过程动态学与控制

u( tk )=u0
当新的ε 到来后 到来后≠ 当新的ε=0到来后≠0
yd
n以u0所处 以 时刻为起点
u0
tk-1 tk
以原油加热炉为例， 以原油加热炉为例，干扰 导致T<T* 导致
tk-1 tk
正作用控制器， 正作用控制器，气开阀
Air(气关 气关) 气关 Air(气开 气开) 气开
典型球阀示意图
p1 p2
关于流量与压差的关系，根据 可知： 关于流量与压差的关系，根据ASME (2001)可知： 可知 质量流量 Gm= α ε At（2ρ p）1/2 ） 其中， 为流体高压区的密度（ 其中， ρ 为流体高压区的密度（kg/m3或g/l）； p 为流体 ）； 流经节流装置形成的压差； 为节流面积； 流经节流装置形成的压差；At 为节流面积； ε 为流体体积 膨胀系数， 不大的气体， 膨胀系数，对不可压缩的液体或p 不大的气体， ε=1，但 ， 较大时， ε<1 为流量系数，取值与A 当气体p 较大时， ε< ；α为流量系数，取值与 t , d/D及 及 流体的流动状态(Re)有关。 流体的流动状态 有关。 有关 对理想状态下的气体，高压区有p1V=nRT, 即有ρ =p1 M/ 对理想状态下的气体，高压区有 (RT), 因此，质量流量可以表述为： 因此，质量流量可以表述为： Gm= α ε At（2 ρ p）1/2= αε t[2M/(RT)] 1/2(p1 p)1/2 αεA ） 这与书中pp30表述的 Gm=KKv(p p )1/2显然是等价的。 表述的 显然是等价的。 这与书中 另一方面，体积流量 的关系是G 另一方面，体积流量Gv与Gm的关系是 v=Gm/ ρ ，故 体积流量 Gv=α ε At（2 p/ ρ ）1/2 α
离散PID算法： 算法： 离散 算法
上次ε 时 上次ε=0时 的输出
瞬态量， 瞬态量，至新的
ε=0时为零 时为零
t k” TD + K c [ yd y(tk )] + Σ [ yd y(tn )] + [ y(t k 1 ) y(t k )] t TI n=1 ε(k)
=ε(k) - ε(k-1) ε
控制系统的品质
(参考书 中的内容 pp15-18) 参考书2中的内容 参考书
阶跃响应： 阶跃响应：
y(t) r C 原有 状态 τ tr t B B’ e(∞) ∞ y(t) e(∞) ∞ 原有 状态 t
死区 重要概念: 衰减比（ ）、超调量 重要概念 衰减比（B/B’）、超调量 ）、超调量(B/C×100% × 余差（残差） 余差（残差）、调节时间和 震荡频率、峰值时间和上升时间 上升时间(t 震荡频率、峰值时间和上升时间 r)
调节控制（ 调节控制（regulatory）与侍服控制（servo） ）与侍服控制（ ） Regulatory: 使输出恒定在 使输出恒定在sp Servo: 使输出跟随 使输出跟随sp 控制系统的物理元件构成： 控制系统的物理元件构成：
测量变送 控制器 执行器 辅助硬件（信号转换器、 转换器） 辅助硬件（信号转换器、AD-DA转换器） 转换器 …………
气关阀
流量测量通常采用节流装置，包括孔板（ 流量测量通常采用节流装置，包括孔板（Orifice plate）、喷嘴 ）、喷嘴 ）、喷嘴(Nozzle)、文丘里管（Venturi 、文丘里管（ 差压测取流量 tube），其共同特点是通过差压测取流量。 ） 其共同特点是通过差压测取流量。
孔板直经: d 孔板直经 管道内径: 管道内径 D
闭环控制系统单位阶跃响应(Servo) 闭环控制系统单位阶跃响应
+ r
PID 控制器 执行器 被控对象
y
测量变送
r
t
闭环控制系统抑制干扰(Regulatory) 闭环控制系统抑制干扰
干扰
r
+
PID 控制器
执行器
被控对象
y
测量变送
r t
小结（以原油加热炉为例） 小结（以原油加热炉为例）
输入变量： 输入变量：指那些能够独立激励系统并引起过程内部状态变化 的那些变量（ 的那些变量（F、Ti、QA、QF） 输出变量：指那些从中可以得到过程内部信息的变量（ ） 输出变量：指那些从中可以得到过程内部信息的变量（T） 状态变量：指那些能够用于描述过程内部状态的最少变量集合。 状态变量：指那些能够用于描述过程内部状态的最少变量集合。 这些变量的显现形式是输出。因此， 这些变量的显现形式是输出。因此，输出变量可以是某一状态 变量的测量值，也可以是状态变量某种组合的测量值（ ） 变量的测量值，也可以是状态变量某种组合的测量值（T） 干扰变量：使过程状态和输出偏离期望水平的变量（ 干扰变量：使过程状态和输出偏离期望水平的变量（F、Ti、PF、 λF） 上述变量均可细分为可测（ 上述变量均可细分为可测（on-line, off-line）和不可测两类 ） 被控变量：指那些需要被控制在给定值或给定轨迹的变量（ ） 被控变量：指那些需要被控制在给定值或给定轨迹的变量（T） 操纵变量：指那些用来调节被控变量的变量（ 操纵变量：指那些用来调节被控变量的变量（QA、QF）
变量 ≠ 参数
开环控制与闭环控制
闭环控制指输入-输出之间通过反馈作用实现闭环。 闭环控制指输入 输出之间通过反馈作用实现闭环。若 输出之间通过反馈作用实现闭环 一个控制系统不利用这一因果（闭环）关系， 一个控制系统不利用这一因果（闭环）关系，而仅仅依据某 基于机理）分析判断得出控制规律，就称之为开环控制。 种（基于机理）分析判断得出控制规律，就称之为开环控制。 典型的开环控制是交通信号灯。它通过事先的调查研究， 典型的开环控制是交通信号灯。它通过事先的调查研究，确 定主干道绿长红短的控制规律。若实现闭环→智能交通控制， 定主干道绿长红短的控制规律。若实现闭环→智能交通控制， 如何实现？ 如何实现？
PID控制器及算法 PID控制器及算法
（1）比例控制 比例系数Kc增大，闭环系统的灵敏度 增大， 增加，稳态误差（余差）减小，但系统振荡增强； 增加，稳态误差（余差）减小，但系统振荡增强；比 例系数过大会导致闭环系统不稳定。 例系数过大会导致闭环系统不稳定。 （2）积分控制 可以消除余差；积分作用太强会导 可以消除余差； 致闭环系统不稳定。 致闭环系统不稳定。 减小闭环系统超调量、响应时间加快。 （3）微分控制 减小闭环系统超调量、响应时间加快。