單回路控制系統(tǒng)的概述
一、單回路控制系統(tǒng)的概述圖3.1為單回路控制系統(tǒng)方框圖的一般形式，它是由被控對(duì)象、執(zhí)行器、調(diào)節(jié)器和測(cè)量變送器組成一個(gè)單閉環(huán)控制系統(tǒng)。系統(tǒng)的給定量是某一定值，要求系統(tǒng)的被控制量穩(wěn)定至給定量。由于這種系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，性能較好，調(diào)試方便等優(yōu)點(diǎn)，故在工業(yè)生產(chǎn)中已被廣泛應(yīng)用。
圖2.2.1 單回路控制系統(tǒng)方框圖
二、干擾對(duì)系統(tǒng)性能的影響
1．干擾通道的放大系數(shù)、時(shí)間常數(shù)及純滯后對(duì)系統(tǒng)的影響。
干擾通道的放大系數(shù)Kf會(huì)影響干擾加在系統(tǒng)中的幅值。若系統(tǒng)是有差系統(tǒng)，則干擾通道的放大系數(shù)愈大，系統(tǒng)的靜差也就愈大。
如果干擾通道是一慣性環(huán)節(jié)，令時(shí)間常數(shù)為Tf，則階躍擾動(dòng)通過慣性環(huán)節(jié)后，其過渡過程的動(dòng)態(tài)分量被濾波而幅值變小。即時(shí)間常數(shù)Tf越大，則系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)偏差就愈小。
通常干擾通道中還會(huì)有純滯后環(huán)節(jié)，它使被調(diào)參數(shù)的響應(yīng)時(shí)間滯后一個(gè)τ值，但不會(huì)影響系統(tǒng)的調(diào)節(jié)質(zhì)量。
2．干擾進(jìn)入系統(tǒng)中的不同位置。
復(fù)雜的生產(chǎn)過程往往有多個(gè)干擾量，它們作用在系統(tǒng)的不同位置，如圖3-2所示。同一形式、大小相同的擾動(dòng)作用在系統(tǒng)中不同的位置所產(chǎn)生的靜差是不一樣的。對(duì)擾動(dòng)產(chǎn)生影響的僅是擾動(dòng)作用點(diǎn)前的那些環(huán)節(jié)。
圖3.2 擾動(dòng)作用于不同位置的控制系統(tǒng)
三、控制規(guī)律的選擇
PID控制規(guī)律及其對(duì)系統(tǒng)控制質(zhì)量的影響已在有關(guān)課程中介紹，在此將有關(guān)結(jié)論再簡(jiǎn)單歸納一下。
1．比例(P)調(diào)節(jié)
純比例調(diào)節(jié)器是一種最簡(jiǎn)單的調(diào)節(jié)器，它對(duì)控制作用和擾動(dòng)作用的響應(yīng)都很快。由于比例調(diào)節(jié)只有一個(gè)參數(shù)，所以整定很方便。這種調(diào)節(jié)器的主要缺點(diǎn)是系統(tǒng)有靜差存在。其傳遞函數(shù)為：
GC(s)= KP =
(3-1) 式中KP為比例系數(shù)，δ為比例帶。
2．比例積分(PI)調(diào)節(jié)
PI調(diào)節(jié)器就是利用P調(diào)節(jié)快速抵消干擾的影響，同時(shí)利用I調(diào)節(jié)消除殘差，但I(xiàn)調(diào)節(jié)會(huì)降低系統(tǒng)的穩(wěn)定性，這種調(diào)節(jié)器在過程控制中是應(yīng)用最多的一種調(diào)節(jié)器。其傳遞函數(shù)為：GC(s)=KP(1+
)＝
(1+) (3-2) 式中TI為積分時(shí)間。
3．比例微分(PD)調(diào)節(jié)
這種調(diào)節(jié)器由于有微分的超前作用，能增加系統(tǒng)的穩(wěn)定度，加快系統(tǒng)的調(diào)節(jié)過程，減小動(dòng)態(tài)和靜態(tài)誤差，但微分抗干擾能力較差，且微分過大，易導(dǎo)致電動(dòng)調(diào)節(jié)閥動(dòng)作向兩端飽和。因此一般不用于流量和液位控制系統(tǒng)。PD調(diào)節(jié)器的傳遞函數(shù)為： GC(s)=KP(1+TDs)＝
(1+TDs) (3-3) 式中TD為微分時(shí)間。
4．比例積分微分(PID)調(diào)節(jié)器
PID是常規(guī)調(diào)節(jié)器中性能最好的一種調(diào)節(jié)器。由于它具有各類調(diào)節(jié)器的優(yōu)點(diǎn)，因而使系統(tǒng)具有更高的控制質(zhì)量。它的傳遞函數(shù)為
GC(s)=KP(1+
+TDs)＝(1++TDs) (3-4) 圖3-3表示了同一對(duì)象在相同階躍擾動(dòng)下，采用不同控制規(guī)律時(shí)具有相同衰減率的響應(yīng)過程。
圖3.3 各種控制規(guī)律對(duì)應(yīng)的響應(yīng)過程
四、調(diào)節(jié)器參數(shù)的整定方法
