自动控制系统培训(1)单回路系统

1、 主要内容一、常规单回路控制系统二、复杂控制系统 1、串级系统控制系统 2、前馈系统控制系统 3、比值系统控制系统 4、均匀系统控制系统 5、分程系统控制系统 6、选择系统控制系统2022/8/121一、常规单回路控制系统 主要内容： 控制系统的组成及控制性能指标 控制阀环节介绍 控制器的选取和参数整定 控制系统的投运1.1 控制系统的组成及控制性能指标1.1.1 控制系统的组成2022/8/122自动控制：在出口管道上口装上感温元件 热电阻、热电偶 调节器测取给定值（设定值）与测量值的偏差 按一定的调节规律改变燃料油阀门的开度， 调节燃料油流量S。 燃料油TT101TC101物料出口温度工艺

2、要求 保证物料出口温度对象分析 干扰: 物料入口温度、流量 燃料油温度、流量等 可变量:燃料油流量操作手段 调整燃料油流量(1) 典型温度控制系统手动控制：通过眼睛观察出口温度来调节阀的开度 热电阻、热电偶 标准信号 调节器 调节阀2022/8/123 (2) 单回路控制系统的构成 Gm(s)扰动F(s)Gc(s)控制器控制阀被控对象测量变送器控制变量U(s)操纵变量Q(s)测量值Z(s)被控变量Y(s)设定值R(s)偏差E(s)-Gv(s)Gp(s)单回路控制系统方块图 被控对象：反映操纵变量、扰动与被控变量之间关系的环节；自动控制系统中，工艺参数需要控制的生产过程、设备或机器等。 被控变量

3、：被控对象内要求保持设定数值的工艺参数。 操纵变量：受控制器操纵的，用以克服干扰的影响，使被控保持设定值的物料量或能量。 扰动量：除操纵变量外，作用于被控对象并引起被控变量变化的因素。 设定植：被控变量的预定值 偏差：被控变量的设定植和实际值之差控制器、控制阀、测量变送器、被控对象基本概念2022/8/124 如在电加热装置上为改变加热电压的可控硅调压器 在变速泵控制流量的装置上它是变速泵或变频器 执行器压力控制系统控制器：包括控制器环节和比较环节 将给定值与测量值比较，根据偏差按一定的规律 运算输出操纵控制阀，是控制系统的核心。 测量变送：为控制器提供测量值的环节 将工艺参数转换为统一的标准

4、信号，420mA控制阀：接受控制器的输出变量u的信号去改变操纵变量的环节PC101PT101被控对象包括: 控制阀到测压元件之间的管道 储气罐、手动阀 不仅仅是控制阀到测压元件之间的管道，因储气罐的容积和手动阀的开度影响压力的的变化速度。2022/8/1251.1.2 控制性能指标控制回路的目的 设定值变化或系统受干扰作用时，受控变量应平稳、迅速、准确地回复到设定值，为此衡量所设计系统的优劣就可以从稳定性、快速性和准确性三方面判别，提出综合性能指标。出发点：根据工艺过程的实际需要确定指标要求 有些情况准确性很高；另一些情况达到一定的范围即可。性能指标的类型：一般情况下，主要有两类性能指标 以阶

5、跃响应曲线的几个特征参数作为性能指标 偏差积分性能指标2022/8/126 (1) 过渡过程： 对于任何一个控制系统，扰动作用是不可避免的客观存在。系统受到扰动作用后，其平衡状态被破坏，被控变量就要发生波动，在自动控制作用下，经过一段时间，使被控变量回复到新的稳定状态。把系统从一个平衡状态进入另一个平衡状态之间的过程，称为系统的过渡过程。性能指标的作用： 衡量所设计系统的优劣 控制器参数整定的依据2022/8/127t (2) 几种阶跃扰动作用下的过渡过程曲线及说明 上图表明当系统受到扰动作用后，被控变量上下波动，且波动幅度逐渐增大，即被控变量偏离设定值越来越远，以致超越工艺允许范围。yyt

6、上图表明当系统受到扰动作用后，被控变量上下波动，且波动幅度逐渐减小，经过一段时间最终能稳定下来。发散振荡过程衰减振荡过程2022/8/128ytyt等幅振荡过程非振荡衰减过程 上图表明当系统受到扰动作用后，被控变量在给定值的某一侧做缓慢变化，没有上下波动，经过一段时间最终能稳定下来。 上图表明当系统受到扰动作用后，被控变量做上下振幅恒定的振荡，即被控变量在设定值的某一范围内来回波动，而不能稳定下来。2022/8/129 (3) 以阶跃响应曲线的几个特征参数作为性能指标 单项性能指标 包括 : 衰减比、超调量、最大偏差、余差、恢复时间、振 荡频率B1y(t)y()t pt sAB2tt py(t

