第5章_简单控制系统的设计.ppt

第5章 简单控制系统的设计 本章要点 1）了解简单控制系统的设计任务及开发步骤； 2）熟悉被控过程特性对控制质量的影响，掌握被控参数、控制参数的设计原则； 3）了解调节规律对控制质量的影响，熟悉调节规律的选择方法； 4）掌握调节器作用方式的选择 5）熟悉执行器的选择方法及注意的问题； 6）掌握调节器参数的整定方法与实验技能，重点掌握调节器参数的整定方法。 5.1 简单控制系统设计概述 简单控制系统是只对一个被控参数进行控制的单回路闭环控制系统。是最基 本的过程控制系统。是构成复杂过程控制系统的基础。典型结构框图如下： 5.1.1 控制系统设计的任务及其开发步骤 如上图所示，简单过程控制系统主要由被控过程、过程检测和控制仪表组成 过程控制系统设计的主要任务就在于如何确定合理的控制方案、选择正确的 参数检测方法与检测仪表以及过程控制仪表的选型和调节器的参数整定等等 其中，控制方案的确定、仪表的选型和调节器的参数整定是过程控制系统 设计的重要内容。 5.2 控制方案的确定 控制方案的确定主要包括系统被控参数的选择、测量信息的获取及变送、 控制参数的选择、调节规律的选取、调节阀（执行器）的选择和调节器正 、反作用的确定等内容。 5.2.1 被控参数的选取 被控参数的选取对于提高产品质量、安全生产以及生产过程的经济运行等都 具有决定性的意义。这里给出被控参数选取的一般性原则： 1）对于具体的生产过程，应尽可能选取对产品质量和产量、安全生产、经济 运行以及环境保护等具有决定性作用的、可直接参数作为被控参数 。 2）当难以用直接参数作为被控参数时，应选取与直接参数有单值函数关系的 所谓间接参数作为被控参数。 3）当采用间接参数时，该参数对产品质量应具有足够高的控制灵敏度，否则 难以保证对产品质量的控制效果。 4）被控参数的选取还应考虑工艺上的合理性和所用测量仪表的性能、价格、 售后服务等因素 。 对于一个已经运行的生产过程，被控参数往往是由工艺要求事先确定的。 5.2.2 控制参数的选择 5.2.2.1 过程特性对控制质量的影响 1. 干扰通道特性对控制质量的影响 对于简单过程控制系统，可求得系统输出与干扰之间的传递函数为 假设 为一单容过程，其传递函数为 若单容过程具有纯时延时间 则： 则： 分析干扰通道特性对控制质量的影响如下: (式1) (式2) (式3) (1)干扰通道 的影响： 由式2可知当 越大，由干扰引起的输出也越大，被控参数偏离给定值就越多。 在系统设计时应尽可能选择静态增益 小的干扰通道，以减小干扰对被控参数 的影响。当 无法被改变时，应当增强控制作用或采用干扰补偿的方法。 (2) 干扰通道 的影响 由式2可知， 为惯性环节，对干扰 具有“滤波”作用， 越大，“滤波” 效果越明显，因此干扰通道的时间常数越大，干扰对被控参数的动态影响就越 小，因而越有利于系统控制质量的提高。 (3) 干扰通道 的影响 由式3可知， 的存在，仅仅使干扰引起的输出推迟了一段时间 因此， 的存在并不影响系统的控制质量。 (4) 干扰进入系统位置的影响 假定 不是在 之后，而是在 之前进入系统，则有 (式4) 将式4与式2相比，多了一个滤波项。这表明干扰多经过一次滤波才对被控参数 产生动态影响。从动态看，这对提高系统的抗干扰性能是有利的。因此干扰进 入系统的位置越远离被控参数，对系统的动态控制质量越有利。但从静态看， 这会使干扰引起被控参数偏离给定值的偏差相对增大，这对系统的控制品质又 是不利的。因此需要权衡它们的利弊。 2. 控制通道特性对控制质量的影响 (1) 控制通道 的影响 在调节器增益 一定的条件下，当控制通道静态增益 越大时，则控制作用 越强，克服干扰的能力也越强，系统的稳态误差就越小；与此同时，当 ，被控参数对控制作用的反应就越灵敏，响应越迅速。但是，当调节器静态增 越大 益 一定 越大时，系统的开环增益也越大，这对系统的闭环稳定性是不利 的。因此，在系统设计时，应综合考虑系统的稳定性、快速性和稳态误差三方 面的要求。 (2) 控制通道 的影响 如果控制通道的时间常数 太大，则调节器对被控参数变化的调节作用就不够及 时，系统的过渡过程时间就会延长，最终导致控制质量下降；但当 太小，则调 节过程又过于灵敏，容易引起振荡，同样难以保证控制质量。在系统设计时，应 使控制通道的时间常数 既不能太大也不能太小。 (3) 控制通道 的影响 控制通道纯滞后时间 产生的原因： 一是由信号传输滞后所致； 二是由信号的测量变送滞后所致； 三是执行器的动作滞后所致。 控制通道的纯滞后，都会使系统的动态偏差增大，超