第五章簡(jiǎn)單控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)及參數(shù)整定方法.ppt

1,第五章簡(jiǎn)單控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)及參數(shù)整定方法,魏莉weili機(jī)電工程學(xué)院測(cè)控系,2,3,簡(jiǎn)單控制系統(tǒng)一個(gè)調(diào)節(jié)器，一個(gè)調(diào)節(jié)閥，控制一個(gè)被控參數(shù)單回路閉環(huán)控制系統(tǒng)，典型結(jié)構(gòu)框圖如下圖示。,4,單回路控制系統(tǒng)特點(diǎn),結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、投資少、易于整定和投運(yùn)；可滿(mǎn)足一般生產(chǎn)過(guò)程的工藝要求；占控制回路的80%以上，應(yīng)用廣泛；適用于被控過(guò)程的純滯后與慣性不大、負(fù)荷與干擾變化比較平穩(wěn)或者工藝要求不太高的場(chǎng)合。,5,6,第一節(jié)過(guò)程控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)概述,一.對(duì)過(guò)程控制系統(tǒng)的一般要求,穩(wěn)：控制系統(tǒng)必須是穩(wěn)定的，且有一定的穩(wěn)定裕量。,準(zhǔn)：系統(tǒng)被控參數(shù)的實(shí)際運(yùn)行狀況與希望狀況的偏差要小，控制精度要高。,快：系統(tǒng)從一種工作狀態(tài)向另一種工作狀態(tài)過(guò)渡時(shí)間要短，即衰減振蕩短。,工程上三者往往相互矛盾，如要精度高則平穩(wěn)受影響，要平穩(wěn)則快速性受削弱，一般應(yīng)滿(mǎn)足最重要要求，分清主次。,7,過(guò)控系統(tǒng)組成:被控過(guò)程；控制儀表；檢測(cè)儀表等。,主要工作:確定控制方案；選擇檢測(cè)方法；選擇檢測(cè)儀表；選擇控制儀表;參數(shù)整定。,二.過(guò)程控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)的基本方法與步驟,8,控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)的步驟:,1.熟悉系統(tǒng)的技術(shù)要求或性能指標(biāo)2.建立系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型過(guò)程的數(shù)模是理論分析和深入設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)和依據(jù)。3.控制方案的確定含系統(tǒng)組成和控制方式,確定方案的依據(jù)是被控過(guò)程的特性,技術(shù)指標(biāo),控制任務(wù)的要求,方案要簡(jiǎn)單經(jīng)濟(jì)可行,要有比較。4.根據(jù)系統(tǒng)的靜動(dòng)態(tài)特性進(jìn)行理論分析和綜合由技術(shù)指標(biāo),系統(tǒng)的靜動(dòng)態(tài)特性,確定調(diào)節(jié)規(guī)律和參數(shù)整定。分析方法:頻率法,根軌跡法,優(yōu)化設(shè)計(jì)等。分析工具:計(jì)算機(jī)仿真等。5.設(shè)備選型6.實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證,9,內(nèi)容包括方案設(shè)計(jì)：即系統(tǒng)組成和控制方式，是設(shè)計(jì)的核心，方案不合理，選何種儀表都無(wú)作用。工程設(shè)計(jì)：指儀表選型，控制室和儀表盤(pán)設(shè)計(jì)，供電供氣系統(tǒng)的設(shè)計(jì)，信號(hào)連鎖和系統(tǒng)保護(hù)。工程安裝與儀表調(diào)校。調(diào)節(jié)器參數(shù)整定：設(shè)置調(diào)節(jié)器參數(shù)，使系統(tǒng)運(yùn)行在最佳狀態(tài)。核心內(nèi)容控制方案設(shè)計(jì)；調(diào)節(jié)器參數(shù)整定。,三.過(guò)程控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)的主要內(nèi)容,10,1認(rèn)真熟悉過(guò)程特性要了解過(guò)程特性,熟悉工藝流程特點(diǎn)要求,這是方案的重要依據(jù)。,2要明確過(guò)程中各個(gè)生產(chǎn)環(huán)節(jié)的關(guān)系,3.測(cè)量信號(hào)的預(yù)先處理一般測(cè)量信號(hào)作反饋用較重要,但是現(xiàn)場(chǎng)信號(hào),故噪聲大,要進(jìn)行濾波或線(xiàn)性化或溫度補(bǔ)償?shù)阮A(yù)處理。,4.系統(tǒng)的安全保護(hù)安全可靠,尤其是在高溫高壓,易燃易爆,強(qiáng)腐蝕等環(huán)境下,要選符合要求的儀表和設(shè)備。