吉林大学过程控制 9简单控制解析

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1、 过程控制及仪表过程控制及仪表 吉林大学通信学院 1 简单控制系统设计概述 简单控制系统是只对一个被控参数进行控制的单回路闭 环控制系统。是最基本的过程控制系统。是构成复杂过程控 制系统的基础。典型结构框图如下： 2 控制系统设计的任务及其开发步骤 简单过程控制系统主要由被控过程、过程检测和控制仪表组成 过程控制系统设计的主要任务就在于如何确定合理的控制方案、 选择正确的参数检测方法与检测仪表以及过程控制仪表的选型 和调节器的参数整定等等 过程控制系统开发的主要步骤叙述如下： 1熟悉控制系统的技术要求或性能指标 2建立控制系统的数学模型 3确定控制方案 4根据系统的动态和静态特性进行分析与综合

2、 5系统仿真与实验研究 6工程化设计 7工程安装 8控制器的参数调整 3 一个简单控制系统开发设计的全过程如右图所示 4 设计中需要注意的有关问题 1认真熟悉过程特性 2明确各生产环节之间的约束关系 3重视对测量信号的预处理 4注意系统的安全保护 总之，控制系统的设计是一件细致而又复杂的工作，对 具体的过程控制系统设计者而言，只有通过认真调查研究， 熟悉各个生产工艺过程，具体问题具体分析，才能获得预期 的效果。 5 控制方案的确定 控制方案的确定主要包括系统被控参数的选择、测量信 息的获取及变送、控制参数的选择、调节规律的选取、调节 阀（执行器）的选择和调节器正、反作用的确定等内容。 被控参数

3、的选取 被控参数的选取对于提高产品质量、安全生产以及生产 过程的经济运行等都具有决定性的意义。这里给出被控参数 选取的一般性原则： 1）对于具体的生产过程，应尽可能选取对产品质量和产 量、安全生产、经济运行以及环境保护等具有决定性作用的、 可直接参数作为被控参数 。 6 2）当难以用直接参数作为被控参数时，应选取与直接 参数有单值函数关系的所谓间接参数作为被控参数。 3）当采用间接参数时，该参数对产品质量应具有足够 高的控制灵敏度，否则难以保证对产品质量的控制效果。 4）被控参数的选取还应考虑工艺上的合理性和所用测 量仪表的性能、价格、售后服务等因素 。 对于一个已经运行的生产过程，被控参数

4、往往是由工艺要求事先确定的。 7 控制参数的选择 过程特性对控制质量的影响 1. 干扰通道特性对控制质量的影响 对于简单过程控制系统，可求得系统输出与干扰之间的传递函数为 假设为一单容过程，其传递函数为 则： 则： (式1) (式2) 若单容过程具有纯时延时间 (式3) 8 (2) 干扰通道 的影响 由式2可知， 为惯性环节，对干扰 具有“滤波”作用， 越大，“滤波” 效果越明显，因此干扰通道的时间常数越大，干扰对被控参数的动态影响就越 小，因而越有利于系统控制质量的提高。 (3) 干扰通道 的影响 由式3可知， 的存在，仅仅使干扰引起的输出推迟了一段时间 因此， 的存在并不影响系统的控制质量

5、。 (1) 干扰通道 的影响 越大干扰输出越大。越大干扰输出越大。 9 将式4与式2相比，多了一个滤波项。这表明干扰多经过一次滤波才对被控参数 产生动态影响。从动态看，这对提高系统的抗干扰性能是有利的。因此干扰进 入系统的位置越远离被控参数，对系统的动态控制质量越有利。但从静态看， 这会使干扰引起被控参数偏离给定值的偏差相对增大，这对系统的控制品质又 是不利的。因此需要权衡它们的利弊。 假定不是在 之后，而是在 之前进入系统，则有 (4) 干扰进入系统位置的影响 (式4) 10 2. 控制通道特性对控制质量的影响 11 2. 控制通道特性对控制质量的影响 (1) 控制通道 的影响 在调节器增益

