第三章-单回路控制系统的工程设计PPT课件

18 04 2020 西南科技大学信息工程学院 1 第三章单回路控制系统的工程设计 3 1过程控制系统工程设计概述 3 2过程控制系统硬件选择 3 3调节器的选型及PID参数整定 3 4单回路控制系统仿真 18 04 2020 西南科技大学信息工程学院 2 3 1过程控制系统工程设计概述 一 对过程控制系统设计的一般要求 1 安全性 整个生产过程中 确保人员设备的安全2 稳定性 指系统在一定外界干扰下 在系统参数 工艺条件一定的变化范围内能长期稳定运行的能力 3 经济性 指提高产品质量 产量的同时 降耗节能 提高经济效益与社会效益 18 04 2020 西南科技大学信息工程学院 3 3 1过程控制系统工程设计概述 二 过程控制系统设计步骤 1 根据工艺要求和控制目标确定系统变量 1 被控参数 2 控制参数 控制 或操作 变量和扰动变量2 建立被控过程的数学模型 3 选择控制方案 1 控制结构 2 控制算法4 选择系统所需控制设备的型号规格 5 控制器的设计 6 实验 与仿真 18 04 2020 西南科技大学信息工程学院 4 3 1过程控制系统工程设计概述 1 直接参数方法 能直接反映生产过程中产品产量和质量又易于测量的参数2 间接参数方法 当选择直接参数有困难那时 可以选择能间接反映产品质量和质量又与直接参数有单值对应关系 易于测量的参数作为被控参数 被控参数选择的方法 18 04 2020 西南科技大学信息工程学院 5 3 1过程控制系统工程设计概述 选择被控参数的一般原则 1 选择对产品的产量和质量 安全生产 经济运行和环境保护具有决定性作用的 可直接测量的工艺参数2 当不能用直接参数作为被控参数时 应该选择一个与直接参数有单值函数关系的间接参数3 必须具有足够高的灵敏度4 必须考虑工艺过程的合理性和所有仪表的性能 18 04 2020 西南科技大学信息工程学院 6 3 1过程控制系统工程设计概述 控制参数的选择 当生产过程中有多个因素能影响被控参数变化时 应分析过程扰动通道特性与控制通道特性对控制质量的影响 然后正确地选择可控性良好的变量作为控制参数 一般希望控制通道克服扰动的能力要强 动态响应应比扰动通道快 所以 在设计控制回路时 要深入研究过程的控制通道和扰动通道 下面就从研究过程特性对控制质量的影响入手 讨论选择控制参数的一般原则 18 04 2020 西南科技大学信息工程学院 7 3 1过程控制系统工程设计概述 1 过程静态特性对控制质量的影响过程静态特性对控制质量的影响是指过程的静态放大系数对控制质量的影响 现以如图所示的单回路控制系统为例 18 04 2020 西南科技大学信息工程学院 8 3 1过程控制系统工程设计概述 3 1 图中 W S 为调节器传递函数 W0 S 为过程控制通道传递函数 Wf S 为过程扰动通道传递函数 18 04 2020 西南科技大学信息工程学院 9 3 1过程控制系统工程设计概述 对于定值控制系统的闭环传递函数为 3 2 由于系统本质是稳定的 在单位阶跃扰动作用下 系统余差可应用终值定理求得 18 04 2020 西南科技大学信息工程学院 10 3 1过程控制系统工程设计概述 3 3 由式 3 3 可见 过程静态特性对控制质量有很大的影响 这是选择控制参数的一个重要依据 扰动通道的静态放大系数Kf愈大 系统的余差也愈大 18 04 2020 西南科技大学信息工程学院 11 3 1过程控制系统工程设计概述 为了提高控制精度 在选择控制参数时 应使Kf愈小愈好 以减弱扰动对被控制参数的影响 控制通道的放大系数K0愈大 表示控制作用愈灵敏 克服扰动的效果愈好 但是 由于最佳的控制过程 K0与Kc的乘积应为一常数 而调节器的Kc是可调节的 K0的大小可通过改变Kc来补偿 以满足K0与Kc乘积为一常数的要求 所以 在系统设计时 选择控制通道的K0适当大一些 18 04 2020 西南科技大学信息工程学院 12 3 1过程控制系统工程设计概述 2 过程动态特性对控制质量的影响过程的动态特性包括扰动通道和控制通道两个部分的动态特性 1 扰动通道动态特性的影响时间常数的影响 