基本过程控制系统

控制器与广义被控对象构成的系统为闭环负反馈系统。其作用是对 输入偏差进行调节，从而缓解系统的不平衡，使系统输出稳定。
控制器包括求偏 差和PID运算
控制器
给定值r
e
PID
u
广义被控对象
被调量y
基本过程控制系统
1．典型的传递函数为：
理想PID
u(s) 1 G s = = Kc 1 + + TDs e(s) TI s
KD：微分增益
实际PID
基本过程控制系统
2．PID调节的优点
原理简单（适用和实现方便） 鲁棒性强（对过程参数变化不敏感） 3．调节器偏差的定义 按仪表制造业的规定： 调节器偏差=测量值-给定值，即 工业调节器的基本构成
二、建立数学模型的两个基本方法
机理建模法 测试建模法
三、阶跃响应确定传递函数
1 阶跃响应获取应注意的问题 2 确定自衡对象传递函数 3 确定非自衡对象传递函数
基本过程控制系统
1 阶跃响应获取应注意的问题
（1）合理选择阶跃扰动的幅度
(一般约为额定负荷的10%～20%)
（2）实际阀门只能以有限速度移动 一般认为阶跃信号是在t1 /2时加入 （3）试验前确保被控对象处于稳定工况 考虑过程的非线性特性，应进行多次测试。 （4）若过程不允许同一方向扰动加入，则采用矩形脉冲扰动 可从脉冲响应曲线求出所需的阶跃响应。
t1/t2 0.684 0.699 0.712 0.724 0.734 0.748 0.751
基本过程控制系统
3．由阶跃响应确定非自衡过程近似传递函数
非自衡过程传递函数为：
e -τs 一阶积分环节的纯迟延过程 G(s) = Ts
一阶积分环节的多容过程
1 G(s) = Tas(Ts + 1)n
*当对象的阶数n<6时，一般多容过程传递函数描述
F
Q2
无自平衡单容对象
H(s) k μ 1 G(s) = = = μ(s) Fs Ts
F T= kμ
基本过程控制系统
自衡过程
非自衡过程
三、工业过程动态特性的特点 （1）无振荡； （2）稳定或中性稳定； （3）有惯性或迟延； （4）非线性特征，大部分生产过程可在工作点附近线性化
基本过程控制系统
归纳：
（1）典型自衡对象传递函数表达式
K G(s) = e-τs Ts + 1
τ T
K
自衡率ρ =
1 K
响应速度ε =
Κ Τ
（2）典型非自衡对象传递函数表达式
G(s) = 1 -τs e Ts
响应速度ε =
1 T
τ
T
基本过程控制系统
§1-3
过程数学模型及其建立方法
一、过程数学模型的表达形式与对模型的要求
优点：抑制响应等幅波动和大误差
局限：不能反映微小误差对系统的影响
(4) ITAE（时间与绝对误差乘积积分） = 优点：着重惩罚过度时间过长


0
e(t ) tdt
基本过程控制系统 三、小结
1 单项指标用若干特征参数评价系统优劣；
2 积分指标用误差积分综合评价系统优劣； 3 根据具体生产过程的实际选用不同的指标； 4 通常将衰减率和积分指标结合，首先满足衰减率。
K= y Δμ 0
T
τ 的作图法
Y
b
Y∞
τ
T
t
c
基本过程控制系统
Ke-τs （2）确定 G(s) = 参数的两点法 Ts + 1 y(t) * y t = • 将响应曲线标幺 y( )
0 y* t = t-τ 1- exp - T t<τ tτ
基本过程控制系统
§1-2
被控对象的动态特性
一、基本概念 被控对象的动态特性是指被控对象的输入发生变化时， 其输出（被调量）随时间变化的特性 。 对于线性系统，其动态特性可用传递函数来描述。 二、典型对象动态特性 1. 典型实例分析
基本过程控制系统
（1）单容水箱

