第三章：單回路調(diào)節(jié)系統(tǒng)設(shè)計(jì).ppt

1、第三章：單回路調(diào)節(jié)系統(tǒng)設(shè)計(jì),鄭輯光 西安交通大學(xué)自動(dòng)控制研究所 2005年3月,調(diào)節(jié)系統(tǒng)設(shè)計(jì)（P.245）,單回路調(diào)節(jié)系統(tǒng)概述,單回路調(diào)節(jié)系統(tǒng): 一般指在一個(gè)調(diào)節(jié)對(duì)象上用一個(gè)調(diào)節(jié)器來保持一個(gè)參數(shù)恒定，而調(diào)節(jié)器只接收一個(gè)測量信號(hào)，其輸出也只控制一個(gè)執(zhí)行機(jī)構(gòu)。 單回路控制系統(tǒng)主要由四個(gè)基本環(huán)節(jié)組成，即被控對(duì)象(簡稱對(duì)象)、測量變送裝置、控制器和執(zhí)行器。,單回路調(diào)節(jié)系統(tǒng)概述,過程控制的任務(wù)主要是在了解掌握生產(chǎn)工藝流程和生產(chǎn)過程的靜態(tài)、動(dòng)態(tài)特性的基礎(chǔ)上，根據(jù)產(chǎn)品質(zhì)量、運(yùn)行平穩(wěn)性以及安全生產(chǎn)要求，應(yīng)用控制理論對(duì)控制系統(tǒng)進(jìn)行分析和綜合，最后采用適宜的技術(shù)手段加以實(shí)現(xiàn)。 過程控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)的主要任務(wù)就在于確定

2、合理的控制方案、選擇正確的過程檢測方法和檢測儀表，以及過程控制儀表的選型和參數(shù)整定等。,調(diào)節(jié)系統(tǒng)設(shè)計(jì)步驟,熟悉系統(tǒng)的技術(shù)要求或性能指標(biāo)； 對(duì)工藝過程、設(shè)備以及對(duì)象的動(dòng)、靜態(tài)特性進(jìn)行深入的了解； 制訂控制方案； 調(diào)節(jié)器參數(shù)整定； 實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證。,控制方案的制訂,1確定被調(diào)參數(shù) 根據(jù)產(chǎn)品質(zhì)量、生產(chǎn)工藝要求、變量的可測性等因素來選取合適的被調(diào)參數(shù)。 2確定調(diào)節(jié)量（選擇控制介質(zhì)） 基于干擾通道、調(diào)節(jié)通道對(duì)象參數(shù)對(duì)系統(tǒng)調(diào)節(jié)性能的影響，來選擇調(diào)節(jié)量。選擇不同的調(diào)節(jié)量決定了不同的干擾與調(diào)節(jié)通道，如下圖所示。另外，還要考慮到生產(chǎn)工藝上的合理性。,控制方案的制訂（續(xù)）,調(diào)節(jié)器參數(shù)整定,調(diào)節(jié)器參數(shù)整定,下面主要講解內(nèi)

3、容,調(diào)節(jié)對(duì)象的動(dòng)態(tài)特性及其實(shí)驗(yàn)測定； 對(duì)象（干擾通道及調(diào)節(jié)通道）動(dòng)態(tài)特性對(duì)調(diào)節(jié)質(zhì)量的影響； 調(diào)節(jié)規(guī)律對(duì)閉環(huán)系統(tǒng)動(dòng)態(tài)特性的影響及調(diào)節(jié)規(guī)律的選擇； 調(diào)節(jié)器參數(shù)的整定。 （注意：以上內(nèi)容均為上述制訂控制方案服務(wù)）,31 對(duì)象動(dòng)特性及其實(shí)驗(yàn)測定(P.197),一般研究調(diào)節(jié)對(duì)象特性（即建模）的方法有兩種： 1. 機(jī)理分析法 通過分析過程的機(jī)理，根據(jù)物料平衡或能量平衡關(guān)系求得數(shù)學(xué)模型，即對(duì)象動(dòng)態(tài)特性的微分方程。 2. 實(shí)驗(yàn)測定法 通過實(shí)驗(yàn)測定，對(duì)取得的數(shù)據(jù)進(jìn)行加工整理而求得對(duì)象的微分方程式或傳遞函數(shù)。,一、機(jī)理分析建模法,靜態(tài)平衡條件 在靜態(tài)調(diào)節(jié)下，單位時(shí)間流入對(duì)象的物料或能量等于從系統(tǒng)中流出的物料或能量

