1、2020年9月3日,1,過程控制的任務(wù)和要求,什么是過程控制？ 過程控制是工業(yè)自動(dòng)化中最重要的一個(gè)分支，它主要針對(duì)所謂六大參數(shù)，即溫度、壓力、流量、液位（或物位）、成分和物性等參數(shù)的控制問題。,生產(chǎn)對(duì)過程控制的要求主要?dú)w納為三點(diǎn)：,1.安全性 在整個(gè)生產(chǎn)過程中，確保人身和設(shè)備的安全，這是最重要的也是最基本的要求； 現(xiàn)代企業(yè)必須把符合國(guó)家制定的環(huán)境保護(hù)法作為生產(chǎn)安全性的重要組成部分。,2020年9月3日,2,2.經(jīng)濟(jì)性 旨在生產(chǎn)同樣質(zhì)量和數(shù)量產(chǎn)品所消耗的能量和原材料最少，也就是要求生產(chǎn)成本低而效率高,3.穩(wěn)定性 系統(tǒng)具有抑制外部干擾，保持生產(chǎn)過程長(zhǎng)期穩(wěn)定運(yùn)行的能力,為了滿足上述三個(gè)要求，在理論上

2、和實(shí)踐上都還有許多課題有待研究。,二、過程控制的任務(wù)和要求,2020年9月3日,3,過程控制的任務(wù)是： 在了解、掌握工藝流程和生產(chǎn)過程的靜態(tài)和動(dòng)態(tài)特性的基礎(chǔ)上，根據(jù)上述三項(xiàng)要求，應(yīng)用理論對(duì)控制系統(tǒng)進(jìn)行分析和綜合，最后采用適宜的技術(shù)手段加以實(shí)現(xiàn)。 所以說過程控制是控制理論、工藝知識(shí)、計(jì)算機(jī)技術(shù)和儀器儀表等知識(shí)相結(jié)合而構(gòu)成的一門應(yīng)用科學(xué)。 過程控制的任務(wù)是由控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)和實(shí)現(xiàn)來完成的。,過程控制的任務(wù)和要求,2020年9月3日,4,過程控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)和實(shí)現(xiàn)步驟：,1、確定控制目標(biāo)：可根據(jù)具體情況提出各種不同的控制目標(biāo) 2、選擇測(cè)量參數(shù)：通過某些參數(shù)的測(cè)量來控制和監(jiān)視整個(gè)生產(chǎn)過程 3、操作量的選擇

3、：大多情況下沒有多大選擇余地，如有多個(gè)操作量和被調(diào)量的情況下，必須認(rèn)真選擇由哪個(gè)操作量去控制哪個(gè)被控量 4、控制方案的確定：與控制目標(biāo)有密切關(guān)系，控制策略隨控制目標(biāo)和控制精度要求而不同，是整個(gè)設(shè)計(jì)過程中的關(guān)鍵步驟 5、選擇控制算法：控制方案決定了控制算法 6、執(zhí)行器的選擇：根據(jù)操作量的工藝條件和對(duì)調(diào)節(jié)閥流量特性的要求來選擇合適的調(diào)節(jié)閥,2020年9月3日,5,7、設(shè)計(jì)報(bào)警和聯(lián)鎖保護(hù)系統(tǒng)： 關(guān)鍵參數(shù)應(yīng)有越限報(bào)警，報(bào)警系統(tǒng)的作用是在于及時(shí)梯形操作人員密切注意監(jiān)視生產(chǎn)狀況，以便采取措施減少事故的發(fā)生； 聯(lián)鎖保護(hù)系統(tǒng)是指當(dāng)生產(chǎn)出現(xiàn)嚴(yán)重事故時(shí)，為保證設(shè)備、人身安全，使各個(gè)設(shè)備按一定次序緊急停止運(yùn)轉(zhuǎn)的系統(tǒng)

4、。 8、控制系統(tǒng)的調(diào)試和投運(yùn)：控制系統(tǒng)安裝完畢后，應(yīng)隨著生產(chǎn)過程進(jìn)行試運(yùn)行，按控制要求檢查和調(diào)整各控制儀表和設(shè)備的工作狀況，包括調(diào)節(jié)器參數(shù)的整定等，依次將全部控制系統(tǒng)投入運(yùn)行。,二、過程控制的任務(wù)和要求,2020年9月3日,6,為什么要研究被控對(duì)象的動(dòng)態(tài)特性？ 因?yàn)榭刂葡到y(tǒng)的設(shè)計(jì)方案都是依據(jù)被控對(duì)象的控制要求和動(dòng)態(tài)特性進(jìn)行的，調(diào)節(jié)器參數(shù)的整定也是根據(jù)對(duì)象的動(dòng)態(tài)特性來進(jìn)行的。,第一章 生產(chǎn)過程的動(dòng)態(tài)特性1-1 過程控制系統(tǒng)的性能指標(biāo),過程控制系統(tǒng)在運(yùn)行中有兩種狀態(tài)：穩(wěn)態(tài)和動(dòng)態(tài),何為穩(wěn)態(tài)？此時(shí)系統(tǒng)沒有受到任何外來干擾，同時(shí)設(shè)定值保持不變，因而被調(diào)量也不會(huì)隨時(shí)間變化，整個(gè)系統(tǒng)處于穩(wěn)定平衡的工況。,何

