《热工过程自动控制技术》课件第二.ppt

1、2022-4-20河南城建学院 建筑环境与能源工程系Ch2 自动控制系统综述 热工控制对象的动态特性 控制器的动态特性 单回路控制系统的分析与整定 复杂控制系统 2022-4-20河南城建学院 建筑环境与能源工程系2-1 热工控制对象的动态特性1 一、建立热工控制对象数学模型的目的： 1.设计过程控制系统和整定控制器参数 2.指导设计生产工艺设备 3.进行仿真试验研究 4.培训运行操作人员 二、影响对象动态特性的结构性质： 1.容量系数 2.阻力 3.传递迟延 2022-4-20河南城建学院 建筑环境与能源工程系热工控制对象的动态特性2 三、热工控制对象的阶跃响应及其特点： (一)热工控制对象

2、的分类： 1. 根据对象结构分类：简单对象(单容对象)、复杂对象(多容对象)。 2.根据对象是否具有自平衡能力分类：有自平衡能力的对象、无自平衡能力的对象。 (二)有自平衡能力的对象： (三)无自平衡能力的对象： (四)热工控制对象动态特性的特点：有迟延、有惯性、不振荡。2022-4-20河南城建学院 建筑环境与能源工程系有自平衡能力的对象 1.对象的自平衡能力： 对象受到干扰作用后，平衡状态被破坏，无需外加任何控制作用，依靠对象本身自动平衡的倾向，逐渐地达到新的平衡状态的性质，称为对象的自平衡能力。 实质：对象输出量变化对输入量发生影响的结果，或者说，对象内部存在着负反馈。 2.特征参数：

3、(1)自平衡率： (2)时间常数Tc (飞升速度 )： (3)迟延时间： 3.特征参数变化对阶跃响应的影响：tcKgT1K2022-4-20河南城建学院 建筑环境与能源工程系2-2 控制器的动态特性1 自动控制系统的控制质量取决于它的动态特性，即取决于组成控制系统的被控对象和控制器的动态特性。 控制器的动态特性也称为控制器的控制规律，是控制器的输入信号(一般为被控量与给定值的偏差信号)与输出信号(一般代表了执行机构的位移)之间的动态关系。 2022-4-20河南城建学院 建筑环境与能源工程系控制器的动态特性2 一、PID控制器的基本控制作用： 1比例控制作用(简称P作用)： (1)微分方程：

4、Kpe (2)动作规律：根据偏差的大小进行控制。 (3) 特点：a.控制及时，能有效地抑制扰动。 b.控制过程结束后有静态偏差。 2积分控制作用(简称I作用)： (1)微分方程：IdK edt2022-4-20河南城建学院 建筑环境与能源工程系控制器的动态特性3 (2)动作规律：根据偏差的方向进行控制。 (3)特点：a.能实现无差控制。 b.会造成过调，引起被控量振荡。 3微分控制作用(简称D作用)： (1)微分方程： (2)动作规律：根据偏差的变化趋势进行控制。 (3)特点：a.具有“超前”偏差变化量的作用 。 b.过程结束后 ，故不能单独使用。dtdeTd00dtde2022-4-20河南

5、城建学院 建筑环境与能源工程系控制器的动态特性4 二、控制器的控制规律： 1.比例(P)控制器 (1)动态方程： (2)传递函数： (3)阶跃响应曲线： (4)整定参数：比例带：当控制机构的位置改变100%时，偏差应有的改变量。 1PK ee( )1( )( )PPsWsKE s2022-4-20河南城建学院 建筑环境与能源工程系控制器的动态特性5 2.比例积分(PI)控制器 (1)动态方程： (2)传递函数： (3)阶跃响应曲线： (4)整定参数： 、Ti 。 积分时间Ti ：控制器的输出为比例作用所造成的变化加倍所需要的时间。 0011()ttPIiK eKedteedtT( )11( )

