单回路控制系统的设计93页PPT

TD(0.2~ 50.3)
0.8P
2019/9/21
过程控制与仪表
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三、单回路系统整定
（二）、工程整定法
2、临界比例度法
临界比例度法是在系统闭环条件下进行的，方法简便，应用 广泛，其具体步骤如下：
（1）调节器置于纯比例位置，且比例度置最大值，此时无 积分Ti=∞和微分Td=0作用。使系统投入闭环运行。
A、4:1衰减曲线法 该法与临界比例度法相似，也是在系统闭环运行条件下进行
的。其具体步骤如下：
（1）将调节器积分时间置于Ti=∞，微分时间Td=0，比例 度置于最大值，将系统投入闭环运行。
（2）待系统运行稳定后，对给定值作一适当幅值的阶跃 扰动，并逐步减小比例度，直到记录曲线出现图8-17所示的 4：1衰减的曲线为止，记录下此时的比例度和衰减曲线的 第一个振荡周期。然后查表便可计算出调节器的PID参数的 整定值。
方法：
Wo(S)输入端加一阶跃信号记录变送器的响应输出 据响应曲线求特征参数，（τ -延时To-响应ε-响应度） 根据参数计算整定参数值[Wc(s)]。
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三、单回路系统整定
（二）、工程整定法
1、动态特性参数法
A、广义过程无自衡能力
阶跃信号 近似对象 Wo(s)= ε/{s(1+τ S/n)} 或 Wc(s)确定:
F、模值条件： |Wk(s)|=1D点距离极点距离求kc
δ =1/(To*(/pd) To*(/pd) To*(/pd) )=0.349
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三、单回路系统整定
（二）、工程整定法

1 m
根据上述关系式就可计算出具有相对稳定度为m时调节器比例
带 值。如系统希望有 ＝0.75的衰减率，即m＝0.221时，调节
器整定计算如下：
由式4-6知：
tg
1
1
m
tg
1
0.
1 221
1.
35
代入4-6中:
1
1 m2 e m
1.35 1 0.2212
e 0.2211.35
1
即：
2、采用比例积分调节器
临界比例带又称边界稳定法，要点:将调节器先设置成纯 比例作用，将系统投入自动运行并将比例带由大到小改变， 直到系统产生等幅振荡为止，记下此状态下的比例带值，
即临界比例带K，以及振荡周期TK ，然后根据经验公式计
算出调节器的各个参数。
可以看出临界比例带法无需知道对象的动态特性，可直 接在闭环系统中进行参数整定。
如：磨煤机入口原煤干燥程度测量----用磨煤机入口介质温度 来代表原煤的干燥程度。
用间接参数作为系统被调量，要求被调量与实际所需维持的工 艺参数之间为单值函数关系，否则采取相应补偿措施。
有些参数虽然能直接测量，但信号微弱或迟延较大，则不如选 用间接参数作为系统的被调量。
(2)为提高测量的灵敏度、减小迟延，应采用先进测量方法， 选择合理的取样点，正确合理地安装检测元件。
临界比例带法的具体步骤是： （1）将调节器的积分时间置于最大，即Ti ；置微分时间
２、控制通道
控制通道的时间常数T 如果↑，系统工作频率↓，反映速度↓ ， 过渡过程的时间将↑ 。
时间常数T过小,系统反映则过于灵敏,又使系统稳定下降。 即:在保证控制系统有一定稳定程度下，应尽量减小控制通道时 间常数。

