第5講自動化儀表及過程控制第五章單回路控制系統(tǒng)設(shè)計

1、第五章 單回路控制系統(tǒng)設(shè)計n 本章提要1. 過程控制系統(tǒng)設(shè)計概述2. 單回路控制系統(tǒng)方案設(shè)計3. 單回路控制系統(tǒng)整定4. 單回路控制系統(tǒng)投運(yùn)5. 單回路控制系統(tǒng)設(shè)計原則應(yīng)用舉例n 授課內(nèi)容第一節(jié) 過程控制系統(tǒng)設(shè)計概述² 單回路反饋控制系統(tǒng)-又稱簡單控制系統(tǒng)，是指由一個被控過程、一個檢測變送器、一個控制器和一個執(zhí)行器所組成的對一個被控變量進(jìn)行控制的單回路反饋閉環(huán)控制系統(tǒng)。Ø 單回路反饋控制系統(tǒng)組成方框圖： Ø 簡單控制系統(tǒng)是實(shí)現(xiàn)生產(chǎn)過程自動化的基本單元、其結(jié)構(gòu)簡單、投資少、易于調(diào)整和投運(yùn)，能滿足一般工業(yè)生產(chǎn)過程的控制要求、因此在工業(yè)生產(chǎn)小應(yīng)用十分廣泛，尤其適用于被控

2、過程的純滯后和慣性小、負(fù)荷和擾動變化比較平緩，或者控制質(zhì)量要求不太高的場合。Ø 過程控制系統(tǒng)設(shè)計和應(yīng)用的兩個重要內(nèi)容：控制方案的設(shè)計、調(diào)節(jié)器整定參數(shù)值的確定。Ø 過程控制系統(tǒng)設(shè)計的一般要求：l 過程控制系統(tǒng)是穩(wěn)定的，且具有適當(dāng)?shù)姆€(wěn)定裕度。l 系統(tǒng)應(yīng)是一個衰減振蕩過程，但過渡過程時間要短，余差要小。Ø 過程控制系統(tǒng)設(shè)計的基本方法：設(shè)計方法很多，主要有對數(shù)頻率特性設(shè)計法、根軌跡設(shè)計法、系統(tǒng)參數(shù)優(yōu)化的計算機(jī)輔助設(shè)計等。Ø 過程控制系統(tǒng)統(tǒng)設(shè)計步驟：l 建立被控過程的數(shù)學(xué)模型l 選擇控制方案l 建立系統(tǒng)方框圖l 進(jìn)行系統(tǒng)靜態(tài)、動態(tài)特性分析計算l 實(shí)驗和仿真

3、6; 過程控制系統(tǒng)設(shè)計的主要內(nèi)容：l 控制方案的設(shè)計：核心，包括合理選擇被控參數(shù)和控制參數(shù)、信息的獲取和變送、調(diào)節(jié)閥的選擇、調(diào)節(jié)器控制規(guī)律及正、反作用方式的確定等。l 工程設(shè)計：包括儀表選型、控制室和儀表盤設(shè)計、儀表供電供氣系統(tǒng)設(shè)計、信號及聯(lián)鎖保護(hù)系統(tǒng)設(shè)計等。l 工程安裝和儀表調(diào)校l 調(diào)節(jié)器參數(shù)工程整定：保證系統(tǒng)運(yùn)行在最佳狀態(tài)。第二節(jié) 單回路控制系統(tǒng)方案設(shè)計1. 被控參數(shù)的選擇Ø 選取被控參數(shù)的一般原則為：l 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)具有決定性作用的，可直接測量的工藝參數(shù)為被控參數(shù)。l 當(dāng)不能用直接參數(shù)作為被控參數(shù)時，應(yīng)該選擇一個與直接參數(shù)有單值函數(shù)關(guān)系的

4、間接參數(shù)作為被控參數(shù)。l 被控參數(shù)必須具有足夠大的靈敏度。l 被控參數(shù)的選擇必須考慮工藝過程的合理性和所用儀表的性能。2. 控制參數(shù)的選擇Ø 需要正確選擇控制參數(shù)、調(diào)節(jié)器調(diào)節(jié)規(guī)律和調(diào)節(jié)閥的特性。Ø 當(dāng)工藝上允許有幾種控制參數(shù)可供選擇時，可根據(jù)被控過程擾動通道和控制通道特性，對控制質(zhì)量的影響作出合理的選擇。所隊正確選擇控制參數(shù)就是正確選擇控制通道的問題。² 擾動作用-由擾動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² 控制作用-由控制通道對過程的被控參數(shù)起主導(dǎo)影響，抵消擾動影響，以使被控參數(shù)盡力維持在給定值。Ø 在生產(chǎn)過程有幾個控制參

