第一章_熱工自動化基礎(chǔ).ppt

1 第一章熱工自動化基礎(chǔ) 1 1概述 1 2熱工被控對象 1 3調(diào)節(jié)器 1 4熱工系統(tǒng)主要控制方式 1 5熱工控制系統(tǒng)評價指標(biāo) 1 6SAMA圖 2 1 1概述 3 生產(chǎn)過程自動化是保持生產(chǎn)穩(wěn)定 降低成本 改進勞動條件 促進文明生產(chǎn) 保證生產(chǎn)安全和提高勞動生產(chǎn)率的重要手段 自動化水平是衡量一個國家的生產(chǎn)技術(shù)和科學(xué)水平先進與否的一項重要標(biāo)志 電力工業(yè)中電廠熱工過程自動化技術(shù)相對于其它民用工業(yè)部門有較長的歷史和較高的自動化水平 電廠熱工自動化水平的高低是衡量電廠生產(chǎn)技術(shù)的先進與否和企業(yè)現(xiàn)代化的重要標(biāo)志 4 一 自動控制系統(tǒng)的組成把工業(yè)生產(chǎn)過程中的溫度 壓力 液位 濃度等狀態(tài)參數(shù)作為被控參數(shù)的控制系統(tǒng)叫過程控制系統(tǒng) 圖鍋爐汽包水位人工控制示意圖 任務(wù) 保證鍋爐的安全運行 使汽包的水位穩(wěn)定在一定的范圍內(nèi) 5 運行人員通過指示儀表 用眼睛觀察被調(diào)量是否正常或發(fā)生變化 用腦思考所觀察的結(jié)果 即將觀察到的實際水位與給定值進行比較 并作出判斷 是否要求對給水閥進行操作 往哪個方向操作 應(yīng)按什么動作規(guī)律去操作等 6 手根據(jù)腦的指揮命令 按照所規(guī)定的規(guī)律去操作給水閥門 在整個過程中 運行人員的眼 腦 手三個器官 分別起著觀察 運算 執(zhí)行三個作用 從而完成水位控制 7 圖 人工控制原理圖 圖 汽包水位自動控制系統(tǒng)示意圖 用自動化裝置代替上述人工操作來完成控制任務(wù) 就形成了自動控制系統(tǒng) 8 自動控制系統(tǒng)可以由以下幾個部分組成 測量變送器 用來測量被調(diào)量 并把被調(diào)量轉(zhuǎn)換為與之成比例的某種便于傳遞和綜合的信號 給定元件 用來設(shè)置被調(diào)量的給定值或與該給定值對應(yīng)的電信號 圖汽包水位自動控制原理框圖 9 自調(diào)統(tǒng)計內(nèi)容 1 被調(diào)量 表征熱工生產(chǎn)過程是否正常而需要調(diào)節(jié)的物理量 引風(fēng)控制系統(tǒng)中的被調(diào)量是 爐膛負(fù)壓給水控制系統(tǒng)中的被調(diào)量是 汽包水位也就是水位 壓力 流量 溫度等參數(shù) 10 2 調(diào)節(jié)量 由控制作用來改變并去控制被調(diào)量變化 使被調(diào)量恢復(fù)為給定值的物理量 引風(fēng)控制系統(tǒng)中的調(diào)節(jié)量是 引風(fēng)執(zhí)行器指令給水控制系統(tǒng)中的調(diào)節(jié)量是 給水泵指令即一般閥門輸出指令 閥門開度等 調(diào)節(jié)機構(gòu) 接受控制作用去改變調(diào)節(jié)量變化的具體設(shè)備 11 3 最大動態(tài)偏差 整個過渡過程中被控參數(shù)偏離給定值的最大差值 12 自動控制系統(tǒng)可以由以下幾個部分組成 測量變送器 用來測量被調(diào)量 并把被調(diào)量轉(zhuǎn)換為與之成比例的某種便于傳遞和綜合的信號 給定元件 用來設(shè)置被調(diào)量的給定值或與該給定值對應(yīng)的電信號 圖汽包水位自動控制原理框圖 13 調(diào)節(jié)器 接受被調(diào)量信號和給定值比較后的偏差信號 輸出一定規(guī)律的控制指令給執(zhí)行器 14 執(zhí)行器 根據(jù)調(diào)節(jié)器送來的控制指令去推動調(diào)節(jié)機構(gòu) 改變調(diào)節(jié)量 控制對象 被控制的熱工生產(chǎn)過程或設(shè)備 如本例中的以汽包為中心的鍋爐本體設(shè)備 擾動 生產(chǎn)過程中引起被調(diào)量偏離給定值的各種因素 如蒸汽流量D的變化會引起汽包水位變化 蒸汽流量的變化稱為擾動 15 二 自動控制系統(tǒng)的分類1 按控制方式分類閉環(huán)控制系統(tǒng) 也稱反饋控制系統(tǒng) 它的被控量信號反饋到控制設(shè)備的輸入端 成為控制設(shè)備生產(chǎn)控制作用的依據(jù) 只要被控量與給定量之間有偏差 控制設(shè)備就要對控制對象施加作用 直到被控量符合要求為止 特點 基于偏差 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 16 以高加水位控制為例 17 一 高加概述汽輪發(fā)電機組設(shè)有4臺低壓加熱器和3臺高壓加熱器 低加用來加熱由凝汽器至除氧器的凝結(jié)水 以保證除氧器的除氧效果 高壓加熱器用來加熱除氧器經(jīng)給水泵至鍋爐省煤器的給水 加熱器的水位應(yīng)保持在規(guī)定值范圍內(nèi) 否則會給安全 經(jīng)濟運行造成不良后果 尤其是高壓加熱器水位急劇上升時將產(chǎn)生嚴(yán)重后果 所以高壓加熱器上還裝有高水位保護 高加水位調(diào)節(jié)是通過逐級輸水閥來實現(xiàn)的 18 高加水位控制系統(tǒng) 19 被調(diào)量 高加水位調(diào)節(jié)量 疏水門開度調(diào)節(jié)機構(gòu) 疏水門控制對象 高加系統(tǒng) 單回路控制 帶有前饋調(diào)節(jié) 20 1高加水位調(diào)節(jié)系統(tǒng)是一個帶有主蒸汽 給水 流量前饋的單回路調(diào)節(jié)系統(tǒng) 高加水位給定值和實際測量值得到的水位偏差進行PID運算 PID輸出控制疏水門開度 主蒸汽流量前饋信號是為了在機組負(fù)荷變化時 能更快克服擾動 2 3高加水位調(diào)節(jié)系統(tǒng)是一個單回路調(diào)節(jié)系統(tǒng) 高加水位給定值與實際測量值得到的偏差進行PID運算 PID輸出控制疏水門開度 21 開環(huán)控制系統(tǒng) 也稱前饋控制系統(tǒng) 控制設(shè)備和控制對象在信號關(guān)系上沒有形成閉合回路的控制系統(tǒng) 其被控量沒有反饋到控制設(shè)備的輸入端 特點 按擾動進行控制 結(jié)構(gòu)簡單 精度差 只能克服單一擾動 復(fù)合控制系統(tǒng) 開環(huán)控制和閉環(huán)控制組合的一種控制系統(tǒng) 22 2 按閉合回路的數(shù)目分類單回路控制系統(tǒng) 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 圖 單回路控制系統(tǒng)的原理框圖 23 多回路控制系統(tǒng) 具有一個以上的閉合回路 控制器 調(diào)節(jié)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(tǒng)和導(dǎo)前微分控制系統(tǒng)都是雙回路控制系統(tǒng) 圖 串級控制系統(tǒng)的原理框圖 24 3 按給定值分類恒值控制系統(tǒng) 給定值保持不變 從而被控量也相應(yīng)保持不變 主要矛盾是克服擾動對被控量的影響 最終使被控量與給定值相等 主要的熱工控制系統(tǒng) 如 給水控制系統(tǒng) 再熱汽溫控制系統(tǒng)等 25 隨動控制系統(tǒng) 給定值按預(yù)先不能確定的一些隨機因素而變化 