比值控制系统设计与仿真毕业设计说明书(编辑修改稿)

比值控制系统设计与仿真毕业设计说明书(编辑修改稿)内容摘要：

控制作用也随之消失，干扰信号的存在就不可能使系统稳定下来。 调节过程结束，被调量偏差仍存在称为有差调节，这是比例调节规律的又一特点。 积分控制对控制性能的影响 比例调节规律的特点是控制及时，控制作用贯穿整个调节过程，因此它是基本的调节作用。 然而比例调节不能保证系统无差，因此对于一些要求较高的控制（定值调节 ） 还需 引入积分调节规律，实现无差调节。 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  dtteTtu i )(1)( （ 210） 其传递函数形式： sTsW iI 1)(  （ 211） 式中 iT 积分时间。 积分调节器的阶跃响应如 图 22所示。 由图可以看出，当被调量出现偏差并成阶跃形式变化时，积分调节器输出的控制作用并不立即变化，而是由零开始线性增长。 从这一点看，积分调节作用是不及时的。 只要偏差信号存在，调节器输出旨在消除对系统影响的控制作用就一直增加，且其增长的速度始终为初始速度。 由下式可知： iTtedttdu )()(  （ 212） 上式表明，控制作用在积分时间 TI越小时越强。 从响应曲线看，只要偏差存在，积分控制作用一直增加；换言之，只有偏差为零时，积分作用才 停止变化。 这表明系统达到再次稳定状态时，被调量的偏差必然为零。 内蒙古工业大学本科毕业设计说明书 16 积分调节规律的另一特点就是消除稳态偏差，实现无差调节，其控制作用体现在调节过程的后期。 不过在现实中，积分调节规律很少单独使用，它总是与比例调节规律结合成为比例积分调节规律，以发扬各自的特长，弥补对方的不足。 描述比例积分调节规律的动态方程是：  dtteTKteKtu iPP )()()( （ 213） 式中 pK 比例增益； iT 积分时间 图 22 积分作用曲线 比例积分调节器的传递函数为：    sTsTKsW iiPPI 11111)(  （ 214） 综上分析，当被调量一旦偏离给定值出现偏差时，调节器立即输出一个与偏差成比例的控制作用，这是比例作用的结果；随着时间的增长，控制作用线性增加，积分作用表现出来；只要偏差存在，控制作用就一直增长下去，直至消除偏差时，控制作用才停止变化。 由此可见，比例积分调节作用具有比例作用及时和积分作用消除偏差内蒙古工业大学本科毕业设计说明书 17 的优点，从而克服了单纯比例作用时不能 消除偏差的缺点和单纯积分作用控制不及时的缺点。 微分控制对控制性能的影响 微分调节规律是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 dt tdcTdt tdeTtu dd )()()(  （ 215） 式中 Td微分时间。 传递函数式为： sTsW dD )( （ 216） 由于受控对象总存在一定的容量，调节器也 存在一定的不灵敏区，因此使调节器动作的偏差信号在实践上肯定落后于偏差变化速度信号，被调量变化速度（即偏差变化速度）信号又称超前信号。 被调量的变化速度往往反映了对象流入量与流出量之间的不平衡状态，因此对惯性较大的对象，在调节器中加入微分调节作用实现超前调节，无疑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。 因此对象在受到较小的扰动后，被调量变化量及变化速度都将很小，微分作用调节器同时由于自身动作的不灵敏区的存在而始终不动作 ,这样，经过一段时间后，偏差将积累成一个较大的 值。 就是说纯微分作用的调节器是不能单独使用的，微分作用要与比例作用或比例积分作用相结合，形成比例微分调节规律或比例微分积分调节规律。 式（ 216）是理论上的微分调节规律表达式，因为在偏差阶跃变化时的瞬间，控制作用将为无穷大量，这是任何物理元件都不可能实现的。 实际的微分调节规律具有惯性，传递函数为下式： sWsTKsTsTKsW DdDddDD  11)(39。 （ 217） 式中 TD微分时间； KD微分增益。 由初值定理有： EKsEsT sTKsU DddDs   1lim)0( （ 218） 由终值定理知： 内蒙古工业大学本科毕业设计说明书 18 01lim)( 0   sEsT sTKsU ddDs （ 219） 如图 23所示，微分调节的阶跃响应曲线。 图 23 微分调节阶跃响应 由图 23也可以看出，当偏差信号做幅度为 E 的阶跃变化时，微分作用将立即产生，其值为偏差的 KD倍。 从这一点上与比例作用相比，调节及时且作用强。 在时间较长后，微分作用消失，直到为零。 可见微分作用要在调节过程的初期，和积分作用恰好相 反。 内蒙古工业大学本科毕业设计说明书 19 第三章 控制系统的工程整定 对控制系统性能的要求 在控制过程中，一个理想的控制系统，始终应使其被控量 (输出 )等于给定值 (输入 )。 但是，由于机械部分质量、惯量的存在，电路中储能元件的存在以及能源功率的限制，使得运动部件的加速度受到限制，其速度和位置难以瞬时变化。 所以，当给定值变化时，被控量不可能立即等于给定值，而需要经过一个过渡过程，即动态过程。 所谓动态过程就是指系统受 到外加信号 (给定值或扰动 )作用后，被控量随时间变化的全过程。 由动态过程可以反映系统内在性能的好坏，而常见的评价系统优劣的性能指标也是从动态过程中定义出来的。 对系统性能的基本要求有三个方面。 稳定性是这样来表述的：系统受到外作用后，其动态过程的振荡倾向和系统恢复平衡的能力。 如果系统受外作用力后，经过一段时间，其被控量可以达到某一稳定状态，则称系统是稳定的。 显然，不稳定的系统是无法正常工作的。 一个能在生产实际中应用的系统，不仅应该是稳定的，而且在动态过程中的振荡也不能太大，否则不能满足生产实际的需要，甚至会导致 系统部件的松动和被破坏。 