最新過程控制系統課程設計書免費下載(編輯修改稿)

　

【文章內容簡介】 上式表明，控制作用在積分時間越小的時候越強。從響應曲線看，只要偏差存在，積分控制作用一直增加；換言之，只有偏差為零時，積分作用才停止變化。這表明系統達到再次穩定狀態時，被調量的偏差必然為零。積分調節規律的另一特點就是消除穩態偏差，實現無差調節，其控制作用體現在調節過程的后期。不過在現實中，積分調節規律很少單獨使用，它總是與比例調節規律結合成為比例積分調節規律，以發揚各自的特長，彌補對方的不足。描述比例積分調節規律的動態方程是 （37）式中，為比例增益；為積分時間。比例積分調節器的傳遞函數為 （38）圖32 積分作用曲線比例積分調節器的飛升特性如圖33所示。由圖可以看出，當被調量一旦偏離給定值出現偏差時，調節器立即輸出一個與偏差成比例的控制作用，這是比例作用的結果；隨著時間的增長，控制作用線性增加，積分作用表現出來；只要偏差存在，控制作用就一直增長下去，直至消除偏差時，控制作用才停止變化。由此可見，比例積分調節作用具有比例作用及時和積分作用消除偏差的優點，從而克服了單純比例作用時不能消除偏差的缺點和單純積分作用控制不及時的缺點。圖33 比例積分響應曲線 微分調節對控制性能的影響 無論是比例調節規律，還是積分調節規律，一個共同特點就是控制作用只有在偏差出現后才能產生。這對存在延遲或慣性較大的對象來說，要獲得滿意的調節效果是很困難的，這就需要引入微分調節規律。微分調節規律是調節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，偏差信號的變化速度就是被調量的變化速度，即 （39）式中稱為微分時間。傳遞函數式為 （310）由于受控對象總存在一定的容量，調節器也存在一定的不靈敏區，因此使調節器動作的偏差信號在時間上肯定落后于偏差變化速度信號，被調量變化速度（即偏差變化速度）信號又稱超前信號。被調量的變化速度往往反映了對象流入量與流出量之間的不平衡狀態，因此對慣性較大的對象，在調節器中加入微分調節作用實現超前調節，無疑將大大改善調節過程。微分調節作用的大小僅于偏差信號的變化速度有關，而與偏差值大小無關。因此對象在受到較小的擾動后，被調量變化量及變化速度都將很小，微分作用調節器同時由于自身動作的不靈敏區的存在而始終不動作；這樣，經過一段時間后，偏差將積累成一個較大的值。就是說純微分作用的調節器是不能單獨使用的，微分作用要與比例作用或比例積分作用相結合，形成比例微分調節規律或比例微分積分調節規律。式（39）是理論上的微分調節規律表達式，因為在偏差作階躍變化時的瞬間，控制作用將為無窮大量，這是任何物理元件都不可能實現的。實際的微分調節規律具有慣性，其傳遞函數為 （311）式中——微分時間；——微分增益。由初值定理有 （312）由終值定理知 （313）由上述兩式可以得出微分調節的階躍響應曲線，如圖24所示。 圖34 微分調節的階躍響應由圖34可以看出，當偏差作幅度為的階躍變化時，微分作用將立即產生，其值為偏差的倍。從這一點上與比例作用相比，調節及時且作用強。在時間較長后，微分作用消失，直到為零。可見微分作用主要在調節過程的初期，和積分作用恰好相反。通過前兩節和本節對比例調節規律、積分調節規律和微分調節規律的分析，可以看出它們對調節過程的影響是不同的。比例調節作用是按比例反映系統的偏差系統一旦出現偏差，比例調節立即產生調節作用以減少偏差。比例作用大，可以加快調節，減少誤差，但是過大的比例作用，使系統的穩定性下降，甚至造成系統的不穩定。積分作用使系統消除穩態誤差，提高無差度。積分作用的強弱取決于積分時間常數，越小，積分作用就越強，反之大，則積分作用就弱。