第5章 简单控制系统的设计.ppt

第5章简单控制系统的设计,本章要点,1）了解简单控制系统的设计任务及开发步骤；2）熟悉被控过程特性对控制质量的影响，掌握被控参数、控制参数的设计原则；3）熟悉调节规律对控制质量的影响，调节规律的选择方法；4）掌握调节器作用方式的选择6）掌握调节器参数的整定方法.,简单控制系统的结构与组成指由一个测量变送器、一个控制器、一个控制阀和一个对象所构成的单闭环控制系统。,仪表符号标准,5.1简单控制系统设计概述,控制系统原理方框图,1.过程控制系统方案设计的基本要求生产过程对过程控制系统的要求可简要归纳为安全性、稳定性和经济性三个方面。2.过程控制系统设计的主要内容过程控制系统设计包括控制系统方案设计、工程设计、工程安装和仪表调校、调节器参数整定等四个主要内容。其中控制方案设计是控制系统设计的核心。,简单控制系统设计,5.2控制方案的确定,控制方案的确定主要包括：系统被控参数的选择、测量信息的获取及变送、控制参数的选择、调节规律的选取、调节阀（执行器）的选择和调节器正、反作用的确定等内容。,1.被控参数的选择,被控变量生产过程中希望借助自动控制保持恒定值（或按一定规律变化）的变量。合理选择被控变量，关系到生产工艺能否达到稳定操作、保证质量、保证安全等目的。,被控变量的选择依据：1、根据生产工艺的要求，找出影响生产的关键变量作为被控变量换热器出口温度控制系统：工艺要求出口温度为定值。那么设计的控制系统就应以出口温度为被控变量。,2、当不能用直接工艺参数作为被控变量时，应选择与直接工艺参数有单值函数关系的间接工艺参数作为被控变量。,精馏工艺是利用被分离物中各组分的挥发温度不同，将各组分分离。但是，没有合适的仪表在线检测馏出物的纯度，则不能直接作为被控变量。塔内压力和塔内温度都对馏出物纯度有影响,3、被控变量必须有足够大的灵敏度被控变量必须灵敏，容易被测量。4、选择被控变量时，必须考虑工艺合理性上例中，选择塔内温度作被控变量，就是考虑了工艺上，塔内压力是最佳分离效率控制系统的被控变量。上例中，若塔顶、塔底的产品纯度都分别设置温控系统，会相互干扰，存在关联。因此，若采用简单控制系统，只能设置一个温控系统，保证塔顶或塔底一端的产品质量。,控制变量:把用来克服干扰对被控变量的影响，实现控制作用的变量称为控制变量或操纵变量。最常见的操纵变量是介质的流量，也有以转速、电压等作为操纵变量的。,5.2.2控制变量的选择,控制变量的确定被控变量选定以后，应对工艺进行分析，找出所有影响被控变量的因素。在这些变量中，有些是可控的，有些是不可控的。在诸多影响被控变量的因素中选择一个对被控变量影响显著且便于控制的变量，作为控制变量；其它未被选中的因素则视为系统的干扰。,1过程（通道）静态特性对控制品质的影响如图所示为单回路控制系统的等效框图。,Gc(s)控制器的传递函数；Go(s)广义控制通道（包括执行器和变送器）的传递函数；Gf(s)扰动通道的传递函数。,5.2.2.1过程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,扰动通道的增益对控制品质的影响,当干扰是幅值为F的阶跃信号,结论：控制通道的放大系数K0越大，系统的余差越小。控制通道的放大系数K0还可通过Kc加以补偿。Kc越大，余差越小。扰动通道的增益F越大，对余差的影响越大。,仿真,至1.5黑线,(1)、扰动通道Kf对控制品质的影响,(2)、时间常数对控制质量的影响,干扰通道的惯性因子（Tfs+1）使干扰作用的影响缓慢。Tf越大(滤波作用越强)，干扰对被控变量的影响越缓慢，越有利于控制。干扰进入系统的位置离被控变量检测点越远，则Tf越大，控制时最大偏差越小。,5,7,10到黑线,时间常数对控制质量的影响,1,2到红线,(3)、扰动通道的时滞对控制质量的影响,(4)、扰动进入系统位置的影响,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（或越靠近操作变量），扰动对控制系统被控变量的影响越小。