單回路反饋控制系統(tǒng)

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1、 單 回 路 反 饋 控 制 系 統(tǒng) 工 作 過 程 ： A.C 控 制 器 控 制 閥 被 控對 象測 量變 送偏差給定 測量 液位給 定 量 位 于 系 統(tǒng) 的 輸 入 端 ， 稱 為 系 統(tǒng) 輸 入 量 。 也 稱 為 參 考 輸 入 量 （ 信 號 ） 。被 控 制 量 位 于 系 統(tǒng) 的 輸 出 端 ， 稱 為 系 統(tǒng) 輸 出 量 。 輸 出 量 （ 全 部 或 一 部 分 ） 通 過 測 量 裝 置 返 回 系 統(tǒng) 的 輸 入 端 ， 使 之 與 輸 入量 進 行 比 較 ， 產(chǎn) 生 偏 差 （ 給 定 信 號 與 返 回 的 輸 出 信 號 之 差 ） 信 號 。 輸 出 量 的

2、返 回 過 程 稱 為 反 饋 。 返 回 的 全 部 或 部 分 輸 出 信 號 稱 為 反 饋 信 號 。 維 持 被 控 參 數(shù) 保 持 在 設 定 值 上 ， 偏 差 越 小 越 好 偏 差 控 制 ： 糾 正 偏 差 過 程 工 業(yè) 中 ， 此 類 系 統(tǒng) 占 大 多 數(shù) 按 被 控 參 數(shù) 分 類 ： 溫 度 控 制 回 路 、 壓 力 控 制 回 路 、 流 量 控 制 回 路 、 物 位 （ 液 位 ） 控 制 回 路 單回路反饋控制系統(tǒng)1.1 單 回 路 系 統(tǒng) 的 結 構 組 成1.2 被 控 變 量 的 選 擇1.3 對 象 特 性 對 控 制 質(zhì) 量 的 影 響 及 操

3、 縱 變 量 的 選 擇1.4 控 制 閥 的 選 擇1.5 測 量 、 傳 送 滯 后 對 控 制 質(zhì) 量 的 影 響 及 其 克 服 辦 法1.6 控 制 器 參 數(shù) 對 系 統(tǒng) 控 制 質(zhì) 量 的 影 響 及 控 制 規(guī) 律 的 選 擇1.7 系 統(tǒng) 的 關 聯(lián) 及 其 消 除 方 法1.8 單 回 路 系 統(tǒng) 的 投 運 和 整 定 實 驗 ： 單 回 路 控 制 系 統(tǒng) 連 接 、 投 運 和 整 定 、 質(zhì) 量 研 究 控 制 系 統(tǒng) 的 設 計 目 標 被控變量的選擇即 ， 要 控 制 什 么 基 于 工 藝 要 求 ， 選 擇 的 結 果 直 接 影 響生 產(chǎn) （ 產(chǎn) 品 產(chǎn)

4、量 、 質(zhì) 量 、 生 產(chǎn) 安 全 ） 最 基 本 的 熱 工 參 數(shù) ， 一 般 是 可 以 直接 進 行 測 量 和 控 制 的 參 數(shù) 溫 度 、 壓 力 、 液 位 、 流 量 質(zhì) 量 指 標 ， 以 及 一 些 特 殊 的 參 數(shù)成 份 、 物 性 參 數(shù) 等 ， 在 一 般 條 件 下 ，無 法 直 接 測 量 和 控 制 應 根 據(jù) 工 藝 參 數(shù) 的 關 系 ， 用 可測 的 參 數(shù) ， 間 接 進 行 控 制 苯 、 甲 苯 二 元 精 餾 系 統(tǒng) 質(zhì) 量 指 標 是 最 重 要 的 控 制 參 數(shù) 如 塔 頂 產(chǎn) 品 的 純 度 xD 但 xD 目 前 無 法 直 接 測

