過程控制系統(tǒng)與裝置7

1、共35頁 1第七章 單回路控制系統(tǒng)主要內(nèi)容：主要內(nèi)容：?jiǎn)位芈房刂葡到y(tǒng)的設(shè)計(jì)原則；被控單回路控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)原則；被控參數(shù)選擇、測(cè)量及信號(hào)傳送問題；調(diào)節(jié)閥特性參數(shù)選擇、測(cè)量及信號(hào)傳送問題；調(diào)節(jié)閥特性選擇、調(diào)節(jié)器控制規(guī)律選擇及正、反作用方式選擇、調(diào)節(jié)器控制規(guī)律選擇及正、反作用方式確定；單回路控制系統(tǒng)的投運(yùn)及調(diào)節(jié)器參數(shù)整確定；單回路控制系統(tǒng)的投運(yùn)及調(diào)節(jié)器參數(shù)整定。定。重點(diǎn)重點(diǎn)：調(diào)節(jié)器控制規(guī)律的選擇及參數(shù)整定。：調(diào)節(jié)器控制規(guī)律的選擇及參數(shù)整定。難點(diǎn)難點(diǎn)：調(diào)節(jié)器控制規(guī)律的選擇。：調(diào)節(jié)器控制規(guī)律的選擇。教學(xué)時(shí)數(shù)教學(xué)時(shí)數(shù)：6學(xué)時(shí)，其中實(shí)驗(yàn)學(xué)時(shí)，其中實(shí)驗(yàn)2學(xué)時(shí)學(xué)時(shí)共35頁 27.1 單回路控制系統(tǒng)組成單回路控制

2、系統(tǒng)組成 單回路控制系統(tǒng)由檢測(cè)元件及變送器，控制器，執(zhí)行器，被控對(duì)象組成，也稱為簡(jiǎn)單控制系統(tǒng)。共35頁 3液位控制系統(tǒng)共35頁 4單回路控制系統(tǒng)方框圖共35頁 57.2 7.2 單回路控制系統(tǒng)方案設(shè)計(jì)單回路控制系統(tǒng)方案設(shè)計(jì)7.2.1 被控量的選擇被控量的選擇 熟悉掌握生產(chǎn)工藝，找出對(duì)產(chǎn)品質(zhì)量產(chǎn)量，安全生產(chǎn)，經(jīng)濟(jì)運(yùn)行，環(huán)境保護(hù)具有決定作用，反映工藝生產(chǎn)狀態(tài)變化的那些參數(shù)。兩種方法：選取直接參數(shù)選取直接參數(shù) 能直接反映生產(chǎn)過程產(chǎn)品產(chǎn)量和質(zhì)量、安全運(yùn)行等情況，能直接反映生產(chǎn)過程產(chǎn)品產(chǎn)量和質(zhì)量、安全運(yùn)行等情況，并能直接測(cè)量的工藝參數(shù)并能直接測(cè)量的工藝參數(shù)選取間接參數(shù)選取間接參數(shù)共35頁 6當(dāng)選擇間接參

3、數(shù)時(shí)必須注意：間接參數(shù)應(yīng)與直接參數(shù)存在單值函數(shù)關(guān)系。考慮工藝合理性必須有一定靈敏度，可以測(cè)量具有被控量間的獨(dú)立性共35頁 77.2.2 選擇操縱量選擇操縱量 熟悉生產(chǎn)工藝，分析生產(chǎn)過程中的干擾因素來源大小，以被控對(duì)象特征參數(shù)對(duì)控制質(zhì)量的影響為依據(jù)，正確選擇操縱量。放大系數(shù)放大系數(shù) 使得干擾通道放大系數(shù)小（余差和最大偏差，提高控制精度和穩(wěn)定性） 控制通道放大系數(shù)大，余差小。共35頁 8干擾通道動(dòng)態(tài)特性對(duì)控制質(zhì)量影響干擾通道動(dòng)態(tài)特性對(duì)控制質(zhì)量影響時(shí)間常數(shù)：時(shí)間常數(shù)：Td大，則控制系統(tǒng)超調(diào)量小，提高控大，則控制系統(tǒng)超調(diào)量小，提高控制質(zhì)量。制質(zhì)量。滯后時(shí)間：不影響控制系統(tǒng)質(zhì)量，僅僅使得系統(tǒng)滯后時(shí)間：不

