07 3-2 选择被控量与控制量.pptx

第1页：被控量选择的重要性

选择被控量与控制量1.被控量的选择

• 选择被控参数是控制方案设计中的重要一环，对于稳定生产、提高产品的产量和质量、节能、改善劳动条件、保护环境卫生等具有决定性意义。
• 若被控参数选择不当，则无论组成什么样的控制系统，选用多么先进的过程检测控制设备，均不能达到预期的控制效果。

第2页：被控量应具备决定性作用

对于一个生产过程来说，影响因素很多。但是，并非对所有影响因素都需加以控制。所以，必须深入分析工艺过程，找出对产品的产量和质量、安全生产、经济等具有决定作用，能直接测量或间接计算可得的工艺变量作为被控参数。

第3页：直接参数法

直接参数法－－尽可能寻求能表征工艺过程的质量指标的可测量的直接参数。例如

• 可选水位作为蒸汽锅炉水位控制系统的直接参数，因为水位过高过低均会造成严重生产事故，直接与锅炉安全运行有关。
• 容器的液位
• 加热器中的蒸气温度选择原则：

第4页：间接参数法

间接参数法－－选择那些能间接反映产品产量和质量又与直接参数有单值对应关系、易于测量的参数作为被控参数，间接变量与直接变量必须有一一对应的关系。例如：精馏塔是利用混合物各成分挥发度不同，将混合物分离成较纯组分产品或中间产品的设备。精馏过程要求产品达到规定的纯度，并希望在额定生产负荷下，尽可能地节省能源。

第5页：间接参数的灵敏度要求

这样，塔顶馏出物(或塔底残液)的浓度应选作被控参数，因为它最直接地反映了产品的质量。但是，目前对成分的测量尚有一定的困难，于是一般采用塔顶(或塔底)温度代替浓度作为被控参数。3.间接变量对控制作用的反应必须有足够的灵敏度。4.生产工艺的全局性，合理性。

第6页：控制变量的选择

2.2控制变量（操纵量）的选择

• 被控量选定以后，下一步就是选择操纵变量，去克服扰动时对被控变量的影响。
• 有的生产过程中，控制参数的选择是很明显的(唯一确定的)，如锅炉水位控制系统，控制参数只能选给水量。
• 但当工艺上允许有几种操纵量可供选择时，要根据过程控制通道和扰动通道特性对控制质量的影响来合理选择操纵量。
• 例如：牛奶的干燥过程

第7页：牛奶干燥过程流程图

牛奶干燥过程流程图

牛奶干燥过程流程图，标出乳液、热气与奶粉流向并提出温度控制量的选择问题。

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第8页：控制通道与扰动通道的定义

控制通道：操纵量对被控量作用的通道。

• 扰动通道：扰动量对被控量作用的通道。
• 控制通道放大系数K0：被控变量的变化量与操纵变量的变化量在时间趋于无穷大时之比。
• 扰动通道放大系数Kf：过程受到阶跃扰动，过程从原有稳定值达到新的稳态时，被控量的变化量与扰动幅度之比。

第9页：过程静态特性分析框图

过程静态特性分析框图

单回路系统框图，标出控制器、控制通道与扰动通道的传递函数及各放大系数含义。

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第10页：扰动下被控量的稳态值推导

扰动下被控量的稳态值推导

稳态值推导页，由终值定理得出单位阶跃扰动下被控量稳态值为Kf/(1+K0Kc)。

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第11页：Kf与K0对控制质量的影响

过程静态特性对控制质量好坏有很大的影响，是选择控制参数的一个重要依据。

• 扰动通道静态放大系数Kf愈大，则系统的稳态误差也愈大，这表示在相同的阶跃扰动作用下，将使被控参数偏离给定值愈大，显著地降低控制质量。
• 控制通道的静态放大系数K0愈大，表示控制作用愈灵敏，克服扰动的能力愈强，控制效果愈显著。Kf1+K0Kc6tY()limY(t)

第12页：控制通道放大系数应大于扰动通道

控制通道放大系数应大于扰动通道

放大系数取值页，指出应使K0大于Kf，否则可调节K0使K0Kc远大于Kf。

使控制通道的放大系数K0大于扰动通道的放大系数Kf

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第13页：扰动通道时间常数的影响

扰动通道时间常数的影响

扰动通道动态特性页，说明Tf越大滤波能力越强，扰动对被控量影响越小。

过程动态特性对控制质量的影响1.扰动通道动态参数的影响(Tf

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第14页：扰动通道纯滞后的影响

扰动通道纯滞后的影响

扰动通道滞后页，指出纯滞后仅使响应在时间上推迟τf而理论上不影响控制质量。

滞后时间tf的影响当扰动有纯滞后时

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第15页：扰动点位置的影响

(3)扰动点位置的影响

• 三只水箱均为一阶惯性环节；
• 扰动位置离被控参数越近(离调节阀越远)，对被控量影响越大；
• 扰动位置离被控参数越远(离调节阀越近),扰动对被控量影响越小；原因：滤波作用(通过惯性作用)；10液位控制

