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1、过程控制与自动化仪表过程控制与自动化仪表 主讲教师：赵 跃西安理工大学自动化与信息工程学院西安理工大学自动化与信息工程学院信息与控制工程系信息与控制工程系第五章第五章 简单控制系统设计简单控制系统设计 一一 单回路控制系统设计单回路控制系统设计 二二 PID调节参数的工程整定调节参数的工程整定单回路调节系统典型结构单回路控制系统设计单回路控制系统设计单回路控制系统的概念单回路控制系统的概念 单回路调节系统一般指对一个被控制对象使用一个调节器来保持一个参数恒定。调节器只接受一个测量信号，输出只控制一个执行器简单控制系统的设计简单控制系统的设计控制系统的设计步骤控制系统的设计步骤（2）了解工艺过程
2、，建立过程的数学模型。（1）熟悉系统的技术要求或性能指标，如：超调量，稳定误差，调节时间，上升时间，衰减比等。（3）依据过程的数学模型，确定控制方案。即确定被控参数及其测量和变送的方法；确定操作变量和相关的执行器（控制方法）。（4）依据调节规律和系统的动、静态特性进行理论分析和综合（5）系统仿真与试验研究。简单控制系统的设计简单控制系统的设计控制系统的设计步骤控制系统的设计步骤（7）工程安装。（6）工程设计。（8）控制器的参数整定。高位槽干燥器鼓风机蒸汽阀1过滤器风管换热器阀2阀3AB 1 .生产工艺简介生产工艺简介2 .被控参数选择被控参数选择3 .控制参数选择控制参数选择4 .仪表选择与整
3、定仪表选择与整定5 .控制仪表连接图控制仪表连接图喷雾干燥过程控制系统设计喷雾干燥过程控制系统设计被控参数选择被控参数选择系统被控参数选取的一般原则 (a)应选取对产品的产量，质量，安全生产，经济运行，环境保护有决定性作用，又可直接进行测量的工艺参数作为被控参数（直接参数）；(b) 选取与上述直接参数有单值对应关系的间接参数作为被控参数； (c) 间接参数对产品质量应有足够的灵敏性；(d) 应考虑工艺的合理性及仪表的性能价格比等；被控参数一般要与工艺工程师共同确定。被控参数选择被控参数选择：间接参数（温度）与直接参数水分含量一一对应。高位槽干燥器鼓风机蒸汽阀1过滤器风管换热器阀2阀3AB控制参
4、数的选择控制参数的选择扰动分析：扰动分析：1、乳液温度和流量波动，干扰f1(t)。2、旁路冷风流量，干扰f2(t)。3、蒸汽压力、温度变化，干扰f3(t)。过程特性对控制质量的影响过程特性对控制质量的影响一、干扰通道特性对控制质量的影响一、干扰通道特性对控制质量的影响 系统输出与干扰之间的传递函数为：系统输出与干扰之间的传递函数为：干扰通道的影响干扰通道的影响1）Kf 越大，由F(S)引起的C(S)则越大，即C(S)偏离期望值越大；所以希望Kf 值越小越好。结论：结论：2）Tf 越大，惯性越强，对干扰的“滤波”效果越明显，干扰对输出的动态影响越小，所以希望Tf 越大越好。3）f 的存在于否，不
5、影响系统的控制质量，所以应尽可能将纯滞后时间长的环节置于干扰通道。干扰通道的影响干扰通道的影响干扰进入位置对控制质量的影响 系统输出与干扰之间的传递函数为：干扰通道的影响干扰通道的影响结论：结论：4）当干扰进入系统的位置提前，即干扰在GP(S)之前进入系统时,与前面相比又多了一个“滤波”项。所以干扰进入系统的位置越远离被控参数越好。控制通道特性对控制质量的影响与干扰通道正好相反!过程特性对控制质量的影响过程特性对控制质量的影响二、控制通道特性对控制质量的影响二、控制通道特性对控制质量的影响 系统输出与输入之间的传递函数为：系统输出与输入之间的传递函数为：控制参数的选择控制参数的选择控制参数选择
6、的一般原则(a) Kp越大越好 ， Tp适当小一些 ；(b) p越小越好 ， p / Tp 0.3 (c) 尽可能将广义对象的时间常数错开，即 T max / Tmin 越大越好。 (d) 考虑工艺操作的合理性，经济性等因素。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 的大小完全取决于 三个时间常数的相对比值 可以证明：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。有利的。 也就是说：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
