过程控制第三章(简单控制系统)

1、过程控制 第三章 简单控制系统简单控制系统简单控制系统是指单输入是指单输入- -单输出单输出（SISOSISO）的线性控制系统，是控制系）的线性控制系统，是控制系统的基本形式。统的基本形式。控制系统设计的控制系统设计的基本准则基本准则是力求简单、是力求简单、可靠、经济和保证控制效果。可靠、经济和保证控制效果。3.1 简单控制系统结构组成简单控制系统结构组成简单控制系统（单回路闭环控制系统）：被控对象、检测变送单元、控制器和调节阀（执行机构）。占控制回路的80%，往往作为最底层的控制系统。储液罐液位控制系统储液罐液位控制系统一般用在两个过程单元之间传输流体的中间存储器 控制目标：从维持生产平衡考

2、虑，保持h=hsp(给定值或设定值)。输入变量：搞清楚操纵变量和扰动变量（Qi和Q0），操纵变量的选择取决于过程单元1和2所进行的操作。输出变量（被控变量）：也称测量变量，液位h。控制系统的设计（两种方案）（1）方案1-操纵变量为入口流量Qi,出口流量Q0为扰动变量方案1方框图过程1为水解去离子过程过程2为蒸汽产生过程（2）方案2-操纵变量为出口流量Q0,入口流量Qi为扰动变量方案2方框图过程单元1产生化学混合物，通过中间存储罐，送至过程单元2进行进一步处理。控制方案控制方案1 1和和2 2的各环节增益特性判断和选择的各环节增益特性判断和选择注意注意：1、调节阀的、调节阀的气开气关气开气关特性

3、特性2、控制器的、控制器的正反正反作用作用两个方案传递函数每个环节增益的判断方法： （1）测量变送环节：输入为被控变量，输出为测量值的环节。h增加，hm也增加，Gm1(s)和Gm2(s)增益为正。（2）调节阀环节：输入为气压信号，输出为操纵变量的环节。对于方案1，操纵变量选的是入口流量，考虑实际情况调节阀为气开型（有气则开，无气则关），Gv1(s)增益为正； 对于方案2，操纵变量选的是出口流量，考虑实际情况调节阀为气关型（有气则关，无气则开），Gv1(s)增益为负；（3）被控对象环节：输入为操纵变量，输出为被控变量的环节。对于方案1，操纵变量为入口流量，调节阀安装在储液罐入口，Qi增加，h也增

4、加，被控对象Gp1(s)增益为正；对于方案2，操纵变量为出口流量，调节阀安装在储液罐出口，Qo增加，h减少，被控对象Gp2(s)增益为负；（4）控制器环节：可看成设定值不变仅以测量值为输入、控制器输出为输出的环节。对于方案1，外部扰动导致hm增大时，应减少Qi来降低液位，由于调节阀为气开型，此时控制器输出信号（气压Pv）应减小,为保证闭环构成负反馈，控制器应为反作用。对于方案2，外部扰动导致hm增大时，应增大Q0来降低液位，由于调节阀为气关型，此时控制器输出信号（气压Pv）应减小,为保证闭环构成负反馈，控制器也应为反作用。3.1 简单控制系统结构组成简单控制系统结构组成控制目标：控制目标：工艺

5、介质出口温度达到规定的温度。输入变量：输入变量：工艺介质流量、工艺介质入口温度、蒸汽流量和蒸汽温度蒸汽加热器温度控制系统蒸汽加热器温度控制系统简单控制系统的结构组成简单控制系统的结构组成控制方案：控制方案：调节加热蒸汽流量来控制工艺介质出口温度蒸汽加热器温度控制系统蒸汽加热器温度控制系统操纵变量扰动变量QF、Tv被控变量测量变送环节（Gm(s)）：增益为正；调节阀环节（Gv(s)）：气关型，增益为负；被控对象环节（Gp(s)）：增益为正；控制器环节（Gc(s)）：正作用。简单控制系统的构成（单回路控制系统，控制目标通过调节操纵变量来保持在设定值）：被控对象、检测变送单元、执行器和控制器组成。设