滞后时间的影响和扰动作用点位置的影响 2 控制通道动态特性的影响可控性指示 为了比较不同过程的可控性 通常采用相同模式的调节器 并分别将调节器参数整定到最佳 然后在相同扰动作用下 比较它们的工作性能 另外还有时间常数的影响和滞后时间的影响 18 04 2020 西南科技大学信息工程学院 13 例 锅炉给水系统的分析 3 1过程控制系统工程设计概述 18 04 2020 西南科技大学信息工程学院 14 在锅炉运行中 汽包水位为重要的控制参数 水位过高 影响汽水分离的效果 而水位过低则会破坏汽水循环 严重时将导致锅炉爆管 同时高效能的锅炉产生的蒸汽流量很大 而汽包的体积相对来说较小 大容量的锅炉给水不及时 数十秒钟内就可能达到危险水位 因此 将汽包水位作为被控变量 锅炉给水自动控制的任务 就是控制给水流量 输入变量 使其适应蒸发量的变化 维持汽包水位在允许的范围 给水控制对象如图所示 影响水位h变化的两个主要扰动是给水流量Qw和蒸汽流量Qs 3 1过程控制系统工程设计概述 系统控制目标的确定 18 04 2020 西南科技大学信息工程学院 15 当给水压力波动时给水流量亦相应变化 这就引起水位变化 扰动变化方向与水位变化方向是一致的 当给水扰动刚加入时 由于给水的过冷却的影响 水位开始变化很慢 经过一段时间之后 其速度才逐渐增加 最后呈等速变化 控制系统的扰动分析 3 1过程控制系统工程设计概述 18 04 2020 西南科技大学信息工程学院 16 蒸汽流量阶跃增加时 使锅炉储藏的热能减少 汽包内汽压下降 汽包内沸腾突然加剧 水中汽泡迅速增多 整个水位升高 形成虚假水位现象 3 1过程控制系统工程设计概述 18 04 2020 西南科技大学信息工程学院 17 简单的给水控制只引进水位信号组成单冲量系统 但是该系统不能克服虚假水位对水位控制的不良影响 这是因为蒸汽流量大幅度增加时 由于假水位上升 调节器输出信号不但不去开大调节阀增加给水流量 以维持物料平衡 反而去关小调节阀 减小给水量 等到假水位消失后 水位将更加迅速下降 引起水位大幅度的波动 引进蒸汽流量这个前馈信号后 就能基本克服虚假水位对控制的不良影响 3 1过程控制系统工程设计概述 给水控制系统控制方案的确定 18 04 2020 西南科技大学信息工程学院 18 因为当蒸汽负荷变化引起水位大幅度波动时 蒸汽流量信号起着超前的作用 它可使水位还未出现变化时 提前使调节阀动作 减小水位波动 从而改善了控制品质 这样 系统就成为双冲量控制系统 但是 双冲量系统却不能克服给水压力变化对水位的影响 因为当给水压力波动时 给水流量相应变化 此时只有待水位发生变化后调节器才能起作用 为此 再引入给水流量信号 组成了常用的三冲量给水控制系统 即 前馈 串级 控制系统 其中蒸汽流量信号就是前馈信号 3 1过程控制系统工程设计概述 18 04 2020 西南科技大学信息工程学院 19 3 1过程控制系统工程设计概述 常规模拟仪表组成的控制系统 锅炉汽包液位三冲量给水控制系统流程图 18 04 2020 西南科技大学信息工程学院 20 3 1过程控制系统工程设计概述 18 04 2020 西南科技大学信息工程学院 21 由智能仪表构成的控制系统 18 04 2020 西南科技大学信息工程学院 22 三 过程系统设计的主要内容四个方面 1 方案设计 是系统设计的核心2 工程设计 是在控制方案正确设计的基础上进行3 工程安装 是保证系统正常运行的前提4 仪表调校 调节器参数整定 是系统运行在最佳状态的重要保证 3 1过程控制系统工程设计概述 18 04 2020 西南科技大学信息工程学院 23 越限报警 应根据工艺要求设置高 低限报警值 联锁保护 当生产出现异常时 为保证设备 人身的安全 使各个设备按一定次序紧急停止运转 3 1过程控制系统工程设计概述 四 系统设计中的其它问题 越限报警与联锁保护 18 04 2020 西南科技大学信息工程学院 24 3 2过程控制系统硬件选择 传感器及变送器的选择 系统的硬件选择包含 控制装置 测量仪表 传感器 执行机构和报警 保护 连锁等部件 18 04 2020 西南科技大学信息工程学院 