第一章单回路反馈控制系统ppt课件

1、 单回路反响控制系统 四个根本环节：被控对象、丈量变送、控制器和控制阀 反响控制中的最根本系统 特点：简单、有效、 运用最成熟、最普遍 - 占70%以上任务过程：任务过程：A.C A.C 控制器控制器控制阀控制阀被控被控对象对象丈量丈量变送变送偏向偏向给定给定 丈量丈量 液位液位 控制系统的原理和作用定值维持被控参数坚持在设定值上，偏向越小越好维持被控参数坚持在设定值上，偏向越小越好偏向控制：纠正偏向偏向控制：纠正偏向 过程工业中，此类系统占大多数过程工业中，此类系统占大多数按被控参数分类：按被控参数分类： 温度控制回路、压力控制回路、温度控制回路、压力控制回路、 流量控制回路、物位液位控制回

2、路流量控制回路、物位液位控制回路单回路反响控制系统单回路反响控制系统1.1 单回路系统的构造组成单回路系统的构造组成1.2 被控变量的选择被控变量的选择1.3 对象特性对控制质量的影响及支配变量的选择对象特性对控制质量的影响及支配变量的选择1.4 控制阀的选择控制阀的选择1.5 丈量、传送滞后对控制质量的影响及其抑制方法丈量、传送滞后对控制质量的影响及其抑制方法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系统的关联及其消除方法1.8 单回路系统的投运和整定单回路系统的投运和整定 实验：单回路控制系统衔接、投运

3、和整定、质量研讨实验：单回路控制系统衔接、投运和整定、质量研讨控制系统的设计目的 即，要控制什么即，要控制什么 基于工艺要求，选择的结果直接影响基于工艺要求，选择的结果直接影响消费产品产量、质量、消费平安消费产品产量、质量、消费平安分类 最根本的热工参数，普通是可以直最根本的热工参数，普通是可以直接进展丈量和控制的参数接进展丈量和控制的参数 温度、压力、液位、流量温度、压力、液位、流量 质量目的，以及一些特殊的参数质量目的，以及一些特殊的参数成份、物性参数等，在普通条件下，成份、物性参数等，在普通条件下，无法直接丈量和控制无法直接丈量和控制 应根据工艺参数的关系，用可应根据工艺参数的关系，用可

4、测的参数，间接进展控制测的参数，间接进展控制苯、甲苯二元精馏系统苯、甲苯二元精馏系统 质量目的是最重要的控制参数质量目的是最重要的控制参数 如塔顶产品的纯度如塔顶产品的纯度 xD 但但 xD 目前无法直接丈量，因此，只能用间接目前无法直接丈量，因此，只能用间接控制参数进展控制。控制参数进展控制。 根据精馏原理，根据精馏原理，xD = f (TD, p), 即与温度和压力即与温度和压力成非线性函数关系。成非线性函数关系。 实际上，固定一项，就可用另一项控制实际上，固定一项，就可用另一项控制xD 。 普通的，实践中都采用恒定普通的，实践中都采用恒定p，经过控制塔顶温，经过控制塔顶温度来控制塔顶成分

5、。度来控制塔顶成分。 选择原那么：选择原那么： 1 1 丈量滞后丈量滞后 P P 2 2 工艺合理性工艺合理性 T T工艺合理性：规定塔压稳定，保证分别度，保证效率工艺合理性：规定塔压稳定，保证分别度，保证效率 各块塔板压力恒定，各块塔板压力恒定，XDXD与与T T有对应关系有对应关系选择选择XD=FXD=FT TPTfXD,0 50 100%0 50 100%DXP一定T一定一定DX选择被控变量的原那么对象特性分析精馏塔精馏塔: : 影响塔顶成分的有影响塔顶成分的有, ,温度、压力、温度、压力、 进料流量、进料成进料流量、进料成分等分等 F1F2FnY 必需从影响被控量的诸多影响参数中必需从

6、影响被控量的诸多影响参数中 选择一个，作为支配变量选择一个，作为支配变量 其它影响量那么只能视作干扰量了其它影响量那么只能视作干扰量了用支配量抑制干扰量对被控变量的影响用支配量抑制干扰量对被控变量的影响F1(s)F1(s)F2(s)F2(s)U(s)U(s)Y(s)Y(s)Y(s)=GPC(s)U(s)+GPD1(s) F1(s) +GPD2(s) F2 (s)干扰作用下的闭环传送函数为：干扰作用下的闭环传送函数为：结论：结论： KfKf越大，系统的余差也越大，越大，系统的余差也越大， 控制质量越差控制质量越差分析过程：分析过程： 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

