熱工控制系統(tǒng)4

1、 第四章第四章 單回路控制系統(tǒng)單回路控制系統(tǒng)第一節(jié)、概述第二節(jié)、對象特性對控制質量的影響第三節(jié)、單回路控制系統(tǒng)的分析第四節(jié)、單回路控制系統(tǒng)的整定第五節(jié)、單回路控制系統(tǒng)實例 和是單回路控制系統(tǒng)的兩個主要的組成部分 單回路控制系統(tǒng)原理框圖單回路控制系統(tǒng)原理框圖WT(S)W0(S)WZ(S)Wm(S)e()外擾yVTrVmf(內擾) 調節(jié)器有正作用和反作用，單回路控制系統(tǒng)調節(jié)器有正作用和反作用，單回路控制系統(tǒng)中調節(jié)器的正反作用方式選擇的目的是使閉環(huán)系中調節(jié)器的正反作用方式選擇的目的是使閉環(huán)系統(tǒng)在信號關系上形成統(tǒng)在信號關系上形成負反饋負反饋。 確定調節(jié)器正、反作用的次序一般為確定調節(jié)器正、反作用的次序

2、一般為:首先首先根據(jù)生產過程安全等原則確定根據(jù)生產過程安全等原則確定調節(jié)閥調節(jié)閥的形式、的形式、測量變送單元測量變送單元正反特性，然后確定正反特性，然后確定被控對象被控對象的的正反特性，最后確定正反特性，最后確定調節(jié)器調節(jié)器的正反作用。使系的正反作用。使系統(tǒng)正常工作時組成該系統(tǒng)的各個環(huán)節(jié)的極性統(tǒng)正常工作時組成該系統(tǒng)的各個環(huán)節(jié)的極性(可可用其靜態(tài)放大系數(shù)表示用其靜態(tài)放大系數(shù)表示)相乘必須為負相乘必須為負 各環(huán)節(jié)極性規(guī)定各環(huán)節(jié)極性規(guī)定 環(huán)節(jié)的環(huán)節(jié)的輸入量輸入量增加，其增加，其輸出量輸出量也增加，該環(huán)也增加，該環(huán)節(jié)為正特性，其靜態(tài)放大系數(shù)為正。節(jié)為正特性，其靜態(tài)放大系數(shù)為正。如：測量變送單元，控制對

3、象如：測量變送單元，控制對象W0(S)KZKmyVTVmy 執(zhí)行器及閥門配合類型執(zhí)行器及閥門配合類型 調節(jié)器偏差調節(jié)器偏差=測量值測量值-給定值，即給定值，即 e (t) = y(t) - r(t)e(t) = r(t) - y(t)控制系統(tǒng)偏差的定義：控制系統(tǒng)偏差的定義： 調節(jié)器正反作用定義：調節(jié)器正反作用定義： 正作用：正作用：e (e) u，即，即KC為正為正反作用：反作用： e ( (e) u) u，即，即KC為負為負設置正反作用的目的：使控制系統(tǒng)構成負反饋系統(tǒng)設置正反作用的目的：使控制系統(tǒng)構成負反饋系統(tǒng)PID廣義被控對象廣義被控對象給定值給定值r r被調量被調量y yeu控制器（調節(jié)

4、器）控制器（調節(jié)器）-1e 總總 結結 控制系統(tǒng)各環(huán)節(jié)的極性的規(guī)定：控制系統(tǒng)各環(huán)節(jié)的極性的規(guī)定： 正作用調節(jié)器正作用調節(jié)器：即當系統(tǒng)的測量值增加時，調節(jié)：即當系統(tǒng)的測量值增加時，調節(jié)器的輸出亦增加，其靜態(tài)放大系數(shù)器的輸出亦增加，其靜態(tài)放大系數(shù)K Kc c取正；取正； 反作用調節(jié)器反作用調節(jié)器：即當系統(tǒng)的測量值增加時，調節(jié)：即當系統(tǒng)的測量值增加時，調節(jié)器的輸出減小，其靜態(tài)放大系數(shù)器的輸出減小，其靜態(tài)放大系數(shù)K Kc c取負；取負； 氣開式調節(jié)閥氣開式調節(jié)閥：其靜態(tài)放大系數(shù)：其靜態(tài)放大系數(shù)K Kv v取正；取正； 氣關式調節(jié)閥氣關式調節(jié)閥：其靜態(tài)放大系數(shù)：其靜態(tài)放大系數(shù)K Kv v取負；取負； 正