7、)y()t sy(t p)B1B2t 衰减比: 表示率减程度的指标 曲线中前后两个相邻波峰值之比 B1/B2一般取 4:110:1 小于1:1时发散振荡 衡量稳定性2022/8/1210超调量（最大偏差）： y(tp) - y() 超调量 = 100% y() 最大偏差是指过渡过程中被控变量偏离设定值的最大数值。 余差：过渡过程终了时新稳态值与设定值之差。精确度衡量稳定程度2022/8/1211恢复时间（过渡时间） ts：是指控制系统受到扰动作用后，被控变量从原稳态状态回复到新的平衡状态所经历的最短时间。振荡周期（或频率）：回复过程同向两波峰（或波谷）之间的间隔时间，其倒数为振荡频率。 同样振

8、荡频率下，衰减比越大，恢复时间越短 同样衰减比下振荡频率越高，恢复时间越短 举例：如果设定值为40，新稳态值y()为41，第一波峰值y(tp) 45，第二波峰值42。各数值分别为：最大偏差=第一波峰值y(tp) 45 -设定值40= 5； 余差=新稳态值y()为41 -设定值为40=1； 衰减比=（第一波峰值y(tp) 45 -新稳态值y()为41 ）/（第二波峰值42 -新稳态值y()为41 =4：1快速性快速性2022/8/1212(4) 常用字母代号及含义2022/8/12132、控制阀环节介绍Gm(s)干扰F(s)Gc(s)控制器控制阀受控对象测量变送器控制变量U(s)操纵变量Q(s)

9、测量值Z(s)受控变量Y(s)设定值R(s)偏差E(s)-Gv(s)Gp(s)单回路控制系统方块图2022/8/12142.1 控制阀的作用及结构类型类型：直通阀（单座、双座）、角阀、三通阀、球形阀、隔膜阀、蝶阀等。 一、作用 控制阀在系统中接受控制器的信号，通过改变阀的开度来改变操纵变量。二、结构类型执行机构调节机构1、控制阀从结构上看 执行机构：把调节器输出信号转换成直线或角位移。从动力源分气动：最常用(气动薄膜调节阀)电动：电信号连接方便，需防爆(电磁阀)液动：笨重(单动滑阀)，推力大 调节机构：把直线或角位移转换为流通面积的变化，从而改变操纵变量。2022/8/1215按不同的工艺介质

10、选择材质全开流量全开流量 一般情况下使用较多的是直通阀、角阀。有关各种阀的结构特点，可查阅相关的参考书。2、材质上分： 铸钢、不锈钢、 特殊合金或金属、 高分子材料，无机材料等 因此，在系统设计时应根据工艺要求、介质情况、工作环境，选择相应的结构类型和材质类型。2.2 控制阀的流量特性1、流量特性（理想流量特性）指流过阀的流量Q与阀杆行程L之的关系无因次化后2022/8/1216R=Qmax/Qmin ，调节阀可调范围（亦称为可调比）国产调节阀的可调范围一般为302分类 线性型L=Lmax时，Q=QmaxL=0时，Q=Qmin=Qmax/R（算式）线性阀的增益Kv为常数，但其相对变化值不同。小

11、开度时流量相对变化值大，灵敏度高，调节作用强，易产生振荡；而大开度时流量相对变化值小，灵敏度低，调节作用弱，调节缓慢。 对数型（等百分比型）2022/8/1217整理得特点：阀的单位相对开度所引起的相对流量变化与此点的相对流量成正比。因此在小开度时放大系数小，调节缓慢平稳；大开度时放大系数大，调节灵敏有效。2022/8/1218积分后 快开型 抛物线型 特点：小开度时流量较大，并随开度的增大很快达到最大，此后再增大开度流量变化很小，失去调节作用。特点：单位相对开度的变化所引起的相对流量变化与此点的相对流量值的平方根成正比，其特性介于线性及对数型之间。2022/8/1219lq100%100%快