25 3 2过程控制系统硬件选择 传感器及变送器的选择 一 控制装置的选择简单的过程控制系统可以选择单回路控制器 对于比较复杂的系统需要用计算机控制 目前用于过程控制的计算机控制设备多采用DCS 集散控制系统 或PLC 可编程序控制器 相比较而言 模拟量控制回路较多 开关量较少的过程控制系统宜采用DCS控制 模拟量控制回路较少 开关量较多的过程控制系统宜采用PLC控制 模拟量少于64个调节回路 而开关量大于256点时 以选用PLC为宜 18 04 2020 西南科技大学信息工程学院 26 3 2过程控制系统硬件选择 传感器及变送器的选择 二 测量仪表和传感器的选择1 测量变送中的几个主要问题过程控制系统设计是围绕着如何抑制扰动来进行的 在系统设计时 测量和变送是一个十分重要的问题 在工程上 信息的测量和变送必须迅速可靠地反映被控参数的实际变化情况 为系统设计提供准确的控制依据 在具体分析测量变送环节对控制质量的影响时 往往碰到测量 变送和信息传送中的滞后问题 它包括测量滞后 纯滞后和信息传送滞后等 这些滞后均与测量元件本身的特性 元件安装位置的选择和信息传送的方法等有关 所以必须深入研究 克服或尽量减少其对控制质量的影响 另外还有测量信号的处理问题 18 04 2020 西南科技大学信息工程学院 27 3 2过程控制系统硬件选择 传感器及变送器的选择 1 纯滞后问题在生产过程中 测量温度 物性等参数时 由于测量元件安装位置不当及测量仪表本别特性等最容易引入纯滞后 纯滞后不能使测量信号及时反映被控参数的实际值 引起测量动态误差 降低过程控制系统的控制质量 微分作用对于纯滞后是无能为力的 为了消除纯滞后的影响 只有合理选择测量元件及其安装位置 尽量减小纯滞后 从过程控制系统设计来说 纯滞后愈小愈好 当过程参数测量引起的纯滞后较大时 单回路控制系统很难满足生产工艺要求 此时 就需设计其他的控制方案 如大迟延控制系统 18 04 2020 西南科技大学信息工程学院 28 3 2过程控制系统硬件选择 传感器及变送器的选择 2 测量滞后问题测量滞后主要是由测量元件本身的特性造成的 例如 在温度测量过程中 由于热电偶或热电阻存在着传热阻力和热容 它本身具有一定的时间常数Tm 所以其输出总是滞后于被控参数的变化 从而引起了测量动态误差 18 04 2020 西南科技大学信息工程学院 29 3 2过程控制系统硬件选择 传感器及变送器的选择 如图所示 若被控参数y t 有一阶跃变化时 测量值z t 因滞后而缓慢靠近y t 使测量值z t 与真实值y t 之间产生差异 如果调节器按此失真的信号发出控制命令 就不能正常发挥控制系统的校正作用 就不能达到预期的控制要求 18 04 2020 西南科技大学信息工程学院 30 3 2过程控制系统硬件选择 传感器及变送器的选择 在如图所示的单回路控制系统中 若调节器W s Kc 过程 测量变送器 单回路控制系统框图 18 04 2020 西南科技大学信息工程学院 31 3 2过程控制系统硬件选择 传感器及变送器的选择 测量Z s 对于给定值X s 的响应为 3 4 3 5 则被控参数真实值Y s 对于给定值X s 的响应为 比较式 3 4 和 3 5 可知 其特征方程相同 系统动态过程的特征也相同 但因两式分子不同 动态幅值不同 y t 的幅值将随Tm的增大而增大 18 04 2020 西南科技大学信息工程学院 32 3 2过程控制系统硬件选择 传感器及变送器的选择 测量元件的滞后将使系统的控制质量下降 为克服测量滞后的影响 在系统设计中可选用快速测量元件 一般选其时间常数为控制通道时间常数的1 10以下为宜 可正确选择测量元件的安装位置 将其安装在被控参数变化较灵敏的位置 也可在测量变送器的输出端引入微分环节 如图所示 其输出与输入之间的关系为 3 6 Z s Y s 18 04 2020 西南科技大学信息工程学院 33 3 2过程控制系统硬件选择 传感器及变送器的选择 由式 3 6 可知 若TD Tm 则Z s KmY s 可见 引入微分环节后 变送器的输出Z s 与被控参数Y s 成比例 完全克服了测量滞后引起的动态误差 