熱工控制系統(tǒng)-第四章.ppt

第四章 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(zhì)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,第一節(jié) 概述,調(diào)節(jié)器和控制對象是單回路控制系統(tǒng)的兩個主要的組成部分,單回路控制系統(tǒng)原理框圖,第一節(jié) 概述,調(diào)節(jié)器有正作用和反作用，單回路控制系統(tǒng)中調(diào)節(jié)器的正反作用方式選擇的目的是使閉環(huán)系統(tǒng)在信號關系上形成負反饋。,正作用調(diào)節(jié)器：當系統(tǒng)的測量值減給定值增加時，調(diào)節(jié)器的輸 出也增加 。,確定調(diào)節(jié)器正、反作用的次序一般為:首先根據(jù)生產(chǎn)過程安全等原則確定調(diào)節(jié)閥的形式、測量變送單元正反特性，然后確定被控對象的正反特性，最后確定調(diào)節(jié)器的正反作用。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(可用其靜態(tài)放大系數(shù)表示)相乘必須為負。,第二節(jié) 對象特性對控制質(zhì)量的影響,控制質(zhì)量是用衰減率或衰減比n、動態(tài)偏差ym（）、靜態(tài)偏差y（）或e（）、控制時間ts等 。,描述對象特性的特征參數(shù)是放大系數(shù)K 、時間常數(shù)Tc（T）、遲延時間（n） 。,第二節(jié) 對象特性對控制質(zhì)量的影響,控制器為比例控制規(guī)律其放大系數(shù)為KP,干擾通道和控制通道的放大系數(shù)為K 、K0,干擾通道和擾動通道的時間常數(shù)為T、T,一、干擾通道的特征參數(shù)對控制質(zhì)量的影響,1放大系數(shù)K對控制質(zhì)量的影響, 在單位階躍擾動下,系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)值：,干擾通道的放大系數(shù)K越大 , 在擾動作用下系統(tǒng)的動態(tài)偏差、穩(wěn)態(tài)誤差(靜態(tài)偏差)越大。,一、干擾通道的特征參數(shù)對控制質(zhì)量的影響,2時間常數(shù)T對控制質(zhì)量的影響,設K=1,且擾動通道為一階慣性環(huán)節(jié),擾動通道的時間常數(shù)越大越好,這樣可使系統(tǒng)的穩(wěn)定性裕度提高，動態(tài)偏差減小。,n增加,使閉環(huán)系統(tǒng)的動態(tài)偏差減小,一、干擾通道的特征參數(shù)對控制質(zhì)量的影響,3遲延時間對控制質(zhì)量的影響,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),擾動通道遲延時間的存在僅使被調(diào)量在時間軸上平移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(zhì)量。,一、干擾通道的特征參數(shù)對控制質(zhì)量的影響,一、干擾通道的特征參數(shù)對控制質(zhì)量的影響,4多個擾動對控制質(zhì)量的影響,擾動進入系統(tǒng)的位置離輸出(被調(diào)量)越遠,對系統(tǒng)控制質(zhì)量影響就越小。,二、控制通道的特征參數(shù)對控制質(zhì)量的影響,（一）放大系數(shù)Ko對控制質(zhì)量的影響,控制通道的放大系數(shù)KPKo 是一種互補關系，如果KP保持不變，Ko增大時控制系統(tǒng)的穩(wěn)定性裕度下降，被調(diào)量的動、靜態(tài)偏差增大，控制系統(tǒng)的過渡過程的時間將加長 。,二、控制通道的特征參數(shù)對控制質(zhì)量的影響,（二）時間常數(shù)、遲延時間對控制質(zhì)量的影響,（1）n階慣性對象對控制質(zhì)量的影響,討論時間常數(shù)T和階次n,控制通道的時間常數(shù)T如果增大,系統(tǒng)的反應速度慢,工作頻率將下降,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)，能提高控制系統(tǒng)的控制質(zhì)量。,慣性對象階次n越大對被調(diào)量的影響越慢，調(diào)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。,二、控制通道的特征參數(shù)對控制質(zhì)量的影響,（二）時間常數(shù)、遲延時間對控制質(zhì)量的影響,（1）n階慣性對象對控制質(zhì)量的影響,二、控制通道的特征參數(shù)對控制質(zhì)量的影響,（二）時間常數(shù)、遲延時間對控制質(zhì)量的影響,（2）有遲延對象對控制質(zhì)量的影響,討論時間常數(shù)Tc和遲延時間為,當控制通道有遲延時, 遲延時間對調(diào)節(jié)是不利的，控制質(zhì)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(zhì)量越差。