第一章_單回路反饋控制系統(tǒng).

1、過程控制系統(tǒng)及工程信息學(xué)院自動(dòng)化系：孫洪程信息學(xué)院自動(dòng)化系：孫洪程 Email:S第一章第一章單回路單回路控制系統(tǒng)控制系統(tǒng) 單回路反饋控制系統(tǒng)單回路反饋控制系統(tǒng) 工作過程：工作過程：A.CA.C 控制器控制器控制閥控制閥被控對(duì)象被控對(duì)象測量變送測量變送偏差偏差給定給定 測量測量 液位液位給定量位于系統(tǒng)的輸入端，稱為給定量位于系統(tǒng)的輸入端，稱為系統(tǒng)輸入量系統(tǒng)輸入量。也稱為參考輸入量（信號(hào)）。也稱為參考輸入量（信號(hào)）。被控制量位于系統(tǒng)的輸出端，稱為被控制量位于系統(tǒng)的輸出端，稱為系統(tǒng)輸出量系統(tǒng)輸出量。 輸出量（全部或一部分）通過測量裝置返回系輸出量（全部或一部分）通過測量裝置返回系 統(tǒng)的輸入端，使之

2、與輸入統(tǒng)的輸入端，使之與輸入量進(jìn)行比較，產(chǎn)生量進(jìn)行比較，產(chǎn)生偏差偏差（給定信號(hào)與返回的輸出信號(hào)之差）信號(hào)。輸出量的（給定信號(hào)與返回的輸出信號(hào)之差）信號(hào)。輸出量的返回過程稱為返回過程稱為反饋反饋。返回的全部或部分輸出信號(hào)稱為。返回的全部或部分輸出信號(hào)稱為反饋信號(hào)反饋信號(hào)。 維持被控參數(shù)保持在設(shè)定值上，偏差越小越好維持被控參數(shù)保持在設(shè)定值上，偏差越小越好偏差控制：糾正偏差偏差控制：糾正偏差 過程工業(yè)中，此類系統(tǒng)占大多數(shù)過程工業(yè)中，此類系統(tǒng)占大多數(shù)按被控參數(shù)分類：按被控參數(shù)分類： 溫度控制回路、壓力控制回路、溫度控制回路、壓力控制回路、 流量控制回路、物位（液位）控制回路流量控制回路、物位（液位）控

3、制回路單回路反饋控制系統(tǒng)單回路反饋控制系統(tǒng)1.1 單回路系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)組成單回路系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)組成1.2 被控變量的選擇被控變量的選擇1.3 對(duì)象特性對(duì)控制質(zhì)量的影響及操縱變量的選擇對(duì)象特性對(duì)控制質(zhì)量的影響及操縱變量的選擇1.4 控制閥的選擇控制閥的選擇1.5 測量、傳送滯后對(duì)控制質(zhì)量的影響及其克服辦法測量、傳送滯后對(duì)控制質(zhì)量的影響及其克服辦法1.6 控制器參數(shù)對(duì)系統(tǒng)控制質(zhì)量的影響及控制規(guī)律的選擇控制器參數(shù)對(duì)系統(tǒng)控制質(zhì)量的影響及控制規(guī)律的選擇1.7 系統(tǒng)的關(guān)聯(lián)及其消除方法系統(tǒng)的關(guān)聯(lián)及其消除方法1.8 單回路系統(tǒng)的投運(yùn)和整定單回路系統(tǒng)的投運(yùn)和整定 實(shí)驗(yàn)：單回路控制系統(tǒng)連接、投運(yùn)和整定、質(zhì)量研究實(shí)驗(yàn)：單回

