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過程控制工程第一章單回路控制系統(tǒng)第1頁,共81頁,2023年,2月20日,星期四1.1單回路系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)組成●
單回路反饋控制系統(tǒng)
四個(gè)基本環(huán)節(jié):被控對象、測量變送、控制器和控制閥反饋控制中的最基本系統(tǒng)特點(diǎn):簡單、有效、應(yīng)用最成熟、最普遍---占70%以上第2頁,共81頁,2023年,2月20日,星期四例2:水槽液位控制系統(tǒng)1.1單回路系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)組成F1增加→L增加→變送器輸出信號(hào)增加→偏差(測量值-設(shè)定值)為正、增加→控制器輸出減小→閥開度增加→F2增加→L降低;工作過程:F1F2LCF1F2A.C
第3頁,共81頁,2023年,2月20日,星期四1.1單回路系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)組成控制器控制閥被控對象測量變送偏差給定測量液位●給定量位于系統(tǒng)的輸入端,稱為系統(tǒng)輸入量。也稱為參考輸入量(信號(hào))。●被控制量位于系統(tǒng)的輸出端,稱為系統(tǒng)輸出量?!?/p>
輸出量(全部或一部分)通過測量裝置返回系統(tǒng)的輸入端,使之與輸入量進(jìn)行比較,產(chǎn)生偏差(給定信號(hào)與返回的輸出信號(hào)之差)信號(hào)。輸出量的返回過程稱為反饋。返回的全部或部分輸出信號(hào)稱為反饋信號(hào)。第4頁,共81頁,2023年,2月20日,星期四1.1單回路系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)組成●控制系統(tǒng)的原理和作用(定值)●維持被控參數(shù)保持在設(shè)定值上,偏差越小越好●偏差控制:糾正偏差過程工業(yè)中,此類系統(tǒng)占大多數(shù)●按被控參數(shù)分類:溫度控制回路、壓力控制回路、流量控制回路、物位(液位)控制回路第5頁,共81頁,2023年,2月20日,星期四單回路反饋控制系統(tǒng)1.1單回路系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)組成1.2被控變量的選擇1.3對象特性對控制質(zhì)量的影響及操縱變量的選擇1.4控制閥的選擇1.5測量、傳送滯后對控制質(zhì)量的影響及其克服辦法1.6控制器參數(shù)對系統(tǒng)控制質(zhì)量的影響及控制規(guī)律的選擇1.7系統(tǒng)的關(guān)聯(lián)及其消除方法1.8單回路系統(tǒng)的投運(yùn)和整定 實(shí)驗(yàn):單回路控制系統(tǒng)連接、投運(yùn)和整定、質(zhì)量研究第1章第6頁,共81頁,2023年,2月20日,星期四●控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)目標(biāo)
1.2被控變量的選擇即,要控制什么基于工藝要求,選擇的結(jié)果直接影響生產(chǎn)(產(chǎn)品產(chǎn)量、質(zhì)量、生產(chǎn)安全)第7頁,共81頁,2023年,2月20日,星期四●分類1.2被控變量的選擇直接控制
最基本的熱工參數(shù),一般是可以直接進(jìn)行測量和控制的參數(shù)溫度、壓力、液位、流量間接控制
質(zhì)量指標(biāo),以及一些特殊的參數(shù)成份、物性參數(shù)等,在一般條件下,無法直接測量和控制應(yīng)根據(jù)工藝參數(shù)的關(guān)系,用可測的參數(shù),間接進(jìn)行控制第8頁,共81頁,2023年,2月20日,星期四1.2被控變量的選擇例1:苯、甲苯二元精餾系統(tǒng)
質(zhì)量指標(biāo)是最重要的控制參數(shù)如塔頂產(chǎn)品的純度xD
但xD
目前無法直接測量,因此,只能用間接控制參數(shù)進(jìn)行控制。根據(jù)精餾原理,xD=f(TD,p),即與溫度和壓力成非線性函數(shù)關(guān)系。理論上,固定一項(xiàng),就可用另一項(xiàng)控制xD
。一般的,實(shí)際中都采用恒定p,通過控制塔頂溫度來控制塔頂成分。
第9頁,共81頁,2023年,2月20日,星期四1.2被控變量的選擇選擇原則:(1)
測量滯后P
(2)
