过程控制工程第五章常规控制器的选型、整定和系统投运.ppt

第五章 常规控制器的选型、整定和系统投运,5.1 基本概念 P59 5.2 三类常规控制器 P59 5.3 控制规律的选取 P63 5.4 控制器参数整定 P64 5.5 控制系统的投运 P67,本章的主要内容:,5.1.1 控制器的作用 5.1.2 控制器（调节器）的种类 按能源分类 按控制作用分类 按传递运算信号形式分类 5.1.3 PID控制器概述,5.1 基本概念,本节的主要内容:,控制器是控制系统的心脏，是系统重要的组成部分，其输出一般送到控制阀。 控制 (调节)作用：将被控量与给定值进行比较，得到偏差，并按一定的控制规律发出控制信号，控制生产过程，使被控量等于给定值。 控制规律：调节器的输出随输入的变化而变化的 规律。,5.1.1 控制器的作用,按能源分类 气动调节器：以压缩空气为能源及 信号 电动调节器：以电为能源及信号 液动调节器：以液压（油压）为能 源及信号(较少用）,5.1.2 控制器（调节器）的种类,按控制作用分类 P 调节器 PI 调节器 PD 调节器 PID 调节器 双位调节器 双位调节器:只有通断（或开、闭）两种工作 状态，作用不连续 。实质是增 益很大的P调节器。,5.1.2 控制器（调节器）的种类,按传递信号形式分类 模拟调节器 数字调节器,5.1.2 控制器（调节器）的种类,PID控制：比例、积分、微分控制 在生产过程自动控制的发展历程中，PID控制是历史最久、生命力最强的基本控制方式。 在40年代以前，除了在最简单的情况下可采用开关控制外，PID是唯一的控制方式。,5.1.3 PID控制器概述,PID控制：比例、积分、微分控制 随着科学技术的发展，特别是C的诞生和发展，涌现出许多新的控制算法，如模糊控制、自适应控制、鲁棒控制等。 PID控制由于其自身的优点，仍是最广泛应用的基本控制方式。,5.1.3 PID控制器概述,PID控制的优点： 原理简单，使用方便 适应性强: 按PID进行工作的自动调节 器早已商品化，目前最新式的过程控制 计算机，其基本的控制规律仍然是PID 控制。 鲁棒性强: 其控制品质对被控对象特性 的变化不太敏感。,5.1.3 PID控制器概述,在过程控制中，人们首先想到的总是PID控制。一个大型的现代化生产装置的控制回路可能多达一二百甚至更多，其中绝大部分都采用PID控制。,5.1.3 PID控制器概述,例外情况： 1. 被控对象易于控制，控制要求又不 太高，可采用简单的开关控制方式； 2. 被控对象难以控制，要求又特别高 的情况，这时若PID控制难以达到生 产要求，就要考虑采用更先进的控 制方式。,5.1.3 PID控制器概述,5.2.1 比例控制器（P） 5.2.2 比例积分控制器（PI） 5.2.3 比例积分微分控制器（PID） 5.2.4 积分饱和及其防止,5.2 三类常规控制器,本节的主要内容:,1)最基本、最主要的控制规律: 属于有差（余差、残差或偏差）调节。 优点：能迅速克服扰动影响，较快稳定 下来； 适用：干扰变化幅度小，自平衡能力强， 对象滞后（/T）较小，控制质量 要求不高，系统允许有一定范围 余差的场合。,5.2.1 比例控制器（P控制器）,表达式： 微分方程式 (5.1-1) 传递函数 (5.1-3) 应用：压缩机储气罐压力控制、储液槽液位控制,5.2.1 比例控制器（P控制器）,2)比例度（比例带）的概念（ ，PB） 控制器中采用比例度表示比例作用的强弱， 其表达式为： 式中： ：调节器输出信号的变化范围 ：仪表量程,5.2.1 比例控制器（P控制器）,2)比例度（比例带）的概念（ ，PB） P59 通常： 1PB500% e 偏差 P调节器输出 对单元组合仪表调节器： (5.1-2),5.2.1 比例控制器（P控制器）,比例度（PB）的物理意义 物理意义：输出信号作全范围的变化时，所需输入的信号的变化（占全量程）的百分数。 