过程控制李国勇著第章简单控制系统.ppt

1 第5章简单控制系统 目录5 1简单控制系统的分析5 2简单控制系统的设计5 3简单控制系统的参数整定5 4简单控制系统的投运5 5利用MATLAB对简单控制系统进行仿真本章小结 2 所谓简单控制系统 通常是指仅由一个被控过程 或称被控对象 一个测量变送装置 一个控制器 或称调节器 和一个执行器 如调节阀 所组成的单闭环负反馈控制系统 也称为单回路控制系统 简单控制系统是最基本的 约占目前工业控制系统的80 以上 即使是复杂控制系统也是在简单控制系统的基础上发展起来的 至于高等过程控制系统 往往把它作为最低层的控制系统 3 5 1简单控制系统的分析5 1 1控制系统的工作过程锅炉是生产蒸汽的设备 几乎是工业生产中不可缺少的设备 保持锅炉汽包内的液 水 位高度在规定范围内是非常重要的 若水位过低 则会影响产汽量 且锅炉易烧干而发生事故 若水位过高 生产的蒸汽含水量高 会影响蒸汽质量 锅炉汽包液位是一个重要的工艺参数 4 为了保持液位为定值 手动控制时有三步 观察被控变量的数值 即汽包的液位 把观察到的实际液位与设定值加以比较 根据两者的偏差大小或随时间变化的情况 做出判断并发布命令 根据命令操作给水阀 控制进水量 使液位回到设定值 采用检测仪表 自动控制装置和被控的对象就组成了一个简单的过程控制系统 此时系统就成为自动控制系统 5 锅炉汽包液位自动控制系统的工作过程 当该系统受到扰动作用 被控变量 液位 发生变化 通过液位测量变送仪表LT得到其测量值 并将其传送到液位控制器LC 在LC中 将被控变量 液位 的测量值与设定值比较得到偏差 对偏差经过一定的运算后 输出控制信号 控制信号作用于执行器 在此为调节阀 改变给水量 以克服扰动的影响 使被控变量回到设定值 6 过程控制系统的工作过程就是应用负反馈原理的控制过程 锅炉汽包液位控制系统用方框图表示 可得锅炉汽包液位控制系统的原理结构图 如图5 3所示 图5 3锅炉汽包液位控制系统的结构图 7 5 1 2简单控制系统的组成根据锅炉汽包液位控制系统的结构图 可得简单控制系统的结构图 将各个环节分别用传递函数描述后 可得简单控制系统方框图 图5 4简单控制系统的结构图 8 被控对象Go s 测量变送装置Gm s 执行器Gv s 和控制器Gc s 被控过程的输出信号 被控变量 y t 通过测量变送装置后将其变换为测量值ym t 并将测量值反馈到控制器的输入端 控制器根据系统被控变量的设定值r t 与测量值ym t 的偏差e t 按照控制算法输出控制量u t 执行器根据控制器送来的控制信号u t 通过改变操纵变量 t 的大小 对被控对象进行调节 克服扰动d t 对系统的影响 从而使被控变量y t 趋于设定值r t 9 得到简单控制系统的输出与输入的关系为当生产过程平稳运行时 D s 0 此时系统的主要任务是要求输出Y s 能快速跟踪设定值R s 系统的输出Y s 仅与设定值R s 有关 即当设定值R s 在一定时间内保持不变 即R s 0 此时系统的主要任务是克服扰动D s 对输出Y s 的影响 系统的输出Y s 仅与扰动D s 有关 即 10 在简单控制系统分析和设计时 通常将系统中控制器以外的部分组合在一起 即被控对象 执行器和测量变送装置合并为广义被控对象 用表示 即因此 也可以将简单控制系统看成是由控制器和广义被控对象两大部分组成 如图5 6所示 图5 6由控制器和广义被控对象组成的简单控制系统 11 5 2简单控制系统的设计过程控制系统设计是过程工艺 仪表或计算机和控制理论等多学科的综合 在采用常规控制器的简单控制系统设计中 系统设计的主要任务是 被控变量和操作 或控制 变量的选择 建立被控对象的数学模型 测量变送装置和执行器的选型 控制器的设计 被控变量和控制变量的选择测量变送装置的选型控制器的设计 12 5 2 1被控变量和操作变量的选择为了建立被控对象的数学模型 必须首先确定系统的被控变量和操作 或控制 变量 13 1被控变量的选择方法y t 1 直接指标 对于以温度 压力 流量 液位为控制指标的生产过程 就选择对应温度 压力 流量 液位为被控变量 2 间接指标 若存在仪表无法测量产品成分或物性参数 密度 粘度等 作为被控变量时 