,四.系統(tǒng)設(shè)計(jì)中需注意的幾個(gè)問(wèn)題,11,第二節(jié)過(guò)程特性對(duì)控制質(zhì)量的影響及控制方案的確定,一.干擾通道特性對(duì)控制質(zhì)量的影響,干擾與系統(tǒng)輸出的傳遞關(guān)系,12,系統(tǒng)輸出與干擾的傳遞函數(shù):,C(S)/F(S)=Gf(S)/1+GC(S)GV(S)GP(S)H(S),設(shè)干擾通道Gf(S)為一單容過(guò)程,即Gf(S)=Kf/(TfS+1),則有C(S)/F(S)=1/1+GC(S)GV(S)GP(S)H(S)Kf/(TfS+1),或有延時(shí)f時(shí)C(S)/F(S)=Gf(S)/1+GC(S)GV(S)GP(S)H(S)exp(-fS),13,1.靜態(tài)增益Kf:Kf越大,擾動(dòng)引起輸出越大,設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)減小Kf,如辦不到,應(yīng)增強(qiáng)控制作用,或采用擾動(dòng)補(bǔ)償。,2.時(shí)間常數(shù)Tf:Gf(S)是一個(gè)慣性環(huán)節(jié),對(duì)擾動(dòng)F(S)有一定的濾波作用,Tf越大,效果越明顯,故Tf越大,擾動(dòng)對(duì)被控參數(shù)的動(dòng)態(tài)影響越小。,3.延時(shí)f:相當(dāng)于擾動(dòng)推遲一段時(shí)間進(jìn)入系統(tǒng),對(duì)控制質(zhì)量無(wú)影響,4.F(S)進(jìn)入系統(tǒng)的位置的影響,如F(S)在GP(S)之前進(jìn)入系統(tǒng):,14,15,控制通道:其作用總是力圖使被控參數(shù)與給定值相一致擾動(dòng)通道:其作用總是力圖使被控參數(shù)與給定值相偏離,二.控制通道特性對(duì)控制質(zhì)量的影響,16,1.靜態(tài)增益KO:調(diào)節(jié)器的KC一定時(shí):KO越大控制作用越強(qiáng),抗擾能力越強(qiáng),穩(wěn)態(tài)誤差越小,被控參數(shù)對(duì)控制作用反應(yīng)越靈敏。KO越大意味著系統(tǒng)的靜態(tài)增益越大,對(duì)系統(tǒng)的閉環(huán)穩(wěn)定性不利。設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)綜合考慮穩(wěn)定性快速性和穩(wěn)態(tài)誤差三方面:改變KC使開(kāi)環(huán)增益KOKC合適,當(dāng)KO越大,KC越小,降低調(diào)節(jié)器要求,2.時(shí)間常數(shù)TO:TO較大,調(diào)節(jié)器對(duì)被控參數(shù)的調(diào)節(jié)作用就不及時(shí),過(guò)渡過(guò)程加長(zhǎng)TO過(guò)小,控制作用過(guò)于靈敏,引起振蕩,設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)TO較小,或增加微分,17,3.純時(shí)延:信號(hào)傳輸,測(cè)量變送等產(chǎn)生,對(duì)系統(tǒng)影響不利,既不能及時(shí)發(fā)現(xiàn)被控參數(shù)的變化,又不能使控制作用及時(shí)產(chǎn)生效應(yīng),使動(dòng)態(tài)偏差增大,超調(diào)增加,相角滯后穩(wěn)定性降低,應(yīng)盡量減小,過(guò)控中用O/TO反映控制的難易程度,O/TO0.3易控,O/TO0.5難控,18,4.時(shí)間常數(shù)匹配:設(shè)廣義被控過(guò)程傳遞函數(shù)為:(由被控過(guò)程,測(cè)量元件,調(diào)節(jié)閥等一階慣性環(huán)節(jié)串接）,則臨界穩(wěn)定增益為:KO=2+T1/T2+T2/T3+T3/T2+T2/T1+T3/T1+T1/T3,KO的大小取決于T1,T2,T3的相對(duì)比值,計(jì)算可知:時(shí)間常數(shù)錯(cuò)開(kāi)越多，開(kāi)環(huán)增益就允許提高的越多，對(duì)系統(tǒng)的控制質(zhì)量越有利，實(shí)際上，最大時(shí)間常數(shù)對(duì)應(yīng)過(guò)程核心設(shè)備，不易改變，可選擇小時(shí)間常數(shù)的測(cè)量?jī)x表和具有小時(shí)間常數(shù)的調(diào)節(jié)閥。,19,確定控制方案:借助于實(shí)際工程經(jīng)驗(yàn)以及理論分析和計(jì)算。,三.控制方案的確定,20,(1)應(yīng)選取對(duì)產(chǎn)品的質(zhì)量和產(chǎn)量,安全生產(chǎn),經(jīng)濟(jì)運(yùn)行有決定性作用的,可直接測(cè)量的工藝參數(shù)作為被控參數(shù)。,(2)對(duì)難以直接測(cè)量的被控參數(shù),應(yīng)選取一個(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)(精餾塔)。