單回路控制系統(tǒng)方案

本章提要過程掌握系統(tǒng)設(shè)計(jì)概述單回路掌握系統(tǒng)方案設(shè)計(jì)單回路掌握系統(tǒng)整定單回路掌握系統(tǒng)投運(yùn)單回路掌握系統(tǒng)設(shè)計(jì)原則應(yīng)用舉例授課內(nèi)容第一節(jié)過程掌握系統(tǒng)設(shè)計(jì)概述單回路反響掌握系統(tǒng)---又稱簡潔掌握系統(tǒng)，是指由一個(gè)被控過程、一個(gè)檢測變送器、一個(gè)掌握器和一個(gè)執(zhí)行器所組成的．對一個(gè)被控變量進(jìn)展掌握的單回路反響閉環(huán)掌握系統(tǒng)。單回路反響掌握系統(tǒng)組成方框圖：簡潔掌握系統(tǒng)是實(shí)現(xiàn)生產(chǎn)過程自動(dòng)化的根本單元、其構(gòu)造簡潔、投資少、易于調(diào)整和投運(yùn)，能滿足一般工業(yè)生產(chǎn)過程的掌握要求、因此在工業(yè)生產(chǎn)小應(yīng)用格外廣泛，尤其適用于被控過程的純滯后和慣性小、負(fù)荷和擾動(dòng)變化比較平緩，或者掌握質(zhì)量要求不太高的場合。過程掌握系統(tǒng)設(shè)計(jì)和應(yīng)用的兩個(gè)重要內(nèi)容：掌握方案的設(shè)計(jì)、調(diào)整器整定參數(shù)值確實(shí)定。過程掌握系統(tǒng)設(shè)計(jì)的一般要求：過程掌握系統(tǒng)是穩(wěn)定的，且具有適當(dāng)?shù)姆€(wěn)定裕度。系統(tǒng)應(yīng)是一個(gè)衰減振蕩過程，但過渡過程時(shí)間要短，余差要小。過程掌握系統(tǒng)設(shè)計(jì)的根本方法：設(shè)計(jì)方法很多，主要有對數(shù)頻率特性設(shè)計(jì)法、根軌跡設(shè)計(jì)法、系統(tǒng)參數(shù)優(yōu)化的計(jì)算機(jī)關(guān)心設(shè)計(jì)等。過程掌握系統(tǒng)統(tǒng)設(shè)計(jì)步驟：建立被控過程的數(shù)學(xué)模型選擇掌握方案建立系統(tǒng)方框圖進(jìn)展系統(tǒng)靜態(tài)、動(dòng)態(tài)特性分析計(jì)算試驗(yàn)和仿真過程掌握系統(tǒng)設(shè)計(jì)的主要內(nèi)容：掌握方案的設(shè)計(jì)：核心，包括合理選擇被控參數(shù)和掌握參數(shù)、信息的獵取和變送、調(diào)整閥的選擇、調(diào)整器掌握規(guī)律及正、反作用方式確實(shí)定等。工程設(shè)計(jì)：包括儀表選型、掌握室和儀表盤設(shè)計(jì)、儀表供電供氣系統(tǒng)設(shè)計(jì)、信號及聯(lián)鎖保護(hù)系統(tǒng)設(shè)計(jì)等。工程安裝和儀表調(diào)校調(diào)整器參數(shù)工程整定：保證系統(tǒng)運(yùn)行在最正確狀態(tài)。其次節(jié)單回路掌握系統(tǒng)方案設(shè)計(jì)被控參數(shù)的選擇選取被控參數(shù)的一般原則為：選擇對產(chǎn)品的產(chǎn)量和質(zhì)量、安全生產(chǎn)、經(jīng)濟(jì)運(yùn)行和環(huán)境保護(hù)具有打算性作用的，可直接測量的工藝參數(shù)為被控參數(shù)。