第5讲 常规控制策略

1、过过 程程 控控 制制 系系 统统主讲人：钱艳平主讲人：钱艳平2010.092n控制器是硬件和软件的结合体，从硬件上来说，过程控制器是硬件和软件的结合体，从硬件上来说，过程控制中最常用控制器有：控制中最常用控制器有：u可编程控制器（可编程控制器（PLC）u数字调节器（数字调节器（Digital Regulator)u工控机（工控机（IPC）u集散控制系统（集散控制系统（DCS）n从软件上体现的是各种过程控制策略。从软件上体现的是各种过程控制策略。3过程控制策略过程控制策略n开关（开关（ON/OFF）控制）控制nPID控制控制uPID控制算法、数字控制算法、数字PID算法算法uPID改进算法改进

2、算法n复杂过程控制复杂过程控制u串级控制、前馈控制、解耦控制等串级控制、前馈控制、解耦控制等n先进过程控制（先进过程控制（APC）u预测控制、智能控制等预测控制、智能控制等4第五讲第五讲 常规控制策略常规控制策略n5.1 开关控制开关控制n5.2 PID控制算法控制算法uP、I、D调节原理调节原理uPID调节规律调节规律n5.3 数字式数字式PID算法算法n5.4 PID算法整定算法整定n5.5 PID改进算法改进算法n5.6 简单过程控制系统设计简单过程控制系统设计55.1 开关控制（开关控制（ON/OFF）n指通过执行器（如电磁指通过执行器（如电磁阀）的全开或全关实现阀）的全开或全关实现过

3、程控制。适用于对被过程控制。适用于对被控量没有严格要求的场控量没有严格要求的场合，如要求被控量在一合，如要求被控量在一定范围内即可。定范围内即可。n如采用电磁阀控制液位如采用电磁阀控制液位系统，防止溢出或抽空。系统，防止溢出或抽空。65.1 开关控制开关控制n虽然过程控制系统主要控制一些连续变化的参虽然过程控制系统主要控制一些连续变化的参量（温度、压力、流量、液位等），但量（温度、压力、流量、液位等），但在实施在实施控制时，涉及更多的变量往往是开关量，诸如控制时，涉及更多的变量往往是开关量，诸如启停、联锁、切换启停、联锁、切换等等。等等。n实践表明，过程控制中连续变量与开关量的点实践表明，过程

4、控制中连续变量与开关量的点数比约在数比约在1: :10以上。以上。nPLC在进行开关量输入在进行开关量输入/输出控制时具有明显输出控制时具有明显优势。优势。75.1 开关控制开关控制n（一）（一）PLC的特点的特点uPLCPLC最基本功能是最基本功能是DI/ODI/O控制，控制，中高档中高档PLCPLC普遍带有普遍带有AI/OAI/O功能。功能。当今当今PLC已成为一个集逻辑控已成为一个集逻辑控制、调节控制、网络通讯和制、调节控制、网络通讯和图形监视于一体的综合自动图形监视于一体的综合自动化系统。化系统。uPLC在过程控制中约占控制器在过程控制中约占控制器总量的总量的80%以上，其广泛应以上，

5、其广泛应用的最根本原因在于它的可用的最根本原因在于它的可靠性和编程方式。靠性和编程方式。8（一）（一）PLC的特点的特点n1、PLC的可靠性的可靠性uPLC的最大特点即是其高的最大特点即是其高可靠性，基本免维护。可靠性，基本免维护。u适合于工业极其恶劣的生适合于工业极其恶劣的生产场合，如振动、噪声、产场合，如振动、噪声、粉尘、强电磁干扰等场合。粉尘、强电磁干扰等场合。uPLC输入输入/输出一般都采输出一般都采用光电隔离及滤波整形电用光电隔离及滤波整形电路；内配开关电源，允许路；内配开关电源，允许电源波动范围宽；电源波动范围宽；CPU冗冗余设计等。余设计等。92、PLC的编程方式的编程方式nPL

