《回路反馈控制系统》PPT课件.ppt
过程控制工程第第1 1章章 单回路反馈控制系统单回路反馈控制系统 第 5 课Process Control EngineeringProcess Control Engineering北京化工大学信息科学与技术学院自动化系 宿翀单回路反馈控制系统单回路反馈控制系统1.11.1单回路系统的结构组成单回路系统的结构组成单回路系统的结构组成单回路系统的结构组成1.21.2被控变量的选择被控变量的选择被控变量的选择被控变量的选择1.31.3对象特性对控制质量的影响及操纵变量的选择对象特性对控制质量的影响及操纵变量的选择对象特性对控制质量的影响及操纵变量的选择对象特性对控制质量的影响及操纵变量的选择1.41.4控制阀的选择控制阀的选择控制阀的选择控制阀的选择1.51.5测量、传送滞后对控制质量的影响及其克服办法测量、传送滞后对控制质量的影响及其克服办法测量、传送滞后对控制质量的影响及其克服办法测量、传送滞后对控制质量的影响及其克服办法1.61.6控制器参数对系统控制质量的影响及控制规律的选择控制器参数对系统控制质量的影响及控制规律的选择控制器参数对系统控制质量的影响及控制规律的选择控制器参数对系统控制质量的影响及控制规律的选择1.71.7系统的关联及其消除方法系统的关联及其消除方法系统的关联及其消除方法系统的关联及其消除方法1.81.8单回路系统的投运和整定单回路系统的投运和整定单回路系统的投运和整定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、质量研究实验：单回路控制系统连接、投运和整定、质量研究实验：单回路控制系统连接、投运和整定、质量研究实验：单回路控制系统连接、投运和整定、质量研究第第1章章教学进程教学进程教学进程教学进程单回路系统投运和整定单回路系统投运和整定单回路系统投运和整定单回路系统投运和整定系统投入运行以及控制器的参数调整系统投入运行以及控制器的参数调整系统投入运行以及控制器的参数调整系统投入运行以及控制器的参数调整投运前的准备：投运前的准备：（1）熟悉被控对象和整个控制系统，检查所有仪表及连接）熟悉被控对象和整个控制系统，检查所有仪表及连接管线，以保证投运时能及时、正确的操作，故障能及时查找。管线，以保证投运时能及时、正确的操作，故障能及时查找。（2）现场检验所有的仪表，保持仪表能正常使用。）现场检验所有的仪表，保持仪表能正常使用。（3）根据经验或估算，设置）根据经验或估算，设置Kc、TI、To，或为纯比例，比，或为纯比例，比例度设置在较大位置。例度设置在较大位置。（4）确认阀的开、闭形式。）确认阀的开、闭形式。（5）确认控制器的正、反作用。）确认控制器的正、反作用。（6）根据上述选择，假设被控变量受一干扰，看控制系统）根据上述选择，假设被控变量受一干扰，看控制系统能否克服干扰的影响。能否克服干扰的影响。教学进程教学进程教学进程教学进程 原则：系统开环总放大倍数必须为负值（保证负反馈）原则：系统开环总放大倍数必须为负值（保证负反馈）原则：系统开环总放大倍数必须为负值（保证负反馈）原则：系统开环总放大倍数必须为负值（保证负反馈）单回路系统投运和整定单回路系统投运和整定单回路系统投运和整定单回路系统投运和整定控制器正反作用的确定控制器正反作用的确定控制器正反作用的确定控制器正反作用的确定Gc(s)Gv(s)Go(s)Gm(s)R(s)E(s)Y(s)根据：对象根据：对象根据：对象根据：对象Go(s)Go(s)、控制阀、控制阀、控制阀、控制阀Gv(s)Gv(s)、测量变送器测量变送器测量变送器测量变送器Gm(s)Gm(s)的正的正的正的正反作用，反作用，反作用，反作用，保证：总符号为负，保证：总符号为负，保证：总符号为负，保证：总符号为负，确定：控制器确定：控制器确定：控制器确定：控制器Gc(s)Gc(s)的符号。