過程控制過控-第4章

1、第四章 單回路控制系統(tǒng)第四章 單回路控制系統(tǒng) 第一節(jié) 概 述第二節(jié) 被控對象的特性對控制質(zhì)量的影響第三節(jié) 測量元件和變送器特性第四節(jié) 執(zhí)行器第五節(jié) 控制規(guī)律對控制質(zhì)量的影響第六節(jié) 單回路控制系統(tǒng)的工程整定方法 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WT(S)W0(S)WZ(S)Wm(S)VTrVm(內(nèi)擾)調(diào)節(jié)器控制對象廣義控制對象第一節(jié) 概 述（1/3）一、自動控制系統(tǒng)的設(shè)計原則（一）原則性控制系統(tǒng)的擬定 熟悉運行特點和工藝要求，掌握被控對象的動態(tài)特性，了解控制的要求和性能指標(biāo)。 設(shè)計：先選擇被控量和控制變量，然后擬定原則性方案。（二）控制系統(tǒng)的綜合 確定

2、控制器的控制規(guī)律和類型，補償元件的功能及參數(shù)，建立系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型。（三）控制系統(tǒng)的分析 整定參數(shù)，計算性能指標(biāo)第一節(jié) 概 述（2/3）（一）被控量的選擇（1）根據(jù)控制任務(wù)直接確定 （2）參數(shù)沒有直接的測量手段，可采用間接參數(shù)作被控量。（3）參數(shù)可以直接測量，但信號滯后太大或過于微弱，反而不如選用間接參數(shù)能獲得更好的控制質(zhì)量。 （二）控制量的選擇（1）要考慮工藝上的合理性。（2）希望控制通道的K較大，T和較??；擾動通道的T越大越好，擾動進入系統(tǒng)的位置距被控量越遠越好。二、被控量和控制量的選擇第一節(jié) 概 述（3/3）控制作用被調(diào)量干擾作用熱工對象W0（s）W0（s）擾動通道控制通道 控制質(zhì)量是用衰

3、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（1/7）控制器為比例控制規(guī)律，其放大系數(shù)為Kc 控制通道的傳遞函數(shù) 干擾通道的傳遞函數(shù)為Gc(S)Gu(S)VTC（擾動）Gd(S)D第二節(jié) 對象特性對控制質(zhì)量的影響（2/7）一、放大系數(shù)的影響Gc(S)Gu(S)VTC（擾動）Gd(S)D第二節(jié) 對象特性對控制質(zhì)量的影響（3/7） 擾動通道： Kd ，動態(tài)偏差 ，穩(wěn)態(tài)誤差(靜態(tài)偏差) 。 控制通道：KcKu ，靜態(tài)偏差 ，克服擾動的能力 。Kc可調(diào)，能保證K

4、cKu滿足設(shè)計要求，故Ku無影響。 二、時間常數(shù)和階次的影響第二節(jié) 對象特性對控制質(zhì)量的影響（4/7）設(shè)Kd=1，Kc=1，Ku=1。擾動通道傳函為：則擾動通道：具有慣性環(huán)節(jié)的擾動通道相當(dāng)于低通濾波器， 時間常數(shù) ，階次 ，控制越有利 。 二、時間常數(shù)和階次的影響控制通道：時間常數(shù) ，階次 ，系統(tǒng)反應(yīng)速度慢，工作頻率，ts，對控制不利。第二節(jié) 對象特性對控制質(zhì)量的影響（5/7）三、純遲延的影響擾動通道 不影響控制質(zhì)量，僅僅使被控量在時間軸上平移了一個值。第二節(jié) 對象特性對控制質(zhì)量的影響（6/7）三、純遲延的影響控制通道：控制作用要推遲后才起作用，對控制不利,（/Tu） 越大，控制質(zhì)量越差.第二

