簡單控制系統(tǒng)的設(shè)計和參數(shù)整定方法市公開課獲獎?wù)n件

1、第五章 簡樸控制系統(tǒng)設(shè)計及參數(shù)整定辦法魏 莉 機電工程學(xué)院測控系1第1頁第1頁2第2頁第2頁簡單控制系統(tǒng) 一個調(diào)整器，一個調(diào)整閥，控制一個被控參數(shù)單回路閉環(huán)控制系統(tǒng)，經(jīng)典結(jié)構(gòu)框圖以下圖示。調(diào)整器GC（S）調(diào)整閥GV（S）被控過程GP（S）干擾通道Gf（S）F(S)測量變送H（S）R(S)-E(S)U(S)Q(S)C(S)Y(S)3第3頁第3頁單回路控制系統(tǒng)特點結(jié)構(gòu)簡樸、投資少、易于整定和投運；可滿足普通生產(chǎn)過程工藝要求； 占控制回路80%以上，應(yīng)用廣泛；適合用于被控過程純滯后與慣性不大、 負荷與干擾改變比較平穩(wěn)或者工藝要求不太高場合。4第4頁第4頁5第5頁第5頁第一節(jié) 過程控制系統(tǒng)設(shè)計概述一.

2、 對過程控制系統(tǒng)普通要求穩(wěn)：控制系統(tǒng)必須是穩(wěn)定，且有一定 穩(wěn)定裕量。準：系統(tǒng)被控參數(shù)實際運營情況與希 望情況偏差要小，控制精度要高。快：系統(tǒng)從一個工作狀態(tài)向另一個工作 狀態(tài)過渡時間要短，即衰減振蕩短。 工程上三者往往互相矛盾，如要精度高則平穩(wěn)受影響，要平穩(wěn)則快速性受削弱，普通應(yīng)滿足最主要要求，分清主次。6第6頁第6頁過控系統(tǒng)構(gòu)成: 被控過程；控制儀表；檢測儀表等。主要工作: 擬定控制方案； 選擇檢測辦法； 選擇檢測儀表； 選擇控制儀表; 參數(shù)整定。二. 過程控制系統(tǒng)設(shè)計基本辦法與環(huán)節(jié)7第7頁第7頁控制系統(tǒng)設(shè)計環(huán)節(jié):1. 熟悉系統(tǒng)技術(shù)要求或性能指標2.建立系統(tǒng)數(shù)學(xué)模型 過程數(shù)模是理論分析和進一步

3、設(shè)計基礎(chǔ)和依據(jù)。3.控制方案確實定 含系統(tǒng)構(gòu)成和控制方式,擬定方案依據(jù)是被控過程特性,技術(shù)指標,控制任務(wù)要求,方案要簡樸經(jīng)濟可行,要有比較。4. 依據(jù)系統(tǒng)靜動態(tài)特性進行理論分析和綜合 由技術(shù)指標,系統(tǒng)靜動態(tài)特性,擬定調(diào)整規(guī)律和參數(shù)整定。 分析辦法:頻率法,根軌跡法,優(yōu)化設(shè)計等。 分析工具:計算機仿真等。5. 設(shè)備選型6. 試驗驗證8第8頁第8頁 內(nèi)容包括方案設(shè)計：即系統(tǒng)構(gòu)成和控制方式，是設(shè)計關(guān)鍵，方案不合理，選何種儀表都無作用。工程設(shè)計：指儀表選型，控制室和儀表盤設(shè)計，供電供氣系統(tǒng)設(shè)計，信號連鎖和系統(tǒng)保護。工程安裝與儀表調(diào)校。調(diào)整器參數(shù)整定：設(shè)置調(diào)整器參數(shù)，使系統(tǒng)運營在最佳狀態(tài)。 關(guān)鍵內(nèi)容控制

4、方案設(shè)計；調(diào)整器參數(shù)整定。三. 過程控制系統(tǒng)設(shè)計主要內(nèi)容9第9頁第9頁1 認真熟悉過程特性 要理解過程特性,熟悉工藝流程特點要求,這是方案主要依據(jù)。2 要明確過程中各個生產(chǎn)環(huán)節(jié)關(guān)系3.測量信號預(yù)先處理 普通測量信號作反饋用較主要,但是現(xiàn)場信號,故噪聲大,要進行濾波或線性化或溫度補償?shù)阮A(yù)處理。4.系統(tǒng)安全保護 安全可靠,尤其是在高溫高壓,易燃易爆,強腐蝕等環(huán)境下,要選符合要求儀表和設(shè)備。四.系統(tǒng)設(shè)計中需注意幾種問題10第10頁第10頁第二節(jié) 過程特性對控制質(zhì)量 影響及控制方案確實定一. 干擾通道特性對控制質(zhì)量影響調(diào)整器GC（S）調(diào)整閥GV（S）被控過程GP（S）干擾通道Gf（S）F(S)測量變送

