3-3 模拟量控制系统的试验和整定

第三篇 第三章 模拟量控制系统的试验和整定 第一节 概述 在自动控制系统的方案已经确定 调节器和调节机构已选定并已安装好以后 调 节质量取决于控制系统的整定 调节系统整定的任务就是根据调节对象的动态特性选 择最佳的调节参数 以使调节过程具有最佳的品质指标 调节系统整定一般分两大步骤进行 即静态试验和动态整定 静态试验的内容一 般包括 跟踪切换 各种参数的静态配合 逻辑功能检查等几个方面 动态整定的内 容主要就是如何根据调节对象的动态特性选择最佳的调节参数 调节系统整定的主要 工作量在于静态试验 但难点在于动态整定 第二节 静态试验 静态试验的目的就是通过静态试验检查整个调节系统的各个环节是否正确 各种 参数的静态配合是否适当 确保系统进行动态投入时系统能够稳定运行 不至于由于 自动控制系统的投入而导致异常情况发生 静态试验一般包括以下方面的内容 一 跟踪试验 控制系统进行手 自动切换时必须保证能够实现无扰切换 为此在进行静态试验 时应确认以下几种情况 一 输出跟踪 系统手动状态时 调节器的输出应跟踪手操器的输出 或跟踪 阀位 对于串级调节系统主调节器的输出应跟踪副调节器的测量值 二 设定跟踪 系统手动状态时 调节器的设定值一般应跟踪调节器的测量值 三 偏置跟踪 对于一个调节器控制多台执行机构的调节系统 如燃料调节系 统一个调节器控制多台给粉机或给煤机 系统自动状态时 单台执行机构能够通过 改变偏置来改变多台执行机构的出力平衡关系 系统手动状态时 偏置量应能自动跟 踪调节器输出和手操器输出的差值 四 控制策略切换跟踪 对于多回路调节系统 如机炉协调控制系统和给水调 节系统 由于存在多套调节器控制同一执行机构 多套调节器应能够相互跟踪 二 逻辑功能试验 随着热工自动化水平的不断提高 模拟量控制系统的功能越来越完善 模拟量控 制系统不仅仅包含模拟量信号 还涉及了许多逻辑功能 逻辑功能试验也是静态试验 的一项重要内容 一般包括 联动 保护 强置 禁升禁降 迫升迫降 自动转手动 等 三 参数检查 模拟量控制系统在投入前 应对一些参数进行计算和设置 这部分也属于静态试 验的内容 需要检查和设置的参数一般包括 调节器方向 信号量纲 函数块参数 测量信号处理 冗余 开方 阻尼滤波 量程标定 补偿计算 等 第二节 动态整定 经过静态试验验证的模拟量控制系统 运行工况满足后 便可进行动态投运 在 投入运行过程中进行动态整定 动态整定的主要任务就是整定调节器参数 调节器的参数可以通过理论计算求得 也可以通过现场试验调整求取 理论计算 方法是 预先给定稳定裕量 或给定衰减率 或给定误差积分准则 通过计算求出 最佳整定参数 但实际上 由于表征动态特性的传递函数是近似的 以及实际调节器 的动态特性与理论的控制规律也有差异 所以在热工自动控制系统中 理论计算求得 的整定参数准确性不高 而且理论计算方法非常烦琐 使用极不方便 应当指出 首先 由于各个厂家生产的控制设备 尤其是DCS 设备 实现 的 PID 算法稍有不同 整定前一定要对采用的PID 算法认真理解 其次 无论是 用理论计算还是工程整定方法所求得的整定参数 都要在实践中根据系统实际工作情 况加以修正 下面介绍几种实用的调节器参数的工程整定方法 一 单回路调节系统的工程整定方法 一 经验法 这种方法实质上是一种试凑法 它是在生产实践中总结出来的行之有效的方法 并在现场中得到了广泛的应用 这种方法的基本程序是先根据运行经验 确定一组调节器参数 并将系统投入闭 环运行 然后人为地加入阶跃扰动 如改变给定值 观察被调量或调节器输出的阶 跃响应曲线 若认为控制质量不满意 则根据各整定参数对控制过程的影响改变调节 器参数 这样反复试验 直到满意为止 经验法简单可靠 但需要有一定现场运行经验 整定时易带有主观片面性 下面以 PID 调节器为例 具体说明经验法的整定步骤 1 让调节器参数Ti Td 0 控制系统投入闭环运行 由大到小改变比例 带 用给定值阶跃变化作扰动信号 观察控制过程 如果 被调量的 调节过程发散或衰减率小 说明比例带参数偏小 应将其调大 如果 被调量的 调节过程无振荡 衰减率大且调节时间过长 