單回路控制系統(tǒng)

單回路控制系統(tǒng)一、單回路控制系統(tǒng)的概述圖1為單回路控制系統(tǒng)方框圖的一般形式，它是由被控對象、執(zhí)行器、調(diào)節(jié)器和測量變送器組成一個(gè)單閉環(huán)控制系統(tǒng)。系統(tǒng)的給定量是某一定值，要求系統(tǒng)的被控制量穩(wěn)定至給定量。由于這種系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡單，性能較好，調(diào)試方便等優(yōu)點(diǎn)，故在工業(yè)生產(chǎn)中已被廣泛應(yīng)用。圖1單回路控制系統(tǒng)方框圖二、干擾對系統(tǒng)性能的影響1．干擾通道的放大系數(shù)、時(shí)間常數(shù)及純滯后對系統(tǒng)的影響。干擾通道的放大系數(shù)K會影響干擾加在系統(tǒng)中的幅值。若系統(tǒng)是有差系統(tǒng)，f則干擾通道的放大系數(shù)愈大，系統(tǒng)的靜差也就愈大。如果干擾通道是一慣性環(huán)節(jié)，令時(shí)間常數(shù)為T，則階躍擾動(dòng)通過慣性環(huán)節(jié)后，f其過渡過程的動(dòng)態(tài)分量被濾波而幅值變小。即時(shí)間常數(shù)T越大，則系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)偏f差就愈小。通常干擾通道中還會有純滯后環(huán)節(jié)，它使被調(diào)參數(shù)的響應(yīng)時(shí)間滯后一個(gè)t值,但不會影響系統(tǒng)的調(diào)節(jié)質(zhì)量。2．干擾進(jìn)入系統(tǒng)中的不同位置。復(fù)雜的生產(chǎn)過程往往有多個(gè)干擾量，它們作用在系統(tǒng)的不同位置，如圖2所示。同一形式、大小相同的擾動(dòng)作用在系統(tǒng)中不同的位置所產(chǎn)生的靜差是不一樣的。對擾動(dòng)產(chǎn)生影響的僅是擾動(dòng)作用點(diǎn)前的那些環(huán)節(jié)。圖2擾動(dòng)作用于不同位置的控制系統(tǒng)三、控制規(guī)律的選擇PID控制規(guī)律及其對系統(tǒng)控制質(zhì)量的影響已在有關(guān)課程中介紹，在此將有關(guān)結(jié)論再簡單歸納一下。比例(P)調(diào)節(jié)純比例調(diào)節(jié)器是一種最簡單的調(diào)節(jié)器，它對控制作用和擾動(dòng)作用的響應(yīng)都很快。由于比例調(diào)節(jié)只有一個(gè)參數(shù)，所以整定很方便。這種調(diào)節(jié)器的主要缺點(diǎn)是系統(tǒng)有靜差存在。其傳遞函數(shù)為：G(s)=K=(1)CP5式中K為比例系數(shù)，6為比例帶。P比例積分(PI)調(diào)節(jié)PI調(diào)節(jié)器就是利用P調(diào)節(jié)快速抵消干擾的影響，同時(shí)利用I調(diào)節(jié)消除殘差，但I(xiàn)調(diào)節(jié)會降低系統(tǒng)的穩(wěn)定性，這種調(diào)節(jié)器在過程控制中是應(yīng)用最多的一種調(diào)節(jié)器。其傳遞函數(shù)為：G(s)=K(1+)=(1+)(2)CPTs5TsII式中T為積分時(shí)間。I比例微分(PD)調(diào)節(jié)這種調(diào)節(jié)器由于有微分的超前作用，能增加系統(tǒng)的穩(wěn)定度，加快系統(tǒng)的調(diào)節(jié)過程，減小動(dòng)態(tài)和靜態(tài)誤差，但微分抗干擾能力較差，且微分過大，易導(dǎo)致調(diào)節(jié)閥動(dòng)作向兩端飽和。因此一般不用于流量和液位控制系統(tǒng)。PD調(diào)節(jié)器的傳遞函數(shù)為：G(s)二K(1+Ts)=(1+Ts)(3)CPDgD式中T為微分時(shí)間。D比例積分微分(PID)調(diào)節(jié)器PID是常規(guī)調(diào)節(jié)器中性能最好的一種調(diào)節(jié)器。由于它具有各類調(diào)節(jié)器的優(yōu)點(diǎn),因而使系統(tǒng)具有更高的控制質(zhì)量。它的傳遞函數(shù)為G(s)=K(1+丄+Ts)=1(1+丄+Ts)(4)CPTsDgTsDII圖3表示了同一對象在相同階躍擾動(dòng)下，采用不同控制規(guī)律時(shí)具有相同衰減率的響應(yīng)過程。圖3各種控制規(guī)律對應(yīng)的響應(yīng)過程四、調(diào)節(jié)器參數(shù)的整定方法調(diào)節(jié)器參數(shù)的整定一般有兩種方法：一種是理論計(jì)算法，即根據(jù)廣義對象的數(shù)學(xué)模型和性能要求，用根軌跡法或頻率特性法來確定調(diào)節(jié)器的相關(guān)參數(shù)；另一種方法是工程實(shí)驗(yàn)法，通過對典型輸入響應(yīng)曲線所得到的特征量，然后查照經(jīng)驗(yàn)表，求得調(diào)節(jié)器的相關(guān)參數(shù)。工程實(shí)驗(yàn)整定法有以下四種：(一)經(jīng)驗(yàn)法若將控制系統(tǒng)按照液位、流量、溫度和壓力等參數(shù)來分類，則屬于同一類別的系統(tǒng)，其對象往往比較接近，所以無論是控制器形式還是所整定的參數(shù)均可相互參考。表1為經(jīng)驗(yàn)法整定參數(shù)的參考數(shù)據(jù)，在此基礎(chǔ)上，對調(diào)節(jié)器的參數(shù)作進(jìn)