5、H（S）R(S)-E(S)U(S)Q(S)C(S)Y(S)干擾與系統(tǒng)輸出傳遞關(guān)系11第11頁第11頁系統(tǒng)輸出與干擾傳遞函數(shù):C(S) / F(S)=Gf (S) / 1+GC(S)GV(S)GP(S)H(S) 設(shè)干擾通道Gf (S)為一單容過程, 即 Gf (S) = Kf / ( Tf S+1)則有 C(S) / F(S) = 1 / 1+GC(S)GV(S)GP(S)H(S) Kf / ( Tf S+1 ) 或有延時f 時 C(S) / F(S)=Gf (S) / 1+GC(S)GV(S)GP(S)H(S) exp(-f S)12第12頁第12頁1. 靜態(tài)增益Kf : Kf越大,擾動引起輸

6、出越大,設(shè)計時應(yīng)減小Kf ,如辦不到,應(yīng)增強控制作用,或采用擾動補償。2. 時間常數(shù)Tf : Gf (S)是一個慣性環(huán)節(jié),對擾動F(S)有一定濾波作用,Tf 越大 ,效果越明顯,故Tf 越大,擾動對被控參數(shù)動態(tài)影響越小。3. 延時f : 相稱于擾動推遲一段時間進入系統(tǒng),對控制質(zhì)量無影響4. F(S)進入系統(tǒng)位置影響如F(S)在GP(S)之邁進入系統(tǒng):則C(S) / F(S) = 1+GC(S)GV(S)GP(S)H(S) Gf (S)GP(S).或C(S) / F(S) = 1+GC(S)GV(S)GP(S)H(S) 1KfTf S+1KPTP S+1又多了一個濾波器13第13頁第13頁調(diào)整器

7、GC（S）調(diào)整閥GV（S）被控過程GP（S）F1(S)測量變送H（S）R(S)-E(S)C(S)Y(S)F2(S)F3(S)14第14頁第14頁控制通道:其作用總是力圖使被控參數(shù)與給定值相一致擾動通道:其作用總是力圖使被控參數(shù)與給定值相偏離二 .控制通道特性對控制質(zhì)量影響15第15頁第15頁1. 靜態(tài)增益KO : 調(diào)整器KC一定期: KO越大控制作用越強,抗擾能力越強,穩(wěn)態(tài)誤差越小,被控參數(shù)對控制作用反應(yīng)越靈敏。 KO越大意味著系統(tǒng)靜態(tài)增益越大,對系統(tǒng)閉環(huán)穩(wěn)定性不利。 設(shè)計時應(yīng)綜合考慮穩(wěn)定性快速性和穩(wěn)態(tài)誤差三方面: 改變KC使開環(huán)增益KOKC適當,當KO越大,KC越小,減少調(diào)整器要求2. 時間

8、常數(shù)TO : TO較大,調(diào)整器對被控參數(shù)調(diào)整作用就不及時,過渡過程加長 TO過小,控制作用過于靈敏,引起振蕩,設(shè)計時應(yīng)TO較小,或增長微分16第16頁第16頁3.純時延: 信號傳輸,測量變送等產(chǎn)生,對系統(tǒng)影響不利,既不能及時發(fā)覺被控參數(shù)改變,又不能使控制作用及時產(chǎn)生效應(yīng),使動態(tài)偏差增大,超調(diào)增加,相角滯后穩(wěn)定性降低,應(yīng)盡也許減小 過控中用O/TO反應(yīng)控制難易程度, O/TO0.3易控, O/TO0.5難控17第17頁第17頁4.時間常數(shù)匹配: 設(shè)廣義被控過程傳遞函數(shù)為: (由被控過程,測量元件,調(diào)整閥等一階慣性環(huán)節(jié)串接）GO(S) =K(T1S+1)(T2S+1)(T3S+1)則臨界穩(wěn)定增益為

9、: KO=2+T1/T2+T2/T3+T3/T2+T2/T1+T3/T1+T1/T3 KO大小取決于T1,T2,T3相對比值,計算可知:時間常數(shù)錯開越多，開環(huán)增益就允許提升越多，對系統(tǒng)控制質(zhì)量越有利，事實上，最大時間常數(shù)相應(yīng)過程關(guān)鍵設(shè)備，不易改變，可選擇小時間常數(shù)測量儀表和含有小時間常數(shù)調(diào)整閥。18第18頁第18頁控制方案選被控參數(shù)(控制哪一個參數(shù))選控制參數(shù)(操縱變量)測量和變送選調(diào)整閥和執(zhí)行器擬定調(diào)整規(guī)律 擬定控制方案:借助于實際工程經(jīng)驗以及理論分析和計算。三 . 控制方案擬定19第19頁第19頁(1) 應(yīng)選取對產(chǎn)品質(zhì)量和產(chǎn)量,安全生產(chǎn),經(jīng)濟運營有決 定性作用,可直接測量工藝參數(shù)作為被控參

10、數(shù)。(2) 對難以直接測量被控參數(shù),應(yīng)選取一個與直接參數(shù)有單值函數(shù)關(guān)系間接參數(shù)作為被控參數(shù)(精餾塔)。(3) 用間接參數(shù)作為被控參數(shù)時,該參數(shù)應(yīng)對產(chǎn)品質(zhì)量有足夠控制靈敏度(4) 考慮工藝過程合理性和選取儀器儀表性能價格比普通情況下,對于一個已經(jīng)運營生產(chǎn)過程,被控參數(shù)是擬定,事實上已無多大選擇余地1、系統(tǒng)被控參數(shù)選取20第20頁第20頁21第21頁第21頁依據(jù)過程特性對系統(tǒng)控制質(zhì)量影響分析,選擇操縱變量(1) 選擇結(jié)果應(yīng)使靜態(tài)增益KO應(yīng)盡也許大一些,時間常數(shù)TO適當小一些,由生產(chǎn)過程,系統(tǒng)技術(shù)指標,調(diào)整器參數(shù)整定范圍,用自控理論分析計算來確定。(2) 純時延時間O應(yīng)盡也許小, O/TO要小于0.

