单回路反馈控制系统.ppt

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1、单回路反馈控制系统,1.1 单回路系统的结构组成1.2 被控变量的选择1.3 对象特性对控制质量的影响及操纵变量的选择1.4 控制阀的选择1.5 测量、传送滞后对控制质量的影响及其克服办法1.6 控制器参数对系统控制质量的影响及控制规律的选择1.7 系统的关联及其消除方法1.8 单回路系统的投运和整定 实验：单回路控制系统连接、投运和整定、质量研究,第1章,1.1单回路系统的结构组成,单回路反馈控制系统 四个基本环节：被控对象、测量变送、控制器和控制阀 反馈控制中的最基本系统 特点：简单、有效、应用最成熟、最普遍-占70%以上,1.1单回路系统的结构组成,F1增加 L增加 变送器输出信号增加

2、偏差（测量值-设定值）为正、增加 控制器输出减小 阀开度增加 F2增加 L降低；,工作过程：,1.1单回路系统的结构组成,给定量位于系统的输入端，称为系统输入量。也称为参考输入量（信号）。,被控制量位于系统的输出端，称为系统输出量。,输出量（全部或一部分）通过测量装置返回系 统的输入端，使之与输入量进行比较，产生偏差（给定信号与返回的输出信号之差）信号。输出量的返回过程称为反馈。返回的全部或部分输出信号称为反馈信号。,1.1单回路系统的结构组成,控制系统的原理和作用（定值）,维持被控参数保持在设定值上，偏差越小越好偏差控制：纠正偏差 过程工业中，此类系统占大多数按被控参数分类：温度控制回路、压

3、力控制回路、流量控制回路、物位（液位）控制回路,单回路反馈控制系统,1.1 单回路系统的结构组成1.2 被控变量的选择1.3 对象特性对控制质量的影响及操纵变量的选择1.4 控制阀的选择1.5 测量、传送滞后对控制质量的影响及其克服办法1.6 控制器参数对系统控制质量的影响及控制规律的选择1.7 系统的关联及其消除方法1.8 单回路系统的投运和整定 实验：单回路控制系统连接、投运和整定、质量研究,第1章,控制系统的设计目标,1.2 被控变量的选择,即，要控制什么 基于工艺要求，选择的结果直接影响生产（产品产量、质量、生产安全）,分类,1.2 被控变量的选择,直接控制,最基本的热工参数，一般是可

4、以直接进行测量和控制的参数 温度、压力、液位、流量,间接控制,质量指标，以及一些特殊的参数成份、物性参数等，在一般条件下，无法直接测量和控制 应根据工艺参数的关系，用可测的参数，间接进行控制,1.2 被控变量的选择,例1：,苯、甲苯二元精馏系统,质量指标是最重要的控制参数 如塔顶产品的纯度 xD 但 xD 目前无法直接测量，因此，只能用间接控制参数进行控制。根据精馏原理，xD=f(TD,p),即与温度和压力成非线性函数关系。理论上，固定一项，就可用另一项控制xD。一般的，实际中都采用恒定p，通过控制塔顶温度来控制塔顶成分。,1.2 被控变量的选择,选择原则：（1）测量滞后 P（2）工艺合理性

5、T工艺合理性：规定塔压稳定，保证分离度，保证效率 各块塔板压力恒定，XD与T有对应关系选择XD=F（T）,1.2 被控变量的选择,选择被控变量的原则,（1）尽可能选择直接质量指标参数；（2）必须选择间接量指标参数时，选择对目标参数影响最显著的可控参数，单值对应关系最好；（3）灵敏度好，反映产品质量变化，易于控制；（4）考虑工艺的合理性、测量仪表的选择。,操纵变量的选择：（1）一般选系统中可以调整的物料量或能量参数，多是流量；（2）不止一个，重要因素,单回路反馈控制系统,1.1 单回路系统的结构组成1.2 被控变量的选择1.3 对象特性对控制质量的影响及操纵变量的选择1.4 控制阀的选择1.5

