热工自动化基础.ppt

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1、1,第一章 热工自动化基础,1.1 概 述 1.2 热工被控对象1.3 调节器1.4 热工系统主要控制方式1.5 热工控制系统评价指标1.6 SAMA图,2,1-1 概 述,3,生产过程自动化是保持生产稳定、降低成本、改进劳动条件、促进文明生产、保证生产安全和提高劳动生产率的重要手段。自动化水平是衡量一个国家的生产技术和科学水平先进与否的一项重要标志。电力工业中电厂热工过程自动化技术相对于其它民用工业部门有较长的历史和较高的自动化水平，电厂热工自动化水平的高低是衡量电厂生产技术的先进与否和企业现代化的重要标志。,4,一、自动控制系统的组成 把工业生产过程中的温度、压力、液位、浓度等状态参数作为

2、被控参数的控制系统叫过程控制系统。,图 锅炉汽包水位人工控制示意图,任务：保证锅炉的安全运行，使汽包的水位稳定在一定的范围内。,5,运行人员通过指示仪表，用眼睛观察被调量是否正常或发生变化。用脑思考所观察的结果，即将观察到的实际水位与给定值进行比较，并作出判断(是否要求对给水阀进行操作，往哪个方向操作，应按什么动作规律去操作等).,6,手根据脑的指挥命令，按照所 规定的规律去操作给水阀门。在整个过程中，运行人员的眼、脑、手三个器官，分别起着观 察、运算、执行三个作用，从 而完成水位控制。,7,图.人工控制原理图,图.汽包水位自动控制系统示意图,用自动化装置代替上述人工操作来完成控制任务，就形成

3、了自动控制系统。,8,自动控制系统可以由以下几个部分组成：测量变送器：用来测量被调量，并把被调量转换为与之成比例的某种便于传递和综合的信号。给定元件：用来设置被调量的给定值或与该给定值对应的电信号。,图 汽包水位自动控制原理框图,9,自调统计内容,1.被 调 量：表征热工生产过程是否正常而需要调节的物理量。,引风控制系统中的被调量是：炉膛负压给水控制系统中的被调量是：汽包水位也就是水位、压力、流量、温度等参数,10,2.调 节 量：由控制作用来改变并去控制被调量变化，使被调量恢复为给定值的物理量。,引风控制系统中的调节量是：引风执行器指令 给水控制系统中的调节量是：给水泵指令即一般阀门输出指令

4、，阀门开度等。,调节机构：接受控制作用去改变调节量变化的具体设备。,11,3.最大动态偏差：整个过渡过程中被控参数偏离给定值的最大差值；,12,自动控制系统可以由以下几个部分组成：测量变送器：用来测量被调量，并把被调量转换为与之成比例的某种便于传递和综合的信号。给定元件：用来设置被调量的给定值或与该给定值对应的电信号。,图 汽包水位自动控制原理框图,13,调 节 器：接受被调量信号和给定值比较后的偏差信号，输出一定规律的控制指令给执行器。,14,执 行 器：根据调节器送来的控制指令去推动调节机 构，改变调节量。控制对象：被控制的热工生产过程或设备。如本例中的 以汽包为中心的锅炉本体设备。扰 动

5、：生产过程中引起被调量偏离给定值的各种因素。如蒸汽流量D的变化会引起汽包水位变化，蒸汽流量的变化称为扰动。,15,二、自动控制系统的分类 1按控制方式分类 闭环控制系统（也称反馈控制系统）：它的被控量信号反馈到控制设备的输入端，成为控制设备生产控制作用的依据。只要被控量与给定量之间有偏差，控制设备就要对控制对象施加作用，直到被控量符合要求为止。特点:基于偏差，消除偏差，可克服各种扰动对被控量的影响。由于控制作用落后于干扰，因此相对来讲控制不及时。,16,以高加水位控制为例,17,一、高加概述 汽轮发电机组设有4台低压加热器和3台高压加热器。低加用来加热由凝汽器至除氧器的凝结水，以保证除氧器的除

6、氧效果；高压加热器用来加热除氧器经给水泵至锅炉省煤器的给水。加热器的水位应保持在规定值范围内，否则会给安全、经济运行造成不良后果。尤其是高压加热器水位急剧上升时将产生严重后果，所以高压加热器上还装有高水位保护。高加水位调节是通过逐级输水阀来实现的。,18,高加水位控制系统,19,被调量：高加水位调节量：疏水门开度调节机构：疏水门控制对象：高加系统,单回路控制，带有前馈调节，,20,#1高加水位调节系统是一个带有主蒸汽（给水）流量前馈的单回路调节系统。高加水位给定值和实际测量值得到的水位偏差进行PID运算，PID输出控制疏水门开度，主蒸汽流量前馈信号是为了在机组负荷变化时，能更快克服扰动。#2、