11、3，此比值過大時,不能用簡樸控制系統(tǒng)。(3) 擾動通道靜態(tài)增益Kf要盡也許小,時間常數(shù)Tf要盡也許大,擾動進入系統(tǒng)位置應(yīng)盡也許遠離被控參數(shù),靠近執(zhí)行器,可克制擾動對被控參數(shù)動態(tài)影響。(4) 錯開廣義被控過程時間常數(shù)(5) 考慮工藝操作合理可行性和經(jīng)濟性2 、控制參數(shù)(操縱變量)選擇22第22頁第22頁測量變送傳遞函數(shù):Y(S) / X(S) =Km /(TmS+1)exp(-mS) 亦即純延時慣性環(huán)節(jié)，入出之間存在動態(tài)偏差，與儀表精度等級無關(guān)。x yxy階躍響應(yīng)tmm+Tm0mm+Tm0 x yxyt速度信號響應(yīng)儀表靜態(tài)誤差:是指穩(wěn)態(tài)時測量值與真實值之間偏差為了減小動態(tài)誤差,提升測量精度,應(yīng)設(shè)

12、法減小m和 Tm ,在其它一定情況下,只能選快速測量儀表3、被控參數(shù)測量及變送問題23第23頁第23頁有下列幾種問題要注意:(1) 正確安裝測量儀表(2) 對測量信號進行濾波和線性化(3) 對純時延要盡也許進行補償Gm(S)exp(-mS)+G(S)+x(S)y(S)加補償環(huán)節(jié)后 x(S)Gm(S)=x(S)Gm(S)exp(-mS)+x(S) G(S)則G(S)= Gm(S)1- exp(-mS)結(jié)構(gòu)G (S)即可24第24頁第24頁(4)盡也許消除Tm影響 選取快速儀表,但受一定局限,普通在測量變送環(huán)節(jié)輸出端串接微分環(huán)節(jié)。Km/(TmS+1)TDS+1x(S)Y(S)y(S)/x(S)=K

13、m(TDS+1)/(TmS+1)若TD=Tm則可消除Tm影響 實際工程中,將此微分環(huán)節(jié)串于調(diào)整器之后,除可消除Tm影響外,還可起到加快系統(tǒng)對給定值變動時動態(tài)響應(yīng)作用(5)氣動信號時延問題氣動傳播管道特性:G(S)=1/(TS+1)exp(-S)盡也許縮短氣路,增設(shè)繼動器,補償25第25頁第25頁氣動執(zhí)行器多用，另一方面是電動執(zhí)行器，應(yīng)依據(jù)實際情況選擇。 氣動執(zhí)行器有氣開和氣關(guān)兩種形式，應(yīng)在調(diào)整器輸出為零或氣源中斷時生產(chǎn)過程處于安全狀態(tài)調(diào)整閥開度和口徑選擇: 口徑過小,系統(tǒng)受大擾動時,即使全開,也會暫時失控；口徑過大,閥門常處小開度,沖擊使閥門受損失靈,正常工況下,閥開度應(yīng)在15%-85%之間。

14、調(diào)整閥流量特性:考慮通過閥非線性流量特性補償被控過程非線性特性電動執(zhí)行器普通是電開形式4 、調(diào)整閥(執(zhí)行器)選擇 26第26頁第26頁關(guān)于正反作用被控過程正反作用正作用：輸入量時,輸出量,KP為正反作用：輸入量時,輸出量,KP為負如水池在出口流量一定期,進口流量液位,為正作用如水池在入口流量一定期,出口流量液位,為反作用5、調(diào)整器控制規(guī)律選擇調(diào)整器正反作用正作用:反饋至輸入端測量值 調(diào)整器輸出,KC為負反作用:反饋至輸入端測量值 調(diào)整器輸出,KC為正調(diào)整閥氣開:KV為正氣關(guān):KV為負測量變送環(huán)節(jié)Km為正27第27頁第27頁調(diào)整器正反作用擬定：由安全擬定氣開氣關(guān)過程特性擬定正反類型 擬定測量變送

15、環(huán)節(jié)極性擬定調(diào)整器正反作用系統(tǒng)正常工作:確保負反饋28第28頁第28頁例1:水槽液位控制系統(tǒng) “-”“+”“+”“+”29第29頁第29頁例2:加熱爐溫度控制系統(tǒng) “-”“+”“+”“+”30第30頁第30頁第三節(jié) 調(diào)整規(guī)律對控制質(zhì)量影響 及調(diào)整規(guī)律選擇 控制器作用：控制執(zhí)行器，改變操縱變量使被控變量符合生產(chǎn)要求。 控制器在閉環(huán)控制系統(tǒng)中將檢測變送環(huán)節(jié)傳送過來信息與被控變量設(shè)定值比較后得到偏差，然后依據(jù)偏差按照一定控制規(guī)律進行運算，最后輸出控制信號作用于執(zhí)行器上。 31第31頁第31頁 過程控制普通是指連續(xù)控制系統(tǒng)，控制器輸出隨時間改變發(fā)生連續(xù)改變。無論是何種控制器，都有其基本調(diào)整規(guī)律。 調(diào)整