4、影響控制系統(tǒng)質(zhì)量，僅僅使得系統(tǒng)響應(yīng)曲線延遲一個(gè)時(shí)延。響應(yīng)曲線延遲一個(gè)時(shí)延。干擾點(diǎn)位置對(duì)控制質(zhì)量的影響：盡量使得干擾信干擾點(diǎn)位置對(duì)控制質(zhì)量的影響：盡量使得干擾信號(hào)遠(yuǎn)離被控量檢測(cè)點(diǎn)，更靠近控制閥。號(hào)遠(yuǎn)離被控量檢測(cè)點(diǎn)，更靠近控制閥。干擾幅值對(duì)控制質(zhì)量影響：越小越好。干擾幅值對(duì)控制質(zhì)量影響：越小越好。周期性干擾對(duì)控制質(zhì)量影響：應(yīng)使得干擾頻率和周期性干擾對(duì)控制質(zhì)量影響：應(yīng)使得干擾頻率和系統(tǒng)工作頻率相差三倍以上。系統(tǒng)工作頻率相差三倍以上。共35頁 9控制通道動(dòng)態(tài)特性對(duì)控制質(zhì)量的影響控制通道動(dòng)態(tài)特性對(duì)控制質(zhì)量的影響時(shí)間常數(shù)：時(shí)間常數(shù)：T過大，則控制緩慢，系統(tǒng)過渡時(shí)間過大，則控制緩慢，系統(tǒng)過渡時(shí)間長(zhǎng)。長(zhǎng)。T過

5、小，則容易引起振蕩。過小，則容易引起振蕩。 T過大過大：合理選擇執(zhí)行器位置，盡量減小執(zhí)行器合理選擇執(zhí)行器位置，盡量減小執(zhí)行器到檢測(cè)點(diǎn)的容量系數(shù)到檢測(cè)點(diǎn)的容量系數(shù) 采用前饋和復(fù)雜的控制系統(tǒng)方案采用前饋和復(fù)雜的控制系統(tǒng)方案 T過小過?。哼x擇快速檢測(cè)元件、執(zhí)行器選擇快速檢測(cè)元件、執(zhí)行器 使用反微分單元降低控制通道靈敏度使用反微分單元降低控制通道靈敏度 改革工藝，增大控制通道時(shí)間常熟改革工藝，增大控制通道時(shí)間常熟共35頁 10滯后時(shí)間：純滯后時(shí)間降低系統(tǒng)穩(wěn)定性，使得滯后時(shí)間：純滯后時(shí)間降低系統(tǒng)穩(wěn)定性，使得被控量最大偏差增大，動(dòng)態(tài)指標(biāo)下降。被控量最大偏差增大，動(dòng)態(tài)指標(biāo)下降。 容量滯后對(duì)系統(tǒng)的影響較純滯后

6、小，可以用微容量滯后對(duì)系統(tǒng)的影響較純滯后小，可以用微分作用克服。分作用克服。P136 圖圖7.7共35頁 11時(shí)間常數(shù)匹配：時(shí)間常數(shù)匹配： 減小中間大小的那個(gè)時(shí)間常數(shù)，讓幾個(gè)時(shí)間常數(shù)的減小中間大小的那個(gè)時(shí)間常數(shù)，讓幾個(gè)時(shí)間常數(shù)的數(shù)值彼此分離開，可以提高系統(tǒng)工作頻率，縮短過渡過數(shù)值彼此分離開，可以提高系統(tǒng)工作頻率，縮短過渡過程時(shí)間，減小最大偏差和余差。程時(shí)間，減小最大偏差和余差。P137 圖表共35頁 12總結(jié)總結(jié)：選擇操縱量要遵循的原則：選擇操縱量要遵循的原則：操縱量具有可控性，工藝操作合理性，經(jīng)濟(jì)性。操縱量具有可控性，工藝操作合理性，經(jīng)濟(jì)性?？刂仆ǖ婪糯笙禂?shù)應(yīng)適當(dāng)大，時(shí)間常數(shù)適當(dāng)小，控制通道

