1、分 散 控 制 系 統（自動控制系統基礎知識）華北電力大學 自動化系概述1、自動控制的概念 在熱力生產設備上配置一些自動化裝置，代替人的部分直接勞動，使生產在不同程度上自動地進行。這種在無人直接參與的情況下，由自動化儀表和裝置來控制生產過程的辦法就稱為熱力過程自動化。 2、熱力生產過程自動化的組成1自動檢測：對反映熱力生產過程運行狀態的物理量、化學量以及表征設備工作狀況的參數自動地檢查、測量和監視。 2自動調節：自動調節就是依靠自動調節設備來實現調節作用。自動調節設備必須具備檢測、定值、運算、執行等功能。熱力設備安全經濟運行，要求某些表征熱力設備正常工作的物理量始終維持在某一規定值或預定范圍內

2、、按預定的規律來變化，生產過程經常受到各種干擾，使被調量偏離規定值，需要進行相應的調節 ，使之保持或恢復到規定的范圍內，保證生產過程的穩定。3自動保護：熱力設備發生異常甚至發生事故時，為確保生產的安全，保證產品的質量，需要對某些關鍵性參數設置信號、聯鎖裝置，事故發生前，信號系統能發出聲、光信號，提醒操作人員采取措施。是一種安全裝置。 4自動操縱包括遠方控制、程序控制或順序控制）：根據預先規定的程序或條件自動地對生產設備進行某種周期性操作，把操作人員從重復性勞動中解放出來。 3、熱力生產過程自動控制系統 熱力生產過程自動化主要包括鍋爐、汽輪機及其輔助設備的自動控制。自動控制的任務是使鍋爐、汽輪機

3、適應負荷的需要，同時又能在安全、經濟的工況下運行。 鍋爐自動控制系統，鍋爐自動調節的任務主要有：1使鍋爐供給的蒸汽量適應負荷變化的需要；2使鍋爐供給的蒸汽壓力保持一定范圍內；3使過熱蒸汽和再熱蒸汽溫度在一定范圍內；4保持汽包水位在一定范圍直流爐無）；5保持燃燒的經濟性；6保持爐膛負壓在一定范圍內。為了實現上述調節任務，根據實際運行經驗，組成以下幾個相對獨立的調節系統：1給水自動調節系統；2過熱蒸汽和再熱蒸汽溫度自動調節系統；3燃燒過程自動調節系統，包括燃料量調節、送風量調節、引風量調節系統。 汽機自動控制系統汽輪機自控系統主要有功率轉速調節系統以及超速保護，汽輪機的轉速較高，生產對汽輪機維持一

4、定的轉速和適應負荷變化的要求都很嚴格，人工操作無法滿足這樣的要求汽輪機的自控屬于汽輪機專業的范疇。輔機自動控制系統輔機自動控制系統主要有除氧給水系統、水處理系統等。 熱工自動控制系統組成與分類 自控系統一般由以下幾部分組成： 受控對象過程）：在自動控制系統中，工藝變量需要控制的生產過程、設備或機械等，如汽輪機、過熱器等；被控變量：表征其工作狀態的物理量，如汽輪機轉速、主汽溫度等；測量變送：對被控量進行測量轉換成標準信號的裝置，例如壓力變送器、熱電阻、熱電偶等；調節器：把測定值和設定值進行比較運算，并輸出控制指令的裝置；執行器調節閥）：把調節器的指令成比例地轉換為直線或角位移地裝置； 自動控制系

5、統的分類按控制方式分類 1閉環控制系統也稱反饋控制系統）：被控量信號反饋到控制設備的輸入端，成為控制設備生產控制作用的依據。被控量與給定量有偏差，控制設備就要對控制對象施加作用，直到被控量符合要求為止。閉環控制系統基于偏差進行控制，消除偏差，可克服各種擾動對被控量的影響。由于控制作用落后于干擾，因此相對來講控制不及時。a)定值控制系統 b)隨動控制系統 c)程序控制系統 2開環控制系統也稱前饋控制系統）：控制設備和控制對象在信號關系上沒有形成閉合回路的控制系統，其被控量沒有反饋到控制設備的輸入端。特點是按擾動進行控制，結構簡單，精度差，只能克服單一擾動。3復合控制系統：開環控制和閉環控制組合的

6、一種控制系統。 按閉合回路的數目分類 1單回路控制系統：只有一個被控量信號反饋到控制器的輸入端。形成一個閉合回路。 2多回路控制系統：具有一個以上的閉合回路，控制器(調節器)除接受被控量反饋信號外，還有另外的輸出信號直接或間接地反饋到控制器的輸入端。例如串級控制系統和導前微分控制系統都是雙回路控制系統。 主要自動化系統CCS：單元機組協調控制系統coordination control system，CCS） 協調控制是基于機、爐的動態特性，應用多變量控制理論形成若干不同形式的控制策略，在機、爐控制系統基礎上組織的高一級機、爐主控系統。它是單元機組自動控制的核心內容。 FSSS：鍋爐爐膛安全監

7、控系統furnace safeguard supervisory system，FSSS或稱燃燒器管理系統burner management system，BMS） 爐膛安全監視系統包括爐膛火焰監視，爐膛壓力監視，爐膛吹掃，自動點火，燃燒器自動切換，緊急情況下的主燃料跳閘等。 SCS：順序控制系統sequence control system） 按照生產過程工藝要求預先擬定的順序，有計劃、有步驟、自動地對生產過程進行一系列操作的系統，稱之為順序控制系統。順序控制也稱程序控制，在發電廠中主要用于主機或輔機的自動啟停程序控制，以及輔助系統的程序控制。 DEH：汽輪機數字電液控制系統digital

