1、精選優質文檔-傾情為你奉上第1章 水箱液位自動控制系統原理 液 位自動控制是通過控制投料閥來控制液位的高低，當傳感器檢測到液位設定值時，閥門關閉，防止物料溢出；當檢測液位低于設定值時，閥門打開，使液位上升，從而達到控制液位的目的。在制漿造紙工廠常見有兩種方式的液位控制：常壓容器和壓力容器的液位控制，例如漿池和蒸汽閃蒸罐。液位自動控制系統由液位變送器（或差壓變送器）、電動執行機構和液位自動控制器構成。根據用戶需要也可采用控制泵啟停或改變電機頻率方式來進行液位控制。結構簡單，安裝方便，操作簡便直觀，可以長期連續穩定在無人監控狀態下運行。應用范圍 在制漿造紙過程中涉及的所有池、罐、槽體液位自動控制。

2、圖1.1中，是控制器的傳遞函數，是執行機構的傳遞函數，是測量變送器的傳遞函數，是被控對象的傳遞函數。圖5.1中，控制器，執行機構、測量變送器都屬于自動化儀表，他們都是圍繞被控對象工作的。也就是說，一個過程控制的控制系統，是圍繞被控現象而組成的，被控對象是控制系統的主體。因此，對被控對象的動態特性進行深入了解是過程控制的一個重要任務。只有深入了解被控對象的動態特性，了解他的內在規律，了解被控辯量在各種擾動下變化的情況，才能根據生產工藝的要求，為控制系統制定一個合理的動態性能指標，為控制系統的設計提供一個標準。性能指標頂的偏低，可能會對產品的質量、產量造成影響。性能指標頂的過高，可能會成不必要的投

3、資和運行費用，甚至會影響到設備的壽命。性能指標確定后，設計出合理的控制方案，也離不開對被控動態特性的了解。不顧被控對象的特點，盲目進行設計，往往會導致設計的失敗。尤其是一些復雜控制方案的設計，不清楚被控對象的特點根本就無法進行設計。有了正確的控制方案，控制系統中控制器，測量變送器、執行器等儀表的選擇，必須已被控對象的特性為依據。在控制系統組成后，合適的控制參數的確定及控制系統的調整，也完全依賴與對被控對象動態特性的了解。由此可見，在控制工程中，了解被控制的對象是必須首先做好的一項工作。過程控制的被控對象設計的范圍很廣。被控對象不一定是指一個具體的設備，不少情況下被控對象是指一個過程。有些過程可

4、能涉及好幾種設備，而在有些設備內部可能包括了幾個過程。 過程控制被控對象的內在機理較為復雜，由簡單過程，又存在嚴重非線性的過程，有多變量過程，有些被控對象的特性隨時間或工作條件而變化。對被控對象動態特性的了解，一種方法是通過分析被控對象的工作機理，建立被控對象的數學模型。但由于連續生產過程的復雜性，完全從機理上揭示其內在規律，獲得精確的數學模型還有較大的困難。另一種方法是工程上經常使用的方法，它采用實驗法來獲得被控對象的數學模型。這種方法通過測量被控對象的階躍相應曲線（稱為飛升曲線），近似確定被控對象的數學模型，研究被控對象的動態特性。第二章 系統元件的選擇2.1 有自平衡能力的單容元件 如果

5、被控對象在擾動作用下偏離了原來的平衡狀態，在沒有外部干預的情況下（指沒有自動控制或人工控制參與），被控變量依靠被控對象內部的反饋機理，能自發達到新的平衡狀態，我們稱這類對象是有自平衡能力的被控對象。具有自平衡能力的單容對象的傳遞函數為(2.1)這是個一階慣性環節。描述這類對象的參數是時間常數T和放大系數K。圖2.1 單容水箱圖2.1是單容水箱的示意圖。我們已經推導過水箱的傳遞函數為其中T=RC，C為水箱的橫截面積，R為輸出管道閥門的阻力。T稱為水箱的時間常數。K稱為水箱的放大系數。一階系統的特性我們已經在時域分析中進行了詳細的討論，所有結論都適用于單容對象。作為過程控制的被控對象，單容對象的時