7、偏向越小， 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 ( )()y ty t干扰通道特性对控制质量的影响特性参数静态质量的影响动态质量的影响Kf增加余差增加无影响Tf增加无影响过渡过程时间减小，振荡幅值减小f增加无影响无影响静态：控制通道放大倍数静态：控制通道放大倍数K0K0大，控制系统稳态余差小，见式大，控制系统稳态余差小，见式1-71-7动态：控制系统衰减比动态：控制系统衰减比与与Kc Kc 与与K0K0的乘积有关，见式的乘积有关，见式1-181-18，且，且 Kc K0 Kc K0越大，越大，越小，稳定性差，因此，要保证越小，稳定性差，因此，要保证K

8、c K0=Kc K0=常数。常数。在在Kc K0=Kc K0=常数情况下，控制系统稳态余差不变。常数情况下，控制系统稳态余差不变。从控制角度看，从控制角度看，K0K0大些，阐明控制通道对系统的影响大，易于调理，大些，阐明控制通道对系统的影响大，易于调理，因此，普通希望因此，普通希望K0K0大些好大些好从控制系统传送函数推导进展分析 结论：控制通道的时间常数大，经过的容量数多，系统的任务 频率低，控制不及时、系统控制质量差，如温度系统。 普通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 结论：纯滞后0的存在，使得控制不及时，添加动态偏向，

9、 降低稳定性。 控制通道纯滞后是控制系统非常不利的要素，会严重影响控制系统质量，以致于使控制系统发散，呵斥严重后果，因此，实践工程中，必需注重。 支配变量的选择 兼顾思索工艺的合理性，工艺上不易频繁改动的量也兼顾思索工艺的合理性，工艺上不易频繁改动的量也不宜作为支配变量。不宜作为支配变量。 本质上是决议了控制通道的选择。本质上是决议了控制通道的选择。原那么：原那么：1 1 支配变量必需可控支配变量必需可控2 2 选择通道放大倍数相对大的选择通道放大倍数相对大的3 3选择通道时间常数相对小的干扰通道选择通道时间常数相对小的干扰通道时间常数大些时间常数大些4 4选择通道的纯滞后尽量小选择通道的纯滞

10、后尽量小5 5选择使干扰点远离被控变量而接近控制阀选择使干扰点远离被控变量而接近控制阀控制通道特性对控制质量的影响图特性参数对静态质量的影响对动态质量的影响K0增加余差减小（稳定前提下）系统趋向于振荡T0增加无影响过渡过程时间增加，系统频率变慢0增加无影响稳定程度大大降低 2质量角度：出现以外事故，思索产质量量 3耗费角度：原料、废品及动力耗费 4介质特点：特殊介质，思索气结晶、蒸发等要素流量特性：指流体经过阀门的相对流量和阀门相对开度流量特性：指流体经过阀门的相对流量和阀门相对开度 之间的关系之间的关系 Q/Qmax=f(L/Lmax) Q/Qmax 相对流量相对流量 f(L/Lmax)相对

11、开度相对开度1 1选择自整定调理器，代价大选择自整定调理器，代价大2 2经过控制阀的特性选择进展弥补经过控制阀的特性选择进展弥补 K 1 / K0G0 K 1 / K0G0如对象负荷静态部分如对象负荷静态部分K0K0与控制阀流量与控制阀流量F F成反比，成反比，对象负荷动态部分对象负荷动态部分G0G0与控制阀流量与控制阀流量F F成正比，成正比，控制阀特性取线性；控制阀特性取线性；P15 P15 表表1-1 1-1 控制阀流量特性的选择控制阀流量特性的选择 课本课本P15P15分析的例子分析的例子P16 P16 表表1-2 1-2 控制阀流量特性阅历选择控制阀流量特性阅历选择处理方法：处理方法