的符号。的符号。的符号。教学进程教学进程教学进程教学进程正：正：正：正：输入信号输入信号输入信号输入信号 ，输出信号，输出信号，输出信号，输出信号 负：负：负：负：输入信号输入信号输入信号输入信号 ，输出信号，输出信号，输出信号，输出信号 对象、控制阀、测量变送装置对象、控制阀、测量变送装置对象、控制阀、测量变送装置对象、控制阀、测量变送装置 若控制阀为气闭式，膜若控制阀为气闭式，膜若控制阀为气闭式，膜若控制阀为气闭式，膜头压力增大阀门关小头压力增大阀门关小头压力增大阀门关小头压力增大阀门关小P 对象特性，输出流量对象特性，输出流量对象特性，输出流量对象特性，输出流量F2F2增大，液位增大，液位增大，液位增大，液位L L减小减小减小减小 测量变送测量变送测量变送测量变送 控制器符号应该为负，控制器符号应该为负，控制器符号应该为负，控制器符号应该为负，即反作用即反作用即反作用即反作用LC水槽液位控制系统水槽液位控制系统水槽液位控制系统水槽液位控制系统单回路系统投运和整定单回路系统投运和整定单回路系统投运和整定单回路系统投运和整定P弹性薄膜阀芯教学进程教学进程教学进程教学进程一般，对于仪表控制器，都带有正反作用开关，一般，对于仪表控制器，都带有正反作用开关，对于计算机控制，可以通过程序设置对于计算机控制，可以通过程序设置 单回路系统投运和整定单回路系统投运和整定单回路系统投运和整定单回路系统投运和整定1.8.11.8.1 控制系统投运控制系统投运控制系统投运控制系统投运 关键是自动和手动的切换关键是自动和手动的切换关键是自动和手动的切换关键是自动和手动的切换要求，必须保证是无扰动切换要求，必须保证是无扰动切换要求，必须保证是无扰动切换要求，必须保证是无扰动切换手动：手动：手动：手动：通过控制器，手动给出控制器的输出，通过控制器，手动给出控制器的输出，通过控制器，手动给出控制器的输出，通过控制器，手动给出控制器的输出，手动输出手动输出手动输出手动输出自动：自动：自动：自动：控制器根据偏差，自动计算给出控制控制器根据偏差，自动计算给出控制控制器根据偏差，自动计算给出控制控制器根据偏差，自动计算给出控制器的输出，自动输出器的输出，自动输出器的输出，自动输出器的输出，自动输出无扰动切换无扰动切换无扰动切换无扰动切换教学进程教学进程教学进程教学进程手动时，自动输出跟踪手动输出手动时，自动输出跟踪手动输出手动时，自动输出跟踪手动输出手动时，自动输出跟踪手动输出自动时，手动输出跟踪自动输出自动时，手动输出跟踪自动输出自动时，手动输出跟踪自动输出自动时，手动输出跟踪自动输出控制系统投运控制系统投运控制系统投运控制系统投运双向平衡无扰动切换双向平衡无扰动切换双向平衡无扰动切换双向平衡无扰动切换 电动电动电动电动IIIIII型、型、型、型、I I系列、系列、系列、系列、EKEK系列系列系列系列 电动电动电动电动IIII型型型型一般，仪表控制器带有自动一般，仪表控制器带有自动一般，仪表控制器带有自动一般，仪表控制器带有自动/手动切换开关，手动切换开关，手动切换开关，手动切换开关，计算机控制时，也必须设置这样的开关计算机控制时，也必须设置这样的开关计算机控制时，也必须设置这样的开关计算机控制时，也必须设置这样的开关教学进程教学进程教学进程教学进程控制系统整定控制系统整定控制系统整定控制系统整定目前基本控制器一般均为目前基本控制器一般均为目前基本控制器一般均为目前基本控制器一般均为PIDPID控制器（比例、积分、控制器（比例、积分、控制器（比例、积分、控制器（比例、积分、微分控制器）微分控制器）微分控制器）微分控制器）PIDPID控制器整定，调节控制器整定，调节控制器整定，调节控制器整定，调节P P、I I、D D参数，使得控制系参数，使得控制系参数，使得控制系参数，使得控制系统的控制性能指标达到满意。