【文档说明】东北电力学院动力工程系毕业设计.pptx，共(51)页，3.352 MB，由精品优选上传

转载请保留链接：https://www.ichengzhen.cn/view-290569.html

以下为本文档部分文字说明：

第四章单回路控制系统第一节、概述第二节、对象特性对控制质量的影响第三节、单回路控制系统的分析第四节、单回路控制系统的整定第五节、单回路控制系统实例1第一节概述调节器和控制对象是单回路控制系统的两个主要的组成部分单回路控制系统原理框图W

T(S)W0(S)WZ(S)Wm(S)e−()外扰yVTrVmf(内扰)调节器控制对象广义控制对象2第一节概述调节器有正作用和反作用，单回路控制系统中调节器的正反作用方式选择的目的是使闭环系统在信号关系上形成负反馈。确定调节器正、反作用的次序一般为:首先根据生产过程安全等原则确定调

节阀的形式、测量变送单元正反特性，然后确定被控对象的正反特性，最后确定调节器的正反作用。使系统正常工作时组成该系统的各个环节的极性(可用其静态放大系数表示)相乘必须为负。3各环节极性规定环节的输入量增加，其输

出量也增加，该环节为正特性，其静态放大系数为正。如：测量变送单元，控制对象W0(S)KZKmyVTVmy4执行器及阀门配合类型5调节器偏差=测量值-给定值，即e(t)=y(t)-r(t)e(t)=r(t)-y(t

)控制系统偏差的定义：正作用调节器：当系统的测量值减给定值增加时，调节器的输出也增加。6调节器正反作用定义：正作用：e´↑(e↓)→u↑，即KC为正反作用：e´↑(e↓)→u↓，即KC为负设置正反作用的目的：使控制系统

构成负反馈系统PID广义被控对象给定值r被调量yeu控制器（调节器）-1e´7总结控制系统各环节的极性的规定：正作用调节器：即当系统的测量值增加时，调节器的输出亦增加，其静态放大系数Kc取正；反作用调节器：即当系统的测量值增加时，调节器的输出减小

，其静态放大系数Kc取负；气开式调节阀：其静态放大系数Kv取正；气关式调节阀：其静态放大系数Kv取负；正作用被控过程：其静态放大系数K0取正；反作用被控过程：其静态放大系数K0取负。过程控制系统要能

正常工作，则该系统的各个环节的极性(可用其静态放大系数表示)相乘必须为负。8正反作用的判断方法:PIDryeu-τsKeG(s)=Ts+1-例：过热蒸汽温度控制系统对象K为负，要求其静态放大系数相乘必须为负,则KC为正，控制器为正作用

9第二节对象特性对控制质量的影响控制作用被调量干扰作用热工对象W0λ（s）W0μ（s）干扰通道控制通道控制质量是用衰减率或衰减比n、动态偏差ym（）、静态偏差y（）或e（）、控制时间ts等。描述对象特性的特征参数是放大系数K、时间常数Tc（T）、迟延时间τ（

n）。10控制器为比例控制规律其放大系数为KP控制通道的传递函数干扰通道的传递函数为WT(S)W0(S)re−VTy（扰动）W(S)seTsKsW−+=1)(00sesTKsW−+=1)(11一、干扰通道的特征参数对控制质量的影响1．放大系数K对控制质量

的影响()()()()()*01TYsWssWsWs=+∴在单位阶跃扰动下,系统稳态值：()()()()*000111limsTPWsKyWsWssKKs→==++干扰通道的放大系数K越大,在扰动作用下系统的动态偏差、稳态误差(静态偏差)

越大。12一、干扰通道的特征参数对控制质量的影响2．时间常数T对控制质量的影响T增加，被调量y对扰动的响应速度变慢，动态偏差减少扰动通道的时间常数越大越好,这样可使系统的动态偏差减小。1()(1)n

WsTs=+若：n增加,使闭环系统的动态偏差减小13一、干扰通道的特征参数对控制质量的影响3．迟延时间对控制质量的影响当扰动通道存在迟延τ时,则相当于一阶惯性环节串联了一个迟延环节()()()()()*01sTWsYsseWsWs−=+()()

ytyt=−扰动通道迟延时间τ的存在仅使被调量在时间轴上平移了一个τ值即过渡过程增加了一个τ时间。并不影响系统的控制质量。14一、干扰通道的特征参数对控制质量的影响15一、干扰通道的特征参数对控制质量的影响4．多个扰动对控制质量

的影响扰动进入系统的位置离输出(被调量)越远,对系统控制质量影响就越小。16二、控制通道的特征参数对控制质量的影响（一）放大系数Ko对控制质量的影响控制通道的放大系数Kp·Ko是一种互补关系，如果Kp保持不变，Ko增大时控制系统的稳定性裕度下降，被调量的静

