过程控制系统008

1、过程控制过程控制系统系统 第八讲第八讲 4.1 控制系统的组成控制系统的组成 4.2 简单控制系统的设简单控制系统的设 计计 4.3 简单控制系统的参数整定简单控制系统的参数整定 4.4 控制系统的投运控制系统的投运 4.5 简单控制系统设计案例简单控制系统设计案例 4.3 4.3 简单控制系统的参数整定简单控制系统的参数整定 4.3.1 控制器的参数整定若干原则 所谓参数整定，就是对于一个已经设计并安 装就绪的控制系统，选择合适的控制器参数 （ ， ， ），来改善系统的 静态和动态特性，使系统的过渡过程达到最 为满意的质量指标要求。 )( c K i Td T 过程控制过程控制系统系统 第八

2、讲第八讲 4.3 4.3 简单控制系统的参数整定简单控制系统的参数整定 过程控制过程控制系统系统 第八讲第八讲 简单控制系统是由简单控制系统是由对象对象和和调节器调节器构成的，构成的， 其控制质量的决定性因素是被控对象的其控制质量的决定性因素是被控对象的 ，与此相比其它都是次要的。，与此相比其它都是次要的。 当系统安装好以后，系统能否在最佳状态当系统安装好以后，系统能否在最佳状态 下工作，主要取决于调节器各参数的设置下工作，主要取决于调节器各参数的设置 是否得当。是否得当。 过程控制过程控制系统系统 第八讲第八讲 注意：注意：控制系统的整定是一个很重要的工作，控制系统的整定是一个很重要的工作，

3、 但它只能在一定范围内起作用，决不能误认为但它只能在一定范围内起作用，决不能误认为 调节器参数的整定是调节器参数的整定是“万能万能”的。的。 比如：比如：如果设计方案不合理、仪表选择不当、如果设计方案不合理、仪表选择不当、 安装质量不高、被控对象特性不好安装质量不高、被控对象特性不好，要想，要想 通过调节器参数的整定来满足工艺生产要求也通过调节器参数的整定来满足工艺生产要求也 是不可能的。是不可能的。 所以：所以：只有在系统设计合理、仪表选择得当和只有在系统设计合理、仪表选择得当和 安装正确条件下，调节器参数整定才有意义。安装正确条件下，调节器参数整定才有意义。 4.3.2 4.3.2 控制器

4、参数的工程整定法控制器参数的工程整定法 对于工程整定法，工程技术人员无需确对于工程整定法，工程技术人员无需确 切知道对象的数学模型，无需具备理论切知道对象的数学模型，无需具备理论 计算所必需的控制理论知识，就可以在计算所必需的控制理论知识，就可以在 控制系统中直接进行整定，因而简单、控制系统中直接进行整定，因而简单、 实用，在实际工程中被广泛使用。实用，在实际工程中被广泛使用。 过程控制过程控制系统系统 第八讲第八讲 4.3 4.3 简单控制系统的参数整定简单控制系统的参数整定 在工程实际中，常采用工程整定法，它们在工程实际中，常采用工程整定法，它们 是在理论基础上通过实践总结出来的。是在理论

5、基础上通过实践总结出来的。 4.3.2 4.3.2 控制器参数的工程整定法控制器参数的工程整定法 工程实际法通过并不复杂的实验，便能迅速获得工程实际法通过并不复杂的实验，便能迅速获得 调节器的近似最佳整定参数，因而在工程中得到调节器的近似最佳整定参数，因而在工程中得到 广泛应用。广泛应用。 几种常用的工程整定法：几种常用的工程整定法： 经验整定法经验整定法 临界比例度法临界比例度法 衰减曲线法衰减曲线法 反应曲线法反应曲线法 过程控制过程控制系统系统 第八讲第八讲 4.3 4.3 简单控制系统的参数整定简单控制系统的参数整定 经验整定法经验整定法 根据运行经验，先确定一组控制器参数（ 如表4-

