【正文】 C 控制系統(tǒng)、煤礦礦車刷洗系統(tǒng)、煙機(jī)電控系統(tǒng)等過程控制系統(tǒng)的介紹以饗讀者。 過程控制系統(tǒng)建模概念 及基本方法 第一點(diǎn)要確定明確的輸入量與輸出量；第二點(diǎn)要有先驗(yàn)知識；第三點(diǎn)要有實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)。 過程控制系統(tǒng)建模的兩種基本方法 機(jī)理法建模 用機(jī)理建模法就是根據(jù)生 產(chǎn)中實(shí)際發(fā)生的變化機(jī)理，寫出各種有關(guān)的平衡方程，如物質(zhì)平衡方程，能量平衡方程，動量平衡方程以及反映流體流動、傳熱、傳質(zhì)、化學(xué)反映等基本規(guī)律的方程，物性參數(shù)方程和某些設(shè)備的特性非常等，從中獲得所需要的數(shù)學(xué)模型。 測試法建模 測試法一般只用于建立輸入 —— 輸出模型。它是根據(jù)工業(yè)過程的輸入和輸出的實(shí)測數(shù)據(jù)進(jìn)行某種數(shù)學(xué)處理后得到的模型。 青 島 濱 海 學(xué) 院 畢 業(yè) 設(shè) 計(jì) 7 3 系統(tǒng)控制要求及 指標(biāo) 水箱液 位控制系統(tǒng)的指標(biāo) 液位 L=30cm(可任意設(shè)置 ) 穩(wěn)態(tài)誤差 ess（余差）≤177。 5mm 過度時(shí)間 ts≤ 4分鐘 衰減比 n＞ 4:1 當(dāng)系統(tǒng)從一個(gè)穩(wěn)態(tài)過度到新的穩(wěn)態(tài)，或系統(tǒng)受擾動作用又重新平衡后，系統(tǒng)可能會出現(xiàn)偏差，這種偏差稱為穩(wěn)態(tài)誤差。穩(wěn)態(tài)誤差記作 ess（ SteadyState Errors） 在規(guī)定條件下激勵(lì)時(shí)，在繼電器的組成和形式相同的觸點(diǎn)中、動作最快的觸點(diǎn)的最小動作時(shí)間與動作最慢的觸點(diǎn)的最大動作時(shí)間之差 叫過渡時(shí)間。 衰減比 n是衡量過度過程穩(wěn)定性的動態(tài)指標(biāo)，它是指過度過程曲線第一個(gè)波峰值與同相位第二個(gè)波峰值之比。 對自動控制 系統(tǒng)的基本要求 (1) 穩(wěn)定性：穩(wěn)定性是對控制系統(tǒng)最基本的要求。所謂系統(tǒng)穩(wěn)定，一般指當(dāng)系 統(tǒng)受到擾動作用后，系統(tǒng)的被控制量偏離了原來的平衡狀態(tài)，但當(dāng)擾動撤離后，經(jīng)過若干時(shí)間，系統(tǒng)若仍能返回到原來的平衡狀態(tài)，則稱系統(tǒng)是穩(wěn)定的。 (2) 準(zhǔn)確性： 由于系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，外作用形式以及摩擦、間隙等非線性因素的影響，被控量的穩(wěn)態(tài)值與期望值之間會有誤差存在，稱為穩(wěn)態(tài)誤差。穩(wěn)態(tài)誤差是衡量控制系統(tǒng)控制精度的重要標(biāo)志。 給定穩(wěn)態(tài)誤差和擾動穩(wěn)態(tài)誤差越小，表示穩(wěn)態(tài)精度也越高。 (3)快速性：控制系統(tǒng)不僅要穩(wěn)定和并有較高的精度，而且還要求系統(tǒng)的響應(yīng)具有一定的快速性，對于某些系統(tǒng)來說，這是一個(gè)十分重要的性能指標(biāo)。有關(guān)系統(tǒng)響應(yīng)速度定 量的性能指標(biāo)，一般可以用上升時(shí)間﹑ 調(diào)整時(shí)間和峰值時(shí)間來表示 。 自動控制的基本要求是它的穩(wěn)定性。穩(wěn)定性是指自動控制系統(tǒng)在外界干擾作用下，過度過程能否達(dá)到新的穩(wěn)定狀態(tài)的性能，系統(tǒng)的穩(wěn)定程度用衰減比 n或衰減率來衡量。 用衰減比 n判斷控制系統(tǒng)是否穩(wěn)定及克服干擾恢復(fù)平衡的快慢程度。 N＜ 1 時(shí)，系統(tǒng)為發(fā)散震蕩，不穩(wěn)定； n=1 時(shí)，系統(tǒng)為等副震蕩，也不穩(wěn)定 。n＞ 1 時(shí)，系統(tǒng)為衰減震蕩，是穩(wěn)定過程。 