第16页：可控性指标与临界振荡频率

控制通道动态特性对控制系统的影响由自动控制理论可知：系统余差C与(1+K)成反比，K越大，余差C越小。振荡频率ω越大，过渡过程进行的越快。(1)可控性指标Kmax—系统临界放大系数cω—系统临界振荡频率即:Kmax越大，可选的K越大，从而使C越小ωc越大，可选的工作频率越大，从而使过渡过程加快。代表了被控过程的控制性能

第17页：不同过程特性的可控性对比

不同过程特性的Kmax、ωc和Kmaxωc值可见控制通道中时间常数大、阶数高、有纯滞后环节都将使过程的Kmax与ωc值变小，从而使控制性能变差。2结论：应选择时间常数较小，纯滞后小的通道作为控制通道。

第18页：控制通道时间常数的影响

(2)时间常数T0的影响

• 控制通道时间常数的大小反映了控制作用的强弱，反映了控制器的校正作用，克服扰动对被控参数影响的快慢。
• T0太大：控制作用弱，被控参数变化缓慢。控制不及时,过渡过程时间长,控制质量下降
• T0太小：控制作用强，克服扰动的影响太快,易引起系统振荡，系统稳定性下降，所以要适当小。
• 在系统设计时，要求控制通道时间常数T0适当小一点，使其校正及时，又能获得较好的控制质量。具体分析：

第19页：控制通道滞后的影响

控制通道滞后的影响

控制通道滞后页，区分纯滞后τ0与容量滞后τc并指出纯滞后对控制质量影响最坏。

控制通道滞后时间τ0对控制质量的影响

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第20页：纯滞后使系统稳定性下降

纯滞后使系统稳定性下降

纯滞后分析页，由开环传递函数含e^(-τ0s)说明相角滞后增加会降低稳定性。

无论系统开环放大系数KcK0为多大

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第21页：纯滞后的频率特性分析

纯滞后的频率特性分析

频率特性图，对比τ0=0与τ0≠0时开环频率特性是否包围(-1,j0)点。

纯滞后τ0的存在将降低系统的稳定性

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第22页：纯滞后与容量滞后的结论

结论：

• 当控制通道存在纯滞后时，控制器的校正作用将要滞后，从而使超调量增加，被控参数的最大偏差增大，引起系统动态品质下降；
• 控制通道的容量滞后：引起控制作用不及时，控制质量下降。但比纯滞后对系统的影响缓和；
• 微分作用：克服容量滞后对控制质量的影响有显著的效果。

第23页：时间常数分配的影响

时间常数分配的影响

时间常数分配页，给出三个一阶惯性环节串联时改变时间常数求Kmax与ωc的分析方法。

时间常数分配的影响18Wc(s)W0(s)Wm(s)Wv(s)(Ts11)(T2s1)(T3s1)开环传递函数其中Tl＝10s

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第24页：不同时间常数对控制质量的影响

不同时间常数对控制质量的影响9从上表中的数值变化可以看出，减小过程中最大的时间常数T1，反而引起控制质量下降；相反增大最大时间常数T1，虽然ωc略有下降，但Kmax增长，有助于提高控制指标；而减小T2或T3都能提高控制性能指标，若同时减小T2、T3，则提高性能指标的效果更好。

第25页：时间常数错开原则

因此：1)当控制通道是由几个一阶惯性环节串联时,在其它几个时间常数都比最大的时间常数小很多时，可略去其它小的时间常数一阶惯性环节，而近似为一阶环节，易控制。2)当多个一阶惯性环节时间常数都相当接近时，易发生振荡,较难控制。解决办法：时间常数要错开，减少中间时间常数，且与最大时间常数要相差大，控制系统才易稳定。3)最大时间常数越大，虽稳定性不变，但调解过程越慢。

第26页：选择控制参数的一般原则

2.5选择控制参数的一般原则

1. 控制通道放大系数K0：－要适当大一些；时间常数T0－－要适当小一些；纯滞后τ0－－愈小愈好，在有纯滞后τ0的情况下，τ0和T0之比应小一些(小于1)，若其比值过大，则不利于控制。
2. 扰动通道放大系数Kf：－应尽可能小；时间常数Tf－－要大;扰动引人系统的位置(指框图中的位置)要靠近调节阀。

第27页：时间常数分配的一般原则

时间常数分配当过程本身存在多个时间常数，在选择控制参数时，应尽量设法把几个时间常数错开，使其中一个时间常数比其它时间常数大得多，同时注意减小第二、第三个时间常数。这一原则同样适用于控制(调节)器、调节阀和测量变送器时间常数的选择，控制器、调节阀和测量变送器(三者均为系统开环传递函数中的环节)的时间常数应远小于被控过程中最大的时间常数。