5、作用被控過程正作用被控過程：其靜態(tài)放大系數(shù)：其靜態(tài)放大系數(shù)K K0 0取正；取正； 反作用被控過程反作用被控過程：其靜態(tài)放大系數(shù)：其靜態(tài)放大系數(shù)K K0 0取負。取負。過程控制系統(tǒng)要能正常工作，則該系統(tǒng)的各個環(huán)節(jié)過程控制系統(tǒng)要能正常工作，則該系統(tǒng)的各個環(huán)節(jié)的極性的極性( (可用其靜態(tài)放大系數(shù)表示可用其靜態(tài)放大系數(shù)表示) )相乘必須為負。相乘必須為負。 正反作用的判斷方法正反作用的判斷方法:PIDr ry yeu-sKeG(s)=Ts+1-例：過熱蒸汽溫度控制系統(tǒng)例：過熱蒸汽溫度控制系統(tǒng) 對象對象K K為負，要求其靜態(tài)放大系數(shù)相乘必須為為負，要求其靜態(tài)放大系數(shù)相乘必須為負負, ,則則K KC C

6、為正，控制器為正作用為正，控制器為正作用 控制作用被調量干擾作用干擾作用 熱工對象W0（s）W0（s）干擾通道干擾通道控制通道控制通道 控制質量是用控制質量是用衰減率衰減率 或或衰減比衰減比n、動態(tài)偏差動態(tài)偏差ym（ ）、靜態(tài)靜態(tài)偏差偏差y（ ）或或e（ ）、控制時間控制時間ts等等 描述對象特性的特征參數(shù)是描述對象特性的特征參數(shù)是放大系數(shù)放大系數(shù)K 、時間常數(shù)時間常數(shù)Tc（T）、遲遲延時間延時間（n） WT(S)W0(S)reVTy（擾動）W (S)seTsKsW1)(00sesTKsW1)( *01TY sWssWs Ws 在單位階躍擾動下,系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)值： *000111limsTPWsKy

7、Ws WssK Ks 干擾通道的放大系數(shù)干擾通道的放大系數(shù)K 越大越大 , 在擾動作用下系統(tǒng)的動態(tài)在擾動作用下系統(tǒng)的動態(tài)偏差、穩(wěn)態(tài)誤差偏差、穩(wěn)態(tài)誤差(靜態(tài)偏差靜態(tài)偏差)越大。越大。 T增加，被調量y對擾動的響應速度變慢，動態(tài)偏差減少 擾動通道的時間常數(shù)越大越好擾動通道的時間常數(shù)越大越好,這樣可使系統(tǒng)的動態(tài)這樣可使系統(tǒng)的動態(tài)偏差減小。偏差減小。1( )(1)nWsT s若：n增加增加,使閉環(huán)系統(tǒng)的動態(tài)偏差減小使閉環(huán)系統(tǒng)的動態(tài)偏差減小 當擾動通道存在遲延時,則相當于一階慣性環(huán)節(jié)串聯(lián)了一個遲延環(huán)節(jié) *01sTWsY sseWs Ws( )()y ty t 擾動通道遲延時間擾動通道遲延時間的存在僅使被

8、調量在時間軸上平移了的存在僅使被調量在時間軸上平移了一個一個值即過渡過程增加了一個值即過渡過程增加了一個時間。并不影響系統(tǒng)的控制質時間。并不影響系統(tǒng)的控制質量。量。 擾動進入系統(tǒng)的位置離輸出擾動進入系統(tǒng)的位置離輸出(被調量被調量)越遠越遠,對系統(tǒng)控制質量影響就越小。對系統(tǒng)控制質量影響就越小。 控制通道的放大系數(shù)控制通道的放大系數(shù)KpKo 是一種互是一種互補關系，如果補關系，如果Kp保持不變，保持不變，Ko增大時控增大時控制系統(tǒng)的穩(wěn)定性裕度下降，被調量的靜態(tài)制系統(tǒng)的穩(wěn)定性裕度下降，被調量的靜態(tài)偏差減小偏差減小(給定值輸入），控制系統(tǒng)的過渡給定值輸入），控制系統(tǒng)的過渡過程的時間將加長過程的時間將加

