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1、estest3 过程控制系统设计（补充）3 3 过程控制系统设计过程控制系统设计本章学习内容本章学习内容v3.1 单回路系统的特点单回路系统的特点v3.2 单回路系统的分析单回路系统的分析3.1 单回路系统的特点一、典型单回路系统的组成一、典型单回路系统的组成v单回路控制系统为单回路控制系统为SISOSISO系统系统信号以增益方式表示信号以增益方式表示整个系统为负反馈系统整个系统为负反馈系统执行器、对象、变送执行器、对象、变送/检测环节可作为一个广义对象检测环节可作为一个广义对象v实际范例实际范例设定值图1-1 简单控制系统示例(a)温度控制系统b)流量控制系统FTFC蒸汽TTTC设定值3.1
2、 单回路系统的特点v控制系统的组成控制系统的组成 控制系统由被控对象、检测变送、控制器和控制系统由被控对象、检测变送、控制器和执行器等组成，典型框图如下所示：执行器等组成，典型框图如下所示：3.1 单回路系统的特点单回路系统的特点l可将被控对象、执行机构、变送检测环节作为一个整体-称为“广义对象”。传递函数符号Go(s)l控制信号和干扰信号分别经过其各自的信号传递通道对被控变量产生作用a)控制通道b)扰动通道3.1 单回路系统的特点二、负反馈闭环系统对控制品质的提升二、负反馈闭环系统对控制品质的提升闭环负反馈增加了系统的抗干扰能力闭环负反馈提高了系统的自适应能力适当的控制方式可以消除系统的控制
3、余差3.1 单回路系统的特点开开/闭环情况下干扰通道的传递函数：闭环情况下干扰通道的传递函数：闭环：开环:设各环节传递函数的静态增益分别为:Kc/Ko/Kf闭环系统干扰的最终影响可表示为:开环系统干扰的最终影响可表示为:所以闭环系统干扰影响小于开环系统back3.1 单回路系统的特点控制对象的调节通道有时可能有一定的非线性控制对象的调节通道有时可能有一定的非线性,静静态增益态增益KoKo随时间发生变化随时间发生变化闭环:稳态时：产生的相对变化：当Ko发生变化时，闭环系统的被控量变化：3.1 单回路系统的特点当Ko发生变化时，闭环系统的被控量变化：稳态时:开环:产生的相对变化：对比闭环的情况：可
4、见闭环系统Ko变化时对输出产生的影响小。back3.1 单回路系统的特点定值控制系统的余差可表示为：定值控制系统的余差可表示为：当调节通道为纯比例环节时:要求 需要 实际无法实现而当Gc(s)中包含积分环节 (n0)时，结论：消除阶跃干扰的余差，调节器必须包含一个积分环节。3.2 单回路系统的分析在控制系统的设计过程对象一般比较复杂，影在控制系统的设计过程对象一般比较复杂，影响被控参数的因素往往不止一个，它们可能成为响被控参数的因素往往不止一个，它们可能成为干扰信号，也可能被选作控制参数，而要合理的干扰信号，也可能被选作控制参数，而要合理的进行设计，就必须了解系统的每个环节特性对控进行设计，就
5、必须了解系统的每个环节特性对控制效果的作用，通过合理的选择控制参数，使每制效果的作用，通过合理的选择控制参数，使每个环节的动态特性参数配置有利于控制。以下将个环节的动态特性参数配置有利于控制。以下将通过对单回路系统主要环节的动态特性对控制质通过对单回路系统主要环节的动态特性对控制质量影响的分析，说明干扰信号、控制参数对控制量影响的分析，说明干扰信号、控制参数对控制效果产生影响的特点。效果产生影响的特点。3.2 单回路系统的分析一、干扰通道特性对控制效果的影响一、干扰通道特性对控制效果的影响b)扰动通道相关的动态特性参数分别是Kf、Tf、f，以下分别讨论它们 对控制效果的影响。设干扰通道为一个单
6、容过程，其传递函数为：并设其它环节传递函数为：调节器：控制通道：3.2 单回路系统的分析vKf的影响：当干扰信号的影响：当干扰信号F(S)为幅度是为幅度是f的阶跃信的阶跃信号时，干扰对系统影响的产生的稳态输出变化可号时，干扰对系统影响的产生的稳态输出变化可表示为：表示为：由上式可见Kf 越大，干扰对输出的稳态值的影响越大。结论：Kf 越大，干扰对系统的静态指标的影响越大。3.2 单回路系统的分析vTf的影响：干扰通道的传递函数可表示为：的影响：干扰通道的传递函数可表示为：结论：Tf 越大，干扰对控制稳定性的影响越小。Tf将决定传递函数特征方程的一个极点，Tf越大，在复平面上极点越接近虚轴(j)
7、，这表示过渡过程时间将延长；同时系数1/Tf将减小，使过渡过程的超调量减小。可将Tf作用看作惯性滤波环节时间常数的作用，Tf大干扰信号经过Gf(s)环节产生的输出变化越缓慢，对系统影响就越小，控制质量就越好。3.2 单回路系统的分析vf的影响：令的影响：令设干扰通道传递函数为设干扰通道传递函数为 时干扰时干扰对被控参数的影响为对被控参数的影响为干扰通道传递函数为干扰通道传递函数为 时干时干扰对被控参数的影响为扰对被控参数的影响为 则有则有 也即也即 上式说明纯滞后的存在只是使干扰作用的时间上式说明纯滞后的存在只是使干扰作用的时间出现延迟，其他方面没有区别。出现延迟，其他方面没有区别。结论：f