5、量 ， 因 此 ， 只 能 用 間 接 控 制 參 數(shù) 進 行 控 制 。 根 據(jù) 精 餾 原 理 ， xD = f (TD, p), 即 與 溫 度 和 壓 力 成 非 線 性 函 數(shù)關 系 。 理 論 上 ， 固 定 一 項 ， 就 可 用 另 一 項 控 制 x D 。 一 般 的 ， 實 際 中 都 采 用 恒 定 p， 通 過 控 制 塔 頂 溫 度 來 控 制 塔 頂 成 分 。 選 擇 原 則 ： （ 1） 測 量 滯 后 P （ 2） 工 藝 合 理 性 T工 藝 合 理 性 ： 規(guī) 定 塔 壓 穩(wěn) 定 ， 保 證 分 離 度 ， 保 證 效 率 各 塊 塔 板 壓 力 恒 定

6、 ， XD與 T有 對 應 關 系 選 擇 XD=F（ T） PTfXD , 0 50 100% 0 50 100% DXP一 定T一 定 DX 精 餾 塔 : F1F2Fn Y 必 須 從 影 響 被 控 量 的 諸 多 影 響 參 數(shù) 中 選 擇 一 個 ， 作 為 操 縱 變 量 其 它 影 響 量 則 只 能 視 作 干 擾 量 了用 操 縱 量 克 服 干 擾 量 對 被 控 變 量 的 影 響F1(s) F2(s)U(s) Y(s) Y(s)=GPC(s)U(s)+GPD1(s) F1(s) +GPD2(s) F2 (s) 干 擾 作 用 下 的 閉 環(huán) 傳 遞 函 數(shù) 為 ： 結

7、 論 ： 越 大 ， 系 統(tǒng) 的 余 差 也 越 大 ， 控 制 質(zhì) 量 越 差分 析 過 程 ： 結 論 ： 越 大 ， 個 數(shù) 越 多 ， 干 擾 對 被 控 變 量 的 影 響 越 小 ， 系 統(tǒng)的 動 態(tài) 偏 差 越 小 ， 控 制 質(zhì) 量 提 高 干 擾 進 入 系 統(tǒng) 的 位 置 ： 越 離 被 控 變 量 近 的 干 擾 ， 對 被 控 變量 的 影 響 也 越 大 ( ) ( )y t y t 干 擾 通 道 特 性 對 控 制 質(zhì) 量 的 影 響特 性 參 數(shù) 靜 態(tài) 質(zhì) 量 的 影 響 動 態(tài) 質(zhì) 量 的 影 響Kf增 加 余 差 增 加 無 影 響Tf增 加 無 影 響

8、過 渡 過 程 時 間 減 小 ， 振蕩 幅 值 減 小f增 加 無 影 響 無 影 響 靜 態(tài) ： 控 制 通 道 放 大 倍 數(shù) K0大 ， 控 制 系 統(tǒng) 穩(wěn) 態(tài) 余 差 小 ， 見 式 （ 1-7）動 態(tài) ： 控 制 系 統(tǒng) 衰 減 比 與 Kc 與 K0的 乘 積 有 關 ， 見 式 （ 1-18） ， 且 Kc K0越 大 ， 越 小 ， 穩(wěn) 定 性 差 ， 因 此 ， 要 保 證 Kc K0=常 數(shù) 。在 Kc K0=常 數(shù) 情 況 下 ， 控 制 系 統(tǒng) 穩(wěn) 態(tài) 余 差 不 變 。從 控 制 角 度 看 ， K0大 些 ， 說 明 控 制 通 道 對 系 統(tǒng) 的 影 響 大 ，

9、 易 于 調(diào) 節(jié) ，因 此 ， 一 般 希 望 K 0大 些 好 從 控 制 系 統(tǒng) 傳 遞 函 數(shù) 推 導 進 行 分 析 結 論 ： 控 制 通 道 的 時 間 常 數(shù) 大 ， 經(jīng) 過 的 容 量 數(shù) 多 ， 系 統(tǒng) 的 工 作 頻 率 低 ， 控 制 不 及 時 、 系 統(tǒng) 控 制 質(zhì) 量 差 ， 如 溫 度 系 統(tǒng) 。 一 般 希 望 控 制 通 道 時 間 常 數(shù) 小 些 好 。 但 控 制 通 道 時 間 常 數(shù) 過 小 ， 將 使 得 系 統(tǒng) 過 于 靈 敏 ， 也 會 使 穩(wěn) 定 性變 差 ， 如 流 量 系 統(tǒng) 結 論 ： 純 滯 后 的 存 在 ， 使 得 控 制 不 及