當(dāng)不能用直接參數(shù)作為被控參數(shù)時(shí)，應(yīng)中選擇一個(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)。被控參數(shù)必需具有足夠大的靈敏度。被控參數(shù)的選擇必需考慮工藝過程的合理性和所用儀表的性能。掌握參數(shù)的選擇需要正確選擇掌握參數(shù)、調(diào)整器調(diào)整規(guī)律和調(diào)整閥的特性。當(dāng)工藝上允許有幾種掌握參數(shù)可供選擇時(shí)，可依據(jù)被控過程擾動(dòng)通道和掌握通道特性，對掌握質(zhì)量的影響作出合理的選擇。所隊(duì)正確選擇掌握參數(shù)就是正確選擇掌握通道的問題。擾動(dòng)作用由擾動(dòng)通道對過程的被控參數(shù)產(chǎn)生影響，力圖使被控參數(shù)偏離給定性掌握作用 由掌握通道對過程的被控參數(shù)起主導(dǎo)影響，抵消擾動(dòng)影響，以使被控參數(shù)盡力維持在給定值。在生產(chǎn)過程有幾個(gè)掌握參數(shù)可供選擇時(shí)，一般期望掌握通道抑制擾動(dòng)的校正力量要強(qiáng)，動(dòng)態(tài)響應(yīng)要比擾動(dòng)通道快?？捎蛇^程靜態(tài)特性的分析<擾動(dòng)通道靜態(tài)放大倍數(shù)K、掌握通道靜態(tài)放大倍數(shù)fo Ko〕、過程擾動(dòng)通道動(dòng)態(tài)特性的分析<時(shí)間常數(shù)Tf、時(shí)延τf、擾動(dòng)作用點(diǎn)位置〕、過程掌握通道動(dòng)態(tài)特性的分析<Tτ<包括純時(shí)延τ、容量時(shí)延τco 依據(jù)過程特性選擇掌握參數(shù)的一般原則：掌握通道參數(shù)選擇：選擇過程掌握通道的放大系數(shù)Ko

要適當(dāng)大一些，時(shí)間常數(shù)Toτ0τ0的狀況下，τ0To之比應(yīng)小—些<1〕，假設(shè)其比值過大，則不利于掌握。擾動(dòng)通道參數(shù)選擇：選擇過程擾動(dòng)通道的放大系數(shù)Kf應(yīng)盡可能小。時(shí)間常數(shù)Tf要大。擾動(dòng)引入系統(tǒng)的位置要遠(yuǎn)離掌握過程<即靠近調(diào)整閥〕。容量時(shí)延τc愈大則有利于掌握。時(shí)間常數(shù)匹配：廣義過程(包括調(diào)整閥和測量變送器>由幾個(gè)一階環(huán)節(jié)組成，在選擇掌握參數(shù)時(shí)，應(yīng)盡量設(shè)法把幾個(gè)時(shí)間常數(shù)錯(cuò)開，使其中一個(gè)時(shí)間常數(shù)比其他時(shí)間常數(shù)大得多，同時(shí)留意減小其次、第三個(gè)時(shí)間常數(shù)。留意工藝操作的合理性、經(jīng)濟(jì)性。系統(tǒng)設(shè)計(jì)中的測量變送問題被控參數(shù)的測量和變送必需快速正確地反映其實(shí)際變化狀況，為系統(tǒng)設(shè)計(jì)供給準(zhǔn)確的掌握依據(jù)。測量和變送環(huán)節(jié)的描述：參數(shù)選擇原則：減小Tm和τmTm較大，則會(huì)使記錄曲線與實(shí)際參數(shù)之間產(chǎn)生較大的動(dòng)態(tài)誤差。從減小測量變送環(huán)節(jié)誤差角度考慮，應(yīng)削減儀表的量程，即增大K。