5、數(shù)可供選擇時，一般希望控制通道克服擾動的校正能力要強(qiáng)，動態(tài)響應(yīng)要比擾動通道快。Ø 可由過程靜態(tài)特性的分析（擾動通道靜態(tài)放大倍數(shù)Kf、控制通道靜態(tài)放大倍數(shù)Ko）、過程擾動通道動態(tài)特性的分析（時間常數(shù)Tf、時延f、擾動作用點(diǎn)位置）、過程控制通道動態(tài)特性的分析（時間常數(shù)To、時延（包括純時延0、容量時延c）、時間常數(shù)匹配）確定各參數(shù)選擇原則。Ø 根據(jù)過程特性選擇控制參數(shù)的一般原則：l 控制通道參數(shù)選擇：選擇過程控制通道的放大系數(shù)Ko要適當(dāng)大一些，時間常數(shù)To要適當(dāng)小一些。純時延0愈小愈好，在有純時延0的情況下，0與To之比應(yīng)小些（小于1），若其比值過大，則不利于控制。l 擾動通道

6、參數(shù)選擇：選擇過程擾動通道的放大系數(shù)Kf應(yīng)盡可能小。時間常數(shù)Tf要大。擾動引入系統(tǒng)的位置要遠(yuǎn)離控制過程（即靠近調(diào)節(jié)閥）。容量時延c愈大則有利于控制。l 時間常數(shù)匹配：廣義過程(包括調(diào)節(jié)閥和測量變送器)由幾個一階環(huán)節(jié)組成，在選擇控制參數(shù)時，應(yīng)盡量設(shè)法把幾個時間常數(shù)錯開，使其中一個時間常數(shù)比其他時間常數(shù)大得多，同時注意減小第二、第三個時間常數(shù)。l 注意工藝操作的合理性、經(jīng)濟(jì)性。3. 系統(tǒng)設(shè)計中的測量變送問題Ø 被控參數(shù)的測量和變送必須迅速正確地反映其實(shí)際變化情況，為系統(tǒng)設(shè)計提供準(zhǔn)確的控制依據(jù)。Ø 測量和變送環(huán)節(jié)的描述：Ø 參數(shù)選擇原則：減小Tm和m均對提高系統(tǒng)的控制質(zhì)

7、量有利。若Tm較大，則會使記錄曲線與實(shí)際參數(shù)之間產(chǎn)生較大的動態(tài)誤差。從減小測量變送環(huán)節(jié)誤差角度考慮，應(yīng)減少儀表的量程，即增大Km。Ø 系統(tǒng)設(shè)計測量和變送中涉及的問題：l 信號濾波l 信號處理l 純時延問題l 測量時延問題l 信號傳送時延問題：信號傳遞時延將降低控制質(zhì)量。對比可采取以下改善措施：i. 若測量信號為電信號，可將轉(zhuǎn)換器安裝在儀表盤附近，以縮短氣壓信號的傳送距離ii. 若調(diào)節(jié)器輸出為氣壓信號，可在5060 m距離間，裝一繼動器，提高氣壓信號的傳輸功率，以減小傳遞時間。iii. 若調(diào)節(jié)器輸出為電信號，應(yīng)將轉(zhuǎn)換器安裝在調(diào)節(jié)閥附近，或采用電氣閥門定位器。4. 調(diào)節(jié)閥（執(zhí)行器）的選擇