7、#3高加水位调节系统是一个单回路调节系统，高加水位给定值与实际测量值得到的偏差进行PID运算，PID输出控制疏水门开度。,21,开环控制系统（也称前馈控制系统）：控制设备和控制对象在信号关系上没有形成闭合回路的控制系统，其被控量没有反馈到控制设备的输入端。特点:按扰动进行控制，结构简单，精度差，只能克服单一扰动。复合控制系统：开环控制和闭环控制组合的一种控制系统。,22,2按闭合回路的数目分类 单回路控制系统：只有一个被控量信号反馈到控制器的输入端。形成一个闭合回路。,图.单回路控制系统的原理框图,23,多回路控制系统：具有一个以上的闭合回路，控制器(调节器)除接受被控量反馈信号外，还有另外的

8、输出信号直接或间接地反馈到控制器的输入端。例如串级控制系统和导前微分控制系统都是双回路控制系统。,图.串级控制系统的原理框图,24,3按给定值分类 恒值控制系统：给定值保持不变，从而被控量也相应保持不变，主要矛盾是克服扰动对被控量的影响，最终使被控量与给定值相等。主要的热工控制系统，如：给水控制系统、再热汽温控制系统等。,25,随动控制系统：给定值按预先不能确定的一些随机因素而变化。因而被调量也跟随给定值而随机变化。如：单元机组负荷控制系统；军事上的火炮跟踪系统；导弹预测拦截系统。程序控制系统：给定值按已知的时间函数变化。控制的任务是使被控量尽快与给定值相等。例如：汽轮机自动启停系统TAS：汽

9、轮机启动过程中，要求汽轮机的转速按一定程序升降等；炉膛吹灰系统等。,26,三、主要自动化系统 1.SIS：厂级实时监控信息系统（Supervisory Information System in Plant Level，简称SIS）SIS是发电厂的生产过程自动化和电力市场交易信息网络化的中间环节，是发电企业实现发电生产到市场交易的中间控制层，是实现生产过程控制和生产信息管理一体化的核心，是承上启下实现信息网络的控制枢纽。实现全厂生产过程监控 实时处理全厂经济信息和成本核算 竞价上网处理系统 实现机组之间的经济负荷分配 机组运行经济评估及运行操作指导,27,2.AGC：自动发电控制系统，（aut

10、omatic generation control System，AGC）由于调速器为有差调节，因此对于变化幅度较大、周期较长的变动负荷分量，需要通过改变汽轮发电机组的同步器来实现，即通过平移调速系统的调节静态特性，从而改变汽轮发电机组的出力来达到调频的目的，称为二次调整。当二次调整由由电网调度中心的能量管理系统来实现遥控自动控制时，则称为自动发电控制（AGC）。,28,3.BPS 旁路控制系统（bypass control system，BPS）大型中间再热式机组一般都设置旁路热力系统，其目的是在机组启、停过程中协调机、炉的动作，回收工质，保护再热器等。完备的旁路控制系统是充分发挥旁路系统功

11、能的前提。,29,4.CCS 单元机组协调控制系统（coordination control system，CCS）协调控制是基于机、炉的动态特性，应用多变量控制理论形成若干不同形式的控制策略，在机、炉控制系统基础上组织的高一级机、炉主控系统。它是单元机组自动控制的核心内容。,30,5.FSSS 锅炉炉膛安全监控系统（furnace safeguard supervisory system，FSSS）或称燃烧器管理系统（burner management system，BMS）炉膛安全监视系统包括炉膛火焰监视，炉膛压力监视，炉膛吹扫，自动点火，燃烧器自动切换，紧急情况下的主燃料跳闸等。,31,

12、6.SCS 顺序控制系统（sequence control system）按照生产过程工艺要求预先拟定的顺序，有计划、有步骤、自动地对生产过程进行一系列操作的系统，称之为顺序控制系统。顺序控制也称程序控制，在发电厂中主要用于主机或辅机的自动启停程序控制，以及辅助系统的程序控制。,32,7.DAS 数据采集系统（data acquisition system）又称为计算机监控系统，其基本功能是对机组整个生产过程参数进行在线检测，经处理运算后以CRT画面形式提供给运行人员。该系统可进行自动报警，制表打印，性能指标计算，事件顺序记录，历史数据存储以及操作指导等。,33,8.DEH 汽轮机数字电液控制

13、系统（digital electric hydraulic system）汽轮机数字电液控制系统是汽轮发电机组的重要组成部分，除完成汽轮机转速、功率及机前压力的控制外，还可实现机组启停过程及故障时的控制和保护。,34,1-2 热工被控对象,35,一、了解对象动态特性的意义 1.热工对象是热工自动控制系统的重要组成部分，要设计一个合理的控制系统，必须了解对象的动态特性;2.要确定出控制器的最佳整定参数，也必须了解对象的动态特性。3.了解对象的动态特性，还可以对新设计的工艺设备提出要求，使之满足所需要的动态特性，为设计满意的控制系统创造先决条件。,36,二、相关概念1.对象的动态特性:就是对象的某