,(3)用間接參數(shù)作為被控參數(shù)時(shí),該參數(shù)應(yīng)對(duì)產(chǎn)品質(zhì)量有足夠的控制靈敏度,(4)考慮工藝過(guò)程的合理性和選用儀器儀表的性能價(jià)格比,一般情況下,對(duì)于一個(gè)已經(jīng)運(yùn)行的生產(chǎn)過(guò)程,被控參數(shù)是確定的,實(shí)際上已無(wú)多大選擇余地,1、系統(tǒng)被控參數(shù)的選取,21,22,根據(jù)過(guò)程特性對(duì)系統(tǒng)控制質(zhì)量影響的分析,選擇操縱變量,(1)選擇結(jié)果應(yīng)使靜態(tài)增益KO應(yīng)盡可能大一些,時(shí)間常數(shù)TO適當(dāng)小一些,由生產(chǎn)過(guò)程,系統(tǒng)技術(shù)指標(biāo),調(diào)節(jié)器參數(shù)整定范圍,用自控理論分析計(jì)算來(lái)確定。,(2)純時(shí)延時(shí)間O應(yīng)盡量小,O/TO要小于0.3，此比值過(guò)大時(shí),不能用簡(jiǎn)單控制系統(tǒng)。,(3)擾動(dòng)通道的靜態(tài)增益Kf要盡可能小,時(shí)間常數(shù)Tf要盡可能大,擾動(dòng)進(jìn)入系統(tǒng)的位置應(yīng)盡可能遠(yuǎn)離被控參數(shù),靠近執(zhí)行器,可抑制擾動(dòng)對(duì)被控參數(shù)的動(dòng)態(tài)影響。,(4)錯(cuò)開(kāi)廣義被控過(guò)程的時(shí)間常數(shù),(5)考慮工藝操作的合理可行性和經(jīng)濟(jì)性,2、控制參數(shù)(操縱變量)的選擇,23,測(cè)量變送的傳遞函數(shù):Y(S)/X(S)=Km/(TmS+1)exp(-mS),亦即純延時(shí)慣性環(huán)節(jié)，入出之間存在動(dòng)態(tài)偏差，與儀表的精度等級(jí)無(wú)關(guān)。,儀表的靜態(tài)誤差:是指穩(wěn)態(tài)時(shí)測(cè)量值與真實(shí)值之間的偏差,為了減小動(dòng)態(tài)誤差,提高測(cè)量精度,應(yīng)設(shè)法減小m和Tm,在其他一定的情況下,只能選快速測(cè)量?jī)x表,3、被控參數(shù)的測(cè)量及變送問(wèn)題,24,有以下幾個(gè)問(wèn)題要注意:,(1)正確安裝測(cè)量?jī)x表,(2)對(duì)測(cè)量信號(hào)進(jìn)行濾波和線(xiàn)性化,(3)對(duì)純時(shí)延要盡可能進(jìn)行補(bǔ)償,加補(bǔ)償環(huán)節(jié)后x(S)Gm(S)=x(S)Gm(S)exp(-mS)+x(S)G(S),則G(S)=Gm(S)1-exp(-mS),構(gòu)造G(S)即可,25,(4)盡可能消除Tm影響,選用快速儀表,但受一定的局限,一般在測(cè)量變送環(huán)節(jié)輸出端串接微分環(huán)節(jié)。,y(S)/x(S)=Km(TDS+1)/(TmS+1),若TD=Tm則可消除Tm的影響,實(shí)際工程中,將此微分環(huán)節(jié)串于調(diào)節(jié)器之后,除可消除Tm的影響外,還可起到加快系統(tǒng)對(duì)給定值變動(dòng)時(shí)的動(dòng)態(tài)響應(yīng)的作用,(5)氣動(dòng)信號(hào)時(shí)延問(wèn)題,氣動(dòng)傳輸管道特性:G(S)=1/(TS+1)exp(-S),盡量縮短氣路,增設(shè)繼動(dòng)器,補(bǔ)償,26,氣動(dòng)執(zhí)行器多用，其次是電動(dòng)執(zhí)行器，應(yīng)根據(jù)實(shí)際情況選擇。,氣動(dòng)執(zhí)行器有氣開(kāi)和氣關(guān)兩種形式，應(yīng)在調(diào)節(jié)器輸出為零或氣源中斷時(shí)生產(chǎn)過(guò)程處于安全狀態(tài),調(diào)節(jié)閥的開(kāi)度和口徑選擇:口徑過(guò)小,系統(tǒng)受大擾動(dòng)時(shí),即使全開(kāi),也會(huì)暫時(shí)失控；口徑過(guò)大,閥門(mén)常處小開(kāi)度,沖擊使閥門(mén)受損失靈,正常工況下,閥開(kāi)度應(yīng)在15%-85%之間。,調(diào)節(jié)閥的流量特性:考慮通過(guò)閥的非線(xiàn)性流量特性補(bǔ)償被控過(guò)程的非線(xiàn)性特性,電動(dòng)執(zhí)行器一般是電開(kāi)形式,4、調(diào)節(jié)閥(執(zhí)行器)的選擇,27,關(guān)于正反作用,5、調(diào)節(jié)器控制規(guī)律選擇,測(cè)量變送環(huán)節(jié)Km為正,28,系統(tǒng)正常工作:保證負(fù)反饋,29,例1:水槽液位控制系統(tǒng),“-”,“+”,“+”,“+”,30,例2:加熱爐溫度控制系統(tǒng),“-”,“+”,“+”,“+”,31,第三節(jié)調(diào)節(jié)規(guī)律對(duì)控制質(zhì)量的影響及調(diào)節(jié)規(guī)律的選擇,控制器的作用：控制執(zhí)行器，改變操縱變量使被控變量符合生產(chǎn)要求?？