过程控制ppt课件第一章 简单控制系统.ppt
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1、第一章 简单控制系统,第一章 简单控制系统,工业生产过程控制研究的基本观点,第一章 简单控制系统第一节 控制系统组成和控制性能指标,一、控制系统的组成1、简单控制系统示例2、控制系统的框图3、控制系统的有关术语4、控制系统框图的几点说明 二、控制系统的控制性能指标1、时域控制性能指标2、积分性能指标3、控制系统正常运行的重要准则,第二节 过程动态特性和建立过程的动态模型,一、过程动态特性1、典型过程动态特性自衡的非振荡过程无自衡的非振荡过程自衡的振荡过程具有反向特性的过程2、过程特性对控制性能指标的影响增益的影响时间常数的影响时滞的影响扰动进入系统位置的影响时间常数匹配的影响被控变量与操作变量
2、的选择二、过程动态模型的建立1、对过程模型的要求2、过程模型建立的方法 机理建模示例系统辨识方法 机理建摸方法 混合方法,第三节 检测变送环节一、检测变送环节的性能,1.检测元件和变送器的作用:2.对检测变送单元的基本要求:3.选用时的基本考虑:4.动态特性 对Tm的基本考虑: 减小Tm的途径: 对m的考虑: m = l / w减小m的途径:二、对检测变送信号的处理1.滤波及信号处理的目的:2.滤波的方法: 模拟滤波: 数字滤波:3.数字滤波的算法:4.信号处理:,第四节 执行器环节,一、执行器概述1.执行器的类型2.执行机构的分析3.调节机构的分析二、流量特性1.线性流量特性2.等百分比流量
3、特性3.抛物线流量特性4.快开流量特性三、控制阀特性的选择1.从静态考虑选择控制阀的工作特性2.从动态考虑选择控制阀的工作特性3.从控制阀的工作特性选择控制阀的理想特性4.控制阀气开、气关形式的选择;5.压降比S的考虑四、阀门定位器的正确使用五、其他执行器,第五节 控制器的模拟控制算法,一、基本控制算法分析二、比例控制算法1.比例控制算法2.比例增益对控制系统的影响三、比例积分控制算法1.比例积分控制算法2.对PI控制作用的分析3.PI控制作用对系统过渡过程的影响四、积分饱和及其防止1.积分饱和2.积分饱和的防止五、比例微分控制算法1.比例微分控制算法2.使用注意事项六、比例积分微分控制算法1
4、.比例积分微分控制算法2.PID控制作用对过渡过程的影响,第六节 控制器的数字控制算法,一、模拟控制算法的数字化1.位置算法2.增量算法3.速度算法二、数字控制算法的改进1.数字控制算法的特点2.数字控制算法的改进 对积分控制算法的改进 对微分控制算法的改进3.实现数字控制算法时应注意的问题三、连续系统的离散化1.差分近似2.输入只在采样时刻作变化情况下的精确方法3.s域到z域的对应变换4.插入保持器后s域到z域的对应变换5.时间离散系统到时间连续系统的变换,第七节 控制器参数整定和控制系统投运,一、控制器参数整定的若干原则对已存在的控制系统,调整控制器参数使系统达到满意的控制品质二、控制器参
5、数整定1.控制器参数的经验整定法2.控制器参数的半经验整定法 衰减曲线法 临界比例度法 控制度法3.控制器参数整定的反应曲线法 Ziegler & Nichols法 Lopez法 Cohen-Coon法4.理论计算法5.控制器正反作用的设置三、控制系统的投运和维护,第八节 与PID控制密切相关的几类控制算法,一、二维PID控制算法1.PID-PD控制算法2.设定滤波的两维PID控制算法二、时间比例控制系统1.开关控制2.时间比例控制三、差拍控制系统1.差拍控制系统的基本原理2.差拍控制系统的特点3.Dahlin控制算法 Dahlin控制算法 改进Dahlin控制算法4.V.E.控制算法5.卡尔
6、曼控制算法,差拍控制算法总汇,第一节 控制系统组成,一、控制系统的组成液位控制系统示例当系统受到外界扰动的影响时为使被控变量(液位)与设定值保持一致检测被控变量,并与设定值比较得到偏差按一定控制规律对偏差运算输出信号驱动操纵变量(流量)最终使被控变量回复到设定值变送器检测液位控制器对偏差运算执行器改变操纵变量,一、控制系统的组成,压力控制系统的示例当系统受到外界扰动的影响时 为使被控变量(压力)与设定值保持一致 检测被控变量,并与设定值比较得到偏差 按一定控制规律对偏差运算 输出信号驱动操纵变量(流量) 最终使被控变量回复到设定值变送器检测压力控制器对偏差运算执行器改变操纵变量,第一节 控制系