4、； 動(dòng)態(tài)平衡條件 在動(dòng)態(tài)條件下，單位時(shí)間內(nèi)流入系統(tǒng)的物料（或能量）與單位時(shí)間內(nèi)流出的物料（或能量）之差等于系統(tǒng)內(nèi)物料（或能量）儲(chǔ)存量的變化率。,典型受控過程 ：單容過程,對(duì)象原始模型：,典型受控過程 ：單容過程,水槽水位的動(dòng)特性,水槽水位的動(dòng)特性,對(duì)象的自衡特性,對(duì)象的自衡特性,非自衡過程,雙容對(duì)象、容量滯后,多容對(duì)象、容量滯后、純滯后,二、對(duì)象特性的階躍響應(yīng)測試法,試驗(yàn)過程注意事項(xiàng),采取一切措施防止其它干擾的發(fā)生。同一飛升曲線應(yīng)重復(fù)測試多次，從中剔除某些偶然性誤差。 在對(duì)象同一平衡工況下，加上正、反兩方向的階躍信號(hào)，分別測出對(duì)象的飛升特性，進(jìn)行比較，以檢驗(yàn)對(duì)象的非線性特性。 應(yīng)把對(duì)象穩(wěn)定在不

5、同平衡工況下，重復(fù)上述試驗(yàn)。一般在對(duì)象最小，最大及平均負(fù)荷下分別進(jìn)行。 試驗(yàn)時(shí)，必須特別注意被調(diào)量離開起始點(diǎn)狀態(tài)時(shí)的情況。同時(shí)，應(yīng)準(zhǔn)確記錄加入階躍作用的記時(shí)起點(diǎn)，以便計(jì)算對(duì)象滯后的大小，對(duì)以后調(diào)節(jié)器參數(shù)整定來說具有重要的意義。,小結(jié)：工業(yè)被控過程的特點(diǎn),除液位對(duì)象外的大多數(shù)被控對(duì)象本身是穩(wěn)定的自衡對(duì)象； 對(duì)象動(dòng)態(tài)特性存在不同程度的純遲延； 對(duì)象的階躍響通常為單調(diào)曲線，除流量對(duì)象外的被調(diào)量的變化相對(duì)緩慢； 被控對(duì)象往往具有非線性、不確定性與時(shí)變等特性。,32 對(duì)象動(dòng)特性對(duì)調(diào)節(jié)質(zhì)量的影響,一、干擾通道對(duì)象動(dòng)特性對(duì)調(diào)節(jié)性能的影響：,對(duì)象動(dòng)特性對(duì)調(diào)節(jié)質(zhì)量的影響,干擾進(jìn)入位置的影響：,對(duì)象動(dòng)特性對(duì)調(diào)節(jié)質(zhì)

6、量的影響,對(duì)象動(dòng)特性對(duì)調(diào)節(jié)質(zhì)量的影響,二、調(diào)節(jié)通道對(duì)象動(dòng)特性對(duì)調(diào)節(jié)質(zhì)量的影響 對(duì)象的自平衡特性與控制性能的關(guān)系： 控制的難易程度稱為對(duì)象的控制性能,對(duì)象動(dòng)特性對(duì)調(diào)節(jié)質(zhì)量的影響,調(diào)節(jié)通道動(dòng)特性對(duì)調(diào)節(jié)質(zhì)量的影響,對(duì)象的滯后和時(shí)間常數(shù)的影響：,對(duì)象的難控性指標(biāo),調(diào)節(jié)方案的確定（p.218）,調(diào)節(jié)通道動(dòng)特性對(duì)調(diào)節(jié)質(zhì)量的影響,調(diào)節(jié)方案的確定舉例,乳液干燥器控制系統(tǒng)設(shè)計(jì),乳液干燥器控制系統(tǒng)設(shè)計(jì),控制要求：乳粉含水量一定； 選取間接變量出口溫度為被調(diào)量； 擾動(dòng)分析： 乳液流量、溫度變化 f 1 ; 旁通冷風(fēng)流量f 2 ; 蒸汽溫度、壓力變化 f 3 ; 對(duì)象特性： 熱交換器為雙容積對(duì)象，T1=T1=100s