6、定值控制变量被控对象：指被控制的生产装置、设备或过程。检测变送单元：用于测量被控变量，并将检测到的信号转换为标准信号输出。执行器：常用的调节阀，直接用于控制操纵变量的变化。控制器：用于将检测变送单元的输出信号与设定值进行比较，按一定控制规律对其偏差信号进行运算，运算结果输出到执行器上。具体变量术语：（1）被控变量（ Controlled Variable,CV）或受控变量（ Processed Variable,PV）:它是指被控对象需要维持在其理想值的工艺变量，如储液罐的液位，蒸汽加热器工艺介质的出口温度，常用的被控变量包括：液位、温度、压力、流量、成份等实际物理量。（2）设定值（Setpo

7、int，SP）：它是指被控变量要求达到的期望值，作为控制器的参考输入信号，如期望液位高度，工艺介质期望的出口温度。一般设定值与工艺要求有关。（3）操纵变量（Manipulated Variable,MV）:通常是由执行器控制的某一工艺流量，如前面的入口流量、出口流量、蒸汽流量等。操纵变量对被控变量的影响要求直接、灵敏、快速。（4）扰动变量（Disturbance Variable,DV）:扰动指任何导致被控变量偏离设定值的输入变量，如：储液罐的出口入口流量，工艺介质的进料量和进料温度、控制阀前压力等。3.1 简单控制系统结构组成简单控制系统结构组成（单回路控制系统） 由一个受控对象、一个测量变

8、送器、一个控制器和一个执行机构（控制阀）所组成的闭环控制系统。简单控制系统传递函数的说明：（1）框图中的各个信号都是增量，增益（放大系数）和传递函数都是在稳态值为0的条件下得到的。图中的箭头表示信号的流向，并非物流或能流的方向。（2）各环节的增益有正、负之分，可以根据稳态条件下该环节输出增量与输入增量的比值来确定。当环节的输入增加，输出增加，该环节的增益为正，否则增益为负。 测量变送环节：输入为被控变量，输出为测量值的环节，Gm(s)的增益一般为正； 调节阀环节：输入为气压信号，输出为操纵变量的环节。气开/气关的选择一般从安全角度考虑，即失气时调节阀的状态。 被控对象环节：只考虑控制通道输出与

9、输入信号的关系。当操纵变量增加时，被控对象也增加增益为正，反之，对象增益为负。 控制器环节：看成设定值不变，仅以测量值为输入，控制器输出为输出的环节。通过选择控制器的正、反作用达到负反馈。（3）简单控制系统有控制通道和扰动通道两个通道。控制通道是操纵变量作用到被控变量的通道，扰动通道是扰动作用到被控变量的通道。（4）设定值保持不变的反馈控制系统为定值控制系统。当扰动影响被控变量时，简单控制系统通过控制通道的调节，改变操纵变量来克服扰动对被控变量的影响。设定值任意变化的反馈控制系统称为随动控制系统或伺服控制系统。当控制系统的设定值变化时，控制系统通过控制通道的调节，改变操纵变量能跟随设定值的变化

10、而变化。3.2 简单控制系统的设计喷雾式干燥塔控制系统设计喷雾式干燥塔控制系统设计 碳酸钙浆液干燥过程工艺流程。碳酸钙浆液干燥过程工艺流程。生产工艺要求生产工艺要求 产品温度要求稳定，即含水产品温度要求稳定，即含水量波动不能太大。量波动不能太大。 设计要求设计要求1. 1.选择被控变量与操纵变量选择被控变量与操纵变量2. 2. 过程检测、控制设备的选用过程检测、控制设备的选用选择被控变量选择被控变量直接参数-湿度（测量困难）间接参数-干燥塔出口温度选择操纵变量选择操纵变量乳液流量V1旁路空气流量V2蒸汽流量V3简单控制系统的设计在本例中存在着下列三种干扰： ） 干扰 - 乳液流量的变化； ）干

11、扰 - 热交换器散热及温度变化； ）干扰 - 蒸汽压力的变化。 1f2f3f简单控制系统的设计0G0GcGcG31f2f3f1f2f3f方案方案方案方案2x1xyy0GcG1f2f3f100T100T3方案方案1x3x2xy 表示干燥器， 为调节器； 为乳液流量或喷雾口热风温度的变化； 为热交换器后热风温度的变化； 为送入热交换器的蒸汽流量的变化。 0GcG1x2x3x简单控制系统的设计根据对象动特性对调节质量影响的分析： 方案的干扰作用点与对象的输入重合，因而其控制性能最佳； 方案次之； 方案最差。 从控制的品质控制的品质这方面考虑，应该选择方案，即选择乳液作为调节量。从工艺角度工艺角度来考