对于阀门开度：PB代表阀门开度改变100，即从全关到全开时，所需的被调量的变化范围。只有当被调量处在这个范围以内，阀的开度（变化）才与偏差成比例。超过这个“比例带”以外，阀就处于全开或全关的状态，此时调节器的输入与输出已不再保持比例关系，调节器暂时失去控制作用。,5.2.1 比例控制器（P控制器）,3) Kc变化对系统指标的影响 见表5.1-1,5.2.1 比例控制器（P控制器）,3) Kc变化对系统指标的影响 Kc参数的整定，就是对这两个指标作权衡，使得两个指标都符合要求。,5.2.1 比例控制器（P控制器）,P调节：快速消除干扰影响 I调节：消除残差，无差调节（I调节的特 点） 优点：引入积分作用，系统具有消除余差的 功 能。 适用：要求静态无余差，控制对象容量滞后 小，负荷变化幅度较大，变化过程较 缓慢的场合。,5.2.2 比例积分控制器（PI）,P I调节器： 添加积分作用的目的：在系统经受干扰后，使输出返回设定值，即消除余差。 注意：PI控制器在某些控制系统中，可能产生积分饱和现象，具体选用时，应注意考虑采取抗饱和措施。,5.2.2 比例积分控制器（PI）,比例积分控制器表达式： 微分方程式 (5.1-5) 传递函数 (5.1-6) 幅频相频特性：P60图5.1-2 低频：振幅比很大,5.2.2 比例积分控制器（PI）,幅频相频特性： P60图5.1-2 低频：振幅比 很大,PI控制器,积分控制作用可以消除静差，但因积分作用时随着时间积累而逐渐加强，所以控制作用缓慢，在时间上总是落后于偏差信号的变化，不能及时控制。 当对象的惯性较大时，被控参数将出现较大的超调量，控制时间也较长，严重时甚至使系统难以稳定。 因此，积分作用不宜单独使用，往往将P和I组合成PI调节器，这样控制既及时，又能消除余差。,5.2.2 比例积分控制器（PI）,积分作用的特点： 具有积分作用的控制器，其静态增益无穷大，因而能消除余差。 积分作用引起的相角滞后会恶化系统动态性能。,5.2.2 比例积分控制器（PI）,例：有一广义对象的传递函数为 式中，T11， T20.1 讨论：PI控制器当积分时间Ti 变化时，对系统 质量的影响。,5.2.2 比例积分控制器（PI）,解：1）先求开环频率特性： (5.1-8),5.2.2 比例积分控制器（PI）,2）按十倍频之差选三种积分时间 绘制开环频率特性图（对数频率特性） P61图5.1-3 0对象频率特性 1，2，3经Ti1、Ti2、Ti3叠加后系统开 环特性,5.2.2 比例积分控制器（PI）,开环频率特性图 （对数频率特性） P61图5.1-3 0对象频率特性 1，2，3 - 经Ti1、 Ti2、Ti3叠加后 系统开环特性,5.2.2 比例积分控制器（PI）,3）讨论对系统质量的影响 P61表5.1-4 积分时间对系统质量影响,5.2.2 比例积分控制器（PI）,由图中观察到： （1） （2） （3）,5.2.2 比例积分控制器（PI）,临界震荡条件： a. 开环系统的振幅比为1 b. 