刂破髟陂]環(huán)控制系統(tǒng)中將檢測(cè)變送環(huán)節(jié)傳送過(guò)來(lái)的信息與被控變量的設(shè)定值比較后得到偏差，然后根據(jù)偏差按照一定的控制規(guī)律進(jìn)行運(yùn)算，最終輸出控制信號(hào)作用于執(zhí)行器上。,32,過(guò)程控制一般是指連續(xù)控制系統(tǒng)，控制器的輸出隨時(shí)間的變化發(fā)生連續(xù)變化。不管是何種控制器，都有其基本的調(diào)節(jié)規(guī)律。,調(diào)節(jié)規(guī)律的定義：是指控制器的輸出信號(hào)與輸入信號(hào)之間的關(guān)系?？刂破鞯妮斎胄盘?hào)e(t)：是測(cè)量值y(t)與被控變量的設(shè)定值之差，即e(t)=r(t)-y(t)；控制器的輸出信號(hào)u(t)：是送往執(zhí)行機(jī)構(gòu)的控制命令。調(diào)節(jié)規(guī)律就是控制器的輸出信號(hào)u(t)隨輸入信號(hào)e(t)變化的規(guī)律。,33,以熱交換器溫度控制系統(tǒng)為例：設(shè)熱交換器出口溫度正常操作時(shí)應(yīng)為85，載熱體是蒸汽。,位式調(diào)節(jié)比例調(diào)節(jié)積分調(diào)節(jié)微分調(diào)節(jié),34,一.比例調(diào)節(jié)(ProportionalControl),調(diào)節(jié)器的輸出:u=KCe,Kc比例增益，衡量比例控制作用強(qiáng)弱的變量。Kc越大，在相同偏差輸入下，輸出也越大?？刂破鞯妮敵鲎兓颗c輸入偏差成正比例，在時(shí)間上沒(méi)有延滯。在實(shí)際中，習(xí)慣上使用比例帶表示比例控制作用的強(qiáng)弱。比例帶:=1/KC,35,1.有差調(diào)節(jié),存在靜態(tài)誤差,e為零,則u=0,失去調(diào)節(jié)作用,只能被控參數(shù)有差跟蹤給定值，動(dòng)作速度快。,2.靜差隨而,但穩(wěn)定性,動(dòng)態(tài)變壞,3.不適合于給定值隨時(shí)間變化的情況，會(huì)使跟蹤誤差隨時(shí)間增大而增大。,4.關(guān)于KC,KC增加,可減小靜差,降低系統(tǒng)慣性,加快響應(yīng)速度,但系統(tǒng)的穩(wěn)定性下降。,C(S)/R(S)=KOKC/(1+KOKC)/TO/(1+KOKC)S+1=K/(TS+1)Kc越大，則T比TO減小很多,36,5.關(guān)于比例帶,比例調(diào)節(jié)不是輸出與輸入成比例，而是兩者的變化量成比例。比例帶：控制器輸入的變化相對(duì)值與相應(yīng)的輸出變化相對(duì)值之比的百分?jǐn)?shù),其中：e為控制器輸入信號(hào)的變化量，即偏差信號(hào)；(Zmax-Zmin)為控制器輸入信號(hào)的變化范圍，即量程；u為控制器輸出信號(hào)的變化量，即控制命令；(umax-umin)為控制器輸出信號(hào)變化范圍。,37,橫軸投影長(zhǎng)度即為,在此范圍內(nèi)是有比例作用的,若偏差太大超出此范圍,就不再有比例作用,輸出變量像開(kāi)關(guān),不是最大就是最小。,比例帶的具體意義為：使控制器的輸出變化滿(mǎn)刻度時(shí)，相應(yīng)的控制器輸入變化量占輸入信號(hào)變化范圍的百分?jǐn)?shù)。即要使輸出做全范圍變化，輸入信號(hào)必須改變?nèi)砍痰陌俜种畮住?38,例題：一臺(tái)比例作用的溫度調(diào)節(jié)器，其溫度的變化范圍為400-800，調(diào)節(jié)器的輸出范圍是4-20mA。當(dāng)溫度從600變化到700時(shí)，調(diào)節(jié)器相應(yīng)的輸出從8mA變?yōu)?2mA，試求該調(diào)節(jié)器的比例帶。,這說(shuō)明在這個(gè)比例帶下，溫度全范圍變化（相當(dāng)于400）時(shí)，控制器的輸出從最小變?yōu)樽畲?，在此區(qū)間內(nèi)，e和u是成比例的。,39,比例帶對(duì)系統(tǒng)穩(wěn)定性的影響,小于臨界值,等于臨界值,偏小,適當(dāng),偏大,太大,40,比例增益KC=L1/L2比例帶=1/KC,用水多時(shí)實(shí)際水位必然要低于設(shè)定值，閥門(mén)才能開(kāi)大用水少時(shí)實(shí)際水位必然要高于設(shè)定值，閥門(mén)才能關(guān)小,靜差,ProportionalControl舉例說(shuō)明,41,調(diào)節(jié)器的輸出,在人工調(diào)節(jié)時(shí)有一個(gè)理所當(dāng)然的原則,就是偏差不除決不罷休,只要偏差存在就持續(xù)不斷地調(diào)下去,直到把偏差完全消除為止;非但如此,偏差存在的時(shí)間長(zhǎng),說(shuō)明擾動(dòng)大,已經(jīng)施加在對(duì)象上的調(diào)節(jié)動(dòng)作還不足以抑制偏差,需要更大的操作量,即操作量應(yīng)和偏差對(duì)時(shí)間的積分成正比。