《过程控制基础知识.ppt》由会员分享，可在线阅读，更多相关《过程控制基础知识.ppt（31页珍藏版）》请在三一办公上搜索。
1、任务一 过程控制基础知识,1.1 自动控制系统的组成,1.2 自动控制的分类或控制方式,1.3生产过程对控制系统运行的基本要求,任务一 过程控制基础知识,1.1 自动控制系统的组成1.1.1 人工控制与自动控制,自动控制系统的组成,被控对象,测量变送,控制器,执行器,被控制的生产过程或设备,执行控制器指令，改变操纵变量，对生产过程实施控制作用,接收测量来的信号与给定值比较，作出控制决策送指令给执行器,对被控变量进行检测并转换成标准统一号送控制器,1.1.2 过程控制系统组成 在生产过程中有各种各样的控制系统，下图所示为几个简单控制系统的示例。,自动控制系统的方框图,控制理论中的常用术语：,给定
2、值：生产过程中所期望的参数值。测量值：测量变送输出值。偏差：给定值与测量值之差。被控变量：生产过程希望控制好的变量。操纵变量：控制阀操纵的变量。扰动量：破坏系统平衡状态的外界因素。控制作用：控制器输出对生产过程的影响。扰动作用：扰动量对生产过程的影响。,1.2 自动控制的分类或控制方式,自动控制系统一般有两种基本控制方式：1开环控制系统 控制系统的输出信号对控制作用没有影响，则称为开环控制系统，即系统的输出信号不反馈到输入端，不形成信号传递的闭合环路的控制系统。,举例如下：下图是数控加工机床中广泛应用的精密定位控制系统,开环控制系统原理方框图,2闭环控制系统,控制系统的输出信号对控制作用有直接
3、影响的控制系统，称为闭环控制系统。在闭环控制系统中，系统的输出信号通过反馈环节返回到输入端，形成闭合环路，故又称为反馈控制系统。,如下图,1.2.2 自动控制系统按给定值变化分类,按设定值的变化将自动控制系统分为三类:1定值控制系统 设定值保持不变（为恒定值）的反馈控制系统称为定值控制系统。定值控制系统的基本任务就是要克服扰动对被控变量的影响。,2 随动控制系统,随动控制系统也称跟踪控制系统。这类控制系统的特点是设定值在不断变化.控制的目的是要使被控变量能够及时而准确地跟踪设定值的变化.,3 程序控制系统,程序控制系统的设定值是一个已知的时间函数.,在石油、化工、冶金、电力、陶瓷、轻工、制药等
4、工业生产中，定值控制系统占大多数，是主要的控制系统，其次是程序控制系统与随动控制系统.,1.3.1 控制系统的动态与静态,系统或环节特性,系统或环节的输入与输出的关系。,1.3生产过程对控制系统运行的基本要求,自动控制系统的输入,设定值的变化（或称设定作用),扰动的变化（或称扰动作用）,控制系统的过渡过程,控制系统由一个平衡状态过渡到另一个平衡状态的过程。,1.静态（或稳态）,在自动控制系统中，被控变量不随时间变化的平衡状态，称为系统的静态（或稳态）.,在保持平衡时环节的输出与输入关系称为环节的静态特性。,控制系统的过渡过程,控制系统的静态过程,被控变量不随时间变化的平衡状态,控制系统的动态过
5、程,被控变量随时间变化的状态,在自动控制系统中，被控变量随时间变化的状态，称为系统的动态（或暂态）.,2.动态（或暂态）,系统处于动态时的输出与输入之间的关系称为系统的动态特性。,系统的动态特性,3静态与动态的辩证关系,以哲理的观点看，在自动控制系统中，静态是暂时的、相对的、有条件的，动态才是普遍的、绝对的、无条件的。在生产过程中，扰动作用总是不断产生，控制作用不断去克服扰动对被控变量的影响。所以，自动控制系统总是处在动态之中。,生产过程对控制系统运行的基本要求,生产过程要求自动控制系统运行时要“稳、快、准”。,1稳定性：,指系统受到外来作用后，其动态过程的振荡倾向和系统恢复平衡的能力。,如果
6、系统受到外来作用后，经过一段时间调整，其被控变量可以达到新的稳定状态，这样的系统是稳定的系统。,稳定的系统判断方式：,线性自动控制系统的稳定性是由系统结构参数所决定的，与外界因素无关。因此，保证控制系统的稳定性，是设计和操作人员的首要任务。,2快速性,快速性是表明系统输出对输入响应的快慢程度。,提高响应速度、缩短过渡过程的时间，对提高系统的控制效率和控制过程的精度都是有利的。,3准确性,余差：,控制系统达到新的平衡状态时，被控变量的稳态值与设定值之间的差值，为稳态误差，也简称余差。,稳态误差是衡量控制系统静态控制精度的重要标志。,1.3 过程控制系统的性能指标,控制系统的过渡过程,系统从一个平
