單回路控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)課件

第五章簡(jiǎn)單控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

一單回路控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)二PID調(diào)節(jié)參數(shù)的工程整定第五章簡(jiǎn)單控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)一單回路控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)單回路調(diào)節(jié)系統(tǒng)典型結(jié)構(gòu)單回路控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)單回路控制系統(tǒng)的概念

單回路調(diào)節(jié)系統(tǒng)一般指對(duì)一個(gè)被控制對(duì)象使用一個(gè)調(diào)節(jié)器來(lái)保持一個(gè)參數(shù)恒定。調(diào)節(jié)器只接受一個(gè)測(cè)量信號(hào)，輸出只控制一個(gè)執(zhí)行器單回路調(diào)節(jié)系統(tǒng)典型結(jié)構(gòu)單回路控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)單回路控制系統(tǒng)的概念簡(jiǎn)單控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)步驟（2）了解工藝過(guò)程，建立過(guò)程的數(shù)學(xué)模型。（1）熟悉系統(tǒng)的技術(shù)要求或性能指標(biāo)，如：超調(diào)量，穩(wěn)定誤差，調(diào)節(jié)時(shí)間，上升時(shí)間，衰減比等。（3）依據(jù)過(guò)程的數(shù)學(xué)模型，確定控制方案。即確定被控參數(shù)及其測(cè)量和變送的方法；確定操作變量和相關(guān)的執(zhí)行器（控制方法）。（4）依據(jù)調(diào)節(jié)規(guī)律和系統(tǒng)的動(dòng)、靜態(tài)特性進(jìn)行理論分析和綜合（5）系統(tǒng)仿真與試驗(yàn)研究。簡(jiǎn)單控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)步驟（2）了解工藝過(guò)程，建立簡(jiǎn)單控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)步驟（7）工程安裝。（6）工程設(shè)計(jì)。（8）控制器的參數(shù)整定。簡(jiǎn)單控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)步驟（7）工程安裝。（6）工高位槽干燥器鼓風(fēng)機(jī)蒸汽閥1過(guò)濾器風(fēng)管換熱器閥2閥3AB

1.生產(chǎn)工藝簡(jiǎn)介2.被控參數(shù)選擇3.控制參數(shù)選擇4.儀表選擇與整定5.控制儀表連接圖噴霧干燥過(guò)程控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)高位槽干燥器鼓風(fēng)機(jī)蒸汽閥1過(guò)濾器風(fēng)管換熱器閥2閥3AB1被控參數(shù)選擇系統(tǒng)被控參數(shù)選取的一般原則(a)應(yīng)選取對(duì)產(chǎn)品的產(chǎn)量，質(zhì)量，安全生產(chǎn)，經(jīng)濟(jì)運(yùn)行，環(huán)境保護(hù)有決定性作用，又可直接進(jìn)行測(cè)量的工藝參數(shù)作為被控參數(shù)（直接參數(shù)）；(b)選取與上述直接參數(shù)有單值對(duì)應(yīng)關(guān)系的間接參數(shù)作為被控參數(shù)；(c)間接參數(shù)對(duì)產(chǎn)品質(zhì)量應(yīng)有足夠的靈敏性；(d)應(yīng)考慮工藝的合理性及儀表的性能價(jià)格比等；被控參數(shù)一般要與工藝工程師共同確定。被控參數(shù)選擇：間接參數(shù)（溫度）與直接參數(shù)水分含量一一對(duì)應(yīng)。被控參數(shù)選擇系統(tǒng)被控參數(shù)選取的一般原則(a)應(yīng)選取對(duì)產(chǎn)品高位槽干燥器鼓風(fēng)機(jī)蒸汽閥1過(guò)濾器風(fēng)管換熱器閥2閥3AB控制參數(shù)的選擇擾動(dòng)分析：1、乳液溫度和流量波動(dòng)，干擾f1(t)。2、旁路冷風(fēng)流量，干擾f2(t)。3、蒸汽壓力、溫度變化，干擾f3(t)。高位槽干燥器鼓風(fēng)機(jī)蒸汽閥1過(guò)濾器風(fēng)管換熱器閥2閥3AB控制參過(guò)程特性對(duì)控制質(zhì)量的影響一、干擾通道特性對(duì)控制質(zhì)量的影響

