简单控制系统的设计及参数调整方法

1、第五章简单控制系统的设计过程控制与自动化仪表多媒体课件西安理工大学自禅化与信息工程学院信息与控制工程系过程控制与自动化仪表课题组潘永湘制作2002年第五章简单控制系统的设计解决的问题：/（一）简单控制控制系统的设计必是什逅今/ （二）过程特性对控制质量的洒及控制方朿如何确定？（三）调节规律对控制质量育什么影响及调节规律如何选择？今（四）调节器参数的整定方袪。今（五）单冋路控制系统设计举例图5U 简单控制系统典型结枸框图2、对控制系统的一般要求：系统稳定，过度过程时间短，控制WrWjo第五章简单控制系统的设计3/覇系统的*+步骤/，（1）熟悉系统的技弋要求或性自前标? ill：超调量，稳定误 差

2、，调节时间，上升前间，衰於匕等。（2）了解工艺过程，建立号爪的数学模型（3）依据过程的数学模型，确怎控制方案，即确定操作变量（或控制介质）；被控参数的确定及测量与变送；调节阀的选样；调节器作用方式的选择。（4）依据调节规律对调节质量的彩响，结合工艺情况确定调 节规律。&5）依据过程的技性确定调节器跑蔘載。/（6）仿真研究或实耐模拟。 /（7）匚程化设讣，仪农调校，/匸程安装，爲节器参数的实际整定等。 /第五章简单控制系统的设计（刁）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系统输出与I：扰之间的传越函数为:K则士二!±J_F(s) 1 + Gc(s)Gv(s)G

3、P(s)H(s) Tfs+C(s)F(5)1 + Gc(s)Gv (s)Gp(s)H(s)设 Gf(£)= A严八 7； 5 + 1C(5)I第五章简单控制系统的设计上式可见:（1）0越犬，由F CS）引起的"S）则越大，即C （S）偏 离期塑值越大；所以希望Kf值删、越好。（2）Tf越大，惯性越强，对頁扰的“滤波”效果越明显，讦 扰对输出的动态影响越小，所以希望1；越人越好（3）t 的存在于否,不影响系统的控制质量，所以应尽可能 将纯滞后吋间长的环节置于干扰通道。（4）当干扰进入系统的位置不同，即十扰在GP （S） Z前进 入时：力、结：V扰通道特性中0越小越好，Tf越大

4、越好。尽可能将大的 T f置于干扰通道，尽可能使扰进入系统的位置远离被控参数。2、控制通道的特性对控制质量的影响 定性分析：谕则 ¥/Tps +1心越大，控制典对过程输呗影I处强，克服干挠的能力 也越强，系统的稳态误差也越3/被控戰尹控制作用的反应 越灵敏，在开环放人倍数一炉稳定性的佥枣）时，心越犬， 则心可以减小，降低了对四给器的性能要求，'所以：心越人 越好；/（2）八越人，对被控参数的调节作用不及时，过渡过程时间拖长, 但当7；过小，会使控制作用过于灵敏，容易引起系统振荡，所以， 应使0适当，既不能太大，也不能太小；（3）控制通道的纯滞后时间T p会对控制质量带來极为不

5、利的影 响，这是因为：第五章简单控制系统的设计（a测董怎的曲怦延，会使控制峽能及时察觉被控参城的变化.（/）控制方面的纯龜，会使控制作猴能及时产生胡的效果；Ac）纯时延会增加滞肩相角，导致系统的稳是性降低;控制通道的时间常数应尽皿紅错开，这足因为，当广义被控过程近似为:弘）5+叽二）心 严山控制理论丽其相应的临界稳定增益为:P控制系统的设计第五章简单1= 2 + 7；/码 仔+7；亿 +爲M + 巧/厶+7； /由上式可知：K。的犬小取决于7/几，7*；的相对比值，如 T、=叫 T? = b7,肖a = b = 7,则有K。二.25,但当a = b = 5W寸，贝IJ有7 = 37.44,a

6、= b=K0 - 122.21由此叮见，时间常数越错开，K。越人，对系统稳定性越有 利，在保持一定稳定性的条件下，对保持质最越彳了利。小结控制通道的Kp越人越好，0适当减小，。越小越好，多个 时间常数的大小越错开越好。控制方案的确定控制系统的设计系统被控参数选取的般原则(a) 应选取对产品的离量.质闻境保护有决定性作用、叉町直接进行测量的 控参数(直接参数)；(b) 选取与上述直接参数仃单值对应关系的间接参数作为被控参数；?(c) 间接参数对产品质量应有足够的灵敏性；(d) 应考虑工艺的合理性及仪表的性能价格比等：安金生海.经济运行.环 艺参数作为被特别说明：被控参数般由I艺匚程师确泄，控制程

