过程控制第4章_简单控制系统的设计

第4章简单控制系统的设计本章要点1）了解简单控制系统的设计任务及开发步骤；2）熟悉被控过程特性对控制质量的影响，掌握被控参数、控制参数的设计原则；3）了解调节规律对控制质量的影响，熟悉调节规律的选择方法；4）掌握调节器作用方式的选择5）熟悉执行器的选择方法及注意的问题；6）掌握调节器参数的整定方法与实验技能，重点掌握调节器参数的整定方法。4.1简单控制系统设计概述简单控制系统是只对一个被控参数进行控制的单回路闭环控制系统。是最基本的过程控制系统。是构成复杂过程控制系统的基础。典型结构框图如下：4.1.1控制系统设计的任务及其开发步骤如上图所示，简单过程控制系统主要由被控过程、过程检测和控制仪表组成过程控制系统设计的主要任务就在于如何确定合理的控制方案、选择正确的参数检测方法与检测仪表以及过程控制仪表的选型和调节器的参数整定等等其中，控制方案的确定、仪表的选型和调节器的参数整定是过程控制系统设计的重要内容。过程控制系统开发的主要步骤叙述如下：1．熟悉控制系统的技术要求或性能指标控制系统的技术要求或性能指标是由用户或被控过程的设计制造单位提出的。是控制方案设计的主要依据之一。2．建立控制系统的数学模型控制系统的数学模型是控制系统理论分析和设计的基础。系统控制方案确定的合理与否在很大程度上取决于系统数学模型的精度。3．确定控制方案系统的控制方案包括系统的构成、控制方式和控制规律的确定，是控制系统设计的关键。控制方案的确定要依据被控过程的特性、技术指标和控制任务的要求，还要考虑方案的简单性、经济性及技术实施的可行性等，并且要进行反复研究与比较，方可确定。4．根据系统的动态和静态特性进行分析与综合在确定了系统控制方案的基础上，根据要求的技术指标和系统的动、静态特性进行分析与综合，以确定各组成环节的有关参数。5．系统仿真与实验研究系统仿真与实验研究是检验系统理论分析与综合正确与否的重要步骤。其中Matlab语言是进行系统仿真的有效工具。6．工程化设计工程化设计的主要内容包括测量方式与测量点的确定、仪器仪表的选型与定购、控制室及仪表盘的设计、仪表供电与供气系统的设计、信号连锁与安全保护系统的设计、电缆的敷设以及保证系统正常运行的有关软件的设计等。7．工程安装工程安装是依据施工图对控制系统的具体实施。8．控制器的参数调整控制器的参数调整是在控制方案设计合理、仪器仪表工作正常、系统安装正确无误的前提下，使系统运行在最佳状态的重要步骤。一个简单控制系统开发设计的全过程如右图所示4.1.2设计中需要注意的有关问题1．认真熟悉过程特性深入了解被控过程的工艺特点及其要求是控制方案确定的基本依据之一。2．明确各生产环节之间的约束关系生产过程是由各个生产环节和工艺设备构成的，各个生产环节和工艺设备之间通常都存在相互制约、相互影响的关系。3．重视对测量信号的预处理在控制系统设计中，测量信号的正确与否直接影响系统的控制质量。尽量减少由不可避免的随即干扰而产生的系统误差4．注意系统的安全保护一个好的过程控制系统首先必须保证安全可靠地运行，尤其当系统处在高危险环境下运行时，应设计多层次、多级别的安全保护系统。总之，控制系统的设计是一件细致而又复杂的工作，对具体的过程控制系统设计者而言，只有通过认真调查研究，熟悉各个生产工艺过程，具体问题具体分析，才能获得预期的效果。4.2控制方案的确定控制方案的确定主要包括系统被控参数的选择、测量信息的获取及变送、控制参数的选择、调节规律的选取、调节阀（执行器）的选择和调节器正、反作用的确定等内容。4.2.1被控参数的选取被控参数的选取对于提高产品质量、安全生产以及生产过程的经济运行等都具有决定性的意义。这里给出被控参数选取的一般性原则：1）对于具体的生产过程，应尽可能选取对产品质量和产量、安全生产、经济运行以及环境保护等具有决定性作用的、可直接测量的参数作为被控参数。2）当难以用直接参数作为被控参数时，应选取与直接参数有单值函数关系的所谓间接参数作为被控参数。