适用于衰减和无静差系统。 2.偏差绝对值与时间乘积的积分(ITAE)
3．偏差平方值积分(ISE)
4．时间乘偏差平方积分(ITSE)
不同的积分性能指标对动态过渡过程 的要求侧重点不同。例如ISE着重于抑制过 渡过程中的大误差，而ITAE和ITSE则着重 惩罚过渡过程时间拖得太长，被广泛应用 于最优化分析和设计中，其中ITSE兼顾抑 制过程中的大误差。
二、过程控制系统设计步骤
过程控制系统的设计，从任务的提 出到系统投入运行，是一个从理论设计 到实践，再从实践到理论设计的多次反 复的过程，往往要多次用试探法和综合 法并借助计算机来模拟仿真。 1．建立被控过程的数学模型
只有掌握了(深入了解了)过程的数学 模型，才能深入分析过程的特性和选择 正确的控制方案。 2．选择控制方案
• 特点：结构简单，投资少，易于调整和投 运，尤其适用于被控过程的纯滞后和惯性 小、负荷和扰动变化比较平缓，或者对被 控变量要求不高的场合，约占目前工业控 制系统的80%以上。
• 其分析、设计方法是其它各种复杂过程控 制系统分析、设计的基础。
第一节 过程控制系统工程设计概述
• 要分析、设计和应用好一个过程控制系统： 首先应对被控过程做全面了解，对工
• 工程设计：包括仪表或计算机系统选型、 控制室操作台和仪表盘设计、供电供气系 统设计、信号及联锁保护系统设计等。
• 工程安装和仪表调校 • 调节器参数整定
四、系统设计中的若干问题
1．越限报警与联锁保护
例：加热炉热油出口温度的设定值为 300℃，工艺要求其高、低限分别为305℃ 和295℃。
例：加热炉运行中出现严重故障必须
简单过程控制系统 单回路控制系统的
工程设计(ppt)
• 单回路过程控制系统亦称单回路调节系 统，简称单回路系统，一般是指针对一 个被控过程(调节对象)，采用一个测量变 送器监测被控过程，采用一个控制(调节) 器来保持一个被控参数恒定(或在很小范 围内变化)，其输出也只控制一个执行机 构S(调ing节le阀-L)o。op control system

第6章 单回路控制系统设计
6.1 概述 6.2 单回路控制系统方案设计 6.3 单回路控制系统调节器参数的整定 6.4 单回路控制系统的投运 6.5 单回路控制系统设计举例
6.1 概述
对于过程控制系统： ①控制方案的选择
如果控制方案设计的不合理，仅凭调节参数的整 定无法获得良好的控制质量； ②调节器参数整定 控制方案很好，但是调节参数整定得不合理，也 不能使系统运行在最佳状态。 过程控制系统结构形式：
⑴ K0要适当大一些；T0要适当小一些；t0愈小愈好。
⑵ Kf应尽可能小；Tf要大；扰动引入系统的位置要靠 近调节阀；容量时延愈大，则有利于控制。
⑶ 应尽量设法把几个时间常数错开。 ⑷ 工艺操作的合理性、经济性。
举例：
举例：
干 燥 塔 冷气流量
① 乳化物流量的变化将会影响温度 ② 蒸汽压力的变化将会影响温度 ③ 鼓风机风量的大小还会影响温度
较第一方案控制通道时延时 产品
间稍大, 灵敏度次之。
蒸汽
fG fp
x
Y
第三种方案： 蒸汽流量为控制参数
蒸汽
fQ
fG
x
产品
Y
控制通道很长，纯时延、容量时延大，灵敏度差。
T0、t0大，不易作控制参数。
第二种方案较好最合适
6.2.3 测量变送问题
Wm
s
K Tm s
m
1
1.纯时延问题
t l1 l2
v1 v2
控制通道存在纯时延
X s
Ps
Y s
W s
W0 s
X s
Ps
W s
WW00sset0s
Y s
W2 s
PsW0 s PsW0 set0s PsW2 s

