單回路控制系統(tǒng)方案

1、第五章 單回路控制系統(tǒng)設計本章提要1. 過程控制系統(tǒng)設計概述2. 單回路控制系統(tǒng)方案設計3. 單回路控制系統(tǒng) 整定4. 單回路控制系統(tǒng)投運5. 單回路控制系統(tǒng)設計原則應用舉例授課內容第一節(jié)過程控制系統(tǒng)設計概述單回路反饋控制系統(tǒng)-又稱簡單控制系統(tǒng)，是指由一個被控過程、一個 檢測變送器、一個控制器和一個執(zhí)行器所組成的對一個被控變量進行控 制的單回路反饋閉環(huán)控制系統(tǒng)。單回路反饋控制系統(tǒng)組成方框圖:圖5-1單回路控制系統(tǒng)框圖調節(jié)器的傳遞畫數；Wrts)亠一謠節(jié)閥的詩逆國數；VKo(s)祓控過程的馬遞函數I町測量變送器的傳遞函數.簡單控制系統(tǒng) 是實現生產過程自動化的基本單元、其結構簡單、投資少、易 于調

2、整和投運，能滿足一般工業(yè)生產過程的控制要求、因此在工業(yè)生產小應用 十分廣泛，尤其適用于被控過程的純滯后和慣性小、負荷和擾動變化比較平 緩，或者控制質量要求不太高的場合。過程控制系統(tǒng)設計和應用的兩個重要內容：控制方案的設計、調節(jié)器整定參數 值的確定。過程控制系統(tǒng)設計的一般要求：過程控制系統(tǒng)是穩(wěn)定的，且具有適當的穩(wěn)定裕度。系統(tǒng)應是一個衰減振蕩過程，但過渡過程時間要短，余差要小。過程控制系統(tǒng)設計的基本方法：設計方法很多，主要有對數頻率特性設計法、根軌跡設計法、系統(tǒng)參數優(yōu)化的 計算機輔助設計等。過程控制系統(tǒng)統(tǒng)設計步驟：建立被控過程的數學模型選擇控制方案建立系統(tǒng)方框圖進行系統(tǒng)靜態(tài)、動態(tài)特性分析計算實驗和

3、仿真過程控制系統(tǒng)設計的主要內容： 控制方案的設計：核心，包括合理選擇被控參數和控制參數、信息的獲取 和變送、調節(jié)閥的選擇、調節(jié)器控制規(guī)律及正、反作用方式的確定等。 項目設計：包括儀表選型、控制室和儀表盤設計、儀表供電供氣系統(tǒng)設 計、信號及聯(lián)鎖保護系統(tǒng)設計等。項目安裝和儀表調校 調節(jié)器參數項目整定：保證系統(tǒng)運行在最佳狀態(tài)。第二節(jié) 單回路控制系統(tǒng)方案設計1. 被控參數的選擇選取被控參數的一般原則為： 選擇對產品的產量和質量、安全生產、經濟運行和環(huán)境保護具有決定性作 用的，可直接測量的工藝參數為被控參數。當不能用直接參數作為被控參數時，應該選擇一個與直接參數有單值函數 關系的間接參數作為被控參數。被

4、控參數必須具有足夠大的靈敏度。 被控參數的選擇必須考慮工藝過程的合理性和所用儀表的性能。2. 控制參數的選擇需要正確選擇控制參數、調節(jié)器調節(jié)規(guī)律和調節(jié)閥的特性。當工藝上允許有幾種控制參數可供選擇時，可根據被控過程擾動通道和控制通 道特性，對控制質量的影響作出合理的選擇。所隊正確選擇控制參數就是正確 選擇控制通道的問題。擾動作用 由擾動通道對過程的被控參數產生影響，力圖使被控參數偏離給定性控制作用 由控制通道對過程的被控參數起主導影響，抵消擾動影響，以使被控參數盡力維持在給定值。在生產過程有幾個控制參數可供選擇時，一般希望控制通道克服擾動的校正能 力要強，動態(tài)響應要比擾動通道快?？捎蛇^程靜態(tài)特性

5、的分析 擾動通道靜態(tài)放大倍數Kf、控制通道靜態(tài)放大倍數Ko）、過程擾動通道動態(tài)特性的分析 時間常數Tf、時延t、擾動作用點位置）、過程控制通道動態(tài)特性的分析時間常數T。、時延T包括純時延 ©、容量時延T）、時間常數匹配）確定各參數選擇原則。根據過程特性選擇控制參數的一般原則：控制通道參數選擇：選擇過程控制通道的放大系數Ko 要適當大一些，時間常數To要適當小一些。純時延 t愈小愈好，在有純時延 T的情況下， T與To之比應小一些 小于1）,若其比值過大，則不利于控制。擾動通道參數選擇：選擇過程擾動通道的放大系數K f應盡可能小。時間常數 Tf 要大。擾動引入系統(tǒng)的位置要遠離控制過程