可选择一种间接的指标作为被控变量 该间接指标必须与直接指标存在单值的对应关系 并具有一定的控制灵敏度 14 直接指标选择 1 定义 直接反应工艺参数的指标 如加热炉 工艺要求控制加热炉出口温度 则温度作为被控变量 2 指标的选择 1 本身表征其质量指标的一个变量 应选用这个作为被控变量 如汽包对象 汽包液位H 15 2 表征其质量指标是两个以上变量 应根据自由度选择 1 两个变量相互依赖如 密闭容器蒸汽 饱和蒸汽 压力P和温度T 16 用物理化学中相律关系 自由度即独立变量 F C P 2F 自由度C 组分P 相数饱和蒸汽 P 2 液 气 C 1 组分水 F 1 2 2 1即可选一个变量为被控变量确定选一个变量为被控变量后应考虑 从测量迟延考虑迟延小 动态跟踪快 从实施考虑简单可靠 易行 17 2 两个变量是相互独立2个独立变量全部控制 汽包液位H 蒸汽温度T 18 1 引入原因 无直接指标可以测量 信号微弱 无合适的检测仪表 2 间接指标 与直接指标有单值对应关系 能反映直接指标的变量 间接指标选择 19 间接指标的选择 能测量 并且测量迟延小 有较大灵敏度 即对直接指标比较敏感 工艺 手段 方法 合理 例 精馏塔顶馏出物成分控制 苯 甲苯二元成份控制 20 苯 甲苯二元系统成份控制原理 被控参数为苯 甲苯的浓度 难以测量塔顶产品气 液两相并存 苯 甲苯的浓度xD与塔体的温度TD 塔内压力p有函数关系 xD f TD p 21 塔压一定 温度一定 当控制系统中xD无法正常获取 不可测变量 温度TD或压力p与XD存在单值的对应关系 可选择温度TD或压力p作为被控变量 22 TD p中固定一个变量 可选择另一个作为间接指标 代替质量指标成为被控变量 在精馏操作中 一般希望保持塔压p不变 选用温度TD作为间接指标代替质量指标成为被控变量 能很好保证分离纯度以及塔的效率和经济性 1 直接指标 XD 塔顶产品纯度 2 间接指标 TD 与XD成单值对应关系 23 在情况许可时 应直接选择质量指标参数作为被控变量 直接参数 当不能选择质量指标作为被控变量时 可选择一个与产品质量指标有单值对应关系的间接指标参数作为被控变量 间接参数 所选的间接指标参数必须有足够大的变化灵敏度 以反映质量指标的变化 小结 被控变量的选择原则 24 被控变量必须是独立的 相互关联的变量有关联关系控制 被控变量必须是可测量的 且要有足够的测量灵敏度 迟延要小 在被控变量选择时还需考虑到工艺的合理性和测量仪表的现状及价格成本 25 2控制变量的选择 u t 在自动控制系统中用来克服扰动对被控变量的影响 以实现控制作用的变量称为控制变量 26 控制变量 操纵变量 的选择 控制变量首先必须是可控的 即能够通过控制执行器改变控制变量 使得被控变量在工艺要求的范围内变化 有的系统输入量唯一 如锅炉汽包液位控制 有的可能有几个可供选择 如水槽水位控制 进水或出水流量 当有几个输入可以选择时 选择克服干扰能力最强 动态特性最好的输入作为控制变量 27 干扰作用通过干扰通道使被控变量偏离给定值 控制变量通过控制通道克服干扰作用影响 对被控变量起主导作用 使被控变量维持在给定值 干扰或控制变量对被控变量的影响大小 由相对应通道的特性对控制质量的影响和输入大小决定 正确选择控制变量 就是正确选择控制通道的问题 控制变量与通道关系 28 通过分析通道特性对控制质量影响选择 通道特性对控制质量的影响 1 干扰通道特性对控制质量的影响 2 控制通道特性对控制质量的影响 29 Y s G0 s U s GD1 s D1 s GD2 s D2 s Y s 系统的输出量G0 s 控制通道传递函数U s 系统的控制变量D1 s D2 s 系统的干扰量Gd1 s Gd2 s 对应干扰量的干扰通道传递函数 30 1 干扰通道特性对控制质量的影响 对于非周期具有自衡特性的对象传递函数可表示为 31 干扰通道放大倍数Kd的影响 Kd越大 干扰引起的系统余差越大 控制质量越差 干扰通道特性 32 时间常数Td的影响 相当于增加一个极点 1 Td Td越大 对控制质量影响越大 过渡过程幅值是1 Td 时间常数个数越多 或者说干扰进入系统的位置愈远离被控变量而靠近调节阀 干扰对被控变量的影响愈小 系统的控制质量则愈高 