简单控制系统的设计和参数整定方法省公共课一等奖全国赛课获奖课件.pptx
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1、武汉理工大学机电工程学院武汉理工大学机电工程学院Wuhan University of Technology过程控制与检测仪表过程控制与检测仪表第五章第五章 简单控制系统设计及参数整定方法简单控制系统设计及参数整定方法魏 莉 机电工程学院测控系1第1页武汉理工大学机电工程学院武汉理工大学机电工程学院Wuhan University of Technology过程控制与检测仪表过程控制与检测仪表2第2页武汉理工大学机电工程学院武汉理工大学机电工程学院Wuhan University of Technology过程控制与检测仪表过程控制与检测仪表简单控制系统简单控制系统 一个调整器,一个调整阀,控
2、制一个被控一个调整器,一个调整阀,控制一个被控参数单回路闭环控制系统,经典结构框图以下参数单回路闭环控制系统,经典结构框图以下列图示。列图示。调整器GC(S)调整阀GV(S)被控过程GP(S)干扰通道Gf(S)F(S)测量变送H(S)R(S)-E(S)U(S)Q(S)C(S)Y(S)3第3页武汉理工大学机电工程学院武汉理工大学机电工程学院Wuhan University of Technology过程控制与检测仪表过程控制与检测仪表单回路控制系统特点单回路控制系统特点结构简单、投资少、易于整定和投运;结构简单、投资少、易于整定和投运;可满足普通生产过程工艺要求;可满足普通生产过程工艺要求;占控
3、制回路占控制回路80%80%以上,应用广泛;以上,应用广泛;适合用于被控过程纯滞后与惯性不大、适合用于被控过程纯滞后与惯性不大、负荷与干负荷与干扰改变比较平稳或者工艺要求不太高场所。扰改变比较平稳或者工艺要求不太高场所。4第4页武汉理工大学机电工程学院武汉理工大学机电工程学院Wuhan University of Technology过程控制与检测仪表过程控制与检测仪表5第5页武汉理工大学机电工程学院武汉理工大学机电工程学院Wuhan University of Technology过程控制与检测仪表过程控制与检测仪表第一节第一节 过程控制系统设计概述过程控制系统设计概述一一.对过程控制系统普
4、通要求对过程控制系统普通要求稳:稳:控制系统必须是稳定,且有一定控制系统必须是稳定,且有一定 稳定裕量。稳定裕量。准:准:系统被控参数实际运行情况与希系统被控参数实际运行情况与希 望情况偏差要小,控制精度要高。望情况偏差要小,控制精度要高。快:快:系统从一个工作状态向另一个工作系统从一个工作状态向另一个工作 状态过渡时间要短,即衰减振荡短。状态过渡时间要短,即衰减振荡短。工程上三者往往相互矛盾,如要精度高则平稳受影响,要平稳则快速性受减弱,普通应满足最主要要求,分清主次。6第6页武汉理工大学机电工程学院武汉理工大学机电工程学院Wuhan University of Technology过程控制
5、与检测仪表过程控制与检测仪表过控系统组成过控系统组成:被控过程;控制仪表;检测仪表等。被控过程;控制仪表;检测仪表等。主要工作主要工作:确定控制方案;确定控制方案;选择检测方法;选择检测方法;选择检测仪表;选择检测仪表;选择控制仪表选择控制仪表;参数整定。参数整定。二二.过程控制系统设计基本方法与步骤过程控制系统设计基本方法与步骤7第7页武汉理工大学机电工程学院武汉理工大学机电工程学院Wuhan University of Technology过程控制与检测仪表过程控制与检测仪表控制系统设计步骤控制系统设计步骤:1.熟悉系统技术要求或性能指标熟悉系统技术要求或性能指标2.建立系统数学模型建立系
6、统数学模型 过程数模是理论分析和深入设计基础和依据。过程数模是理论分析和深入设计基础和依据。3.控制方案确实定控制方案确实定 含系统组成和控制方式含系统组成和控制方式,确定方案依据是被控过程特征确定方案依据是被控过程特征,技技术指标术指标,控制任务要求控制任务要求,方案要简单经济可行方案要简单经济可行,要有比较。要有比较。4.依据系统静动态特征进行理论分析和综合依据系统静动态特征进行理论分析和综合 由技术指标由技术指标,系统静动态特征系统静动态特征,确定调整规律和参数整定。确定调整规律和参数整定。分析方法分析方法:频率法频率法,根轨迹法根轨迹法,优化设计等。优化设计等。分析工具分析工具:计算机