,二.積分調(diào)節(jié)(IntegralControl),只要偏差存在,調(diào)節(jié)器的輸出就不斷增加,e=0,不再增加但維持其輸出。,1.無(wú)差調(diào)節(jié),調(diào)節(jié)過(guò)程結(jié)束,靜差就不存在,2.積分常數(shù)SC大,則效果但穩(wěn)定性降低,3.I比P穩(wěn)定性差,因階數(shù)增加,出比入滯后900,42,PI的輸出：u=KCe+(KC/TI)edt=1/e+(1/TI)edt,0,t,0,t,傳遞函數(shù):GC(S)=U(S)/E(S)=1/1+1/(TIS)=1/(TIS+1)/(TIS),階躍響應(yīng)如左圖,在起始階段P起作用,之后,PI共同作用,把P的快速性與I的消除靜差相結(jié)合。,積分作用的滯后特性:動(dòng)態(tài)比P差積分飽和:由于某些原因,e一直存在,使積分器深度飽和,失去調(diào)節(jié)作用,這是不允許的,要防止。,PI調(diào)節(jié),單獨(dú)I調(diào)節(jié)無(wú)實(shí)用意義,而是用PI調(diào)節(jié)，將P的快速與I的無(wú)差結(jié)合。,43,在一個(gè)純比例控制的閉環(huán)系統(tǒng)中引入積分作用時(shí)，若保持控制器的比例度不變，則可從下圖所示的曲線(xiàn)族中看到，隨著TI減小，則積分作用增強(qiáng)，消除余差較快，但控制系統(tǒng)的振蕩加劇，系統(tǒng)的穩(wěn)定性下降；TI過(guò)小，可能導(dǎo)致系統(tǒng)不穩(wěn)定。TI小，擾動(dòng)作用下的最大偏差下降，振蕩頻率增加。,TI的影響,44,結(jié)論：在比例控制系統(tǒng)中引入積分作用的優(yōu)點(diǎn)是能夠消除余差，然而降低了系統(tǒng)的穩(wěn)定性；若要保持系統(tǒng)原有的衰減比，必須相應(yīng)加大控制器的比例帶，這會(huì)使系統(tǒng)的其它控制指標(biāo)下降。因此，如果余差不是主要的控制指標(biāo)，就沒(méi)有必要引入積分作用。由于比例積分控制器具有比例和積分控制的優(yōu)點(diǎn)，有比例帶和TI兩個(gè)參數(shù)可供選擇，因此適用范圍比較寬廣，多數(shù)控制系統(tǒng)都可以采用。,45,無(wú)論是P還是I都是系統(tǒng)有偏差時(shí)才去處理,最好是能預(yù)測(cè)被調(diào)參數(shù)的變化趨勢(shì),從而當(dāng)機(jī)立斷事先采取措施,防患于未然,這種根據(jù)被調(diào)參數(shù)變化速度采取的動(dòng)作叫微分作用。,D調(diào)節(jié)的輸出：u=SDde/dt,同樣,單純D調(diào)節(jié)也無(wú)多大實(shí)用價(jià)值，常和P或I結(jié)合,組成PD,PID調(diào)節(jié)。,三.微分調(diào)節(jié)(DifferentialControl),46,輸出u=KCe+KCTD(de/dt)=1/e+TD(de/dt),傳遞函數(shù)GC(S)=U(S)/E(S)=1/(1+TDS),因微分易引入高頻噪聲,一般加低通濾波,則GC(S)=U(S)/E(S)=(1/)(1+TDS)/(TD/KD)S+1,KD為微分增益,在5-10之間,這樣分母項(xiàng)時(shí)間常數(shù)是分子項(xiàng)的1/5-1/10，分析時(shí)可以忽略分母項(xiàng)時(shí)間常數(shù)的影響。,1、PD調(diào)節(jié),47,1.PD是有差調(diào)節(jié),穩(wěn)態(tài)下D已不起作用,只剩P了,2.PD可提高系統(tǒng)穩(wěn)定性,抑制過(guò)渡過(guò)程最大超調(diào),3.PD可減小靜差,提高響應(yīng)速度,因D后可KC,4.PD適合于時(shí)間常數(shù)大的過(guò)程,不適合于Q,P等變化劇烈的過(guò)程,會(huì)使閥頻繁開(kāi)關(guān)振蕩,48,傳遞函數(shù)GC(S)=1/1+1/(TIS)+TDS=1/(TITDS2+TIS+1)/(TIS),2、PID調(diào)節(jié),49,PID調(diào)節(jié)是P,I和D的線(xiàn)性組合,結(jié)合了比例的快速性,積分的消除靜差和微分的預(yù)測(cè)性,要整定三個(gè)參數(shù)，比較困難,50,PID參數(shù)對(duì)系統(tǒng)動(dòng)靜態(tài)特性的影響,比例度過(guò)小，即比例放大系數(shù)過(guò)大時(shí)，比例控制作用很強(qiáng)，系統(tǒng)有可能產(chǎn)生振蕩；積分時(shí)間過(guò)小時(shí)，積分控制作用很強(qiáng)，易引起振蕩；微分時(shí)間過(guò)大時(shí)，微分控制作用過(guò)強(qiáng)，易產(chǎn)生振蕩。