因而被調(diào)量也跟隨給定值而隨機變化 如 單元機組負(fù)荷控制系統(tǒng) 軍事上的火炮跟蹤系統(tǒng) 導(dǎo)彈預(yù)測攔截系統(tǒng) 程序控制系統(tǒng) 給定值按已知的時間函數(shù)變化 控制的任務(wù)是使被控量盡快與給定值相等 例如 汽輪機自動啟停系統(tǒng)TAS 汽輪機啟動過程中 要求汽輪機的轉(zhuǎn)速按一定程序升降等 爐膛吹灰系統(tǒng)等 26 三 主要自動化系統(tǒng)1 SIS 廠級實時監(jiān)控信息系統(tǒng) SupervisoryInformationSysteminPlantLevel 簡稱SIS SIS是發(fā)電廠的生產(chǎn)過程自動化和電力市場交易信息網(wǎng)絡(luò)化的中間環(huán)節(jié) 是發(fā)電企業(yè)實現(xiàn)發(fā)電生產(chǎn)到市場交易的中間控制層 是實現(xiàn)生產(chǎn)過程控制和生產(chǎn)信息管理一體化的核心 是承上啟下實現(xiàn)信息網(wǎng)絡(luò)的控制樞紐 實現(xiàn)全廠生產(chǎn)過程監(jiān)控 實時處理全廠經(jīng)濟信息和成本核算 競價上網(wǎng)處理系統(tǒng) 實現(xiàn)機組之間的經(jīng)濟負(fù)荷分配 機組運行經(jīng)濟評估及運行操作指導(dǎo) 27 2 AGC 自動發(fā)電控制系統(tǒng) automaticgenerationcontrolSystem AGC 由于調(diào)速器為有差調(diào)節(jié) 因此對于變化幅度較大 周期較長的變動負(fù)荷分量 需要通過改變汽輪發(fā)電機組的同步器來實現(xiàn) 即通過平移調(diào)速系統(tǒng)的調(diào)節(jié)靜態(tài)特性 從而改變汽輪發(fā)電機組的出力來達到調(diào)頻的目的 稱為二次調(diào)整 當(dāng)二次調(diào)整由由電網(wǎng)調(diào)度中心的能量管理系統(tǒng)來實現(xiàn)遙控自動控制時 則稱為自動發(fā)電控制 AGC 28 3 BPS旁路控制系統(tǒng) bypasscontrolsystem BPS 大型中間再熱式機組一般都設(shè)置旁路熱力系統(tǒng) 其目的是在機組啟 停過程中協(xié)調(diào)機 爐的動作 回收工質(zhì) 保護再熱器等 完備的旁路控制系統(tǒng)是充分發(fā)揮旁路系統(tǒng)功能的前提 29 4 CCS單元機組協(xié)調(diào)控制系統(tǒng) coordinationcontrolsystem CCS 協(xié)調(diào)控制是基于機 爐的動態(tài)特性 應(yīng)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(tǒng)基礎(chǔ)上組織的高一級機 爐主控系統(tǒng) 它是單元機組自動控制的核心內(nèi)容 30 5 FSSS鍋爐爐膛安全監(jiān)控系統(tǒng) furnacesafeguardsupervisorysystem FSSS 或稱燃燒器管理系統(tǒng) burnermanagementsystem BMS 爐膛安全監(jiān)視系統(tǒng)包括爐膛火焰監(jiān)視 爐膛壓力監(jiān)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 31 6 SCS順序控制系統(tǒng) sequencecontrolsystem 按照生產(chǎn)過程工藝要求預(yù)先擬定的順序 有計劃 有步驟 自動地對生產(chǎn)過程進行一系列操作的系統(tǒng) 稱之為順序控制系統(tǒng) 順序控制也稱程序控制 在發(fā)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(tǒng)的程序控制 32 7 DAS數(shù)據(jù)采集系統(tǒng) dataacquisitionsystem 又稱為計算機監(jiān)控系統(tǒng) 其基本功能是對機組整個生產(chǎn)過程參數(shù)進行在線檢測 經(jīng)處理運算后以CRT畫面形式提供給運行人員 該系統(tǒng)可進行自動報警 制表打印 性能指標(biāo)計算 事件順序記錄 歷史數(shù)據(jù)存儲以及操作指導(dǎo)等 33 8 DEH汽輪機數(shù)字電液控制系統(tǒng) digitalelectrichydraulicsystem 汽輪機數(shù)字電液控制系統(tǒng)是汽輪發(fā)電機組的重要組成部分 除完成汽輪機轉(zhuǎn)速 功率及機前壓力的控制外 還可實現(xiàn)機組啟停過程及故障時的控制和保護 34 1 2熱工被控對象 35 一 了解對象動態(tài)特性的意義1 熱工對象是熱工自動控制系統(tǒng)的重要組成部分 要設(shè)計一個合理的控制系統(tǒng) 必須了解對象的動態(tài)特性 2 要確定出控制器的最佳整定參數(shù) 也必須了解對象的動態(tài)特性 3 了解對象的動態(tài)特性 還可以對新設(shè)計的工藝設(shè)備提出要求 使之滿足所需要的動態(tài)特性 為設(shè)計滿意的控制系統(tǒng)創(chuàng)造先決條件 36 二 相關(guān)概念1 對象的動態(tài)特性 就是對象的某一輸入量變化時 其被控參數(shù)隨時間變化的規(guī)律 其取決于工藝設(shè)備的結(jié)構(gòu) 運行條件和內(nèi)部物理的 或化學(xué)的 過程 2 理論建模 可以用機理分析的方法導(dǎo)出對象的動態(tài)特性 3 實驗建模 用實驗的方法獲取對象的動態(tài)特性 是工程中常用的建模方法 目前有時域法 頻域法和相關(guān)統(tǒng)計法等 4 時域法 是在對象的輸入端加一階躍擾動 記錄響應(yīng)曲線 經(jīng)數(shù)據(jù)處理求得對象的傳遞函數(shù) 這種方法的特點是簡單適用 因此為工程中所廣泛采用 37 5 頻域法 用通過實驗求得對象的頻率特性來研究對象的動態(tài)特性 但對一些慣性大的對象則因試驗時間很長而影響生產(chǎn)的正常進行 因此 這種頻域法用的較少 6 相關(guān)統(tǒng)計法 是在對象的輸入端加一偽隨機信號 用相關(guān)計算求得對象的脈沖響應(yīng)函數(shù) 這種方法的最大優(yōu)點是不影響生產(chǎn) 因而越來越受到人們的重視 38 三 影響對象動態(tài)特性的結(jié)構(gòu)性質(zhì) 影響對象動態(tài)特性的主要特征參數(shù)有容量系數(shù) 阻力和傳遞延遲 稱為大多數(shù)對象所共有的結(jié)構(gòu)性質(zhì) 1 容量系數(shù)衡量對象儲存物質(zhì) 或能量 能力的一個特征參數(shù) 2 阻力物質(zhì) 或能量 在傳輸過程中總是要遇到或大或小的阻力 因此需給予推動物質(zhì) 或能量 流動的壓差 如電位差 水位差 溫度差等 39 對象的自平衡 不需要外來作用只依靠對象自身來恢復(fù)平衡的現(xiàn)象 顯然 對象的阻力使之在動態(tài)過程中表現(xiàn)出自平衡能力 3 傳輸遲延被調(diào)量的變化時刻落后于擾動發(fā)生時刻的現(xiàn)象稱為對象的傳遞遲延 由于遲延是物質(zhì) 或能量 在傳輸過程中因傳輸距離的存在而產(chǎn)生 所以又稱為傳輸遲延或純遲延 在設(shè)計主設(shè)備及其控制系統(tǒng)時 