5、為動(dòng)態(tài)？當(dāng)系統(tǒng)受到外來干擾的影響或者在改變了設(shè)定值后，原來的穩(wěn)態(tài)遭到了破壞，系統(tǒng)中各組成部分的輸入輸出量都相繼發(fā)生了變化，尤其是被調(diào)量也將偏離原穩(wěn)態(tài)值而隨時(shí)間變化，這時(shí)系統(tǒng)就處于動(dòng)態(tài)。,2020年9月3日,7,結(jié)論：要評(píng)價(jià)一個(gè)過程控制系統(tǒng)的工作質(zhì)量，只看穩(wěn)態(tài)是不夠的，還應(yīng)該考核它在動(dòng)態(tài)過程中被調(diào)量隨時(shí)間變化的情況。,過程控制系統(tǒng)的性能指標(biāo),評(píng)價(jià)控制系統(tǒng)的性能指標(biāo)要根據(jù)工業(yè)生產(chǎn)過程對(duì)控制的要求來制定，這種要求可概括為： 穩(wěn)定性、準(zhǔn)確性和快速性 上述三方面的要求在時(shí)域上體現(xiàn)為若干性能指標(biāo),包括： 單項(xiàng)性能指標(biāo):如衰減比(及衰減率)、最大動(dòng)態(tài)偏差(及超調(diào)量)、殘余偏差、調(diào)節(jié)時(shí)間(及振蕩頻率)等。 綜

6、合性能指標(biāo)：如誤差積分、絕對(duì)誤差積分、平方誤差積分、時(shí)間與絕對(duì)誤差乘積積分,2020年9月3日,8,過程控制系統(tǒng)的性能指標(biāo),2020年9月3日,9,1.對(duì)象的動(dòng)態(tài)特性是不振蕩的,對(duì)象的階躍響應(yīng)通常是單調(diào)曲線，被調(diào)量的變化比較緩慢。,對(duì)象的幅頻特性M()和相頻特性(),隨著頻率的增高都向下傾斜。,被控對(duì)象的動(dòng)態(tài)特性,2.對(duì)象動(dòng)態(tài)特性有遲延,由于遲延的存在，調(diào)節(jié)閥動(dòng)作的效果往往需要經(jīng)過一段遲延時(shí)間后才會(huì)在被調(diào)量上表現(xiàn)出來。,遲延的主要來源是多個(gè)容積的存在，容積的數(shù)目可能有幾個(gè)直至幾十個(gè)。,2020年9月3日,10,3.被控對(duì)象本身是穩(wěn)定的或中性穩(wěn)定的。,有些被控對(duì)象，當(dāng)調(diào)節(jié)閥開度改變致使原來的物質(zhì)

7、或能量關(guān)系遭到破壞后，隨著被調(diào)量的變化不平衡量愈來愈小，因而被調(diào)量能夠自動(dòng)地穩(wěn)定在新的水平上。這種特性稱為自平衡，具有這種特性的被控對(duì)象稱為自衡過程。,如果對(duì)于同樣大的調(diào)節(jié)閥開度變化，被調(diào)量只需稍改變一點(diǎn)就能重新恢復(fù)平衡，就說該過程的自平衡能力強(qiáng)。,自平衡能力的大小用對(duì)象靜態(tài)增益K的倒數(shù)衡量,稱為自平衡率：,被控對(duì)象的動(dòng)態(tài)特性,2020年9月3日,11,3.被控對(duì)象本身是穩(wěn)定的或中性穩(wěn)定的。,有些被控對(duì)象，當(dāng)調(diào)節(jié)閥開度改變致使原來的物質(zhì)或能量關(guān)系遭到破壞后，不平衡量不因被調(diào)量的變化而改變，因而被調(diào)量將以固定的速度一直變化下去而不會(huì)自動(dòng)地在新的水平上恢復(fù)平衡。這種對(duì)象不具有自平衡特性，稱為非自平

8、衡過程。,這種系統(tǒng)是中性穩(wěn)定的，就是說，它需要很長(zhǎng)的時(shí)間，被調(diào)量才會(huì)有很大的變化。,不穩(wěn)定的過程是指原來的平衡一旦被破壞后，被調(diào)量在很短的時(shí)間內(nèi)就發(fā)生很大的變化。 這一類過程是比較少見的。,被控對(duì)象的動(dòng)態(tài)特性,2020年9月3日,12,3.被控對(duì)象本身是穩(wěn)定的或中性穩(wěn)定的(續(xù)),自衡過程在調(diào)節(jié)閥開度擾動(dòng)下的階躍響應(yīng)如左圖。,自衡過程的傳遞函數(shù)可以用如下式近似：,T過程的時(shí)間常數(shù) 純遲延時(shí)間,第一章 生產(chǎn)過程的動(dòng)態(tài)特性 1-2 被控對(duì)象的動(dòng)態(tài)特性,2020年9月3日,13,非自衡過程在調(diào)節(jié)閥開度擾動(dòng)下的階躍響應(yīng)如右圖。,非自衡過程的傳遞函數(shù)可以用如下式近似：,3.被控對(duì)象本身是穩(wěn)定的或中性穩(wěn)定的