6、测量、传送滞后对控制质量的影响及其克服办法1.6 控制器参数对系统控制质量的影响及控制规律的选择1.7 系统的关联及其消除方法1.8 单回路系统的投运和整定 实验：单回路控制系统连接、投运和整定、质量研究,第1章,1.3 对象特性对控制质量的影响及操纵变量的选择,对象特性分析,精馏塔:影响塔顶成分的有,温度、压力、进料流量、进料成分等,对于实际过程，影响输出的因素一般不只一个，因此，实际上都是多输入系统（MIMO),F1,F2,Fn,Y,1.3 对象特性对控制质量的影响及操纵变量的选择,设计单回路控制系统:,必须从影响被控量的诸多影响参数中 选择一个，作为操纵变量 其它影响量则只能视作干扰量了

7、,控制：,用操纵量克服干扰量对被控变量的影响,F1(s),F2(s),U(s),Y(s),Y(s)=GPC(s)U(s)+GPD1(s)F1(s)+GPD2(s)F2(s),1.3 对象特性对控制质量的影响及操纵变量的选择,操纵量输出：控制通道干扰量输出：干扰通道干扰作用与控制作用相互对立而存在问题：如何选择一个良好的操纵变量。分析通道特性,通道的概念：通道就是某个参数影响另外一个参数的通路,1.3 对象特性对控制质量的影响及操纵变量的选择,干扰通道特性分析,=,GPD(s),1+Gc(s)GPC(s),Y(s),F(s),干扰作用下的闭环传递函数为：,1.3 对象特性对控制质量的影响及操纵变

8、量的选择,（1）放大倍数Kf的影响,结论：Kf越大，系统的余差也越大，控制质量越差,Y()=,Kf,1+KC Ko,分析过程：,Y(s)=,GPD(s),1+Gc(s)GPC(s),F(s),1.3 对象特性对控制质量的影响及操纵变量的选择,（2）时间常数Tf的影响,结论：Tf越大，个数越多，干扰对被控变量的影响越小，系统的动态偏差越小，控制质量提高 干扰进入系统的位置：越离被控变量近的干扰，对被控变量的影响也越大,1.3 对象特性对控制质量的影响及操纵变量的选择,（3）纯滞后 f的影响,结论：干扰通道的纯滞后对控制系统质量没有影响，只是滞后了干扰对控制的影响,Y(s)=,GPD(s)e-s,

9、1+Gc(s)GPC(s),F(s),1.3 对象特性对控制质量的影响及操纵变量的选择,干扰通道特性对控制质量的影响,1.3 对象特性对控制质量的影响及操纵变量的选择,控制通道特性分析,Gc(s),GPC(s),GPD(s),R(s),E(s),F(s),1.3 对象特性对控制质量的影响及操纵变量的选择,（1）放大倍数K0的影响,静态：控制通道放大倍数K0大，控制系统稳态余差小，见式（1-7）动态：控制系统衰减比与Kc 与K0的乘积有关，见式（1-18），且 Kc K0越大，越小，稳定性差，因此，要保证Kc K0=常数。在Kc K0=常数情况下，控制系统稳态余差不变。从控制角度看，K0大些，说

10、明控制通道对系统的影响大，易于调节，因此，一般希望K0大些好,1.3 对象特性对控制质量的影响及操纵变量的选择,（2）时间常数T0的影响,从控制系统传递函数推导进行分析 结论：控制通道的时间常数大，经过的容量数多，系统的工作 频率低，控制不及时、系统控制质量差，如温度系统。一般希望控制通道时间常数小些好。但控制通道时间常数过小，将使得系统过于灵敏，也会使稳定性变差，如流量系统,1.3 对象特性对控制质量的影响及操纵变量的选择,（3）纯滞后 0的影响,结论：纯滞后0的存在，使得控制不及时，增加动态偏差，降低稳定性。控制通道纯滞后是控制系统非常不利的因素，会严重影响控制系统品质，以至于使控制系统发

