過(guò)程控制第六2講單回路系統(tǒng)設(shè)計(jì)lyz

1、第六講：?jiǎn)位芈废到y(tǒng)設(shè)計(jì)process control system主講老師：廉迎戰(zhàn)主講老師：廉迎戰(zhàn) 副教授副教授2021-10-23過(guò)程控制與儀表2重點(diǎn)內(nèi)容n單回路系統(tǒng)=對(duì)象+執(zhí)行器+調(diào)節(jié)器+變送器n內(nèi)容：n系統(tǒng)參數(shù)整定2021-10-23過(guò)程控制與儀表3三、單回路系統(tǒng)整定n系統(tǒng)整定，一般是指選擇調(diào)節(jié)器的比例度、積分時(shí)間 ti和微分時(shí)間td的具體數(shù)值。系統(tǒng)整定的實(shí)質(zhì)，就是通過(guò)改變控制參數(shù)，使調(diào)節(jié)器特性和被控過(guò)程特性配合好，以改善系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)和靜態(tài)特性，求得最佳的控制效果。n調(diào)節(jié)器參數(shù)整定的方法很多，可分為三類(lèi)：n一是理論計(jì)算整定法；n二是工程整定法；n三是計(jì)算機(jī)仿真尋優(yōu)整定法。n理論計(jì)算整定法由

2、于過(guò)分依賴(lài)過(guò)程的數(shù)學(xué)模型，而在建立數(shù)學(xué)模型時(shí)忽略了許多次要因素，過(guò)程模型的精確度不高，計(jì)算所得數(shù)據(jù)不可靠。而且計(jì)算繁瑣，工作量很大，因此工程上很少用。n工程整定法直接在控制系統(tǒng)中進(jìn)行，且方法簡(jiǎn)單、實(shí)用，易于掌握，在工程實(shí)際中被廣泛應(yīng)用。n計(jì)算機(jī)仿真尋優(yōu)整定法利用誤差積分最優(yōu)準(zhǔn)則，通過(guò)計(jì)算機(jī)仿真以求調(diào)節(jié)器的參數(shù)整定達(dá)至最優(yōu)，該整定方法的應(yīng)用越來(lái)越廣泛。 2021-10-23過(guò)程控制與儀表4三、單回路系統(tǒng)整定n（一）、理論計(jì)算整定法n根據(jù)根軌跡作圖法選擇調(diào)節(jié)器的參數(shù)，使系統(tǒng)特征方程中對(duì)瞬態(tài)響應(yīng)起主導(dǎo)作用的滿(mǎn)足系統(tǒng)指標(biāo)。n系統(tǒng)閉環(huán)傳遞函數(shù)：w(s)=wk(s)/1+wk(s)n系統(tǒng)特征根：|1+wk

3、(s)|=0n系統(tǒng)穩(wěn)定整定條件1：n模值條件：|wk(s)|=0n幅角條件：（2n+1）180=0n系統(tǒng)穩(wěn)定整定條件2：n=0.75 2021-10-23過(guò)程控制與儀表5三、單回路系統(tǒng)整定n（一）、理論計(jì)算整定法n例：wo(s)=1.2/(s+1)(s+0.2)(s+0.5)調(diào)節(jié)器wc(s)=kc，求=0.75 時(shí)比例度的值。n解：開(kāi)環(huán)傳遞函數(shù)：wk(s)=1.2 kc /(s+1)(s+0.2)(s+0.5)nk= 1.2 kcna、開(kāi)環(huán)根軌跡n零點(diǎn)： ;m=0個(gè)（終點(diǎn)）n極點(diǎn)：s1=-1; s2=-0.2; s3=-0.5;n=3個(gè)（起點(diǎn)）n漸進(jìn)線(xiàn)：n-m=3夾角：=180（1+2u）/3

4、=60, 180交點(diǎn)：=（s1+s2+s3）/(n-m)=-0.567n分離點(diǎn)：和回合點(diǎn)n1+wk(s)=0有極值，對(duì)1+wk(s)=0 針對(duì)k求導(dǎo)數(shù)得 s1=-0.333， s2=0.8n虛軸焦點(diǎn)：s=a+jw 令a=0 代1+wk(s)=0得w= 0.89 2021-10-23過(guò)程控制與儀表6三、單回路系統(tǒng)整定n（一）、理論計(jì)算整定法n例：wo(s)=1.2/(s+1)(s+0.2)(s+0.5)調(diào)節(jié)器wc(s)=kc，求=0.75 時(shí)比例度的值。n解：n根軌跡特征，共扼對(duì)稱(chēng)，作根軌跡n=0.75系統(tǒng)特征曲線(xiàn)=12.28n二者交點(diǎn)a,bn 根據(jù)模值條件：求k。na=-0.185+j0.65

