單回路控制精品課件

1、單回路控制第1頁，共28頁，2022年，5月20日，2點(diǎn)17分，星期二 隨著生產(chǎn)過程自動(dòng)化水平的日益提高，以及現(xiàn)代控制理論的發(fā)展，控制系統(tǒng)的類型越來越多，復(fù)雜程度的差異也越來越大。 在這里，只介紹我們化工生產(chǎn)中常見的控制方案。 PID類控制方案，包括：?jiǎn)位芈稰ID、串級(jí)、前饋、均勻、比值、分程、選擇或超馳控制等。而其中簡(jiǎn)單控制系統(tǒng)即單回路控制是使用最普遍（占85%左右）、結(jié)構(gòu)最簡(jiǎn)單的一種自動(dòng)控制系統(tǒng)。 第2頁，共28頁，2022年，5月20日，2點(diǎn)17分，星期二 簡(jiǎn)單控制系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)與組成 所謂簡(jiǎn)單控制系統(tǒng)，通常是指由一個(gè)測(cè)量元件、變送器、一個(gè)控制器、一個(gè)控制閥和一個(gè)對(duì)象所構(gòu)成的單閉環(huán)控制系統(tǒng)，

2、因此也稱為單回路控制系統(tǒng)。第3頁，共28頁，2022年，5月20日，2點(diǎn)17分，星期二液位控制系統(tǒng)的組成與方塊圖第4頁，共28頁，2022年，5月20日，2點(diǎn)17分，星期二熱交換器的溫度控制系統(tǒng)第5頁，共28頁，2022年，5月20日，2點(diǎn)17分，星期二熱交換器溫度控制系統(tǒng)方塊圖第6頁，共28頁，2022年，5月20日，2點(diǎn)17分，星期二一般的單回路控制系統(tǒng)被控變量：溫度、壓力、流量、液位或料位、成分與物性等六大參數(shù)；第7頁，共28頁，2022年，5月20日，2點(diǎn)17分，星期二過程控制系統(tǒng)的重要術(shù)語被控變量/受控變量/過程變量需要對(duì)其進(jìn)行控制的工藝變量設(shè)定值/給定值控制的工藝變量的目標(biāo)值操縱變

3、量/操作變量 ： 受執(zhí)行機(jī)構(gòu)操縱，用于克服擾動(dòng)影響的變量擾動(dòng)/擾動(dòng)變量 ： 影響被控變量的各種擾動(dòng)作用執(zhí)行器：接受控制器輸出信號(hào)控制操縱變量的設(shè)備，如調(diào)節(jié)閥控制器：根據(jù)測(cè)量值與設(shè)定值間的偏差，按照控制規(guī)律輸出信號(hào)的設(shè)備第8頁，共28頁，2022年，5月20日，2點(diǎn)17分，星期二單回路控制器控制規(guī)律的選擇 在選擇控制器時(shí)，不僅要確定控制器的控制規(guī)律，而且要確定控制器的正、反作用。一、控制器控制規(guī)律的確定 1純比例控制器 純比例控制器的可調(diào)整參數(shù)是比例放大系數(shù)KP （也叫K值）或比例度（比例帶）(也用PB表示），對(duì)于單元組合儀表（即輸入、輸出均為標(biāo)準(zhǔn)信號(hào)）來說，它們的關(guān)系為： 第9頁，共28頁，2

4、022年，5月20日，2點(diǎn)17分，星期二控制系統(tǒng)的分類2比例積分控制器 比例積分控制器是具有比例積分控制規(guī)律的控制器。它的可調(diào)整參數(shù)是比例放大系數(shù)KP（或比例度）和積分時(shí)間TI。 積分是這樣的一種作用，其輸出為輸入偏差對(duì)時(shí)間的積分。只要有偏差存在，積分作用就一直是輸出變化，因此能夠把偏差減小到零。積分的作用就是為了消除余差。 3比例積分微分控制器 比例積分微分控制器是具有比例積分微分控制規(guī)律的控制器，常稱為三作用（PID）控制器。 比例積分微分控制器的可調(diào)整參數(shù)有三個(gè)，即比例放大系數(shù)KP（比例度）、積分時(shí)間TI和微分時(shí)間TD。 第10頁，共28頁，2022年，5月20日，2點(diǎn)17分，星期二PI

