热工测量及自动调节10第十章-自动控制系统

十、自动控制系统第一节单回路控制系统控制系统按结构形式可分为单回路控制系统与多回路控制系统。单回路控制系统由传感器(或变送器)，调节器、执行器及被控对象组成的单一反馈回路的控制系统。结构简单，投资少，易于调整、投运，又能满足一般过程控制的要求，应用十分广泛。适用于被控对象纯滞后和惯性较小、负荷和干扰变化比较平缓、或者对被控量要求不太高的场合。对于控制系统来说，控制方案的设汁和调节器参数的整定是两个重要方面。如果控制方案设计不正确，仅凭调节器参数的整定，是不可能获得较好的控制质量；若控制方案设计很好，但是在运行中调节器参数整定不合适，也不能使系统运行在最佳状态。被控参数的选取根据工艺要求选择被控参数是控制系统设计的重要内容，它对于保证工艺要求、安全生产和经济运行都有重要意义。选择对产品产量和质量、安全生产、经济运行和环境保护等具有决定作用的、可直接测量的工艺参数作为被控参数。当不能用直接参数为被控参数时，应选择与直接参数有单值函数关系的间接参数作为被控参数。被控参数必须具有足够大的灵敏度。被控参数的选取，必须考虑工艺过程的合理性和所采用的测量仪表的性能。操作量的选取当生产工艺上有几种操作量可供选择时，应分析对象干扰通道与控制通道特性对控制质量的影响，然后作出合理选择。对象静特性对控制质量的影响对象静态特性对控制质量的影响是指对象控制通道或干扰通道的静态放大系数对控制质量的影响。在系统设计时，选择控制通道的静态放大系数愈大，系统克服干扰的能力就愈强；选择干扰通道的静态放大系数愈小，干扰对被控参数的影响愈弱。对象动态特性对控制质量的影响干扰通道时间常数愈大，干扰对被控量影响缓慢，有利于降低动态偏差；干扰通道的滞后，不影响控制品质；干扰作用点离开被控参数愈远，则干扰对被控参数的影响愈小。控制通道的滞后愈大，最大偏差也愈大。一般说来，控制通道时间常数愈大，反应速度愈慢，过程愈平稳，过渡响应的时间愈长。选择控制参数的一般原则根据对象特性，选择控制参数的一般原则为：控制通道的静态放大系数适当大，时间常数适当小，纯滞后时间则愈小愈好。选择干扰通道的静态放大系数尽可能小，时间常数愈大，干扰进入系统的位置离被控参数愈远，控制质量愈高。当广义对象的控制通道由数个一阶惯性环节组成时，为了提高系统的品质指标，应尽量使各环节时间常数错开。应注意工艺上应是允许的控制变量。控制规律的选择选择原则选择调节规律的目的，是使调节器与被调对象能很好的配合，使构成的调节系统满足调节品质的要求。选择调节器的调节规律时，主要根据广义对象(包括加热、加湿等装置)特性、负荷变化状况(大小、速度)、主要干扰和对调节品质的要求等方面，按不同情况作具体分析；同时应考虑控制系统的经济性、投入运行方便和维护工作量小等因素。线性控制规律的选择比例调节(P)比例积分调节(PI)比例微分调节(PD)比例积分微分调节(PID)控制系统的调整优良的控制系统应具有足够的稳定性和精度，并能快速动作。为了改善系统的特性，将一个不佳的控制系统变成优良的控制系统，需要对系统进行整定。对已建成的控制系统能进行调整的参数有调节器的有关参数，如比例带、积分时间、微分时间等。控制系统的调整控制统系的特性控制系统的稳定性和快速性对控制系统而言是本质上相反的两种特性。控制系统的动态品质中的稳定性与系统的静态品质(静差)也是本质上相反的两种特性。调节器参数的工程整定在完成系统的调试和投运之后，必须进行调节器参数的整定工作。所谓调节器参数英定，就是恰当选择调节器的参数值，如比例带，积分时间和微分时间，以获得符合工艺要求的调节过程。系统的调试是进行调节器参数整定的前提，而调节器工程整定又是提高调节品质的重要手段。经验试凑法将TI设成最大，TD放在最小，从大到小改变比例带，直至得到较好的调节过程曲线。将上述比例带放大到1.2倍，从大到小改变积分时间，以求得较好的调节过程曲线。