《簡單系統(tǒng)學生》PPT課件.ppt

1、簡單控制系統(tǒng)的結(jié)構(gòu),四個環(huán)節(jié)組成,被控變量的選擇,控制變量的選擇,控制參數(shù)的整定,簡單控制系統(tǒng)的設計,閉環(huán)負反饋,控制規(guī)律的選擇,第6章 簡單控制系統(tǒng)的設計與參數(shù)整定,6.1簡單控制系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)與組成 指由一個測量變送器、一個控制器、一個控制閥和一個對象所構(gòu)成的單閉環(huán)控制系統(tǒng)。,第6章 簡單控制系統(tǒng)的設計與參數(shù)整定,儀表符號標準,控制系統(tǒng)原理方框圖,控制系統(tǒng)工藝流程圖,6.2簡單控制系統(tǒng)設計 1. 過程控制系統(tǒng)方案設計的基本要求(了解） 安全性、穩(wěn)定性和經(jīng)濟性三個方面。 2. 過程控制系統(tǒng)設計的主要內(nèi)容 （了解） 過程控制系統(tǒng)設計包括控制系統(tǒng)方案設計、工程設計、工程安裝和儀表調(diào)校、調(diào)節(jié)器參數(shù)整定

2、等四個主要內(nèi)容。,3. 過程控制系統(tǒng)設計的步驟（了解） 1）掌握生產(chǎn)工藝對控制系統(tǒng)的技術(shù)要求 2）建立被控過程的數(shù)學模型 3）確定控制方案 包括控制方式和系統(tǒng)組成結(jié)構(gòu)的確定，是過程控制系統(tǒng)設計的關鍵步驟。 4）控制設備選型 5）實驗（或仿真）驗證,6.2.2被控參數(shù)與控制變量的選擇 6.2.2.1被控參數(shù)（變量）的選擇,被控變量生產(chǎn)過程中希望借助自動控制保持恒定值（或按一定規(guī)律變化）的變量。,被控變量的選擇依據(jù)： 1、根據(jù)生產(chǎn)工藝的要求，找出影響生產(chǎn)的關鍵變量作為被控變量,例1 儲槽液位控制系統(tǒng) 工藝要求儲槽液位穩(wěn)定。那么設計的控制系統(tǒng)就應以儲槽液位為被控變量。,例2 換熱器出口溫度控制系統(tǒng)

3、工藝要求出口溫度為定值。那么設計的控制系統(tǒng)就應以出口溫度為被控變量。,2、當不能用直接工藝參數(shù)作為被控變量時，應選擇與直接工藝參數(shù)有單值函數(shù)關系的間接工藝參數(shù)作為被控變量。,例3 化工的精餾物純度控制系統(tǒng),該精餾塔的工藝要求是要使塔頂（或塔底）餾出物達到規(guī)定的純度。按照被控變量的選擇原則1，塔頂（或塔底）餾出物的組分應作為被控變量。-難在線檢測，則不能直接作為被控變量。,間接參數(shù)塔內(nèi)壓力和塔內(nèi)溫度都對餾出物純度有影響。,選哪一個作為被控變量？,間接控制參數(shù)的確定 經(jīng)試驗得出，塔頂餾出物苯的濃度分別與壓力和溫度有單值對應關系。（塔底餾出物甲苯也一樣）從工藝合理性考慮，選擇溫度作為被控變量。,3、

4、被控變量必須有足夠大的靈敏度,4、選擇被控變量時，必須考慮工藝合理性,6.2.2.2控制變量選擇 把用來克服干擾對被控變量的影響，實現(xiàn)控制作用的變量稱為控制變量或操縱變量。最常見的操縱變量是介質(zhì)的流量，也有以轉(zhuǎn)速、電壓等作為操縱變量的。,控制變量的確定 在諸多影響被控變量的因素中選擇一個對被控變量影響顯著且便于控制的變量，作為控制變量； 其它未被選中的因素則視為系統(tǒng)的干擾。,對象特性對控制品質(zhì)影響的分析： 1過程（通道）靜態(tài)特性對控制品質(zhì)的影響 單回路控制系統(tǒng)的等效框圖。,Gc(s) 控制器的傳遞函數(shù)； Go(s) 廣義控制通道（包括執(zhí)行器和變送器）的傳遞函數(shù)； Gf(s) 擾動通道的傳遞函數(shù)