16、規(guī)律定義：是指控制器輸出信號與輸入信號之間關(guān)系。 控制器輸入信號e(t)：是測量值y(t)與被控變量設(shè)定值之差 ，即e(t)= r(t) - y(t) ； 控制器輸出信號u(t)：是送往執(zhí)行機構(gòu)控制命令。 調(diào)整規(guī)律就是控制器輸出信號u(t)隨輸入信號e(t)改變規(guī)律。 32第32頁第32頁以熱互換器溫度控制系統(tǒng)為例：設(shè)熱互換器出口溫度正常操作時應(yīng)為85 ，載熱體是蒸汽。 位式調(diào)整百分比調(diào)整積分調(diào)整微分調(diào)整 33第33頁第33頁一.百分比調(diào)整(Proportional Control )調(diào)整器輸出: u=KC e Kc百分比增益，衡量百分比控制作用強弱變量。 Kc越大，在相同偏差輸入下，輸出也越

17、大?？刂破鬏敵龈淖兞颗c輸入偏差成正百分比，在時間上沒有延滯。在實際中，習(xí)慣上使用百分比帶表示百分比控制作用強弱。 百分比帶:=1/KC 34第34頁第34頁1. 有差調(diào)整,存在靜態(tài)誤差,e為零,則u=0,失去調(diào)整作用,只能被控參數(shù)有差跟蹤給定值，動作速度快。2.靜差隨而, 但穩(wěn)定性,動態(tài)變壞3.不適合于給定值隨時間改變情況，會使跟蹤誤差隨時間增大而增大。4.關(guān)于KC KC增長,可減小靜差,減少系統(tǒng)慣性,加快響應(yīng)速度,但系統(tǒng)穩(wěn)定性下降。C(S)/R(S)=KOKC/(1+KOKC)/TO/(1+KOKC)S+1=K/(TS+1)Kc越大，則T比TO減小諸多KCKO/(TOS+1)R(S)e(S)

18、u(S)C(S)-35第35頁第35頁5.關(guān)于百分比帶百分比調(diào)整不是輸出與輸入成百分比，而是兩者改變量成百分比。百分比帶：控制器輸入改變相對值與相應(yīng)輸出改變相對值之比百分數(shù) 其中：e為控制器輸入信號改變量，即偏差信號； (Zmax-Zmin)為控制器輸入信號改變范圍，即量程； u為控制器輸出信號改變量，即控制命令；(umax-umin)為控制器輸出信號改變范圍。 36第36頁第36頁X50%50%100%100%Y=2=1=0.5 橫軸投影長度即為,在此范圍內(nèi)是有百分比作用,若偏差太大超出此范圍,就不再有百分比作用,輸出變量像開關(guān),不是最大就是最小。百分比帶詳細意義為：使控制器輸出改變滿刻度時

19、，相應(yīng)控制器輸入改變量占輸入信號改變范圍百分數(shù)。即要使輸出做全范圍改變，輸入信號必須改變?nèi)砍贪俜种畮住?37第37頁第37頁例題：一臺百分比作用溫度調(diào)整器，其溫度改變范圍為400-800，調(diào)整器輸出范圍是4-20mA。當溫度從600改變到700時，調(diào)整器相應(yīng)輸出從8mA變?yōu)?2mA，試求該調(diào)整器百分比帶。 這闡明在這個百分比帶下，溫度全范圍改變（相稱于400 ）時，控制器輸出從最小變?yōu)樽畲?，在此區(qū)間內(nèi)，e和u是成百分比。 38第38頁第38頁百分比帶對系統(tǒng)穩(wěn)定性影響 小于臨界值等于臨界值偏小適當偏大太大39第39頁第39頁進水出水設(shè)定值HSP調(diào)整閥浮子支點L1L2L3L4杠桿閥桿百分比式液位

20、調(diào)整原理百分比增益KC=L1/L2百分比帶 =1/KC用水多時實際水位必定要低于設(shè)定值，閥門才干開大用水少時實際水位必定要高于設(shè)定值，閥門才干關(guān)小靜差Proportional Control 舉例闡明40第40頁第40頁調(diào)整器輸出 在人工調(diào)整時有一個理所當然原則,就是偏差不除決不罷休,只要偏差存在就連續(xù)不斷地調(diào)下去,直到把偏差完全消除為止;非但如此, 偏差存在時間長,闡明擾動大,已經(jīng)施加在對象上調(diào)整動作還不足以克制偏差,需要更大操作量,即操作量應(yīng)和偏差對時間積分成正比。二.積分調(diào)整(Integral Control) 只要偏差存在,調(diào)整器輸出就不斷增長,e=0,不再增長但維持其輸出。1. 無差