8、electric hydraulic system） 汽輪機數字電液控制系統是汽輪發電機組的重要組成部分，除完成汽輪機轉速、功率及機前壓力的控制外，還可實現機組啟停過程及故障時的控制和保護。 BPS：旁路控制系統bypass control system，BPS） 大型中間再熱式機組一般都設置旁路熱力系統，其目的是在機組啟、停過程中協調機、爐的動作，回收工質，保護再熱器等。完備的旁路控制系統是充分發揮旁路系統功能的前提。 DAS：數據采集系統data acquisition system） 又稱為計算機監控系統，其基本功能是對機組整個生產過程參數進行在線檢測，經處理運算后以CRT畫面形式提供給

9、運行人員。該系統可進行自動報警，制表打印，性能指標計算，事件順序記錄，歷史數據存儲以及操作指導等。 廠級實時監控信息系統Supervisory Information System in Plant Level，簡稱SIS） SIS是發電廠的生產過程自動化和電力市場交易信息網絡化的中間環節，是發電企業實現發電生產到市場交易的中間控制層，是實現生產過程控制和生產信息管理一體化的核心，是承上啟下實現信息網絡的控制樞紐。實現全廠生產過程監控實時處理全廠經濟信息和成本核算競價上網處理系統實現機組之間的經濟負荷分配機組運行經濟評估及運行操作指導 AGC：自動發電控制系統，（automatic gener

10、ation control System，AGC） 由于調速器為有差調節，因此對于變化幅度較大、周期較長的變動負荷分量，需要通過改變汽輪發電機組的同步器來實現，即通過平移調速系統的調節靜態特性，從而改變汽輪發電機組的出力來達到調頻的目的，稱為二次調整。 當二次調整由由電網調度中心的能量管理系統來實現遙控自動控制時，則稱為自動發電控制AGC）。 過程控制系統的性能指標過程控制系統的性能指標單項性能指標單項性能指標衰減率、超調量、穩態誤差、調節時間衰減率、超調量、穩態誤差、調節時間控制器控制器廣義被控對象廣義被控對象給定值給定值被調量被調量穩態穩態穩態穩態動態動態控制要求控制要求安全性安全性積極性

11、積極性穩定性穩定性評價指標評價指標穩定性穩定性準確性準確性快速性快速性控制器廣義對象+-給定給定被調量被調量y1y3yessts單項性能指標單項性能指標衰減率衰減率: =超調量超調量: =穩態誤差穩態誤差: ess=y-r調節時間調節時間: ts(進入穩態值進入穩態值5%范圍內）范圍內）131y - yy1100%yyr單項性能指標單項性能指標衰減率衰減率 : 反映了系統穩定性反映了系統穩定性超調量超調量 : 反映了動態準確性反映了動態準確性穩態誤差穩態誤差ess: 反映了靜態準確反映了靜態準確性性調節時間調節時間ts : 反映了快速型反映了快速型一般一般 對定值系統衰減率要求為對定值系統衰減

12、率要求為75%75% 對隨動系統衰減率要求為對隨動系統衰減率要求為90%90%熱工對象的動態特性典型自衡對象傳遞函數表達式典型自衡對象傳遞函數表達式典型非自衡對象傳遞函數表達式典型非自衡對象傳遞函數表達式1= =K響應自自衡衡率率速速度度-sKG(s) =eTs +1-s1G(s) =eTs1 =T響應速速度度熱工對象具有以下特點： （1被調量的變化大多是不振蕩的。 （2被調量在干擾發生的開始階段有遲延和慣性。 （3在響應曲線的最后階段，被調量可能達到一個新的平衡狀態對象有自平衡能力），也可能不斷變化而無法進入平衡狀態對象無自平衡能力）。 （4描述對象動態特性的特征參數有：放大系數 、時間常數

13、、遲延時間。 階躍響應曲線求取對象傳遞函數 時域法是目前應用最多的一種方法，其主要內容是：給對象人為加一階躍擾動，記錄下響應曲線，然后根據該響應曲線求取對象的傳遞函數。由階躍擾動作用下的對象的動態特性為階躍響應曲線，即飛升曲線。階躍響應曲線能比較直觀的反映對象的動態特性；其次特征參數直接取自記錄曲線而無需經過中間轉換，試驗方法也很簡單。 階躍響應獲取應注意的問題階躍響應獲取應注意的問題（1合理選擇階躍擾動的幅度(一般為額定負荷10%20%)（2實際閥門只能以有限速度移動一般認為階躍信號是在t1 /2時加入）（3試驗前確保被控對象處于穩定工況（4若過程不允許同一方向擾動加入，則采用矩形脈沖擾動，

14、可從脈沖響應曲線求出所需的階躍響應。2 確定自衡對象傳遞函數確定自衡對象傳遞函數-sKeG(s)=Ts+1-s-sn12KeKeG(s) =G(s) =(Ts+1)(T s+1)(Ts+1)或典型自衡過程：典型自衡過程：一階慣性環節一階慣性環節用有理分式表示的傳遞函數用有理分式表示的傳遞函數選擇哪種傳遞函數的形式，可依據以下兩點：選擇哪種傳遞函數的形式，可依據以下兩點：對被控對象的驗前知識的掌握對被控對象的驗前知識的掌握對建立數學模型準確性的要求對建立數學模型準確性的要求 二階或二階或n階慣性環節階慣性環節m-sm10nn10b s+b s +bG(s)e(n ma s +a s +a）（1確

15、定確定-sKeG(s) =Ts+1參數參數KT的作圖法的作圖法 t1/2處為擾動起點；處為擾動起點； 在在s型響應曲線找拐點，并作切線；型響應曲線找拐點，并作切線； 記交點記交點a、b和和cab 起點到起點到a的距離為的距離為； a點到點到c點的距離為點的距離為T；c0yK = （2確定確定-sKeG(s)=Ts+1參數的兩點法參數的兩點法 *y(t)yt =y() 將響應曲線標幺將響應曲線標幺 *0t yt =t-1-exp -tT 取取y*(t1)=0.39，取，取y*(t2)=0.63，記，記t1和和t2 2112T = 2(t- t ) = 2t- t 取取34t= 0.8T + t=

