单回路控制系统设计PPT课件

第4章单回路控制系统设计 单回路控制系统方框图 给定 测量值 控制信号 被控量 控制量 扰动 偏差 最简单 最基本 应用最广泛 最成熟 是各种复杂控制系统设计和参数整定的基础 适用于被控对象滞后时间较小 负载和干扰不大 控制质量要求不很高的场合 单回路控制系统特点 4 1过程控制系统设计概述 4 1过程控制系统设计概述 要求 安全性 在整个生产过程中 确保人员设备的安全 通常采用参数越限报警 事故报警 连锁保护等措施加以保证 稳定性 系统在一定的外界扰动下 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 准确性 系统被控量的实际运行状况与希望状况之间的偏差要小 使系统具有足够的控制精度 快速性 系统从一种工作状态向另一种工作状态过渡的时间要短 经济性 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 4 1过程控制系统设计概述 步骤 1 熟悉系统的技术要求或性能指标 2 建立被控过程的数学模型 3 确定控制方案 4 根据系统的动态和静态特性进行理论分析与综合 5 实验验证 6 工程设计 7 工程安装 8 控制器的参数整定 4 2被控参数的选择 控制系统方案设计的一个至关重要的问题 恰当的选择对于稳定生产 提高产品产量和质量 改善劳动条件有很大的作用 若选择不当 则不论组成什么样的控制系统 选择多么先进的过程检测控制仪表 都不能达到良好的控制效果 4 2被控参数的选择 意义 4 2被控参数的选择 一般原则 尽量选用对产品的产量和质量 安全稳定生产 经济运行等具有决定性作用 并且可以直接检测的工艺参数作为被控变量 直接变量 被控变量要兼顾工艺上的合理性和检测仪表的可行性 可靠性 当直接变量难以获得 或检测滞后较大时 应选取与直接变量具有单值函数关系的间接变量作为被控变量 间接变量对直接变量应具有较高的控制灵敏度 当直接变量不可测量时 往往可以采用推断控制获得实际取值 寻找与直接变量存在一定函数关系 可靠 容易测量的辅助变量 4 3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 量 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 正确地选择可控性良好的变量作为操纵 控制 量 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 两条通道的过程参数不一定相同 其对系统的影响也不一样 干扰通道 控制通道 4 3控制参数的选择 4 3控制参数的选择 控制通道和扰动通道增益对性能的影响 设 4 3控制参数的选择 控制通道和扰动通道增益对性能的影响 过程静态特性对控制质量好坏有很大的影响 是选择控制参数的一个重要依据 扰动通道静态放大系数越大 则系统的稳态误差也越大 这表示在相同的阶跃扰动作用下 将使被控参数偏离给定值越大 显著地降低控制质量 控制通道的静态放大系数越大 表示控制作用越灵敏 克服扰动的能力越强 控制效果越显著 因此 确定控制参数时 使控制通道的放大系数Ko大于扰动通道的放大系数Kf是合理的 当这一要求不能满足时 可通过调节控制器的放大Kc系数来补偿 使KcKo的值远大于Kf 4 3控制参数的选择 控制通道和扰动通道增益对性能的影响 控制通道的时间常数反映了控制作用的强弱 即控制器的校正作用克服扰动对被控参数影响的快慢 若控制通道时间常数太大 则控制作用太弱 被控参数变化缓慢 控制不能及时 系统过渡过程时间长 控制质量下降 若控制通道时间常数太小 