單回路控制系統(tǒng)方案

1、第五章 單回路控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)本章提要1. 過程控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)概述2. 單回路控制系統(tǒng)方案設(shè)計(jì)3. 單回路控制系統(tǒng) 整定4. 單回路控制系統(tǒng)投運(yùn)5. 單回路控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)原則應(yīng)用舉例授課內(nèi)容第一節(jié)過程控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)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(gè)被控過程、一個(gè) 檢測(cè)變送器、一個(gè)控制器和一個(gè)執(zhí)行器所組成的對(duì)一個(gè)被控變量進(jìn)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(diào)節(jié)器的傳遞畫數(shù)；Wrts)亠一謠節(jié)閥的詩逆國數(shù)；VKo(s)祓控過程的馬遞函數(shù)I町測(cè)量變送器的傳遞函數(shù).簡單控制系統(tǒng) 是實(shí)現(xiàn)生產(chǎn)過程自動(dòng)化的基本單元、其結(jié)構(gòu)簡單、投資少、易 于調(diào)

2、整和投運(yùn)，能滿足一般工業(yè)生產(chǎn)過程的控制要求、因此在工業(yè)生產(chǎn)小應(yīng)用 十分廣泛，尤其適用于被控過程的純滯后和慣性小、負(fù)荷和擾動(dòng)變化比較平 緩，或者控制質(zhì)量要求不太高的場(chǎng)合。過程控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)和應(yīng)用的兩個(gè)重要內(nèi)容：控制方案的設(shè)計(jì)、調(diào)節(jié)器整定參數(shù) 值的確定。過程控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)的一般要求：過程控制系統(tǒng)是穩(wěn)定的，且具有適當(dāng)?shù)姆€(wěn)定裕度。系統(tǒng)應(yīng)是一個(gè)衰減振蕩過程，但過渡過程時(shí)間要短，余差要小。過程控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)的基本方法：設(shè)計(jì)方法很多，主要有對(duì)數(shù)頻率特性設(shè)計(jì)法、根軌跡設(shè)計(jì)法、系統(tǒng)參數(shù)優(yōu)化的 計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)等。過程控制系統(tǒng)統(tǒng)設(shè)計(jì)步驟：建立被控過程的數(shù)學(xué)模型選擇控制方案建立系統(tǒng)方框圖進(jìn)行系統(tǒng)靜態(tài)、動(dòng)態(tài)特性分析計(jì)算實(shí)驗(yàn)和

3、仿真過程控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)的主要內(nèi)容： 控制方案的設(shè)計(jì)：核心，包括合理選擇被控參數(shù)和控制參數(shù)、信息的獲取 和變送、調(diào)節(jié)閥的選擇、調(diào)節(jié)器控制規(guī)律及正、反作用方式的確定等。 項(xiàng)目設(shè)計(jì)：包括儀表選型、控制室和儀表盤設(shè)計(jì)、儀表供電供氣系統(tǒng)設(shè) 計(jì)、信號(hào)及聯(lián)鎖保護(hù)系統(tǒng)設(shè)計(jì)等。項(xiàng)目安裝和儀表調(diào)校 調(diào)節(jié)器參數(shù)項(xiàng)目整定：保證系統(tǒng)運(yùn)行在最佳狀態(tài)。第二節(jié) 單回路控制系統(tǒng)方案設(shè)計(jì)1. 被控參數(shù)的選擇選取被控參數(shù)的一般原則為： 選擇對(duì)產(chǎn)品的產(chǎn)量和質(zhì)量、安全生產(chǎn)、經(jīng)濟(jì)運(yùn)行和環(huán)境保護(hù)具有決定性作 用的，可直接測(cè)量的工藝參數(shù)為被控參數(shù)。當(dāng)不能用直接參數(shù)作為被控參數(shù)時(shí)，應(yīng)該選擇一個(gè)與直接參數(shù)有單值函數(shù) 關(guān)系的間接參數(shù)作為被控參數(shù)。被

