1、第六章 簡單控制系統 第一節、控制系統基本概念1、自動控制系統的組成生產人們總是希望生產過程按人們的期望進行，而生產過程中會發生各種各樣的變化，這些變化可能是人們所希望的，也可能是人們所不希望的。為了是生產過程按人們預期的方式進行，就需要對生產過程進行干預，從而按某種規律變化。這些干預可由操作人員按生產要求進行操作，這叫做人工操作。也可能由一些裝置代替人們按一定規律對生產過程進行操作，則生產也能按要求進行下去。這叫做自動操作。1、自動控制系統的組成自動控制系統是仿照人的控制方式工作的。人的控制方式是首先觀察被控參數的情況如何，偏離了預先設定數值有多少。然后根據偏差的大小與正負，去改變其他參數使

2、得被控參數重新回到預期數值。人是怎樣進行工作的呢？流入閥流出閥液位操作員人控制液位示意圖1、自動控制系統的組成我們分析人控制液位的過程，然后畫出其邏輯關系。儲水槽入口閥門儲水槽液位人工控制方塊圖液位觀察比較期望液位人1、自動控制系統的組成自動控制系統是采用智能裝置來代替人對液位進行控制，既用自動測量裝置代替人的眼睛，用自動控制器代替人的大腦，用自動執行器代替生產過程的的手動閥。儲水槽控制閥儲水槽液位自動控制方塊圖液位 檢測控制器期望液位流入閥流出閥液位 液位自動控制示意圖給定液位LC1、自動控制系統的組成自動控制系統由五部分組成：l被控對象。被控對象是生產裝置上的相關設備。儲水槽液位自動控制中

3、為儲水槽。被控對象有時也簡稱為對象。l檢測裝置。可以是各種液位傳感器或液位變送器。l控制器。控制器可以是智能控制器，集散系統（DCS）等具體設備，也可以是計算機中的一個虛擬控制器。l執行器。這里是一個自動控制閥。自動控制閥是根據作用其上的信號大小來改變流通能力的閥門。l各個部分之間的連線。這些連線表示的是各個部分之間的信息聯系。 2、開環控制與閉環控制1）開環例如煤氣發生爐，根據生產要求，首先需要向爐子內鼓風，使得爐內溫度升高，然后向爐子內通入水蒸汽使得爐內產生半水煤氣。隨著蒸汽的通入，爐內溫度會下降，然后需要停止向爐內通入蒸汽，對爐子內部進行吹掃以便將爐子內部的半水煤氣吹掃干凈，再向爐子內部

4、鼓風一提高爐溫。接下來進入下一個循環。 煤氣發生爐閥門煤氣發生爐操作示意方塊圖2、開環控制與閉環控制2）閉環例如生產過程中對儲水槽內的水溫進行控制。儲水槽上有兩條管道，一條是熱水管道，一條是冷水管道。每條管道上都裝有閥門。首先向儲水槽內放一些冷水，然后打開熱水閥門向里注入熱水，根據儲水槽內水溫的情況，開大或關小熱水閥門，直至水溫符合要求為止。 儲水槽閥門儲水槽水溫操作示意方塊圖水溫觀察3、傳遞函數傳遞函數是控制系統使用最多的一種分析方法。有了傳遞函數概念，就可利用方塊圖來描述系統，可以很直觀的觀察系統的結構。所以傳遞函數與方塊圖是控制系統分析的最基本，最常見的工具。傳遞函數是描寫輸入信息傳遞到

5、輸出信息的方式。傳遞函數的定義：系統輸出的拉氏變換注1與系統輸入拉氏變換之比，稱為該系統的傳遞函數。有了傳遞函數，就可以用一個方塊來表示這個環節。 3、傳遞函數例1： 如圖有一個RC電路，其中C為電容，R為電阻，ui為輸入電壓，uo為輸出電壓根據電學原理可知：對兩端取拉氏變換，則有： ooiduRCuudt( )( )( )ooiRCsUsUsU s( )1( )( )1oiUsG sU sRCs11RCs( )oUs( )iU s3、傳遞函數例2： 有一個儲水槽，水從上面連續流入，從下面連續流出。設流入流量為Qi，流出流量為Qo，水槽橫截面積為F，流出口阻力為R。從而可得經過線性化的機理模型

6、 ：對兩端取拉氏變換，則有： id hRFhR Qdt ( )( )( )iRFsH sH sRQ s( )( )( )1iH sRG sQ sRFs1RRFs ( )oQ s( )iQ s3、傳遞函數控制系統的傳遞函數X（s）ZGc（s）Y（s）Go（s）Gv（s）反饋控制系統方塊圖Gm（s）E( )( )( )( )( )( )1( )( )( )( )cvocvomG s G s G sY ssX sG s G s G s Gs 4、控制系統的評價指標 1）作用函數為了分析系統的特性，首先假定給系統施加一個作用。通常作用函數有階躍函數、斜波函數、正弦函數等。用的最多的是階躍函數。為了分析