说明比例带参数偏 大 就将其调小 根据上述原则 反复调整 直到获得满意的控制过程 为止 2 将比例带增大1 2 倍 由大到小改变积分时间Ti 同时变化给定值输入 扰动信号 观察控制过程 如果被调量的调节过程发散或衰减率较小 说 明积分时间偏小 应将其调大 如果被调量的调节时间较长且被调量的振荡 曲线只在定值的一侧而不是两侧 说明积分时间偏长 应将其调小 根据上 述原则 反复调整 直到获得满意的控制过程为止 3 积分时间保持不变 改变比例带 观察控制过程有无改善 如有改善则继续 调整 直到满意为止 否则 将原比例带减小一些 再调整积分时间 力求 改善控制过程 如此反复试凑 直到找到满意的比例带和积分时间为止 4 引入微分时间Td 此时可适当减小比例带和积分时间 微分时间的数值一 般取积分时间的1 6 1 4 为宜 调节器型式不同 Td Ti比值不同 试凑过程中应使Td Ti值尽量不变 以保证调节器干扰系数不变 即 不会由于Td Ti的改变而引起比例带的变化 和前述步骤相同 微分时间 的整定也需反复调整 直到控制过程满意为止 比例带 积分时间Ti和微分时间Td对控制过程的影响可参阅表3 3 1 表 3 3 1整定参数对控制质量的影响 整定参数 过程参数 减小 Ti 减小Td 减小 最大偏差增大增大减小 稳态偏差减小不变不变 衰 减 率减小减小增大 振荡次数增加增加减少 二 临界比例带法 这种方法是当调节系统采用比例调节器时 根据系统处于边界稳定条件下过渡过 程的振荡周期Tc和调节器的临界比例带 c 来确定 0 75 时的各类调节器 的参数 其调整试验方法如下 1 使调节器只有比例作用 Ti Td 0 将系统投入闭环运行 为了 使系统工作比较稳定 开始时可将 置于较大的数值 2 逐渐将 由大到小变动 观察不同 时的调节过程 直到调节过程产生 等幅振荡为止 记下此时相应的比例带 c和振荡周期Tc 3 表 3 3 2 选取调节器的整定参数 并作定值扰动试验来观察调节过程 适当 修改整定参数 表 3 3 2按边界稳定条件确定调节器参数 0 75 调节规律 TiTd P2 c PI2 2 c0 85Tc PID1 67 c0 5Tc0 25Ti 这种方法简单明了 对于大多数热工对象都是适用的 由于热工对象惯性较大 所以等幅振荡周期时间较长 但这种低频振荡在生产上常常是允许的 三 衰减曲线法 如果生产过程不允许出现等幅振荡 则可以采用衰减曲线法 这个方法是在临界 比例带法基础上发展起来的 只要将出现等幅振荡的过程改为出现一定衰减率的过程 即可 在采用比例调节规律时 观察 0 75 的调节过程 并记下相应的比例带 s和振荡周期Ts后 即可按表3 3 3 选取调节器的整定参数 表 3 3 3 按 0 75 条件确定调节器参数 调节规律 TiTd P s PI1 2 s0 5Ts PID0 8 s0 3Ts0 1Ti 衰减曲线法的缺点是观察和记录调节过程比较困难 有时会遇到过程形态不规则 的情况 在有些对象中 调节过程较快 例如反映较快的流量 压力 负压等调节过 程 要从记录曲线中看出衰减率是比较困难的 这时可近似地认为以波动次数来判别 一般认为被调量来回摆动两次就达到稳定状态 相当于衰减率是0 75 波动一 次的时间就是Tc 二 串级调节系统的工程整定方法 对于复杂调节系统 由于它具有多个回路 每个回路之间还相互影响 因此调节 系统的整定工作难度较大 但是 任何多回路调节系统的整定都是以单回路调节系统 的整定为基础的 串级调节系统中有主回路和副回路两个调节回路 有主副两个调节器 每个调节 器的参数都对整个系统有影响 下面介绍几种串级调节系统的工程整定方法 一 逐步逼近法 1 回路进行整定 暂时将主回路断开 按照单回路调节系统的整定方法 求取 副调节器的整定参数 2 回路投入运行 把副回路作为主回路的一个环节 即相当于主调节器等效对 象的一个组成部分 然后连接主回路 此时主副回路都闭合 仍用单回路调 节系统的整定方法求取主调节器的整定参数 3 在主回路闭合的情况下 修正副调节器的整定参数 4 如果调节质量未达到规定指标 在修正主调节器的整定参数 如此反复循环整定 逐步逼近最佳参数 二 两步逼近法