物质平衡方程：
dH 1 (Qi Q o ) dt F 其中Qi k ， Qo k H
TDs u(s) 1 G s = = Kc 1 + + TD e(s) TI s s + 1 KD
其中： KC：比例系数 TI：积分时间 TD：微分时间
Ts 1 1 D 1 * TD*s FTIs F TI s u(s) G s = = KcF K c* T T 1 1 e(s) 1 D 1 D K I TIs K Ds K I TIs K Ds 1
基本过程控制系统
2 确定自衡对象传递函数
Ke-τs (1)一阶惯性环节 G(s) = Ts +1
K
典型自衡过程：
τ
T
Ke-τs Ke-τs 或G(s) = (2)二阶或n阶惯性环节 G(s) = (T1s +1)(T2s +1) (Ts +1)n
(3)用有理分式表示的传递函数
bm s m + G(s) n an s +
Y
Y∞
• 取y*(t1)=0.39，取y*(t2)=0.63，记t1和t2
T = 2(t 2 - t1 ) τ = 2t1 - t 2
0.39
t
Y*
0.63
1
t
• 取 t 3 = 0.8T + τ 验证 y * (t 3 ) = 0.55
t 4 = 2T + τ y * (t 4 ) = 0.87
t1 t2
理想条件
原材料
合格产品
干扰 产品？
控制
过程控制
过程控制主要是指连续过程工业的过程控制
基本过程控制系统
汽包炉汽水生产过程
饱和蒸汽 测量 变送器 控制器 水位H 过热蒸汽
广义被控对象 （广义过程）
被 调 量 控制器 执行器 调节阀 对象
定值+
（PID)
执行器
测量变送器
给水 流量
被调量
控制器 广义被控对象
扰动2 对象
扰动1 被调量
4．给定值 按生产要求被调量必须维持的希望值（简称给定值）。 5．调节机构
6．调节量（控制量） 由操作者或调节机构(阀门、挡板等)改变的，生产过程的输入 物理量，用以控制被调量的变化。称为调节量。 7．扰动
引起被调量偏离平衡状态的各种原因称为扰动。
基本过程控制系统
被调量
给定值
基本过程控制系统
Ke-τs （3）确定 G(s) = (T s +1)(T s +1) ， T1 T2 参数的两点方法 1 2
• 将响应曲线标幺并去掉纯迟延的到y*(t)
• 取y*(t1)=0.4，取y*(t2)=0.8，记t1和t2 若0.32<t1/t2≤0.46 ，则为二阶对象
1 T1 + T2 (t 1 + t 2 ) 2.16 T1T2 t1 1.74 - 0.55 (T1 + T2 ) t2
给定值
基本过程控制系统 名词术语
给定值
控制器 广义被控对象
被调量
1．生产过程（被控对象）
生产设备以及所发生的物理和化学变化的过程。
被置于控制系统中过程称为被控对象 2．控制系统 控制仪表和生产过程通过信号的传递互相联系起来就构成控 制系统。 3．被调量（被控制量）
基本过程控制系统
给定值+ 控制器 测量变送器 执行器 调节阀
有自平衡双容对象
基本过程控制系统
（3）带延长管的单容水箱

Q0
Q0
e-τs Q1
阶越响应：
Q1
μ
Kμ Q0 纯迟延
H
有迟延自衡单容对象
Q1
_ Q2
1 FS
1 Rs
H
Q2
传递函数为：
G(s) =
H(s) K = e s μ(s) Ts 1
, 其中 为迟延时间
基本过程控制系统
μ
k
Qi
h
稳态误差: ess=y∞-r 调节时间: ts(进入稳态值5%范围内）
振荡频率：ω
r
y1
ess y3 y∞ ts
基本过程控制系统 单项性能指标 衰减率ψ : 反映了系统稳定性 超调量σ : 反映了动态准确性 稳态误差ess: 反映了静态准确性
调节时间ts :
反映了快速型
振荡频率ω：反映了快速型 一般 对定值系统衰减率要求为75% 对随动系统衰减率要求为90%
Y
Y∞
t
来自百度文库
Y*´ Y*
1
t
若t1/t2>0.46 ，则为高阶对象 见表1-1（p.28)
τ
t1
t2
基本过程控制系统
G(s)=
1
Ts +1
n
t1 + t 2 nT 2.16
高阶对象中n与比值t1/t2的关系 n t1/t2 n 1 0.317 8 2 0.46 9 3 0.534 10 4 0.584 11 5 0.618 12 6 0.640 13 14 7 0.666
§2-1 §2-2 §2-3 §2-4 §2-5 基本概念 比例调节 积分调节 比例积分调节 比例积分微分调节
基本过程控制系统
§2-1
基本概念
统计表明生产过程80%的控制可以用PID控制器构成单回路反馈 控制系统进行控制（简单控制系统）。 PID控制是比例积分微分控制的简称。 是一种负反馈控制。即
控制器 广义被控对象
被调量
控制系统的目标：当被调量受到扰动而偏离平衡状态时，控制器
的控制作用能使被调量稳、准、快地回到要求平衡状态。
稳态
稳态
动态
基本过程控制系统 一、单项性能指标 单项性能指标 衰减率: ψ=
给定值 : σ= 超调量
y1 - y3 y1 控制器 y1 100% y
被调量
广义被控对象
基本过程控制系统
（1）一阶积分的多容过程
1 G(s) = Tas(Ts + 1)n
作渐近线，记ta、oh、y(ta) y(ta )/oh与n为单值关系
n y(ta )/0h 1 2 3 0．224 4 0．195 5 0．175 6 0．161
0．368 0．271
n 、 Ta 、 T参数的确定：
k
Qi
H
在工作点线性化处理：
F
R
Q0
d H 1 k (k H ) dt F 2 H0
阶越响应：
传递函数：
G(s) = 水容 水阻 H(s) K = μ(s) Ts 1 C F R 2 H0 k
有自平衡单容对象
T CR K k R
基本过程控制系统
（2）双容水箱
基本过程控制系统 二、综合指标（时间——积分指标） 各种积分指标： (1) IE（误差积分）=