7、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。就允许增大得越多，因而对系统的控制质量就越有利。控制通道控制通道的的时间常数匹配时间常数匹配高位槽干燥器鼓风机蒸汽阀1过滤器风管换热器阀2阀3AB控制参数的选择控制参数的选择扰动分析：扰动分析：f1(t)、f2(t)、f3(t)。对象特性：对象特性：1、换热器为双容对象，T1=T2=100s。2、风管到干燥器的纯延迟时间3s 。控制参数选择方案一控制参数选择方案一以以乳液流量乳液流量为控制参数（操作量）时的系统框图为控制参数（操作量）时的系统框图控制参数选择方案一控制参数选择方案一混合过
8、程换热器调节器风管风管调节阀干燥器干燥器干燥器测量变送以乳液流量为控制参数时控制系统框图 这个控制方案的性能是最优的！这个控制方案的性能是最优的！ 然而乳液流量是控制系统的生产负荷，由整个系统的期望产量确定。生产负荷通常不能作为控制参数！生产负荷通常不能作为控制参数！控制参数选择方案二控制参数选择方案二以以冷风流量冷风流量为控制参数（操作量）时的系统框图为控制参数（操作量）时的系统框图 控制回路增加了一个纯滞后环节调节性能下降，但是该方案避免了工艺的不合理。 由于系统的纯滞后时间小，对系统性能影响不大。因此方案二是可行的方法！控制参数选择方案二控制参数选择方案二混合过程换热器调节器风管风管调节
9、阀干燥器干燥器干燥器测量变送控制参数选择方案三控制参数选择方案三以以加热蒸汽流量加热蒸汽流量为控制参数（操作量）时的系统框图为控制参数（操作量）时的系统框图高位槽干燥器鼓风机蒸汽阀1过滤器风管换热器阀2阀3AB控制参数的选择控制参数的选择扰动分析：扰动分析：f1(t)、f2(t)、f3(t)。对象特性：对象特性：1、换热器为双容对象，T1=T2=100s。2、风管到干燥器的纯延迟时间3s 。 这个控制方案的性能是最差的。这个控制方案的性能是最差的。 根据以上分析方案二的根据以上分析方案二的控制参数选择控制参数选择最合适！最合适！控制参数选择方案三控制参数选择方案三混合过程换热器调节器风管风管调
10、节阀干燥器干燥器干燥器测量变送控制仪表的选择控制仪表的选择(1) 仪表的选型电动单元组合仪表(DDZ)(3) 调节阀选型：选气动调节阀，且事故时要求不要超温！(2) 测温元件与变送器： 热电阻温度计，三线制接法配温度变送器。(4)调节器: PI或PID。气关形式，流量特性选择？控制仪表的选择控制仪表的选择调节器的正反作用的确定调节器的正反作用的确定: 当调节器置于正作用时随测量信号的增加调节器的输出也增加。P157 调节器的正/反作用是指测量值与输出值之间，不是偏差和输出之间!混合过程换热器调节器风管风管调节阀干燥器干燥器干燥器测量变送控制仪表的选择控制仪表的选择已知: 有的调节器直接提供加热
11、控制和制冷控制两种设定 因此当正作用时KC0高位槽干燥器鼓风机蒸汽阀1过滤器风管换热器阀2阀3 本控制方案有无问题？ 本控制方案的能源利用效率不高大量热能被浪费！不环保也不经济。控制系统连接图控制系统连接图 左图为方案三的连接图，此方案时间常数大导致调节不及时的缺点能否消除？高位槽干燥器鼓风机蒸汽阀1过滤器风管换热器阀2阀3 由于系统的干扰主要来自乳液流量的波动，可以控制系统负荷均匀变化减少对系统的冲击。控制方案探讨高位槽干燥器鼓风机蒸汽阀1过滤器风管换热器阀2阀3 增加蒸汽流量控制系统可节省能源！ 但增加蒸汽流量控制系统后使系统成为一个MIMO的复杂控制系统，我们随后介绍其控制方法！控制方案
