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

1、第三章：單回路調(diào)節(jié)系統(tǒng)設(shè)計,鄭輯光 西安交通大學(xué)自動控制研究所 2005年3月,調(diào)節(jié)系統(tǒng)設(shè)計（P.245）,單回路調(diào)節(jié)系統(tǒng)概述,單回路調(diào)節(jié)系統(tǒng): 一般指在一個調(diào)節(jié)對象上用一個調(diào)節(jié)器來保持一個參數(shù)恒定，而調(diào)節(jié)器只接收一個測量信號，其輸出也只控制一個執(zhí)行機構(gòu)。 單回路控制系統(tǒng)主要由四個基本環(huán)節(jié)組成，即被控對象(簡稱對象)、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)、動態(tài)特性的基礎(chǔ)上，根據(jù)產(chǎn)品質(zhì)量、運行平穩(wěn)性以及安全生產(chǎn)要求，應(yīng)用控制理論對控制系統(tǒng)進(jìn)行分析和綜合，最后采用適宜的技術(shù)手段加以實現(xiàn)。 過程控制系統(tǒng)設(shè)計的主要任務(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)計步驟,熟悉系統(tǒng)的技術(shù)要求或性能指標(biāo)； 對工藝過程、設(shè)備以及對象的動、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； 實驗驗證。,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)通道對象參數(shù)對系統(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)對象的動態(tài)特性及其實驗測定； 對象（干擾通道及調(diào)節(jié)通道）動態(tài)特性對調(diào)節(jié)質(zhì)量的影響； 調(diào)節(jié)規(guī)律對閉環(huán)系統(tǒng)動態(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 對象動特性及其實驗測定(P.197),一般研究調(diào)節(jié)對象特性（即建模）的方法有兩種： 1. 機理分析法 通過分析過程的機理，根據(jù)物料平衡或能量平衡關(guān)系求得數(shù)學(xué)模型，即對象動態(tài)特性的微分方程。 2. 實驗測定法 通過實驗測定，對取得的數(shù)據(jù)進(jìn)行加工整理而求得對象的微分方程式或傳遞函數(shù)。,一、機理分析建模法,靜態(tài)平衡條件 在靜態(tài)調(diào)節(jié)下，單位時間流入對象的物料或能量等于從系統(tǒng)中流出的物料或能量

4、； 動態(tài)平衡條件 在動態(tài)條件下，單位時間內(nèi)流入系統(tǒng)的物料（或能量）與單位時間內(nèi)流出的物料（或能量）之差等于系統(tǒng)內(nèi)物料（或能量）儲存量的變化率。,典型受控過程 ：單容過程,對象原始模型：,典型受控過程 ：單容過程,水槽水位的動特性,水槽水位的動特性,對象的自衡特性,對象的自衡特性,非自衡過程,雙容對象、容量滯后,多容對象、容量滯后、純滯后,二、對象特性的階躍響應(yīng)測試法,試驗過程注意事項,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。 在對象同一平衡工況下，加上正、反兩方向的階躍信號，分別測出對象的飛升特性，進(jìn)行比較，以檢驗對象的非線性特性。 應(yīng)把對象穩(wěn)定在不

5、同平衡工況下，重復(fù)上述試驗。一般在對象最小，最大及平均負(fù)荷下分別進(jìn)行。 試驗時，必須特別注意被調(diào)量離開起始點狀態(tài)時的情況。同時，應(yīng)準(zhǔn)確記錄加入階躍作用的記時起點，以便計算對象滯后的大小，對以后調(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,除液位對象外的大多數(shù)被控對象本身是穩(wěn)定的自衡對象； 對象動態(tài)特性存在不同程度的純遲延； 對象的階躍響通常為單調(diào)曲線，除流量對象外的被調(diào)量的變化相對緩慢； 被控對象往往具有非線性、不確定性與時變等特性。,32 對象動特性對調(diào)節(jié)質(zhì)量的影響,一、干擾通道對象動特性對調(diào)節(jié)性能的影響：,對象動特性對調(diào)節(jié)質(zhì)量的影響,干擾進(jìn)入位置的影響：,對象動特性對調(diào)節(jié)質(zhì)

6、量的影響,對象動特性對調(diào)節(jié)質(zhì)量的影響,二、調(diào)節(jié)通道對象動特性對調(diào)節(jié)質(zhì)量的影響 對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象的控制性能,對象動特性對調(diào)節(jié)質(zhì)量的影響,調(diào)節(jié)通道動特性對調(diào)節(jié)質(zhì)量的影響,對象的滯后和時間常數(shù)的影響：,對象的難控性指標(biāo),調(diào)節(jié)方案的確定（p.218）,調(diào)節(jié)通道動特性對調(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,乳液干燥器控制系統(tǒng)設(shè)計,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 ; 對象特性： 熱交換器為雙容積對象，T1=T1=100s

7、；風(fēng)管至干燥器的純延遲時間為 =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,乳液干燥器控制系統(tǒng)設(shè)計,三種控制方案評估： 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 對控制性能影響不大，則可行； 方案 ：針對擾動f 1 、f 2 ，則性能更差了。,33 調(diào)節(jié)規(guī)律對性能影響及其選擇,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)對二階對象的調(diào)節(jié)性能的影響： 當(dāng)增大放大系數(shù) 時，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、最大動差、波動頻率,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，對那些僅含有若干個單容環(huán)節(jié)的對象，如時間常數(shù)差別很大，則上述兩種情況同時存在，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，這時微分作用的效果就不顯著了。 例如，具有大的純滯后的對象就有這種特點，,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，減小靜差和動差。但對于高頻擾動頻繁、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、積分時間Ti和微分時間Td的具體數(shù)值。 整定的實質(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)運行； （2）將PB由大到小變化，對應(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)等幅振蕩時所對應(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,實驗步驟：,C

12、ohen-Coon 反應(yīng)曲線法,反應(yīng)曲線法,Z-N反應(yīng)曲線法對比值 較為敏感，即在比值較大時（如大于1.5）效果不好。 改進(jìn)的C-C反應(yīng)曲線法則對不同比值，具有較好的一致性。 在比值較小時，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起點，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、 增大一般會導(dǎo)致穩(wěn)定性增強，這意味著增益 可進(jìn)一步加大， 積分時間常數(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，否則會削弱穩(wěn)定性。因為過大的 ，會導(dǎo)致對未來誤差的估計不準(zhǔn)；其次，會對噪聲及其它擾動有放大作用。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. 模式識別法（又稱作：“波形識別法”）,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，采用各種評價體系和整定原則自動調(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價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：“圖象識別法”）,用非線性發(fā)生器嚴(yán)生開關(guān)信號，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)常將辨識信號（如PRBS信號）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)。,對過程施加階躍輸入，在開環(huán)情況下獲取反應(yīng)曲線。自動計算出PID參數(shù)。,Kc 對過渡過程的影響 增益 Kc 的增