7、放大系數(shù)應(yīng)適當(dāng)大，時(shí)間常數(shù)適當(dāng)小，純滯后時(shí)間越小越好。純滯后時(shí)間越小越好。干擾通道放大系數(shù)盡可能小，時(shí)間常數(shù)大，容量干擾通道放大系數(shù)盡可能小，時(shí)間常數(shù)大，容量滯后大，干擾作用點(diǎn)遠(yuǎn)離被控量監(jiān)測(cè)點(diǎn)，靠近執(zhí)滯后大，干擾作用點(diǎn)遠(yuǎn)離被控量監(jiān)測(cè)點(diǎn)，靠近執(zhí)行器，干擾頻率與工作頻率相差行器，干擾頻率與工作頻率相差3倍以上，干擾倍以上，干擾幅值設(shè)法減小。幅值設(shè)法減小。當(dāng)廣義對(duì)象有幾個(gè)時(shí)間常數(shù)時(shí)，盡量使得它們錯(cuò)當(dāng)廣義對(duì)象有幾個(gè)時(shí)間常數(shù)時(shí)，盡量使得它們錯(cuò)開。開。共35頁 13控制閥流量特性選擇控制閥流量特性選擇 選擇控制閥流量特性時(shí)，使得控制閥的特性和系統(tǒng)其它環(huán)節(jié)特性配合，使得整個(gè)系統(tǒng)具有線性特性。具體選擇方法（經(jīng)

8、驗(yàn)法）：見P138表7.2和P139表7.3。7.2.3 執(zhí)行器的選擇執(zhí)行器的選擇共35頁 14控制閥的氣開氣關(guān)作用方式選擇控制閥的氣開氣關(guān)作用方式選擇氣開：隨控制信號(hào)增加，閥門開度增大氣開：隨控制信號(hào)增加，閥門開度增大氣關(guān)：隨控制信號(hào)增加，閥門開度減小氣關(guān)：隨控制信號(hào)增加，閥門開度減小選擇原則：選擇原則：生產(chǎn)安全（第一）生產(chǎn)安全（第一）保證產(chǎn)品質(zhì)量保證產(chǎn)品質(zhì)量降低原料動(dòng)力消耗降低原料動(dòng)力消耗從介質(zhì)特點(diǎn)考慮從介質(zhì)特點(diǎn)考慮共35頁 15控制閥口徑選擇控制閥口徑選擇確定主要計(jì)算數(shù)據(jù)確定主要計(jì)算數(shù)據(jù)：正常流量Qn，正常閥壓降Pn，正常閥阻比Sn，計(jì)算最大流量Qmax。計(jì)算控制閥應(yīng)具有的流量系數(shù)Cma

9、xCmaxmC，m為流量系數(shù)放大倍數(shù)，計(jì)算。和，公式可以按照。是最大流量時(shí)的閥阻比7.137.12P140Smaxmax, maxSSSnmn共35頁 16流量系數(shù)選擇流量系數(shù)選擇 根據(jù)選定的控制閥類型，在該系列控制閥的各額定流量系數(shù)中選擇不小于并最接近Cmax的一個(gè)，作為最終選定的流量系數(shù)，即C100選定控制閥口徑選定控制閥口徑 根據(jù)C100，對(duì)應(yīng)的控制閥口徑Dq和Dq，就是最終選定的控制閥公稱通徑和閥座直徑。開度驗(yàn)算開度驗(yàn)算可調(diào)比驗(yàn)算。(公式：P140)共35頁 17 需要確定需要確定控制器類型，正反作用控制器類型，正反作用?？刂破黝愋瓦x擇控制器類型選擇 以以PID控制規(guī)律對(duì)控制質(zhì)量的影響

10、為指導(dǎo)；控制規(guī)律對(duì)控制質(zhì)量的影響為指導(dǎo)； 結(jié)合被控對(duì)象的特性，干擾，工藝對(duì)控制質(zhì)量的結(jié)合被控對(duì)象的特性，干擾，工藝對(duì)控制質(zhì)量的要求來確定。要求來確定。1）比例控制器）比例控制器 抗干擾能力強(qiáng)，過渡過程時(shí)間短，但存在余抗干擾能力強(qiáng)，過渡過程時(shí)間短，但存在余差。差。 適合控制通道滯后小，負(fù)荷變化小，允許被適合控制通道滯后小，負(fù)荷變化小，允許被控量在一定范圍內(nèi)變化的系統(tǒng)?？亓吭谝欢ǚ秶鷥?nèi)變化的系統(tǒng)。共35頁 182)比例積分控制器比例積分控制器 積分作用消除余差，降低穩(wěn)定性。積分作用消除余差，降低穩(wěn)定性。加大比例度可以提高穩(wěn)定性，但過渡過程時(shí)加大比例度可以提高穩(wěn)定性，但過渡過程時(shí)間變長(zhǎng)。間變長(zhǎng)。 適

