过程控制及仪表（过程控制系统篇）PPT电子教案课件-第三章 单回路控制系统3.ppt

第三章 单回路控制系统 过程控制及仪表 （过程控制系统篇） 第四节 控制器的选型 本节重点： 1. p、i、d三个参数对控制质量的影响； 2.控制器的选型; 第四节 控制器的选型 则上式化为标准二阶方程：令 系统的特征方程为： 则有设阶跃干扰的幅值为 ，则有 设 。见图 制质量的影响一、比例控制作用对控 根据对象的特性和对控制质量的要求进行。 控制器的选型即确定控制器的控制作用。 ,kkc,ttb,tta )kk(s)tt(stt )kk(s)tt(stts )st)(st(a )s(y ,a )kk(s)tt(stt )st)(st( )st)(st( kk )s(d )s(y kkkk 17-3 c c c c c 21 +=+= =+ + + = + + = + + = = u 1 01 1 11 1 11 11 1 1 2121 21 2 21 21 2 21 21 21 2 21 21 21 第四节 控制器的选型 第四节 控制器的选型 0s2s k k ssk :0kktt4)tt( ssk :0kktt4)tt( ssk 2 oop 2 p c c 21c c21 2 21 21c c21 2 21 21c =w+wx+ x + -+ i 21i i c2 c ci 2 c 2 i 21i i c2 c ci 2 c 2 i 21i i c2 c ci 2 c 2 i t sst t ktk4 )1kk( 0时，即：ktkt4)1kk(t sst t ktk4 )1kk( 0ktkt4)1kk(t sst t ktk4 )1kk( 0ktkt4)1kk(t 荡状态。且 第四节 控制器的选型 扰动：d(s) 第四节 控制器的选型 i作用使动态 特性变坏 i作用使静态 误差减小 快速的比 例作用 第四节 控制器的选型 偿积分作用造成的稳定性下降，达到纯比例控制作用 时，积分作用切除。 k t tt c i ii = 时相同的稳定性。 适当减小，以补后，应把 积分是按偏差大小（包括正负）和存在时间工作的。参数整定时，引入积分作用 结论：积分控制作用能消除余差，但系统的稳定性降低了，特别是ti较小时， 更为严重。 ，积分作用弱。，积分作用强，系统振荡； 第四节 控制器的选型 三、微分控制作用对控制质量的影响 )st)(st( k )st(k )s(d )s(y ),st(k17-3 dc dc 11 11 1 1 21 + + = + 有 作用中的控制器中加入微分 在图 第四节 控制器的选型 )st)(st( k )st(k )s(d )s(y dc 11 11 1 21 + + = 其特征方程为： 第四节 控制器的选型 比例控制作用时 第四节 控制器的选型 由终值定理： ，余差减小。 定性下降可由微分作用补偿而系统仍可达到纯比例时候的递减比。 ，由此引起的稳使差也减小了。此时，可的稳定性，最大偏 分作用提高了系统的纯比例的基础上增加微减比增大。因而，在 是递的振荡程度降低，也就的增加，将使过渡过程越大。 越大，且相同时，在的分子多了一项 kk1 a 1kks)ktktt(stt )1st)(1st( s a s lim)y( k k t,kktk c cdc21 2 21 21 0s c c dd dpdcdcd + = + + = xx xxx 第四节 控制器的选型 可见，微分作用不能消除余差，但由于 ，余差减小。kc 微分作用是按偏差变化的速度来工作的，因而对克服容量滞后有明显 作用，对纯滞后无能为力。 用使互相补充，以达到最佳效果。各有特点和不足，在使、 不宜取得太大。(会导致执行器瞬间全开全关)对于一固定的系统来说， 微分不起作用。 用。当偏差不变化时，度工作的，即有超前作微分是按偏差变化的速 质量。 ，可全面提高控增大，减小余差，因此滞后有明显作用，同时可使 最大偏差，对克服容量提高系统稳定性，减小结论：引入微分后，可 dip t k d c 第四节 控制器的选型 某温度控制系统，对于不同pid参数： 四、控制器选型 第四节 控制器的选型 串级控制系统的副回路。 液位控制系统；力控制系统；储液槽的如：压缩机储压罐的压 量在一定范围内变化的系统。 不大，允许被控通道滞后小，负荷变化适用场合：适用于控制 荷干扰能力强，调节时间短。