第一章單回路反饋控制系統(tǒng)ppt課件

1、 單回路反響控制系統(tǒng) 四個(gè)根本環(huán)節(jié)：被控對(duì)象、丈量變送、控制器和控制閥 反響控制中的最根本系統(tǒng) 特點(diǎn)：簡(jiǎn)單、有效、 運(yùn)用最成熟、最普遍 - 占70%以上任務(wù)過程：任務(wù)過程：A.C A.C 控制器控制器控制閥控制閥被控被控對(duì)象對(duì)象丈量丈量變送變送偏向偏向給定給定 丈量丈量 液位液位 控制系統(tǒng)的原理和作用定值維持被控參數(shù)堅(jiān)持在設(shè)定值上，偏向越小越好維持被控參數(shù)堅(jiān)持在設(shè)定值上，偏向越小越好偏向控制：糾正偏向偏向控制：糾正偏向 過程工業(yè)中，此類系統(tǒng)占大多數(shù)過程工業(yè)中，此類系統(tǒng)占大多數(shù)按被控參數(shù)分類：按被控參數(shù)分類： 溫度控制回路、壓力控制回路、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

2、路流量控制回路、物位液位控制回路單回路反響控制系統(tǒng)單回路反響控制系統(tǒng)1.1 單回路系統(tǒng)的構(gòu)造組成單回路系統(tǒng)的構(gòu)造組成1.2 被控變量的選擇被控變量的選擇1.3 對(duì)象特性對(duì)控制質(zhì)量的影響及支配變量的選擇對(duì)象特性對(duì)控制質(zhì)量的影響及支配變量的選擇1.4 控制閥的選擇控制閥的選擇1.5 丈量、傳送滯后對(duì)控制質(zhì)量的影響及其抑制方法丈量、傳送滯后對(duì)控制質(zhì)量的影響及其抑制方法1.6 控制器參數(shù)對(duì)系統(tǒng)控制質(zhì)量的影響及控制規(guī)律的選擇控制器參數(shù)對(duì)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)和整定單回路系統(tǒng)的投運(yùn)和整定 實(shí)驗(yàn)：?jiǎn)位芈房刂葡到y(tǒng)銜接、投運(yùn)

3、和整定、質(zhì)量研討實(shí)驗(yàn)：?jiǎn)位芈房刂葡到y(tǒng)銜接、投運(yùn)和整定、質(zhì)量研討控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)目的 即，要控制什么即，要控制什么 基于工藝要求，選擇的結(jié)果直接影響基于工藝要求，選擇的結(jié)果直接影響消費(fèi)產(chǎn)品產(chǎn)量、質(zhì)量、消費(fèi)平安消費(fèi)產(chǎn)品產(chǎn)量、質(zhì)量、消費(fèi)平安分類 最根本的熱工參數(shù)，普通是可以直最根本的熱工參數(shù)，普通是可以直接進(jìn)展丈量和控制的參數(shù)接進(jìn)展丈量和控制的參數(shù) 溫度、壓力、液位、流量溫度、壓力、液位、流量 質(zhì)量目的，以及一些特殊的參數(shù)質(zhì)量目的，以及一些特殊的參數(shù)成份、物性參數(shù)等，在普通條件下，成份、物性參數(shù)等，在普通條件下，無(wú)法直接丈量和控制無(wú)法直接丈量和控制 應(yīng)根據(jù)工藝參數(shù)的關(guān)系，用可應(yīng)根據(jù)工藝參數(shù)的關(guān)系，用可

4、測(cè)的參數(shù)，間接進(jìn)展控制測(cè)的參數(shù)，間接進(jìn)展控制苯、甲苯二元精餾系統(tǒng)苯、甲苯二元精餾系統(tǒng) 質(zhì)量目的是最重要的控制參數(shù)質(zhì)量目的是最重要的控制參數(shù) 如塔頂產(chǎn)品的純度如塔頂產(chǎn)品的純度 xD 但但 xD 目前無(wú)法直接丈量，因此，只能用間接目前無(wú)法直接丈量，因此，只能用間接控制參數(shù)進(jìn)展控制?？刂茀?shù)進(jìn)展控制。 根據(jù)精餾原理，根據(jù)精餾原理，xD = f (TD, p), 即與溫度和壓力即與溫度和壓力成非線性函數(shù)關(guān)系。成非線性函數(shù)關(guān)系。 實(shí)際上，固定一項(xiàng)，就可用另一項(xiàng)控制實(shí)際上，固定一項(xiàng)，就可用另一項(xiàng)控制xD 。 普通的，實(shí)踐中都采用恒定普通的，實(shí)踐中都采用恒定p，經(jīng)過控制塔頂溫，經(jīng)過控制塔頂溫度來控制塔頂成分