5、節(jié) 對象特性對控制質(zhì)量的影響（7/7）Tu2 Tu31 2 第三節(jié) 測量元件和變送器特性（1/4）一、變送器原理 BF K輸出導(dǎo)軌插裝式墻掛式 架裝式 KF1 時第三節(jié) 測量元件和變送器特性（2/4） 零點遷移：使變送器輸出信號的下限值ymin與測量范圍的下限值xmin相對應(yīng)。改變u0來實現(xiàn)。 量程遷移：改變變送器輸入輸出特性的斜率，使輸出的上限值ymax與測量范圍的上限值xmax相對應(yīng)。改變F來實現(xiàn)。 二、測量元件對控制質(zhì)量的影響克服測量變送元件慣性的措施：(1)采用快速測量元件。(2)采用微分(超前)單元，但要適當(dāng)；(3)正確選擇測量變送元件的安裝位置。(4)若為脈動信號，應(yīng)加裝阻尼裝置第

6、三節(jié) 測量元件和變送器特性（3/4） 壓力的檢測與變送第三節(jié) 測量元件和變送器特性（4/4）第四節(jié) 執(zhí)行器（1/17） 執(zhí)行器是自動控制系統(tǒng)必不可少的組成部分之一。力（力矩）轉(zhuǎn)換部件轉(zhuǎn)換部件調(diào)節(jié)機構(gòu)執(zhí)行機構(gòu)執(zhí)行器根據(jù)所使用的能源，可分為：一、執(zhí)行機構(gòu)特性分析第四節(jié) 執(zhí)行器（2/17）氣動執(zhí)行機構(gòu)：具有本安性，價格低結(jié)構(gòu)簡單；電動執(zhí)行機構(gòu)：可直接與電動儀表或計算機連接，價格 貴，結(jié)構(gòu)復(fù)雜，須考慮防爆問題，常用。液動執(zhí)行機構(gòu)：推力(或力矩)大，體積較大，管路較復(fù) 雜。常用于汽輪機調(diào)速系統(tǒng)中。第四節(jié) 執(zhí)行器（3/17）（一）電動執(zhí)行機構(gòu)電動執(zhí)行機構(gòu)主要部件方框圖手自Ii伺服電動機機械減速器位置發(fā)送器

7、伺服放大器電動操作器伺服放大器執(zhí)行機構(gòu)毫安表IfIo1、組成有角行程和直行程兩種。其執(zhí)行機構(gòu)和調(diào)節(jié)機構(gòu)是分離的。第四節(jié) 執(zhí)行器（4/17）（一）電動執(zhí)行機構(gòu) 當(dāng)執(zhí)行器速度足夠大時可看成快速隨動系統(tǒng)，近似 為比例環(huán)節(jié)。 Kf控制信號反饋信號輸出圖4-9 電動執(zhí)行機構(gòu)原理圖2、原理 電動執(zhí)行器一般有3種控制方式：就地手操（電動 執(zhí)行器都配有手輪裝置）、手動遙控和自動控制。 第四節(jié) 執(zhí)行器（5/17）氣動執(zhí)行器是以壓縮空氣為動力的推動裝置，其執(zhí)行機構(gòu)和調(diào)節(jié)機構(gòu)是統(tǒng)一整體。 （二）氣動執(zhí)行機構(gòu)主要有薄膜式、活塞式兩種。 薄膜式：行程較小，只能直接帶動閥桿； 正作用：輸入氣壓P增大時， 輸出桿向下移動；

8、 反作用：輸入氣壓P增大時， 輸出桿向上移動。 活塞式：行程長，適用于要求有 較大推力的場合；第四節(jié) 執(zhí)行器（6/17） 氣動薄膜執(zhí)行機構(gòu)中，將控制器輸出信號轉(zhuǎn)換為推力的部分俗稱膜頭 。 氣動薄膜執(zhí)行機構(gòu)的膜頭和氣動管線的組合可近似為一階遲延環(huán)節(jié)。記作： 與膜片的有效面積有關(guān)，還與操作壓力有關(guān)。 與膜頭氣室大小、氣動管線管徑、長度等參數(shù)有關(guān)。 從一般應(yīng)用看，使用氣動儀表時，為減小時間常數(shù)和遲延，應(yīng)盡量縮短氣動管線的長度，一般限制在150m以內(nèi)。 當(dāng)控制器輸出信號較小時，所產(chǎn)生的推力不足以克服靜摩擦力，從而產(chǎn)生推力與位移之間的死區(qū)關(guān)系，常稱為回差。二、調(diào)節(jié)機構(gòu) 用于將直線位移或角位移變化轉(zhuǎn)換為流