干扰通道特性 33 纯迟延的 d影响 干扰对被控变量的影响要向后推迟一个纯迟延时间 d 对系统的其他控制质量指标没有影响 干扰通道特性 34 小结 干扰通道特性要求 扰动通道的放大系数Kd尽可能小 扰动通道的时间常数Td应尽可能大 如果有几个扰动同时作用于控制系统 应使主要扰动进入的位置靠近调节阀 远离被控变量的检测元件 这样更有利于克服主要扰动的影响 35 2 控制通道特性对控制质量的影响 1 放大倍数Ko的影响 2 时间常数To的影响 3 控制通道纯迟延 0的影响 36 通道可控性分析 引入可控性概念可控性 对通道实现控制目的难易程度评价 目的 寻找可控性好的通道 控制通道 1 过程控制系统设计时 对于同一被控变量 工艺上往往有几个通道可作为控制通道 2 可控性指标 KMAX C 37 KMAX 纯比例控制时 系统的临界增益 C 临界增益时 系统临界振荡频率 解释 KMAX C是纯比例作用下 系统处于临界稳定条件下的最大增益和振荡频率 38 控制系统仪表确定 对象K0一定 Gc S KC可调 放大系数KMAX对应系统稳定的KC最大临界值 KC越大 调节校正作用强 C代表放大系数KMAX时振荡频率 越大 系统过渡速度越快 在同一衰减比下 C越大过渡过程时间短 可控性指标 KMAX C大一点好 KMAX C愈大愈好 39 可控性与控制通道参数关系 通道时间常数T0越大 通道阶数n越高 纯延时环节 0的存在 都使得可控性指标KMAX C大为减小 40 控制通道放大倍数K0K0越大 则控制变量对被控变量的影响越大 这表示它的调节更为有效 可控性越好 即仅需要较小的控制器放大倍数即可实现要求控制 闭环系统放大倍数乘积KcKo一般是定值 动态特性要求 K0取值尽可能大 K0至少大于干扰通道放大倍数Kd 再用Kc补足要求放大倍数 41 控制通道时间常数T0T0越大 经过的容量数越多 可控性指标越小 控制越不及时 系统的控制质量越低 T0减小 控制作用越及时 克服扰动快 过渡时间短 但T0太小控制作用太强 对控制器输出精度要求高 有干扰时易引起振荡 稳定性下降 所以T0要适当小一点 使得控制及时又不受干扰影响 42 纯延迟的 o用乃奎斯特图分析一阶惯性环节 纯迟延环节的频率特性 乃奎斯特图 画法 横坐标为实部 纵坐标为虚部 当 0 时的变化轨线 实际上是极坐标 长度代表幅值特性 逆时针角度代表相角特性 一阶惯性环节乃氏图 43 增加纯延迟环节 以A点为例 幅值不变 相角相当于在原来相角基础上减去纯迟延时间与A点频率乘机形成的相角 一阶惯性加纯迟延环节乃氏图 乃氏稳定性判据 对于系统无零点 当 从0到 变化时 其特性曲线包含 1 j0 点时 系统闭环不稳定 不包含时 减小相角裕量或幅值裕量 44 分析结果 纯延迟将减小控制裕量 相角裕量或幅值裕量 将引起超调增大 最大偏差增加 动态指标下降 从而严重降低控制质量 结论 0越小越好 可能的话避免引入纯延迟环节 0 容量延迟 c 可以引入微分环节显著改善 微分环节对纯延迟 0基本没有作用 45 如果广义对象Gp S 多个一阶环节串联 结论 通过错开时间常数 即大的时间常数较大 减小中间和小的时间常数有利于提高系统可控性 研究不同时间常数匹配时 系统可控性指标的变化 46 一般被控对象往往具有较大时间常数 而且时间常数是不可改变的 要减小执行器和测量变送器时间常数 并使得测量变送器具有较高反应速度 47 小结 控制通道特性 控制通道选择 所选的控制通道放大倍数应较大 至少大于干扰通道的放大倍数 所选的控制通道的时间常数适当小一些为好 但不宜过小 控制通道纯迟延时间愈小愈好 48 总结 干扰 控制通道K T 对控制质量的影响 通道 参数 49 控制变量选择一般原则 q t 控制变量是工艺上允许的量 是可控的 控制变量对被控变量与干扰相比应该更灵敏 对应控制通道K0尽可能大一些 比Kd大 T0要适当小一点 0越小越好 0 T0要小一些 小于1 扰动通道的放大系数Kd尽可能小 扰动通道的时间常数Td应尽可能大 50 如果有几个扰动同时作用于控制系统 应使主要扰动进入的位置靠近调节阀 远离被控变量的检测元件 这样更有利于克服主要扰动的影响 广义对象 包括调节阀和测量变送器 由几个一阶环节组成 在选择控制变量时 