因为扰动进入位置越远离被控变量，相当于等效时间常数越大或扰动通道的滤波环节越多，扰动对被控变量的影响越小。,(2)干扰通道的影响,由式2可知，,为惯性环节，对干扰,具有“滤波”作用，,越大，“滤波”,效果越明显，因此干扰通道的时间常数越大，干扰对被控参数的动态影响就越,小，因而越有利于系统控制质量的提高。,(3)干扰通道的影响,由式3可知，,的存在，仅仅使干扰引起的输出推迟了一段时间,因此，,的存在并不影响系统的控制质量。,(4)干扰进入系统位置的影响因此干扰进入系统的位置越远离被控参数，对系统的动态控制质量越有利。从静态看，这会使干扰引起被控参数偏离给定值的偏差相对增大，这对系统的控制品质又是不利的。因此需要权衡它们的利弊。,(1)干扰通道的影响：,越大，由干扰引起的输出也越大，被控参数偏离给定值就越多。,在系统设计时应尽可能选择静态增益,小的干扰通道，以减小干扰对被控参数,的影响。,无法被改变时，应当增强控制作用或采用干扰补偿的方法。,干扰通道特性对控制质量的影响总结:,2、调节通道动特性的影响,对象的自平衡性：具有自平衡的对象，控制性能佳无自平衡的对象，控制性能差。,(1)、调节通道的增益对控制品质的影响,在Kc一定的条件下，Ko越大，控制作用越强，克服扰动的能力就越强，余差越小。同时，Ko越大，被控参数对控制作用的反应就越灵敏，响应越迅速。但Kc一定，Ko越大，意味着系统的静态开环增益越大，对系统的闭环稳定性越不利。闭环总放大倍数的稳定是控制系统稳定的前提，因此，KoKc的乘积应保持恒定。选择操作变量时，应考虑Ko：大、稳。,时间常数大，反映速度慢，需要较长的过渡过程时间，但过程平稳；时间常数小，反映快，过渡过程时间相应减小；时间常数过小，容易引起振荡和超调。,(2)、调节通道的时间常数对控制品质的影响,(3)、调节通道时滞对动态性能的影响,纯滞后的存在，超调量将会增加，调节质量将会恶化。调节通道纯滞后越大，这种现象就越严重，调节质量也就越坏。,实际生产过程中，广义被控过程可近似看成由几个一阶惯性环节串联而成。,以三阶为例,相应的临界稳定增益,为,的大小完全取决于,三个时间常数的相对比值,可以证明：时间常数相差越大，临界稳定的增益则越大，这对系统的稳定性是有利的。,也就是说：在保持稳定性相同的情况下，时间常数错开得越多，系统开环增益就允许增大得越多，因而对系统的控制质量就越有利。,系统传函为：,(4)控制通道时间常数匹配的影响,(4)、控制通道的时间常数匹配问题,5.2.2.2控制参数的确定,1)选择结果应使控制通道的静态增益,尽可能大，时间常数,选择适当。,2)控制通道的纯时延时间,应尽可能小,和,的比值一般应小于0.3。,3)干扰通道的静态增益,应尽可能小；时间常数,应尽可能大，其个数,尽可能多；扰动进入系统的位置应尽可能远离被控参数而靠近调节阀。,这样选择对抑制扰动对被控参数的影响均有利。,4)当广义被控过程由几个一阶惯性环节串联而成时，应尽量设法使几个时间,常数中的最大与最小的比值尽可能大，以便尽可能提高系统的可控性。,5)在确定控制参数时，还应考虑工艺操作的合理性、可行性与经济性等因素,选择调节参数应尽量使调节通道的()A干扰通道时间常数尽可能小B.控制通道放大系数适当大C.控制通道时间常数适当小D.控制通道纯滞后时间尽量小E.干扰进入的位置离被调量测量点近一些。,控制参数选择的一般性原则,控制（操纵）变量的选择,实际上，被控变量与操纵变量是要求一起综合考虑的。操纵变量选择应该遵循一些原则：（1）操纵变量必须是工艺上允许调节的变量（2）操纵变量应该是系统中所有被控对象的输入变量中对被控变量影响最大的一个，控制通道的放大倍数K要尽量大，时间常数T适当小，滞后时间尽量小。,（3）不宜选择代表生产负荷的变量作为操纵变量，以免产量受到波动。如对于换热器，通常选择蒸汽流量作为操纵变量。如果不控制蒸汽流量，而是控制冷流体的流量，理论上可以使得出口温度稳定，但冷流体流量是生产负荷，一般不宜进行控制。,PID具有原理简单、使用方便、鲁棒性强、适应性广等许多优点。,5.2.4.1调节规律对调节质量的影响,1比例（P）调节规律的影响,为比例增益。