16、 2T + 驗證驗證34y * (t ) = 0.55y * (t ) = 0.87（3確定確定-s1212KeG(s) =TT(Ts+1)(T s+1)，參數的兩點方法參數的兩點方法 將響應曲線標幺并去掉純遲延的到將響應曲線標幺并去掉純遲延的到y*(t) 取取y*(t1)=0.4，取，取y*(t2)=0.8，記，記t1和和t2若若0.320.46 ，則為高階對象，則為高階對象見表見表1-1n t1/t21 0.3172 0.463 0.5344 0.5845 0.6186 0.6407 0.666 n t1/t28 0.6849 0.69910 0.71211 0.72412 0.73413

17、 0.74814 0.751 =12nt +t1G(s)nT2.16Ts+1表表1-1 高階對象中高階對象中n與比值與比值t1/t2的關系的關系-seG(s) =Ts1naG(s) =T s(Ts+1)3由階躍響應確定非自衡過程近似傳遞函數由階躍響應確定非自衡過程近似傳遞函數一階積分環節的多容過程一階積分環節的多容過程非自衡過程傳遞函數為：非自衡過程傳遞函數為： 一階積分環節的純遲延過程一階積分環節的純遲延過程*當對象的階數當對象的階數n6時，一般多容過程傳遞函數時，一般多容過程傳遞函數 描繪描繪（1一階積分的多容過程一階積分的多容過程1naG(s) =T s(Ts+1)-10na22n-10

18、22na2n-1t-0Ta111y(t) =LTs(Ts +1)s1nTnT(n -1)TT1=L-+Tss1+ Ts(1+ Ts)(1+ Ts)stn - 2t1t=t -nT + Ten + (n -1)+TT2!T(n -1)!Ty *(t)+ y (t)階躍響應為階躍響應為當當y*(t)0時時 ，記記tta有：有：tanT Tta /n *00aa t nTy (t) =-TT漸近線方程：漸近線方程：當當t0時，時，y*(t)0h0a0aa0 nT0h =T nTtT =0h0h不能直接不能直接得到結果得到結果可以直接可以直接得到結果得到結果當當ttanT時，時，y(ta)=y1(ta

19、),值為值為 ：2n-1-n0aa T(n-2)nny(t ) =en+n(n-1)+T2!(n-1)!2n-2-nay(t )(n-2)n(n-3)nn=e1+(n-1)+0h2!3!(n-1)!a0a t0 h =T由漸近線方程有：由漸近線方程有：*故故y(ta )/oh與與n為單值關系為單值關系n n1 12 23 34 45 56 6y(ty(ta a )/0h )/0h0 0368368 0 02712710 0224224 0 01951950 01751750 0161161表表1-2n 、 Ta 、 T參數的確定：參數的確定：n由由y(ta )/0h的值經查表的值經查表1-2確

20、定；確定；Tta /n；0aa0 nTtT =0h0h1naG(s) =T s(Ts+1)非自衡過程非自衡過程-sa1G (s) =eT s00aaT =t=ohoh（2有遲延的一階積分對象有遲延的一階積分對象需要確定兩個參數需要確定兩個參數(T和和)。在在yt上作漸進線，取上作漸進線，取ta= 。*0a ty (t) =ohT漸近線方程：漸近線方程：控制器控制器PID廣義被控對象廣義被控對象給定值給定值r r被調量被調量y yeu PID 統計表明生產過程統計表明生產過程80%的控制可以用的控制可以用PID控制器構控制器構成單回路反饋控制系統進行控制簡單控制系統）。成單回路反饋控制系統進行控

21、制簡單控制系統）。 PID控制是比例積分微分控制的簡稱。控制是比例積分微分控制的簡稱。 是一種負反是一種負反饋控制。即控制器與廣義被控對象構成的系統為閉環負饋控制。即控制器與廣義被控對象構成的系統為閉環負反饋系統。其作用是對輸入偏差進行調節，從而緩解系反饋系統。其作用是對輸入偏差進行調節，從而緩解系統的不平衡，使系統輸出穩定。統的不平衡，使系統輸出穩定。控制器包括求偏差控制器包括求偏差和和PIDPID運算運算1典型的傳遞函數為：典型的傳遞函數為： *DD*IIDDIIDIIDT s1111T sFTsFT sFTT1111K TsK sK TsK sccu(s)G s =KKe(s) DcDI

22、DT su(s)1G s = K1+Te(s)T ss +1K cDIu(s)1G s = K1+ T se(s)T s實際實際PID理想理想PID其中：其中：KC：比例系數：比例系數TI：積分時間：積分時間TD：微分時間：微分時間KD：微分增益：微分增益2PID調節的優點調節的優點原理簡單適用和實現方便）原理簡單適用和實現方便）適應性強應用面寬）適應性強應用面寬）魯棒性強對過程變化不敏感）魯棒性強對過程變化不敏感）3調節器偏差的定義調節器偏差的定義按儀表制造業的規定：按儀表制造業的規定：調節器偏差調節器偏差=測量值測量值-給定值，即給定值，即 e (t) = y(t) - r(t)e(t)

23、= r(t) - y(t)控制系統偏差的定義：控制系統偏差的定義：4.4.調節器正反作用定義：調節器正反作用定義： 正作用：正作用：e (e) u，即，即KC為負為負反作用：反作用： e (e) u，即，即KC為正為正設置正反作用的目的：使控制系統構成負反饋系統設置正反作用的目的：使控制系統構成負反饋系統PID廣義被控對象廣義被控對象給定值給定值r r被調量被調量y yeu控制器調節器）控制器調節器）5正反作用的判斷方法正反作用的判斷方法(六邊形法六邊形法):er-y）e (y-r)PIDr ry yeu-sKeG(s)=Ts+1-y對象對象K為負，控制器作用應使為負，控制器作用應使u正作用正