12、开线性抛物线对数(1) 阀两端压降固定不变条件下的流量特性为理想特性，出厂时提供的。(2) 实际工作时，阀两端的压降随流量而变化，这时的特性称为工作特性。这种情况主要是由于管道上有串联阻力件而引起的。2022/8/1220管路系统的总压降液体提升高度压差阀两端的压降管路其他部分压降阻力引起的压降Ph为恒值2022/8/1221阀全开时的压降系统恒定的总压降 流量特性发生变化， 特性曲线发生畸变。 S越小，畸变越严重 流量特性畸变后，可调比R下降，因为最小流量上升相对百分流量曲线为描述畸变程度定义2022/8/1222 流量特性畸变后，特性曲线向左上方畸变 理想特性 工作特性 线 性 快 开 对

13、 数 线 性 3、控制阀的增益 增益 ：流量相对变化量与阀杆行程(开度)相对变化量之比。其数值等于工作流量特性曲线上的某工作点的斜率。 当S值减小后： 线性阀的Kv不再是定值而是随开度的增加而下降快开特性； 对数阀的KV却能在中间较宽的范围内近似为定值直线特性。 工程设计时 注意根据管路系统压力分布(s值的适当选取)，选择适当理想流量特性，以期在工作条件下得到所需工作流量特性，去补偿广义对象其它环节(主要是对象)特性变化引起的对稳定性的影响，避免重新整定控制器参数。 2022/8/12232.3 控制阀的选择1、阀口径选择 正常工况下，阀门开度应在1585%之间， 口径选择过小，在大扰动时可能

14、处于全开的非线性状态， 口径过大时，阀经常处于小开度，流体对阀芯和阀座的冲击严重，易因不平衡力作用产生振荡。2022/8/1224 2、气开与气关类型的选择 气动控制阀有气开与气关两种类型 气开阀：阀的开度随输入气压的增高而增大，断气处于关闭气关阀：阀的开度随输入气压的增加而减小，断气处于全开气开、气关的选择原则 断气时使生产处于安全状态例1：中小型锅炉 进水阀：气关式，气源中断，阀门全开，不致于使汽包烧干 燃料阀：采用气开式，气源中断，切断燃料，保证安全。例2：油田采油厂联合站 油水路调节阀均为气关调节阀 避免了在自动控制的状态下，因事故造成气源中断，造成生产事故。2022/8/1225 3

15、流量特性的选择 控制系统中控制器的参数是在某一工作点下整定得到的。 控制器本身是线性的，而对于具有非线性、变时间常数、纯滞后过程，当工作点转移时，其动态特性是变化的，欲保证最佳控制效果，要重新整定控制器参数，即原控制器参数已不满足要求。 随工作点移动而整定控制器参数很麻烦流量特性的选择的目的：用阀的非线性去补偿广义对象其它环节的非线性特性，从而避免重新调整控制器参数。 工作特性的选择 根据工艺过程参数和工作点曲线进行计算分析得出。2022/8/1226 理想特性的选择理想特性根据已选择好的工作特性和S值的大小来确定。当S06时， 理想特性与工作特性的曲线形状相近，工作特性选什么特性，理想特性也

16、选什么特性。当S06时，特性曲线发生畸变，理想特性与工作特性的对应关系如下： 工作特性 理想特性 线性 对数 对数 对数2022/8/1227判断下面系统阀的气开气关类型PC101PT101超压放空系统TC101加热炉温度控制系统气开阀气关阀2022/8/1228判断下面系统阀的气开气关类型气开阀TI101TC101出口温度温度控制系统给水锅炉气包蒸汽LC101LT101中小型锅炉的气包水位给水系统气关阀2022/8/12293、控制器的选取及参数整定3.1 控制器的作用 控制器的输出e(t0)时，控制器的输出控制器的增益比例控制的工作点比例控制的输出为设给定值和测量值之差为：3.2 三类常规

17、控制器 1、比例控制器 (P)2、常规控制器的种类 比例(P) 比例积分(PI) 比例积分微分(PID)1、作用 控制器是控制系统的核心，它将测量信号与其本身的设定值进行比较，将两者的差按一定规律进行运算输出给控制阀。2022/8/1230而在工业上，不采用增益KC ，而采用比例度调节器增益KC和比例度习惯上用绝对值表示，实际上KC是有符号的: 正作用调节器: KC0 反作用调节器: KC0 比例调节依据“偏差大小”来动作，它的输出与输入偏差的大小成比例比例调节及时、有效但有余差。比例度越小，调节作用越强，比例作用太强，会引起振荡。 KC对系统稳定性有影响，KC越大，闭环系统的稳定性下降。20