,在电动单元组合仪表中，,，称为比例带,5.2.4调节规律对调节质量的影响及其选择,比例控制的特点控制及时、适当。只要有偏差，输出立刻成比例地变化，偏差越大，输出的控制作用越强。,控制结果存在余差。如果被调量偏差为零，调节器的输出也就为零即调节作用是以偏差存在为前提条件，不可能做到无静差调节。,比例调节作用于一阶惯性过程进行分析：,系统传函,这里,与,相比，减小了,倍，,越大，,减小得越多，说明过程的惯性越小，因而响应速度加快。但,的增大则,会使系统的稳定性下降。,2.积分（I）调节规律的影响,积分调节是牺牲了动态品质而使稳态性能得到改善的。,积分调节可得如下结论：,1)采用积分调节可以提高系统的无差度，也即提高系统的稳态控制精度。,2)与比例调节相比，积分调节的过渡过程变化相对缓慢，系统的稳定性变差。,当输入偏差e是幅值为e的阶跃时：,TI积分时间,将比例与积分组合起来，这样既控制及时，又能消除余差，可用于控制精度要求高的场合。,PI调节器的传递函数为,PI调节器的阶跃响应,可以看出：PI调节是将比例调节的快速反应与积分调节的消除稳态误差功能相结合，从而能收到比较好的控制效果。PI调节给系统增加了相位滞后，与单纯比例调节相比，稳定性相对变差。PI调节还有一个缺点，即只要偏差不为零，调节器就会不停地积分使输出增加（或减小），从而导致调节器输出进入深度饱和，调节器失去调节作用。因此，采用积分规律的调节器一定要防止积分饱和。,比例积分控制（PI）,微分调节器的输出与系统被调量偏差的变化率成正比。由于变化率能反映系统被调量的变化趋势，因此，微分调节不是等被调量出现偏差之后才动作，而是根据变化趋势提前动作。,但微分时间的选择，对系统质量的影响具有两面性。,当微分时间较小时，增加微分时间可以减小偏差，缩短响应时间，减小振荡程度，从而能改善系统的质量；,当微分时间较大时，一方面有可能将测量噪声放大，另一方面也可能使系统响应产生振荡。,单纯的微分调节器是不能工作的。,3.微分（D）调节规律的影响,其中,为微分时间,结论：,1）PD调节也是有差调节。这是因为在稳态情况下，,为零，微分部分不,起作用，PD调节变成了P调节。,2）PD调节能提高系统的稳定性、抑制过渡过程的动态偏差（或超调）。,3）PD调节有利于减小系统静差（稳态误差）、提高系统的响应速度。,4）PD调节的不足：首先，PD调节一般只适用于时间常数较大或多容过程；不适用于流量、压力等一些变化剧烈的过程。其次，当微分作用太强较大时，会导致系统中调节阀的频繁开启，容易造成系统振荡。,4.PD调节规律的影响,5.PID调节规律的影响,由传递函数可知，PID是比例、积分、微分调节规律的线性组合，它吸取了比例调节的快速反应功能、积分调节的消除误差功能以及微分调节的预测功能等优点而弥补了三者的不足，是一种比较理想的复合调节规律。从控制理论的观点分析可知，与PD相比，PID提高了系统的无差度；与PI相比，PID多了一个零点，为动态性能的改善提供了可能。因此，PID兼顾了静态和动态两方面的控制要求，因而能取得较为满意的调节效果。,控制系统在不同调节作用下的典型响应如下：,可以看到，如果不加控制，过程将缓慢地到达一个新的稳态值；当采用比例控制后，则加快了过程的响应，并减小了稳态误差；当加入积分控制作用后，则消除了稳态误差，但却容易使过程产生振荡；在增加微分作用以后则可以减小振荡的程度和响应时间。,1)当广义过程控制通道时间常数较大或容积迟延较大时，应引入微分调节；当工艺容许有静差时，应选用PD调节；当工艺要求无静差时，应选用PID调节；,2)当广义过程控制通道时间常数较小、负荷变化不大、且工艺要求允许有静差时，应选用P调节；,3)当广义过程控制通道时间常数较小，负荷变化不大，但工艺要求无静差时，应选用PI调节，,4)当广义过程控制通道时间常数很大、且纯滞后也较大、负荷变化剧烈时，简单控制系统则难以满足工艺要求，应采用其他控制方案；,5)若将广义过程的传递函数表示为,时，则可根据,的比值来,选择调节规律：当,时，可选用P或PI调节规律；当,时，可选用PID调节规律；当,时，应采用其他控制方式。