3）当采用间接参数时，该参数对产品质量应具有足够高的控制灵敏度，否则难以保证对产品质量的控制效果。4）被控参数的选取还应考虑工艺上的合理性和所用测量仪表的性能、价格、售后服务等因素。对于一个已经运行的生产过程，被控参数往往是由工艺要求事先确定的。4.2.2控制参数的选择4.2.2.1过程特性对控制质量的影响1.干扰通道特性对控制质量的影响对于简单过程控制系统，可求得系统输出与干扰之间的传递函数为)()()()(1)()()(sHsGsGsGsGsFsCpvcf假设)(sGf为一单容过程，其传递函数为1)(sTKsGfff若单容过程具有纯时延时间f则：spvcffesHsGsGsGsGsFsC)()()()(1)()()(则：1)()()()(11)()(sTKsHsGsGsGsFsCffpvc分析干扰通道特性对控制质量的影响如下:(式1)(式2)(式3)fK(1)干扰通道的影响：由式2可知当fK越大，由干扰引起的输出也越大，被控参数偏离给定值就越多。在系统设计时应尽可能选择静态增益fK小的干扰通道，以减小干扰对被控参数的影响。当无法被改变时，应当增强控制作用或采用干扰补偿的方法。fK(2)干扰通道的影响fT由式2可知，)(sGf为惯性环节，对干扰)(sF具有“滤波”作用，fT越大，“滤波”效果越明显，因此干扰通道的时间常数越大，干扰对被控参数的动态影响就越小，因而越有利于系统控制质量的提高。f(3)干扰通道的影响f由式3可知，的存在，仅仅使干扰引起的输出推迟了一段时间f因此，f的存在并不影响系统的控制质量。(4)干扰进入系统位置的影响)(sF假定不是在)(sGP之后，而是在之前进入系统，则有)(sGP11)()()()(11)()(sTKsTKsHsGsGsGsFsCPpffpvc(式4)将式4与式2相比，多了一个滤波项。这表明干扰多经过一次滤波才对被控参数产生动态影响。从动态看，这对提高系统的抗干扰性能是有利的。因此干扰进入系统的位置越远离被控参数，对系统的动态控制质量越有利。但从静态看，这会使干扰引起被控参数偏离给定值的偏差相对增大，这对系统的控制品质又是不利的。因此需要权衡它们的利弊。2.控制通道特性对控制质量的影响0K(1)控制通道的影响在调节器增益cK一定的条件下，当控制通道静态增益0K越大时，则控制作用越强，克服干扰的能力也越强，系统的稳态误差就越小；与此同时，当0K，被控参数对控制作用的反应就越灵敏，响应越迅速。但是，当调节器静态增越大益cK一定0K越大时，系统的开环增益也越大，这对系统的闭环稳定性是不利的。因此，在系统设计时，应综合考虑系统的稳定性、快速性和稳态误差三方面的要求。(2)控制通道0T的影响如果控制通道的时间常数太大，则调节器对被控参数变化的调节作用就不够及时，系统的过渡过程时间就会延长，最终导致控制质量下降；但当太小，则调节过程又过于灵敏，容易引起振荡，同样难以保证控制质量。在系统设计时，应使控制通道的时间常数既不能太大也不能太小。0T0T0T0(3)控制通道的影响控制通道纯滞后时间0产生的原因：一是由信号传输滞后所致；二是由信号的测量变送滞后所致；三是执行器的动作滞后所致。控制通道的纯滞后，都会使系统的动态偏差增大，超调量增加，最终导致控制质量下降。从系统的频率特性分析可知，控制通道纯滞后的存在，会增加开环频率特性的相角滞后，导致系统的稳定性降低。因此，无论如何，应减小控制通道的纯滞后，以利于提高系统的控制质量。(4)控制通道时间常数匹配的影响实际生产过程中，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)1)(1)(1()(32100sTsTsTKsG相应的临界稳定增益KK为3113122332212TTTTTTTTTTTTKK的大小完全取决于KK1T2T3T三个时间常数的相对比值可以证明：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有利的。