过程控制过控-第4章

1、第四章 单回路控制系统第四章 单回路控制系统 第一节 概 述第二节 被控对象的特性对控制质量的影响第三节 测量元件和变送器特性第四节 执行器第五节 控制规律对控制质量的影响第六节 单回路控制系统的工程整定方法 调节器和控制对象是单回路控制系统的两个主要的组成部分 单回路控制系统原理框图WT(S)W0(S)WZ(S)Wm(S)VTrVm(内扰)调节器控制对象广义控制对象第一节 概 述（1/3）一、自动控制系统的设计原则（一）原则性控制系统的拟定 熟悉运行特点和工艺要求，掌握被控对象的动态特性，了解控制的要求和性能指标。 设计：先选择被控量和控制变量，然后拟定原则性方案。（二）控制系统的综合 确定

2、控制器的控制规律和类型，补偿元件的功能及参数，建立系统的数学模型。（三）控制系统的分析 整定参数，计算性能指标第一节 概 述（2/3）（一）被控量的选择（1）根据控制任务直接确定 （2）参数没有直接的测量手段，可采用间接参数作被控量。（3）参数可以直接测量，但信号滞后太大或过于微弱，反而不如选用间接参数能获得更好的控制质量。 （二）控制量的选择（1）要考虑工艺上的合理性。（2）希望控制通道的K较大，T和较小；扰动通道的T越大越好，扰动进入系统的位置距被控量越远越好。二、被控量和控制量的选择第一节 概 述（3/3）控制作用被调量干扰作用热工对象W0（s）W0（s）扰动通道控制通道 控制质量是用衰

3、减率或衰减比n、动态偏差ym（）、静态偏差y（）或e（）、控制时间ts等 。 描述对象特性的特征参数是放大系数K 、时间常数Tc（T）、迟延时间（n） 。第二节 对象特性对控制质量的影响（1/7）控制器为比例控制规律，其放大系数为Kc 控制通道的传递函数 干扰通道的传递函数为Gc(S)Gu(S)VTC（扰动）Gd(S)D第二节 对象特性对控制质量的影响（2/7）一、放大系数的影响Gc(S)Gu(S)VTC（扰动）Gd(S)D第二节 对象特性对控制质量的影响（3/7） 扰动通道： Kd ，动态偏差 ，稳态误差(静态偏差) 。 控制通道：KcKu ，静态偏差 ，克服扰动的能力 。Kc可调，能保证K

4、cKu满足设计要求，故Ku无影响。 二、时间常数和阶次的影响第二节 对象特性对控制质量的影响（4/7）设Kd=1，Kc=1，Ku=1。扰动通道传函为：则扰动通道：具有惯性环节的扰动通道相当于低通滤波器， 时间常数 ，阶次 ，控制越有利 。 二、时间常数和阶次的影响控制通道：时间常数 ，阶次 ，系统反应速度慢，工作频率，ts，对控制不利。第二节 对象特性对控制质量的影响（5/7）三、纯迟延的影响扰动通道 不影响控制质量，仅仅使被控量在时间轴上平移了一个值。第二节 对象特性对控制质量的影响（6/7）三、纯迟延的影响控制通道：控制作用要推迟后才起作用，对控制不利,（/Tu） 越大，控制质量越差.第二

5、节 对象特性对控制质量的影响（7/7）Tu2 Tu31 2 第三节 测量元件和变送器特性（1/4）一、变送器原理 BF K输出导轨插装式墙挂式 架装式 KF1 时第三节 测量元件和变送器特性（2/4） 零点迁移：使变送器输出信号的下限值ymin与测量范围的下限值xmin相对应。改变u0来实现。 量程迁移：改变变送器输入输出特性的斜率，使输出的上限值ymax与测量范围的上限值xmax相对应。改变F来实现。 二、测量元件对控制质量的影响克服测量变送元件惯性的措施：(1)采用快速测量元件。(2)采用微分(超前)单元，但要适当；(3)正确选择测量变送元件的安装位置。(4)若为脉动信号，应加装阻尼装置第

