第一篇简单控制金以慧清华大学出版社.ppt

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过程控制过程控制第一篇第一篇简单控制系统简单控制系统第一章第一章生产过程动态特性生产过程动态特性1-1过程控制系统的性能指标过程控制系统的性能指标1-2被控对象的动态特性被控对象的动态特性1-3过程数学模型及其建立方法过程数学模型及其建立方法过程控制过程控制第一篇第一篇简单控制系统简单控制系统1-11-1过程控制系统的性能指标过程控制系统的性能指标一、一、单项性能指标单项性能指标衰减率、超调量、稳态误差、调节时间衰减率、超调量、稳态误差、调节时间二、二、时间时间积分指标积分指标IEIE、IAEIAE、ISEISE、ITAEITAE小结：

小结：

11单项指标用若干特征参数评价系统优劣；单项指标用若干特征参数评价系统优劣；22积分指标用误差积分综合评价系统优劣；积分指标用误差积分综合评价系统优劣；33根据具体生产过程的实际选用不同的指标；根据具体生产过程的实际选用不同的指标；44通常将衰减率和积分指标结合，首先满足衰减率。

通常将衰减率和积分指标结合，首先满足衰减率。

过程控制过程控制第一篇第一篇简单控制系统简单控制系统1-21-2被控对象的动态特性被控对象的动态特性一、基本概念一、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）随时间变化的规律化时，其输出（被调量）随时间变化的规律二、二、典型对象动态特性典型对象动态特性三、工业过程动态特性的特点三、工业过程动态特性的特点无振荡、稳定、有迟延、非线性无振荡、稳定、有迟延、非线性过程控制过程控制第一篇第一篇简单控制系统简单控制系统典型自衡对象传递函数表达式典型自衡对象传递函数表达式典型非自衡对象传递函数表达式典型非自衡对象传递函数表达式过程控制过程控制第一篇第一篇简单控制系统简单控制系统一、一、过程数学模型的表达形式与对模型的要求过程数学模型的表达形式与对模型的要求二、建立数学模型的两个基本方法二、建立数学模型的两个基本方法机理建模法机理建模法测试建模法测试建模法三、阶跃响应确定传递函数三、阶跃响应确定传递函数1阶跃响应获取应注意的问题阶跃响应获取应注意的问题2确定自衡对象传递函数确定自衡对象传递函数3确定非自衡对象传递函数确定非自衡对象传递函数1-3过程数学模型及其建立方法过程数学模型及其建立方法过程控制过程控制第一篇第一篇简单控制系统简单控制系统控制器控制器广义被控对象广义被控对象给定值给定值被调量被调量稳态稳态稳态稳态动态动态过程控制过程控制第一篇第一篇简单控制系统简单控制系统控制要求控制要求安全性安全性经济性经济性稳定性稳定性评价指标评价指标稳定性稳定性准确性准确性快速快速性性过程控制过程控制第一篇第一篇简单控制系统简单控制系统控制器广义对象+-给定给定被调量被调量y1y3yessts单项性能指标单项性能指标衰减率衰减率:

=超调量超调量:

=稳态误差稳态误差:

ess=y-r调节时间调节时间:

ts（进入稳态值进入稳态值5%5%范围内范围内）r过程控制过程控制第一篇第一篇简单控制系统简单控制系统单项性能指标单项性能指标衰减率衰减率:

反映了系统稳定性反映了系统稳定性超调量超调量:

反映了动态准确性反映了动态准确性稳态误差稳态误差ess:

反映了静态准确性反映了静态准确性调节时间调节时间ts:

反映了快速型反映了快速型一般一般对定值系统衰减率要求为对定值系统衰减率要求为75%75%对随动系统衰减率要求为对随动系统衰减率要求为90%90%过程控制过程控制第一篇第一篇简单控制系统简单控制系统不振不振荡衰减衰减衰减衰减等幅等幅系系统振振荡1041衰减比衰减比90206612282800.3660.2210衰减指数衰减指数10.3440.2160阻尼系数阻尼系数10.90.750衰减率衰减率讨论：