7、；風(fēng)管至干燥器的純延遲時(shí)間為 =3s;干燥器傳遞函數(shù)為G0 ；調(diào)節(jié)器為Gc.,乳液干燥器調(diào)節(jié)方案選擇,乳液干燥器控制系統(tǒng)設(shè)計(jì),乳液干燥器控制系統(tǒng)設(shè)計(jì),三種控制方案評(píng)估： 方案 ：控制性能最優(yōu)；但乳液不能以最大流量工作，產(chǎn)量不穩(wěn)定，且閥門易堵； 方案 ：調(diào)節(jié)單元增加一純延遲單元，但避免了工藝上的不合理，只要 對(duì)控制性能影響不大，則可行； 方案 ：針對(duì)擾動(dòng)f 1 、f 2 ，則性能更差了。,33 調(diào)節(jié)規(guī)律對(duì)性能影響及其選擇,比例調(diào)節(jié)規(guī)律,一、在干擾作用下雙容對(duì)象的比例調(diào)節(jié)：,比例調(diào)節(jié)規(guī)律,比例調(diào)節(jié)規(guī)律,1. 穩(wěn)態(tài)誤差：,2. 過渡過程振蕩頻率：,分析性能指標(biāo)與系統(tǒng)參數(shù)間的關(guān)系：,比例調(diào)節(jié)規(guī)律,分析

8、性能指標(biāo)與系統(tǒng)參數(shù)間的關(guān)系：,衰減率、超調(diào)度、共振比 ：,；諧振頻率：,共振比：,衰減率：,超調(diào)度：,性能指標(biāo)與系統(tǒng)參數(shù)間的關(guān)系,衰減率,超調(diào)度,衰減率,超調(diào)度,共振比,共振比,比例調(diào)節(jié)律,調(diào)節(jié)器放大系數(shù)對(duì)二階對(duì)象的調(diào)節(jié)性能的影響： 當(dāng)增大放大系數(shù) 時(shí)，將使 1）系統(tǒng)的穩(wěn)定性下降： 2）調(diào)節(jié)過程加快： 3）系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)誤差減小，最大動(dòng)態(tài)偏差下降。,過程的可控性指標(biāo),可控性指標(biāo),可控性指標(biāo)反映了對(duì)象的頻域特性：,系統(tǒng)調(diào)節(jié)性能指標(biāo),各調(diào)節(jié)性能指標(biāo)的一致性,衰減率、穩(wěn)態(tài)誤差、最大動(dòng)差、波動(dòng)頻率,PI調(diào)節(jié)律,二、比例加積分（PI）調(diào)節(jié)：,PI調(diào)節(jié)律,PD調(diào)節(jié)律,二、比例加微分（PD）調(diào)節(jié)：,PD調(diào)節(jié)律,

9、純滯后環(huán)節(jié),微分調(diào)節(jié)對(duì)純滯后環(huán)節(jié)的影響：,PID控制器的Bode圖分析,P、PI、PD控制律的對(duì)比：,微分調(diào)節(jié)的有效作用范圍,若相頻特性比較平坦，則調(diào)節(jié)器的超前相位將使臨界頻率顯著提高；若同時(shí)幅頻特性很陡，則甚至臨界頻率少量增高都能使臨界放大系數(shù)大幅度上升。 例如，對(duì)那些僅含有若干個(gè)單容環(huán)節(jié)的對(duì)象，如時(shí)間常數(shù)差別很大，則上述兩種情況同時(shí)存在，因而微分作用能使調(diào)節(jié)性能指標(biāo)顯著提高。 若系統(tǒng)的相頻特性很陡，而幅頻特性很平坦，這時(shí)微分作用的效果就不顯著了。 例如，具有大的純滯后的對(duì)象就有這種特點(diǎn)，,小 結(jié),比例調(diào)節(jié)： 最簡單，響應(yīng)迅速，易整定；但存在靜差。 比例積分調(diào)節(jié)： 最常用，無靜差，較純積分調(diào)

10、節(jié)快速；適用于調(diào)節(jié)通道容量滯后較小，負(fù)荷變化不很大的系統(tǒng)。如流量、壓力調(diào)節(jié)系統(tǒng)等。對(duì)于滯后較大的系統(tǒng)效果不好。 比例微分調(diào)節(jié)： 可提高穩(wěn)定裕度，進(jìn)而加大比例增益，加快調(diào)節(jié)過程，減小靜差和動(dòng)差。但對(duì)于高頻擾動(dòng)頻繁、純滯后較大的系統(tǒng)效果不理想。,34 PID參數(shù)工程整定方法,調(diào)節(jié)器參數(shù)整定，是指決定調(diào)節(jié)器的比例度PB、積分時(shí)間Ti和微分時(shí)間Td的具體數(shù)值。 整定的實(shí)質(zhì)是通過改變調(diào)節(jié)器的參數(shù),使其特性和過程特性相匹配，以改善系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)和靜態(tài)指標(biāo)，取得最佳的控制效果。,PID參數(shù)工程整定方法,PID參數(shù)工程整定方法,PID參數(shù)工程整定方法,工程整定法-臨界比例度法,步驟： （1）先將PID控制器中的積

