单回路反馈控制系统

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,*,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,1.1,单回路系统的结构组成,单回路反馈控制系统,四个基本环节：被控对象、测量变送、控制器和控制阀,反馈控制中的最基本系统,特点：,简单、有效、 应用最成熟、最普遍 - 占70%以上,例2：,水槽液位控制系统,1.1,单回路系统的结构组成,F,1,增加 L增加 变送器输出信号增加 偏差（测量值-设定值）为正、增加 控制器输出减小 阀开度增加 F,2,增加 L降低；,工作过程：,F,1,F,2,LC,F,1,F,2,A.C,1.1,单回路系统的结构组成,控制器,控制阀,被控,对象,测量,变送,偏差,给定,测量,液位,给定量位于系统的输入端，称为,系统输入量,。也称为参考输入量（信号）。,被控制量位于系统的输出端，称为,系统输出量,。,输出量（全部或一部分）通过测量装置返回系 统的输入端，使之与输入量进行比较，产生,偏差,（给定信号与返回的输出信号之差）信号。输出量的返回过程称为,反馈,。返回的全部或部分输出信号称为,反馈信号,。,1.1,单回路系统的结构组成,控制系统的原理和作用（定值）,维持被控参数保持在设定值上，偏差越小越好,偏差控制：纠正偏差,过程工业中，此类系统占大多数,按被控参数分类：,温度控制回路、压力控制回路、,流量控制回路、物位（液位）控制回路,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,控制系统的设计目标,1.2,被控变量的选择,即，要控制什么,基于工艺要求，选择的结果直接影响生产（产品产量、质量、生产安全）,分类,1.2,被控变量的选择,直接控制,最基本的热工参数，一般是可以直接进行测量和控制的参数,温度、压力、液位、流量,间接控制,质量指标，以及一些特殊的参数,成份、物性参数等，在一般条件下，无法直接测量和控制,应根据工艺参数的关系，用可测的参数，间接进行控制,1.2,被控变量的选择,例1：,苯、甲苯二元精馏系统,质量指标是最重要的控制参数,如塔顶产品的纯度 x,D,但 x,D,目前无法直接测量，因此，只能用间接控制参数进行控制。,根据精馏原理，x,D,= f (T,D, p), 即与温度和压力成非线性函数关系。,理论上，固定一项，就可用另一项控制x,D,。,一般的，实际中都采用恒定p，通过控制塔顶温度来控制塔顶成分,。,1.2,被控变量的选择,选择原则：,（1） 测量滞后 P,（2） 工艺合理性 T,工艺合理性：规定塔压稳定，保证分离度，保证效率,各块塔板压力恒定，X,D,与T有对应关系,选择X,D,=F（T）,0 50 100%,苯、甲苯百分含量（%）,0 50 100%,T,P一定,T一定,P,1.2,被控变量的选择,选择被控变量的原则,（1）尽可能选择直接质量指标参数；,（2）必须选择间接量指标参数时，选择对目标参数影响最显著的可控参数，单值对应关系最好；,（3）灵敏度好，反映产品质量变化，易于控制；,（4）考虑工艺的合理性、测量仪表的选择。,操纵变量的选择：,（1）一般选系统中可以调整的物料量或能量参数，多是流量；,（2）不止一个，重要因素,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,1.3 对象特性对控制质量的影响及操纵变量的选择,对象特性分析,精馏塔:,影响塔顶成分的有,温度、压力、,进料流量、进料成分等,对于实际过程，影响输出的因素一般不只一个，因此，实际上都是多输入系统（MIMO),F,1,F,2,F,n,Y,1.3 对象特性对控制质量的影响及操纵变量的选择,设计单回路控制系统:,必须从影响被控量的诸多影响参数中,选择一个，作为,操纵变量,其它影响量则只能视作,干扰量,了,控制：,用操纵量克服干扰量对被控变量的影响,F,1,(s),F,2,(s),U(s),Y(s),Y(s)=G,PC,(s)U(s)+G,PD1,(s) F,1,(s) +G,PD2,(s) F,2,(s),1.3 对象特性对控制质量的影响及操纵变量的选择,操纵量输出：控制通道,干扰量输出：干扰通道,干扰作用与控制作用相互对立而存在,问题：如何选择一个良好的操纵变量。,分析通道特性,通道的概念：通道就是某个参数影响另外一个参数的通路,1.3 对象特性对控制质量的影响及操纵变量的选择,干扰通道特性分析,Gc(s),G,PC,(s),G,PD,(s),R(s),E(s),F(s),Y(s),=,G,PD,(s),1+,Gc(s),G,PC,(s),Y(s),F(s),干扰作用下的闭环传递函数为：,1.3 对象特性对控制质量的影响及操纵变量的选择,（1）,放大倍数K,f,的影响,结论：,K,f,越大，系统的余差也越大，,控制质量越差,Y(,)=,K,f,1+ K,C,K,o,分析过程：,Y(s)=,G,PD,(s),1+ G,c,(s)G,PC,(s),F(s),1.3 对象特性对控制质量的影响及操纵变量的选择,（2）,时间常数T,f,的影响,结论：,T,f,越大，个数越多，干扰对被控变量的影响越小，系统的动态偏差越小， 控制质量提高,干扰进入系统的位置：越离被控变量近的干扰，对被控变量的影响也越大,1.3 对象特性对控制质量的影响及操纵变量的选择,（3）,纯滞后 ,f,的影响,结论：,干,扰通道的纯滞后对控制系统质量没有影响，,只是滞后了干扰对控制的影响,Y(s)=,G,PD,(s)e,-,s,1+,Gc(s),G,PC,(s),F(s),1.3 对象特性对控制质量的影响及操纵变量的选择,干扰通道特性对控制质量的影响,特性参数,静态质量的影响,动态质量的影响,K,f,增加,余差增加,无影响,T,f,增加,无影响,过渡过程时间减小，振荡幅值减小,f,增加,无影响,无影响,1.3 对象特性对控制质量的影响及操纵变量的选择,控制通道特性分析,Gc(s),G,PC,(s),G,PD,(s),R(s),E(s),F(s),1.3 对象特性对控制质量的影响及操纵变量的选择,（1）,放大倍数K,0,的影响,静态,：,控制通道放大倍数K,0,大，控制系统稳态余差小，见式（1-7）,动态,：,控制系统衰减比与Kc 与K,0,的乘积有关，见式（1-18），且,Kc K,0,越大，越小，稳定性差，因此，要保证Kc K,0,=常数。,在Kc K,0,=常数情况下，控制系统稳态余差不变。,从控制角度看，K,0,大些，说明控制通道对系统的影响大，易于调节，因此，一般希望K,0,大些好,1.3 对象特性对控制质量的影响及操纵变量的选择,（2）,时间常数T,0,的影响,从控制系统传递函数推导进行分析,结论：,控制通道的时间常数大，经过的容量数多，系统的工作,频率低，控制不及时、系统控制质量差，如温度系统。,一般希望控制通道时间常数小些好。,但控制通道时间常数过小，将使得系统过于灵敏，也会使稳定性变差，如流量系统,1.3 对象特性对控制质量的影响及操纵变量的选择,（3）,纯滞后 ,0,的影响,结论：,纯滞后,0,的存在，使得控制不及时，增加动态偏差，,降低稳定性。,控制通道纯滞后是控制系统非常不利的因素，会严重影响控制系统品质，以至于使控制系统发散，造成严重后果，因此，实际工程中，必须重视。,1.3 对象特性对控制质量的影响及操纵变量的选择,操纵变量的选择,兼顾考虑工艺的合理性，工艺上不易频繁改变的量也不宜作为操纵变量。,实质上是决定了控制通道的选择。,原则：,（1）操纵变量必须可控,（2）选择通道放大倍数相对大的,（3）选择通道时间常数相对小的（干扰通道,时间常数大些）,（4）选择通道的纯滞后尽量小,（5）选择使干扰点远离被控变量而靠近控制阀,1.3 对象特性对控制质量的影响及操纵变量的选择,控制通道特性对控制质量的影响图,特性参数,对静态质量的影响,对动态质量的影响,K,0,增加,余差减小（稳定前提下）,系统趋向于振荡,T,0,增加,无影响,过渡过程时间增加，系统频率变慢,0,增加,无影响,稳定程度大大降低,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,1.4,控制阀的选择,控制系统的执行部件,接受控制器的命令执行控制任务。,选择内容：,口径大小、开闭形式、流量特性、结构形式,口径大小,直接决定介质流过的能力,1.4,控制阀的选择,通过计算阀的流通能力，并且保证具有一定的余量，具有较宽的可控范围。,口径过大，正常流量时阀门处于小的开度，阀的特性不好；,口径过小，正常流量时阀门处于大的开度，阀的特性也不好。,开闭形式,气动控制阀：,1.4,控制阀的选择,电动控制阀：,一般均为电开式（电机带动阀门）,气开式输入气压信号（来自控制器）增大，,阀的开度增大；,气闭式输入气压信号（来自控制器）增大，,阀的开度减小；,控制阀的气开、闭形式的选择原则：,1.4,控制阀的选择,（1）安全角度：,即当出现意外事故时，如气源中断，或电源中断，此时输入控制阀的气压信号最小，这时，考虑到工艺设备的安全性，必须使阀门全闭（气开式）或阀门全开（气闭式）,如：锅炉燃气控制阀气开式,（2）质量角度：出现以外事故，考虑产品质量,（3）消耗角度：原料、成品及动力消耗,（4）介质特点：特殊介质，考虑气结晶、蒸发等因素,具体工艺过程，对控制阀开闭有要求的场合，要,区分主次因素（安全第一），对控制阀开闭没有要,求时，可以任选,1.4,控制阀的选择,流量特性,流量特性：指流体通过阀门的相对流量和阀门相对开度,之间的关系,Q/Qmax=f(L/L,max,),Q/Q,max,相对流量 f(L/L,max,)相对开度,1.4,控制阀的选择,流量特性,目前控制阀的特性有三种：,线性特性、对数特性（等百分比特性）、快开特性,L/Lmax,F/Fmax,一般的，生产负荷变化对象特性发生变化,如，热交换器：,负荷（被加热的流体）增大：,通过热交换器的时间缩短，,纯滞后减小； 特性改变,流速增大，传热效果变好,控制系统投运时，已经整定好了PID参数，一旦对象特性发生变化时，原来好的PID参数就变得不好了,1.4,控制阀的选择,流量特性,什么时候选择非线性特性？,（,1）选择自整定调节器，代价大,（2）通过控制阀的特性选择进行弥补,K 1 / K,0,G,0,如对象负荷静态部分K,0,与控制阀流量F成反比，,对象负荷动态部分G,0,与控制阀流量F成正比，,控制阀特性取线性；,P15 表1-1 控制阀流量特性的选择,课本P15分析的例子,P16 表1-2 控制阀流量特性经验选择,1.4,控制阀的选择,流量特性,解决办法：,1.4,控制阀的选择,结构形式,直通单座、直通双座、角阀、高压阀、蝶阀、,隔膜阀、三通阀,适用于不同工艺场合,表1-4,A,B,C,1.4,控制阀的选择,阀门定位器,控制阀的辅助装置,接受控制器信号，输出控制控制阀,作用：,提高控制阀控制精度，准确定位；,功率放大；,可改变控制阀流量特性；,可实现分程控制,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,1.5,测量及传送滞后的影响及消除方法,测量滞后的影响,容量滞后：,由于测量元件具有一定的时间常数，一阶惯性环节,理论上讲，只有当过渡时间无限长时，输出才能达到稳态（等于工艺参数值）。