获得了被控参数的真实数值 18 04 2020 西南科技大学信息工程学院 34 2 信息传送滞后问题信息传送滞后主要是指QDZ仪表气压信号在管路传送过程中所造成的滞后 在现代工业生产过程中 测量元件 变送器和调节阀通常是安装在现场设备上的 调节器安装在控制室 彼此间有一定距离 因此就产生气压信号的传送滞后 因为存在信号传送滞后 调节器不能及时获得测量信号 也不能及时将其输出信号送至调节阀 从而影响了系统的控制质量 3 2过程控制系统硬件选择 传感器及变送器的选择 18 04 2020 西南科技大学信息工程学院 35 气压传输管道的特性可用下式表示 3 7 克服信号传送滞后 可采用以下措施 尽量缩短信号传递管线 一般不能超过300m 应用气 电和电 气转换器 将气压信号变为电信号传送 在气压管线上安装气动继电器 或用气动阀门定位器 以提高气压信号的传输功率 减小信号传送滞后 3 2过程控制系统硬件选择 传感器及变送器的选择 18 04 2020 西南科技大学信息工程学院 36 2 测量信号的处理 1 测量信号的校正在检测某些过程参数时 其测量值往往要受到其它一些参数的影响 为了保证其测量精度 必须要考虑测量信号的校正问题 例如 发电厂过热蒸汽流量测量 通常用标准节流元件 在设计参数下运行时 这种节流装置的测量精度较高 当参数偏离给定值时 测量误差较大 其主要原因是蒸汽密度受压力和温度的影响较大 为此 必须对其测量信号进行压力和温度校正 3 2过程控制系统硬件选择 传感器及变送器的选择 18 04 2020 西南科技大学信息工程学院 37 2 测量信号噪声 干扰 的滤波在测量某些参数时 由于其物理或化学特点 常常产生具有随机波动特性的过程噪声 若测量变送器的阻尼较小时 其噪声会叠加于测量信号之中 影响系统的控制质量 所以应考虑对其进行滤波 例如 测量流量时 常伴有噪声 故需加阻尼器进行滤波 有些测量元件本身具有一定的阻尼作用 测量信号的噪声基本上被抑制 例如 用热电偶或热电阻测温时 由于其本身的惯性作用 测量信号并无噪声 3 2过程控制系统硬件选择 传感器及变送器的选择 18 04 2020 西南科技大学信息工程学院 38 3 对测量信号进行线性化处理在检测某些过程参数时 测量信号与被测参数之间成非线性关系 从过程控制来看 非线性信号的处理是不方便的 需要对其进行线性化处理 但是 具体问题还要作具体分析 测量信号的非线性特性 一般是由测量元件所致 例如 用热电偶测量时 其热电动势与温度是非线性的 当热电偶配用DDZ 型温度变送器时 其输出的测量信号就已经线性化了 即变送器输出的电流信号与温度成线性关系 又如用节流装置测量流量时 其输出差压与流量的平方成比例 对此 可采用开方器来校正 3 2过程控制系统硬件选择 传感器及变送器的选择 18 04 2020 西南科技大学信息工程学院 39 1 流量计算有关的基本概念 1 流量 体积流量和质量流量 2 等熵指数当气体流过节流装置后 会产生膨胀 假定这种向较低压力的膨胀是按照多变过程进行的 对于多变过程 压力与体积之间的关系是 三 节流元件的选择 3 10 3 2过程控制系统硬件选择 传感器及变送器的选择 18 04 2020 西南科技大学信息工程学院 40 3 2过程控制系统硬件选择 传感器及变送器的选择 3 雷诺数管道内流量较小时 压差与流量成正比 流量变大后 压差大致与流量的平方成正比 在压差与流量成正比的范围内 流体的流动状态为层流 在压差与流量的平方成正比的范围内 流体的流动状态为紊流 从层流到紊流的分界线不仅与流量有关 而且与流体的密度 粘度和管道内径有关 在流体力学中 此现象用雷诺实验可以验证 并用雷诺数Re表征 雷诺数是流体惯性力与粘性力之比 可用下式表示 3 9 18 04 2020 西南科技大学信息工程学院 41 4 流体的密度是指在工作温度和压力下节流装置前流体的密度 其单位为kg m3 5 流体的粘度粘度是表征流体内摩擦力的一个参数 分为动力粘度和运动粘度 动力粘度与密度的比值称为运动粘度 表示为 3 11 6 气体的压缩系数 3 2过程控制系统硬件选择 传感器及变送器的选择 18 04 