11、合滯后較小，負(fù)荷變化不大，被控適合滯后較小，負(fù)荷變化不大，被控量不允許有余差的控制系統(tǒng)。常用。量不允許有余差的控制系統(tǒng)。常用。共35頁 193）比例積分微分控制器）比例積分微分控制器 微分作用對(duì)克服對(duì)象容量滯后有顯著微分作用對(duì)克服對(duì)象容量滯后有顯著效果，提高系統(tǒng)穩(wěn)定性。積分作用消除余效果，提高系統(tǒng)穩(wěn)定性。積分作用消除余差。差。 適用于負(fù)荷變化大，容量滯后大，控適用于負(fù)荷變化大，容量滯后大，控制質(zhì)量要求高的控制系統(tǒng)。制質(zhì)量要求高的控制系統(tǒng)。共35頁 20控制器正反作用選擇控制器正反作用選擇正負(fù)號(hào)規(guī)定：正負(fù)號(hào)規(guī)定：控制閥：氣開，氣關(guān)控制閥：氣開，氣關(guān)控制器：正作用，反作用控制器：正作用，反作用對(duì)象

12、：控制閥流量增大時(shí)被控量增大，反之為對(duì)象：控制閥流量增大時(shí)被控量增大，反之為變送器：通常為變送器：通常為控制器正反作用方式選擇：控制器正反作用方式選擇：控制器控制器控制閥控制閥對(duì)象對(duì)象變送器變送器共35頁 217.3 控制器的參數(shù)整定 參數(shù)整定參數(shù)整定：通過一定的方法和步驟，確定系統(tǒng)通過一定的方法和步驟，確定系統(tǒng)處于最佳過渡過程時(shí)，控制器的比例度，積分時(shí)處于最佳過渡過程時(shí)，控制器的比例度，積分時(shí)間和微分時(shí)間的數(shù)值。間和微分時(shí)間的數(shù)值。方法：理論計(jì)算法：根軌跡法，擴(kuò)充頻率特性法，理論計(jì)算法：根軌跡法，擴(kuò)充頻率特性法，對(duì)數(shù)頻率特性法對(duì)數(shù)頻率特性法較少使用較少使用工程整定法：經(jīng)驗(yàn)法，臨界比例度法，衰

13、工程整定法：經(jīng)驗(yàn)法，臨界比例度法，衰減曲線法，響應(yīng)特性法。減曲線法，響應(yīng)特性法。共35頁 227.3.1 控制器參數(shù)整定理論基礎(chǔ)控制器參數(shù)整定理論基礎(chǔ)根據(jù)控制理論分析：1、要保證系統(tǒng)穩(wěn)定，必須使得閉環(huán)控制系統(tǒng)特征方程的根為負(fù)實(shí)根，或者實(shí)部為負(fù)的虛根。2、要保證系統(tǒng)過渡過程有一定的穩(wěn)定裕量，必須保證閉環(huán)特征方程的根位于AOB折線的左側(cè)。3、要保證系統(tǒng)快速性，必須使得閉環(huán)特征方程的根位于CD線的左側(cè)。4、要保證系統(tǒng)的振蕩頻率不太高，必須保證閉環(huán)特征方程的根位于EF和GH之間。綜上所述，必須使得閉環(huán)控制系統(tǒng)的特征根位于圖中陰影區(qū)域?？刂破鲄?shù)整定的實(shí)質(zhì)，就是選擇合適的控制器參數(shù)，用控制器的特性去校正