,時間常數(shù)越大, 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)Tc增大能提高系統(tǒng)的控制質(zhì)量。,二、控制通道的特征參數(shù)對控制質(zhì)量的影響,（二）時間常數(shù)、遲延時間對控制質(zhì)量的影響,（2）有遲延對象對控制質(zhì)量的影響,第三節(jié) 單回路控制系統(tǒng)的分析,主要分析調(diào)節(jié)器參數(shù)比例帶、積分時間Ti、微分時間Td對控制過程的影響,第四節(jié) 單回路控制系統(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(jīng)確定、控制儀表與控制對象等都處在正常狀態(tài)的情況下,適當選擇調(diào)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,從而使控制系統(tǒng)的運行達到最佳狀態(tài),取得最好的控制效果 。,一、廣義頻率特性法,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:, 廣義特征方程：,m為衰減指數(shù),說明： （1）如果調(diào)節(jié)器只有一個整定參數(shù),就可求得唯一解。 （2）如果調(diào)節(jié)器有兩個或三個整定參數(shù), 能得出無窮多組解。所求出的各組調(diào)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率等于指定的數(shù)值,但振蕩頻率(和振幅)并不一樣。此時,應該用其他指標進一步從中選定最合適的調(diào)節(jié)器整定參數(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,應選擇其中頻率最低的一組解 。,一、廣義頻率特性法,一、廣義頻率特性法,(一) 單參數(shù)調(diào)節(jié)器整定,=0.75 時,m=0.221,把m值代入上式,得：,To =0.626,注：系統(tǒng)在不同衰減率時的計算結果,一、廣義頻率特性法,( 二 ) 雙參數(shù)調(diào)節(jié)器的整定,對于具有一個以上整定參數(shù)的調(diào)節(jié)器 ，只規(guī)定m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)。,1. 調(diào)節(jié)器為比例積分作用,比例積分調(diào)節(jié)器的廣義頻率特性為：,( 二 ) 雙參數(shù)調(diào)節(jié)器的整定,或者由：,可得：,( 二 ) 雙參數(shù)調(diào)節(jié)器的整定,通常選取KpKI為 最大這組參數(shù)作為最住參數(shù),2. 調(diào)節(jié)器為比例微分作用,調(diào)節(jié)器的廣義頻率特性為:,給定m值,就可在 調(diào)節(jié)參數(shù)Kd Kp平面 上畫出以為參變量 的等衰減率曲線:,2. 調(diào)節(jié)器為比例微分作用,通?？蛇x取等衰減率曲線最高點的參數(shù)作為最佳參數(shù),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,應選擇盡可能大的KP值。因此,在等衰減率曲線上以KP 數(shù)值最大的點作為調(diào)節(jié)器的整定參數(shù),( 三 ) 三參數(shù)調(diào)節(jié)器的整定,寫出比例積分微分調(diào)節(jié)器的廣義頻率特性； (2) 根據(jù)廣義頻率特性求得KI、Kp的表達式。 (3) 設定一系列Kd 值。在每一個Kd值上,計算KI、Kp 等衰減率曲線; (4) 對于每一個Kd 值,在KI、Kp等衰減率曲線上選出一組最適當?shù)腒I、Kp值; (5) 對于上述選出的各組KI、Kp 、Kd 值,分別作出控制系統(tǒng)階躍響應曲線 ,以其絕對值積分準則 最小的一組KI、Kp 、Kd 值作為調(diào)節(jié)器的整定參數(shù)。,二、工程整定法,廣義頻率特性整定調(diào)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踐總結出來的 。,二、工程整定法,1. 響應曲線法,響應曲線法是根據(jù)控制對象的飛升特性實驗曲線求取對象的動態(tài)特性參數(shù)，然后根據(jù)一些經(jīng)驗公式，就可以得到調(diào)節(jié)器的有關整定參數(shù)。,響應曲線法整定參數(shù)計算表 (=0.75),1. 響應曲線法,響應曲線法整定參數(shù)計算表 (=0.75),1. 響應