单回路控制系统设计

控制仪表的选择
(1) 仪表的选型——电动单元组合仪表(DDZ) (2) 测温元件与变送器：
热电阻温度计，三线制接法配温度变送器。
(3) 调节阀选型：选气动调节阀，且事故时要求不 要超温！
气关形式，流量特性选择？
(4)调节器: PI或PID。
控制仪表的选择
调节器的正反作用的确定:
由于调节阀为气关方式 因此KV 0 由于冷风量（控制量） 增加炉温（被控量）降 低，K0 0 通常传感器的增益为正 , Km 0
虽然PID调节器的调节效果比较理想，但是PID调节器要整定 TI TD
三个参数才能使系统整定得最佳。
PID控制器参数的工程整定
调节器的参数整定是指确定调节器的比例带 、积
分时间常数Ti 和微分时间常数Td 的具体数值。整定的实质 是通过改变调节器的参数使其特性与过程的参数相匹配， 以改善系统的动态和静态性能指标取得最佳的控制效果。
干扰通道的影响
干扰进入位置对控制质量的影响
F(s)
Gf (s)
R(s) E(s)
U (s)
Q(s)
GC (s)
Gv (s)
C(s) Gp (s)
Y (s)
H (s)
系统输出与干扰之间的传递函数为：
C(S)
Gf (S)Gp (S)
F(S) 1 Gc (S)Gv (S)Gp (S)H (S)
干扰通道的影响
调节器参数整定的理论基础
具体分析如下 ：
如果特征方程有一个实根( s a )，其通解 Aet 为非周期变化过程。
如果特征方程有一对共轭复根( S1,2 j )，则通解 Aet cos(t )
为振荡过程，当 0 时, 呈发散振荡,系统不稳定； 当 0 时,呈等幅振荡。
(a)应选取对产品的产量，质量，安全生产，经济运 行，环境保护有决定性作用，又可直接进行测量的工 艺参数作为被控参数（直接参数）； (b) 选取与上述直接参数有单值对应关系的间接参数 作为被控参数； (c) 间接参数对产品质量应有足够的灵敏性； (d) 应考虑工艺的合理性及仪表的性能价格比等； 被控参数选择：间接参数（温度）与直接参数水分 含量一一对应。 被控参数一般要与工艺工程师共同确定。
主讲教师：赵 跃
第五章 简单控制系统设计
一 单回路控制系统设计 二 PID调节参数的工程整定
单回路控制系统设计
单回路控制系统的概念
单回路调节系统一般指对一个被控制对象使用 一个调节器来保持一个参数恒定。调节器只接受一 个测量信号，输出只控制一个执行器
单回路调节系统典型结构
简单控制系统的设计
控制系统的设计步骤
简单控制系统的设计
控制系统的设计步骤
（6）工程设计。 （7）工程安装。 （8）控制器的参数整定。
喷雾干燥过程控制系统设计
高位槽 阀1
A
B 过滤器
阀2
干燥器
鼓风机
换热器
阀3
蒸汽
风管
1 .生产工艺简介 2 .被控参数选择 3 .控制参数选择 4 .仪表选择与整定 5 .控制仪表连接图
被控参数选择
系统被控参数选取的一般原则
PID控制器参数的工程整定
5.3.1 调节器参数整定的理论基础
1. 控制系统的稳定性与衰减指数 简单控制系统，在干扰 F(s) 作用下，闭环控制系统的传递函数为
G(s)
Gf (s)
Gf (s) 其中 Gk (s) Gc (s) Gv (s) Gp (s) H (s)
F(s) 1 Gc (s) Gv (s) Gp (s) H(s) 1 Gk (s)
（1）熟悉系统的技术要求或性能指标，如：超调量， 稳定误差，调节时间，上升时间，衰减比等。
（2）了解工艺过程，建立过程的数学模型。 （3）依据过程的数学模型，确定控制方案。即确定 被控参数及其测量和变送的方法；确定操作变量和 相关的执行器（控制方法）。 （4）依据调节规律和系统的动、静态特性进行理论 分析和综合 （5）系统仿真与试验研究。
m 0 0.026 0.057 0.095 0.145 0.221 0.366 0.478 … …
调节器参数整定的理论基础
控制系统在不同调节作用下的典型响应如下： 可以看到，如果不加控制， 过程将缓慢地到达一个新的 稳态值；当采用比例控制后 ，则加快了过程的响应，并 减小了稳态误差；当加入积 分控制作用后，则消除了稳 态误差，但却容易使过程产 生振荡；在增加微分作用以 后则可以减小振荡的程度和 响应时间。
对象特性：
1、换热器为双容对象， T1=T2=100s。 2、风管到干燥器的纯 延迟时间τ＝3s 。
控制参数选择方案一
以乳液流量为控制参数（操作量）时的系统框图
控制参数选择方案一
f2 (t) 混合过程
风管
干燥器
f3 (t )
换热器
风管
干燥器
以乳液流量为控制参数时控制系统框图
x(t)
y(t)
调节器
控制参数的选择
高位槽 阀1
A
B 过滤器
阀2
干燥器
鼓风机
换热器
阀3
蒸汽
风管
扰动分析：
1、乳液温度和流量波 动，干扰f1(t)。
2、旁路冷风流量，干 扰f2(t)。
3、蒸汽压力、温度变 化，干扰f3(t)。
过程特性对控制质量的影响
一、干扰通道特性对控制质量的影响 F(s)
Gf (s)
R(s) E(s) GC (s) U (s) Gv (s) Q(s) Gp (s)
由于系统的干 扰主要来自乳液 流量的波动，可 以控制系统负荷 均匀变化减少对 系统的冲击。
控制方案探讨
高位槽 阀1
过滤器
TC
阀2
TT 干燥器
鼓风机
换热器
阀3
蒸汽
风管 TT
TC
增加蒸汽流量控制 系统可节省能源！
但增加蒸汽流量控 制系统后使系统成为 一个MIMO的复杂控 制系统，我们随后介 绍其控制方法！
若考虑纯滞后: C(S)
1
K f es
F(S) 1 Gc (S)Gv (S)Gp (S)H (S) Tf s 1
结论：
1）Kf 越大，由F(S)引起的C(S)则越大，即C(S)偏离期望值越大； 所以希望Kf 值越小越好。 2）Tf 越大，惯性越强，对干扰的“滤波”效果越明显，干扰对输 出的动态影响越小，所以希望Tf 越大越好。 3）τ f 的存在于否，不影响系统的控制质量，所以应尽可能将纯滞 后时间长的环节置于干扰通道。
风管 干燥器
x(t)
测量变送
控制回路增加了一个纯滞后环节调节性能下降，但是 该方案避免了工艺的不合理。
由于系统的纯滞后时间小，对系统性能影响不大。因 此方案二是可行的方法！
控制参数选择方案三
以加热蒸汽流量为控制参数（操作量）时的系统框图
控制参数的选择
高位槽 阀1
A
B 过滤器
阀2
干燥器
鼓风机
换热器
典型最佳调节过程 1 b
a
生产过程中的控制系 统多为恒值调节系统， 评定控制系统性能的常 用指标有稳态误差、最 大超调或超调率、衰减 率和过渡过程时间等。
阀3
蒸汽
风管
扰动分析：
f1(t)、f2(t)、f3(t)。
对象特性：
1、换热器为双容对象， T1=T2=100s。 2、风管到干燥器的纯 延迟时间τ＝3s 。
控制参数选择方案三
f2 (t)
混合过程
f1(t)
风管
干燥器 干燥器
x(t)
y(t)
调节器 调节阀
换热器
风管 干燥器
测量变送
这个控制方案的性能是最差的。 根据以上分析方案二的控制参数选择最合适！
C(s)
Y (s) H (s)
系统输出与干扰之间的传递函数为：
C(S)
Gf (S)
F(S) 1 Gc (S)Gv (S)Gp (S)H (S)
假设：G f
(S)

