第二章 过程装备控制基础

▲第2章过程装备控制工程基础教学要求与学习目标：1掌握被控对象的数学建摸和特性参数。2掌握简单控制系统控制方案的设计。3掌握控制器常用的控制规律4掌握控制器控制参数的工程整定。5能根据系统的特殊要求，设计合适的复杂控制系统教学内容:●§2.1被控对象的特性▲§2.2简单控制系统▲§2.3复杂控制系统§2.1被控对象的特性教学目的与要求：1了解被控对象特性的意义和重要性；2掌握对象动态特性的通道的含义3了解被控对象特性的数学建模；4掌握被控对象特性的实验测定方法；5掌握表征被控对象特性的三大参数——放大系数K、时间常数T、滞后时间τ的物理意义及其对控制质量的影响本节主要内容:§2.1.1被控对象的特性及其描述方法§2.1.2被控对象的三大特性参数——放大系数K、时间常数T、滞后时间τ本节思考题：Pg57：1、2、3、4；作业：1训练求取被控对象的特性参数Pg57：52训练由实验反应曲线求对象特性的三大参数，进而求出被控对象的特性方程式：补充题2提问：▲1影响自动控制系统控制质量的因素有哪些？▲2为什么要研究被控对象的特性？§2.1.1被控对象的特性及其描述方法提问：▲1影响自动控制系统控制质量的因素有哪些？1被控对象的特性2组成的自动控制系统3自动控制装置的特性检测仪表与变送器控制器执行器被控变量干扰作用y给定值控制器执行器被控对象f测量元件与变送器yse=ym－ysumym偏差－控制信号操纵变量§2.1.1被控对象的特性及其描述方法4控制规律及控制器参数的设定在生产过程中，存在各种各样的被控对象。这些对象的特性各不相同。有的较易操作，工艺变量能够控制得比较平稳；有的却和很难操作，工艺变量容易产生大幅度波动，只要稍不谨慎就回超出工艺允许的范围，轻则影响生产，重则造成事故。只有充分了解和熟悉对象特性，才能使工艺生产在最佳状态下运行。因此，在控制系统设计时，先必须充分了解被控对象的特性，掌握它们的内在规律，才能选择合适的被控变量、操纵变量、合适的测量元件和控制器，选择合理的控制器参数，设计合乎工艺要求的控制系统。§2.1.1被控对象的特性及其描述方法▲2为什么要研究被控对象的特性？§2.1.1被控对象的特性及其描述方法y—被控变量m—操纵变量f—干扰量◆通道——被控对象的输入变量至输出变量之间的信号联系◆干扰通道：fy破坏作用◆控制通道：my调节作用myf被控对象图1对象的输入、输出量一通道的含义◆被控对象的特性：是指被控对象输入变量与输出变量之间的关系。即被控对象的输入量发生变化时，对象的输出量随时间的变化规律。◆静态特性、动态特性思考题P57：3什么是被控对象的控制通道？什么是干扰通道？思考题P57：1什么是被控对象的特征？二被控对象特性的描述方法1理论数学模型法——用定量地表达对象输入、输出关系的数学表达式（微分方程式、偏微分方程式、状态方程等）来表达。2实验输出曲线或数据表格——用对象在一定形式输入作用下的输出曲线或数据表格来表示。根据输入形式的不同，有阶跃反应曲线、脉冲反应曲线、矩形脉冲反应曲线等。1机理建模是通过对对象内部的运动机理分析，根据对象中物理或化学变化规律（如质量守恒定律、能量守恒定律等），在忽略一些次要因素或做出一些近似处理后推导出的对象特性方程。通过这种方法得到的数学模型叫机理模型。机理模型常表现为微分方程式、偏微分方程式、状态方程等）。下面以一阶对象、二阶对象、积分对象为例讨论机理建模的方法：①列平衡方程单位时间内流入对象的物料（能量）—单位时间内流出对象的物料（能量）=对象中储存量的变化率dtdHAQQ21（1）一阶对象:▲有自衡特性——对象在受到干扰后，自身能重新恢复平衡的特性。