9、長 討論時間常數(shù)T和階次n 控制通道的時間常數(shù)控制通道的時間常數(shù)T如果增大如果增大,系統(tǒng)的反應速度慢系統(tǒng)的反應速度慢,工作頻率工作頻率將下降將下降,系統(tǒng)的過渡過程的時間將加長，減小控制通道的時間常數(shù)，系統(tǒng)的過渡過程的時間將加長，減小控制通道的時間常數(shù)，能提高控制系統(tǒng)的控制質量。能提高控制系統(tǒng)的控制質量。 慣性對象階次慣性對象階次n越大對被調量的影響越慢，調節(jié)的也越慢，使越大對被調量的影響越慢，調節(jié)的也越慢，使控制系統(tǒng)的動態(tài)偏差、控制過程的時間增大，穩(wěn)定性裕度減小?？刂葡到y(tǒng)的動態(tài)偏差、控制過程的時間增大，穩(wěn)定性裕度減小。 討論時間常數(shù)Tc和遲延時間為 當控制通道有遲延時當控制通道有遲延時, 遲延

10、時間對調節(jié)是不利的，控制質遲延時間對調節(jié)是不利的，控制質量主要取決于遲延和時間常數(shù)的比值量主要取決于遲延和時間常數(shù)的比值/Tc ,比值越大則控制質量比值越大則控制質量越差。越差。對象特性的其它條件不變時對象特性的其它條件不變時, ,遲延越大遲延越大, , 動態(tài)偏差、控制過程動態(tài)偏差、控制過程的時間越大。的時間越大。對象特性的其它條件不變時對象特性的其它條件不變時,時間常數(shù)越大時間常數(shù)越大, 動態(tài)偏差、控制過動態(tài)偏差、控制過程的時間減小，穩(wěn)定性裕度增大，時間常數(shù)程的時間減小，穩(wěn)定性裕度增大，時間常數(shù)Tc增大能提高系增大能提高系統(tǒng)的控制質量。統(tǒng)的控制質量。 遲延時間一定Tc1=25Tc2=110T

11、c2=150 WT(S)W0(S)reVTy（擾動）W (S)Kp, ,穩(wěn)定性下降，靜穩(wěn)定性下降，靜態(tài)偏差態(tài)偏差，動態(tài)偏差動態(tài)偏差P P調節(jié)器適合于干擾較小，對調節(jié)器適合于干擾較小，對象滯后、時間常數(shù)較小，調象滯后、時間常數(shù)較小，調節(jié)精度不高的場合節(jié)精度不高的場合 KI/SK/(TS+1)reVTy（擾動）-K /(TS+1) * *KI越大越大(T(Ti越小越小) ),積分調節(jié)作用越強積分調節(jié)作用越強,會使調節(jié)過程加會使調節(jié)過程加劇振蕩劇振蕩,穩(wěn)定性降低穩(wěn)定性降低,但被調量的動態(tài)偏差有所減小。但被調量的動態(tài)偏差有所減小。 * *控制過程結束之后無靜態(tài)偏差?？刂七^程結束之后無靜態(tài)偏差。 * *

12、調節(jié)器一般只用在時間常數(shù)小而自平衡率很大的單調節(jié)器一般只用在時間常數(shù)小而自平衡率很大的單容對象上。容對象上。 WTK/(TS+1)reVTy（擾動）-K /(TS+1) 主要分析調節(jié)器參數(shù)主要分析調節(jié)器參數(shù)比例帶比例帶 、積分時間積分時間Ti、微分時間微分時間Td對控制過程的影響對控制過程的影響控制器類型控制器類型 PPIPID 說明說明整定參數(shù)整定參數(shù) TiTi Td:表示增加表示增加: :表示減小表示減小T Td d 過大時，過大時，將出現(xiàn)較高將出現(xiàn)較高頻率的振蕩頻率的振蕩而衰減率減而衰減率減小小. .主主 要要 性性 能能衰減率衰減率略有略有略有略有 略有略有動態(tài)偏差動態(tài)偏差略有略有略有

