单回路反馈控制系统

单回路反馈控制系统第1页，共21页，2023年，2月20日，星期一单回路反馈控制系统1.1单回路系统的结构组成1.2被控变量的选择1.3对象特性对控制质量的影响及操纵变量的选择1.4控制阀的选择1.5测量、传送滞后对控制质量的影响及其克服办法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1.7系统的关联及其消除方法1.8单回路系统的投运和整定 实验：单回路控制系统连接、投运和整定、质量研究第1章教学进程第2页，共21页，2023年，2月20日，星期一1.6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质量：系统的稳定性系统的静态误差系统的动态误差PID三作用控制器PID：ProportionalIntegralDerivativePID控制：对偏差信号

(t)进行比例、积分和微分运算变换后形成的一种控制规律。教学进程第3页，共21页，2023年，2月20日，星期一其中：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；

——微分控制项，d为微分时间常数；

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

PID控制器，3个可调整的参数：比例度δ（P）、积分时间Ti（I）、微分时间Td（D）

PID控制的传递函数：教学进程第4页，共21页，2023年，2月20日，星期一1.6控制器参数对系统控制质量的影响及控制规律的选择●PID控制是控制工程中技术成熟、理论完善、应用最为广泛的一种控制策略，经过长期的工程实践，已形成了一套完整的控制方法和典型结构。●在很多情形下，PID控制并不一定需要全部的三项控制作用，而是可以方便灵活地改变控制策略，实施P、PI、PD或PID控制。显然，比例控制部分是必不可少的。

。●PID不仅适用于数学模型已知的控制系统，而且对大多数数学模型难以确定的工业过程也可应用。●PID控制参数整定方便，结构灵活，在众多工业过程控制中取得了满意的应用效果。教学进程第5页，共21页，2023年，2月20日，星期一1.6.1控制器参数对系统静态误差的影响R(s)E(s)Gc(s)Go(s)F(s)P35图1-29F(s)Go(s)E(s)Gc(s)教学进程第6页，共21页，2023年，2月20日，星期一终值定理：P35式1-581.6.1控制器参数对系统静态误差的影响结论：

当控制器为纯比例作用时，系统余差与放大倍数成反比，即与比例度成正比，比例度δ越大，余差越大；控制器引入积分作用，可消除余差；微分作用对余差没有影响。

教学进程第7页，共21页，2023年，2月20日，星期一1.6.2对系统动态误差的影响（1）比例放大倍数K的影响：

Kc0，相当于开路

Kc

控制精度提高（余差减小），系统稳定性变差

——矛盾只有原系统稳定裕量充分大时才采用纯比例控制。0ty(t)

Kc增大P36图1-31比例控制器：教学进程第8页，共21页，2023年，2月20日，星期一（2）Ti的影响：比例作用基础上叠加对偏差的积分输出—消除余差

Ti小，积分作用强，消除余差的能力强，但是，系统振荡加剧，衰减比变小；

Ti大，积分作用弱，消除余差的能力弱。

1.6.2对系统动态误差的影响

PI控制器：0ty(t)