9、(續(xù)),第一章 生產(chǎn)過程的動(dòng)態(tài)特性 1-2 被控對(duì)象的動(dòng)態(tài)特性,2020年9月3日,14,自衡過程在調(diào)節(jié)閥開度單位階躍擾動(dòng)下的響應(yīng)的初期情況如右圖。,為了便于在相同的基礎(chǔ)上對(duì)各種被控對(duì)象進(jìn)行比較，這里輸入、輸出量都用相對(duì)值表示，即閥門開度以全行程的百分?jǐn)?shù)表示，被調(diào)量則以相對(duì)于測(cè)量?jī)x表全量程的百分?jǐn)?shù)表示。,3.被控對(duì)象本身是穩(wěn)定的或中性穩(wěn)定的(續(xù)),第一章 生產(chǎn)過程的動(dòng)態(tài)特性 1-2 被控對(duì)象的動(dòng)態(tài)特性,2020年9月3日,15,經(jīng)過一段遲延時(shí)間后，被調(diào)量開始以某個(gè)速度變化，這個(gè)起始速度稱為響應(yīng)速度，以表示，顯然有：,3.被控對(duì)象本身是穩(wěn)定的或中性穩(wěn)定的(續(xù)),第一章 生產(chǎn)過程的動(dòng)態(tài)特性 1-2

10、 被控對(duì)象的動(dòng)態(tài)特性,2020年9月3日,16,再經(jīng)過時(shí)間后，被調(diào)量的變化量近似為：,結(jié)論：值愈大，則過程愈接近一個(gè)純遲延過程，因此該過程就屬于難控之列。,3.被控對(duì)象本身是穩(wěn)定的或中性穩(wěn)定的(續(xù)),第一章 生產(chǎn)過程的動(dòng)態(tài)特性 1-2 被控對(duì)象的動(dòng)態(tài)特性,2020年9月3日,17,結(jié)論： 值愈小，則說明：或者K極小，也就是過程的自平衡能力極強(qiáng)；或者/T比值極小，此時(shí)它接近一個(gè)自衡單容過程。這兩種情況都意味著該過程屬于易控之列.,再經(jīng)過時(shí)間后，被調(diào)量的變化量近似為：,3.被控對(duì)象本身是穩(wěn)定的或中性穩(wěn)定的(續(xù)),控對(duì)象的動(dòng)態(tài)特性,2020年9月3日,18,4.被控對(duì)象往往具有非線性特性,注意：嚴(yán)格

11、來說，幾乎所有的被控對(duì)象的動(dòng)態(tài)特性都呈現(xiàn)非線性特性，只是程度上不同而已。,許多被控對(duì)象的增益不是常數(shù)：,被控對(duì)象的動(dòng)態(tài)特性,2020年9月3日,19,1、機(jī)理法建模,建立過程數(shù)學(xué)模型的兩個(gè)基本方法,什么是機(jī)理法建模？就是根據(jù)生產(chǎn)過程中實(shí)際發(fā)生的變化機(jī)理，寫出各種有關(guān)的平衡方程，從中獲得所需的數(shù)學(xué)模型。 如：物質(zhì)平衡方程；能量平衡方程；相平衡方程以及反映流體流動(dòng)、傳熱、傳質(zhì)、化學(xué)反應(yīng)等基本規(guī)律的運(yùn)動(dòng)方程；物性參數(shù)方程和某些設(shè)備的特性方程等。,過程數(shù)學(xué)模型及其建立方法,機(jī)理法建模的首要條件是生產(chǎn)過程的機(jī)理必須已經(jīng)為人們充分掌握,并且可以比較確切地加以數(shù)學(xué)描述。,機(jī)理法建模的次要條件是除非是非常簡(jiǎn)單

12、的被控對(duì)象,否則很難得到以緊湊的數(shù)學(xué)形式表達(dá)的模型。在計(jì)算機(jī)尚未得到普及應(yīng)用前，幾乎無法用機(jī)理法建立實(shí)際工業(yè)過程的數(shù)學(xué)模型。,2020年9月3日,20,2、測(cè)試法建模,一般只用于建立輸入輸出模型。,特點(diǎn)：把被研究的工業(yè)過程視為一個(gè)黑匣子，完全從外特性上測(cè)試和描述它的動(dòng)態(tài)性質(zhì)，因此不需要深入掌握其內(nèi)部機(jī)理。,什么是測(cè)試法建模？ 根據(jù)工業(yè)過程的輸入和輸出的實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行某種數(shù)學(xué)處理后得到的模型。,過程動(dòng)態(tài)特性只有當(dāng)它處于變動(dòng)狀態(tài)下才會(huì)表現(xiàn)出來，在穩(wěn)態(tài)下是表現(xiàn)不出來的。,為了獲得動(dòng)態(tài)特性，必須使被研究的過程處于被激勵(lì)的狀態(tài)，例如施加一個(gè)階躍擾動(dòng)或脈沖擾動(dòng)等。,2020年9月3日,21,幾個(gè)確定傳遞函數(shù)

