简单控制系统的设计.ppt
第5章 简单控制系统的设计,本章要点,1）了解简单控制系统的设计任务及开发步骤； 2）熟悉被控过程特性对控制质量的影响，掌握被控参数、控制参数的设计原则； 3）了解调节规律对控制质量的影响，熟悉调节规律的选择方法； 4）掌握调节器作用方式的选择 5）熟悉执行器的选择方法及注意的问题； 6）掌握调节器参数的整定方法与实验技能，重点掌握调节器参数的整定方法。,图1 水箱液位控制系统流程图,1 水箱 2 压力变送器 3 液位调节器 4 调节阀,5.1 简单控制系统设计概述,简单控制系统是只对一个被控参数进行控制的单回路闭环控制系统。是最基 本的过程控制系统。是构成复杂过程控制系统的基础。典型结构框图如下：,5.1.1 控制系统设计的任务及其开发步骤,如上图所示，简单过程控制系统主要由被控过程、过程检测和控制仪表组成,过程控制系统设计的主要任务就在于如何确定合理的控制方案、选择正确的 参数检测方法与检测仪表以及过程控制仪表的选型和调节器的参数整定等等,其中，控制方案的确定、仪表的选型和调节器的参数整定是过程控制系统 设计的重要内容。,过程控制系统开发的主要步骤叙述如下：,1熟悉控制系统的技术要求或性能指标,控制系统的技术要求或性能指标是由用户或被控过程的设计制造单位提出的。 是控制方案设计的主要依据之一。,2建立控制系统的数学模型,控制系统的数学模型是控制系统理论分析和设计的基础。 系统控制方案确定的合理与否在很大程度上取决于系统数学模型的精度。,3确定控制方案,系统的控制方案包括系统的构成、控制方式和控制规律的确定，是控制系统 设计的关键。控制方案的确定要依据被控过程的特性、技术指标和控制任务 的要求，还要考虑方案的简单性、经济性及技术实施的可行性等，并且要进 行反复研究与比较 ，方可确定。,4根据系统的动态和静态特性进行分析与综合,在确定了系统控制方案的基础上，根据要求的技术指标和系统的动、静态特性 进行分析与综合，以确定各组成环节的有关参数。,5系统仿真与实验研究,系统仿真与实验研究是检验系统理论分析与 综合正确与否的重要步骤。 其中Matlab语言 是进行系统仿真的有效工具。,6工程化设计,工程化设计的主要内容包括测量方式与测量点 的确定、仪器仪表的选型与定购、控制室及仪 表盘的设计、仪表供电与供气系统的设计、信 号连锁与安全保护系统的设计、电缆的敷设以 及保证系统正常运行的有关软件的设计等。,7工程安装,工程安装是依据施工图对控制系统的具体实施。,8控制器的参数调整,控制器的参数调整是在控制方案设计合理、仪 器仪表工作正常、系统安装正确无误的前提下 ，使系统运行在最佳状态的重要步骤。,一个简单控制系统开发设计的全过程如右图所示,5.1.2 设计中需要注意的有关问题,1认真熟悉过程特性,深入了解被控过程的工艺特点及其要求是控制方案确定的基本依据之一 。,2明确各生产环节之间的约束关系,生产过程是由各个生产环节和工艺设备构成的，各个生产环节和工艺设备 之间通常都存在相互制约、相互影响的关系。,3重视对测量信号的预处理,在控制系统设计中，测量信号的正确与否直接影响系统的控制质量。尽量 减少由不可避免的随即干扰而产生的系统误差,4注意系统的安全保护,一个好的过程控制系统首先必须保证安全可靠地运行，尤其当系统处在高 危险环境下运行时，应设计多层次、多级别的安全保护系统。,总之，控制系统的设计是一件细致而又复杂的工作，对具体的过程控制系统 设计者而言，只有通过认真调查研究，熟悉各个生产工艺过程，具体问题具 体分析，才能获得预期的效果。