5、D三個(gè)基本參數(shù)kp 、ki 、kd 對(duì)PID控制作用和影響 1、比例控制(P) 比例控制(P)是一種最簡(jiǎn)單的控制方式。其控制器的輸出與輸入誤差信號(hào)成比例關(guān)系 。 比例帶與比例控制(P)輸出的關(guān)系如圖所示。用MVp運(yùn)算式的設(shè)定舉例 ：PB(比例帶)MVp(操作輸出)1=100/1誤差=100誤差50=100/50誤差=2誤差100=100/100誤差=1誤差200=100/200誤差=0.5誤差第11頁，共28頁，2022年，5月20日，2點(diǎn)17分，星期二2、積分（I）控制 在積分控制中，控制器的輸出與輸入誤差信號(hào)的積分成正比關(guān)系。為了消除穩(wěn)態(tài)誤差，在控制器中必須引入“積分項(xiàng)”。積分項(xiàng)對(duì)誤差取決

6、于時(shí)間的積分，隨著時(shí)間的增加，積分項(xiàng)會(huì)增大。這樣，即便誤差很小，積分項(xiàng)也會(huì)隨著時(shí)間的增加而加大，它推動(dòng)控制器的輸出增大使穩(wěn)態(tài)誤差進(jìn)一步減小，直到等于零。 因此，比例+積分（PI）控制器，可以使系統(tǒng)在進(jìn)入穩(wěn)態(tài)后無穩(wěn)態(tài)誤差。 PID三個(gè)基本參數(shù)kp 、ki 、kd 對(duì)PID控制作用和影響 第12頁，共28頁，2022年，5月20日，2點(diǎn)17分，星期二PID三個(gè)基本參數(shù)kp 、ki 、kd 對(duì)PID控制作用和影響3、微分（D）控制 在微分控制中，控制器的輸出與輸入誤差信號(hào)的微分（即誤差的變化率）成正比關(guān)系。 自動(dòng)控制系統(tǒng)在克服誤差的調(diào)節(jié)過程中可能會(huì)出現(xiàn)振蕩甚至失穩(wěn)。其原因是由于存在有較大慣性組件（環(huán)

7、節(jié)）或有滯后（delay）組件，具有抑制誤差的作用，其變化總是落后于誤差的變化。解決的辦法是使抑制誤差的作用的變化“超前”，即在誤差接近零時(shí)，抑制誤差的作用就應(yīng)該是零。這就是說，在控制器中僅引入“比例”項(xiàng)往往是不夠的，比例項(xiàng)的作用僅是放大誤差的幅值，而目前需要增加的是“微分項(xiàng)”，它能預(yù)測(cè)誤差變化的趨勢(shì)，這樣，具有比例+微分的控制器，就能夠提前使抑制誤差的控制作用等于零，甚至為負(fù)值，從而避免了被控量的嚴(yán)重超調(diào)。所以對(duì)有較大慣性或滯后的被控對(duì)象，比例+微分（PD）控制器能改善系統(tǒng)在調(diào)節(jié)過程中的動(dòng)態(tài)特性。第13頁，共28頁，2022年，5月20日，2點(diǎn)17分，星期二對(duì)PID三個(gè)基本參數(shù)kp 、ki

8、、kd 的個(gè)人概括總結(jié) 增大比例系數(shù)P將加快系統(tǒng)的響應(yīng)，它的作用于輸出值較快，但不能很好穩(wěn)定在一個(gè)理想的數(shù)值，不良的結(jié)果是雖較能有效的克服擾動(dòng)的影響，但有余差出現(xiàn)，過大的比例系數(shù)會(huì)使系統(tǒng)有比較大的超調(diào)，并產(chǎn)生振蕩，使穩(wěn)定性變壞。積分能在比例的基礎(chǔ)上消除余差，它能對(duì)穩(wěn)定后有累積誤差的系統(tǒng)進(jìn)行誤差修整，減小穩(wěn)態(tài)誤差。微分具有超前作用，對(duì)于具有容量滯后的控制通道，引入微分參與控制，在微分項(xiàng)設(shè)置得當(dāng)?shù)那闆r下，對(duì)于提高系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)性能指標(biāo)，有著顯著效果，它可以使系統(tǒng)超調(diào)量減小，穩(wěn)定性增加，動(dòng)態(tài)誤差減小。綜上所述，P-比例控制系統(tǒng)的響應(yīng)快速性，快速作用于輸出，好比現(xiàn)在（現(xiàn)在就起作用，快），I-積分控制系統(tǒng)的

