哈工大的过程控制课程第三章

过程控制(processcontrol）第三章简单控制系统的整定第三章简单控制系统的整定DeterminationofOptimumControllerSettings§3-1控制系统整定的基本要求§3-2衰减频率特性法定性分析§3-3工程整定方法§3-4参数自整定过程控制(processcontrol）第三章简单控制系统的整定§3-1控制系统整定的基本要求一、参数整定二、参数整定的依据——性能指标三、调节器参数整定的方法四、控制器参数整定的若干原则过程控制(processcontrol）第三章简单控制系统的整定§3-2衰减频率特性法定性分析一、衰减频率特性和稳定度判据二、衰减频率特性法整定调节器参数（一）单参数调节器的参数整定（二）双参数调节器的参数整定（三）三参数调节器的参数整定过程控制(processcontrol）第三章简单控制系统的整定§3-3工程整定方法一、动态特性参数法（响应曲线法）（离线整定、开环整定）1.齐勒格(Ziegler)-尼科尔斯(Nichols)整定2.科恩-库恩整定3.Lopez整定法（最小积分参数整定法）二、稳定边界法（临界比例带法）闭环试验法三、衰减曲线法闭环试验法四、经验法过程控制(processcontrol）第三章简单控制系统的整定§3-4参数自整定过程控制(processcontrol）第三章简单控制系统的整定一、参数整定控制任务是在系统的结构确定、设备与对象等都处在正常状态的情况下,通过调整调节器的参数（δ、TI、TD)，与被控对象特性相匹配，以达到最佳的控制效果。调整调节器参数的过程称为参数整定。当调节器的参数被整定到使控制系统达到最佳控制效果时，称为最佳整定参数。§3-1控制系统整定的基本要求PID广义被控对象ryeuPID-过程控制(processcontrol）第三章简单控制系统的整定二、参数整定的依据——性能指标1）单项性能指标：ψ、σ、e(∞)、ts。☆ψ=0.75适应于大部分允许有一些超调的工业过程。☆ψ=1适用于被控对象的惯性较大，且不允许有过调的控制系统。2）误差积分指标：IE、IAE、ISE、ITAE等。过程控制(processcontrol）第三章简单控制系统的整定在实际系统整定过程中，常将两种指标综合起来使用。一般先改变某些调节器参数（如比例带）使系统获得规定的衰减率，然后再改变另外的参数使系统满足积分指标。经过多次反复调整，使系统在规定的衰减率下使选定的某一误差指标最小，从而获得调节器的最佳整定参数。过程控制(processcontrol）第三章简单控制系统的整定三、调节器参数整定的方法1）理论计算整定法：（根轨迹、频率特性）基于模型直接求得调节器的整定参数，过程复杂，因近似对象故求得的整定参数不可靠。2）工程整定法：临界比例带法、衰减曲线法、图表整定法。这类方法通过并不复杂的实验，便能迅速获得调节器的近似最佳整定参数，因而在工程种得到广泛的应用。过程控制(processcontrol）第三章简单控制系统的整定例已知广义对象为)120)(14(25)(0sssG试按4：1衰减整定比例调节器的参数CKsG)(C调节器传函为闭环特征方程为0)()(10CsGsG化简可得01252480s2CKs闭环特征根为jKjsC16024)251(32015.022,1过程控制(processcontrol）第三章简单控制系统的整定已知衰减比n=4：1则衰减指数m=0.221221.0m即则有065.1CK解得调节器比例带为224)251(32024221.0CK66.4%%1001CK过程控制(processcontrol）第三章简单控制系统的整定四、控制器参数整定的若干原则1.系统稳定的静态条件是系统总开环放大倍数K恒定，即静态时KvKCKpKm=K恒定♠量程变化、阀口径变化可调整KC使K恒定♠对象的非线性可调整调节阀特性来补偿或用非线性控制规律2.系统动态特性由τ和T之比确定过程控制(processcontrol）第三章简单控制系统的整定3.最基本的控制作用是比例作用（P作用），其整定方法有：♠先调整KC，在调整TI、TD♠先调整TI、TD，在调整KC4.积分作用能消除静差，但使系统稳定性下降。一般取TI=2τ0或TI=(0.5-1)TP,且KC比纯比例时减小10%过程控制(processcontrol）第三章简单控制系统的整定5.微分作用能消除高阶对象过渡滞后（容量滞后）的影响。一般取TD=(0.25-0.5)TI,且KC比纯比例时增加10%6.微分作用应合适，对高频噪声，应采用反微分；随动系统采用微分先行，定值系统采用偏差微分。过程控制(processcontrol）第三章简单控制系统的整定过程控制(processcontrol）第三章简单控制系统的整定控制器参数整定的若干原则返回如PI调节器常取满足衰减率（比）的KC/TI中最大的一组KC和TI，图中红色曲线是等衰减比曲线，曲线内稳定裕度高于设定指标，红色星的位置指出最佳KC和TI的值。7.控制品质中，稳定性是最基本的性能，而一个可调的调节器参数，只能满足一个品质指标。过程控制(processcontrol）第三章简单控制系统的整定8.不同的控制系统有不同的稳定裕度要求，即衰减比不同，对随动系统，常调整调节器参数得到10：1衰减比（红）；对定值系统，常调整调节器参数得到4：1衰减比（蓝）过程控制(processcontrol）第三章简单控制系统的整定9.闭环系统常近似为典型的二阶振荡环节，其超调量、衰减比和阻尼系数间有下列关系21e10.