第5章简单控制系统的设计

1+
Kd Kc K p
=0 sTI
• 无差调节，改进系统稳态性能。
积分调节
特点： ①无差调节; ②过渡过程缓慢,稳定性变差; ③Ti↓,响应速度↑,不稳定程度↑ 工程中：多选用PI. （P快速反应+I消除静差 ） PI适用场合：控制通道滞后较小,负荷变化不大,被控 参数不允许有余差场合。 (如：管道压力 流量控制)
PID 控制系统
D(s) SP(s) + E(s) GC(s) MV(s) Gv(s) CVm(s) Gd(s) GP(s) GS(s) + + CV(s)
传递函数 GC(s) = 控制器 Gv(s) = 调节阀 GP(s) = 被控过程 （调节通道） GS(s) = 传感器（测量变送） Gd(s) = 扰动对象 （扰动通道）
简单控制系统: SISO 一个被控参数,一个调节器,一个调节阀
过程控制系统设计概述
过程控制系统一般要求: 稳、快、准. 经济性) 设计任务： (根据过程特性,扰动 情况以及限制条件 等) 确定合理的控制方 案; 选择正确的过程检 测方法和仪表; 过程控制仪表的选 型和参数整定. 具体系统有所侧重 (或:安全性、稳定性、
扰动响应
Gd ( s ) CV ( s ) = D( s ) 1 + G p ( s )Gv ( s )Gc ( s ) 哪些环节影响系统动态响应?
控制通道特性对控制质量的影响
(1)静态增益Kp的影响： 调节器增益KC一定条件下,控制通道静态增益Kp越大,则控制作用越强. 抗扰↑. ess↓； Kp↑. Kp↑. 响应迅速(反应灵敏)； 对闭环稳定性不利.
积分饱和：误差不消除,调节器就不断积分下去,直到 调节器输出进入深度饱和,致使调节器失去调节作用。
微分调节规律对控制 质量的影响
MV +
Proportional Integral Derivative Note: Error = E ≡ SP - CV E SP +CV
PROCESS
dE (t ) 时域: MV (t ) = K cTD dt
工程经验(工艺要求,技术指标,环境,经济条件制约)+理论分析计算
5.2.2.2 控制参数的确定
简单控制系统控制参数选择的一般性原则总结如下： 1) 选择结果应使控制通道的静态增益 K 0 尽可能大，时间常数 T 0 选择适当。 2) 控制通道的纯时延时间 τ 0 应尽可能小,
τ 0 和 T 0 的比值一般应小于0.3。
第5章 简单控制系统的设计
1）简单控制系统的设计任务及开发步骤 2）被控过程特性对控制质量的影响 被控参数、控制参数的设计原则 3）调节规律对控制质量的影响 调节规律的选择方法 4）调节器作用方式的选择 5）执行器的选择方法及注意的问题 6）调节器参数的整定方法与实验技能
5.1 简单控制系统设计概述
⇒Kd小为好
(1)Kd的影响： Kd↑，扰动引起的输出越大. 偏离给定值多 若Kd不可变，采取办法:控制作用↑;扰动补偿. (2)Td的影响： 相当于滤波时间常数。 或: (3)时延影响: 时间. 相当于特征方程增加极点 不影响控制质量.
Td↑，扰动的动态影响↓
使对干扰的响应比无滞后时延时了τ
(4)扰动作用点的影响： 作用点越远离被控变量，对系统的动态控制质量 有利 (为什么？）
MV ( s ) 传递函数: GC ( s ) = = K cTd s E ( s)
TD = 控制器微分时间
微分调节
特点： ①预见趋势调节. 但当偏差变化速度难以察觉时(调节 器灵敏度所限)却有可能使偏差较大仍得不到调节,不单独 使用 ②PD.有差调节（实际） ③可提高系统稳定性,抑制超调(阻止被调量的变化) ④可减小静差,提高响应速度(保证衰减率不变情况下可 适当减小比例带，KC↑) 适用：控制通道时间常数大或容积滞后大的场合。 (如：温度,成分控制 etc.) 对纯滞后大,测量信号有噪声或周期性扰动系统不宜。
时间常数错开越多, 临界稳定增益Kk越大,对稳定性越有利. 实际生产中：最大时间常数对应核心设备,往往不可变,可减小其它时 间常数. 如. 快速测量仪表； 减小调节阀时间常数.