7、师无 多人选择余地。第五章简单控制系统的设计:制参痂甌择(重要选臺依据过程特性控制质量的影咐 一般原则：(a) Kp越大越好，0适当小 廉；(b) 越小越好,tpITp /0.3(c)K/尽可能小，7；尽可能：，尽可能多，尽可能将大的纯滞 后置于干扰通道，十扰进入系统的位置尽可能远离被控参数。不难川纳选择控制参数的(d)尽可能将广义对象的时间常数错开，UJJniw /Tlrin越大越好。(e)考虑工艺操作的合理性、经济性等因素。第五章简单控制系统的设计3产节阀的选打y/f (1)气动与电动的砂择：考虑缈大1素；推力的人小、'被控介质 佔情况(高温，高压,'孕燃，易*,剧噬Z结晶

8、，强腐蚀，高粘 度等)、安全保证等。'/(2) 气动执行器气开、气关的选择原则： 漏节器输出为零时,使生产处于安全状态(详见纯动执行器)。'(3) 调节阀开度和口径的选择原则：在正常运行状态卜，使调 节阀开度处于15%-80%之间。(4) 调节阀流最特性的选择原则：使被控过程的特性与调节阀 的流量特性相互作用成线性特性。4.调节播叔顽的选择J/定义：(1)、"i被控*程的输入疑增力呗 被控参数也增加；称 / 为正作用过程此时，记Kp>o：贝IJ,记KpvO(2)当调节阀为4酉时，a；Kv>0,WiJ，记KvvO(3)当反馈到调节器输必鬧的系统输;I、测量值

9、增加时， 调节器的输出随之增加/称为正作用，此吋记Kc V0 ;否 贝 IJ ,记 Kc > 0(4) Km>0原则：欲使反馈控制系统能正常工作,则 心 Kv K, Km > 0第五章简单控制系统的设计确定步骤：/(马晁瓏仏；(2)再确定心(3)叡后确定心。/(叩)调节规律对拗质量的尊鯛期节规律的确定1、比例调节规律对系统调:徹量的矗晌(1)« = Kce = e 6 = J称为比例带6K c当“代表调节阀开度的变盛，则&弋表调节阀开度改变100%时所需要的系统被调駅的允许变化范围，常川相对于被调屋仪农量程的白分比表示，如测量仪表量程为100°C,

10、莎= 50%就意味着被调量改变50°C,就使调节陶由全关到全开。（2） P调节对系统丿超:的影响:/）比例调节是一种申差调节？ / b）比例调节系统的静差随比例增人而增大？比例带 沧减少，意味着系统稳屋性降低/C）比例调节不适合给定值硏间变化的情淤d）增人Kc （即减小比例带，町以减少系统的静差,快系统的响应速度？这是因为:KTs + 11 + /QK。l + K*（惯性减小）第五章简单控制系统的设计2、积分调节规备尹系统调节洋的影响（）u = ScedtSc称为呼人2）积分调节对系统质虽的影a）比例调节足种无差调节,积分调节可以尹高系统的稳态控制精度：/b）积分调节可使过渡过程变慢

11、，稳怎性变差，还会产生积分饱和现彖。'（3）工程中常用PI调节，即：T,-积分时间常数第五章简单控制系统的设计/X Z/特点：将比例控帝渝快速反W与积為消除静差相结合。/3、/微分调节规律对系统调节质屋的影响(2)(3)e de“一5U = K(e+ K(Tn =Z (w + Tn ) c c D dt d D dt o-微分时间/弋匸程中实际的PD调节器(为消除噪声而增加滤波环节)厂/1乙$+1叽飞一s+ 1KdK°-微分增益第五章简单控制系统的设计(4? PD调节规律对筌统调节质量的影响PD调节为有差*节？PDnJ提高系统誦稳定性，衣#6最大处偏差？ PD有利丁减少稳态误

12、差，人高响应速认PD不适用于变化剧烈的过程，如丿E力、量等;PD对于纯时延过程是羌效的。b)d)e)4、PID调节规律第五单控制系统的设计(2厂优点：P的快速性，I的消除静差功巒叫严测功能，4和取 氏补短，兼顾了静态打动态两方孟的控漏股求；(3)缺点：难以将二个参数整定的最住，参数整定不合理，会取得 相反的效果。5、调节规律的确定：/(1) 当过程时间常数较犬或容积延迟较人时，引入D；或PD、PID：(2) 当过程时间常数较小，负荷变化不大，允许有潍差时, 可选P；第五章简单控制系统的设计3)当过程时间常数较小，负荷变选 PI;(4) 当时间常数很大、纯延迟较钦，负荷變化剧烈，检采用其他控制方

13、案。'K of(5) 当Gp(5)= TpS + 1当tpITp < 0.2时，可选P或P/。当0.2 < tp/Tp <1.01 甘，町选用PD或P/D。当j/7； >1.011寸，采用其他控制方案。:人，要求无静差J时,返卜価第五章简单控制系统的设计（五/调节器参数电工程整定八/1$参数整定的目标:/ （1）衰减率 0=0.75 ）9 或哪E比n:l=Vl 10:1：/稳态误差；最大动态偏差；疯过程时间。（2）平方误差积分（ISE），绝对误差积分（IAE）,时间乘 以绝对误差积分（ITAE）分别取极小。2、参数整定方法：（1）理论整定法（根轨迹法、频率法等，