讨论：

（对二阶系统）（对二阶系统）过程控制过程控制第一篇第一篇简单控制系统简单控制系统-小结：

小结：

衰减率越大，则系统振荡频率越低；衰减率越大，则系统振荡频率越低；过程控制过程控制第一篇第一篇简单控制系统简单控制系统各种积分指标：

各种积分指标：

IE（误差积分）（误差积分）优点：

简单，也称为线性积分准则优点：

简单，也称为线性积分准则局限：

不能抑制响应等幅波动局限：

不能抑制响应等幅波动IAE（绝对误差积分）（绝对误差积分）特点：

抑制响应等幅波动特点：

抑制响应等幅波动ISE（平方误差积分）（平方误差积分）优点：

抑制响应等幅波动和大误差优点：

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局限：

不能反映微小误差对系统的影响ITAE（时间与绝对误差乘积积分）（时间与绝对误差乘积积分）优点：

着重惩罚过度时间过长优点：

着重惩罚过度时间过长过程控制过程控制第一篇第一篇简单控制系统简单控制系统12Fh有自平衡单容对象有自平衡单容对象过程控制过程控制第一篇第一篇简单控制系统简单控制系统有自平衡双容对象有自平衡双容对象过程控制过程控制第一篇第一篇简单控制系统简单控制系统纯迟延KQ0ee-s-sQ1Q0_Q2hQ1过程控制过程控制第一篇第一篇简单控制系统简单控制系统过程控制过程控制第一篇第一篇简单控制系统简单控制系统Fh无自平衡单容对象无自平衡单容对象过程控制过程控制第一篇第一篇简单控制系统简单控制系统1被控被控对象数学模型的表达形式象数学模型的表达形式按模型按模型结构划分：

构划分：

输入输出模型输入输出模型状态空间模型状态空间模型连续系统模型连续系统模型离散系统模型离散系统模型按系统的连续性划分：

按系统的连续性划分：

2被控被控对象数学模型的利用方式象数学模型的利用方式离离线方式：

方式：

数学模型只是在数学模型只是在进行控制系行控制系统时间或或调试整定整定阶段中段中发挥作用作用在在线方式：

方式：

数学模型作数学模型作为一个一个组成部分嵌入控制系成部分嵌入控制系统中，具有中，具有实时性。

性。

3对被控被控对象数学模型的要求象数学模型的要求一般不要求非常准确。

一般不要求非常准确。

闭环控制本身具有一定的控制本身具有一定的鲁棒性。

棒性。

过程控制过程控制第一篇第一篇简单控制系统简单控制系统机理建模：

机理建模：

物质平衡方程物质平衡方程能量平衡方程能量平衡方程动量平衡方程动量平衡方程输入输出微分方程输入输出微分方程传递函数传递函数在工作点附近线性化处理在工作点附近线性化处理过程控制过程控制第一篇第一篇简单控制系统简单控制系统测试建模：

测试建模：

用阶跃响应曲线建模（开环）用阶跃响应曲线建模（开环）用脉冲响应曲线建模（开环）用脉冲响应曲线建模（开环）用正弦响应建模（闭环）用正弦响应建模（闭环）其他辨识方法建模其他辨识方法建模飞升曲线飞升曲线过程控制过程控制第一篇第一篇简单控制系统简单控制系统1阶跃响应获取应注意的问题阶跃响应获取应注意的问题

（1）合理选择阶跃扰动的幅度）合理选择阶跃扰动的幅度（一般约为额定负荷的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）实际阀门只能以有限速度移动一般认为阶跃信号是在一般认为阶跃信号是在t1/2时加入时加入（3）试验前确保被控对象处于稳定工况）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。

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）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。

可从脉冲响应曲线求出所需的阶跃响应。

过程控制过程控制第一篇第一篇简单控制系统简单控制系统2确定自衡对象传递函数确定自衡对象传递函数典型自衡典型自衡过程：

程：

一一阶惯性性环节用有理分式表示的传递函数用有理分式表示的传递函数选择哪种传递函数的形式，可依据以下两点：

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对建立数学模型准确性的要求二阶或二阶或n阶惯性环节阶惯性环节过程控制过程控制第一篇第一篇简单控制系统简单控制系统