9、準(zhǔn)確性，消除過去的累積誤差，好比過去（清除過去積怨，回到準(zhǔn)確軌道），D-微分控制系統(tǒng)的穩(wěn)定性，具有超前控制作用，好比未來（放眼未來，未雨綢繆，穩(wěn)定才能發(fā)展）。 第14頁，共28頁，2022年，5月20日，2點(diǎn)17分，星期二控制器控制規(guī)律的選擇原則通過對(duì)上述PID參數(shù)的了解，那么，對(duì)控制器的選擇遵從如下原則：1、 對(duì)于一些對(duì)象控制通道滯后較小，負(fù)荷變化不大，工藝要求 又不太高的控制系統(tǒng)，可選用比例控制器。象貯罐的液面， 以及不太重要的蒸汽壓力等控制系統(tǒng)。2. 對(duì)象控制通道滯后較小，負(fù)荷變化不大，但不允許有余差的 情況，可選用比例積分控制器。例如流量、管道壓力等控制 系統(tǒng)往往采用控制器。3. 當(dāng)對(duì)

10、象滯后較大，如溫度、值等控制系統(tǒng)則需引入微分 作用。一般在對(duì)象滯后較大，負(fù)荷變化也較大，控制質(zhì)量又 要求較高時(shí)，可選用比例（P）積分（I）微分（D）控制器。第15頁，共28頁，2022年，5月20日，2點(diǎn)17分，星期二控制器參數(shù)的工程整定方法一：經(jīng)驗(yàn)法（長期的生產(chǎn)實(shí)踐中總結(jié)出來的一種整定方法）系統(tǒng)參數(shù)(%)TI ( min)TD( min)溫度流量壓力液面206040100307020803 100.110.430.53 方法 根據(jù)經(jīng)驗(yàn)先將控制器參數(shù)放在某些數(shù)值上，直接在閉合的 控制系統(tǒng)中通過改變給定值以施加干擾，看輸出曲線的形 狀，以%、TI、TD，對(duì)控制過程的規(guī)律為指導(dǎo)，調(diào)整相應(yīng) 的參數(shù)進(jìn)

11、行湊試，直到合適為止 第16頁，共28頁，2022年，5月20日，2點(diǎn)17分，星期二控制器參數(shù)的工程整定方法2-臨界比例度法步驟：（1）先將切除PID控制器中的積分與微分作用，取比例增益KC較小值，并投入閉環(huán)運(yùn)行；（2）將KC由小到大變化，對(duì)應(yīng)于某一KC值作小幅度的設(shè)定值階躍響應(yīng)，直至產(chǎn)生等幅振蕩；（3）設(shè)等幅振蕩時(shí)振蕩周期為Tcr、控制器增益Kcr ，再根據(jù)控制器類型選擇以下PID參數(shù)?？刂埔?guī)律KcTiTdP0.5KcrPI0.45Kcr0.83TcrPID0.6Kcr0.5Tcr0.12Tcr第17頁，共28頁，2022年，5月20日，2點(diǎn)17分，星期二方法3-響應(yīng)曲線法臨界比例度法的局限

12、性：生產(chǎn)過程有時(shí)不允許出現(xiàn)等幅振蕩，或者無法產(chǎn)生正常操作范圍內(nèi)的等幅振蕩。響應(yīng)曲線法PID參數(shù)整定步驟：（1）在手動(dòng)狀態(tài)下，改變控制器輸出（通常采用階躍 變化），記錄被控變量的響應(yīng)曲線；（2）由開環(huán)響應(yīng)曲線獲得單位階躍響應(yīng)曲線，并求取 “廣義對(duì)象”的近似模型與模型參數(shù)；（3）根據(jù)控制器類型與對(duì)象模型，選擇PID參數(shù)并投 入閉環(huán)運(yùn)行。在運(yùn)行過程中，可對(duì)增益作調(diào)整?？刂破鲄?shù)的工程整定第18頁，共28頁，2022年，5月20日，2點(diǎn)17分，星期二控制器參數(shù)的工程整定典型自衡工業(yè)對(duì)象的階躍響應(yīng) 對(duì)象的近似模型：對(duì)應(yīng)參數(shù)見左圖，而增益為：ymin, ymax為CV的測(cè)量范圍；umin, umax為MV