24、作用例：過熱蒸汽溫度控制系統例：過熱蒸汽溫度控制系統比例調節比例調節 比例調節規律（比例調節規律（ P） cC10u s1Gs = K= Se s1u(t) =e(t) + uKC為比例增益，為比例帶為比例增益，為比例帶。 的物理意義：使調節閥開度改變的物理意義：使調節閥開度改變100%（即從全關到全開所需要（即從全關到全開所需要的被調量的變化范圍。的被調量的變化范圍。u0是偏差是偏差e=0時，調節器輸出初始值。時，調節器輸出初始值。*比例作用的線性關系只在一定范圍其作用比例作用的線性關系只在一定范圍其作用比例調節的特點比例調節的特點 調節作用及時。調節作用及時。KC 調節作用增強調節作用增強

25、調節誤差調節誤差 自衡對象：自衡對象：非自衡對象：非自衡對象：sss01e= limse(s) =011+Ksss01e= limse(s) =0111+ Tscpr(s)e(s) =1+ G (s)G (s)KC變化對系統控制性能指標的影響變化對系統控制性能指標的影響KC衰減率衰減率 穩態誤差穩態誤差ess超調量超調量 振蕩頻率振蕩頻率 KC增加增加r ry yeu-sKeTs+1-CK擾動擾動1.積分調節規律積分調節規律I）積分調節積分調節 c0It0Iu s1Gs = S se sT s1u(t) =edtTTI為積分時間，為積分時間，S0為積分速度為積分速度 積分調節的特點積分調節的特

26、點 sss0s0I11e =limse(s) =lim=01s1+KTs無差調節無差調節 調節作用不及時調節作用不及時TI太大太大TI適當適當TI太小太小TI過小過小浮動調節浮動調節調節閥開度與當時的被調量的數值本身沒有直接關系調節閥開度與當時的被調量的數值本身沒有直接關系 。積分作用使系統穩定性變差。積分作用使系統穩定性變差。TI 調節作用增強調節作用增強TI變化對系統控制性能指標的影響變化對系統控制性能指標的影響TIS0衰減率衰減率 穩態誤差穩態誤差ess=0超調量超調量 振蕩頻率振蕩頻率 r ry yeu-sKeTs+1-1ITsTI增加增加擾動擾動與與P調節比較調節比較系統穩定性下降系

27、統穩定性下降靜態：無穩態誤差；動態：由于調節不及時靜態：無穩態誤差；動態：由于調節不及時較大較大在相同的穩定裕度下，在相同的穩定裕度下，振蕩頻率低，調節過程加長。，振蕩頻率低，調節過程加長。靜態：靜態：I調節優于調節優于P調節，動態：調節，動態：P調節優于調節優于I調節調節 積分調節可消除積分調節可消除穩態誤差，但調節緩穩態誤差，但調節緩慢，動態超調量加大，慢，動態超調量加大，而且使系統的穩定性而且使系統的穩定性變差。工業上不單獨變差。工業上不單獨使用積分調節作用。使用積分調節作用。 比例積分調節比例積分調節比例積分調節規律比例積分調節規律PIPI） )cIu s11G s =(1+e sTs

28、t0It10010I11u (t) =(e +ed tTS e + Sed t111SST無差調節吸收了積分規律的優點）無差調節吸收了積分規律的優點）調節及時調節及時 （吸收了比例規律的優點）（吸收了比例規律的優點）浮動調節浮動調節對系統控制性能指標的影響對系統控制性能指標的影響（KC不變）不變） TI S0衰減率衰減率 穩態誤差穩態誤差ess=0超調量超調量 振蕩頻率振蕩頻率 （TI不變）不變） KC 衰減率衰減率 穩態誤差穩態誤差ess超調量超調量 振蕩頻率振蕩頻率 積分飽和現象積分飽和現象 在有積分作用的調節器系統中，若用于某在有積分作用的調節器系統中，若用于某種原因如閥門），被調量偏差

29、一時無法消除，種原因如閥門），被調量偏差一時無法消除，然而調節器還是要試圖校正這個偏差，結果經過然而調節器還是要試圖校正這個偏差，結果經過一段時間后，調節器將進入飽和狀態，這種現象一段時間后，調節器將進入飽和狀態，這種現象稱為積分飽和。這種現象將導致調節滯后，對控稱為積分飽和。這種現象將導致調節滯后，對控制系統的穩定、以及達到預期的控制目標將產生制系統的穩定、以及達到預期的控制目標將產生不利的影響。不利的影響。 比例積分微分調節比例積分微分調節1.微分調節微分調節D） DcDDu sT sGs =Te ss+1KDDt-T/KDu (t)Ke1euKD0.632 KDTD/KD微分調節是僅根據

30、偏差的變化速度來產生控制信微分調節是僅根據偏差的變化速度來產生控制信號，偏差不變則沒有控制輸出。因此微分調節不號，偏差不變則沒有控制輸出。因此微分調節不單獨使用單獨使用2.比例微分調節比例微分調節PD） 1DcDDu sT s1Gs =()Te ss+1KDDt-T /KD11u(t) =+K1e（）單位階躍響應單位階躍響應1uKD/0.632 (KD- 1)/ TD/KDe1/ TD微分調節作用增強；微分調節作用增強；有差調節，穩態誤差與比例調節；有差調節，穩態誤差與比例調節；超前調節，適當的微分可以減小超調量，也能減少振超前調節，適當的微分可以減小超調量，也能減少振蕩傾向一樣。蕩傾向一樣。