5、4n|wk(s)|=1nk=0.575*0.675*1.05=0.408nkc=k/0.12=3.4n=0.294 2021-10-23過(guò)程控制與儀表7三、單回路系統(tǒng)整定n（一）、理論計(jì)算整定法n例：wo(s)=1/(ts+1)(ts+1)(ts+1)(ts+1),t=10s,調(diào)節(jié)器wc(s)=kc(1+td*s)，求=0.75 時(shí)比例度的值,td。n解：開(kāi)環(huán)傳遞函數(shù)：wk(s)=wc(s)*wo(s)na、零點(diǎn)： ;m=0個(gè)（終點(diǎn)）nb、極點(diǎn)：s1=-1/to; n=4個(gè)（起點(diǎn)）nc、取：td=to=10snd、 =0.75 取得=12.28ne、模值條件： |wk(s)|=1np=（-1，

6、0）n漸進(jìn)線(xiàn)夾角a=180/3=60，交oa于d點(diǎn)d=（-0.03+j0.135）nf、模值條件： |wk(s)|=1d點(diǎn)距離極點(diǎn)距離求kc =1/(to*(/pd) to*(/pd) to*(/pd) )=0.349 2021-10-23過(guò)程控制與儀表8三、單回路系統(tǒng)整定n（二）、工程整定法n1、動(dòng)態(tài)特性參數(shù)法n特點(diǎn)：根據(jù)系統(tǒng)開(kāi)環(huán)廣義過(guò)程響應(yīng)特性，進(jìn)行近似計(jì)算的方法。n方法：nwo(s)輸入端加一階躍信號(hào)記錄變送器的響應(yīng)輸出n據(jù)響應(yīng)曲線(xiàn)求特征參數(shù)，（-延時(shí)to-響應(yīng)-響應(yīng)度）n根據(jù)參數(shù)計(jì)算整定參數(shù)值wc(s)。 2021-10-23過(guò)程控制與儀表9三、單回路系統(tǒng)整定n（二）、工程整定法n1、

7、動(dòng)態(tài)特性參數(shù)法na、廣義過(guò)程無(wú)自衡能力n階躍信號(hào)n近似對(duì)象wo(s)= /s(1+s/n)或wc(s)確定: 表8-4調(diào)節(jié)規(guī)律75. 0，過(guò)程無(wú)自平衡能力時(shí)的整定計(jì)算公式)(swpdtitpidpi185. 01 . 123 . 3)11 (1sti)11 (1ststdi5 . 02021-10-23過(guò)程控制與儀表10三、單回路系統(tǒng)整定n（二）、工程整定法n1、動(dòng)態(tài)特性參數(shù)法nb、廣義過(guò)程有自衡能力n階躍信號(hào)n近似對(duì)象wo(s)= (1/)/(1+tos)或wc(s)確定: 2021-10-23過(guò)程控制與儀表11三、單回路系統(tǒng)整定n（二）、工程整定法n1、動(dòng)態(tài)特性參數(shù)法nb、廣義過(guò)程有自衡能

8、力 ppipid調(diào)節(jié)規(guī)律dtdtitit)(swc1)11 (sti)11 (ststdi01t01 . 1t085. 0t3 . 325 . 07 . 008. 06 . 200tt6 . 008. 06 . 200tt08. 015. 06 . 200tt08 . 0 t19. 08 . 00tit25. 02 . 00t5 . 12 . 00t表8-575. 0過(guò)程有自衡能力時(shí)的整定計(jì)算公式2021-10-23過(guò)程控制與儀表12三、單回路系統(tǒng)整定n（二）、工程整定法n1、動(dòng)態(tài)特性參數(shù)法nb、廣義過(guò)程有自衡能力npd調(diào)節(jié)器的參數(shù)整定計(jì)算公式，它是在計(jì)算了比例（p）調(diào)節(jié)器的比例度后利用下式計(jì)

9、算: p8 . 0) 3 . 025. 0(dt 2021-10-23過(guò)程控制與儀表13三、單回路系統(tǒng)整定n（二）、工程整定法n2、臨界比例度法臨界比例度法n臨界比例度法是在系統(tǒng)閉環(huán)條件下進(jìn)行的，方法簡(jiǎn)便，應(yīng)用廣泛，其具體步驟如下：n（1）調(diào)節(jié)器置于純比例位置，且比例度置最大值，此時(shí)無(wú)積分ti=和微分td=0作用。使系統(tǒng)投入閉環(huán)運(yùn)行。n（2）待系統(tǒng)運(yùn)行穩(wěn)定后，對(duì)給定值施加一適當(dāng)幅值的階躍擾動(dòng)，并逐步減小比例度，直到系統(tǒng)產(chǎn)生等幅振蕩，即為臨界振蕩。并記錄下此時(shí)的比例度，稱(chēng)為臨界比例度k。 2021-10-23過(guò)程控制與儀表14三、單回路系統(tǒng)整定n（二）、工程整定法n2、臨界比例度法臨界比例度法n