,5.2.4.2调节规律的选择原则,1调节阀工作区间的选择正常工况下，调节阀的开度应在15%85%区间。据此原则计算、确定控制阀的口径尺寸。2调节阀的流量特性选择按补偿对象特性的原则选取。3调节阀的气开、气关作用方式选择按控制信号中断时，保证生产设备安全的原则确定。,5.2.4执行器的选择,负反馈控制系统的控制作用对被控变量的影响应与干扰作用对被控变量的影响相反，才能使被控变量值回复到给定值。为了保证负反馈，必须正确选择调节器的正反作用。,5.2.5调节器正/反作用方式的选择,调节器正反作用的确定原则:,保证系统构成负反馈,即:构成系统开环传递函数静态增益的乘积必须为正,(或者说)闭合回路中有奇数个反作用环节(调节规律和比较器作为一个环节)。,闭合回路中有奇数个反作用环节,首先根据生产工艺要求及安全等原则确定调节阀的气开、气关形式，以确定,的正负；,然后根据被控过程特性确定其属于正、反哪一种类型，以确定,的正负；,最后根据系统开环传递函数中各环节静态增益的乘积必须为正这一原则确定,调节器,正负，进而确定调节器的正反作用类型。,调节器正反作用类型的确定方法,例1：加热炉出口温度控制系统,负反馈验证：设某时刻燃料压力燃料流量炉温出料温度TC输入TC输出阀关小炉温出料温度,例2：储槽液位控制系统,负反馈验证：设某时刻进料量液位LC输入LC输出阀开大出料量液位,在控制系统设计或安装完毕后，被控对象、测量变送器和执行器这三部分的特性就完全确定了，不能任意改变。只能通过控制器参数的工程整定，来调整控制系统的稳定性和控制质量。控制器参数的整定，就是按照已定的控制方案，求取使控制质量最好的控制器参数值。具体来说，就是确定最合适的控制器比例度P、积分时间TI，和微分时间TD。,5.3调节器的参数整定,控制器参数整定的方法很多，主要有两大类，一类是理论计算的方法，另一类是工程整定法。理论计算的方法是根据已知的各环节特性及控制质量的要求，通过理论计算出控制器的最佳参数。这种方法由于比较繁琐、工作量大，计算结果有时与实际情况不甚符合，故在工程实践中长期没有得到推广和应用。工程整定法是在已经投运的实际控制系统中，通过试验或探索，来确定控制器的最佳参数。这种方法是工艺技术人员在现场经常使用的。,1.稳定边界法（临界比例度法）属于闭环整定方法，根据纯比例控制系统临界振荡试验所得数据（临界比例度Pm和振荡周期Tm），按经验公式求出调节器的整定参数。（1）置调节器Ti，Td=0，比例度P较大值，将系统投入运行。,（2）逐渐减小P，加干扰观察，直到出现等幅减振荡为止。记录此时的临界值Pm和Tm。,5.3.2调节器参数的整定,经验公式虽然是在实验基础上归纳出来的，但它有一定的理论依据。就以表中PI调节器整定数值为例，可以看出PI调节器的比例度较纯比例调节时增大，这是因为积分作用产生一滞后相位，降低了系统的稳定度的缘故。,(3)根据Pm和Tm，按经验公式计算出控制器的参数整定值。,稳定边界方法在下面两种情况下不宜采用：临界比例度过小时，调节阀容易游移于全开或全关位置，对生产工艺不利或不容许。例如，一个用燃料油加热的炉子，如果阀门发生全关状态就要熄火。工艺上的约束条件严格时，等幅振荡将影响生产的安全。,也属于闭环整定方法，但不需要寻找等幅振荡状态，只需寻找最佳衰减振荡状态(衰减比为4:1，或10:1的振荡过程)即可。方法：（1）把调节器设成比例作用（Ti=，Td=0），置于较大比例度，投入自动运行。（2）在稳定状态下，阶跃改变给定值（通常以5%左右为宜），观察调节过程曲线。（3）适当改变比例度，重复上述实验，到出现满意的衰减曲线为止。,记下此时的比例度Ps及周期Ts。n=10:1时，记Ps及Ts,2衰减曲线法,（4）按表（n=4:1）或按表（n=10:1）求得各种调节规律时的整定参数。,衰减比为4:1时，整定参数计算表,衰减比为10:1时，整定参数计算表,属于开环整定方法。以被控对象控制通道的阶跃响应为依据，通过经验公式求取调节器的最佳参数整定值。方法：不加控制作用，作控制通道特性曲线。,3.