,51,PID參數(shù)對(duì)系統(tǒng)動(dòng)靜態(tài)特性的影響：比例（P）控制,52,PID參數(shù)對(duì)系統(tǒng)動(dòng)靜態(tài)特性的影響：比例積分（PI）控制,53,PID參數(shù)對(duì)系統(tǒng)動(dòng)靜態(tài)特性的影響：比例微分（PD）控制,54,PID參數(shù)對(duì)系統(tǒng)動(dòng)靜態(tài)特性的影響：比例積分微分（PID）控制,55,56,調(diào)節(jié)規(guī)律應(yīng)根據(jù)調(diào)節(jié)對(duì)象的特性,負(fù)荷變化,擾動(dòng)以及控制要求等具體情況來(lái)具體分析并考慮系統(tǒng)的經(jīng)濟(jì)性運(yùn)行方便等因素來(lái)確定,1.當(dāng)廣義控制通道時(shí)間常數(shù)或容積遲延較大時(shí)應(yīng)引入D調(diào)節(jié),若允許有靜差,引入PD,不允許有靜差,選用PID。,2.當(dāng)廣義控制通道時(shí)間常數(shù)較小,負(fù)荷變化不大,工藝允許有靜差時(shí),選P調(diào)節(jié),如儲(chǔ)罐壓力,液位等工業(yè)過(guò)程。,四.調(diào)節(jié)規(guī)律的確定,57,3.當(dāng)廣義控制通道時(shí)間常數(shù)較小,負(fù)荷變化不大,但工藝要求無(wú)靜差時(shí),選PI調(diào)節(jié),如管道壓力和流量控制等。,4.當(dāng)廣義控制通道時(shí)間常數(shù)很大,而且純時(shí)延較大,負(fù)荷變化也劇烈時(shí),簡(jiǎn)單控制系統(tǒng)不能滿(mǎn)足要求,要用復(fù)雜控制系統(tǒng)或其它控制方案。,5.若廣義過(guò)程的傳遞函數(shù)為GO(S)=KOexp(-0S)/(TOS+1),0/TO0.2時(shí),選P或PI,0.20/TO1.0時(shí),選PD或PID,0/TO1.0時(shí),簡(jiǎn)單控制不能滿(mǎn)足要求,選串級(jí)或前饋-反饋復(fù)合控制,58,五.位式控制,雙位控制是位式控制的最簡(jiǎn)單形式。雙位控制的規(guī)律是：當(dāng)測(cè)量值大于給定值時(shí)，控制器的輸出最大（或最?。?；而當(dāng)測(cè)量值小于給定值時(shí)，則控制器的輸出為最?。ɑ蜃畲螅?。其偏差e與輸出u間的關(guān)系為：當(dāng)e0或e0時(shí)，雙位控制只有兩個(gè)輸出值，相應(yīng)的執(zhí)行器也只有兩個(gè)極限位置，“開(kāi)”或“關(guān)”。而且從一個(gè)位置到另一個(gè)位置是極其迅速的，這種特性又稱(chēng)繼電特性。,1、雙位控制,59,是一個(gè)典型的雙位控制系統(tǒng)。它是利用電極式液位計(jì)來(lái)控制電磁閥的開(kāi)啟與關(guān)閉，從而使貯槽液位維持在給定值上下很小一個(gè)范圍內(nèi)波動(dòng)。,60,在自動(dòng)控制系統(tǒng)中，控制器若要按上述規(guī)律動(dòng)作，則執(zhí)行器動(dòng)作非常頻繁，這樣就會(huì)使系統(tǒng)中的運(yùn)動(dòng)部件（如上例中的繼電器、電磁閥等）因動(dòng)作頻繁而損壞，因而很難保持雙位控制系統(tǒng)安全、可靠地工作。實(shí)際生產(chǎn)中被控變量與給定值之間總是允許有一定偏差，因此，實(shí)際應(yīng)用的雙位控制器都有一個(gè)中間區(qū)（有時(shí)就是儀表的不靈敏區(qū)）。帶中間區(qū)的雙位控制規(guī)律是：當(dāng)被控變量上升時(shí)，必須在測(cè)量值高于給定值某一數(shù)值后，閥門(mén)才“關(guān)”（或“開(kāi)”）；而當(dāng)被控變量下降時(shí)，必須在測(cè)量值低于給定值某一數(shù)值后，閥門(mén)才“開(kāi)”（或“關(guān)”）。在中間區(qū)域，閥門(mén)是不動(dòng)作的。這樣，就可以大大降低執(zhí)行器開(kāi)閉閥門(mén)的頻繁程度。,2、具有中間區(qū)的雙位控制,61,圖中上面的曲線(xiàn)是控制器輸出（例如通過(guò)電磁閥的流體流量Q）與時(shí)間t的關(guān)系；下面的曲線(xiàn)是被控變量（液位）在中間區(qū)內(nèi)隨時(shí)間變化的曲線(xiàn)。當(dāng)液位低于下限值時(shí)，電磁閥是開(kāi)的，流體流量大于流出的流體流量，故液位上升。當(dāng)上升到上限值時(shí)，閥門(mén)關(guān)閉，流體停止流入。由于此時(shí)內(nèi)流體仍在流出，故液位下降，直到液位下降至下限值時(shí)，電磁閥才重新開(kāi)啟，液位又開(kāi)始上升。因此，帶中間區(qū)的雙位控制過(guò)程是被控變量在它的上限值與下限值之間的等幅振蕩過(guò)程。,62,雙位控制器特點(diǎn)：結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、成本較低、易于實(shí)現(xiàn)，因此應(yīng)用很普遍。常見(jiàn)的雙位控制器有：帶電觸點(diǎn)的壓力表、帶電觸點(diǎn)的水銀溫度計(jì)、雙金屬片溫度計(jì)、動(dòng)圈式雙位批示調(diào)節(jié)儀等。