现场总线课件第三章调节系统设计

1、第三章：调节系统设计第三章：调节系统设计郑辑光西安交通大学自动控制研究所2002年6月5日调节系统设计（调节系统设计（P.213）3 31 1：单回路调节系统设计单回路调节系统设计n单回路调节系统单回路调节系统: 一般指在一个调节对象上用一个调节器来保持一般指在一个调节对象上用一个调节器来保持一个参数恒定，而调节器只接收一个测量信号，其一个参数恒定，而调节器只接收一个测量信号，其输出也只控制一个执行机构。输出也只控制一个执行机构。n设计步骤：设计步骤：1.对调节对象的动态、静态特性及工艺过程、设备等对调节对象的动态、静态特性及工艺过程、设备等进行深入的了解；进行深入的了解；2.制订控制方案；制

2、订控制方案；3.调节器参数整定。调节器参数整定。控制方案的制订控制方案的制订1确定被调参数确定被调参数 根据产品质量、生产工艺要求、变量的可测性等因素来选取合适的被调参数。2确定调节量（选择控制介质）确定调节量（选择控制介质） 基于干扰通道、调节通道对象参数对系统调节性能的影响，来选择调节量。选择不同的调节量决定了不同的干扰与调节通道，如下图所示。另外，还要考虑到生产工艺上的合理性。 控制方案的制订（续）控制方案的制订（续）调节器参数整定调节器参数整定 生产过程中的控制系统多为恒值调节系统恒值调节系统。评定 调节过程常用的品质指标有： 稳态误差稳态误差、最大动态偏差最大动态偏差、超调度超调度、

3、衰减率衰减率、过过渡过程时间渡过程时间等。其中，在过程控制系统中更多地采用衰减率来表示调节系统的稳定度。所谓衰减率衰减率就是指每经过一个振荡周期以后，过程波动幅度衰减的百 分数。 在生产中，衰减率在生产中，衰减率的取值一般在的取值一般在0.750.9之间之间。衰减率太小（接近于0），过渡过程的衰减很慢，与等幅振荡接近，由于振荡过于频繁，一般不采用。如果衰减率很大（近于1），则过渡过程接近单调过程，往 往过渡过程时间较长也不采用。调节器参数整定调节器参数整定 “典型最佳调节过程典型最佳调节过程”： 在阶跃扰动作用下，保证调节过程波动的衰减率为0.75（或更高）的前提下，使过程的最大动态偏差、静态

4、误差和调节时间最小。 上述指标表现在以下方面的要求： 稳定性稳定性、准确性（动差、准确性（动差、静差）静差）以及快速性快速性。调节方案的确定 通过对调节对象的动态特性对调节质量影响的分析，可得出以下几点，作为确定调节方案的依据。1. 尽力使干扰作用点向调节阀处移动。调节系统不能降低从测点处直接进入的干扰所引起的动态误差，故应尽力避免。2. 调节通道的时间常数应适当地小一些，以加快过渡过程；纯滞后则越小越好。3. 调节系统的广义对象常由几个惯性环节串联组成，在选泽调节参数时，应尽力把几个时间常数错开。这样，系统允许有较大放大倍数，而仍能保证闭环系统有一定稳定余量，从而使系统调节性能指标提高，调节

5、时间短，偏差小。3 32 2 调节规律对性能影响及其选择调节规律对性能影响及其选择 调节规律对性能影响调节规律对性能影响n比例调节： 最简单，响应迅速，易整定；但存在静差。n比例积分调节： 最常用，无静差，较纯积分调节快速；适用于调节通道容量滞后较小，负荷变化不很大的系统。如流量、压力调节系统等。对于滞后较大的系统效果不好。n比例微分调节： 可提高稳定裕度，进而加大比例增益，加快调节过程，减小静差和动差。但对于高频扰动频繁、纯滞后较大的系统效果不理想。 33 PID参数工程整定方法 调节器参数整定，是指决定调节器的比例度PB、积分时间Ti和微分时间Td的具体数值。 整定的实质是通过改变调节器的

6、参数,使其特性和过程特性相匹配，以改善系统的动态和静态指标，取得最佳的控制效果。PID参数工程整定方法PID参数工程整定方法两两 点点 说说 明明1. 以下整定公式均取“典型最佳调节过程”指标：10 , 111)(NNsTsTsTKsGddicPID 在阶跃扰动作用下，保证调节过程波动的衰减率为0.75（或更高）的前提下，使过程的最大动态偏差、静态误差和调节时间最小。2. PID控制律取如下标准形式：PID参数工程整定方法 一、临界比例度法（Ziegler-Nichols,Z-N 稳定边界法)：工程整定法-临界比例度法步骤：步骤：（1）先将PID控制器中的积分与微分作用切除，取比例带PB较大值

7、，并投入闭环运行；（2）将PB由大到小变化，对应于某一PB值作小幅度的设定值阶跃响应，直至产生等幅振荡；（3）设等幅振荡时所对应的振荡周期为Tm、控制器比例带Pm ，则通过查表，根据控制器类型选择PID参数.局限性：局限性：生产过程有时不允许出现等幅振荡，或者无法产生等幅振荡。工程整定法-反应曲线法n由临界比例度法近似推导反应曲线法：工程整定法-反应曲线法n对上述公式略加修正，有：Ziegler-Nichols 反应曲线法工程整定法-反应曲线法工程整定法-试凑法工程整定法-试凑法PID参数工程整定方法三、控制器参数的自整定：34：复杂调节系统复杂调节系统 这里，把在简单反馈回路中再增加计算环节、控制环节或其他环节的控制系统称为复杂控制系统复杂控制系统。但从输入和输出变量的关系来看，总体上仍基本是单一的。这些系统在50年代已有相当的发展、它们原是经典控制理论的产物，当时用常规仪表来实现。但到今天它们也可用现代控制理论来分析，更多用计算机来实现，在 DCS装置中都备有很多种复杂控制系统的算法模块。 复杂控制系统包括：串级串级、均勾、比值、前馈前馈、分程、选择性控制系统等。这些系统有的以它们的结构命名，有的以功能特征或原理命名，因此出现了交叉的复杂局面，而