7、统组成,一、控制系统的组成温度控制系统示例当系统受到外界扰动的影响时 为使被控变量(温度)与设定值保持一致检测被控变量,并与设定值比较得到偏差按一定控制规律对偏差运算 输出信号驱动操纵变量(流量) 最终使被控变量回复到设定值变送器检测温度控制器对偏差运算执行器改变操纵变量,返回,返回,第一节 控制系统组成一、控制系统的组成控制系统的框图控制系统由被控对象、检测变送、控制器和执行器等组成,传递函数,随动控制系统(Fixed set point control system)传递函数:,定值控制系统(Follow-up control system)传递函数:,返回,控制系统组成请点击,被控对象请
8、点击变送器请点击计算机请点击检测元件请点击控制器请点击执行器请点击,返回,被控对象,变送器,计算机,检测元件,控制器,执行器,一、控制系统的组成控制系统框图的几点说明,返回,说明几点 :,简单控制系统有两个通道:控制通道和扰动通道。框图中的各个信号都是增量。图中的箭头表示信号的流向,并非物流或能流的方向。各环节的增益有正、有负。当该环节的输入增加时,其输出增加,则该环节的增益为正,反之,如果输出减小则增益为负。,返回,对象的增益有正、有负例如:加热系统的增益为正、冷却系统的增益为负;气开阀的增益为正、气关阀的增益为负;正作用控制器的增益为负,反作用控制器的增益为正;检测变送器的增益一般为正。通
9、过调整控制器的正反作用来保证系统为负反馈。,加热系统对象放大倍数为正采用气开阀放大倍数为正检测变送器放大倍数为正控制器应选放大倍数为正即反作用冷却系统对象放大倍数为负采用气开阀放大倍数为正检测变送器放大倍数为正控制器应选放大倍数为负即正作用,通常将执行器、被控对象和检测变送环节合并为广义对象,广义对象传递函数用Go(s) 表示。控制系统中如果包含采样开关,则这类控制系统称为采样控制系统(Sampling control system)。,返回,第一节 控制系统组成二、控制系统的控制性能指标时域控制性能指标,返回,1.衰减比n:衰减比(Subsidence ratio)是控制系统的稳定性指标。它
10、是相邻同方向两个波峰的幅值之比。即:n1衰减振荡n无穷大为非周期过程衰减率也用于表示控制系统的稳定性。它是每经过一个周期后,波动幅度衰减的百分数,即:,2超调量和最大动态偏差:随动控制系统中,超调量(Overshoot)定义为: 定值控制系统采用最大动态偏差A表示超调程度。即:,3余差:它是控制系统的最终稳态偏差e()。在阶跃输入作用下,余差(Steady-state error)为: 定值控制系统中,r=0,因此有:e()= -C。余差是控制系统稳态准确性指标。,4回复时间和振荡频率:被控变量从过渡过程开始到进入稳态值5%或2%范围内的时间作为过渡过程的回复时间Ts(Settling tim
11、e)。回复时间是控制系统的快速性指标。 振荡频率与振荡周期T的关系是 在相同衰减比n下,振荡频率越高,回复时间越短;在相同振荡频率下,衰减比越大,回复时间越短。,5偏离度:控制系统偏离度是被控变量统计特性的描述。 在相同干扰作用下,定值控制系统输出的最大偏差越大,系统的偏离度越大;在相同的衰减比下,系统输出的周期越大,系统的偏离度越大。,返回,综合性控制指标(积分鉴定指标),返回,控制系统运行的重要准则,返回,第二节 过程特性及动态模型建立一、过程特性类型,过程特性类型,参数估计,曲线拟合,返回,过程特性1:自衡非振荡过程,下一页,上一页,返回,过程特性2:无自衡非振荡过程,下一页,上 一页,
12、返回,过程特性3:有自衡振荡过程,下一页,上 一页,返回,过程特性4:具有反向特性的过程,上 一页,返回,增益的影响,返回,时间常数的影响,返回,时间常数匹配的影响,返回,扰动进入系统位置的影响,返回,时滞的影响:,控制通道时滞的影响:当检测变送环节存在时滞时,被控变量的变化不能及时传送到控制器;当被控对象存在时滞时,控制作用不能及时使被控变量变化;当执行器存在时滞时,控制器的信号不能及时引起操纵变量的变化。因此,开环传递函数存在时滞,使控制不及时,超调增大,并引起系统不稳定。用o/To反映时滞的相对影响。通常,o/To0.3时,系统尚可用简单控制系统进行控制,当o/To0.3时,应采用其他控
13、制方案对该类过程进行控制。因此,在设计和应用时应尽量减小时滞,有时可增大时间常数以减小o/To。,扰动通道时滞的影响:,时滞f的存在不影响系统闭环极点的分布,因此,不影响系统稳定性。它仅表示扰动进入系统的时间先后,即不影响控制系统控制品质。,被控变量和操纵变量的选择,深入了解工艺过程,选择能够反映工艺过程的被控变量;尽量选用易于测量且关系简单的直接质量指标作为被控变量;操纵变量的选择原则:选择对被控变量影响较大的操纵变量,即Ko尽量大;选择对被控变量有较快响应的操纵变量,即过程的o/To应尽量小;过程的To/Tf 应尽量小;使过程的KfF尽量小;工艺的合理性与动态响应的快速性应有机结合。,过程
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