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他时间常数大得多 同时注意减小第二 第三个时间常数 注意工艺操作的合理性和经济性 51 实例讨论 例 喷雾式乳粉干燥设备的控制 1 工艺 要求 使液状牛奶干燥去水份后成为奶粉方法 液状牛奶喷雾 在干燥器里 用蒸汽加热的热风干燥 形成奶粉 52 2 控制目的 干燥后的产品含水量一定 波动要小 3 被控变量选择 直接参数 奶粉水份含量 间接参数 干燥器温度 被控变量 干燥器的温度 53 4 控制变量选择 若已知对象数学模型 则计算可控性指标选择控制参数 当不知数学模型 作如下分析 54 影响干燥器温度的可控量 1 乳液流量f1 调节阀1 2 旁路空气流量f2 调节阀2 3 加热蒸汽流量f3 调节阀3 选任一变量作为控制变量均可构成单回路控制系统 而其余两项的变化成为扰动 55 方案一 乳液流量f1为控制变量 优点 乳液直接进入干燥器 控制通道迟延时间小 工艺 乳液流量是生产的负荷 一般要求保持稳定 工艺上不合理 乳液流量f1 旁路空气流量f2 加热蒸汽流量f3 56 方案二 旁路空气流量f2为控制变量 缺点 混合空气经风管进入干燥器 控制通道时间延迟会较大 工艺上合理 乳液流量f1 旁路空气流量f2 加热蒸汽流量f3 57 方案三 蒸汽流量f3为控制变量 缺点 换热过程时间常数大 广义对象增加一个一阶惯性环节 混合空气经风管进入干燥器 控制通道延迟时间最大 工艺上合理 乳液流量f1 旁路空气流量f2 加热蒸汽流量f3 58 经比较 以旁路空气流量作控制参数为最佳选择 59 5 2 2测量变送装置的选择1 测量变送装置的工作原理测量变送装置 包括测量元件和变送器 的作用是将工业生产过程的参数 如流量 压力 温度 物位和成分等 经检测并转换为标准信号 在模拟仪表中 标准信号通常采用0 10mA 4 20mA 1 5V电流或电压 0 02 0 1MPa气压信号 在现场总线仪表中 标准信号是数字信号 测量变送装置的工作原理如图5 7所示 60 测量元件和变送器的类型繁多 现场总线仪表的出现使测量变送装置呈现模拟和数字并存的状态 但它们都可用带纯迟延的一阶惯性环节近似 其传递函数为 5 2 式中 和分别为测量变送装置的增益 时间常数和纯迟延时间 61 2 对测量变送装置的基本要求对测量变送装置的基本要求是准确 迅速和可靠 准确指检测元件和变送器能正确反映被控或被测变量 误差小 迅速指应能及时反映被控或被测变量的变化 可靠是检测元件和变送器的基本要求 它应能在环境工况下长期稳定运行 为此需要考虑以下三个主要问题 1 在所处环境下能否正常长期工作 2 动态响应是否比较迅速 3 测量误差是否满足要求 62 3测量变送器的动态特性影响1 测量误差Km的影响 2 测量纯迟延 m的影响 3 测量时间常数Tm的影响 4 测量信号传送迟延的影响 5 克服测量 传送迟延的办法 63 1 测量误差Km影响 若采用Kc控制 对象是一阶系统 测量变送放大倍数为Km 当控制作用强 即Kc很大时即控制输出精度与测量误差直接相关 高质量的控制离不开高质量的测量 64 产生原因 被测参数信号传递到检测点需要花费一定的时间 因而就产生了纯迟延 纯迟延时间 m等于被控参数传输到检测点的距离L除以物料或能量传输的速度V 传输距离越长或传输的速度越慢 纯迟延时间 m则越长 2 测量环节纯迟延 m的影响 65 测量元件的安装位置引起的纯迟延 例 PH值控制系统 66 复习 单回路控制系统 四个一 单回路 负反馈被控参数选择 直接参数 间接参数控制参数选择 根据通道特性选择 控制通道放大倍数大一些 大于扰动通道 时间常数小一些 无纯迟延测量变送器选择 测量误差 即余差 要小 纯时延是由于测量点比介质要落后一定时间 67 测量纯迟延的影响 测量环节纯迟延为广义对象纯迟延的一部分 对控制质量的影响与控制通道纯迟延对控制质量影响相同 从过程看 测量纯迟延 m存在 使得控制器得到被控变量偏差信号时间迟延 m 导致控制作用输出迟延 不能及时控制 应尽量避免 越小越好 温度 物性和成分的测量最容易引入纯迟延 68 3 测量时间常数Tm的影响 由测量元件本身具有时间常数Tm而引起的迟延 比如 用热电偶测量温度时 