m系統(tǒng)設(shè)計(jì)測量和變送中涉及的問題：信號濾波信號處理純時(shí)延問題測量時(shí)延問題信號傳送時(shí)延問題：信號傳遞時(shí)延將降低掌握質(zhì)量。比照可實(shí)行以下改善措施：假設(shè)測量信號為電信號，可將轉(zhuǎn)換器安裝在儀表盤四周，以縮短氣壓信號的傳送距離．假設(shè)調(diào)整器輸出為氣壓信號，可在50～60m距離間，裝一繼動(dòng)器，提高氣壓信號的傳輸功率，以減小傳遞時(shí)間。iii. 假設(shè)調(diào)整器輸出為電信號，應(yīng)將轉(zhuǎn)換器安裝在調(diào)整閥四周，或承受電氣閥門定位器。<執(zhí)行器〕的選擇調(diào)整閥類型的選擇：氣動(dòng)執(zhí)行器和電動(dòng)執(zhí)行器調(diào)整閥口徑<D、d〕大小的選擇：主要依據(jù)是閥的流通力量。正常工況下要g g求調(diào)整閥開度處于15％～85％之間。調(diào)整閥氣開、氣關(guān)形式的選擇：主要以安全方面考慮。調(diào)整閥流量特性的選擇：系統(tǒng)總的放大倍數(shù)盡可能保持不變，通常被控過程的特性是非線性的(一階以上特性>，而變送器、調(diào)整器(假設(shè)比例作用時(shí)>和執(zhí)行機(jī)構(gòu)的放大系數(shù)是常數(shù)。因此往往通過選擇調(diào)整閥的流量特性來補(bǔ)償被控過程特性的非線性，從而到達(dá)系統(tǒng)總放大倍數(shù)不變的目的。調(diào)整器掌握規(guī)律的選擇目的：為了使調(diào)整器的特性與掌握過程的特性能很好協(xié)作，使所設(shè)計(jì)的系統(tǒng)能滿足生產(chǎn)工藝對掌握質(zhì)量指標(biāo)的要求。調(diào)整器PID掌握規(guī)律對掌握質(zhì)量的影響：當(dāng)廣義過程的時(shí)間常數(shù)較大，純時(shí)延較小時(shí)(即τ0／To很小>，引入微分作用其效果良好。此時(shí)各類調(diào)整器掌握規(guī)律對掌握質(zhì)量的影響為：比例積分微分(PID>作用最好，比例微分<PD〕作用較好，比例<P〕作用次之，比例積分<PI〕作用較差。當(dāng)過程掌握通道時(shí)間常數(shù)較小，而負(fù)荷變化很快，引入微分和積分作用均要引起系統(tǒng)振蕩，對掌握質(zhì)量的影響不利。當(dāng)過程掌握通道時(shí)延很大，負(fù)荷變化也很大時(shí)，單回路掌握系統(tǒng)已不能滿足工藝要求，需承受其他掌握方案。依據(jù)比值選擇掌握規(guī)律：依據(jù)比值選擇掌握規(guī)律：時(shí)，選用比例或比例積分掌握規(guī)律；時(shí)，選用比例積分或比例積分微分掌握規(guī)律；時(shí)，選用比例積分或比例積分微分掌握規(guī)律；時(shí)，單回路反響掌握系統(tǒng)已不能滿足掌握要求，應(yīng)依據(jù)具體情比例掌握規(guī)律：適用于掌握通道滯后較小，時(shí)間常數(shù)不太大，擾動(dòng)幅度較小，負(fù)荷變化不大，掌握質(zhì)量要求不高，允許有余差的場合。如貯罐液位、塔釜液位的掌握和不太重要的蒸汽壓力的掌握等。比例積分掌握規(guī)律：引入積分作用能消退余差。適用于掌握通道滯后小，負(fù)荷變化不太大，工藝上不允許有余差的場合，如流量或壓力的掌握。