31、比例積分微分調節比例積分微分調節PIDPID） DcDIDT s +1u(s)1G s = K1+Te(s)T ss +1K0e0ett0ue001DKePIDDPII調節調節PI調節調節P調節調節PD調節調節PID調節調節相同衰減率下，各調節規律比較相同衰減率下，各調節規律比較PID的調節效果最好的調節效果最好從超調量、過度過程時間、穩態誤差），從超調量、過度過程時間、穩態誤差），PI其次，其次，PD次之次之有差），有差），P再次之，再次之，I調節最差調節最差 雖然雖然PID的調節效果最好，并不意味著所有的系統都的調節效果最好，并不意味著所有的系統都是合理的，因為它有三個參數要整定，如果整定

32、不合是合理的，因為它有三個參數要整定，如果整定不合適，則可能導致系統不穩定，適得其反。使用何種調適，則可能導致系統不穩定，適得其反。使用何種調節規律一般可按：先比例節規律一般可按：先比例 ，再積分，然后才把微分加，再積分，然后才把微分加*對象時間常數大或遲延時間長，應引入對象時間常數大或遲延時間長，應引入D作用，若系統作用，若系統允許有殘差，則可選允許有殘差，則可選PD調節；系統要求無差，則選調節；系統要求無差，則選PID規律。規律。*對象的時間常數較小，受擾動影響不大，系統要求無差，對象的時間常數較小，受擾動影響不大，系統要求無差，則使用則使用PI調節。（如鍋爐水位控制等）調節。（如鍋爐水位

33、控制等）*對象的時間常數較小，受擾動影響不大，系統不要求無對象的時間常數較小，受擾動影響不大，系統不要求無差，則使用差，則使用P調節。（如鍋爐高加水位控制等）調節。（如鍋爐高加水位控制等）*對象時間常數或遲延時間很長，受擾動影響也很大，對象時間常數或遲延時間很長，受擾動影響也很大，簡單控制系統已不能滿足要求，應設計復雜控制系統。簡單控制系統已不能滿足要求，應設計復雜控制系統。（如汽溫控制系統）（如汽溫控制系統）若廣義對象的傳遞函數可近視表示為典型的自衡過程若廣義對象的傳遞函數可近視表示為典型的自衡過程 -sKeG(s)=Ts+1/T 1.0，選擇，選擇P或或PI調節調節，選擇，選擇PD或或PI

34、D調節調節 ，用復雜控制。，用復雜控制。控制系統整定的基本要求控制系統整定的基本要求PID廣義被控對象廣義被控對象給定值給定值r r被調量被調量y yeu 控制系統的任務是指在控制系統的結控制系統的任務是指在控制系統的結構已經確定、控制設備與控制對象等都處在正構已經確定、控制設備與控制對象等都處在正常狀態的情況下常狀態的情況下, ,通過調整調節器的參數通過調整調節器的參數、TITI、TD)TD)，使其與被控對象特性相匹配，以達，使其與被控對象特性相匹配，以達到最佳的控制效果。到最佳的控制效果。1. 參數整定參數整定調整調節器參數的過程稱為參數整定。調整調節器參數的過程稱為參數整定。當調節器的參

35、數被整定到使控制系統當調節器的參數被整定到使控制系統達到最佳控制效果時，稱為最佳整定達到最佳控制效果時，稱為最佳整定參數。參數。 2.參數整定的依據參數整定的依據性能指標性能指標1單項性能指標：衰減率、超調量、單項性能指標：衰減率、超調量、過渡過程時間。過渡過程時間。 =0.75適應于大部分允許有一些超調適應于大部分允許有一些超調的工業過程。的工業過程。 =1適用于被控對象的慣性較大，且適用于被控對象的慣性較大，且不允許有過調的控制系統。不允許有過調的控制系統。3.調節器參數整定的方法調節器參數整定的方法1理論計算整定法：（根軌跡法、頻理論計算整定法：（根軌跡法、頻率特性法）率特性法）基于數學

36、模型通過計算基于數學模型通過計算直接求得調節器的整定參數，整定過程直接求得調節器的整定參數，整定過程復雜，且往往由于被控對象是近似的，復雜，且往往由于被控對象是近似的，故所求得的整定參數不可靠。故所求得的整定參數不可靠。2工程整定法：臨界比例帶法、衰減工程整定法：臨界比例帶法、衰減曲線法、圖表整定法。這寫方法通過并曲線法、圖表整定法。這寫方法通過并不復雜的實驗，便能迅速獲得調節器的不復雜的實驗，便能迅速獲得調節器的近似最佳整定參數，因而在工程種得到近似最佳整定參數，因而在工程種得到廣泛的應用。廣泛的應用。工程整定方法工程整定方法1.動態特性參數法離線整定、開環整定）動態特性參數法離線整定、開環

37、整定）-sKG(s) =e =Ts +1自衡對象：自衡對象：非自衡對象：非自衡對象：-s11G(s) =e =TsT齊勒格齊勒格(Ziegler)-尼科爾斯尼科爾斯(Nichols)整定公式整定公式=0.75）TDTDTITIPPIPID 1.10.853.32.0 0.5 規律規律參數參數 齊勒格齊勒格-尼科爾斯整定公式比較粗糙，經過不尼科爾斯整定公式比較粗糙，經過不斷改進，廣為流傳的是科恩斷改進，廣為流傳的是科恩-庫恩公式自衡對象庫恩公式自衡對象=0.75）2.穩定邊界法穩定邊界法臨界比例帶法臨界比例帶法閉環試驗法閉環試驗法TDTDTITIPPIPIDcr2cr2.2cr1.67cr0.8

