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1、武汉理工大学机电工程学院Wuhan University of Technology过程控制与检测仪表第五章 简单控制系统的设计及参数整定方法魏 莉 机电工程学院测控系1武汉理工大学机电工程学院Wuhan University of Technology过程控制与检测仪表2武汉理工大学机电工程学院Wuhan University of Technology过程控制与检测仪表简单控制系统一个调节器，一个调节阀，控制一个被控 参数单回路闭环控制系统，典型结构框图如下 图示。调节器 GC（S）调节阀 GV（S）被控过程 GP（S）干扰通道 Gf（S）F(S)测量变送 H（S）R(S)-E(S)U(
2、S)Q(S)C(S)Z(S)3武汉理工大学机电工程学院Wuhan University of Technology过程控制与检测仪表单回路控制系统特点结构简单、投资少、易于整定和投运； 可满足一般生产过程的工艺要求； 占控制回路的80%以上，应用广泛； 适用于被控过程的纯滞后与惯性不大、 负荷与干 扰变化比较平稳或者工艺要求不太高的场合。4武汉理工大学机电工程学院Wuhan University of Technology过程控制与检测仪表5武汉理工大学机电工程学院Wuhan University of Technology过程控制与检测仪表 第一节 过程控制系统设计概述一. 对过程控制系统的
3、一般要求稳：控制系统必须是稳定的，且有一定的稳定裕量。准：系统被控参数的实际运行状况与希望状况的偏差要小，控制精度要高。 快：系统从一种工作状态向另一种工作状态过渡时间要短，即衰减振荡短 。 工程上三者往往相互矛盾，如要精度高则平稳受影响，要 平稳则快速性受削弱，一般应满足最重要要求，分清主次。6武汉理工大学机电工程学院Wuhan University of Technology过程控制与检测仪表过控系统组成:被控过程；控制仪表；检测仪表等。主要工作:确定控制方案；选择检测方法；选择检测仪表；选择控制仪表;参数整定。二. 过程控制系统设计的基本方法与步骤7武汉理工大学机电工程学院Wuhan U
4、niversity of Technology过程控制与检测仪表控制系统设计的步骤: 1. 熟悉系统的技术要求或性能指标2.建立系统的数学模型过程的数模是理论分析和深入设计的基础和依据。3.控制方案的确定含系统组成和控制方式,确定方案的依据是被控过程的特性 ,技术指标,控制任务的要求,方案要简单经济可行,要有比较。4. 根据系统的静动态特性进行理论分析和综合由技术指标,系统的静动态特性,确定调节规律和参数整定。分析方法:频率法,根轨迹法,优化设计等。分析工具:计算机仿真等。5. 设备选型6. 实验验证8武汉理工大学机电工程学院Wuhan University of Technology过程控制
5、与检测仪表t 内容包括t方案设计：即系统组成和控制方式，是设计的核心，方案不 合理，选何种仪表都无作用。t工程设计：指仪表选型，控制室和仪表盘设计，供电供气系 统的设计，信号连锁和系统保护。t工程安装与仪表调校。t调节器参数整定：设置调节器参数，使系统运行在最佳状态 。t 核心内容t控制方案设计；t调节器参数整定。三. 过程控制系统设计的主要内容9武汉理工大学机电工程学院Wuhan University of Technology过程控制与检测仪表1 认真熟悉过程特性要了解过程特性,熟悉工艺流程特点要求,这是方案的重要依据。2 要明确过程中各个生产环节的关系3.测量信号的预先处理一般测量信号作
6、反馈用较重要,但是现场信号,故噪 声大,要进行滤波或线性化或温度补偿等预处理。4.系统的安全保护安全可靠,尤其是在高温高压,易燃易爆,强腐蚀等环 境下,要选符合要求的仪表和设备。四.系统设计中需注意的几个问题10武汉理工大学机电工程学院Wuhan University of Technology过程控制与检测仪表 第二节 过程特性对控制质量的影响及控制方案的确定一. 干扰通道特性对控制质量的影响调节器 GC（S）调节阀 GV（S）被控过程 GP（S）干扰通道 Gf（S）F(S)测量变送 H（S）R(S)-E(S)U(S)Q(S)C(S)Y(S)干扰与系统输出的传递关系11武汉理工大学机电工程学
7、院Wuhan University of Technology过程控制与检测仪表系统输出与干扰的传递函数:C(S) / F(S)=Gf (S) / 1+GC(S)GV(S)GP(S)H(S) 设干扰通道Gf (S)为一单容过程,即 Gf (S) = Kf / ( Tf S+1)则有 C(S) / F(S) = 1 / 1+GC(S)GV(S)GP(S)H(S) Kf / ( Tf S+1 ) 或有延时f 时C(S) / F(S)=Gf (S) / 1+GC(S)GV(S)GP(S)H(S) exp(-f S)12武汉理工大学机电工程学院Wuhan University of Technolog
8、y过程控制与检测仪表1. 静态增益Kf :Kf越大,扰动引起输出越大,设计时应减小Kf ,如办不到,应增 强控制作用,或采用扰动补偿。2. 时间常数Tf :Gf (S)是一个惯性环节,对扰动F(S)有一定的滤波作用,Tf 越 大 ,效果越明显,故Tf 越大,扰动对被控参数的动态影响越小。3. 延时f :相当于扰动推迟一段时间进入系统,对控制质量无影响4. F(S)进入系统的位置的影响如F(S)在GP(S)之前进入系统: 则C(S) / F(S) =1+GC(S)GV(S)GP(S)H(S) Gf (S)GP(S).或C(S) / F(S) =1+GC(S)GV(S)GP(S)H(S) 1Kf