8、Ø 調(diào)節(jié)閥類型的選擇：氣動執(zhí)行器和電動執(zhí)行器Ø 調(diào)節(jié)閥口徑（Dg、dg）大小的選擇：主要依據(jù)是閥的流通能力。正常工況下要求調(diào)節(jié)閥開度處于1585之間。Ø 調(diào)節(jié)閥氣開、氣關(guān)形式的選擇：主要以安全方面考慮。Ø 調(diào)節(jié)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)節(jié)器(若比例作用時)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)節(jié)閥的流量特性來補(bǔ)償被控過程特性的非線性，從而達(dá)到系統(tǒng)總放大倍數(shù)不變的目的。5. 調(diào)節(jié)器控制規(guī)律的選擇Ø 目的：為了使調(diào)節(jié)器的特性與控制過程的特性能很好配合，使所設(shè)計

9、的系統(tǒng)能滿足生產(chǎn)工藝對控制質(zhì)量指標(biāo)的要求。Ø 調(diào)節(jié)器PID控制規(guī)律對控制質(zhì)量的影響：l 當(dāng)廣義過程的時間常數(shù)較大，純時延較小時(即0To很小)，引入微分作用其效果良好。此時各類調(diào)節(jié)器控制規(guī)律對控制質(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。l 當(dāng)過程控制通道時間常數(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，對控制質(zhì)量的影響不利。l 當(dāng)過程控制通道時延很大，負(fù)荷變化也很大時，單回路控制系統(tǒng)已不能滿足工藝要求，需采用其他控制方案。Ø 調(diào)節(jié)器控制規(guī)律的選擇原則：根據(jù)比值選擇控制規(guī)律：l 時，

10、選用比例或比例積分控制規(guī)律；l 時，選用比例積分或比例積分微分控制規(guī)律；l 時，單回路反饋控制系統(tǒng)已不能滿足控制要求，應(yīng)根據(jù)具體情況，采用其他控制方式。根據(jù)過程特性選擇控制規(guī)律：l 比例控制規(guī)律：適用于控制通道滯后較小，時間常數(shù)不太大，擾動幅度較小，負(fù)荷變化不大，控制質(zhì)量要求不高，允許有余差的場合。如貯罐液位、塔釜液位的控制和不太重要的蒸汽壓力的控制等。l 比例積分控制規(guī)律：引入積分作用能消除余差。適用于控制通道滯后小，負(fù)荷變化不太大，工藝上不允許有余差的場合，如流量或壓力的控制。l 比例微分控制規(guī)律：引入了微分，會有超前控制作用，能使系統(tǒng)的穩(wěn)定性增加，最大偏差和余差減小，加快了控制過程，改善

11、了控制質(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作用頻繁的系統(tǒng)，應(yīng)盡可能避免使用微分作用。l 比例積分微分控制規(guī)律：可以使系統(tǒng)獲得較高的控制質(zhì)量，它適用于容量滯后大、負(fù)荷變化大、控制質(zhì)量要求較高的場合，如反應(yīng)器、聚合釜的溫度控制。6. 調(diào)節(jié)器正、反作用的確定² 正作用-指調(diào)節(jié)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)節(jié)器的輸出隨著測量值增大而增大。² 反作用-指調(diào)節(jié)器的輸出隨著正偏差的增加而減小，即調(diào)節(jié)器的輸出隨著測量值增大而減少。 Ø 調(diào)節(jié)器作用方向確定的原則：應(yīng)根據(jù)被控過程的特性及調(diào)節(jié)閥的氣開、氣關(guān)形式來正確選擇，以使自動控制系統(tǒng)成

12、為一個負(fù)反饋的閉環(huán)系統(tǒng)，即如果被控變量偏高，則控制作用應(yīng)使之降低；相反，如果被控變量偏低，則控制作用應(yīng)使之升高。控制作用對被控變量的影響應(yīng)與擾動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。Ø 控制系統(tǒng)各環(huán)節(jié)的極性的規(guī)定：l 正作用調(diào)節(jié)器：即當(dāng)系統(tǒng)的測量值增加時，調(diào)節(jié)器的輸出亦增加，其靜態(tài)放大系數(shù)Kc取負(fù)；l 反作用調(diào)節(jié)器：即當(dāng)系統(tǒng)的測量值增加時，調(diào)節(jié)器的輸出減小，其靜態(tài)放大系數(shù)Kc取正；l 氣開式調(diào)節(jié)閥：其靜態(tài)放大系數(shù)Kv取正；l 氣關(guān)式調(diào)節(jié)閥：其靜態(tài)放大系數(shù)Kv取負(fù)；l 正作用被控過程：其靜態(tài)放大系數(shù)K0取正；l 反作用被控過程：其靜態(tài)放大系數(shù)K0取負(fù)。過程控制系統(tǒng)要能正常