5、。度來控制塔頂成分。 選擇原那么：選擇原那么： 1 1 丈量滯后丈量滯后 P P 2 2 工藝合理性工藝合理性 T T工藝合理性：規(guī)定塔壓穩(wěn)定，保證分別度，保證效率工藝合理性：規(guī)定塔壓穩(wěn)定，保證分別度，保證效率 各塊塔板壓力恒定，各塊塔板壓力恒定，XDXD與與T T有對(duì)應(yīng)關(guān)系有對(duì)應(yīng)關(guān)系選擇選擇XD=FXD=FT TPTfXD,0 50 100%0 50 100%DXP一定T一定一定DX選擇被控變量的原那么對(duì)象特性分析精餾塔精餾塔: : 影響塔頂成分的有影響塔頂成分的有, ,溫度、壓力、溫度、壓力、 進(jìn)料流量、進(jìn)料成進(jìn)料流量、進(jìn)料成分等分等 F1F2FnY 必需從影響被控量的諸多影響參數(shù)中必需從

6、影響被控量的諸多影響參數(shù)中 選擇一個(gè)，作為支配變量選擇一個(gè)，作為支配變量 其它影響量那么只能視作干擾量了其它影響量那么只能視作干擾量了用支配量抑制干擾量對(duì)被控變量的影響用支配量抑制干擾量對(duì)被控變量的影響F1(s)F1(s)F2(s)F2(s)U(s)U(s)Y(s)Y(s)Y(s)=GPC(s)U(s)+GPD1(s) F1(s) +GPD2(s) F2 (s)干擾作用下的閉環(huán)傳送函數(shù)為：干擾作用下的閉環(huán)傳送函數(shù)為：結(jié)論：結(jié)論： KfKf越大，系統(tǒng)的余差也越大，越大，系統(tǒng)的余差也越大， 控制質(zhì)量越差控制質(zhì)量越差分析過程：分析過程： 結(jié)論：Tf越大，個(gè)數(shù)越多，干擾對(duì)被控變量的影響越小，系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)

7、偏向越小， 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(duì)被控變量的影響也越大 ( )()y ty t干擾通道特性對(duì)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(wú)影響Tf增加無(wú)影響過渡過程時(shí)間減小，振蕩幅值減小f增加無(wú)影響無(wú)影響靜態(tài)：控制通道放大倍數(shù)靜態(tài)：控制通道放大倍數(shù)K0K0大，控制系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)余差小，見式大，控制系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)余差小，見式1-71-7動(dòng)態(tài)：控制系統(tǒng)衰減比動(dòng)態(tài)：控制系統(tǒng)衰減比與與Kc Kc 與與K0K0的乘積有關(guān)，見式的乘積有關(guān)，見式1-181-18，且，且 Kc K0 Kc K0越大，越大，越小，穩(wěn)定性差，因此，要保證越小，穩(wěn)定性差，因此，要保證K

8、c K0=Kc K0=常數(shù)。常數(shù)。在在Kc K0=Kc K0=常數(shù)情況下，控制系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)余差不變。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，從控制角度看，K0K0大些，闡明控制通道對(duì)系統(tǒng)的影響大，易于調(diào)理，大些，闡明控制通道對(duì)系統(tǒng)的影響大，易于調(diào)理，因此，普通希望因此，普通希望K0K0大些好大些好從控制系統(tǒng)傳送函數(shù)推導(dǎo)進(jìn)展分析 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)的任務(wù) 頻率低，控制不及時(shí)、系統(tǒng)控制質(zhì)量差，如溫度系統(tǒng)。 普通希望控制通道時(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) 結(jié)論：純滯后0的存在，使得控制不及時(shí)，添加動(dòng)態(tài)偏向，

9、 降低穩(wěn)定性。 控制通道純滯后是控制系統(tǒng)非常不利的要素，會(huì)嚴(yán)重影響控制系統(tǒng)質(zhì)量，以致于使控制系統(tǒng)發(fā)散，呵斥嚴(yán)重后果，因此，實(shí)踐工程中，必需注重。 支配變量的選擇 兼顧思索工藝的合理性，工藝上不易頻繁改動(dòng)的量也兼顧思索工藝的合理性，工藝上不易頻繁改動(dòng)的量也不宜作為支配變量。不宜作為支配變量。 本質(zhì)上是決議了控制通道的選擇。本質(zhì)上是決議了控制通道的選擇。原那么：原那么：1 1 支配變量必需可控支配變量必需可控2 2 選擇通道放大倍數(shù)相對(duì)大的選擇通道放大倍數(shù)相對(duì)大的3 3選擇通道時(shí)間常數(shù)相對(duì)小的干擾通道選擇通道時(shí)間常數(shù)相對(duì)小的干擾通道時(shí)間常數(shù)大些時(shí)間常數(shù)大些4 4選擇通道的純滯后盡量小選擇通道的純滯