,5.2 控制方案的确定,控制方案的确定主要包括系统被控参数的选择、测量信息的获取及变送、 控制参数的选择、调节规律的选取、调节阀（执行器）的选择和调节器正 、反作用的确定等内容。,5.2.1 被控参数的选取,被控参数的选取对于提高产品质量、安全生产以及生产过程的经济运行等都 具有决定性的意义。这里给出被控参数选取的一般性原则：,1）对于具体的生产过程，应尽可能选取对产品质量和产量、安全生产、经济 运行以及环境保护等具有决定性作用的、可直接参数作为被控参数 。,2）当难以用直接参数作为被控参数时，应选取与直接参数有单值函数关系的 所谓间接参数作为被控参数。,3）当采用间接参数时，该参数对产品质量应具有足够高的控制灵敏度，否则 难以保证对产品质量的控制效果。,4）被控参数的选取还应考虑工艺上的合理性和所用测量仪表的性能、价格、 售后服务等因素 。,对于一个已经运行的生产过程，被控参数往往是由工艺要求事先确定的。,5.2.2 控制参数的选择,5.2.2.1 过程特性对控制质量的影响,1. 干扰通道特性对控制质量的影响,对于简单过程控制系统，可求得系统输出与干扰之间的传递函数为,假设,为一单容过程，其传递函数为,若单容过程具有纯时延时间,则：,则：,分析干扰通道特性对控制质量的影响如下:,(式1),(式2),(式3),(1)干扰通道 的影响：,由式2可知当,越大，由干扰引起的输出也越大，被控参数偏离给定值就越多。,在系统设计时应尽可能选择静态增益,小的干扰通道，以减小干扰对被控参数,的影响。当,无法被改变时，应当增强控制作用或采用干扰补偿的方法。,(2) 干扰通道 的影响,由式2可知，,为惯性环节，对干扰,具有“滤波”作用，,越大，“滤波”,效果越明显，因此干扰通道的时间常数越大，干扰对被控参数的动态影响就越,小，因而越有利于系统控制质量的提高。,(3) 干扰通道 的影响,由式3可知，,的存在，仅仅使干扰引起的输出推迟了一段时间,因此，,的存在并不影响系统的控制质量。,(4) 干扰进入系统位置的影响,假定,不是在,之后，而是在,之前进入系统，则有,(式4),将式4与式2相比，多了一个滤波项。这表明干扰多经过一次滤波才对被控参数 产生动态影响。从动态看，这对提高系统的抗干扰性能是有利的。因此干扰进 入系统的位置越远离被控参数，对系统的动态控制质量越有利。但从静态看， 这会使干扰引起被控参数偏离给定值的偏差相对增大，这对系统的控制品质又 是不利的。因此需要权衡它们的利弊。,2. 控制通道特性对控制质量的影响,(1) 控制通道,的影响,在调节器增益,一定的条件下，当控制通道静态增益,越大时，则控制作用,越强，克服干扰的能力也越强，系统的稳态误差就越小；与此同时，当,，被控参数对控制作用的反应就越灵敏，响应越迅速。但是，当调节器静态增,越大,益,一定,越大时，系统的开环增益也越大，这对系统的闭环稳定性是不利,的。因此，在系统设计时，应综合考虑系统的稳定性、快速性和稳态误差三方,面的要求。,(2) 控制通道,的影响,如果控制通道的时间常数 太大，则调节器对被控参数变化的调节作用就不够及 时，系统的过渡过程时间就会延长，最终导致控制质量下降；但当 太小，则调 节过程又过于灵敏，容易引起振荡，同样难以保证控制质量。在系统设计时，应 使控制通道的时间常数 既不能太大也不能太小。,(3) 控制通道,的影响,控制通道纯滞后时间,产生的原因：,一是由信号传输滞后所致；,二是由信号的测量变送滞后所致；,三是执行器的动作滞后所致。,控制通道的纯滞后，都会使系统的动态偏差增大，超调量增加，最终导致控制 质量下降。从系统的频率特性分析可知，控制通道纯滞后的存在，会增加开环 频率特性的相角滞后，导致系统的稳定性降低。