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控制系统投运和调节器参数整定 2008-7-29 9:50:32    浏览: 次   我要评论
[导读]自动控制系统经过设计和施工等阶段之后,进入投运阶段。在系统投运前应做好一系列准备工作,包括系统各环节都应处于完好的状态,估计投运时间可能发生的各种故障及其排除措施等……
    一、自动控制系统投运
 
    自动控制系统经过设计和施工等阶段之后,进入投运阶段。在系统投运前应做好一系列准备工作,包括系统各环节都应处于完好的状态,估计投运时间可能发生的各种故障及其排除措施等。
 
    (一)系统投运前的准备工作
 
    1、熟悉有关主辅设备运行情况以及它们对控制品质要求;应掌握控制系统的设计意图和具体结构;应了解和熟悉系统中各类自动化仪表,操作熟练。
 
    2、自动控制装置的校验和确定仪表静态配合。先进行室内校验,后进行现场校验。
 
    3、自动控制系统的线路检查,按控制系统设计图纸与有关的施工规程,仔细检查系统各组成部分的安装与连接情况。
 
    检查测量元件安装是否符合要求,所测信号是否反应工况,以及测量元件引出线的防干扰措施和对地绝缘情况。对调节器着重于检查手动输出、自动跟踪情况、正反向调节作用、手动—自动的无扰动切换。对操作器、遥控板着重于检查手操执行器的动作方向和手动—自动无扰动切换。对执行器着重于检查其开关方向和动作方向、阀门开度与调节器输出的线性关系、位置反馈。对仪表连结线路的检查着重查错、查绝缘情况和接触情况。对继电信号检查,检查被控量超过预定上、下限时的自动安全报警功能及自动解除警报的情况等,还要检查自动联锁线路和紧急停车按钮等安全措施。
 
    (二)控制系统调试
 
    即检查整个系统能否正常运转。调试步骤如下:
 
    1、将操作器切换“手动”位置,给全部仪表供电,接入各被测信号,开始工作。
 
    2、用手动操作器操作,维持工况正常。
 
    3、断开控制回路,譬如在电动执行器中将执行机构与调节机构的联系断开,使系统处于开环状态。
 
    4、将操作器开关无扰动切换到自动位置。
 
    5、改变其给定值或施加一些扰动信号。
 
    6、检查系统各环节间信号传递的极性,检查记录、指示、报警等仪器是否正常工作。
 
    若系统各环节工作正常,则可闭合控制回路,进行调节器参数整定。
 
    二、调节器参数的工程整定
 
    调节器参数整定,是经济统计设计、施工、调试和投运等阶段后,所进行的一项重要工作,是获得良好控制质量的重要手段。整定调节器参数通常有理论计算和工程整定两种方法,实际广泛应用的是工程整定方法。下面介绍的整定方法都是针对广义对象和调节器组成的控制系统,如图1所示。
 
图1  广义对象示意图
 
    (一)调节器参数对控制过程的影响
 
    调节器的比例带σ、积分时间Ti、微分时间Td等各整定参数值的变化对调节过程的影响见图2。
 
图2  调节器参数对控制过程的影响
ɑ-比例带改变对控制过程的影响(比例调节器);
b-积分时间改变对控制过程的影响(比例、积分调节器);
c-微分时间改变对控制过程的影响(比例、微分调节器)
 
    1、当调节器为比例规律时,比例带由大到小变化将使稳定程度由强至弱、超调量由小至大、上升时间由长至短、振荡周期由长至短变化,静差由大至小变化。
 
    2、当调节器为比例积分规律时,积分时间由大至小变化将使稳定程度由强至弱、动态偏差由大至小、上升时间由长至短、振荡周期由长至短变化;由于引入积分作用,因此消除静差。
 
    3、当调节器内比例积分微分规律时,微分时间由小至大变化使稳定程度增强,动态偏差减小,上升时间和振荡周期变短;但是微分时间如增加太大将起到相反作用,使控制质量变差,破坏系统稳定性。
 