21、調(diào)整,調(diào)整過程結(jié)束,靜差就不存在2. 積分常數(shù)SC大,則效果但穩(wěn)定性減少3. I比P穩(wěn)定性差,因階數(shù)增長,出比入滯后90041第41頁第41頁PI輸出： u=KCe+(KC/TI) e dt =1/e+(1/TI) e dt 0t0t傳遞函數(shù):GC(S)=U(S)/E(S)=1/1+1/(TIS)=1/(TIS+1)/(TIS)ettuTIKCe2KCe階躍響應(yīng)如左圖,在起始階段P起作用,之后,PI共同作用,把P快速性與I消除靜差相結(jié)合。積分作用滯后特性:動態(tài)比P差積分飽和:由于一些原因,e始終存在,使積分器深度飽和,失去調(diào)整作用,這是不允許,要預(yù)防。PI調(diào)整單獨I調(diào)整無實用意義,而是用PI調(diào)

22、整，將P快速與I無差結(jié)合。42第42頁第42頁 在一個純百分比控制閉環(huán)系統(tǒng)中引入積分作用時，若保持控制器百分比度不變，則可從下圖所表示曲線族中看到，伴隨TI減小，則積分作用增強，消除余差較快，但控制系統(tǒng)振蕩加劇，系統(tǒng)穩(wěn)定性下降；TI過小，也許造成系統(tǒng)不穩(wěn)定。TI小，擾動作用下最大偏差下降，振蕩頻率增長。 TI影響43第43頁第43頁結(jié)論： 在百分比控制系統(tǒng)中引入積分作用長處是能夠消除余差，然而減少了系統(tǒng)穩(wěn)定性；若要保持系統(tǒng)原有衰減比，必須相應(yīng)加大控制器百分比帶，這會使系統(tǒng)其它控制指標下降。因此，假如余差不是主要控制指標，就沒有必要引入積分作用。 由于百分比積分控制器含有百分比和積分控制長處，有

23、百分比帶和TI兩個參數(shù)可供選擇，因此合用范圍比較寬廣，多數(shù)控制系統(tǒng)都能夠采用。 44第44頁第44頁 無論是P還是I都是系統(tǒng)有偏差時才去處理,最好是能預(yù)測被調(diào)參數(shù)改變趨勢,從而當機立斷事先采用辦法,防患于未然, 這種依據(jù)被調(diào)參數(shù)改變速度采用動作叫微分作用。D調(diào)整輸出：u=SD d e / d t 同樣,單純D調(diào)整也無多大實用價值，常和P或I結(jié)合,構(gòu)成PD,PID 調(diào)整。三.微分調(diào)整(Differential Control)45第45頁第45頁輸出 u=KC e +KCTD( de/dt) = 1/e+TD(de/dt)傳遞函數(shù) GC(S)=U(S)/E(S) =1/(1+TDS) 因微分易引

24、入高頻噪聲,普通加低通濾波,則 GC(S)=U(S)/E(S) =(1/)(1+TDS)/(TD/KD)S+1 KD為微分增益,在5-10之間,這樣分母項時間常數(shù)是分子項1/5-1/10，分析時能夠忽略分母項時間常數(shù)影響。1、PD調(diào)整46第46頁第46頁0.632YDYP+YDYXttYPTD1.PD是有差調(diào)整,穩(wěn)態(tài)下D已不起作用,只剩P了2.PD可提升系統(tǒng)穩(wěn)定性,克制過渡過程最大超調(diào)3.PD可減小靜差,提升響應(yīng)速度, 因D后可KC4.PD適合于時間常數(shù)大過程,不適合于Q,P等改變猛烈過程,會使閥頻繁開關(guān)振蕩47第47頁第47頁輸出 u=KCe+S1edt +S2(de/dt) 或 u=1/(

25、e+1/TIedt+TDde/dt)0t0t傳遞函數(shù) GC(S)=1/1+1/(TIS)+TDS =1/(TITDS2+TIS+1)/(TIS)2、PID調(diào)整48第48頁第48頁 PID調(diào)整是P,I和D線性組合,結(jié)合了百分比快速性,積分消除靜差和微分預(yù)測性,要整定三個參數(shù)，比較困難PIDttttPID階躍作用時響應(yīng),為正極性信號作用于正作用調(diào)整器49第49頁第49頁PID參數(shù)對系統(tǒng)動靜態(tài)特性影響百分比度過小，即百分比放大系數(shù)過大時，百分比控制作用很強，系統(tǒng)有也許產(chǎn)生振蕩；積分時間過小時，積分控制作用很強，易引起振蕩；微分時間過大時，微分控制作用過強，易產(chǎn)生振蕩。 50第50頁第50頁PID參數(shù)

26、對系統(tǒng)動靜態(tài)特性影響：百分比（P）控制51第51頁第51頁PID參數(shù)對系統(tǒng)動靜態(tài)特性影響：百分比積分（PI）控制52第52頁第52頁PID參數(shù)對系統(tǒng)動靜態(tài)特性影響：百分比微分（PD）控制53第53頁第53頁PID參數(shù)對系統(tǒng)動靜態(tài)特性影響：百分比積分微分（PID）控制54第54頁第54頁55第55頁第55頁調(diào)整規(guī)律應(yīng)依據(jù)調(diào)整對象特性,負荷改變,擾動以及控制要求等詳細情況來詳細分析并考慮系統(tǒng)經(jīng)濟性運營以便等原因來擬定1.當廣義控制通道時間常數(shù)或容積遲延較大時應(yīng)引入D調(diào)整,若允許有靜差,引入PD,不允許有靜差,選取PID。2.當廣義控制通道時間常數(shù)較小,負荷改變不大,工藝允許有靜差時,選P調(diào)整,如儲