系統(tǒng)輸出與干擾之間的傳遞函數(shù)為：過(guò)程特性對(duì)控制質(zhì)量的影響一、干擾通道特性對(duì)控制質(zhì)量的影響干擾通道的影響1）Kf

越大，由F(S)引起的C(S)則越大，即C(S)偏離期望值越大；所以希望Kf

值越小越好。結(jié)論：2）Tf

越大，慣性越強(qiáng)，對(duì)干擾的“濾波”效果越明顯，干擾對(duì)輸出的動(dòng)態(tài)影響越小，所以希望Tf

越大越好。3）τf

的存在于否，不影響系統(tǒng)的控制質(zhì)量，所以應(yīng)盡可能將純滯后時(shí)間長(zhǎng)的環(huán)節(jié)置于干擾通道。干擾通道的影響1）Kf越大，由F(S)引起的C(S)則越大干擾通道的影響干擾進(jìn)入位置對(duì)控制質(zhì)量的影響

系統(tǒng)輸出與干擾之間的傳遞函數(shù)為：干擾通道的影響干擾進(jìn)入位置對(duì)控制質(zhì)量的影響干擾通道的影響結(jié)論：4）當(dāng)干擾進(jìn)入系統(tǒng)的位置提前，即干擾在GP(S)之前進(jìn)入系統(tǒng)時(shí),與前面相比又多了一個(gè)“濾波”項(xiàng)。所以干擾進(jìn)入系統(tǒng)的位置越遠(yuǎn)離被控參數(shù)越好。控制通道特性對(duì)控制質(zhì)量的影響與干擾通道正好相反!干擾通道的影響結(jié)論：4）當(dāng)干擾進(jìn)入系統(tǒng)的位置提前，即干擾在G過(guò)程特性對(duì)控制質(zhì)量的影響二、控制通道特性對(duì)控制質(zhì)量的影響

系統(tǒng)輸出與輸入之間的傳遞函數(shù)為：過(guò)程特性對(duì)控制質(zhì)量的影響二、控制通道特性對(duì)控制質(zhì)量的影響控制參數(shù)的選擇控制參數(shù)選擇的一般原則(a)Kp越大越好，Tp適當(dāng)小一些；(b)τp越小越好，τp/Tp<0.3(c)盡可能將廣義對(duì)象的時(shí)間常數(shù)錯(cuò)開(kāi)，即Tmax/Tmin越大越好。(d)

考慮工藝操作的合理性，經(jīng)濟(jì)性等因素。控制參數(shù)的選擇控制參數(shù)選擇的一般原則(a)Kp越大越好實(shí)際生產(chǎn)過(guò)程中，廣義被控過(guò)程可近似看成由幾個(gè)一階慣性環(huán)節(jié)串聯(lián)而成。以三階為例