調(diào)節(jié)器參數(shù)的整定一般有兩種方法：一種是理論計(jì)算法，即根據(jù)廣義對(duì)象的數(shù)學(xué)模型和性能要求，用根軌跡法或頻率特性法來(lái)確定調(diào)節(jié)器的相關(guān)參數(shù)；另一種方法是工程實(shí)驗(yàn)法，通過對(duì)典型輸入響應(yīng)曲線所得到的特征量，然后查照經(jīng)驗(yàn)表，求得調(diào)節(jié)器的相關(guān)參數(shù)。工程實(shí)驗(yàn)整定法有以下四種：
（一）經(jīng)驗(yàn)法
若將控制系統(tǒng)按照液位、流量、溫度和壓力等參數(shù)來(lái)分類，則屬于同一類別的系統(tǒng)，其對(duì)象往往比較接近，所以無(wú)論是控制器形式還是所整定的參數(shù)均可相互參考。表3-1為經(jīng)驗(yàn)法整定參數(shù)的參考數(shù)據(jù)，在此基礎(chǔ)上，對(duì)調(diào)節(jié)器的參數(shù)作進(jìn)一步修正。若需加微分作用，微分時(shí)間常數(shù)按TD=(
～
)TI計(jì)算。表3-1 經(jīng)驗(yàn)法整定參數(shù)
| 系 統(tǒng) | 參 數(shù) | ||
| δ(%) | TI(min) | TD(min) | |
| 溫 度 | 20～60 | 3～10 | 0.5～3 |
| 流 量 | 40～100 | 0.1～1 | |
| 壓 力 | 30～70 | 0.4～3 | |
| 液 位 | 20～80 | ||
這種整定方法是在閉環(huán)情況下進(jìn)行的。設(shè)TI=∞，TD=0，使調(diào)節(jié)器工作在純比例情況下，將比例度由大逐漸變小，使系統(tǒng)的輸出響應(yīng)呈現(xiàn)等幅振蕩，如圖3.4所示。根據(jù)臨界比例度δk和振蕩周期TS，按表3-2所列的經(jīng)驗(yàn)算式，求取調(diào)節(jié)器的參考參數(shù)值，這種整定方法是以得到4：1衰減為目標(biāo)。
表3-2 臨界比例度法整定調(diào)節(jié)器參數(shù)
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調(diào)節(jié)器參數(shù) 調(diào)節(jié)器名稱 |
δ | TI(S) | TD(S) |
| P | 2δk | ||
| PI | 2.2δk | TS/1.2 | |
| PID | 1.6δk | 0.5TS | 0.125TS |
衰減曲線法（阻尼振蕩法）
在閉環(huán)系統(tǒng)中，先把調(diào)節(jié)器設(shè)置為純比例作用，然后把比例度由大逐漸減小，加階躍擾動(dòng)觀察輸出響應(yīng)的衰減過程，直至出現(xiàn)圖3-5所示的4：1衰減過程為止。這時(shí)的比例度稱為4：1衰減比例度，用δS表示之。相鄰兩波峰間的距離稱為4：1衰減周期TS。根據(jù)δS和TS，運(yùn)用表3-3所示的經(jīng)驗(yàn)公式，就可計(jì)算出調(diào)節(jié)器預(yù)整定的參數(shù)值。
表3-3 衰減曲線法計(jì)算公式
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調(diào)節(jié)器參數(shù) 調(diào)節(jié)器名稱 |
δ（%） | TI(min) | TD(min) |
| P | δS | ||
| PI | 1.2δS | 0.5TS | |
| PID | 0.8δS | 0.3TS | 0.1 TS |
所謂動(dòng)態(tài)特性參數(shù)法，就是根據(jù)系統(tǒng)開環(huán)廣義過程階躍響應(yīng)特性進(jìn)行近似計(jì)算的方法，即根據(jù)第二章中對(duì)象特性的階躍響應(yīng)曲線測(cè)試法測(cè)得系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)特性參數(shù)（K、T、τ等），利用表3-4所示的經(jīng)驗(yàn)公式，就可計(jì)算出對(duì)應(yīng)于衰減率為4：1時(shí)調(diào)節(jié)器的相關(guān)參數(shù)。如果被控對(duì)象是一階慣性環(huán)節(jié)，或具有很小滯后的一階慣性環(huán)節(jié)，若用臨界比例度法或阻尼振蕩法（4：1衰減）就有難度，此時(shí)應(yīng)采用動(dòng)態(tài)特性參數(shù)法進(jìn)行整定。
表3-4 經(jīng)驗(yàn)計(jì)算公式
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調(diào)節(jié)器參數(shù) 調(diào)節(jié)器名稱 |
δ（%） | TI | TD |
| P |
 ×100% |
||
| PI |
1.1 ×100% |
3.3τ | |
| PID |
0.85 ×100% |
2τ | 0.5τ |