14、一输入量变化时，其被控参数随时间变化的规律。其取决于工艺设备的结构、运行条件和内部物理的（或化学的）过程。2.理论建模：可以用机理分析的方法导出对象的动态特性；3.实验建模：用实验的方法获取对象的动态特性，是工程中常用的建模方法，目前有时域法、频域法和相关统计法等。4.时域法：是在对象的输入端加一阶跃扰动，记录响应曲线，经数据处理求得对象的传递函数，这种方法的特点是简单适用，因此为工程中所广泛采用。,37,5.频域法：用通过实验求得对象的频率特性来研究对象的动态特性。但对一些惯性大的对象则因试验时间很长而影响生产的正常进行，因此，这种频域法用的较少。6.相关统计法：是在对象的输入端加一伪随机信

15、号，用相关计算求得对象的脉冲响应函数，这种方法的最大优点是不影响生产，因而越来越受到人们的重视。,38,三、影响对象动态特性的结构性质,影响对象动态特性的主要特征参数有容量系数、阻力和传递延迟，称为大多数对象所共有的结构性质。1、容量系数 衡量对象储存物质（或能量）能力的一个特征参数。2、阻力 物质（或能量）在传输过程中总是要遇到或大或小的阻力，因此需给予推动物质（或能量）流动的压差（如电位差、水位差、温度差等）。,39,对象的自平衡：不需要外来作用只依靠对象自身来恢复平衡的现象。显然，对象的阻力使之在动态过程中表现出自平衡能力。3、传输迟延 被调量的变化时刻落后于扰动发生时刻的现象称为对象的

16、传递迟延。由于迟延是物质（或能量）在传输过程中因传输距离的存在而产生，所以又称为传输迟延或纯迟延。,在设计主设备及其控制系统时，应尽量避免或减小对象的传输迟延。,40,1.有自平衡能力对象：不需要外来作用只依靠对象自身来恢复平衡，具有这种能力的被控对象。2.无自平衡能力对象：在受到扰动后，其被调量不能依靠对象自身能力使之趋于某一稳定值，而不管对象的容积多少及容量系数的大小。,四、热工对象的动态特性,41,热工对象具有以下特点：（1）被调量的变化大多是不振荡的。（2）被调量在干扰发生的开始阶段有迟延和惯性。（3）在响应曲线的最后阶段，被调量可能达到一个新的平衡状态（对象有自平衡能力），也可能不断

17、变化而无法进入平衡状态（对象无自平衡能力）。（4）描述对象动态特性的特征参数有：放大系数、时间常数、迟延时间。,42,五、阶跃响应曲线求取对象传递函数,时域法是目前应用最多的一种方法，其主要内容是：给对象人为加一阶跃扰动，记录下响应曲线，然后根据该响应曲线求取对象的传递函数。由阶跃扰动作用下的对象的动态特性为阶跃响应曲线，即飞升曲线。阶跃响应曲线能比较直观的反映对象的动态特性；其次特征参数直接取自记录曲线而无需经过中间转换，试验方法也很简单。1、阶跃响应曲线的测定 在系统处于稳定工况下通过手动或摇控装置使调节阀作一次阶跃变化；与此同时，记录表记录下扰动量和被调量的变化过程。,43,（1）扰动量

18、的确定。扰动量应足够大，减小其它干扰信号对测试结果的相对影响。然而扰动量又不宜过大，过大的扰动量会使对象本身的非线性因素增大，有时还会影响生产设备的正常运行。通常，扰动量一般为对象额定负荷下的10%15%。（2）试验前应将对象调整到所需工况，并保持稳定运行一段时间。如果作负荷上升扰动试验，则应将对象输出调整到允许变动范围的下限值（或上限值）；反之，则应将对象输出调整到允许变动范围的上限值（或下限值）。（3）扰动加入时应尽量的快。设扰动开始到结束所花时间为，在处理试验数据时一般认为扰动是在 时刻加入的。,44,（4）要仔细记录阶跃响应曲线的起始部分，因为这一部分数据的准确性对确定对象动态特性参数

19、的影响很大。对有自平衡能力对象，试验过程应在输出信号达到新的稳定值时结束。（5）试验应在主要运行工况下（如额定负荷、平均负荷）进行，每一工况下应重复几次，至少要得到两条基本相同的曲线，以消除偶然性干扰的影响。（6）应进行正反两个方向的试验，以检验对象的非线性。线性对象在正向扰动和反向扰动下，两条响应曲线应该是一样的。,45,2、有自平衡对象传递函数的求取 高阶对象的阶跃响应曲线呈“S”形，即响应起始段具有明显的迟延，曲线中间存在拐点，曲线最终趋于某一常量。,或,1.切线法,图.标称化的单位阶跃曲线,放大系数K的确定方法仍由对象输出、输入值（稳态值）之比来求得。采用切线法求取时间常数T和阶次n。