虽控制作用强 控制及时 克服扰动影响快 过渡过程时间短 但易引起系统振荡 使系统稳定性下降 亦不能保证控制质量 所以在系统设计时 要求控制通道时间常数适当小一些 使其校正及时 又能获得较好的控制质量 4 3控制参数的选择 控制通道时间常数To对性能的影响 分析一个一阶惯性环节的阶跃响应曲线 可以发现 惯性环节相当于一个滤波环节 因此 扰动通道为一个惯性环节 它对扰动起着滤波作用 抑制扰动对被控参数的影响 所以 扰动通道的时间常数Tf越大 容积越多 则扰动对被控参数的影响也越小 控制质量也越好 4 3控制参数的选择 扰动通道时间常数Tf对性能的影响 时滞 o的存在使控制系统的频率特性变化 当检测变送环节存在时滞时 被控变量的变化不能及时传送到控制器 当被控对象存在时滞时 控制作用不能及时使被控变量变化 当执行器存在时滞时 控制器的信号不能及时引起操纵变量的变化 因此 开环传递函数存在时滞 使控制不及时 超调增大 并引起系统不稳定 4 3控制参数的选择 控制通道纯滞后时间 o的影响 定值控制系统 在阶跃扰动下 当 o 0 5 1 2 3 4时的响应 o增大 4 3控制参数的选择 控制通道纯滞后时间 o的影响 用 o To反映时滞的相对影响 当 o To 0 3时 系统尚可用简单控制系统进行控制 当 o To 0 3时 应采用其他控制方案对该类过程进行控制 在设计和应用时应尽量减小时滞 有时可增大时间常数以减小时滞的影响 4 3控制参数的选择 控制通道纯滞后时间 o的影响 当扰动通道有纯时间滞后时 系统对扰动的闭环传递函数为 根据拉氏变换的平移定理 在单位阶跃干扰作用下 被控量的时间响应 由此可见 干扰通道存在时间滞后时 理论上不影响控制质量 仅使被控参数对干扰的响应在时间上比无滞后存在时推迟了 f值 4 3控制参数的选择 扰动通道纯滞后时间 f的影响 定值控制系统 在阶跃扰动下 当 f 0 5 1 1 5 2时的响应 4 3控制参数的选择 扰动通道纯滞后时间 f的影响 当扰动F的幅值和形式相同时 进入系统的位置越远离被控变量或越靠近调节阀 扰动对控制系统的被控变量的影响越小 因进入系统的扰动位置远离被控变量 等效于扰动通道传递函数中的时间常数增大 或扰动通道的滤波环节增加 因此 扰动对被控变量的影响越小 但如果等效增益Kf增大 则应根据KfF确定其影响 4 3控制参数的选择 扰动进入系统位置对性能的影响 当广义对象传递函数有多个时间常数 To1 To2 To3 Tom 时 各时间常数的匹配对控制系统有影响 4 3控制参数的选择 时间常数匹配对性能的影响 由执行器 对象和检测变送环节组成 控制通道的放大系数Ko要适当大一些 时间常数To要适当小一些 纯滞后 o越小越好 在有纯滞后的情况下 o和To的比值应小一些 小于1 若其比值过大 则不利于控制 扰动通道的放大系数应尽可能小 时间常数要大 扰动引入系统的位置 指框图中的位置 要靠近调节阀 4 3控制参数的选择 选择控制参数的原则 4 3控制参数的选择 选择控制参数的原则 广义过程选择参数时 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它时间常数大得多 同时注意减小第二 第三个时间常数 控制器 调节阀和测量变送器的时间常数应远小于被控过程中最大的时间常数 这样 系统允许有较大的放大倍数 而仍能保证闭环系统有一定的稳定裕度 注意工艺操作的合理性经济性 4 4过程控制仪表的选择 选择合适的的调节工作区间 在过程控制系统设计中 调节阀的口径必须很好地选择 在正常工况下要求调节阀开度处于15 85 之间 选择合适的流量特性 选择合适的调节阀开 关形式 4 