过程控制及自动化仪表简单控制系统的设计PPT课件

1 第4章简单控制系统的设计 2 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 3 4 1简单控制系统设计概述 4 1 1控制系统设计的任务及其开发步骤 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 4 过程控制系统开发的主要步骤 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 5 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 6 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 7 4 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机干扰而产生的系统误差 8 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 9 4 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 4 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 被控参数选取的一般原则 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 10 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 11 4 2 2控制参数的选择 4 2 2 1过程特性对控制质量的影响 12 控制参数的选择 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 则 则 式1 式2 若单容过程具有纯时延时间 式3 13 二 干扰通道特性对控制质量的影响 干扰通道K对对控制质量的影响 1 时间常数Tf对控制质量的影响 14 0 jw Td 系统的特征方程 在干扰通道增加了一个惯性环节 使系统 的特征方程发生了变化 在根平面上增加了一 个附加极点 随着Tf的增大 极点将沿着实轴向虚轴靠近 系统过渡过程加长 但影响不大 而重要的是过渡过程的非恒定 分量乘上一个 的数值 使动态过程动态分量的幅值减小了 Tf倍 使超调量减小了 控制质量提高了 所以干扰通道惯性环节的阶数增加时 控制质量变好 当干扰 通道的时间常数或时间常数个数增加时 使这一通道的动态响应变缓 对干扰起滤波作用 15 2 干扰通道的影响 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 3 干扰进入系统位置的影响 16 不是在 之后 而是在 之前进入系统 则有 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 17 定值系统R s 0 18 三 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 19 2 控制通道 的影响 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 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 应减小控制通道的纯滞后 以利于提高系统的控制质量 20 相应的临界稳定增益为 3 控制通道时间常数匹配的影响 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 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 R s C s kc 21 时间常数匹配对质量的影响 T2 T1 T3 在保持稳定性相同的情况下 时间常数错开得越多 临界稳定的增益则越大 系统的控制质量就越高 22 4 2 2 2控制参数的确定 1 选择结果应使控制通道的静态增益 尽可能大 选择适当 时间常数 2 控制通道的纯时延时间 应尽可能小 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 位置应尽可能远离被控参数而靠近调节阀 尽可能多 扰动进入系统的 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 考虑工艺操作的合理性 可行性与经济性 23 4 2 3被控参数的测量与变送 为测量及变送环节的输出 为被控参数信号 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 24 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 输出端串联微分环节 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 X s Y s GB s 25 态响应 减少气动装置 传输使用电信号 增加气动功率 的影响 则在理论上可以完全消除 若选择 在工程上 常将微分环节置于调节器之后 一方面 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 这对于克服 Tm 26 4 2 4调节规律对调节质量的影响及其选择 4 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 Kc R s F s C s 27 所以比例不能消除余差 只能起粗调的作用 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 28 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 的减小而增大 若要减小 误差 则要增大 这样往往会降低系统稳定性 KC 2 比例调节系统的稳态误差随 KC 29 3 对于惯性过程 当给定值不变时 采用比例调节 只能 被使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 30 与 相比 减小了 倍 越大 越多 说明过程的惯性越小 因而响应速度加快 但 的 增大会使系统的稳定性下降 减小得 2 积分 I 调节规律的影响 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 增大积分速度 会增大系统开环增益 降低系统稳定性 引入积分环节 相频滞后90度 动态性能变差 积分调节是牺牲 了动态品质而使稳态性能得到改善的 31 积分能消除余差 但降低了系统的稳定性 当TI较小时 稳定性下降更严重 比例积分调节要想得到和纯比例相同的稳定性 Kc必须减小来补偿积分造成的稳定性下降 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 积分控制作用总是滞后于偏差的存在 因此它不能有效地克服扰动的影响 难以使得控制系统稳定下来 因此积分控制作用很少单独使用 单独使用系统容易振荡 32 积分时间TI对过渡过程影响 33 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 单纯的微分调节器是不能工作的 34 4 PD调节规律的影响 1 PD调节也是有差调节 这是因为在稳态情况下 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 3 PD调节有利于减小系统静差 稳态误差 提高系统的 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 为零 或超调量 PD调节为了得到与纯比例相同的稳定性 可以 响应速度 增大Kc 降低的稳定性由微分来补偿 35 不同TD下的控制过程 微分时间TD对系统过渡过程的影响如图所示 若TD太小 则对系统的控制指标没有或影响很小 如图中曲线1选取适当的TD 系统的控制指标将得到全面的改善 如曲线2所示 若TD过大 即引入太强的微分作用 反而可能导致系统剧烈振荡 如曲线3所示 36 5 PID调节规律的影响 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 37 控制系统在不同调节作用下的典型响应 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 38 4 2 4 2调节规律的选择 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 当 时 可选用P或PI调节规律 当 可选用PID调节规律 当 时 应采用其他控制方式 时 39 4 2 4执行器的选择 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 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 40 4 2 5调节器正 反作用方式的选择 调节器正反作用选择原则 执行器 气开式 气关式 调节器 正作用 反作用 被控过程 正作用 当被控过程的输入量增加时 被控参数也 随之增加 则称之为正作用被控过程 被控过程 反作用 当被控过程的输入量增加时 被控参数也 随之减小 则称之为反作用被控过程 构成系统开环传递函数静态增益的乘积必须为正 41 5 3调节器的参数整定 调节器参数整定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 为主要指标 以保证系统具有一定的稳定裕量 时间等其它指标 参数整定的方法分为理论计算整定法 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 衰减率 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 42 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 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 如果特征方程有一个实根 其通解 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 为非周期 43 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 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 44 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 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 45 5 3 2调节器参数的整定 1 临界比例度法 临界比例度法直接在闭环系统中进行 不需要测试过程的动态特性 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 等系统运行稳定后 对设定值施加一个阶跃变化 并减小 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 直 46 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 当衰减比为4 1的振荡过程或10 1的振荡过程 记录下此时的 观察衰减比 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 47 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 48 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 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 计算调节器的参数 49 50 有自衡能力的广义被控过程 传递函数可写为 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 51 柯恩 库恩公式 P调节器 PI调节器 PID调节器 52 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 衰减曲线法最好 临界比例度法次之 反应曲线法最差 53 1 PID常用口诀 参数整定找最佳 从小到大顺序查 先是比例后积分 最后再把微分加 曲线振荡很频繁 比例度盘要放大 曲线漂浮绕大湾 比例度盘往小扳 曲线偏离回复慢 积分时间往下降 曲线波动周期长 积分时间再加长 曲线振荡频率快 先把微分降下来 动差大来波动慢 微分时间应加长 理想曲线两个波 前高后低4比1 一看二调多分析 调节质量不会低 54 2 PID控制器参数的工程整定 各种调节系统中P I D参数经验数据以下可参照 对于温度系统 P 20 60 I 分 3 10 D 分 0 5 3对于流量系统 P 40 100 I 分 0 1 1对于压力系统 P 30 70 I 分 0 4 3对于液位系统 P 20 80 I 分 1 5温度T P 20 60 T 180 600s D 3 180s压力P P 30 70 T 24 180s 液位L P 20 80 T 60 300s 流量L P 40 100 T 6 60s 55 5 3 3PID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 56 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 57 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 58 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 59 4 4单回路控制系统设计实例 4 4 1干燥过程的控制系统设计 4 4 1 1工艺要求 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 60 乳化物干燥过程示意图 61 4 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 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 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 62 旁路风量为控制参数时的系统框图 检测元件 干燥筒 换热器 风管