20、过拐点P作切线，切线交 水平线于M，交时间轴于L，,46,则,2两点法,设二阶对象的传递函数形式为：,图.两点法,47,作曲线的水平线，并找出，两点对应的时间 t1、t2。,对于高阶对象，,48,3、无自平衡能力对象传递函数的求取,传递函数形式为,由阶跃响应曲线求取无自平衡能力对象的传递函数是首先做响应曲线直线段的渐近线，该渐近线交时间轴于L，交纵轴于h。,阶跃扰动信号的幅值,图.无自平衡能力对象特征参数求取,49,4、求对象传递函数的半对数法 一种图解法，它利用试验测得的阶跃响应曲线数据画出半对数坐标图，然后由半对数坐标图求出对象的时间常数。综上所述，对象的传递函数大多用有迟延一阶惯性环节或

21、二阶惯性环节来近似，传递函数的阶次一般不高于三阶。对无自平衡对象常用积分环节和一阶惯性环节串联来描述。,50,1-3 常规PID调节器,51,一、常规PID控制规律 常规PID控制即比例-积分-微分控制规律。,52,1、比例调节规律 指调节器输出的控制作用u（t）与其偏差输入信号e(t)之间成比例关系，即,比例增益,比例调节器的传递函数：,工程中，常用比例带来描述其控制作用的强弱，即,其物理意义是在调节机构的位移改变时，被调量应有的改变量。,53,比例调节器的阶跃响应曲线如下:,对控制过程的影响,54,结论：比例调节的参差随着比例带的加大而加大。从这一方面考虑，人们希望尽量减小比例带。然而，减

22、小比例带就等于加大调节系统的开环增益，其后果是导致系统激烈振荡甚至不稳定。稳定性是任何闭环控制系统的首要要求，比例带的设置必须保证系统具有一定的稳定裕度。此时，如果参差过大，则需通过其它的途径解决。,比例调节规律的特点：（1）动作快，调节及时、迅速；（2）调节过程结束，被调量偏差仍存在，存在静态偏差，称为有差调节。,55,2、积分调节规律 积分调节规律是调节器输出控制作用u（t）与其偏差输入信号e（t）随时间的积累值成正比，即,传递函数：,积分时间,积分作用曲线,特点：只要偏差存在，积分控制作用一直增加；消除稳态偏差，实现无差调节，其控制作用体现在调节过程的后期。,56,Ti对控制过程的影响,

23、积分调节器的积分时间对控制过程的影响,非周期过程,衰减振荡过程,等幅振荡过程,57,结论：积分时间越小，积分速度越快，调节阀动作愈快，容易引起和加剧振荡。积分调节作用是随时间而逐渐增强的，与比例调节作用相比过于迟缓，恶化了动态品质，使过渡过程的振荡加剧，甚至造成系统的不稳定。,58,3、微分调节规律 微分调节规律是调节器输出的控制作用与其偏差输入信号的变化速度成正比。对于定值控制系统，偏差信号的变化速度就是被调量的变化速度，即,微分时间,传递函数式为,加入微分调节作用实现超前调节，有利于克服动态偏差，将大大改善调节过程。微分调节作用的大小仅与偏差信号的变化速度有关，而与偏差值大小无关。,59,

24、实际的微分调节规律具有惯性，传递函数为下式：,微分增益,实际微分调节的阶跃响应,60,结论：微分作用的引入使系统控制过程的稳定性和准确性都得以提高，可适当减小静态偏差，但它不能像积分作用那样消除稳态偏差。调节过程开始时，被调量偏差小，但其变化速度却较大，可使执行机构产生较大的位移。但当调节过程结束，执行机构位置最后总是回复到原来的数值，不能适应负荷的变化。,61,为什么水位、流量等很少采用微分作用,微分作用过强，会使系统产生高频振荡。同时，由于微分作用与偏差变化速度成比例，有些被调量如水位、流量等，信号中往往含有高频成分，其值常在给定值上下波动。波动幅度虽小，但是变化率却很大。微分作用对这种高

25、频干扰很敏感，容易造成执行机构的频繁动作。对于这类对象，一般不宜采用微分作用。,62,过渡过程曲线,曲线1由于比例调节规律具有调节及时的特点，所以调节过程时间较曲线2短，动态偏差也较曲线2小。而比例调节为有差调节。通过减小调节器的比例带可减小静态偏差，但会使系统的稳定性下降。曲线3是能消除静态偏差，实现无差调节。然而积分作用的调节不及时，又使调节过程的动态偏差加大，过渡过程时间加长（与曲线1相比），相对而言又使系统的稳定性下降。,63,曲线5是配比例积分微分调节器的控制过程。微分调节是一种超前调节方式，其实质是阻止被调量的一切变化。适当的微分作用可减小动态偏差、缩短调节过程时间，这样可适当减小