7、問題方便，通常采用單位階躍函數，既階躍函數的幅度為1。tf0A階躍函數圖像0( )00Atf tt4、控制系統的評價指標2）系統的過渡過程在階躍函數作用下，系統可能出現4種過渡過程：l非周期過渡過程；l衰減振蕩過渡過程；l等幅振蕩過渡過程；l發散振蕩過渡過程。下面是它們的圖象。4、控制系統的評價指標tx0A階躍函數下非周期過渡過程圖象ty0KAtx0Aty0ab給定作用下的過渡過程曲線；干擾作用下的過渡過程曲線。4、控制系統的評價指標tx0A 階躍函數下衰減振蕩過渡過程圖象ty0KAtx0Aty0ab給定作用下的過渡過程曲線；干擾作用下的過渡過程曲線。4、控制系統的評價指標tx0A階躍函數下等

8、幅振蕩過程圖象ty0KAtx0Aty0ab給定作用下的過渡過程曲線；干擾作用下的過渡過程曲線。4、控制系統的評價指標tx0A階躍函數下發散振蕩過程圖象ty0KAtx0Aty0ab給定作用下的過渡過程曲線；干擾作用下的過渡過程曲線。4、控制系統的評價指標3）余差 余差是指系統重新穩定之后，期望數值與最終穩定數值之差。即： 公式中y（t）R為系統的期望函數。過程控制中的控制系統常常是定值系統，既系統的期望函數是常量，其數值是不變的，因此y（t）R變化量為零。因此系統的余差C常常是小于等于零的。對于給定作用下的系統余差，因為在時間t=0時系統的給定發生改變，被控參數應當跟隨這個變化。對于階躍輸入A，

9、由于系統的放大作用。期望值應當是KA。此時系統的余差常常是大于等于零。lim( )( )RtCy ty t4、控制系統的評價指標ty0KA 階躍函數下衰減振蕩過渡過程圖象余差CtrtsBB5%或2%4、控制系統的評價指標4）衰減比 衰減比描述的是系統的衰減情況。衰減比大則系統衰減過程快，過渡過程時間比較短。但是衰減比過大，超調量可能比較大。衰減比定義為系統過渡過程中第一個波峰與同方向第二個波峰之比，即： BnB 波峰是指偏離最終穩定值的峰值。如果系統是無余差的，該數值等于期望值，即系統最終穩定值等于期望值。如果系統有余差，則偏離峰值不等于期望值。常采用的衰減比在4到10之間。 4、控制系統的評

10、價指標5）超調量 系統超調量定義為；過渡過程中偏離最終穩定值的最大峰值。該數值體現的是過渡過程中的最大動態偏差。圖中的B即為超調量。系統的超調量越小越好，超調量小表明系統的動態偏差小。6）過渡過程時間 過渡過程時間是系統一個過渡過程的時間。從系統受到擾動，被控變量開始變化時刻起，到被控變量進入到5%（或2%）誤差帶，并且再沒有超出該誤差帶。這段時間即為系統的過渡過程時間。過渡過程時間越短越好，過渡過程時間短說明系統受到擾動后穩定的越快。 4、控制系統的評價指標7）最大峰值時間 最大峰值時間是表征系統受到擾動之后上升快慢的參數。從系統受到擾動，被控變量開始變化時刻起，到被控變量達到最大峰值的時間

11、。該時間短說明調整動作明顯，但動態偏差比較大。 第二節、被控變量的選擇 被控變量的原則：(1)應當盡量選擇生產指標參數作為被控變量。(2)當不能選擇生產指標參數作被控變量時，應當選擇一個與產品指標有單值對應關系的間接指標參數作為被控變量。(3)所選擇的間接指標參數應當具有足夠大的靈敏度，以便反映生產狀況的變化。(4)選擇被控變量時需考慮到工藝的合理性和國內、外儀表生產的現狀。 第三節、操縱變量的選擇 一對象特性對控制質量的影響及控制變量的選擇F1 F2F3Fn Y多輸入單輸出對象示意圖案對象輸入輸出關系圖圖案F1(s)F2(s)GPD1(s)GPD2(s)GPC2(s)U(s)Y(s)一、對象

12、特性對控制質量的影響及控制變量的選擇1干擾通道特性對控制質量的影響我們從K、T、三個方面來進行分析。(1)放大倍數Kf的影響單回路控制系統方塊圖F(s)GPD（s）R（s）Y（s）Gc（s）GPC（s）)()()(1)()(sFsGsGsGsYPCCPD)1)(1 ()(21sTsTKsGoooPC令( )1fPDfKGsT s令；1干擾通道特性對控制質量的影響則有： 式中KCK0為控制器放大倍數與被控對象放大倍數的乘積，稱之為該系統的開環放大倍數。對于定值系統，y（）即系統的余差。由式可以看出，干擾通道放大倍數越大，系統的余差也越大，即控制靜態質量越差。 OCfoooCffssKKKsTsT