工藝合理性T工藝合理性:①規(guī)定塔壓穩(wěn)定,保證分離度,保證效率②各塊塔板壓力恒定,XD與T有對應(yīng)關(guān)系∴選擇XD=F(T)050100%苯、甲苯百分含量(%)050100%TP一定T一定P第10頁,共81頁,2023年,2月20日,星期四1.2被控變量的選擇●選擇被控變量的原則(1)盡可能選擇直接質(zhì)量指標(biāo)參數(shù);(2)必須選擇間接量指標(biāo)參數(shù)時(shí),選擇對目標(biāo)參數(shù)影響最顯著的可控參數(shù),單值對應(yīng)關(guān)系最好;(3)靈敏度好,反映產(chǎn)品質(zhì)量變化,易于控制;(4)考慮工藝的合理性、測量儀表的選擇。操縱變量的選擇:(1)一般選系統(tǒng)中可以調(diào)整的物料量或能量參數(shù),多是流量;(2)不止一個(gè),重要因素第11頁,共81頁,2023年,2月20日,星期四單回路反饋控制系統(tǒng)1.1單回路系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)組成1.2被控變量的選擇1.3對象特性對控制質(zhì)量的影響及操縱變量的選擇1.4控制閥的選擇1.5測量、傳送滯后對控制質(zhì)量的影響及其克服辦法1.6控制器參數(shù)對系統(tǒng)控制質(zhì)量的影響及控制規(guī)律的選擇1.7系統(tǒng)的關(guān)聯(lián)及其消除方法1.8單回路系統(tǒng)的投運(yùn)和整定 實(shí)驗(yàn):單回路控制系統(tǒng)連接、投運(yùn)和整定、質(zhì)量研究第1章第12頁,共81頁,2023年,2月20日,星期四1.3對象特性對控制質(zhì)量的影響及操縱變量的選擇●對象特性分析精餾塔:
影響塔頂成分的有,溫度、壓力、進(jìn)料流量、進(jìn)料成分等
對于實(shí)際過程,影響輸出的因素一般不只一個(gè),因此,實(shí)際上都是多輸入系統(tǒng)(MIMO)F1F2FnY第13頁,共81頁,2023年,2月20日,星期四1.3對象特性對控制質(zhì)量的影響及操縱變量的選擇設(shè)計(jì)單回路控制系統(tǒng):
必須從影響被控量的諸多影響參數(shù)中
選擇一個(gè),作為操縱變量
其它影響量則只能視作干擾量了控制:用操縱量克服干擾量對被控變量的影響F1(s)F2(s)U(s)Y(s)Y(s)=GPC(s)U(s)+GPD1(s)F1(s)+GPD2(s)F2(s)第14頁,共81頁,2023年,2月20日,星期四1.3對象特性對控制質(zhì)量的影響及操縱變量的選擇操縱量—輸出:控制通道干擾量—輸出:干擾通道干擾作用與控制作用相互對立而存在問題:如何選擇一個(gè)良好的操縱變量。分析通道特性通道的概念:通道就是某個(gè)參數(shù)影響另外一個(gè)參數(shù)的通路第15頁,共81頁,2023年,2月20日,星期四1.3對象特性對控制質(zhì)量的影響及操縱變量的選擇●
干擾通道特性分析Gc(s)GPC(s)GPD(s)R(s)E(s)F(s)Y(s)=GPD(s)1+Gc(s)
GPC(s)Y(s)F(s)干擾作用下的閉環(huán)傳遞函數(shù)為:第16頁,共81頁,2023年,2月20日,星期四1.3對象特性對控制質(zhì)量的影響及操縱變量的選擇(1)放大倍數(shù)Kf的影響結(jié)論:
Kf越大,系統(tǒng)的余差也越大,控制質(zhì)量越差Y()=Kf1+KCKo分析過程:Y(s)=GPD(s)1+Gc(s)GPC(s)F(s)第17頁,共81頁,2023年,2月20日,星期四1.3對象特性對控制質(zhì)量的影響及操縱變量的選擇(2)時(shí)間常數(shù)Tf的影響
結(jié)論:Tf越大,個(gè)數(shù)越多,干擾對被控變量的影響越小,系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)偏差越小,控制質(zhì)量提高干擾進(jìn)入系統(tǒng)的位置:越離被控變量近的干擾,對被控變量的影響也越大第18頁,共81頁,2023年,2月20日,星期四1.3對象特性對控制質(zhì)量的影響及操縱變量的選擇(3)純滯后τf的影響
結(jié)論:
干擾通道的純滯后對控制系統(tǒng)質(zhì)量沒有影響,只是滯后了干擾對控制的影響Y(s)=GPD(s)e-τs1+Gc(s)
GPC(s)F(s)第19頁,共81頁,2023年,2月20日,星期四1.3對象特性對控制質(zhì)量的影響及操縱變量的選擇