由于热电偶本身热容引起的测量迟延 测量环节的传函为 Km 1 69 Tm1 Tm2 测量变送环节测量迟延的影响y t 真实值ym t 测量值 y t y t 固定 y t 变化 ym t 70 测量时间常数Tm的影响 由于测量Tm的存在 任何时刻所测量的被控变量的测量值都落后被控变量的真实值一定时间 压力 流量的测量时间常数很小 温度的测量时间常数较大 物性和成分的测量时间常数最大 71 4 信号传送迟延的影响 信号传送迟延指 信号在传送中所引起的迟延 特别对于用气压传递信号管线 传输过程可用一阶惯性环节描述 其中 时间常数 T K2 L纯迟延时间 K1 L式中 K1 0 007s mK2 1 1s mL 气动传送管线长 m 72 5 克服测量 传送迟延的办法 克服纯迟延 m的办法 选择合适的测量点位置 以减小测量纯迟延 73 克服测量时间常数Tm的办法 选用快速检测元件 安装在被控参数变化敏感位置 使得检测元件快速反映被控参数 减小测量时间常数Tm 书上焙烧炉温度控制例子 对测量迟延也可以采用超前补偿措施 引入微分作用 使得测量值直接反映真实值 74 1 尽可能采用电信号进行传输 电信号传送速度远大于气压信号 采用气 电 电 气转换器实现转换成电传递 2 减小气动信号传送距离 一般气压信号管路长度不超过300m 管径应大于 mm 或在气路60m距离间加气动继动器 气动继动器简单工作原理是用一个气动信号控制压力输出 当气动信号大于或小于设定压力时 该继动器压力输出转换 提高气信号传输功率 减小传输时间 3 采用基地式调节器 就地调节 消除变送器到调节器之间的信号传送迟延 克服信号传送迟延的办法 75 3测量信号的处理 1 测量信号的校正测量值要考虑是否在设计参数下测得 否则要考虑测量条件 进行校正 如 蒸汽流量受温度 压力影响大 需对测量信号进行温度 压力校正 2 对噪声进行滤波 低通 有些测量元件会有噪声迭加于信号中 需要进行滤波去除 信号频谱范围通过 否则抑制 76 3 非线性信号进行线性化处理如 热电阻测温度是非线性关系 一般用查表法获得温度 如果配用温度变送器 一般带有线性化电路 输出已经线性化了 77 小结 测量变送器选择原则 Gm S 选择测量误差小的测量元件 Km波动要小选用快速测量元件 减小Tm正确采用微分超前补偿 克服Tm选择合适的检测点 减小 m Tm尽量采用电信号传输 减小信号传送迟延测量信号进行必要后处理 信号进行校正 滤波和线性化 信号处理 78 5 2 3控制器的选型当被控对象 执行器和测量变送装置确定后 便可对控制器进行选型 控制器的选型包括控制器的控制规律和正反作用方式的选择两部分 79 1 控制器控制规律的选择 PID控制章已涉及 根据控制通道时间常数 容积迟延 负荷变化程度 1 广义控制通道To较大或 c较大时 应引入微分作用 2 当广义控制通道To较小 负荷变化不大 而工艺要求无余差时 可选择比例积分控制 3 广义控制通道To较小 负荷变化较小 工艺不要求无差时 可选择比例控制 4 当广义控制通道To或 c很大 负荷变化亦很大时 简单控制系统已不能满足要求 80 2 控制器正 反作用方式的选择简单控制系统由控制器 调节阀 被控对象和测量变送装置组成 负反馈控制要求系统中各环节增益或者正反作用的共同作用下使得输出趋于设定值 增益乘积为正 正反作用乘积为负作用 确定控制器增益方法 先确定执行器 被控对象 测量变送装置的正负 最后根据负反馈要求确定出控制器的正负 81 1 各环节的正 反作用定义控制系统中 各环节的作用方向 增益符号 是这样规定的 当该环节的输入信号增加 若输出信号也随之增加 即输出与输入变化方向相同 则该环节为正作用方向 增益为 反之 当输入增加 若输出减小 即输出与输入变化方向相反 则该环节为反作用方向 增益为 被控对象 调节阀 测量变送装置 控制器 82 被控对象正 反作用方向的确定当该被控对象的输入信号 控制变量 增加时 若其输出信号 被控变量 也增加 即被控变量与控制变量变化方向相同 则该对象属正作用 增益为正 取 号 反之 则为负作用 增益为负 取 号 被控对象正反作用与变量的选择有关 83 84 2 执行器正 反作用方向的确定对于调节阀 其作用方向取决于是气开阀还是气关阀 