6、 一定的条件下，当控制通道静态增益 越大时，则控制作用 越强，克服干扰的能力也越强，系统的稳态误差就越小；与此同时，当 ，被控参数对控制作用的反应就越灵敏，响应越迅速。但是，当调节器静态增 越大 益 一定越大时，系统的开环增益也越大，这对系统的闭环稳定性是不利 的。因此，在系统设计时，应综合考虑系统的稳定性、快速性和稳态误差三方 面的要求。 (2) 控制通道 的影响 如果控制通道的时间常数 太大，则调节器对被控参数变化的调节作用就不够及 时，系统的过渡过程时间就会延长，最终导致控制质量下降；但当 太小，则调 节过程又过于灵敏，容易引起振荡，同样难以保证控制质量。在系统设计时，应 使控制通道的时

7、间常数 既不能太大也不能太小。 12 (3)控制通道纯滞后时间 的影响 控制通道的纯滞后，都会使系统的动态偏差增大，超调量增加，最 终导致控制质量下降。 从系统的频率特性分析，控制通道纯滞后的存在，会增加开环频率 特性的相角滞后，导致系统的稳定性降低。 因此，应减小控制通道的纯滞后，以利于提高系统的控制质量。 造成系统滞后的主要原因有： v 被测对象滞后：测量点不能及时反映参数的变化。存在容积滞后和/或传 递滞后。 v 检测元件滞后：因热容、热阻等惯性因素的影响，导致检测仪表的输出 不能及时反映参数的变化。 v 信号传递滞后：主要是气动信号传递较慢导致系统反映滞后。 13 (4) 控制通道时间

8、常数匹配的影响 实际生产过程中，广义被控过程可近似看成由几个一阶惯性环节串联而成。 以三阶为例 相应的临界稳定增益 为 的大小完全取决于 三个时间常数的相对比值 可以证明：时间常数相差越大，临界稳定的增益则越大，这对系统 的稳定性是有利的。 也就是说：在保持稳定性相同的情况下，时间常数错开得越多，系 统开环增益就允许增大得越多，因而对系统的控制质量就越有利。 系统传函为： 14 控制参数的确定 简单控制系统控制参数选择的一般性原则如下： 1) 选择结果应使控制通道的静态增益 尽可能大，时间常数 选择适当。 2) 控制通道的纯时延时间 应尽可能小, 和的比值一般应小于0.3。 3) 干扰通道的静

9、态增益 应尽可能小；时间常数 应尽可能大，其个数 尽可能多；扰动进入系统的位置应尽可能远离被控参数而靠近调节阀。 这样选择对抑制扰动对被控参数的影响均有利。 4) 当广义被控过程由几个一阶惯性环节串联而成时，应尽量设法使几个时间 常数中的最大与最小的比值尽可能大，以便尽可能提高系统的可控性。 5) 在确定控制参数时，还应考虑工艺操作的合理性、可行性与经济性等因素 15 调节规律对调节质量的影响及其选择 16 调节规律对调节质量的影响及其选择 调节规律对调节质量的影响 1比例（P）调节规律的影响 调节器的输出信号u与输入偏差信号e成比例关系： 其中，u为调节器的输出，e为调节器的输入， 为比例增

10、益。 在电动单元组合仪表中，习惯用比例增益的倒数表示调节器输 入与输出之间的比例关系 称比例带 当被控对象为惯性特性时，单纯比例调节有如下结论： 1) 比例调节是一种有差调节。 2) 比例调节系统的稳态误差随比例带的增大而增大，若要减 小误差，则要减小比例带，即需要增大调节器的放大倍数 这样往往会降低系统稳定性 。 17 3) 对于惯性过程， 当给定值不变时，采用比例调节，只能使被控参数对给定值实现有 差跟踪； 当给定值随时间变化时，其跟误差将会随时间的增大而增大。因此 ，比例调节不适用于给定值随时间变化的系统。 4) 增大比例调节的增益 不仅可以减小系统稳态误差，而且还 可以加快系统的响应速

11、度 对下图的比例调节作用于一阶惯性过程进行分析： 比例（P）调节规律的影响 18 系统传函 这里与 相比，减小了 倍， 越大， 减小得越多，说明过程的惯性越小，因而响应速度加快。但 的增大则 会使系统的稳定性下降。 19 2.积分（I）调节规律的影响 在积分调节中，调节器的输出信号u与输入偏差信号e的积分成 正比关系: 积分调节可得如下结论： 1) 采用积分调节可以提高系统的无差度，也即提高系统的稳态控制精度。 2) 与比例调节相比，积分调节的过渡过程变化相对缓慢，系统的稳定性变差。 实际应用中，通常将积分调节和比例调节二者结合起来， 组成所谓的PI调节器。 PI调节器的传递函数为 PI调节器