12、虑：方案并不是最有利的。因为若以乳液流量作为调节参数，则它就不能始终在最大值上工作，也就限制了该装置的生产能力。另外在乳液管线上装了调节阀，容易使浓缩乳液结块，降低产量和质量。因此，综合上述分析比较，选择方案方案是比较好的。方案选择：方案选择：简单控制系统的设计综上所述，对象是调节系统的主要因素。从工艺的实际情况出发，综上所述，对象是调节系统的主要因素。从工艺的实际情况出发，分析干扰因素，合理选择调节参量，以组成控制性能较好的系统，这分析干扰因素，合理选择调节参量，以组成控制性能较好的系统，这是调节系统设计的一个十分重要的工作。是调节系统设计的一个十分重要的工作。简单控制系统的设计简单控制系统

13、的设计原则与步骤简单控制系统的设计原则与步骤简单控制系统一般是在一个被控对象上用一个控制器来保持一个参数恒定，而控制器只接受一个测量信号，其输出也只控制一个执行机构。设计一个控制系统，首先应对被控对象全面了解，不仅要了解被控对象的静态特性和动态特性，还要对工艺过程和设备深入了解。在了解调节对象之后，下一步主要是解决控制方案和控制器最佳整定值。设计步骤包括：确定被控参数，确定调节量，确定控制规律和选择相应的控制器。简单控制系统的设计原则与步骤简单控制系统的设计原则与步骤 被控变量的选择被控变量的选择 方法一方法一：选择能直接反映生产过程中产品产量和质量又易于 测量的参数作为被控变量，称为直接参数

14、法。例如 温度、压力、液位、流量反映等生产工艺状态的参 数。方法二方法二：选择那些能间接反映产品产量和质量又与直接参数 有单值对应关系、易于测量的参数作为被控变量， 称为间接参数法。例如组分（某物质含量）、转化 率等。简单控制系统的设计原则与步骤简单控制系统的设计原则与步骤被控变量的选择实例被控变量的选择实例氨合成塔控制 合成塔中进行的化学反应QNHHN32223 LTTM催化剂层深度与温度关系催化剂层深度合成塔内温度热点要正确选择被控变量必须充分了解工艺过程、工艺特点及对控制的要求要正确选择被控变量必须充分了解工艺过程、工艺特点及对控制的要求简单控制系统的设计原则与步骤简单控制系统的设计原则

15、与步骤被控变量的选择原则被控变量的选择原则1. 1. 选择对产品的产量和质量、安全生产、经济运行和环境选择对产品的产量和质量、安全生产、经济运行和环境 保护保护 具有决定性作用的、可直接测量的工艺参数为被控变量。具有决定性作用的、可直接测量的工艺参数为被控变量。2. 2. 当不能用直接参数作为被控变量时，可选择一个与直接参数当不能用直接参数作为被控变量时，可选择一个与直接参数有有 单值函数关系单值函数关系并满足如下条件的间接参数为被控变量。并满足如下条件的间接参数为被控变量。 满足工艺的合理性满足工艺的合理性 具有尽可能大的灵敏度且线形好具有尽可能大的灵敏度且线形好 测量变送装置的滞后小。测量

16、变送装置的滞后小。简单控制系统的设计原则与步骤简单控制系统的设计原则与步骤操纵变量的选择操纵变量的选择被控变量（输出量） 扰动变量（输入量）操纵变量（输入量） 从诸多影响被控变量的输入参数中选择一个对被控变量影响显著而且可控性良好的输入参数简单控制系统的设计原则与步骤简单控制系统的设计原则与步骤操纵变量的选择原则操纵变量的选择原则 要构成的控制系统，其控制通道特性应具有足够大的要构成的控制系统，其控制通道特性应具有足够大的 放大系数、比较小的时间常数及尽可能小的纯滞后时放大系数、比较小的时间常数及尽可能小的纯滞后时 间。间。 系统主要扰动通道特性应该具有尽可能大的时间常数系统主要扰动通道特性应