9、Tf S+1KP TP S+1又多了一个滤波器13武汉理工大学机电工程学院Wuhan University of Technology过程控制与检测仪表调节器 GC（S）调节阀 GV（S）被控过程 GP（S）F1(S)测量变送 H（S）R(S)-E(S)C(S)Y(S)F2(S)F3(S)14武汉理工大学机电工程学院Wuhan University of Technology过程控制与检测仪表控制通道:其作用总是力图使被控参数与给定值相一致扰动通道:其作用总是力图使被控参数与给定值相偏离二 .控制通道特性对控制质量的影响15武汉理工大学机电工程学院Wuhan University of Tec
10、hnology过程控制与检测仪表1. 静态增益KO : 调节器的KC一定时:KO越大控制作用越强,抗扰能力越强,稳态误差越小,被控参数对控制作用反应越灵敏。KO越大意味着系统的静态增益越大,对系统的闭环稳定性不利。设计时应综合考虑稳定性快速性和稳态误差三方面:改变KC使开环增益KOKC合适,当KO越大,KC越小,降低调节器要求2. 时间常数TO :TO较大,调节器对被控参数的调节作用就不及时,过渡过程加长TO过小,控制作用过于灵敏,引起振荡,设计时应TO较小,或增加微分16武汉理工大学机电工程学院Wuhan University of Technology过程控制与检测仪表3.纯时延:信号传输
11、,测量变送等产生,对系统影响不利,既不能及时发现被控参数 的变化,又不能使控制作用及时产生效应,使动态偏差增大,超调增加,相角滞 后稳定性降低,应尽量减小过控中用O/TO反映控制的难易程度, O/TO0.3易控, O/TO0.5难控17武汉理工大学机电工程学院Wuhan University of Technology过程控制与检测仪表4.时间常数匹配:设广义被控过程传递函数为:(由被控过程,测量元件,调节阀等一阶惯性环节串接）GO(S) =K(T1S+1)(T2S+1)(T3S+1)则临界稳定增益为:KO=2+T1/T2+T2/T3+T3/T2+T2/T1+T3/T1+T1/T3KO的大小取
12、决于T1,T2,T3的相对比值,计算可知:时间常数错开越多，开环增益就允许提高的越多，对系统的控制质 量越有利，实际上，最大时间常数对应过程核心设备，不易 改变，可选择小时间常数的测量仪表和具有小时间常数的调 节阀。18武汉理工大学机电工程学院Wuhan University of Technology过程控制与检测仪表控制方案选被控参数(控制哪一个参数)选控制参数(操纵变量)测量和变送选调节阀和执行器确定调节规律确定控制方案:借助于实际工程经验以及理论分析和计算。三 . 控制方案的确定19武汉理工大学机电工程学院Wuhan University of Technology过程控制与检测仪表(
13、1) 应选取对产品的质量和产量,安全生产,经济运行有决 定性作用的,可直接测量的工艺参数作为被控参数。(2) 对难以直接测量的被控参数,应选取一个与直接参数有 单值函数关系的间接参数作为被控参数(精馏塔)。(3) 用间接参数作为被控参数时,该参数应对产品质量有足够的控制灵敏度(4) 考虑工艺过程的合理性和选用仪器仪表的性能价格比一般情况下,对于一个已经运行的生产过程, 被控参数是确定的,实际上已无多大选择余地1、系统被控参数的选取20武汉理工大学机电工程学院Wuhan University of Technology过程控制与检测仪表21武汉理工大学机电工程学院Wuhan University
14、 of Technology过程控制与检测仪表根据过程特性对系统控制质量影响的分析,选择操纵变量(1) 选择结果应使静态增益KO应尽可能大一些,时间常数TO 适当小一些,由生产过程,系统技术指标,调节器参数整定范 围,用自控理论分析计算来确定。(2) 纯时延时间O应尽量小, O/TO要小于0.3，此比值过大时 ,不能用简单控制系统。(3) 扰动通道的静态增益Kf要尽可能小,时间常数Tf要尽可能大 ,扰动进入系统的位置应尽可能远离被控参数,靠近执行器,可 抑制扰动对被控参数的动态影响。(4) 错开广义被控过程的时间常数(5) 考虑工艺操作的合理可行性和经济性2 、控制参数(操纵变量)的选择22武
15、汉理工大学机电工程学院Wuhan University of Technology过程控制与检测仪表测量变送的传递函数:Y(S) / X(S) =Km /(TmS+1)exp(-mS)亦即纯延时惯性环节，入出之间存在动态偏差，与仪 表的精度等级无关。 x yxy阶跃响应t mm+Tm0mm+Tm0x y x yt速度信号响应仪表的静态误差:是指稳态时测量值与真实值之间的偏差为了减小动态误差,提高测量精度,应设法减小m和 Tm , 在其他一定的情况下,只能选快速测量仪表3、被控参数的测量及变送问题23武汉理工大学机电工程学院Wuhan University of Technology过程控制与检
16、测仪表有以下几个问题要注意:(1) 正确安装测量仪表(2) 对测量信号进行滤波和线性化(3) 对纯时延要尽可能进行补偿Gm(S)exp(-mS)+G(S)+x(S)y(S)加补偿环节后 x(S)Gm(S)=x(S)Gm(S)exp(-mS)+x(S) G(S)则G(S)= Gm(S)1- exp(-mS)构造G (S)即可24武汉理工大学机电工程学院Wuhan University of Technology过程控制与检测仪表(4)尽可能消除Tm影响选用快速仪表,但受一定的局限,一般在测量变送环节输 出端串接微分环节。Km/(TmS+1)TDS+1x(S)Y(S)y(S)/x(S)=Km(TDS+1)/(TmS+1)若TD=Tm则可消除Tm的影响实际工程中,将此微分环节串于调节器之后,除可消除Tm的 影响外,还可起到加快系统对给定值