7、仿真等。计算机仿真等。5.设备选型设备选型6.试验验证试验验证8第8页武汉理工大学机电工程学院武汉理工大学机电工程学院Wuhan University of Technology过程控制与检测仪表过程控制与检测仪表t 内容包含内容包含t方案设计:方案设计:即系统组成和控制方式,是设计关键,方案不合即系统组成和控制方式,是设计关键,方案不合理,选何种仪表都无作用理,选何种仪表都无作用。t工程设计工程设计:指仪表选型,控制室和仪表盘设计,供电供气系:指仪表选型,控制室和仪表盘设计,供电供气系统设计,信号连锁和系统保护。统设计,信号连锁和系统保护。t工程安装与仪表调校。工程安装与仪表调校。t调整器参
8、数整定调整器参数整定:设置调整器参数,使系统运行在最正确状:设置调整器参数,使系统运行在最正确状态态。t 关键内容关键内容t控制方案设计;控制方案设计;t调整器参数整定。调整器参数整定。三三.过程控制系统设计主要内容过程控制系统设计主要内容9第9页武汉理工大学机电工程学院武汉理工大学机电工程学院Wuhan University of Technology过程控制与检测仪表过程控制与检测仪表1 认真熟悉过程特征认真熟悉过程特征 要了解过程特征要了解过程特征,熟悉工艺流程特点要求熟悉工艺流程特点要求,这是方这是方案主要依据。案主要依据。2 要明确过程中各个生产步骤关系要明确过程中各个生产步骤关系3
9、.测量信号预先处理测量信号预先处理 普通测量信号作反馈用较主要普通测量信号作反馈用较主要,不过现场信号不过现场信号,故噪故噪声大声大,要进行滤波或线性化或温度赔偿等预处理。要进行滤波或线性化或温度赔偿等预处理。4.系统安全保护系统安全保护 安全可靠安全可靠,尤其是在高温高压尤其是在高温高压,易燃易爆易燃易爆,强腐蚀等强腐蚀等环境下环境下,要选符合要求仪表和设备。要选符合要求仪表和设备。四四.系统设计中需注意几个问题系统设计中需注意几个问题10第10页武汉理工大学机电工程学院武汉理工大学机电工程学院Wuhan University of Technology过程控制与检测仪表过程控制与检测仪表第
10、二节第二节 过程特征对控制质量过程特征对控制质量 影响及控制方案确实定影响及控制方案确实定一一.干扰通道特征对控制质量影响干扰通道特征对控制质量影响调整器GC(S)调整阀GV(S)被控过程GP(S)干扰通道Gf(S)F(S)测量变送H(S)R(S)-E(S)U(S)Q(S)C(S)Y(S)干扰与系统输出传递关系干扰与系统输出传递关系11第11页武汉理工大学机电工程学院武汉理工大学机电工程学院Wuhan University of Technology过程控制与检测仪表过程控制与检测仪表系统输出与干扰传递函数系统输出与干扰传递函数:C(S)/F(S)=Gf(S)/1+GC(S)GV(S)GP(S
11、)H(S)设干扰通道设干扰通道Gf(S)为一单容过程为一单容过程,即即 Gf(S)=Kf/(Tf S+1)则有则有 C(S)/F(S)=1/1+GC(S)GV(S)GP(S)H(S)Kf/(Tf S+1)或有延时或有延时f 时时 C(S)/F(S)=Gf(S)/1+GC(S)GV(S)GP(S)H(S)exp(-f S)12第12页武汉理工大学机电工程学院武汉理工大学机电工程学院Wuhan University of Technology过程控制与检测仪表过程控制与检测仪表1.静态增益静态增益Kf :Kf越大越大,扰动引发输出越大扰动引发输出越大,设计时应减小设计时应减小Kf,如办不到如办不到
12、,应应增强控制作用增强控制作用,或采取扰动赔偿。或采取扰动赔偿。2.时间常数时间常数Tf :Gf(S)是一个惯性步骤是一个惯性步骤,对扰动对扰动F(S)有一定滤波作用有一定滤波作用,Tf 越大越大,效果越显著效果越显著,故故Tf 越大越大,扰动对被控参数动态影响越小。扰动对被控参数动态影响越小。3.延时延时f :相当于扰动推迟一段时间进入系统相当于扰动推迟一段时间进入系统,对控制质量无影响对控制质量无影响4.F(S)进入系统位置影响进入系统位置影响如如F(S)在在GP(S)之前进入系统之前进入系统:则则C(S)/F(S)=1+GC(S)GV(S)GP(S)H(S)Gf(S)GP(S).或或C(