K Tf s
f
1
干扰通道的影响
C(S)
1
Kf
F(S) 1 Gc (S)Gv (S)Gp (S)H (S) Tf s 1
1940年以前PID控制器的参数整定没有有效的方法。 Taylor仪表公司的John Ziegler和Nathanier Nichols致力于 PID调节器的参数整定方法研究。他们于1941年找到了相 对直接的整定PID参数的方法。
这就是著名的Ziegler-Nichols法
PID控制器参数的工程整定
有的调节器直接提供加热控制和制冷控制两种设定
控制系统连接图
高位槽
本控制方案有无问题？
阀1
过滤器
TC
TT
阀2
干燥器
鼓风机
换热器
阀3
蒸汽
风管
本控制方案的 能源利用效率不 高大量热能被浪 费！不环保也不 经济。
控制方案探讨
高位槽
FC 阀1
过滤器
TT 阀2
鼓风机
换热器
阀3
蒸汽 TC
干燥器 风管
左图为方案三 的连接图，此方 案时间常数大导 致调节不及时的 缺点能否消除？
调节阀
干燥器
测量变送
这个控制方案的性能是最优的！ 然而乳液流量是控制系统的生产负荷，由整个系统的 期望产量确定。生产负荷通常不能作为控制参数！
控制参数选择方案二
以冷风流量为控制参数（操作量）时的系统框图
控制参数选择方案二
f3 (t )
换热器
f1(t)
风管
干燥器 干燥器
y(t)
调节器 调节阀 混合过程
赵跃西安理工大学自动化与信息工程学院信息与控制工程系第五章简单控制系统设计一一单回路控制系统设计单回路控制系统设计二二pidpid调节参数的工程整定调节参数的工程整定单回路控制系统设计单回路控制系统的概念单回路调节系统一般指对一个被控制对象使用一个调节器来保持一个参数恒定
过程控制与自动化仪表
西安理工大学自动化与信息工程学院 信息与控制工程系
假设：G
f
(S
)