12、的阶跃响应曲线如右图 20 PI调节是将比例调节的快速反应与积分调节的消除稳态误 差功能相结合，从而能收到比较好的控制效果。 由于PI调节给系统增加了相位滞后，与单纯比例调节相比，PI 调节的稳定性相对变差。另外一个缺点，即只要偏差不为零，调节 器就会不停地积分使输出增加（或减小），从而导致调节器输出 进入深度饱和，调节器失去调节作用。因此，采用积分规律的 调节器一定要防止积分饱和。 3.微分（D）调节规律的影响 微分调节可以预测偏差的变化趋势，微分调节器的输入/输 出关系为 21 但微分时间的选择，对系统质量的影响具有两面性。 当微分时间较小时，增加微分时间可以减小偏差，缩短响应时 间，减小

13、振荡程度，从而能改善系统的质量； 当微分时间较大时，一方面有可能将测量噪声放大， 另一方面也可能使系统响应产生振荡。 还要说明的是：单纯的微分调节器是不能工作的。 微分调节器的输出与系统被调量偏差的变化率成正比。 由于变化率能反映系统被调量的变化趋势，因此，微分调 节不是等被调量出现偏差之后才动作，而是根据变化趋势 提前动作。 22 4. PD调节规律的影响 PD调节器的调节规律为: 微分时间 运用控制理论的知识分析PD调节规律，可以得出以下结论： 1） PD调节也是有差调节。这是因为在稳态情况下， 为零，微分部分不 起作用，PD调节变成了P调节。 2） PD调节能提高系统的稳定性、抑制过渡过

14、程的动态偏差（或超调）。 3） PD调节有利于减小系统静差（稳态误差）、提高系统的响应速度。 4） PD调节的不足：首先，PD调节一般只适用于时间常数较大或多容过 程；不适用于流量、压力等一些变化剧烈的过程。其次，当微分作用太强 较大时，会导致系统中调节阀的频繁开启，容易造成系统振荡。 23 5. PID调节规律的影响 PID调节器的调节规律为: 其相应的传递函数为: PID是比例、积分、微分调节规律的线性组合，它吸取了比例调节 的快速反应功能、积分调节的消除误差功能以及微分调节的预测功 能等优点而弥补了三者的足，是一种比较理想的复合调节规律。从 控制理论的观点分析可知，与PD相比，PID提高

15、了系统的无差度； 与PI相比，PID多了一个零点，为动态性能的改善提供了可能。因 此，PID兼顾了静态和动态两方面的控制要求，因而能取得较为满 意的调节效果。 24 控制系统在不同调节作用下的典型响应如下： 可以看到，如果不加控制，过程将缓慢地到达一个新的稳态值；当 采用比例控制后，则加快了过程的响应，并减小了稳态误差；当加 入积分控制作用后，则消除了稳态误差，但却容易使过程产生振荡 ；在增加微分作用以后则可以减小振荡的程度和响应时间。 虽然PID调节器的调节效果比较理想，但是PID调节器要整定 三个参数才能使系统整定得最佳。 25 调节规律的选择 1) 当广义过程控制通道时间常数较大或容积迟

16、延较大时，应引入微分调节；当 工艺容许有静差时，应选用PD调节；当工艺要求无静差时，应选用PID调节； 2) 当广义过程控制通道时间常数较小、负荷变化不大、且工艺要求允许有静差 时，应选用P调节。 储罐压力，液位 3) 当广义过程控制通道时间常数较小，负荷变化不大，但工艺要求无静差时， 应选用PI调节。 管道压力和流量 26 4) 当广义过程控制通道时间常数很大、且纯滞后也较大、负荷变 化剧烈时，简单控制系统则难以满足工艺要求，应采用其他控制 方案； 5) 若将广义过程的传递函数表示为 时， 的比值来 选择调节规律： 时，可选用P或PI调节规律； 时，可选用PID调节规律； 时，应采用其他控制方式。串级、前馈加反馈。 调节规律的选择 n则可根据 当 n当 n当 27 执行器的选择 1. 执行器的选型：使用最多的是气动执行器，其次是电动执行器 2. 气动执行器气开、气关的选择 气动执行器分气开、气关两种形式，它的选择首先应根据调 节器输出信号为零（气源中断）时使生产处于安全状态的原 则确定，同时考虑节能、操作性。 如阀