10、后盡量小5 5選擇使干擾點(diǎn)遠(yuǎn)離被控變量而接近控制閥選擇使干擾點(diǎn)遠(yuǎn)離被控變量而接近控制閥控制通道特性對(duì)控制質(zhì)量的影響圖特性參數(shù)對(duì)靜態(tài)質(zhì)量的影響對(duì)動(dòng)態(tài)質(zhì)量的影響K0增加余差減?。ǚ€(wěn)定前提下）系統(tǒng)趨向于振蕩T0增加無(wú)影響過渡過程時(shí)間增加，系統(tǒng)頻率變慢0增加無(wú)影響穩(wěn)定程度大大降低 2質(zhì)量角度：出現(xiàn)以外事故，思索產(chǎn)質(zhì)量量 3耗費(fèi)角度：原料、廢品及動(dòng)力耗費(fèi) 4介質(zhì)特點(diǎn)：特殊介質(zhì)，思索氣結(jié)晶、蒸發(fā)等要素流量特性：指流體經(jīng)過閥門的相對(duì)流量和閥門相對(duì)開度流量特性：指流體經(jīng)過閥門的相對(duì)流量和閥門相對(duì)開度 之間的關(guān)系之間的關(guān)系 Q/Qmax=f(L/Lmax) Q/Qmax 相對(duì)流量相對(duì)流量 f(L/Lmax)相對(duì)

11、開度相對(duì)開度1 1選擇自整定調(diào)理器，代價(jià)大選擇自整定調(diào)理器，代價(jià)大2 2經(jīng)過控制閥的特性選擇進(jìn)展彌補(bǔ)經(jīng)過控制閥的特性選擇進(jìn)展彌補(bǔ) K 1 / K0G0 K 1 / K0G0如對(duì)象負(fù)荷靜態(tài)部分如對(duì)象負(fù)荷靜態(tài)部分K0K0與控制閥流量與控制閥流量F F成反比，成反比，對(duì)象負(fù)荷動(dòng)態(tài)部分對(duì)象負(fù)荷動(dòng)態(tài)部分G0G0與控制閥流量與控制閥流量F F成正比，成正比，控制閥特性取線性；控制閥特性取線性；P15 P15 表表1-1 1-1 控制閥流量特性的選擇控制閥流量特性的選擇 課本課本P15P15分析的例子分析的例子P16 P16 表表1-2 1-2 控制閥流量特性閱歷選擇控制閥流量特性閱歷選擇處理方法：處理方法

12、：直通單座、直通雙座、角閥、高壓閥、蝶閥、直通單座、直通雙座、角閥、高壓閥、蝶閥、隔膜閥、三通閥隔膜閥、三通閥適用于不同工藝場(chǎng)所適用于不同工藝場(chǎng)所表表1-4 1-4 ABC 控制閥的輔助安裝 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； 可改動(dòng)控制閥流量特性； 可實(shí)現(xiàn)分程控制 控制質(zhì)量：控制質(zhì)量：系統(tǒng)的穩(wěn)定性系統(tǒng)的穩(wěn)定性系統(tǒng)的靜態(tài)誤差系統(tǒng)的靜態(tài)誤差系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)誤差系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)誤差PID 三作用控制器PID：Proportional Integral DerivativePID控制：對(duì)偏向信號(hào) (t)進(jìn)展比例、積分和微分運(yùn)算變換后構(gòu)成的一種控制規(guī)律。 01tpd

13、idu tKe tedTe tTdt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)； 01tiedT 微分控制項(xiàng)，微分控制項(xiàng)， d d 為微分時(shí)間常數(shù)；為微分時(shí)間常數(shù)； ddTe tdtPIDPID控制的傳送函數(shù)：控制的傳送函數(shù)：( )1( )1( )cpdiU sG sKT sE sTsR(s)E(s)Gc(s)Go(s)F(s)F(s)Go(s)E(s)Gc(s)2222(1)(21)( )(1)(21)okllovijjKT sT sTsG ssTsT sT s( )1/F ss001lim ( )lim( )lim( )tssce tsE sG

