第三章：单回路调节系统设计

,单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,*,第三章：单回路调节系统设计,郑辑光,西安交通大学自动控制研究所,2005年3月,调节系统设计（,P.245）,单回路调节系统概述,单回路调节系统:,一般指在一个调节对象上用一个调节器来保持一个参数恒定，而调节器只接收一个测量信号，其输出也只控制一个执行机构。,单回路控制系统主要由四个基本环节组成，即被控对象,(,简称对象,),、测量变送装置、控制器和执行器。,单回路调节系统概述,过程控制的任务,主要是在了解掌握生产工艺流程和生产过程的静态、动态特性的基础上，根据,产品质量,、,运行平稳性,以及,安全生产,要求，应用控制理论对控制系统进行分析和综合，最后采用适宜的技术手段加以实现。,过程控制系统设计的主要任务,就在于确定合理的控制方案、选择正确的过程检测方法和检测仪表，以及过程控制仪表的选型和参数整定等。,调节系统设计步骤,熟悉系统的技术要求或性能指标；,对工艺过程、设备以及对象的动、静态特性进行深入的了解；,制订控制方案；,调节器参数整定；,实验验证。,控制方案的制订,1,确定被调参数,根据产品质量、生产工艺要求、变量的可测性等因素来选取合适的被调参数。,2,确定调节量（选择控制介质）,基于干扰通道、调节通道对象参数对系统调节性能的影响，来选择调节量。选择不同的调节量决定了不同的干扰与调节通道，如下图所示。另外，还要考虑到生产工艺上的合理性。,控制方案的制订（续）,调节器参数整定,调节器参数整定,下面主要讲解内容,调节对象的动态特性及其实验测定；,对象（干扰通道及调节通道）动态特性对调节质量的影响；,调节规律对闭环系统动态特性的影响及调节规律的选择；,调节器参数的整定。,（注意：以上内容均为上述制订控制方案服务）,31,对象动特性及其实验测定,(,P.197),一般研究调节对象特性（即建模）的方法有两种：,1.,机理分析法,通过分析过程的机理，根据,物料平衡,或,能量平衡,关系求得数学模型，即对象动态特性的微分方程。,2.,实验测定法,通过实验测定，对取得的数据进行加工整理而求得对象的微分方程式或传递函数。,一、机理分析建模法,静态平衡条件,在静态调节下，单位时间流入对象的物料或能量等于从系统中流出的物料或能量；,动态平衡条件,在动态条件下，单位时间内流入系统的物料（或能量）与单位时间内流出的物料（或能量）之差等于系统内物料（或能量）储存量的变化率。,典型受控过程 ：单容过程,对象原始模型：,典型受控过程 ：单容过程,水槽水位的动特性,水槽水位的动特性,对象的自衡特性,对象的自衡特性,非自衡过程,双容对象、容量滞后,多容对象、容量滞后、纯滞后,二、对象特性的阶跃响应测试法,试验过程注意,事项,采取一切措施防止其它干扰的发生。同一飞升曲线应重复测试多次，从中剔除某些偶然性误差,。,在对象同一平衡工况下，加上正、反两方向的阶跃信号，分别测出对象的飞升特性，进行比较，以检验对象的非线性特性。,应把对象稳定在不同平衡工况下，重复上述试验。一般在对象最小，最大及平均负荷下分别进行。,试验时，必须特别注意被调量离开起始点状态时的情况。同时，应准确记录加入阶跃作用的记时起点，以便计算对象滞后的大小，对以后调节器参数整定来说具有重要的意义。,小结：工业被控过程的特点,除液位对象外的大多数被控对象本身是稳定的自衡对象；,对象动态特性存在不同程度的纯迟延；,对象的阶跃响通常为单调曲线，除流量对象外的被调量的变化相对缓慢；,被控对象往往具有非线性、不确定性与时变等特性。