6、即靠近調節(jié)閥）。容 量時延T愈大則有利于控制。時間常數匹配：廣義過程 （包括調節(jié)閥和測量變送器 由幾個一階環(huán)節(jié)組 成，在選擇控制參數時，應盡量設法把幾個時間常數錯開，使其中一個時 間常數比其他時間常數大得多，同時注意減小第二、第三個時間常數。 注意工藝操作的合理性、經濟性。3. 系統(tǒng)設計中的測量變送問題被控參數的測量和變送必須迅速正確地反映其實際變化情況，為系統(tǒng)設計提供 準確的控制依據。測量和變送環(huán)節(jié)的描述：參數選擇原則：減小 Tm和T均對提高系統(tǒng)的控制質量有利。若Tm較大，則會使記錄曲線與實際參數之間產生較大的動態(tài)誤差。從減小測量變送環(huán)節(jié)誤差 角度考慮，應減少儀表的量程，即增大Km。系統(tǒng)設計

7、測量和變送中涉及的問題：信號濾波信號處理純時延問題測量時延問題信號傳送時延問題：信號傳遞時延將降低控制質量。對比可采取以下改善措施：i. 若測量信號為電信號，可將轉換器安裝在儀表盤附近，以縮短氣壓信號的 傳送距離.ii. 若調節(jié)器輸出為氣壓信號，可在5060 m距離間，裝一繼動器，提高氣壓信號的傳輸功率，以減小傳遞時間。iii. 若調節(jié)器輸出為電信號，應將轉換器安裝在調節(jié)閥附近，或采用電氣閥門定位器。4. 調節(jié)閥 執(zhí)行器）的選擇調節(jié)閥類型的選擇：氣動執(zhí)行器和電動執(zhí)行器調節(jié)閥口徑Dg、dg）大小的選擇：主要依據是閥的流通能力。正常工況下要求調節(jié)閥開度處于15 %85 %之間。調節(jié)閥氣開、氣關形式

8、的選擇：主要以安全方面考慮。調節(jié)閥流量特性的選擇：系統(tǒng)總的放大倍數盡可能保持不變，通常被控過程的特性是非線性的（一階以上特性 ，而變送器、調節(jié)器（若比例作用時 和執(zhí)行機 構的放大系數是常數。因此往往通過選擇調節(jié)閥的流量特性來補償被控過程特 性的非線性，從而達到系統(tǒng)總放大倍數不變的目的。5. 調節(jié)器控制規(guī)律的選擇目的：為了使調節(jié)器的特性與控制過程的特性能很好配合，使所設計的系統(tǒng)能 滿足生產工藝對控制質量指標的要求。調節(jié)器PID控制規(guī)律對控制質量的影響：當廣義過程的時間常數較大，純時延較小時（即T）/To很小，引入微分作用其效果良好。此時各類調節(jié)器控制規(guī)律對控制質量的影響為：比例積 分微分（PID

9、作用最好，比例微分 PD作用較好，比例P）作用次之，比 例積分PI）作用較差。當過程控制通道時間常數較小，而負荷變化很快，引入微分和積分作用均 要引起系統(tǒng)振蕩，對控制質量的影響不利。當過程控制通道時延很大，負荷變化也很大時，單回路控制系統(tǒng)已不能滿 足工藝要求，需采用其他控制方案。調節(jié)器控制規(guī)律的選擇原則：根據q比值選擇控制規(guī)律：-II時，選用比例或比例積分控制規(guī)律；三1時，選用比例積分或比例積分微分控制規(guī)律；時，單回路反饋控制系統(tǒng)已不能滿足控制要求，應根據具體情況，采用其他控制方式。根據過程特性選擇控制規(guī)律：比例控制規(guī)律：適用于控制通道滯后較小，時間常數不太大，擾動幅度較 小，負荷變化不大，控

10、制質量要求不高，允許有余差的場合。如貯罐液 位、塔釜液位的控制和不太重要的蒸汽壓力的控制等。比例積分控制規(guī)律：引入積分作用能消除余差。適用于控制通道滯后小， 負荷變化不太大，工藝上不允許有余差的場合，如流量或壓力的控制。比例微分控制規(guī)律：引入了微分，會有超前控制作用，能使系統(tǒng)的穩(wěn)定性 增加，最大偏差和余差減小，加快了控制過程，改善了控制質量。適用于 過程容量滯后較大的場合。對于滯后很小和擾動作用頻繁的系統(tǒng)，應盡可 能避免使用微分作用。比例積分微分控制規(guī)律：可以使系統(tǒng)獲得較高的控制質量，它適用于容量 滯后大、負荷變化大、控制質量要求較高的場合，如反應器、聚合釜的溫 度控制。6. 調節(jié)器正、反作用