因此，无论如何，应减小控制 通道的纯滞后，以利于提高系统的控制质量。,(4) 控制通道时间常数匹配的影响,实际生产过程中，广义被控过程可近似看成由几个一阶惯性环节串联而成。,以三阶为例,相应的临界稳定增益,为,的大小完全取决于,三个时间常数的相对比值,可以证明：时间常数相差越大，临界稳定的增益则越大，这对系统的稳定性是 有利的。,也就是说：在保持稳定性相同的情况下，时间常数错开得越多，系统开环增益 就允许增大得越多，因而对系统的控制质量就越有利。,系统传函为：,5.2.2.2 控制参数的确定,简单控制系统控制参数选择的一般性原则如下：,1) 选择结果应使控制通道的静态增益,尽可能大，时间常数,选择适当。,2) 控制通道的纯时延时间,应尽可能小,和,的比值一般应小于0.3。,3) 干扰通道的静态增益,应尽可能小；时间常数,应尽可能大，其个数,尽可能多；扰动进入系统的位置应尽可能远离被控参数而靠近调节阀。,这样选择对抑制扰动对被控参数的影响均有利。,4) 当广义被控过程由几个一阶惯性环节串联而成时，应尽量设法使几个时间,常数中的最大与最小的比值尽可能大，以便尽可能提高系统的可控性。,5) 在确定控制参数时，还应考虑工艺操作的合理性、可行性与经济性等因素,5.2.3 被控参数的测量与变送,在控制系统中，测量变送环节的作用是将被控参数转换为统一的标准信号,反馈给调节器。该环节的特性可近似表示为,其中,为测量及变送环节的输出，,为被控参数信号,分别为测量及变送环节的静态增益、时间常数和纯时延时间。,测量及变送环节是一个带有纯时延的惯性环节，因而当,不为零时,它的输出不能及时地反映被测信号的变化，二者之间必然存在动态偏差。,而且这种动态偏差并不会因为检测仪表的精度等级的提高而减小或消除。,下图是测量变送环节在阶跃信号作用和速度信号作用时的响应曲线:,从图中可以看到只要,存在，,动态偏差就会必然存在。,为了减小测量信号与被控参数之间的动态偏差，应尽可能选择快速测量仪表， 并且注意以下几点问题：,1) 应尽可能做到对测量仪表的正确安装，这是因为安装不当会引起不必要的 测量误差，降低仪表的测量精度；,2) 对测量信号应进行滤波和线性化处理；,3) 对纯滞后要尽可能进行补偿；,4) 对时间常数,的影响要尽可能消除。为了克服其影响，在系统设计时，,可以尽量选用快速测量仪表，也可以在测量变送环节的输出端串联微分环节,测量变送环节输出端串联微分环节的示意图：,输出与输入关系,若选择,，则在理论上可以完全消除,的影响。,在工程上，常将微分环节置于调节器之后。一方面，这对于克服,的影响，,与串联在测量变送环节之后是等效的；另一方面，还可以加快系统对给定值,变化时的动态响应。,5.2.4 调节规律对调节质量的影响及其选择,在工程实际中，应用最为广泛的调节规律为比例、积分和微分调节规律，,简称PID。,它具有原理简单、使用方便、鲁棒性强、适应性广等许多优点。,5.2.4.1 调节规律对调节质量的影响,1比例（P）调节规律的影响,调节器的输出信号u与输入偏差信号e成比例关系：,其中，u为调节器的输出，e为调节器的输入，,为比例增益。,在电动单元组合仪表中，习惯用比例增益的倒数表示调节器输入与输出之间,的比例关系,其中，,，称为比例带,当被控对象为惯性特性时，单纯比例调节有如下结论：,1) 比例调节是一种有差调节，即当调节器采用比例调节规律时，不可避免地,会使系统存在稳态误差。这是因为比例调节器是利用偏差实现控制的，它,只能使系统输出近似跟踪给定值。