27、罐壓力,液位等工業(yè)過程。四.調(diào)節(jié)規(guī)律擬定56第56頁第56頁3.當廣義控制通道時間常數(shù)較小,負荷改變不大,但工藝要求無靜差時,選PI調(diào)整,如管道壓力和流量控制等。4.當廣義控制通道時間常數(shù)很大,并且純時延較大,負荷改變也猛烈時,簡樸控制系統(tǒng)不能滿足要求,要用復(fù)雜控制系統(tǒng)或其它控制方案。5.若廣義過程傳遞函數(shù)為 GO(S)=KOexp(-0S)/(TOS+1)0 / TO 0.2時,選P或PI0.20 / TO 1.0時,選PD或PID0 / TO 1.0時,簡樸控制不能滿足要求, 選串級或前饋-反饋復(fù)合控制 57第57頁第57頁五.位式控制 雙位控制是位式控制最簡樸形式。雙位控制規(guī)律是：當測量

28、值不小于給定值時，控制器輸出最大（或最?。?；而當測量值小于給定值時，則控制器輸出為最?。ɑ蜃畲螅?。其偏差e與輸出u間關(guān)系為： 當e0或e0時， e0時， 雙位控制只有兩個輸出值，相應(yīng)執(zhí)行器也只有兩個極限位置，“開”或“關(guān)”。并且從一個位置到另一個位置是極其快速，這種特性又稱繼電特性。 1、雙位控制58第58頁第58頁是一個典型雙位控制系統(tǒng)。它是利用電極式液位計來控制電磁閥啟動與關(guān)閉，從而使貯槽液位維持在給定值上下很小一個范圍內(nèi)波動。 59第59頁第59頁 在自動控制系統(tǒng)中，控制器若要按上述規(guī)律動作，則執(zhí)行器動作非常頻繁，這樣就會使系統(tǒng)中運動部件（如上例中繼電器、電磁閥等）因動作頻繁而損壞，因而

29、很難保持雙位控制系統(tǒng)安全、可靠地工作。實際生產(chǎn)中被控變量與給定值之間總是允許有一定偏差，因此，實際應(yīng)用雙位控制器都有一個中間區(qū)（有時就是儀表不靈敏區(qū)）。帶中間區(qū)雙位控制規(guī)律是：當被控變量上升時，必須在測量值高于給定值某一數(shù)值后，閥門才“關(guān)”（或“開”）；而當被控變量下降時，必須在測量值低于給定值某一數(shù)值后，閥門才“開”（或“關(guān)”）。在中間區(qū)域，閥門是不動作。這樣，就能夠大大減少執(zhí)行器開閉閥門頻繁程度。 2、含有中間區(qū)雙位控制 60第60頁第60頁 圖中上面曲線是控制器輸出（比如通過電磁閥流體流量Q）與時間t關(guān)系；下面曲線是被控變量（液位）在中間區(qū)內(nèi)隨時間改變曲線。當液位低于下限值時，電磁閥是開

30、，流體流量不小于流出流體流量，故液位上升。當上升到上限值時，閥門關(guān)閉，流體停止流入。由于此時內(nèi)流體仍在流出，故液位下降，直到液位下降至下限值時，電磁閥才重新啟動，液位又開始上升。因此，帶中間區(qū)雙位控制過程是被控變量在它上限值與下限值之間等幅振蕩過程。 61第61頁第61頁雙位控制器特點：結(jié)構(gòu)簡樸、成本較低、易于實現(xiàn)，因此應(yīng)用很普遍。常見雙位控制器有：帶電觸點壓力表、帶電觸點水銀溫度計、雙金屬片溫度計、動圈式雙位批示調(diào)整儀等。在工業(yè)生產(chǎn)中，如對控制質(zhì)量要求不高，且允許進行位式控制時，可采用雙位控制器構(gòu)成雙位控制系統(tǒng)。如空氣壓縮機貯罐壓力控制，恒溫箱、電烘箱、管式加熱爐溫度控制等就常采用雙位控制系

31、統(tǒng)。 62第62頁第62頁3、三位控制 雙位控制特點是：控制器只有最大與最小兩個輸出值；執(zhí)行器只有“開”與“關(guān)”兩個極限位置。因此，對象中物料量或能量總是處于嚴重不平衡狀態(tài)，被控變量總是猛烈振蕩，得不到比較平穩(wěn)控制過程。為了改進這種特性，控制器輸出能夠增長一個中間值，即當被控變量在某一個范圍內(nèi)時，執(zhí)行器能夠處于某一中間位置，以使系統(tǒng)中物料量或能量不平衡狀態(tài)得到緩和，這就構(gòu)成了三位式控制規(guī)律。 63第63頁第63頁64第64頁第64頁第四節(jié) 調(diào)整器參數(shù)工程整定辦法 依據(jù)被控過程特性擬定PID調(diào)整器百分比度,積分時間TI，微分時間TD大小。整定實質(zhì)是通過改變調(diào)整器參數(shù)，使其特性和過程特性相匹配，以

