度,在过程控制中一般要求衰减比为4:1到10:l,这相当于衰减率为75%到90 % 。这样,大约经过两个周期以后就趋于稳态,看不出振荡。 2.最大动态偏差和超调量 : 最大动态偏差:设定值阶跃响应中,过渡过程开始后第一个波峰超过其新稳态值的幅度,如图1.l中的y1。 超调量:最大动态偏差占被调量稳态变化幅度的百分数称为超调量。对于二阶振荡过程而言,超调量与衰减率有严格的对应关系。 超调量只能近似地反映过渡过程的衰减程度。最大动态偏差更能直接反映在被调量的生产运行记录曲线上,因此它是控制系统动态准确性的一种衡量指标。 3.残余偏差:过渡过程结束后,被调量新的稳态值y(∞)与新设定值r之间的差值,它是控制系统稳态准确性的衡量指标。 4.调节时间和振荡频率 : 调节时间:从过渡过程开始到结束所需的时间。当被调量已进入其稳态值的士5%范围内,就算过渡过程已经结束;衡量控制系统快速性的一个指标。 过渡过程的振荡频率:也可以作为衡量控制系统快速性的指标。 衰减比(及衰减率)、最大动态偏差(及超调量)、残余偏差、调节时间(及振荡频率)是单项性能指标。 误差积分指标(综合指标):过渡过程中被调量偏离其新稳态值的误差沿时间轴的积分。无论是误差幅度大或是时间拖长都会使误差积分增大,愈小愈好。 不同的积分公式侧重点不同 ISE:着重于抑制过渡过程中的大误差, ITAE:惩罚过渡过程拖得过长。 误差积分指标并不能都保证控制系统具有合适的衰减率,衰减率是人们首先关注的。一个等幅振荡过程的IE却等于零,显然极不合理。 首先规定衰减率的要求,再考虑使误差积分为最小 过程控制中被控对象:工业生产过程中的各种装置和设备,例如换热器、工业窑炉、蒸汽锅炉、精馏塔、反应器等等。被调量通常是温度、压力、液位、成分、转速等。 被控对象特点: 1 、物质或能量的流动 过程控制被控对象内部所进行的物理、化学过程几乎都离不开物质或能量的流动,从外部流入对象内部的物质或能量流量称为流入量,从对象内部流出的流量称为流出量。 流入量=流出量时,对象才会处于 稳定平衡的工况。平衡关系一旦遭到破坏,就必然会反映在某一个量的变化上。液位 变化反映物质平衡关系,温度变化反映热量平衡,转速变化可以反映动量平衡。几乎离不开调节阀,用它控制某种流体的流量。 被控对象动态特性的因素: 1、流入量或流出量,引起被调量变化。 2、纯迟延,即传输迟延信号传输途中出现的迟沿。例如温度计的安装应该紧靠换热器的出口,如果安装在离出口较远的管道上,就造成 纯迟延。 二、简单被控对象的动态特性 例11 单容水槽 单容水槽如图1.2所示。不断有水流入槽内,同时也有水不断由槽中流出。水流入量Qi由调节阀开度μ,流出量Q0则由用户根据需要通过负载阀R来改变。被调量为水位H,它反映水的流入与流出量之间的平衡关系。现在分析水位在调节阀开度扰动下的动态特性。 显然,在任何时刻水位的变化均满足下述物料平衡方程: 上式是最常见的一阶系统,它的阶跃响应是指数曲线,如图1.3所示,与电容充电过程相同。把水槽的充水过程与RC回路(见图1.4)的充电过程加以比较。 凡是只具有一个储蓄容积同时还有阻力的被控对象(简称单容对象)都具有相似的动态特性。图1.5中的贮气罐(

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