12、探讨5.3.1 5.3.1 调节器参数整定的理论基础调节器参数整定的理论基础 1. 控制系统的稳定性与衰减指数控制系统的稳定性与衰减指数 简单控制系统，在干扰简单控制系统，在干扰 作用下，闭环控制系统的传递函数为作用下，闭环控制系统的传递函数为 其中其中为系统的开环传递函数。为系统的开环传递函数。 闭环系统的特征方程为闭环系统的特征方程为 一般形式为一般形式为 各系数各系数由广义对象的特性和调节器的整定参数所确定。由广义对象的特性和调节器的整定参数所确定。 调节器参数整定的实质就是调节器参数整定的实质就是选择合适的调节器参数，使其闭环控制系统的特征选择合适的调节器参数，使其闭环控制系统的特征方
13、程的每一个根都能满足稳定性的要求方程的每一个根都能满足稳定性的要求。 PID控制器参数的工程整定控制器参数的工程整定具体分析如下具体分析如下 ：如果特征方程有一个实根如果特征方程有一个实根( )，其通解，其通解 为非周期变化过程。为非周期变化过程。如果特征方程有一对共轭复根如果特征方程有一对共轭复根( )，则通解，则通解 为振荡过程，当为振荡过程，当时时, 呈发散振荡呈发散振荡,系统不稳定；系统不稳定；调节器参数整定的理论基础调节器参数整定的理论基础 时时,呈等幅振荡。呈等幅振荡。 当由衰减率定义可知由衰减率定义可知其中衰减指数为其中衰减指数为与与之比之比 衰减指数与衰减率的关系如下表衰减指数
14、与衰减率的关系如下表00.1500.3000.4500.6000.7500.9000.95000.0260.0570.0950.1450.2210.3660.478调节器参数整定的理论基础调节器参数整定的理论基础 控制系统在不同调节作用下的典型响应如下：控制系统在不同调节作用下的典型响应如下： 可以看到，可以看到，如果不加控制，如果不加控制，过程将缓慢地到达一个新的过程将缓慢地到达一个新的稳态值；当采用比例控制后，稳态值；当采用比例控制后，则加快了过程的响应，并减则加快了过程的响应，并减小了稳态误差；当加入积分小了稳态误差；当加入积分控制作用后，则消除了稳态控制作用后，则消除了稳态误差，但却容
15、易使过程产生误差，但却容易使过程产生振荡；在增加微分作用以后振荡；在增加微分作用以后则可以减小振荡的程度和响则可以减小振荡的程度和响应时间。应时间。 虽然虽然PID调节器的调节效果比较理想，但是调节器的调节效果比较理想，但是PID调节器要整定调节器要整定三个参数才能使系统整定得最佳。三个参数才能使系统整定得最佳。调节器参数整定的理论基础调节器参数整定的理论基础 PID控制器参数的工程整定控制器参数的工程整定 调节器的参数整定调节器的参数整定是指确定调节器的比例带 、积分时间常数 和微分时间常数 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与过程的参数相匹配， 以改善系统的动态和静态性能
16、指标取得最佳最佳的控制效果。 1940年以前PID控制器的参数整定没有有效的方法。Taylor仪表公司的John Ziegler和Nathanier Nichols致力于PID调节器的参数整定方法研究。他们于1941年找到了相对直接的整定PID参数的方法。 这就是著名的Ziegler-Nichols法法PID控制器参数的工程整定控制器参数的工程整定典型最佳调节过程典型最佳调节过程 生产过程中的控制系统多为恒值调节系统，评定控制系统性能的常用指标有稳态误差、最大超调或超调率、衰减率和过渡过程时间等。 在过程控制系统中更多的采用衰减率 来表示调节系统的稳定度。工程上通常将 的调节过程当作的调节过程
17、当作“典型最佳调节过程典型最佳调节过程”临界比例度法一临界比例度法（一临界比例度法（Ziegler-Nichols 稳定边界法稳定边界法）步骤：步骤： 1、将PID控制器中的积分与微分作用切除，取比例带为较大值，将系统投入自动运行。 2、将比例带由大到小变化，对应某一比例带值作小幅度的设定值阶跃响应，直至产生等幅震荡。 3、记录产生等幅震荡时的调节器比例带和等幅震荡周期，根据选择的调节规律查表选择PID调节器参数。整定实例：整定实例：临界比例度法临界比例度法缺陷：缺陷： 1、有些工业过程不允许系统长时间处于等幅震荡。 2、有些系统根本就不能产生等幅震荡。1 1、属于频域方法。、属于频域方法。2