17、该具有尽可能大的时间常数 和尽可能小的放大系数。和尽可能小的放大系数。 考虑工艺上的合理性。如生产负荷直接关系到产品的考虑工艺上的合理性。如生产负荷直接关系到产品的 质量，就不宜选为操纵变量。质量，就不宜选为操纵变量。对象特性对控制质量的影响对象特性对控制质量的影响对象静态特性对控制质量的影响对象静态特性对控制质量的影响设：控制通道放大倍数为 扰动通道放大倍数为f 的大小表征了操纵变量对被控变量的影响程度 f的大小表征了扰动对被控变量的影响程度小结小结：选择操纵变量构成控制系统时，从静态角度考虑，在工艺合理性的前提下，扰动通道的放大倍数f越小越好，控制通道放大倍数希望适当大适当大些，以使控制通

18、道灵敏些。对象特性对控制质量的影响对象特性对控制质量的影响对象动态特性对控制质量的影响（一）对象动态特性对控制质量的影响（一）设：控制通道的时间常数为o，纯滞后时间为o时间常数O小，反映灵敏，控制及时，有利于克服干扰的影响时间常数O过大，造成控制作用迟缓，使被控变量的超调量加大，过渡时间增长纯滞后时间0使操纵变量对被控变量的作用推迟了一段时间，由于控制作用的推迟，不但使被控变量的超调量加大，还使过渡过程振荡加剧，过渡时间增长，控制质量变坏。对象特性对控制质量的影响对象特性对控制质量的影响对象动态特性对控制质量的影响（二）对象动态特性对控制质量的影响（二）设: 扰动通道时间常数为f，纯滞后为f

19、对扰动通道特性的影响对扰动通道特性的影响 ft0yft0(1)(2)Tf1Tf2ff对象特性对控制质量的影响对象特性对控制质量的影响1.增益的影响随着过程增益的增加，余差减小，最大偏差减小，控制作用增强，但稳定性变差。其他因素相同的条件下，如果过程增益越大，则控制作用就越大，克服扰动的能力也越强。2. 时间常数的影响（1）控制通道对时间常数的影响T0大过渡过程慢，T0小过渡过程快，恢复时间短。（2）扰动通道对时间常数的影响Tf大扰动对输出影响缓慢，Tf小对系统影响快，控制作用不能及时克服扰动。3.时滞的影响（1）控制通道时滞的影响。开环传函存在时滞，会使临界频率和临界增益降低，使控制不及时，超

20、调量增大，稳定性下降，使闭环系统的控制品质下降。可用 来进行控制。（一般范围在0.3-0.5），设计过程中尽可能减少时滞影响。（2）仅表示扰动进入系统的时间先后，不影响系统的控制品质。4.扰动对进入系统位置的影响。扰动位置远离被控变量，等效于扰动传函中的时间常数增加，与扰动通道时间常数的影响相似。00T对象特性对控制质量的影响对象特性对控制质量的影响综上所述，被控变量的选择原则是深入了解工艺过程，选择能够反映工艺过程的被控变量；控制通道的K0尽量大， 尽量小， 尽量小，扰动进入系统的位置应尽量远离被控变量。操纵变量的选择应遵循前面所述的选择原则，保证工艺的合理性与动态响应快速有机的结合。00T

21、f0/TT测量变送问题测量变送问题-纯滞后纯滞后 对象特性对控制质量的影响电极酸槽LCACl1中和槽l2=2211vlvl1l、2l 为主管道，分管道的长度1v2v为主管道，分管道流体的流速 测量元件的安装位置测量元件的安装位置对象特性对控制质量的影响测量变送问题测量变送问题-传递滞后传递滞后 尽可能缩短传送管线长度，一般气压信号管路长度不超过 300m，管径应大于mm。或在气路60m距离间加气动继动 器，提高气信号传输功率，减小传输时间。 采用气-电、电-气转换器实现转换传递，或用阀门定位器等。信号传递过程中引起的滞后信号传递过程中引起的滞后克服传递滞后采取以下措施：简单控制系统的投运控制系