4调节阀的选择 4 4控制器的选择 控制规律选择的原则 1 广义过程控制通道时间常数较大或容量滞后较大 引入D调节 工艺容许有静差时 选用PD调节 工艺要求无静差时 选用PID调节 2 控制通道时间常数小 负荷变化不大且要求允许有静差 选用P调节 3 控制通道时间常数较小 负荷变化不大 工艺要求无静差 选用PI调节 4 控制通道时间常数很大且纯滞后时间较大 负荷变化剧烈 简单控制系统难以满足工艺要求 应采用复杂控制系统或其他控制方案 4 4控制器的选择 控制规律选择的原则 o To1 0 简单控制系统一般难以满足要求 需要采用其他控制方式 5 若广义过程的传递函数具有以下形式 开环总增益 各组成环节的增益之积 为正 4 4控制器的选择 正 反作用形式 负反馈系统 负反馈准则 环节的增益为正 当环节的输入增加 输出增加环节的增益为负 当环节的输入增加 输出减小 当被控过程的输入 通过调节阀的物料和能量 增加 和减小 时 其输出 被控参数 也增加 和减小 此时称此被控过程为正作用 其静态放大系数取正 反之为反作用 其静态放大系数取负 4 4控制器的选择 各环节正反作用特性 被控过程正反作用特性 环节增益正负的定义 正作用调节器 即当系统的测量值增加时 调节器的输出亦增加 其静态放大系数取负 反作用调节器 即当系统的测量值增加时 调节器的输出减小 其静态放大系数取正 气开式调节阀 其静态放大系数取正气关式调节阀 其静态放大系数取负 4 4控制器的选择 各环节正反作用特性 调节器正反作用特性 气开和气关调节阀 首先根据生产工艺安全等原则确定调节阀的开 关形式 然后按被控过程特性 确定其正 反作用 最后根据负反馈的原则来确定调节器的正 反作用形式 调节器的正 反作用也可以借助于控制系统方框图加以确定 在方框图中 各个环节的增益有正有负 负反馈要求闭环回路上所以环节的增益乘积是正数 4 4控制器的选择 确定调节器正 反作用的次序 4 5控制器参数整定 4 5控制器参数整定 概念 确定调节器的比例度 积分时间TI和微分时间TD 整定的实质是通过改变调节器的参数 使其特性和过程特性相匹配 以改变系统的动态和静态指标 争取最佳控制效果 控制指标 系统瞬态响应 0 75 0 9 衰减比n 4 1 10 1 4 5控制器参数整定 方法 需要知道数学模型 不需要事先知道过程的数学模型 可直接在系统中进行现场整定 比较简单 自整定法 对运行中的系统进行整定 4 5控制器参数整定 被控过程的特点确定控制器参数的范围 在现场应用中 调节器的参数按先比例 后积分 最后微分的顺序置于经验数值后 把系统闭环起来 然后再作给定值扰动 观察系统的过渡过程曲线 若系统还不够理想 则根据下表改变调节器的参数值 进行反复试凑 直到控制质量符合要求为止 4 5控制器参数整定 经验法 在具体整定时 先令PID调节器的Ti Td 0 使其成为纯比例调节器 比例度按经验数据设置 整定纯比例控制系统的比例度 使系统达到4 1衰减振荡的过渡过程曲线 然后 再加积分作用 在加积分作用之前 应将比例度加大为原来的1 2倍 积分时间按2 o 或 0 5 1 Tp计算 将积分时间由大到小调整 直到系统得到4 1衰减振荡的过渡过程曲线为止 若系统需引入微分作用 微分时间按0 5 o 或 0 25 0 5 Ti计算 这时可将比例度调到原来的数值 或更小一些 再将微分时间由小到大调整 直到过渡过程曲线达到满意为止 4 5控制器参数整定 经验法 4 5控制器参数整定 临界比例度法 临界比例度法和衰减曲线法都是一种闭环整定方法 直接在闭环系统中进行 不需要测试过程的动态特性 方法简单 使用方便 4 5控制器参数整定 临界比例度法 