6、間常數比較大。2.2 無自平衡能力的單容元件圖2.2單容積分水箱圖2.2也是一個單容水箱。不同的是水箱的出口側安裝了一臺水泵，這樣一來，水箱的流出水量就與水位無關，而是保持不變，即流出量的變化量。在靜態下，流入水箱的流量與水泵的排水量相同都為Q，水箱的水位H保持不變。在流入量有一個增量時，靜態平衡被破壞，但流出量并不變化，水箱的水位變化規律為式中C為水箱的橫截面積。對上式兩端求取拉普拉斯變換，可得水箱的傳遞函數：(2.2)這是一個積分環節。它的單位階躍響應為圖2.3 兩種水箱變化的比較（a）單容積分水箱（b）有自平衡能力的單容水箱圖2.3（a）是水位變化的曲線。為了比較，我們把具有慣性環節特性

7、的水箱在單位階躍輸入下的水位響應曲線也畫出來，如圖2.3（b）所示。很明顯，具有慣性環節特性的單容水箱，在輸入作用下，水位經過一個動態過程后，可以重新達到一個新的穩定狀態。而具有積分環節的水箱在受到同樣的擾動之后，水位則無限地上升，永遠不會達到一個新的穩定狀態。我們稱這種水箱為單容水箱。具有積分環節特性的單容對象的傳遞函數可以表示為(2.3)式中稱為飛升速度。其單位階躍響應為(2.4)這是一條直線方程，如圖2.3（a）所示。是直線的斜率。式（2-4）說明，當被控對象原來的平衡狀態被擾動作用破壞后，如果不依靠自動控制或人工控制的外來作用，被控變量將一直變化下去，不可能達到新的平衡狀態。我們稱這類

8、對象為無自平衡能力的對象。2.3單容對象的特性參數被控對象有無自平衡能力，是被控對象本身固有的特性。圖55給出了兩類水箱的方框圖。圖5-5（a）是有自平衡能力的單容水箱，從方框圖中可以看出，水箱的水位既與流入量有關，也受流出量的制約，在被控對象內部形成了一個負反饋機制。當流入量增大時，將引起水位的上升。水位上升的結果，流出量就會增加。流出量的增大又限制了水位的進一步上升。經過一個動態過程后，總能重新找到一個平衡點，使流入量與流出量相等，水位不再變化。圖5-5（b）是無自平衡能力的單容水箱，在其內部不存在負反饋機制，水位只與流量有關。具有自平衡能力的被控對象，本身對擾動有一定的克服能力，控制性能

9、較好。而無自平衡能力的被控對象，其傳遞函數的極點位于虛軸上，是不穩定的。被控變量若要按要求的規律變化，必須完全依賴于對象外部的控制系統。圖5.5 兩種類型的單容水箱（a）有自平衡能力（b）無自平衡能力我們曾經提到，一階系統是含有一個存貯元件的系統。本節中我們看到，有自平衡能力無自平衡能力的對象都含有存貯元件，為什么表現出不同的特性呢？上面，我們就其內部機理進行分析。現在我們來看表征其特性的參數的異同描述存貯元件存貯能力的參數稱為對象的容量系數。容量系數可定義為C=被控對象儲存的物質或能量的變化量/輸出的變化量容量系數對不同的被控對象有不同的物理意義，如水箱的橫截面積，電容器的電容量。熱力系統得

10、熱容量等。在我們推導系統或環節的傳遞函數時，經常遇到T 稱為系統或環節的時間常數，它是系統或環節慣性大小的量度。式中的R稱為阻力系數。如電路的電阻，流體流動的液阻，傳熱過程的熱阻等。被控對象的容量系數，表示了被控對象抵抗擾動的能力，如水箱的橫截面積大，同樣流入量下，水位上升得就慢。電路的電容量大，在同樣充電電流下，電壓上升得就慢。慣性環節的慣性，其根本原因就是因為它具有存貯能力。但這并不是決定慣性大小的唯一因素。還有另一個因素就是阻力系數。阻力系數是對流入存貯元件凈流入量的制約。在R-C充電電路里，它限制了流入電容器的電流，在單容水箱中，它限制了水箱的凈進水量。慣性環節因為其具備了自平衡能力，

11、在其動態參數上，用時間常數來表示，而單容積分環節則不存在阻力系數，只用容量系數就可以表征其特性。描述有自平衡能力單容被控對象的參數有兩個：放大系數K和時間常數T，稱為被控對象的特性參數。放大系數K表示輸入信號通過被控對象后穩態輸出是輸入的K倍。對于同樣的輸入信號，放大系數大，對應的輸出信號就大。K表示了被控對象的穩態放大能力，是被控對象的穩態參數。T是描述被控對象慣性大小的參數，時間常數T越大，被控對象在輸入作用下的輸出變化得越慢。T是單容被控對象的動態參數。無自平衡能力的被控對象在輸入作用下不會達到新的穩定狀態，描述其性能的參數只有一個動態參數：飛升速度。第三章 控制器參數的整定3.1 參數