当控制器输出信号 即调节阀的输入信号 增加时 气开阀的开度增加 因而通过调节阀的流体流量也增加 故气开阀是正作用 增益为正 取 号 反之 当气关阀接收的信号增加时 通过调节阀的流体流量反而减少 所以气关阀是反作用 增益为负 取 号 85 3 测量变送单元正 反作用方向的确定对于测量变送单元 其增益一般均为正 取 因为当其输入信号 被控变量 增加时 输出信号 测量值 也是增加的 而且一般是线性的 只需要考虑控制器 执行器和被控对象三个环节的作用方向 也就是说使它们三者的开环正反作用为反作用 增益之积为正 即可保证系统为负反馈 86 4 控制器正 反作用方向的确定控制器输入有设定值和测量值两个 测量值增加相当于设定值减小 对输出效果相同 e t r t ym t 87 实际上 不用偏差定义正反作用 理论分析中 偏差定义为e t r t ym t 仪表制造行业中 偏差定义为e t ym t r t 控制器的正 反作用是这样定义的 当设定值r t 不变 被控变量的测量值ym t 增加时 控制器比例作用输出也增大 为正作用 取 号 反之 如果测量值增加 或设定值减小 时 控制器比例作用输出减小 为反作用 取 号 测量值ym t 不变 设定值r t 变化时进行定义也类似 88 为保证使整个系统构成负反馈 系统中实际控制器 执行器 被控对象和测量变送装置四部分的开环增益之积必须为负 即 实际控制器 执行器 被控对象 测量变送单元 由于测量变送单元的增益一般均为正 故控制器正反作用选择的判别式也可简化为 实际控制器 执行器 被控对象 89 在框图上 每一个环节的正反作用方向都可以用符号来表示 如果作用方向为正 可在该环节的方框上标 表示该环节的增益为正 如作用方向为负 可在该环节的方框上标 表示该环节的增益为负 气关 反作用 90 控制器的正 反作用选择方法有以下两种方法 逻辑推理法和判别式法 逻辑推理法保证过程控制系统为负反馈控制 控制器实现的调节按照负反馈的定义 当偏差增大时 负反馈控制应该向减小偏差方向 91 被控对象是换热器 工艺要求 利用蒸汽加热某种介质使其出口温度自动保持在某一设定值上 逻辑推理过程 假设介质出口温度y升高了 控制器就应减小其输出信号u才能正确地起负反馈控制作用 因此控制器应置于反作用方式下 92 图5 10控制器正反作用选择的推理过程 93 94 2 判别式法控制器的正 反作用借助于控制系统方框图加以确定 即方框图所有环节增益乘积为 负 在方框图中 各个环节的正 反作用有正有负 负反馈要求闭合回路上所有环节的增益之乘积是负数 注意 控制器正 反作用这里看输入输出关系 控制器正 反作用与比例增益的正 负关系 95 也可以通过比例增益的正 反符号确定 解释 因为实际控制器比例控制Kc是已知的 可以通过比例控制Kc来判定 定义e t r t ym t 实际控制器的正 反作用与实际控制器运算环节的比例控制增益Kc符号刚好相反 u t Kc r t ym t 96 当控制器置于反作用方式时 比例控制Kc为正 取 号 反之 当控制器置于正作用方式时 其运算环节的比例增益Kc为负 取 号 97 判别式法当控制器的增益定义为当纯比例控制系数Kc时 负反馈要求闭合回路上所有环节的增益与控制器纯比例控制系数乘积是正数 相差的一个 负号 在于误差的计算中测量变送有一个负号 e t r t ym t 98 复习 控制器选型控制规律选择 正反作用方式选择正反作用方式定义当输入增加 输出增加 则为正作用 增益为 反之为 控制器正反作用确定方法 判别式法 先确定被控对象 执行器 测量变送器的增益 再根据负反馈要求 被控对象 执行器 测量变送器 控制器的增益乘积为 要求 确定控制器增益 从而确定正方作用方式逻辑推理法保证控制器实现的调节按照负反馈的定义 当偏差增大时 负反馈控制应该向减小偏差方向 99 正 反作用 方式 控制系统引入正 反作用方式的必要性 100 101 水位控制系统举例 在初始稳态条件下 有关系式 5 3简单控制系统的参数整定 定义 所谓控制器参数整定 就是对于一个已经设计并安装就绪的控制系统 通过控制器参数 Ti Td 的调整 获得满意的系统静态特性和动态特性的过程 参数大小未定 103 系统整定的实质 整定的实质 