,2) 比例调节系统的稳态误差随比例带的增大而增大，若要减小误差，则要减,小比例带，即需要增大调节器的放大倍数,这样往往会降低系统稳定性,其控制效果图如下：,3) 对于惯性过程，当给定值不变时，采用比例调节，,只能使被控参数对给定值实现有差跟踪；当给定,值随时间变化时，其跟误差将会随时间的增大,而增大。因此，比例调节不适用于给定值随时间,变化的系统。,4) 增大比例调节的增益,不仅可以减小系统的,稳态误差，而且还可以加快系统的响应速度。,对下图的比例调节作用于一阶惯性过程进行分析：,系统传函,这里,与,相比，减小了,倍，,越大，,减小得越多，说明过程的惯性越小，因而响应速度加快。但,的增大则,会使系统的稳定性下降。,2.积分（I）调节规律的影响,在积分调节（简称I调节）中，调节器的输出信号u与输入偏差信号e的积分成,正比关系:,当被控系统在负载扰动下的调节过程结束后，系统的静差虽然已不存在，,但调节阀却会停留在新的开度上不变。,积分调节是牺牲了动态品质而使稳态性能得到改善的。,积分调节可得如下结论：,1) 采用积分调节可以提高系统的无差度，也即提高系统的稳态控制精度。,2) 与比例调节相比，积分调节的过渡过程变化相对缓慢，系统的稳定性变差。,实际应用中，通常将积分调节和比例调节二者结合起来，,组成所谓的PI调节器，PI调节器的输入/输出关系为：,其中,为积分时间。,PI调节器的传递函数为,PI调节器的阶跃响应曲线如右图,从上页图可以看出：PI调节是将比例调节的快速反应与积分调节的消除稳态误 差功能相结合，从而能收到比较好的控制效果。但是，由于PI调节给系统增加 了相位滞后，与单纯比例调节相比，PI调节的稳定性相对变差。此外，积分调 节还有另外一个缺点，即只要偏差不为零，调节器就会不停地积分使输出增加 （或减小），从而导致调节器输出进入深度饱和，调节器失去调节作用。因此 ，采用积分规律的调节器一定要防止积分饱和。,3.微分（D）调节规律的影响,微分调节可以预测偏差的变化趋势，微分调节器的输入/输出关系为,微分调节器的输出与系统被调量偏差的变化率成正比。由于变化率能反映系统 被调量的变化趋势，因此，微分调节不是等被调量出现偏差之后才动作，而是 根据变化趋势提前动作。,但微分时间的选择，对系统质量的影响具有两面性。,当微分时间较小时，增加微分时间可以减小偏差，缩短响应时间，减小振荡 程度，从而能改善系统的质量；,当微分时间较大时，一方面有可能将测量噪声放大，另一方面也可能使系统 响应产生振荡。,还要说明的是：单纯的微分调节器是不能工作的。,4. PD调节规律的影响,PD调节器的调节规律为:,其中,为微分时间,运用控制理论的知识分析PD调节规律，可以得出以下结论：,1） PD调节也是有差调节。这是因为在稳态情况下，,为零，微分部分不,起作用，PD调节变成了P调节。,2） PD调节能提高系统的稳定性、抑制过渡过程的动态偏差（或超调）。,3） PD调节有利于减小系统静差（稳态误差）、提高系统的响应速度。,4） PD调节的不足：首先，PD调节一般只适用于时间常数较大或多容过 程；不适用于流量、压力等一些变化剧烈的过程。其次，当微分作用太强 较大时，会导致系统中调节阀的频繁开启，容易造成系统振荡。,5. PID调节规律的影响,PID调节器的调节规律为:,其相应的传递函数为:,的意义分别,与PI、PD调节器相同,由传递函数可知，PID是比例、积分、微分调节规律的线性组合，它吸取了 比例调节的快速反应功能、积分调节的消除误差功能以及微分调节的预测功 能等优点而弥补了三者的不足，是一种比较理想的复合调节规律。从控制理 论的观点分析可知，与PD相比，PID提高了系统的无差度；与PI相比，PID 多了一个零点，为动态性能的改善提供了可能。