在工業(yè)生產(chǎn)中，如對(duì)控制質(zhì)量要求不高，且允許進(jìn)行位式控制時(shí)，可采用雙位控制器構(gòu)成雙位控制系統(tǒng)。如空氣壓縮機(jī)貯罐的壓力控制，恒溫箱、電烘箱、管式加熱爐的溫度控制等就常采用雙位控制系統(tǒng)。,63,3、三位控制,雙位控制的特點(diǎn)是：控制器只有最大與最小兩個(gè)輸出值；執(zhí)行器只有“開(kāi)”與“關(guān)”兩個(gè)極限位置。因此，對(duì)象中物料量或能量總是處于嚴(yán)重的不平衡狀態(tài)，被控變量總是劇烈振蕩，得不到比較平穩(wěn)的控制過(guò)程。為了改善這種特性，控制器的輸出可以增加一個(gè)中間值，即當(dāng)被控變量在某一個(gè)范圍內(nèi)時(shí)，執(zhí)行器可以處于某一中間位置，以使系統(tǒng)中物料量或能量的不平衡狀態(tài)得到緩和，這就構(gòu)成了三位式控制規(guī)律。,64,65,第四節(jié)調(diào)節(jié)器參數(shù)的工程整定方法,根據(jù)被控過(guò)程的特性確定PID調(diào)節(jié)器的比例度,積分時(shí)間TI，微分時(shí)間TD大小。整定的實(shí)質(zhì)是通過(guò)改變調(diào)節(jié)器的參數(shù)，使其特性和過(guò)程特性相匹配，以改善系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)和靜態(tài)指標(biāo)，取得最佳控制效果。,投運(yùn)步驟：檢測(cè)系統(tǒng)投入運(yùn)行；調(diào)節(jié)閥手動(dòng)遙控；調(diào)節(jié)器投運(yùn)。待回路工況穩(wěn)定后，可投入自動(dòng)：把調(diào)節(jié)器PID參數(shù)值設(shè)置合適位置，當(dāng)其偏差接近零時(shí)，即將調(diào)節(jié)器由手動(dòng)切換到自動(dòng)；若還不夠理想，則繼續(xù)整定調(diào)節(jié)器參數(shù)，直到滿(mǎn)意為止。,66,控制系統(tǒng)投運(yùn)：關(guān)鍵是自動(dòng)和手動(dòng)的切換要求：必須保證是無(wú)擾動(dòng)切換。手動(dòng)：通過(guò)控制器，手動(dòng)給出控制器的輸出，手動(dòng)輸出。手動(dòng)時(shí)，自動(dòng)輸出跟蹤手動(dòng)輸出。自動(dòng)：控制器根據(jù)偏差，自動(dòng)計(jì)算給出控制器的輸出，自動(dòng)輸出。自動(dòng)時(shí)，手動(dòng)輸出跟蹤自動(dòng)輸出。一般，儀表控制器帶有自動(dòng)/手動(dòng)切換開(kāi)關(guān)，計(jì)算機(jī)控制時(shí)，也必須設(shè)置這樣的開(kāi)關(guān)。,67,控制系統(tǒng)整定1、整定的目的目前基本控制器一般均為PID控制器（比例、積分、微分控制器）。PID控制器整定，調(diào)節(jié)P、I、D參數(shù)，使得控制系統(tǒng)的控制性能指標(biāo)達(dá)到滿(mǎn)意。一旦控制控制系統(tǒng)安裝到位，控制系統(tǒng)的品質(zhì)就取決于控制器的參數(shù)設(shè)置目的：選擇什么樣的控制系統(tǒng)性能指標(biāo)。常見(jiàn)的，如4：1衰減等，根據(jù)不同的實(shí)際情況，有所不同。,68,2、整定方法兩類(lèi)：理論計(jì)算和工程整定方法3、理論整定方法基于控制原理的計(jì)算方法（時(shí)域法、頻域法、根軌跡法等），例子見(jiàn)教材。理論整定方法，必須要求已知各個(gè)環(huán)節(jié)的傳遞函數(shù)，對(duì)于一般的實(shí)際問(wèn)題，難于滿(mǎn)足。另外，理論計(jì)算也比較煩瑣，工程上一般不采用。4、工程整定方法工程整定方法，經(jīng)驗(yàn)方法，簡(jiǎn)單、方便，工程實(shí)際中廣泛采用。,69,調(diào)節(jié)器參數(shù)整定常以系統(tǒng)瞬態(tài)響應(yīng)衰減率=0.75-0.90(衰減比為4:1-10:1)為主要指標(biāo),盡量滿(mǎn)足系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)誤差,最大動(dòng)態(tài)偏差,過(guò)渡時(shí)間等其它指標(biāo),y1,y3,x,t,靜差,衰減率=(y1-y3)/y1=0.75-0.90,衰減比n=y1/y3=4:1-10:1,70,這是一種閉環(huán)整定方法,無(wú)需測(cè)試過(guò)程的動(dòng)態(tài)特性,方法簡(jiǎn)單方便,使用較多,先TI=,TD=0,（沒(méi)有積分、微分作用）置于100%（K=1）,系統(tǒng)投入閉環(huán)運(yùn)行,2系統(tǒng)運(yùn)行穩(wěn)定后,對(duì)設(shè)定值施加一個(gè)階躍擾動(dòng),由大到小減小,直到系統(tǒng)輸出Y出現(xiàn)等幅振蕩,亦即臨界振蕩，記錄此時(shí)的K和TK,4由K和TK查表,表中數(shù)據(jù)是由經(jīng)驗(yàn)公式計(jì)算而來(lái),一.