6、3中所示），并将系统投入运行，通 过观察人为加入干扰（改变设定值）后的 过渡过程曲线，根据各种控制作用对过渡 过程的不同影响来改变相应的控制参数值 ，进行反复凑试，直到获得满意的控制质 量为止。 过程控制过程控制系统系统 第八讲第八讲 4.3 4.3 简单控制系统的参数整定简单控制系统的参数整定 经验整定法（经验整定法（1） 先用单纯的比例（先用单纯的比例（P P）作用，即寻找合适的比例度，）作用，即寻找合适的比例度， 将人为加入干扰后的过渡过程调整为的衰减振荡过程将人为加入干扰后的过渡过程调整为的衰减振荡过程 。 然后再加入积分（然后再加入积分（I I）作用，一般先取积分时间为衰）作用，一般

7、先取积分时间为衰 减振荡周期的一半左右。由于积分作用将使振荡加剧减振荡周期的一半左右。由于积分作用将使振荡加剧 ，在加入积分作用之前，要先减弱比例作用，通常把，在加入积分作用之前，要先减弱比例作用，通常把 比例度增大。调整积分时间的大小，直到出现的衰减比例度增大。调整积分时间的大小，直到出现的衰减 振荡。振荡。 需要时，最后加入微分（需要时，最后加入微分（D D）作用，即从零开始，逐）作用，即从零开始，逐 渐加大微分时间。由于微分作用能抑制振荡，在加入渐加大微分时间。由于微分作用能抑制振荡，在加入 微分作用之前，可把比例度调整到比纯比例作用时更微分作用之前，可把比例度调整到比纯比例作用时更 小

8、些，还可把积分时间也缩短一些。通过微分时间的小些，还可把积分时间也缩短一些。通过微分时间的 凑试，使过渡时间最短，超调量最小。凑试，使过渡时间最短，超调量最小。 过程控制过程控制系统系统 第八讲第八讲 经验整定法（经验整定法（2） 先根据表先根据表4-34-3选取积分时间和微分时间，通选取积分时间和微分时间，通 常取，然后对比例度进行反复凑试，直至常取，然后对比例度进行反复凑试，直至 得到满意的结果。如果开始时和设置得不得到满意的结果。如果开始时和设置得不 合适，则有可能得不到要求的理想曲线。合适，则有可能得不到要求的理想曲线。 这时应适当调整和，再重新凑试，使曲线这时应适当调整和，再重新凑试

9、，使曲线 最终符合控制要求。最终符合控制要求。 经验整定法适用于各种控制系统，特别适经验整定法适用于各种控制系统，特别适 用对象干扰频繁、过渡过程曲线不规则的用对象干扰频繁、过渡过程曲线不规则的 控制系统。但是，使用此法主要靠经验，控制系统。但是，使用此法主要靠经验， 对于缺乏经验的操作人员来说，整定所花对于缺乏经验的操作人员来说，整定所花 费的时间较多。费的时间较多。 过程控制过程控制系统系统 第八讲第八讲 临界比例度法临界比例度法 所谓临界比例度法，是所谓临界比例度法，是 在系统闭环的情况下，在系统闭环的情况下， 用纯比例控制的方法获用纯比例控制的方法获 得临界振荡数据，即临得临界振荡数据

10、，即临 界比例度和临界振荡周界比例度和临界振荡周 期，然后利用一些经验期，然后利用一些经验 公式，求取满足衰减振公式，求取满足衰减振 荡过渡过程的控制器参荡过渡过程的控制器参 数。其整定计算公式如数。其整定计算公式如 表表4-44-4所示。所示。 过程控制过程控制系统系统 第八讲第八讲 过程控制过程控制系统系统 第八讲第八讲 这是一种闭环的整定方法。这是一种闭环的整定方法。 l它基于纯比例控制系统临界振荡试验它基于纯比例控制系统临界振荡试验 所得数据，即临界比例带所得数据，即临界比例带cr cr和临界振 和临界振 荡周期荡周期T Tcr cr，利用一些经验公式，求取调 ，利用一些经验公式，求取