通过调整调节器的这些参数使其特性与被控对象特性相匹配 以达到最佳的控制效果 人们常把这种整定称作 最佳整定 这时的调节器参数叫做 最佳整定参数 104 不同目的控制系统 整定目的 要求是不一样的 定值控制系统 整定4 1衰减振荡 随动控制系统 整定成振荡与不振荡的临界状态 均匀控制系统 在一定范围内缓慢变化的衰减振荡 105 整定方法可分为两大类 1 理论计算整定法如根轨迹法 频率特牲法 这类整定方法基于被控对象数学模型 如传递函数 频率特性 通过计算方法直接求得调节器整定参数 106 2 工程整定法直接在闭合的实际控制系统回路中对控制器参数进行实验整定 可以是基于对象的阶跃响应曲线 有些则直接在闭环系统中进行 107 工程整定法特点 不需要事先知道过程的数学模型 直接在过程控制系统中进行现场整定方法简单 参数容易计算 易于掌握 108 5 3 2PID控制器参数的工程整定常见的工程整定方法 响应曲线法 动态特性参数法 稳定边界法衰减曲线法经验整定法 109 1 动态特性参数法以被控对象控制通道的阶跃响应曲线为依据 通过一些经验公式求取控制器最佳参数 前提 广义被控对象可以近似为 110 K为系统的放大系数 T为时间常数 为纯迟延时间 1 Z N工程整定方法调节器整定参数公式 111 2 C C工程整定方法以衰减率 0 75 为系统的性能指标 1 比例调节器 2 比例积分调节器 112 3 比例积分微分调节器其中K T 为对象动态特性参数 113 3 综合性能指标工程整定方法 以各种误差积分值为系统性能指标的控制器最佳参数整定公式 各系数见表格 114 表5 2各综合控制性能指标的各系数 115 2 稳定边界法 在系统闭环情况下 控制器Ti放到最大 Td放到最小 从大 100 往小变化 用改变设定值的方法 每改变一次 施加一阶跃干扰 直至出现等幅振荡为止 r称为临界比例度 Tr称为临界周期 如图 y t t r 116 表5 3稳定边界法参数整定计算公式 根据 r和Tr 按表中的经验公式计算各参数值 r 117 调整 验证 将 放在比整定值大20 的数值上 再依次将Ti Td置于计算值 观察过渡过程曲线 逐步将 降至计算数值上 加干扰 观察系统的过渡过程是否是4 1衰减 若存在问题 按先P后I最后D的原则 对参数进行调整 直到过渡过程呈4 1衰减 118 3 衰减曲线法 稳定边界法缺陷 有的系统不允许进行稳定边界试验 如锅炉水位 某些对象 采用纯比例控制时系统本质稳定 衰减曲线法 与稳定边界法类似 采用某衰减比 通常为4 1或10 1 时 设定值扰动的衰减振荡试验数据 利用一些经验公式 求取调节器相应的整定参数 119 4 1衰减曲线法的具体步骤 1 置Ti为最大值 Ti Td为零 Td 0 置较大值 设定值阶跃扰动看输出 2 把 从大逐渐调小 重复设定值阶跃扰动 直到系统出现4 1衰减振荡过程 记下此时的比例带 s和振荡周期Ts数值 s 4 1 120 3 利用 s和Ts值 按表经验公式 得到整定参数 Ti和Td数值 表5 4衰减曲线法整定计算公式 121 若4 1衰减太慢或者对象不允许大的波动 宜应用10 1衰减过程 对于10 1衰减曲线法步骤完全相同 但是时间是上升时间Tr 122 4 调整 验证 将 放在比计算值大20 的数值上 再依次将Ti Td置于计算值 观察过渡过程曲线 逐步将 降至计算数值上 加扰动 观察系统的过渡过程是否是4 1 10 1 衰减 若不合适 按先P后I最后D的原则 对参数进行调整 直到过渡过程呈4 1 10 1 衰减 123 4 经验整定法 这种方法实质上是一种试凑法 根据运行经验 先确定一组初始调节器参数 并将系统投入运行 然后人为加入阶跃扰动 通常设定值扰动 观察被调量的阶跃响应曲线 依照调节器各参数对调节过程的影响 改变相应整定参数值 一般先 后Ti和Td 如此反复试验多次 直到获得满意的阶跃响应曲线为止 124 125 5 广义被控对象和等效调节器 动态特性参数法整定计算时 常常把简单控制系统简化为调节器和被控对象两大环节 控制器执行器被控对象测量变送器分别称为等效调节器和广义被控对象 126 一 广义被控对象只包含测量变送器 在通过试验测取动态特性时 如果调节阀并未考虑在被控对象的范围之内 则广义被控对象的传递函数Gp