干擾通道特性對控制質(zhì)量的影響特性參數(shù)靜態(tài)質(zhì)量的影響動(dòng)態(tài)質(zhì)量的影響Kf增加余差增加無影響Tf增加無影響過渡過程時(shí)間減小,振蕩幅值減小f增加無影響無影響第20頁,共81頁,2023年,2月20日,星期四1.3對象特性對控制質(zhì)量的影響及操縱變量的選擇●
控制通道特性分析Gc(s)GPC(s)GPD(s)R(s)E(s)F(s)第21頁,共81頁,2023年,2月20日,星期四1.3對象特性對控制質(zhì)量的影響及操縱變量的選擇(1)放大倍數(shù)K0的影響靜態(tài):控制通道放大倍數(shù)K0大,控制系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)余差小,見式(1-7)動(dòng)態(tài):控制系統(tǒng)衰減比ξ與Kc與K0的乘積有關(guān),見式(1-18),且
KcK0越大,ξ越小,穩(wěn)定性差,因此,要保證KcK0=常數(shù)。在KcK0=常數(shù)情況下,控制系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)余差不變。從控制角度看,K0大些,說明控制通道對系統(tǒng)的影響大,易于調(diào)節(jié),因此,一般希望K0大些好第22頁,共81頁,2023年,2月20日,星期四1.3對象特性對控制質(zhì)量的影響及操縱變量的選擇(2)時(shí)間常數(shù)T0的影響從控制系統(tǒng)傳遞函數(shù)推導(dǎo)進(jìn)行分析結(jié)論:控制通道的時(shí)間常數(shù)大,經(jīng)過的容量數(shù)多,系統(tǒng)的工作頻率低,控制不及時(shí)、系統(tǒng)控制質(zhì)量差,如溫度系統(tǒng)。
一般希望控制通道時(shí)間常數(shù)小些好。但控制通道時(shí)間常數(shù)過小,將使得系統(tǒng)過于靈敏,也會(huì)使穩(wěn)定性變差,如流量系統(tǒng)
第23頁,共81頁,2023年,2月20日,星期四1.3對象特性對控制質(zhì)量的影響及操縱變量的選擇(3)純滯后τ0的影響
結(jié)論:純滯后τ0的存在,使得控制不及時(shí),增加動(dòng)態(tài)偏差,降低穩(wěn)定性。
控制通道純滯后是控制系統(tǒng)非常不利的因素,會(huì)嚴(yán)重影響控制系統(tǒng)品質(zhì),以至于使控制系統(tǒng)發(fā)散,造成嚴(yán)重后果,因此,實(shí)際工程中,必須重視。
第24頁,共81頁,2023年,2月20日,星期四1.3對象特性對控制質(zhì)量的影響及操縱變量的選擇●操縱變量的選擇
兼顧考慮工藝的合理性,工藝上不易頻繁改變的量也不宜作為操縱變量。實(shí)質(zhì)上是決定了控制通道的選擇。原則:(1)
操縱變量必須可控(2)
選擇通道放大倍數(shù)相對大的(3)選擇通道時(shí)間常數(shù)相對小的(干擾通道時(shí)間常數(shù)大些)(4)選擇通道的純滯后盡量?。?)選擇使干擾點(diǎn)遠(yuǎn)離被控變量而靠近控制閥第25頁,共81頁,2023年,2月20日,星期四1.3對象特性對控制質(zhì)量的影響及操縱變量的選擇控制通道特性對控制質(zhì)量的影響圖特性參數(shù)對靜態(tài)質(zhì)量的影響對動(dòng)態(tài)質(zhì)量的影響K0增加余差減小(穩(wěn)定前提下)系統(tǒng)趨向于振蕩T0增加無影響過渡過程時(shí)間增加,系統(tǒng)頻率變慢0增加無影響穩(wěn)定程度大大降低第26頁,共81頁,2023年,2月20日,星期四單回路反饋控制系統(tǒng)1.1單回路系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)組成1.2被控變量的選擇1.3對象特性對控制質(zhì)量的影響及操縱變量的選擇1.4控制閥的選擇1.5測量、傳送滯后對控制質(zhì)量的影響及其克服辦法1.6控制器參數(shù)對系統(tǒng)控制質(zhì)量的影響及控制規(guī)律的選擇1.7系統(tǒng)的關(guān)聯(lián)及其消除方法1.8單回路系統(tǒng)的投運(yùn)和整定 實(shí)驗(yàn):單回路控制系統(tǒng)連接、投運(yùn)和整定、質(zhì)量研究第1章第27頁,共81頁,2023年,2月20日,星期四1.4控制閥的選擇控制系統(tǒng)的執(zhí)行部件接受控制器的命令執(zhí)行控制任務(wù)。選擇內(nèi)容:口徑大小、開閉形式、流量特性、結(jié)構(gòu)形式第28頁,共81頁,2023年,2月20日,星期四口徑大小●●直接決定介質(zhì)流過的能力1.4控制閥的選擇