應(yīng)盡量避免或減小對象的傳輸遲延 40 1 有自平衡能力對象 不需要外來作用只依靠對象自身來恢復(fù)平衡 具有這種能力的被控對象 2 無自平衡能力對象 在受到擾動后 其被調(diào)量不能依靠對象自身能力使之趨于某一穩(wěn)定值 而不管對象的容積多少及容量系數(shù)的大小 四 熱工對象的動態(tài)特性 41 熱工對象具有以下特點 1 被調(diào)量的變化大多是不振蕩的 2 被調(diào)量在干擾發(fā)生的開始階段有遲延和慣性 3 在響應(yīng)曲線的最后階段 被調(diào)量可能達到一個新的平衡狀態(tài) 對象有自平衡能力 也可能不斷變化而無法進入平衡狀態(tài) 對象無自平衡能力 4 描述對象動態(tài)特性的特征參數(shù)有 放大系數(shù) 時間常數(shù) 遲延時間 42 五 階躍響應(yīng)曲線求取對象傳遞函數(shù) 時域法是目前應(yīng)用最多的一種方法 其主要內(nèi)容是 給對象人為加一階躍擾動 記錄下響應(yīng)曲線 然后根據(jù)該響應(yīng)曲線求取對象的傳遞函數(shù) 由階躍擾動作用下的對象的動態(tài)特性為階躍響應(yīng)曲線 即飛升曲線 階躍響應(yīng)曲線能比較直觀的反映對象的動態(tài)特性 其次特征參數(shù)直接取自記錄曲線而無需經(jīng)過中間轉(zhuǎn)換 試驗方法也很簡單 1 階躍響應(yīng)曲線的測定在系統(tǒng)處于穩(wěn)定工況下通過手動或搖控裝置使調(diào)節(jié)閥作一次階躍變化 與此同時 記錄表記錄下擾動量和被調(diào)量的變化過程 43 1 擾動量的確定 擾動量應(yīng)足夠大 減小其它干擾信號對測試結(jié)果的相對影響 然而擾動量又不宜過大 過大的擾動量會使對象本身的非線性因素增大 有時還會影響生產(chǎn)設(shè)備的正常運行 通常 擾動量一般為對象額定負(fù)荷下的10 15 2 試驗前應(yīng)將對象調(diào)整到所需工況 并保持穩(wěn)定運行一段時間 如果作負(fù)荷上升擾動試驗 則應(yīng)將對象輸出調(diào)整到允許變動范圍的下限值 或上限值 反之 則應(yīng)將對象輸出調(diào)整到允許變動范圍的上限值 或下限值 3 擾動加入時應(yīng)盡量的快 設(shè)擾動開始到結(jié)束所花時間為 在處理試驗數(shù)據(jù)時一般認(rèn)為擾動是在時刻加入的 44 4 要仔細記錄階躍響應(yīng)曲線的起始部分 因為這一部分?jǐn)?shù)據(jù)的準(zhǔn)確性對確定對象動態(tài)特性參數(shù)的影響很大 對有自平衡能力對象 試驗過程應(yīng)在輸出信號達到新的穩(wěn)定值時結(jié)束 5 試驗應(yīng)在主要運行工況下 如額定負(fù)荷 平均負(fù)荷 進行 每一工況下應(yīng)重復(fù)幾次 至少要得到兩條基本相同的曲線 以消除偶然性干擾的影響 6 應(yīng)進行正反兩個方向的試驗 以檢驗對象的非線性 線性對象在正向擾動和反向擾動下 兩條響應(yīng)曲線應(yīng)該是一樣的 45 2 有自平衡對象傳遞函數(shù)的求取高階對象的階躍響應(yīng)曲線呈 S 形 即響應(yīng)起始段具有明顯的遲延 曲線中間存在拐點 曲線最終趨于某一常量 或 1 切線法 圖 標(biāo)稱化的單位階躍曲線 放大系數(shù)K的確定方法仍由對象輸出 輸入值 穩(wěn)態(tài)值 之比來求得 采用切線法求取時間常數(shù)T和階次n 過拐點P作切線 切線交水平線于M 交時間軸于L 46 則 2 兩點法 設(shè)二階對象的傳遞函數(shù)形式為 圖 兩點法 47 作曲線的水平線 并找出 兩點對應(yīng)的時間t1 t2 對于高階對象 48 3 無自平衡能力對象傳遞函數(shù)的求取 傳遞函數(shù)形式為 由階躍響應(yīng)曲線求取無自平衡能力對象的傳遞函數(shù)是首先做響應(yīng)曲線直線段的漸近線 該漸近線交時間軸于L 交縱軸于h 階躍擾動信號的幅值 圖 無自平衡能力對象特征參數(shù)求取 49 4 求對象傳遞函數(shù)的半對數(shù)法一種圖解法 它利用試驗測得的階躍響應(yīng)曲線數(shù)據(jù)畫出半對數(shù)坐標(biāo)圖 然后由半對數(shù)坐標(biāo)圖求出對象的時間常數(shù) 綜上所述 對象的傳遞函數(shù)大多用有遲延一階慣性環(huán)節(jié)或二階慣性環(huán)節(jié)來近似 傳遞函數(shù)的階次一般不高于三階 對無自平衡對象常用積分環(huán)節(jié)和一階慣性環(huán)節(jié)串聯(lián)來描述 50 1 3常規(guī)PID調(diào)節(jié)器 51 一 常規(guī)PID控制規(guī)律常規(guī)PID控制即比例 積分 微分控制規(guī)律 52 1 比例調(diào)節(jié)規(guī)律指調(diào)節(jié)器輸出的控制作用u t 與其偏差輸入信號e t 之間成比例關(guān)系 即 比例增益 比例調(diào)節(jié)器的傳遞函數(shù) 工程中 常用比例帶 來描述其控制作用的強弱 即 其物理意義是在調(diào)節(jié)機構(gòu)的位移改變時 被調(diào)量應(yīng)有的改變量 53 比例調(diào)節(jié)器的階躍響應(yīng)曲線如下 對控制過程的影響 54 結(jié)論 比例調(diào)節(jié)的參差隨著比例帶的加大而加大 從這一方面考慮 人們希望盡量減小比例帶 然而 減小比例帶就等于加大調(diào)節(jié)系統(tǒng)的開環(huán)增益 其后果是導(dǎo)致系統(tǒng)激烈振蕩甚至不穩(wěn)定 穩(wěn)定性是任何閉環(huán)控制系統(tǒng)的首要要求 比例帶的設(shè)置必須保證系統(tǒng)具有一定的穩(wěn)定裕度 此時 如果參差過大 則需通過其它的途徑解決 比例調(diào)節(jié)規(guī)律的特點 1 動作快 調(diào)節(jié)及時 迅速 2 調(diào)節(jié)過程結(jié)束 被調(diào)量偏差仍存在 存在靜態(tài)偏差 稱為有差調(diào)節(jié) 55 2 積分調(diào)節(jié)規(guī)律積分調(diào)節(jié)規(guī)律是調(diào)節(jié)器輸出控制作用u t 與其偏差輸入信號e t 隨時間的積累值成正比 即 傳遞函數(shù) 積分時間 積分作用曲線 特點 只要偏差存在 積分控制作用一直增加 消除穩(wěn)態(tài)偏差 實現(xiàn)無差調(diào)節(jié) 其控制作用體現(xiàn)在調(diào)節(jié)過程的后期 56 Ti對控制過程的影響 積分調(diào)節(jié)器的積分時間對控制過程的影響 非周期過程 衰減振蕩過程 等幅振蕩過程 57 結(jié)論 積分時間越小 積分速度越快 調(diào)節(jié)閥動作愈快 容易引起和加劇振蕩 積分調(diào)節(jié)作用是隨時間而逐漸增強的 與比例調(diào)節(jié)作用相比過于遲緩 惡化了動態(tài)品質(zhì) 使過渡過程的振蕩加劇 甚至造成系統(tǒng)的不穩(wěn)定 58 3 微分調(diào)節(jié)規(guī)律微分調(diào)節(jié)規(guī)律是調(diào)節(jié)器輸出的控制作用與其偏差輸入信號的變化速度成正比 對于定值控制系統(tǒng) 偏差信號的變化速度就是被調(diào)量的變化速度 即 微分時間 傳遞函數(shù)式為 加入微分調(diào)節(jié)作用實現(xiàn)超前調(diào)節(jié) 