因此，PID兼顾了静态和动 态两方面的控制要求，因而能取得较为满意的调节效果。,控制系统在不同调节作用下的典型响应如下：,可以看到，如果不加控制，过程将缓慢地到达 一个新的稳态值；当采用比例控制后，则加快 了过程的响应，并减小了稳态误差；当加入积 分控制作用后，则消除了稳态误差，但却容易 使过程产生振荡；在增加微分作用以后则可以 减小振荡的程度和响应时间。,虽然PID调节器的调节效果比较理想，但是PID调节器要整定,三个参数才能使系统整定得最佳。,5.2.4.2 调节规律的选择,选择调节规律的一般性原则。,1) 当广义过程控制通道时间常数较大或容积迟延较大时，应引入微分调节；当 工艺容许有静差时，应选用PD调节；当工艺要求无静差时，应选用PID调节；,2) 当广义过程控制通道时间常数较小、负荷变化不大、且工艺要求允许有静差 时，应选用P调节；,3) 当广义过程控制通道时间常数较小，负荷变化不大，但工艺要求无静差时， 应选用PI调节，,4) 当广义过程控制通道时间常数很大、且纯滞后也较大、负荷变化剧烈时，简 单控制系统则难以满足工艺要求，应采用其他控制方案；,5) 若将广义过程的传递函数表示为,时，则可根据,的比值来,选择调节规律：当,时，可选用P或PI调节规律；当,时，可选用PID调节规律；当,时，应采用其他控制方式。,5.2.4 执行器的选择,执行器是过程控制系统的重要组成部分，其特性好坏直接影响系统的控制质量,1. 执行器的选型,在过程控制中，使用最多的是气动执行器，其次是电动执行器。应根据生产过 程的特点、对执行器推力的需求以及被控介质的具体情况和保证安全等因素加 以选择并且确定。,2. 气动执行器气开、气关的选择,气动执行器分气开、气关两种形式，它的选择首先应根据调节器输出信号为零 时使生产处于安全状态的原则确定；其次，在保证安全的前提下，还应根据是 否有利于节能、是否有利于开车、停车等进行选择。,3. 调节阀尺寸的选择,调节阀的尺寸主要指调节阀的开度和口径，它的选择对系统的正常运行影响很大,在正常工况下一般要求调节阀开度应处于15%-85%之间，具体应根据实际需要 的流通能力的大小进行选择。,4. 调节阀流量特性的选择,通过选择调节阀的非线性流量特性来补偿被控过程的非线性特性，以达到系统 总的放大倍数近似线性的目的,5.2.5 调节器正/反作用方式的选择,把被控过程和调节器分为正作用与反作用两种类型,各类增益符号的选择：,确定各调节器正负的基本原则,构成系统开环传递函数静态增 益的乘积必须为正,首先根据生产工艺要求及安全等原则确定调节阀的气开、气关形式，以确定,调节器正反作用类型的确定方法：,的正负；,然后根据被控过程特性确定其属于正、反哪一种类型，以确定,的正负；,最后根据系统开环传递函数中各环节静态增益的乘积必须为正这一原则确定,调节器,正负，进而确定调节器的正反作用类型。,5.3 调节器的参数整定,调节器参数整定的任务是根据被控过程的特性，确定PID调节器的比例度,、积分时间,以及微分时间,的大小。,在简单过程控制系统中，调节器的参数整定通常以系统瞬态响应的衰减率,为主要指标，以保证系统具有一定的稳定裕量。另外还应满足,系统稳态误差、最大动态偏差（或超调量）和过渡过程时间等其它指标。,参数整定的方法可以分为三类，即理论计算整定法、工程整定法和自整定法,理论计算整定法主要是依据系统的数学模型，采用控制理论中的根轨迹法、频 率特性法、对数频率特性法、扩充频率特性法等，经过理论计算确定调节器参 数的数值。 这种方法只有理论指导意义。,工程整定法主要是依靠工程经验，直接在过程控制系统的实际运行中进行。,自整定法是对一个正在运行中的控制系统特别是设定值改变的控制系统,进行自 动整定控制回路中的PID参数。