热工控制系统4

1、 第四章第四章 单回路控制系统单回路控制系统第一节、概述第二节、对象特性对控制质量的影响第三节、单回路控制系统的分析第四节、单回路控制系统的整定第五节、单回路控制系统实例 和是单回路控制系统的两个主要的组成部分 单回路控制系统原理框图单回路控制系统原理框图WT(S)W0(S)WZ(S)Wm(S)e()外扰yVTrVmf(内扰) 调节器有正作用和反作用，单回路控制系统调节器有正作用和反作用，单回路控制系统中调节器的正反作用方式选择的目的是使闭环系中调节器的正反作用方式选择的目的是使闭环系统在信号关系上形成统在信号关系上形成负反馈负反馈。 确定调节器正、反作用的次序一般为确定调节器正、反作用的次序

2、一般为:首先首先根据生产过程安全等原则确定根据生产过程安全等原则确定调节阀调节阀的形式、的形式、测量变送单元测量变送单元正反特性，然后确定正反特性，然后确定被控对象被控对象的的正反特性，最后确定正反特性，最后确定调节器调节器的正反作用。使系的正反作用。使系统正常工作时组成该系统的各个环节的极性统正常工作时组成该系统的各个环节的极性(可可用其静态放大系数表示用其静态放大系数表示)相乘必须为负相乘必须为负 各环节极性规定各环节极性规定 环节的环节的输入量输入量增加，其增加，其输出量输出量也增加，该环也增加，该环节为正特性，其静态放大系数为正。节为正特性，其静态放大系数为正。如：测量变送单元，控制对

3、象如：测量变送单元，控制对象W0(S)KZKmyVTVmy 执行器及阀门配合类型执行器及阀门配合类型 调节器偏差调节器偏差=测量值测量值-给定值，即给定值，即 e (t) = y(t) - r(t)e(t) = r(t) - y(t)控制系统偏差的定义：控制系统偏差的定义： 调节器正反作用定义：调节器正反作用定义： 正作用：正作用：e (e) u，即，即KC为正为正反作用：反作用： e ( (e) u) u，即，即KC为负为负设置正反作用的目的：使控制系统构成负反馈系统设置正反作用的目的：使控制系统构成负反馈系统PID广义被控对象广义被控对象给定值给定值r r被调量被调量y yeu控制器（调节

4、器）控制器（调节器）-1e 总总 结结 控制系统各环节的极性的规定：控制系统各环节的极性的规定： 正作用调节器正作用调节器：即当系统的测量值增加时，调节：即当系统的测量值增加时，调节器的输出亦增加，其静态放大系数器的输出亦增加，其静态放大系数K Kc c取正；取正； 反作用调节器反作用调节器：即当系统的测量值增加时，调节：即当系统的测量值增加时，调节器的输出减小，其静态放大系数器的输出减小，其静态放大系数K Kc c取负；取负； 气开式调节阀气开式调节阀：其静态放大系数：其静态放大系数K Kv v取正；取正； 气关式调节阀气关式调节阀：其静态放大系数：其静态放大系数K Kv v取负；取负； 正

5、作用被控过程正作用被控过程：其静态放大系数：其静态放大系数K K0 0取正；取正； 反作用被控过程反作用被控过程：其静态放大系数：其静态放大系数K K0 0取负。取负。过程控制系统要能正常工作，则该系统的各个环节过程控制系统要能正常工作，则该系统的各个环节的极性的极性( (可用其静态放大系数表示可用其静态放大系数表示) )相乘必须为负。相乘必须为负。 正反作用的判断方法正反作用的判断方法:PIDr ry yeu-sKeG(s)=Ts+1-例：过热蒸汽温度控制系统例：过热蒸汽温度控制系统 对象对象K K为负，要求其静态放大系数相乘必须为为负，要求其静态放大系数相乘必须为负负, ,则则K KC C