9、通面積的變化。熱工控制中常用的有：第四節(jié) 執(zhí)行器（7/17）根據(jù)被調(diào)介質(zhì)或能量的不同可分： 改變流體介質(zhì)的：控制水和蒸汽的調(diào)節(jié)閥門， 控制風(fēng)和煙氣的擋板； 改變固體介質(zhì)的：給煤機、給粉機； 改變電流值的： 變阻器、電磁調(diào)速離合器等。根據(jù)改變流體流量作用原理可分： 節(jié)流式：通過改變管路系統(tǒng)阻力從而控制流量， 如調(diào)節(jié)閥門和調(diào)節(jié)擋板。 變壓式：通過改變物質(zhì)流動的推動力從而控制流量， 如汽動給水泵的汽機進汽調(diào)門、風(fēng)機的動葉。 執(zhí)行器及閥門配合類型第四節(jié) 執(zhí)行器（8/17）（一）調(diào)節(jié)閥的流量方程式中， P閥前后的壓降； C 流量系數(shù)，又稱流通能力； 流體的密度第四節(jié) 執(zhí)行器（9/17）（二）調(diào)節(jié)閥的理想

10、可調(diào)比理想可調(diào)比是指當(dāng)調(diào)節(jié)閥兩端壓差不變時閥門的可調(diào)比。 第四節(jié) 執(zhí)行器（10/17）可調(diào)比是指閥門所能控制的最大流量 和最小流量 的比值。 是調(diào)節(jié)閥可控流量的下限值，通常為最大流量的10%左右，不是閥全關(guān)時的泄漏量。第四節(jié) 執(zhí)行器（11/17）（三）調(diào)節(jié)閥的流量特性 是指流過閥門的控制介質(zhì)的相對流量與閥桿的相對行程(即閥門的相對開度)之間的關(guān)系。即 表示調(diào)節(jié)閥某一開度的流量與全開時流量之比，稱為相對流量；表示調(diào)節(jié)閥某一開度下閥桿行程與全開時閥桿全行程之比，稱為相對開度。式中，理想特性：閥前后壓差固定條件下流量與閥桿位移間關(guān)系；工作特性：工作條件下閥門兩端壓差變化時流量與閥桿位移間關(guān)系。 1理

11、想流量特性（1）線性流量特性 （曲線1）調(diào)節(jié)閥的相對流量與相對開度成直線關(guān)系。 流量特性表達式為：第四節(jié) 執(zhí)行器（12/17）工作在小開度或大開度情況下，控制性能都較差，不宜用于負荷變化大的場合。 （2）對數(shù)流量特性（等百分比）（曲線2） 單位行程變化所引起的相對流量變化，與此點的相對流量成正比關(guān)系。 流量特性表達式為：第四節(jié) 執(zhí)行器（13/17）在小開度時調(diào)節(jié)閥的放大系數(shù)小，控制平穩(wěn)緩和，在大開度時放大系數(shù)大，控制靈敏有效，有利于自動控制系統(tǒng)。 （3） 拋物線流量特性（曲線3）調(diào)節(jié)閥的相對流量與相對開度的平方根成正比關(guān)系。 流量特性表達式為：第四節(jié) 執(zhí)行器（14/17） 特性介于線性流量特性

12、和對數(shù)流量特性之間。 （4）快開流量特性（曲線4）流量特性表達式為： 第四節(jié) 執(zhí)行器（15/17） 主要適用于迅速啟閉的切斷閥或雙位控制系統(tǒng) 。2工作流量特性（1） 串聯(lián)管路的流量控制實際可調(diào)比Rs：第四節(jié) 執(zhí)行器（16/17）在設(shè)計閥門時，S值最好能取0.30.5，甚至更大，以保證良好的調(diào)節(jié)性能。 （2）并聯(lián)管道流量控制實際可調(diào)比Rp： 第四節(jié) 執(zhí)行器（17/17）令旁路程度 ，則 實際可調(diào)比隨B值減小而降低。實際使用時應(yīng)使B值大于0.8，以保證良好的調(diào)節(jié)性能。 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 控制器類型 PPIPID 說明整定參數(shù) TiTi Td:表示