有利于克服動態(tài)偏差 將大大改善調(diào)節(jié)過程 微分調(diào)節(jié)作用的大小僅與偏差信號的變化速度有關(guān) 而與偏差值大小無關(guān) 59 實際的微分調(diào)節(jié)規(guī)律具有慣性 傳遞函數(shù)為下式 微分增益 實際微分調(diào)節(jié)的階躍響應(yīng) 60 結(jié)論 微分作用的引入使系統(tǒng)控制過程的穩(wěn)定性和準(zhǔn)確性都得以提高 可適當(dāng)減小靜態(tài)偏差 但它不能像積分作用那樣消除穩(wěn)態(tài)偏差 調(diào)節(jié)過程開始時 被調(diào)量偏差小 但其變化速度卻較大 可使執(zhí)行機構(gòu)產(chǎn)生較大的位移 但當(dāng)調(diào)節(jié)過程結(jié)束 執(zhí)行機構(gòu)位置最后總是回復(fù)到原來的數(shù)值 不能適應(yīng)負(fù)荷的變化 61 為什么水位 流量等很少采用微分作用 微分作用過強 會使系統(tǒng)產(chǎn)生高頻振蕩 同時 由于微分作用與偏差變化速度成比例 有些被調(diào)量如水位 流量等 信號中往往含有高頻成分 其值常在給定值上下波動 波動幅度雖小 但是變化率卻很大 微分作用對這種高頻干擾很敏感 容易造成執(zhí)行機構(gòu)的頻繁動作 對于這類對象 一般不宜采用微分作用 62 過渡過程曲線 曲線1由于比例調(diào)節(jié)規(guī)律具有調(diào)節(jié)及時的特點 所以調(diào)節(jié)過程時間較曲線2短 動態(tài)偏差也較曲線2小 而比例調(diào)節(jié)為有差調(diào)節(jié) 通過減小調(diào)節(jié)器的比例帶可減小靜態(tài)偏差 但會使系統(tǒng)的穩(wěn)定性下降 曲線3是能消除靜態(tài)偏差 實現(xiàn)無差調(diào)節(jié) 然而積分作用的調(diào)節(jié)不及時 又使調(diào)節(jié)過程的動態(tài)偏差加大 過渡過程時間加長 與曲線1相比 相對而言又使系統(tǒng)的穩(wěn)定性下降 63 曲線5是配比例積分微分調(diào)節(jié)器的控制過程 微分調(diào)節(jié)是一種超前調(diào)節(jié)方式 其實質(zhì)是阻止被調(diào)量的一切變化 適當(dāng)?shù)奈⒎肿饔每蓽p小動態(tài)偏差 縮短調(diào)節(jié)過程時間 這樣可適當(dāng)減小比例帶和積分時間 綜上所述 比例調(diào)節(jié)作用是最基本的調(diào)節(jié)作用 使 長勁 比例作用貫徹于整個調(diào)節(jié)過程之中 積分和微分作用為輔助調(diào)節(jié)作用 積分作用則體現(xiàn)在調(diào)節(jié)過節(jié)過程的后期 用以消除靜態(tài)偏差 使 后勁 微分作用則體現(xiàn)在調(diào)節(jié)過程的初期 使 前勁 64 4 PID 比例 積分 微分 控制特點 1 缺點不適用于有大時間滯后的控制對象 參數(shù)變化較大甚至結(jié)構(gòu)也變化的控制對象 以及系統(tǒng)復(fù)雜 環(huán)境復(fù)雜 控制性能要求高的場合 2 優(yōu)點 PID算法蘊涵了動態(tài)控制過程中過去 現(xiàn)在和將來的主要信息 而且其配置幾乎最優(yōu) 65 比例 P 代表了當(dāng)前的信息 起糾正偏差的作用 使過程反應(yīng)迅速 微分 D 在信號變化時有超前控制作用 代表了將來的信息 在過程開始時強迫過程進行 過程結(jié)束時減小超調(diào) 克服振蕩 提高系統(tǒng)的穩(wěn)定性 加快系統(tǒng)的過渡過程 積分 I 代表了過去積累的信息 它能消除靜差 改善系統(tǒng)靜態(tài)特性 此三作用配合得當(dāng) 可使動態(tài)過程快速 平穩(wěn) 準(zhǔn)確 收到良好的效果 66 67 PID控制適應(yīng)性好 有較強魯棒性 PID算法簡單明了 形成了完整的設(shè)計和參數(shù)調(diào)整方法 很容易為工程技術(shù)人員所掌握 許多工業(yè)控制回路比較簡單 控制的快速性和精度要求不是很高 特別是對于那些l 2階的系統(tǒng) PID控制已能得到滿意的結(jié)果 PID控制根據(jù)不同的要求 針對自身的缺陷進行了不少改進 形成了一系列改進的PID算法 例如 為克服微分帶來的高頻干擾的濾波PID控制 為克服大偏差時出現(xiàn)飽和超調(diào)的PID積分分離控制 為補償控制對象非線性因素的可變增益PID控制等等 這些改進算法 在一些應(yīng)用場合得到了很好的效果 68 比例帶 積分時間 微分時間 性能指標(biāo) 整定參數(shù) 衰減率 超調(diào)量 靜態(tài)偏差 振蕩頻率 設(shè)定值擾動下整定參數(shù)對調(diào)節(jié)過程的影響 5 PID參數(shù)對調(diào)節(jié)過程的影響分析 69 在火力發(fā)電生產(chǎn)過程中 熱工自動控制系統(tǒng)的穩(wěn)定優(yōu)化運行十分關(guān)鍵 而隨著機組運行工況的變化 大小修工程的實施 熱工對象特性必將發(fā)生變化 為了實現(xiàn)熱工系統(tǒng)穩(wěn)定優(yōu)化運行 控制器參數(shù)需要的重新整定 在熱工過程控制中 PID控制算法以其魯棒性較好 易于實現(xiàn)和被工程技術(shù)人員熟悉掌握等特點 至今仍被工程控制界所廣泛采用 常規(guī)PID控制器參數(shù)的優(yōu)化整定成為熱工控制系統(tǒng)維護的重要工作之一 6 PID控制器的整定 70 調(diào)節(jié)器的參數(shù)整定就是合理地設(shè)置調(diào)節(jié)器的各個參數(shù) 在熱工生產(chǎn)過程中 通常要求控制系統(tǒng)具有一定的穩(wěn)定裕量 即要求過程有一定的衰減率 在這一前提下 要求調(diào)節(jié)過程有一定的快速性和準(zhǔn)確性 換言之穩(wěn)定性是首要的 所謂準(zhǔn)確性就是要求控制過程的動態(tài)偏差 以超調(diào)量MP表示 和靜態(tài)偏差 ess 盡量地小 而快速性則是要求控制過程的時間盡可能地短 控制系統(tǒng)參數(shù)整定有理論計算方法 工程整定方法 理論計算方法 基于一定的性能指標(biāo) 結(jié)合組成系統(tǒng)各環(huán)節(jié)的動態(tài)特性 通過理論計算求得調(diào)節(jié)器的動態(tài)參數(shù)設(shè)定值 工程整定法 源于理論分析 結(jié)合試驗 工程實際經(jīng)驗等一套工程上的方法 71 1 廣義頻率特性法廣義頻率特性法是通過調(diào)整調(diào)節(jié)器的動態(tài)參數(shù) 使控制系統(tǒng)的開環(huán)頻率特性具有規(guī)定相對穩(wěn)定度的衰減頻率特性 從而使閉環(huán)系統(tǒng)響應(yīng)滿足規(guī)定衰減率的一種參數(shù)整定方法 特點 利用廣義頻率特性法計算調(diào)節(jié)器的參數(shù) 其前提是獲得對象的傳遞函數(shù) 這一點給工程實際應(yīng)用帶來困難 此外 該方法計算工作量也較大 72 2 臨界比例帶法臨界比例帶法又稱邊界穩(wěn)定法 其要點是將調(diào)節(jié)器設(shè)置成純比例作用 將系統(tǒng)投入自動運行并將比例帶由大到小改變 直到系統(tǒng)產(chǎn)生等幅振蕩為止 