简单控制系统的设计

第五章简单控制系统的工程设计第五章简单控制系统的工程设计工程设计□5-1过程控制系统的工程设计概述□5-2控制方案的设计□5-3控制系统中设备选型□5-4控制器参数的整定□5-5过程计算机控制系统的设计第五章简单控制系统的工程设计5.1工程设计概述单回路反馈控制系统---又称简单控制系统，是指由一个被控过程、一个检测变送器、一个控制器和一个执行器所组成的．对一个被控变量进行控制的单回路反馈闭环控制系统。单回路反馈控制系统组成方框图：是实现生产过程自动化的基本单元、其结构简单、投资少、易于调整和投运，能满足一般工业生产过程的控制要求、因此在工业生产小应用十分广泛，尤其适用于被控过程的纯滞后和惯性小、负荷和扰动变化比较平缓，或者控制质量要求不太高的场合。第五章简单控制系统的工程设计1.一般要求：根据实际过程特性、扰动情况、限制条件，综合权衡安全性、稳定性、经济性三方面，正确运用控制理论和技术设计性能优良，技术可行，满足工艺合理要求的控制系统。过程控制系统是稳定的，且具有适当的稳定裕度。系统应是一个衰减振荡过程，但过渡过程时间要短，余差要小。2.基本方法：设计方法很多，主要有对数频率特性设计法、根轨迹设计法、系统参数优化的计算机辅助设计等。第五章简单控制系统的工程设计3.系统设计步骤：建立被控过程的数学模型选择控制方案建立系统框图，系统静态、动态特性分析计算设备选型（测量变送、调节器、执行器）实验和仿真设计步骤第五章简单控制系统的工程设计4.设计的主要内容：控制方案的设计：核心，包括合理选择被控参数和控制参数、信息的获取和变送、调节阀的选择、调节器控制规律及正、反作用方式的确定等。工程设计：包括仪表选型、控制室和仪表盘设计、仪表供电供气系统设计、信号及联锁保护系统设计等。工程安装和仪表调校调节器参数工程整定：保证系统运行在最佳状态。第五章简单控制系统的工程设计控制器(LC或TC)执行器（控制阀）被控对象（液位储槽或换热器）测量、变送环节（LT或TT）被控变量（液位或温度）干扰偏差设定值＋－广义对象简单控制系统方块图载热体冷流体换热器温度控制系统常见的两种简单控制系统：第五章简单控制系统的工程设计5.2控制方案设计2.被控参数的选择一般原则为：•对产品的产量和质量、安全生产、经济运行和环境保护具有决定性作用的，可直接测量的工艺参数；•当不能用直接参数作为被控参数时，应该选择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；•必须具有足够大的灵敏度；•必须考虑工艺过程的合理性和所用仪表的性能；•必须具有被控量间的独立性。1.性能指标的合理选择1）阶跃响应性能指标2）偏差积分性能指标：IAE、ITAE、ISE、ITSE3.控制参数的选择当工艺上允许有几种控制参数可供选择时，可根据被控过程扰动通道和控制通道特性，对控制质量的影响作出合理的选择。正确选择控制参数就是正确选择控制通道和扰动通道的问题。①由过程静态特性的分析（扰动通道静态放大倍数Kf、控制通道静态放大倍数Ko）;②过程扰动通道动态特性的分析（时间常数Tf、时延τf、扰动作用点位置）;③过程控制通道动态特性的分析（时间常数To、时延τ（包括纯时延τ0、容量时延τc）、时间常数匹配）确定各参数选择原则。第五章简单控制系统的工程设计原则问题哦控制参数选择的一般原则为：①控制通道放大系数K0要适当大一些，时间常数T0要适当小一些，纯滞后τ0越小越好；②扰动通道放大系数Kf要尽可能小，时间常数Tf要大一些,扰动作用点位置要远离被控量的检测点；③过程本身存在多个时间常数时，应尽量设法使他们越错开越好；④控制量应具有可控性，工艺操作合理性，经济性。1.测量变送问题被控参数的测量和变送必须迅速正确地反映其实际变化情况，为系统设计提供准确的控制依据。测量和变送环节的描述：smmmmesTKsW1)(参数选择原则：减小Tm和τm均对提高系统的控制质量有利。若Tm较大，则会使记录曲线与实际参数之间产生较大的动态误差。从减小测量变送环节误差角度考虑，应减少仪表的量程，即增大Km。第五章简单控制系统的工程设计5.3设备选型第五章简单控制系统的工程设计2.