对工艺流程进行分析，了解工艺 参数之间的关系以及工艺参数的
变化范围。
控制要求分析
对控制要求进行分析，明确控制目 标和控制参数，以及控制参数的允 许变化范围。
控制方案制定
根据工艺流程和控制要求分析结果 ，制定合适的控制方案，包括控制 策略和控制算法等。
03 单回路控制系统的实现
控制算法的实现
开环控制算法
05 单回路控制系统的优化与改进
控制策略的优化
总结词
控制策略的优化是提高单回路控制系统性能的关键步骤。
详细描述
通过调整控制器的参数、改变控制算法或采用先进控制策略 ，如模糊控制、神经网络控制等，可以改善系统的动态性能 和稳态精度，提高系统的抗干扰能力和鲁棒性。
硬件设备的升级与改进
总结词
硬件设备的升级与改进是提高单回路控 制系统性能的重要手段。
干扰。
02 单回路控制系统的设计
控制器设计
01
02
03
控制器类型选择
根据控制要求和工艺特性 ，选择合适的控制器类型 ，如比例控制器、积分控 制器、微分控制器等。
控制算法设计
根据控制要求，设计合适 的控制算法，如PID控制 算法、模糊控制算法等。
控制器参数整定
根据系统特性和控制要求 ，对控制器参数进行整定 ，以获得最佳的控制效果 。
该算法基于设定值与实际输出值 的偏差进行控制，通过调节控制 阀或电机等执行机构来减小偏差 。
闭环控制算法
闭环控制算法通过负反馈机制， 将系统输出值与设定值进行比较 ，并据此调整控制阀或电机等执 行机构，以减小偏差。
控制程序的编写与调试
编程语言选择
根据控制系统的需求和开发环境 ，选择合适的编程语言，如C、C

热工过程控制工程
通常等效为带滞后的一阶惯性特性 【理想特性为比例
环节】
Gm(S)
Km eS TmS1
刘玉长
中南大学能源科学与工程学院
3.3.2 选型本卷须知
热工过程控制工程
应尽量减少其时间常数与滞后时间。
选择快速反响的丈量元件，以减小时间常数 选择适宜的丈量点，以减小纯滞后 运用微分单元，以抑制容量滞后
被加热 介质
刘玉在长消费现场，绝大多数为直接目的控制
给定值 TC
TT T 换热器
中南大学能源科学与工程学院
热工过程控制工程
直接目的控制难以实现时选择间接目的控制。
工艺上的质量目的： 塔顶〔底〕馏出物的组份 这些组份往往不能“直接〞丈量
找一个与组份有关的变量进展控制
加热炉的被控变量选择
刘玉长
经工艺分析，塔顶组份XD与温度 TD、压力P存在对应关系
给水
刘玉锅长炉汽包水位控制系统
中南大学能源科学与工程学院
热工过程控制工程
设定值 r(t)
给水阀
比较 机构 e(t)
-
控制装置 u(t)
控制器
扰动 f(t)
执行器
过程
q(t)
广义对象 被控变量
锅炉汽包
c(t)
测量值 y(t)
检测元件、变送器
பைடு நூலகம்
控制过程分析
(1)平衡形状：当给水量和蒸汽量均不变的情况下，控制系统 处于平衡形状，并将坚持这个形状，直到有新的扰动产生。
Q 直线
R1
Q Q1 R2 yQ2 R1
与控制阀输出流量Q成正 比，那么阀流量特性应选 线性；
KP变化，且随Q增大反
l
Q

详细描述
在农业领域，单回路控制系统广泛应用于温室环境控制、灌溉系统、农业机械等 方面。通过自动化控制技术，实现对温室内的温度、湿度、光照等环境因素的精 确调控，提高农作物的生长效率和产量，降低农业生产成本。
04
单回路控制系统的优化与改进
控制算法优化
PID控制算法改进
01
通过调整PID控制器的比例、积分和微分参数，提高系统的响应
通过机器学习算法，可以对历史数据进 行分析，预测未来的运行状态，提前进 行干预，避免事故发生。同时，还可以 根据历史数据优化控制策略，提高控制
效果。
人工智能技术还可以用于故障诊断和预 测，通过分析系统的运行数据，提前发 现潜在的故障，及时进行维修和更换，
避免事故发生。
新型传感器与执行器的发展
随着科技的不断进步，新型传感器和执行器不断涌现，为单回路控制系统提供了更 多的选择和可能性。
优化控制算法的代码实现， 减少计算量和时间复杂度， 提高控制器的实时性能。
控制器容错技术
采用冗余技术和故障检测 技术，提高控制器的可靠 性和可用性。
执行器与传感器技术发展
执行器技术发展
开发新型执行器，提高执行器的 响应速度、精度和可靠性。
传感器技术发展
研发高精度、高稳定性的传感器， 提高测量数据的准确性和可靠性。
智能传感器技术
利用微处理器和人工智能技术， 实现传感器的自校准、自诊断和
自适应功能。
05
单回路控制系统的发展趋势与挑战
人工智能与机器学习在单回路控制系统中的应用
人工智能与机器学习在单回路控制系统 中发挥着越来越重要的作用。这些技术 可以帮助系统自动调整参数，优化控制
效果，提高系统的稳定性和可靠性。
热工控制系统课堂ppt第 四章单回路控制系统