有余差。抗负 成比例，阀门开度与偏差有对应关系。特点：快，输出与偏差 控制器的选型：p 第四节 控制器的选型 控制方案。 采用复杂滞后又较大的系统，应对于负荷变化很大，纯 值系统等。如：温度、不允许有余差的场合。 大，被控量滞后较大，负荷变化较适用场合：适用于容量 作用快速有效。消除余差；最大偏差减小； 使稳定性提高，效果，对克服容量滞后有明显的特点： 控制器的选型： 统。合。如：流量、压力系控量不允许有余差的场 不大，被通道滞后小，负荷变化适用场合：适用于控制 渡过程变长。可保持原稳定性，但过 后，低。引进可消除余差，但稳定性特点： 控制器的选型： ph pi dd pid kii pi c ) ( d 第五节 控制器参数的整定 本节重点： 控制器的参数整定： 控制器参数整定的理论基础 整定方法： 经验凑试法 临界比例度法 衰减曲线法 响应曲线法 衰减频率特性法 第五节 控制器参数的整定 理论法和工程法参数整定的方法： 参数能够整定到最佳的前提条件： 最佳过渡过程： 稳、快、准）。果系统达到最佳的控制效 的具体数值，以使控制、微分时间、积分时间比例度 制器的确定最佳过渡过程中控控制参数整定的意义： 的？可变的？哪些是不可变在这些因素中，那些是 那些因素有关？控制系统的控制质量与 两个问题： ( tt . 2 . 1 di d 被控对象特性、干扰信号形式和幅值、控制方案、控制器参数 系统结构合理、仪表阀门选型正确、安装无误，调校正确。 过渡过程4：1衰减 第五节 控制器参数的整定 一、参数整定的理论基础 问题：所有特征方程根的 实部都为负，即都在复平 面虚轴的左边，能否满足 工艺对控制质量的要求？ 10-3 n asa+sasasa )s(w )s(w)s(w )s(w )s(w )s(w)s(w )s(w )s(d )s(y 3-3 1 n 2-n n 1-n n n k oc k d oc d =+. . . . . .+ =+ =+ + = + = - 。统的稳定性。见表为负，保证整个控制系 个特征方程根的实部都的特性，使制器的特性去校正对象 数，用控是选择合适的控制器参控制参数整定实质，就 其一般形式为： 或 特征方程为： 性与特征方程的关系。讨论过渡过程的稳定图见 0 01 01 11 0 21 第五节 控制器参数的整定 y(t)为特征方程通解，且0 第五节 控制器参数的整定 系统要求通过参数整定,使每一个运动分量都稳定，控制系 统的控制质量与系统特征方程的根有着内在联系。 控制质量可归结为对稳定性、快速性、和准确性三个方面的要 求。这实质上就是要求系统的特征方程式的根分布在复平面虚轴左 边的某一范围内，见图3-22的阴影区。 第五节 控制器参数的整定 第五节 控制器参数的整定 从稳定性看： 第五节 控制器参数的整定 左侧。使特征方的程根位于 要通过参数整定，值，要保证快速性，就就代表相同中， 相同。如图同，过渡过程的时间也相同时，衰减速度也相则衰减快； 大，特征方程根的实部振荡分量的衰减取决于 从快速性看： 的左侧。 程的根位于就得使闭环系统特征方 有一定的稳定裕量，数。因此，要保证系统 大的衰减指大的递减率，或比量都有比 根的运动分左边的任何一对共轭复位于 常数。也就是常数。即对应的 ，因而，与虚轴夹角为 ，在根平面上，见图 。、 、时）（当 cd cd323 aob m aob m tan/m aob/m32-3 .m. .,%90 o oo oo oo a=a- a aa y =y=y= =b=wa=b wa= =x =g=y 3660221034402160 33142275 第五节 控制器参数的整定 阴影部分。部落入图 闭环特征方程式的根全对象的特性，使系统的用控制器的特性去校正 控制器的参数整定，的控制质量，必须进行综上所述，要保证系统 效的反映出来。稳态值不能从根平面有 偏差的要求。 裕度，兼顾最大有关，因此应考虑稳定 衰减指数最大偏差与干扰幅度及 从准确性看： 荡频率小于规定值。 之间振代表等频分量，此两线、 中虚部，图频率就是特征方程根的 加以限制。振荡产不利，对振荡频率应 ，过高对生系统振荡频率不宜过高 间可以证明，过渡过程时 323 m ghef 32-3 /t s - a = 3 第五节 控制器参数的整定 参数范围围 控制系统统 ti / mintd / min 液位20%80% 压压力30%70%0.43 流量40%100%0.11 温度20%60%3100.31 表3-12 控制器整定参数经验范围 二、经验凑试法 。