4、路控制系統(tǒng)連接、投運(yùn)和整定、質(zhì)量研究控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)目標(biāo)控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)目標(biāo) 被控變量的選擇被控變量的選擇即，要控制什么即，要控制什么 基于工藝要求，選擇的結(jié)果直接影響基于工藝要求，選擇的結(jié)果直接影響生產(chǎn)（產(chǎn)品產(chǎn)量、質(zhì)量、生產(chǎn)安全）生產(chǎn)（產(chǎn)品產(chǎn)量、質(zhì)量、生產(chǎn)安全） 最基本的熱工參數(shù)，一般是可以直最基本的熱工參數(shù)，一般是可以直接進(jìn)行測量和控制的參數(shù)接進(jìn)行測量和控制的參數(shù) 溫度、壓力、液位、流量溫度、壓力、液位、流量 質(zhì)量指標(biāo)，以及一些特殊的參數(shù)質(zhì)量指標(biāo)，以及一些特殊的參數(shù)成份、物性參數(shù)等，在一般條件下，成份、物性參數(shù)等，在一般條件下，無法直接測量和控制無法直接測量和控制 應(yīng)根據(jù)工藝參數(shù)的關(guān)系，用可應(yīng)

5、根據(jù)工藝參數(shù)的關(guān)系，用可測的參數(shù)，間接進(jìn)行控制測的參數(shù)，間接進(jìn)行控制苯、甲苯二元精餾系統(tǒng)苯、甲苯二元精餾系統(tǒng) 質(zhì)量指標(biāo)是最重要的控制參數(shù)質(zhì)量指標(biāo)是最重要的控制參數(shù) 如塔頂產(chǎn)品的純度如塔頂產(chǎn)品的純度 x xD D 但但 x xD D 目前無法直接測量，因此，只能用間接控制參數(shù)進(jìn)行控制。目前無法直接測量，因此，只能用間接控制參數(shù)進(jìn)行控制。 根據(jù)精餾原理，根據(jù)精餾原理，x xD D = f (T = f (TD D, p), , p), 即與溫度和壓力成非線性函數(shù)關(guān)系。即與溫度和壓力成非線性函數(shù)關(guān)系。 理論上，固定一項(xiàng)，就可用另一項(xiàng)控制理論上，固定一項(xiàng)，就可用另一項(xiàng)控制x xD D 。 一般的，實(shí)際

6、中都采用恒定一般的，實(shí)際中都采用恒定p p，通過控制塔頂溫度來控制塔頂成分，通過控制塔頂溫度來控制塔頂成分。 選擇原則：選擇原則： （1 1） 測量滯后測量滯后 P P （2 2） 工藝合理性工藝合理性 T T工藝合理性：工藝合理性：規(guī)定塔壓穩(wěn)定，保證分離度，保證效率規(guī)定塔壓穩(wěn)定，保證分離度，保證效率 各塊塔板壓力恒定，各塊塔板壓力恒定，X XD D與與T T有對(duì)應(yīng)關(guān)系有對(duì)應(yīng)關(guān)系選擇選擇X XD D=F=F（T T）PTfXD,0 50 100%0 50 100%DXP一定T一定一定DX精餾塔精餾塔: : F1F2FnY 必須從影響被控量的諸多影響參數(shù)中必須從影響被控量的諸多影響參數(shù)中 選擇一

7、個(gè)，作為選擇一個(gè)，作為操縱變量操縱變量 其它影響量則只能視作其它影響量則只能視作干擾量干擾量了了用操縱量克服干擾量對(duì)被控變量的影響用操縱量克服干擾量對(duì)被控變量的影響F F1 1(s)(s)F F2 2(s)(s)U(s)U(s)Y(s)Y(s)Y(s)=GPC(s)U(s)+GPD1(s) F1(s) +GPD2(s) F2 (s)干擾作用下的閉環(huán)傳遞函數(shù)為：干擾作用下的閉環(huán)傳遞函數(shù)為：結(jié)論：結(jié)論： 越大，系統(tǒng)的余差也越大，越大，系統(tǒng)的余差也越大， 控制質(zhì)量越差控制質(zhì)量越差分析過程：分析過程： 結(jié)論：結(jié)論：越大，個(gè)數(shù)越多，干擾對(duì)被控變量的影響越小，系統(tǒng)越大，個(gè)數(shù)越多，干擾對(duì)被控變量的影響越小，