积分时间TI保持不变，改变(增大或减小)比例带，观察控制过程曲线是否改善，则继续调整比例带；若没有改善，则将原定的比例带减小一些，再变更积分时间，以改善调节过程曲线。如此多次反复，直至找到合适的比例带和积分时间。初步整定比例带和TI值之后，引入微分时间TD，引入微分后可适当减小比例带和积分时间，设置微分时间为积分时间的1/6～1/4。观察调竹过积曲线是否理想，还可适当调整比例带、TI和TD。临界比例法当调节系统在纯比例调节作用下，开始作周期性的等幅振荡时，称调节系统处于“临界振荡”状态。此时调节器的比例带称“临界比例带”以δK表示，此时的振荡周期为临界周期，以TPK表示。将TI最大，微分时间最小，δ取最大；逐步减小δ，直至被调量的记录曲线出现等幅振荡为止，这时得到临界比例带δK和临界周期TPK。根据δK和TPK值，可计算求得调节器各参数值δ、TI和TD。在调节器上，取稍大于求得的比例带值，再依次调整所需的积分和微分时间，最后把比例带放在上述计算值上，若被调量记录曲线不符合要求，再适当调整调节器的参数。临界比例带法整定简单方便，容易掌捐和判断。但是，若生产过程不允许反复振荡时．就不能应用此法。临界比例法响应曲线法响应曲线法是一种简单的工程整定法，它是根据对象阶跃反应曲线进行的，不需要反复试凑，整定时间短，尤其适用于对象特性已经掌握的情况。对于相当数量的调节系统，共广义对象的阶跃反应曲线通常可近似看成带有纯滞后的一阶惯性环节，通过实验测得反应曲线，并求出滞后时间τ，放大系数K和时间常数T。再按公式计算出相应衰减比为4:1时的比例带δ、积分时间TI和微分时间TD响应曲线法第二节多回路控制系统为了满足对控制质量的更严格要求和处理各变量间的复杂关系，在单回路控制系统的基础上，发展了多回路控制系统。所采用传感器，交送器、调节器及执行器等的数量较多，所构成的系统比较复杂、系统功能比较齐全。主要有：串级控制、前馈控制、分程控制、比值控制和选择性控制等系统。一、串级控制系统串级控制系统：由主回路与副回路组成，主调节器与副调节器是“串级”的，故而得名。主回路包括：主测量变送器、主调节器、副回路等效环节和主对象；副回路包括：副测量变送器、副调节器、执行器和副对象。串级控制系统的特点减小了进入副回路的干扰对主参数的影响；可以改善对象特性；可兼顾主、副参数两个变量。串级控制系统的应用克服被控对象中变化较剧烈、幅值较大的局部干扰。在这种场合采用单回路控制不易得到好的控制质量，系统不易稳定。如果将用部分干扰纳入副回路，实现串级控制，则可大大地增强系统的抗干扰能力，提高控制品质。适用于滞后大、时间常大的对象。当对象滞后较大时，采用单回路控制系统控制品质差。如果采用串级控制系统，并合理地选择副回路，可使滞后时间缩短，对减小超调量，提高调节品质很有利。二、前馈控制系统反馈控制系统的控制作用落后于干扰作用，因而必然会造成控制过程中的动态偏差。假如控制系统直接根据产生偏差的原因（干扰）进行控制，就有可能及时消除干扰的影响，使被控参数基本不变或很少变化。根据使被控参数产生偏差的外部原因（外扰）进行控制的系统，称为前馈控制系统。前馈控制实质上是一种按干扰进行调节的开环控制方式，它通过前馈调节器补偿干扰对被控参数的影响。前馈控制系统特点前馈控制是一种开环控制；前馈装置的控制规律取决于对象干扰通道和控制通道的特性，它与PID调节器不同，是一种专用调节器；前馈控制是按干扰量大小进行控制；前馈控制只能克服某个可测而不可控的干扰量。前馈控制系统的应用场合（1）当系统中存在着变化频率高、幅值大，可测而不可控的干扰时，反馈控制难以克服此干扰对被控参数的显著影响，而工艺对被控参数的要求又十分严格，为了改善和提高系统的调节品质，可以引入前馈控制。当对象控制通道滞后大，其时间常数又比干扰通道时间常数大时，反馈控制不够及时，控制品质差；当主要扰动无法用串级控制方案使其包含在副回路内或者副回路滞后过大时，串级控制系统克服干扰的能力就较差，此时，可选用前馈控制。