开环系统的相角为-180 其中（3）由（2）观察推得： KP(Kci) max与Gi成反比 Gi小，KP(Kci)max大,5.2.2 比例积分控制器（PI）,结论：积分作用使系统稳定性降低 （ ） PI调节器引入积分作用带来消除系统残 差的好处，同时却降低了原有系统的稳 定性。,5.2.2 比例积分控制器（PI）,5.2.2 比例积分控制器（PI）,结论： PI调节器是在牺牲控制系统的动态 品质的情况下，来换取较好的稳定性能。 为了维持原有稳定性，控制器增益必 须降低，即PI调节器的比例带必须适量 加大。,讨论：Ti变化对过渡过程的影响 P61图5.1-4,5.2.2 比例积分控制器（PI）,积分时间变化对过渡过程的影响： 1) 其它参数不变（Kc不变），仅Ti变化 Ti 最大偏差 工作频率 2) 系统稳定性不变，Ti变化 （ Ti变化后，要调整比例度PB） Ti 最大偏差 工作频率,5.2.2 比例积分控制器（PI）,由此可见，同样是减小，但是前提条件不同时，对最大偏差和工作频率的影响正好相反。 说明：在讨论实际问题时，必须重视问题的 前提条件，具体问题具体分析。,5.2.2 比例积分控制器（PI）,1）微分调节的特点 P62 P、I调节：根据当时偏差的大小和方向进行调节 微分调节：根据被控量的变化速度来调节，不要等 到被控量已经出现大偏差后才开始动作， 等于赋予控制器以某种程度的预见性， 调节效果会好些。 微分调节的表示：,5.2.3 比例积分微分控制器（PID控制器）,1）微分调节的特点 单纯按上述规律动作的调节器是不能工作的。因为实际的调节器都有一定的失灵区，如果被控对象的流入、流出量只相差很少，以致被调量只以调节器不能觉察的速度缓慢变化时，调节器并不会动作。但是经过相当长的时间后，被调量却可以积累到相当大的数字而得不到校正。这种情况是不容许的。 因此，微分调节只能起辅助的调节作用，它可以与其它调节器结合成PD和PID调节器。,5.2.3 比例积分微分控制器（PID控制器）,2) PID调节规律 表达式： (5.1-9),5.2.3 比例积分微分控制器（PID控制器）,2) PID调节规律 理想的微分作用TDS 在物理上是不能实现的，一般用超前滞后单元来产生近似的微分作用。 (5.1-10) 其中， 的取值：1/61/20,5.2.3 比例积分微分控制器（PID控制器）,幅频 - 相频特性： P60图5.1-2（c） PID控制器传递函数： (5.1-11) 频率特性： P60图5.1-2（d） 近似方程( : 1/61/20 ，忽略不计)： (5.1-12),5.2.3 比例积分微分控制器（PID控制器）,化为理想PID形式： (5.1-13) 式中：,5.2.3 比例积分微分控制器（PID控制器）,化为理想PID形式： F干扰系数,5.2.3 比例积分微分控制器（PID控制器）,3) 讨论 引入微分作用的目的，是改进高阶过程的品质 微分作用要调整适当，作用过强会降低系统的稳定裕度 微分作用在高频下有较大的振幅比，存在高频噪声的地方不宜用微分，除非先将信号进行滤波 微分作用对纯滞后不起作用,5.2.3 比例积分微分控制器（PID控制器）,1)积分饱和的概念 P63 具有积分作用的调节器，只要被调量与设定值之间有偏差，其输出就会不停地变化。如果阀门由于某种原因（关闭、全开或泵故障）而失去控制作用，偏差一时无法消除，而调节器还是要试图校正这个偏差，经过一段时间后，调节器输出将进入深度饱和状态，达到某个极限值并停留在该值，这种现象称为积分饱和。,5.2.4 积分饱和及其防止,进入深度积分饱和的调节器，要等被调量偏差反向以后才慢慢从饱和状态中退出来，重新恢复控制作用。 