4、控參數(shù)必須具有足夠大的靈敏度。 被控參數(shù)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(shù)的選擇需要正確選擇控制參數(shù)、調(diào)節(jié)器調(diào)節(jié)規(guī)律和調(diào)節(jié)閥的特性。當(dāng)工藝上允許有幾種控制參數(shù)可供選擇時(shí)，可根據(jù)被控過程擾動(dòng)通道和控制通 道特性，對(duì)控制質(zhì)量的影響作出合理的選擇。所隊(duì)正確選擇控制參數(shù)就是正確 選擇控制通道的問題。擾動(dòng)作用 由擾動(dòng)通道對(duì)過程的被控參數(shù)產(chǎn)生影響，力圖使被控參數(shù)偏離給定性控制作用 由控制通道對(duì)過程的被控參數(shù)起主導(dǎo)影響，抵消擾動(dòng)影響，以使被控參數(shù)盡力維持在給定值。在生產(chǎn)過程有幾個(gè)控制參數(shù)可供選擇時(shí)，一般希望控制通道克服擾動(dòng)的校正能 力要強(qiáng)，動(dòng)態(tài)響應(yīng)要比擾動(dòng)通道快?？捎蛇^程靜態(tài)特性

5、的分析 擾動(dòng)通道靜態(tài)放大倍數(shù)Kf、控制通道靜態(tài)放大倍數(shù)Ko）、過程擾動(dòng)通道動(dòng)態(tài)特性的分析 時(shí)間常數(shù)Tf、時(shí)延t、擾動(dòng)作用點(diǎn)位置）、過程控制通道動(dòng)態(tài)特性的分析時(shí)間常數(shù)T。、時(shí)延T包括純時(shí)延 ©、容量時(shí)延T）、時(shí)間常數(shù)匹配）確定各參數(shù)選擇原則。根據(jù)過程特性選擇控制參數(shù)的一般原則：控制通道參數(shù)選擇：選擇過程控制通道的放大系數(shù)Ko要適當(dāng)大一些，時(shí)間常數(shù)To要適當(dāng)小一些。純時(shí)延 t愈小愈好，在有純時(shí)延 T的情況下， T與To之比應(yīng)小一些 小于1）,若其比值過大，則不利于控制。擾動(dòng)通道參數(shù)選擇：選擇過程擾動(dòng)通道的放大系數(shù)K f應(yīng)盡可能小。時(shí)間常數(shù) Tf 要大。擾動(dòng)引入系統(tǒng)的位置要遠(yuǎn)離控制過程 即

6、靠近調(diào)節(jié)閥）。容 量時(shí)延T愈大則有利于控制。時(shí)間常數(shù)匹配：廣義過程 （包括調(diào)節(jié)閥和測(cè)量變送器 由幾個(gè)一階環(huán)節(jié)組 成，在選擇控制參數(shù)時(shí)，應(yīng)盡量設(shè)法把幾個(gè)時(shí)間常數(shù)錯(cuò)開，使其中一個(gè)時(shí) 間常數(shù)比其他時(shí)間常數(shù)大得多，同時(shí)注意減小第二、第三個(gè)時(shí)間常數(shù)。 注意工藝操作的合理性、經(jīng)濟(jì)性。3. 系統(tǒng)設(shè)計(jì)中的測(cè)量變送問題被控參數(shù)的測(cè)量和變送必須迅速正確地反映其實(shí)際變化情況，為系統(tǒng)設(shè)計(jì)提供 準(zhǔn)確的控制依據(jù)。測(cè)量和變送環(huán)節(jié)的描述：參數(shù)選擇原則：減小 Tm和T均對(duì)提高系統(tǒng)的控制質(zhì)量有利。若Tm較大，則會(huì)使記錄曲線與實(shí)際參數(shù)之間產(chǎn)生較大的動(dòng)態(tài)誤差。從減小測(cè)量變送環(huán)節(jié)誤差 角度考慮，應(yīng)減少儀表的量程，即增大Km。系統(tǒng)設(shè)計(jì)測(cè)