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，系统开环增益就允许增大得越多，因而对系统的控制质量就越有利。系统传函为：4.2.2.2控制参数的确定简单控制系统控制参数选择的一般性原则如下：1)选择结果应使控制通道的静态增益0K尽可能大，时间常数0T选择适当。2)控制通道的纯时延时间0应尽可能小,0T0和的比值一般应小于0.3。3)干扰通道的静态增益fK应尽可能小；时间常数fT应尽可能大，其个数尽可能多；扰动进入系统的位置应尽可能远离被控参数而靠近调节阀。这样选择对抑制扰动对被控参数的影响均有利。4)当广义被控过程由几个一阶惯性环节串联而成时，应尽量设法使几个时间常数中的最大与最小的比值尽可能大，以便尽可能提高系统的可控性。5)在确定控制参数时，还应考虑工艺操作的合理性、可行性与经济性等因素4.2.3被控参数的测量与变送在控制系统中，测量变送环节的作用是将被控参数转换为统一的标准信号反馈给调节器。该环节的特性可近似表示为smesTKsXsYmm1)()(其中)(sY为测量及变送环节的输出，)(sX为被控参数信号分别为测量及变送环节的静态增益、时间常数和纯时延时间。mKmTm测量及变送环节是一个带有纯时延的惯性环节，因而当mTm不为零时它的输出不能及时地反映被测信号的变化，二者之间必然存在动态偏差。而且这种动态偏差并不会因为检测仪表的精度等级的提高而减小或消除。下图是测量变送环节在阶跃信号作用和速度信号作用时的响应曲线:从图中可以看到只要mTm存在，动态偏差就会必然存在。为了减小测量信号与被控参数之间的动态偏差，应尽可能选择快速测量仪表，并且注意以下几点问题：1)应尽可能做到对测量仪表的正确安装，这是因为安装不当会引起不必要的测量误差，降低仪表的测量精度；2)对测量信号应进行滤波和线性化处理；3)对纯滞后要尽可能进行补偿；4)对时间常数mT的影响要尽可能消除。为了克服其影响，在系统设计时，可以尽量选用快速测量仪表，也可以在测量变送环节的输出端串联微分环节测量变送环节输出端串联微分环节的示意图：输出与输入关系1)1()()(sTsTKsxsymDm若选择DmTT，则在理论上可以完全消除mT的影响。在工程上，常将微分环节置于调节器之后。一方面，这对于克服mT的影响，与串联在测量变送环节之后是等效的；另一方面，还可以加快系统对给定值变化时的动态响应。4.2.4调节规律对调节质量的影响及其选择在工程实际中，应用最为广泛的调节规律为比例、积分和微分调节规律，简称PID。它具有原理简单、使用方便、鲁棒性强、适应性广等许多优点。4.2.4.1调节规律对调节质量的影响1．比例（P）调节规律的影响调节器的输出信号u与输入偏差信号e成比例关系：eKuC其中，u为调节器的输出，e为调节器的输入，CK为比例增益。在电动单元组合仪表中，习惯用比例增益的倒数表示调节器输入与输出之间的比例关系eu1其中，1100%CK，称为比例带当被控对象为惯性特性时，单纯比例调节有如下结论：1)比例调节是一种有差调节，即当调节器采用比例调节规律时，不可避免地会使系统存在稳态误差。这是因为比例调节器是利用偏差实现控制的，它只能使系统输出近似跟踪给定值。2)比例调节系统的稳态误差随比例带的增大而增大，若要减小误差，则要减小比例带，即需要增大调节器的放大倍数CK这样往往会降低系统稳定性其控制效果图如下：3)对于惯性过程，当给定值不变时，采用比例调节，只能使被控参数对给定值实现有差跟踪；当给定值随时间变化时，其跟误差将会随时间的增大而增大。因此，比例调节不适用于给定值随时间变化的系统。4)增大比例调节的增益CK不仅可以减小系统的稳态误差，而且还可以加快系统的响应速度。对下图的比例调节作用于一阶惯性过程进行分析：111)1()()(0000TsKsKKTKKKKsRsCCCC系统传函CCCKKTTKKKKK00001,1这里T与0T相比，减小了0(1)CKK倍，CK越大，减