对象的模型有多种类型具体分析2222)s(nnnss过程控制(processcontrol）第三章简单控制系统的整定§3-2衰减频率特性法定性分析特征方程若有一对共轭复根（主导极点）一、衰减频率特性和稳定度判据若系统闭环传函为)()(1)()()(00sGsGsGsGsCCGC(s)G0(s)reuy-W0(s)0)()(10sGsGCjs2,1βωα-过程控制(processcontrol）第三章简单控制系统的整定对应的系统阶跃响应衰减率为其中称为系统相对稳定度，且可求得在根平面上有βωα-me21m221.0,75.0m366.0,9.0mmarctanarctan过程控制(processcontrol）第三章简单控制系统的整定当频率从-∞～+∞，折线AOB上的任一点表示为将s的值带入系统开环传递函数得到系统的开环衰减频率特性)()()(00sGsGsWCβω-αAB0[s]jms2,1),(0jmW过程控制(processcontrol）第三章简单控制系统的整定对应的推广乃氏稳定性判据——稳定度判据为W0(s)在复平面上AOB折线的右侧有p个极点，那么当频率从-∞～+∞时，若W0(m，jω)逆时针包围(-1，j0)的圈数为p，则闭环系统衰减率满足要求ψψsβω-αAB0[s]★奈氏判据:闭环稳定的充要条件是当频率从-∞～+∞时,开环频率特性W0(jω)按逆时针方向包围(－1,j0)点P圈(P为右[s]上的开环极点数目）。过程控制(processcontrol）第三章简单控制系统的整定若开环稳定,闭环稳定的充要条件是:系统的开环频率特性W0(jω)不包围(－1,j0)点。若W0(s)在[s]上AOB折线的右侧无极点，则当频率从-∞～+∞时，若W0(m，jω)通过(-1，j0)，则衰减率ψ=ψs若W0(m，jω)不包围(-1，j0)，则衰减率ψψs若W0(m，jω)包围(-1，j0)，则衰减率ψψsβω-αAB0[s]过程控制(processcontrol）第三章简单控制系统的整定二、衰减频率特性法整定调节器参数已知系统开会传递函数为的特征方程为)()()(00sGsGsWC则满足闭环系统衰减率)()(1)(0sGsGsFC则闭环系统特征方程为)(ssm),(),(1),(0jmGjmGjmFssCs过程控制(processcontrol）第三章简单控制系统的整定即：求得以上满足幅值条件和相位条件的所组成的方程组便可得到调节器的整定参数及振荡频率。1),(),(0jmMjmMssC),(),(0jmjmssC过程控制(processcontrol）第三章简单控制系统的整定（一）单参数调节器的参数整定（1）比例调节器的参数整定1),(SKjmGCsC),(0jmGs对象的衰减频率特性为调节器的衰减频率特性为过程控制(processcontrol）第三章简单控制系统的整定其中ωs是由相频特性求得的。求解方程组1),(0sCmMK),(0sm),(1101sCmMSK解得：过程控制(processcontrol）第三章简单控制系统的整定试以系统站台响应的衰减率ψ=0.75（即m=0.221）为整定目标，求调节器的整定参数S1的值。500)1(1)(sTsG例1已知采用P调节的单回路控制系统如图。设广义对象传函为对象的衰减频率特性为500)](1[1),(jmTjmGPIDG0(s)ryeuP-过程控制(processcontrol）第三章简单控制系统的整定25202001])()1[(),(1TmTmMSKsC0001arctan5),(mTTms则根据前面推导得到由相位条件解得51arctan00mTT过程控制(processcontrol）第三章简单控制系统的整定37.1])626.0()626.0221.01[(25221SKC即将m=0.221代入，解得727.05tan100mTT则有mT727.01727.00626.00T则增益为%7373.011S过程控制(processcontrol）第三章简单控制系统的整定用曲线拟合法可近似为自衡非振荡过程)110)(15)(12)(1(1)(0sssssG例2设广义对象传函为试确定需获得4:1衰减比(m＝0.221)响应时，Ｐ控制器的参数。sessG4492.5011229.140322.1)(得到增益KC＝1.6171，即比例度δ＝61.8%。过程控制(processcontrol）第三章简单控制系统的整定（2）积分调节器参数整定求解方程组：jmSjmTjmGssIsC0)(1),(调节器的衰减频率特性为),(0jmGs对象的衰减频率特性为1),(),(0ssCmMmM),(),(0ssCmm过程控制(processcontrol）第三章简单控制系统的整定),(1020ssssjmMmSssmmarctan2),(0解得：结论：由衰减频率特性方程组可得到单参数调节器唯一整定参数过程控制(processcontrol）第三章简单控制系统的整定P调节和I调节的相频特性ωm=0m=0.221(n=4:1)m=0.366(n=10:1)-π/2-π0ω1ω2ω4ω6ω5ω3P调节I调节),(0smssmmarctan2),(0P调节:I调节:同一对象：相对稳定度m越小，系统振荡频率越高；P调节的振荡频率比I调节的振荡频率高。过程控制(processcontrol）第三章简单控制系统的整定（二）双参数调节器的参数整定（1）PI调节由衰减频率特性方程组sKKsSSsTKsGICICC11)11()(011),(),(0ssCmMmM),(),(0ssCmm由上式可得)],(cos),(sin[),(1S0001ssssmmmmM),(sin),()(10020sssmmMmS过程控制(processcontr