8、系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)偏差越小，的動(dòng)態(tài)偏差越小， 控制質(zhì)量提高控制質(zhì)量提高 干擾進(jìn)入系統(tǒng)的位置：越離被控變量近的干擾，對(duì)被控變干擾進(jìn)入系統(tǒng)的位置：越離被控變量近的干擾，對(duì)被控變量的影響也越大量的影響也越大 ( )()y ty t干擾通道特性對(duì)控制質(zhì)量的影響特性參數(shù)靜態(tài)質(zhì)量的影響動(dòng)態(tài)質(zhì)量的影響Kf增加余差增加無影響Tf增加無影響過渡過程時(shí)間減小，振蕩幅值減小f增加無影響無影響靜態(tài)靜態(tài)：控制通道放大倍數(shù)控制通道放大倍數(shù)K K0 0大，控制系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)余差小，見式（大，控制系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)余差小，見式（1-71-7）動(dòng)態(tài)動(dòng)態(tài)：控制系統(tǒng)衰減比控制系統(tǒng)衰減比與與KcKc 與與K K0 0的乘積有關(guān)，見式（的乘積有關(guān)，見式（1-

9、181-18），且），且 KcKc K K0 0越大，越大，越小，穩(wěn)定性差。越小，穩(wěn)定性差。 因此，要保證因此，要保證KcKc K K0 0= =常數(shù)。在常數(shù)。在KcKc K K0 0= =常數(shù)情況下，控制系統(tǒng)穩(wěn)常數(shù)情況下，控制系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)余差不變。態(tài)余差不變。 從控制角度看，從控制角度看，K K0 0大些，說明控制通道對(duì)系統(tǒng)的影響大，易大些，說明控制通道對(duì)系統(tǒng)的影響大，易于調(diào)節(jié)，因此，一般希望于調(diào)節(jié)，因此，一般希望K K0 0大些好大些好010201 0202(1)CTTT TK K從控制系統(tǒng)傳遞函數(shù)推導(dǎo)進(jìn)行分析從控制系統(tǒng)傳遞函數(shù)推導(dǎo)進(jìn)行分析 結(jié)論：結(jié)論：控制通道的時(shí)間常數(shù)大，經(jīng)過的容量數(shù)多，系

10、統(tǒng)的工作控制通道的時(shí)間常數(shù)大，經(jīng)過的容量數(shù)多，系統(tǒng)的工作 頻率低，控制不及時(shí)、系統(tǒng)控制質(zhì)量差，如溫度系統(tǒng)。頻率低，控制不及時(shí)、系統(tǒng)控制質(zhì)量差，如溫度系統(tǒng)。 一般希望控制通道時(shí)間常數(shù)小些好。一般希望控制通道時(shí)間常數(shù)小些好。 但控制通道時(shí)間常數(shù)過小，將使得系統(tǒng)過于靈敏，也會(huì)使穩(wěn)定性但控制通道時(shí)間常數(shù)過小，將使得系統(tǒng)過于靈敏，也會(huì)使穩(wěn)定性變差，如流量系統(tǒng)變差，如流量系統(tǒng) 結(jié)論：結(jié)論：純滯后純滯后 的存在，使得控制不及時(shí)，增加動(dòng)態(tài)偏差，的存在，使得控制不及時(shí)，增加動(dòng)態(tài)偏差， 降低穩(wěn)定性。降低穩(wěn)定性。 控制通道純滯后是控制系統(tǒng)非常不利的因素，會(huì)嚴(yán)重影響控控制通道純滯后是控制系統(tǒng)非常不利的因素，會(huì)嚴(yán)重影響

