第11讲----单回路控制系统参数整定

一 系统整定的基本概念1控制系统整定：所谓控制系统的整定，就是根据被控对象的特性选择最佳的整定参数（主要有：调节器参数的设置、各信号间的静态配合、变送器以及调节机构的参数选择等，其中主要是设置合适的调节器参数），以达到满意的控制效果。2概念的理解：(1) 单回路控制系统主要由调节器和被控对象构成，通常被控对象的动态特性是无法轻易改变的，要得到满意的调节效果，就要合理的设置调节器的参数。因而，单回路控制系统的整定实际上就是调节器的参数整定。调节器的参数主要有三个，即比例调节规律的比例带、积分调节规律的积分时间和微分调节规律的微分时间。(2) 控制系统整定的前提条件就是控制系统的结构已知，也就是说，控制系统是由那些元件构成的、元件之间的连接方式、调节器的调节规律、对象的动态特性等都已经确定。(3) 衡量系统参数整定是否达到最佳的依据是控制系统的性能指标。通过对系统参数的整定，使系统的性能指标达到要求。(4) 值得注意的是，系统参数的整定只能在一定的范围内起作用，若设计方案不合理，自动调节仪表和调节结构选型不当，安装质量不高，被控对象存在缺陷，则无论用什么方法进行整定，都不会得到满意的效果。3整定方法：常用的系统整定方法可以分为两类，u 理论整定法：理论整定法根据调节原理的有关基本原理进行计算，对调节器的参数进行整定，比较复杂，在现场应用较少。u 工程整定法：工程整定法在现场得到了广泛的应用二 单回路控制系统的工程整定法工程整定法主要有四种，即经验法、临界比例带法、衰减曲线法以及响应曲线法。1经验法经验法实际是一种试凑法，是在生产实践中总结出来的参数整定法，该方法在现场中得到了广泛的应用。利用经验法对系统的参数进行整定时，首先根据经验设置一组调节器参数，然后将系统投入闭环运行，待系统稳定后作阶跃扰动试验，观察调节过程；若调节过程不满足要求，则修改调节器参数，再作阶跃扰动试验，观察调节过程；反复上述试验，直到调节过程满意为止。经验法整定参数的具体步骤如下：(1) 首先将调节器的积分时间Ti置最大，微分时间Td置最小，根据经验设置比例带的数值，完成后将系统投入闭环运行，待系统稳定后作阶跃扰动试验，观察调节过程，若过渡过程有希望的衰减率则可，否则改变比例带的值，重复上述试验，直到满意为止； (2) 将调节器的积分时间Ti由最大调整到某一值，由于积分作用的引入导致系统的稳定性下降，因而应将比例带适当增大，一般为纯比例作用的1.2倍。系统投入闭环运行，待系统稳定后，作阶跃扰动试验，观察调节过程，若过渡过程有希望的衰减率则可，否则改变积分时间Ti的值，重复上述试验，直到满意为止； (3) 将调节器的微分时间由小到大调整到某一数值，系统投入闭环运行，待系统稳定后，作阶跃扰动试验，观察调节过程，修改微分时间重复试验，直到满意为止；2临界比例带法临界比例带法又称边界稳定法，首先将调节器设置成纯比例调节器，然后系统闭环投入运行，将比例带由大到小改变，观察系统输出，直到系统产生等幅振荡为止。记下此状态下的比例带数值（即为临界比例带k）和振荡周期Tk，然后根据经验公式计算调节器的其它参数。利用临界比例带法进行参数整定的具体步骤如下：(1) 将调节器的积分时间Ti置于最大，微分时间Td置最小，即Ti，Td0；置比例带为一个较大的值；(2) 系统闭环投入运行，待系统稳定后调整比例带的数值直到出现等幅振荡。记录并计算临界状态下临界比例带k和振荡周期Tk，根据表21计算调节器的参数；(3) 将调节器按计算出的参数设置好，系统闭环投入运行，待系统稳定后作阶跃扰动试验，观察系统的调节过程，适当修改参数，直到满意为止。 表21 临界比例带法计算公式调节规律TiTdPPIPID2k2.2k1.7k0.85Tk0.5Tk0.125Tk3衰减曲线法衰减曲线法是在临界比例带法的基础上发展起来的，它既不象经验法那样要经过大量的试凑过程，也不象临界比例带法那样要求系统产生临界振荡过程。它是利用比例作用下产生的4:1衰减振荡（0.75）过程时的调节器比例带s及衰减周期Ts，或10:1衰减振荡（0.9）过程时的调节器比例带s及过程上升时间tr，根据经验公式确定调节器的参数。具体做法如下：(1) 置调节器参数Ti，Td0，比例带为一个较大的值，将系统投入闭环运行；(2) 待系统稳定后作阶跃扰动试验，观察控制过程。若大于要求的数值，则逐步减小比例带并重复试验，直到出现0.75或0.9的控制过程为止，并记下此时的比例带s；(3) 根据控制过程曲线求取0.75衰减周期Ts或0.9时的上升时间tr；(4) 由表22计算调节器的参数、Ti、Td。(5) 按计算结果设置调节器的参数，作阶跃扰动试验，观察调节过程，适当修改调节参数，直到满意为止。表22 衰减曲线法计算公式规律TiTd规律TiTd0.75PPIPIDs1.2s0.8s0.5Ts0.3Ts0.1Ts0.9PPIPIDs1.2s0.8s2tr0.8tr0.4tr4响应曲线法上述三种方法均不需要事先知道被控对象的动态特性，直接在闭环系统中进行整定。而响应曲线法则是根据对象的阶跃响应曲线，求得对象的一组特征参数、（无自平衡能力的对象）或、（有自平衡能力的对象），然后按表23或表24中的公式计算调节器的整定参数。三 四种工程整定方法比较(1)经验法经验法是凭借现场调试经验对调节器参数进行试凑，因而，没有经验或经验不丰富的人是没无法采用这种方法对调节器参数进行整定；即使经验丰富的调试人员，要紧行试凑的工作量也很大，尤其当调节器为PID调节器时，需要对比例带、积分时间、微分时间三个参数进行试凑。该方法唯一的优点是简便，不需要计算，核心是“凭经验，看曲线调参数”，但工作量大；(2)临界比例带法采用临界比例带法整定系统时，必须通过调调节器的比例带使系统发生等幅振荡，不少生产过程是允许的。而对一些生产过程，现场操作起来存在一定的难度，例如对一些比例带较小的控制系统，试验中不小心就会使系统进入不稳定状态；而有些生产过程根本就不允许被调量发生等幅振荡。(3)衰减曲线法衰减曲线法现场操作比较简单，容易掌握，没有临界比例带法那么多的限制和缺点，因而得到了广泛的使用。但采用该方法对调节器参数整定时，由于外界的干扰以及所用仪表本身的缺陷等原因而不能很准确的判断响应曲线是否达到衰减率为所要求的衰减率（4：1或10：1）的衰减过程，因而很难获得准确的比例带s及衰减周期Ts。(4)响应曲线法与前面三种整定方法相比，响应曲线法是根据对象的阶跃响应曲线对调节器的参数进行整定的，无需控制系统投入闭环运行，只需要求取系统中被控对象的动态特性。 即简单又省时，但需要反复进行多次的对象动态特性试验，才能获得准确的响应曲线。可见，四种工程整定方法都具有各自的特点，在实际的应用中应根据具体情况进行选择使用，以取得满意的效果。表23 衰减曲线法整定参数计算表（一）（0.75）被控对