22、统投运控制系统投运-通过适当的方法使控制器从手动工作状态平稳地通过适当的方法使控制器从手动工作状态平稳地 转到自动工作状态。转到自动工作状态。准备工作：准备工作：1. 1. 详细了解工艺，对投运中可能出现的问题有所估计。详细了解工艺，对投运中可能出现的问题有所估计。2. 2. 吃透控制系统的设计意图。吃透控制系统的设计意图。3. 3. 在现场，通过简单的操作对有关仪表（包括控制阀）的在现场，通过简单的操作对有关仪表（包括控制阀）的 功能作出是否可靠且性能是否基本良好的判断。功能作出是否可靠且性能是否基本良好的判断。4. 4. 设置好控制器正反作用和、参数。设置好控制器正反作用和、参数。5. 5

23、. 按无扰动切换（指手、自动切换时阀上信号基本不变）按无扰动切换（指手、自动切换时阀上信号基本不变） 的要求将控制器切入自动。的要求将控制器切入自动。控制器及其参数整定控制器及其参数整定控制器在生产过程的自动控制系统中起着很重要的作用。控制器的输出信号随偏差信号的变化而变化的规律成为控制规律，最基本的三种基本控制规律有：比例（P）控制、比例积分（PI）控制和比例积分微分控制（PID）控制。比例控制比例控制(P控制）控制）一一 比例调节动作规律，比例带比例调节动作规律，比例带在比例调节中, 调节器的输出信号u与偏差信号e成正比, 即：cuK e Kc-比例增益，可以取正数或者负数注意:u实际上是

24、对其起始值u0的增量. 因此, 当偏差e=0 因而u=0时，并不意味着无输出，只是说明此时u=u0,u0的大小可以通过调整调节器的工作点加以改变。增量形式增量形式:比例带：比例带：在过程控制中在过程控制中, 习惯用增益的倒数表示调节器输入与输出的比例关系：习惯用增益的倒数表示调节器输入与输出的比例关系：1uecuK e0()u1100%cK其中其中称为比例带称为比例带，其意义为其意义为: 如果输出如果输出u直接代表调节阀开度的变化量直接代表调节阀开度的变化量,那那么么就代表使调节阀开度改变就代表使调节阀开度改变100%, 即从全关到全开时所需的被调量的变即从全关到全开时所需的被调量的变化范围化

25、范围. 只有当被调量处于这个范围之内, 开度才与偏差成正比,超出这个比例带之外,调节阀已经处于全关或全开的状态, 暂时失去控制作用.调节器的比例带调节器的比例带 习惯用它相当于被调量测量仪表的量程的百分数表示习惯用它相当于被调量测量仪表的量程的百分数表示,如如: :若测量仪表量程为若测量仪表量程为100100, 则则50%就表示被调量需要改变就表示被调量需要改变50才能使才能使调节阀从全关到全开调节阀从全关到全开, 也就是也就是:*量程量程比例带也称比例度或比例范围比例带也称比例度或比例范围,比例带比例带越小越小,调节器的放大倍数调节器的放大倍数也就越大也就越大,即调节器对输入偏差放大的能力越

26、强。即调节器对输入偏差放大的能力越强。0100%100%0阀开度阀开度被调量被调量阀开度阀开度被调量被调量解解:maxminmaxmin/()100%/()200/(1000500) 80%40/(10020)xxxyyy根据根据P P调节器输入调节器输入( (x)x)输出输出( (y)y)测量数据，可以确定其比例带的大小测量数据，可以确定其比例带的大小yccxyK xKxy maxminmaxmin/()100%/()xxxyyy 无单位无单位二二 比例调节的特点比例调节的特点 有差调节有差调节负荷负荷：物料流或能量流的大小处于自动控制下的被控过程在进入稳态后物料流或能量流的大小处于自动控制

27、下的被控过程在进入稳态后，流入量和流出量之间总是达到平衡，因此，常常根据调节阀的开度，流入量和流出量之间总是达到平衡，因此，常常根据调节阀的开度(流流入量入量)来衡量负荷的大小来衡量负荷的大小如果采用比例调节，则在负荷扰动下的调节过程结束后，被调量不可能与如果采用比例调节，则在负荷扰动下的调节过程结束后，被调量不可能与设定值准确相等，它们之间一定有残差，也就是设定值准确相等，它们之间一定有残差，也就是e0.加热器出口水温控制系统加热器出口水温控制系统原理原理: 热水温度热水温度是由传感器是由传感器T获获取信号并送到调节器取信号并送到调节器C的的, 调节调节器控制加热蒸汽的调节阀开度以器控制加热