13、增加:表示減小Td 過大時，將出現(xiàn)較高頻率的振蕩而衰減率減小.主 要 性 能衰減率略有略有略有動態(tài)偏差略有略有振蕩頻率 略有略有復(fù)原速度穩(wěn)態(tài)偏差(負荷擾動時)Ti過大時，輸出響應(yīng)緩慢地趨向其穩(wěn)態(tài)值， 對于振蕩過程輸出偏向在穩(wěn)態(tài)值之上(或下)振蕩.第五節(jié) 控制規(guī)律對控制質(zhì)量的影響 （1/1）氣動調(diào)節(jié)閥電動單座調(diào)節(jié)閥閥門定位器執(zhí)行機構(gòu)閥氣動薄膜調(diào)節(jié)閥控制系統(tǒng)的整定方法有：理論計算方法：廣義頻率特性法 工程整定方法：響應(yīng)曲線法 臨界曲線法 衰減曲線法 第六節(jié) 單回路控制系統(tǒng)的工程整定方法 1. 臨界曲線法（臨界比例帶法） 整定方法如下: (1)先將調(diào)節(jié)器改成純比例作用 (使Ti=,Td=0),并將比

14、例帶置于較大的數(shù)值,然后把控制系統(tǒng)投入閉環(huán)運行。(2)待系統(tǒng)運行穩(wěn)定后,逐步減小比例帶,觀察不同值下的調(diào)節(jié)過程,直到調(diào)節(jié)過程出現(xiàn)等幅振蕩為止,記下此時的臨界比例帶K和系統(tǒng)的臨界振蕩周期TK。(3) 根據(jù)求得的K和TK , 由表4-2可求得調(diào)節(jié)器的整定參數(shù)。(4) 將調(diào)節(jié)器參數(shù)按求得的數(shù)值設(shè)置好,此時比例帶可設(shè)置得大一些,作系統(tǒng)的階躍擾動試驗,觀察控制過程,適當(dāng)修改整定參數(shù)。控制作用調(diào)節(jié)器傳遞函數(shù)比例帶 TiTdPWT(s)=1/2 k2.4 k PIWT(s)=1/(1+1/TiS)2.2 k3.0 k0.85 T kPIDWT(s)=1/(1+1/TiS+TdS) 1.67 k2.1 k 0

15、.5 T k 0.25 T i 臨界曲線法參數(shù)表上表每一欄有兩個數(shù)據(jù),上面的數(shù)據(jù)適用于無自平衡能力的對象,下面的數(shù)據(jù)適用于有自平衡能力的對象。(1) 使調(diào)節(jié)器參數(shù)Ti= , Td=0,比例帶置于較大的數(shù)值,將控制系統(tǒng)投入閉環(huán)運行。(2) 待系統(tǒng)運行穩(wěn)定后,用給定值階躍擾動作試驗信號,觀察控制過程。若大于要求的數(shù)值,則逐步減小比例帶, 重復(fù)試驗,直到出現(xiàn)=0.75 或=0.9的控制過程為止,并記下此時的比例帶s(3) 從控制過程曲線上求取 =0.75 時的衰減周期TS , 或 =0.9 的上升時間tr。(4) 按表 4-3 計算調(diào)節(jié)器參數(shù)、Ti 、Td。(5)實際運行中適當(dāng)修改2. 衰減曲線法 衰減率控制規(guī)律比例帶 TiTd=0.75PPIPIDS1.2 S0.8 S 0.5 T S 0.3 T S 0.1 T S=0.9PPIPIDS1.2 S0.8 S 2 t r 1.2 t r0.4 t r衰減曲線法整定參數(shù)計算表3. 響應(yīng)曲線法 響應(yīng)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(guān)整定參數(shù)。 響應(yīng)曲線法整定參數(shù)計算表 (=0.75)(無自衡對象） 控制作用調(diào)節(jié)器傳遞函數(shù)比例帶 TiTdPWT(s)=1/ PIWT(s)=1/(1+1/TiS)1.13.3PDWT(s)=1/(1+TdS)0