通過計(jì)算閥的流通能力,并且保證具有一定的余量,具有較寬的可控范圍。
口徑過大,正常流量時(shí)閥門處于小的開度,閥的特性不好;
口徑過小,正常流量時(shí)閥門處于大的開度,閥的特性也不好。第29頁,共81頁,2023年,2月20日,星期四開閉形式●●氣動(dòng)控制閥:1.4控制閥的選擇●電動(dòng)控制閥:一般均為電開式(電機(jī)帶動(dòng)閥門)氣開式—輸入氣壓信號(hào)(來自控制器)增大,閥的開度增大;氣閉式—輸入氣壓信號(hào)(來自控制器)增大,閥的開度減小;第30頁,共81頁,2023年,2月20日,星期四控制閥的氣開、閉形式的選擇原則:●1.4控制閥的選擇(1)安全角度:即當(dāng)出現(xiàn)意外事故時(shí),如氣源中斷,或電源中斷,此時(shí)輸入控制閥的氣壓信號(hào)最小,這時(shí),考慮到工藝設(shè)備的安全性,必須使閥門全閉(氣開式)或閥門全開(氣閉式)如:鍋爐燃?xì)饪刂崎y——?dú)忾_式
(2)質(zhì)量角度:出現(xiàn)以外事故,考慮產(chǎn)品質(zhì)量(3)消耗角度:原料、成品及動(dòng)力消耗(4)介質(zhì)特點(diǎn):特殊介質(zhì),考慮氣結(jié)晶、蒸發(fā)等因素
具體工藝過程,對控制閥開閉有要求的場合,要區(qū)分主次因素(安全第一),對控制閥開閉沒有要求時(shí),可以任選第31頁,共81頁,2023年,2月20日,星期四1.4控制閥的選擇流量特性●流量特性:指流體通過閥門的相對流量和閥門相對開度之間的關(guān)系
Q/Qmax=f(L/Lmax)Q/Qmax相對流量f(L/Lmax)相對開度第32頁,共81頁,2023年,2月20日,星期四1.4控制閥的選擇流量特性●
目前控制閥的特性有三種:
線性特性、對數(shù)特性(等百分比特性)、快開特性
L/LmaxF/Fmax第33頁,共81頁,2023年,2月20日,星期四
一般的,生產(chǎn)負(fù)荷變化→對象特性發(fā)生變化如,熱交換器:負(fù)荷(被加熱的流體)增大:通過熱交換器的時(shí)間縮短,純滯后減小;特性改變流速增大,傳熱效果變好控制系統(tǒng)投運(yùn)時(shí),已經(jīng)整定好了PID參數(shù),一旦對象特性發(fā)生變化時(shí),原來好的PID參數(shù)就變得不好了1.4控制閥的選擇流量特性●●什么時(shí)候選擇非線性特性?第34頁,共81頁,2023年,2月20日,星期四(1)選擇自整定調(diào)節(jié)器,代價(jià)大(2)通過控制閥的特性選擇進(jìn)行彌補(bǔ)
K∝1/K0G0如對象負(fù)荷靜態(tài)部分K0與控制閥流量F成反比,對象負(fù)荷動(dòng)態(tài)部分G0與控制閥流量F成正比,控制閥特性取線性;P15表1-1控制閥流量特性的選擇課本P15分析的例子P16表1-2控制閥流量特性經(jīng)驗(yàn)選擇1.4控制閥的選擇流量特性●解決辦法:第35頁,共81頁,2023年,2月20日,星期四1.4控制閥的選擇結(jié)構(gòu)形式●直通單座、直通雙座、角閥、高壓閥、蝶閥、隔膜閥、三通閥適用于不同工藝場合表1-4
ABC第36頁,共81頁,2023年,2月20日,星期四1.4控制閥的選擇閥門定位器●
控制閥的輔助裝置
接受控制器信號(hào),輸出控制控制閥
作用:
提高控制閥控制精度,準(zhǔn)確定位;功率放大;可改變控制閥流量特性;可實(shí)現(xiàn)分程控制
第37頁,共81頁,2023年,2月20日,星期四單回路反饋控制系統(tǒng)1.1單回路系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)組成1.2被控變量的選擇1.3對象特性對控制質(zhì)量的影響及操縱變量的選擇1.4控制閥的選擇1.5測量、傳送滯后對控制質(zhì)量的影響及其克服辦法1.6控制器參數(shù)對系統(tǒng)控制質(zhì)量的影響及控制規(guī)律的選擇1.7系統(tǒng)的關(guān)聯(lián)及其消除方法1.8單回路系統(tǒng)的投運(yùn)和整定 實(shí)驗(yàn):單回路控制系統(tǒng)連接、投運(yùn)和整定、質(zhì)量研究第1章第38頁,共81頁,2023年,2月20日,星期四1.5測量及傳送滯后的影響及消除方法測量滯后的影響●●容量滯后:
由于測量元件具有一定的時(shí)間常數(shù),一階慣性環(huán)節(jié)理論上講,只有當(dāng)過渡時(shí)間無限長時(shí),輸出才能達(dá)到穩(wěn)態(tài)(等于工藝參數(shù)值)。因此,測量變送的輸出一般小于工藝參數(shù)實(shí)際值,不利于系統(tǒng)控制測量變送裝置的容量滯后對控制系統(tǒng)不利。第39頁,共81頁,2023年,2月20日,星期四1.5測量及傳送滯后的影響及消除方法測量滯后的影響●●純滯后:
參數(shù)變化信號(hào)傳遞到測量點(diǎn)需要一定的時(shí)間
使得廣義對象中含有純滯后環(huán)節(jié),不利于控制,要盡量克服第40頁,共81頁,2023年,2月20日,星期四1.5測量及傳送滯后的影響及消除方法傳遞滯后的影響●
測量信號(hào)傳送滯后:變送器→控制室控制信號(hào)傳送滯后:控制室→控制閥
生產(chǎn)現(xiàn)場與控制室有較長的一段距離,對于氣動(dòng)信號(hào)的傳遞,就會(huì)產(chǎn)生信號(hào)的傳送滯后。一般比較小,對于電信號(hào),可以忽略。
第41頁,共81頁,2023年,2月20日,星期四1.5測量及傳送滯后的影響及消除方法克服滯后的辦法●●測量滯后:選擇快速反應(yīng)的測量元件,以減小時(shí)間常數(shù)選擇合適的測量點(diǎn),以減小純滯后使用微分單元,以克服容量滯后
微分環(huán)節(jié)起到超前作用,參考書上的推導(dǎo),在分子上多了一個(gè)零點(diǎn),對給定值的變化起到快速跟蹤作用。但是,微分環(huán)節(jié)會(huì)使得系統(tǒng)穩(wěn)定性變差,因此,要合理使用。
第42頁,共81頁,2023年,2月20日,星期四1.5測量及傳送滯后的影響及消除方法克服滯后的辦法●●傳送滯后:一般,氣動(dòng)儀表容易產(chǎn)生傳送滯后,在氣動(dòng)管線比較長時(shí),可考慮加入氣動(dòng)繼動(dòng)裝置。第43頁,共81頁,2023年,2月20日,星期四單回路反饋控制系統(tǒng)1.1單回路系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)組成1.2被控變量的選擇1.3對象特性對控制質(zhì)量的影響及操縱變量的選擇1.4控制閥的選擇1.5測量、傳送滯后對控制質(zhì)量的影響及其克服辦法1.6控制器參數(shù)對系統(tǒng)控制質(zhì)量的影響及控制規(guī)律的選擇1.7系統(tǒng)的關(guān)聯(lián)及其消除方法1.8單回路系統(tǒng)的投運(yùn)和整定 實(shí)驗(yàn):單回路控制系統(tǒng)連接、投運(yùn)和整定、質(zhì)量研究第1章教學(xué)進(jìn)程第44頁,共81頁,2023年,2月20日,星期四1.6控制器參數(shù)對系統(tǒng)控制質(zhì)量的影響及控制規(guī)律的選擇控制質(zhì)量:系統(tǒng)的穩(wěn)定性系統(tǒng)的靜態(tài)誤差系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)誤差PID
三作用控制器PID:Proportional
IntegralDerivativePID控制:對偏差信號(hào)
(t)進(jìn)行比例、積分和微分運(yùn)算變換后形成的一種控制規(guī)律。第45頁,共81頁,2023年,2月20日,星期四其中:Kpe
(t)——
比例控制項(xiàng),Kp為比例系數(shù)
——
積分控制項(xiàng),Ti為積分時(shí)間常數(shù);
——
微分控制項(xiàng),d為微分時(shí)間常數(shù);1.6控制器參數(shù)對系統(tǒng)控制質(zhì)量的影響及控制規(guī)律的選擇
PID控制器,3個(gè)可調(diào)整的參數(shù):比例度δ(P)、積分時(shí)間Ti(I)、微分時(shí)間Td(D)
PID控制的傳遞函數(shù):第46頁,共81頁,2023年,2月20日,星期四1.6控制器參數(shù)對系統(tǒng)控制質(zhì)量的影響及控制規(guī)律的選擇●PID控制是控制工程中技術(shù)成熟、理論完善、應(yīng)用最為廣泛的一種控制策略,經(jīng)過長期的工程實(shí)踐,已形成了一套完整的控制方法和典型結(jié)構(gòu)。●在很多情形下,PID控制并不一定需要全部的三項(xiàng)控制作用,而是可以方便靈活地改變控制策略,實(shí)施P、PI、PD或PID控制。顯然,比例控制部分是必不可少的?!馪ID不僅適用于數(shù)學(xué)模型已知的控制系統(tǒng),而且對大多數(shù)數(shù)學(xué)模型難以確定的工業(yè)過程也可應(yīng)用?!馪ID控制參數(shù)整定方便,結(jié)構(gòu)靈活,在眾多工業(yè)過程控制中取得了滿意的應(yīng)用效果。第47頁,共81頁,2023年,2月20日,星期四1.6.1控制器參數(shù)對系統(tǒng)靜態(tài)誤差的影響R(s)E(s)Gc(s)Go(s)F(s)F(s)Go(s)E(s)Gc(s)第48頁,共81頁,2023年,2月20日,星期四終值定理:1.6.1控制器參數(shù)對系統(tǒng)靜態(tài)誤差的影響結(jié)論:
當(dāng)控制器為純比例作用時(shí),系統(tǒng)余差與放大倍數(shù)成反比,即與比例度成正比,比例度δ越大,余差越大;當(dāng)控制器引入積分作用時(shí),可消除余差;微分作用對余差沒有影響。
第49頁,共81頁,2023年,2月20日,星期四1.6.2對系統(tǒng)動(dòng)態(tài)誤差的影響(1)比例放大倍數(shù)K的影響:
Kc0,相當(dāng)于開路
Kc
控制精度提高(余差減?。?,——矛盾
系統(tǒng)穩(wěn)定性變差,只有原系統(tǒng)穩(wěn)定裕量充分大時(shí)才采用純比例控制。0ty(t)
Kc增大比例控制器:第50頁,共81頁,2023年,2月20日,星期四(2)Ti的影響:比例作用基礎(chǔ)上疊加對偏差的積分輸出—消除余差
Ti小,積分作用強(qiáng),消除余差的能力強(qiáng),但是,系統(tǒng)振蕩加劇,衰減比變??;
Ti大,積分作用弱,消除余差的能力弱。
1.6.2對系統(tǒng)動(dòng)態(tài)誤差的影響
PI控制器:0ty(t)
Ti減小第51頁,共81頁,2023年,2月20日,星期四(3)微分時(shí)間Td
:
也是和比例作用配合,P、PI、PD、PID
微分輸出與偏差變化速度成正比,
——“超前”調(diào)節(jié)作用
Td大,微分作用大,控制系統(tǒng)靈敏,但穩(wěn)定性變差P、I、D三參數(shù)相互配合——控制器參數(shù)整定
PD控制器:
1.6.2對系統(tǒng)動(dòng)態(tài)誤差的影響第52頁,共81頁,2023年,2月20日,星期四1.6.3控制規(guī)律的選擇
(1)對控制要求不高的參數(shù),可只采用比例控制器;(2)對控制要求不高,且慣性較大的參數(shù),可采用比例-微分控制器;(3)對于精度要求高的,要加入積分規(guī)律,PI;(4)較重要,控制精度要求比較高,希望動(dòng)態(tài)偏差小,被控對象的時(shí)間滯后比較大的,PID控制規(guī)律選擇原則:工業(yè)常見控制器有:P、PI、PD、PID第53頁,共81頁,2023年,2月20日,星期四單回路反饋控制系統(tǒng)1.1單回路系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)組成1.2被控變量的選擇1.3對象特性對控制質(zhì)量的影響及操縱變量的選擇1.4控制閥的選擇1.5測量、傳送滯后對控制質(zhì)量的影響及其克服辦法1.6控制器參數(shù)對系統(tǒng)控制質(zhì)量的影響及控制規(guī)律的選擇1.7系統(tǒng)的關(guān)聯(lián)及其消除方法1.8單回路系統(tǒng)的投運(yùn)和整定 實(shí)驗(yàn):單回路控制系統(tǒng)連接、投運(yùn)和整定、質(zhì)量研究第1章第54頁,共81頁,2023年,2月20日,星期四1.7系統(tǒng)的關(guān)聯(lián)及其消除方法1.7.1系統(tǒng)的關(guān)聯(lián)及其影響
如同一條水管安裝有多個(gè)水龍頭,各個(gè)龍頭的流量相互影響所謂關(guān)聯(lián),就是系統(tǒng)之間彼此相互有影響提餾段溫度與塔底液位控制系統(tǒng)家中煤氣供量,高峰期互相影響
TCLC第55頁,共81頁,2023年,2月20日,星期四由此可見,這兩套控制系統(tǒng)存在著相互關(guān)聯(lián)。系統(tǒng)的關(guān)聯(lián)在很大程度上影響控制系統(tǒng)的性能,要非常注意1.7.1系統(tǒng)的關(guān)聯(lián)及其影響關(guān)聯(lián)蒸汽閥開大,蒸汽量增加,溫度上升,但同時(shí)由于蒸發(fā)量增大,塔釜液位會(huì)下降;同樣,液位閥開大,采出量增加,液位下降,同時(shí)由于被加熱的液體減少,溫度會(huì)增加。第56頁,共81頁,2023年,2月20日,星期四1.7.2分析系統(tǒng)關(guān)聯(lián)的方法相對增益方法Gc1(s)Gcn(s)R1(s)nnRn(s)Y1(s)Yn(s)U1(s)Un(s)ji第57頁,共81頁,2023年,2月20日,星期四1.7.2分析系統(tǒng)關(guān)聯(lián)的方法Gc1(s)Gc2(s)R1(s)R2(s)Y1(s)Y2(s)U1(s)U2(s)Gc1(s)Gc2(s)R1(s)R2(s)Y1(s)Y2(s)U1(s)U2(s)u不等于u1;u保持不變y不等于y1;y保持不變第58頁,共81頁,2023年,2月20日,星期四相對增益的計(jì)算:j–i通道第一次計(jì)算只有第j個(gè)操縱變量變化,其它各操縱變量均維持不變的增益:第二次計(jì)算其它各操縱變量都變化(處于閉環(huán)控制)的增益:于是,j–i通道的相對增益為:
相對增益定義:相互關(guān)聯(lián)程度1.7.2分析系統(tǒng)關(guān)聯(lián)的方法第59頁,共81頁,2023年,2月20日,星期四(5)λij<0,其它回路閉合時(shí),本回路將變成不穩(wěn)定(條件穩(wěn)定回路)(1)λij=1,其它回路閉合與否對本通道沒有影響,即,該通道的控制回路與其它系統(tǒng)沒有關(guān)聯(lián);(2)λij>1,其它回路閉合對本通道有影響,即,該通道的控制回路與其它系統(tǒng)有關(guān)聯(lián),這種關(guān)聯(lián)使得本回路增益變小,負(fù)關(guān)聯(lián)。(λij越大關(guān)聯(lián)越大)(3)λij<1,其它回路閉合對本通道有影響,即,該通道的控制回路與其它系統(tǒng)有關(guān)聯(lián),這種關(guān)聯(lián)使得本回路增益變大,正關(guān)聯(lián)。(λij越小關(guān)聯(lián)越大)(4)λij=0,其它回路開環(huán)時(shí),ui對yi沒有影響,j–i通道的控制回路不能構(gòu)成1.7.2分析系統(tǒng)關(guān)聯(lián)的方法第60頁,共81頁,2023年,2月20日,星期四相對增益矩陣A–布里斯托爾陣列1.7.2分析系統(tǒng)關(guān)聯(lián)的方法(6)λij→∞,只有在其它回路開環(huán)時(shí),才能用ui控制yi,即此通道的控制回路才能成立。
可見,可根據(jù)λij對1的偏離程度大小判斷關(guān)聯(lián)程度λij偏離1越大,系統(tǒng)間相互關(guān)聯(lián)越厲害●
每行(列)相對增益之和為1?!?/p>
已知各通道的開環(huán)增益K第61頁,共81頁,2023年,2月20日,星期四1.7.3削弱或消除系統(tǒng)間關(guān)聯(lián)的方法關(guān)鍵:深入仔細(xì)分析關(guān)聯(lián)的產(chǎn)生方法:通過工藝分析,找出關(guān)聯(lián),并提出解決關(guān)聯(lián)的方法若能計(jì)算相對增益(矩陣),可進(jìn)行量化分析
(1)按照變量配對,若λ均在1的附近,說明關(guān)聯(lián)不大,此時(shí),可采用控制系統(tǒng)參數(shù)整定的方法,即拉開工作頻率范圍,可以削弱關(guān)聯(lián)的影響;(2)若相對增益都離1較遠(yuǎn),說明彼此關(guān)聯(lián)較厲害,必須從控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)入手解決,如采用解耦控制方案;(3)相對增益有些離1遠(yuǎn),有些在1附近,可采用重新變量配對,再進(jìn)行處理。第62頁,共81頁,2023年,2月20日,星期四例子:離心泵輸出管線上的流量和壓力控制控制系統(tǒng)
流量和壓力控制系統(tǒng)存在關(guān)聯(lián),可采用控制器參數(shù)整定的方法,拉開各自的工作頻率。若流量控制重要,可使流量控制器敏感些(減小比例度,減小微分時(shí)間),這樣,系統(tǒng)出現(xiàn)擾動(dòng),流量系統(tǒng)快速調(diào)整,然后,壓力系統(tǒng)再緩慢控制。反之亦然。
1.7.3削弱或消除系統(tǒng)間關(guān)聯(lián)的方法PCFC第63頁,共81頁,2023年,2月20日,星期四單回路反饋控制系統(tǒng)1.1單回路系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)組成1.2被控變量的選擇1.3對象特性對控制質(zhì)量的影響及操縱變量的選擇1.4控制閥的選擇1.5測量、傳送滯后對控制質(zhì)量的影響及其克服辦法1.6控制器參數(shù)對系統(tǒng)控制質(zhì)量的影響及控制規(guī)律的選擇1.7系統(tǒng)的關(guān)聯(lián)及其消除方法1.8單回路系統(tǒng)的投運(yùn)和整定實(shí)驗(yàn):單回路控制系統(tǒng)連接、投運(yùn)和整定、質(zhì)量研究第1章教學(xué)進(jìn)程第64頁,共81頁,2023年,2月20日,星期四
