东北电力学院动力工程系毕业设计

第四章单回路控制系统

第一节、概述第二节、对象特性对控制质量的影响

第三节、单回路控制系统的分析

第四节、单回路控制系统的整定

第五节、单回路控制系统实例

1第一节概述

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2第一节概述

调节器有正作用和反作用，单回路控制系统中调节器的正反作用方式选择的目的是使闭环系统在信号关系上形成负反馈。

确定调节器正、反作用的次序一般为:首先根据生产过程安全等原则确定调节阀的形式、测量变送单元正反特性，然后确定被控对象的正反特性，最后确定调节器的正反作用。使系统正常工作时组成该系统的各个环节的极性(可用其静态放大系数表示)相乘必须为负。3各环节极性规定

环节的输入量增加，其输出量也增加，该环节为正特性，其静态放大系数为正。

如：测量变送单元，控制对象

W0(S)KZKmVTVm4执行器及阀门配合类型5调节器偏差=测量值-给定值，即控制系统偏差的定义：正作用调节器：当系统的测量值减给定值增加时，调节器的输出也增加。6调节器正反作用定义：

正作用：e´↑(e↓)→u↑，即KC为正反作用：e´↑(e↓)→u↓，即KC为负设置正反作用的目的：使控制系统构成负反馈系统PID广义被控对象给定值r被调量yeu控制器（调节器）-1e´

7总结

控制系统各环节的极性的规定：

正作用调节器：即当系统的测量值增加时，调节器的输出亦增加，其静态放大系数Kc取正；

反作用调节器：即当系统的测量值增加时，调节器的输出减小，其静态放大系数Kc取负；

气开式调节阀：其静态放大系数Kv取正；

气关式调节阀：其静态放大系数Kv取负；

正作用被控过程：其静态放大系数K0取正；

反作用被控过程：其静态放大系数K0取负。过程控制系统要能正常工作，则该系统的各个环节的极性(可用其静态放大系数表示)相乘必须为负。8正反作用的判断方法:PIDryeu-例：过热蒸汽温度控制系统

对象K为负，要求其静态放大系数相乘必须为负,则KC为正，控制器为正作用9第二节对象特性对控制质量的影响

控制作用被调量干扰作用热工对象W0λ（s）W0μ（s）干扰通道控制通道

控制质量是用衰减率或衰减比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τ（n）。10控制器为比例控制规律其放大系数为KP

控制通道的传递函数

干扰通道的传递函数为WT(S)W0(S)VTy（扰动）W

(S)11一、干扰通道的特征参数对控制质量的影响1．放大系数K对控制质量的影响

∴在单位阶跃扰动下,系统稳态值：

干扰通道的放大系数K越大,在扰动作用下系统的动态偏差、稳态误差(静态偏差)越大。

12一、干扰通道的特征参数对控制质量的影响2．时间常数T对控制质量的影响

T增加，被调量y对扰动的响应速度变慢，动态偏差减少

扰动通道的时间常数越大越好,这样可使系统的动态偏差减小。

n增加,使闭环系统的动态偏差减小13一、干扰通道的特征参数对控制质量的影响3．迟延时间对控制质量的影响

当扰动通道存在迟延τ时,则相当于一阶惯性环节串联了一个迟延环节

扰动通道迟延时间τ的存在仅使被调量在时间轴上平移了一个τ值即过渡过程增加了一个τ时间。并不影响系统的控制质量。

14一、干扰通道的特征参数对控制质量的影响15一、干扰通道的特征参数对控制质量的影响4．多个扰动对控制质量的影响

扰动进入系统的位置离输出(被调量)越远,对系统控制质量影响就越小。

16二、控制通道的特征参数对控制质量的影响（一）放大系数Ko对控制质量的影响

控制通道的放大系数Kp·Ko是一种互补关系，如果Kp保持不变，Ko增大时控制系统的稳定性裕度下降，被调量的静态偏差减小(给定值输入），控制系统的过渡过程的时间将加长。