13、參數(shù)的方法：,（1）作圖法：確定一階慣性環(huán)節(jié)加純遲延傳遞函數(shù)參數(shù)K、T和,如果階躍響應(yīng)是一條如圖所示的S形的單調(diào)曲線，就可以用下式去擬合：,過程數(shù)學(xué)模型及其建立方法,增益K可以由輸入輸出的穩(wěn)態(tài)值直接算出；,和T：作圖法確定，如圖,特點(diǎn)：精度較差，方法簡(jiǎn)便,可用于PID調(diào)節(jié)器的參數(shù)整定,應(yīng)用較廣泛,22,作圖法來辨識(shí)系統(tǒng)的傳遞函數(shù),2020年9月3日,23,（2）兩點(diǎn)法 (一階慣性加純遲延環(huán)節(jié)) ： 利用階躍響應(yīng)y(t)上兩個(gè)點(diǎn)的數(shù)據(jù)去計(jì)算T和；按輸入輸出穩(wěn)態(tài)值計(jì)算增益K,A 、無量綱化：將y(t)轉(zhuǎn)換成它的無量綱形式y(tǒng)*(t),即：,第一章 生產(chǎn)過程的動(dòng)態(tài)特性1-3 過程數(shù)學(xué)模型及其建立方法,

14、與傳遞函數(shù),相對(duì)應(yīng)的階躍響應(yīng)無量綱形式為,上式中只有兩個(gè)參數(shù)T和，只能根據(jù)兩個(gè)點(diǎn)的測(cè)試數(shù)據(jù)進(jìn)行擬合,2020年9月3日,24,第一章 生產(chǎn)過程的動(dòng)態(tài)特性1-3 過程數(shù)學(xué)模型及其建立方法,B、可以選定兩個(gè)時(shí)刻t1, t2. （t1t2）,可以得到：,2020年9月3日,25,第一章 生產(chǎn)過程的動(dòng)態(tài)特性1-3 過程數(shù)學(xué)模型及其建立方法,為計(jì)算方便，取y*(t1)=0.39,y*(t2)=0.63,得,C、最后取兩個(gè)時(shí)刻進(jìn)行校驗(yàn),特點(diǎn)：僅憑兩個(gè)孤立點(diǎn)的數(shù)據(jù)進(jìn)行擬合,而不顧及整個(gè)測(cè)試曲線的形態(tài)，此外,兩個(gè)特征點(diǎn)的選擇具有隨意性,所得結(jié)果的可靠性不能保證,2020年9月3日,26,（3）確定二階慣性加純

15、遲延環(huán)節(jié)傳遞函數(shù)中參數(shù)K、T1 、 T2和的方法,如果階躍響應(yīng)是一條S形的單調(diào)曲線，也可以擬合成二階慣性加純遲延環(huán)節(jié)。,第一章 生產(chǎn)過程的動(dòng)態(tài)特性1-3 過程數(shù)學(xué)模型及其建立方法,a) 確定增益K: 仍由輸入輸出穩(wěn)態(tài)值確定,b) 確定遲延 根據(jù)階躍響應(yīng)曲線脫離起始的毫無反應(yīng)的階段，開始出現(xiàn)變化的時(shí)刻，可以確定參數(shù),2020年9月3日,27,第一章 生產(chǎn)過程的動(dòng)態(tài)特性1-3 過程數(shù)學(xué)模型及其建立方法,c) T1,T2的確定 截去純遲延部分并化為無量綱形式,傳遞函數(shù)為,對(duì)應(yīng)的階躍響應(yīng)為：,如：讀取曲線y（t1）=0.4 y（）所對(duì)應(yīng)的時(shí)間t1值； 讀取曲線y（t2）=0.8y（）所對(duì)應(yīng)的時(shí)間t2值

16、；,可以利用階躍響應(yīng)上兩個(gè)點(diǎn)的數(shù)據(jù)t1,y*(t1)和t2,y*(t2) 確定參數(shù)T1和T2。,2020年9月3日,28,第一章 生產(chǎn)過程的動(dòng)態(tài)特性1-3 過程數(shù)學(xué)模型及其建立方法,2020年9月3日,29,第一章 生產(chǎn)過程的動(dòng)態(tài)特性1-3 過程數(shù)學(xué)模型及其建立方法,當(dāng),當(dāng),相當(dāng)于一階環(huán)節(jié)。,當(dāng) 當(dāng),n為階次。,即該階躍響應(yīng)需用更高階的傳遞函數(shù)擬合：,30,2020年9月3日,控制器的作用：將測(cè)量變送信號(hào)與設(shè)定值相比較，若存在偏差，就按預(yù)先設(shè)置的不同控制規(guī)律產(chǎn)生輸出信號(hào)。,控制規(guī)律：控制器的輸出信號(hào)隨偏差信號(hào)的變化而變化的規(guī)律。 常用控制規(guī)律：雙位控制，P控制，PI、PD、PID控制。,PID