,32,对象动特性对调节质量的影响,一、,干扰通道,对象动特性,对调节性能的影响：,对象动特性对调节质量的影响,干扰进入位置的影响：,对象动特性对调节质量的影响,对象动特性对调节质量的影响,二、,调节通道,对象动特性,对调节质量的影响,对象的自平衡特性与控制性能的关系：,控制的难易程度称为对象的控制性能,对象动特性对调节质量的影响,调节通道动特性对调节质量的影响,对象的滞后和时间常数的影响：,对象的难控性指标,调节方案的确定（,p.218）,调节通道动特性对调节质量的影响,调节方案的确定举例,乳液干燥器控制系统设计,乳液干燥器控制系统设计,控制要求：乳粉含水量一定；,选取间接变量出口温度为被调量；,扰动分析：,乳液流量、温度变化,f,1,;,旁通冷风流量,f,2,;,蒸汽温度、压力变化,f,3,;,对象特性：,热交换器为双容积对象，,T,1,=,T,1,=100s；,风管至干燥器的纯延迟时间为,=3s;,干燥器传递函数为,G,0,；调节器为,G,c,.,乳液干燥器调节方案选择,乳液干燥器控制系统设计,乳液干燥器控制系统设计,三种控制方案评估：,方案,：,控制性能最优；但乳液不能以最大流量工作，产量不稳定，且阀门易堵；,方案,：,调节单元增加一纯延迟单元，但避免了工艺上的不合理，只要,对控制性能影响不大，则可行；,方案,：,针对扰动,f,1,、,f,2,，,则性能更差了。,33,调节规律对性能影响及其选择,比例调节规律,一、,在干扰作用下双容对象的比例调节：,比例调节规律,比例调节规律,1. 稳态误差：,2. 过渡过程振荡频率：,分析性能指标与系统参数间的关系,：,比例调节规律,分析性能指标与系统参数间的关系,：,衰减率、超调度、共振比,：,；谐振频率：,共振比：,衰减率：,超调度：,性能指标与系统参数间的关系,衰减率,超调度,衰减率,超调度,共振比,共振比,比例调节律,调节器放大系数对二阶对象的调节性能的影响,：,当增大放大系数,时，将使,1,）,系统的稳定,性下降：,2,）,调节过程加快：,3）系统的稳态误差减小，最大动态偏差下降。,过程的可控性指标,可控性指标,可控性指标反映了对象的频域特性：,系统调节性能指标,各调节性能指标的一致性,衰减率,、稳态误差、最大动差、波动频率,PI,调节律,二、,比例加积分（,PI）,调节：,PI,调节律,PD,调节律,二、,比例加微分,（PD）,调节：,PD,调节律,纯滞后环节,微分调节对纯滞后环节的影响：,PID,控制器的,Bode,图分析,P、PI、PD,控制律的对比,：,微分,调节的有效作用范围,若相频特性比较平坦，则调节器的超前相位将使临界频率显著提高；若同时幅频特性很陡，则甚至临界频率少量增高都能使临界放大系数大幅度上升。,例如，对那些仅含有若干个单容环节的对象，如时间常数差别很大，则上述两种情况同时存在，因而微分作用能使调节性能指标显著提高。,若系统的相频特性很陡，而幅频特性很平坦，这时微分作用的效果就不显著了。,例如，具有大的纯滞后的对象就有这种特点，,小 结,比例调节：,最简单，响应迅速，易整定；但存在静差。,比例积分调节：,最常用，无静差，较纯积分调节快速；适用于调节通道容量滞后较小，负荷变化不很大的系统。如流量、压力调节系统等。对于滞后较大的系统效果不好。,比例微分调节：,可提高稳定裕度，进而加大比例增益，加快调节过程，减小静差和动差。但对于高频扰动频繁、纯滞后较大的系统效果不理想。,34,PID,参数工程整定方法,调节器参数整定，是指决定调节器的比例度,PB、,积分时间,Ti,和微分时间,Td,的具体数值。,整定的实质是通过改变调节器的参数,使其特性和过程特性相匹配，以改善系统的动态和静态指标，取得最佳的控制效果,。