第11講----單回路控制系統(tǒng)參數(shù)整定

1、一 系統(tǒng)整定的基本概念1控制系統(tǒng)整定：所謂控制系統(tǒng)的整定，就是根據(jù)被控對(duì)象的特性選擇最佳的整定參數(shù)（主要有：調(diào)節(jié)器參數(shù)的設(shè)置、各信號(hào)間的靜態(tài)配合、變送器以及調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)的參數(shù)選擇等，其中主要是設(shè)置合適的調(diào)節(jié)器參數(shù)），以達(dá)到滿意的控制效果。2概念的理解：(1) 單回路控制系統(tǒng)主要由調(diào)節(jié)器和被控對(duì)象構(gòu)成，通常被控對(duì)象的動(dòng)態(tài)特性是無(wú)法輕易改變的，要得到滿意的調(diào)節(jié)效果，就要合理的設(shè)置調(diào)節(jié)器的參數(shù)。因而，單回路控制系統(tǒng)的整定實(shí)際上就是調(diào)節(jié)器的參數(shù)整定。調(diào)節(jié)器的參數(shù)主要有三個(gè)，即比例調(diào)節(jié)規(guī)律的比例帶、積分調(diào)節(jié)規(guī)律的積分時(shí)間和微分調(diào)節(jié)規(guī)律的微分時(shí)間。(2) 控制系統(tǒng)整定的前提條件就是控制系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)已知，也就是說(shuō)

2、，控制系統(tǒng)是由那些元件構(gòu)成的、元件之間的連接方式、調(diào)節(jié)器的調(diào)節(jié)規(guī)律、對(duì)象的動(dòng)態(tài)特性等都已經(jīng)確定。(3) 衡量系統(tǒng)參數(shù)整定是否達(dá)到最佳的依據(jù)是控制系統(tǒng)的性能指標(biāo)。通過(guò)對(duì)系統(tǒng)參數(shù)的整定，使系統(tǒng)的性能指標(biāo)達(dá)到要求。(4) 值得注意的是，系統(tǒng)參數(shù)的整定只能在一定的范圍內(nèi)起作用，若設(shè)計(jì)方案不合理，自動(dòng)調(diào)節(jié)儀表和調(diào)節(jié)結(jié)構(gòu)選型不當(dāng)，安裝質(zhì)量不高，被控對(duì)象存在缺陷，則無(wú)論用什么方法進(jìn)行整定，都不會(huì)得到滿意的效果。3整定方法：常用的系統(tǒng)整定方法可以分為兩類，u 理論整定法：理論整定法根據(jù)調(diào)節(jié)原理的有關(guān)基本原理進(jìn)行計(jì)算，對(duì)調(diào)節(jié)器的參數(shù)進(jìn)行整定，比較復(fù)雜，在現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用較少。u 工程整定法：工程整定法在現(xiàn)場(chǎng)得到了廣泛的

3、應(yīng)用二 單回路控制系統(tǒng)的工程整定法工程整定法主要有四種，即經(jīng)驗(yàn)法、臨界比例帶法、衰減曲線法以及響應(yīng)曲線法。1經(jīng)驗(yàn)法經(jīng)驗(yàn)法實(shí)際是一種試湊法，是在生產(chǎn)實(shí)踐中總結(jié)出來(lái)的參數(shù)整定法，該方法在現(xiàn)場(chǎng)中得到了廣泛的應(yīng)用。利用經(jīng)驗(yàn)法對(duì)系統(tǒng)的參數(shù)進(jìn)行整定時(shí)，首先根據(jù)經(jīng)驗(yàn)設(shè)置一組調(diào)節(jié)器參數(shù)，然后將系統(tǒng)投入閉環(huán)運(yùn)行，待系統(tǒng)穩(wěn)定后作階躍擾動(dòng)試驗(yàn)，觀察調(diào)節(jié)過(guò)程；若調(diào)節(jié)過(guò)程不滿足要求，則修改調(diào)節(jié)器參數(shù)，再作階躍擾動(dòng)試驗(yàn)，觀察調(diào)節(jié)過(guò)程；反復(fù)上述試驗(yàn)，直到調(diào)節(jié)過(guò)程滿意為止。經(jīng)驗(yàn)法整定參數(shù)的具體步驟如下：(1) 首先將調(diào)節(jié)器的積分時(shí)間Ti置最大，微分時(shí)間Td置最小，根據(jù)經(jīng)驗(yàn)設(shè)置比例帶的數(shù)值，完成后將系統(tǒng)投入閉環(huán)運(yùn)行，待系統(tǒng)穩(wěn)定