,5.3.1 调节器参数整定的理论基础,1. 控制系统的稳定性与衰减指数,简单控制系统，在干扰,作用下，闭环控制系统的传递函数为,其中,为系统的开环传递函数。,闭环系统的特征方程为,一般形式为,各系数,由广义对象的特性和调节器的整定参数所确定。,调节器参数整定的实质就是选择合适的调节器参数，使其闭环控制系统的特征 方程的每一个根都能满足稳定性的要求。,具体分析如下,如果特征方程有一个实根(,)，其通解,为非周期变化过程，当,时，其幅值越来越小，最终趋于0；当,时，其幅值越来越大,系统不稳定。,如果特征方程有一对共轭复根(,)，则通解,为振荡,过程，当,时, 呈发散振荡,系统不稳定；当,时,呈等幅振荡。,对于稳定的振荡分量,，假定在,时到达,第一个峰值经过一个振荡周期，在,时，又到达第二个峰值。,由衰减率定义可知,其中衰减指数为,与,之比,衰减指数与衰减率的关系如下表,总之，调节器的参数整定，就是通过选择调节器的参数比例度,、积分时间,以及微分时间,的大小，使特征方程所有实根与所有复根的实数部分均为,负数，从而保证系统是稳定的；另外还要满足衰减指数m在0.221-0.366之间，,以满足衰减率在0.75-0.9的要求。,如图,. 控制系统的稳定裕量,稳定裕量可以用衰减率,或衰减指数m的大小来表征。它们和阻尼系数,有一一对应的关系：,通过上式可以得出以下结论：,为了保证系统的过渡过程具有一定的稳定裕量，就要使闭环系统的特征根具有 一定的衰减指数,当复根的实部,相同时，即系统到达稳定状态所需的过渡时间也相同。,系统过渡过程时间为,系统的最大动态偏差也与衰减指数m有关,综上所述，无论是控制系统的稳定性、稳定裕量，还是控制系统的快速性、准 确性均与系统的衰减率或衰减指数有关。所以，调节器参数整定的实质就是通 过选择合适的调节器参数，以达到规定的衰减率或衰减指数，从而最终保证系 统的控制质量。,5.3.2 调节器参数的整定,1临界比例度法,临界比例度法是直接在闭环系统中进行，不需要测试过程的动态特性,具体步骤是：,1.首先将调节器的积分时间置于最大，微分时间置零，比例度置为较大的数值,2.等系统运行稳定后，对设定值施加一个阶跃变化，并减小,直到出现下图所,示的等幅振荡曲线为止。记录下此时的临界比例度,和等幅振荡周期,3.按下表的经验公式计算出调节器的,2衰减曲线法,衰减曲线法的做法与临界比例法类似。不同的是在改变比例度，观察衰减比。,当衰减比为4:1的振荡过程，或10:1的振荡过程，如下图。记录下此时的,及衰减振荡周期或者输出响应的上升时间。然后对比下表经验公式计算：,以,衰减曲线法对多数过程都适用。但 该方法的最大缺点是较难准确确定 4:1（或10:1）的衰减程度。尤其 对于一些干扰比较频繁、过程变化 较快的控制系统，如管道动、流量 等控制系统不宜采用此法。,3反应曲线法（动态特性参数法）,反应曲线法是利用系统广义过程的阶跃响应曲线对调节器参数进行整定。,具体做法是对于右图所示的系统， 先使系统处于开环状态，在输入 端施加一个阶跃信号，记录 下测量变送环节的输出响应曲线,1）对于无自衡能力的广义被控过程，传递函数可写为,若是单位阶跃响应，系统中各参数的意义如下图,根据阶跃响应曲线求得广义被控过程的传递函数后 根据下表的经验公式鹅计算调节器的参数。,）对于有自衡能力的广义被控过程，传递函数可写为,若是单位阶跃响应，系统中各参数的意义如下图,根据阶跃响应曲线求得广义被控过程的传递函数后 根据下表的经验公式计算调节器的参数。