18、 2、有一定局限性、有一定局限性衰减曲线法二衰减曲线法二衰减曲线法 在纯比例的条件下施加一阶跃扰动并减小比例带,使系统出现上图所示的衰减曲线记录下此时的比例带和震荡周期或峰值时间，由以上两个参数查表确定PID参数。PID控制器参数的工程整定控制器参数的工程整定三三Ziegler-Nichols反映曲线法反映曲线法反应曲线法反应曲线法有自衡特性有自衡特性实例：齐格勒尼科尔斯法齐格勒尼科尔斯表反应曲线法反应曲线法无自衡特性无自衡特性三种工程整定方法的比较三种工程整定方法的比较1.共同点共同点:通过试验然后按工程整定经验公式计算而得通过试验然后按工程整定经验公式计算而得2.不同点： 1)反应曲线法:
19、开环试验，理论性强，典型模型，适用范围广。2)临界比例度法与衰减曲线法：闭环试验，无需模型，但应用受限，实验数据难以准确，变化较快的过程不适用。3)对于减少干扰对试验信息的影响，后两者优于前者，闭环试验对干扰有较好的抑制作用。PID控制器参数的自动整定控制器参数的自动整定一极限环法一极限环法 采用极限环法整定采用极限环法整定PIDPID参数的参数的PIDPID控制器都可以工作于调节器控制器都可以工作于调节器与继电器两种模式，当需要对与继电器两种模式，当需要对PIDPID参数进行整定时可使控制系统参数进行整定时可使控制系统切换到继电器调节模式（两位式调节器）。在这种模式下可以测切换到继电器调节模
20、式（两位式调节器）。在这种模式下可以测定系统的临界频率与临界增益，然后采用稳定边界法整定调节器定系统的临界频率与临界增益，然后采用稳定边界法整定调节器的的PIDPID参数参数改进型临界比例度法是改进型临界比例度法是用具有继电特性的非线性环节代替比例调节器，使用具有继电特性的非线性环节代替比例调节器，使闭环系统自动稳定在等幅振荡状态，其振荡幅度还可由继电特性的特征值闭环系统自动稳定在等幅振荡状态，其振荡幅度还可由继电特性的特征值进行调节进行调节，以便减小对生产过程的影响，从而达到实用化要求。，以便减小对生产过程的影响，从而达到实用化要求。 改进临界比例度法整定改进临界比例度法整定PID参数时的系
21、统框图参数时的系统框图 非线性环节非线性环节N用描述函数用描述函数表示为表示为:输出的一次谐波幅值输出的一次谐波幅值;输入正弦波的幅值输入正弦波的幅值;输出的一次谐波相位。输出的一次谐波相位。极限环极限环(改进临界比例度改进临界比例度)法法非线性环节非线性环节N用描述函数表示为用描述函数表示为输出的一次谐波幅值输出的一次谐波幅值;输入正弦波的幅值输入正弦波的幅值;输出的一次谐波相位。输出的一次谐波相位。极限环极限环(改进临界比例度改进临界比例度)法法 N的理想继电特性如左图，的理想继电特性如左图，其描述函数可由右图求出其描述函数可由右图求出 对输出对输出 进行傅氏三角级数展开，进行傅氏三角级数
22、展开， 设其一次谐波分量为：设其一次谐波分量为：其描述函数为：其描述函数为：其描述函数为：其描述函数为：由控制理论可知，整定状态的闭环系统产生等幅振荡的条件为：由控制理论可知，整定状态的闭环系统产生等幅振荡的条件为： 因此因此当当X从从 时，时，是在幅频特性平面上沿负实轴的一条轨线，是在幅频特性平面上沿负实轴的一条轨线， 和和 的交点即为临界振荡点，此时的临界放大系数为的交点即为临界振荡点，此时的临界放大系数为:改进临界比例度法改进临界比例度法 只要测出上图中偏差只要测出上图中偏差e的振幅的振幅X,即可得到即可得到临界放大倍数临界放大倍数 测取测取e的振荡周期的振荡周期即可得到临界振荡周期即可得到临界振荡周期改进临界比例度法改进临界比例度法 根据震荡周期根据震荡周期 和临界放大倍数和临界放大倍数 按照临界比例度按照临界比例度法即可设定系统的法即可设定系统的PIDPID控制参数。控制参数。极限环法 继电器非线性的描述函数为 只要满足 就可以出现极限环，此时 可以通过测量两个相 邻的过零时间求出。在线的系统辩识法 采用此方法整定PID参数还可以克服被控对象的时变和非线性甚至可以实现智能PID的算法。二系统辨识法二系统辨识法