6、为正，控制器为正作用为正，控制器为正作用 控制作用被调量干扰作用干扰作用 热工对象W0（s）W0（s）干扰通道干扰通道控制通道控制通道 控制质量是用控制质量是用衰减率衰减率 或或衰减比衰减比n、动态偏差动态偏差ym（ ）、静态静态偏差偏差y（ ）或或e（ ）、控制时间控制时间ts等等 描述对象特性的特征参数是描述对象特性的特征参数是放大系数放大系数K 、时间常数时间常数Tc（T）、迟迟延时间延时间（n） WT(S)W0(S)reVTy（扰动）W (S)seTsKsW1)(00sesTKsW1)( *01TY sWssWs Ws 在单位阶跃扰动下,系统稳态值： *000111limsTPWsKy

7、Ws WssK Ks 干扰通道的放大系数干扰通道的放大系数K 越大越大 , 在扰动作用下系统的动态在扰动作用下系统的动态偏差、稳态误差偏差、稳态误差(静态偏差静态偏差)越大。越大。 T增加，被调量y对扰动的响应速度变慢，动态偏差减少 扰动通道的时间常数越大越好扰动通道的时间常数越大越好,这样可使系统的动态这样可使系统的动态偏差减小。偏差减小。1( )(1)nWsT s若：n增加增加,使闭环系统的动态偏差减小使闭环系统的动态偏差减小 当扰动通道存在迟延时,则相当于一阶惯性环节串联了一个迟延环节 *01sTWsY sseWs Ws( )()y ty t 扰动通道迟延时间扰动通道迟延时间的存在仅使被

8、调量在时间轴上平移了的存在仅使被调量在时间轴上平移了一个一个值即过渡过程增加了一个值即过渡过程增加了一个时间。并不影响系统的控制质时间。并不影响系统的控制质量。量。 扰动进入系统的位置离输出扰动进入系统的位置离输出(被调量被调量)越远越远,对系统控制质量影响就越小。对系统控制质量影响就越小。 控制通道的放大系数控制通道的放大系数KpKo 是一种互是一种互补关系，如果补关系，如果Kp保持不变，保持不变，Ko增大时控增大时控制系统的稳定性裕度下降，被调量的静态制系统的稳定性裕度下降，被调量的静态偏差减小偏差减小(给定值输入），控制系统的过渡给定值输入），控制系统的过渡过程的时间将加长过程的时间将加

9、长 讨论时间常数T和阶次n 控制通道的时间常数控制通道的时间常数T如果增大如果增大,系统的反应速度慢系统的反应速度慢,工作频率工作频率将下降将下降,系统的过渡过程的时间将加长，减小控制通道的时间常数，系统的过渡过程的时间将加长，减小控制通道的时间常数，能提高控制系统的控制质量。能提高控制系统的控制质量。 惯性对象阶次惯性对象阶次n越大对被调量的影响越慢，调节的也越慢，使越大对被调量的影响越慢，调节的也越慢，使控制系统的动态偏差、控制过程的时间增大，稳定性裕度减小。控制系统的动态偏差、控制过程的时间增大，稳定性裕度减小。 讨论时间常数Tc和迟延时间为 当控制通道有迟延时当控制通道有迟延时, 迟延

10、时间对调节是不利的，控制质迟延时间对调节是不利的，控制质量主要取决于迟延和时间常数的比值量主要取决于迟延和时间常数的比值/Tc ,比值越大则控制质量比值越大则控制质量越差。越差。对象特性的其它条件不变时对象特性的其它条件不变时, ,迟延越大迟延越大, , 动态偏差、控制过程动态偏差、控制过程的时间越大。的时间越大。对象特性的其它条件不变时对象特性的其它条件不变时,时间常数越大时间常数越大, 动态偏差、控制过动态偏差、控制过程的时间减小，稳定性裕度增大，时间常数程的时间减小，稳定性裕度增大，时间常数Tc增大能提高系增大能提高系统的控制质量。统的控制质量。 迟延时间一定Tc1=25Tc2=110T