相應(yīng)的臨界穩(wěn)定增益

的大小完全取決于

三個(gè)時(shí)間常數(shù)的相對(duì)比值

可以證明：時(shí)間常數(shù)相差越大，臨界穩(wěn)定的增益則越大，這對(duì)系統(tǒng)的穩(wěn)定性是 有利的。也就是說(shuō)：在保持穩(wěn)定性相同的情況下，時(shí)間常數(shù)錯(cuò)開(kāi)得越多，系統(tǒng)開(kāi)環(huán)增益 就允許增大得越多，因而對(duì)系統(tǒng)的控制質(zhì)量就越有利?？刂仆ǖ赖臅r(shí)間常數(shù)匹配實(shí)際生產(chǎn)過(guò)程中，廣義被控過(guò)程可近似看成由幾個(gè)一階慣性環(huán)節(jié)串聯(lián)高位槽干燥器鼓風(fēng)機(jī)蒸汽閥1過(guò)濾器風(fēng)管換熱器閥2閥3AB控制參數(shù)的選擇擾動(dòng)分析：f1(t)、f2(t)、f3(t)。對(duì)象特性：1、換熱器為雙容對(duì)象，T1=T2=100s。2、風(fēng)管到干燥器的純延遲時(shí)間τ＝3s。高位槽干燥器鼓風(fēng)機(jī)蒸汽閥1過(guò)濾器風(fēng)管換熱器閥2閥3AB控制參控制參數(shù)選擇方案一以乳液流量為控制參數(shù)（操作量）時(shí)的系統(tǒng)框圖控制參數(shù)選擇方案一以乳液流量為控制參數(shù)（操作量）時(shí)的系統(tǒng)框圖控制參數(shù)選擇方案一混合過(guò)程換熱器調(diào)節(jié)器風(fēng)管風(fēng)管調(diào)節(jié)閥干燥器干燥器干燥器測(cè)量變送以乳液流量為控制參數(shù)時(shí)控制系統(tǒng)框圖

這個(gè)控制方案的性能是最優(yōu)的！

然而乳液流量是控制系統(tǒng)的生產(chǎn)負(fù)荷，由整個(gè)系統(tǒng)的期望產(chǎn)量確定。生產(chǎn)負(fù)荷通常不能作為控制參數(shù)！控制參數(shù)選擇方案一混合過(guò)程換熱器調(diào)節(jié)器風(fēng)管風(fēng)管調(diào)節(jié)閥干燥器干控制參數(shù)選擇方案二以冷風(fēng)流量為控制參數(shù)（操作量）時(shí)的系統(tǒng)框圖控制參數(shù)選擇方案二以冷風(fēng)流量為控制參數(shù)（操作量）時(shí)的系統(tǒng)框圖

控制回路增加了一個(gè)純滯后環(huán)節(jié)調(diào)節(jié)性能下降，但是該方案避免了工藝的不合理。由于系統(tǒng)的純滯后時(shí)間小，對(duì)系統(tǒng)性能影響不大。因此方案二是可行的方法！控制參數(shù)選擇方案二混合過(guò)程換熱器調(diào)節(jié)器風(fēng)管風(fēng)管調(diào)節(jié)閥干燥器干燥器干燥器測(cè)量變送控制回路增加了一個(gè)純滯后環(huán)節(jié)調(diào)節(jié)性能下降控制參數(shù)選擇方案三以加熱蒸汽流量為控制參數(shù)（操作量）時(shí)的系統(tǒng)框圖控制參數(shù)選擇方案三以加熱蒸汽流量為控制參數(shù)（操作量）時(shí)的系統(tǒng)高位槽干燥器鼓風(fēng)機(jī)蒸汽閥1過(guò)濾器風(fēng)管換熱器閥2閥3AB控制參數(shù)的選擇擾動(dòng)分析：f1(t)、f2(t)、f3(t)。對(duì)象特性：1、換熱器為雙容對(duì)象，T1=T2=100s。2、風(fēng)管到干燥器的純延遲時(shí)間τ＝3s。高位槽干燥器鼓風(fēng)機(jī)蒸汽閥1過(guò)濾器風(fēng)管換熱器閥2閥3AB控制參

這個(gè)控制方案的性能是最差的。

根據(jù)以上分析方案二的控制參數(shù)選擇最合適！控制參數(shù)選擇方案三混合過(guò)程換熱器調(diào)節(jié)器風(fēng)管風(fēng)管調(diào)節(jié)閥干燥器干燥器干燥器測(cè)量變送這個(gè)控制方案的性能是最差的?？刂茀?shù)選擇控制儀表的選擇(1)儀表的選型——電動(dòng)單元組合儀表(DDZ)(3)調(diào)節(jié)閥選型：選氣動(dòng)調(diào)節(jié)閥，且事故時(shí)要求不要超溫！(2)測(cè)溫元件與變送器：熱電阻溫度計(jì)，三線制接法配溫度變送器。(4)調(diào)節(jié)器:PI或PID。氣關(guān)形式，流量特性選擇？控制儀表的選擇(1)儀表的選型——電動(dòng)單元組合儀表(DD控制儀表的選擇調(diào)節(jié)器的正反作用的確定:當(dāng)調(diào)節(jié)器置于正作用時(shí)隨測(cè)量信號(hào)的增加調(diào)節(jié)器的輸出也增加。P157