6、C最基本的编程方式为梯形图（最基本的编程方式为梯形图（LAD）编程。）编程。使用最广，适用于电气自动化人员。使用最广，适用于电气自动化人员。n中高档中高档PLC一般还提供：一般还提供：u状态列表（状态列表（STL）编程，适用于软件专业人员；）编程，适用于软件专业人员；u功能块流程（功能块流程（FBD）编程，适用于电子专业人员。）编程，适用于电子专业人员。n中高档中高档PLC一般采用子程序调用结构，适用于一般采用子程序调用结构，适用于大型复杂编程。大型复杂编程。10n一个实际的一个实际的PLC程序结构程序结构u西门子（西门子（SIEMENS）S7-300系列系列PLC程序程序结构；结构；uOB1

7、为主程序，多级程为主程序，多级程序调用。如序调用。如OB1- FC9- FC15 -SFC58(SFC59)11n一个实际的一个实际的PLC通讯结构通讯结构u两台两台PLC各带多个远程各带多个远程I/O；uPLC通过各自通讯模块通过各自通讯模块与上位机（操作站）通与上位机（操作站）通讯；讯；u两台两台PLC之间通过总线之间通过总线通讯。通讯。12（二）国际著名（二）国际著名PLC供应商供应商nPLC产品以国外产品为主，主要面向中高档产品以国外产品为主，主要面向中高档PLC的供的供应商有：应商有：uSIEMENS；uGE；uABB；uAB；uMODICON；uCITECT。n主要面向中低档主要面

8、向中低档PLC的供应商有：的供应商有：uOMRON；uMITSUBISHI；uFUJI。n国内市场占有率以国内市场占有率以SIEMENS最高，最高，S7-200、S7-300、S7-400、LOGO!等。等。135.2 PID控制算法控制算法nPIDPIDuP比例（比例（proportional）uI 积分（积分（integral）uD微分微分（derivative）n历史最久、生命力最强的控制算法历史最久、生命力最强的控制算法145.2.1 PID概述概述n（一）反馈控制（一）反馈控制控制器控制器执行器执行器被控对象被控对象测量测量/变送器变送器-+目标目标误差误差输出输出广义对象广义对象P

9、ID15（二）（二）PID控制系统结构控制系统结构00)()(1)()(udttdeTdtteTteKtutdic 16（三）（三）PID的特点的特点nPID控制的优点控制的优点u原理简单，使用方便；原理简单，使用方便；u适应性强；适应性强；u鲁棒性强；鲁棒性强；控制品质对被控对象特性的变化不大敏感。控制品质对被控对象特性的变化不大敏感。u对模型依赖少。对模型依赖少。nPIDPID是过程控制中应用最广泛的控制规律是过程控制中应用最广泛的控制规律，占，占控制规律总数的控制规律总数的95%95%以上。对相当多的工业对以上。对相当多的工业对象（一阶、二阶）均获得了满意的控制结果。象（一阶、二阶）均获

10、得了满意的控制结果。175.2.2 PID调节原理调节原理n（一）比例调节原理（一）比例调节原理u1、基本原理、基本原理控制器的控制器的输出信号输出信号u与偏差信号与偏差信号e成比例成比例， 即：即： 式中式中 称为比例增益，称为比例增益， 为比例带。为比例带。00)(1)()(uteuteKtuc cK 18（一）比例调节原理（一）比例调节原理n2、比例带、比例带u为表示控制器输入和输出之间的比例关系，在过程为表示控制器输入和输出之间的比例关系，在过程控制中习惯用比例带控制中习惯用比例带来代替比例增益：来代替比例增益：式中式中 emax emin 偏差信号范围，即仪表量程；偏差信号范围，即仪

11、表量程； umax umin 控制器输出信号范围，即控制器控制器输出信号范围，即控制器输出的工作范围。输出的工作范围。%1001%100)/()/(minmaxminmaxminmaxminmax eeuuKuuueeeC 19（一）比例调节原理（一）比例调节原理n2、比例带、比例带u的物理意义的物理意义（1）如果）如果u代表调节阀开度的变化量，代表调节阀开度的变化量，就代表使调就代表使调节阀开度改变节阀开度改变100%，即从全关到全开时所需要的，即从全关到全开时所需要的被调量的变化范围。被调量的变化范围。（2）当被调量处在）当被调量处在”比例带比例带”以内，调节阀的开度以内，调节阀的开度(变