（1）确定）确定参数参数的作图法的作图法t1/2处为扰动起点；处为扰动起点；在在s型响应曲线找拐点，并作切线；型响应曲线找拐点，并作切线；记交点记交点a、b和和cab起点到起点到a的距离为的距离为；a点到点到c点的距离为点的距离为T；c过程控制过程控制第一篇第一篇简单控制系统简单控制系统

（2）确定）确定参数的两点法参数的两点法将响应曲线标幺将响应曲线标幺取取y*（t1）=0.39，取，取y*（t2）=0.63，记，记t1和和t2取取验证验证过程控制过程控制第一篇第一篇简单控制系统简单控制系统（3）确定）确定参数的两点方法参数的两点方法将响应曲线标幺并去掉纯迟延的到将响应曲线标幺并去掉纯迟延的到y*（t）取取y*（t1）=0.4，取，取y*（t2）=0.8，记，记t1和和t2若若0.320.46，则为高阶对象，则为高阶对象见表见表1-1（p.28）过程控制过程控制第一篇第一篇简单控制系统简单控制系统nt1/t210.31720.4630.53440.58450.61860.64070.666nt1/t280.68490.699100.712110.724120.734130.748140.751表表1-1高阶对象中高阶对象中n与比值与比值t1/t2的关系的关系过程控制过程控制第一篇第一篇简单控制系统简单控制系统（4）确定有理分式参数的方法（面）确定有理分式参数的方法（面积方法）方法）定义定义根据拉氏变换的终值定理，可知根据拉氏变换的终值定理，可知又定义又定义则有：

则有：

h（t）是单位阶跃响应是单位阶跃响应过程控制过程控制第一篇第一篇简单控制系统简单控制系统依次类推，可得到一个线性方程组：

依次类推，可得到一个线性方程组：

求解该方程组就可得到求解该方程组就可得到a0an和和b0bm的值的值过程控制过程控制第一篇第一篇简单控制系统简单控制系统3由由阶跃响响应确定非自衡确定非自衡过程近似程近似传递函数函数一阶积分环节的多容过程一阶积分环节的多容过程非自衡过程传递函数为：

非自衡过程传递函数为：

一阶积分环节的纯迟延过程一阶积分环节的纯迟延过程*当对象的阶数当对象的阶数n6时，一般多容过程传递函数时，一般多容过程传递函数描述描述过程控制过程控制第一篇第一篇简单控制系统简单控制系统

（1）一阶积分的多容过程）一阶积分的多容过程阶跃响应为阶跃响应为过程控制过程控制第一篇第一篇简单控制系统简单控制系统当当y*（t）0时时，记记tta有：

有：

tanTTta/n渐近线方程：

渐近线方程：

当当t0时，时，y*（t）0hh不能直接不能直接得到结果得到结果可以直接可以直接得到结果得到结果过程控制过程控制第一篇第一篇简单控制系统简单控制系统当当ttanT时，时，y（ta）=y1（ta）,值为值为：

由渐近线方程有：

由渐近线方程有：

*故故y（ta）/oh与与n为单值关系为单值关系nn112233445566y（ty（taa）/0h）/0h003683680027127100224224001951950017517500161161表表1-2过程控制过程控制第一篇第一篇简单控制系统简单控制系统n、Ta、T参数的确定：

参数的确定：

n由由y（ty（taa）/）/0h0h的的值经查表表1-2确定；确定；Tta/n；非自衡过程非自衡过程过程控制过程控制第一篇第一篇简单控制系统简单控制系统

（2）有）有迟延的一延的一阶积分分对象象需要确定两个参数需要确定两个参数（T和和）。

在在y（t）上作渐进线，取）上作渐进线，取ta=。

渐近线方程：

渐近线方程：

过程控制过程控制第一篇第一篇简单控制系统简单控制系统第二章第二章比例积分微分控制及其调节过程比例积分微分控制及其调节过程2-1基本概念基本概念2-2比例调节