统的控制性能指标达到满意。统的控制性能指标达到满意。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一旦控制控制系统安装到位，控制系统的品质就取一旦控制控制系统安装到位，控制系统的品质就取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数设置决于控制器的参数设置决于控制器的参数设置决于控制器的参数设置 整定的目的整定的目的整定的目的整定的目的对象特性、控制方案、干扰的形式和大小、对象特性、控制方案、干扰的形式和大小、对象特性、控制方案、干扰的形式和大小、对象特性、控制方案、干扰的形式和大小、控制器参数整定控制器参数整定控制器参数整定控制器参数整定 选择什么样的控制系统性能指标选择什么样的控制系统性能指标选择什么样的控制系统性能指标选择什么样的控制系统性能指标 常见的，如常见的，如常见的，如常见的，如4 4：1 1衰减等，根据不同的实际衰减等，根据不同的实际衰减等，根据不同的实际衰减等，根据不同的实际情情情情 况，有所不同。况，有所不同。况，有所不同。况，有所不同。教学进程教学进程教学进程教学进程整定方法整定方法整定方法整定方法两类：理论计算和工程整定方法两类：理论计算和工程整定方法两类：理论计算和工程整定方法两类：理论计算和工程整定方法控制系统整定控制系统整定控制系统整定控制系统整定 理论整定方法理论整定方法理论整定方法理论整定方法基于控制原理的计算方法（时域法、频域法、基于控制原理的计算方法（时域法、频域法、基于控制原理的计算方法（时域法、频域法、基于控制原理的计算方法（时域法、频域法、根轨迹法等）根轨迹法等）根轨迹法等）根轨迹法等）例子：例子：例子：例子：已知一广义对象传递函数为：已知一广义对象传递函数为：已知一广义对象传递函数为：已知一广义对象传递函数为：采用纯比列控制器，过渡过程采用纯比列控制器，过渡过程采用纯比列控制器，过渡过程采用纯比列控制器，过渡过程4:14:1衰减，求衰减，求衰减，求衰减，求 。教学进程教学进程教学进程教学进程 工程整定方法工程整定方法工程整定方法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理论整定方法，必须要求已知各个环节的传递理论整定方法，必须要求已知各个环节的传递理论整定方法，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，理函数，对于一般的实际问题，难于满足。另外，理函数，对于一般的实际问题，难于满足。另外，理函数，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。论计算也比较烦琐，工程上一般不采用。论计算也比较烦琐，工程上一般不采用。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工程整定方法，直接在闭合的控制回路中对控工程整定方法，直接在闭合的控制回路中对控工程整定方法，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，易于制器参数进行整定。经验方法，简单、方便，易于制器参数进行整定。经验方法，简单、方便，易于制器参数进行整定。经验方法，简单、方便，易于掌握，工程实际中广泛采用。掌握，工程实际中广泛采用。掌握，工程实际中广泛采用。掌握，工程实际中广泛采用。