調(diào)節(jié)器的正/反作用是指測(cè)量值與輸出值之間，不是偏差和輸出之間!控制儀表的選擇調(diào)節(jié)器的正反作用的確定:當(dāng)調(diào)節(jié)器置于正作用時(shí)隨混合過(guò)程換熱器調(diào)節(jié)器風(fēng)管風(fēng)管調(diào)節(jié)閥干燥器干燥器干燥器測(cè)量變送控制儀表的選擇已知:有的調(diào)節(jié)器直接提供加熱控制和制冷控制兩種設(shè)定因此當(dāng)正作用時(shí)KC<0混合過(guò)程換熱器調(diào)節(jié)器風(fēng)管風(fēng)管調(diào)節(jié)閥干燥器干燥器干燥器測(cè)量變送高位槽干燥器鼓風(fēng)機(jī)蒸汽閥1過(guò)濾器風(fēng)管換熱器閥2閥3

本控制方案有無(wú)問(wèn)題？本控制方案的能源利用效率不高大量熱能被浪費(fèi)！不環(huán)保也不經(jīng)濟(jì)?？刂葡到y(tǒng)連接圖高位槽干燥器鼓風(fēng)機(jī)蒸汽閥1過(guò)濾器風(fēng)管換熱器閥2閥3本

左圖為方案三的連接圖，此方案時(shí)間常數(shù)大導(dǎo)致調(diào)節(jié)不及時(shí)的缺點(diǎn)能否消除？高位槽干燥器鼓風(fēng)機(jī)蒸汽閥1過(guò)濾器風(fēng)管換熱器閥2閥3

由于系統(tǒng)的干擾主要來(lái)自乳液流量的波動(dòng)，可以控制系統(tǒng)負(fù)荷均勻變化減少對(duì)系統(tǒng)的沖擊。控制方案探討左圖為方案三的連接圖，此方案時(shí)間常數(shù)大導(dǎo)致調(diào)節(jié)不及時(shí)的高位槽干燥器鼓風(fēng)機(jī)蒸汽閥1過(guò)濾器風(fēng)管換熱器閥2閥3