32、改進系統(tǒng)動態(tài)和靜態(tài)指標，取得最佳控制效果。投運環(huán)節(jié)：檢測系統(tǒng)投入運營；調(diào)整閥手動遙控；調(diào)整器投運。待回路工況穩(wěn)定后，可投入自動：把調(diào)整器PID參數(shù)值設(shè)置適當位置，當其偏差靠近零時， 即將調(diào)整器由手動切換到自動；若還不夠抱負，則繼續(xù)整定調(diào)整器參數(shù)，直到滿意為止。 65第65頁第65頁控制系統(tǒng)投運： 關(guān)鍵是自動和手動切換 要求：必須確保是無擾動切換。 手動：通過控制器，手動給出控制器輸出，手動輸出。手動時，自動輸出跟蹤手動輸出。 自動：控制器依據(jù)偏差，自動計算給出控制器輸出，自動輸出。自動時，手動輸出跟蹤自動輸出。 普通，儀表控制器帶有自動/手動切換開關(guān)，計算機控制時，也必須設(shè)置這樣開關(guān)。66第6

33、6頁第66頁控制系統(tǒng)整定 1、整定目標 當前基本控制器普通均為PID控制器（百分比、積分、微分控制器）。PID控制器整定，調(diào)整P、I、D參數(shù)，使得控制系統(tǒng)控制性能指標達到滿意。一旦控制控制系統(tǒng)安裝到位，控制系統(tǒng)品質(zhì)就取決于控制器參數(shù)設(shè)置 目標：選擇什么樣控制系統(tǒng)性能指標。 常見，如4：1衰減等，依據(jù)不同實際情況，有所不同。 67第67頁第67頁2、整定辦法 兩類：理論計算和工程整定辦法 3、理論整定辦法 基于控制原理計算辦法（時域法、頻域法、根軌跡法等），例子見教材。理論整定辦法，必須要求已知各個環(huán)節(jié)傳遞函數(shù)，對于普通實際問題，難于滿足。另外，理論計算也比較煩瑣，工程上普通不采用。 4、工程整

34、定辦法 工程整定辦法，經(jīng)驗辦法，簡樸、以便，工程實際中廣泛采用。 68第68頁第68頁調(diào)整器參數(shù)整定常以系統(tǒng)瞬態(tài)響應(yīng)衰減率=0.75-0.90(衰減比為4:1-10:1)為主要指標,盡也許滿足系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)誤差,最大動態(tài)偏差,過渡時間等其它指標y1y3xt靜差衰減率=(y1 - y3) / y1=0.75-0.90衰減比n=y1 / y3=4:1-10:169第69頁第69頁這是一個閉環(huán)整定辦法,無需測試過程動態(tài)特性,辦法簡樸以便,使用較多先TI= ,TD=0 , （沒有積分、微分作用） 置于100%（K=1）,系統(tǒng)投入閉環(huán)運營2 系統(tǒng)運營穩(wěn)定后,對設(shè)定值施加一個階躍擾動, 由大到小減小, 直到系統(tǒng)

35、輸出Y出現(xiàn)等幅振 蕩,亦即臨界振蕩，統(tǒng)計此時K 和 TK4 由K 和 TK 查表,表中數(shù)據(jù)是由經(jīng)驗公式計算而來一. 臨界百分比度法3 若Y衰減振蕩，則繼續(xù)減??；若Y發(fā)散振蕩，則應(yīng)增大70第70頁第70頁tTKC(t)整定參數(shù)調(diào)整規(guī)律PPIPID%TITD2K2.2K1.7K0.85TK0.5TK0.125TK臨界百分比度法長處：簡樸缺點：有些實際系統(tǒng)不允許進行等幅振蕩測試(如鍋爐給水和燃燒控制) ，另外，對象也必須是二階以上系統(tǒng)，不然，不能出現(xiàn)振蕩。 71第71頁第71頁無需出現(xiàn)等幅振蕩1 先TI= ,TD=0 ,置于較大,系統(tǒng)投入閉環(huán)運營2 系統(tǒng)運營穩(wěn)定后,對設(shè)定值施加一個階躍擾動,調(diào)整,

36、直到系統(tǒng)出現(xiàn)衰減比為4:1或10:1振蕩,統(tǒng)計此時S 和 TS或Tr由S和TS和Tr查表,表中數(shù)據(jù)是由經(jīng)驗公式計算而來二 . 衰減曲線法72第72頁第72頁C(t)tTSC(t)tTr衰減比整定參數(shù)調(diào)整規(guī)律PPIPID0.75%TITDS1.2S0.5TS0.8S0.3TS0.1TS0.90PPIPIDS1.2S2Tr0.8S1.2Tr0.4Tr長處：易于實際應(yīng)用缺點：有時4：1衰減10：1衰減曲線 不太好擬定，只能近似 73第73頁第73頁這是一個開環(huán)整定辦法,用廣義過程階躍響應(yīng)特性曲線進行參數(shù)整定GC(S)GV(S)GP(S)Gm(S)RSCSy(S)三. 反應(yīng)曲線法系統(tǒng)開環(huán)、穩(wěn)定（測量值