6、三节 测量元件和变送器特性（3/4） 压力的检测与变送第三节 测量元件和变送器特性（4/4）第四节 执行器（1/17） 执行器是自动控制系统必不可少的组成部分之一。力（力矩）转换部件转换部件调节机构执行机构执行器根据所使用的能源，可分为：一、执行机构特性分析第四节 执行器（2/17）气动执行机构：具有本安性，价格低结构简单；电动执行机构：可直接与电动仪表或计算机连接，价格 贵，结构复杂，须考虑防爆问题，常用。液动执行机构：推力(或力矩)大，体积较大，管路较复 杂。常用于汽轮机调速系统中。第四节 执行器（3/17）（一）电动执行机构电动执行机构主要部件方框图手自Ii伺服电动机机械减速器位置发送器

7、伺服放大器电动操作器伺服放大器执行机构毫安表IfIo1、组成有角行程和直行程两种。其执行机构和调节机构是分离的。第四节 执行器（4/17）（一）电动执行机构 当执行器速度足够大时可看成快速随动系统，近似 为比例环节。 Kf控制信号反馈信号输出图4-9 电动执行机构原理图2、原理 电动执行器一般有3种控制方式：就地手操（电动 执行器都配有手轮装置）、手动遥控和自动控制。 第四节 执行器（5/17）气动执行器是以压缩空气为动力的推动装置，其执行机构和调节机构是统一整体。 （二）气动执行机构主要有薄膜式、活塞式两种。 薄膜式：行程较小，只能直接带动阀杆； 正作用：输入气压P增大时， 输出杆向下移动；

8、 反作用：输入气压P增大时， 输出杆向上移动。 活塞式：行程长，适用于要求有 较大推力的场合；第四节 执行器（6/17） 气动薄膜执行机构中，将控制器输出信号转换为推力的部分俗称膜头 。 气动薄膜执行机构的膜头和气动管线的组合可近似为一阶迟延环节。记作： 与膜片的有效面积有关，还与操作压力有关。 与膜头气室大小、气动管线管径、长度等参数有关。 从一般应用看，使用气动仪表时，为减小时间常数和迟延，应尽量缩短气动管线的长度，一般限制在150m以内。 当控制器输出信号较小时，所产生的推力不足以克服静摩擦力，从而产生推力与位移之间的死区关系，常称为回差。二、调节机构 用于将直线位移或角位移变化转换为流

9、通面积的变化。热工控制中常用的有：第四节 执行器（7/17）根据被调介质或能量的不同可分： 改变流体介质的：控制水和蒸汽的调节阀门， 控制风和烟气的挡板； 改变固体介质的：给煤机、给粉机； 改变电流值的： 变阻器、电磁调速离合器等。根据改变流体流量作用原理可分： 节流式：通过改变管路系统阻力从而控制流量， 如调节阀门和调节挡板。 变压式：通过改变物质流动的推动力从而控制流量， 如汽动给水泵的汽机进汽调门、风机的动叶。 执行器及阀门配合类型第四节 执行器（8/17）（一）调节阀的流量方程式中， P阀前后的压降； C 流量系数，又称流通能力； 流体的密度第四节 执行器（9/17）（二）调节阀的理想

10、可调比理想可调比是指当调节阀两端压差不变时阀门的可调比。 第四节 执行器（10/17）可调比是指阀门所能控制的最大流量 和最小流量 的比值。 是调节阀可控流量的下限值，通常为最大流量的10%左右，不是阀全关时的泄漏量。第四节 执行器（11/17）（三）调节阀的流量特性 是指流过阀门的控制介质的相对流量与阀杆的相对行程(即阀门的相对开度)之间的关系。即 表示调节阀某一开度的流量与全开时流量之比，称为相对流量；表示调节阀某一开度下阀杆行程与全开时阀杆全行程之比，称为相对开度。式中，理想特性：阀前后压差固定条件下流量与阀杆位移间关系；工作特性：工作条件下阀门两端压差变化时流量与阀杆位移间关系。 1理

11、想流量特性（1）线性流量特性 （曲线1）调节阀的相对流量与相对开度成直线关系。 流量特性表达式为：第四节 执行器（12/17）工作在小开度或大开度情况下，控制性能都较差，不宜用于负荷变化大的场合。 （2）对数流量特性（等百分比）（曲线2） 单位行程变化所引起的相对流量变化，与此点的相对流量成正比关系。 流量特性表达式为：第四节 执行器（13/17）在小开度时调节阀的放大系数小，控制平稳缓和，在大开度时放大系数大，控制灵敏有效，有利于自动控制系统。 （3） 抛物线流量特性（曲线3）调节阀的相对流量与相对开度的平方根成正比关系。 流量特性表达式为：第四节 执行器（14/17） 特性介于线性流量特性