10、時 ， 增 加 動 態(tài) 偏 差 ， 降 低 穩(wěn) 定 性 。 控 制 通 道 純 滯 后 是 控 制 系 統(tǒng) 非 常 不 利 的 因 素 ， 會 嚴 重 影 響 控制 系 統(tǒng) 品 質(zhì) ， 以 至 于 使 控 制 系 統(tǒng) 發(fā) 散 ， 造 成 嚴 重 后 果 ， 因 此 ，實 際 工 程 中 ， 必 須 重 視 。 兼 顧 考 慮 工 藝 的 合 理 性 ， 工 藝 上 不 易 頻 繁 改 變 的 量 也不 宜 作 為 操 縱 變 量 。 實 質(zhì) 上 是 決 定 了 控 制 通 道 的 選 擇 。原 則 ： （ 1） 操 縱 變 量 必 須 可 控（ 2） 選 擇 通 道 放 大 倍 數(shù) 相 對 大

11、 的（ 3） 選 擇 通 道 時 間 常 數(shù) 相 對 小 的 （ 干 擾 通 道時 間 常 數(shù) 大 些 ）（ 4） 選 擇 通 道 的 純 滯 后 盡 量 ?。?5） 選 擇 使 干 擾 點 遠 離 被 控 變 量 而 靠 近 控 制 閥 控 制 通 道 特 性 對 控 制 質(zhì) 量 的 影 響 圖特 性 參 數(shù) 對 靜 態(tài) 質(zhì) 量 的 影 響 對 動 態(tài) 質(zhì) 量 的 影 響K0增 加 余 差 減 小 （ 穩(wěn) 定 前提 下 ） 系 統(tǒng) 趨 向 于 振 蕩T0增 加 無 影 響 過 渡 過 程 時 間 增 加 ， 系 統(tǒng)頻 率 變 慢0增 加 無 影 響 穩(wěn) 定 程 度 大 大 降 低 流 量 特

12、 性 ： 指 流 體 通 過 閥 門 的 相 對 流 量 和 閥 門 相 對 開 度 之 間 的 關 系 Q/Qmax=f(L/Lmax) Q/Qmax 相 對 流 量 f(L/Lmax)相 對 開 度 一 般 的 ， 生 產(chǎn) 負 荷 變 化 對 象 特 性 發(fā) 生 變 化 如 ， 熱 交 換 器 ： 負 荷 （ 被 加 熱 的 流 體 ） 增 大 ： 通 過 熱 交 換 器 的 時 間 縮 短 ， 純 滯 后 減 小 ； 特 性 改 變 流 速 增 大 ， 傳 熱 效 果 變 好 控 制 系 統(tǒng) 投 運 時 ， 已 經(jīng) 整 定 好 了 PID參 數(shù) ， 一 旦 對 象特 性 發(fā) 生 變 化

13、時 ， 原 來 好 的 PID參 數(shù) 就 變 得 不 好 了 （ 1） 選 擇 自 整 定 調(diào) 節(jié) 器 ， 代 價 大（ 2） 通 過 控 制 閥 的 特 性 選 擇 進 行 彌 補 K 1 / K0G0如 對 象 負 荷 靜 態(tài) 部 分 K0與 控 制 閥 流 量 F成 反 比 ，對 象 負 荷 動 態(tài) 部 分 G0與 控 制 閥 流 量 F成 正 比 ，控 制 閥 特 性 取 線 性 ；P15 表 1-1 控 制 閥 流 量 特 性 的 選 擇 課 本 P15分 析 的 例 子P16 表 1-2 控 制 閥 流 量 特 性 經(jīng) 驗 選 擇解 決 辦 法 ： 直 通 單 座 、 直 通 雙