12、的確定控制器參數的整定，對PID控制規律來說，就是恰當選擇比例度 （或比例放大系數 ）、積分時間常數 和微分時間常數 的值。控制器參數整定的方法有兩類，一類是理論計算法，一類是工程整定法.已知被控對象較準確的數學模型，可以應用理論計算法。用傳統的時域法、頻率法、根軌跡法都可以進行整定，利用計算機進行參數整定和優化的方法也很多。往往由于數學模型的原因，理論計算得到的數據精度不高，但它卻可以為工程整定法提供指導。工程整定法易于掌握，是比較實用的方法。常用的工程整定法有穩定邊界法、衰減曲線法、響應曲線法等。穩定邊界法又稱為臨界比例度法。具體過程是，先將控制器變為比例控制器，逐漸減小比例帶 ，直到出現

13、等幅振蕩。這是的比例度稱為臨界比例度，記為 。記下兩個波峰相距的時間（臨界振蕩周期） ，根據和 ，按表3.1 進行計算。表3.1 穩定邊界法計算公式表（衰減率）控制規律比例度（%）積分時間(min)微分時間(min)衰減曲線法。衰減曲線法是使系統產生衰減振蕩，根據衰減振蕩參數來確定控制器參數。工程上認為，衰減率 (衰減比為4：1）時，系統的動態過程較適宜。因此，一般都采用4：1衰減曲線來進行整定。具體過程是：先將控制器變成比例控制器，比例度取較大的值，給定值為階躍函數，觀察曲線的衰減情況。然后逐漸減小比例度，直到衰減比為 4：1，此時的比例度為 ，衰減周期為 ，如圖5.34所示圖3.1 4:1

14、衰減曲線根據和 ，按表 3.1進行計算。表3.2 衰減曲線法計算表控制規律比例度（%）積分時間(min)微分時間(min)響應曲線法與以上兩種方法不同。以上兩種方法都是在閉環系統下進行的，而響應曲線法則要測出系統的開環階躍響應。把控制系統從控制器輸出點斷開。在調節閥上加一個階躍輸入，測量變送器的輸出作為響應曲線。響應曲線一般的形式如圖 3.2所示。根據響應曲線可近似求出如下傳遞函數圖3.2 系統的開環階躍響應根據求出的K,T和值 ，按表3.3計算。表3.3響應曲線計算表（衰減率）被控對象控制規律3.2 電動機的數學模型直流電動機的數學模型。直流電動機可以在較寬的速度范圍和負載范圍內得到連續和準

15、確地控制，因此在控制工程中應用非常廣泛。直流電動機產生的力矩與磁通和電樞電流成正比，通過改變電樞電流或改變激磁電流都可以對電流電機的力矩和轉速進行控制。在這種控制方式中，激磁電流恒定，控制電壓加在電樞上，這是一種普遍采用的控制方式。設 為輸入的控制電壓 電樞電流 為電機產生的主動力矩 為電機軸的角速度 為電機的電感 為電樞導數的電阻 為電樞轉動中產生的反電勢 為電機和負載的轉動慣量根據電路的克希霍夫定理整理后式中： 稱為直流電動機的電氣時間常數； 稱為直流電動機的機電時間常數；,為比例系數。直流電動機電樞繞組的電感比較小，一般情況下可以忽略不計，式（2.4）可簡化為3.3 控制系統的數學模型圖

16、3.3 過程控制系統結構圖傳遞函數為控制器參數的確定 測的該控制系統開環階躍響應的參數后得到的近似傳遞函數為3.4 PID控制器的參數計算根據 查表5.4 minmin工程整定法由于采用的是經驗公式，所以對同一系統應用不同方法整定出的參數不可能一致。它們的實際控制性能指標將會有差別。第四章 控制系統的校正在工業生產過程中，被控對象的特性并不是不變的。當被控對象特性發生變化后，原定整定的 PID控制參數就不是最合適的參數了，必須重新整定。這將給連續化的生產帶來不利的影響。有一種控制系統，能根據被控對象特性的變化或其他條件的變化，自動調整控制系統的控制規律和控制器的控制參數，使控制系統始終處于最佳