臨界比例度法,3若Y衰減振蕩，則繼續(xù)減??；若Y發(fā)散振蕩，則應(yīng)增大,71,臨界比例度法優(yōu)點(diǎn)：簡(jiǎn)單缺點(diǎn)：有些實(shí)際系統(tǒng)不允許進(jìn)行等幅振蕩測(cè)試(如鍋爐給水和燃燒控制)，另外，對(duì)象也必須是二階以上系統(tǒng)，否則，不能出現(xiàn)振蕩。,72,無(wú)需出現(xiàn)等幅振蕩,1先TI=,TD=0,置于較大,系統(tǒng)投入閉環(huán)運(yùn)行,2系統(tǒng)運(yùn)行穩(wěn)定后,對(duì)設(shè)定值施加一個(gè)階躍擾動(dòng),調(diào)整,直到系統(tǒng)出現(xiàn)衰減比為4:1或10:1的振蕩,記錄此時(shí)的S和TS或Tr,由S和TS和Tr查表,表中數(shù)據(jù)是由經(jīng)驗(yàn)公式計(jì)算而來(lái),二.衰減曲線(xiàn)法,73,優(yōu)點(diǎn)：易于實(shí)際應(yīng)用缺點(diǎn)：有時(shí)4：1衰減10：1衰減曲線(xiàn)不太好確定，只能近似,74,這是一種開(kāi)環(huán)整定方法,用廣義過(guò)程的階躍響應(yīng)特性曲線(xiàn)進(jìn)行參數(shù)整定,三.反應(yīng)曲線(xiàn)法,系統(tǒng)開(kāi)環(huán)、穩(wěn)定（測(cè)量值等于給定值）手動(dòng)操作控制器產(chǎn)生一個(gè)階躍輸出，它將作用于廣義對(duì)象上，記錄Y的曲線(xiàn)（反應(yīng)曲線(xiàn)）此方法簡(jiǎn)單，但有些實(shí)際場(chǎng)合，不允許進(jìn)行開(kāi)環(huán)階躍實(shí)驗(yàn),75,對(duì)于無(wú)自衡的廣義過(guò)程,傳遞函數(shù)為:GO(S)=(/S)exp(-s),對(duì)于有自衡的廣義過(guò)程,傳遞函數(shù)為:GO(S)=KO/(1+TOS)exp(-s)=(1/)/(1+TOS)exp(-s),76,=0.75無(wú)自衡,=0.75有自衡,77,1.P調(diào)節(jié)器1/=1/KO(/TO)-1+0.3333,2.PI調(diào)節(jié)器1/=1/KO0.9(/TO)-1+0.082TI/TO=3.33(/TO)+0.3(/TO)2/1+2.2(/TO),3.PID調(diào)節(jié)器1/=1/KO1.35(/TO)-1+0.27TI/TO=2.5(/TO)+0.5(/TO)2/1+0.6(/TO)TD/TO=0.37(/TO)/1+0.2(/TO,以=0.75為性能指標(biāo),反應(yīng)曲線(xiàn)法之柯恩-庫(kù)恩整定公式,78,以上述三個(gè)誤差積分極小化為準(zhǔn)則,由計(jì)算機(jī)仿真,得到調(diào)節(jié)器參數(shù)整定公式:,對(duì)于P調(diào)節(jié)KCKO=A(/TO)B,對(duì)于I調(diào)節(jié)TO/TI=A(/TO)B,對(duì)于D調(diào)節(jié)TD/TO=A(/TO)B,其中KC=1/,A和B的數(shù)值查下表,反應(yīng)曲線(xiàn)法以積分誤差為準(zhǔn)則,79,反應(yīng)曲線(xiàn)法以積分誤差為準(zhǔn)則表格(定值),80,對(duì)于P調(diào)節(jié)KCKO=A(/TO)B,對(duì)于I*調(diào)節(jié)TO/TI=A+B(/TO),對(duì)于D調(diào)節(jié)TD/TO=A(/TO)B,對(duì)于隨動(dòng)系統(tǒng),反應(yīng)曲線(xiàn)法以積分誤差為準(zhǔn)則表格(隨動(dòng)),81,舉例,82,1反應(yīng)曲線(xiàn)法,/T0=2.5/20=0.1250.20,根據(jù)=0.75的準(zhǔn)則查表,P調(diào)節(jié)=0.125即KC=8,PI調(diào)節(jié)KC=7.5,TI=8.25,PID調(diào)節(jié)KC=9.4,TI=5,TD=1.25,P調(diào)節(jié)KC=8.3,PI調(diào)節(jié)KC=7.3,TI=6.6,PID調(diào)節(jié)KC=10.9,TI=5.85,TD=0.89,柯-庫(kù),=2.5s，T0=20s，=1,83,2臨界比例法,在純比例時(shí),使比例帶由大到小出現(xiàn)等幅振蕩得K0.08,TK15,12,P調(diào)節(jié)KC=6.25,PI調(diào)節(jié)KC=5.7,TI=12.85,PID調(diào)節(jié)KC=7.35,TI=7.56,TD=1.89,主要是實(shí)驗(yàn);不同經(jīng)驗(yàn)公式有一點(diǎn)差別;不同方法差別較大,臨界比例法設(shè)置的參數(shù)可防止系統(tǒng)不穩(wěn)定,84,四.經(jīng)驗(yàn)法,85,86