38、5TTcr0.5Tcr0.125規律規律參數參數TcrcrcrT和 使調節器為純比例使調節器為純比例規律，且比例帶較大；規律，且比例帶較大；使系統閉環，待穩定使系統閉環，待穩定后，逐步減小比例帶，后，逐步減小比例帶，當系統出現等幅震蕩當系統出現等幅震蕩時，計下時，計下GC(s)GP(s)r ry yeuWo(s)查表查表3.3注意：注意： 適于臨界穩定時振幅不大，周期較長適于臨界穩定時振幅不大，周期較長Tcr30s的系統，對象的的系統，對象的和和T較小不適用；較小不適用； T較大的單較大的單容對象因采用容對象因采用P調節時，系統永遠穩定，也不適調節時，系統永遠穩定，也不適用用對于非自衡對象，所

39、得到的調節器參數將使系對于非自衡對象，所得到的調節器參數將使系統的衰減率統的衰減率0.75對于自衡對象，所得到的調節器參數將使系統對于自衡對象，所得到的調節器參數將使系統的衰減率的衰減率0.75對于某些中性穩定對象，不能使用此法對于某些中性穩定對象，不能使用此法3.衰減曲線法衰減曲線法 閉環試驗法閉環試驗法rsssTT和或和 使調節器為純比例使調節器為純比例規律，且比例帶較大；規律，且比例帶較大；使系統閉環，待穩定后，使系統閉環，待穩定后，逐步減小比例帶，當系統逐步減小比例帶，當系統出現衰減震蕩時出現衰減震蕩時=0.75 ，=0.9） ，計下，計下GC(s)GP(s)r ry yeuWo(s)

40、TsTr查表查表3.4TDTDTITIPPIPIDss1.2s0.8s0.5Ts3T0.s0.1T規律規律參數參數=0.75=0.75=0.9=0.9TDTDTITIPPIPIDss1.2s0.8r2Tr1.2Tr0.4T規律規律參數參數注意：對于擾動頻繁而過程又較快的系統，注意：對于擾動頻繁而過程又較快的系統，Ts的的測量不易準確，因此給參數整定帶來誤差。測量不易準確，因此給參數整定帶來誤差。4.經驗法經驗法 先根據經驗確定一組調節器參數，并將系先根據經驗確定一組調節器參數，并將系統投入閉環運行，然后人為加入階躍擾動通統投入閉環運行，然后人為加入階躍擾動通常為調節器設定值擾動），觀察被調量或

41、調節常為調節器設定值擾動），觀察被調量或調節器輸出曲線變化，并依照調節器各參數對調節器輸出曲線變化，并依照調節器各參數對調節過程的影響，改變相應的參數，一般先整定過程的影響，改變相應的參數，一般先整定，再整定再整定TI和和TD，如此反復試驗多次，直到獲得，如此反復試驗多次，直到獲得滿意的階躍響應曲線為止。滿意的階躍響應曲線為止。 對象對象參數參數100100TI/minTI/minTD /minTD /min溫度溫度壓力壓力流量流量液位液位206030704010020803100.430.110.53表表3.5 經驗法調節器參數經驗數據經驗法調節器參數經驗數據表表3.6 設定值擾動下整定參數

42、對調節過程的影響設定值擾動下整定參數對調節過程的影響對象對象參數參數TITITD TD 最大動態誤差最大動態誤差穩態誤差穩態誤差衰減率衰減率振蕩頻率振蕩頻率- - -不同的整定方法按相同的衰減率整定，得到不相同參數整定值。不同的整定方法按相同的衰減率整定，得到不相同參數整定值。基本的數字PID控制算法一般采用兩種基本的數字PID控制算法：一種是理想PID控制算法，另一種是實際PID控制算法。兩種PID控制算法的比例及積分運算都是一樣的，其差別主要是微分項不同。 理想PID控制算法 理想PID算式的表達式有三種形式，即位置式、增量式和速度式。(1)位置式在計算機控制系統中，計算機進行PID運算后

43、，其輸出指的是調節閥開度位置的大小，此種PID算式的形式稱為位置式。 (2)增量式在計算機控制系統中，計算機進行PID運算后，其輸出指的是調節閥開度位置的增量改變量），此種PID算式的形式稱為增量式。計算機進行PID運算的輸出增量為相鄰兩次采樣時刻所計算的位置值之差， (3) 速度式 在計算機控制系統中，計算機進行 PID運算后，其輸出指的是直流伺服電機的轉動速度，此種PID算式的形式稱為速度式。 實際PID控制算法 由于實際計算機控制系統的采樣回路都可能存在高頻干擾，因此幾乎所有的數字控 制回路都設置了一級低通濾波器一階滯后環節或一階慣性環節來限制高頻干擾的影響。因為低通濾波器的傳遞函數為

44、低通濾波器和理想PID算式相結合后的傳遞函數為 熱工系統的主要控制方式 反饋控制是根據被調量與給定值的偏差值來控制的。反饋控制的特點是必須在被調量與給定值的偏差出現后，調節器才能對其進行調節來補償干擾對被調量的影響。如果干擾已經發生，而被調參數還未變化時，調節器是不會動作的。即反饋控制總是落后于干擾作用。因此稱之為“不及時控制”。反饋控制方案的本身決定了無法將干擾對被控量的影響克服在被控量偏離設定值之前，從而限制了這類控制系統控制質量的進一步提高。原因：（1在熱工控制系統中，由于被控對象通常存在一定的純滯后和容積滯后，因而從干擾產生到被調量發生變化需要一定的時間。（2從偏差產生到調節器產生控制

45、作用以及操縱量改變到被控量被調量發生變化又要經過一定的時間。前饋控制 考慮到偏差產生的直接原因是干擾作用的結果，如果直接按擾動而不是按偏差進行控制，也就是說，當干擾一出現調節器就直接根據檢測到的干擾大小和方向按一定規律去進行控制。由于干擾發生后被控量還未顯示出變化之前，調節器就產生了控制作用，這在理論上就可以把偏差徹底消除。按照這種理論構成的控制系統稱為前饋控制系統，前饋控制對于干擾的克服要比反饋控制系統及時得多。若系統中的調節器能根據干擾作用的大小和方向就對被調節介質進行控制來補償干擾對被調量的影響，則這種控制就叫做“前饋控制或“擾動補償”。KB：測量變送器的變送系數；WDZS）：干擾通道對

