自动化仪表与过程控制期末考试资料Word文件下载.docx
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2)前馈控制系统,也称为开环控制系统;
根据扰动量的大小进行工作;
扰动是控制的依据;
在实际生产中不能单独采用。
3)复合控制系统,前馈与反馈相结合,优势互补。
7、稳态—把被控变量不随时间变化的平衡状态称为系统的稳态(静态),静态特性—静态时系统各环节的输入输出关系。
8、动态—把被控变量随时间变化的不平衡状态称为系统的动态。
动态特性—在动态过程中系统各环节的输入输出变化关系。
9、过程控制系统:
一般是指工业生产过程中自动控制系统的变量是温度、压力、流量、液位、成份等这样一些变量的系统。
例1、某化学反应器,工艺规定操作温度为200±
10℃,考虑安全因素,调节过程中温度规定值最大不得超过15℃。
现设计运行的温度定值调节系统,在最大阶跃干扰作用下的过渡过程曲线如下图所示,试求:
该系统的过渡过程品质指标(最大偏差、余差、衰减比、振荡周期和过渡时间),并问该调节系统是否满足工艺要求。
设定值不等于稳态值(有差控制)
参考答案:
最大动态偏差A=230-200=30℃
被控参数偏离设定值的最大值;
余差C=205-200=5℃
稳态值与设定值之间的偏差;
衰减比n=y1:
y3=25:
5=5:
1两个相邻的同向波峰值之比;
振荡周期T=20–5=15(min)
设被控变量进入稳态值的土2%,就认为过渡过程结束,则误差区域=205×
(±
2%)=±
4.1℃,在新稳态值(205℃)两侧以宽度为±
4.1℃画一区域(阴影线)。
超调量:
第一波峰与稳态值之比的百分比,25/205=12.2%
调节时间:
Ts=22min工艺规定操作温度为200±
10℃,考虑安全因素,调节过程中温度规定值最大不得超过15℃,而该调节系统A=30℃,不满足工艺要求。
峰值时间:
5min
二、被控过程数学模型和控制器参数整定
传递函数=输出的拉斯(L)变换/输入的拉斯变换(零初始条件下)
1、机理法建模:
单位时间内物质/能量流入量—单位时间内物质/能量流出量=被控过程内部物质/能量存储量的变化率。
1.1单容水箱建模:
L变换
RS——阀门2阻力系数、液阻;
Kμ——阀门1比例系数;
μ1——阀门1的开度;
LbiaLLLLLllll
传递函数:
1.2多容水箱建模:
式中
2、响应曲线法建模加控制器参数整定
设计一个比例、积分(PI)调节器,控制一个温度调节系统。
控制器的调节范围为:
0-3000℃,控制器的输出为4-20mA。
当给定被控对象一个如图(a)所示的阶跃输入时,测定的被控对象响应曲线如图(b)所示(响应曲线法控制器参数整定经验公式见下表)。
要求:
计算出控制器的控制参数,画出控制系统方框图。
响应曲线法控制器参数整定经验公式表
调节规律
调节参数
比例度δ%
积分时间TI
微分时间TD
P
(K0τ0/T0)╳100%
PI
1.1(K0τ0/T0)╳100%
3.3τ0
PID
0.85(K0τ0/T0)╳100%
2τ0
0.5τ0
参考解答:
由已知条件得:
控制器的调节范围上下限为:
℃和℃,控制器的输入上下限为mA和mA,由测试数据得,当输入信号从4mA变化到18mA时,被控对象输出信号从0℃变化到2500℃。
由此得广义被控对象的放大系数,
在测得的曲线上找拐点A,作切线交于B、C点,如下图。
图中的读数约为:
,。
所以,,。
由表中查得PI控制器的比例度计算公式为
积分常数为:
控制系统方框图见下图:
切线在时间轴上截出的时间段τ0为容量滞后;
由信号或能量的传输时间造成的滞后现象,是纯滞后。
比例控制PI控制PID控制
比例为基础,积分消静差,微分预测,提高系统控制速度
2.1P、I、D各参数对系统控制品质的影响:
P越小,控制作用越强、系统调节越快、系统稳定性下降,控制余差越小。
P越小,控制过程曲线越振荡,周期缩短。
出现等幅振荡,这时的比例度称为临界比例度Pmin,振荡频率称为临界振荡频率ωM
P越大,控制过程曲线越平稳,但控制过程时间越长,余差也越大。
TI越大,积分作用越弱,TI=∞,积分作用为零。
TI减小,积分作用增强,系统振荡加剧,稳定性下降。
因此,加积分后,比例带要适当加大。
如果T1适当,系统能很快消除余差。
2.2控制器参数整定:
边界法(临界比例度法)
属于闭环整定方法,根据纯比例控制系统临界振荡试验所得数据(临界比例度Pm和振荡周期Tm),按经验公式求出调节器的整定参数。
就以表中PI调节器整定数值为例,可以看出PI调节器的比例度较纯比例调节时增大,这是因为积分作用产生一滞后相位,降低了系统的稳定度的缘故。
2.3衰减曲线法
也属于闭环整定方法,但不需要寻找等幅振荡状态,只需寻找最佳衰减振荡状态即可。
衰减比为4:
1时,整定参数计算表
衰减比为10:
2.4响应曲线法:
属于开环整定方法。
以被控对象控制通道的阶跃响应为依据,通过经验公式求取调节器的最佳参数整定值。
方法:
不加控制作用,作控制通道特性曲线。
此方法在不加控制作用的状态下进行,对于不允许工艺失控的生产过程,不能使用。