11、的確定正作用-指調節(jié)器的輸出隨著正偏差 （指測量值大于設定值 的增加而 增加，即調節(jié)器的輸出隨著測量值增大而增大。反作用-指調節(jié)器的輸出隨著正偏差的增加而減小，即調節(jié)器的輸出 隨著測量值增大而減少。調節(jié)器作用方向確定的原則：應根據被控過程的特性及調節(jié)閥的氣開、氣關形 式來正確選擇，以使自動控制系統(tǒng)成為一個負反饋的閉環(huán)系統(tǒng)，即如果被控變 量偏高，則控制作用應使之降低；相反，如果被控變量偏低，則控制作用應使 之升高?？刂谱饔脤Ρ豢刈兞康挠绊憫c擾動作用對被控變量的影響相反，才 能使被控變量回到設定值?？刂葡到y(tǒng)各環(huán)節(jié)的極性的規(guī)定：正作用調節(jié)器：即當系統(tǒng)的測量值增加時，調節(jié)器的輸出亦增加，其靜態(tài) 放大

12、系數Kc取負；反作用調節(jié)器：即當系統(tǒng)的測量值增加時，調節(jié)器的輸出減小，其靜態(tài)放 大系數&取正；氣開式調節(jié)閥：其靜態(tài)放大系數 Kv取正； 氣關式調節(jié)閥：其靜態(tài)放大系數 Kv取負； 正作用被控過程：其靜態(tài)放大系數Ko取正；反作用被控過程：其靜態(tài)放大系數Ko取負。過程控制系統(tǒng)要能正常工作，則該系統(tǒng)的各個環(huán)節(jié)的極性（可用其靜態(tài)放大系數表示 相乘必須為正。變送器的靜態(tài)放大系數Km通常為正極性，故只需調節(jié)器KC、調節(jié)閥Kv和過程的Ko極性相乘起來必須為正即可。確定調節(jié)器正、反作用的次序過程：首先根據生產工藝安全等原則確定調節(jié)閥的氣開氣關形式； 然后按被控過程特性，確定其正、反作用；最后根據上述組成

13、該系統(tǒng)的開環(huán)傳遞函數各環(huán)節(jié)的靜態(tài)放大系數極性相乘 必須為正的原則來確定調節(jié)器的正、反作用方式。第三節(jié)單回路控制系統(tǒng)整定1. 有關單回路控制系統(tǒng)整定的概述系統(tǒng)整定-指選擇調節(jié)器的比例度 可、積分時間Ti和微分時間Td的具 體數值。系統(tǒng)整定的實質，就是通過改變控制參數使調節(jié)器特性和被控過 程特性配合好，來改善系統(tǒng)的動態(tài)和靜態(tài)特性，求得最佳的控制效果。系統(tǒng)的良好控制效果一般要求：瞬時響應的衰減率I以保證系統(tǒng)具有一定的穩(wěn)定性儲備），盡量減小穩(wěn)態(tài)偏差（余差、最大偏差和過渡過程時間。注意：只有系統(tǒng)設計正確，儀表經過調校和正確安裝之后，調節(jié)器參數的整定 才是有意義的。調節(jié)器參數的整定方法： 可分為兩大類）理

14、論計算整定法：如根軌跡法、頻率特性法等。這類整定方法要求已知過 程的數學模型。其計算繁瑣，工作量很大，而且最后得到的數據一般精度 又不高，所以目前在項目上較少采用。項目整定方法：如動態(tài)特性參數法、臨界比例度法、衰減曲線法、現場實 驗整定法等。它直接在過程控制系統(tǒng)中進行。其方法簡單，計算簡便，而 且容易掌握，所得參數雖然不一定為最佳，但是實用，能解決一般性問 題，所以在項目上得到了廣泛應用。計算機仿真尋優(yōu)整定法：采用最優(yōu)積分準則。來求調節(jié)器的整定參數的最 優(yōu)值的方法。2. 理論計算整定法 介紹根軌跡法）根軌跡作圖整定方法原理：應用根軌跡作圖方法的原則來選擇調節(jié)器的PID參數，使系統(tǒng)特征方程中對瞬