6、(1)( )PIisWsE sTs2022-4-20河南城建学院 建筑环境与能源工程系控制器的动态特性6 3.比例微分(PD)控制器 (1)理想PD控制器： 动态方程：传递函数：响应曲线：整定参数：、Td 。 (2)实际PD控制器 1PdddedeK eKeTdtdt( )1( )(1)( )PDdsWsT sE s1DdddeTeTdtdt( )11( )(1)( )1PDdDsWsT sE sT s2022-4-20河南城建学院 建筑环境与能源工程系控制器的动态特性7 4.比例积分微分(PID)控制器 (1)理想PID控制器： 动态方程：传递函数： (2)实际PID控制器 动态方程：011

7、tdideeedtTTdt( )11( )1( )PIDdisWsT sE sT s011tDdiddeTeedtTdtTdt2022-4-20河南城建学院 建筑环境与能源工程系控制器的动态特性8传递函数：阶跃响应曲线：整定参数：、 Ti 、Td 。 图2-10是同一对象分别配比例控制器、比例积分控制器、比例积分微分控制器组成的控制系统，在阶跃扰动作用下其被控量的变化过程曲线的比较。 综上所述，比例控制作用是最基本的控制作用，而积分和微分作用为辅助控制作用。比例作用贯彻于整个控制过程之中，积分作用则体现在控制过程的后期，用以消除静态偏差，微分作用则体现在控制过程的初期，用以减小动态偏差，克服迟

8、延和惯性的影响。 ( )111( )1( )1PIDddiDsWsT sTE sTssK2022-4-20河南城建学院 建筑环境与能源工程系2-3 单回路控制系统的分析与整定 一、单回路控制系统的组成： 二、对象特性对控制质量的影响：P58 三、单回路控制系统的整定： (一)整定方法 1.响应曲线法 ：P61 2.临界比例带法：P61 3.衰减曲线法：P63 4.试凑法：P64 5.经验法：P65 (二)各种整定方法的比较： P652022-4-20河南城建学院 建筑环境与能源工程系单回路控制系统的组成由测量变送器、控制器、执行器(包括控制阀)连同被控对象组成。 (一)被控量的选择：P56 (

9、二)控制量的选择：P56 (三)控制通道和扰动通道：P56 (四)影响系统控制质量的主要因素：P57 1测量元件 2变送器 3执行器和控制机构 2022-4-20河南城建学院 建筑环境与能源工程系2-4 复杂控制系统 一、串级控制系统： 二、前馈反馈控制系统： (一)前馈控制系统： (二)前馈反馈控制系统： 三、比值控制系统： (一)基本概念：两种或两种以上的物质量保持一定比例关系的控制系统称为比值控制系统。 (二)比值控制系统分析： 1.单闭环比值控制系统2.有逻辑规律的比值控制系统 四、大迟延对象的控制方案： (一)补偿纯迟延的常规控制： (二)Smith预估补偿： 2022-4-20河南

10、城建学院 建筑环境与能源工程系串级控制系统 (一)基本原理和结构以汽包锅炉过热汽温串级控制系统为例。 1.结构框图 2.原理框图 (二)特点：P67 (三)串级控制系统的设计和控制器的选型：P67 (四)串级控制系统的整定： P68 2022-4-20河南城建学院 建筑环境与能源工程系前馈控制系统前馈控制系统 1.工作原理：系统中控制器根据干扰作用的大小和方向对被控介质进行控制来补偿干扰对被控量的影响。 2.实例： 3.特点：P69 4.与反馈控制的差别：P702022-4-20河南城建学院 建筑环境与能源工程系前馈反馈控制系统 1.工作原理与系统结构： P70 2.前馈反馈控制系统的整定： P71 3.前馈反馈控制的选用原则： P71 2022-4-20河南城建学院 建筑环境与能源工程系比值控制系统分析2022-4-20河南城建学院 建筑环境与能源工程系补偿纯迟延的常规控制 1.微分先行控制方案 2.中间反馈控制方案 3.二方案与常规PID控制的比较 2022-4-20河南城建学院 建筑环境与能源工程系Smith预估补偿 在PID反馈控制的基础上，引入一个预补偿环节。 Smith预估补偿控制原理图： Smith预估补偿系统方框图：