11、散，造成严重后果，因此，实际工程中，必须重视。,1.3 对象特性对控制质量的影响及操纵变量的选择,操纵变量的选择,兼顾考虑工艺的合理性，工艺上不易频繁改变的量也不宜作为操纵变量。,实质上是决定了控制通道的选择。,原则：,（1）操纵变量必须可控,（2）选择通道放大倍数相对大的,（3）选择通道时间常数相对小的（干扰通道时间常数大些）,（4）选择通道的纯滞后尽量小,（5）选择使干扰点远离被控变量而靠近控制阀,1.3 对象特性对控制质量的影响及操纵变量的选择,控制通道特性对控制质量的影响图,单回路反馈控制系统,1.1 单回路系统的结构组成1.2 被控变量的选择1.3 对象特性对控制质量的影响及操纵变量

12、的选择1.4 控制阀的选择1.5 测量、传送滞后对控制质量的影响及其克服办法1.6 控制器参数对系统控制质量的影响及控制规律的选择1.7 系统的关联及其消除方法1.8 单回路系统的投运和整定 实验：单回路控制系统连接、投运和整定、质量研究,第1章,1.4 控制阀的选择,控制系统的执行部件接受控制器的命令执行控制任务。选择内容：口径大小、开闭形式、流量特性、结构形式,口径大小,直接决定介质流过的能力,1.4 控制阀的选择,通过计算阀的流通能力，并且保证具有一定的余量，具有较宽的可控范围。,口径过大，正常流量时阀门处于小的开度，阀的特性不好；,口径过小，正常流量时阀门处于大的开度，阀的特性也不好。

13、,开闭形式,气动控制阀：,1.4 控制阀的选择,电动控制阀：,一般均为电开式（电机带动阀门）,气开式输入气压信号（来自控制器）增大，,气闭式输入气压信号（来自控制器）增大，,控制阀的气开、闭形式的选择原则：,1.4 控制阀的选择,（1）安全角度：即当出现意外事故时，如气源中断，或电源中断，此时输入控制阀的气压信号最小，这时，考虑到工艺设备的安全性，必须使阀门全闭（气开式）或阀门全开（气闭式）如：锅炉燃气控制阀气开式,（2）质量角度：出现以外事故，考虑产品质量（3）消耗角度：原料、成品及动力消耗（4）介质特点：特殊介质，考虑气结晶、蒸发等因素,1.4 控制阀的选择,流量特性,流量特性：指流体通过

14、阀门的相对流量和阀门相对开度 之间的关系 Q/Qmax=f(L/Lmax)Q/Qmax 相对流量 f(L/Lmax)相对开度,1.4 控制阀的选择,流量特性,目前控制阀的特性有三种：线性特性、对数特性（等百分比特性）、快开特性,L/Lmax,F/Fmax,一般的，生产负荷变化对象特性发生变化 如，热交换器：负荷（被加热的流体）增大：通过热交换器的时间缩短，纯滞后减小；特性改变 流速增大，传热效果变好 控制系统投运时，已经整定好了PID参数，一旦对象特性发生变化时，原来好的PID参数就变得不好了,1.4 控制阀的选择,流量特性,什么时候选择非线性特性？,（1）选择自整定调节器，代价大（2）通过控

15、制阀的特性选择进行弥补 K 1/K0G0如对象负荷静态部分K0与控制阀流量F成反比，对象负荷动态部分G0与控制阀流量F成正比，控制阀特性取线性；P15 表1-1 控制阀流量特性的选择 课本P15分析的例子P16 表1-2 控制阀流量特性经验选择,1.4 控制阀的选择,流量特性,解决办法：,1.4 控制阀的选择,结构形式,直通单座、直通双座、角阀、高压阀、蝶阀、隔膜阀、三通阀适用于不同工艺场合表1-4,A,B,C,1.4 控制阀的选择,阀门定位器,控制阀的辅助装置 接受控制器信号，输出控制控制阀 作用：提高控制阀控制精度，准确定位；功率放大；可改变控制阀流量特性；可实现分程控制,单回路反馈控制系