11、调 节器最佳参数值。节器最佳参数值。 临界比例度法临界比例度法 临界比例度法整定步骤临界比例度法整定步骤 将控制器的积分时间放在最将控制器的积分时间放在最 大值（大值（ ），微分时间），微分时间 放在最小值（放在最小值（ ），比例），比例 度度 放在较大值后，让系统放在较大值后，让系统 投入运行。投入运行。 逐渐减小比例度，且每改变逐渐减小比例度，且每改变 一次一次 ，都通过改变设定值给系，都通过改变设定值给系 统施加一个阶跃干扰，同时观察统施加一个阶跃干扰，同时观察 系统的输出，直到过渡过程出现系统的输出，直到过渡过程出现 等幅振荡为止，如图等幅振荡为止，如图4-94-9所示。所示。 此时的

12、过渡过程称为临界振荡过此时的过渡过程称为临界振荡过 程。程。 i T 0 d T 过程控制过程控制系统系统 第八讲第八讲 临界比例度法整定步骤临界比例度法整定步骤 按表按表4-44-4中的相应公式，求中的相应公式，求 出控制器的各整定参数。出控制器的各整定参数。 将控制器的比例度换成整将控制器的比例度换成整 定后的值，然后依次放上积分定后的值，然后依次放上积分 时间和微分时间的整定值。如时间和微分时间的整定值。如 果加入干扰后，过渡过程与衰果加入干扰后，过渡过程与衰 减还有一定差距，可适当调整减还有一定差距，可适当调整 值，直到过渡过程满足要求。值，直到过渡过程满足要求。 过程控制过程控制系统

13、系统 第八讲第八讲 表4-4 临界比例度法控制器参数计算表（衰减比） 控制规律 （%） TI （min） TD （min） P2k PI2.2k0.85 Tk PID1.7k0.5 Tk0.125 Tk 过程控制过程控制系统系统 第八讲第八讲 临界比例度法临界比例度法 临界比例度法应用时简单方便，但必须临界比例度法应用时简单方便，但必须注意注意的是：的是： 此方法在整定过程中必定出现等幅振荡，从而限制此方法在整定过程中必定出现等幅振荡，从而限制 了此法的使用场合。对于工艺上不允许出现等幅振荡的了此法的使用场合。对于工艺上不允许出现等幅振荡的 系统，如锅炉水位控制系统就无法使用该方法；对于某系统

14、，如锅炉水位控制系统就无法使用该方法；对于某 些时间常数较大的单容量对象，如液位对象或压力对象些时间常数较大的单容量对象，如液位对象或压力对象 ，在纯比例作用下是不会出现等幅振荡的，因此不能获，在纯比例作用下是不会出现等幅振荡的，因此不能获 得临界振荡的数据，从而也无法使用该方法。得临界振荡的数据，从而也无法使用该方法。 使用该方法时，控制系统必需工作在线性区，否则使用该方法时，控制系统必需工作在线性区，否则 得到的持续振荡曲线可能是极限环，不能依据此时的数得到的持续振荡曲线可能是极限环，不能依据此时的数 据来计算整定参数。据来计算整定参数。 过程控制过程控制系统系统 第八讲第八讲 过程控制过

15、程控制系统系统 第八讲第八讲 应当指出：应当指出：由于被控对象特性的不同，按上由于被控对象特性的不同，按上 述经验公式求得的调节器参数不一定都能获述经验公式求得的调节器参数不一定都能获 得满意的结果。得满意的结果。 实践证明：实践证明：对于无自平衡特性的对象，用对于无自平衡特性的对象，用 稳定边界法求得的调节器参数往往使系统稳定边界法求得的调节器参数往往使系统 响应的衰减率偏大响应的衰减率偏大( (0.75);0.75); 过程控制过程控制系统系统 第八讲第八讲 实践证明：实践证明：对于有自平衡特性的高阶等对于有自平衡特性的高阶等 容对象，用稳定边界法求得的调节器参容对象，用稳定边界法求得的调