13、略有振蕩頻率振蕩頻率 略略有有略略有有復原速度復原速度穩(wěn)態(tài)偏差穩(wěn)態(tài)偏差(負荷擾動時負荷擾動時)T Ti i過大時，輸出響應緩慢地趨向其穩(wěn)過大時，輸出響應緩慢地趨向其穩(wěn)態(tài)值，態(tài)值， 對于振蕩過程輸出偏向在穩(wěn)對于振蕩過程輸出偏向在穩(wěn)態(tài)值之上態(tài)值之上( (或下或下) )振蕩振蕩. . 控制系統(tǒng)的整定控制系統(tǒng)的整定是指在控制系統(tǒng)的結構已經確定、控制儀表是指在控制系統(tǒng)的結構已經確定、控制儀表與控制對象等都處在正常狀態(tài)的情況下與控制對象等都處在正常狀態(tài)的情況下,適當選擇調節(jié)器的參數(shù)適當選擇調節(jié)器的參數(shù)(、Ti 、Td) 使控制儀表的特性和控制對象的特性配合使控制儀表的特性和控制對象的特性配合,從而使控制系

14、從而使控制系統(tǒng)的運行達到最佳狀態(tài)統(tǒng)的運行達到最佳狀態(tài),取得最好的控制效果取得最好的控制效果 ?？刂葡到y(tǒng)的整定方法有：控制系統(tǒng)的整定方法有：理論計算方法：廣義頻率特性法理論計算方法：廣義頻率特性法工程整定方法：響應曲線法工程整定方法：響應曲線法 廣義頻率特性法是通過改變系統(tǒng)的整定參數(shù)廣義頻率特性法是通過改變系統(tǒng)的整定參數(shù),使控制系統(tǒng)的開使控制系統(tǒng)的開環(huán)頻率特性變成具有規(guī)定相對穩(wěn)定性裕度的衰減頻率特性環(huán)頻率特性變成具有規(guī)定相對穩(wěn)定性裕度的衰減頻率特性,從而使從而使閉環(huán)系統(tǒng)響應滿足規(guī)定衰減率的一種參數(shù)整定方法。閉環(huán)系統(tǒng)響應滿足規(guī)定衰減率的一種參數(shù)整定方法。開環(huán)傳遞函數(shù)為開環(huán)傳遞函數(shù)為:*0( )(

15、)( )kTWsWs Ws*0()()()1kTWmjWmjWmj *001()()()TWmjWmjWmj(,)()(,)(,)(,)TjmTTTTWmjRmjImAme0(,)0000()(,)(,)(,)jmWmjRmjImAme 廣義特征方程：廣義特征方程： 說明：說明：（1）如果調節(jié)器只有一個整定參數(shù)）如果調節(jié)器只有一個整定參數(shù),就可求得唯一解。就可求得唯一解。（2）如果調節(jié)器有兩個或三個整定參數(shù)）如果調節(jié)器有兩個或三個整定參數(shù), 能得出無窮多組解。能得出無窮多組解。所求出的各組調節(jié)器整定參數(shù)值使系統(tǒng)瞬態(tài)響應中的主導振蕩所求出的各組調節(jié)器整定參數(shù)值使系統(tǒng)瞬態(tài)響應中的主導振蕩成分的衰減

16、率等于指定的數(shù)值成分的衰減率等于指定的數(shù)值,但振蕩頻率但振蕩頻率(和振幅和振幅)并不一樣。并不一樣。此時此時,應該用其他指標進一步從中選定最合適的調節(jié)器整定參應該用其他指標進一步從中選定最合適的調節(jié)器整定參數(shù)值。一般情況下數(shù)值。一般情況下,為保證主導振蕩成分具有規(guī)定的衰減率為保證主導振蕩成分具有規(guī)定的衰減率,應應選擇其中頻率最低的一組解選擇其中頻率最低的一組解 100500055122200()(1)(1)() Tj tgmTWmjmTjTmTTe (一一) 單參數(shù)調節(jié)器整定單參數(shù)調節(jié)器整定5001( )(1)WsT s(其中 To 值已知 )1( )TWs,以系統(tǒng)瞬態(tài)響應的衰減率=0.75為