控制系统整定控制系统整定控制系统整定控制系统整定教学进程教学进程教学进程教学进程（1 1）临界比例度法）临界比例度法步骤：步骤：系统闭环系统闭环 T TI I最大、最大、T TD D最小最小 （没有积分、微分作用）（没有积分、微分作用）比例度比例度放到放到100%100%（K=1K=1），由大往小逐渐改变，每改变一），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 Y的变化的变化 若若Y Y衰减振荡，则继续减小衰减振荡，则继续减小；若；若Y Y发散振荡，则应增大发散振荡，则应增大 当当Y Y出现等幅振荡（临界振荡），此时出现等幅振荡（临界振荡），此时k k称为临界比例度，称为临界比例度，振荡周期振荡周期T Tk k称为临界周期。称为临界周期。工程整定方法工程整定方法工程整定方法工程整定方法控制系统整定控制系统整定控制系统整定控制系统整定教学进程教学进程教学进程教学进程 有了有了有了有了 k k和和和和T Tk k后，按经验公式确定后，按经验公式确定后，按经验公式确定后，按经验公式确定、T TI I、T TD D，按此参数可，按此参数可，按此参数可，按此参数可使控制系统呈使控制系统呈使控制系统呈使控制系统呈4 4：1 1衰减。若还有差距，可适当调整衰减。若还有差距，可适当调整衰减。若还有差距，可适当调整衰减。若还有差距，可适当调整 控制系统整定控制系统整定控制系统整定控制系统整定0tTk等幅振荡曲线等幅振荡曲线等幅振荡曲线等幅振荡曲线 临界周期临界周期教学进程教学进程教学进程教学进程%TI，minTD，minP2kPI2.2k0.85TkPID1.7k0.5Tk0.13Tk控制系统整定控制系统整定控制系统整定控制系统整定表表表表1-51-5临界比例度整定控制器参数经验公式临界比例度整定控制器参数经验公式临界比例度整定控制器参数经验公式临界比例度整定控制器参数经验公式临界比例度法优点：临界比例度法优点：临界比例度法优点：临界比例度法优点：应用简单应用简单应用简单应用简单缺缺缺缺点点点点：有有有有些些些些实实实实际际际际系系系系统统统统不不不不允允允允许许许许进进进进行行行行等等等等幅幅幅幅振振振振荡荡荡荡测测测测试试试试，另另另另外外外外，对对对对象象象象也也也也必必必必须须须须是是是是二二二二阶阶阶阶以以以以上上上上系系系系统统统统，或或或或是是是是一一一一阶阶阶阶加加加加纯纯纯纯滞滞滞滞后后后后的的的的对对对对象，否则，不能出现振荡象，否则，不能出现振荡象，否则，不能出现振荡象，否则，不能出现振荡。教学进程教学进程教学进程教学进程（2 2）衰减曲线法衰减曲线法衰减曲线法衰减曲线法 与临界法类似与临界法类似 4 4：1 1衰减曲线：衰减曲线：比例度比例度放到放到100%100%（K=1K=1），由大往小逐渐改变，每改变一），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 Y的的变化变化 若若Y Y衰减比大于衰减比大于4 4：1 1，则继续减小，则继续减小；若小于；若小于4 4：1 1，则应增，则应增大大，直到出现，直到出现4 4：1 1衰减振荡，记录此时比例度衰减振荡，记录此时比例度ss和振荡周期和振荡周期TsTs 按经验公式确定按经验公式确定、TITI、TDTD 工程整定方法工程整定方法工程整定方法工程整定方法控制系统整定控制系统整定控制系统整定控制系统整定教学进程教学进程教学进程教学进程，%TI，minTD，minPsPI1.2s0.5TsPID0.8s0.3Ts0.1Ts控制系统整定控制系统整定控制系统整定控制系统整定表表表表1-61-6衰减曲线法整定控制器参数经验公式衰减曲线法整定控制器参数经验公式衰减曲线法整定控制器参数经验公式衰减曲线法整定控制器参数经验公式ytTs4:14:1衰减曲线衰减曲线衰减曲线衰减曲线 s s Ts Ts 振荡周期振荡周期振荡周期振荡周期比例度比例度比例度比例度教学进程教学进程教学进程教学进程控制系统整定控制系统整定控制系统整定控制系统整定yttr10:110:1衰减曲线衰减曲线衰减曲线衰减曲线 s s t tr r 