调节阀（执行器）的选择调节阀类型的选择：气动执行器和电动执行器调节阀口径（Dg、dg）大小的选择：主要依据是阀的流通能力。正常工况下要求调节阀开度处于15％～85％之间。调节阀气开、气关形式的选择：主要以安全方面考虑。调节阀流量特性的选择：在直线和对数流量特性间选；系统总的放大倍数尽可能保持不变，通常被控过程的特性是非线性的(一阶以上特性)，而变送器、调节器(若比例作用时)和执行机构的放大系数是常数。因此往往通过选择调节阀的流量特性来补偿被控过程特性的非线性，从而达到系统总放大倍数不变的目的。第五章简单控制系统的工程设计3.调节器控制规律的选择目的：调节器PID控制规律对控制质量的影响：当过程控制通道时间常数较小，而负荷变化很快，引入微分和积分作用均要引起系统振荡，对控制质量的影响不利。为了使调节器的特性与控制过程的特性能很好配合，使所设计的系统能满足生产工艺对控制质量指标的要求。第五章简单控制系统的工程设计当广义过程的时间常数较大，纯时延较小时(即τ0／To很小)，引入微分作用其效果良好。此时各类调节器控制规律对控制质量的影响为：比例积分微分(PID)作用最好，比例微分（PD）作用较好，比例（P）作用次之，比例积分（PI）作用较差。当过程控制通道时延很大，负荷变化也很大时，单回路控制系统已不能满足工艺要求，需采用其他控制方案.第五章简单控制系统的工程设计调节器控制规律的选择原则：（1）根据00T比值选择控制规律（2）根据过程特性选择控制规律2条规律000.2T选P或PI；000.21.0T选PI或PID；001.0T复杂控制；P：较快，克服扰动使系统稳定；有余差。滞后小、负荷变化不大，要求不高。PI:无余差；稳定性降低。滞后小、负荷变化不大，不允许有余差的场合。PD：克服容量滞后，改善动态性能指标。时间常数或容量滞后较大的场合。4.调节器正、反作用的确定调节器作用方向确定的原则：应根据被控过程的特性及调节阀的气开、气关形式来正确选择，以使自动控制系统成为一个负反馈的闭环系统，即如果被控变量偏高，则控制作用应使之降低；相反，如果被控变量偏低，则控制作用应使之升高。控制作用对被控变量的影响应与扰动作用对被控变量的影响相反，才能使被控变量回到设定值。判别式：()()()控制器调节阀对象“-?5.4控制器参数整定通过调整控制器参数，使控制器特性与被控过程特性配合好，获得满意的系统静态与动态特性。1.整定方法：1）理论计算：在已知过程数学模型基础上，依据控制理论计算求取最佳参数。(根轨迹、频特性等)2）工程整定：直接在过程控制系统中进行整定。（实用性强）2.工程整定方法1）动态特性参数法（响应曲线法）：得到阶跃曲线，求出动态特性参数，据此按相应公式计算出整定参数值2）临界比例度法（稳定边界法）：等幅振荡曲线，取参数计算3）阻尼振荡法（衰减曲线法）：4：1的衰减曲线，取参数计算4）现场经验凑试法：先比例、后积分、最后微分的顺序5）极限环自整定法：对于有显著干扰的慢过程要获得稳定边界费时且困难，引入非线性因素使系统出现极限环6）模式识别法：根据实测响应模式与理想响应模式的差别调整参数5.5过程计算机控制系统1.最基本的控制任务：直接数字控制（DDC）直接面向生产过程，采用数字计算机，对被控参数进行控制。2.两种设计方法：模拟化设计（间接）：近似看作模拟系统，用连续系统理论动态分析和设计，再将设计结果转变成数字计算机的控制算法。离散化设计（直接）：变成纯粹的离散系统，用Z变换等工具进行分析设计，直接设计出控制算法。3.离散化方法：1）差分变换法：用差分方程近似微分方程（后向、前向）2）零阶保持器法：离散近似后的数字控制器的阶跃响应序列与模拟调节器阶跃响应的采样值相等，即：4.数字PID控制算法：111()[()]1ccWZZWsZs1()[()]TscceWZZWss1(){()()[()(1)]}kDpjITTukkekejekekTT1）位置式2）增量式3）积分分离式4）抗积分饱和式5）变速积分式6）不完全微分式4.数字PID控制算法：主要内容偏差积分性能控制参数的选择原则控制规律的选择控制器参数整定方法数字PID控制算法