K Tf s
f
1
G
p
(
S
)

K Tps
p

1
C(S)
1
Kf Kp
F(S) 1 Gc (S)Gv (S)Gp (S)H (S) Tf s 1 Tps 1
ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ
结论：
4）当干扰进入系统的位置提前，即干扰在GP(S)之前进入系统时, 与前面相比又多了一个“滤波”项。所以干扰进入系统的位置越 远离被控参数越好。
为系统的开环传递函数。
闭环系统的特征方程为 1 Gk (s) 0 一般形式为 S n an1s n1 a1s a0 0
各系数 ai 由广义对象的特性和调节器的整定参数所确定。
调节器参数整定的实质就是选择合适的调节器参数，使其闭环控制系统的特征 方程的每一个根都能满足稳定性的要求。
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。
控制参数的选择
高位槽 阀1
A
B 过滤器
阀2
干燥器
鼓风机
换热器
阀3
蒸汽
风管
扰动分析：
f1(t)、f2(t)、f3(t)。
控制参数的选择
控制参数选择的一般原则
C(S) Gc (S)Gv (S)Gp (S) F(S) 1 Gc (S)Gv (S)Gp (S)H (S)
(a) Kp越大越好 ， Tp适当小一些 ； (b) τ p越小越好 ， τ p / Tp < 0.3 (c) 尽可能将广义对象的时间常数错开，即 T max / Tmin 越大 越好。 (d) 考虑工艺操作的合理性，经济性等因素。
当调节器置于正作用时随测量信号的增加调节器 的输出也增加。P157
调节器的正/反作用是指测量值与输出值之间，不 是偏差和输出之间!
控制仪表的选择
因此当正作用时KC<0
f3 (t )
换热器
f1(t)
风管
干燥器 干燥器
y(t)
调节器 调节阀 混合过程
风管
干燥器
x(t)
测量变送
已知: KV 0, K0 0, Km 0 为了保证负反馈要求 KC KV K0 Km 0,故KC 0. 因KC 0,所以取调节器为反作用 方式
调节器参数整定的理论基础
由衰减率定义可知


y1m y3m y1m

Aet
Ae (t2 ) Aet
2
1e
1 e2m
其中衰减指数ｍ为 与 之比
衰减指数与衰减率的关系如下表
0 0.150 0.300 0.450 0.600 0.750 0.900 0.950 … …
控制通道特性对控制质量的影响与干扰通道正好相反!
过程特性对控制质量的影响
二、控制通道特性对控制质量的影响 F(s)
Gf (s)
R(s) E(s) GC (s) U (s) Gv (s) Q(s) Gp (s)
C(s)
Y (s) H (s)
系统输出与输入之间的传递函数为：
C(S) Gc (S)Gv (S)Gp (S) F(S) 1 Gc (S)Gv (S)Gp (S)H (S)
控制通道的时间常数匹配
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
G0
(s)

(T1s
K0 1)(T2 s 1)(T3s
1)
相应的临界稳定增益
KK
2 T1 T2
T2 T3
T3 T2
T2 T1
T3 T1
T1 T3
K K 的大小完全取决于 T1 T2 T3 三个时间常数的相对比值