A——面积图2-1有自衡单容液位对象HQ1Q2②找出中间变量，消去中间变量，找出输入与输出变量之间的关系Q2——中间变量Rs—出口阀的阻力系数2sHQRdtdHAQQ21③把输入变量放在右边，输出变量放在左边，写成方程的形式）（解得：式一阶微分方程的一般形）（放大系数—时间常数—令TtteKxyKxydtdyTeQKHKQHdtdHTRKARTQRHdtdHARQRHdtdHATttSSsss)0(01)72(1)(1111QQ1△Q11sHdHQARdt)102()(01121ttAQHdtHdAQdtdHAQQ▲无自衡特性——对象在受到干扰时，不能重新恢复平衡的特性。QQ1△Q1Q1Q2(2)二阶对象H1Q1R1Q12H2R2Q2图2-5串联水槽对象经过以上步骤的推导：Pg1522212122212222121221221212211222()()()dHdHARARARARHRQdtdtdHdHTTTTHKQdtdtdydyTTTTyKxdtdtTARTARKR或—第一只贮槽的时间常数—第二只贮槽的时间常数—整个对象的放大系数—二阶常微分方程式(2)二阶对象H1Q1R1Q12H2R2Q2图2-5串联水槽对象◆机理建模的优点：理论逻辑性强缺点：对于复杂的对象，机理分析法很困难；另外，由于作了假设，有时理论与实际不相符。2实验测取法（黑匣子法）是在所要研究的对象上，人为施加一定的输入作用，然后、用仪表测取并记录表征对象特性的物理量随时间变化规律，即得到一系列实验数据或实验曲线。然后对这些实验数据或曲线进行必要的数据处理，求取对象的特性参数，进而得到对象的数学模型。2实验测取法（黑匣子法）（1）阶跃反应曲线法是当对象处于稳定状态时，在对象的输入端施加一个幅值已知的阶跃扰动，然后测量和记录输出变量的数值，就可以画出输出变量随时间变化的曲线。经过一定的处理，就可以得到描述对象特性的几个参数（放大倍数K、时间常数T、滞后时间）。hQ1Q2Q1tt0Att0h补充图水槽的阶跃反应曲线优点：简单缺点：精度较差（2）矩形脉冲反应曲线法是当对象处于稳定状态时，在时间t0突然加一个幅值为A的阶跃扰动，到时间t1时突然除去，这时测得输出变量随时间变化的曲线为矩形脉冲法曲线。补充图矩形脉冲特性曲线优点：由于加在对象上的干扰经过一段时间后除去，所以干扰的幅值可以取得较大，故精度较高。最常用。xtt0Att0yt1▲§2.1.2被控对象的特性参数特性参数——放大系数K、时间常数T、滞后时间1放大系数K（静态增益）①概念：数值上等于对象处于稳定状态时输出的变化量与输入的变化量之比。即：K=输出变化量输入变化量=△H△Q1——反映的是对象处于稳定状态下输出和输入之间的关系，所以放大系数K是描述对象静态特性的参数。有量纲思考题P57：1什么是被控对象的特征？表征被控对象特性的参数有哪些？它们的物理意义是什么？◆被控对象的特性：是指被控对象输入变量与输出变量之间的关系。即被控对象的输入量发生变化时，对象的输出量随时间的变化规律。思考题P57：2为什么说放大系数是对象的静态特征，而时间常数和滞后时间是动态特征？▲§2.1.2被控对象的特性参数特性参数——放大系数K、时间常数T、滞后时间1放大系数K（静态增益）②不同通道的放大系数对控制系统的影响控制通道：K大，控制作用强，控制灵敏；K小，控制作用弱。一般希望控制通道K大一些好，但K不能太大，否则会使系统的稳定性下降。干扰通道：K大对控制不利。希望干扰通道K小好。思考题P57：4在控制系统中，对象的放大系数、时间常数、滞后时间对控制有什么影响？①概念：当对象受到阶跃输入作用后，被控变量如果保持初始速度变化，达到新的稳态值所需的时间。或当对象受到阶跃输入作用后被控变量达到新的稳态值的63.2%所需的时间。2时间常数Tth（∞）T1T2T3T40.632h（∞）0图2-7不同时间常数的比较——是反映被控对象受到输入作用后，输出变量（被控变量）达到新稳定值的快慢，它确定整个动态过程的长短，由于它是反映被控变量变化快慢的参数，所以T是反映对象动态特性的参数。实验中如何根据单容对象的响应曲线，确定时间常数T？