13、工作，則該系統(tǒng)的各個環(huán)節(jié)的極性(可用其靜態(tài)放大系數(shù)表示)相乘必須為正。變送器的靜態(tài)放大系數(shù)Km通常為正極性，故只需調(diào)節(jié)器Kc、調(diào)節(jié)閥Kv和過程的K0極性相乘起來必須為正即可。Ø 確定調(diào)節(jié)器正、反作用的次序過程：l 首先根據(jù)生產(chǎn)工藝安全等原則確定調(diào)節(jié)閥的氣開氣關(guān)形式；l 然后按被控過程特性，確定其正、反作用；l 最后根據(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)極性相乘必須為正的原則來確定調(diào)節(jié)器的正、反作用方式。第三節(jié) 單回路控制系統(tǒng)整定1. 有關(guān)單回路控制系統(tǒng)整定的概述² 系統(tǒng)整定-指選擇調(diào)節(jié)器的比例度、積分時間TI和微分時間Td的具體數(shù)值。系統(tǒng)整定的實(shí)質(zhì)，就是通過改

14、變控制參數(shù)使調(diào)節(jié)器特性和被控過程特性配合好，來改善系統(tǒng)的動態(tài)和靜態(tài)特性，求得最佳的控制效果。Ø 系統(tǒng)的良好控制效果一般要求：瞬時響應(yīng)的衰減率（以保證系統(tǒng)具有一定的穩(wěn)定性儲備），盡量減小穩(wěn)態(tài)偏差(余差)、最大偏差和過渡過程時間。Ø 注意：只有系統(tǒng)設(shè)計正確，儀表經(jīng)過調(diào)校和正確安裝之后，調(diào)節(jié)器參數(shù)的整定才是有意義的。Ø 調(diào)節(jié)器參數(shù)的整定方法：（可分為兩大類）l 理論計算整定法：如根軌跡法、頻率特性法等。這類整定方法要求已知過程的數(shù)學(xué)模型。其計算繁瑣，工作量很大，而且最后得到的數(shù)據(jù)一般精度又不高，所以目前在工程上較少采用。l 工程整定方法：如動態(tài)特性參數(shù)法、臨界比例度法、

15、衰減曲線法、現(xiàn)場實(shí)驗整定法等。它直接在過程控制系統(tǒng)中進(jìn)行。其方法簡單，計算簡便，而且容易掌握，所得參數(shù)雖然不一定為最佳，但是實(shí)用，能解決一般性問題，所以在工程上得到了廣泛應(yīng)用。l 計算機(jī)仿真尋優(yōu)整定法：采用最優(yōu)積分準(zhǔn)則。來求調(diào)節(jié)器的整定參數(shù)的最優(yōu)值的方法。2. 理論計算整定法（介紹根軌跡法）Ø 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)節(jié)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)達(dá)到指定的性能指標(biāo)。Ø 單回路反饋控制系統(tǒng)根軌跡的基本方程式：Ø 根軌跡上各點(diǎn)(即系統(tǒng)特征方程式的根)應(yīng)滿足下列條件：l

16、幅角條件：，（N0，1，）l 模值條件：Ø 系統(tǒng)整定時，W0(s)為已知，調(diào)節(jié)器W(s)的形式已定，但比例度，積分時間 TI、微分時間Td待定。Ø 利用根軌跡作圖方法可以定出開環(huán)增益和一個或兩個可變開環(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)節(jié)器的整定參數(shù)值和主導(dǎo)復(fù)根。Ø 比例調(diào)節(jié)器時的根軌跡作圖整定方法：比例調(diào)節(jié)器傳遞函數(shù)： （只有一個待定參數(shù)-比例度）滿足指定衰減率的主導(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)節(jié)器的整定參數(shù)值。舉例：例5-1Ø 比例微分調(diào)節(jié)器時的根軌跡作