步修正。若需加微分作用’微分時(shí)間常數(shù)按Td=（1?1）TI計(jì)算。表1經(jīng)驗(yàn)法整定參數(shù)系統(tǒng)參數(shù)6(%)T(min)IT(min)D溫度20?603?100.5?3流量40?1000.1?1壓力30?700.4?3液位20?80（二）臨界比例度法圖4具有周期T的等幅振蕩S這種整定方法是在閉環(huán)情況下進(jìn)行的。設(shè)T二x,T=0,使調(diào)節(jié)器工作在純比ID例情況下,將比例度由大逐漸變小,使系統(tǒng)的輸出響應(yīng)呈現(xiàn)等幅振蕩,如圖4所示。根據(jù)臨界比例度6和振蕩周期T,按表2所列的經(jīng)驗(yàn)算式，求取調(diào)節(jié)器的kS參考參數(shù)值,這種整定方法是以得到4：1衰減為目標(biāo)。表2臨界比例度法整定調(diào)節(jié)器參數(shù)調(diào)節(jié)器參數(shù)調(diào)節(jié)器名稱6T(S)IT(S)DP26kPI2.26kT/1.2SPID1.660.5T0.125TkSS臨界比例度法的優(yōu)點(diǎn)是應(yīng)用簡單方便，但此法有一定限制。首先要產(chǎn)生允許受控變量能承受等幅振蕩的波動(dòng)，其次是受控對象應(yīng)是二階和二階以上或具有純滯后的一階以上環(huán)節(jié)，否則在比例控制下，系統(tǒng)是不會出現(xiàn)等幅振蕩的。在求取等幅振蕩曲線時(shí)，應(yīng)特別注意控制閥出現(xiàn)開、關(guān)的極端狀態(tài)。三）衰減曲線法（阻尼振蕩法）圖54：1衰減曲線法圖形在閉環(huán)系統(tǒng)中，先把調(diào)節(jié)器設(shè)置為純比例作用，然后把比例度由大逐漸減小，加階躍擾動(dòng)觀察輸出響應(yīng)的衰減過程，直至出現(xiàn)圖5所示的4：1衰減過程為止。這時(shí)的比例度稱為4：1衰減比例度，用6表示之。相鄰兩波峰間的距離稱為4：S1衰減周期T。根據(jù)6和T,運(yùn)用表3所示的經(jīng)驗(yàn)公式，就可計(jì)算出調(diào)節(jié)器預(yù)整SSS定的參數(shù)值。表3衰減曲線法計(jì)算公式、調(diào)節(jié)器參數(shù)調(diào)節(jié)器名稱6(%)T(min)IT(min)DP6SPI1.26S0.5TS

PID0.850.3T0.1TSSS四）動(dòng)態(tài)特性參數(shù)法所謂動(dòng)態(tài)特性參數(shù)法，就是根據(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，即根據(jù)第二章中對象特性的階躍響應(yīng)曲線測試法測得系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)特性參數(shù)（K、T、t等），利用表4所示的經(jīng)驗(yàn)公式，就可計(jì)算出對應(yīng)于衰減率為4：1時(shí)調(diào)節(jié)器的相關(guān)參數(shù)。如果被控對象是一階慣性環(huán)節(jié)，或具有很小滯后的一階慣性環(huán)節(jié)，若