12、：直通单座、直通双座、角阀、高压阀、蝶阀、直通单座、直通双座、角阀、高压阀、蝶阀、隔膜阀、三通阀隔膜阀、三通阀适用于不同工艺场所适用于不同工艺场所表表1-4 1-4 ABC 控制阀的辅助安装 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； 可改动控制阀流量特性； 可实现分程控制 控制质量：控制质量：系统的稳定性系统的稳定性系统的静态误差系统的静态误差系统的动态误差系统的动态误差PID 三作用控制器PID：Proportional Integral DerivativePID控制：对偏向信号 (t)进展比例、积分和微分运算变换后构成的一种控制规律。 01tpd

13、idu tKe tedTe tTdt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； 01tiedT 微分控制项，微分控制项， d d 为微分时间常数；为微分时间常数； ddTe tdtPIDPID控制的传送函数：控制的传送函数：( )1( )1( )cpdiU sG sKT sE sTsR(s)E(s)Gc(s)Go(s)F(s)F(s)Go(s)E(s)Gc(s)2222(1)(21)( )(1)(21)okllovijjKT sT sTsG ssTsT sT s( )1/F ss001lim ( )lim( )lim( )tssce tsE sG

14、 s终值定理：1( )11ccciiiKG sKTsTsTs结论：结论： 当控制器为纯比例作用时，系统余差与放大倍数成反比，当控制器为纯比例作用时，系统余差与放大倍数成反比，即与比例度成正比，比例度即与比例度成正比，比例度越大，余差越大；越大，余差越大； 当控制器引入积分作用时，可消除余差；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。微分作用对余差没有影响。 0cuK eu0ty(t)01ciuKeedtuT0ty(t)0cDdeuKeTudt 好像一条水管安装有多个水龙头，各个龙头的流量相互影响提馏段温度与塔底液位控制系统提馏段温度与塔底液位控制系统TCLCGc1(s)Gc

15、n(s)R1(s)nnRn(s)Y1(s)Yn(s)U1(s)Un(s)jiGc1(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)uuy11yuy11相对增益的计算：相对增益的计算：j i j i 通道通道第一次计算只需第第一次计算只需第j j个支配变量变化，其它各支配变量均维持个支配变量变化，其它各支配变量均维持不变的增益：不变的增益：第二次计算其它各支配变量都变化处于闭环控制的增益：第二次计算其它各支配变量都变化处于闭环控制的增益：于是，于是，j i j i 通道的相对增益为：

16、通道的相对增益为： 相互关联程度ijijijyuuyyuijijyuuyyu1TKKPCFCGc(s)Gv(s)Go(s) Gm(s)R(s)E(s)Y(s)LC普通，对于仪表控制器，都带有正反作用开关，普通，对于仪表控制器，都带有正反作用开关，对于计算机控制，可以经过程序设置对于计算机控制，可以经过程序设置 025( )(41)(201)G sss1 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 TITI最大、最大、TDTD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，由大往小逐渐改动，每改动一，由大往小逐渐改动，每改动一次，经

17、过设定值的改动给控制系统施加阶跃干扰，察看输出次，经过设定值的改动给控制系统施加阶跃干扰，察看输出Y Y的变化的变化 假设假设Y Y衰减振荡，那么继续减小衰减振荡，那么继续减小；假设；假设Y Y发散振荡，那么应增大发散振荡，那么应增大 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kk称为临界比例度，称为临界比例度，振荡周期振荡周期TkTk称为临界周期。称为临界周期。0tTk等幅振荡曲线等幅振荡曲线 临界周期临界周期 %Ti，minTD，minP 2k PI2.2k0.85Tk PID1.7k0.5Tk0.13Tk2 2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

18、 1衰减曲线：衰减曲线： 比例度比例度放到放到100%100%K=1K=1，由大往小逐渐改动，每改动一，由大往小逐渐改动，每改动一次，经过设定值的改动给控制系统施加阶跃干扰，察看输出次，经过设定值的改动给控制系统施加阶跃干扰，察看输出Y Y的的变化变化 假设假设Y Y衰减比大于衰减比大于4 4：1 1，那么继续减小，那么继续减小；假设小于；假设小于4 4：1 1，那么应增，那么应增大大，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 按阅历公式确定按阅历公式确定、TiTi、TD TD ，%Ti，minTD，minPs PI1.2s0.5Ts PID0.8s0.3Ts0.1TsytTss s Ts Ts yttrs s tr tr 先比例，后积分，最后微分的顺序先比例，后积分，