28、蒸汽的调节阀开度以保持出口水温恒定保持出口水温恒定, 加热器的热加热器的热负荷既决定于热水流量负荷既决定于热水流量Q也决定也决定于热水温度于热水温度。 假定现在采用比例调节器，并假定现在采用比例调节器，并将调节阀开度将调节阀开度直接视为调节器直接视为调节器的输出。水温愈高，调节器应把的输出。水温愈高，调节器应把调节阀开得愈小。调节阀开得愈小。0()psQcKH直线直线1：是是比例调节器的静比例调节器的静特性特性, 即调节阀开度随水温即调节阀开度随水温变化的情况变化的情况. ,斜率斜率曲线曲线2和和3：分别代表加热分别代表加热器在器在不同的热水流量下的不同的热水流量下的静特性静特性,他们表示加热

29、器在他们表示加热器在没有调节器控制时没有调节器控制时,在不同在不同流量下的稳态出口水温与流量下的稳态出口水温与调节阀开度之间的关系调节阀开度之间的关系0()psQcKH残差的计算残差的计算: :111 11mcvmpvmperyrK K K KrK K K 残残差差eKcKvKpKmreuyym调节阀被控过程测量变送器调节器三三 比例带对于调节过程的影响比例带对于调节过程的影响比例调节的残差随比例带的加大而增大比例调节的残差随比例带的加大而增大. .从这一方面考虑从这一方面考虑, ,希望尽量减小比例带然而，减小比例带就等于加大调节希望尽量减小比例带然而，减小比例带就等于加大调节系统的开环增益，

30、其后果是导致系统激烈振荡甚至不稳定系统的开环增益，其后果是导致系统激烈振荡甚至不稳定稳定性是任何闭环控制系统的首要要求，比例带的设置稳定性是任何闭环控制系统的首要要求，比例带的设置必须保证系统具有一定的稳定裕度，然后再考虑使用其它必须保证系统具有一定的稳定裕度，然后再考虑使用其它方法减小残差方法减小残差 对调节过程的影响：对调节过程的影响：增大增大,则比例系数减小则比例系数减小,由比例调节器输出由比例调节器输出u=Kc*e,则调节阀的则调节阀的动作幅度减小动作幅度减小. 因此被调量的变化比较平稳因此被调量的变化比较平稳, 甚至可以没有超甚至可以没有超调调,但残差大但残差大,调节缓慢调节缓慢,调

31、节时间长调节时间长减小减小, 则比例系数增大则比例系数增大,调节阀的动作幅度增大调节阀的动作幅度增大,引起被调量来引起被调量来回波动回波动, 但系统仍可能是稳定的但系统仍可能是稳定的, 残差相应减小残差相应减小. 具有一个临具有一个临界值界值, 此时系统处于稳定边界的情况此时系统处于稳定边界的情况, 进一步减小进一步减小系统就不稳系统就不稳定了定了由于比例调节只有一个简单的比例环节由于比例调节只有一个简单的比例环节, 因此因此cr的大小只取的大小只取决于被控对象的动态特性决于被控对象的动态特性.根据奈奎斯特稳定准则根据奈奎斯特稳定准则,在稳定边界在稳定边界上有：上有：1,crcrcrcrKK即

32、Kcr为广义被控对象在为广义被控对象在临界频率下的增益临界频率下的增益对于比例调节过程的影响对于比例调节过程的影响Kc对控制系统性能的影响（减小减小）比例调节的特点比例调节的特点越大越大: 过渡过程越平稳过渡过程越平稳, 残差大残差大,稳定性稳定性, 调节时间调节时间.减小减小: 振荡加剧振荡加剧, 稳定性稳定性, 残差小残差小减到某一数值时减到某一数值时, 出现等幅振荡出现等幅振荡, 此时称为临界比例度此时称为临界比例度(1)比例调节的输出增量与输入增量呈一一对应的比例关比例调节的输出增量与输入增量呈一一对应的比例关 系系. 即即: u=Kc*e (2)比例调节反应速度快比例调节反应速度快,