11、c2=150 WT(S)W0(S)reVTy（扰动）W (S)Kp, ,稳定性下降，静稳定性下降，静态偏差态偏差，动态偏差动态偏差P P调节器适合于干扰较小，对调节器适合于干扰较小，对象滞后、时间常数较小，调象滞后、时间常数较小，调节精度不高的场合节精度不高的场合 KI/SK/(TS+1)reVTy（扰动）-K /(TS+1) * *KI越大越大(T(Ti越小越小) ),积分调节作用越强积分调节作用越强,会使调节过程加会使调节过程加剧振荡剧振荡,稳定性降低稳定性降低,但被调量的动态偏差有所减小。但被调量的动态偏差有所减小。 * *控制过程结束之后无静态偏差。控制过程结束之后无静态偏差。 * *

12、调节器一般只用在时间常数小而自平衡率很大的单调节器一般只用在时间常数小而自平衡率很大的单容对象上。容对象上。 WTK/(TS+1)reVTy（扰动）-K /(TS+1) 主要分析调节器参数主要分析调节器参数比例带比例带 、积分时间积分时间Ti、微分时间微分时间Td对控制过程的影响对控制过程的影响控制器类型控制器类型 PPIPID 说明说明整定参数整定参数 TiTi Td:表示增加表示增加: :表示减小表示减小T Td d 过大时，过大时，将出现较高将出现较高频率的振荡频率的振荡而衰减率减而衰减率减小小. .主主 要要 性性 能能衰减率衰减率略有略有略有略有 略有略有动态偏差动态偏差略有略有略有

13、略有振荡频率振荡频率 略略有有略略有有复原速度复原速度稳态偏差稳态偏差(负荷扰动时负荷扰动时)T Ti i过大时，输出响应缓慢地趋向其稳过大时，输出响应缓慢地趋向其稳态值，态值， 对于振荡过程输出偏向在稳对于振荡过程输出偏向在稳态值之上态值之上( (或下或下) )振荡振荡. . 控制系统的整定控制系统的整定是指在控制系统的结构已经确定、控制仪表是指在控制系统的结构已经确定、控制仪表与控制对象等都处在正常状态的情况下与控制对象等都处在正常状态的情况下,适当选择调节器的参数适当选择调节器的参数(、Ti 、Td) 使控制仪表的特性和控制对象的特性配合使控制仪表的特性和控制对象的特性配合,从而使控制系

14、从而使控制系统的运行达到最佳状态统的运行达到最佳状态,取得最好的控制效果取得最好的控制效果 。控制系统的整定方法有：控制系统的整定方法有：理论计算方法：广义频率特性法理论计算方法：广义频率特性法工程整定方法：响应曲线法工程整定方法：响应曲线法 广义频率特性法是通过改变系统的整定参数广义频率特性法是通过改变系统的整定参数,使控制系统的开使控制系统的开环频率特性变成具有规定相对稳定性裕度的衰减频率特性环频率特性变成具有规定相对稳定性裕度的衰减频率特性,从而使从而使闭环系统响应满足规定衰减率的一种参数整定方法。闭环系统响应满足规定衰减率的一种参数整定方法。开环传递函数为开环传递函数为:*0( )(

15、)( )kTWsWs Ws*0()()()1kTWmjWmjWmj *001()()()TWmjWmjWmj(,)()(,)(,)(,)TjmTTTTWmjRmjImAme0(,)0000()(,)(,)(,)jmWmjRmjImAme 广义特征方程：广义特征方程： 说明：说明：（1）如果调节器只有一个整定参数）如果调节器只有一个整定参数,就可求得唯一解。就可求得唯一解。（2）如果调节器有两个或三个整定参数）如果调节器有两个或三个整定参数, 能得出无穷多组解。能得出无穷多组解。所求出的各组调节器整定参数值使系统瞬态响应中的主导振荡所求出的各组调节器整定参数值使系统瞬态响应中的主导振荡成分的衰减

16、率等于指定的数值成分的衰减率等于指定的数值,但振荡频率但振荡频率(和振幅和振幅)并不一样。并不一样。此时此时,应该用其他指标进一步从中选定最合适的调节器整定参应该用其他指标进一步从中选定最合适的调节器整定参数值。一般情况下数值。一般情况下,为保证主导振荡成分具有规定的衰减率为保证主导振荡成分具有规定的衰减率,应应选择其中频率最低的一组解选择其中频率最低的一组解 100500055122200()(1)(1)() Tj tgmTWmjmTjTmTTe (一一) 单参数调节器整定单参数调节器整定5001( )(1)WsT s(其中 To 值已知 )1( )TWs,以系统瞬态响应的衰减率=0.75为