4、后作階躍擾動(dòng)試驗(yàn)，觀察調(diào)節(jié)過(guò)程，若過(guò)渡過(guò)程有希望的衰減率則可，否則改變比例帶的值，重復(fù)上述試驗(yàn)，直到滿意為止； (2) 將調(diào)節(jié)器的積分時(shí)間Ti由最大調(diào)整到某一值，由于積分作用的引入導(dǎo)致系統(tǒng)的穩(wěn)定性下降，因而應(yīng)將比例帶適當(dāng)增大，一般為純比例作用的1.2倍。系統(tǒng)投入閉環(huán)運(yùn)行，待系統(tǒng)穩(wěn)定后，作階躍擾動(dòng)試驗(yàn)，觀察調(diào)節(jié)過(guò)程，若過(guò)渡過(guò)程有希望的衰減率則可，否則改變積分時(shí)間Ti的值，重復(fù)上述試驗(yàn)，直到滿意為止； (3) 將調(diào)節(jié)器的微分時(shí)間由小到大調(diào)整到某一數(shù)值，系統(tǒng)投入閉環(huán)運(yùn)行，待系統(tǒng)穩(wěn)定后，作階躍擾動(dòng)試驗(yàn)，觀察調(diào)節(jié)過(guò)程，修改微分時(shí)間重復(fù)試驗(yàn)，直到滿意為止；2臨界比例帶法臨界比例帶法又稱邊界穩(wěn)定法，首先將調(diào)

5、節(jié)器設(shè)置成純比例調(diào)節(jié)器，然后系統(tǒng)閉環(huán)投入運(yùn)行，將比例帶由大到小改變，觀察系統(tǒng)輸出，直到系統(tǒng)產(chǎn)生等幅振蕩為止。記下此狀態(tài)下的比例帶數(shù)值（即為臨界比例帶k）和振蕩周期Tk，然后根據(jù)經(jīng)驗(yàn)公式計(jì)算調(diào)節(jié)器的其它參數(shù)。利用臨界比例帶法進(jìn)行參數(shù)整定的具體步驟如下：(1) 將調(diào)節(jié)器的積分時(shí)間Ti置于最大，微分時(shí)間Td置最小，即Ti，Td0；置比例帶為一個(gè)較大的值；(2) 系統(tǒng)閉環(huán)投入運(yùn)行，待系統(tǒng)穩(wěn)定后調(diào)整比例帶的數(shù)值直到出現(xiàn)等幅振蕩。記錄并計(jì)算臨界狀態(tài)下臨界比例帶k和振蕩周期Tk，根據(jù)表21計(jì)算調(diào)節(jié)器的參數(shù)；(3) 將調(diào)節(jié)器按計(jì)算出的參數(shù)設(shè)置好，系統(tǒng)閉環(huán)投入運(yùn)行，待系統(tǒng)穩(wěn)定后作階躍擾動(dòng)試驗(yàn)，觀察系統(tǒng)的調(diào)節(jié)過(guò)程

6、，適當(dāng)修改參數(shù)，直到滿意為止。 表21 臨界比例帶法計(jì)算公式調(diào)節(jié)規(guī)律TiTdPPIPID2k2.2k1.7k0.85Tk0.5Tk0.125Tk3衰減曲線法衰減曲線法是在臨界比例帶法的基礎(chǔ)上發(fā)展起來(lái)的，它既不象經(jīng)驗(yàn)法那樣要經(jīng)過(guò)大量的試湊過(guò)程，也不象臨界比例帶法那樣要求系統(tǒng)產(chǎn)生臨界振蕩過(guò)程。它是利用比例作用下產(chǎn)生的4:1衰減振蕩（0.75）過(guò)程時(shí)的調(diào)節(jié)器比例帶s及衰減周期Ts，或10:1衰減振蕩（0.9）過(guò)程時(shí)的調(diào)節(jié)器比例帶s及過(guò)程上升時(shí)間tr，根據(jù)經(jīng)驗(yàn)公式確定調(diào)節(jié)器的參數(shù)。具體做法如下：(1) 置調(diào)節(jié)器參數(shù)Ti，Td0，比例帶為一個(gè)較大的值，將系統(tǒng)投入閉環(huán)運(yùn)行；(2) 待系統(tǒng)穩(wěn)定后作階躍擾動(dòng)試