這時控制系統(tǒng)處于邊界穩(wěn)定狀態(tài) 記下此狀態(tài)下的比例帶值 即臨界比例帶 以及振蕩周期 然后根據(jù)經(jīng)驗公式計算出調(diào)節(jié)器的各個參數(shù) 特點 臨界比例帶法無需知道對象的動態(tài)特性 直接在閉環(huán)系統(tǒng)中進行參數(shù)整定 73 具體步驟 1 將調(diào)節(jié)器的積分時間置于最大 即 置微分時間 置比例帶于一個較大的值 2 將系統(tǒng)投入閉環(huán)運行 待系統(tǒng)穩(wěn)定后逐漸減小比例帶 直到系統(tǒng)進入等幅振蕩狀態(tài) 一般振蕩持續(xù)4 5個振幅即可 試驗記錄曲線如下圖所示 圖4 3等幅振蕩曲線 3 據(jù)記錄曲線得振蕩周期 此狀態(tài)下的調(diào)節(jié)器比例帶為 然后按下表計算出調(diào)節(jié)器的各個參數(shù) 4 將計算好的參數(shù)值在調(diào)節(jié)器上設(shè)置好 作階躍響 應(yīng)試驗 觀察系統(tǒng)的調(diào)節(jié)過程 適當(dāng)修改調(diào)節(jié)器的參數(shù) 直到調(diào)節(jié)過程滿意為止 74 臨界比例帶法在實際應(yīng)用中有一定的局限性 有些生產(chǎn)過程根本不允許產(chǎn)生等幅振蕩 如火力發(fā)電廠鍋爐汽包水位控制 此外 某些慣性較大的單容對象配比例調(diào)節(jié)器又很不容易產(chǎn)生等幅振蕩過程 得不到臨界狀態(tài)下的調(diào)節(jié)器比例帶及振蕩周期 則無法應(yīng)用臨界比例帶法 75 3 衰減曲線法衰減曲線法是在總結(jié)臨界比例帶法基礎(chǔ)上發(fā)展起來的 它利用比例作用下產(chǎn)生的4 1衰減振蕩 0 75 過程時的調(diào)節(jié)器比例帶及過程衰減周期 或10 1衰減振蕩 0 9 過程時調(diào)節(jié)器比例帶及過程上升時間 據(jù)經(jīng)驗公式計算出調(diào)節(jié)器的各個參數(shù) 76 具體步驟 1 將調(diào)節(jié)器的積分時間置于最大 即 置微分時間 置比例帶于一個較大的值 將系統(tǒng)投入閉環(huán)運行 2 在系統(tǒng)處于穩(wěn)定狀態(tài)后做階躍擾動試驗 觀察控制過程 如果過渡過程衰減率大于0 75 應(yīng)逐步減小比例帶值 并再次試驗 直到過渡過程曲線出現(xiàn)4 1的衰減過程 對于 0 9的調(diào)節(jié)過程 也一樣做上述試驗 直到出現(xiàn)10 1的衰減過程 記錄下4 1 或10 1 的衰減振蕩過程曲線 衰減曲線 77 在上圖所示的衰減曲線上求取 0 75的振蕩周期或 0 9時的上升時間 結(jié)合此過程下的調(diào)節(jié)器比例帶 按上表計算出調(diào)節(jié)器的各個參數(shù) 3 按計算結(jié)果設(shè)置好調(diào)節(jié)器的各個參數(shù) 作階躍擾動試驗 觀察調(diào)節(jié)過程 適當(dāng)修改調(diào)節(jié)器的參數(shù) 直到滿意為止 4 經(jīng)驗法 根據(jù)經(jīng)驗進行參數(shù)試湊的方法 首先根據(jù)經(jīng)驗設(shè)置一組調(diào)節(jié)器參數(shù) 然后將系統(tǒng)投入閉環(huán)運行 待系統(tǒng)穩(wěn)定后作階躍擾動試驗 觀察調(diào)節(jié)過程 如果過渡過程不令人滿意 則修改調(diào)節(jié)器參數(shù) 再作階躍擾動試驗 觀察調(diào)節(jié)過程 反復(fù)上述試驗 直到調(diào)節(jié)過程滿意為止 78 具體步驟 1 調(diào)節(jié)器的積分時間放到最大 微分時間置于最小 據(jù)經(jīng)驗設(shè)置比例帶值 將系統(tǒng)投入閉環(huán)運行 穩(wěn)定后作階躍擾動試驗 觀察調(diào)節(jié)過程 若過渡過程有希望的衰減率 則可 否則改變比例帶值 重復(fù)上述試驗 2 將調(diào)節(jié)器的積分時間由最大值調(diào)整到某一值 由于積分作用的引入使系統(tǒng)的穩(wěn)定性下降 這時應(yīng)將比例帶值適當(dāng)增大 一般為純比例作用的1 2倍 作階躍擾動試驗 觀察調(diào)節(jié)過程 修改積分時間重復(fù)試驗 直到滿意為止 79 3 保持積分時間不變 改變比例帶 看調(diào)節(jié)過程有無改善 若有改善則繼續(xù)修改比例帶 如無改善則反向修改比例帶 直到滿意為止 保持比例帶不變修改積分時間 同樣反復(fù)湊試直到滿意為止 如此反復(fù)湊試 直到有一組合適的積分時間和比例帶 4 對于采用三參數(shù)的調(diào)節(jié)器 在進行完上述調(diào)整試驗后 將微分時間由小到大的調(diào)整 觀察每次試驗過程 直到滿意時為止 80 下表分別就不同對象 給出調(diào)節(jié)器參數(shù)的經(jīng)驗數(shù)據(jù)以及設(shè)定值擾動下調(diào)節(jié)器各參數(shù)對調(diào)節(jié)過程的影響 經(jīng)驗法調(diào)節(jié)器參數(shù)經(jīng)驗數(shù)據(jù) 81 設(shè)定值擾動下整定參數(shù)對調(diào)節(jié)過程的影響 這種方法使用得當(dāng) 同樣可以獲得滿意的調(diào)節(jié)器參數(shù) 取得最佳的控制效果 而且此方法省時 對生產(chǎn)影響小 82 5 動態(tài)參數(shù)法 動態(tài)參數(shù)法是在系統(tǒng)處于開環(huán)狀態(tài)下 作對象的階躍擾動試驗 根據(jù)記錄下的階躍響應(yīng)曲線求取一組特征參數(shù) 無自平衡能力對象 或 有自平衡能力對象 再根據(jù)經(jīng)驗公式計算出調(diào)節(jié)器的各個參數(shù) 1 有自平衡能力對象過響應(yīng)曲線拐點P作切線交穩(wěn)態(tài)漸近線于A 交時間軸于C 過A點作時間的垂線交于B 則 83 2 無自平衡能力對象作響應(yīng)曲線直線段的漸近線交時間軸于C 過直線段上任一點A作時間垂線并交于B 則 由此 按下表經(jīng)驗公式計算出調(diào)節(jié)器整定參數(shù) 84 對象特征參數(shù)和的乘積反映了控制難易的程度 越大 對象就越不好控制 因此調(diào)節(jié)器的比例帶應(yīng)該取大一些 即與成正比 對于比例積分調(diào)節(jié) 由于積分作用的加入使系統(tǒng)的穩(wěn)定性下降 因此比例帶為純比例作用時的比例帶的1 2倍 對于采用比例積分微分調(diào)節(jié) 由于微分作用提高了系統(tǒng)的穩(wěn)定性 因而比例帶可為純比例作用時比例帶的0 8倍 85 工業(yè)控制中最常用的數(shù)字控制算法是數(shù)字PID控制算法 除了少數(shù)有特殊控制要求或具有復(fù)雜對象特性的系統(tǒng)需用先進控制策略或智能控制外 對大多數(shù)控制對象 90 以上 采用數(shù)字PID控制 均可達到滿意的控制效果 數(shù)字PID控制算法用計算機實現(xiàn)PID控制 不僅僅是簡單地把PID控制規(guī)律數(shù)字化 而是進一步與計算機的邏輯判斷功能結(jié)合起來 使PID控制更加靈活多樣 更能滿足生產(chǎn)過程提出的各式各樣的要求 二 基本的數(shù)字PID控制算法 86 在計算機控制系統(tǒng)中 