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武汉科技大学中南分校信工院自动化系 第二章 简单控制系统 2.1 典型结构和控制指标 2.2 过程动态特性与建模 2.3 控制器基本控制规律 2.4 单回路控制系统的设计 2.1 典型结构和控制指标 ③振荡衰减过程 被控变量上下波动，但幅度逐渐减少，最后稳定在某一数值上。 过渡过程的分类 （1）稳定的过渡过程 单调衰减过程和衰减振荡过程是稳定的过渡过程。被控变量经过一段时间后，逐渐趋向原来的或新的平衡状态。 衰减振荡过程的过渡过程较短，经常采用。 单调过程的过渡过程较慢 ，被控变量长时间地偏离给定值，一般不采用，只是在生产上不允许被控变量有波动的情况下才采用。 （2）不稳定过渡过程 发散振荡过程中，被控变量不但不能达到平衡状态，而且逐渐远离给定值，它将导致被控变量超越工艺允许范围，这是生产上所不允许的。 （3）临界过渡过程 处于稳定与不稳定之间，一般也认为是不稳定过程，生产上一般不采用。只是某些控制要求不高的场合，如位式控制时，只能达到这种效果。 3、单容过程建模 当对象的输入输出可以用一阶微分方程式来描述时，称为单容过程或一阶特性对象。 大部分工业对象可以用一阶特性描述。 典型代表是水槽的水位特性。 液位平衡方程： 液体储罐内蓄液量的变化率=单位时间内液体流入量-单位时间内液体流出量 2.3 控制器基本控制规律 在生产过程自动控制的发展历程中，PID控制是历史最久、生命力最强的基本控制方式。直到现在，PID控制由于它自身的优点仍然得到最广泛应用的基本控制方式。 PID控制具有以下优点： 1）原理简单，使用方便； 2）适应性强； 3）鲁棒性强。 PID工作过程 当扰动一出现，即输出一个阶段偏差 e时，微分作用立即作用，使调节器输出突然出现大幅度变化，然后就慢慢下降，比例作用也同时动作，偏差越小，按积分作用动作，随着时间增加，积分作用越来越大，起主导作用，最后慢慢完全把静差克服掉。 PID各自作用： P：调节速度快，稳定性好，在保证系统稳定运行前提下减小比例带，可减小稳定误差，单独作用为有差调节。 I：能消除偏差，一般不单独使用 D：起到快速调节的作用，不允许单独使用，为了防止干扰对系统的影响，微分作用不能太强。 调节动作规律的选择 1）广义对象控制通道时间常数较大或容积延迟大时，应引入微分。 如工艺容许有残差，可选择PD控制； 如工艺要求无残差时，则选择PID动作，如温度、成分、PH值控制等。 2）广义对象控制通道时间常数较小，负荷变化不大，工艺要求无残差时 ，可选PI作用。如管道压力和流量控制。 3）广义对象控制通道时间常数较小，负荷变化较小，工艺要求不高时 ，可选P作用。如贮罐压力和液位控制。 4）当广义对象控制通道时间常数或容积延迟很大时，负荷变化也很大时，简单控制系统已不能满足要求，应设计复杂控制系统。 若对象Gp(S)=ke-τs/(Ts+1) 当τ/T0.2时，选择P或PI调节 当0.2τ/T1.0时，选择PD或PID调节 当τ/T1.0时，简单控制系统往往不能满足控制要求，应选用如串级、前馈等复杂控制系统 2.3.2 离散PID控制算法 1、几类离散PID控制算法 在用集散控制系统(DCS)或其他计算机装置进行直接数字控制(DDC)时，对各个被控变量的处理在时间上是离散进行的。 DDS 方式的特点是采样控制，每个被控变量的测量值隔一定时间与设定值比较一次，按照预定的控制算法得到输出值，通常还把它保留到下一次采样时刻。 离散PID 控制算法可分为三类： 第一类称为位置算法，直接给出u(k)； 第二类称为增量算法，计算式为 第三类称为速度算法，计算式为 2.4 单回路控制系统的设计 2.4.1 检测信号的获取与处理加工 1. 测量性能 检测元件及变送器的作用，是把工艺变量的值检测出来，转换成电/气信号，送往显示仪表，把变量的值显示或记录下来，同时又送往控制器，变送器的输出就是被控变量的测量值。目前大多数变送器的输出信号是模拟量，是电/气的标准信号，如4～20mA，1～5V，0～10mA 或0～0.1MPa 等。 气动控制阀有气开与气关不同类型。 气开型是在输入气压越高时开度越大，而在失气时将关闭，故也称FC ( falseclose) 型； 气关型是输入气压越低时开度越大，而在失气时将全开，故也称FO ( falseopen ) 型。 气开与气关的选择，主要应考虑失气时仍能保证生产安全。 例如，装在液体或气体燃料烧嘴前管道上的控制阀往往是气开型的，这样在一旦失气时便切断燃料。又如，中小型锅炉的进水阀很多是气关型的，这样即使气源中断，也不致使汽包(锅筒)