热工控制系统-第四章

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1、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 概述调节器调节器和控制对象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)广义调节器广义调节器调节器调节器控制对象控制对象广义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。正作用调节器正作用调节器：当系统的测量值减给定值增加时，调节器的输：当系统的测量值减给定值

2、增加时，调节器的输 出也增加出也增加。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W0（s） W0（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（n） 。4第二节 对象特性对控制质量的影响 WT(S)W

3、*0(S)VTVm（扰动）控制器为比例控制规律其放大系数为控制器为比例控制规律其放大系数为K KP P干扰通道和控制通道的放大系数为干扰通道和控制通道的放大系数为K K 、K K0 0干扰通道和扰动通道的时间常数为干扰通道和扰动通道的时间常数为T T 、T T5一、干扰通道的特征参数对控制质量的影响一、干扰通道的特征参数对控制质量的影响1 1放大系数放大系数KK 对控制质量的影响对控制质量的影响 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。6一、干扰通道的特征参数对控制质量的影响一、干扰通道的特征参数对控制质量的影响2 2时

4、间常数时间常数T T 对控制质量的影响对控制质量的影响设K=1,且扰动通道为一阶惯性环节 扰动通道的时间常数越大越好,这样可使系统的稳定性裕度提高，动态偏差减小。n增加,使闭环系统的动态偏差减小7一、干扰通道的特征参数对控制质量的影响一、干扰通道的特征参数对控制质量的影响3 3迟延时间对控制质量的影响迟延时间对控制质量的影响当扰动通道存在迟延时,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的存在仅使被调量在时间轴上平移了 一个值即过渡过程增加了一个时间。并不影响系统的控制质量。8一、干扰通道的特征参数对控制质量的影响一、干扰通道的特征参数对控制质量的影响9一、干扰通道的特征参数对控制

5、质量的影响一、干扰通道的特征参数对控制质量的影响4 4多个扰动对控制质量的影响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。10二、控制通道的特征参数对控制质量的影响二、控制通道的特征参数对控制质量的影响（一）放大系数（一）放大系数KKo o对控制质量的影响对控制质量的影响控制通道的放大系数KPKo 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 动、静态偏差增大，控制系统的过渡过程的时间将加长 。 11二、控制通道的特征参数对控制质量的影响二、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

6、响（二）时间常数、迟延时间对控制质量的影响（1 1）n n阶惯性对象对控制质量的影响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。12二、控制通道的特征参数对控制质量的影响二、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（二）时间常数、迟延时间对控制质量的影响（1 1）n n阶惯性对象对控制质量的影响阶惯性对

7、象对控制质量的影响13二、控制通道的特征参数对控制质量的影响二、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（二）时间常数、迟延时间对控制质量的影响（2 2）有迟延对象对控制质量的影响）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/Tc ,比值越大则控制质量越差。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。14二、控制通道的特征参数对控制质量的影响二、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

8、制质量的影响（二）时间常数、迟延时间对控制质量的影响（2 2）有迟延对象对控制质量的影响）有迟延对象对控制质量的影响15第三节 单回路控制系统的分析 主要分析调节器参数比例带、积分时间Ti、微分时间Td对控制过程的影响控制器类型 PPIPID 说说明整定参数 TiTi 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 略有动态动态 偏差略有略有振荡频荡频 率 略有略有复原速度稳态稳态 偏差 (负负荷扰动时扰动时 )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.16第四节第四节 单回路控制

9、系统的整定单回路控制系统的整定 控制系统的整定是指在控制系统的结构已经确定、控制仪表与 控制对象等都处在正常状态的情况下,适当选择调节器的参数(、Ti 、Td) 使控制仪表的特性和控制对象的特性配合,从而使控制系统的 运行达到最佳状态,取得最好的控制效果 。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 临界曲线法临界曲线法 衰减曲线法衰减曲线法 17一、广义频率特性法一、广义频率特性法广义频率特性法是通过改变系统的整定参数,使控制系统的开 环频率特性变成具有规定相对稳定性裕度的衰减频率特性,从而使 闭环系统响应满足规定衰减率的一种参数整定方法。 开环传递函数为:

10、广义特征方程：mm为衰减指数为衰减指数18说明：（1）如果调节器只有一个整定参数,就可求得唯一解。（2）如果调节器有两个或三个整定参数, 能得出无穷多组解。所求出的各组调节器整定参数值使系统瞬态响应中的主导振荡成分的衰减率等于指定的数值,但振荡频率(和振幅)并不一样。此时,应该用其他指标进一步从中选定最合适的调节器整定参数值。一般情况下,为保证主导振荡成分具有规定的衰减率,应选择其中频率最低的一组解 。一、广义频率特性法一、广义频率特性法19一、广义频率特性法一、广义频率特性法(一) 单参数调节器整定(其中 To 值已知 ),以系统瞬态响应的衰减率=0.75为整定指标,求调节器参数的数值。 解

11、：例4-1对象的传递函数Wo(s)为调节器的传递函数为20=0.75 时,m=0.221,把m值代入上式,得：To =0.626注：系统在不同衰减率时的计算结果注：系统在不同衰减率时的计算结果指定衰减率00.750.90.998 与值值相应应的m00.2210.3661 To0.7270.6260.5740.42 振荡荡周期T/To8.641010.915 Kp2.891.370.8880.1880.3460.731.135.3121一、广义频率特性法一、广义频率特性法( ( 二二 ) ) 双参数调节器的整定双参数调节器的整定对于具有一个以上整定参数的调节器 ，只规定m值，其解是不确定的。为此

12、，应采用其他性能指标，从中选择最佳一组整定参数。1. 调节器为比例积分作用比例积分调节器的广义频率特性为：22( ( 二二 ) ) 双参数调节器的整定双参数调节器的整定或者由：可得：23( ( 二二 ) ) 双参数调节器的整定双参数调节器的整定通常选取KpKI为 最大这组参数作为最住参数 242. 调节器为比例微分作用 调节器的广义频率特性为:给定m值,就可在 调节参数Kd Kp平面 上画出以为参变量的等衰减率曲线:252. 调节器为比例微分作用通常可选取等衰减 率曲线最高点的参数作为最佳参数为了在保证系统瞬 态响应的衰减率一定的 前提下尽量减小稳态偏 差,应选择尽可能大的 KP值。因此,在等

13、衰减 率曲线上以KP 数值最 大的点作为调节器的整定参数26( ( 三三 ) ) 三参数调节器的整定三参数调节器的整定(1) 写出比例积分微分调节器的广义频率特性；(2) 根据广义频率特性求得KI、Kp的表达式。(3) 设定一系列Kd 值。在每一个Kd值上,计算KI、Kp 等衰减率曲线;(4) 对于每一个Kd 值,在KI、Kp等衰减率曲线上选出一组最适当的KI、Kp值;(5) 对于上述选出的各组KI、Kp 、Kd 值,分别作出控制系统阶跃响应曲线 ,以其绝对值积分准则 最小的一组KI、Kp 、Kd 值作为调节器的整定参数。 27二、二、工程整定法工程整定法 广义频率特性整定调节器参数是以对象的

14、传递函数为基础，计算工作量很大，计算的结果还需通过现场试验加以修正，所以在工程上采用的不多。工程实际中，常采用工程整定法，它们是在理论基础上通过实践总结出来的 。28二、二、工程整定法工程整定法 1. 1. 响应曲线法响应曲线法响应曲线法是根据控制对象的飞升特性实验曲线求取对象的动 态特性参数，然后根据一些经验公式，就可以得到调节器的有关整 定参数。 响应曲线法整定参数计算表 (=0.75) 控制作用调节器传递函数比例带 TiTdPWT(s)=1/ PIWT(s)=1/(1+1/TiS)1.13.3PDWT(s)=1/(1+TdS)0.8Td=(0.25 0.3) PIDWT(s)=1/(1+

15、1/TiS+TdS) 0.8320.5291. 1. 响应曲线法响应曲线法响应曲线法整定参数计算表 (=0.75)对象参数 整定参数/ TC0.20.2/ TC1.5控制作用TiTdTiTdP/ TC2.6(/ TC 0.08)/ (/ TC +0.7)PI1.1/ TC3.32.6(/ TC 0.08)/ (/ TC +0.6)0.8TCPID0.85/ TC20.52.6(/ TC 0.08)/ (/ TC +0.6)0.81TC+ 0.190.25301. 1. 响应曲线法响应曲线法说明：（1）该表适用于典型的多容热工控制对象； （2）两表均只适用于=0.75 的控制系统,若要求更高的衰减率,则 需对公式进行修正； （3）利用响应曲线法整定调节器参数必须作对象的阶跃响应曲线, 但试验所得到的阶跃响应曲线准确性不高,甚至有时不允许作阶跃 扰动试验 。312. 2. 临界曲线法临界曲线法（稳定边界法）（稳定边界法）32