26、比例带和积分时间。综上所述:比例调节作用是最基本的调节作用，使“长劲”，比例作用贯彻于整个调节过程之中；积分和微分作用为辅助调节作用。积分作用则体现在调节过节过程的后期，用以消除静态偏差，使“后劲”；微分作用则体现在调节过程的初期，使“前劲”。,64,4.PID(比例-积分-微分)控制特点(1)缺点 不适用于有大时间滞后的控制对象，参数变化较大甚至结构也变化的控制对象，以及系统复杂、环境复杂、控制性能要求高的场合。(2)优点:PID算法蕴涵了动态控制过程中过去、现在和将来的主要信息，而且其配置几乎最优。,65,比例(P)代表了当前的信息，起纠正偏差的作用，使过程反应迅速。微分(D)在信号变化时

27、有超前控制作用，代表了将来的信息。在过程开始时强迫过程进行，过程结束时减小超调，克服振荡，提高系统的稳定性，加快系统的过渡过程。积分(I)代表了过去积累的信息，它能消除静差，改善系统静态特性。此三作用配合得当，可使动态过程快速、平稳、准确，收到良好的效果。,66,67,PID控制适应性好，有较强鲁棒性。PID算法简单明了，形成了完整的设计和参数调整方法,很容易为工程技术人员所掌握。许多工业控制回路比较简单，控制的快速性和精度要求不是很高，特别是对于那些l2阶的系统，PID控制已能得到满意的结果。PID控制根据不同的要求，针对自身的缺陷进行了不少改进，形成了一系列改进的PID算法。例如，为克服微

28、分带来的高频干扰的滤波PID控制，为克服大偏差时出现饱和超调的PID积分分离控制，为补偿控制对象非线性因素的可变增益PID控制等等。这些改进算法，在一些应用场合得到了很好的效果。,68,比例带,积分时间,微分时间,性能指标,整定参数,衰减率,超调量,静态偏差,振荡频率,设定值扰动下整定参数对调节过程的影响,5、PID参数对调节过程的影响分析,69,在火力发电生产过程中，热工自动控制系统的稳定优化运行十分关键，而随着机组运行工况的变化、大小修工程的实施，热工对象特性必将发生变化，为了实现热工系统稳定优化运行，控制器参数需要的重新整定。在热工过程控制中，PID控制算法以其鲁棒性较好、易于实现和被工

29、程技术人员熟悉掌握等特点，至今仍被工程控制界所广泛采用。常规PID控制器参数的优化整定成为热工控制系统维护的重要工作之一。,6、PID控制器的整定,70,调节器的参数整定就是合理地设置调节器的各个参数，在热工生产过程中，通常要求控制系统具有一定的稳定裕量，即要求过程有一定的衰减率；在这一前提下，要求调节过程有一定的快速性和准确性，换言之稳定性是首要的。所谓准确性就是要求控制过程的动态偏差（以超调量MP表示）和静态偏差（ess）尽量地小，而快速性则是要求控制过程的时间尽可能地短。控制系统参数整定有理论计算方法、工程整定方法。理论计算方法：基于一定的性能指标，结合组成系统各环节的动态特性，通过理论

30、计算求得调节器的动态参数设定值；工程整定法：源于理论分析，结合试验、工程实际经验等一套工程上的方法。,71,（1）广义频率特性法 广义频率特性法是通过调整调节器的动态参数，使控制系统的开环频率特性具有规定相对稳定度的衰减频率特性，从而使闭环系统响应满足规定衰减率的一种参数整定方法。特点：利用广义频率特性法计算调节器的参数，其前提是获得对象的传递函数，这一点给工程实际应用带来困难。此外，该方法计算工作量也较大。,72,（2）临界比例带法 临界比例带法又称边界稳定法，其要点是将调节器设置成纯比例作用，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。这时控制系统处于边界稳定状态，

31、记下此状态下的比例带值（即临界比例带）以及振荡周期，然后根据经验公式计算出调节器的各个参数。特点：临界比例带法无需知道对象的动态特性，直接在闭环系统中进行参数整定。,73,具体步骤：1)将调节器的积分时间置于最大，即；置微分时间；置比例带 于一个较大的值。2)将系统投入闭环运行，待系统稳定后逐渐减小比例带，直到系统进入等幅振荡状态。一般振荡持续45个振幅即可，试验记录曲线如下图所示：,图4-3 等幅振荡曲线,3)据记录曲线得振荡周期，此状态下的调节器比例带为，然后按下表计算出调节器的各个参数。4)将计算好的参数值在调节器上设置好，作阶跃响,应试验，观察系统的调节过程，适当修改调节器的参数，直到