Ti减小P25图1-28教学进程第9页，共21页，2023年，2月20日，星期一（3）微分时间Td

：也是和比例作用配合，P、PI、PD、PID

微分输出与偏差变化速度成正比，

——“超前”调节作用

Td大，微分作用大，控制系统灵敏，但稳定性变差P、I、D三参数相互配合——控制器参数整定

PD控制器：1.6.2对系统动态误差的影响教学进程第10页，共21页，2023年，2月20日，星期一1.6.3控制规律的选择（1）对控制要求不高的参数，可只采用比例控制器；（2）对控制要求不高，且惯性较大的参数，可采用比例-微分控制器；（3）对于精度要求高的，要加入积分规律，PI；（4）较重要、控制精度要求较高、希望动态偏差小、被控对象的时间滞后较大的，PID控制规律选择原则：工业常见控制器有：P、PI、PD、PID教学进程第11页，共21页，2023年，2月20日，星期一单回路反馈控制系统1.1单回路系统的结构组成1.2被控变量的选择1.3对象特性对控制质量的影响及操纵变量的选择1.4控制阀的选择1.5测量、传送滞后对控制质量的影响及其克服办法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1.7系统的关联及其消除方法1.8单回路系统的投运和整定 实验：单回路控制系统连接、投运和整定、质量研究第1章教学进程第12页，共21页，2023年，2月20日，星期一1.7系统的关联及其消除方法1.7.1系统的关联及其影响

如同一条水管安装有多个水龙头，各个龙头的流量相互影响所谓关联，就是系统之间彼此相互有影响TCLC提馏段温度与塔底液位控制系统家中煤气供量，高峰期互相影响

教学进程第13页，共21页，2023年，2月20日，星期一由此可见，这两套控制系统存在着相互关联。系统的关联在很大程度上影响控制系统的性能，要非常注意1.7.1系统的关联及其影响关联蒸汽阀开大，蒸汽量增加，温度上升，但同时由于蒸发量增大，塔釜液位会下降；同样，液位阀开大，采出量增加，液位下降，同时由于被加热的液体减少，温度会增加。教学进程第14页，共21页，2023年，2月20日，星期一1.7.2分析系统关联的方法相对增益方法Gc1(s)Gcn(s)R1(s)nnRn(s)Y1(s)Yn(s)u1(s)un(s)ji教学进程第15页，共21页，2023年，2月20日，星期一相对增益的计算：j–i通道第一次计算只有第j个操纵变量变化，其它各操纵变量均维持不变的增益：第二次计算其它各操纵变量都变化（处于闭环控制）的增益：于是，j–i通道的相对增益为：

相对增益定义：相互关联程度1.7.2分析系统关联的方法教学进程第16页，共21页，2023年，2月20日，星期一（5）λij<0，其它回路闭合时，本回路将变成不稳定（条件稳定回路）（1）λij=1，其它回路闭合与否对本通道没有影响，即，该通道的控制回路与其它系统没有关联；（2）λij>1，其它回路闭合对本通道有影响，即，该通道的控制回路与其它系统有关联，这种关联使得本回路增益变小，负关联。（λij越大关联越大）（3）λij<1，其它回路闭合对本通道有影响，即，该通道的控制回路与其它系统有关联，这种关联使得本回路增益变大，正关联。（λij越小关联越大）（4）λij=0，其它回路开环时，ui对yi没有影响，j–i通道的控制回路不能构成1.7.2分析系统关联的方法教学进程第17页，共21页，2023年，2月20日，星期一相对增益矩阵A–布里斯托尔阵列1.7.2分析系统关联的方法（6）λij

=∞，只有在其它回路开环时，才能用ui控制yi，即此通道的控制回路才能成立。可见，可根据λij对1的偏离程度大小判断关联程度λij偏离1越大，系统间相互关联越厉害●

每行（列）相对增益之和为1。●

已知各通道的开环增益K教学进程第18页，共21页，2023年，2月20日，星期一1.7.3削弱或消除系统间关联的方法关键：深入仔细分析关联的产生方法：通过工艺分析，找出关联，并提出解决关联的方法若能计算相对增益（矩阵），可进行量化分析（1）按照变量配对，若λ均在1的附近，说明关联不大，此时，可采用控制系统参数整定的方法，即拉开工作频率范围，可以削弱关联的影响；（2）若相对增益都离1较远，说明彼此关联较厉害，必须从控制系统设计入手解决，如采用解耦控制方案；（3）相对增益有些离1远，有些在1附近，可采用重新变量配对，再进行处理。教学进程第19页，共21页，2023年，2月20日，星期一例子：离心泵输出管线上的流量和压力控制控制系统

PC

FC流量和压力控制系统存在关联，可采用控制器参