11、控制系統(tǒng)品質(zhì)，以至于使控制系統(tǒng)發(fā)散，造成嚴(yán)重后果，因此，制系統(tǒng)品質(zhì)，以至于使控制系統(tǒng)發(fā)散，造成嚴(yán)重后果，因此，實(shí)際工程中，必須重視。實(shí)際工程中，必須重視。 控制通道特性對(duì)控制質(zhì)量的影響圖特性參數(shù)對(duì)靜態(tài)質(zhì)量的影響對(duì)動(dòng)態(tài)質(zhì)量的影響K0增加余差減?。ǚ€(wěn)定前提下）系統(tǒng)趨向于振蕩T0增加無影響過渡過程時(shí)間增加，系統(tǒng)頻率變慢0增加無影響穩(wěn)定程度大大降低（6 6）兼顧考慮工藝的合理性，工藝上不易頻繁兼顧考慮工藝的合理性，工藝上不易頻繁 改變的量也不宜作為操縱變量。改變的量也不宜作為操縱變量。 實(shí)質(zhì)上是決定了控制通道的選擇。實(shí)質(zhì)上是決定了控制通道的選擇。原則：原則：（1 1）操縱變量必須可控）操縱變量必須可控

12、（2 2）選擇通道放大倍數(shù)相對(duì)大的）選擇通道放大倍數(shù)相對(duì)大的（3 3）選擇通道時(shí)間常數(shù)相對(duì)小的（干擾通道）選擇通道時(shí)間常數(shù)相對(duì)小的（干擾通道 時(shí)間常數(shù)大些）時(shí)間常數(shù)大些）（4 4）選擇通道的純滯后盡量小）選擇通道的純滯后盡量?。? 5）選擇使干擾點(diǎn)遠(yuǎn)離被控變量而靠近控制閥）選擇使干擾點(diǎn)遠(yuǎn)離被控變量而靠近控制閥 流量特性：指流體通過閥門的相對(duì)流量和閥門相對(duì)開度流量特性：指流體通過閥門的相對(duì)流量和閥門相對(duì)開度 之間的關(guān)系之間的關(guān)系 Q/Qmax=f(L/Lmax) Q/Qmax 相對(duì)流量相對(duì)流量 f(L/Lmax)相對(duì)開度相對(duì)開度 一般的，生產(chǎn)負(fù)荷變化一般的，生產(chǎn)負(fù)荷變化對(duì)象特性發(fā)生變化對(duì)象特性發(fā)

13、生變化 如，熱交換器：如，熱交換器： 負(fù)荷（被加熱的流體）增大：負(fù)荷（被加熱的流體）增大： 通過熱交換器的時(shí)間縮短，通過熱交換器的時(shí)間縮短， 純滯后減??；純滯后減??； 特性改變特性改變 流速增大，傳熱效果變好流速增大，傳熱效果變好 控制系統(tǒng)投運(yùn)時(shí)，已經(jīng)整定好了控制系統(tǒng)投運(yùn)時(shí)，已經(jīng)整定好了PIDPID參數(shù)，一旦對(duì)象參數(shù)，一旦對(duì)象特性發(fā)生變化時(shí)，原來好的特性發(fā)生變化時(shí)，原來好的PIDPID參數(shù)就變得不好了參數(shù)就變得不好了（1 1）選擇自整定調(diào)節(jié)器，代價(jià)大）選擇自整定調(diào)節(jié)器，代價(jià)大（2 2）通過控制閥的特性選擇進(jìn)行彌補(bǔ)）通過控制閥的特性選擇進(jìn)行彌補(bǔ) K 1 / KK 1 / K0 0G G0 0如對(duì)