14、 s終值定理：1( )11ccciiiKG sKTsTsTs結(jié)論：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，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，比例度即與比例度成正比，比例度越大，余差越大；越大，余差越大； 當(dāng)控制器引入積分作用時(shí)，可消除余差；當(dāng)控制器引入積分作用時(shí)，可消除余差； 微分作用對(duì)余差沒有影響。微分作用對(duì)余差沒有影響。 0cuK eu0ty(t)01ciuKeedtuT0ty(t)0cDdeuKeTudt 好像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提餾段溫度與塔底液位控制系統(tǒng)提餾段溫度與塔底液位控制系統(tǒng)TCLCGc1(s)Gc

15、n(s)R1(s)nnRn(s)Y1(s)Yn(s)U1(s)Un(s)jiGc1(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)uuy11yuy11相對(duì)增益的計(jì)算：相對(duì)增益的計(jì)算：j i j i 通道通道第一次計(jì)算只需第第一次計(jì)算只需第j j個(gè)支配變量變化，其它各支配變量均維持個(gè)支配變量變化，其它各支配變量均維持不變的增益：不變的增益：第二次計(jì)算其它各支配變量都變化處于閉環(huán)控制的增益：第二次計(jì)算其它各支配變量都變化處于閉環(huán)控制的增益：于是，于是，j i j i 通道的相對(duì)增益為：

16、通道的相對(duì)增益為： 相互關(guān)聯(lián)程度ijijijyuuyyuijijyuuyyu1TKKPCFCGc(s)Gv(s)Go(s) Gm(s)R(s)E(s)Y(s)LC普通，對(duì)于儀表控制器，都帶有正反作用開關(guān)，普通，對(duì)于儀表控制器，都帶有正反作用開關(guān)，對(duì)于計(jì)算機(jī)控制，可以經(jīng)過程序設(shè)置對(duì)于計(jì)算機(jī)控制，可以經(jīng)過程序設(shè)置 025( )(41)(201)G sss1 1臨界比例度法臨界比例度法步驟：步驟： 系統(tǒng)閉環(huán)系統(tǒng)閉環(huán) TITI最大、最大、TDTD最小最小 沒有積分、微分作用沒有積分、微分作用 比例度比例度放到放到100%100%K=1K=1，由大往小逐漸改動(dòng)，每改動(dòng)一，由大往小逐漸改動(dòng)，每改動(dòng)一次，經(jīng)

17、過設(shè)定值的改動(dòng)給控制系統(tǒng)施加階躍干擾，察看輸出次，經(jīng)過設(shè)定值的改動(dòng)給控制系統(tǒng)施加階躍干擾，察看輸出Y Y的變化的變化 假設(shè)假設(shè)Y Y衰減振蕩，那么繼續(xù)減小衰減振蕩，那么繼續(xù)減小；假設(shè)；假設(shè)Y Y發(fā)散振蕩，那么應(yīng)增大發(fā)散振蕩，那么應(yīng)增大 當(dāng)當(dāng)Y Y出現(xiàn)等幅振蕩臨界振蕩，此時(shí)出現(xiàn)等幅振蕩臨界振蕩，此時(shí)kk稱為臨界比例度，稱為臨界比例度，振蕩周期振蕩周期TkTk稱為臨界周期。稱為臨界周期。0tTk等幅振蕩曲線等幅振蕩曲線 臨界周期臨界周期 %Ti，minTD，minP 2k PI2.2k0.85Tk PID1.7k0.5Tk0.13Tk2 2衰減曲線法衰減曲線法 與臨界法類似與臨界法類似 4 4：1

18、 1衰減曲線：衰減曲線： 比例度比例度放到放到100%100%K=1K=1，由大往小逐漸改動(dòng)，每改動(dòng)一，由大往小逐漸改動(dòng)，每改動(dòng)一次，經(jīng)過設(shè)定值的改動(dòng)給控制系統(tǒng)施加階躍干擾，察看輸出次，經(jīng)過設(shè)定值的改動(dòng)給控制系統(tǒng)施加階躍干擾，察看輸出Y Y的的變化變化 假設(shè)假設(shè)Y Y衰減比大于衰減比大于4 4：1 1，那么繼續(xù)減小，那么繼續(xù)減小；假設(shè)小于；假設(shè)小于4 4：1 1，那么應(yīng)增，那么應(yīng)增大大，直到出現(xiàn)，直到出現(xiàn)4 4：1 1衰減振蕩，記錄此時(shí)比例度衰減振蕩，記錄此時(shí)比例度ss和振蕩周期和振蕩周期TsTs 按閱歷公式確定按閱歷公式確定、TiTi、TD TD ，%Ti，minTD，minPs PI1.2s0.5Ts PID0.8s0.3Ts0.1TsytTss s Ts Ts yttrs s tr tr 先比例，后積分，最后微分的順序先比例，后積分，