5-1控制系统的数学模型.ppt

第五章 工业过程模型 控制系统的组成 控制系统组成框图 过程工业中常见的控制系统都具有如下的结构。 过程控制系统的品质由组成系统的各个环节的特性所决定。 基本控制系统组成 上图为控制系统的一般表示，它就是工业生产过程中最常见的单回路控制系统。系统由一个控制器、一个执行器、一个被控变量和一个测量变送器，构成一个闭合回路。 其中，测量变送器将被控变量的状态回送到控制系统的输入端，因此常称为反馈环节。 这种结构的单回路控制系统称为简单控制系统。 多回路控制系统 当控制系统有多于一个闭合回路时，这样的控制系统称多回路控制系统，在工业过程控制中也常称复杂控制系统。工业过程中除了前面的简单控制系统，用得最多的控制系统具有下图所示结构，称为串级控制系统。 值得注意的是这里所讲的单回路控制系统和多回路控制系统是从控制系统构成角度来区分的，而不是从被控设备角度来看的。从生产过程来看，或一个生产设备、一个生产工段，可以有许多个控制回路。我们将会看到它们并不一定组成多回路控制系统。 复杂控制系统除了串级控制系统外，还有其它的结构。 串级控制系统 在串级控制系统中，外环的被控变量称为主被控变量（主参数），相应的控制回路称为主控制回路。内环的控制对象称为副被控变量（副参数），相应的控制回路称为副被控变量。 被控过程的特性分析 其中测量变送器和执行器（在过程工业中一般为调节阀）的特性是由设计和制造时确定。在控制系统设计时，根据工艺要求选择和安装，它们的特性是确定的。 被控过程的特性由工艺流程性质确定。 现在的调节器都采用微控制器，特性改变只是修改程序的过程。 控制系统的设计成为组成合适的控制回路和调节器参数整定两个问题。 控制性能指标 生产过程能正常运行的必要条件是稳定，这也是控制系统首先要达到的目标。此外，系统还必须在一定的范围内能稳定工作，用控制原理的术语要具有适当的稳定裕量。此外对一个好的控制系统，还要求系统受到扰动偏离平衡状态后，重新回到平衡状态的时间；或者从一个平稳状态到新的平稳状态的过渡时间要尽量短；到达新的稳定状态后，余差要尽量小等等。 评价控制系统性能指标分为稳态（静态）指标和动态指标。 控制性能指标 稳态：系统处于稳定平衡的工况，即系统既没有受到扰动，设定值也保持不变，因而被控变量也不随时间变化的一种状态。最重要的稳态性能指标是残差（或称为稳态误差）。 动态：系统受到外来扰动或者改变设定值后，系统原来的状态（稳态）遭到破坏，系统中各个部分都相应发生变化，尤其是被控变量也随时间变化的过程。 如果系统是稳定的，经过一段调整时间后，被控变量将会再次回到新的稳定状态。 过渡过程 这种从一个稳态到达另一个稳态的历程称为过渡过程。下图为系统理想的过渡过程曲线。图(a)为设定值发生阶跃变化时的过渡过程曲线，图(b)为系统受到外来扰动时的过渡过程曲线。图中e（∞）为系统重新进入稳定状态后，与理论上的稳定值之间的偏差，称为稳态误差（或残差）。 主要的时域性能指标 衰减比 衰减比一般取(4:1) 超调量与最大静态偏差之比 若整个闭环系统可看做二阶振荡环节，则超调量σ与衰减比n有着一一对应的关系 主要的时域性能指标 最大动态偏差 残差 对于定值控制系统，r=0，则有 残差是反映控制精确度的一个稳态指标 调节（过渡）时间tE和振荡频率 过渡过程振荡频率β是振荡周期P的倒数 tP和tS分别为峰值时间和上升时间。 过渡过程的几种基本形式 系统控制设计 过程控制系统设计和投入运行包括方案设计、工程设计、工程安装和仪表调校、调节器参数整定。 一个生产过程（或设备或生产工序）往往不是只有一个可用的控制方案；同样，一个被控变量可用的控制手段（称为控制变量）也可能有多个。 确定了控制方案后，要确定采用的控制规律，进行调节器参数整定。PID控制。 PID参数的自整定系统。 控制方案确定 产品质量是过程控制的直接指标。 通过控制温度、压力、流量和液位，间接控制产品质量。 确定被控参数和控制参数。能正确和迅速反映生产过程的变量作为被控参数。能迅速对被控参数起作用，并且有足够的能力的过程参量作为控制变量。不同控制回路之间不要相互影响。 选好控制参数后，其它对被控参数有影响的因素称为干扰因素。 采用合适的调节规律，整定调节器参数。 仪表的安装和调校 控制系统的安装和仪表的调校是控制工程最重要的工作之一。 电路和气路安装过程中必须进行规范的标注。按装完成后，要进行仔细核对、查验和校验。对气路还应进行通气检查和气路清洗（吹扫）。检测仪表和执行器安装前都应在仪表室先进行单校检验，即使是全新的仪表也必须进行。控制系统安装完成后，要对每个控制回路进行联校，确保