14、象負(fù)荷靜態(tài)部分如對(duì)象負(fù)荷靜態(tài)部分K K0 0與控制閥流量與控制閥流量F F成反比，成反比，對(duì)象負(fù)荷動(dòng)態(tài)部分對(duì)象負(fù)荷動(dòng)態(tài)部分G G0 0與控制閥流量與控制閥流量F F成正比，成正比，控制閥特性取線性；控制閥特性取線性；P15 P15 表表1-1 1-1 控制閥流量特性的選擇控制閥流量特性的選擇 課本課本P15P15分析的例子分析的例子P16 P16 表表1-2 1-2 控制閥流量特性經(jīng)驗(yàn)選擇控制閥流量特性經(jīng)驗(yàn)選擇解決辦法：解決辦法：直通單座、直通雙座、角閥、高壓閥、直通單座、直通雙座、角閥、高壓閥、蝶閥、蝶閥、隔膜閥、三通閥隔膜閥、三通閥適用于不同工藝場合適用于不同工藝場合表表1-41-4 控制

15、閥的輔助裝置控制閥的輔助裝置 接受控制器信號(hào)，輸出控制控制閥接受控制器信號(hào)，輸出控制控制閥 作用：作用： 提高控制閥控制精度，準(zhǔn)確定位；提高控制閥控制精度，準(zhǔn)確定位； 功率放大；功率放大； 可改變控制閥流量特性；可改變控制閥流量特性； 可實(shí)現(xiàn)分程控制可實(shí)現(xiàn)分程控制 控制質(zhì)量：控制質(zhì)量：系統(tǒng)的穩(wěn)定性系統(tǒng)的穩(wěn)定性系統(tǒng)的靜態(tài)誤差系統(tǒng)的靜態(tài)誤差系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)誤差系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)誤差PID 三作用控制器三作用控制器PID：Proportional Integral DerivativePID控制對(duì)偏差信號(hào)對(duì)偏差信號(hào) (t)進(jìn)行比例、積分和微分進(jìn)行比例、積分和微分運(yùn)算變換后形成的一種控制規(guī)律。運(yùn)算變換后形成的一種控

16、制規(guī)律。 01tpdidu tKe tedTe tTdt其中： Kpe (t) 比例控制項(xiàng)，比例控制項(xiàng)， Kp 為比例系數(shù)為比例系數(shù) 積分控制項(xiàng)，積分控制項(xiàng)，T Ti 為積分時(shí)間常數(shù)為積分時(shí)間常數(shù)； 01tiedT 微分控制項(xiàng)，微分控制項(xiàng)， d 為微分時(shí)間常數(shù)為微分時(shí)間常數(shù)； ddTe tdtPIDPID控制的傳遞函數(shù)：控制的傳遞函數(shù)：( )1( )1( )cpdiU sG sKT sE sTsPID控制是控制工程中技術(shù)成熟、理論完善、應(yīng)用最為廣泛的一種控制策略，經(jīng)過長期的工程實(shí)踐，已形成了一套完整的控制方法和典型結(jié)構(gòu)。在很多情形下，PID 控制并不一定需要全部的三項(xiàng)控制作用，而是可以方便靈活

17、地改變控制策略，實(shí)施P、PI、PD 或PID 控制。顯然，比例控制部分是必不可少的。PID 不僅適用于數(shù)學(xué)模型已知的控制系統(tǒng)，而且對(duì)大多數(shù)數(shù)學(xué)模型難以確定的工業(yè)過程也可應(yīng)用。PID 控制參數(shù)整定方便，結(jié)構(gòu)靈活，在眾多工業(yè)過程控制中取得了滿意的應(yīng)用效果。R(s)E(s)Gc(s)Go(s)F(s)F(s)Go(s)E(s)Gc(s)2222(1)(21)( )(1)(21)okllovijjKT sT sTsG ssTsT sT s( )1/F ss001lim ( )lim( )lim( )tssce tsE sG s終值定理：1( )11ccciiiKG sKTsTsTs結(jié)論結(jié)論： 當(dāng)控制器