N 太大，系統(tǒng)不靈敏，所以系統(tǒng)要工作在正常狀態(tài)下，一般 n=4～ 10時(shí)。 水 箱 液 位 控 制 系 統(tǒng) 畢 業(yè) 設(shè) 計(jì) 8 自動控制系統(tǒng)的基本控制方式 開環(huán)控制方式 開環(huán)控制方式是指控制裝置與被控對象之間只有順向作用而沒有方向聯(lián)系的控制過程，按照這種防止組成的系統(tǒng)稱為開環(huán)控制系統(tǒng)，其特點(diǎn)是系統(tǒng)的輸出量不會對系統(tǒng)的控制作用發(fā)生影響。開環(huán)控制系統(tǒng)可以按給定量控制方式組成，也可以按擾動控制方式組成。如工業(yè)上使用的數(shù)字程序控制機(jī)床 。 圖 31 微型計(jì)算機(jī)控制機(jī)床（開環(huán)系統(tǒng)） 系統(tǒng)每一個(gè)輸入信號，必有一個(gè)固定的工作狀態(tài)和一個(gè)系統(tǒng)的輸出量與之相對應(yīng)，但是不具有修正由于擾動而出現(xiàn)的被控制量希望值與實(shí)際值之間誤差的能力。 開環(huán)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡單，成本低廉，工作穩(wěn)定。但開環(huán) 控制不能自動修正被控制量的誤差、系統(tǒng)元件參數(shù)的變化以及外來未知干擾都會影響系統(tǒng)精度的。 反饋控制方式 反饋控制方式 又稱閉環(huán)控制方式 是按偏差進(jìn)行控制得當(dāng)，其特點(diǎn)是不論什么原因使被控量偏離期望值而出現(xiàn)偏差時(shí)，必定會產(chǎn)生一個(gè)相應(yīng)的控制作用去減小或消除這個(gè)偏差，使被控量與期望值趨于一致?？梢哉f，按反饋控制方式組成的反饋控制系統(tǒng)，具有抑制任何內(nèi)、外擾動對被控量產(chǎn)生影響的能力，有較高的控制精度。但這種系統(tǒng)使用的元件多，結(jié)構(gòu)復(fù)雜，特別是系統(tǒng)的性能分析和設(shè)計(jì)也比較麻煩。盡管如此，它仍是一種重要的并被廣泛 應(yīng)用的控制方式，自動控制理論主要的研究對象就是用這種控制方式組成的系統(tǒng)。 系統(tǒng)輸出信號與輸入端之間存在反饋回路的系統(tǒng)，叫閉環(huán)控制系統(tǒng)。閉環(huán)控制系統(tǒng)也叫反饋控制系統(tǒng)。 “ 閉環(huán) ” 這個(gè)術(shù)語的含義，就是應(yīng)用反饋?zhàn)饔脕頊p小系統(tǒng)誤差 。 青 島 濱 海 學(xué) 院 畢 業(yè) 設(shè) 計(jì) 9 圖 32微型計(jì)算機(jī)機(jī)床（閉環(huán)系統(tǒng)） 在圖中，引入了反饋測量元件，閉環(huán)控制系統(tǒng)由于有 “ 反饋 ” 作用的存在，具有自動修正被控制量出現(xiàn)偏差的能力，可以修正元件參數(shù)變化及外界擾動引起的誤差，所以其控制效果好，精度高。閉環(huán)控制系統(tǒng)不足之處，除了結(jié)構(gòu)復(fù)雜，成本較高外，一個(gè)主要的問題是由于反 饋的存在，控制系統(tǒng)可能出現(xiàn) “ 振蕩 ” 。 復(fù)合控制方式 復(fù)合控制是閉環(huán)控制和開環(huán)控制相結(jié)合的一種方式。它是在閉環(huán)控制等基礎(chǔ)上增加一個(gè)干擾信號的補(bǔ)償控制，以提高控制系統(tǒng)的抗干擾能力。 圖 33復(fù)合控制系統(tǒng)框圖 增加干擾信號的補(bǔ)償控制作用，可以在干擾對被控量產(chǎn)生不利影響所同時(shí)及時(shí)提供控制作用以抵消此不利影響。純閉環(huán)控制則要等待該不利影響反映到被控信號之后才引起控制作用，對干擾的反應(yīng)較慢。兩者的結(jié)合既能得到高精度控制，又能提高抗干擾能力。 水 箱 液 位 控 制 系 統(tǒng) 畢 業(yè) 設(shè) 計(jì) 10 自動控制系統(tǒng)的分類 按輸入量變化的 規(guī)律分類 恒值控制系統(tǒng) —— 系統(tǒng)的輸入量是恒量，并且要求系統(tǒng)的輸出量相應(yīng)地保持恒定。 隨動系統(tǒng) —— 輸入量是變化著，并且要求系統(tǒng)的輸出量能跟隨輸入量的變化而作出相應(yīng)的變化。 