2020 西南科技大学信息工程学院 42 2 流量计类型按测量对象分有封闭管道和明渠两大类 3 2过程控制系统硬件选择 传感器及变送器的选择 18 04 2020 西南科技大学信息工程学院 43 3 2过程控制系统硬件选择 传感器及变送器的选择 3 节流元件为了测量管道中的流体的流量 在直线管道中设置使流束产生局部收缩的装置 通常称之为节流元件 或节流装置 节流装置目前有20余种 其中三种 孔板 喷嘴和文丘利管应用最多 流量测量国际标准ISO5167对这三种的取压方式和安装位置的前后直管段等使用条件进行了标准规范 称这三种节流装置为标准节流装置 18 04 2020 西南科技大学信息工程学院 44 流量测量原理 在管道中流动的流体具有动能和位能 并在一定条件下这两种形式的能量可以相互转换 但参加转换的能量总和是不变的 3 11 3 2过程控制系统硬件选择 传感器及变送器的选择 18 04 2020 西南科技大学信息工程学院 45 3 3调节器的选型及PID参数整定 1 根据 0 T0比值来选择调节器的控制规律 一 选择控制器的控制规律 18 04 2020 西南科技大学信息工程学院 46 3 3调节器的选型及PID参数整定 2 根据过程特性来选择控制器的控制规律 比例控制规律P特点 能较快地克服扰动的影响 使系统稳定下来 但是有余差 随着控制器放大系数Kc的增大 控制系统的稳定性降低 随着Kc的增大 余差将减少 但不能消除适用场合 控制通道滞后较小 负荷变化不大 控制要求不高 被控参数允许在一定范围内有余差的场合 18 04 2020 西南科技大学信息工程学院 47 比例积分控制规律PI特点 积分能消除余差 TI愈小 稳定性愈差 适用场合 控制通道滞后较小 负荷变化不大 被控参数不允许有余差的场合 比例微分控制规律PD特点 具有超前作用 对于具有容量滞后的控制通道 引入比例微分控制规律PD对于改善系统的动态性能指标 有显著效果 但微分作用太强 会引起控制阀时而全开 时而全关 适用场合 控制通道的时间常数或容量滞后较大的场合 比例积分微分控制规律PID特点 PID控制规律是一种较理想的控制规律 在比例基础上引入积分 可以消除余差 再加入微分作用 又提高系统的稳定性 适用场合 控制通道时间常数或容量滞后较大 控制要求较高的场合 3 3调节器的选型及PID参数整定 18 04 2020 西南科技大学信息工程学院 48 二 控制器正 反作用的选择 原则 使整个单回路构成负反馈系统 乘积为负 1 控制阀 气开式为 气关式为 2 控制器 正作用为 反作用为 3 被控对象 物料或能量增加时 被控参数随之增加为 随之减少为 4 变送器 一般为 控制器正 反作用选择的判别式 控制器 控制阀 对象 3 3调节器的选型及PID参数整定 18 04 2020 西南科技大学信息工程学院 49 3 3调节器的选型及PID参数整定 将调节器置于 手动 方式 人为改变调节器的输出信号 遥控 检测现场调节阀阀杆是否上下移动 如果阀杆上下移动自如 检查相关流量 压力等测量信号是否随之变化 若变化很小 则检查测量信号是否正常 或者调节阀上游阀和下游阀是否全开 或者旁路阀是否关闭 如果调节阀灵活 而且相关被控信号可随之变化 则可进入单回路PID调节器的参数整定 三 基本调节回路的诊断 18 04 2020 西南科技大学信息工程学院 50 四 调节器的参数整定如果控制方案已经确定 则过程各通道的静态和动态特性就已确定 系统的控制质量就取决于调节器各个参数值的设置 调节器的参数整定 就是确定最佳过渡过程 是在某种质量指标下 系统达到最佳调整状态 4 1递减比为最佳参数整定的常用依据 中调节器的比例度 积分时间TI 微分时间TD的具体数值 3 3调节器的选型及PID参数整定 18 04 2020 西南科技大学信息工程学院 51 3 3调节器的选型及PID参数整定 由于PID调节器有模拟型和离散型两种 所以控制系统的参数整定包括连续控制系统PID调节器的参数整定和离散控制系统PID调节器的参数整定 连续控制系统PID调节器需整定的参数有 比例参数K 或比例带 积分时间常数TI以及微分时间常数TD 