一般采用兩種基本的數(shù)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 1 理想PID控制算法 圖 PID控制系統(tǒng)框圖 87 控制量 系統(tǒng)的控制偏差 比例增益 與比例帶成倒數(shù)關(guān)系 即 積分時間 微分時間 88 數(shù)字PID是連續(xù)系統(tǒng)PID控制規(guī)律的數(shù)字實現(xiàn) 為了用程序?qū)崿F(xiàn)PID控制規(guī)律 須將上述微分方程式離散化為差分方程 為此可作如下近似 式中 T 采樣周期記為 89 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(tǒng)中 計算機進行PID運算后 其輸出指的是調(diào)節(jié)閥開度 位置 的大小 此種PID算式的形式稱為位置式 差分方程為 或 90 t kT時的控制量 積分系數(shù) 微分系數(shù) 理想PID控制算式的位置式 它的輸出同調(diào)節(jié)閥的開度 位置 是一一對應(yīng)的 91 2 增量式在計算機控制系統(tǒng)中 計算機進行PID運算后 其輸出指的是調(diào)節(jié)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 即 92 或 理想PID控制算式的增量式 其輸出表示閥位的增量 3 速度式在計算機控制系統(tǒng)中 計算機進行PID運算后 其輸出指的是直流伺服電機的轉(zhuǎn)動速度 此種PID算式的形式稱為速度式 93 理想PID控制算式的速度式 其輸出表示直流伺服電機的轉(zhuǎn)動速度 2 實際PID控制算法由于實際計算機控制系統(tǒng)的采樣回路都可能存在高頻干擾 因此幾乎所有的數(shù)字控制回路都設(shè)置了一級低通濾波器 一階滯后環(huán)節(jié)或一階慣性環(huán)節(jié) 來限制高頻干擾的影響 因為低通濾波器的傳遞函數(shù)為 94 低通濾波器和理想PID算式相結(jié)合后的傳遞函數(shù)為 設(shè) 得到如下的實際PID算式 或 輸出 至調(diào)節(jié)閥 偏差 實際積分時間 實際微分時間 微分放大系數(shù) 放大倍數(shù) 95 其中 圖 實際PID算式方框圖 96 先分別推導(dǎo)出每個方框輸出函數(shù)的差分算式 然后按上圖進行疊加 從而得到實際PID的差分算式 1 微分作用方框 寫成差分形式 97 98 2 積分作用方框 寫成差分形式為 或 3 放大倍數(shù)方框 99 實際PID算式的表達式也有三種形式 即位置式 增量式和速度式 1 位置式 100 理想PID數(shù)字控制算法和實際PID數(shù)字控制算法的階躍響應(yīng)如下圖所示 圖 PID數(shù)字控制器的階躍響應(yīng) 101 結(jié)論 比較這兩種PID數(shù)字控制算法的階躍響應(yīng) 可以得知 1 理想PID數(shù)字控制算法的控制品質(zhì)較差 其原因是微分作用僅局限于第一個采樣周期有一個大幅度的輸出 一般的工業(yè)用執(zhí)行機構(gòu) 無法在較短的采樣周期內(nèi)跟蹤較大的微分作用輸出 而且 理想微分還容易引進高頻干擾 2 實際PID數(shù)字控制算法的控制品質(zhì)較好 其原因是微分作用能緩慢地持續(xù)多個采樣周期 使得一般的工業(yè)用執(zhí)行機構(gòu) 能夠比較好地跟蹤微分作用輸出 由于實際PID算式中含有一階慣性環(huán)節(jié) 具有數(shù)字濾波的能力 因此 抗干擾能力也較強 102 2 增量式增量式輸出由兩次位置式輸出相減得到 其中 103 3 速度式速度式輸出由增量式輸出除以采樣周期得到 104 三 數(shù)字PID控制算法的改進1 積分項的改進在實際使用中 這種基本的PID控制算法往往還存在著一些缺陷 其中對控制系統(tǒng)影響比較大的一個問題就是積分器的飽和問題 1 積分器的飽和現(xiàn)象積分運算是通過對系統(tǒng)偏差的不斷累加而實現(xiàn)的 積分器的積分值代表著系統(tǒng)偏差的面積 由于計算機輸出接口 D A轉(zhuǎn)換器 的字長是有限的 當(dāng)系統(tǒng)在剛啟動的一段時間內(nèi) 系統(tǒng)的偏差較大 積分器經(jīng)過若干個采樣周期的積分運算以后 其積分結(jié)果就會超過計算機輸出接口所能表示的最大值 從而使調(diào)節(jié)器從線性工作區(qū)進入飽和區(qū) 105 進入飽和區(qū)以后 調(diào)節(jié)器便失去了調(diào)節(jié)能力 系統(tǒng)在調(diào)節(jié)器飽和輸出值的作用下 以最大的加速度運動 一直到系統(tǒng)出現(xiàn)較大幅度的 并且持續(xù)時間較長的超調(diào)以后 在較大的負(fù)偏差的作用下 才能將積分器從飽和區(qū)拉到線性區(qū) 這就是積分飽和問題 被控對象的慣性越大 這種積分飽和現(xiàn)象就越嚴(yán)重 克服積分飽和現(xiàn)象的方法主要有積分分離與變速積分兩種控制方法 106 2 積分分離PID控制算法為使數(shù)字調(diào)節(jié)器盡可能工作在線性區(qū) 可以采用積分分離的方法 即在系統(tǒng)的給定值附近畫出一條帶域 其寬度為2 0 為積分器投入或切除的切換點 如下圖所示 圖 積分分離PID切換原理圖 107 在系統(tǒng)啟動的初期 系統(tǒng)的偏差較大時 暫時切除積分作用 將積分系數(shù)置0 當(dāng)系統(tǒng)的輸出接近給定值 進入到帶域之內(nèi) 時 再將積分器投入 即 為積分器分離值 為積分分離PID調(diào)節(jié)器的一個設(shè)計參數(shù) 算法程序?qū)⑾到y(tǒng)的偏差e k 的絕對值與 進行比較 然后 作出使用PID調(diào)節(jié)器還是使用PD調(diào)節(jié)器的決策 的值要在調(diào)試過程中 根據(jù)系統(tǒng)的具體情況而定 當(dāng) 的值選得很大時 調(diào)節(jié)器將失去積分分離的作用 108 3 變速積分PID控制算法在一般PID控制算法中 由于積分系數(shù)是一個常數(shù) 所以 在整個控制過程中 積分增量不變 而系統(tǒng)對積分項的要求是 系統(tǒng)偏差大時積分作用減弱以至全無 而在小偏差時則應(yīng)加強 否則 積分系數(shù)取大了會產(chǎn)生超調(diào) 甚至積分飽和 取小了又遲遲不能消除靜差 因此 根據(jù)系統(tǒng)的偏差大小改變積分的速度 這對于提高調(diào)節(jié)品質(zhì)是有益的 變速積分PID的基本思想是設(shè)法改變積分項的累加速度 使其與偏差的大小相對應(yīng) 偏差越大 積分越慢 反之則越快 109 設(shè)置一系數(shù) 它是的函數(shù) 當(dāng)增大時 減小 反之增大 變速積分PID的積分項表達式為 與偏差當(dāng)前值的關(guān)系可以是線性的或高階的 如設(shè)其為 110 變速積分PID算式的完整形式 優(yōu)點 1 完全消除了積分飽和現(xiàn)象 2 大大減小了超調(diào)量 可以很容易地使系統(tǒng)穩(wěn)定 3 適應(yīng)能力強 某些用普通PID控制不理想的過程可采用此種算法 4 參數(shù)整定容易 各參數(shù)間的相互影響減小了 而且對A B兩參數(shù)的要求不精確 可做一次性確定 111 3 兩種PID控制算法的比較變速積分與積分分離兩種控制方法很類似 