37、等于給定值） 手動操作控制器產(chǎn)生一個階躍輸出，它將作用于廣義對象上，統(tǒng)計Y曲線（反應(yīng)曲線） 此辦法簡樸，但有些實際場合，不允許進行開環(huán)階躍試驗74第74頁第74頁對于無自衡廣義過程,傳遞函數(shù)為: GO(S)=(/S)exp(-s)對于有自衡廣義過程,傳遞函數(shù)為: GO(S)=KO/(1+TOS)exp(-s) =(1/)/(1+TOS) exp(-s)y(t)=tgty(t)TOtKO=1/75第75頁第75頁GC（S）1/（1+1/TIS）/(1+1/TIS+TDS)/P調(diào)整規(guī)律0.85TI2TD0.5PIPID1.13.3調(diào)整規(guī)律PPIPID(1+1/TIS+TDS)(1+1/TIS)1G

38、C(S)/TO0.2TITD1/TO1.1/TO.85/TO3.320.50.2/TO1.5TITO-0.08)(TO+0.7)(2.6TO-0.08)(TO+0.6)(2.6TO-0.15)(TO+0.08)(2.60.8T00.81T0+0.19TD0.25TI=0.75無自衡=0.75有自衡76第76頁第76頁1. P調(diào)整器 1/=1/KO (/TO)-1 + 0.3333 2. PI調(diào)整器 1/=1/KO 0.9(/TO)-1 + 0.082 TI/TO=3.33(/TO)+0.3(/TO)2/1+2.2(/TO)3. PID調(diào)整器 1/=1/KO1.35(/TO)-1+0.27TI/

39、TO=2.5(/TO)+0.5(/TO)2/1+0.6(/TO)TD/TO=0.37(/TO)/1+0.2(/TO以=0.75為性能指標反應(yīng)曲線法之柯恩-庫恩整定公式77第77頁第77頁絕對誤差積分 IAE = e(t)dt0平方誤差積分 ISE = e2(t)dt0時間與絕對誤差乘積積分 ITAE = te(t)dt0以上述三個誤差積分極小化為準則,由計算機仿真,得到調(diào)整器參數(shù)整定公式:對于P調(diào)整 KCKO=A(/TO)B對于I調(diào)整 TO/TI=A(/TO)B對于D調(diào)整 TD/TO=A(/TO)B其中KC=1/ , A 和 B 數(shù)值查下表反應(yīng)曲線法以積分誤差為準則78第78頁第78頁判據(jù)調(diào)整

40、規(guī)律調(diào)整作用ABIAEISEITAEIAEISEITAEIAEPPPPIPIPIPIDPPPPIPIPIPIDISEPIDPIDITAEPIDPID0.9021.4110.9040.9840.6081.3050.4920.8590.6741.4350.8781.4951.1010.5601.3570.4820.8420.381-0.985-0.917-1.084-0.986-0.707-0.959-0.739-0.977-0.680-0.921-0.7491.137-0.945-0.7711.006-0.947-0.7380.995反應(yīng)曲線法以積分誤差為準則表格(定值)79第79頁第79頁判據(jù)

41、調(diào)整規(guī)律調(diào)整作用ABIAEITAEIAEITAEPIPIPIDPIDPI*PI*PI*DPI*D0.7581.020.5861.031.0860.7400.3480.9650.7960.3080.929-0.147-0.8550.914-0.130-0.869-0.861-0.323-0.916-0.165對于P調(diào)整 KCKO=A(/TO)B對于I*調(diào)整 TO/TI=A+B(/TO)對于D調(diào)整 TD/TO=A(/TO)B對于隨動系統(tǒng)反應(yīng)曲線法以積分誤差為準則表格(隨動)80第80頁第80頁已知被控過程為二階慣性環(huán)節(jié)G(S)=1(5S+1)(2S+1)測量儀表特性Gm(S)=10S+11調(diào)整閥特

42、性GV(S)=1.0則廣義過程傳遞函數(shù)GP(S)=GV(S) G(S) Gm(S)=(5S+1)(2S+1) (10S+1)1試驗得到階躍響應(yīng)曲線為近似帶純時延一階慣性環(huán)節(jié)GP(S)=20S+11e-2.5S舉例81第81頁第81頁1 反應(yīng)曲線法/T0=2.5/20=0.1250.20 ,依據(jù)=0.75準則查表P調(diào)整=0.125即KC=8PI調(diào)整KC=7.5,TI=8.25PID調(diào)整KC=9.4,TI=5,TD=1.25P調(diào)整KC=8.3PI調(diào)整KC=7.3,TI=6.6PID調(diào)整KC=10.9,TI=5.85,TD=0.89柯-庫= 2.5 s，T0=20s，=182第82頁第82頁2 臨界百分比法在純百分比時,使百分比帶由大到小出現(xiàn)等幅振蕩得K0.08 ,TK15,12P調(diào)整 KC=6.25PI調(diào)整KC=5.7,TI=12.85PID調(diào)整KC=7.35,TI=7.56,TD=1.89主要是試驗;不同經(jīng)驗公式有一點差異;不同方法差異較大臨界百分比法設(shè)置參數(shù)可預(yù)防系統(tǒng)不穩(wěn)定83第83頁第83頁四. 經(jīng)驗法84第84頁第84頁85第85頁第85頁四. 工程整定辦法比