离散控制系统PID调节器需整定的参数有 除上述3个参数外 还有控制系统的采样周期TS 18 04 2020 西南科技大学信息工程学院 52 参数整定方法 1 理论计算整定法 对数频率特性法 根轨迹法等 2 工程整定法 动态特性参数法 或响应曲线法 稳定边界法 或临界比例度法 衰减曲线法 阻尼振荡法 1 动态特性参数法是一种以被控对象控制通道的阶跃响应为依据 通过一些经验公式 以衰减率 0 75为系统的性能指标 求取调节器最佳参数整定值的开环整定方法 3 4调节器的选型及PID参数整定 18 04 2020 西南科技大学信息工程学院 53 3 3调节器的选型及PID参数整定 3 19 比例调节器 柯恩 库恩整定公式 比例积分调节器 3 20 18 04 2020 西南科技大学信息工程学院 54 比例积分微分调节器 3 21 利用以上公式进行参数整定的前提是 广义对象的阶跃相应曲线可用一阶惯性环节加纯延迟来近似 否则整定的参数只能作初步估计值 3 4调节器的选型及PID参数整定 以各种误差积分值为系统性能指标的调节器最佳参数整定如下表 18 04 2020 西南科技大学信息工程学院 55 18 04 2020 西南科技大学信息工程学院 56 是一种闭环的整定方法 它基于纯比例控制系统临界振荡试验所得数据 即临界比例带和临界振荡周期 利用一些经验公式 求取调节器最佳参数值 其整定计算公式如表 2 稳定边界法 3 3调节器的选型及PID参数整定 18 04 2020 西南科技大学信息工程学院 57 3 4调节器的选型及PID参数整定 整定步骤 1 在纯比例作用下投入 TI TD 0 比例带 置较大值 平稳操作一段时间 把系统投入自动运行 2 待系统运行稳定后 将 逐渐减小 直到系统出现如图所示的等幅振荡 即所谓临界振荡过程 记录下此时的比例带 cr 临界比例带 并计算两个波峰间的时间Tcr 临界振荡周期 3 利用 cr和Tcr值 按表4 3给出的相应计算公式 求调节器各整定参数 TI和TD的数值 18 04 2020 西南科技大学信息工程学院 58 注意 在采用这种方法时 控制系统应工作在线性区 否则得到的持续振荡曲线可能是极限环 不能依据此时的数据来计算整定参数 3 3调节器的选型及PID参数整定 18 04 2020 西南科技大学信息工程学院 59 3 4调节器的选型及PID参数整定 例3 1 用临界比例度法整定某过程控制系统所得的比例带 cr 20 临界振荡周期Tcr 1min 当控制器分别采用比例作用 比例积分作用 比例积分微分作用时 求其最佳整定参数值 解 应用表4 3经验公式 可得 18 04 2020 西南科技大学信息工程学院 60 比例控制器 2 cr 2 20 40 比例积分控制器 2 2 cr 2 2 20 44 TI 0 85Tcr 0 85min比例积分微分控制器 1 6 cr 1 6 20 32 TI 0 5Tcr 0 5 1 0 5minTD 0 125TI 0 125 0 5 0 0625min 3 3调节器的选型及PID参数整定 18 04 2020 西南科技大学信息工程学院 61 3 衰减曲线法特点 是在总结稳定边界法的基础上 经过反复实验提出来的 整定步骤 对于要求系统过渡过程达到4 1衰减的步骤如下 3 4调节器的选型及PID参数整定 18 04 2020 西南科技大学信息工程学院 62 3 3调节器的选型及PID参数整定 置调节器积分时间TI到最大值 TI 微分时间TD为零 TD 0 比例带 为较大值 并将系统投入运行 待系统稳定后 作设定值阶跃扰动 并观察系统的响应 若系统响应衰减太快 则减小比例带 反之 系统响应衰减过慢 应增大比例带 如此反复 直到系统出现如图所示的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 利用 S和TS值 按表4 4给出的经验公式 求调节器整定参数 TI TD数值 18 04 2020 西南科技大学信息工程学院 63 对于扰动频繁 过程进行较快的控制系统 要准确地确定系统响应的衰减程度比较困难 往往只能根据调节器输出摆动次数加以判断 