16、统,1.1 单回路系统的结构组成1.2 被控变量的选择1.3 对象特性对控制质量的影响及操纵变量的选择1.4 控制阀的选择1.5 测量、传送滞后对控制质量的影响及其克服办法1.6 控制器参数对系统控制质量的影响及控制规律的选择1.7 系统的关联及其消除方法1.8 单回路系统的投运和整定 实验：单回路控制系统连接、投运和整定、质量研究,第1章,1.5 测量及传送滞后的影响及消除方法,测量滞后的影响,容量滞后：由于测量元件具有一定的时间常数，一阶惯性环节 理论上讲，只有当过渡时间无限长时，输出才能达到稳态（等于工艺参数值）。因此，测量变送的输出一般小于工艺参数实际值，不利于系统控制,测量变送装置的

17、容量滞后对控制系统不利。,1.5 测量及传送滞后的影响及消除方法,测量滞后的影响,纯滞后：参数变化信号传递到测量点需要一定的时间 使得广义对象中含有纯滞后环节，不利于控制，要尽量克服,1.5 测量及传送滞后的影响及消除方法,传递滞后的影响,测量信号传送滞后：变送器控制室 控制信号传送滞后：控制室控制阀 生产现场与控制室有较长的一段距离，对于气动信号的传递，就会产生信号的传送滞后。一般比较小，对于电信号，可以忽略。,1.5 测量及传送滞后的影响及消除方法,克服滞后的办法,测量滞后：选择快速反应的测量元件，以减小时间常数 选择合适的测量点，以减小纯滞后 使用微分单元，以克服容量滞后 微分环节起到超

18、前作用，参考书上的推导，在分子上多了一个零点，对给定值的变化起到快速跟踪作用。但是，微分环节会使得系统稳定性变差，因此，要合理使用。,1.5 测量及传送滞后的影响及消除方法,克服滞后的办法,传送滞后：一般，气动仪表容易产生传送滞后，在气动管线比较长时，可考虑加入气动继动装置。,单回路反馈控制系统,1.1 单回路系统的结构组成1.2 被控变量的选择1.3 对象特性对控制质量的影响及操纵变量的选择1.4 控制阀的选择1.5 测量、传送滞后对控制质量的影响及其克服办法1.6 控制器参数对系统控制质量的影响及控制规律的选择1.7 系统的关联及其消除方法1.8 单回路系统的投运和整定 实验：单回路控制系

19、统连接、投运和整定、质量研究,第1章,教学进程,1.6 控制器参数对系统控制质量的影响及控制规律的选择,PID 三作用控制器,PID：Proportional Integral Derivative,PID控制：对偏差信号(t)进行比例、积分和微分运算变换后形成的一种控制规律。,其中：Kpe(t)比例控制项，Kp 为比例系数,积分控制项，Ti 为积分时间常数；,微分控制项，d 为微分时间常数；,1.6 控制器参数对系统控制质量的影响及控制规律的选择,PID 控制器，3个可调整的参数：比例度（P）、积分时间Ti（I）、微分时间Td（D）,PID控制的传递函数：,1.6 控制器参数对系统控制质量的

20、影响及控制规律的选择,PID控制是控制工程中技术成熟、理论完善、应用最为广泛的一种控制策略，经过长期的工程实践，已形成了一套完整的控制方法和典型结构。,在很多情形下，PID 控制并不一定需要全部的三项控制作用，而是可以方便灵活地改变控制策略，实施P、PI、PD 或PID 控制。显然，比例控制部分是必不可少的。,PID 不仅适用于数学模型已知的控制系统，而且对大多数数学模型难以确定的工业过程也可应用。,PID 控制参数整定方便，结构灵活，在众多工业过程控制中取得了满意的应用效果。,控制器参数对系统静态误差的影响,终值定理：,控制器参数对系统静态误差的影响,当控制器为纯比例作用时，系统余差与放大倍

21、数成反比，即与比例度成正比，比例度越大，余差越大；当控制器引入积分作用时，可消除余差；微分作用对余差没有影响。,对系统动态误差的影响,Kc 0，相当于开路 Kc 控制精度提高（余差减小），矛盾 系统稳定性变差，只有原系统稳定裕量充分大时才采用纯比例控制。,比例控制器：,比例作用基础上叠加对偏差的积分输出 消除余差 Ti小，积分作用强，消除余差的能力强，但是，系统振荡加剧，衰减比变小；Ti大，积分作用弱，消除余差的能力弱。,对系统动态误差的影响,PI控制器：,也是和比例作用配合，P、PI、PD、PID 微分输出与偏差变化速度成正比，“超前”调节作用 Td大，微分作用大，控制系统灵敏，但稳定性变差