15、態(tài)響應起主導作用的根滿足某一指定要求，從而使系統(tǒng)的瞬態(tài)響應達到指定的性能 指標。單回路反饋控制系統(tǒng)根軌跡的基本方程式：根軌跡上各點(即系統(tǒng)特征方程式的根 應滿足下列條件:幅角條件:，N= 0,1，)模值條件： 二_.系統(tǒng)整定時，Wo(s為已知，調節(jié)器 W(s的形式已定，但比例度S，積分時間T、微分時間Td待定。利用根軌跡作圖方法可以定出開環(huán)增益和一個或兩個可變開環(huán)零點、極點的適 當位置，使系統(tǒng)特征方程的主導復根位于根平面確定的折線上，從而求出調節(jié) 器的整定參數值和主導復根。比例調節(jié)器時的根軌跡作圖整定方法：比例調節(jié)器傳遞函數：工|只有一個待定參數-比例度S )滿足指定衰減率“的主導復根的位置是

16、唯一的，只要找出根軌跡與指定折線 的交點，然后用模值條件即可求出比例調節(jié)器的整定參數值S。舉例：例5-1比例微分調節(jié)器時的根軌跡作圖整定方法：有兩個待定比例微分調節(jié)器傳遞函數: 參數一比例度3 ,微分時間Td)在求調節(jié)器的整定參數時，首先要確定此可變零點的位置，從而求出微分時間Td值。然后再根據模值條件求出比例皮度3。但是必須注意一點改變Td值不僅改變了系統(tǒng)開環(huán)零點的位置，而且也改變了系統(tǒng)的開環(huán)增益。舉例：例5-2比例積分調節(jié)器時的根軌跡作圖整定方法：比例積分調節(jié)器傳遞函數:有兩個待定參數一比例度3，積分時間Ti )求取積分時間T、比例度3的步驟:在根平面上求出 T時比例調節(jié)器所構成的系統(tǒng)特征

17、方程的主導復根同樣的系統(tǒng)改用比例積分調節(jié)器后，經整定后的主導振蕩成分頻率丨低于 F 。 通常 m=0.221即衰減率= 0.75) 時I。據此即可定出主導復根丨在根平面上的位置(與在同一條m值的斜線上。由門和幅值條件定出(工,j0零點，求出積分時間 三值。根據模值條件求出比例度 S值。舉例：例5-3比例積分微分調節(jié)器時的根軌跡作圖整定方法: 比例積分微分調節(jié)器傳遞函數：令，則有:有三個待定參數 -比例度3 ,微分時間Td,積分時間Ti) 求取步驟：用調節(jié)器W(s中的一個零點(兇，jO去抵消W(s中的一個極點；把減小一個極點后的W(s作為被控過程，根據整定比例積分調節(jié)器的方法，選擇調節(jié)器 W(s

18、的另一個零點(目，j0，并求出調節(jié)器 W(s的比例度3 ;根據上述步驟求得的3、Ti、Td值，按式計算調節(jié)器的整定參數3 *、* *T、Td 值。舉例：例5-43. 項目整定方法動態(tài)特性參數法動態(tài)特性參數法-根據系統(tǒng)開環(huán)廣義過程階躍響應特性進行近似計算 的方法。原理：在調節(jié)閥 W(s的輸入端加一階躍信號，記錄測量變送器W(s的輸出響應曲線，根據該曲線求出代表廣義過程的動態(tài)特性參數(過程的時延，T。一一過程的時間常數，一一過程響應速度 ，然后根據這些參數的數值，分別應用經驗公式計算出調節(jié)器的整定參數值。舉例：例5-5邊界穩(wěn)定條件下的實驗整定方法 臨界比例度法)特點：直接在閉合的控制系統(tǒng)中進行整定

19、，而不需要進行過程動態(tài)特性的實驗。整定步驟：把調節(jié)器的積分時間 T置于最大（Ti = m ，微分時間 Td置零（Td = 0，比例度S置較大數值，把系統(tǒng)投入閉環(huán)運行，然后將調節(jié)器比例度S由大逐漸減小，得到臨界振蕩過程，記下臨界比例度刁和臨界振蕩周期 匡值。根據 和 值，運用經驗公式計算出調節(jié)器各個參數3、T、Td值。根據上述計算結果設置調節(jié)器的參數值。觀察系統(tǒng)的響應過程，若記錄曲線不合要求，再適當調整整定參數值。阻尼振蕩法 衰減曲線法）整定步驟：4 : 1衰減曲線法）把調節(jié)器的積分時間 T置于最大（Ti = s ，微分時間 Td置零（Td = 0，比 例度3置較大數值，把系統(tǒng)投入閉環(huán)運行，重復做擾動實驗，然后將調 節(jié)器比例度3由大逐漸減小，直至記錄曲線出現4: 1的衰減為止，記下E和E