态偏差减小(给定值输入），控制系统的过渡过程的时间将加长。17二、控制通道的特征参数对控制质量的影响（二）时间常数、迟延时间对控制质量的影响（1）n阶惯性对象对控制质量的影响讨论时间常数T和阶次n控制通

道的时间常数T如果增大,系统的反应速度慢,工作频率将下降,系统的过渡过程的时间将加长，减小控制通道的时间常数，能提高控制系统的控制质量。惯性对象阶次n越大对被调量的影响越慢，调节的也越慢，使控制系统的动态偏差、控制过程的时间增大，稳定性裕度减小。18二、控制通道

的特征参数对控制质量的影响（二）时间常数、迟延时间对控制质量的影响（1）n阶惯性对象对控制质量的影响19二、控制通道的特征参数对控制质量的影响（二）时间常数、迟延时间对控制质量的影响（2）有迟延对象对控制质量的影响讨论时间常数Tc和迟延时间为τ当控制通道有迟延时,迟延时间对

调节是不利的，控制质量主要取决于迟延和时间常数的比值τ/Tc,比值越大则控制质量越差。对象特性的其它条件不变时,迟延越大,动态偏差、控制过程的时间越大。对象特性的其它条件不变时,时间常数越大,动态偏差、控制过程的时间减小，稳定性裕度增大，时间常数Tc增大能提高系统的控制质量。20

二、控制通道的特征参数对控制质量的影响（二）时间常数、迟延时间对控制质量的影响（2）有迟延对象对控制质量的影响迟延时间τ一定Tc1=25Tc2=110Tc2=15021第三节单回路控制系统的分析一、采用P调节器的系统WT(S)W0(S)re−VTy（扰动）W(S)*利用频率

法分析系统稳定性*分析系统静态偏差结论：Kp↑,δ↓,稳定性下降，静态偏差↓，动态偏差↓P调节器适合于干扰较小，对象滞后、时间常数较小，调节精度不高的场合22二、采用I调节器的系统KI/SK/(TS+1)re−VTy（扰动）-K/(TS+1)2

3结论：*KI越大(Ti越小),积分调节作用越强,会使调节过程加剧振荡,稳定性降低,但被调量的动态偏差有所减小。*控制过程结束之后无静态偏差。*调节器一般只用在时间常数小而自平衡率很大的单容对象上。24三、采用PI调节器的系统引入积分作用消除了静态偏差

，但降低了系统的稳定性；为了保持控制系统原来的衰减率必须适当加大比例带以补偿积分作用带来的稳定性的下降，所以PI控制系统是以控制系统动态品质的下降来换取稳态性能的提高。WTK/(TS+1)re−VTy（扰动）-K/(TS+1)25四、采用PD调节器的系统存在静态

偏差，静态偏差的大小与调节器的比例带有关；由于微分作用的加入提高了PD控制系统的稳定性，为了达到和P控制系统相同的衰减率，可以适当地减小比例带（），这样使PD控制系统的静态偏差减小，这是微分作用引入后产生的间接效果。26总结

主要分析调节器参数比例带、积分时间Ti、微分时间Td对控制过程的影响控制器类型PPIPID说明整定参数δ↑δ↑Ti↑δ↑Ti↑Td↑↑:表示增加↓:表示减小Td过大时，将出现较高频率的振荡而衰减率减小.主要

性能衰减率↑↑略有↑↑略有↑略有↑动态偏差↑↑略有↑↑略有↑↓振荡频率↓↓略有↓↓略有↓↑复原速度——↓—↓—稳态偏差(负荷扰动时)↑Ti过大时，输出响应缓慢地趋向其稳态值，对于振荡过程输出偏向在稳态值之上(或下)振荡.27第四节单回路控制系统的整定控制系统的整定是指在控制系统的结构已经确定、

控制仪表与控制对象等都处在正常状态的情况下,适当选择调节器的参数(δ、Ti、Td)使控制仪表的特性和控制对象的特性配合,从而使控制系统的运行达到最佳状态,取得最好的控制效果。控制系统的整定方法有：理论

计算方法：广义频率特性法工程整定方法：响应曲线法临界曲线法衰减曲线法28一、广义频率特性法广义频率特性法是通过改变系统的整定参数,使控制系统的开环频率特性变成具有规定相对稳定性裕度的衰减频率特性,从而使闭环系统响应满足规定衰减率的一种参数整定方法。∵开环传递函数为:*0()()()kTWs

WsWs=*0()()()1kTWmjWmjWmj−+=−+−+=−*001()()()TWmjWmjWmj−−+==−+−+(,)()(,)(,)(,)TjmTTTTWmjRmjImAme−−+=+=0(,)0000()(,)(,)(,)

jmWmjRmjImAme−+=+=∴广义特征方程：m为衰减指数29说明：（1）如果调节器只有一个整定参数,就可求得唯一解。（2）如果调节器有两个或三个整定参数,能得出无穷多组解。所求出的各组调节器整定参数值使系统瞬态响应中的主导振荡成分的衰减率等于指定的数值,但振荡频