18、22/8/1231Kc增加y(0)ytr(t)(a) 设定值作用下(b) 扰动作用下tyy(0)Kc增加2022/8/1232 2、比例积分控制器 (PI) 控制器输出： 由上式可以看出，当 时， 当 时， 就变化 Ti是积分时间， Ti越短，积分作用越强。 积分调节依据“偏差是否存在”来动作，它的输出与偏差对时间的积分成比例，只有当余差消失时，积分作用才会停止，其作用是消除余差。但积分作用使最大动偏差增大，延长了调节时间。积分时间愈小，积分作用愈强，但积分作用太强时，也会引起振荡。 2022/8/1233Ti减小y(0)yt在同样的Kc值下Ti对定值控制系统过渡过程的影响tyy(0)保持同样

19、衰减比下Ti对定值控制系统过渡过程的影响Ti减小2022/8/1234 当Kc不变时，减小Ti，积分控制作用增强，衰减比减小，振荡加剧。 当衰减比不变时，减小Ti，为使衰减比不变，必须减小Kc，此时定制控制系统的最大偏差反而增大。 增加，系统的稳定性提高 减小，系统的稳定性下降 2022/8/1235 3、比例积分微分控制器 (PID) 微分作用的特点：它可以按照偏差的变化趋势来控制。 越大，微分作用越强； 越小，微分作用越弱。 为偏差的变化速度，当e为阶跃时， 使调节品质下降，对扰动频繁的系统，一般不采用微分控制。 微分适用于时间常数较大或容积延迟较大的场合。 工程实际中，一般对温度和成分对

20、象引入微分，因温度和成分对象一般时间常数较大、响应较慢，引入微分后可以进行适当的补偿。 2022/8/1236 微分调节依据“偏差变化速度”来动作。它的输出与输入偏差变化的速度成比例,其效果是阻止被控变量的一切变化，有超前调节的作用，对滞后大的对象有很好的效果。它使调节过程偏差减小，时间缩短，余差减小（但不能消除）。微分时间愈大，微分作用愈强，作用太大也会引起振荡。 微分作用不能克服调节对象的纯滞后，因为此时被控变量的变化速度为零。 总之：调节器的比例度越大，则放大倍数KV越小，比例调节作用就越弱，过渡过程曲线越平稳，但余差也越大。积分时间Ti越小，则积分速度越大，积分特性曲线的斜率越大，积分

21、作用越强，消除余差越快。微分时间TD越大，微分作用越强。2022/8/1237 4、积分饱和及防止 实际积分作用与理想积分作用是有差别的，实际积分控制作用只在一定区域内起作用，输出达到一定值后不再继续上升或下降，即达到饱和。 积分饱和指积分过量现象设定值：压力上限值 正常时放空阀关闭，压力总低于设定值，偏差长期存在。PC101PT101临界值t1t2t3tttpu0.140.1阀位关开超压放空系统t0气关设定值2022/8/1238 造成积分饱和现象的内因是控制器包含积分控制作用，外因是控制器长期存在偏差。因此防止积分饱和的方法可以采用积分分离的控制措施。即当偏差在控制范围之内时采用PID控制

22、，而当偏差超出正常的范围之外时，使控制策略成为PD控制。2022/8/12391.7.3控制器规律及作用形式的选择 1、控制器规律的选择 比例控制器 适用于允许有余差的场合，或时间常数较大的低阶过程 如液位控制系统，双位控制器实质是有很大增益的比例控制器。 比例积分控制器 积分的特点是消除余差 当比例控制产生的余差超过要求时，采用PI控制器 主要场合是快速压力、流量控制。 这些系统的特点是时间常数小，稳定裕度小，系统的开环增益小，若采用比例控制将产生很大的余差，故采用PI控制器。 比例积分微分控制器 PI可以消除余差，但降低了响应速度，对温度、成分对象，由于系统本身的响应速度很慢，采用积分控制

23、后，响应变的更慢，为此常采用PID控制，提高响应速度，改善系统的稳定性。 2、控制器作用形式的选择 作用形式 正作用反作用2022/8/1240 控制器作用-控制器控制阀受控对象测量变送器控制变量u操纵变量q测量值z受控变量y设定值r偏差eGc(S)Gv(S)Gp(S)Gm(S)干扰f单回路控制系统方块图 输入增加,输出增加为正作用（） 输入增加,输出减小为反作用（）控制器正反作用选取要保证系统实现副反馈，即在方块图中前向通道各环节符号相乘为“ + ”2022/8/1241 方框图法 规定：作用方式：凡输入增大，输出增大为“ + ”；反之为“ - ”。 控制阀：气开阀为 “ + ” 气关阀为