14、座 、 角 閥 、 高 壓 閥 、蝶 閥 、隔 膜 閥 、 三 通 閥適 用 于 不 同 工 藝 場 合表 1-4 AB C 控 制 閥 的 輔 助 裝 置 接 受 控 制 器 信 號 ， 輸 出 控 制 控 制 閥 作 用 ： 提 高 控 制 閥 控 制 精 度 ， 準 確 定 位 ； 功 率 放 大 ； 可 改 變 控 制 閥 流 量 特 性 ； 可 實 現(xiàn) 分 程 控 制 控 制 質(zhì) 量 ： 系 統(tǒng) 的 穩(wěn) 定 性系 統(tǒng) 的 靜 態(tài) 誤 差系 統(tǒng) 的 動 態(tài) 誤 差PID 三 作 用 控 制 器PID：Proportional Integral DerivativePID控制對 偏 差

15、信 號 (t)進 行 比 例 、 積 分 和 微 分運 算 變 換 后 形 成 的 一 種 控 制 規(guī) 律 。 01 tp di du t K e t e d T e tT dt 其 中 ： Kpe (t) 比 例 控 制 項 ， Kp 為 比 例 系 數(shù) 積 分 控 制 項 ， Ti 為 積 分 時 間 常 數(shù) ； 01 ti e dT 微 分 控 制 項 ， d 為 微 分 時 間 常 數(shù) ； d dT e tdtPID控 制 的 傳 遞 函 數(shù) ：( ) 1( ) 1( ) c p diU sG s K T sE s Ts PID控 制 是 控 制 工 程 中 技 術 成 熟 、 理 論

16、 完 善 、 應 用 最為 廣 泛 的 一 種 控 制 策 略 ， 經(jīng) 過 長 期 的 工 程 實 踐 ， 已 形 成了 一 套 完 整 的 控 制 方 法 和 典 型 結 構 。在 很 多 情 形 下 ， PID 控 制 并 不 一 定 需 要 全 部 的 三 項 控制 作 用 ， 而 是 可 以 方 便 靈 活 地 改 變 控 制 策 略 ， 實 施 P、 PI、PD 或 PID 控 制 。 顯 然 ， 比 例 控 制 部 分 是 必 不 可 少 的 。PID 不 僅 適 用 于 數(shù) 學 模 型 已 知 的 控 制 系 統(tǒng) ， 而 且 對 大多 數(shù) 數(shù) 學 模 型 難 以 確 定 的 工

17、業(yè) 過 程 也 可 應 用 。PID 控 制 參 數(shù) 整 定 方 便 ， 結 構 靈 活 ， 在 眾 多 工 業(yè) 過 程控 制 中 取 得 了 滿 意 的 應 用 效 果 。 R(s) E(s) Gc(s) Go(s)F(s)F(s) Go(s) E(s)Gc(s) 2 22 2( 1) ( 2 1)( ) ( 1) ( 2 1)o k l lo v i j jK T s T s T sG s s Ts T s T s ( ) 1/F s s 0 0 1lim ( ) lim ( ) lim ( )t s s ce t sE s G s 終 值 定 理 ： 1( ) 1 1cc c ii iK

18、G s K TsTs Ts 結 論 ： 當 控 制 器 為 純 比 例 作 用 時 ， 系 統(tǒng) 余 差 與 放 大 倍數(shù) 成 反 比 ， 即 與 比 例 度 成 正 比 ， 比 例 度 越 大 ，余 差 越 大 ； 當 控 制 器 引 入 積 分 作 用 時 ， 可 消 除 余 差 ； 微 分 作 用 對 余 差 沒 有 影 響 。 0cu K e u 0 ty(t) 01c iu K e edt uT 0 ty(t) P、 I、 D三 參 數(shù) 相 互 配 合 控 制 器 參 數(shù) 整 定 0c D deu K e T udt 提 餾 段 溫 度 與 塔 底 液 位 控 制 系 統(tǒng) TC LC