增加蒸汽流量控制系統(tǒng)可節(jié)省能源！

但增加蒸汽流量控制系統(tǒng)后使系統(tǒng)成為一個(gè)MIMO的復(fù)雜控制系統(tǒng)，我們隨后介紹其控制方法！返回控制方案探討高位槽干燥器鼓風(fēng)機(jī)蒸汽閥1過(guò)濾器風(fēng)管換熱器閥2閥3增5.3.1調(diào)節(jié)器參數(shù)整定的理論基礎(chǔ)1.控制系統(tǒng)的穩(wěn)定性與衰減指數(shù)簡(jiǎn)單控制系統(tǒng)，在干擾作用下，閉環(huán)控制系統(tǒng)的傳遞函數(shù)為其中為系統(tǒng)的開(kāi)環(huán)傳遞函數(shù)。閉環(huán)系統(tǒng)的特征方程為一般形式為各系數(shù)由廣義對(duì)象的特性和調(diào)節(jié)器的整定參數(shù)所確定。調(diào)節(jié)器參數(shù)整定的實(shí)質(zhì)就是選擇合適的調(diào)節(jié)器參數(shù)，使其閉環(huán)控制系統(tǒng)的特征方程的每一個(gè)根都能滿足穩(wěn)定性的要求。PID控制器參數(shù)的工程整定5.3.1調(diào)節(jié)器參數(shù)整定的理論基礎(chǔ)1.控制系統(tǒng)的穩(wěn)定具體分析如下：如果特征方程有一個(gè)實(shí)根()，其通解為非周期變化過(guò)程。如果特征方程有一對(duì)共軛復(fù)根()，則通解為振蕩過(guò)程，當(dāng)時(shí),呈發(fā)散振蕩,系統(tǒng)不穩(wěn)定；調(diào)節(jié)器參數(shù)整定的理論基礎(chǔ)時(shí),呈等幅振蕩。當(dāng)具體分析如下：如果特征方程有一個(gè)實(shí)根()，其通解為非周由衰減率定義可知其中衰減指數(shù)ｍ為與之比衰減指數(shù)與衰減率的關(guān)系如下表00.1500.3000.4500.6000.7500.9000.950……00.0260.0570.0950.1450.2210.3660.478……調(diào)節(jié)器參數(shù)整定的理論基礎(chǔ)由衰減率定義可知其中衰減指數(shù)ｍ為與之比衰減指數(shù)與衰減率的關(guān)控制系統(tǒng)在不同調(diào)節(jié)作用下的典型響應(yīng)如下：可以看到，如果不加控制，過(guò)程將緩慢地到達(dá)一個(gè)新的穩(wěn)態(tài)值；當(dāng)采用比例控制后，則加快了過(guò)程的響應(yīng)，并減小了穩(wěn)態(tài)誤差；當(dāng)加入積分控制作用后，則消除了穩(wěn)態(tài)誤差，但卻容易使過(guò)程產(chǎn)生振蕩；在增加微分作用以后則可以減小振蕩的程度和響應(yīng)時(shí)間。雖然PID調(diào)節(jié)器的調(diào)節(jié)效果比較理想，但是PID調(diào)節(jié)器要整定三個(gè)參數(shù)才能使系統(tǒng)整定得最佳。調(diào)節(jié)器參數(shù)整定的理論基礎(chǔ)控制系統(tǒng)在不同調(diào)節(jié)作用下的典型響應(yīng)如下：可以看到，如果不加PID控制器參數(shù)的工程整定

調(diào)節(jié)器的參數(shù)整定是指確定調(diào)節(jié)器的比例帶、積分時(shí)間常數(shù)和微分時(shí)間常數(shù)的具體數(shù)值。整定的實(shí)質(zhì)是通過(guò)改變調(diào)節(jié)器的參數(shù)使其特性與過(guò)程的參數(shù)相匹配，以改善系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)和靜態(tài)性能指標(biāo)取得最佳的控制效果。

1940年以前PID控制器的參數(shù)整定沒(méi)有有效的方法。Taylor儀表公司的JohnZiegler和NathanierNichols致力于PID調(diào)節(jié)器的參數(shù)整定方法研究。他們于1941年找到了相對(duì)直接的整定PID參數(shù)的方法。這就是著名的Ziegler-Nichols法PID控制器參數(shù)的工程整定調(diào)節(jié)器的參數(shù)整PID控制器參數(shù)的工程整定典型最佳調(diào)節(jié)過(guò)程生產(chǎn)過(guò)程中的控制系統(tǒng)多為恒值調(diào)節(jié)系統(tǒng)，評(píng)定控制系統(tǒng)性能的常用指標(biāo)有穩(wěn)態(tài)誤差、最大超調(diào)或超調(diào)率、衰減率和過(guò)渡過(guò)程時(shí)間等。在過(guò)程控制系統(tǒng)中更多的采用衰減率來(lái)表示調(diào)節(jié)系統(tǒng)的穩(wěn)定度。工程上通常將

的調(diào)節(jié)過(guò)程當(dāng)作“典型最佳調(diào)節(jié)過(guò)程”P(pán)ID控制器參數(shù)的工程整定典型最佳調(diào)節(jié)過(guò)程生產(chǎn)過(guò)程臨界比例度法一．臨界比例度法（Ziegler-Nichols穩(wěn)定邊界法）步驟：1、將PID控制器中的積分與微分作用切除，取比例帶為較大值，將系統(tǒng)投入自動(dòng)運(yùn)行。