12、化变化)才与偏差成比例。才与偏差成比例。（3）超出这个）超出这个“比例带比例带”以外，调节阀已处于全关以外，调节阀已处于全关或全开的状态，控制器的输入与输出已不再保持比或全开的状态，控制器的输入与输出已不再保持比例关系。例关系。20（一）比例调节原理（一）比例调节原理n3、比例调节的阶跃响应、比例调节的阶跃响应uP调节对偏差信号能做出及调节对偏差信号能做出及时反应，没有丝毫的滞后。时反应，没有丝毫的滞后。u输出输出u实际上是对其起始值实际上是对其起始值（平衡点）的增量。（平衡点）的增量。uu0的大小是可以通过调整控的大小是可以通过调整控制器的工作点加以改变的。制器的工作点加以改变的。u021（

13、一）比例调节原理（一）比例调节原理n4、比例调节的特点、比例调节的特点u（1）比例调节的输出量与输入量呈一一对应的比）比例调节的输出量与输入量呈一一对应的比例关系。例关系。u（2）比例调节反应速度快，输出与输入同步，没）比例调节反应速度快，输出与输入同步，没有时间滞后，其动态特性好。有时间滞后，其动态特性好。u（3）比例调节是）比例调节是有差调节有差调节。22（一）比例调节原理（一）比例调节原理n5、比例带对调节过程的影响、比例带对调节过程的影响23（一）比例调节原理（一）比例调节原理n6、仿真示例、仿真示例pK(s+1)(2s+1)K KG1( )1+ peK K 24（二）积分调节原理（二

14、）积分调节原理n1、基本原理、基本原理u控制器输出信号的变化速度控制器输出信号的变化速度du/dt与偏差信号与偏差信号e成正成正比，或者说控制器的输出与偏差信号的积分成正比，比，或者说控制器的输出与偏差信号的积分成正比，即：即： 或：或：eSdtdu0tedtSu0025（二）积分调节原理（二）积分调节原理n2、积分调节的阶跃响应、积分调节的阶跃响应u控制器输出不仅与偏差信号的控制器输出不仅与偏差信号的大小有关，还与偏差存在的时大小有关，还与偏差存在的时间长短有关。间长短有关。u只要偏差存在，控制器输出就只要偏差存在，控制器输出就会不断变化，直到偏差为零控会不断变化，直到偏差为零控制器输出才稳

15、定下来不再变化。制器输出才稳定下来不再变化。u所以所以积分调节作用能自动消除积分调节作用能自动消除余差余差。u注意：注意：I调节的输出不像调节的输出不像P调节调节那样随偏差为零而变到零。那样随偏差为零而变到零。 tedtSu0026（二）积分调节原理（二）积分调节原理n3、积分速度对调节过、积分速度对调节过程的影响程的影响u采用采用I调节时，控制系调节时，控制系统的开环增益与积分速统的开环增益与积分速度度So成正比。成正比。u增大积分速度将会降低增大积分速度将会降低控制系统的稳定程度。控制系统的稳定程度。27（二）积分调节原理（二）积分调节原理n4、积分调节的特点、积分调节的特点u积分调节是积

16、分调节是无差无差调节调节u积分调节的稳定性比比例调节差积分调节的稳定性比比例调节差u调节过程的进行总比采用调节过程的进行总比采用 P调节时缓慢调节时缓慢28（二）积分调节原理（二）积分调节原理n5、仿真示例、仿真示例KI1s (s+1) (2s+1)GT0102030405060-8-6-4-2024681012Step ResponseTime (sec)AmplitudeTi=0.502040608010012000.20.40.60.811.21.41.61.8Step ResponseTime (sec)AmplitudeTi=1Ti=5Ti=10Ti=inf29（三）微分调节原理（三