,4三种工程整定方法的比较,相同：三种工程整定方法都是通过试验获取某些特征参数，然后再按计算公式 算出调节器的整定参数,不同：反应曲线法通用性最强；临界比例度法和衰减曲线法都无需掌握被控过 程的数学模型；从闭环试验对干扰有较好的抑制作用，开环试验对外界干扰的 抑制能力很差的意义上说，减曲线法最好，临界比例度法次之，反应曲线法最 差。,5.3.3 PID调节器参数的自整定,1 改进型临界比例度法,改进型临界比例度法是用具有继电特性的非线性环节代替比例调节器，使闭环 系统自动稳定在等幅振荡状态，其振荡幅度还可由继电特性的特征值进行调节 ，以便减小对生产过程的影响，从而达到实用化要求。,改进型参数整定示意图,为广义被控对象， N为具,有继电特性的非线性环节。当系 统处于整定状态时，开关S置于 位置2， S置于位置1时为系统正 常工作状态，进行PID控制。,改进临界比例度法整定PID参数时的系统框图,非线性环节N用描述函数表示为,输出的一次谐波幅值;,输入正弦波的幅值;,输出的一次谐波相位。,N的理想继电特性如左图，其描述函数可由右图求出,对输出,进行傅氏三,角级数展开，设其一次,谐波分量为：,其描述函数为：,由控制理论可知，整定状态的闭环系统产生等幅振荡的条件,因此,只要测出上图中偏差e的振幅X,即可得到临界放大倍数,测取e的振荡周期,即可得到临界振荡周期,当X从,时，,是在幅频特性平面上沿负实轴的一条轨线，,和,的交点即为临界振荡点，此时的临界放大系数为,2迭代整定算法,假设调节器相应曲线如下图所示：,可知,m为衰减指数,为二阶阻尼系数,依次计算出放大系数,积分时间,微分时间,5.4 单回路控制系统设计实例,5.4.1 干燥过程的控制系统设计,5.4.1.1 工艺要求,下图为乳化物干燥过程示意图,由于乳化物属于胶体物质，激烈搅拌易 固化，也不能用泵抽送，因而采用高位 槽的办法,由于需要蒸发掉乳液中的水分，使之成 为粉状物，并随湿空气一起送出进行分 离。生产工艺对干燥后的产品质量要求 很高，水分含量不能波动太大，因而需 要对干燥的温度进行严格控制。试验证 明，若温度波动在2以内，则产品质 量符合要求。,5.4.1.2 方案设计与参数整定,1. 被控参数与控制参数的选择,1）被控参数的选择,根据生产工艺，水分含量与干燥温度密切相关。选用干燥的温度为被控参数， 水分与温度一一对应。将温度控制在一定数值上。,2）控制参数的选择,经过对装置的分析，可知影响干燥器温度的因素有乳液流量,、旁路空气,流量,和加热蒸汽流量,任选一个作控制参数，均可构成温度控制系统。,经分析可知：旁路空气量与热风量混合，经风管进入干燥器，它与选取乳液流 量为控制参数相比虽然控制通道存在一定的纯滞后，对干燥温度校正作用的灵 敏度虽然差一些，但可通过缩短传输管道的长度而减小纯滞后时间。为三个方,案中最适宜的,旁路风量为控制参数时的 系统框图：,2仪表的选择,选用DDZ-型仪表，具体过程如下：,1）测温元件及变送器的选择,选用热电阻温度计。采用三线制接法，并配用温度变送器。,2）调节阀的选择,选用气关式调节阀；根据过程特性与控制要求选用对数流量特性的调节阀,3）调节器的选择,选用PI或PID控制规律。由于调节阀为气关式，故,为负；当给被控过程,输入的空气量增加时，干燥器的温度降低，故,为负；测量变送器的,通常为正。为使整个系统中各环节静态放大系数的乘积为正，则调节器的,应为正，故选用反作用调节器。,3温度控制原理图及其系统框图,系统框图如下,4. 调节器的参数整定,可按5.3中所介绍的任何一种整定方法对调节器的参数进行整定。,5.4.2 贮槽液位过程控制系统的设计,5.4.2.1 工艺要求,生产工艺要求贮槽内的液位常常需要维持在某个 设定值上，或只允许在某一小范围内变化。