32、调节过程满意为止。,74,临界比例带法在实际应用中有一定的局限性：有些生产过程根本不允许产生等幅振荡，如火力发电厂锅炉汽包水位控制；此外，某些惯性较大的单容对象配比例调节器又很不容易产生等幅振荡过程，得不到临界状态下的调节器比例带 及振荡周期，则无法应用临界比例带法。,75,（3）衰减曲线法 衰减曲线法是在总结临界比例带法基础上发展起来的，它利用比例作用下产生的4：1衰减振荡(=0.75)过程时的调节器比例带 及过程衰减周期，或10：1衰减振荡(=0.9)过程时调节器比例带 及过程上升时间，据经验公式计算出调节器的各个参数。,76,具体步骤：(1)将调节器的积分时间置于最大，即；置微分时间；置

33、比例带 于一个较大的值，将系统投入闭环运行；,(2)在系统处于稳定状态后做阶跃扰动试验，观察控制过程。如果过渡过程衰减率大于0.75，应逐步减小比例带值，并再次试验，直到过渡过程曲线出现4：1的衰减过程。对于=0.9 的调节过程，也一样做上述试验，直到出现10：1的衰减过程。记录下4：1(或10：1)的衰减振荡过程曲线；,衰减曲线,77,在上图所示的衰减曲线上求取=0.75 的振荡周期 或=0.9时的上升时间，结合此过程下的调节器比例带，按上表计算出调节器的各个参数。(3)按计算结果设置好调节器的各个参数，作阶跃扰动试验，观察调节过程，适当修改调节器的参数，直到满意为止。,（4）经验法,根据经

34、验进行参数试凑的方法，首先根据经验设置一组调节器参数，然后将系统投入闭环运行，待系统稳定后作阶跃扰动试验，观察调节过程；如果过渡过程不令人满意，则修改调节器参数，再作阶跃扰动试验，观察调节过程；反复上述试验，直到调节过程满意为止。,78,具体步骤：(1)调节器的积分时间放到最大，微分时间置于最小，据经验设置比例带值。将系统投入闭环运行，稳定后作阶跃扰动试验，观察调节过程，若过渡过程有希望的衰减率()则可，否则改变比例带值，重复上述试验。(2)将调节器的积分时间由最大值调整到某一值，由于积分作用的引入使系统的稳定性下降，这时应将比例带值适当增大，一般为纯比例作用的1.2倍。作阶跃扰动试验，观察调

35、节过程，修改积分时间重复试验，直到满意为止。,79,(3)保持积分时间不变，改变比例带，看调节过程有无改善，若有改善则继续修改比例带，如无改善则反向修改比例带，直到满意为止。保持比例带不变修改积分时间，同样反复凑试直到满意为止。如此反复凑试，直到有一组合适的积分时间和比例带。(4)对于采用三参数的调节器，在进行完上述调整试验后，将微分时间由小到大的调整，观察每次试验过程，直到满意时为止。,80,下表分别就不同对象，给出调节器参数的经验数据以及设定值扰动下调节器各参数对调节过程的影响。,经验法调节器参数经验数据,81,设定值扰动下整定参数对调节过程的影响,这种方法使用得当，同样可以获得满意的调节

36、器参数，取得最佳的控制效果。而且此方法省时，对生产影响小。,82,（5）动态参数法,动态参数法是在系统处于开环状态下，作对象的阶跃扰动试验，根据记录下的阶跃响应曲线求取一组特征参数(无自平衡能力对象)或(有自平衡能力对象)，再根据经验公式计算出调节器的各个参数。,1）有自平衡能力对象 过响应曲线拐点P作切线交稳态渐近线于A，交时间轴于C；过A点作时间的垂线交于B，则：,83,2）无自平衡能力对象 作响应曲线直线段的渐近线交时间轴于C，过直线段上任一点A作时间垂线并交于B，则：,由此，按下表经验公式计算出调节器整定参数。,84,对象特征参数 和 的乘积 反映了控制难易的程度；越大，对象就越不好控

37、制，因此调节器的比例带应该取大一些，即与 成正比。对于比例积分调节，由于积分作用的加入使系统的稳定性下降，因此比例带为纯比例作用时的比例带的1.2倍；对于采用比例积分微分调节，由于微分作用提高了系统的稳定性，因而比例带可为纯比例作用时比例带的0.8倍。,85,工业控制中最常用的数字控制算法是数字PID控制算法。除了少数有特殊控制要求或具有复杂对象特性的系统需用先进控制策略或智能控制外，对大多数控制对象(90%以上)，采用数字PID控制，均可达到满意的控制效果。数字PID控制算法用计算机实现PID控制，不仅仅是简单地把PID控制规律数字化，而是进一步与计算机的逻辑判断功能结合起来，使PID控制更