13、的變化范圍，對(duì)于閥位開度通常用0100%表示。第19頁，共28頁，2022年，5月20日，2點(diǎn)17分，星期二特點(diǎn)：適合于存在明顯純滯后的自衡對(duì)象，而且廣義對(duì)象的階躍響應(yīng)曲線可用“一階+純滯后”來近似。整定公式：控制器參數(shù)的工程整定第20頁，共28頁，2022年，5月20日，2點(diǎn)17分，星期二控制器正反作用的判斷 控制器的偏差正反作用選擇 1、控制器正負(fù)偏差的規(guī)定控制理論上以及儀表制造廠家規(guī)定： 正偏差：測(cè)量給定偏差 負(fù)偏差：給定測(cè)量 2、正反作用規(guī)定：正作用：偏差增加，控制器輸出增加（） 反作用：偏差增加控制輸出減少（）第21頁，共28頁，2022年，5月20日，2點(diǎn)17分，星期二控制器正反作

14、用的判定 3、對(duì)于測(cè)量元件及變送器，其作用方向一般都是“正”的。4、 對(duì)于執(zhí)行器，它的作用方向取決于是氣開閥還是氣關(guān)閥（注意不要與執(zhí)行機(jī)構(gòu)和控制閥的“正作用”及“反作用”混淆）。執(zhí)行器的氣開或氣關(guān)型式主要應(yīng)從工藝安全角度來確定。氣動(dòng)薄膜調(diào)節(jié)閥可分為氣關(guān)（NO或FO）和氣開（NC或FC）兩種型式。有信號(hào)壓力時(shí)閥關(guān)、無信號(hào)壓力時(shí)閥開的為氣關(guān)式。反之，為氣開式。氣開閥是“正”方向。氣關(guān)閥是“反”方向。5、對(duì)于被控對(duì)象的作用方向。當(dāng)操縱變量增加時(shí)，被控變量也增加的對(duì)象屬于“正作用”的。反之，屬于“反作用”的。6、控制器的作用方向要根據(jù)對(duì)象及執(zhí)行器的作用方向來確定，以使整個(gè)控制系統(tǒng)構(gòu)成負(fù)反饋的閉環(huán)系統(tǒng)。

15、 第22頁，共28頁，2022年，5月20日，2點(diǎn)17分，星期二一、符號(hào)法()、原理：自控系統(tǒng)正常工作，必須是一個(gè)負(fù)反饋調(diào)節(jié)系統(tǒng)，為此各環(huán)節(jié)乘積必須是正。各環(huán)節(jié)：調(diào)節(jié)器，調(diào)節(jié)閥，對(duì)象，正()正負(fù)號(hào)規(guī)定：）控制器反作用為：“正”；正作用為“負(fù)”）氣開式調(diào)節(jié)閥為“正“，氣關(guān)式為”負(fù)“）對(duì)象：輸入增加，輸出增加為“正“，反之為”負(fù)控制器正反作用的判定 第23頁，共28頁，2022年，5月20日，2點(diǎn)17分，星期二控制器正反作用的判定 舉例：假設(shè)液位出水控制閥為氣開。則KV為正，過程對(duì)象KP為負(fù)，液位測(cè)量單元為正，要使KC*KV*KP*KT=正，則必須KC= 負(fù)。所以液位控制器為正作用。第24頁，共2

16、8頁，2022年，5月20日，2點(diǎn)17分，星期二二、邏輯推理法： ）根據(jù)工藝條件確定閥開閉形式）確定控制器正反作用首先假定控制器為某一作用，如正作用分析是否符合設(shè)計(jì)意圖，符合則原假設(shè)正確，否則取其反分析： )判斷閥開閉形式，選發(fā)閥為氣開式 )假定控制器設(shè)為正作用分析：液位he(t) u（t）Q(t) h（t）（原假設(shè) 符合要求，取正作用）如果閥為氣關(guān)，則液位he(t) u（t）Q(t) h（t）（原假設(shè)不符合要求，取反作用）控制器正反作用的判定 第25頁，共28頁，2022年，5月20日，2點(diǎn)17分，星期二 前面的符號(hào)判斷的規(guī)定為教科書上的。大家注意到?jīng)]有？各環(huán)節(jié)：調(diào)節(jié)器，調(diào)節(jié)閥，對(duì)象，正；但是在控制器的正反作用的符號(hào)上，又規(guī)定控制器反作用為：“正”；正作用為“負(fù)”。 這很容易混亂概念。這里介紹我讀書時(shí)的技巧：就是：負(fù)！那么直接的控