积分饱和的极限值一般比控制阀全开全关的信号范围大得多。例如：气动阀，输入有效信号范围：0.020.1Mpa；控制器饱和上限约为气源压力0.140.16Mpa，下限接近大气压（表压0MPa）。,5.2.4 积分饱和及其防止,积分饱和现象经常发生在间歇过程的控制中、串级系统中的主调节器以及选择性控制等复杂控制系统中。 例1：加热器水温控制系统： 为消除残差，采用PI调节器 调节阀：气关式 调节器：反作用方式,5.2.4 积分饱和及其防止,热水温度T由传感器、变送器送到调节器中，调节器控制加热蒸汽调节阀的开度，以保持出水口水温恒定。 加热器的热负荷：既决定于热水流量Q 也决定于热水温度T 工作过程： 见P63图5.1-6 图中：y - 被调量；u - 控制器输出。,5.2.4 积分饱和及其防止,工作过程： 见P63 图5.1-6,5.2.4 积分饱和及其防止,工作过程： 见P63图5.1-6 （1） t0t1阶段 ： t0时刻，加热器投入使用，水温T较低， 较大（负偏差），调节器输出逐渐增大。对于气动调节阀，输出最后可达 0.14Mpa（气源压力），称为深度饱和。 （2） t1t2 阶段 ： 水温上升，仍低于 ，调节器输出不会下降（温度T不断上升）。,5.2.4 积分饱和及其防止,（3） t2t3 阶段 ： t2时刻，偏差反向，调节器输出 u 减小。由于输出气压大于0.10Mpa，调节阀仍处于全关状态（温度T不断上升）。t3时刻后，调节阀开始开启（温度T开始下降）。 结果（在 t2t3 阶段 ）水温大大超过设定值，控制品质变坏，甚至引起危险。,5.2.4 积分饱和及其防止,2) 防止积分饱和的措施 以气动仪表为例，说明防止积分饱和的基本原理。 例：气动PI调节器。见图,5.2.4 积分饱和及其防止,输入输出关系： 由以上式可得： 上式为气动PI控制器的算式。 其中： 比例增益， 积分时间,5.2.4 积分饱和及其防止,由图可见，方框图中存在正反馈，积分作用正是由这正反馈造成的。 见方框图 PI调节器积分部分的输出在偏差长期存在时会超过额定输出值，从而引起积分饱和。 措施：利用限幅切断正反馈，使输出不会一直增 长，从而避免出现积分饱和现象。,5.2.4 积分饱和及其防止,实现：对正反馈进行限幅，见图中虚线方框。 （虚线方框：不一定要硬件组合，利用软件就可实现限幅功能） 见改进后的方框图 设限幅上下限分别 为 和， 则限幅上限时，PI算式为：,5.2.4 积分饱和及其防止,方框图: 改进后的方框图:,5.2.4 积分饱和及其防止,限幅下限时，PI算式为： 这样，利用限幅切断了正反馈， 使 限制在一定范围内，防止积分饱和发生。,5.2.4 积分饱和及其防止,其它措施： 1）利用间歇单元抗积分饱和。利用硬件电路进行比较，一旦出现积分饱和就将PI调节切换成P调节。 2）调节器内部实现调节的自动切换。如：EK系列调节器，内部附加了抗积分饱和 电路。,5.2.4 积分饱和及其防止,5.3.1 双位控制器 P63 5.3.2 比例控制器 P64 5.3.3 积分控制器 P64 5.3.4 PI控制器 P64 5.3.5 PID控制 P64,5.3 控制规律的选取,本节的主要内容:,实质：是增益很大的比例控制器，随着偏差 信号符号变化，使控制阀全开或全关 缺点：会产生冲击性的流量，影响工艺过程， 易损坏控制阀。 适用：控制质量要求不高，所产生的冲击流 量对工艺影响不大的场合。,5.3.1 双位控制器,优点：简单，调整方便 P64 缺点：有余量（余差随开环增益的增加而 减小） 适用：1. 