因此，测量变送的输出一般小于工艺参数实际值，不利于系统控制,测量变送装置的容量滞后对控制系统不利。,1.5,测量及传送滞后的影响及消除方法,测量滞后的影响,纯滞后：,参数变化信号传递到测量点需要一定的时间,使得广义对象中含有纯滞后环节，不利于控制，要尽量克服,1.5,测量及传送滞后的影响及消除方法,传递滞后的影响,测量信号传送滞后：变送器控制室,控制信号传送滞后：控制室控制阀,生产现场与控制室有较长的一段距离，对于气动信号的传递，就会产生信号的传送滞后。一般比较小，对于电信号，可以忽略。,1.5,测量及传送滞后的影响及消除方法,克服滞后的办法,测量滞后：,选择快速反应的测量元件，以减小时间常数,选择合适的测量点，以减小纯滞后,使用微分单元，以克服容量滞后,微分环节起到超前作用，参考书上的推导，在分子上多了一个零点，对给定值的变化起到快速跟踪作用。,但是，微分环节会使得系统稳定性变差，因此，要合理使用。,1.5,测量及传送滞后的影响及消除方法,克服滞后的办法,传送滞后：,一般，气动仪表容易产生传送滞后，在气动管线比较长时，可考虑加入气动继动装置。,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,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,：,P,roportional,I,ntegral,D,erivative,PID,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。,其中：,K,p,e,(,t,),比例控制项，,K,p,为比例系数,积分控制项，T,i,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（P）、 积分时间Ti（I）、微分时间Td（D）,PID控制的传递函数：,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,。,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),F(s),Go(s),E(s),Gc(s),终值定理：,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，比例度越大，余差越大；,当控制器引入积分作用时，可消除余差；,微分作用对余差没有影响。,对系统动态误差的影响,（1）比例放大倍数K的影响：,Kc,0，相当于开路,Kc,控制精度提高（余差减小）， 矛盾,系统稳定性变差，只有原系统稳定裕量充分大时才采用纯比例控制。,0,t,y(,t,),Kc增大,比例控制器：,（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。,对系统动态误差的影响,PI控制器：,0,t,y(,t,),Ti减小,（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：,对系统动态误差的影响,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，控制精度要求比较高，希望动态偏差小，被控对象的时间滞后比较大的，PID,控制规律选择原则：,工业常见控制器有：P、PI、PD、PID,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,1.7系统的关联及其消除方法,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,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,TC,LC,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,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。,分析系统关联的方法,相对增益方法,Gc,1,(s),Gcn(s),R,1,(s),n,n,Rn(s),Y1(s),Yn(s),U,1,(s),Un(s),j,i,分析系统关联的方法,Gc,1,(s),Gc,2,(s),R,1,(s),R,2,(s),Y1(s),Y,2,(s),U,1,(s),U,2,(s),Gc,1,(s),Gc,2,(s),R,1,(s),R,2,(s),Y1(s),Y,2,(s),U,1,(s),U,2,(s),u不等于u,1,;,u保持不变,y不等于y,1,;,y保持不变,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,分析系统关联的方法,（5）,ij,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。,（ij越大关联越大）,（3）,ij,7mA, 加热器温度从85-87.8,o,C。 仪表量程50-100,o,C 测得,=,1.2， T,0,=2.5min,如采用PI控制器，其整定参数？,