17、狀態，我們稱這種控制系統為自適應控制系統。能對控制器參數進行自動整定的自適應控制系統成為自校正系統或自整定系統。圖4.1 自校正系統的工作原理圖 4.1時自校整系統的工作原理圖。自校正系統與一般控制系統相比，增加了兩種功能：一是根據控制器輸出和被控對象輸出分析對象的特性，即對對象進行識別；二是根據識別結果計算并改變控制器參數，稱為決策。例如假定被控對象的模型為 :對象識別環節就會根據測量的值對K,T和 進行估計。決策環節則根據求出的對象參數按規定的整定規則計算出控制器參數并對控制器參數進行修改。4.1 控制器的正反作用 控制系統要能正常工作，必須有一個負反饋控制系統。為了保證這一點，必須正確選

18、擇各環節的正反作用。控制器的正反作用是根據被控變量的測量值和控制器輸出之間的關系確定的。被控變量測量值增加時，控制器的輸出也增加，則控制器為正作用控制器，并規定其穩態放大系數 為負。被控對象的測量值增加時，控制器的輸出值減小，則控制器為反作用控制器，并規定器穩態放大系數 為正。被控對象的輸出與調節閥內的介質流量變化決定了被控對象的正反作用。介質流量增加，被控對象的輸出也增加，則被控對象為正作用，規定其放大系數 為正。介質流量增加時，被控對象輸出減小，則被控對象為反作用，規定其放大系數 為負。執行器氣開式為正作用，氣關式為反作用，并規定正作用調節閥的放大系數 為正，反作用的 為負。變送器的作用一

19、般都是正作用，其放大系數 為正。要保證系統是負反饋系統，組成系統的各環節的正反作用的乘積必須為正。這可用各環節的放大系數來表示。即 為正。這里相乘只取正符號計算，不必計算放大系數的具體數值。選擇控制器的正反作用的步驟是先根據工藝及安全要求確定調節閥正反作用，被控對象的正反作用是固有的特性，測量變送器一般是正作用，所以往往可以排除在外，最后再選擇控制器的正反作用，使 的乘積為正。4.2 串級控制系統串級控制系統是在單回路控制系統的基礎上發展起來的，對改善控制系統的控制品質非常有效，在過程控制中應用相當廣泛，是一種典型的復雜控制系統。圖4.2夾套反應器的溫度控制（a）單回路控制（b）串級控制我們通

20、過一個實例來說明串級控制原理。圖4.3是夾套式反應釜溫度控制的例子。反應釜中的放熱化學反應所產生的熱量必須被傳輸出去，以保證化學反應的溫度條件。冷卻水通過夾套把反映熱帶走。圖4.2（a）是一個單回路控制系統。TT表示溫度測量變送器，TC表示溫度控制器。這個控制系統的結構圖見圖4.2。影響反應釜反應溫度的因素來自反應物料和冷卻水兩個方面，用 表示物料方面的擾動，用表示冷卻水方面的擾動。因為這兩個擾動的作用點不同，對反應釜溫度 的影響也不一樣。若冷卻水發生擾動，如冷卻水入口水溫度突然升高或冷卻水流量突然減小，這個擾動經過夾套、反應釜的槽壁、反應釜（反應槽）才能對 發生影響，由于被控對象熱容量大，熱

21、傳遞過程的慣性很大。在 發生變化后，控制器才能開大冷卻水進水調節閥，加大流量，但影響到 又要經過一個熱傳遞過程。這將使反應釜的溫度 發生較大的偏差。可見單回路系統不能滿足控制的要求。由于冷卻水方面的擾動會很快影響到夾套溫度，如果把單回路控制系統改變成圖4.2（b）的形式，即增加一個夾套溫度控制系統，當冷卻水擾動發生時，這個控制回路會立即產生控制作用，穩定由于這個控制回路慣性小，反應快， 很快會被穩定下來， 基本上不受擾動的影響，控制質量就大大得到改善。圖4.4是這個系統的結構圖。圖4.3 夾套反映器單回路溫度控制系統圖4.4 夾套反應器串級溫度控制系統圖4.4所示的控制系統為串級控制系統。當被

22、控對象具有較大的慣性和容量延遲時，圖4.5 被控對象若被控對象可以分為兩部分，稱為過程，過程，如圖4.5 所示。過程的輸出是過程的輸入,會對被控變量產生重大影響.一般情況下,過程 的慣性較小,過程的慣性較大.對于這種情況,采用單回路控制方案,對發生在過程上的擾動,控制效果很差,采用串級控制方式,則能收到較為滿意的控制效果。圖4.6 串級控制系統的原理圖串級控制系統的結構圖見圖4.6。串級控制系統共有2個控制回路.內部的反饋回路稱為副回路。副回路包括副控制器(副調節器),調節閥,副對象(即過程)和副變送器.發生在副回路內的擾動稱為二次擾動。外部的控制回路稱為主回路.主回路包括主控制器(主調節器)