快速性是通过动态过程时间长短来表征的，过程时间越短，表明快速性越好，反之亦然。 快速性表明了系统输出对输入响应的快慢程度。 系统响应越快，说明系统的输出复现输入信号的能力越强。 准确性是由输入给定值与输出响应的终值之间的差值来表征的，它反映了系统的稳态精度。 若系统的最终误差为零，则称为无差系统 ,否则称为有差系统。 稳定性、快速性和准确性往往是互相制约的。 在设计与调试过程中，若过分强调系统的稳定性，则可能会造成系统响应迟缓和控制精度较低的后果；反之，若过分强调系统响应的快速性，则又会使系 统的振荡加剧，甚至引起不稳定。 比值控制系统整定主要涉及的问题是稳定性、快速性、静差和微分问题。 （ 1）稳定问题 内蒙古工业大学本科毕业设计说明书 20 稳定性是控制系统正常工作的首要条件。 对过程控制来说，稳定性问题不但涉及稳态情况，更涉及干扰扰动问题。 干扰对过程控制的影响主要体现在：系统模型识别精确性降低、系统模型参数离散性变大、系统远离原模型静态工作点、系统工作进入非线性区等。 干扰的主要后果是使控制系统处于不稳定，甚至使不安全工作状态。 因此，在干扰较大的场合，如工业过程的现场，控制系统应有足够的稳定裕量。 （ 2）快速性问题 应保证系统响 应的快速性从而保证比值恒定。 （ 3）静差问题 在稳态时，各比值控制的闭环均为定值控制，故系统跟踪不应存在静差。 （ 4）微分问题 比值控制系统的调节器不宜采用微分作用。 因为比值控制系统对象一般都是流量对象，滞后时间都比较小。 而且在管路中存在有很多不规则的干扰噪声，因此在控制器都不宜采用微分作用。 调节器的参数整定法 控制系统的整定是指在控制系统的结构已经确定、控制仪表与控制对象等都处在正常状态的情况下，适当选择调节器的参数 ( idTT、 、 )使控制仪表的特性和控制对象的特性配合，从而使控制系统的运行达到最佳状态，取得最好的控制效果。 显然，如果控制对象的运行方式不当，或者系统设计方案不合理，测量仪表和调节机构选型不当，安装质量不高等，则无论怎样整定调节器的参数，也不能满足调节质量的要求。 另一方面，在主设备完善、系统设计方案合理、设备安装等均已完善的条件下，只有经过正确的整定，才能达到预期的控制质量。 从理论上看，通过计算来整定调节器的参数是可行的办法。 采用各种计算方法，求出闭环系统特征根的分布情况，对振荡频率、静态偏差、动态偏差、控制过程时间等有 明确的结论，根据所得结论能够比较在不同的调节规律、不同参数值的情况下过渡过程的品质和实现保证衰减率大于所规定的数值的要求。 但问题是计算方法要以控制对象的动态特性为依据，而动态特性测取时含有不精确性，更难以处理的是在工况变动时，对象的动态特性可能发生变化。 另外，对控制系统中的一些非线性环节要近似为线性环节，甚至要对调节器本身在计算时也只能看作是线性的理想调节器。 由于这些原因，各种计算结果只能是近似的，只宜作参考依据。 在热工生产过程中，比较实用的是现场整定方法，即通过现场调试来选择调节器内蒙古工业大学本科毕业设计说明书 21 的参数。 但是现场整定也 要在正确的理论指导下才能有效进行并解决所能发现的问题，若事先不经过任何理论计算和分析，盲目地实践可能会延误时机，甚至带来麻烦。 因此，计算还是有必要的。 不过计算分析不必要求达到精确的结果，而是利用一些经验性图表，先估计调节器参数的取值范围，从而给现场整定提供参考。 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，记下此状态下的比例带值，即临界比例带 k 以及振荡周期 kT ，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须知道对象的动态特性，直接在闭环系统中进行参数整定。 临界比例带的具体步骤是： 1） 将调节器的积分时间置于最大，即 iT ；置微分时间 0dT ；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  ，直到进入等幅振荡状态。 一般振荡持续 4～ 5个振幅即可，试验记录曲线。 3） 根据记录曲线的振荡周期 kT 此状态下调节器比例带为 k ，然后按表 31 计算出调节器的各个参数。 将计算好的参数值在调节器上设置好，作阶跃响应试验，观察系统调节过程，适当修改调节器的参数，直到调节器过程满意为止。 表 31 临界比例带法计算公式（  ） 规 律  iT dT P PI PID 2k   — — — 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用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 k 即振荡周期kT ，则无法应用临界比例带法。 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，它是利用比例作用下产生的 4:1 衰减振荡（  ）过程时调节器比例带 s 即过程上升时间 rt ，据经验公式内蒙古工业大学本科毕业设计说明书 22 计算出调节器的各个参数。 衰减曲线法的具体步骤是： 1） 置调节器的积分时间 iT ，微分时间 0dT ，比例带  为稍大的值；将系统投入闭环运行。 2） 在系统处于稳定状态后作阶 跃 扰动试验，应观察控制过程。 如果过渡过程衰减率大于 ，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  的调节过程也是一样的做上述试验，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。 在曲线上求取  时的振荡周期 sT 或  时的上升时间 tr，按表 32计算出调节器的各个参数。 表 32 衰减曲线法计算公式  规律  iT dT P PI PID s   — — —  规律  iT dT。