22、P、I、D三参数相互配合控制器参数整定,PD控制器：,对系统动态误差的影响,控制规律的选择,（1）对控制要求不高的参数，可只采用比例控制器；（2）对控制要求不高，且惯性较大的参数，可采用比例-微分控制器；（3）对于精度要求高的，要加入积分规律，PI；（4）较重要，控制精度要求比较高，希望动态偏差小，被控对象的时间滞后比较大的，PID,控制规律选择原则：,工业常见控制器有：P、PI、PD、PID,单回路反馈控制系统,1.1 单回路系统的结构组成1.2 被控变量的选择1.3 对象特性对控制质量的影响及操纵变量的选择1.4 控制阀的选择1.5 测量、传送滞后对控制质量的影响及其克服办法1.6 控制器

23、参数对系统控制质量的影响及控制规律的选择1.7 系统的关联及其消除方法1.8 单回路系统的投运和整定 实验：单回路控制系统连接、投运和整定、质量研究,第1章,1.7系统的关联及其消除方法,系统的关联及其影响,如同一条水管安装有多个水龙头，各个龙头的流量相互影响,所谓关联，就是系统之间彼此相互有影响,提馏段温度与塔底液位控制系统,家中煤气供量，高峰期互相影响,由此可见，这两套控制系统存在着相互关联。系统的关联在很大程度上影响控制系统的性能，要非常注意,系统的关联及其影响,关联,蒸汽阀开大，蒸汽量增加，温度上升，但同时由于蒸发量增大，塔釜液位会下降；,同样，液位阀开大，采出量增加，液位下降，同时由

24、于被加热的液体减少，温度会增加。,分析系统关联的方法,相对增益方法,分析系统关联的方法,Gc1(s),Gc2(s),R1(s),R2(s),Y1(s),Y2(s),U1(s),U2(s),Gc1(s),Gc2(s),R1(s),R2(s),Y1(s),Y2(s),U1(s),U2(s),u不等于u1;u保持不变,y不等于y1;y保持不变,相对增益的计算：j i 通道第一次计算只有第j个操纵变量变化，其它各操纵变量均维持不变的增益：第二次计算其它各操纵变量都变化（处于闭环控制）的增益：于是，j i 通道的相对增益为：,相对增益定义：,相互关联程度,分析系统关联的方法,（5）ij0，其它回路闭合时

25、，本回路将变成不稳定（条件稳定回路）,（1）ij=1，其它回路闭合与否对本通道没有影响，即，该通道的控制回路与其它系统没有关联；,（2）ij1，其它回路闭合对本通道有影响，即，该通道的控制回路与其它系统有关联，这种关联使得本回路增益变小，负关联。（ij越大关联越大）,（3）ij1，其它回路闭合对本通道有影响，即，该通道的控制回路与其它系统有关联，这种关联使得本回路增益变大，正关联。（ij越小关联越大）,（4）ij=0，其它回路开环时，ui对yi没有影响，j i 通道的控制回路不能构成,分析系统关联的方法,相对增益矩阵A 布里斯托尔阵列,分析系统关联的方法,（6）ij，只有在其它回路开环时，才能

26、用ui控制yi，即此通道的控制回路才能成立。,可见，可根据ij对1的偏离程度大小判断关联程度ij偏离1越大，系统间相互关联越厉害,每行（列）相对增益之和为1。,已知各通道的开环增益K,削弱或消除系统间关联的方法,关键：深入仔细分析关联的产生方法：通过工艺分析，找出关联，并提出解决关联的方法若能计算相对增益（矩阵），可进行量化分析,例子：,离心泵输出管线上的流量和压力控制控制系统,流量和压力控制系统存在关联，可采用控制器参数整定的方法，拉开各自的工作频率。若流量控制重要，可使流量控制器敏感些（减小比例度，减小微分时间），这样，系统出现扰动，流量系统快速调整，然后，压力系统再缓慢控制。反之亦然。,