2.5正反作用选择:
阀门气开气关式的选择原则:
当控制信号中断时,阀门的复位位置能使工艺设备处于安全状态。
调节器正反作用的选择:
负反馈控制系统的控制作用对被控变量的影响应与干扰作用对被控变量的影响相反,才能使被控变量值回复到给定值。
为了保证负反馈,必须正确选择调节器的正反作用。
当某个环节的输入增加时,其输出也增加,称该环节为“正作用”;
反之,称为“反作用”。
按此定义:
变送器都是正作用;
气开阀是正作用,气关阀是反作用;
有的正作用,有的反作用;
控制器作用方向以测量输入与输出的关系定义:
正作用:
测量值–给定值反作用:
给定值–测量值
调节器正反作用的确定原则:
保证系统构成负反馈,简单的判定方法:
闭合回路中有奇数个反作用环节。
2.6控制系统原理方框图(单闭环控制系统)
2.7控制系统工艺流程图
2.7.1、换热器出口温度控制系统2.7.2、储槽液位控制系统:
K0越大,控制作用越强,稳态误差越小;
Kf越大,干扰作用越强,稳态误差越大。
故应选放大系数大的变量作为控制变量。
干扰通道的惯性因子(Tfs+1)使干扰作用的影响缓慢。
Tf越大,干扰对被控变量的影响越缓慢,越有利于控制。
干扰进入系统的位置离被控变量检测点越远,则Tf越大,控制时最大偏差越小。
干扰离被控变量检测点越远,则干扰通道的时间常数越大,对被控变量的影响越慢。
部分填空题:
1.用气动仪表组成的控制系统,其统一的标准信号是0.02~0.1MPa(20~100kPa)。
标准电流信号:
4~20mA
2.集散控制系统的主要特性是_集中管理分散控制
3.在单回路过程控制系统中,调节器是根据_偏差值_的大小和方向,输出控制信号。
4.在反馈控制系统中,如果给定值是按照预先确定的某一规律进行变化,则称为_程序控制_系统。
5.简单控制系统是由_控制器_、_执行器_、_对象_和_测量变送器_四个环节构成的,又叫_单闭环控制系统_。
6.__控制器__是控制系统设计的核心.
7.从理论上讲,干扰通道存在纯滞后,不影响系统的控制质量。
8、积分作用的优点是可消除静差,但引入积分作用会使系统稳定性下降。
9、随着控制通道的增益K0的增加,控制作用增强,系统的余差减小,最大偏差变大。
10、在PI调节器组成的单回路过程控制系统中,若受到扰动后,被控参数无波动地向给定值靠近,需很长时间才能稳定下来,则如何调整调节器的比例度?
增大比例度
三、复杂控制系统
1、控制系统可分为两大类:
提高响应曲线性能指标为目的的控制系统,包括:
①串级控制系统②前馈控制系统按某些特定要求而开发的控制系统,包括:
①比值控制系统②均匀控制系统③分程控制系统和阀位控制系统
④选择性控制(取代控制)系统
2、串级控制系统:
对象的滞后较大,干扰比较剧烈、频繁时,采用简单控制系统往往控制质量较差,满足不了工艺上的要求,这时,可考虑采用串级控制系统。
管式加热炉的串级控制框图:
串级控制控制标准框图:
主变量—串级控制系统中起主导作用的被控变量,是过程中主要控制的工艺指标。
副变量—串级控制系统中为了稳定主变量而引入的辅助变量。
主对象—由主变量表征其主要特征的工艺设备或过程,其输入量为副变量,输出量为主变量。
副对象—由副变量表征其特性的工艺生产设备或过程,其输入量为系统的操纵变量,输出量为副变量。
主控制器—按主变量的测量值与给定值的偏差进行工作的控制器,其输出作为副控制器的给定值。
控制器—按副变量的测量值与主控制器的输出信号的偏差进行工作的控制器,其输出直接控制执行器的动作。
2.1、串级控制系统特点:
系统有两个闭合回路,形成内外环。
主变量是工艺要求控制的变量,副变量是为了更好地控制主变量而选用的辅助变量。
每个回路都有自己的控制器、测量变送器和对象,但只有一个执行器;
。
主、副调节器是串联工作的,主调节器的输出作为副调节器的给定值,而由副控制器的输出来控制执行器的动作;
主回路是一个定值控制系统,副回路则是一个随动控制系统。
由上可见:
副回路:
先调、粗调、快调,主回路:
后调、细调、慢调
主副回路相互配合、相互补充,提高控制品质。
与单回路控制相比,串级控制增加了副控制回路,使控制系统性能得到改善。
2.2、串级系统特点总结:
对进入副回路的干扰有很强的克服能力;
副回路的引入,提高了系统的工作频率,也改善了系统的动态性能;
副回路的快速作用,对于进入副回路的干扰快速地克服,减小了干扰对主变量的影响;
对负荷或操作条件的变化有一定自适应能力。
2.3、主、副调节器调节规律的选择:
在串级系统中,主参数是系统控制任务,副参数辅助变量。
这是选择调节规律的基本出发点。
主参数是生产工艺的主要控制指标,工艺上要求比较严格。
所以,主调节器通常选用PI调节,或PID调节(滞后较大时)。
控制副参数是为了提高主参数的控制质量,对副参数的要求一般不严格,允许有静差。
因此,副调节器一般选P调节就可以了。
而且比例度较小,使得控制作用较强,余差不大。
如果引入积分控制作用,会使控制作用滞后,甚至带来积分饱和。
2.4、串级系统的工业
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