17、控制:比例(proportion),積分(integration ),微分(differentiation )控制的簡(jiǎn)稱，是一種負(fù)反饋控制.,PID控制規(guī)律,PID控制的優(yōu)點(diǎn)：, 原理簡(jiǎn)單，使用方便, 適應(yīng)性強(qiáng)，廣泛應(yīng)用于各種生產(chǎn)部門，適用于多種控制方式, 魯棒性強(qiáng)，其控制品質(zhì)對(duì)被控對(duì)象的特性的變化不太敏感,31,2020年9月3日,在控制系統(tǒng)方框圖中，每一個(gè)環(huán)節(jié)（方框）的作用方向都可用該環(huán)節(jié)放大系數(shù)的正、負(fù)來表示。 控制系統(tǒng)中各環(huán)節(jié)的作用方向（增益符號(hào)）是這樣規(guī)定的： 正作用方向：當(dāng)該環(huán)節(jié)的輸入信號(hào)增加時(shí)，輸出信號(hào)也隨之增加,在方框上標(biāo)“”。 反作用方向：當(dāng)輸入增加時(shí)，輸出減小，即輸出與輸入

18、變化方向相反,在方框上標(biāo)“”。,系統(tǒng)中各環(huán)節(jié)正、反作用方向的規(guī)定,32,2020年9月3日,Kc：調(diào)節(jié)器運(yùn)算部分的增益;K、Kv和Km：分別代表被控過程、調(diào)節(jié)閥和測(cè)量變送裝置的增益;為調(diào)節(jié)閥的開度;ym為被調(diào)量y的測(cè)量值。,正作用方式是指調(diào)節(jié)器輸出信號(hào)隨著被調(diào)量的增大而 增大,整個(gè)調(diào)節(jié)器增益的符號(hào)為正 。 反作用方式是指調(diào)節(jié)器輸出信號(hào)隨著被調(diào)量的增大而減少,調(diào)節(jié)器增益為負(fù).,33,2020年9月3日,設(shè)置的目的：保證控制系統(tǒng)成為負(fù)反饋。 負(fù)反饋準(zhǔn)則：控制系統(tǒng)開環(huán)總增益為正 開環(huán)總增益：各組成環(huán)節(jié)的增益之積 環(huán)節(jié)的增益為正：當(dāng)環(huán)節(jié)輸入增加時(shí)，其輸出也增加,負(fù)反饋準(zhǔn)則：KCKVKKm0,負(fù)反饋準(zhǔn)則

19、：,34,2020年9月3日,2、控制器的正反作用（續(xù)）,設(shè)置的目的：保證控制系統(tǒng)成為負(fù)反饋。 負(fù)反饋準(zhǔn)則：控制系統(tǒng)開環(huán)總增益為正 開環(huán)總增益：各組成環(huán)節(jié)的增益之積 環(huán)節(jié)的增益為正：當(dāng)環(huán)節(jié)輸入增加時(shí)，其輸出也增加,負(fù)反饋準(zhǔn)則：KCKVKKm0,負(fù)反饋準(zhǔn)則：,35,2020年9月3日,控制器的正反作用舉例,36,2020年9月3日,比例帶對(duì)于調(diào)節(jié)過程的影響,比例調(diào)節(jié)的殘差隨比例帶的加大而增大，從這一方面考慮，希望盡量減小比例帶然而，減小比例帶就等于加大調(diào)節(jié)系統(tǒng)的開環(huán)增益，其后果是導(dǎo)致系統(tǒng)激烈振蕩甚至不穩(wěn)定穩(wěn)定性是任何閉環(huán)控制系統(tǒng)的首要要求，比例帶的設(shè)置必須保證系統(tǒng)具有一定的穩(wěn)定裕度，然后再考慮使

20、用其它方法減小殘差,增大，則比例系數(shù)Kc減小，由比例調(diào)節(jié)器輸出u=Kc*e,則調(diào)節(jié)閥的動(dòng)作幅度減小因此被調(diào)量的變化比較平穩(wěn)，甚至可以沒有超調(diào)，但殘差大,調(diào)節(jié)緩慢,調(diào)節(jié)時(shí)間長(zhǎng) 減小，則比例系數(shù)Kc增大，調(diào)節(jié)閥的動(dòng)作幅度增大，引起被調(diào)量來回波動(dòng)，但系統(tǒng)仍可能是穩(wěn)定的，殘差相應(yīng)減小 具有一個(gè)臨界值，此時(shí)系統(tǒng)處于穩(wěn)定邊界的情況，進(jìn)一步減小系統(tǒng)就不穩(wěn)定了,對(duì)調(diào)節(jié)過程的影響：,37,2020年9月3日,Kc對(duì)控制系統(tǒng)性能的影響,（減小時(shí)）,在單回路控制系統(tǒng)中，增大比例系數(shù)，如果系統(tǒng)穩(wěn)定，則殘差會(huì)減小;超調(diào)量增大;振蕩頻率升高,38,2020年9月3日,S0減小,S0越大，調(diào)節(jié)閥的動(dòng)作愈快(由du/dt=S