13、S)/F(S)=1+GC(S)GV(S)GP(S)H(S)1KfTf S+1KPTP S+1又多了一个滤波器又多了一个滤波器13第13页武汉理工大学机电工程学院武汉理工大学机电工程学院Wuhan University of Technology过程控制与检测仪表过程控制与检测仪表调整器GC(S)调整阀GV(S)被控过程GP(S)F1(S)测量变送H(S)R(S)-E(S)C(S)Y(S)F2(S)F3(S)14第14页武汉理工大学机电工程学院武汉理工大学机电工程学院Wuhan University of Technology过程控制与检测仪表过程控制与检测仪表控制通道控制通道:其作用总是力图使
14、被控参数与给定值相一致其作用总是力图使被控参数与给定值相一致扰动通道扰动通道:其作用总是力图使被控参数与给定值相偏离其作用总是力图使被控参数与给定值相偏离二二.控制通道特征对控制质量影响控制通道特征对控制质量影响15第15页武汉理工大学机电工程学院武汉理工大学机电工程学院Wuhan University of Technology过程控制与检测仪表过程控制与检测仪表1.静态增益静态增益KO:调整器调整器KC一定时一定时:KO越大控制作用越强越大控制作用越强,抗扰能力越强抗扰能力越强,稳态误差越小稳态误差越小,被控参数对控制被控参数对控制作用反应越灵敏。作用反应越灵敏。KO越大意味着系统静态增益
15、越大越大意味着系统静态增益越大,对系统闭环稳定性不利。对系统闭环稳定性不利。设计时应综合考虑稳定性快速性和稳态误差三方面设计时应综合考虑稳定性快速性和稳态误差三方面:改变改变KC使开环增益使开环增益KOKC适当适当,当当KO越大越大,KC越小越小,降低调整器要求降低调整器要求2.时间常数时间常数TO:TO较大较大,调整器对被控参数调整作用就不及时调整器对被控参数调整作用就不及时,过渡过程加长过渡过程加长 TO过小过小,控制作用过于灵敏控制作用过于灵敏,引发振荡引发振荡,设计时应设计时应TO较小较小,或增加微或增加微分分16第16页武汉理工大学机电工程学院武汉理工大学机电工程学院Wuhan Un
16、iversity of Technology过程控制与检测仪表过程控制与检测仪表3.纯时延纯时延:信号传输信号传输,测量变送等产生测量变送等产生,对系统影响不利对系统影响不利,既不能及时发觉被控参数既不能及时发觉被控参数改变改变,又不能使控制作用及时产生效应又不能使控制作用及时产生效应,使动态偏差增大使动态偏差增大,超调增加超调增加,相角滞相角滞后稳定性降低后稳定性降低,应尽可能减小应尽可能减小 过控中用过控中用O/TO反应控制难易程度反应控制难易程度,O/TO0.3易控易控,O/TO0.5难控难控17第17页武汉理工大学机电工程学院武汉理工大学机电工程学院Wuhan University o
17、f Technology过程控制与检测仪表过程控制与检测仪表4.时间常数匹配时间常数匹配:设广义被控过程传递函数为设广义被控过程传递函数为:(由被控过程由被控过程,测量元件测量元件,调整阀等一阶惯性步骤串接)调整阀等一阶惯性步骤串接)GO(S)=K(T1S+1)(T2S+1)(T3S+1)则临界稳定增益为则临界稳定增益为:KO=2+T1/T2+T2/T3+T3/T2+T2/T1+T3/T1+T1/T3 KO大小取决于大小取决于T1,T2,T3相对比值相对比值,计算可知计算可知:时间常数错时间常数错开越多,开环增益就允许提升越多,对系统控制质量越有利,开越多,开环增益就允许提升越多,对系统控制质
18、量越有利,实际上,最大时间常数对应过程关键设备,不易改变,可选实际上,最大时间常数对应过程关键设备,不易改变,可选择小时间常数测量仪表和含有小时间常数调整阀。择小时间常数测量仪表和含有小时间常数调整阀。18第18页武汉理工大学机电工程学院武汉理工大学机电工程学院Wuhan University of Technology过程控制与检测仪表过程控制与检测仪表控制方案控制方案选被控参数选被控参数(控制哪一个参数控制哪一个参数)选控制参数选控制参数(操纵变量操纵变量)测量和变送测量和变送选调整阀和执行器选调整阀和执行器确定调整规律确定调整规律 确定控制方案确定控制方案:借助于实际工程经验以及理借助于
19、实际工程经验以及理论分析和计算。论分析和计算。三.控制方案确定19第19页武汉理工大学机电工程学院武汉理工大学机电工程学院Wuhan University of Technology过程控制与检测仪表过程控制与检测仪表(1)应选取对产品质量和产量应选取对产品质量和产量,安全生产安全生产,经济运行有决经济运行有决 定性作用定性作用,可直接测量工艺参数作为被控参数。可直接测量工艺参数作为被控参数。(2)对难以直接测量被控参数对难以直接测量被控参数,应选取一个与直接参数有应选取一个与直接参数有单值函数关系间接参数作为被控参数单值函数关系间接参数作为被控参数(精馏塔精馏塔)。(3)用间接参数作为被控参