17、）微分调节原理n1、基本原理、基本原理u控制器的输出控制器的输出u与被调量或其偏差与被调量或其偏差e对于时间的导数对于时间的导数成正比，即成正比，即dtdeSu2 30（三）微分调节原理（三）微分调节原理n2、微分调节的阶跃响应、微分调节的阶跃响应u微分调节只与偏差的变化微分调节只与偏差的变化成比例，偏差变化越剧烈，成比例，偏差变化越剧烈，由微分控制器给出的控制由微分控制器给出的控制作用越大，从而及时地抑作用越大，从而及时地抑制偏差的增长，提高系统制偏差的增长，提高系统的稳定性。的稳定性。dtdeSu2 31（三）微分调节原理（三）微分调节原理n3、微分调节的特点、微分调节的特点uP和和I是根

18、据已经形成的被调参数与给定值之偏差而是根据已经形成的被调参数与给定值之偏差而动作动作(即即偏差的方向和大小偏差的方向和大小进行调节进行调节)。u微分调节是根据偏差信号的微分，即微分调节是根据偏差信号的微分，即偏差变化的速偏差变化的速度度而动作的。而动作的。n只要偏差一露头只要偏差一露头, ,控制器就立即动作，以求更好控制器就立即动作，以求更好的调节效果的调节效果n偏差没有变化偏差没有变化, ,微分调节不起作用。微分调节不起作用。u微分调节主要用于克服调节对象有较大滞后，起微分调节主要用于克服调节对象有较大滞后，起超超前调节前调节作用。作用。32（三）微分调节原理（三）微分调节原理n4、几点注意

19、几点注意u微分调节不能消除余差。微分调节不能消除余差。微分调节只对微分调节只对偏差的变化偏差的变化做出反应，而与偏差的大做出反应，而与偏差的大小无关。小无关。u微分作用对噪声干扰有放大作用，因此过强的微分微分作用对噪声干扰有放大作用，因此过强的微分调节，调节，对系统抗干扰不利对系统抗干扰不利。u单纯的微分控制器也是不能工作的。单纯的微分控制器也是不能工作的。实际的控制器都有一定的失灵区，若调节误差的变实际的控制器都有一定的失灵区，若调节误差的变化速度缓慢，以至于控制器不能察觉，纯微分控制化速度缓慢，以至于控制器不能察觉，纯微分控制器将不会动作，此时调节误差会不断累积却得不到器将不会动作，此时调

20、节误差会不断累积却得不到校正。校正。33（三）微分调节原理（三）微分调节原理n5、仿真示例、仿真示例0102030405060708000.10.20.30.40.50.60.70.8Step ResponseTime (sec)AmplitudeTd=0.5Td=1Td=10Td=0dKs (s+1) (2s+1)TG345.2.3 PID控制算法控制算法n（一）（一）PI调节规律调节规律u1、PI调节规律调节规律 tiedtTeu0)1(1 tCteSeKu00d式中：式中：为比例带，可视情况取正值或负值；为比例带，可视情况取正值或负值； TiTi为积分时间。为积分时间。35（一）（一）P

21、I调节规律调节规律n2、PI调节过程分析调节过程分析0u0负荷变化前（负荷变化前（t 给定限值时，改用纯给定限值时，改用纯P调节调节u算法：算法：其中：其中：N为为逻辑判断系数逻辑判断系数，满足，满足nN= 0 ，e（k）M ；nN= 1， e（k）M 。nM 预先设定的门限值。预先设定的门限值。 u应用：生产设备启动阶段的控制。应用：生产设备启动阶段的控制。 )2()1(2)( )()1()()( kekekeKkeNKkekeKkudip78（二）积分项改进的（二）积分项改进的PID算法算法n4、削弱积分作用技术、削弱积分作用技术（1）梯形积分）梯形积分u常规常规PID算法，如果测量值发生