低阶过程，就地控制及允许有余 差的场合。例如液位控制; 2. 具有积分环节的对象,5.3.2 比例控制器,积分控制：又称浮动控制器 特点：能消除余差（无差调节） 例：纯滞后对象，串接积分控制器 不适用：传递函数中含有1/S项者 积分控制通常与比例和微分控制结 合起来组成PI或PID控制规律,5.3.3 积分控制器,反馈控制中：75采用PI作用 适用场合：控制通道滞后较小，负荷变 化不大，被控参数不允许有 余差的场合 适用：流量或快速压力系统 不适用：液位或压力控制系统,5.3.4 PI控制器,特点： 添加微分作用，补偿容量滞后， 改善系统稳定性，提高响应速 度。 适用： 温度、成分控制（缓慢、多容 过程） 不适用： 高频噪声的场合,5.3.5 PID控制器,5.4.1 经验法 P64 5.4.2 临界比例度法 P65 5.4.3 衰减振荡法 P66 5.4.4 响应曲线法 P66,5.4 控制器参数整定,本节的主要内容:,特点： 按受控变量的性质，提出控制器参数 的合适范围 P64 流量系统：宜用PI，比例度要大，积分时间小 液位系统：纯比例，比例度要大 压力系统：快速：性质接近流量系统 慢速：性质接近温度系统 温度系统：PB约为20-60，Ti较大，TD=Ti/4,5.4.1 经验法（特点）,表5.3-1 经验整定值 P65,5.4.1 经验法（经验表格）,经验法很有用，工业上大多数系统都能满足要求。 这里的按被控变量类型选择控制参数的做法，都是对具有典型过程相近特性的对象而言的。 而生产上有时却并非如此。,5.4.1 经验法（前提条件）,少数温度系统具有流量系统的快速特性，这时控制器的选择和参数整定就应该按照典型流量系统而不是典型温度系统。 例如：涤棉布生产中的“热定型”工序。 原理示意图：P65 图5.3-2 目的：使涤棉布经过高温处理变平整 方法：高温热辐射（快速） 动态特性：类似流量系统,5.4.1 经验法（特例）,例：涤棉布生产中的“热定型”工序。 原理示意图：P65 图5.3-2 目的：使涤棉布经过高温处理变平整 方法：高温热辐射（快速） 动态特性：类似流量系统 温度测量：非接触式红外测温仪 温度控制：调节电机转速 改变涤棉布在高温区的停留时间 调整温度,5.4.1 经验法（特例）,1）优点：简单，便于使用，在大多数控制回路中能 得到良好的控制品质。 P65 2）整定步骤： 闭环进行 待投运准备完毕后，即投入自动，调整好 给定控制点。 将控制器的积分作用和微分作用全部除去， 即， 在纯比例作用下，比例 度由大往小（Kc由小到大）逐渐变化，每 变化一次比例度，观察一次记录曲线，直至 出现临界状况下的等幅振荡，记录下此时的 临界振荡周期Pu和临界比例增益Kcmax。,5.4.2 临界比例度法（步骤）,按表5.3-2所列的经验算式，求取控制器的最佳参数值。 P66 临界比例法整定参数,5.4.2 临界比例度法（经验算式）,3）几条规律 P66 纯比例环节时，Kc 0.5 Kcmax PI控制器的Kc值比纯P控制时小10 PID控制器值Kc值可以提高 Ti约是Td的四倍,5.4.2 临界比例度法（规律）,4）几点提示 此法使用有一定限制 a.受控变量允许承受等幅振荡的波动 b.对象为高阶或具有纯滞后 获取等幅振荡曲线时，不应使受控阀出 现开、关极端状态 对于大滞后系统， Ti和TD值应取小些,5.4.2 临界比例度法（提示）,与临界比例度法相同，区别在于： P66 衰减振荡法以在纯比例下获取4：1振荡曲线为参数整定的依据。 