2、將比例帶由大到小變化，對(duì)應(yīng)某一比例帶值作小幅度的設(shè)定值階躍響應(yīng)，直至產(chǎn)生等幅震蕩。3、記錄產(chǎn)生等幅震蕩時(shí)的調(diào)節(jié)器比例帶和等幅震蕩周期，根據(jù)選擇的調(diào)節(jié)規(guī)律查表選擇PID調(diào)節(jié)器參數(shù)。整定實(shí)例：臨界比例度法一．臨界比例度法（Ziegler-Nichols臨界比例度法臨界比例度法臨界比例度法缺陷：

1、有些工業(yè)過(guò)程不允許系統(tǒng)長(zhǎng)時(shí)間處于等幅震蕩。

2、有些系統(tǒng)根本就不能產(chǎn)生等幅震蕩。1、屬于頻域方法。2、有一定局限性臨界比例度法缺陷：1、屬于頻域方法。衰減曲線法二．衰減曲線法在純比例的條件下施加一階躍擾動(dòng)并減小比例帶,使系統(tǒng)出現(xiàn)上圖所示的衰減曲線記錄下此時(shí)的比例帶和震蕩周期或峰值時(shí)間，由以上兩個(gè)參數(shù)查表確定PID參數(shù)。衰減曲線法二．衰減曲線法在純比例的條件下施加一階躍擾PID控制器參數(shù)的工程整定三．Ziegler-Nichols反映曲線法PID控制器參數(shù)的工程整定三．Ziegler-Nichols反應(yīng)曲線法有自衡特性實(shí)例：反應(yīng)曲線法有自衡特性實(shí)例：齊格勒－尼科爾斯法齊格勒－尼科爾斯表齊格勒－尼科爾斯法齊格勒－尼科爾斯表反應(yīng)曲線法無(wú)自衡特性返回反應(yīng)曲線法無(wú)自衡特性返回三種工程整定方法的比較1.共同點(diǎn):通過(guò)試驗(yàn)然后按工程整定經(jīng)驗(yàn)公式計(jì)算而得2.不同點(diǎn)：

1)反應(yīng)曲線法:開(kāi)環(huán)試驗(yàn)，理論性強(qiáng)，典型模型，適用范圍廣。2)臨界比例度法與衰減曲線法：閉環(huán)試驗(yàn)，無(wú)需模型，但應(yīng)用受限，實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)難以準(zhǔn)確，變化較快的過(guò)程不適用。3)對(duì)于減少干擾對(duì)試驗(yàn)信息的影響，后兩者優(yōu)于前者，閉環(huán)試驗(yàn)對(duì)干擾有較好的抑制作用。返回三種工程整定方法的比較1.共同點(diǎn):通過(guò)試驗(yàn)然后按工程整定經(jīng)驗(yàn)PID控制器參數(shù)的自動(dòng)整定一．極限環(huán)法

采用極限環(huán)法整定PID參數(shù)的PID控制器都可以工作于調(diào)節(jié)器與繼電器兩種模式，當(dāng)需要對(duì)PID參數(shù)進(jìn)行整定時(shí)可使控制系統(tǒng)切換到繼電器調(diào)節(jié)模式（兩位式調(diào)節(jié)器）。在這種模式下可以測(cè)定系統(tǒng)的臨界頻率與臨界增益，然后采用穩(wěn)定邊界法整定調(diào)節(jié)器的PID參數(shù)PID控制器參數(shù)的自動(dòng)整定一．極限環(huán)法采用極限環(huán)法整改進(jìn)型臨界比例度法是用具有繼電特性的非線性環(huán)節(jié)代替比例調(diào)節(jié)器，使閉環(huán)系統(tǒng)自動(dòng)穩(wěn)定在等幅振蕩狀態(tài)，其振蕩幅度還