12、和对数流量特性之间。 （4）快开流量特性（曲线4）流量特性表达式为： 第四节 执行器（15/17） 主要适用于迅速启闭的切断阀或双位控制系统 。2工作流量特性（1） 串联管路的流量控制实际可调比Rs：第四节 执行器（16/17）在设计阀门时，S值最好能取0.30.5，甚至更大，以保证良好的调节性能。 （2）并联管道流量控制实际可调比Rp： 第四节 执行器（17/17）令旁路程度 ，则 实际可调比随B值减小而降低。实际使用时应使B值大于0.8，以保证良好的调节性能。 主要分析调节器参数比例带、积分时间Ti、微分时间Td对控制过程的影响 控制器类型 PPIPID 说明整定参数 TiTi Td:表示

13、增加:表示减小Td 过大时，将出现较高频率的振荡而衰减率减小.主 要 性 能衰减率略有略有略有动态偏差略有略有振荡频率 略有略有复原速度稳态偏差(负荷扰动时)Ti过大时，输出响应缓慢地趋向其稳态值， 对于振荡过程输出偏向在稳态值之上(或下)振荡.第五节 控制规律对控制质量的影响 （1/1）气动调节阀电动单座调节阀阀门定位器执行机构阀气动薄膜调节阀控制系统的整定方法有：理论计算方法：广义频率特性法 工程整定方法：响应曲线法 临界曲线法 衰减曲线法 第六节 单回路控制系统的工程整定方法 1. 临界曲线法（临界比例带法） 整定方法如下: (1)先将调节器改成纯比例作用 (使Ti=,Td=0),并将比

14、例带置于较大的数值,然后把控制系统投入闭环运行。(2)待系统运行稳定后,逐步减小比例带,观察不同值下的调节过程,直到调节过程出现等幅振荡为止,记下此时的临界比例带K和系统的临界振荡周期TK。(3) 根据求得的K和TK , 由表4-2可求得调节器的整定参数。(4) 将调节器参数按求得的数值设置好,此时比例带可设置得大一些,作系统的阶跃扰动试验,观察控制过程,适当修改整定参数。控制作用调节器传递函数比例带 TiTdPWT(s)=1/2 k2.4 k PIWT(s)=1/(1+1/TiS)2.2 k3.0 k0.85 T kPIDWT(s)=1/(1+1/TiS+TdS) 1.67 k2.1 k 0

15、.5 T k 0.25 T i 临界曲线法参数表上表每一栏有两个数据,上面的数据适用于无自平衡能力的对象,下面的数据适用于有自平衡能力的对象。(1) 使调节器参数Ti= , Td=0,比例带置于较大的数值,将控制系统投入闭环运行。(2) 待系统运行稳定后,用给定值阶跃扰动作试验信号,观察控制过程。若大于要求的数值,则逐步减小比例带, 重复试验,直到出现=0.75 或=0.9的控制过程为止,并记下此时的比例带s(3) 从控制过程曲线上求取 =0.75 时的衰减周期TS , 或 =0.9 的上升时间tr。(4) 按表 4-3 计算调节器参数、Ti 、Td。(5)实际运行中适当修改2. 衰减曲线法 衰减率控制规律比例带 TiTd=0.75PPIPIDS1.2 S0.8 S 0.5 T S 0.3 T S 0.1 T S=0.9PPIPIDS1.2 S0.8 S 2 t r 1.2 t r0.4 t r衰减曲线法整定参数计算表3. 响应曲线法 响应曲线法是根据控制对象的飞升特性实验曲线求取对象的动态特性参数，然后根据一些经验公式，就可以得到调节器的有关整定参数。 响应曲线法整定参数计算表 (=0.75)(无自衡对象） 控制作用调节器传递函数比例带 TiTdPWT(s)=1/ PIWT(s)=1/(1+1/TiS)1.13.3PDWT(s)=1/(1+TdS)0