先比例，后积分，最后微分的顺序先比例，后积分，最后微分的顺序 优点：易于实际应用优点：易于实际应用 缺点：有时缺点：有时4 4：1 1衰减不太好确定，只能近似衰减不太好确定，只能近似 10 10：1 1衰减曲线：衰减曲线：与以上步骤相同，只是采用与以上步骤相同，只是采用1010：1 1衰减曲线，经验公衰减曲线，经验公式见教材式见教材 教学进程教学进程教学进程教学进程（3 3）反应曲线法）反应曲线法）反应曲线法）反应曲线法 测试广义对象的时间特性测试广义对象的时间特性测试广义对象的时间特性测试广义对象的时间特性 步骤：步骤：步骤：步骤：系统开环、稳定（测量值等于给定值）系统开环、稳定（测量值等于给定值）系统开环、稳定（测量值等于给定值）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，它将作用于广手动操作控制器产生一个阶跃输出，它将作用于广手动操作控制器产生一个阶跃输出，它将作用于广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，记录义对象上，记录义对象上，记录义对象上，记录Y Y的曲线（反应曲线）的曲线（反应曲线）的曲线（反应曲线）的曲线（反应曲线）工程整定方法工程整定方法工程整定方法工程整定方法控制系统整定控制系统整定控制系统整定控制系统整定教学进程教学进程教学进程教学进程控制系统整定控制系统整定控制系统整定控制系统整定ppP0tyT0T00yACBDt对象反应曲线对象反应曲线对象反应曲线对象反应曲线 纯滞后时间纯滞后时间纯滞后时间纯滞后时间 时间常数时间常数时间常数时间常数 ToTo教学进程教学进程教学进程教学进程控制系统整定控制系统整定控制系统整定控制系统整定控控制制器器参参数数控制器类型控制器类型/%Ti/min TD/minP(K0/T0)100%PI(1.1K0/T0)100%3.3 PID(0.85K0/T0)100%2 0.5表表表表1-81-8反应曲线法整定控制器参数经验公式反应曲线法整定控制器参数经验公式反应曲线法整定控制器参数经验公式反应曲线法整定控制器参数经验公式广义对象特性可用一阶加纯滞后环节近似广义对象特性可用一阶加纯滞后环节近似广义对象特性可用一阶加纯滞后环节近似广义对象特性可用一阶加纯滞后环节近似按经验公式，可计算按经验公式，可计算按经验公式，可计算按经验公式，可计算P P、I I、D D参数参数参数参数此方法简单，但有些实际场合，不允许进行开环阶跃实验此方法简单，但有些实际场合，不允许进行开环阶跃实验此方法简单，但有些实际场合，不允许进行开环阶跃实验此方法简单，但有些实际场合，不允许进行开环阶跃实验教学进程教学进程教学进程教学进程（4 4）其他方法，如智能方法等）其他方法，如智能方法等）其他方法，如智能方法等）其他方法，如智能方法等 测试广义对象的测试广义对象的测试广义对象的测试广义对象的时间特性时间特性时间特性时间特性 工程整定方法工程整定方法工程整定方法工程整定方法控制系统整定控制系统整定控制系统整定控制系统整定例子：例子：例子：例子：蒸汽加热器温控系统，电动蒸汽加热器温控系统，电动蒸汽加热器温控系统，电动蒸汽加热器温控系统，电动IIII型控制器手动输出从型控制器手动输出从型控制器手动输出从型控制器手动输出从6mA-6mA-7mA,7mA,加热器温度从加热器温度从加热器温度从加热器温度从o oC C。仪表量程仪表量程仪表量程仪表量程50-10050-100o oCC测得测得测得测得=，T0=2.5min,如采用如采用如采用如采用PIPI控制器，其整定参数？控制器，其整定参数？控制器，其整定参数？控制器，其整定参数？教学进程教学进程教学进程教学进程作业作业5课本课本P55 1.6P55 1.6、1.71.7 教学进程教学进程教学进程教学进程 交上周作业交上周作业