17、圖整定方法：比例微分調(diào)節(jié)器傳遞函數(shù)： （有兩個待定參數(shù)-比例度，微分時間Td）在求調(diào)節(jié)器的整定參數(shù)時，首先要確定此可變零點(diǎn)的位置，從而求出微分時間Td值。然后再根據(jù)模值條件求出比例皮度。但是必須注意一點(diǎn)改變Td值不僅改變了系統(tǒng)開環(huán)零點(diǎn)的位置，而且也改變了系統(tǒng)的開環(huán)增益。舉例：例5-2Ø 比例積分調(diào)節(jié)器時的根軌跡作圖整定方法：比例積分調(diào)節(jié)器傳遞函數(shù)： （有兩個待定參數(shù)-比例度，積分時間TI）求取積分時間TI、比例度的步驟：l 在根平面上求出TI時比例調(diào)節(jié)器所構(gòu)成的系統(tǒng)特征方程的主導(dǎo)復(fù)根。l 同樣的系統(tǒng)改用比例積分調(diào)節(jié)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0.

18、75）時，。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值的斜線上)。l 由和幅值條件定出(，j0)零點(diǎn)，求出積分時間值。l 根據(jù)模值條件求出比例度值。 舉例：例5-3Ø 比例積分微分調(diào)節(jié)器時的根軌跡作圖整定方法：比例積分微分調(diào)節(jié)器傳遞函數(shù)：令，則有： （有三個待定參數(shù)-比例度，微分時間Td，積分時間TI）求取步驟：l 用調(diào)節(jié)器W(s)中的一個零點(diǎn)(，j0)去抵消W0(s)中的一個極點(diǎn)；l 把減小一個極點(diǎn)后的W0(s)作為被控過程，根據(jù)整定比例積分調(diào)節(jié)器的方法，選擇調(diào)節(jié)器W(s)的另一個零點(diǎn)(，j0)，并求出調(diào)節(jié)器W(s)的比例度；l 根據(jù)上述步驟求得的、TI、Td值，按式計算

19、調(diào)節(jié)器的整定參數(shù)*、TI*、Td*值。 舉例：例5-43. 工程整定方法Ø 動態(tài)特性參數(shù)法² 動態(tài)特性參數(shù)法-根據(jù)系統(tǒng)開環(huán)廣義過程階躍響應(yīng)特性進(jìn)行近似計算的方法。原理：在調(diào)節(jié)閥WV(s)的輸入端加一階躍信號，記錄測量變送器Wm(s)的輸出響應(yīng)曲線，根據(jù)該曲線求出代表廣義過程的動態(tài)特性參數(shù)(過程的時延，T0一過程的時間常數(shù)，一一過程響應(yīng)速度)，然后根據(jù)這些參數(shù)的數(shù)值，分別應(yīng)用經(jīng)驗公式計算出調(diào)節(jié)器的整定參數(shù)值。舉例：例5-5Ø 邊界穩(wěn)定條件下的試驗整定方法（臨界比例度法）特點(diǎn)：直接在閉合的控制系統(tǒng)中進(jìn)行整定，而不需要進(jìn)行過程動態(tài)特性的試驗。整定步驟：l 把調(diào)節(jié)器的積分

20、時間TI置于最大(TI)，微分時間Td置零(Td0)，比例度置較大數(shù)值，把系統(tǒng)投入閉環(huán)運(yùn)行，然后將調(diào)節(jié)器比例度由大逐漸減小，得到臨界振蕩過程，記下臨界比例度和臨界振蕩周期值。l 根據(jù)和值，運(yùn)用經(jīng)驗公式計算出調(diào)節(jié)器各個參數(shù)、TI、Td值。l 根據(jù)上述計算結(jié)果設(shè)置調(diào)節(jié)器的參數(shù)值。觀察系統(tǒng)的響應(yīng)過程，若記錄曲線不合要求，再適當(dāng)調(diào)整整定參數(shù)值。Ø 阻尼振蕩法（衰減曲線法）整定步驟：（4：1衰減曲線法）l 把調(diào)節(jié)器的積分時間TI置于最大(TI)，微分時間Td置零(Td0)，比例度置較大數(shù)值，把系統(tǒng)投入閉環(huán)運(yùn)行，重復(fù)做擾動實(shí)驗，然后將調(diào)節(jié)器比例度由大逐漸減小，直至記錄曲線出現(xiàn)4：1的衰減為止，記下和值。如下圖：l 根據(jù)和值，運(yùn)用經(jīng)驗