13、KKsTKssssYy1)1)(1 (111lim)(lim)(21001干擾通道特性對控制質量的影響(2)時間常數Tf的影響 由對象特性分析可知，時間常數是由于容量滯后引起的，當輸入信號發生階越變化，其輸出會慢慢的按指數形式發生改變，經過一定時間之后才能穩定在新的數值上。時間常數越大輸出變化越慢。如果干擾通道的時間常數大，則其對被控參數的影響就越緩慢。如果干擾通道的階次越高，則時間常數個數就越多，對被控參數的影響就越緩慢。這當然對控制系統的控制質量是有益處的。 由上分析可得出如下結論：干擾通道時間常數越大，個數越多，干擾對被控變量的影響就越小，系統的質量則越高。 1干擾通道特性對控制質量的影

14、響(3)純滯后f的影響 純滯后時間是這樣一種特性，即輸入發生變化滯后，其輸出延遲一段時間之后才發生變化。通常是由生產過程中的傳輸引起的，例如長距離管道輸送、皮帶輸送等。注意，純滯后與容量滯后不是一個概念，容量滯后的輸出是在其輸入變化的同時發生變化，只不過是要經過一段時間才能穩定在相應數值上。而純滯后特性的輸出，在輸入發生變化的時刻，其輸出不發生變化，而是要經過一段時間之后才發生變化。假定干擾信號同為f=f（t），則沒有純滯后的系統輸出為y（t），而有有純滯后的系統輸出為y（t-f）。y(t)與y(t)是兩條形狀完全相同，只是時間上滯后了一個時間f。這就是說干擾通道有、無純滯后對質量沒有影響。

15、1干擾通道特性對控制質量的影響干擾通道特性對控制質量的影響特性參數對靜態質量的影響對動態質量的影響Kf增加余差增加無影響Tf增加無影響過渡過程時間減小，振蕩幅值減小f增加無影響無影響2控制通道特性對控制質量的影響 (1)放大倍數K0的影響 放大倍數K0對控制質量的影響要從靜態和動態兩個方面進行分析。從靜態方面分析，由式（78)可以看出，控制系統的余差與干擾通道放大倍數成正比，與控制系統的開環放大倍數成反比。因此當Kf、KC不變時，控制通道放大倍數K0越大，系統的余差越小。 同時，K0越大則表示操縱變量對被控變量的影響越靈敏，這表示通過對它的調節來克服干擾影響更為有效。 也就是說， K0大系統就

16、越敏感。 在KC不變的前提下，K0大到一定程度系統就變的不穩定了，也就沒有余差的說法了。2控制通道特性對控制質量的影響(2)時間常數T0的影響 控制通道時間常數可看作控制變量對被控參數作用的“柔軟”程度。時間常數T0小表示控制變量對被控參數作用比較“硬”，時間常數T0大表示控制變量對被控參數作用比較“軟”。因為過程工業生產過程關聯、偶合比較強，一點的波動會影響上、下游的生產環節，因此過程控制中總是希望控制變量對被控參數的影響要“柔和”一些。另外一方面，控制參數對被控變量的影響有不能太遲鈍，因為控制參數不能及時的影響被控變量會造成控制的不及時，這對控制也是不利的。因此希望控制通道的時間常數T0不

17、能太大，也不能太小，要適當的小些 。2控制通道特性對控制質量的影響(3)純滯后0的影響 如果控制作用在tl時刻產生，要等到tl +0時刻才開始對干擾起抑制作用，而在此時間以前，系統由于得不到及時的控制，因而被控變量只能任由干擾作用影響而不斷地上升(或下降)。顯然，與控制通道沒有純滯后的情況相比，此時的動態偏差將增大，系統的質量將變差。 2控制通道特性對控制質量的影響控制通道特性對控制質量的影響圖特性參數對靜態質量的影響對動態質量的影響K0增加余差減小（穩定前提下）系統趨向于振蕩T0增加無影響過渡過程時間增加，系統頻率變慢0增加無影響穩定程度大大降低3操縱變量的選擇 操縱變量選擇原則：所選的操縱

