過程控制系統(tǒng)與裝置7

1、共35頁 1第七章 單回路控制系統(tǒng)主要內容：主要內容：單回路控制系統(tǒng)的設計原則；被控單回路控制系統(tǒng)的設計原則；被控參數選擇、測量及信號傳送問題；調節(jié)閥特性參數選擇、測量及信號傳送問題；調節(jié)閥特性選擇、調節(jié)器控制規(guī)律選擇及正、反作用方式選擇、調節(jié)器控制規(guī)律選擇及正、反作用方式確定；單回路控制系統(tǒng)的投運及調節(jié)器參數整確定；單回路控制系統(tǒng)的投運及調節(jié)器參數整定。定。重點重點：調節(jié)器控制規(guī)律的選擇及參數整定。：調節(jié)器控制規(guī)律的選擇及參數整定。難點難點：調節(jié)器控制規(guī)律的選擇。：調節(jié)器控制規(guī)律的選擇。教學時數教學時數：6學時，其中實驗學時，其中實驗2學時學時共35頁 27.1 單回路控制系統(tǒng)組成單回路控制

2、系統(tǒng)組成 單回路控制系統(tǒng)由檢測元件及變送器，控制器，執(zhí)行器，被控對象組成，也稱為簡單控制系統(tǒng)。共35頁 3液位控制系統(tǒng)共35頁 4單回路控制系統(tǒng)方框圖共35頁 57.2 7.2 單回路控制系統(tǒng)方案設計單回路控制系統(tǒng)方案設計7.2.1 被控量的選擇被控量的選擇 熟悉掌握生產工藝，找出對產品質量產量，安全生產，經濟運行，環(huán)境保護具有決定作用，反映工藝生產狀態(tài)變化的那些參數。兩種方法：選取直接參數選取直接參數 能直接反映生產過程產品產量和質量、安全運行等情況，能直接反映生產過程產品產量和質量、安全運行等情況，并能直接測量的工藝參數并能直接測量的工藝參數選取間接參數選取間接參數共35頁 6當選擇間接參

3、數時必須注意：間接參數應與直接參數存在單值函數關系。考慮工藝合理性必須有一定靈敏度，可以測量具有被控量間的獨立性共35頁 77.2.2 選擇操縱量選擇操縱量 熟悉生產工藝，分析生產過程中的干擾因素來源大小，以被控對象特征參數對控制質量的影響為依據，正確選擇操縱量。放大系數放大系數 使得干擾通道放大系數小（余差和最大偏差，提高控制精度和穩(wěn)定性） 控制通道放大系數大，余差小。共35頁 8干擾通道動態(tài)特性對控制質量影響干擾通道動態(tài)特性對控制質量影響時間常數：時間常數：Td大，則控制系統(tǒng)超調量小，提高控大，則控制系統(tǒng)超調量小，提高控制質量。制質量。滯后時間：不影響控制系統(tǒng)質量，僅僅使得系統(tǒng)滯后時間：不

4、影響控制系統(tǒng)質量，僅僅使得系統(tǒng)響應曲線延遲一個時延。響應曲線延遲一個時延。干擾點位置對控制質量的影響：盡量使得干擾信干擾點位置對控制質量的影響：盡量使得干擾信號遠離被控量檢測點，更靠近控制閥。號遠離被控量檢測點，更靠近控制閥。干擾幅值對控制質量影響：越小越好。干擾幅值對控制質量影響：越小越好。周期性干擾對控制質量影響：應使得干擾頻率和周期性干擾對控制質量影響：應使得干擾頻率和系統(tǒng)工作頻率相差三倍以上。系統(tǒng)工作頻率相差三倍以上。共35頁 9控制通道動態(tài)特性對控制質量的影響控制通道動態(tài)特性對控制質量的影響時間常數：時間常數：T過大，則控制緩慢，系統(tǒng)過渡時間過大，則控制緩慢，系統(tǒng)過渡時間長。長。T過