前馈控制系统的应用场合（2）当干扰对被控参数的影响十分显著，而单纯用反馈控制又难以满足工艺生产要求时，可选用前馈控制。实际过程中，不可能对每个干扰都设置一套前馈补偿装置，这会使控制系统过于复杂。要实现完全补偿，需获得精确的对象数学模型，这在很多场合难以做到。实际生产中常采用前馈控制和反馈控制相结合的前馈—反馈控制。三、比值控制系统凡是用来实现两个或两个以上参数之间保持一定的比值关系的过程控制系统，称为比值控制系统。常用比值控制系统类型：单闭环比值控制系统、双闭环比值控制系统、具有其它变量调整的固定比值控制系统四、分程控制系统所谓分程控制系统指的是控制系统的一个调节器同时控制两个或几个执行器，每个执行器根据工艺要求在调节器输出的一段信号范围内起调节作用。分程控创系统有：执行器同向动作的分程控制系统和执行器异向动作分程控制系统分程控制系统的应用按工艺要求和节能目的变更调节量，保证工艺参数稳定和避免发生事故。满足工艺生产在不同负荷下的控制要求五、自动选择控制系统所谓自动选择控制系统是指在一个控制系统中设有两个调节器（或两个以上的变送器），通过高、低值选择器选出能适应生产安全状况的控制信号，实现对生产过程自动控制的系统。类型有：选择器位于调节器之后，对调节器输出信号进行选用控制的系统选择器位于调节器之前，对变送器输出信号进行选择的系统自动选择控制系统的应用对设备实现软保护多输入被调量的选样控制第三节微型计算机控制系统如果用微型计算机代替一般控制系统中的调节器，就构成了微型计算机控制系统。一、计算机控制的一般概念（1）控制系统中引入计算机，就可以充分利用微型调算机强大的算术运算、逻辑运算及记忆等功能，运用微机指令系统，编出符合某种控制规律的程序，微机执行这样的程序，就能实现被控参数的调节。在计算机系统中，程序是无形的，通常称为软件，而设备是有形的，通常称作硬件。常规拧制系统中，系统的调节规律由硬件决定，改变调节规律必须变更硬件，而计算机控制系统中调节规律的改变只需改变软件。一、计算机控制的一般概念（2）计算机控制系统的控制过程可归结为：实时数据采集、实时决策和实时控制三个步骤。三个步骤不断重复就会使整个系统按照给定的规律进行工作，同时也可以对被调参数及设备运行状况进行监督、越限报警及保护。对微机来讲，控制过程的三个步骤，实际上只是执行输入操作、算术逻辑运算、输出操作。一、计算机控制的一般概念（3）计算机的“在线”和“离线”工作方式。实时：所谓实时是指信号的输入、运算和输出都要在一定的时间内完成，亦即计算机对输入信息，以足够快的速度进行处理，并在一定的时间内作出反应或进行控制，超出了这个时间就失去了控制的时机，控制也就失去了意义。实时的概念不能离开具体的过程。二、微型计算机控制的典型应用方式（1）数据采集和数据处理主要是对大量的生产过程参数进行巡回检测、数据记录、数据计算、数据统计和整理、数据越限报警以及对大量数据进行积累和实时分析。微机不参与控制，不影响生产过程。二、微型计算机控制的典型应用方式（2）直接数字控制系统（DDC）用计算机对控制规律的数值计算来取代模拟调节器的调节作用，计算的结果以数字量的形式或转变为模拟量直接控制生产过程，故称之为直接数字控制系统，即DirectDigitalControl，简称DDC系统。实质上，DDC系统是一种多回路数字调节装置，它以微机为核心，加上过程输入输出通道与被控对象一起组成闭环控制系统。二、微型计算机控制的典型应用方式（3）监督控制系统（SCC）计算监督控制系统（SupervisoryComputerControl）简称SCC系统。由计算机按照描述生产过程的数学模型，计算出最佳给定值送给模拟调节器或者DDC计算机，最后由模拟调节器或DDC计算机控制生产过程，从而使生产过程处于最佳工作状态。SCC系统较DDC系统