比例微分掌握規(guī)律：引入了微分，會(huì)有超前掌握作用，能使系統(tǒng)的穩(wěn)定性增加，最大偏差和余差減小，加快了掌握過程，改善了掌握質(zhì)量。適用于過程容量滯后較大的場合。對于滯后很小和擾動(dòng)作用頻繁的系統(tǒng)，應(yīng)盡可能避開使用微分作用。比例積分微分掌握規(guī)律：可以使系統(tǒng)獲得較高的掌握質(zhì)量，它適用于容量滯后大、負(fù)荷變化大、掌握質(zhì)量要求較高的場合，如反響器、聚合釜的溫度掌握。調(diào)整器正、反作用確實(shí)定正作用 指調(diào)整器的輸出隨著正偏差(指測量值大于設(shè)定值>的增加而增加，即調(diào)整器的輸出隨著測量值增大而增大。反作用 指調(diào)整器的輸出隨著正偏差的增加而減小，即調(diào)整器的輸出隨著測量值增大而削減。調(diào)整器作用方向確定的原則：應(yīng)依據(jù)被控過程的特性及調(diào)整閥的氣開、氣關(guān)形式來正確選擇，以使自動(dòng)掌握系統(tǒng)成為一個(gè)負(fù)反響的閉環(huán)系統(tǒng)，即假設(shè)被控變量偏高，則掌握作用應(yīng)使之降低；相反，假設(shè)被控變量偏低，則掌握作用應(yīng)使之上升。掌握作用對被控變量的影響應(yīng)與擾動(dòng)作用對被控變量的影響相反，才能使被控變量回到設(shè)定值。掌握系統(tǒng)各環(huán)節(jié)的極性的規(guī)定：正作用調(diào)整器：即當(dāng)系統(tǒng)的測量值增加時(shí)，調(diào)整器的輸出亦增加，其靜態(tài)放大系數(shù)Kc取負(fù)；反作用調(diào)整器：即當(dāng)系統(tǒng)的測量值增加時(shí)，調(diào)整器的輸出減小，其靜態(tài)放大系數(shù)K取正；c氣開式調(diào)整閥：其靜態(tài)放大系數(shù)K取正；v氣關(guān)式調(diào)整閥：其靜態(tài)放大系數(shù)K取負(fù)；v正作用被控過程：其靜態(tài)放大系數(shù)K取正；0反作用被控過程：其靜態(tài)放大系數(shù)K取負(fù)。0過程掌握系統(tǒng)要能正常工作，則該系統(tǒng)的各個(gè)環(huán)節(jié)的極性(可用其靜態(tài)放大系數(shù)表示>相乘必需為正。變送器的靜態(tài)放大系數(shù)K通常為正極性，故只需調(diào)整器mK、調(diào)整閥K和過程的Kv 0確定調(diào)整器正、反作用的次序過程：首先依據(jù)生產(chǎn)工藝安全等原則確定調(diào)整閥的氣開氣關(guān)形式；然后按被控過程特性，確定其正、反作用；最終依據(jù)上述組成該系統(tǒng)的開環(huán)傳遞函數(shù)各環(huán)節(jié)的靜態(tài)放大系數(shù)極性相乘必需為正的原則來確定調(diào)整器的正、反作用方式。第三節(jié) 單回路掌握系統(tǒng)整定有關(guān)單回路掌握系統(tǒng)整定的概述系統(tǒng)的良好掌握效果一般要求：瞬時(shí)響應(yīng)的衰減率<以保證系系統(tǒng)整定-----指選擇調(diào)整器的比例度、積分時(shí)間TI和微分時(shí)間Td系統(tǒng)的良好掌握效果一般要求：瞬時(shí)響應(yīng)的衰減率<以保證系統(tǒng)具有肯定的穩(wěn)定性儲(chǔ)藏〕，盡量減小穩(wěn)態(tài)偏差(余差>、最大偏差和過渡過程時(shí)間。