5、。,控制變量,被控參數(shù)y(t)受到設定信號x(t)和干擾信號f(t)的共同影響：,代入系統(tǒng)偏差公式中：,將,將Gc(s)、 Go(s)， Gf(s)代入得：,分析給定值x(t)和干擾f(t)對系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)偏差得影響。,（1）當f(t)0， x(t)作單位階躍變化時：,（2）當x(t)0， f(t)作單位階躍變化時：,過程（通道）靜態(tài)特性對控制品質(zhì)的影響 K0越大，控制作用越強，穩(wěn)態(tài)誤差越??； Kf越大，干擾作用越強，穩(wěn)態(tài)誤差越大。 選擇控制變量時，應使控制通道得靜態(tài)放大系數(shù)Ko越大越好；使干擾通道得靜態(tài)放大系數(shù)Kf越小越好。,2過程（通道）動態(tài)特性對控制品質(zhì)的影響 （1）干擾通道動態(tài)特性對控制品質(zhì)

6、的影響,干擾通道的容積或慣性環(huán)節(jié)越多，Tf 越大，干擾對被控變量的影響越緩慢，干擾引起的最大動態(tài)偏差越小，系統(tǒng)的控制品質(zhì)越好。,1）干擾通道時間常數(shù)Tf對控制質(zhì)量得影響,2)干擾通道純滯后f對控制質(zhì)量的影響？,結(jié)論：干擾通道純滯后f不影響控制質(zhì)量.,例：某控制系統(tǒng)中，干擾f1、f2、f3分別在三個位置進入系統(tǒng)。試分析： f1、f2、f3對被控變量的影響越慢。,3)擾動進入控制通道的位置對控制品質(zhì)的影響,單獨f3對y的影響,單獨f2對y的影響,單獨f1對y的影響,結(jié)論：擾動進入系統(tǒng)的位置離被控參數(shù)檢測點越遠，干擾通道的容量滯后有所增加，系統(tǒng)動態(tài)偏差越小，干擾對被控參數(shù)影響越小。,（2）控制通道動

7、態(tài)特性對控制品質(zhì)的影響 即控制通道時間常數(shù)，滯后時間對控制質(zhì)量的影響,t,控制通道G0的時間常數(shù)T0增大，使控制速度變慢，最大偏差增大，系統(tǒng)過渡過程時間長,1）控制通道時間常數(shù)對控制質(zhì)量的影響,控制通道的純滯后 ，使控制作用滯后0到達，造成控制偏差增大，系統(tǒng)穩(wěn)定性下降?？刂仆ǖ赖娜萘繙笠矔斐煽刂瀑|(zhì)量下降，影響比純滯后緩和。,2)控制通道的純滯后對控制質(zhì)量的影響,t,y,yk(t),控制變量的選擇原則： 1.控制變量必須是工藝上可調(diào)節(jié)的。 2.控制變量一般應比其他干擾量對被控參數(shù)的影響靈敏。應使控制通道放大系數(shù)大、時間常數(shù)小、純滯后越小越好。 3.為使干擾對被控參數(shù)影響小。應使干擾通道放大系

8、數(shù)小，時間常數(shù)盡可能大。擾動進入控制通道的未知要遠離被控參數(shù)，盡可能靠近控制閥。 4.控制通道存在多個時間常數(shù)時，應盡可能使時間常數(shù)錯開，使其中一個時間常數(shù)比其他時間常數(shù)大很多，同時注意減小其他時間常數(shù)。 5.要考慮工藝的合理性與生產(chǎn)的經(jīng)濟性。,例：液位控制系統(tǒng)控制變量的選擇。 影響儲槽液位的主要因素有：液體流入量和液體流出量。 這兩個變量影響力相當，若由工藝決定液體流出量可控。 則選液體流出量作為控制變量。,h,Qi,Qo,例.熱交換器出口溫度控制變量的選擇。 影響出口溫度的主要因素有：載熱介質(zhì)溫度、載熱介質(zhì)流量、冷物料溫度、冷物料流量等。 顯然，載熱介質(zhì)流量影響力最大且可控。故選載熱介質(zhì)流