7、衡状态过渡到另一个平衡状态的过程。,控制系统的过渡过程：,过程控制系统的过渡过程，实质上就是控制作用不断克服扰动作用的过程。研究控制系统的过渡过程，对分析和改进控制系统具有很重要的意义。过渡过程直接反映控制系统质量的优劣，与生产过程中的安全及产品的产量、质量有着密切的联系。,图1.9定值控制系统过渡过程的几种形式,常见的过渡过程形式,图1-3为一个过程控制系统的阶跃响应曲线。,1.3.2 过程控制系统的性能指标 过程控制系统性能指标是衡量系统控制质量优劣的依据，又称为质量指标（或品质指标）。通常主要采用两类性能指标：单项性能指标和综合 控制指标。1.单项性能指标 单项性能指标是系统在单位阶跃输
8、入作用下,被控 变量随时间变化的衰减振荡曲线来定义的。,单项性能指标是三个动态指标，一个静态指标。它们分别是：衰减比n、超调量 与最大动态偏差、回复时间Ts、余差e()。注意：这些控制指标仅适用于衰减振荡过程。,（1）衰减比n:,过渡过程曲线上两个同方向相邻峰值之比。,若用B表示第一个波的振幅，B表示同方向第二个波的振幅，则衰减比为:,衰减比是控制系统的稳定性指标,若衰减比n1，过渡过程是发散振荡，系统不稳定；若衰减比n1，过渡过程是等幅振荡，系统在临界稳定状态；若衰减比n1，过渡过程是衰减振荡，n越大，系统衰减越越快,系统越稳定。衰减比一般取41101，即大约两个周期后，系统能趋于新的稳态。
9、通常，随动控制系统的衰减比要求为101，定值控制系统的衰减比为41。衰减比须视具体被控对象的不同来选取。,习惯上用n1表示衰减比。,（2）超调量 与最大动态偏差。,超调量和最大动态偏差是表征被控变量偏离参比变量的超调程度，是衡量过渡过程动态精确度（即准确性）的一个动态指标。它也反映了控制系统的稳定性。,在随动控制系统中，超调量是一个反映被控变量偏离新稳态值最大程度的指标。,C是输出的最终稳态值，B是输出超过最终稳态值的最大振幅（即第一个波峰的幅值）。,在定值控制系统中，最终稳态值很小或趋近于零，因此，仍用 作为超调情况的指标就不合适了。通常改用最大动态偏差 来代替超调程度.,最大动态偏差,:被
10、控变量偏离设定值的最大程度,也等于最大振幅B与最终稳态值C之和的绝对值,若用增量形式描述参数变化,则最大动态偏差就是最大指示值.,最大动态偏差或超调量越大，生产过程瞬时偏离设定值就越远。在实际工作中，最大动态偏差不允许超过工艺所允许的最大值。（如存在爆炸极限的化学反应），需限制最大动态偏差的允许值.,（3）回复时间Ts,回复时间又称为过渡过程时间，表示控制系统过渡过程的长短,即被控变量从原稳态值达到新稳态值所需要的时间.,工程上用“被控变量开始变化到进入稳态值附近5%或2%范围内所需要的时间”作为过渡过程的回复时间Ts。,控制系统的快速性也可以用振荡频率w 来表示,振荡频率也可作为控制系统的快
11、速性指标。定值控制系统常用振荡频率来衡量控制过程的快慢。,（4）余差e(),也称残余偏差 余差又称残余偏差或静差，是控制系统的最终稳态偏差e()，即过渡过程终了时被控变量的设定值与新稳态值之差，即,对于定值控制系统，x0，则有e()C,必须说明，以上这些控制指标在不同的控制系统中各有其重要性，而且相互之间又有着内在的联系。如果要要求同时满足这几个控制指标是不可能的。应根据工艺生产的具体要求分清主次，区别轻重，对于主要的控制指标应优先保证。,2综合控制指标,单项性能指标分别只代表系统一个方面的性能.这些指标往往相互影响、相互制约，难以同时满足要求。,综合控制指标又称为偏差的积分性能指标，常用于分
12、析系统的动态响应性能。,对于存在余差的控制系统，由于余差e()不为零，因此，积分指标都将趋于无穷大，这时，可用e(t)-e()-y(t)-y()代替偏差项进行积分运算。过程控制系统控制质量的好坏，取决于组成控制系统的各个环节，特别是被控对象（过程）的特性。自动控制装置应按被控过程的特性加以选择和调整，才能达到预期的控制质量。如果被控过程和自动控制装置两者配合不当，或在过程控制系统运行中自动控制装置的性能或过程特性发生变化，都会影响到过程控制系统的控制质量，这些问题将在控制系统的设计过程中应充分注意。,1、熟悉控制系统的组成环节，各组成环节的作用？2、掌握控制理论常用术语。背得。3、控制系统方块图的绘制。,4、自动控制系统有哪些基本方式？5、控制系统的分类6、控制系统的动态、静态。,