留意：只有系統(tǒng)設(shè)計(jì)正確，儀表經(jīng)過調(diào)校和正確安裝之后，調(diào)整器參數(shù)的整定才是有意義的。調(diào)整器參數(shù)的整定方法：<可分為兩大類〕理論計(jì)算整定法：如根軌跡法、頻率特性法等。這類整定方法要求過程的數(shù)學(xué)模型。其計(jì)算繁瑣，工作量很大，而且最終得到的數(shù)據(jù)一般精度又不高，所以目前在工程上較少承受。工程整定方法：如動(dòng)態(tài)特性參數(shù)法、臨界比例度法、衰減曲線法、現(xiàn)場實(shí)驗(yàn)整定法等。它直接在過程掌握系統(tǒng)中進(jìn)展。其方法簡潔，計(jì)算簡便，而且簡潔把握，所得參數(shù)雖然不肯定為最正確，但是有用，能解決一般性問題，所以在工程上得到了廣泛應(yīng)用。計(jì)算機(jī)仿真尋優(yōu)整定法：承受最優(yōu)積分準(zhǔn)則。來求調(diào)整器的整定參數(shù)的最優(yōu)值的方法。<介紹根軌跡法〕根軌跡作圖整定方法原理：應(yīng)用根軌跡作圖方法的原則來選擇調(diào)整器的PID參數(shù)，使系統(tǒng)特征方程中對瞬態(tài)響應(yīng)起主導(dǎo)作用的根滿足某一指定要求，從而使系統(tǒng)的瞬態(tài)響應(yīng)到達(dá)指定的性能指標(biāo)。單回路反響掌握系統(tǒng)根軌跡的根本方程式：。據(jù)此即可定出主導(dǎo)復(fù)根在根平面上的位置(。據(jù)此即可定出主導(dǎo)復(fù)根在根平面上的位置(與在同一條m幅角條件：，<N＝0，1，…〕根軌跡上各點(diǎn)(即系統(tǒng)特征方程式的根>應(yīng)滿足以下條件：幅角條件：，<N＝0，1，…〕模值條件：系統(tǒng)整定時(shí)，W(s>為，調(diào)整器W(s>的形式已定，但比例度δ，積分時(shí)間模值條件：0T、微分時(shí)間TI d利用根軌跡作圖方法可以定出開環(huán)增益和一個(gè)或兩個(gè)可變開環(huán)零點(diǎn)、極點(diǎn)的適當(dāng)位置，使系統(tǒng)特征方程的主導(dǎo)復(fù)根位于根平面確定的折線上，從而求出調(diào)整器的整定參數(shù)值和主導(dǎo)復(fù)根。比例調(diào)整器傳遞函數(shù)：<只有一個(gè)待定參數(shù)比例調(diào)整器傳遞函數(shù)：<只有一個(gè)待定參數(shù) 比例度δ〕滿足指定衰減率ψ的主導(dǎo)復(fù)根的位置是唯一的，只要找出根軌跡與指定折線的交點(diǎn)，然后用模值條件即可求出比例調(diào)整器的整定參數(shù)值δ。5-1]比例微分調(diào)整器傳遞函數(shù)：<有兩個(gè)待定比例微分調(diào)整器傳遞函數(shù)：<有兩個(gè)待定參數(shù) 比例度δ，微分時(shí)間T〕d在求調(diào)整器的整定參數(shù)時(shí)，首先要確定此可變零點(diǎn)的位置，從而求出微分時(shí)間T值。然后再依據(jù)模值條件求出比例皮度δ。但是必需留意一點(diǎn)轉(zhuǎn)變T值不僅改d變了系統(tǒng)開環(huán)零點(diǎn)的位置，而且也轉(zhuǎn)變了系統(tǒng)的開環(huán)增益。5-2]比例積分調(diào)整器傳遞函數(shù)：<有兩個(gè)待定比例積分調(diào)整器傳遞函數(shù)：<有兩個(gè)待定參數(shù) 比例度δ，積分時(shí)間TI〕求取積分時(shí)間TI、比例度δ的步驟：。