9、量作為控制變量。,熱物料,載熱介質(zhì),冷物料,熱交換器,Qr,Qi,Ti,Tr,例. 提餾段某塊塔板（靈敏板）的溫度作為被控變量。此控制系統(tǒng)控制變量的選擇。 影響靈敏板溫度T靈的因素主要有：,進料的流量（Q入）、 進料的成分（ x入）、 進料的溫度（T入）， 回流的流量（Q回）、 回流的溫度（T回）， 加熱蒸汽流量（Q蒸）、,這些影響因素分為可控的和不可控的兩大類： 回流量和蒸汽流量為可控因素 其它基本為不可控因素,TT,在兩個可控因素中，選蒸汽流量為操縱變量。,6.2.3檢測環(huán)節(jié)、執(zhí)行器及調(diào)節(jié)器正負作用選擇 6.2.3.1傳感器、變送器選擇（了解）,1按照生產(chǎn)過程的工藝要求，首先確定傳感器與變

10、送器合適的測量范圍（量程）與精度等級。 2測量儀表反應慢，會造成測量失真。應盡可能選擇時間常數(shù)小的傳感器、變送器。,測量環(huán)節(jié)時間常數(shù)對測量信號的影響,3合理選擇檢測點，避免測量造成對象純滯后0,圖6.15 pH值控制系統(tǒng)圖,LT,LC,中和槽,貯酸槽,4測量信號的處理 測量信號的校正與補償、測量噪聲的抑制、測量信號的線性化處理。,6.2.3.2執(zhí)行器的選擇 1調(diào)節(jié)閥工作區(qū)間的選擇 正常工況下，調(diào)節(jié)閥的開度應在15%85%區(qū)間。據(jù)此原則計算、確定控制閥的口徑尺寸。 2調(diào)節(jié)閥的流量特性選擇 按補償對象特性的原則選取。 3調(diào)節(jié)閥的氣開、氣關作用方式選擇,（1）按控制信號中斷時，保證生產(chǎn)設備，人身安全

11、的原則確定 （2）保證產(chǎn)品質(zhì)量原則 （3）減少原料，能耗原則 （4）基于介質(zhì)特點的工藝設備安全原則,6.2.3.3調(diào)節(jié)器正反作用的選擇 負反饋控制系統(tǒng)的控制作用對被控變量的影響應與干擾作用對被控變量的影響相反，才能使被控變量值回復到給定值。為了保證負反饋，必須正確選擇調(diào)節(jié)器的正反作用。,給定值,測量變送器,控制器,執(zhí)行器,對象,操作量,被控變量,干擾,為了說明選擇方法，對各環(huán)節(jié)先定義一個表示其性質(zhì)的正（“”），負（“”）符號。 變送器：輸出信號隨被測變量增加而增加，為“”；反之為“”。變送器一般都為“” 執(zhí)行器：氣開閥為“”，氣關閥為“” 被控對象：若控制變量增加，被控參數(shù)隨之增加，為“”，反

12、之為“”。 控制器： 正作用控制器：當給定值不變時，隨測量值增加，控制器輸出增加。 或者測量值不變時，給定值減小時，控制器輸出增加。取為“” 反作用控制器：當給定值不變時，隨測量值增加，控制器輸出減小。 或者測量值不變時，給定值減小時，控制器輸出減小。取為“”,調(diào)節(jié)器正反作用的確定原則：保證系統(tǒng)構(gòu)成負反饋 簡單的判定方法：閉合回路中各環(huán)節(jié)符號之積為“”。,例：儲槽液位控制系統(tǒng),LT,LC,M,正,氣開,出料,要求：出現(xiàn)故障或氣源斷開時，不允許物料全部流走。試確定調(diào)節(jié)器的正，反作用方式。,LT,LC,M,反,氣關,出料,例：另一工藝的儲槽液位控制系統(tǒng),要求：出現(xiàn)故障或氣源斷開時，物料不能溢出儲槽

13、。試確定調(diào)節(jié)器正反作用方式。,練習：如圖所示加熱爐 溫度控制系統(tǒng),指出系統(tǒng)被控對象，被控參數(shù)，調(diào)節(jié)參數(shù),作出系統(tǒng)方框圖,選擇調(diào)節(jié)閥氣開，氣關形式,選擇調(diào)節(jié)器正反作用方式,TT,TC,燃料,出料,練習：儲槽液位控制系統(tǒng)如圖。工藝要求：出現(xiàn)故障或氣源斷開時，不允許物料全部流走。,指出系統(tǒng)被控對象，被控參數(shù)，調(diào)節(jié)參數(shù),作出系統(tǒng)方框圖,選擇調(diào)節(jié)閥氣開，氣關形式,選擇調(diào)節(jié)器正反作用方式并進行驗證。,6.3調(diào)節(jié)規(guī)律對控制品質(zhì)的影響與調(diào)節(jié)規(guī)律選擇 調(diào)節(jié)器的調(diào)節(jié)規(guī)律，即它的輸出量與輸入量（偏差值）之間的函數(shù)關系。,P = f ( e ),調(diào)節(jié)器的作用是根據(jù)偏差，按規(guī)定的調(diào)節(jié)規(guī)律產(chǎn)生輸出信號，推動執(zhí)行機構(gòu)，對生