17二、控制通道的特征参数对控制质量的影响（二）时间常数、迟延时间对控制质量的影响

（1）n阶惯性对象对控制质量的影响讨论时间常数T和阶次n

控制通道的时间常数T如果增大,系统的反应速度慢,工作频率将下降,系统的过渡过程的时间将加长，减小控制通道的时间常数，能提高控制系统的控制质量。

惯性对象阶次n越大对被调量的影响越慢，调节的也越慢，使控制系统的动态偏差、控制过程的时间增大，稳定性裕度减小。

18二、控制通道的特征参数对控制质量的影响（二）时间常数、迟延时间对控制质量的影响

（1）n阶惯性对象对控制质量的影响19二、控制通道的特征参数对控制质量的影响（二）时间常数、迟延时间对控制质量的影响

（2）有迟延对象对控制质量的影响讨论时间常数Tc和迟延时间为τ

当控制通道有迟延时,迟延时间对调节是不利的，控制质量主要取决于迟延和时间常数的比值τ/Tc,比值越大则控制质量越差。

对象特性的其它条件不变时,迟延越大,动态偏差、控制过程的时间越大。对象特性的其它条件不变时,时间常数越大,动态偏差、控制过程的时间减小，稳定性裕度增大，时间常数Tc增大能提高系统的控制质量。20二、控根制通道丧的特征虏参数对绣控制质灶量的影改响（二）时春间常数、狮迟延时间学对控制质貌量的影响（2）铃有迟延讲对象对砌控制质凯量的影拾响迟延时间遍τ一定Tc1恢=25Tc2=粗110Tc2怪=15骨021第三节添单回路捞控制系统气的分析一、采用荐P调节器顺的系统WT(S)W0(S)VTy（扰动）W

(S)*利用频姜率法分析德系统稳定括性*分析乏系统静不态偏差结论：Kp↑,δ↓,抄稳定性版下降，投静态偏妨差↓，动态偏忧差↓P调节器服适合于干舌扰较小，衬对象滞后猜、时间常省数较小，店调节精度腔不高的场敌合22二、采用衫I调节器不的系统KI/SK/(TS+1)VTy（扰动）-K

/(TS+1)23结论：*KI越大(Ti越小),积分调节属作用越强,会使调丘节过程锦加剧振陪荡,稳定性坛降低,但被调约量的动危态偏差柳有所减掌小。*控制幸过程结登束之后晶无静态逗偏差。*调节器发一般只用腿在时间常弄数小而自肾平衡率很嚼大的单容稀对象上。24三、采北用PI获调节器借的系统引入积分锄作用消除晌了静态偏烂差，但降父低了系统此的稳定性斯；为了保持额控制系统晶原来的衰刮减率必须赚适当加大巾比例带以屯补偿积分城作用带来寒的稳定性贯的下降，豆所以PI控制系统扁是以控制馅系统动态怖品质的下雀降来换取汁稳态性能输的提高。WTK/(TS+1)VTy（扰动）-K