33、 输出与输入同步输出与输入同步,没有时间滞后没有时间滞后, 其动态特性好。其动态特性好。 (3)比例调节的结果不能使被调参数完全回到给定值比例调节的结果不能使被调参数完全回到给定值,而产而产生静差生静差.四四 比例带的选择原则比例带的选择原则若对象较稳定若对象较稳定(对象的静态放大系数较小对象的静态放大系数较小,时间常数不太小时间常数不太小,滞后较小滞后较小)则比例带可选小些则比例带可选小些,这样可以提高系统的灵敏度这样可以提高系统的灵敏度,使使反应速度加快一些反应速度加快一些; 相反相反,若对象的放大系数较大若对象的放大系数较大,时间常数较小时间常数较小,滞后时间较大滞后时间较大,则应当将比

34、例带可选大一些则应当将比例带可选大一些,以提高系统的稳定性以提高系统的稳定性.比例带的选取比例带的选取,一般情况下一般情况下,比例带的范围大致如下比例带的范围大致如下: 压力调节压力调节: 3070% 流量调节流量调节: 40100% 液位调节液位调节: 2080% 温度调节温度调节: 2060%控制器及其参数整定控制器及其参数整定积分控制中，控制器的输出信息u与偏差信号e的积分成正比在积分控制中，控制器的输出信息u与偏差信号e的积分成正比式中Ti为积分时间，其物理意义为当误差不变的情况下，积分作用达到和比例控制相同效果所需的时间。00)(1)(uudeTitt积分作用的优点是它能够消除余差。

35、但积分控制器很少单独使用，原因在于积分作用比较慢，需要误差的累积达到一定程度才能产生较为明显的控制作用。一般情况将积分作用和比例作用一起使用。控制器及其参数整定比例积分（比例积分（PIPI）控制（保证控制质量，消除余差）控制（保证控制质量，消除余差）0011( )( )()tiu te teduT增加了比例作用，控制器对偏差变化的响应迅速了很多。比例积分（比例积分（PIPI）控制）控制PI调节就是综合调节就是综合P,I两种调节的优点两种调节的优点, 利用利用P调节快速抵消干扰调节快速抵消干扰, 同时利用同时利用I调调节消除残差节消除残差. 其调节规律为其调节规律为:00011()tctIuK

36、eSe dtee dtTKc-比例系数比例系数S0-积分速度积分速度-比例带比例带TI-积分时间积分时间TI衡量积分环节在总输出中所占的比重衡量积分环节在总输出中所占的比重. TI, 积分环节所占比例积分环节所占比例; TI,所占所占比例比例PI调节调节引入积分引入积分消除系统残差，却消除系统残差，却降低了原有系降低了原有系统的稳定性统的稳定性。 为保持控制系统原来的衰减率，为保持控制系统原来的衰减率，PI调节器比例带调节器比例带必须适当加大。必须适当加大。PI调节在比例带不变的情况下，调节在比例带不变的情况下，减小积分时间减小积分时间TI，将使控制系统，将使控制系统稳定性降低、振荡加剧、调节

37、过稳定性降低、振荡加剧、调节过程加快、振荡频率升高。程加快、振荡频率升高。PI调节特点调节特点:PI控制系统不同积分时间常数的响应过程积分时间常数积分时间常数TI过大过大: 积分环节作用微弱或者不起作用积分环节作用微弱或者不起作用积分时间常数积分时间常数TI过小过小: 出现振荡，系统趋于不稳定出现振荡，系统趋于不稳定比例积分微分控制（比例积分微分控制（PID）微分控制作用是通过误差的变化率来预报误差信号的未来变化趋势。理想的微分作用是Td为微分时间常数。Td越大，微分作用越强，Td越小微分作用越弱。当e(t)是常数时，微分控制器输出就等于u0.微分一般不单独使用，总是与比例或比例积分同时使用，

38、比例调节或比例积分调节为主，微分调节为辅。 0d)()(udttdeTtuPID调节器的动作规律是：调节器的动作规律是：020tcdeuK eSedtSdt或011()tDIdeueedtTTdt-比例带比例带 TI-积分时间积分时间TD-微分时间微分时间理想理想PID调节器的传递函数为调节器的传递函数为：11( )(1)cDIG sT sT s1( )1( )(1)( )1DpIDDT sU sG sKE sT sTK s实际实际PID控制器的传递函数为：控制器的传递函数为：控制系统在不同微分时间的响应过程。 微分作用通过提供超前作用使得被控过程趋于稳定，它常用来抵消积分作用带来的不稳定趋势