14、產(chǎn)過程進行調(diào)節(jié)。,6.3.1調(diào)節(jié)規(guī)律對控制品質(zhì)影響的分析（復習）,6.3.1.1比例（P）調(diào)節(jié)對系統(tǒng)控制品質(zhì)的影響,比例帶的物理意義：比例帶P是放大倍數(shù)KC的倒數(shù)，其大小決定比例控制作用的強弱。 P越小，控制作用越強、靜差越小，系統(tǒng)調(diào)節(jié)越快、系統(tǒng)穩(wěn)定性降低。P越大，靜差越大。,比例帶P對控制過程的影響,比例控制的特點 控制及時、適當。只要有偏差，輸出立刻成比例地變化，偏差越大，輸出的控制作用越強。,控制結(jié)果存在余差，隨比例度增大而增大。 實現(xiàn)定值控制的有差跟蹤。,振蕩逐漸加劇,P,P,P,P,P,P越小，控制過程曲線越振蕩，周期縮短。,P越大，控制過程曲線越平穩(wěn)，但控制過程時間越長，余差也越大

15、。,出現(xiàn)等幅振蕩，這時的比例度稱為臨界比例度Pmin ，振蕩頻率稱為臨界振蕩頻率M,6.3.1.2積分（I）調(diào)節(jié)與比例積分（PI）調(diào)節(jié)對系統(tǒng)控制質(zhì)量的影響 1 積分控制（I） 輸出變化量p與輸入偏差e的積分成正比,當輸入偏差e是幅值為e 的階躍時：,TI 積分時間 SI積分速度,積分控制可以消除余差。,積分控制的特點,積分輸出信號是隨時間逐漸增強的，控制作用緩慢，穩(wěn)定性比P控制差。故一般積分作用不單獨使用。,2 比例積分控制（PI）,若偏差是幅值為e 的階躍干擾,積分時間的物理意義：,若偏差是幅值為e的階躍:,當 t = TI 時:,積分時間TI對控制過程的影響,TI越大，Si越小，積分作用越

16、弱， TI = ，Si0，積分作用為零。 TI減小，Si增大，積分作用增強，系統(tǒng)振蕩加劇，穩(wěn)定性下降。 如果T1適當，系統(tǒng)能很快消除余差。,積分時間TI 或積分速度Si對過渡過程的影響,6.3.1.3比例微分（PD）調(diào)節(jié)對系統(tǒng)控制品質(zhì)的影響,式中：TD 微分時間, 偏差變化速度,理想微分,1 微分控制（D）,微分控制能在偏差出現(xiàn)或變化的瞬間，立即根據(jù)變化的趨勢，產(chǎn)生強烈的調(diào)節(jié)作用，使偏差盡快地消除于萌芽狀態(tài)之中。提前動作,當偏差存在，但不變化時，微分輸出為零，對靜態(tài)偏差毫無抑制能力。不能單獨使用。,微分控制的特點,2 比例微分控制（PD） 理想的比例微分控制,PD調(diào)節(jié)是有差調(diào)節(jié)。 PD具有提高

17、系統(tǒng)穩(wěn)定性，抑制最大動態(tài)偏差的作用。 PD調(diào)節(jié)有利與提高系統(tǒng)的響應速度，減小穩(wěn)態(tài)誤差。 若Td太大，微分作用太強，易造成系統(tǒng)振蕩。,將比例、積分、微分三種調(diào)節(jié)規(guī)律結(jié)合在一起，只要三項作用的強度配合適當，既能快速調(diào)節(jié)，又能消除余差，可得到滿意的控制效果。,6.3.1.4 （PID）調(diào)節(jié)對系統(tǒng)控制品質(zhì)的影響,對某一對象，用不同控制規(guī)律時階躍干擾過程比較,6.3.2調(diào)節(jié)規(guī)律的選擇,0/T00.2，用P或PI 0.20/T01.0，用PD或PID 0/T01.0，用簡單控制系統(tǒng)效果不好。,若廣義對象傳遞函數(shù)可用 描述,6.4調(diào)節(jié)器參數(shù)的工程整定方法 控制器參數(shù)的整定就是按照已定的控制方案，求取使控制質(zhì)