21、0e可知)越容易引起和加劇振蕩同時(shí)，振蕩頻率越來越高，而最大動(dòng)態(tài)偏差越來越小，被調(diào)量最后無殘差 增大積分速度將會(huì)降低控制系統(tǒng)的穩(wěn)定程度，直到最后出現(xiàn)發(fā)散的振蕩過程,三、積分速度對(duì)調(diào)節(jié)過程的影響,39,2020年9月3日,例：某氣動(dòng)比例溫度控制器的輸入范圍為50010000C，輸出范圍為20 100KPa，當(dāng)控制器輸入變化2000C時(shí)，其輸出信號(hào)變化40KPa，則該控制器的比例度為多少？,解：,40,已知比例積分控制階躍響應(yīng)如下圖所示，在圖上標(biāo)出和TI的數(shù)值；若同時(shí)把放大4倍，TI縮小1倍，把u(t)t曲線畫在同一坐標(biāo)系中，并標(biāo)出新的TI和值。,=0.5 TI =1(秒),=2 TI =0.5(

22、秒),41,積分速度S0增大,增大積分速度將會(huì)降低控制系統(tǒng)的穩(wěn)定程度，直到最后出現(xiàn)發(fā)散的振蕩過程。積分速度愈大，調(diào)節(jié)閥的動(dòng)作愈快，就愈容易引起和加劇振蕩，與此同時(shí)，振蕩頻率將愈來愈高，最大動(dòng)態(tài)偏差則愈來愈小。被調(diào)量最后都沒有偏差，這是I調(diào)節(jié)器的特點(diǎn)。,積分速度S0改變對(duì)響應(yīng)過程影響,42,2020年9月3日,PD控制系統(tǒng)不同微分時(shí)間的響應(yīng)過程,TD減小,微分調(diào)節(jié)動(dòng)作總是力圖抑止被調(diào)量的振蕩，它有提高控制系統(tǒng)穩(wěn)定性的作用。適度引入微分動(dòng)作后，可以允許稍許減小比例帶，同時(shí)保持衰減率不變。大多是PD控制系統(tǒng)隨著微分時(shí)間增大，其穩(wěn)定性提高，表現(xiàn)在可以減少偏差，減少短期最大偏差和提高了振蕩頻率。但某些特

23、殊系統(tǒng)也有例外，當(dāng)TD超出某一上限值后，系統(tǒng)反而變得不穩(wěn)定了。,43,2020年9月3日,調(diào)節(jié)規(guī)律的選擇,選擇調(diào)節(jié)器動(dòng)作規(guī)律時(shí)應(yīng)根據(jù)對(duì)象特性、負(fù)荷變化、主要擾動(dòng)和系統(tǒng)控制要求等具體情況，同時(shí)還應(yīng)考慮系統(tǒng)的經(jīng)濟(jì)性以及系統(tǒng)投入方便等 。, 廣義對(duì)象控制通道時(shí)間常數(shù)較大或容積遲延較大時(shí)，應(yīng)引入微分動(dòng)作. 如工藝容許有殘差，可選用比例微分動(dòng)作；如工藝要求無殘差則選用比例積分微分動(dòng)作如溫度、成分、pH值等控制過程. 當(dāng)廣義對(duì)象控制通道時(shí)間常數(shù)較小，負(fù)荷變化不大，而工藝要求無殘差時(shí)，可選擇比例積分動(dòng)作如管道壓力和流量控制 廣義對(duì)象控制通道時(shí)間常數(shù)較小,負(fù)荷變化較小,工藝要求不高時(shí)，可選擇比例動(dòng)作，如液位控

24、制.,44,2020年9月3日,如果被控對(duì)象傳遞函數(shù)為,則可根據(jù)對(duì)象的可控比/T選擇調(diào)節(jié)器的動(dòng)作規(guī)律：,/T1.0：采用簡(jiǎn)單控制系統(tǒng)不能滿足控制要求，應(yīng)選用復(fù)雜控制系統(tǒng)，如串級(jí)，前饋控制等, 當(dāng)廣義對(duì)象控制通道時(shí)間常數(shù)或容積遲延很大，負(fù)荷變化也很大時(shí)，簡(jiǎn)單控制系統(tǒng)已不能滿足要求，應(yīng)設(shè)計(jì)復(fù)雜控制系統(tǒng),45,控制系統(tǒng)整定的基本要求,1) 控制系統(tǒng)的控制質(zhì)量的決定因素:被控對(duì)象的動(dòng)態(tài)特性,簡(jiǎn)單控制系統(tǒng)組成,2) 整定的實(shí)質(zhì): 通過選擇控制器參數(shù)，使其特性和過程特性相匹配，以改善系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)和靜態(tài)指標(biāo)，實(shí)現(xiàn)最佳的控制效果,3) 整定的前提條件：設(shè)計(jì)方案合理，儀表選擇得當(dāng)，安裝正確,46,4) 評(píng)定整定效