38、加灵活多样，更能满足生产过程提出的各式各样的要求。,二、基本的数字PID控制算法,86,在计算机控制系统中，一般采用两种基本的数字PID控制算法：一种是理想PID控制算法，另一种是实际PID控制算法。两种PID控制算法的比例及积分运算都是一样的，其差别主要是微分项不同。1.理想PID控制算法,图.PID控制系统框图,87,控制量,系统的控制偏差,比例增益，与 比例带成倒数关系，即：,积分时间,微分时间,88,数字PID是连续系统PID控制规律的数字实现。为了用程序实现PID控制规律，须将上述微分方程式离散化为差分方程，为此可作如下近似：,式中:T采样周期 记为,89,理想PID算式的表达式有三

39、种形式，即位置式、增量式和速度式。(1)位置式 在计算机控制系统中，计算机进行PID运算后，其输出指的是调节阀开度（位置）的大小，此种PID算式的形式称为位置式。差分方程为:,或,90,t=kT时的控制量；,积分系数,微分系数,理想PID控制算式的位置式,它的输出同调节阀的开度（位置）是一一对应的。,91,(2)增量式 在计算机控制系统中，计算机进行PID运算后，其输出指的是调节阀开度（位置）的增量（改变量），此种PID算式的形式称为增量式。计算机进行PID运算的输出增量为相邻两次采样时刻所计算的位置值之差，即,92,或,理想PID控制算式的增量式，其输出表示阀位的增量。(3)速度式 在计算机

40、控制系统中，计算机进行 PID运算后，其输出指的是直流伺服电机的转动速度，此种PID算式的形式称为速度式。,93,理想PID控制算式的速度式，其输出 表示直流伺服电机的转动速度。,2.实际PID控制算法 由于实际计算机控制系统的采样回路都可能存在高频干扰，因此几乎所有的数字控 制回路都设置了一级低通滤波器（一阶滞后环节或一阶惯性环节）来限制高频干扰的影响。因为低通滤波器的传递函数为,94,低通滤波器和理想PID算式相结合后的传递函数为,设,得到如下的实际PID算式：,或,输出（至调节阀）,偏差,实际积分时间,实际微分时间,微分放大系数,放大倍数,95,其中,图.实际PID算式方框图,96,先分

41、别推导出每个方框输出函数的差分算式，然后按上图进行叠加，从而得到实际PID的差分算式。（1）微分作用方框,写成差分形式,97,98,（2）积分作用方框,写成差分形式为,或,（3）放大倍数方框,99,实际PID算式的表达式也有三种形式，即位置式、增量式和速度式。(1)位置式,100,理想PID数字控制算法和实际PID数字控制算法的阶跃响应如下图所示,图.PID数字控制器的阶跃响应,101,结论:比较这两种PID数字控制算法的阶跃响应，可以得知：（1）理想PID数字控制算法的控制品质较差，其原因是微分作用仅局限于第一个采样周期有一个大幅度的输出。一般的工业用执行机构，无法在较短的采样周期内跟踪较大

42、的微分作用输出。而且，理想微分还容易引进高频干扰。（2）实际PID数字控制算法的控制品质较好，其原因是微分作用能缓慢地持续多个采样周期，使得一般的工业用执行机构，能够比较好地跟踪微分作用输出。由于实际PID算式中含有一阶惯性环节，具有数字滤波的能力，因此，抗干扰能力也较强。,102,(2)增量式 增量式输出由两次位置式输出相减得到：,其中:,103,3速度式 速度式输出由增量式输出除以采样周期得到：,104,三、数字PID控制算法的改进 1.积分项的改进 在实际使用中，这种基本的 PID控制算法往往还存在着一些缺陷。其中对控制系统影响比较大的一个问题就是积分器的饱和问题。(1)积分器的饱和现象

43、 积分运算是通过对系统偏差的不断累加而实现的，积分器的积分值代表着系统偏差的面积。由于计算机输出接口（DA转换器）的字长是有限的，当系统在刚启动的一段时间内，系统的偏差较大，积分器经过若干个采样周期的积分运算以后，其积分结果就会超过计算机输出接口所能表示的最大值，从而使调节器从线性工作区进入饱和区。,105,进入饱和区以后，调节器便失去了调节能力，系统在调节器饱和输出值的作用下，以最大的加速度运动，一直到系统出现较大幅度的，并且持续时间较长的超调以后，在较大的负偏差的作用下，才能将积分器从饱和区拉到线性区，这就是积分饱和问题。被控对象的惯性越大，这种积分饱和现象就越严重。克服积分饱和现象的方法

44、主要有积分分离与变速积分两种控制方法,106,(2)积分分离PID控制算法 为使数字调节器尽可能工作在线性区，可以采用积分分离的方法，即在系统的给定值附近画出一条带域，其宽度为2，0，为积分器投入或切除的切换点，如下图所示。,图.积分分离PID切换原理图,107,在系统启动的初期，系统的偏差较大时，暂时切除积分作用（将积分系数置0）；当系统的输出接近给定值（进入到带域之内）时，再将积分器投入，即,为积分器分离值，为积分分离PID调节器的一个设计参数，算法程序将系统的偏差e（k）的绝对值与进行比较，然后，作出使用PID调节器还是使用PD调节器的决策。,的值要在调试过程中，根据系统的具体情况而定。