10、根據(jù)k、tk按表計(jì)算調(diào)節(jié)器的參數(shù)k 、ti和td之值。n注意：有時(shí)生產(chǎn)過(guò)程工藝上不允許產(chǎn)生連續(xù)的等幅振蕩。 ppipid調(diào)節(jié)規(guī)律整定參數(shù)dtit(%)k2kt85. 0kt5 . 0k7 . 1k2 . 2kt125. 0表8-6 采用臨界比例度法的整定參數(shù)2021-10-23過(guò)程控制與儀表15三、單回路系統(tǒng)整定n（二）、工程整定法n3、衰減曲線(xiàn)法衰減曲線(xiàn)法na、4:1衰減曲線(xiàn)法衰減曲線(xiàn)法n該法與臨界比例度法相似，也是在系統(tǒng)閉環(huán)運(yùn)行條件下進(jìn)行的。其具體步驟如下：n （1）將調(diào)節(jié)器積分時(shí)間置于ti=，微分時(shí)間td=0，比例度置于最大值，將系統(tǒng)投入閉環(huán)運(yùn)行。n （2）待系統(tǒng)運(yùn)行穩(wěn)定后，對(duì)給定值作一

11、適當(dāng)幅值的階躍擾動(dòng)，并逐步減小比例度，直到記錄曲線(xiàn)出現(xiàn)圖8-17所示的4：1衰減的曲線(xiàn)為止，記錄下此時(shí)的比例度和衰減曲線(xiàn)的第一個(gè)振蕩周期。然后查表便可計(jì)算出調(diào)節(jié)器的pid參數(shù)的整定值。 2021-10-23過(guò)程控制與儀表16三、單回路系統(tǒng)整定n（二）、工程整定法n3、衰減曲線(xiàn)法衰減曲線(xiàn)法na、4:1衰減曲線(xiàn)法衰減曲線(xiàn)法 控制規(guī)律(%)(min)dt(min)it調(diào)節(jié)器參數(shù)ppidpiss8 . 0s2 . 1st5 . 0st3 . 0st1 . 0表8-7(4： 1)衰減法整定計(jì)算2021-10-23過(guò)程控制與儀表17三、單回路系統(tǒng)整定n（二）、工程整定法n3、衰減曲線(xiàn)法衰減曲線(xiàn)法nb、10

12、:1衰減曲線(xiàn)法衰減曲線(xiàn)法 (% )(min)dt(min)it調(diào) 節(jié) 器 參 數(shù)ppidpiss8 . 0s2 . 1rt2rt2 . 1rt4 . 0表 8-8 10： 1衰 減 法 整 定 計(jì) 算控 制 規(guī) 律2021-10-23過(guò)程控制與儀表18三、單回路系統(tǒng)整定n（三）、計(jì)算機(jī)仿真尋優(yōu)整定法n隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展，人們利用計(jì)算機(jī)仿真技術(shù)進(jìn)一步發(fā)展了的調(diào)節(jié)器pid參數(shù)的整定方法。稱(chēng)為計(jì)算機(jī)仿真尋優(yōu)整定法。該法根據(jù)過(guò)程的參數(shù)koto和之值，利用絕對(duì)誤差積分（iae）、平方誤差積分（ise）和時(shí)間乘絕對(duì)誤差積分（itae）之值為最小為準(zhǔn)則，進(jìn)行計(jì)算機(jī)仿真，從而整定調(diào)節(jié)器的pid參數(shù)。調(diào)節(jié)器參

13、數(shù)整定的計(jì)算公式分別為：n比例（p）n積分（i）n微分（d） bctakk)(00bitatt)(00 bdtatt)(00 2021-10-23過(guò)程控制與儀表19四、單回路控制系統(tǒng)投運(yùn)n過(guò)程控制系統(tǒng)的方案設(shè)計(jì)、控制儀表選型和安裝調(diào)試就緒后，或者經(jīng)過(guò)停車(chē)檢修后，將過(guò)程控制系統(tǒng)重新投入到生產(chǎn)過(guò)程中運(yùn)行，稱(chēng)為系統(tǒng)投運(yùn)。為使過(guò)程控制系統(tǒng)能順利投入運(yùn)行，投運(yùn)前必須做好準(zhǔn)備工作。n1準(zhǔn)備工作。準(zhǔn)備工作。n準(zhǔn)備工作做得越充分，投運(yùn)將越順利。準(zhǔn)備工作大體包括：在熟悉生產(chǎn)工藝流程和控制方案的前提下，應(yīng)對(duì)檢測(cè)變送器、調(diào)節(jié)器、調(diào)節(jié)閥、供電、供氣、聯(lián)接管線(xiàn)等以及其它裝置進(jìn)行全面而細(xì)致的檢查，它們的連接極性是否正確，儀表量程設(shè)置是否合理，儀表的相應(yīng)開(kāi)關(guān)是否置于規(guī)定位置上，儀表的精度是否滿(mǎn)足設(shè)計(jì)要求等。其次，在各組成系統(tǒng)的各臺(tái)儀表進(jìn)行單獨(dú)調(diào)校的基礎(chǔ)上，再對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行聯(lián)調(diào)，觀(guān)察其工作是否正常，這是保證順利投入的重要步驟。n2系統(tǒng)投運(yùn)系統(tǒng)投運(yùn)n根據(jù)生產(chǎn)過(guò)程的實(shí)際情況，首先將檢測(cè)變送器投入運(yùn)行，觀(guān)察其測(cè)量顯示的參數(shù)是否正確；其次利用調(diào)節(jié)閥手動(dòng)遙控，待被控參數(shù)在給定值附近穩(wěn)