22、跳变，积分项改变算法，如果测量值发生跳变，积分项改变较大：较大：u为防止输出较大跳变，采用梯形积分法。可将矩形为防止输出较大跳变，采用梯形积分法。可将矩形积分改为梯形积分：积分改为梯形积分：)()(keKkuii 2)1()()( kekeKkuii79（二）积分项改进的（二）积分项改进的PID算法算法n4、削弱积分作用技术、削弱积分作用技术（2）遇限削弱积分法）遇限削弱积分法u当控制输出进入饱和区时采用削弱积分项的算法，当控制输出进入饱和区时采用削弱积分项的算法，停止积分项的增大：停止积分项的增大：n若若 ，则只累加负偏差；，则只累加负偏差；n若若 ，则只累加正偏差。，则只累加正偏差。)1(

23、 kumaxuminu)1( ku8081（三）改进微分作用的（三）改进微分作用的PID算法算法n1、微分作用、微分作用u在在PID控制中，微分项根据偏差变化的趋势及时施控制中，微分项根据偏差变化的趋势及时施加作用，从而有效地抑制偏差增长，减小系统输出加作用，从而有效地抑制偏差增长，减小系统输出的超凋，克服减弱振荡，加快动态过程。的超凋，克服减弱振荡，加快动态过程。u但是微分作用对高频干扰非常灵敏，容易引起控制但是微分作用对高频干扰非常灵敏，容易引起控制过程振荡，降低调节品质。过程振荡，降低调节品质。82（三）改进微分作用的（三）改进微分作用的PID算法算法n2、微分先行技术、微分先行技术u基

24、本原理：只对输出量进行微分，而对给定量不基本原理：只对输出量进行微分，而对给定量不起微分作用。起微分作用。u应用：给定值频繁变化的场合，如随动系统，可应用：给定值频繁变化的场合，如随动系统，可以避免指令的改变导致超调过大。以避免指令的改变导致超调过大。 83（三）改进微分作用的（三）改进微分作用的PID算法算法n3、不完全微分技术、不完全微分技术u基本原理：在基本原理：在PID算法中加入一个一阶惯性环节。算法中加入一个一阶惯性环节。845.6 简单过程控制系统设计简单过程控制系统设计n5.6.1 过程控制系统设计过程控制系统设计步骤步骤（1 1）根据工艺要求和控制目标确定系统变量）根据工艺要求

25、和控制目标确定系统变量（2 2）确定控制方案）确定控制方案（3 3）选择硬件设备）选择硬件设备（4 4）选择控制算法，进行控制器设计）选择控制算法，进行控制器设计（5 5）设计报警、联锁保护系统）设计报警、联锁保护系统（6 6）系统的调试及投运）系统的调试及投运（）系统的维护（）系统的维护855.6.1 过程控制系统设计过程控制系统设计步骤步骤n（一）控制规律的选择（一）控制规律的选择uP：适用于干扰变化幅度小，对象滞后较小，控制：适用于干扰变化幅度小，对象滞后较小，控制质量要求不高，且系统允许有一定范围余差的场合质量要求不高，且系统允许有一定范围余差的场合；uPI：适用于控制通道滞后较小、负

26、荷变化不大、工：适用于控制通道滞后较小、负荷变化不大、工艺不允许被控变量存在余差的场合；艺不允许被控变量存在余差的场合； uPD：适用于被控对象容量较大的场合。对于信号适用于被控对象容量较大的场合。对于信号有噪声或周期性干扰的系统不能采用微分作用有噪声或周期性干扰的系统不能采用微分作用； uPID：适用于负荷变化和对象容量滞后都较大、纯适用于负荷变化和对象容量滞后都较大、纯滞后不太大且控制质量要求又较高的场合。滞后不太大且控制质量要求又较高的场合。865.6.1 过程控制系统设计过程控制系统设计步骤步骤n（二）控制器正反作用的选择（二）控制器正反作用的选择u选择原则：选择原则：闭环回路必须形成