将控制器的积分时间TI置于最大 TI 微分时间TD置零 TD 0 比例带置为较大的数值 把系统投入闭环运行 系统稳定后 施加一个阶跃输入 减小比例度 直到出现等幅振荡为止 记录临界比例带 K和等幅振荡周期TK 4 5控制器参数整定 临界比例度法 根据 K和TK 采用下表中的经验公式 计算控制器各参数 按先P 后I 最后D的操作程序 将控制器整定参数调到计算值上 观察其运行曲线 作进一步调整 4 5控制器参数整定 临界比例度法 受到一定的限制 如有些系统不允许进行反复振荡试验 如时间常数较大的单容过程 采用比例控制时根本不可能出现等幅振荡 过程特性不同 整定得到的控制器参数不一定能获得满意结果 如无自衡特性过程 整定参数往往会使系统响应的衰减率偏大 即 0 75 有自衡特性的高阶等容过程 整定参数使系统衰减率偏小 即 0 75 4 5控制器参数整定 衰减曲线法 将控制器的积分时间TI置于最大 TI 微分时间TD置零 TD 0 比例带置为较大的数值 把系统投入闭环运行 系统稳定后 施加一个阶跃输入 减小比例度 直到出现衰减振荡为止 记录比例带 s 及衰减振荡周期或上升时间 4 5控制器参数整定 衰减曲线法 根据 s TS tp 采用下表中的经验公式 计算控制器各参数 按先P 后I 最后D的操作程序 将控制器整定参数调到计算值上 观察其运行曲线 作进一步调整 4 5控制器参数整定 衰减曲线法 准确地确定系统4 l 或l0 1 的衰减程度比较困难 不适用于一些扰动比较频繁 过程变化比较快的系统 4 5控制器参数整定 反应曲线法 一种开环整定方法 利用系统开环广义对象的阶跃响应曲线进行控制器参数整定 4 5控制器参数整定 反应曲线法 系统置于开环状态 在调节阀Gv s 的输入端施加一个阶跃信号 记录下测量变送环节Gm s 的输出响应曲线y t 根据阶跃响应曲线 得到广义被控过程的传递函数 根据近似经验公式计算控制器参数 4 5控制器参数整定 反应曲线法 无自平衡广义过程 自平衡广义过程 4 5控制器参数整定 反应曲线法 齐格勒 Ziegler 尼科尔斯 Nichols 整定公式 先按表算出P控制器的 PD控制器的参数 无自衡过程 自衡过程 4 5控制器参数整定 反应曲线法 柯恩 Cheen 库思 Coon 整定公式 P控制器 PI控制器 PID控制器 4 5控制器参数整定 三种常用工程整定方法的比较 临界比例度法 衰减曲线法 反应曲线法都属于工程整定方法 共同点是通过试验获取某些特征参数 然后再按照工程经验公式计算控制器的整定参数 不同点 临界比例度法和衰减曲线法都是闭环整定方法 依赖系统在某种运行状况下的特征参数都控制器参数进行整定 不需要掌握被控过程的数学模型 临界比例度法不适用于生产过程中不能反复振荡试验 对比例调节是本质稳定的被控系统 在做衰减比较大的试验时 衰减曲线法观测数据很难准确确定 不适用于过程变化快的系统 4 5控制器参数整定 三种常用工程整定方法的比较 反应曲线法是开环整定方法 即通过系统开环试验得到被控过程的特征参数后 再对控制器参数进行整定 因此 这种方法适用性较广 并为控制器参数的最佳整定提供了可能 与其他两种方法相比 反应曲线法所受试验条件的限制比较少 通用性强 衰减曲线法和临界比例度法的抗干扰能力不如反应曲线法 因为闭环试验对干扰有较好的抑制作用 而开环试验对外界干扰的抑制能力较差 无论采用哪种方法所得到的控制器参数 都需要在系统的实际运行中进行最后的调整与完善 4 5控制器参数整定 举例 已知被控过程是一个二阶环节 其传递函数为 检测变送环节的特性为 调节阀特性为 因此广义被控过程的传递函数为 4 5控制器参数整定 举例 由阶跃响应曲线法确定带纯滞后的一阶环节 