5、小，則容易引起振蕩。過小，則容易引起振蕩。 T過大過大：合理選擇執(zhí)行器位置，盡量減小執(zhí)行器合理選擇執(zhí)行器位置，盡量減小執(zhí)行器到檢測點的容量系數到檢測點的容量系數 采用前饋和復雜的控制系統(tǒng)方案采用前饋和復雜的控制系統(tǒng)方案 T過小過?。哼x擇快速檢測元件、執(zhí)行器選擇快速檢測元件、執(zhí)行器 使用反微分單元降低控制通道靈敏度使用反微分單元降低控制通道靈敏度 改革工藝，增大控制通道時間常熟改革工藝，增大控制通道時間常熟共35頁 10滯后時間：純滯后時間降低系統(tǒng)穩(wěn)定性，使得滯后時間：純滯后時間降低系統(tǒng)穩(wěn)定性，使得被控量最大偏差增大，動態(tài)指標下降。被控量最大偏差增大，動態(tài)指標下降。 容量滯后對系統(tǒng)的影響較純滯后

6、小，可以用微容量滯后對系統(tǒng)的影響較純滯后小，可以用微分作用克服。分作用克服。P136 圖圖7.7共35頁 11時間常數匹配：時間常數匹配： 減小中間大小的那個時間常數，讓幾個時間常數的減小中間大小的那個時間常數，讓幾個時間常數的數值彼此分離開，可以提高系統(tǒng)工作頻率，縮短過渡過數值彼此分離開，可以提高系統(tǒng)工作頻率，縮短過渡過程時間，減小最大偏差和余差。程時間，減小最大偏差和余差。P137 圖表共35頁 12總結總結：選擇操縱量要遵循的原則：選擇操縱量要遵循的原則：操縱量具有可控性，工藝操作合理性，經濟性。操縱量具有可控性，工藝操作合理性，經濟性?？刂仆ǖ婪糯笙禂祽m當大，時間常數適當小，控制通道

7、放大系數應適當大，時間常數適當小，純滯后時間越小越好。純滯后時間越小越好。干擾通道放大系數盡可能小，時間常數大，容量干擾通道放大系數盡可能小，時間常數大，容量滯后大，干擾作用點遠離被控量監(jiān)測點，靠近執(zhí)滯后大，干擾作用點遠離被控量監(jiān)測點，靠近執(zhí)行器，干擾頻率與工作頻率相差行器，干擾頻率與工作頻率相差3倍以上，干擾倍以上，干擾幅值設法減小。幅值設法減小。當廣義對象有幾個時間常數時，盡量使得它們錯當廣義對象有幾個時間常數時，盡量使得它們錯開。開。共35頁 13控制閥流量特性選擇控制閥流量特性選擇 選擇控制閥流量特性時，使得控制閥的特性和系統(tǒng)其它環(huán)節(jié)特性配合，使得整個系統(tǒng)具有線性特性。具體選擇方法（經

8、驗法）：見P138表7.2和P139表7.3。7.2.3 執(zhí)行器的選擇執(zhí)行器的選擇共35頁 14控制閥的氣開氣關作用方式選擇控制閥的氣開氣關作用方式選擇氣開：隨控制信號增加，閥門開度增大氣開：隨控制信號增加，閥門開度增大氣關：隨控制信號增加，閥門開度減小氣關：隨控制信號增加，閥門開度減小選擇原則：選擇原則：生產安全（第一）生產安全（第一）保證產品質量保證產品質量降低原料動力消耗降低原料動力消耗從介質特點考慮從介質特點考慮共35頁 15控制閥口徑選擇控制閥口徑選擇確定主要計算數據確定主要計算數據：正常流量Qn，正常閥壓降Pn，正常閥阻比Sn，計算最大流量Qmax。計算控制閥應具有的流量系數Cma