46、象傳遞函數；WDS）：控制通道對象傳遞函數；WBS）：前饋調節器的傳遞函數。 前饋控制器的控制規律為： WB(S)= WDZ(S)/ WD(S)上式說明前饋控制的控制規律完全是由對象特性決定的，它是干擾通道和控制通道傳遞函數之商，式中負號表示控制作用的方向與干擾作用相反。假設 WDZ(S)和WD(S)可以很準確測出，且WB(S)完全和上式確定的特性一致，則不論干擾信號是怎樣的形式，前饋控制都能起到完全補償的作用，使被調量因干擾而引起的動態和穩態偏差均為零。 前饋控制的局限性 (1). 首先表現在前饋控制系統中不存在被調量的反饋，即對于補償的結果沒有檢驗的手段。因而，當前饋作用并沒有最后消除偏差

47、時，系統無法得知這一信息而作進一步的校正。 (2). 由于實際工業對象存在著多個干擾，為了補償它們對被調量的影響，勢必設計多個前饋通道，增加了投資費用和維護工作量。 (3). 當干擾通道的時間常數小于控制通道的時間常數時，不能實現完全補償。 (4). 前饋控制模型的精度也受到多種因素的限制，對象令特性受負荷和工況等因素的影響而產生偏移，必然導致WDZ(S)和WD(S)的變化，因此一個事先固定的前饋模型不可能獲得良好的控制質量。串級控制 主參數(主變量)：串級控制系統中起主導作用的被調參數稱為主參數。副參數(副變量)：給定值隨主調節器的輸出變化，主信號數值變化的中間參數稱為副參數。主調節器(主控

48、制器)：根據主參數與給定值的偏差而動作，其輸出作為副調節器的給定值的調節器稱為主調節器，記為WT1(s)。副調節器：其給定值由主調節器的輸出決定，并根據 副參數與給定值的偏差動作的調節器稱為副調節器，記為WT2(s)主回路(外回路)： 斷開副調節器的反饋回路后的整個回路稱為主回路。副回路：由副參數，副調節器及其所包括的一部分對象等(內回路)環節所組成的閉合回路稱為副回路，副回路有時亦稱隨動回路。主對象：主參數所處的那一部分工藝設備，它的輸入信號(惰性區) 為副變量，輸出信號為主參數，記為WD1(s)。副對象(導前區)： 副參數所處的那一部分工藝設備，它的輸入信號為調節量，其輸出信號為副參數(副

49、變量)，記為WD2(s)。 串級控制仍然是一個定值控制系統，主參數在干擾作用下的控制過程與單回路控制系統的過程具有相同的指標和形式，但與單回路系統比較，串級控制系統具有以下特點：(1)串級控制系統具有很強的克服內擾的能力；(2)串級控制系統可減小副回路的時間常數，改善對象動態特性，提高系統的工作頻率；(3)串級控制系統具有一定的自適應能力。 串級控制系統主副回路和主副調節器選擇(1) 主副回路的選擇原則 (i) 副回路應該把生產過程的主要干擾包括在內，力求把變化幅度最大、最劇烈和最頻繁的干擾包括在副回路內，充分發揮副回路改善系統動態特性的作用，保證主參數的穩定； (ii) 選擇副回路時，應力求

50、把盡量多的干擾包括進去，以盡量減少它們對主參數的影響，提高系統抗干擾能力； (iii) 主副對象的時間常數應適當匹配，串級控制系統與單回路控制系統相比，其工作頻率提高了，但這與主副對象的時間常數選擇是有關的。原則是兩者相差大一些，效果好一些。(2) 主、副回路調節器調節規律的選擇原則（i主參數控制質量要求不十分嚴格，同時在對副參數的要求也不高的情況下，為使兩者兼顧而采用串級控制方式，主、副調節器均可采用比例控制；（ii要求主參數波動范圍很小，且不允許有余差(穩態誤差)，此時副調節器可采用比例控制，主調節器采用比例積分控制；（iii主參數要求高，副參數亦有一定要求，這時主副調節器均采用比例積分控

51、制。 防止調節器積分飽和防止調節器積分飽和產生積分飽和的原因：產生積分飽和的原因：外因是偏差長期存在外因是偏差長期存在內因是控制器有積分作用內因是控制器有積分作用進料進料產品產品冷卻液冷卻液T1CC1 1T2CC2 2rPID2PID1罐體罐體罐內罐內rT2T1冷卻液擾動冷卻液擾動副回路副回路主回路主回路 串級控制系統當主、副調節器都采用串級控制系統當主、副調節器都采用PI調節時，很調節時，很容易產生積分飽和現象。容易產生積分飽和現象。 主調節器產生積分飽和，將使控制不及時，系統輸出主調節器產生積分飽和，將使控制不及時，系統輸出超調量增加。超調量增加。2C112I1R (s) = K E (s

52、)+Y (s)Ts+1系統正常時，系統正常時，R2(s)=Y2(s)。則主調節器輸出為：。則主調節器輸出為：(1)2C11I1R (s) = KE (s)Ts 將主調節器調整為將主調節器調整為積分外反饋。即積分外反饋。即常規PI調節當當R2(s)Y2(s)時，則主調節器輸出為：時，則主調節器輸出為：2C112r (t) = Ke (t)+ y (t)比例調節無積分）偏置偏置PID2PID1Gp2(s)Gp1(s)RY2Y1抗積分飽和措施：抗積分飽和措施：串級控制調節器作用方向串級控制調節器作用方向PID2PID1減溫器減溫器過熱器過熱器rT2T11確定調節閥確定調節閥2確定副對象特性確定副對象