4 5控制器参数整定 举例 反应曲线法整定控制器参数采用Z N公式 P控制器 0 125 Kc 8PI控制器 Kc 7 3 TI 8 25PID控制器 Kc 9 4 TI 5 TD 1 25采用柯恩 库恩公式 P控制器 Kc 8 3PI控制器 Kc 7 3 TI 6 6PID控制器 Kc 10 9 TI 5 85 TD 0 89 4 5控制器参数整定 举例 临界比例度法整定控制器参数 K 0 08 TK 15 12P控制器 Kc 6 25PI控制器 Kc 5 7 12 85PID控制器 Kc 7 35 TI 7 56 TD 1 89 4 5控制器参数整定 举例 纯比例控制下 不同整定方法的响应曲线 4 5控制器参数整定 举例 比例积分控制下 不同整定方法的响应曲线 4 5控制器参数整定 举例 比例积分微分控制下 不同整定方法的响应曲线 调节器参数整定中的反应曲线法和理论计算法 都是以如图所示的广义被控对象Go s 和等效控制器Gc s 组成的简单控制系统为基础的 4 5控制器参数整定 广义被控对象和等效调节器问题 Go s Gp s Gm s Gc s Gc s Gv s Go s Gv s Gp s Gm s Gc s Gc s Go s Gp s Gc s Gc s Gv s Gm s 因此 整定计算所得的为等效调节器的等效比例带 必须经过换算后才得到调节器的比例带 4 5控制器参数整定 广义被控对象和等效调节器问题 即使如此 整定计算得到的是调节器各参数的实际值 对于工业PID调节器 由于 和Ti Td各参数之间相互干扰 必须考虑调节器各参数实际值与刻度值之间的转换关系 带 的量为调节器参数的实际值 不带 的为参数的刻度值 F称为相互干扰系数 调节器处于P PI和PD工作状态时 F 1 调节器的实际值和刻度值相等 但当处于PID工作方式时 F 1 必须由它的实际值计算调节器参数的刻度值 4 5控制器参数整定 广义被控对象和等效调节器问题 例 某温度控制系统采用PI控制器 在调节阀扰动量 u 20 时 测得温度控制通道阶跃响应曲线特性参数 稳定时温度变化 60 C 时间常数T 300s 纯滞后 10s 温度变速器量程为0 100 C 且温度变速器和调节器均为DDZ III型仪表 求调节器 Ti的刻度值 按Z N公式 解 先求得对象的参数为 4 5控制器参数整定 广义被控对象和等效调节器问题 因为调节器为PI工作方式 参数的实际值就是它的刻度值 4 5控制器参数整定 广义被控对象和等效调节器问题 4 6单回路控制系统工程设计实例 在工业生产过程中 如图所示的液体储槽 如进料罐 成品罐 中间缓冲容器 水箱等设备应用十分普遍 为了保证生产正常进行 物料进出均需平衡 以保证过程的物料平衡 因此 工艺要求储槽内的液位需维持在某给定值上下 或在某一小范围内变化 并保证物料不产生溢出 4 5 1储槽液位控制系统设计 工艺过程 根据工艺可知 储槽的液位要求维持在某给定值上下 所以直接选取液位为被控参数 直接参数 4 5 1储槽液位控制系统设计 选择被控参数 影响液位的量 一是流入储槽的流量 二是流出储槽的流量 4 5 1储槽液位控制系统设计 选择控制参数 4 5 1储槽液位控制系统设计 选择控制参数 在第一种控制方案的情况下 为保证不引起物料量的溢出 应选用气开式调节阀 在第二种控制方案的情况下 为保证不产生溢出 选用气关式 选择对数流量特性 4 5 1储槽液位控制系统设计 选择调节阀 若储槽是为了起缓冲作用而控制液位的 则对液位控制要求不太高 调节器采用比例作用即可 当容器作为计量槽使用时 则需精确控制液位 为了消除余差 调节器采用比例积分作用 在第一