25、果的指標(biāo)（參數(shù)整定的依據(jù)）, 單項(xiàng)性能指標(biāo),衰減率： =(y1-y3)/y1=1-1/n,最大動(dòng)態(tài)偏差： y1 超調(diào)量：=y1/y,調(diào)節(jié)時(shí)間: ts(進(jìn)入穩(wěn)態(tài)值5%范圍內(nèi)),單一指標(biāo)概念比較籠統(tǒng)，難以準(zhǔn)確衡量；一個(gè)指標(biāo)不足以確定所期望的性能，多項(xiàng)指標(biāo)往往難以同時(shí)滿足,在單項(xiàng)指標(biāo)中, 應(yīng)用最廣的是衰減率, 75%的衰減率是對(duì)偏差和調(diào)節(jié)時(shí)間的一個(gè)合理的折中.,47, 誤差積分性能指標(biāo),各種積分指標(biāo)： IE（誤差積分） 優(yōu)點(diǎn)：簡(jiǎn)單，也稱為線性積分準(zhǔn)則 局限：不能抑制響應(yīng)等幅波動(dòng) IAE（絕對(duì)誤差積分） 特點(diǎn)：抑制響應(yīng)等幅波動(dòng) ISE（平方誤差積分） 優(yōu)點(diǎn)：抑制響應(yīng)等幅波動(dòng)和大誤差 局限：不能反映微小

26、誤差對(duì)系統(tǒng)的影響 ITAE（時(shí)間與絕對(duì)誤差乘積積分） 優(yōu)點(diǎn)：著重懲罰過度時(shí)間過長(zhǎng),當(dāng)采用不同的誤差積分指標(biāo)作為系統(tǒng)整定的性能指標(biāo)時(shí)，其對(duì)應(yīng)的系統(tǒng)響應(yīng)會(huì)不同。 誤差積分指標(biāo)往往與其它指標(biāo)并用，很少作為系統(tǒng)整定的單一指標(biāo),對(duì)抑制大的誤差，ISE比IAE好，而抑制小的誤差，IAE比ISE好 與ITAE指標(biāo)對(duì)應(yīng)的系統(tǒng)響應(yīng)調(diào)節(jié)時(shí)間最短，但最大動(dòng)態(tài)偏差最大,48,5) 常用整定方法, 理論計(jì)算整定法,根軌跡法，頻率特性法,由于數(shù)學(xué)模型總會(huì)存在誤差，實(shí)際調(diào)節(jié)器與理想調(diào)節(jié)器的動(dòng)作規(guī)律有差別，所以理論計(jì)算求得的整定參數(shù)并不可靠而且，理論計(jì)算整定法復(fù)雜，煩瑣，使用不方便但它有助于深入理解問題的本質(zhì)，結(jié)果可以作為工

27、程整定法的理論依據(jù), 工程整定法,動(dòng)態(tài)特性參數(shù)法，穩(wěn)定邊界法，衰減曲線法,通過實(shí)驗(yàn)，便能迅速獲得調(diào)節(jié)器的近似最佳整定參數(shù)，因而在工程中得到廣泛的應(yīng)用。 方法簡(jiǎn)單，易于掌握,49,一 動(dòng)態(tài)特性參數(shù)法（響應(yīng)曲線法）,這是一種通過一些經(jīng)驗(yàn)公式求取調(diào)節(jié)器最佳參數(shù)整定值的開環(huán)整定方法，即利用系統(tǒng)廣義過程的階躍響應(yīng)特性曲線對(duì)調(diào)節(jié)器參數(shù)進(jìn)行整定。,前提: 廣義對(duì)象的階躍響應(yīng)曲線可用G(s)=Ke-s/(Ts+1)來近似,整定步驟：,（1）在手動(dòng)狀態(tài)下，改變控制器輸出（通常采用階躍變化），記錄下測(cè)量變送環(huán)節(jié)Gm（s）的輸出響應(yīng)曲線y（t）。 （2）由開環(huán)響應(yīng)曲線獲得單位階躍響應(yīng)曲線，并求取 “廣義對(duì)象”的近似

28、模型與模型參數(shù)K, T,并計(jì)算出值; (=K/T)； （3）根據(jù)控制器類型與對(duì)象模型，根據(jù)經(jīng)驗(yàn)公式選擇PID參數(shù)KC, TI、TD，并投入閉環(huán)運(yùn)行。在運(yùn)行過程中，可對(duì)增益作調(diào)整。,50,表1Z-N調(diào)節(jié)器參數(shù)整定公式,Ziegler-Nichols參數(shù)整定法,特點(diǎn)：適合于存在明顯純滯后的自衡對(duì)象，而且廣義對(duì)象的階躍響應(yīng)曲線可用“一階+純滯后”來近似。,51,穩(wěn)定邊界法（臨界比例度法）,是一種閉環(huán)的整定方法由于該方法直接在閉環(huán)系統(tǒng)中進(jìn)行，不需要測(cè)試過程的動(dòng)態(tài)特性，因而方法簡(jiǎn)單，使用方便，獲得了廣泛的應(yīng)用。,1) 使調(diào)節(jié)器僅為比例控制，比例帶設(shè)為較大值(如100以上)，TI=,TD=0,讓系統(tǒng)投入閉