同樣的系統(tǒng)改用比例積分調(diào)整器后，經(jīng)整定后的主導(dǎo)振蕩成分頻率低于。通常m=0.221<即衰減率。同樣的系統(tǒng)改用比例積分調(diào)整器后，經(jīng)整定后的主導(dǎo)振蕩成分頻率低于。通常m=0.221<即衰減率ψ＝0.75〕時(shí)，由和幅值條件定出(，j0>零點(diǎn)，求出積分時(shí)間值。依據(jù)模值條件求出比例度δ由和幅值條件定出(，j0>零點(diǎn)，求出積分時(shí)間值。比例積分微分調(diào)整器時(shí)的根軌跡作圖整定方法：令，則有：比例積分微分調(diào)整器傳遞函數(shù)：令，則有：比例度δ，微分時(shí)間T，積分時(shí)間T〕d I用調(diào)整器W(s>中的一個(gè)零點(diǎn)(用調(diào)整器W(s>中的一個(gè)零點(diǎn)(，j0>去抵消W(s>中的一個(gè)極點(diǎn)；0把減小一個(gè)極點(diǎn)后的W(s>作為被控過程，依據(jù)整定比例積分調(diào)整器的方法，選擇調(diào)整器W(s>的另一個(gè)零點(diǎn)(法，選擇調(diào)整器W(s>的另一個(gè)零點(diǎn)(，j0>，并求出調(diào)整器W(s>的比例度δ；依據(jù)上述步驟求得的δ、TT值，按式計(jì)算調(diào)整器的整定參數(shù)δ*、I dT*、T*值。I d5-4]工程整定方法動(dòng)態(tài)特性參數(shù)法動(dòng)態(tài)特性參數(shù)法 依據(jù)系統(tǒng)開環(huán)廣義過程階躍響應(yīng)特性進(jìn)展近似計(jì)算的方法。原理：在調(diào)整閥W(s>的輸入端加一階躍信號，記錄測量變送器W(s>的輸出響應(yīng)曲線，依據(jù)該曲線求出代表廣義過程的動(dòng)態(tài)特性參數(shù)(T線，依據(jù)該曲線求出代表廣義過程的動(dòng)態(tài)特性參數(shù)(T0程的時(shí)間常數(shù)，一一過程響應(yīng)速度>，然后依據(jù)這些參數(shù)的數(shù)值，分別應(yīng)用閱歷公式計(jì)算出調(diào)整器的整定參數(shù)值。5-5]邊界穩(wěn)定條件下的試驗(yàn)整定方法<臨界比例度法〕特點(diǎn)：直接在閉合的掌握系統(tǒng)中進(jìn)展整定，而不需要進(jìn)展過程動(dòng)態(tài)特性的試驗(yàn)。整定步驟：把調(diào)整器的積分時(shí)間T置于最大(T＝∞>，微分時(shí)間T置零(T＝0>，比I I d d漸漸減小，得到臨界振蕩過程，登記臨界比例度和臨界振蕩周期例度δδ漸漸減小，得到臨界振蕩過程，登記臨界比例度和臨界振蕩周期依據(jù)和依據(jù)和值，運(yùn)用閱歷公式計(jì)算出調(diào)整器各個(gè)參數(shù)δ、TT值。I d依據(jù)上述計(jì)算結(jié)果設(shè)置調(diào)整器的參數(shù)值。觀看系統(tǒng)的響應(yīng)過程，假設(shè)記錄曲線不合要求，再適當(dāng)調(diào)整整定參數(shù)值。阻尼振蕩法<衰減曲線法〕整定步驟：<4：1衰減曲線法〕把調(diào)整器的積分時(shí)間T置于最大(T＝∞>，微分時(shí)間T置零(T＝0>，比I I d d和 值。如以下圖：例度δ置較大數(shù)值