16、节器参 数往往使系统响应的衰减率大多偏小数往往使系统响应的衰减率大多偏小 ( (0.75);0.75); 所以：所以：上述求得的调节器参数，需要针对上述求得的调节器参数，需要针对 具体系统在实际运行过程中作在线校正。具体系统在实际运行过程中作在线校正。 过程控制过程控制系统系统 第八讲第八讲 稳定边界法的适用范围：稳定边界法的适用范围： l适用于许多过程控制系统；适用于许多过程控制系统； l对于锅炉水位控制那样的不允许进行稳对于锅炉水位控制那样的不允许进行稳 定边界试验的系统，或者某些时间常数较定边界试验的系统，或者某些时间常数较 大的单容对象，采用纯比例控制时系统本大的单容对象，采用纯比例控

17、制时系统本 质稳定。对于这些系统是无法用稳定边界质稳定。对于这些系统是无法用稳定边界 法进行参数整定的。法进行参数整定的。 过程控制过程控制系统系统 第八讲第八讲 衰减曲线法衰减曲线法 l与稳定边界法类似，不同的只是本法采用与稳定边界法类似，不同的只是本法采用 某衰减比某衰减比( (通常为通常为4 4：1 1或或1010：1 1）时设定值）时设定值 扰动的衰减振荡试验数据，然后利用一些扰动的衰减振荡试验数据，然后利用一些 经验公式，求取调节器相应的整定参数。经验公式，求取调节器相应的整定参数。 衰减曲线法衰减曲线法 在闭环系统中，先将积分时间在闭环系统中，先将积分时间 置于最大值，微分时间置于

18、最置于最大值，微分时间置于最 小值，比例时间置于较大值，小值，比例时间置于较大值， 然后让设定值的变化作为干扰然后让设定值的变化作为干扰 输入，逐渐减小比例度值，观输入，逐渐减小比例度值，观 察系统的输出响应曲线。按照察系统的输出响应曲线。按照 过渡过程的衰减情况改变比例过渡过程的衰减情况改变比例 度值，直到系统出现的衰减振度值，直到系统出现的衰减振 荡，如图荡，如图4-104-10所示。记下此时所示。记下此时 的比例度和衰减振荡周期，然的比例度和衰减振荡周期，然 后根据表后根据表4-54-5中相应的经验公式中相应的经验公式 ，求出控制器的整定参数。，求出控制器的整定参数。 过程控制过程控制系

19、统系统 第八讲第八讲 衰减曲线法衰减曲线法 衰减曲线法对大多数系统衰减曲线法对大多数系统 均可适用，且由于试验过渡均可适用，且由于试验过渡 过程振荡的时间较短，又都过程振荡的时间较短，又都 是衰减振荡，易为工艺人员是衰减振荡，易为工艺人员 所接受。故这种整定方法应所接受。故这种整定方法应 用较为广泛。用较为广泛。 过程控制过程控制系统系统 第八讲第八讲 表4-5 衰减曲线法控制器参数计算表（衰减比） 应采用的 控制规律 （%） TI （min） TD （min） Ps PI1.2s0.5 Ts PID0.8s0.3 Ts0.1 Ts 过程控制过程控制系统系统 第八讲第八讲 衰减曲线法衰减曲线法

20、 过程控制过程控制系统系统 第八讲第八讲 注意：注意：对于扰动频繁，过程进行较快的控对于扰动频繁，过程进行较快的控 制系统，要准确地确定系统响应的衰减程制系统，要准确地确定系统响应的衰减程 度比较困难，往往只能根据调节器输出摆度比较困难，往往只能根据调节器输出摆 动次数加以判断。动次数加以判断。 事实上事实上，对于对于4 4：1 1衰减过程，调节器输出衰减过程，调节器输出 应来回摆动两次后稳定。摆动一次所需时应来回摆动两次后稳定。摆动一次所需时 间即为间即为T Ts s。 结论：结论：这样测得的这样测得的T Ts s和和s s值，会给调节器参值，会给调节器参 数整定带来误差。数整定带来误差。