29、環(huán)運(yùn)行.,2) 待系統(tǒng)運(yùn)行穩(wěn)定后，逐漸減小比例帶，直到系統(tǒng)出現(xiàn)等幅振蕩，即臨界振蕩過程此時(shí)的比例帶為cr，振蕩周期為Tcr,3) 利用cr和Tcr值，按穩(wěn)定邊界法參數(shù)整定計(jì)算公式表，求調(diào)節(jié)器各整定參數(shù),TI, TD,穩(wěn)定邊界法基于純比例控制系統(tǒng)臨界振蕩試驗(yàn)所得的數(shù)據(jù), 即臨界比例帶cr和臨界振蕩周期Tcr(此時(shí)相對(duì)穩(wěn)定度m=0), 利用經(jīng)驗(yàn)公式, 求取調(diào)節(jié)器最佳參數(shù), 具體步驟為：,52,衰減曲線法,1) 使調(diào)節(jié)器僅為比例控制,比例帶設(shè)為較大值(如100以上),TI=,TD=0,讓系統(tǒng)投入運(yùn)行.,2) 待系統(tǒng)穩(wěn)定后，作設(shè)定值階躍擾動(dòng)，并觀察系統(tǒng)的響應(yīng)。若系統(tǒng)響應(yīng)衰減太快，則減小比例帶；反之，若

30、系統(tǒng)響應(yīng)衰減過慢，應(yīng)增大比例帶. 如此反復(fù), 直到系統(tǒng)出現(xiàn)4:1衰減振蕩過程或者如圖b所示的衰減比為10：1的振蕩過程時(shí) .記錄下此時(shí)的值（設(shè)為s ），以及Ts值（如圖a中所示），或者Tr值（如圖b中所示）。,原理: 根據(jù)純比例控制系統(tǒng)處于某衰減比 (如4:1或10:1) 時(shí)振蕩試驗(yàn)所得的數(shù)據(jù)(即比例帶s和振蕩周期Ts), 由經(jīng)驗(yàn)公式求取調(diào)節(jié)器最佳參數(shù)值. 與穩(wěn)定邊界法類似也是閉環(huán)整定法, 其步驟為：,53,a)4:1衰減曲線b)10：1衰減曲線,3) 利用求得的s和Ts(或Tr)，根據(jù)衰減曲線法整定計(jì)算公式得到, TI, TD,54,經(jīng)驗(yàn)法,先根據(jù)經(jīng)驗(yàn)確定一組調(diào)節(jié)器參數(shù)，并將系統(tǒng)投入閉環(huán)運(yùn)行

31、，然后人為加入階躍擾動(dòng)（通常為調(diào)節(jié)器設(shè)定值擾動(dòng)），觀察被調(diào)量或調(diào)節(jié)器輸出曲線變化，并依照調(diào)節(jié)器各參數(shù)對(duì)調(diào)節(jié)過程的影響，改變相應(yīng)的參數(shù)，一般先整定，再整定TI和TD，如此反復(fù)試驗(yàn)多次，直到獲得滿意的階躍響應(yīng)曲線為止,55,例 某溫度控制系統(tǒng)采用PI調(diào)節(jié)器.在調(diào)節(jié)閥擾動(dòng)量=20%時(shí),測(cè)得溫度控制通道階躍響應(yīng)特性參數(shù):穩(wěn)定時(shí)溫度變化()=60;時(shí)間常數(shù)T=300s,純遲延時(shí)間=10s.溫度變送器量程0100 ,且溫度變送器和調(diào)節(jié)器均為DDZ-III型儀表求調(diào)節(jié)器，TI的刻度值,解 被控對(duì)象穩(wěn)態(tài)增益為:,采用動(dòng)態(tài)特性參數(shù)法，按Z-N公式計(jì)算等效調(diào)節(jié)器的等效比例增益有：,等效調(diào)節(jié)器由調(diào)節(jié)器，變送器和調(diào)節(jié)閥組成，因此,P92例35,56,其中變送器轉(zhuǎn)換系數(shù)Km=(20-4)/(100-0)mA/, 調(diào)節(jié)閥的轉(zhuǎn)換系數(shù)Kv1=(100-0)/(20-4)%/mA, 則調(diào)節(jié)器的比例增益實(shí)際值為,相應(yīng)的比例帶為,調(diào)節(jié)器積分時(shí)間TI的實(shí)際值，由公式TI/T=3.33(/T)1.000 得,因?yàn)檎{(diào)節(jié)器為PI工作方式，參數(shù)的實(shí)際值就是它的刻度值,57,例 對(duì)某溫度控制系統(tǒng)采用PID調(diào)節(jié)器。已知：臨界比例帶cr=20%，臨界振蕩周期Tcr=30s，試用穩(wěn)定邊界法選擇PID調(diào)節(jié)器參數(shù)、TI、TD；,采用穩(wěn)定邊界法，可得調(diào)節(jié)器的比例帶值為：,調(diào)節(jié)器積分時(shí)間TI的值為：,調(diào)節(jié)器微分時(shí)間TD的值為：,58