53、特性3確定副調節器的作用方向確定副調節器的作用方向4確定主對象特性確定主對象特性5確定主調節器的作用方向確定主調節器的作用方向氣開閥氣開閥副調正作用副調正作用主調反作用主調反作用當串級與單回路切換當串級與單回路切換時，應考慮主調節器時，應考慮主調節器的作用方向的切換的作用方向的切換由串級切為單回路時主調改為正作用由串級切為單回路時主調改為正作用調節器的選型和整定調節器的選型和整定1. 選型選型1） 副調節器一般選副調節器一般選P調節，若主、副環頻率相差調節，若主、副環頻率相差很大，也可選很大，也可選PI。2） 主調節器一般選主調節器一般選PI調節調節,若主回路有主要擾動也若主回路有主要擾動也可

54、選可選PID。2. 參數整定參數整定1） 逐次逼近法。逐次逼近法。 2） 兩步整定法。兩步整定法。采用串級調節控制的一般條件：采用串級調節控制的一般條件：*二次擾動較頻繁；二次擾動較頻繁；*較大遲延對象，且可分成特性相差較大的較大遲延對象，且可分成特性相差較大的導前區和惰性區；導前區和惰性區；*副回路的工作頻率應選擇主回路工作頻率副回路的工作頻率應選擇主回路工作頻率的的310倍倍導前微分控制 副回路：主回路： 導前微分控制系統的特點 (1) 引入導前微分信號縮短了遲延時間，等效地改善了控制對象的動態特性。 (2)引入導前微分信號能減小動態偏差，改善控制品質 (3)導前微分控制系統有很強的克服內

55、擾的能力 比值控制比值控制 在工業生產過程中，常需要保持兩個變量通常指流量成比例變化。例如，在直流爐控制中，需保持燃料流量與給水流量成比例變化；在燃燒過程中，需保持燃料流量與空氣流量成比例變化，以保證燃燒經濟性，然而，目前尚無法直接或迅速地測量燃燒經濟性。因而，在這些情況下，需采用比值控制系統，比值控制系統的作用，就在于維持兩個變量之間的比值關系。 比值控制系統中所指的兩個流量，通常將其中之一G1稱作或視作主動流量，另一個流量G2則稱作從動流量；通常主動流量G1不加控制G1可能作為其他系統的控制變量，而由別的系統加以控制），以從動流量G2作為系統的調節變量，通過改變G2，維持兩個流量之間的比值

56、關系。比值控制系統中的被調量是兩個流量的比值RR= G2G1或R= G1G2） 比值R的求取，通常不是唯一的。 常見的比值控制系統為單回路的，可分為定值型與隨動型兩大類。除此之外，還有采用前饋一反饋復合控制的串級型比值控制系統的。定值型單回路比值控制系統 流量G1、G2經檢測元件轉換為信號IG1、IG2送入除法器后，輸出IR即為代表G1、G2之間比值關系的函數的信號。 IR= IG2IG1IR作為系統的被調量，送入調節器，與給定值I0相比較，其差值經調節器及執行機構控制作為系統調節變量的從動流量G2，以保持G1、G2之間的比值關系。若主動流量G1增大，則除法器輸出信號IR減小，調節器輸出增大，

57、使流量G2增加，IR增加。顯然，G1作為主動流量，在此系統中是不加控制的。 隨動型單回路比值控制系統 主動流量G1經檢測裝置轉換為信號IG1，送入乘法器乘以系數K后，作為從動流量G2的給定值引入調節器，流量G2作為調節變量受調節器控制，其流量經檢測裝置后作為反饋信號送入調節器與給定值相平衡。因而，系統是一個典型的隨動系統。 （i定值型比值控制系統的特點是：G1、G2之比值作為被調量，可直接讀出。但由于將比值運算環節包括在閉環之內，因此盡管采用線性檢測裝置，系統的開環增益仍隨負荷而變；使系統整定比較困難，（ii隨動型比值控制系統的特點是：由于比值運算環節沒有包括在閉環之內，因此系統的品質指標比較

58、穩定；尤其是采用線性檢測裝置后，使系統的特性與負荷流量無關。因而，系統的整定比較簡便。（iii以上兩類系統在采用 PI規律調節器后，靜態時都能確保G1、G2之比值為給定值，但若要保證G1、G2之比值為定值，則需確保流量轉換系數r1、r2為常數。反之，在某些情況下，若G1、G2的測量精度不能保證；如燃燒過程中，燃煤量的連續準確測量有困難時，采用上述系統，僅維持流量信號IG1、IG2之間的比值關系，仍不能保證實際物理流量如燃煤量與空氣量之間的比值關系不變，則需考慮引入校正信號組成串級型比值控制系統。 串級比值控制系統 串級比值控制系統屬前饋一反饋復合調節系統。主被調量S為能反映G1、G2之間實際比

59、值關系的參數，通常為成分。主調節器PI1的作用是維持 S為給定值S0，即維持實際流量G1、G2之間為最佳比值。由于通常S對G1、G2的響應而有較大遲延，因而PI1的輸出IT1不直接控制調節變量G2，僅對流量信號IG1、IG2之間比值關系起校正作用。 SAMA圖圖(Scientific Apparatus Makers Association） 測量或信號讀出功能測量或信號讀出功能 自動信號處理，一般表示控制柜中儀表的功能自動信號處理，一般表示控制柜中儀表的功能 手動信號處理，一般表示在盤臺儀表的功能手動信號處理，一般表示在盤臺儀表的功能 執行機構執行機構 用用SAMA圖例表達回路方框圖時，常將一些圖例表達回路方框圖時，常將一些符號畫在一起，這表示一個具體的儀表符號畫在一起，這表示一個具體的儀表(或組件或組件)具有哪些功能具有哪些功能 包括所有控制設備的控制系統結構圖，反映包括所有控制設備的控制系統結構圖，反映控制系統的全部控制