27、负反馈。闭环回路必须形成负反馈。u正反作用方向，是指输入变化后，输出的变化方向正反作用方向，是指输入变化后，输出的变化方向n当输入增加时，输出也增加，则称该环节为当输入增加时，输出也增加，则称该环节为“正作正作用用”方向；方向；n反之，当环节的输入量增加时，输出减小，则称该反之，当环节的输入量增加时，输出减小，则称该环节为环节为“反作用反作用”方向。方向。u测量变送环节的作用方向一般都是测量变送环节的作用方向一般都是“正正”方向。方向。875.6.1 过程控制系统设计过程控制系统设计步骤步骤n（二）控制器正反作用的选择（二）控制器正反作用的选择u控制器正反作用确定步骤控制器正反作用确定步骤1、

28、被控对象被控对象：由工艺机理确定。：由工艺机理确定。 2、执行器执行器：由工艺安全条件选定，故障时应保证设：由工艺安全条件选定，故障时应保证设备和操作人员的安全。备和操作人员的安全。 3、测量变送环节测量变送环节：可不考虑。：可不考虑。 4、控制器控制器：n若广义对象为正作用，则控制器选择反作用方向；若广义对象为正作用，则控制器选择反作用方向；n若广义对象为反作用，则控制器选择正作用方向。若广义对象为反作用，则控制器选择正作用方向。885.6.1 过程控制系统设计过程控制系统设计步骤步骤n（二）控制器正反作用的选择（二）控制器正反作用的选择u例例1：调节阀正作用，则：调节阀正作用，则LC作用作

29、用方向？方向？调节阀正作用，则调节阀正作用，则LC反作用；反作用；反之，调节阀反作用，则反之，调节阀反作用，则LC正正作用。作用。u例例2：调节阀正作用，则：调节阀正作用，则LC作用作用方向？方向？调节阀正作用，则调节阀正作用，则LC正作用；正作用；反之，调节阀反作用，则反之，调节阀反作用，则LC反反作用。作用。895.6.1 过程控制系统设计过程控制系统设计步骤步骤n（三）系统投运（三）系统投运u在控制系统方案设计、工程设计、仪表安装与调校在控制系统方案设计、工程设计、仪表安装与调校结束后，系统可投入生产运行。结束后，系统可投入生产运行。u在系统投运之前，必须对构成系统的各种仪器仪表、在系统

30、投运之前，必须对构成系统的各种仪器仪表、联接管线、供电、供气等情况进行全面准备和检查。联接管线、供电、供气等情况进行全面准备和检查。u必须做到无扰动切换。必须做到无扰动切换。就是说，从手动到自动的过就是说，从手动到自动的过程中，不应造成系统的扰动，不应该破坏系统原有程中，不应造成系统的扰动，不应该破坏系统原有的平衡。的平衡。905.6.2 单回路控制系统设计举例单回路控制系统设计举例n磨矿工艺中，每个球磨矿工艺中，每个球磨系列由摆式给矿机磨系列由摆式给矿机下矿，经集矿皮带和下矿，经集矿皮带和给矿皮带送入球磨机；给矿皮带送入球磨机；n以前由人工观察给矿以前由人工观察给矿量，靠调整下矿口或量，靠调

31、整下矿口或起停给矿机来控制矿起停给矿机来控制矿量，给矿量波动往往量，给矿量波动往往较大，难以稳定。为较大，难以稳定。为稳定入磨矿量，需设稳定入磨矿量，需设计球磨给矿自动控制计球磨给矿自动控制系统。系统。915.6.2 单回路控制系统设计举例单回路控制系统设计举例n大型球磨机大型球磨机925.6.2 单回路控制系统设计举例单回路控制系统设计举例n摆式给矿机摆式给矿机935.6.2 单回路控制系统设计举例单回路控制系统设计举例n单回路系统？或其它系统？单回路系统？或其它系统？n干扰量？干扰量？n静态和动态指标要求？静态和动态指标要求？n仪表选型？控制器选型？仪表选型？控制器选型？n控制规律（算法）确定？控制规律（算法）确定？945.6.2 单回路控制系统设计举例单回路控制系统设计举例n被控参数：给矿量；被控参数：给矿量；n控制参数：下矿口开度？