/(TS+1)25四、采偏用PD灵调节器冠的系统存在静才态偏差陵，静态带偏差的厦大小与情调节器它的比例革带有关笛；由于陡微分作齐用的加挪入提高益了PD结控制系锤统的稳宣定性，疤为了达太到和P拐控制系孩统相同遇的衰减习率，可各以适当笼地减小笨比例带堡（），这箭样使P核D控制惜系统的贯静态偏窝差减小顽，这是边微分作错用引入里后产生贷的间接堡效果。26总屡结主要分堵析调节圣器参数比例带、积分时幼间Ti、微分时间歌Td对控制过紫程的影响控制器类型PPIPID说明整定参数δ↑δ↑Ti↑δ↑Ti↑Td↑↑:表示增加↓: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.27第四节义单精回路控努制系统叶的整定控制系统勒的整定是指在控戴制系统的疤结构已经旗确定、控害制仪表与宰控制对象肌等都处在斧正常状态贞的情况下携,适当选北择调节器般的参数(δ、Ti、Td)使控斧制仪表的件特性和控锐制对象的高特性配合讨,从而使崇控制系统戴的运行达风到最佳状喘态,取得扎最好的控岩制效果蛙。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28一、广义任频率特性经法广义频率单特性法是恼通过改变创系统的整语定参数,危使控制系叹统的开环版频率特性把变成具有禁规定相对愉稳定性裕凑度的衰减荐频率特性吵,从而使夜闭环系统迟响应满足棋规定衰减归率的一种尼参数整定征方法。∵开环传递着函数为:∴广义特征讲方程：m为衰饺减指数29说明：（1）如倘果调节器着只有一个且整定参数蚂,就可求购得唯一解盾。（2）如待果调节器疫有两个或硬三个整定赚参数,喉能得出无胆穷多组解电。所求出臭的各组调疯节器整定榴参数值使勒系统瞬态直响应中的镰主导振荡荐成分的衰勾减率等于铁指定的数抓值,但振康荡频率(消和振幅)障并不一样农。此时,泊应该用其寒他指标进经一步从中农选定最合轰适的调节半器整定参喉数值。一检般情况下摸,为保证掌主导振荡形成分具有可规定的衰炕减率,应停选择其中素频率最低途的一组解。一、广义零频率特性唯法30一、广义艰频率特性苦法(一)向单参数调良节器整辟定(其中异To值已知效),以系统蜓瞬态响应详的衰减率ψ=0.普75为整定指淹标,求调怖节器参数δ的数值夫。解：[例4医-1]陕对象的宜传递函敞数Wo(s)珍为调节器齐的传递巴函数为31ψ=0页.75悉时,质m=0缓.22录1,把歉m值代拜入上式叫,得：Toω=掌0.6鸭26注：系统台在不同衰牛减率时的颤计算结果指定衰减率ψ00.750.90.998与ψ值相应的m00.2210.3661Toω0.7270.6260.5740.42振荡周期T/To8.641010.915Kp2.891.370.8880.188δ0.3460.731.135.3132一、广义屑频率特性史法(二纱)纯双参数断调节器痒的整定对于具有陪一个以上肾整定参数歪的调节器于，只规逼定m值，宇其解是不病确定的。摄为此，应搏采用其他例性能指标绍，从中选手择最佳一经组整定参乓数。1.调节器雾为比例遣积分作之用比例积青分调节刘器的广旱义频率热特性为呜：33(二骄)醒双参数门调节器缓的整定或者由纵：可得：34(二软)壳双参数杂调节器天的整定通常选杨取KpKI为最大这组枪参数作为收最住参数352.调辣节器为比贿例微分作然用调节器的尚广义频率春特性为:给定m翅值,就稿可在调卧节参数点Kd～Kp平面上画出败以ω为课参变量只的等衰童减率曲汗线为了在保菌证系统瞬汉态响应的棉衰减率一扰定的前提猛下尽量减苏小稳态偏臣差,应选马择尽可能它大的KP值。因此慨,在等衰付减率曲线古上以KP数值最大单的点作为智调节器的息整定参数36(三栗)睡三参艰数调节吩器的整群定写出比例抓积分微分捏调节器的竹广义频率夜特性；(2)幻玉根据广钉义频率乐特性求覆得KI、Kp的表达肿式。(3)南设定隐一系列Kd值。在每染一个Kd值上,计饱算KI、Kp等衰减率托曲线;(4)株对于贿每一个Kd值,在KI、Kp等衰减龄率曲线按上选出像一组最扛适当的吹KI、Kp值;(5)偏对于邀上述选出瓣的各组KI、Kp、Kd值,分励别作出头控制系稍统阶跃隔响应曲康线,茅以其绝猾对值积城分准则罩最小中的一组牺KI、Kp、Kd值作为调松节器的整款定参数。37二、工程整定胡法广义频率箩特性整定所调节器参绕数是以对剧象的传递谊函数为基奥础，计算目工作量很就大，计算舟的结果还幼需通过现拔场试验加冒以修正，岸所以在工碑程上采用言的不多。工程实欧际中，倾常采用巡寿工程整移定法，并它们是跨在理论劈燕基础上授通过实每践总结舱出来的等。38二、工程整定刊法1.响应曲刑线法响应曲捆线法是楚根据控密制对象倦的飞升特脾性实验睛曲线求取对勉象的动态特性船参数，然后唤根据一紫些经验公观式，就可量以得到狭调节器特的有关痒整定参矛数。响应曲炒线法整匙定参数豆计算表震(ψ吸=0.厘75)困(无自认衡对象佣）控制作用调节器传递函数比例带δTiTdPWT(s)=1/δετ

PIWT(s)=1/δ(1+1/TiS)1.1ετ3.3τPDWT(s)=1/δ(1+TdS)0.8ετTd=(0.25～0.3)τ

PIDWT(s)=1/δ(1+1/TiS+TdS)

0.83ετ2τ0.5τ391.响应曲线抓法响应曲究线法整单定参数漠计算表痒(ψ州=0.睛75)挪（有自逮衡对象花）对象参数整定参数τ/TC≤0.20.2<τ/TC≤1.5控制作用δTiTdδTiTdPτ/ρTC2.6(τ/TC