14、對(duì)象的特性，使得整個(gè)閉環(huán)特征方程式的每一個(gè)根都滿足控制質(zhì)量的要求。共35頁 23在進(jìn)行參數(shù)整定時(shí)，是通過給控制系統(tǒng)加設(shè)定值擾動(dòng)進(jìn)行整定的，整定后的參數(shù)對(duì)外部干擾也適用，這是因?yàn)椋簩?duì)于不同的擾動(dòng)，閉環(huán)控制系統(tǒng)的特征方程是相同的，特征根也是相同的，故用加設(shè)定值擾動(dòng)的方式進(jìn)行參數(shù)整定，得到的控制質(zhì)量，與其它擾動(dòng)作用下系統(tǒng)的控制質(zhì)量基本一致。對(duì)于不同的干擾，閉環(huán)傳遞函數(shù)分子可能不同，導(dǎo)致最大偏差不同，故必須觀察系統(tǒng)在不同干擾作用下的響應(yīng)，看是否滿足要求，并根據(jù)情況進(jìn)行調(diào)整。共35頁 24經(jīng)驗(yàn)湊試法經(jīng)驗(yàn)湊試法 根據(jù)經(jīng)驗(yàn)，先將控制器參數(shù)設(shè)置為某根據(jù)經(jīng)驗(yàn)，先將控制器參數(shù)設(shè)置為某一數(shù)值，然后在閉環(huán)系統(tǒng)中改變?cè)O(shè)

15、定值施一數(shù)值，然后在閉環(huán)系統(tǒng)中改變?cè)O(shè)定值施加干擾信號(hào)，在記錄儀上觀察被控量的過加干擾信號(hào)，在記錄儀上觀察被控量的過渡過程曲線形狀，根據(jù)比例度，積分時(shí)間，渡過程曲線形狀，根據(jù)比例度，積分時(shí)間，微分時(shí)間對(duì)過渡過程的影響為依據(jù)，按規(guī)微分時(shí)間對(duì)過渡過程的影響為依據(jù)，按規(guī)定順序?qū)Ρ壤?，積分時(shí)間，微分時(shí)間逐定順序?qū)Ρ壤?，積分時(shí)間，微分時(shí)間逐一進(jìn)行整定。一進(jìn)行整定。P146，控制器整定參數(shù)經(jīng)驗(yàn)范圍。，控制器整定參數(shù)經(jīng)驗(yàn)范圍。7.3.2 7.3.2 控制器參數(shù)的工程整定法控制器參數(shù)的工程整定法共35頁 25共35頁 26對(duì)于比例控制器，把比例度放在較大經(jīng)驗(yàn)數(shù)據(jù)上，逐步減小比例度，直到曲線滿意。對(duì)于比例積分

16、控制器，先把積分時(shí)間設(shè)置為無窮大，按照純比例控制器的方法整定比例度達(dá)到4:1衰減比，再將比例度放大1020，再將積分時(shí)間從大到小調(diào)整，直到曲線滿意為止。共35頁 27對(duì)于比例積分微分控制器，設(shè)置微分時(shí)間為0，按照比例積分控制器的方法整定好比例度和積分時(shí)間，再將比例度降1020，積分時(shí)間適當(dāng)減小，再把微分時(shí)間逐步加大，直到過渡過程曲線滿意為止。共35頁 28臨界比例度法也稱為穩(wěn)定邊界條件法，應(yīng)用較廣。具體步驟：積分時(shí)間無窮大，微分時(shí)間為0，選擇較大的比例度保證系統(tǒng)穩(wěn)定，系統(tǒng)投入自動(dòng)。 設(shè)定值擾動(dòng)，逐步減小比例度，直到出現(xiàn)等幅振蕩，獲得此時(shí)的比例度和振蕩周期。 然后根據(jù)這兩個(gè)數(shù)據(jù)，按P148表中數(shù)據(jù)計(jì)算PID參數(shù)。共35頁 29共35頁 30注意事項(xiàng)：當(dāng)控制通道時(shí)間常數(shù)很長(zhǎng)時(shí)，不適合使用臨界比例度法。工藝不允許被控量長(zhǎng)期等幅振蕩時(shí)不能使用這種方法。共35頁 31衰減曲線法積分時(shí)間設(shè)定為無窮大，微分時(shí)間設(shè)定為0，按照經(jīng)驗(yàn)法整定比例度，出現(xiàn)4:1衰減為止，得到比例度s和衰減振蕩周期Ts。按照這兩個(gè)數(shù)據(jù)，根據(jù)表7.8得到整定參數(shù)。再將系統(tǒng)按照上面得到的參數(shù)運(yùn)行，如有必要可調(diào)整參數(shù)，直到滿意為止。共35頁 32如果要求1