9、xCmaxmC，m為流量系數放大倍數，計算。和，公式可以按照。是最大流量時的閥阻比7.137.12P140Smaxmax, maxSSSnmn共35頁 16流量系數選擇流量系數選擇 根據選定的控制閥類型，在該系列控制閥的各額定流量系數中選擇不小于并最接近Cmax的一個，作為最終選定的流量系數，即C100選定控制閥口徑選定控制閥口徑 根據C100，對應的控制閥口徑Dq和Dq，就是最終選定的控制閥公稱通徑和閥座直徑。開度驗算開度驗算可調比驗算。(公式：P140)共35頁 17 需要確定需要確定控制器類型，正反作用控制器類型，正反作用?？刂破黝愋瓦x擇控制器類型選擇 以以PID控制規(guī)律對控制質量的影響

10、為指導；控制規(guī)律對控制質量的影響為指導； 結合被控對象的特性，干擾，工藝對控制質量的結合被控對象的特性，干擾，工藝對控制質量的要求來確定。要求來確定。1）比例控制器）比例控制器 抗干擾能力強，過渡過程時間短，但存在余抗干擾能力強，過渡過程時間短，但存在余差。差。 適合控制通道滯后小，負荷變化小，允許被適合控制通道滯后小，負荷變化小，允許被控量在一定范圍內變化的系統(tǒng)?？亓吭谝欢ǚ秶鷥茸兓南到y(tǒng)。共35頁 182)比例積分控制器比例積分控制器 積分作用消除余差，降低穩(wěn)定性。積分作用消除余差，降低穩(wěn)定性。加大比例度可以提高穩(wěn)定性，但過渡過程時加大比例度可以提高穩(wěn)定性，但過渡過程時間變長。間變長。 適

11、合滯后較小，負荷變化不大，被控適合滯后較小，負荷變化不大，被控量不允許有余差的控制系統(tǒng)。常用。量不允許有余差的控制系統(tǒng)。常用。共35頁 193）比例積分微分控制器）比例積分微分控制器 微分作用對克服對象容量滯后有顯著微分作用對克服對象容量滯后有顯著效果，提高系統(tǒng)穩(wěn)定性。積分作用消除余效果，提高系統(tǒng)穩(wěn)定性。積分作用消除余差。差。 適用于負荷變化大，容量滯后大，控適用于負荷變化大，容量滯后大，控制質量要求高的控制系統(tǒng)。制質量要求高的控制系統(tǒng)。共35頁 20控制器正反作用選擇控制器正反作用選擇正負號規(guī)定：正負號規(guī)定：控制閥：氣開，氣關控制閥：氣開，氣關控制器：正作用，反作用控制器：正作用，反作用對象

12、：控制閥流量增大時被控量增大，反之為對象：控制閥流量增大時被控量增大，反之為變送器：通常為變送器：通常為控制器正反作用方式選擇：控制器正反作用方式選擇：控制器控制器控制閥控制閥對象對象變送器變送器共35頁 217.3 控制器的參數整定 參數整定參數整定：通過一定的方法和步驟，確定系統(tǒng)通過一定的方法和步驟，確定系統(tǒng)處于最佳過渡過程時，控制器的比例度，積分時處于最佳過渡過程時，控制器的比例度，積分時間和微分時間的數值。間和微分時間的數值。方法：理論計算法：根軌跡法，擴充頻率特性法，理論計算法：根軌跡法，擴充頻率特性法，對數頻率特性法對數頻率特性法較少使用較少使用工程整定法：經驗法，臨界比例度法，衰