,PID,参数工程整定方法,PID,参数工程整定方法,PID,参数工程整定方法,工程整定法-临界比例度法,步骤：,（1）先将,PID,控制器中的积分与微分作用切除，取比例带,PB,较大值，并投入闭环运行；,（2）将,PB,由大到小变化，对应于某一,PB,值作小幅度的设定值阶跃响应，直至产生等幅振荡；,（3）设等幅振荡时所对应的振荡周期为,T,m,、,控制器比例带,P,m,，,则通过查表，根据控制器类型选择,PID,参数.,局限性：,生产过程有时不允许出现等幅振荡，或者无法产生等幅振荡。,临界比例度法分析,如何与对象特性匹配：属于频域方法,临界比例度法举例,PID,参数工程整定方法,工程整定法-反应曲线法,由临界比例度法近似推导反应曲线法：,工程整定法-反应曲线法,对上述公式略加修正，有：,Ziegler-Nichols,反应曲线法,工程整定法-反应曲线法,实验步骤：,Cohen-Coon,反应曲线法,反应曲线法,Z-N,反应曲线法对比值 较为敏感，即在比值较大时（如大于1.5）效果不好。,改进的,C-C,反应曲线法则对不同比值，具有较好的一致性。,在比值较小时，由整定公式可以看出，,Z-N,法与,C-C,法是非常接近的。,最后，应当指出，以上所有整定公式给出的,PID,参数，一般来说，可能仅仅是获取最佳控制器过程的一个起点，即初始设定值而已，还需我们采用手工“细调”。,参数整定公式的解释,工程整定法-试凑法,工程整定法-试凑法,调整 ，取 ，接近性能指标；,减小 到合适的数值，这会导致稳定性降低，因而，相应的要减小 ，以保持稳定性不变。,当,PI,调节令人满意后，就可以调整微分。 增大一般会导致稳定性增强，这意味着增益 可进一步加大， 积分时间常数 可进一步减小。,根据上表，增大积分可提高响应速率和稳定性，但这只是在一定上限范围内有效，否则会削弱稳定性。因为过大的 ，会导致对未来误差的估计不准；其次，会对噪声及其它扰动有放大作用。一般后者决定其上限值。,PID,参数工程整定方法,三、控制器参数的自整定：,控制器参数的自整定,1,.,模式识别法（又称作：,“,波形识别法,”,）,基本思想是将闭环系统在一定输入下的响应曲线分成若干模式，重提取每种模式的特征量，称之为“状态变量”，然后根据实测的响应模式与理想的响应模式之间的差别，采用各种评价体系和整定原则自动调整调节器参数。当然，选择不同的特征量采用不同的评价体系和整定原则可形成不同的具体方法。,例如在,Foxboro,公司的,Exact,调节器中引入了超调量、衰减比和振荡周期作为响应模式的“状态变量”。,控制器参数的自整定,2.,极限环法（又称作：,“,图象识别法,”,）,用非线性发生器严生开关信号，产生等幅振荡酌极限环。依据振荡幅位利周期来确定,PID,参数。本法看来只能间歇地进行。,3.,辨识与控制结合（自适应控制方式）,4.,反应曲线法,经常将辨识信号（如,PRBS,信号）与控制作用相加在一起作为,u,，,施加于过程，由,u,和,y,确定过程模型，再由模型参数确定,PID,参数。,对过程施加阶跃输入，在开环情况下获取反应曲线。自动计算出,PID,参数。,K,c,对过渡过程的影响,增益,K,c,的增大，使系统的调节作用增强，但稳定性下降（当系统稳定时，调节频率提高、最大偏差下降）；,T,i,对系统性能的影响,积分作用的增强（即,T,i,下降），使系统消除余差的速度增强，但稳定性下降；,T,d,对系统性能的影响,微分作用的增强（即,T,d,增大），从理论上讲使系统的超前作用增强，稳定性得到加强，但高频噪声起放大作用。因而，微分作用不适合于测量噪声较大的对象。,PID参数对控制性能的影响,第三章：作业,教材：,P.269,3-1；,3-2；,3-4。,