实验标准： 获取4：1振荡 对PID控制： （设P为振荡周期）,5.4.3 衰减振荡法（概念）,根据广义对象的时间特性来整定参数 P66 整定步骤： 1）将控制器处于“手操”位置，操作“手操 拨盘”使控制器输出有一个阶跃变化； 2）用记录仪记录被控变量的变化曲线z(t)； 3）在曲线上找拐点A，作切线，找两交点 B、C（求 、Tp ）； 参P66 图5.3-4,5.4.4 响应曲线法（步骤）,整定步骤： P66 图5.3-4 3）求取对象特性； P66 式5.3-1 4）按表5.3-3的算式，求参数值Kp、Ti、Td,5.4.4 响应曲线法（步骤）,表5.3-3 响应曲线法整定参数 P67,5.4.4 响应曲线法（参数整定）,在负荷扰动下，采用多种性能指标综合出来的具体算法。 表5.3-4 用修正算法整定参数 P67,5.4.4 响应曲线法（修正算法）,整定中应注意的问题： 注意工艺条件 注意现场与实验室的整定差别 注意衰减比的选择 注意控制器参数间的匹配,5.4.4 响应曲线法（注意事项）,整定中应注意的问题： 注意新型控制仪表的特点和应用 1）新型仪表大多微机化，PID参数各自整定，互不干扰； 2）有些新型仪表本身带有PID参数自整定软 件包，使用方便。 为了提高企业的自动化水平和能力，发挥更大的经济效益，应尽可能使用新型仪表。,5.4 控制器参数整定,5.5.1 系统投运前的准备 三熟悉 五检查 5.5.2 控制系统的投运 P67 带有偏差表的控制器投运方法 不带偏差表头的控制器投运方法,5.5 控制系统的投运,本节的主要内容:,一个控制系统安装完毕或停车检修之后，如何投运仍是一项十分重要的工作。为了保证系统顺利投运，达到预期的效果，必须科学地、一丝不苟地做好各项工作。,5.5.1 系统投运前的准备,系统投运前的准备 1）三熟悉： 熟悉工艺过程机理 熟悉控制系统特点与设计意图 熟悉紧急情况下的故障处理 2）电、气线路检查： 检查线路有无错接、断通情况 气路：有无漏、堵现象 电路：有无短路、断路、漏电,5.5.1 系统投运前的准备,3）一次表与变送器的检查 一次表、变送器现场模拟信号检验， 确保精度、灵敏度，量程达到预定的要求。 4）控制器的检查 正、反作用方式是否设定正确 对控制功能的现场检查 手动 / 自动切换开关 P、I、D刻度 自动跟踪、 极限信号的报警,5.5.1 系统投运前的准备,5）控制阀的检查 气开、气关形式核实，阀杆运动是否 灵活，控制阀的输出信号是否线性， 能否在全行程工作。 6）综合检查 有关部件灵敏度、可靠性检查，安保 系统要重点测试。最后联调，一次表 与二次表的信号对应，二次表与执行 器的信号对应。,5.5.1 系统投运前的准备,通过适当的方式使控制器从手动工作状态平稳地转动到自动工作状态，即实现无扰动切换。 无扰动切换：（包含两层含义） 无扰动切换是保证生产平稳运行所必须的，也是控制器投运工作必须具备的条件。 当控制器从手动转入自动工作状态时， 保证尽可能小的扰动进入系统 当控制器从自动转入手动工作状态时， 也必须保证尽可能小的扰动进入系统,5.5.2 控制系统的投运,不同类型的控制器，由于结构、特点不同，实现无扰动切换的方法也不同。 1）带有偏差表的控制器投运方法 2）不带偏差表头的控制器,5.5.2 控制系统的投运,1）带有偏差表的控制器投运方法 一般电动控制器都带有偏差指示表头。以DDZ-型表为例构成的简单控制系统的投运步骤如下。 (1) 控制器给定开关置内给定，正、反作用方式置正确位置。按经验法先设置一组PID参数，控制器切换开关置手动位置；,5