13、工程整定法：經驗法，臨界比例度法，衰減曲線法，響應特性法。減曲線法，響應特性法。共35頁 227.3.1 控制器參數整定理論基礎控制器參數整定理論基礎根據控制理論分析：1、要保證系統(tǒng)穩(wěn)定，必須使得閉環(huán)控制系統(tǒng)特征方程的根為負實根，或者實部為負的虛根。2、要保證系統(tǒng)過渡過程有一定的穩(wěn)定裕量，必須保證閉環(huán)特征方程的根位于AOB折線的左側。3、要保證系統(tǒng)快速性，必須使得閉環(huán)特征方程的根位于CD線的左側。4、要保證系統(tǒng)的振蕩頻率不太高，必須保證閉環(huán)特征方程的根位于EF和GH之間。綜上所述，必須使得閉環(huán)控制系統(tǒng)的特征根位于圖中陰影區(qū)域。控制器參數整定的實質，就是選擇合適的控制器參數，用控制器的特性去校正

14、對象的特性，使得整個閉環(huán)特征方程式的每一個根都滿足控制質量的要求。共35頁 23在進行參數整定時，是通過給控制系統(tǒng)加設定值擾動進行整定的，整定后的參數對外部干擾也適用，這是因為：對于不同的擾動，閉環(huán)控制系統(tǒng)的特征方程是相同的，特征根也是相同的，故用加設定值擾動的方式進行參數整定，得到的控制質量，與其它擾動作用下系統(tǒng)的控制質量基本一致。對于不同的干擾，閉環(huán)傳遞函數分子可能不同，導致最大偏差不同，故必須觀察系統(tǒng)在不同干擾作用下的響應，看是否滿足要求，并根據情況進行調整。共35頁 24經驗湊試法經驗湊試法 根據經驗，先將控制器參數設置為某根據經驗，先將控制器參數設置為某一數值，然后在閉環(huán)系統(tǒng)中改變設

15、定值施一數值，然后在閉環(huán)系統(tǒng)中改變設定值施加干擾信號，在記錄儀上觀察被控量的過加干擾信號，在記錄儀上觀察被控量的過渡過程曲線形狀，根據比例度，積分時間，渡過程曲線形狀，根據比例度，積分時間，微分時間對過渡過程的影響為依據，按規(guī)微分時間對過渡過程的影響為依據，按規(guī)定順序對比例度，積分時間，微分時間逐定順序對比例度，積分時間，微分時間逐一進行整定。一進行整定。P146，控制器整定參數經驗范圍。，控制器整定參數經驗范圍。7.3.2 7.3.2 控制器參數的工程整定法控制器參數的工程整定法共35頁 25共35頁 26對于比例控制器，把比例度放在較大經驗數據上，逐步減小比例度，直到曲線滿意。對于比例積分

16、控制器，先把積分時間設置為無窮大，按照純比例控制器的方法整定比例度達到4:1衰減比，再將比例度放大1020，再將積分時間從大到小調整，直到曲線滿意為止。共35頁 27對于比例積分微分控制器，設置微分時間為0，按照比例積分控制器的方法整定好比例度和積分時間，再將比例度降1020，積分時間適當減小，再把微分時間逐步加大，直到過渡過程曲線滿意為止。共35頁 28臨界比例度法也稱為穩(wěn)定邊界條件法，應用較廣。具體步驟：積分時間無窮大，微分時間為0，選擇較大的比例度保證系統(tǒng)穩(wěn)定，系統(tǒng)投入自動。 設定值擾動，逐步減小比例度，直到出現等幅振蕩，獲得此時的比例度和振蕩周期。 然后根據這兩個數據，按P148表中數據計算PID參數。共35頁 29共35頁 30注意事項：當控制通道時間常數很長時，不適合使用臨界比例度法。工藝不允許被控量長期等幅振蕩時不能使用這種方法。共35頁 31衰減曲線法積分時間設定為無窮大，微分時間設定為0，按照經驗法整定比例度，出現4:1衰減為止，得到比例度s和衰減振蕩周期Ts。按照這兩個數據，根據表7.8得到整定參數。再將系統(tǒng)按照上面得到的參數運行，如有必要可調整參數，直到滿意為止。共35頁 32如果要求1