智能窗帘能够根据室内光线和时间自动调节开合程度，提供舒适的居住
环境。
其他领域中的应用
无人机飞行控制
在无人机飞行控制中，PID控制器用于调节无人机的姿态、高度和速度等参数。通过传感器检测无人机的状态信 息，PID控制器输出相应的控制指令，确保无人机能够稳定、准确地完成各种任务。
机器人运动控制
在工业机器人和智能服务机器人中，PID控制器广泛应用于关节运动控制、轨迹跟踪和力控等领域。通过调节电 机的输入电压或电流，PID控制器能够使机器人关节运动的位置、速度和加速度达到期望的目标值，提高机器人 的运动性能和定位精度。
积分单元（I）
根据误差信号积分调节输 出，影响控制系统的稳态 误差。
微分单元（D）
根据误差信号的微分调节 输出，影响控制系统的动 态响应。
PID控制器的参数整定
比例系数（Kp）
调整系统增益，影响系统 响应速度和超调量。
积分系数（Ki）
调整系统稳态误差，影响 系统消除误差的速度。
微分系数（Kd）
调整系统动态响应，影响 系统对变化信号的响应速 度。
单回路PID控制系统
04
的调试与优化
系统调试的方法和步骤
设定参数
根据系统要求和工艺特性，选择 合适的PID参数，如比例增益、 积分时间常数和微分时间常数。
模拟测试
在模拟环境中对PID控制系统进 行测试，观察系统的响应特性 和稳定性。
现场测试
将PID控制系统安装到实际设备 上，进行现场测试，检查系统 的实际运行效果。
THANKS.
PID控制器的优缺点
优点
结构简单、稳定性好、调整方便 、易于实现等。
缺点
对参数整定要求较高，参数整定 不当可能导致系统性能下降；对 于某些非线性或时变系统，PID控 制效果不佳。

系统的特征方程为：
（S +1 Td）[1 +Wc(S)W o(S)]= 0
增加了一个极点
-
1 Td
，见图3-
5。
极点的影响： 1. Td 增大，过程变慢，过渡
过程时间加长。 2. 使过渡过程动态分量减
小了Td 倍，即超调量减小，控 制 质 量 提 高
。
结论：干扰通道的时间常数大， 或者惯性环
第二节 被控量和操纵量的选择
第一节 概述
2. 工程设计 仪表选型，仪表盘设计，动力设计，信号系统设计，仪表防护设
计，绘制相应的图纸。 3. 工程安装、单机仪表及系统联校 4. 参数整定
整定控制器的PID参数。
第二节 被控量和操纵量的选择
一、被控量的选择（系统设计方案的核心部分） 直接参数：能表征产品产量、质量、安全性能等方面的参数。 间接参数：与直接参数具有单值关系（P、T等），并有足够灵敏度 二、操纵量的选择
T太小时, 可以考虑如下措施： 1、尽量选择快速检测元件、控制器、执行器 2、使用反微分环节适当降低控制通道的灵敏度。 3、可能时，改变系统工艺，增大控制通道时间常数
第二节 被控量和操纵量的选择
压力检测点
第二节 被控量和操纵量的选择
2 .滞后时间对控制质量的影响
见图3- 9。当对象不存在纯滞后
c的影响：与时间常数一致。
3.干扰作用位置对控制质量的影响
见图3 - 6、3 - 7。 D（1 S）对被控量的影响最小，D（2 S）次之，D（3 S）最大。
第二节 被控量和操纵量的选择
干扰通道具有的惯 性环节阶数增加，对 干扰信号的缓和作用 越强，控制质量越高
选择操纵量时，应使干扰信号远离被控量，以获得更好的控制质量。