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

8、選擇：主要以安全方面考慮。調(diào)節(jié)閥流量特性的選擇：系統(tǒng)總的放大倍數(shù)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(diào)節(jié)器（若比例作用時(shí) 和執(zhí)行機(jī) 構(gòu)的放大系數(shù)是常數(shù)。因此往往通過選擇調(diào)節(jié)閥的流量特性來補(bǔ)償被控過程特 性的非線性，從而達(dá)到系統(tǒng)總放大倍數(shù)不變的目的。5. 調(diào)節(jié)器控制規(guī)律的選擇目的：為了使調(diào)節(jié)器的特性與控制過程的特性能很好配合，使所設(shè)計(jì)的系統(tǒng)能 滿足生產(chǎn)工藝對(duì)控制質(zhì)量指標(biāo)的要求。調(diào)節(jié)器PID控制規(guī)律對(duì)控制質(zhì)量的影響：當(dāng)廣義過程的時(shí)間常數(shù)較大，純時(shí)延較小時(shí)（即T）/To很小，引入微分作用其效果良好。此時(shí)各類調(diào)節(jié)器控制規(guī)律對(duì)控制質(zhì)量的影響為：比例積 分微分（PID作

9、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(dāng)過程控制通道時(shí)間常數(shù)較小，而負(fù)荷變化很快，引入微分和積分作用均 要引起系統(tǒng)振蕩，對(duì)控制質(zhì)量的影響不利。當(dāng)過程控制通道時(shí)延很大，負(fù)荷變化也很大時(shí)，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(diào)節(jié)器控制規(guī)律的選擇原則：根據(jù)q比值選擇控制規(guī)律：-II時(shí)，選用比例或比例積分控制規(guī)律；三1時(shí)，選用比例積分或比例積分微分控制規(guī)律；時(shí)，單回路反饋控制系統(tǒng)已不能滿足控制要求，應(yīng)根據(jù)具體情況，采用其他控制方式。根據(jù)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(shí)間常數(shù)不太大，擾動(dòng)幅度較 小，負(fù)荷變化不大，控制

10、質(zhì)量要求不高，允許有余差的場(chǎng)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(fù)荷變化不太大，工藝上不允許有余差的場(chǎng)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(huì)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(zhì)量。適用于 過程容量滯后較大的場(chǎng)合。對(duì)于滯后很小和擾動(dòng)作用頻繁的系統(tǒng)，應(yīng)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(zhì)量，它適用于容量 滯后大、負(fù)荷變化大、控制質(zhì)量要求較高的場(chǎng)合，如反應(yīng)器、聚合釜的溫 度控制。6. 調(diào)節(jié)器正、反作用的

11、確定正作用-指調(diào)節(jié)器的輸出隨著正偏差 （指測(cè)量值大于設(shè)定值 的增加而 增加，即調(diào)節(jié)器的輸出隨著測(cè)量值增大而增大。反作用-指調(diào)節(jié)器的輸出隨著正偏差的增加而減小，即調(diào)節(jié)器的輸出 隨著測(cè)量值增大而減少。調(diào)節(jié)器作用方向確定的原則：應(yīng)根據(jù)被控過程的特性及調(diào)節(jié)閥的氣開、氣關(guān)形 式來正確選擇，以使自動(dòng)控制系統(tǒng)成為一個(gè)負(fù)反饋的閉環(huán)系統(tǒng)，即如果被控變 量偏高，則控制作用應(yīng)使之降低；相反，如果被控變量偏低，則控制作用應(yīng)使 之升高?？刂谱饔脤?duì)被控變量的影響應(yīng)與擾動(dòng)作用對(duì)被控變量的影響相反，才 能使被控變量回到設(shè)定值?？刂葡到y(tǒng)各環(huán)節(jié)的極性的規(guī)定：正作用調(diào)節(jié)器：即當(dāng)系統(tǒng)的測(cè)量值增加時(shí)，調(diào)節(jié)器的輸出亦增加，其靜態(tài) 放大系