18、變量必須是可控的；所選的操縱變量應是通道放大倍數比較大者，最好大于擾動通道的放大倍數；所選的操縱變量應使擾動通道時間常數越大越好，而控制通道時間常數應適當小一些為好，但不易過小；所選的操縱變量其通造純滯后時間應越小越好；所選的操縱變量應盡量使干擾點遠離被控變量而靠近控制閥；在選擇操縱變量時還需考慮到工藝的合理性。一般來說，生產負荷直接關系到產品的產量，不宜經常變動，在不是十分必要的情況下，不宜選擇生產負荷作為操縱變量。 第四節、控制器參數對系統控制質量的影響及控制規律的選擇 1、控制器參數對系統靜態誤差的影響2、控制器參數對系統動態誤差的影響1）比例放大倍數KC 00lim ( )1ftcK

19、Ke tG K如果有KCK01，Kf=1，則余差就等于1/GC， ytKC增加根據圖中所示則有：LV/ LT = L1/L2，令KP= L1/L2則有：LV = L1/L2LT， LV = KPLT。LT = LV/KP已知 LT為真實液位期望液位之差。所以 LT不可能為零。第四節、控制器參數對系統控制質量的影響及控制規律的選擇2）積分時間Ti ytTi減小第四節、控制器參數對系統控制質量的影響及控制規律的選擇3）微分時間TD ytTD增加第四節、控制器參數對系統控制質量的影響及控制規律的選擇3、控制規律的選擇（1）對于不太重要的參數，例如中間儲罐的液位、熱量回收預熱系統等，對這些參數的控制一

20、般要求不太嚴格，可考慮采用比例控制，甚至采用開關控制。（2）對于不太重要的參數，但是慣性較大，又不希望動態偏差較大，可考慮采用比例微分控制器。但是對于系統噪聲較大的參數，例如流量，則不能選用比例微分控制器。（3）對于比較重要的，控制精度要求比較高參數，可采用比例積分控制器。（4）對于比較重要的，控制精度要求比較高，希望動態偏差較小，被控對象的時間滯后比較大的參數，應當采用比例積分微分控制器。 第四節、控制器參數對系統控制質量的影響及控制規律的選擇4、控制器正反作用選擇 控制器正反作用選擇是控制系統穩定的前提條件。準則是保證控制系統是負反饋系統。條件是保證組成系統的各個環節符號乘積為負（），即回

21、路中各個環節中，負號環節的個數為奇數個。用公式表示為： 具體有兩種方法，一種是從方塊圖上確定，一種是控制系統結構原理圖上確定。這兩種方法的前提是要先確定控制閥的開閉形式。()()()()1CVOmSign GSign GSign GSign G 第四節、控制器參數對系統控制質量的影響及控制規律的選擇例單回路溫度反饋控制系統方塊圖GC-GVGmTRGO+-加熱爐溫度控制系統原料燃料油spTTCA.O第五節 測量變送裝置與控制閥的選擇一、測量變送裝置選擇 測量變送裝置選擇主要有下面幾個方面：測量變送裝置結構類型的選擇 在防火防爆場合就需要選擇隔離報爆或本質安全測量變送裝置；現場具有強電磁干擾時需要

22、選擇屏蔽功能測量變送裝置；高溫/低溫場合選擇帶有隔離措施，或選擇帶隔熱/保溫措施的，或選擇室內安裝型測量變送裝置。測量變送裝置信號類型的選擇 根據具體要求，選擇非標準信號的傳感器或選擇標準信號的變送器。變送器還可分為兩線制變送器和四線制變送器。測量變送裝置量程的選擇 量程是指變送器所測最小參數點到最大參數點的范圍，量程范圍是指變送器的最小量程到最大量程的調整范圍。應當將生產中被測參數的變化范圍包含在變送器的測量范圍之內。 傳感器的量程需要根據被測參數變化范圍進行選擇。第五節 測量變送裝置與控制閥的選擇二、控制閥選擇 控制閥選擇的內容包括：1）開、閉形式的選擇 (1)首先要從生產安全出發。即當控

23、制閥失去信號的時候，其所位置應當是生產安全位置。 (2)從保證產品質量出發。即當控制閥失去信號的時候，其所位置不應降低產品的質量。 (3)從降低原料、成品、動力損耗來考慮。即當控制閥失去信號的時候，其所位置不會造成浪費。(4)從介質的特點考慮。即當控制閥失去信號的時候，其所位置不會形成結晶、沉淀、凍結等現象。第五節 測量變送裝置與控制閥的選擇2）口徑選擇參考有關手冊，根據工藝提供的條件進行計算。3）控制閥流量特性的選擇 （1）根據對象特性選擇；（2）根據管道阻力情況選擇；配管情況s=10.6s=0.60.3S0.3未考慮配管情況時閥特性直線對數直線對數不適宜控制考慮配管情況時閥特性直線對數直線對數第五節 測量變送裝置與控制閥的選擇4）結構形式的選擇。 不同結構形式控制閥特點及適用場合閥結構形式特 點 及 使 用 場 合直通單座閥前后壓降低，適用于要求泄漏量小