21、过程控制过程控制系统系统 第八讲第八讲 衰减曲线法也可以根据实际需要，在衰减比衰减曲线法也可以根据实际需要，在衰减比 为为n=10n=10：1 1的情况下进行：的情况下进行： 注意：注意：此时要以下图的此时要以下图的 上升时间上升时间T Tr r为准，按表为准，按表 给出的公式计算。给出的公式计算。 过程控制过程控制系统系统 第八讲第八讲 结论：结论：以上的几种系统参数工程整定法有各自以上的几种系统参数工程整定法有各自 的优缺点和适用范围，要善于针对具体系统的的优缺点和适用范围，要善于针对具体系统的 特点和生产要求，选择适当的整定方法。特点和生产要求，选择适当的整定方法。 注意：注意：不管用哪

22、种方法，所得调节器整定参数不管用哪种方法，所得调节器整定参数 都需要通过现场试验，反复调整，直到取得满都需要通过现场试验，反复调整，直到取得满 意的效果为止。意的效果为止。 过程控制过程控制系统系统 第八讲第八讲 反应曲线法反应曲线法 过程控制过程控制系统系统 第八讲第八讲 l这是一种以被控对象控制通道的阶跃这是一种以被控对象控制通道的阶跃 响应为依据，通过一些经验公式求取调响应为依据，通过一些经验公式求取调 节器最佳参数整定值的开环整定方法。节器最佳参数整定值的开环整定方法。 l这种方法是由齐格勒（这种方法是由齐格勒（ZieglerZiegler）和）和 尼克尔斯（尼克尔斯（NicholsN

23、ichols）于）于19421942年首先提年首先提 出的。出的。 反应曲线法反应曲线法 过程控制过程控制系统系统 第八讲第八讲 l用下列公式计算调节器参数整定值的前用下列公式计算调节器参数整定值的前 提是：广义对象的阶跃响应曲线可用一阶提是：广义对象的阶跃响应曲线可用一阶 惯性环节加纯迟延来近似，即惯性环节加纯迟延来近似，即 ， 否则由公式计算得的整定参数只能做初步否则由公式计算得的整定参数只能做初步 估计值。估计值。 1Ts Ke (s) s- G 反应曲线法反应曲线法 过程控制过程控制系统系统 第八讲第八讲 计算调节器整定参数的公式如下表：计算调节器整定参数的公式如下表： TITD P

24、PI1.13.3 PID0.85 2.00.5 l后来经过不少改进，总结出相应后来经过不少改进，总结出相应 的计算调节器最佳参数整定公式。的计算调节器最佳参数整定公式。 反应曲线法反应曲线法 过程控制过程控制系统系统 第八讲第八讲 这些公式均以衰减率（这些公式均以衰减率（=0.75=0.75）为系统的性能指标，其）为系统的性能指标，其 中广为流行的是科恩中广为流行的是科恩(Cohen)-(Cohen)-库恩库恩(Coon)(Coon)整定公式：整定公式： 其中：其中：K K、T T、为为 对象动态特性参数对象动态特性参数 333.0)( 1 T KK c (1)(1)比例调节器比例调节器 )(

25、2.21 )(3.0)(33.3 082.0)(9.0 2 1 T TT T T T KK I c (2)(2)比例积分调节器比例积分调节器 反应曲线法反应曲线法 过程控制过程控制系统系统 第八讲第八讲 (3)(3)比例积分微分调节器比例积分微分调节器 )(2.01 )(37.0 )(6.01 )(5.0)(5.2 27.0)(35.1 2 1 T T T T T TT T T T KK D I c 其中：其中：K K、T T、为对象为对象 动态特性参数动态特性参数 反应曲线法反应曲线法 过程控制过程控制系统系统 第八讲第八讲 随着仿真技术的发展，又提出了以各种误差积分值为随着仿真技术的发展，

26、又提出了以各种误差积分值为 系统性能指标的调节器最佳参数整定公式，如下表所系统性能指标的调节器最佳参数整定公式，如下表所 示：示： F D B )(E )(C )(A )( 1 1 )( TT T TT T T KK tesT sT Ktu D I c D I C 整定公式： 调节器动作规律： 第八讲第八讲 定值系统时公式中的常数按下表计算：定值系统时公式中的常数按下表计算： 性能指标性能指标调节规律调节规律ABCDEF Z-N P 1.000 1.000 IAE0.902 0.985 ISE1.411 0.917 ITAE0.904 1.084 Z-N PI 0.900 1.000 3.33