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

13、系統(tǒng)的開環(huán)傳遞函數(shù)各環(huán)節(jié)的靜態(tài)放大系數(shù)極性相乘 必須為正的原則來確定調(diào)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(guān)單回路控制系統(tǒng)整定的概述系統(tǒng)整定-指選擇調(diào)節(jié)器的比例度 可、積分時(shí)間Ti和微分時(shí)間Td的具 體數(shù)值。系統(tǒng)整定的實(shí)質(zhì)，就是通過改變控制參數(shù)使調(diào)節(jié)器特性和被控過 程特性配合好，來改善系統(tǒng)的動(dòng)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(shí)響應(yīng)的衰減率I以保證系統(tǒng)具有一定的穩(wěn)定性儲(chǔ)備），盡量減小穩(wěn)態(tài)偏差（余差、最大偏差和過渡過程時(shí)間。注意：只有系統(tǒng)設(shè)計(jì)正確，儀表經(jīng)過調(diào)校和正確安裝之后，調(diào)節(jié)器參數(shù)的整定 才是有意義的。調(diào)節(jié)器參數(shù)的整定方法： 可分為兩大類）理論

14、計(jì)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(shù)學(xué)模型。其計(jì)算繁瑣，工作量很大，而且最后得到的數(shù)據(jù)一般精度 又不高，所以目前在項(xiàng)目上較少采用。項(xiàng)目整定方法：如動(dòng)態(tài)特性參數(shù)法、臨界比例度法、衰減曲線法、現(xiàn)場(chǎng)實(shí) 驗(yàn)整定法等。它直接在過程控制系統(tǒng)中進(jìn)行。其方法簡單，計(jì)算簡便，而 且容易掌握，所得參數(shù)雖然不一定為最佳，但是實(shí)用，能解決一般性問 題，所以在項(xiàng)目上得到了廣泛應(yīng)用。計(jì)算機(jī)仿真尋優(yōu)整定法：采用最優(yōu)積分準(zhǔn)則。來求調(diào)節(jié)器的整定參數(shù)的最 優(yōu)值的方法。2. 理論計(jì)算整定法 介紹根軌跡法）根軌跡作圖整定方法原理：應(yīng)用根軌跡作圖方法的原則來選擇調(diào)節(jié)器的PID參數(shù)，使系統(tǒng)特征方程中對(duì)瞬態(tài)

15、響應(yīng)起主導(dǎo)作用的根滿足某一指定要求，從而使系統(tǒng)的瞬態(tài)響應(yīng)達(dá)到指定的性能 指標(biāo)。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(diǎn)(即系統(tǒng)特征方程式的根 應(yīng)滿足下列條件:幅角條件:，N= 0,1，)模值條件： 二_.系統(tǒng)整定時(shí)，Wo(s為已知，調(diào)節(jié)器 W(s的形式已定，但比例度S，積分時(shí)間T、微分時(shí)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(gè)或兩個(gè)可變開環(huán)零點(diǎn)、極點(diǎn)的適 當(dāng)位置，使系統(tǒng)特征方程的主導(dǎo)復(fù)根位于根平面確定的折線上，從而求出調(diào)節(jié) 器的整定參數(shù)值和主導(dǎo)復(fù)根。比例調(diào)節(jié)器時(shí)的根軌跡作圖整定方法：比例調(diào)節(jié)器傳遞函數(shù)：工|只有一個(gè)待定參數(shù)-比例度S )滿足指定衰減率“的主導(dǎo)復(fù)根的位置是唯