参数经验范围见表、 逐个进行整定。、对定值施加干扰的方法，根据经验，采用改变设 2dip tt di 1 3- d 第五节 控制器参数的整定 止。逐步凑试，直到满意为 由小至大也适当减小，再把，）减小（后将 ，然、方法凑试整定，先按作用，对 衰减过程。：直到获得 由大至小逐步凑试，将）放大（减，然后将 衰：，使按，按纯比例整定作用，先置对 。过渡过程曲线满意为止 ，直到步减小放在较大的数值上，逐作用，将对 整定方法： 制质量。 步提高控以改善动态特性，进一消除余差，最后加微分 分作用以已基本稳定，然后加积度凑试好。待过渡过程 先把比例是基本的控制作用，首方法一：认为比例作用 di id i i tt%2010 tpi0tpid 14 t%2010 14tpi p d d= d d= dd 第五节 控制器参数的整定 振荡频繁，应增大比例度 参数范围围 控制系统统 ti / mintd / min 液位20%80% 压压力30%70%0.43 流量40%100%0.11 温度20%60%3100.31 表3-12 控制器整定参数经验范围 以减小振荡；见下图。加大 荡很频繁，则程中若过渡过程曲线振 参数的过在用凑试法调整控制器 。后，再适当调整比例度、 ，放好）（，可取加微分满意的过渡过程。如需要 度，获得然后由大至小调整比例确定一个亦然。可由表 来补偿，反之的减小可以用增大样，递减比的过渡过程。这 ，可以得到相同积分在一定范围内匹配方法二：认为比例度与 d d 2 di idd i i tt ttt ,t t 4 1 3 1 13 = - 第五节 控制器参数的整定 应增加积分时间 应减小积分时间 ;t ;t i i 间回不来，则减小曲线偏离设定值后长时 增加当曲线波动较大时，应 第五节 控制器参数的整定 应减小td 应增大td 第五节 控制器参数的整定 三、临界比例度法（稳定边界法） ，因此要保证控制器、出此法的关键是准确的求 注意问题： 计算控制器参数。按表 。、。记下现等幅振荡为止。见图 ，直到出，再做设定值干扰试验衰减曲线，逐步减小 应是一，观察记录曲线，此时将设定值突增一个数值 投入自动状态； 控制系统在工况稳定的前提下将选定 其步骤为： 控制器的参数，再计算出衰减振荡时和等幅振荡周期 度幅振荡过渡过程的比例通过试验，找到系统等 kk kk di k k t. . t . ,t,t . t d d d d d 1 33 3 2 01 1 13 23 - - = 第五节 控制器参数的整定 进行整定。作为控制器最小的生等幅振荡，这时就把 放到最小时，仍不能产很小，控制器的有的系统的 法。 不宜用此时间的等幅振荡时，也过程不允许被控量做长 某些工艺不利，不宜采用此法。位式控制状态，对生产 于时而全关的状态，即处很小，阀处于时而全开度 界比例很大时，控制系统的临当控制通道的时间常数 性，使用前校准。的刻度和记录仪的准确 k k k . . dd dd d 3 2 第五节 控制器参数的整定 控制参数 控制作用 titd p2k pi2.2k0.85tk pid1.7k0.5tk0.13tk 表3-13 临界比例度法参数计算表（0.75） 第五节 控制器参数的整定 四、衰减曲线法 。，见图 下 录衰减过程为止。此时记：出现验法整定比例度，直到 投入运行，按经在纯比例作用下，系统 步骤： 24t 14 s - = 3 0 1、 s di ,t, t d 第五节 控制器参数的整定 表3-14 4:1 控制器整定参数表 控制参数 控制作用 titd ps pi1.2s0.5ts pid0.8s0.3ts0.1ts 第五节 控制器参数的整定 求控制器参数。表 ，用代替。这时用衰减过程。见图：有时需用 整定控制器参数。工艺条件变动时要重新 动稳定即可。 断，两次摆用记录仪摆动情况来判仪上读数比较困难，可 等，记录象，如管道压力、流量对响应较快的小容量对 。、的 求出准确准确，事先要校准，以同前，控制器记录仪要 注意问题： 如不理想。再作调整。计算值上，观察曲线， 放到再把慢放上微分时间，最后到求得的数值上，再慢 间放数值上，然后把积分时放到比计算值大一些的将 。、计算出按