7、驗(yàn)，觀察控制過(guò)程。若大于要求的數(shù)值，則逐步減小比例帶并重復(fù)試驗(yàn)，直到出現(xiàn)0.75或0.9的控制過(guò)程為止，并記下此時(shí)的比例帶s；(3) 根據(jù)控制過(guò)程曲線求取0.75衰減周期Ts或0.9時(shí)的上升時(shí)間tr；(4) 由表22計(jì)算調(diào)節(jié)器的參數(shù)、Ti、Td。(5) 按計(jì)算結(jié)果設(shè)置調(diào)節(jié)器的參數(shù)，作階躍擾動(dòng)試驗(yàn)，觀察調(diào)節(jié)過(guò)程，適當(dāng)修改調(diào)節(jié)參數(shù)，直到滿意為止。表22 衰減曲線法計(jì)算公式規(guī)律TiTd規(guī)律TiTd0.75PPIPIDs1.2s0.8s0.5Ts0.3Ts0.1Ts0.9PPIPIDs1.2s0.8s2tr0.8tr0.4tr4響應(yīng)曲線法上述三種方法均不需要事先知道被控對(duì)象的動(dòng)態(tài)特性，直接在閉環(huán)系統(tǒng)中

8、進(jìn)行整定。而響應(yīng)曲線法則是根據(jù)對(duì)象的階躍響應(yīng)曲線，求得對(duì)象的一組特征參數(shù)、（無(wú)自平衡能力的對(duì)象）或、（有自平衡能力的對(duì)象），然后按表23或表24中的公式計(jì)算調(diào)節(jié)器的整定參數(shù)。三 四種工程整定方法比較(1)經(jīng)驗(yàn)法經(jīng)驗(yàn)法是憑借現(xiàn)場(chǎng)調(diào)試經(jīng)驗(yàn)對(duì)調(diào)節(jié)器參數(shù)進(jìn)行試湊，因而，沒(méi)有經(jīng)驗(yàn)或經(jīng)驗(yàn)不豐富的人是沒(méi)無(wú)法采用這種方法對(duì)調(diào)節(jié)器參數(shù)進(jìn)行整定；即使經(jīng)驗(yàn)豐富的調(diào)試人員，要緊行試湊的工作量也很大，尤其當(dāng)調(diào)節(jié)器為PID調(diào)節(jié)器時(shí)，需要對(duì)比例帶、積分時(shí)間、微分時(shí)間三個(gè)參數(shù)進(jìn)行試湊。該方法唯一的優(yōu)點(diǎn)是簡(jiǎn)便，不需要計(jì)算，核心是“憑經(jīng)驗(yàn)，看曲線調(diào)參數(shù)”，但工作量大；(2)臨界比例帶法采用臨界比例帶法整定系統(tǒng)時(shí)，必須通過(guò)調(diào)調(diào)節(jié)器

9、的比例帶使系統(tǒng)發(fā)生等幅振蕩，不少生產(chǎn)過(guò)程是允許的。而對(duì)一些生產(chǎn)過(guò)程，現(xiàn)場(chǎng)操作起來(lái)存在一定的難度，例如對(duì)一些比例帶較小的控制系統(tǒng)，試驗(yàn)中不小心就會(huì)使系統(tǒng)進(jìn)入不穩(wěn)定狀態(tài)；而有些生產(chǎn)過(guò)程根本就不允許被調(diào)量發(fā)生等幅振蕩。(3)衰減曲線法衰減曲線法現(xiàn)場(chǎng)操作比較簡(jiǎn)單，容易掌握，沒(méi)有臨界比例帶法那么多的限制和缺點(diǎn)，因而得到了廣泛的使用。但采用該方法對(duì)調(diào)節(jié)器參數(shù)整定時(shí)，由于外界的干擾以及所用儀表本身的缺陷等原因而不能很準(zhǔn)確的判斷響應(yīng)曲線是否達(dá)到衰減率為所要求的衰減率（4：1或10：1）的衰減過(guò)程，因而很難獲得準(zhǔn)確的比例帶s及衰減周期Ts。(4)響應(yīng)曲線法與前面三種整定方法相比，響應(yīng)曲線法是根據(jù)對(duì)象的階躍響應(yīng)曲線對(duì)調(diào)節(jié)器的參數(shù)進(jìn)行整定的，無(wú)需控制系統(tǒng)投入閉環(huán)運(yùn)行，只需要求取系統(tǒng)中被控對(duì)象的動(dòng)態(tài)特性。 即簡(jiǎn)單又省時(shí)，但需要反復(fù)進(jìn)行多次的對(duì)象動(dòng)態(tài)特性試驗(yàn)，才能獲得準(zhǔn)確的響應(yīng)曲線?？梢?jiàn)，四種工程整定方法都具有各自的特點(diǎn)，在實(shí)際的應(yīng)用中應(yīng)根據(jù)具體情況進(jìn)行選擇使用，以取得滿意的效果。表23 衰減曲線法整定參數(shù)計(jì)算表（一）（0.75）被控對(duì)