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

17、程的主導(dǎo)復(fù)根同樣的系統(tǒng)改用比例積分調(diào)節(jié)器后，經(jīng)整定后的主導(dǎo)振蕩成分頻率丨低于 F 。 通常 m=0.221即衰減率= 0.75) 時(shí)I。據(jù)此即可定出主導(dǎo)復(fù)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(diǎn)，求出積分時(shí)間 三值。根據(jù)模值條件求出比例度 S值。舉例：例5-3比例積分微分調(diào)節(jié)器時(shí)的根軌跡作圖整定方法: 比例積分微分調(diào)節(jié)器傳遞函數(shù)：令，則有:有三個(gè)待定參數(shù) -比例度3 ,微分時(shí)間Td,積分時(shí)間Ti) 求取步驟：用調(diào)節(jié)器W(s中的一個(gè)零點(diǎn)(兇，jO去抵消W(s中的一個(gè)極點(diǎn)；把減小一個(gè)極點(diǎn)后的W(s作為被控過程，根據(jù)整定比例積分調(diào)節(jié)器的方法，選擇調(diào)節(jié)器 W(s的

18、另一個(gè)零點(diǎn)(目，j0，并求出調(diào)節(jié)器 W(s的比例度3 ;根據(jù)上述步驟求得的3、Ti、Td值，按式計(jì)算調(diào)節(jié)器的整定參數(shù)3 *、* *T、Td 值。舉例：例5-43. 項(xiàng)目整定方法動(dòng)態(tài)特性參數(shù)法動(dòng)態(tài)特性參數(shù)法-根據(jù)系統(tǒng)開環(huán)廣義過程階躍響應(yīng)特性進(jìn)行近似計(jì)算 的方法。原理：在調(diào)節(jié)閥 W(s的輸入端加一階躍信號(hào)，記錄測(cè)量變送器W(s的輸出響應(yīng)曲線，根據(jù)該曲線求出代表廣義過程的動(dòng)態(tài)特性參數(shù)(過程的時(shí)延，T。一一過程的時(shí)間常數(shù)，一一過程響應(yīng)速度 ，然后根據(jù)這些參數(shù)的數(shù)值，分別應(yīng)用經(jīng)驗(yàn)公式計(jì)算出調(diào)節(jié)器的整定參數(shù)值。舉例：例5-5邊界穩(wěn)定條件下的實(shí)驗(yàn)整定方法 臨界比例度法)特點(diǎn)：直接在閉合的控制系統(tǒng)中進(jìn)行整定，

19、而不需要進(jìn)行過程動(dòng)態(tài)特性的實(shí)驗(yàn)。整定步驟：把調(diào)節(jié)器的積分時(shí)間 T置于最大（Ti = m ，微分時(shí)間 Td置零（Td = 0，比例度S置較大數(shù)值，把系統(tǒng)投入閉環(huán)運(yùn)行，然后將調(diào)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(jù) 和 值，運(yùn)用經(jīng)驗(yàn)公式計(jì)算出調(diào)節(jié)器各個(gè)參數(shù)3、T、Td值。根據(jù)上述計(jì)算結(jié)果設(shè)置調(diào)節(jié)器的參數(shù)值。觀察系統(tǒng)的響應(yīng)過程，若記錄曲線不合要求，再適當(dāng)調(diào)整整定參數(shù)值。阻尼振蕩法 衰減曲線法）整定步驟：4 : 1衰減曲線法）把調(diào)節(jié)器的積分時(shí)間 T置于最大（Ti = s ，微分時(shí)間 Td置零（Td = 0，比 例度3置較大數(shù)值，把系統(tǒng)投入閉環(huán)運(yùn)行，重復(fù)做擾動(dòng)實(shí)驗(yàn)，然后將調(diào) 節(jié)器比例度3由大逐漸減小，直至記錄曲線出現(xiàn)4: 1的衰減為止，記下E和E