23、,整個副回路,主對象(過程 )和變送器。發生在主對象上的擾動稱為一次擾動。如果把整個副回路當成一個等效環節,它串聯在主回路的前向通道上。這就是串級控制名稱的由來。串級控制在結構上有兩個特點:一個特點是串級控制雖然有兩個控制器,兩個變送器和兩個測量參數,但仍然是一個單輸入單輸出系統,系統只有一個需人為設定的給定值,只有一個控制變量(即副控制器輸出),只有一個執行機構,因而也只能有一個被控變量,這一點和單回路控制系統極其相似;串級控制的另一個結構的特點是主控制器和副控制器串聯在回路中.主控制器的輸出是副控制器的給定值.主控制器接受設定的給定值,所以整個串級控制系統是一個定值調節系統.副控制器的給定

24、值是主控制器的輸出,因為這個輸出要隨著擾動而變化,所以副回路是一個隨動系統.過程控制中還會經常遇到具有兩個回路的控制系統,只要不符合以上兩個特征,就不是串級控制系統.串級控制在控制品質上也有兩個最顯著的特點.圖4.7是某個串級控制系統的結構圖,圖中標明了各環節的傳遞函數.為了比較控制效果,圖4.8給出了同一被控對象的單回路控制結構圖.圖 4.7 串級控制系統當二次擾動進入副回路后,二次擾動至控制系統輸出(稱為主參數)的傳遞函數為而單回路系統, 至主參數的傳遞函數為:圖4.8 單回路控制系統圖 4.9比較兩式，串級系統的傳遞函數分母比單回路系統大的多。這說明，串級控制系統使二次擾動對主參數的增益

25、明顯減小，與單回路相比，二次擾動的影響可以減小10-100倍。從作用原理上看，二次擾動首先影響副對象的輸出（稱為副參數），副控制器立即產生控制作用，由于副對象（或副過程）慣性較小，所以擾動的影響很快得到克服，不會對被控變量產生大的影響。串級控制的副回路對進入副回路的干擾有很強的克服能力。這是串級控制的一個顯著的特點。在設計串級控制系統時，一定要把被控對象的主要擾動包括在副回路內。這是設計串級控制系統的根本原則。對于一次擾動，是不經過副回路的。但副回路的存在卻可以使副回路的等效傳遞函數的慣性大大減小，改善了系統的動態特性，加快了系統的響應速度。這是串級控制的另一個顯著特點。在串級控制中，副回路主

26、要是為了抑制二次擾動，并不要將二次擾動完全消除，所以精度要求并不高，副控制器選比例控制就可以了。主回路的任務是保證系統輸出與給定值一致，控制精度要求高，所以主控制器應選擇比例積分（PI）或(PID)控制器。副回路起“粗調”作用，要求響應快，主回路起“細調”作用，要求精度高。這是選用主副控制器的原則。串級控制系統主副控制器參數定有多種方法。當主副對象慣性相差不大，主副回路相互影響時，可采用逐步逼近法。即先斷開主回路整定副控制器參數，然后再整定主回路參數，接著再次在閉環下整定副回路參數。先副后主，逐步逼近，直到控制性能指標滿意。二步整定法適用于主副對象時間常數相差較大的情況。在系統閉合時先整定副回

27、路，然后把副回路當成一個環節，整定主回路。這種方法應用較廣。現在，生產過程的新技術、新工藝以及新型的生產設備都對自動控制提出了更高的要求。在新的控制理論指導下的許多高級、先進的控制方式正在逐步獲得應用。例如最優控制系統，自適應控制系統，預測控制系統，智能控制系統等。第五章 系統的穩定性分析5.1 系統的穩定性分析已知系統的特征方程為 用勞斯判據分析系統的穩定性如下 1 12 10 6 15 2 2顯然，勞斯表第一列系數符號相同，故系統是穩定的。5.2 控制系統的穩態誤差開環傳遞函數表示為式中K表示系統的開環放大系數。N表示開環傳遞函數所包含的積分環節數。在分析控制系統的穩態誤差時，我們根據系統開環傳遞函數所含的積分環節數來對系統進行分類。若N=0，即控制系統開環傳遞函數不含積分環節，稱為0型系統。若N=I,則稱