45、当的值选得很大时，调节器将失去积分分离的作用。,108,(3)变速积分PID控制算法 在一般PID控制算法中，由于积分系数是一个常数，所以，在整个控制过程中，积分增量不变。而系统对积分项的要求是，系统偏差大时积分作用减弱以至全无，而在小偏差时则应加强，否则，积分系数取大了会产生超调，甚至积分饱和，取小了又迟迟不能消除静差。因此，根据系统的偏差大小改变积分的速度，这对于提高调节品质是有益的。变速积分PID的基本思想是设法改变积分项的累加速度，使其与偏差的大小相对应：偏差越大，积分越慢，反之则越快。,109,设置一系数，它是 的函数，当 增大时，减小，反之增大。变速积分PID的积分项表达式为,与偏

46、差当前值 的关系可以是线性的或高阶的，,如设其为：,110,变速积分PID算式的完整形式：,优点：1）完全消除了积分饱和现象。2）大大减小了超调量，可以很容易地使系统稳定。3）适应能力强，某些用普通PID控制不理想的过程可采用此种算法。4）参数整定容易，各参数间的相互影响减小了，而且对A，B两参数的要求不精确，可做一次性确定。,111,(3)两种PID控制算法的比较 变速积分与积分分离两种控制方法很类似，但调节方法不同。积分分离对积分项采用的是所谓“开关”控制，而变速积分则是缓慢变化。两者相比，后者调节品质大为提高，它是一种新型的PID控制。,112,2.微分项的改进 在数字PID算式中，其位

47、置式的微分项特别是增量式的微分项中的二阶差分项，对数据误差和干扰特别敏感，因此在数字PID中，干扰主要是通过微分项起作用的。但是由于微分作用在PID调节中往往是必要的（它可以近似补偿对象的一个极点，扩大稳定域，改善动态性能），因此不能简单地将微分项弃去，应设法减小数据误差和干扰在微分项中的影响。下面介绍两种方法：四点中值差分法和不完全微分PID控制算法。,113,(1)四点中值差分法 本这种方法中一方面将 取得略小于理想情况，另一方面，在组成差分时，不直接应用前后两次偏差，而是用平均差作基准，再用加权求和构成近似微分项。如下图所示。,图.插值法示意图,114,在图上取相邻几个采样周期的四个点e

48、(k)至e(k-3)，设,特点：在算式中增加的计算量是最少的，但要求存储器存储e变量的几个过去的数值。,115,(2)不完全微分PID控制算法 微分的引入改善了系统的动态性能，但也容易引入高频干扰。如果在控制算法中加入低通滤波，则性能可得到显著地改善。不完全微分PID的结构如下图所示。,图.不完全微分PID的结构,116,低通滤波器的滤波时间常数,不完全微分PID的比例部分和积分部分和理想PID完全相同，只是微分部分出现了不同，,117,写成微分方程为,将其离散化为,加以整理得,式中,118,理想PID算法的微分部分 比较可见，不完全微分的 多了一项，微分系数前多了一个衰减因子。不完全微分不仅

49、可以抑制干扰，还可以克服完全微分的大幅度冲击的缺点（与实际PID控制效果相同），因此，控制效果好，应用日益广泛。但完全微分法算式简单，计算中占内存也少。,119,3.带死区（间隙）的PID控制算法 在计算机控制系统中，某些系统为了避免控制动作过于频繁，以消除由于频繁动作所引起的振荡，有时采用所谓带有死区的PID控制系统，如下图所示。,图.带死区的PID控制系统,120,死区（间隙）环节的表达式为,死区B是一个可调参数，其具体数值可根据实际控制对象由实验确定。B值太小，使调节过于频繁，达不到稳定被调对象的目的；如果B取得太大，则系统将产生很大的滞后；当B0时，即为常规PID控制。,该系统实际上是

50、一个非线性控制系统。当偏差绝对值 时，p(k)为0；当 时，p(k)e(k)，u(k)以PID运算结果输出。,121,调节器作用方式：正作用方式：指调节器的输出信号随着被调量的增大而增大。（测量值-给定值）反作用方式：指调节器的输出信号随着被调量的增大而减小。（给定值-测量值）,122,调节系统中的自动跟踪：所谓调节器的自动跟踪，就是通过外力，使调节器的输出在手动方式始终跟随执行器位置变化。要想保证手自动切换时无扰动，必须保证切换过程中执行器位置不变。,123,1-4 热工系统的主要控制方式,124,一.反馈控制 反馈控制是根据被调量与给定值的偏差值来控制的。反馈控制的特点是必须在被调量与给定