19、Gc1(s)Gcn(s)R1(s) nnRn(s) Y1(s)Yn(s)U1(s)Un(s)j i Gc1(s)Gc2(s)R1(s)R2(s) Y1(s)Y2(s)U1(s)U2(s)Gc 1(s)Gc2(s)R1(s)R2(s) Y1(s)Y2(s)U1(s)U2(s) uu y11 yuy11 相 對 增 益 的 計 算 ： 相 互 關 聯(lián) 程 度 ijij ijy uuy yu ijijy uuy yu ij1，ij1，ij=0 ij，ij 1 TK K PC FC Gc(s) Gv(s) Go(s) Gm(s)R(s) E(s) Y(s) LC 一 般 ， 對 于 儀 表 控 制 器

20、 ， 都 帶 有 正 反 作 用 開 關 ，對 于 計 算 機 控 制 ， 可 以 通 過 程 序 設 置 0 25( ) (4 1)(20 1)G s s s （ 1） 臨 界 比 例 度 法步 驟 ： 系 統(tǒng) 閉 環(huán) TI最 大 、 TD最 小 （ 沒 有 積 分 、 微 分 作 用 ） 比 例 度 放 到 100%（ K=1） ， 由 大 往 小 逐 漸 改 變 ， 每 改 變 一次 ， 通 過 設 定 值 的 改 變 給 控 制 系 統(tǒng) 施 加 階 躍 干 擾 ， 觀 察 輸 出 Y的 變 化 若 Y衰 減 振 蕩 ， 則 繼 續(xù) 減 小 ； 若 Y發(fā) 散 振 蕩 ， 則 應 增 大

21、當 Y出 現(xiàn) 等 幅 振 蕩 （ 臨 界 振 蕩 ） ， 此 時 k稱 為 臨 界 比 例 度 ，振 蕩 周 期 Tk稱 為 臨 界 周 期 。 有 了 k和 Tk后 ， 按 經(jīng) 驗 公 式 確 定 、 Ti、 TD， 按 此 參 數(shù) 可 使 控 制 系 統(tǒng)呈 4： 1衰 減 。 若 還 有 差 距 ， 可 適 當 調(diào) 整 0 tTk等 幅 振 蕩 曲 線 臨 界 周 期 % Ti， min TD， minP 2k PI 2.2k 0.85Tk PID 1.7k 0.5Tk 0.13Tk。 （ 2） 與 臨 界 法 類 似 4： 1衰 減 曲 線 ： 比 例 度 放 到 100%（ K=1）

22、， 由 大 往 小 逐 漸 改 變 ， 每 改 變 一次 ， 通 過 設 定 值 的 改 變 給 控 制 系 統(tǒng) 施 加 階 躍 干 擾 ， 觀 察 輸 出 Y的變 化 若 Y衰 減 比 大 于 4： 1， 則 繼 續(xù) 減 小 ； 若 小 于 4： 1， 則 應 增大 ， 直 到 出 現(xiàn) 4： 1衰 減 振 蕩 ， 記 錄 此 時 比 例 度 s和 振 蕩 周 期Ts 按 經(jīng) 驗 公 式 確 定 、 Ti、 T D ， % Ti， min TD， minP s PI 1.2s 0.5Ts PID 0.8s 0.3Ts 0.1Tsy tTs s Ts y ttr s tr 先 比 例 ， 后 積

23、 分 ， 最 后 微 分 的 順 序 優(yōu) 點 ： 易 于 實 際 應 用 缺 點 ： 有 時 4： 1衰 減 不 太 好 確 定 ， 只 能 近 似 10： 1衰 減 曲 線 ： 與 以 上 步 驟 相 同 ， 只 是 采 用 10： 1衰 減 曲 線 ， 經(jīng) 驗 公式 見 教 材 pP0 tyT 00y A CB D t max min0 max min/( )/( )y y yK p p p 控 制 器 參 數(shù)控 制 器 類 型 /% Ti/min TD/minP (K0/T0)100% PI (1.1K0/T0)100% 3.3 PID (0.85K0/T0)100% 2 0.5 =1.2， T0=2.5min,