17、整定指標,求調節(jié)器參數(shù)的數(shù)值。解：5001( )(1)W sTs 例4-1對象的傳遞函數(shù)Wo(s)為調節(jié)器的傳遞函數(shù)為 0012520201511mTTtgTmT)()( 000.72715Ttgm T 得得=0.75 時,m=0.221,把m值代入上式,得：To =0.62652221(10.2210.626)(0.626) 1.37 指定衰減率指定衰減率00.750.90.998與與值相應的值相應的m00.2210.3661To0.7270.6260.5740.42振蕩周期振蕩周期T/To8.641010.915Kp2.891.370.8880.1880.3460.731.135.31 對

18、于具有一個以上整定參數(shù)的調節(jié)器對于具有一個以上整定參數(shù)的調節(jié)器 ，只規(guī)定，只規(guī)定m值，其解是不確值，其解是不確定的。為此，應采用其他性能指標，從中選擇最佳一組整定參數(shù)。定的。為此，應采用其他性能指標，從中選擇最佳一組整定參數(shù)。1. 調節(jié)器為比例積分作用調節(jié)器為比例積分作用比例積分調節(jié)器的廣義頻率特性為：22()(1)(1)IITpK mKWmjKjmm ()ITpKWmjKmj 2000(1)(,)(,)(,)IpKmImKmImR m 0000(,)0000()(,)(,)(,)(,)cos(,)sin(,)jmWmjRmjImAmeAmmjm 或者由：200000(1)(,)sin(,)(

19、,)sin(,)cos(,)IpKmA mmKA mmmm 可得： 通常選取通常選取KpKI為為最大這組參數(shù)作為最住參數(shù)最大這組參數(shù)作為最住參數(shù) 2. 調節(jié)器為比例微分作用調節(jié)器為比例微分作用調節(jié)器的廣義頻率特性為:()()()TPdPddWmjKKmjKK mjK 000001(,)sin(,)(,)sin(,)cos(,)dpKA mmKA mmmm 給定給定m值值,就可在調節(jié)參數(shù)就可在調節(jié)參數(shù)Kd Kp平面平面上畫出以上畫出以為參變量的等衰減率曲線為參變量的等衰減率曲線 為了在保證系統(tǒng)瞬態(tài)響應的衰減率一定為了在保證系統(tǒng)瞬態(tài)響應的衰減率一定的前提下盡量減小穩(wěn)態(tài)偏差的前提下盡量減小穩(wěn)態(tài)偏差,

20、應選擇盡可能應選擇盡可能大的大的KP值。因此值。因此,在等衰減率曲線上以在等衰減率曲線上以KP 數(shù)值最大的點作為調節(jié)器的整定參數(shù)數(shù)值最大的點作為調節(jié)器的整定參數(shù) (1) 寫出比例積分微分調節(jié)器的廣義頻率特性；寫出比例積分微分調節(jié)器的廣義頻率特性；(2) 根據(jù)廣義頻率特性求得根據(jù)廣義頻率特性求得KI、Kp的表達式。的表達式。(3) 設定一系列設定一系列Kd 值。在每一個值。在每一個Kd值上值上,計算計算KI、Kp 等衰減率曲線等衰減率曲線;(4) 對于每一個對于每一個Kd 值值,在在KI、Kp等衰減率曲線上選出一組最適當?shù)牡人p率曲線上選出一組最適當?shù)腒I、Kp值值;(5) 對于上述選出的各組對

21、于上述選出的各組KI、Kp 、Kd 值值,分別作出控制系統(tǒng)階躍響應分別作出控制系統(tǒng)階躍響應曲線曲線 ,以其絕對值積分準則以其絕對值積分準則 最小的一組最小的一組KI、Kp 、Kd 值作為調節(jié)器的整定參數(shù)。值作為調節(jié)器的整定參數(shù)。0( )Jy t dt 廣義頻率特性整定調節(jié)器參數(shù)是以對象的傳遞函數(shù)為基礎，計廣義頻率特性整定調節(jié)器參數(shù)是以對象的傳遞函數(shù)為基礎，計算工作量很大，計算的結果還需通過現(xiàn)場試驗加以修正，所以在工算工作量很大，計算的結果還需通過現(xiàn)場試驗加以修正，所以在工程上采用的不多。程上采用的不多。 工程實際中，常采用工程整定法，它們是在理論基礎上通過實工程實際中，常采用工程整定法，它們是在理論基礎上通過實踐總結出來的踐總結出來的 。 響應曲