同时 ，为确保生产过程的安全，还要绝对保证液体不 产生溢出。,液体贮槽图：,5.4.2.2 方案设计与参数整定,1. 被控参数的选择,根据工艺要求，选择贮槽的液位为直接被控参数,2. 控制参数的选择,影响贮槽液位的参数有两个，一个是液体的流入量，一个是液体的流出量,这两个参数对被控参数的影响一样，但从保证液体不产生溢出的要求考虑 ，选择液体的流入量作为控制参数则更为合理。,3.测控仪表的选择,1） 测量元件及变送器的选择,选用差压式传感器与DDZ-型差压式变送器以实现贮槽液位的测量和变送,2） 调节阀的选择,选用气开式调节阀，由于贮槽是单容特性，故选用对数流量特性的调节阀即可,3） 调节器的选择,选用P或PI调节规律均可。当液体流入量增加时，液位输出亦增加，故为正作,用过程，,为正；因调节阀选为气开式，,也为正；测量变送环节的,都为正。因此，根据单回路系统的各部分增益乘积应为正的原则，调节器的,一般,应为正，即为反作用方式的调节器。,液位贮槽控制系统原理图,4. 调节器参数整定,这是一个简单的单容过程，宜采用反应曲线 法进行调节器的参数整定而不宜采用临界比 例度法或衰减曲线法进行参数整定。,实验三 液位控制系统 水箱液位控制系统调试,一、控制系统品质指标和调试方法,1、闭环控制系统的过渡过程,一个控制系统在外界干扰或给定干扰作用下，从原有稳定状态过渡到新的稳定状态的整个过程，称为控制系统的过渡过程。,2、过渡过程的质量指标,一个控制系统的品质指标, 衰减比 B1B2 余差C 最大偏差 过渡过程时间TS 振荡周期,3、控制器参数的工程整定,（1）目的 使控制器获得最佳参数，即过渡过程要有较好的稳定性与快速性。,整定参数,比例度,积分时间TI,微分时间TD,常用方法,临界比例度法,衰减曲线法,经验试凑法,3、控制器参数的工程整定,（2）临界比例度法是在纯比例运行下通过试验，得到临界比例度k 和临界周期TI，然后根据经验总结出来的关系，求出调节器各参数值。,（3） 整定方法：,(a)取TI = ，TD =0，系统按纯比例投入运行，稳定后，直至系统出现等幅振荡为止（见右图），记下此时比例度K 和振荡周期TK 。,(b)根据K 和TK ，按表中所列的经验算式，分别求出控制器最佳参数值。 (c)将比例度放到计算值略大一些的刻度上，然后TI 由大而小将积分作用加入；TD由小而大将微分作用加入。,(d)将比例度调到计算值上，适当调整，使过渡过程达到指标要求。,二、动手实践液位定值控制系统调试,1、准备工作,（1）按图1 要求，完成系统的接线。 （2）接通总电源和相关仪表的电源。 （3）打开阀F1-1、F1-2、F1-6 和F1-9，且把F1-9 控制在适当的开度。,2、系统调试,按临界比例度法整定方法和步骤整定参数。,3、系统投运,（1）手动操作调节器的输出，水满且基本稳定不变时，把调节器切换为自动。,（2）启动计算机，运行MCGS 组态软件软件，并进行下列实验：,a）加阶跃扰动（将给定量增加5%15%），观察并记录系统的输出响应曲线。,b)系统稳态后，适量改变阀F1-6 ，观察液位的变化过程。,c) 适量改变PI 的参数，用计算机记录不同参数时系统的响应曲线。,三、理认提高误差性能指标,在阶跃的干扰作用下，保证调节过程波动的衰减率=0.75（衰减率是指 ）或更高的前提下，使过程的最大,1、典型最佳控制系统的标准：,动态偏差、静态偏差和调节时间最小，也称“稳、准、快”。,2、误差定义：,误差绝对值积分指标 IAE,误差绝对值对时间的积分,3、其它误差指标：,三、理认提高误差性能指标,本章结束，谢谢！,