–0.08)/ρ(τ/TC+0.7)PI1.1τ/ρTC3.3τ2.6(τ/TC

–0.08)/ρ(τ/TC+0.6)0.8TCPID0.85τ/ρTC2τ0.5τ2.6(τ/TC

–0.08)/ρ(τ/TC+0.6)0.81TC+0.19τ0.25τ401.响应曲剃线法说明：（1）该畜表适用于刑典型的多崖容热工控台制对象；（2）两团表均只适侄用于ψ=您0.75雄的控制意系统,若作要求更高荷的衰减率挪,则需对京公式进行核修正；（3）利南用响应曲班线法整定清调节器参晃数必须作沿对象的阶毅跃响应曲召线,但试凡验所得到叠的阶跃响歌应曲线准怠确性不高戏,甚至有袖时不允许灯作阶跃扰写动试验。412.临界曲线隔法（稳定边弓界法）整定方联法如下对:(1)先将调伯节器改蓬成纯比俭例作用阳(使恩Ti=∞,Td=0)御,并将比例声带置于较孙大的数值诞,然后把袜控制系统抱投入闭环巡寿运行。(2)犬待系统穿运行稳掏定后,经逐步减艇小比例酿带,观嘱察不同δ值下的调宽节过程,牵直到调节味过程出现花等幅振荡姓为止,记月下此时的惩临界比例由带δK和系统的编临界振荡多周期TK。(3)根据求押得的δK和TK,由表4-兽6可求得咽调节器的增整定参数吴。(4)帝将调逐节器参致数按求磨得的数绣值设置绿好,此污时比例锄带可设夹置得大桨一些,信作系统守的阶跃透扰动试冻验,观阶察控制焦过程,甩适当修李改整定它参数。42控制作用调节器传递函数比例带δTiTdPWT(s)=1/δ2δk2.4δk

PIWT(s)=1/δ(1+1/TiS)2.2δk3.0δk0.85T

kPIDWT(s)=1/δ(1+1/TiS+TdS)

1.67δk2.1δk

0.5T

k

0.25

T

i

临界曲诉线法参运数表上表每一栏揪有两个数牛据,上面劈燕的数据适叼用于无自荣平衡能力填的对象,贵下面的数虾据适用于蛇有自平衡旁能力的对冲象。43当生产过岛程不允许堵出现等幅顶振荡时,员可将试验户改为有一景定衰减率仓的衰减振伟荡过程。具体作法善如下:(1)壤使调沈节器参酿数Ti=∞,族Td=0,比例带δ置于较大加的数值,捕将控制系幕统投入闭佩环运行。(2)讲待系宜统运行决稳定后野,用给迎定值阶股跃扰动路作试验间信号,蔬观察控风制过程厚。若ψ大于要夫求的数胆值,则梳逐步减胁小比例丢带δ,重复试搜验,直拥到出现ψ=0.7目5或ψ=0.迈9的控制乳过程为窄止,并灿记下此集时的比处例带δs(3)从控制过时程曲线上于求取ψ=0.射75时的衰减托周期TS,或ψ=0.炸9的上升时御间tr。(4)按表4乳-7计躺算调节器捆参数δ、Ti、Td。(5)先使调节旺器的比例乘带δ略大于计波算值,迹然后将逝Ti、Td按计算下值设置材好,邮再将δ置于计算违值。作给度定值阶跃芝扰动试验俊,观察控侨制过程,和适当修改钱整定参数啄,直到控毫制过程枝满意为止概。3.衰减曲线演法44衰减曲线宪法整定参照数计算表衰减率控制规律比例带δTiTdψ=0.75PPIPIDδS1.2δS0.8δS

0.5T

S0.3T

S0.1T

Sψ=0.9PPIPIDδS1.2δS0.8δS2t

r1.2t

r0.4t

r45第五节兵单回路昆控制系统坑实例一、除需氧器压镰力控制袖系统除氧器工潮作原理除氧器扮压力对读象动态谨特性除氧器压力对象的动态特性%控制系章统主要习任务：使除氧觉器压力非保持稳驶定被调量：除氧器内康蒸汽空间益压力调节手段：进入除氧彻器的加热此蒸汽量46除氧器压厘力控制系铺统分析PTI/VΔK∫T≮≯V/IATIIF(x)ZT蒸汽至给水泵排气P图4-34除氧器压力自动控制系统除氧器W0(s)KzKu

Km图4-35单回路控制系统方框图V047除氧器压她力控制系本统分析PTΔK∫TIIf(x)ZTAIAO30kPaAΔV≮Δ≯∑>-ddtA35kPa