程序控制系統(tǒng) —— 輸入量是按預(yù)定規(guī)律隨時(shí)間變化的函數(shù)，要求被控量迅速、準(zhǔn)確的加以復(fù)現(xiàn)。 按系統(tǒng)傳輸信號對時(shí)間的關(guān)系分類 連續(xù)控制系統(tǒng) —— 各元件的輸入量與輸出量都是連續(xù)量或模擬量。 通常用微分方程來描述。 離散控 制系統(tǒng) —— 系統(tǒng)中有的信號是脈沖序列或采樣數(shù)據(jù)量或數(shù)字量。通常用差 分方程來描述。 按系統(tǒng)的輸出量和輸入量間的關(guān)系分類 線性系統(tǒng) —— 系統(tǒng)全部由線性元件組成，它的輸出量與輸入量間的關(guān)系用線性微 分方程來描述。 重要特性：可應(yīng)用疊加原理。 非線性系統(tǒng) —— 系統(tǒng)中只要有一個(gè)元部件的輸入 輸出特性是非線性的，這類系統(tǒng)就成為非線性控制系統(tǒng)，這時(shí)要用非線性微分（或差分）方程描述其特性。 按系統(tǒng)中的參數(shù)對時(shí)間的變化情況分類 定常系統(tǒng) —— 系統(tǒng)的全部參數(shù)不隨時(shí)間變化，它用定常微分方程來描述。 時(shí)變系統(tǒng) —— 系統(tǒng)中有的參數(shù)是時(shí)間 T 的函數(shù)，它隨時(shí)間變化而改變。 青 島 濱 海 學(xué) 院 畢 業(yè) 設(shè) 計(jì) 11 4 對象特征的求取 在控 制系統(tǒng)的分析和設(shè)計(jì)中，首先要建立系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型?？刂葡到y(tǒng)的數(shù)學(xué)模型是描述系統(tǒng)內(nèi)部物理量之間關(guān)系的數(shù)學(xué)表達(dá)式。在靜態(tài)條件下，描述變量之間關(guān)系的代數(shù)方程叫靜態(tài)數(shù)學(xué)模型；而描述變量各階導(dǎo)數(shù)之間關(guān)系的微分方程叫動態(tài)數(shù)學(xué)模型。 建立控制系統(tǒng)數(shù)學(xué)模型的方法有分析法和實(shí)驗(yàn)法兩種。分析法是對系統(tǒng)各部分的運(yùn)動機(jī)理進(jìn)行分析，根據(jù)它們所依據(jù)的物理規(guī)律或化學(xué)規(guī)律分別列寫相應(yīng)的運(yùn)動方程。電學(xué)中有基爾霍夫定律，力學(xué)中有牛頓定律，熱力學(xué)中熱力學(xué)定律等。實(shí)驗(yàn)法是人為地給系統(tǒng)施加某種測量信號，紀(jì)錄其輸出相應(yīng)。 理論分析計(jì)算法 液位高度 L為輸出變量， 入水流量 Q1 為輸入量。 由物料平衡原理 A:水箱截面積 增量式： （ 1） （ 2） 定義： R液阻 可 求得： 拉氏變換： AsL(s)+L(s)/R=Q1(S) 傳遞函數(shù)： K ： 放大倍數(shù)＝ R 時(shí)間常數(shù) ： T＝ RA dtdLA ?? 21td LdA ?????? 21RLQ ??? 2流量變化液位變化?R11)( )( ????? Ts KSR RQL Ss1QRLdtdLA ????水 箱 液 位 控 制 系 統(tǒng) 畢 業(yè) 設(shè) 計(jì) 12 實(shí)驗(yàn)測定法 數(shù)學(xué)模型實(shí)驗(yàn)法測定的主要方法 實(shí)驗(yàn)測定法一般只用于建立對象或系統(tǒng)的輸入 輸出模型。這種模型根據(jù)對象輸入和輸出的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行某種數(shù)學(xué)處理后得到的，其特點(diǎn)是完全從外特征上測試和描述被測研究對象或系統(tǒng)的動態(tài)特征，可以不究其內(nèi)部復(fù)雜的機(jī)理。 在建立控制系統(tǒng)數(shù)學(xué)模型的過程中，其工作主 要是確定被控對象的數(shù)學(xué)模型。然而，許多工業(yè)對象結(jié)構(gòu)及內(nèi)部工藝過程復(fù)雜，使得按對象內(nèi)部發(fā)生的物理、化學(xué)過程確定對象及系統(tǒng)的微分方程十分困難。此外，應(yīng)用分析法確定被控對象及其控制系統(tǒng)數(shù)學(xué)模型時(shí)，常采用一些假設(shè)和近似，對于復(fù)