    (二)单回路控制系统调节器参数的工程整定
 
    单回路系统调节器参数整定是整定其他较复杂的各种调节系统的基础,一般采用以下几种方法。
 
    1、经验法  这是一种凑试法。先取调节器参数的某组数值后将系统投入自动,然后人为加一定扰动,如改变给定值观察被调变量或阀位、调节器输出的变化曲线形状;改变调节器有关参数,反复凑试,直至控制品质符合要求为止。比例、积分、微分调节器的整定步骤:
 
    (1)设置Ti→∞,Td=0,从大到小改变比例带σ直至到较好的控制过程曲线。
 
    (2)将比例带放大1.2倍,从大到小改变积分时间,以求得较好的调节过程曲线。
 
    (3)积分时间Ti保持不变,改变(增大或减小)比例带,观察控制过程曲线是否改善;如有所改善,则继续调整比例带,若没有改善,则将原定的比例带减小些,再变更积分时间,以改善控制过程曲线。如此多次反复,直至找到合适的比例带和积分时间。
 
    (4)初步整定σ和Ti值之后,设置微分时间为积分时间的1/6~1/4,同时适当减小比例带和积分时间,观察控制过程曲线,还可适当调整σ、Ti和Td
 
    根据表1来判断被控量记录曲线不够理想的原因。
 
表1  从记录曲线找控制系统不正常的原因
 
                   续表1
 
    2、临界比例带法  这是一种在线整定调节器参数的方法,整定步骤如下:
 
    (1)设置Ti→∞,Td=0,σ取较大值;逐步减小σ,直至被控量的记录曲线持续出现四至五次等幅振荡,这时的比例带称临界比例带σk
 
    (2)从记录曲线上求得等幅振荡的周期Tpk
 
    (3)根据σk和Tpk之值在表2中求得调节器各参数值σ、Ti、Td
 
表2  用临界比例带法求调节器参数
被 控 量 记 录 曲 线
控制品质要求
调节规律
调 节 器 参 数
σ
Ti
Td
振幅衰
减比为
4∶1
P
PI
PID
k
2.2σk
1.7σk
 
0.85Tpk
0.5Tpk
 
 
0.125Tpk
 
    (4)在调节器上,取消大于求得的比例带值,再依次调整所需的给积分和微分时间,最后把比例带放在计算值上;若记录曲线不符合要求,再适当调整调节器的参数。
 
    3、衰减曲线法  此法不需进行大量的凑试,不宜用于外加干扰较频繁的系统,且负荷变化较大时,必须重新调整。整定步骤如下。
 
    (1)先取Ti→∞,Td=0,σ取较大的值,系统稳定后,重复做扰动试验,并逐次减小比例带,观察记录曲线的波形,直至曲线呈现4∶1或10∶1衰减比,从而得到相应的比例带σs或比例带σs
 
    (2)从记录线求得在4∶1衰减时的调节周期Tp或10∶1衰减时的上升时间Tr
 
    (3)按表3计算σ、Ti、Td的值。
 
表3  衰减曲线法调节器参数
给定值阶跃变化下的过程过渡曲线
控制品质要求
调节规律
调 节 器 参 数
σ
Ti
Td
振幅衰减比为
4∶1
(B3/B1=1/4)
P
PI
PID
σs
1.2σs
0.8σs
 
0.5Tp
0.3Tp
 
 
0.1Tp
振幅衰减比为
10∶1
(B3/B1=1/10)
P
PI
PID
σs
1.2σs
0.8σs
 
2Tr
1.2 Tr
 
 
0.4Tr
 
    (4)在调节器上,取稍大于求得的比例带值,并依次调整所需的积分和微分时间,最后把比例带放在计算值上;若记录曲线不符合要求,再适当调整调节器参数。
 
    4、反应曲线法  这里所述的反应曲线法是一种简单的工程整定法,是根据对象阶跃反应特性进行的,适用于对象特性已经掌握的情况。
 
    对于相当数量的被控对象,其广义对象的阶跃特性通常可近似处理为具有纯滞后的一阶惯性环节或积分环节,即对象函数为Ke-rs/(Ts+1)或e-rs/Tas,如图3所示。从图中可求得特性参数纯滞后τ、放大系数K、时间常数T。再按表4的公式计算出相应衰减比为4∶1时的比例带σ、积分时间Ti和微分时间Td。表中Ta为无自衡对象积分时间Ta=T/K。从图3可见τ/T=R/Km0。因此对无自衡对象τ/Ta=R/m0;对自衡对象Kτ/T=R/m0。所以只要求得R和m0即可计算得调节器比例带σ、积分时间Ti、微分世间事Td
 