27、削弱或消除系统间关联的方法,单回路反馈控制系统,1.1 单回路系统的结构组成1.2 被控变量的选择1.3 对象特性对控制质量的影响及操纵变量的选择1.4 控制阀的选择1.5 测量、传送滞后对控制质量的影响及其克服办法1.6 控制器参数对系统控制质量的影响及控制规律的选择1.7 系统的关联及其消除方法1.8 单回路系统的投运和整定 实验：单回路控制系统连接、投运和整定、质量研究,第1章,教学进程,原则：系统开环总放大倍数必须为负值（保证负反馈）,1.8,单回路系统投运和整定,控制器正反作用的确定,正：输入信号，输出信号负：输入信号，输出信号,1.8,单回路系统投运和整定,一般，对于仪表控制器，都

28、带有正反作用开关，对于计算机控制，可以通过程序设置,1.8,单回路系统投运和整定,关键是自动和手动的切换,要求，必须保证是无扰动切换,手动：通过控制器，手动给出控制器的输出，手动输出,自动：控制器根据偏差，自动计算给出控制 器的输出，自动输出,无扰动切换,手动时，自动输出跟踪手动输出,自动时，手动输出跟踪自动输出,控制系统投运,双向平衡无扰动切换,电动III型、I系列、EK系列,电动II型,控制系统整定,目前基本控制器一般均为PID控制器（比例、积分、微分控制器）PID控制器整定，调节P、I、D参数，使得控制系统的控制性能指标达到满意。一旦控制控制系统安装到位，控制系统的品质就取决于控制器的参

29、数设置,整定的目的,整定方法 两类：理论计算和工程整定方法,控制系统整定,工程整定方法 理论整定方法，必须要求已知各个环节的传递函数，对于一般的实际问题，难于满足。另外，理论计算也比较烦琐，工程上一般不采用。工程整定方法，直接在闭合的控制回路中对控制器参数进行整定。经验方法，简单、方便，易于掌握，工程实际中广泛采用。,控制系统整定,（1）临界比例度法步骤：系统闭环 TI最大、TD最小（没有积分、微分作用）比例度放到100%（K=1），由大往小逐渐改变，每改变一次，通过设定值的改变给控制系统施加阶跃干扰，观察输出Y的变化 若Y衰减振荡，则继续减小；若Y发散振荡，则应增大 当Y出现等幅振荡（临界振

30、荡），此时k称为临界比例度，振荡周期Tk称为临界周期。,工程整定方法,控制系统整定,有了k和Tk后，按经验公式确定、Ti、TD，按此参数可使控制系统呈4：1衰减。若还有差距，可适当调整,控制系统整定,等幅振荡曲线,临界周期,控制系统整定,表1-5 临界比例度整定控制器参数经验公式,（2）衰减曲线法 与临界法类似 4：1衰减曲线：比例度放到100%（K=1），由大往小逐渐改变，每改变一次，通过设定值的改变给控制系统施加阶跃干扰，观察输出Y的变化 若Y衰减比大于4：1，则继续减小；若小于4：1，则应增大，直到出现4：1衰减振荡，记录此时比例度s和振荡周期Ts 按经验公式确定、Ti、TD,工程整定方

31、法,控制系统整定,控制系统整定,表1-6 衰减曲线法整定控制器参数经验公式,4:1衰减曲线,s,Ts,振荡周期,比例度,控制系统整定,（3）反应曲线法 测试广义对象的时间特性 步骤：系统开环、稳定（测量值等于给定值）手动操作控制器产生一个阶跃输出，它将作用于广义对象上，记录Y的曲线（反应曲线）,工程整定方法,控制系统整定,控制系统整定,y,T0,0,y,A,C,B,D,t,对象反应曲线,纯滞后时间,时间常数 To,控制系统整定,表1-8 反应曲线法整定控制器参数经验公式,控制系统整定,例子：,蒸汽加热器温控系统，电动II型控制器手动输出从6mA-7mA,加热器温度从85-87.8oC。仪表量程50-100oC 测得=1.2，T0=2.5min,如采用PI控制器，其整定参数？,