但調(diào)節(jié)方法不同 積分分離對積分項采用的是所謂 開關(guān) 控制 而變速積分則是緩慢變化 兩者相比 后者調(diào)節(jié)品質(zhì)大為提高 它是一種新型的PID控制 112 2 微分項的改進在數(shù)字PID算式中 其位置式的微分項特別是增量式的微分項中的二階差分項 對數(shù)據(jù)誤差和干擾特別敏感 因此在數(shù)字PID中 干擾主要是通過微分項起作用的 但是由于微分作用在PID調(diào)節(jié)中往往是必要的 它可以近似補償對象的一個極點 擴大穩(wěn)定域 改善動態(tài)性能 因此不能簡單地將微分項棄去 應(yīng)設(shè)法減小數(shù)據(jù)誤差和干擾在微分項中的影響 下面介紹兩種方法 四點中值差分法和不完全微分PID控制算法 113 1 四點中值差分法本這種方法中 一方面將取得略小于理想情況 另一方面 在組成差分時 不直接應(yīng)用前后兩次偏差 而是用平均差作基準(zhǔn) 再用加權(quán)求和構(gòu)成近似微分項 如下圖所示 圖 插值法示意圖 114 在圖上取相鄰幾個采樣周期的四個點e k 至e k 3 設(shè) 特點 在算式中增加的計算量是最少的 但要求存儲器存儲e變量的幾個過去的數(shù)值 115 2 不完全微分PID控制算法微分的引入改善了系統(tǒng)的動態(tài)性能 但也容易引入高頻干擾 如果在控制算法中加入低通濾波 則性能可得到顯著地改善 不完全微分PID的結(jié)構(gòu)如下圖所示 圖 不完全微分PID的結(jié)構(gòu) 116 低通濾波器的濾波時間常數(shù) 不完全微分PID的比例部分和積分部分和理想PID完全相同 只是微分部分出現(xiàn)了不同 117 寫成微分方程為 將其離散化為 加以整理得 式中 118 理想PID算法的微分部分比較可見 不完全微分的多了一項 微分系數(shù)前多了一個衰減因子 不完全微分不僅可以抑制干擾 還可以克服完全微分的大幅度沖擊的缺點 與實際PID控制效果相同 因此 控制效果好 應(yīng)用日益廣泛 但完全微分法算式簡單 計算中占內(nèi)存也少 119 3 帶死區(qū) 間隙 的PID控制算法在計算機控制系統(tǒng)中 某些系統(tǒng)為了避免控制動作過于頻繁 以消除由于頻繁動作所引起的振蕩 有時采用所謂帶有死區(qū)的PID控制系統(tǒng) 如下圖所示 圖 帶死區(qū)的PID控制系統(tǒng) 120 死區(qū) 間隙 環(huán)節(jié)的表達式為 死區(qū)B是一個可調(diào)參數(shù) 其具體數(shù)值可根據(jù)實際控制對象由實驗確定 B值太小 使調(diào)節(jié)過于頻繁 達不到穩(wěn)定被調(diào)對象的目的 如果B取得太大 則系統(tǒng)將產(chǎn)生很大的滯后 當(dāng)B 0時 即為常規(guī)PID控制 該系統(tǒng)實際上是一個非線性控制系統(tǒng) 當(dāng)偏差絕對值時 p k 為0 當(dāng)時 p k e k u k 以PID運算結(jié)果輸出 121 調(diào)節(jié)器作用方式 正作用方式 指調(diào)節(jié)器的輸出信號隨著被調(diào)量的增大而增大 測量值 給定值 反作用方式 指調(diào)節(jié)器的輸出信號隨著被調(diào)量的增大而減小 給定值 測量值 122 調(diào)節(jié)系統(tǒng)中的自動跟蹤 所謂調(diào)節(jié)器的自動跟蹤 就是通過外力 使調(diào)節(jié)器的輸出在手動方式始終跟隨執(zhí)行器位置變化 要想保證手自動切換時無擾動 必須保證切換過程中執(zhí)行器位置不變 123 1 4熱工系統(tǒng)的主要控制方式 124 一 反饋控制反饋控制是根據(jù)被調(diào)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(diào)量與給定值的偏差出現(xiàn)后 調(diào)節(jié)器才能對其進行調(diào)節(jié)來補償干擾對被調(diào)量的影響 如果干擾已經(jīng)發(fā)生 而被調(diào)參數(shù)還未變化時 調(diào)節(jié)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(shè)定值之前 從而限制了這類控制系統(tǒng)控制質(zhì)量的進一步提高 125 原因 1 在熱工控制系統(tǒng)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(chǎn)生到被調(diào)量發(fā)生變化需要一定的時間 2 從偏差產(chǎn)生到調(diào)節(jié)器產(chǎn)生控制作用以及操縱量改變到被控量 被調(diào)量 發(fā)生變化又要經(jīng)過一定的時間 可見 這種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(shè)定值之前 從而限制了這類控制系統(tǒng)控制質(zhì)量的進一步提高 126 二 前饋控制1 基本原理考慮到偏差產(chǎn)生的直接原因是干擾作用的結(jié)果 如果直接按擾動而不是按偏差進行控制 也就是說 當(dāng)干擾一出現(xiàn)調(diào)節(jié)器就直接根據(jù)檢測到的干擾大小和方向按一定規(guī)律去進行控制 由于干擾發(fā)生后被控量還未顯示出變化之前 調(diào)節(jié)器就產(chǎn)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(gòu)成的控制系統(tǒng)稱為前饋控制系統(tǒng) 顯然 前饋控制對于干擾的克服要比反饋控制系統(tǒng)及時得多 若系統(tǒng)中的調(diào)節(jié)器能根據(jù)干擾作用的大小和方向就對被調(diào)節(jié)介質(zhì)進行控制來補償干擾對被調(diào)量的影響 則這種控制就叫做 前饋控制 或 擾動補償 127 前饋控制系統(tǒng)的原理框圖如下圖 圖中 KB 測量變送器的變送系數(shù) WDZ S 干擾通道對象傳遞函數(shù) WD S 控制通道對象傳遞函數(shù) WB S 前饋調(diào)節(jié)器的傳遞函數(shù) 128 2 前饋控制系統(tǒng)的特點理想的情況下 針對某種擾動的前饋控制系統(tǒng)能夠完全補償因擾動而引起的對被調(diào)量的影響 實現(xiàn)對干擾完全補償?shù)年P(guān)鍵是確定前饋控制器 前饋調(diào)節(jié)器 的控制作用 顯然WB S 取決于對象控制通道和干擾通道的特性 由上圖可得 Y s WDZ S KBWB S WD S Z S 令KB 1則有 Y s Z S WDZ S WB S WD S 式中 Z S 是干擾 Y s 是干擾引起的輸出 在理想的情況下 經(jīng)過前饋控制以后 被調(diào)量不變 即實現(xiàn)了所謂 完全補償 此時 Y s Z S WDZ S WB S WD S 0 129 所以 前饋控制器的控制規(guī)律為 WB S WDZ S WD S 上式說明前饋控制的控制規(guī)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(shù)之商 式中負(fù)號表示控制作用的方向與干擾作用相反 如果WDZ S 和WD S 可以很準(zhǔn)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?shù)淖饔?