18、量最好的控制器參數(shù)值。具體來說，就是確定最合適的控制器比例度P、積分時間TI，和微分時間TD。,理論計算的方法是根據(jù)已知的各環(huán)節(jié)特性及控制質(zhì)量的要求，通過理論計算出控制器的最佳參數(shù)。 工程整定法在已經(jīng)投運的實際控制系統(tǒng)中，通過試驗或探索，來確定控制器的最佳參數(shù)。,6.4.1穩(wěn)定邊界法（臨界比例度法） 屬于閉環(huán)整定方法，根據(jù)純比例控制系統(tǒng)臨界振蕩試驗所得數(shù)據(jù)（臨界比例度Pm和振蕩周期Tm），按經(jīng)驗公式求出調(diào)節(jié)器的整定參數(shù)。 （1） 置調(diào)節(jié)器Ti ， Td=0，比例度P 較大值，將系統(tǒng)投入運行。,（2） 逐漸減小P ，加干擾觀察，直到出現(xiàn)等幅減振蕩為止。記錄此時的臨界值Pm和Tm。,（3）根據(jù)Pm

19、和Tm，按經(jīng)驗公式計算出控制器的參數(shù)整定值。,方法： （1）把調(diào)節(jié)器設成比例作用（Ti=，Td=0），置于較大比例度，投入自動運行。 （2）在穩(wěn)定狀態(tài)下，階躍改變給定值（通常以5%左右為宜），觀察調(diào)節(jié)過程曲線。 （3）適當改變比例度，重復上述實驗，到出現(xiàn)滿意的衰減曲線為止。,記下此時的比例度Ps及周期Ts。 n=10:1時，記Ps及Ts,6.4.2衰減曲線法 也屬于閉環(huán)整定方法，但不需要尋找等幅振蕩狀態(tài)，只需尋找最佳衰減振蕩狀態(tài)即可。,（4）按表6-2（n=4:1）或按表6-3（n=10:1）求得各種調(diào)節(jié)規(guī)律時的整定參數(shù)。,表6.2 衰減比為4:1時， 整定參數(shù)計算表,表6.3 衰減比為10:

20、1時， 整定參數(shù)計算表,6.4.3響應曲線法 屬于開環(huán)整定方法。以廣義對象的階躍響應為依據(jù)，通過經(jīng)驗公式求取調(diào)節(jié)器的最佳參數(shù)整定值。 方法：不加控制作用，作廣義對象的階躍響應曲線。,給定值,控制器,被控變量,測量變送器,執(zhí)行器,對象,根據(jù)實驗所得響應曲線，找出廣義對象的特性參數(shù)K0、T0、0，用表6-4的經(jīng)驗公式求整定參數(shù)。,6.4.4 經(jīng)驗法 憑經(jīng)驗湊試。 其關鍵是“看曲線，調(diào)參數(shù)”。,控制器參數(shù)對控制過程的影響：,6.4.5 幾種整定方法的比較,注意： 同一個系統(tǒng)，最佳整定參數(shù)可能不是唯一的。不同的PID參數(shù)組合，有時會得到極為相近的控制結(jié)果。 例如某初餾塔塔頂溫度控制系統(tǒng)，控制器采用以下

21、兩組參數(shù)時： P 15 TI 7.5min P 35 TI 3 min 系統(tǒng)都得到10:1的衰減曲線，超調(diào)量和過渡時間基本相同。,例：一蒸汽加熱的熱交換溫度控制系統(tǒng)，要求熱水溫度穩(wěn)定在65。當調(diào)解閥輸入信號增加1.6mADC（調(diào)節(jié)閥門輸入電流范圍為420mADC）時，熱水溫度上升為67.8 ，并達到新的穩(wěn)定狀態(tài)。溫度變送器量程和調(diào)節(jié)器刻度范圍為3080 。從溫度動態(tài)曲線上可以測出 。如果采用PI或PID調(diào)節(jié)規(guī)律，計算調(diào)節(jié)器的整定參數(shù)。,解：由題意：,代入表64計算即可。,6.5 簡單控制系統(tǒng)設計實例 如圖是奶粉生產(chǎn)工藝中的噴霧式干燥設備。此工藝要求保證奶粉含水量在2%2.5%。 6.5.1 生產(chǎn)過程概述,6.5.2 控制方案設計 6.5.2.1 被控