0
e(t )dt
优点：简单，也称为线性积分准则
局限：不能抑制响应等幅波动
(2) IAE（绝对误差积分）= 特点：抑制响应等幅波动 (3) ISE（平方误差积分）=


0
e(t ) dt

0
e2 (t )dt

对物质平衡方程在工作点处进行 线性化处理后达到传递函数为：
rk R1 H2 (s) G(s) = = 2 μ(s) TT s (T1 T2 )s (1- r ) 1 2
Q1
Qi
H1
F1
R1
其中：T1 F1R1
H2
F2
R2
, T2 F2 R2
,
Q2
R2 r R1 R2
阶越响应：
控制器
广义被控对象
8．控制过程（调节过程） 原来处于平衡状态的生产过程，一旦受到扰动作用，被调量 偏离原来平衡状态，通过施加调节作用使被调量重新恢复到新
新平衡状态
原平衡状态
控制过程 （调节过程）
基本过程控制系统
被调量 给定值
控制器 广义被控对象
过程控制的研究内容： （1）设计控制系统的控制目标（即设计指标参数）；
n由y(ta )/0h的值经查表确定；
T＝ta /n；
Δμ 0nT ta Ta = = Δμ 0 0h 0h
基本过程控制系统 （2
1 -τs G(s) = e Ta s
需要确定两个参数(T和τ)。 •τ = ta 。
Ta = Δμ 0 Δμ 0 ta = τ oh oh
基本过程控制系统
第二章
比例积分微分控制及其调节过程
（2）认识生产过程的动态特性（一般为广义对象的动态性）；
（3）设计控制器的控制规律及控制结构，使控制系统达到控制 系统的控制指标要求。
基本过程控制系统
第一章
§1-1
生产过程动态特性
过程控制系统的性能指标
§1-2
§1-3
被控对象的动态特性
过程数学模型及其建立方法
基本过程控制系统
§1-1
给定值
过程控制系统的性能指标
基本过程控制系统
火力发电厂热工过程控制
基本过程控制系统
什么是过程控制？
工业生产过程 指原材料经过若干加工步骤转变成产品的过程。 工业生产过程可分为：
连续生产过程
离散生产过程
间歇生产过程（批量生产过程）。
基本过程控制系统 工业生产的目标
在可能获得的原料和能源条件下，以最经济的途径将原材 料加工成预期的合格产品。
+ b1s + b0 -τs e + a1s + a0
(n > m）
选择哪种传递函数的形式，可依据以下两点： 对被控对象的验前知识的掌握 对建立数学模型准确性的要求
基本过程控制系统
Ke-τs （1）确定 G(s) = 参数 K Ts + 1
• t1/2处为扰动起点； • 在s型响应曲线找拐点，并作切线； • 记交点a、b和c • 起点到a的距离为τ； • a点到c点的距离为T；