率(和振幅)并不一样。此时,应该用其他指标进一步从中选定最合适的调节器整定参数值。一般情况下,为保证主导振荡成分具有规定的衰减率,应选择其中频率最低的一组解。一、广义频率特性法30一、广义频率特性法100500055122200()(1)[(1)()

]TjtgmTWmjmTjTmTTe−−−+=−+=−+(一)单参数调节器整定5001()(1)WsTs=+(其中To值已知)1()TWs=,以系统瞬态响应的衰减率ψ=0.75为整定指标,求调节器参数δ的数值。解：5001()(1)WsTs=+

[例4-1]对象的传递函数Wo(s)为调节器的传递函数为−=+−=−0012520201511mTTtgTmT])()[(31000.72715TtgmT==−得ψ=0.75时,m=0

.221,把m值代入上式,得：Toω=0.62652221[(10.2210.626)(0.626)]1.37=−+=注：系统在不同衰减率时的计算结果指定衰减率ψ00.750.90.998与ψ值相应的m00.2210.3661Toω0.

7270.6260.5740.42振荡周期T/To8.641010.915Kp2.891.370.8880.188δ0.3460.731.135.3132一、广义频率特性法(二)双参数调节器的整定对于具有一个以上整定参数的调节器，只规定m值，其解是不确定的。为此，应采用其他性能指

标，从中选择最佳一组整定参数。1.调节器为比例积分作用比例积分调节器的广义频率特性为：22()[](1)(1)IITpKmKWmjKjmm−−+=−++++()ITpKWmjKmj−+=+−+2'

0''00(1)(,)(,)(,)IpKmImKmImRm=+=−33(二)双参数调节器的整定'0'''000(,)'0'''000()(,)(,)(,)(,)[cos(,)sin(,)]jmWmjRmjImAmeAmmj

m−+=+==+或者由：2''00'''000(1)(,)sin(,)(,)[sin(,)cos(,)]IpKmAmmKAmmmm=+=−可得：34(二)双参数调节器的整定通常选取KpKI

为最大这组参数作为最住参数352.调节器为比例微分作用调节器的广义频率特性为:()()()TPdPddWmjKKmjKKmjK−−+=−−−+=−−−''00'''0001(,)sin(,)(,)[sin(,)cos(,)]dpKAmmK

Ammmm=−=−+给定m值,就可在调节参数Kd～Kp平面上画出以ω为参变量的等衰减率曲线为了在保证系统瞬态响应的衰减率一定的前提下尽量减小稳态偏差,应选择尽可能大的KP值。因此,在等衰减率曲线上以KP数值最大的点作为调节器的整定参

数36(三)三参数调节器的整定(1)写出比例积分微分调节器的广义频率特性；(2)(2)根据广义频率特性求得KI、Kp的表达式。(3)设定一系列Kd值。在每一个Kd值上,计算KI、Kp等衰减率曲线;(4)对于每一个Kd值,在KI、Kp等衰减率曲线上选出一组最

适当的KI、Kp值;(5)对于上述选出的各组KI、Kp、Kd值,分别作出控制系统阶跃响应曲线,以其绝对值积分准则最小的一组KI、Kp、Kd值作为调节器的整定参数。0()Jytdt+=37二、工程整定法广义频率特性整定调节器参数是以对象的传递函数为基础，计算工作量

很大，计算的结果还需通过现场试验加以修正，所以在工程上采用的不多。工程实际中，常采用工程整定法，它们是在理论基础上通过实践总结出来的。38二、工程整定法1.响应曲线法响应曲线法是根据控制对象的飞升特性实验曲线求取对象的动态特性参数，然后根据一

些经验公式，就可以得到调节器的有关整定参数。响应曲线法整定参数计算表(ψ=0.75)(无自衡对象）控制作用调节器传递函数比例带δTiTdPWT(s)=1/δετPIWT(s)=1/δ(1+1/TiS)1.1ετ3.3τPDWT(s)=1/δ(1+TdS)0.8ετTd=(0.25

～0.3)τPIDWT(s)=1/δ(1+1/TiS+TdS)0.83ετ2τ0.5τ391.响应曲线法响应曲线法整定参数计算表(ψ=0.75)（有自衡对象）对象参数整定参数τ/TC≤0.20.2<τ/TC≤1.5控制作用δTiTdδTiTdPτ/ρTC2.6(τ/TC–0.08)/ρ(τ/T

C+0.7)PI1.1τ/ρTC3.3τ2.6(τ/TC–0.08)/ρ(τ/TC+0.6)0.8TCPID0.85τ/ρTC2τ0.5τ2.6(τ/TC–0.08)/ρ(τ/TC+0.6)0.81TC+0.19τ0.25τ4