14、依赖于数学模型）；（2）工程整定法（较少依赖数学模型）。第五章简单控制系统的设计3、调节號参数的工輙定方法。1/临界比例度法（1）临界比例度法整册骤a）系统闭环运行： Tj 皿心 0,聲大；b）系统稳定运行后：设定讷-阶跃；减小I,系统输出 出现等幅震荡，即如图所M；记下此时的临界比例度 冰和 临界振荡周期八；第五章简单控制系统的设计C）按下表计算出P、I. D调节器的参数我5-1采用牆界比例度法的定數'、'、_基定参数 週节规启'、3(%)JP2九PI2.2%o.BsrKP5D17几0,5 TkO.125Tk|（2）优缺点：a）该法可直接在闭环状态下进行，且无需测试过

15、程的动态特性;b）方法简单，使用方便；第五章简单控制系统的设计c）应頑限：有*过程不允许出现魏震荡，有些过巧前根本不承现等幅振荡：/d）实际运行的修正:对无性的為弹，会出现y/>0.75 /j有自衡特性的高阶过就 会出现y/<0.75J）衰减曲线法/ （1）整定步骤：/Q）先使7；8,7；-0,廠大，使系统闭环运行；b）待系统稳定后，对设定值作阶跃扰动，观察系统输出， 调整5 ,使输出出现如下页所示的哀减振荡过程，记下此时 的心以及耳或7>第五章简单控制系统的设计c）欢下农计算PID他轡节器参数。:袁祓邯0两节规律f0.75P長tPI1,26.557；PLD0.8037o.i

16、r.0.90PPl比1.22TrPID0 驱1.2Tr0.47；（2）优缺点：a）适用于大多数过程，闭环运行，无需测试过程特性;b）对扰动频繁的过程，鮫难确定衰减程度。3）枷血线法（动辱性参数法）/）整定步骤：/ /G）系统处于开环状态在调IVlWj输入淪I弋一单位阶跃扰动, /记录Gm（s）的输出响应曲线y（少b）求取近似的过程的传递函数对无自平衡能力的对象：GP（s） = -eS 对有自平衡能力的对象：Gp($)=1+GUp严1 +兮第五章简单控制系统的设计用作图法求出其参数:第五章简单控制系统的设计 / /c) 按分别求取P1D参数(见P180 5-3,5-4)辭3厂075过理无自觥力吋

17、牆定林公丸词节鏡律Ci；(s)8r*%P14a1PI.(咗)“l.lfT 3.3rPID卜討M0J5cr2t0.5:第五章简单控制系统的设计»5-4卩=0.7511程有自希堂力时的整定计JI公丸用节规律'D-盍“20.2 < c 1.5s&A>Srwp卩壬心pia ；十)33r2.6和薦o.sn?1D(*4 r,t + 切2rO.5r2.6 f-°13 J"O.SITi 0.19:0.25 r第五章简单控制系统的设计dp按柯恩-库恩楼半公式，为： p4 = <r/）_，+0333?i O i pfl + 2.2（r/7；）PID

18、:丄=1.35（r/7；）-1 + 0.27 / K pT _2.5（r/7；） + O.5（tr/7；）2 T '_ l + 0.6（r/7；）0T 二 O.37（f/7；） D 1 + 0.2（t/7；）0第五章简单控制系统的设计,其整定公式为:Z5/： j = -L0.9（r/7；） * Z）.0821J 丁 333（r/7；）4-（r/7；）2 丁el以E、ISE、弋AE的极小化为准P'.KcKp = At!TbI:T"严 AWT$D:TD/Tn = A(T/TQ)a式中：心 丄 A、的具体数值可由Pl815-5查知。 d4、整定实例已知广义过程的传递函数为G

19、P(s) = -1- (5$+ 1)(2$+ 1)(105 + 1) 由阶跃响应曲线可得近似的一阶带纯滞后的传递函数为：Gp($) = !严20$ +1第五章简单控制系统的设计先用反应曲线法：2 5r/几=厶= 0.125*02查表可斤眾20 -P:5_0125, KCSPI :KC =7.3,7； =8.25P1D: Kc =947； =5兀=125再用柯恩-库恩整定公式计算可得:P: Kc = 8.3Pl: Kc = 739Tt = 6.6PID: Kc = 10.9,7； = 585、心=0.89第五章简单控制系统的设计踊用临界比例度法：P:Kc= 6.25PI :KC=5.1JI 112.85PID: Kc = 7.35,7； = 7.56,7；. = 1.89同-整定方法不同计算公式的和应误差为:P: -3.75%; PI : %,20%;P/D:-16%-17%,29%不同整定方法和应谋差为：P : 22%;PI : 22%,56%;PID : 22%-51 %-51 %屛I算可知，同飞工程整定方法借用不同计算公式，则相应的 相沁差较小，而不|单工程整定殍，则卞应的相对矽处较人。 J三种工程整定方法的比较/1. 共同点:通过试验然后按工映定经验公式计算而得2. 不同点：/1）反