加入積分調節可使系統穩定性下降，動態響應變慢。微分調節作用反映系統偏差信號的變化率，具有預見性，能預見偏差變化的趨勢，因此能產生超前的控制作用，從而改善系統的動態性能。在微分時間選擇合適的情況下，可以減少超調，減少調節時間。微分作用對噪聲干擾有放大作用，因此過強的微分調節，對系統抗干擾不利。綜上所述，比例調節作用是最基本的調節作用，而積分和微分作用為輔助調節作用，比例作用貫穿于整個調節過程之中，積分作用則體現在調節過程后期，用以消除靜態偏差，微分作用則體現在調節過程的初期。實際應用中，應根據具體情況選擇調節規律，同時設置適當的比例帶，積分時間，微分時間，才能收到滿意的調節效果。對于一階慣性環節，負荷變化不大，工藝要求不高，可采用比例控制，如壓力、液位控制。對于一階慣性環節與純滯后環節串聯的對象，負荷變化不大，控制精度要求高，可采用比例積分控制。因為熱力火電廠，工作環境較復雜，對于調節質量要求高，所以本文所設計的將采用調節器。4 單回路控制系統的介紹 單回路控制系統的概述單回路反饋控制系統又稱簡單控制系統，它是僅由一個測量變送器，一個調節器和一個執行器（包括調節閥），連同被控對象組成的閉環負反饋控制系統。其組成原理方框圖如圖41所示。單回路控制系統是實現生產過程自動化的基本單元，其結構簡單、投資少、易于調整和投運，能滿足一般工業生產過程的控制要求，因此在工業生產中應用十分廣泛，尤其適用于被控過程的純滯后、慣性小、負荷和擾動變化比較平緩，或是控制質量要求不太高的場合。在熱工生產過程中，最基本的且應用最多的是單回路控制系統。即使在高水平的自動化控制方案中，單回路控制系統目前仍占控制回路的絕大多數。而且各種復雜控制系統都是在單回路控制系統的基礎上發展起來的，因此熟練掌握了單回路系統的設計方法稍加拓展就可以設計復雜系統。 圖41 單回路控制系統組成原理方框圖 單回路控制系統各組成部分的選擇（1）被調量的選擇被調量是表征生產過程是否符合工藝要求的物理量，在熱工生產過程中主要是溫度、壓力、流量、化學成分等。一般情況下，欲維持的工藝參數就是系統的被調量，如火力發電廠鍋爐過熱蒸汽溫度控制系統的任務就是維持鍋爐過熱器出口蒸汽溫度，所以汽溫控制系統的被調量就是過熱器出口汽溫。但是生產過程中，有些工藝參數目前還沒有得到直接的快速測量手段，如火電廠進入磨煤機的原煤干燥程度的測量。這種情況下往往采用間接參數作為系統的被調量，要求被調量與實際所需維持的工藝參數之間為單值函數關系，否則要采用相應的補償措施。對于那些雖有直接測量手段，但所測得的信號過于微弱或延遲較大的情況，不如選用間接參數作為系統的被調量。（2）控制量的選擇選擇什么樣的控制量去克服擾動對被調量的影響呢？原則上是選擇工藝上允許作為控制手段的變量作為控制量，一般不應選擇工藝上的主要物料或不可控制的變量作為控制量。例如：火力發電廠的鍋爐負荷控制系統，其被調量是主蒸汽壓力，而影響主蒸汽壓力的主要因素是汽輪機進汽量和鍋爐燃料量，前者是電力生產要求所確定的，因而不能作為控制量而只能選擇燃料量作為系統的控制手段。（3）控制通道和擾動通道的選擇單回路控制系統傳遞方框圖如圖42所示，圖中為對象的傳遞函數，它是包括了檢測單元、測量變送器、執行機構和調節閥在內的廣義對象特性；為調節器的傳遞函數，為擾動信號，為被調量與擾動信號間的傳遞函數。擾動信號經影響被調量的信號通道稱為擾動通道；調節器輸出的控制信號通過影響被調量的信號通道稱為控制通道。 圖42 單回路控制系統的傳遞方框圖 對象特性對控制過程的影響由自動控制理論知，控制過程的品質指標一般用衰減率、動態偏差、穩態偏差、過渡過程時間來衡量，它們描述了控制系統過渡過程的穩定性、準確性和快速性。描述對