20、数时用间接参数作为被控参数时,该参数应对产品质量有该参数应对产品质量有足够控制灵敏度足够控制灵敏度(4)考虑工艺过程合理性和选取仪器仪表性能价格比考虑工艺过程合理性和选取仪器仪表性能价格比普通情况下普通情况下,对于一个已经运行生产过程对于一个已经运行生产过程,被控参数是确定被控参数是确定,实际上已无多大选择余地实际上已无多大选择余地1、系统被控参数选取、系统被控参数选取20第20页武汉理工大学机电工程学院武汉理工大学机电工程学院Wuhan University of Technology过程控制与检测仪表过程控制与检测仪表21第21页武汉理工大学机电工程学院武汉理工大学机电工程学院Wuhan
21、University of Technology过程控制与检测仪表过程控制与检测仪表依据过程特征对系统控制质量影响分析依据过程特征对系统控制质量影响分析,选择操纵变量选择操纵变量(1)选择结果应使静态增益选择结果应使静态增益KO应尽可能大一些应尽可能大一些,时间常数时间常数TO适当小一些适当小一些,由生产过程由生产过程,系统技术指标系统技术指标,调整器参数整定调整器参数整定范围范围,用自控理论分析计算来确定。用自控理论分析计算来确定。(2)纯时延时间纯时延时间O应尽可能小应尽可能小,O/TO要小于要小于0.3,此比值过,此比值过大时大时,不能用简单控制系统。不能用简单控制系统。(3)扰动通道静
22、态增益扰动通道静态增益Kf要尽可能小要尽可能小,时间常数时间常数Tf要尽可能大要尽可能大,扰动进入系统位置应尽可能远离被控参数扰动进入系统位置应尽可能远离被控参数,靠近执行器靠近执行器,可抑可抑制扰动对被控参数动态影响。制扰动对被控参数动态影响。(4)错开广义被控过程时间常数错开广义被控过程时间常数(5)考虑工艺操作合理可行性和经济性考虑工艺操作合理可行性和经济性2、控制参数、控制参数(操纵变量操纵变量)选择选择22第22页武汉理工大学机电工程学院武汉理工大学机电工程学院Wuhan University of Technology过程控制与检测仪表过程控制与检测仪表测量变送传递函数测量变送传递
23、函数:Y(S)/X(S)=Km/(TmS+1)exp(-mS)亦即纯延时惯性步骤,入出之间存在亦即纯延时惯性步骤,入出之间存在动态偏差动态偏差,与仪,与仪表精度等级无关。表精度等级无关。x yxy阶跃响应tmm+Tm0mm+Tm0 x yxyt速度信号响应仪表静态误差仪表静态误差:是指稳态时测量值与真实值之间偏差是指稳态时测量值与真实值之间偏差为了减小动态误差为了减小动态误差,提升测量精度提升测量精度,应设法减小应设法减小m和和 Tm,在其它一定情况下在其它一定情况下,只能选快速测量仪表只能选快速测量仪表3、被控参数测量及变送问题、被控参数测量及变送问题23第23页武汉理工大学机电工程学院武汉
24、理工大学机电工程学院Wuhan University of Technology过程控制与检测仪表过程控制与检测仪表有以下几个问题要注意有以下几个问题要注意:(1)正确安装测量仪表正确安装测量仪表(2)对测量信号进行滤波和线性化对测量信号进行滤波和线性化(3)对纯时延要尽可能进行赔偿对纯时延要尽可能进行赔偿Gm(S)exp(-mS)+G(S)+x(S)y(S)加赔偿步骤后加赔偿步骤后 x(S)Gm(S)=x(S)Gm(S)exp(-mS)+x(S)G(S)则G(S)=Gm(S)1-exp(-mS)结构结构G(S)即可即可24第24页武汉理工大学机电工程学院武汉理工大学机电工程学院Wuhan U
25、niversity of Technology过程控制与检测仪表过程控制与检测仪表(4)尽可能消除尽可能消除Tm影响影响 选取快速仪表选取快速仪表,但受一定局限但受一定局限,普通在测量变送步骤输出普通在测量变送步骤输出端串接微分步骤。端串接微分步骤。Km/(TmS+1)TDS+1x(S)Y(S)y(S)/x(S)=Km(TDS+1)/(TmS+1)若若TD=Tm则可消除则可消除Tm影响影响 实际工程中实际工程中,将此微分步骤串于调整器之后将此微分步骤串于调整器之后,除可消除除可消除Tm影响外影响外,还可起到加紧系统对给定值变动时动态响应作用还可起到加紧系统对给定值变动时动态响应作用(5)气动信
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