对于4 1衰减过程 调节器输出应来回摆动两次后稳定 摆动一次所需时间即为TS 显然 这样测得的TS和 S值会给调节器参数整定带来误差 衰减曲线法也可以根据实际需要 在衰减比为n 10 1的情况下进行 3 4调节器的选型及PID参数整定 18 04 2020 西南科技大学信息工程学院 64 3 3调节器的选型及PID参数整定 18 04 2020 西南科技大学信息工程学院 65 3 4调节器的选型及PID参数整定 例3 2 某温度控制系统 采用4 1衰减曲线法整定控制器参数 得 S 20 TS 10分 当控制器分别为比例作用 比例积分作用 比例积分微分作用时 试求其整定参数值 18 04 2020 西南科技大学信息工程学院 66 3 3调节器的选型及PID参数整定 解 应用表4 4中的经验公式 可得比例控制器 S 20 比例积分控制器 1 2 S 1 2 20 24 TI 0 5TS 0 5 10 5min比例积分微分控制器 0 8 S 0 8 20 16 TI 0 3TS 0 3 10 3minTD 0 1TS 0 1 10 1min 18 04 2020 西南科技大学信息工程学院 67 被控对象 调节阀 调节器 测量变送装置 五 广义被控对象和等效调节器 3 4调节器的选型及PID参数整定 18 04 2020 西南科技大学信息工程学院 68 18 04 2020 西南科技大学信息工程学院 69 3 3调节器的选型及PID参数整定 18 04 2020 西南科技大学信息工程学院 70 3 4调节器的选型及PID参数整定 18 04 2020 西南科技大学信息工程学院 71 3 5单回路控制系统仿真 例1 单回路控制系统中对象的传递函数为 H s 为单位反馈时 在下述情况下 绘制系统的响应曲线 1 对系统采用单比例控制 比例系数分别为Kp 0 1 2 0 2 4 3 0 3 5 试求各比例系数下的单位阶跃响应 并绘制响应曲线 18 04 2020 西南科技大学信息工程学院 72 3 5单回路控制系统仿真 在MATLAB的命令窗口输入如下代码G tf 1 conv conv 1 1 2 1 5 1 kp 0 1 2 0 4 3 0 3 5 fori 1 5G1 feedback kp i G 1 step G1 holdonendgtext kp 0 1 gtext kp 2 0 gtext kp 2 4 gtext kp 3 0 gtext kp 3 5 18 04 2020 西南科技大学信息工程学院 73 3 5单回路控制系统仿真 结论 随着Kp的增大 系统响应速度加快 系统的超调亮随着增加 调节时间也随着增长 当Kp增大到一定值后 闭环系统将趋于不稳定 18 04 2020 西南科技大学信息工程学院 74 3 4单回路控制系统仿真 用simulink进行模块设计 18 04 2020 西南科技大学信息工程学院 75 3 5单回路控制系统仿真 2 若比例系数KP 2 微分系数分别取TD为 0 0 3 0 7 1 5 3 试比较微分系数下系统的单位阶跃响应 在MATLAB的命令窗口输入如下代码G tf 1 conv conv 1 1 2 1 5 1 kp 2 tou 0 0 3 0 7 1 5 3 fori 1 5 18 04 2020 西南科技大学信息工程学院 76 3 5单回路控制系统仿真 G1 tf kp tou i kp 1 sys feedback G1 G 1 step sys holdonendgtext tou 0 gtext tou 0 3 gtext tou 0 7 gtext tou 1 5 gtext tou 3 18 04 2020 西南科技大学信息工程学院 77 3 5单回路控制系统仿真 结论 随着微分作用的加强 系统的超调量减小 稳定性提高 上升时间缩短 快速性提高 18 04 2020 西南科技大学信息工程学院 78 3 5单回路控制系统仿真 3 若比例系数KP 2 积分时间常数Ti为3 6 14 21 28 试比较积分系数下系统的单位阶跃响应 在MATLAB的命令窗口输入如下代码G tf 1 conv conv 1 1