图3  阶跃反应曲线
α-阶跃输入;b-反应曲线
 
表4  用反应曲线法求调节器参数
 
    三、串级控制系统调节器参数工程整定
 
    串级控制系统的主、副回路之间是互相联系、互相影响的,整定主或副调节器都影响主被控量和副被控量的。因此,整定时为防止和消除主、副回路间产生的共振现象,把副回路的振荡周期Tp2和主回路的振荡周期Tp1之比,控制在1/3~1/5或更小。
 
    (一)逐步逼近法
 
    在主、副回路间关联较大的场合,以及主、副被控量控制要求表高时,逐步逼近法比较适用。但是此法比较繁琐,费时间,具体步骤见表5。
 
表5  逐步逼近法求串级系统调节器参数
步  骤
副  环
主  环
结  果
1
 按单回路控制系统方法整定
断开
 求得副调节器参数(σ2、T12、Td21
2
 副调节器参数为(σ2、T12、Td21并保持不变
 按单回路控制系统方法整定
 主副调节器参数为(σ1、T11、Td11,(σ2、T12、Td21
3
 按单回路控制系统整定
 主回路闭合,保持(σ1、T11、Td11不变
 主、副调节器参数为(σ1、T11、Td11,(σ2、T12、Td22
4
 副调节器参数为(σ2、T12、Td22,并保持不变
 按单回路控制系统整定
 主、副调节器为(σ1、T11、Td12,(σ2、T12、Td22
 如控制品质未达到要求,继续重复“3”、“4”两步骤,反复整定主、副调节器,直到取得满意的控制品质为止
 
    (二)二步整定法
 
    整定时,主、副回路都闭合,按所需衰减比用单回路控制系统的方法整定主副回路,见表6。
 
表6  二步整定法求串级控制系统调节器参数
步  骤
副  环
主  环
结  果
1
 按所需衰减比,P规律整定副环调节器
 主环闭合,P规律,主调节器比例带σ=100%
 得到副调节器比例带,σs2
2
 副调节器参数σs2并保持不变
 按所需衰减比,P规律,整定主调节器
 得到主调节器比例带,σs1
3
 按σs2值,据表3求得副调节器参数σ、T1、Td值,并设置在副调节器上
 按σs1值据表3求得主调节器参数σ、T1、Td值,并设置在主调节器上
 得主、副调节器参数σ、T1、Td
4
 适当调整调节器参数,以得到所需的控制品质
 
    (三)一步整定法
 
    在串级系统中,当副回路起粗调、主回路起细调作用时,只要主、副调节器参数配置适当,仍能保证主被控量满足工艺要求。此时可选用一步整定法,先估计对象特性,选择合适的副调节器比例带,然后整定主调节器的参数。
 
    在许多串级系统中,副回路的设置只是为了起快速粗调作用,此时可先调整副调节器的比例带,按经验设置副调节器比例带的大致范围——温度:30%~60%,压力:30%~70%,流量:40%~80%。只要使副回路不出现振荡,副调节器的比例带可设置得较小,然后整定主调节器。
 
    四、调节器参数整定时应注意的问题
 
    调节器参数整定时应注意如下问题:
 
    (一)用上述方法得到的参数,只是提供大致的数值,在控制系统投入后,应根据系统的实际情况,做适当修正。
 
    (二)在整定时,给定值改变和干扰作用所引起的调节器过程是不同的,但是在此二种扰动下,系统的稳定程度是一样的。给定值扰动是比较激烈的扰动,因此按给定值扰动整定,对控制系统稳定更加有利。

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