原則:系統(tǒng)開環(huán)總放大倍數(shù)必須為負(fù)值(保證負(fù)反饋)1.8單回路系統(tǒng)投運(yùn)和整定控制器正反作用的確定Gc(s)Gv(s)Go(s)
Gm(s)R(s)E(s)Y(s)根據(jù):對象Go(s)、控制閥Gv(s)、測量變送器Gm(s)的正反作用,保證:總符號(hào)為負(fù),確定:控制器Gc(s)的符號(hào)。第65頁,共81頁,2023年,2月20日,星期四正:輸入信號(hào),輸出信號(hào)負(fù):輸入信號(hào),輸出信號(hào)
●
對象、控制閥、測量變送裝置●
若控制閥為氣閉式,膜頭壓力增大閥門關(guān)小●對象特性,輸出流量F2增大,液位L減小●測量變送●控制器符號(hào)應(yīng)該為負(fù),即反作用LC水槽液位控制系統(tǒng)1.8單回路系統(tǒng)投運(yùn)和整定第66頁,共81頁,2023年,2月20日,星期四一般,對于儀表控制器,都帶有正反作用開關(guān),對于計(jì)算機(jī)控制,可以通過程序設(shè)置
1.8單回路系統(tǒng)投運(yùn)和整定1.8.1控制系統(tǒng)投運(yùn)
●關(guān)鍵是自動(dòng)和手動(dòng)的切換要求,必須保證是無擾動(dòng)切換手動(dòng):通過控制器,手動(dòng)給出控制器的輸出,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)輸出無擾動(dòng)切換第67頁,共81頁,2023年,2月20日,星期四手動(dòng)時(shí),自動(dòng)輸出跟蹤手動(dòng)輸出自動(dòng)時(shí),手動(dòng)輸出跟蹤自動(dòng)輸出1.8.1控制系統(tǒng)投運(yùn)雙向平衡無擾動(dòng)切換●
電動(dòng)III型、I系列、EK系列●電動(dòng)II型
一般,儀表控制器帶有自動(dòng)/手動(dòng)切換開關(guān),計(jì)算機(jī)控制時(shí),也必須設(shè)置這樣的開關(guān)第68頁,共81頁,2023年,2月20日,星期四1.8.2控制系統(tǒng)整定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●整定的目的對象特性、控制方案、干擾的形式和大小、控制器參數(shù)整定
選擇什么樣的控制系統(tǒng)性能指標(biāo)常見的,如4:1衰減等,根據(jù)不同的實(shí)際情況,有所不同。第69頁,共81頁,2023年,2月20日,星期四●整定方法兩類:理論計(jì)算和工程整定方法1.8.2控制系統(tǒng)整定●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:已知一廣義對象傳遞函數(shù)為:采用純比列控制器,過渡過程4:1衰減,求。第70頁,共81頁,2023年,2月20日,星期四●工程整定方法理論整定方法,必須要求已知各個(gè)環(huán)節(jié)的傳遞函數(shù),對于一般的實(shí)際問題,難于滿足。另外,理論計(jì)算也比較煩瑣,工程上一般不采用。工程整定方法,直接在閉合的控制回路中對控制器參數(shù)進(jìn)行整定。經(jīng)驗(yàn)方法,簡單、方便,易于掌握,工程實(shí)際中廣泛采用。1.8.2控制系統(tǒng)整定第71頁,共81頁,2023年,2月20日,星期四(1)臨界比例度法步驟:
●系統(tǒng)閉環(huán)
●TI最大、TD最小(沒有積分、微分作用)
●比例度δ放到100%(K=1),由大往小逐漸改變,每改變一次,通過設(shè)定值的改變給控制系統(tǒng)施加階躍干擾,觀察輸出Y的變化
●若Y衰減振蕩,則繼續(xù)減小δ;若Y發(fā)散振蕩,則應(yīng)增大δ
●當(dāng)Y出現(xiàn)等幅振蕩(臨界振蕩),此時(shí)δk稱為臨界比例度,振蕩周期Tk稱為臨界周期。工程整定方法1.8.2控制系統(tǒng)整定第72頁,共81頁,2023年,2月20日,星期四
有了δk和Tk后,按經(jīng)驗(yàn)公式確定δ、Ti、TD,按此參數(shù)可使控制系統(tǒng)呈4:1衰減。若還有差距,可適當(dāng)調(diào)整δ1.8.2控制系統(tǒng)整定0tTk等幅振蕩曲線臨界周期第73頁,共81頁,2023年,2月20日,星期四
δ%Ti,minTD,minP
2δk
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