01.响应曲线法说明：（1）该表适用于典型的多容热工控制对象；（2）两表均只适用于ψ=0.75的控制系统,若要求更高的衰减率,则需对公式进行修正；（3）利用响应曲线法整定调节器参数必须作对象的阶跃响应曲线,但试验所得到的阶跃响应曲线准确性不高,甚至

有时不允许作阶跃扰动试验。412.临界曲线法（稳定边界法）整定方法如下:(1)先将调节器改成纯比例作用(使Ti=∞,Td=0),并将比例带置于较大的数值,然后把控制系统投入闭环运行。(2)待系统运行稳定后,逐步减小比例带,观察不同δ值下的调节过程,直到调节过程出现等幅振荡为止,

记下此时的临界比例带δK和系统的临界振荡周期TK。(3)根据求得的δK和TK,由表4-6可求得调节器的整定参数。(4)将调节器参数按求得的数值设置好,此时比例带可设置得大一些,作系统的阶跃扰动试验,观察控制过程,适当修改整定参数。42控制作用调节器传递函

数比例带δTiTdPWT(s)=1/δ2δk2.4δkPIWT(s)=1/δ(1+1/TiS)2.2δk3.0δk0.85TkPIDWT(s)=1/δ(1+1/TiS+TdS)1.67δk2.1δk0.5Tk0.25Ti临

界曲线法参数表上表每一栏有两个数据,上面的数据适用于无自平衡能力的对象,下面的数据适用于有自平衡能力的对象。43当生产过程不允许出现等幅振荡时,可将试验改为有一定衰减率的衰减振荡过程。具体作法如下:(1)使调节器参数Ti=∞,Td=0,比例带δ置于较大的数值,将控制系统投入闭环运行。(2)待系统

运行稳定后,用给定值阶跃扰动作试验信号,观察控制过程。若ψ大于要求的数值,则逐步减小比例带δ,重复试验,直到出现ψ=0.75或ψ=0.9的控制过程为止,并记下此时的比例带δs(3)从控制过程曲线上求取

ψ=0.75时的衰减周期TS,或ψ=0.9的上升时间tr。(4)按表4-7计算调节器参数δ、Ti、Td。(5)先使调节器的比例带δ略大于计算值,然后将Ti、Td按计算值设置好,再将δ置于计算值。作给定值阶跃扰动试验

,观察控制过程,适当修改整定参数,直到控制过程满意为止。3.衰减曲线法44衰减曲线法整定参数计算表衰减率控制规律比例带δTiTdψ=0.75PPIPIDδS1.2δS0.8δS0.5TS0.3TS0.1TSψ=0.

9PPIPIDδS1.2δS0.8δS2tr1.2tr0.4tr45第五节单回路控制系统实例一、除氧器压力控制系统除氧器工作原理除氧器压力对象动态特性tt0P除氧器压力对象的动态特性%控制系统主要任务：使除氧器压力保持稳定

被调量：除氧器内蒸汽空间压力调节手段：进入除氧器的加热蒸汽量46除氧器压力控制系统分析PTI/VΔK∫T≮≯V/IATIIF(x)ZT蒸汽至给水泵排气P图4-34除氧器压力自动控制系统除氧器W0(s)KzKuK

mP−图4-35单回路控制系统方框图V0)s(WT47除氧器压力控制系统分析PTΔK∫TIIf(x)ZTAIAO30kPaAΔV≮Δ≯∑>-ddtA35kPa+_除氧器压力+_AΔAIH/LB考虑给水泵安全运行,除氧器压力应维持最小压力,一般最小压力规定为35Kpa。>的作用：使压力≥35Kp

aH/L的作用：如果偏差值超过±20,表示控制阀有故障,通过H/L（三态信号发生器）将发出报警信号并通过逻辑控制电路使除氧器压力控制系统自动切换到手动方式运行(即使T切换到B端)。48二、除氧器水位控制系统任务：保证除氧器给水箱保持规定的水位。被调量：水位调节手段：化学补

充水阀tt%h图4-37除氧器水位对象的动态特性49除氧器水位控制系统分析LTI/VΔK∫T≮≯V/IATIIF(x)ZT补充水排气除氧器50作业1.试推导单容、双容水箱（有自平衡能力）对象的传递函数，分析参数的物理意义，求阶跃响应曲线。2.写出P、PI、PID

调节器的动态方程、传递函数、阶跃响应曲线、控制特点、参数变化对系统性能的影响。3.对象的传递函数Wo(s)为调节器的传递函数为以系统瞬态响应的衰减率ψ=0.75为整定指标,求调节器参数δ的数值。1()TWs=,30)1(1)

(ssW+=51