响应曲线法（动态特性参数法）,根据实验所得响应曲线，找出广义对象的特性参数K0、T0、，用下表的经验公式求整定参数。,此方法在不加控制作用的状态下进行，对于不允许工艺失控的生产过程，不能使用。,经验法,在实际工程中，常常采用经验法进行参数整定。若将控制系统按液位、流量、温度、压力等参数来分类，属于同一类别的系统，其对象特性往往比较相近，所以无论是调节器形式还是所整定的参数均可相互参考。经验法即是按受控变量的性质提出调节器参数的合适范围。流量调节系统它是典型的快过程，且往往具有噪声。对这种过程，亦用PI调节规律，且比例度要大，积分时间可小。液位调节系统对只需要实现平均液位控制的地方，亦用纯比例，比例度也要大。温度调节系统对于间接加热的温度控制系统，因为它具有测量变送滞后和热传递滞后，所以显得很缓慢。比例度设置范围约2060，具体还取决于温度变送范围和调节阀的尺寸。一般积分时间较大，微分时间约是积分时间的四分之一。,压力调节系统压力控制对象时间常数有的很大，也有的很小。图（a）直接控制离开塔顶的气体量，过程非常迅速。他的性质接近流量系统。所以可以仿照典型流量调节系统来选择调节器型式和参数。图（b）是通过控制换热器的冷剂量来影响压力，热交换的动态滞后和流量滞后都会包含到压力系统中。因而，这是一个由多容对象组成的慢过程，它的参数整定应参照典型的温度控制,图两个具有不同动态滞后的压力系统,经验整定值可见表,经验法整定参数,应该说这种经验法是很有用的，工业上大多数系统只要用这种经验法即能满足要求。它起码提供了合适的初值，假若还要更精确调整的话，可调整：（1)增大比例系数一般将加快系统的响应，余差变小，但使系统的稳定性变差。（2)减小积分时间，将使系统的稳定性变差，使余差（静差）消除加快。（3)增大微分时间，将使系统的响应加快，但不能太大，否则会对扰动有敏感的响应，使系统稳定性变差。,PID调节规律,参数整定找最佳，从小到大顺序查先是比例后积分，最后再把微分加曲线振荡很频繁，比例度盘要放大曲线漂浮绕大湾，比例度盘往小扳曲线偏离回复慢，积分时间往下降曲线波动周期长，积分时间再加长曲线振荡频率快，先把微分降下来动差大来波动慢。微分时间应加长理想曲线两个波，前高后低4比1（扩充响应曲线法）一看二调多分析，调节质量不会低,几种整定方法的比较,不同：反应曲线法通用性最强；临界比例度法和衰减曲线法都无需掌握被控过程的数学模型；从闭环试验对干扰有较好的抑制作用，开环试验对外界干扰的抑制能力很差的意义上说，衰减曲线法最好，临界比例度法次之，反应曲线法最差。,如图是奶粉生产工艺中的喷雾式干燥设备。此工艺要求保证奶粉含水量在2%2.5%。5.4.1干燥过程的控制系统设计,已浓缩的奶液从储槽流下，经过滤后从干燥器顶部喷出。干燥空气被加热后经风管吹入干燥器。滴状奶液在热风中干燥成奶粉，并被气流带出干燥器。,5.4单回路控制系统设计实例,控制方案设计1被控参数选择按工艺要求应首选奶粉含水量为被控变量，但此类在线测量仪表精度低、速度慢。,试验发现，奶粉含水量与干燥器出口温度之间存在单值关系。出口温度稳定在1502，则奶粉含水量符合2%2.5%。因此选干燥器出口流体温度为被控变量。,2.控制变量选择影响干燥器出口奶粉流体温度的主要可控因素有：,乳液流量变化f1旁路空气流量变化f2加热蒸汽流量变化f3若分别以这三个变量为控制变量，可以得到三个不同的控制方案。,影响量作用的位置不同：,乳液流量变化f1的作用通道最短；旁路空气流量变化f2的作用通道增加了3秒的滞后；加热蒸汽流量变化f3的作用通道又增加了两个100秒的双容滞后。,调节方案：方案1：取乳液流量为控制变量（调节阀1）,控制通道最短,方案2：取旁通冷风流量为控制变量（调节阀2）,由于有送风管路的传递滞后存在，较方案1多一个纯滞后环节=3s,热交换器为双容特性，因而调节通道又多了两个容量滞后，时间常数都是T=100秒。,方案3：取蒸汽流量为控制变量（调节阀3）,控制方案的判别：从控制效果考虑，方案1的调节通道最短，控制性能最佳；方案2次之，方案3最差。但从工艺合理性考虑，方案1并不合适。,因为