24、“ - ” 对象：操纵变量增加,受控变量增加为 “ + ”；反之为“ - ”。 例 分析： (1)气开调节阀为A，气关调节阀为A； （2）调节阀开大，被调参数上升为B，下 降为B。 则 A*B= “ + ”调节器选反作用 A*B= “ ”调节器选正作用 如图所示：阀为气关阀A,阀开大，压力 下降-B，则（-A)*(-B)= “+” 调节器选反作用控制器 控制器作用形式的正确与否，不仅直接关系到所设计系统的稳定性，而且关系到生产过程的安全，因此，必须合理选择控制器的作用形式，以保证控制系统的正常运行。PC101PT101超压放空系统2022/8/1242图中为一储槽液位控制系统，为安全起见，槽内

25、液体严禁溢出。试在下述两种情况下分别确定执行器的气开/气关形式和控制器的正/反作用方向。 选择Qi为操纵变量； 选择Qo为操纵变量。执行器应选择气开式，控制器应用反作用。 执行器应选择气关式，控制器应用反作用。 2022/8/12434、控制器参数的整定 控制器参数整定：指的是为达到最佳的控制效果，而设置PID参数(比例度、积分时间Ti、微分时间TD)。 控制器参数的整定方法 1、经验法 根据人们进行过程控制时的经验，针对不同对象的控制器参数取值范围，确定出待整定控制器参数的初值，然后凭经验进行现场凑试。 经验法控制器参数的取值范围 温度 =2060% Ti=310min TD=0.53min

26、 压力 =3070% Ti=0.43min TD=0 液位 =2080%(纯比例控制) 流量 =40100% Ti=0.11min TD=0 温度、成分对象具有滞后，且时间常数较大，一般引入微分。 该方法适合于与典型过程相近的特性。 该方法在开环情况下确定参数初值，闭环情况下进行现场调整为最佳值。2022/8/1244整定的步骤：（1）先用纯比例作用进行凑试，待过渡过程已基本稳定并符合要求后，再加积分作用消除余差，最后加入微分作用是为了提高控制质量。按此顺序观察过渡过程曲线进行整定工作。（2）先按上述数据控制器参数的取值范围，把Ti定下来，如要引入微分作用，可取TD=（1/3-1/4)Ti，然

27、后对进行凑试，凑试步骤于上一种方法相同。2022/8/1245总之 ：经验凑试法的关键是“看曲线，调参数”，因此，必须弄清楚调节器参数变化对过渡过程曲线的影响关系。一般来说，在整定中，观察到曲线振荡很频繁，需把比例度增大以减少振荡；当曲线最大偏差大且趋于非周期过程时，需把比例度减少；当曲线波动较大时，应增大积分时间；而在曲线偏离给定值后，长时间回不来，则需减少积分时间，以加快消除余差的过程。如果曲线振荡很厉害，需把微分时间减到最小，或者暂时不加微分作用，以免加剧振荡；在曲线最大偏差大而衰减缓慢时，需增大微分时间。经过反复凑试，一直调到过渡过程振荡2个周期后基本达到稳定，品质指标达到工艺要求为止

28、。2022/8/1246 2、临界比例度法(Ziegler-Nichols法) 在40年代出现一种闭环参数整定方法 使系统在纯比例作用下，比例度自大而小调整，开始出现等幅振荡的比例度称为临界比例度K ，此时响应曲线的周期称为临界周期TK 控制器参数为: 比例 =2K 比例积分 =2.2K TI=0.85TK 比例积分微分 =1.7K TI=0.50TK TD=0.125TK 采用此方法应注意: 工艺上允许受控变量承受等幅振荡的波动，系统能够等幅振荡； 等幅振荡时，阀不能处于极限(全开、全关)状态； 微分对滞后不起作用，纯滞后较大的系统，应比上述值大一些、 TD应比上述值小一些。 2022/8/1247例如：某控制系统用临界比例度法整定参数。已知 K=20%,TK=4min。根据上述临界比例度控制器参数公式，可以得出 P: =40% PI: =44%, Ti=3.4min PID: =34%, Ti=2min TD=0.5min3、衰减振荡法 系统在纯比例作用下，在达到稳定