s 为此时等效调节器的传递函数Gc s 为 127 由于调节阀Gv s 可近似视为比例环节 即Gv s Kv 因此 当调节器为PID作用时 等效PID调节器的传递函数为 128 二 广义被控对象包含调节阀 如果试验测取的广义对象动态特性已包括调节阀 即则等效调节器就是调节器本身 即 129 如果用机理法仅仅求得被控对象动态特性G s 那么等效调节器的传递函数为 三 广义被控对象不包含测量变送器和执行器 130 参数整定时 整定的均为等效调节器Gc s 的等效比例带 必须经过换算后才得到调节器的比例带 其他两个参数不需要转换 为什么 图5 15 131 6 调节器各参数实际值与刻度值 整定计算得到的是控制器各参数实际值 对于工业PID调节器 必须考虑调节器各参数实际值与刻度值之间的转换关系 132 干扰系数F 调节器整定参数的实际值 刻度值与干扰系数F之间关系如下 式中 Ti 和Td 分别为调节器比例带 积分时间 微分时间的实际值 Ti和Td分别为调节器比例带 积分时间 微分时间的刻度值 133 调节器处于P PI和PD工作状态时 F l 可近似地认为调节器参数的刻度值和实际值是一致的 当处于PID工作状态时 F l 且为Td Ti的函数 134 例5 2某温度控制系统采用PI调节器 在调节阀扰动量 20 时 测得控制通道阶跃响应特性参数 稳定时温度变化 60 时间常数T 300s 纯迟延时间 10s 温度变送器量程为0 100 且温度变送器和调节器均为线型仪表 试求调节器 TI的刻度值 135 解 1 确定控制器的比例带由题可知 被控对象的传递函数为其中测量变送装置和调节阀均视为比例环节 则测量变送装置的转换系数和调节阀的增益分别为 136 如广义被控对象的传递函数为则广义被控对象的有关参数为 T 300s 10s 采用动态特性参数法 按Z N公式计算等效控制器的等效比例增益 即等效控制器仅由实际控制器本身组成 因此上式就是控制器比例增益的实际值 即相应的比例带 137 如广义被控对象不包括调节阀 即则广义被控对象的有关参数为 T 300s 10s 采用动态特性参数法 按Z N公式计算等效控制器的等效比例增益 即等效控制器由实际控制器和调节阀组成 因此所以控制器比例增益的实际值为相应的比例带为 138 如广义被控对象仅为被控对象本身 即则广义被控对象的有关参数为 T 300s 10s 采用动态特性参数法 按Z N公式计算等效控制器的等效比例增益 即因为等效控制器由控制器 调节阀和测量变送装置组成 因此所以控制器比例增益的实际值为相应的比例带为 139 2 确定控制器的积分时间控制器积分时间Ti的实际值 由公式Ti T 3 33 T 1 000得Ti 3 33 3 33 10 33 3s 3 确定控制器比例带和积分时间的刻度值因为PID控制器为PI工作方式 故控制器参数的实际值就是它的刻度值 140 5 4简单控制系统的投运定义 所谓控制系统的投运就是将系统从手动工作状态切换到自动工作状态 要求 做到无扰动切换 就是说 从手动到自动的过程中 不应造成系统的输出波动 不应该破坏系统原有的平衡 141 回答如下问题 在手动控制时 PID算法是否还要继续运算 在手动控制模式下 动态控制器的状态 如积分器状态 不完全微分项 惯性环节的状态等 数值必须是明确的 否则将会导致由手动控制模式切换到自动控制模式时 控制器的输出值是不可预期的 有必要引入无扰切换算法 142 无扰切换算法 考虑在手动模式下 或在PID参数调整之前 PID控制器输出可写作如下算式 要实现无扰切换 必须满足 在切换到自动 或参数修改 之后 143 我们选择积分状态来实现 即有 因此 在手动控制时 要每周期由下式计算 144 1 投入运行前的准备工作在投运前 必须要进行全面细致的检查和准备工作 145 2 控制系统的投运 1 详细了解工艺 吃透控制系统的设计意图 对投运中可能出现的问题有所估计 2 在现场 通过简单的操作对有关仪表 包括控制阀 的功能作出是否可靠且性能是否基本良好的判断 3 设置好控制器正 反作用和初步 参数 4 手动调节控制器输出 使得系统稳定在给定值附近 5 按无扰动切换 指手 自动切换时阀上信号基本不变 的要求将控制器切入闭环自动控制 146 3