②不同通道的时间常数对控制系统的影响◆控制通道：T大，被控变量的变化比较缓慢，对象比较平稳，容易进行控制，但过渡时间长；T小，被控变量的变化快，不易控制。T太大、太小都不利◆干扰通道：T大、扰动作用比较平缓，被控变量变化较平稳，对象容易控制。一般希望干扰通道T大一些好思考题P57：4在控制系统中，对象的放大系数、时间常数、滞后时间对控制有什么影响？（=0+C）①概念：◆传递时间0：是输出变量的变化落后于输入变量变化的时间。一般由介质的输送或热的传递需要一段时间引起的。例如图2-8的溶解糟。3滞后时间yy（t）y（t）0xt图2-8有、无纯滞后的一阶阶跃响应曲线◆容量滞后C是因为物料或能量的传递需要通过一定的阻力引起的。例如图2-6的双容液位对象。t0yt图2-6具有容量滞后对象的反应曲线C②不同通道的滞后时间（=0+C）对控制系统的影响对于控制通道：应尽量减小对于干扰通道：大对控制有利3滞后时间思考题P57：4在控制系统中，对象的放大系数、时间常数、滞后时间对控制有什么影响？补充作业题2：为了测定某重油预热炉的对象特性，在某瞬间（假定t0=0）突然将燃气量从2.5t/h增加到3.0t/h，重油出口温度记录仪得到的阶跃反映曲线如图所示。假定对象为一阶对象，试描述该重油预热炉特性方程式（分别以温度变化量与燃气变化量为输出量与输入量），并解出燃料量变化量为单位阶跃变化量时温度变化量的函数表达式。（温度测量仪表的测量范围为0~200℃；流量测量仪表的测量范围为0~5t/h。）燃料量（t/h）t/min3.02.5温度/℃15012013928t/min重油预热炉的阶跃反应曲线§2.1被控对象的特性教学目的与要求：1了解被控对象特性的意义和重要性；2掌握对象动态特性的通道的含义3了解被控对象特性的数学建模；4掌握被控对象特性的实验测定方法；5掌握表征被控对象特性的三大参数——放大系数K、时间常数T、滞后时间τ的物理意义及其对控制质量的影响本节主要内容:§2.1.1被控对象的特性及其描述方法§2.1.2被控对象的三大特性参数——放大系数K、时间常数T、滞后时间τ本节思考题：Pg57：1、2、3、4；作业：1训练求取被控对象的特性参数Pg57：52训练由实验反应曲线求对象特性的三大参数，进而求出被控对象的特性方程式：补充题2§2.2单回路（简单）控制系统教学目的与要求：1掌握简单控制系统的组成及其方块图和带控制点工艺流程图；2掌握设计简单控制系统时，被控变量、操纵变量选择的原则；3掌握简单控制系统中各个环节正、反作用确定的方法；4掌握设计简单控制系统时，控制阀的气开气关形式的选择；5掌握各种控制规律的特点，可调参数对控制系统过渡过程的影响规律以及应用场合；6掌握控制器参数工程整定的方法原理；7会对过渡曲线进行分析，懂得需要对哪个控制参数进行调节，从而使过渡曲线满足要求；本节主要内容§2.2.1单回路控制系统控制方案的设计§2.2.2控制器的控制规律及正、反方向§2.2.3控制器控制参数的工程整定本节思考题：Pg57：6、7、8、9、10、11、12、14、本节作业：1强化简单控制系统设计有关基本概念的理解：Pg57：13、15、162训练简单控制系统的设计：补充题3、4一单回路（简单）控制系统的组成与设计思路§2.2.1单回路控制系统控制方案的设计1何为单回路控制系统？一个被控对象一个检测元件及变送器一个控制器一个执行器所构成的单闭环控制系统。2单回路控制系统如何表示？用方块图来表示。用带控制点的工艺流程图表示。单回路控制系统方块图被控变量干扰作用y给定值控制器执行器被控对象f测量元件与变送器yse=ym－ysumym偏差－控制信号操纵变量§2.2.1单回路控制系统控制方案的设计1画法方块图要注意的几个要点：①组成控制系统的环节用“方块”表示②信号联系箭头符号不能丢③负反馈负号不能丢④对某一具体的控制系统来说，应指出被控对象、被控变量、操纵变量、干扰变量是什么？⑤给