东北电力学院动力工程系毕业设计

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第一节概述调节器和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)e()外扰yVTrVmf(内扰)调节器控制对象广义控制对象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。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。各环节极性规定环节的输入量增加，其输出量也增加，该环节为正特性，其静态放大系数为正。如：测量变送单元，控制对象W0(S)KZKmyVTVmy执行器及阀门配合类型调节器偏差=测量值-给定值，即e(t)=y(t)-r(t)e(t)=r(t)-y(t)控制系统偏差的定义：正作用调节器：当系统的测量值减给定值增加时，调节器的输出也增加。调节器正反作用定义：正作用：e´↑(e↓)→u↑，即KC为正反作用：e´↑(e↓)→u↓，即KC为负设置正反作用的目的：使控制系统构成负反馈系统PID广义被控对象给定值r被调量yeu控制器（调节器）-1e´总结控制系统各环节的极性的规定：正作用调节器：即当系统的测量值增加时，调节器的输出亦增加，其静态放大系数Kc取正；反作用调节器：即当系统的测量值增加时，调节器的输出减小，其静态放大系数Kc取负；气开式调节阀：其静态放大系数Kv取正；气关式调节阀：其静态放大系数Kv取负；正作用被控过程：其静态放大系数K0取正；反作用被控过程：其静态放大系数K0取负。过程控制系统要能正常工作，则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。正反作用的判断方法:PIDryeu-τsKeG(s)=Ts+1-例：过热蒸汽温度控制系统对象K为负，要求其静态放大系数相乘必须为负,则KC为正，控制器为正作用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W0λ（s）W0μ（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τ（n）。控制器为比例控制规律其放大系数为KP控制通道的传递函数干扰通道的传递函数为WT(S)W0(S)reVTy（扰动）W(S)seTsKsW1)(00sesTKsW1)(一、干扰通道的特征参数对控制质量的影响1．放大系数K对控制质量的影响*01TYsWssWsWs∴在单位阶跃扰动下,系统稳态值：*000111limsTPWsKyWsWssKKs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。一、干扰通道的特征参数对控制质量的影响2．时间常数T对控制质量的影响T增加，被调量y对扰动的响应速度变慢，动态偏差减少扰动通道的时间常数越大越好,这样可使系统的动态偏差减小。1()(1)nWsTs若：n增加,使闭环系统的动态偏差减小一、干扰通道的特征参数对控制质量的影响3．迟延时间对控制质量的影响当扰动通道存在迟延τ时,则相当于一阶惯性环节串联了一个迟延环节*01sTWsYsseWsWs()()ytyt扰动通道迟延时间τ的存在仅使被调量在时间轴上平移了一个τ值即过渡过程增加了一个τ时间。并不影响系统的控制质量。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4．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。二、控制通道的特征参数对控制质量的影响（一）放大系数Ko对控制质量的影响控制通道的放大系数Kp·Ko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，被调量的静态偏差减小(给定值输入），控制系统的过渡过程的时间将加长。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（1）n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。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（1）n阶惯性对象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（2）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τ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τ/Tc,比值越大则控制质量越差。对象特性的其它条件不变时,迟延越大,动态偏差、控制过程的时间越大。对象特性的其它条件不变时,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。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（2）有迟延对象对控制质量的影响迟延时间τ一定Tc1=25Tc2=110Tc2=150第三节单回路控制系统的分析一、采用P调节器的系统WT(S)W0(S)reVTy（扰动）W(S)*利用频率法分析系统稳定性*分析系统静态偏差结论：Kp↑,δ↓,稳定性下降，静态偏差↓，动态偏差↓P调节器适合于干扰较小，对象滞后、时间常数较小，调节精度不高的场合二、采用I调节器的系统KI/SK/(TS+1)reVTy（扰动）-K/(TS+1)结论：*KI越大(Ti越小),积分调节作用越强,会使调节过程加剧振荡,稳定性降低,但被调量的动态偏差有所减小。*控制过程结束之后无静态偏差。*调节器一般只用在时间常数小而自平衡率很大的单容对象上。三、采用PI调节器的系统引入积分作用消除了静态偏差，但降低了系统的稳定性；为了保持控制系统原来的衰减率必须适当加大比例带以补偿积分作用带来的稳定性的下降，所以PI控制系统是以控制系统动态品质的下降来换取稳态性能的提高。WTK/(TS+1)reVTy（扰动）-K/(TS+1)四、采用PD调节器的系统存在静态偏差，静态偏差的大小与调节器的比例带有关；由于微分作用的加入提高了PD控制系统的稳定性，为了达到和P控制系统相同的衰减率，可以适当地减小比例带（），这样使PD控制系统的静态偏差减小，这是微分作用引入后产生的间接效果。总结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说明整定参数δ↑δ↑Ti↑δ↑Ti↑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↑动态偏差↑↑略有↑↑略有↑↓振荡频率↓↓略有↓↓略有↓↑复原速度——↓—↓—稳态偏差(负荷扰动时)↑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.第四节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(δ、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衰减曲线法一、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:*0()()()kTWsWsWs*0()()()1kTWmjWmjWmj*001()()()TWmjWmjWmj(,)()(,)(,)(,)TjmTTTTWmjRmjImAme0(,)0000()(,)(,)(,)jmWmjRmjImAme∴广义特征方程：m为衰减指数说明：（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100500055122200()(1)[(1)()]TjtgmTWmjmTjTmTTe(一)单参数调节器整定5001()(1)WsTs(其中To值已知)1()TWs,以系统瞬态响应的衰减率ψ=0.75为整定指标,求调节器参数δ的数值。解：5001()(1)WsTs[例4-1]对象的传递函数Wo(s)为调节器的传递函数为0012520201511mTTtgTmT])()[(000.72715TtgmT得ψ=0.75时,m=0.221,把m值代入上式,得：Toω=0.62652221[(10.2210.626)(0.626)]1.37注：系统在不同衰减率时的计算结果指定衰减率ψ00.750.90.998与ψ值相应的m00.2210.3661Toω0.7270.6260.5740.42振荡周期T/To8.641010.915Kp2.891.370.8880.188δ0.3460.731.135.31一、广义频率特性法(二)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，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()[](1)(1)IITpKmKWmjKjmm()ITpKWmjKmj2'0''00(1)(,)(,)(,)IpKmImKmImRm(二)双参数调节器的整定'0'''000(,)'0'''000()(,)(,)(,)(,)[cos(,)sin(,)]jmWmjRmjImAmeAmmjm或者由：2''00'''000(1)(,)sin(,)(,)[sin(,)cos(,)]IpKmAmmKAmmmm可得：(二)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2.调节器为比例微分作用调节器的广义频率特性为:()()()TPdPddWmjKKmjKKmjK''00'''0001(,)sin(,)(,)[sin(,)cos(,)]dpKAmmKAmmmm给定m值,就可在调节参数Kd～Kp平面上画出以ω为参变量的等衰减率曲线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,在等衰减率曲线上以KP数值最大的点作为调节器的整定参数(三)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