8、理论上不影响控制质量。3.2 单回路系统的分析 干扰的作用点：干扰信号引入系统的位置不同，对被控参数的影响也不同，特别在被控对象为多容对象时，作用点的位置选择很重要。如图所示一个三阶的液位对象，干扰f1、f1、f3分别从不同的液槽对被控参数产生影响。系统流程图和框图如图所示。3.2 单回路系统的分析设调节器的传递函数设调节器的传递函数设执行机构和检测变送环节的传递函数为设执行机构和检测变送环节的传递函数为设各容积环节的传递函数为设各容积环节的传递函数为不同作用点的干扰对被控参数影响的传递函数分别为不同作用点的干扰对被控参数影响的传递函数分别为:由于各传递函数特征方程一致，过渡过程的振荡频率和衰
9、由于各传递函数特征方程一致，过渡过程的振荡频率和衰减率相同；但零点多的传递函数表示其过渡过程的偏差大，达减率相同；但零点多的传递函数表示其过渡过程的偏差大，达到稳态所需的时间长。到稳态所需的时间长。v当当f1f1、f2f2、f3f3为相同的阶跃信号时，被控参数对干为相同的阶跃信号时，被控参数对干扰响应的过渡过程曲线的效果如图所示。扰响应的过渡过程曲线的效果如图所示。可见，被控对象的各惯性环节对干扰起了滤波的可见，被控对象的各惯性环节对干扰起了滤波的作用，引入位置离被控参数越远，对被控参数的影响作用，引入位置离被控参数越远，对被控参数的影响越小。越小。v 结论：结论：干扰作用点离被控参数越近（离
10、控制量越干扰作用点离被控参数越近（离控制量越远），对控制系统的稳定性影响越大。远），对控制系统的稳定性影响越大。3.2 单回路系统的分析3.2 单回路系统的分析二、调节通道对控制效果的影响二、调节通道对控制效果的影响控制通道的是控制量控制通道的是控制量(控制参数控制参数)对被控参数产生作用对被控参数产生作用的通道。其特性参数的变化同样对控制效果产生影响。以的通道。其特性参数的变化同样对控制效果产生影响。以下仍以典型的一阶惯性加纯滞后的传递函数为例，分析调下仍以典型的一阶惯性加纯滞后的传递函数为例，分析调节通道特性对控制的影响。节通道特性对控制的影响。设调节通道为一个单容过程，其传递函数为：并设
11、其它环节传递函数为：调节器：执行机构和检测变送环节的传递函数为1.由于系统的余差为：可见Ko大有利于减少系统的余差。2.系统的开环传递函数为：其开环频率特性 可用下式表示：当Ko越大，闭环系统的衰减率越小，系统稳定性越差。另外Ko也是影响系统衰减振荡频率的因素之一，Ko越大，振荡频率越高，系统的快速性得到提高。结论：保证系统稳定的前提下，适当提高Ko的值。3.2 单回路系统的分析vK Ko o对控制的影响对控制的影响3.2 单回路系统的分析vT To o对控制的影响：可将控制通道对控制的影响：可将控制通道T To o的作用看作是对控制量的作用看作是对控制量的惯性滤波作用，的惯性滤波作用，T T
12、o o太大，控制作用太弱，控制不及时，过渡过程时间太大，控制作用太弱，控制不及时，过渡过程时间长，控制质量下降。长，控制质量下降。T To o太小，控制作用强，控制及时，反应较快，但衰减太小，控制作用强，控制及时，反应较快，但衰减率下降，系统稳定性降低率下降，系统稳定性降低。对于多容对象的控制通道，每个单容环节的对于多容对象的控制通道，每个单容环节的T To o应错开，应错开，应尽量减小远离被控参数的单容环节的应尽量减小远离被控参数的单容环节的T To o值。值。结论：保证稳定的前提下，减少To对控制有利，多容环节的各单元的To应错开。3.2 单回路系统的分析vo o对控制的影响：对控制的影响
13、：o o的存在不利于控制，它使控制系统无法及时反映被控量的的存在不利于控制，它使控制系统无法及时反映被控量的作用效果。对控制效果的影响是降低了系统的稳定性和快速作用效果。对控制效果的影响是降低了系统的稳定性和快速性。以下以一阶惯性环节调节通道为例：性。以下以一阶惯性环节调节通道为例：如如果果调调节节通通道道的的传传递递函函数数为为 ，在在纯纯比比例例控控制制下下，系系统统开开环环频频率率特特性性曲曲线线如如图图蓝蓝色色曲曲线线所所示示。根根据据奈奈氏氏判判据据，闭闭环环系系统必然处于稳定状态。统必然处于稳定状态。如果调节通道的传递函数为如果调节通道的传递函数为 ，由于纯滞后的作用，由于纯滞后的作用，系统开环频率特性曲线如图红色曲线系统开环频率特性曲线如图红色曲线所示。由于纯滞后造成的相位滞后，开环频率特性曲线延伸所示。由于纯滞后造成的相位滞后，开环频率特性曲线延伸到极坐标的右半平面，甚至有可能包含到极坐标的右半平面，甚至有可能包含(-1,(-1,j0)j0)点，使闭环系点，使闭环系统的稳定性下降。统的稳定性下降。3.2 单回路系统的分析纯滞后对系统的影响通常用比值纯滞后对系统的影响通常用比值 表示。表示。0.3 较易控制0.50.6 纯滞后较大，需要复杂控制系统结论：要尽量减少 的值，以消除纯滞后的影响。