17、整定指标,求调节器参数的数值。解：5001( )(1)W sTs 例4-1对象的传递函数Wo(s)为调节器的传递函数为 0012520201511mTTtgTmT)()( 000.72715Ttgm T 得得=0.75 时,m=0.221,把m值代入上式,得：To =0.62652221(10.2210.626)(0.626) 1.37 指定衰减率指定衰减率00.750.90.998与与值相应的值相应的m00.2210.3661To0.7270.6260.5740.42振荡周期振荡周期T/To8.641010.915Kp2.891.370.8880.1880.3460.731.135.31 对

18、于具有一个以上整定参数的调节器对于具有一个以上整定参数的调节器 ，只规定，只规定m值，其解是不确值，其解是不确定的。为此，应采用其他性能指标，从中选择最佳一组整定参数。定的。为此，应采用其他性能指标，从中选择最佳一组整定参数。1. 调节器为比例积分作用调节器为比例积分作用比例积分调节器的广义频率特性为：22()(1)(1)IITpK mKWmjKjmm ()ITpKWmjKmj 2000(1)(,)(,)(,)IpKmImKmImR m 0000(,)0000()(,)(,)(,)(,)cos(,)sin(,)jmWmjRmjImAmeAmmjm 或者由：200000(1)(,)sin(,)(

19、,)sin(,)cos(,)IpKmA mmKA mmmm 可得： 通常选取通常选取KpKI为为最大这组参数作为最住参数最大这组参数作为最住参数 2. 调节器为比例微分作用调节器为比例微分作用调节器的广义频率特性为:()()()TPdPddWmjKKmjKK mjK 000001(,)sin(,)(,)sin(,)cos(,)dpKA mmKA mmmm 给定给定m值值,就可在调节参数就可在调节参数Kd Kp平面平面上画出以上画出以为参变量的等衰减率曲线为参变量的等衰减率曲线 为了在保证系统瞬态响应的衰减率一定为了在保证系统瞬态响应的衰减率一定的前提下尽量减小稳态偏差的前提下尽量减小稳态偏差,

20、应选择尽可能应选择尽可能大的大的KP值。因此值。因此,在等衰减率曲线上以在等衰减率曲线上以KP 数值最大的点作为调节器的整定参数数值最大的点作为调节器的整定参数 (1) 写出比例积分微分调节器的广义频率特性；写出比例积分微分调节器的广义频率特性；(2) 根据广义频率特性求得根据广义频率特性求得KI、Kp的表达式。的表达式。(3) 设定一系列设定一系列Kd 值。在每一个值。在每一个Kd值上值上,计算计算KI、Kp 等衰减率曲线等衰减率曲线;(4) 对于每一个对于每一个Kd 值值,在在KI、Kp等衰减率曲线上选出一组最适当的等衰减率曲线上选出一组最适当的KI、Kp值值;(5) 对于上述选出的各组对

21、于上述选出的各组KI、Kp 、Kd 值值,分别作出控制系统阶跃响应分别作出控制系统阶跃响应曲线曲线 ,以其绝对值积分准则以其绝对值积分准则 最小的一组最小的一组KI、Kp 、Kd 值作为调节器的整定参数。值作为调节器的整定参数。0( )Jy t dt 广义频率特性整定调节器参数是以对象的传递函数为基础，计广义频率特性整定调节器参数是以对象的传递函数为基础，计算工作量很大，计算的结果还需通过现场试验加以修正，所以在工算工作量很大，计算的结果还需通过现场试验加以修正，所以在工程上采用的不多。程上采用的不多。 工程实际中，常采用工程整定法，它们是在理论基础上通过实工程实际中，常采用工程整定法，它们是在理论基础上通过实践总结出来的践总结出来的 。 响应曲