使被調(diào)量因干擾而引起的動態(tài)和穩(wěn)態(tài)偏差均為零 130 3 前饋控制的局限性 1 首先表現(xiàn)在前饋控制系統(tǒng)中不存在被調(diào)量的反饋 即對于補償?shù)慕Y(jié)果沒有檢驗的手段 因而 當(dāng)前饋作用并沒有最后消除偏差時 系統(tǒng)無法得知這一信息而作進一步的校正 2 由于實際工業(yè)對象存在著多個干擾 為了補償它們對被調(diào)量的影響 勢必設(shè)計多個前饋通道 增加了投資費用和維護工作量 3 當(dāng)干擾通道的時間常數(shù)小于控制通道的時間常數(shù)時 不能實現(xiàn)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(fù)荷和工況等因素的影響而產(chǎn)生偏移 必然導(dǎo)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(zhì)量 131 三 復(fù)合控制1 基本原理工程實際中 為克服前饋控制的局限性從而提高控制質(zhì)量 對一兩個主要擾動采取前饋補償 而對其它引起被調(diào)參數(shù)變化的干擾采用反饋控制來克服 以這種形式組成的系統(tǒng)稱為前饋一反饋復(fù)合控制系統(tǒng) 前饋 反饋復(fù)合控制系統(tǒng)既能發(fā)揮前饋調(diào)節(jié)控制及時的優(yōu)點 又能保持反饋控制對各種擾動因素都有抑制作用的長處 因此得到了廣泛的應(yīng)用 132 前饋一反饋復(fù)合控制系統(tǒng)的原理方框圖如下 133 2 復(fù)合控制系統(tǒng)特點 1 引入反饋控制后 前饋控制中的完全補償條件不變 沒有加入反饋作用時完全補償?shù)臈l件為 WB S WDZ S WD S 加上反饋后有 X S 0 Z S 0 應(yīng)用不變性原理有 134 即WB S WDZ S WD S 而如果不加前饋作用 即若WB S 0 顯然 由于WDZ S 0 因此擾動對系統(tǒng)輸出是有影響的 2 復(fù)合控制系統(tǒng)補償控制的控制規(guī)律不僅與對象控制通道和干擾通道的傳遞函數(shù)有關(guān) 還與反饋調(diào)節(jié)器的位置有關(guān) 135 若復(fù)合控制系統(tǒng)的組成如下圖所示 反饋調(diào)節(jié)器與上圖相比 不是放在前饋信號前面 而是放在它的后面 則有 136 可得完全補償?shù)臈l件 3 復(fù)合控制時 擾動對輸出的影響要比純前饋時小得多 設(shè)系統(tǒng)為定值控制 即X S 0 專門討論擾動Z S 對系統(tǒng)的影響 因為前饋控制不可能完全補償 即Y S 的第二項不可能完全為零 令其為 S 那么 純前饋控制時 Y1 s WDZ S KBWB S WD S Z S S Z S 加入反饋后 則 137 因為1 WT S WD S l 因此對于其他未經(jīng)過補償?shù)臄_動作用也有類似的結(jié)果 4 前饋補償對于系統(tǒng)的穩(wěn)定性沒有影響 這一點是顯而易見的 因為前饋無論加在什么位置 它都不構(gòu)成回路 系統(tǒng)的輸入一輸出傳遞函數(shù)的分母均保持不變 因而不會影響系統(tǒng)的穩(wěn)定性 138 四 串級控制1 基本原理主調(diào)節(jié)器的輸出是副調(diào)節(jié)器的輸入 原理框圖如下圖所示 圖 串級控制系統(tǒng)原理方框圖 139 主參數(shù) 主變量 串級控制系統(tǒng)中起主導(dǎo)作用的被調(diào)參數(shù)稱為主參數(shù) 副參數(shù) 副變量 其給定值隨主調(diào)節(jié)器的輸出而變化 能映主信號數(shù)值變化的中間參數(shù)稱為副參數(shù) 這是一個為了提高控制質(zhì)量而引起的輔助參數(shù) 140 主調(diào)節(jié)器 根據(jù)主參數(shù)與給定值的偏差而動作 其輸 主控制器 出作為副調(diào)節(jié)器的給定值的調(diào)節(jié)器稱為主調(diào)節(jié)器 記為WT1 s 副調(diào)節(jié)器 其給定值由主調(diào)節(jié)器的輸出決定 并根據(jù) 副控制器 副參數(shù)與給定值 即主調(diào)節(jié)器輸出 的偏差動作的調(diào)節(jié)器稱為副調(diào)節(jié)器 記為WT2 s 主回路 外回路 斷開副調(diào)節(jié)器的反饋回路后的整個回路稱為主回路 141 副回路 由副參數(shù) 副調(diào)節(jié)器及其所包括的一部分對象等 內(nèi)回路 環(huán)節(jié)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(shù)所處的那一部分工藝設(shè)備 它的輸入信號 惰性區(qū) 為副變量 輸出信號為主參數(shù) 記為WD1 s 副對象 導(dǎo)前區(qū) 副參數(shù)所處的那一部分工藝設(shè)備 它的輸入信號為調(diào)節(jié)量 其輸出信號為副參數(shù) 副變量 記為WD2 s 142 2 串級控制系統(tǒng)的特點串級控制仍然是一個定值控制系統(tǒng) 主參數(shù)在干擾作用下的控制過程與單回路控制系統(tǒng)的過程具有相同的指標(biāo)和形式 但與單回路系統(tǒng)比較 串級控制系統(tǒng)具有以下特點 1 串級控制系統(tǒng)具有很強的克服內(nèi)擾的能力 2 串級控制系統(tǒng)可減小副回路的時間常數(shù) 改善對象動態(tài)特性 提高系統(tǒng)的工作頻率 3 串級控制系統(tǒng)具有一定的自適應(yīng)能力 143 3 串級控制系統(tǒng)主副回路和主副調(diào)節(jié)器選擇 1 主副回路的選擇原則 i 副回路應(yīng)該把生產(chǎn)過程的主要干擾包括在內(nèi) 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(nèi) 充分發(fā)揮副回路改善系統(tǒng)動態(tài)特性的作用 保證主參數(shù)的穩(wěn)定 ii 選擇副回路時 應(yīng)力求把盡量多的干擾包括進去 以盡量減少它們對主參數(shù)的影響 提高系統(tǒng)抗干擾能力 iii 主副對象的時間常數(shù)應(yīng)適當(dāng)匹配 串級控制系統(tǒng)與單回路控制系統(tǒng)相比 其工作頻率提高了 但這與主副對象的時間常數(shù)選擇是有關(guān)的 原則是兩者相差大一些 效果好一些 144 2 主 副回路調(diào)節(jié)器調(diào)節(jié)規(guī)律的選擇原則 i 主參數(shù)控制質(zhì)量要求不十分嚴(yán)格 同時在對副參數(shù)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(diào)節(jié)器均可采用比例控制 ii 要求主參數(shù)波動范圍很小 且不允許有余差 穩(wěn)態(tài)誤差 此時副調(diào)節(jié)器可采用比例控制 主調(diào)節(jié)器采用比例積分控制 iii 主參數(shù)要求高 副參數(shù)亦有一定要求 這時主副調(diào)節(jié)器均采用比例積分控制 145 五 導(dǎo)前微分控制1 基本原理引入導(dǎo)前微分信號送入調(diào)節(jié)器 原理框圖如下圖所示 圖 導(dǎo)前微分控制系統(tǒng)原理方框圖 導(dǎo)前區(qū)對象