27、31.000 IAE0.984 0.986 1.6440.707 ISE1.305 0.959 2.0330.739 ITAE0.859 0.977 1.4840.680 Z-N PID 1.200 1.000 2.0001.0000.5001.000 IAE1.435 0.921 1.1390.7490.4821.137 ISE1.495 0.945 0.9170.7710.5601.006 ITAE1.357 0.947 1.1760.7380.3810.995 过程控制过程控制系统系统 第八讲第八讲 4.4 4.4 控制系统的投运控制系统的投运 4.4.1.投运前的准备工作 熟悉工艺生产

28、过程 熟悉控制系统的控制方案 熟悉各种控制装置 综合检查 现场校验 过程控制过程控制系统系统 第八讲第八讲 4.4.2 4.4.2 投运过程投运过程 根据经验或估算，根据经验或估算， 设置控制器参数；设置控制器参数； 确认控制阀的气开、确认控制阀的气开、 气关作用后确认控制器气关作用后确认控制器 的正、反作用；的正、反作用； 现场的人工操作；现场的人工操作； 手动遥控；手动遥控； 投入自动投入自动 。 过程控制过程控制系统系统 第八讲第八讲 4.5 4.5 简单控制系统设计案例简单控制系统设计案例 以喷雾式干燥设备控制系统设计作为案例以喷雾式干燥设备控制系统设计作为案例 介绍。介绍。 工艺要求

29、将浓缩的乳液用热空气干燥成奶工艺要求将浓缩的乳液用热空气干燥成奶 粉。乳液从高位槽流下，经过滤器进入干粉。乳液从高位槽流下，经过滤器进入干 燥器从喷嘴喷出。空气由鼓风机送到热交燥器从喷嘴喷出。空气由鼓风机送到热交 换器，通过蒸汽加热。热空气与鼓风机直换器，通过蒸汽加热。热空气与鼓风机直 接送来的空气混合以后，经风管进入干燥接送来的空气混合以后，经风管进入干燥 器，乳液中的水分被蒸发，成为奶粉，并器，乳液中的水分被蒸发，成为奶粉，并 随湿空气一起送出。干燥后的奶粉含水量随湿空气一起送出。干燥后的奶粉含水量 不能波动太大，否则将影响奶粉质量。不能波动太大，否则将影响奶粉质量。 过程控制过程控制系统

30、系统 第八讲第八讲 过程控制过程控制系统系统 第八讲第八讲 确定被控变量确定被控变量 从工艺概况可知需要控制奶粉含水量从工艺概况可知需要控制奶粉含水量 。由于测水分的仪表精度不太高，因此不。由于测水分的仪表精度不太高，因此不 能直接选奶粉含水量作为被控变量。实际能直接选奶粉含水量作为被控变量。实际 上，奶粉含水量与干燥温度密切相关，只上，奶粉含水量与干燥温度密切相关，只 要控制住干燥温度就能控制住奶粉含水量要控制住干燥温度就能控制住奶粉含水量 。所以选干燥温度作为被控变量。所以选干燥温度作为被控变量。 过程控制过程控制系统系统 第八讲第八讲 确定操纵变量确定操纵变量 影响干燥器温度的因素有乳液流量、旁路空气流量和加影响干燥器温度的因素有乳液流量、旁路空气流量和加 热蒸汽量。粗略一看，选其中任一变量作为操纵变量，热蒸汽量。粗略一看，选其中任一变量作为操纵变量， 都能构成温度控制系统。都能构成温度控制系统。 方案一：如果乳液流量作为操纵变量，则滞后最小，方案一：如果乳液流量作为操纵变量，则滞后最小， 对干燥温度控制作用明显。但是乳液流量是生产负荷对干燥温度控制作用明显。但是乳液流量是生