18、為純比例作用時(shí)，系統(tǒng)余差與放大倍當(dāng)控制器為純比例作用時(shí)，系統(tǒng)余差與放大倍數(shù)成反比，即與比例度成正比，比例度數(shù)成反比，即與比例度成正比，比例度越大，越大，余差越大；余差越大； 當(dāng)控制器引入積分作用時(shí)，可消除余差；當(dāng)控制器引入積分作用時(shí)，可消除余差； 微分作用對(duì)余差沒有影響。微分作用對(duì)余差沒有影響。 根據(jù)圖中所示則有：LV/ LT = L1/L2，令KP= L1/L2則有：LV = L1/L2LT， LV = KPLT。LT = LV/KP已知 LT為真實(shí)液位期望液位之差。所以 LT不可能為零。 0cuK eu0ty(t) 01ciuKeedtuT0ty(t)P P、I I、D D三參數(shù)相互配合三

19、參數(shù)相互配合控制器參數(shù)整定控制器參數(shù)整定 0cDdeuKeTudt 提餾段溫度與塔底液位控制系統(tǒng)提餾段溫度與塔底液位控制系統(tǒng) TCLCGc1(s)Gcn(s)R1(s)nnRn(s)Y1(s)Yn(s)U1(s)Un(s)jiGc1(s)Gc2(s)R1(s)R2(s)Y1(s)Y2(s)U1(s)U2(s)Gc1(s)Gc2(s)R1(s)R2(s)Y1(s)Y2(s)U1(s)U2(s)uuy11yuy11相對(duì)增益的計(jì)算：相對(duì)增益的計(jì)算： 相互關(guān)聯(lián)程度ijijijyuuyyuijijyuuyyuijij011，ijij11，ijij=0=0ij，ijij1TKK PCFCGc(s)Gv(s

20、)Go(s) Gm(s)R(s)E(s)Y(s)LC一般，對(duì)于儀表控制器，都帶有正反作用開關(guān)，一般，對(duì)于儀表控制器，都帶有正反作用開關(guān)，對(duì)于計(jì)算機(jī)控制，可以通過程序設(shè)置對(duì)于計(jì)算機(jī)控制，可以通過程序設(shè)置 025( )(41)(201)G sss（1 1）臨界比例度法）臨界比例度法步驟：步驟： 系統(tǒng)閉環(huán)系統(tǒng)閉環(huán) TITI最大、最大、TDTD最小最小 （沒有積分、微分作用）（沒有積分、微分作用） 比例度比例度放到放到100%100%（K=1K=1），由大往小逐漸改變，每改變一），由大往小逐漸改變，每改變一次，通過設(shè)定值的改變給控制系統(tǒng)施加階躍干擾，觀察輸出次，通過設(shè)定值的改變給控制系統(tǒng)施加階躍干擾，

21、觀察輸出Y Y的變化的變化 若若Y Y衰減振蕩，則繼續(xù)減小衰減振蕩，則繼續(xù)減小；若；若Y Y發(fā)散振蕩，則應(yīng)增大發(fā)散振蕩，則應(yīng)增大 當(dāng)當(dāng)Y Y出現(xiàn)等幅振蕩（臨界振蕩），此時(shí)出現(xiàn)等幅振蕩（臨界振蕩），此時(shí)kk稱為臨界比例度，稱為臨界比例度，振蕩周期振蕩周期TkTk稱為臨界周期。稱為臨界周期。有了有了k和和Tk后，按經(jīng)驗(yàn)公式確定后，按經(jīng)驗(yàn)公式確定、Ti、TD，按此參數(shù)可使控制系統(tǒng)，按此參數(shù)可使控制系統(tǒng)呈呈4：1衰減。若還有差距，可適當(dāng)調(diào)整衰減。若還有差距，可適當(dāng)調(diào)整 0tTk等幅振蕩曲線等幅振蕩曲線 臨界周期臨界周期 %Ti，minTD，minP 2k PI2.2k0.85Tk PID1.7k0.5Tk0.13Tk。