5.2 控制方案的确定
包括:被控参数选择 (或称:被控变量,被控量) （工艺重要，易测量，灵敏） 控制参数选择 (或称:控制变量,控制量) （考虑通道特性的影响） 测量信息的获取和变送 （精度，测量点，滤波，时延补偿） 调节阀的选择 （阀特性，工作区间，流量特性，气开/气关） 调节规律的确定等 （正作用、反作用）
2) 当广义过程控制通道时间常数较小、负荷变化不大、且工艺要求允 许有静差时，应选用P调节； 3) 当广义过程控制通道时间常数较小，负荷变化不大，但工艺要求无 静差时，应选用PI调节， 4) 当广义过程控制通道时间常数很大、且纯滞后也较大、负荷变化剧 烈时，简单控制系统则难以满足工艺要求，应采用其他控制方 案；
过程控制系统开发的主要步骤
1．熟悉控制系统的技术要求或性能指标 2．建立控制系统的数学模型 3．确定控制方案 包括系统的构成、控制方式和控制规律的确定，是控制系统设计的关键。 依据被控过程的特性、技术指标和控制任务的要求，考虑方案的简单性、 经济性及技术实施的可行性等，并且要进行反复研究与比较 ，方可确 定。 4．根据系统的动态和静态特性进行分析与综合 根据要求的技术指标和系统的动、静态特性进行分析与综合，以确定 各组成环节的有关参数。
变量 CV(s) = 被控变量 CVm(s) = CV(s)的测量变量 D(s) = 扰动 E(s) = 偏差 MV(s) = 操作变量（控制变量） SP(s) = 设定点（设定值）
干扰通道特性对控制质量的影响
D(s) Gd(s) CV(s) + GC(s) CVm(s) GS(s) Gv(s) GP(s) +
PID 控制系统
K 0 e −τ 0 s G0 ( s ) = T0 s + 1
τ 0 T0 < 0.2
0.2 < τ 0 T0 < 1.0
τ 0 T0 > 1.0
总结：选择调节规律的一般性原则: 1) 当广义过程控制通道时间常数较大或容积迟延较大时，应引入 微分调节；当工艺容许有静差时，应选用PD调节；当工艺要求 无静差时，应选用PID调节；
5.2.3
被控参数的测量与变送
测量变送环节
Km −τ s Y (s) = e m X (s) Tm s + 1
为了减小测量信号的动态偏差，应尽可能选择快速测量仪表， 并且注意以下几点问题： 1) 尽可能做到对测量仪表的正确安装，避免引起不必要的测量误差，降低 仪表的测量精度； 2) 对测量信号应进行滤波和线性化处理； 3) 对纯滞后要尽可能进行补偿； 4) 对时间常数 Tm 的影响要尽可能消除。 除了尽量选用快速测量仪表，也可在测量变送环节的输出端串联微分环节
5．系统仿真与实验研究 检验系统理论分析与综合正确与否。 其中 Matlab语言是进行系统仿真的有效工具。 6．工程化设计 包括: 测量方式与测量点的确定、 仪器仪表的选型与定购、 控制室及仪表盘的设计、 仪表供电与供气系统的设计、 信号连锁与安全保护系统的设计、 电缆的敷设 保证系统正常运行的有关软件的设计等。 7．工程安装 依据施工图对控制系统的具体实施。 8．控制器的参数调整 在控制方案设计合理、仪器仪表工作正常、 系统安装正确无误的前提下，使系统运行在 最佳状态。

=20%
1 = =5 Kp = 20 % δ 1
积分调节规律对控制质量的影响
MV + Proportional Integral Derivative Note: Error = E ≡ SP - CV E SP +CV
PROCESS
扰动作用后 稳态值:
CV (t ) t →∞
ΔD = lim s s →0 s
PID 控制系统
D(s) SP(s) + CVm(s) GS(s) E(s) GC(s) MV(s) Gv(s) GP(s) + + Gd(s) CV(s)
设定值响应
G p ( s )Gv ( s )Gc ( s ) CV ( s ) = SP( s ) 1 + G p ( s )Gv ( s )Gc ( s )GS ( s )
3) 干扰通道的静态增益 K f 应尽可能小；时间常数 T f 应尽可能大，其个数 尽可能多；扰动进入系统的位置应尽可能远离被控参数而靠近调节阀。 这样选择对抑制扰动对被控参数的影响均有利。 4) 当广义被控过程由几个一阶惯性环节串联而成时，应尽量设法使几个时间 常数中的最大与最小的比值尽可能大，以便尽可能提高系统的可控性。 5) 在确定控制参数时，还应考虑工艺操作的合理性、可行性与经济性等因素
比例调节规律对控 制质量的影响
MV +
Proportional Integral Derivative Note: Error = E ≡ SP - CV E SP +CV
PROCESS
时域: MV (t ) = K c E (t )
物理对象:
v1
比例调节
比例控制特点： ①有差调节 ②静差随比例带增大而增大 ③KC↑,响应速度↑ 适用场合： 控制通道滞后小,负荷变化不大,控制要求 不高,被控参数允许有余差场合。 (如，储槽液位 etc.) ⎛ e u 比例带 δ =⎜ / ⎜x ⎝ max − x min u max − u min
y ( s ) K m (TD s + 1) = x( s ) Tm s + 1
若选择 Tm = TD ，则在理论上可以完全消除 Tm 的影响。 微分先行：一方面，这对于克服时间常数的影响，与串联在测量变送环 节之后是等效的；另一方面，还可以加快系统对给定值变化时的动态响 应。 （对于纯滞后时间有无作用？)