11、分與微分作用切除，取比例帶PB較大值，并投入閉環(huán)運(yùn)行； （2）將PB由大到小變化，對(duì)應(yīng)于某一PB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)所對(duì)應(yīng)的振蕩周期為Tm、控制器比例帶Pm ，則通過查表，根據(jù)控制器類型選擇PID參數(shù). 局限性：生產(chǎn)過程有時(shí)不允許出現(xiàn)等幅振蕩，或者無法產(chǎn)生等幅振蕩。,臨界比例度法分析,如何與對(duì)象特性匹配：屬于頻域方法,臨界比例度法舉例,PID參數(shù)工程整定方法,工程整定法-反應(yīng)曲線法,由臨界比例度法近似推導(dǎo)反應(yīng)曲線法：,工程整定法-反應(yīng)曲線法,對(duì)上述公式略加修正，有：,Ziegler-Nichols 反應(yīng)曲線法,工程整定法-反應(yīng)曲線法,實(shí)驗(yàn)步驟：,C

12、ohen-Coon 反應(yīng)曲線法,反應(yīng)曲線法,Z-N反應(yīng)曲線法對(duì)比值 較為敏感，即在比值較大時(shí)（如大于1.5）效果不好。 改進(jìn)的C-C反應(yīng)曲線法則對(duì)不同比值，具有較好的一致性。 在比值較小時(shí)，由整定公式可以看出，Z-N法與C-C法是非常接近的。,最后，應(yīng)當(dāng)指出，以上所有整定公式給出的PID參數(shù)，一般來說，可能僅僅是獲取最佳控制器過程的一個(gè)起點(diǎn)，即初始設(shè)定值而已，還需我們采用手工“細(xì)調(diào)”。,參數(shù)整定公式的解釋,工程整定法-試湊法,工程整定法-試湊法,調(diào)整 ，取 ，接近性能指標(biāo)； 減小 到合適的數(shù)值，這會(huì)導(dǎo)致穩(wěn)定性降低，因而，相應(yīng)的要減小 ，以保持穩(wěn)定性不變。 當(dāng)PI調(diào)節(jié)令人滿意后，就可以調(diào)整微分。

13、 增大一般會(huì)導(dǎo)致穩(wěn)定性增強(qiáng)，這意味著增益 可進(jìn)一步加大， 積分時(shí)間常數(shù) 可進(jìn)一步減小。 根據(jù)上表，增大積分可提高響應(yīng)速率和穩(wěn)定性，但這只是在一定上限范圍內(nèi)有效，否則會(huì)削弱穩(wěn)定性。因?yàn)檫^大的 ，會(huì)導(dǎo)致對(duì)未來誤差的估計(jì)不準(zhǔn)；其次，會(huì)對(duì)噪聲及其它擾動(dòng)有放大作用。一般后者決定其上限值。,PID參數(shù)工程整定方法,三、控制器參數(shù)的自整定：,控制器參數(shù)的自整定,1. 模式識(shí)別法（又稱作：“波形識(shí)別法”）,基本思想是將閉環(huán)系統(tǒng)在一定輸入下的響應(yīng)曲線分成若干模式，重提取每種模式的特征量，稱之為“狀態(tài)變量”，然后根據(jù)實(shí)測的響應(yīng)模式與理想的響應(yīng)模式之間的差別，采用各種評(píng)價(jià)體系和整定原則自動(dòng)調(diào)整調(diào)節(jié)器參數(shù)。當(dāng)然，選擇

14、不同的特征量采用不同的評(píng)價(jià)體系和整定原則可形成不同的具體方法。 例如在Foxboro公司的Exact 調(diào)節(jié)器中引入了超調(diào)量、衰減比和振蕩周期作為響應(yīng)模式的“狀態(tài)變量”。,控制器參數(shù)的自整定,2. 極限環(huán)法（又稱作：“圖象識(shí)別法”）,用非線性發(fā)生器嚴(yán)生開關(guān)信號(hào)，產(chǎn)生等幅振蕩酌極限環(huán)。依據(jù)振蕩幅位利周期來確定PID參數(shù)。本法看來只能間歇地進(jìn)行。,3. 辨識(shí)與控制結(jié)合（自適應(yīng)控制方式）,4. 反應(yīng)曲線法,經(jīng)常將辨識(shí)信號(hào)（如PRBS信號(hào)）與控制作用相加在一起作為u，施加于過程，由u和y確定過程模型，再由模型參數(shù)確定PID參數(shù)。,對(duì)過程施加階躍輸入，在開環(huán)情況下獲取反應(yīng)曲線。自動(dòng)計(jì)算出PID參數(shù)。,Kc 對(duì)過渡過程的影響 增益 Kc 的增