39、，微分能够提高系统的稳定性，抑制超调。然而当测量值含有很高的高频噪声时，微分作用会对高频噪声起到放大作用，小的噪声也会对控制阀产生很大的动作，因此有高频噪声的地方不宜用微分，对于纯滞后过程，由于在纯滞后阶段微分作用为0，所以附加微分作用对纯滞后过程不起作用。比较示例：111sT)(sGc110sTKf)(tesvpvGc ： P，PI，PD，PIDT1=20S控制器及其参数整定阶跃干扰作用下，选取不同控制算法在)( 1)(ttf)(sGc，将其参数整定到，比较其过度过程，可以看出PID最佳。如下图示：衰减率9 . 0003020107 . 06 . 05 . 04 . 03 . 02 . 01

40、 . 01 . 0405060708090100110120IPIPIDPDP（秒）被调参数在阶跃干扰作用下，各种调节的过渡过程比较在阶跃干扰作用下，各种调节的过渡过程比较控制器及其参数整定在控制系统的设计中在控制系统的设计中, 选择哪些控制器选择哪些控制器,需要综合考虑多种因素需要综合考虑多种因素才能获得合理的解决才能获得合理的解决. 通常通常,选择调节器动作规律时应根据选择调节器动作规律时应根据对象对象特性特性,负荷变化负荷变化,主要扰动和系统控制要求主要扰动和系统控制要求具体情况具体情况,同时还应考同时还应考虑虑系统的经济性以及系统的投入方便系统的经济性以及系统的投入方便等等 广义对象控

41、制通道时间常数较大或容积迟延较大时广义对象控制通道时间常数较大或容积迟延较大时,应引入应引入微分动作微分动作. 如工艺容许有残差如工艺容许有残差, 可选用比例微分动作可选用比例微分动作; 如工艺要如工艺要求无残差则选用比例积分微分动作求无残差则选用比例积分微分动作 当广义对象控制通道时间常数较小当广义对象控制通道时间常数较小, 负荷变化不大负荷变化不大, 而工艺而工艺要求无残差时要求无残差时, 可选择比例积分动作可选择比例积分动作. 如管道压力和流量控制如管道压力和流量控制.控制器的选型控制器的选型 广义对象控制通道时间常数较小广义对象控制通道时间常数较小, 负荷变化较小负荷变化较小,工艺要求

42、不工艺要求不高时高时, 可选择比例动作可选择比例动作, 如液位控制如液位控制. 当广义对象控制通道时间常数或容积迟延很大当广义对象控制通道时间常数或容积迟延很大, 负荷变化也负荷变化也很大时很大时, 简单控制系统已不能满足要求简单控制系统已不能满足要求, 应设计复杂控制系统应设计复杂控制系统( )1sPKeGsTs 如果被控对象传递函数为如果被控对象传递函数为控比控比/T选择调节器的动作规律：选择调节器的动作规律：则可根据对象的可则可根据对象的可 /T0/T0.2-2-选择比例或比例积分动作选择比例或比例积分动作0 0.221/T1.0-0-采用简单控制系统不能满足控制要求采用简单控制系统不能

43、满足控制要求, ,应应选用复杂控制系统选用复杂控制系统, 如串级如串级, 前馈控制等前馈控制等./K T越大越大, 则过程越接近纯迟延过程则过程越接近纯迟延过程, 因而该过因而该过程就属难控过程程就属难控过程. .控制器参数的工程整定控制器参数整定控制器参数整定-对已定的控制系统求取保证控制过程对已定的控制系统求取保证控制过程 质量为最好的控制器参数（比例度质量为最好的控制器参数（比例度 %、 积分时间积分时间T TI I、微分时间、微分时间T TD D ）控制器的参数整定方法控制器的参数整定方法 理论计算参数整定法理论计算参数整定法已知广义对象的数学模型，然后根据已知广义对象的数学模型，然后

44、根据 系统的各项质量指标要求，通过计算确定相应系统的各项质量指标要求，通过计算确定相应 的的PIDPID参数。参数。 现场工程整定法现场工程整定法条件：在工艺过程手操稳定的基础上进行。条件：在工艺过程手操稳定的基础上进行。 1 1）经验法）经验法 3 3）衰减曲线法）衰减曲线法 2 2）临界比例度法）临界比例度法 4 4）响应曲线法）响应曲线法控制器参数的工程整定方法一：经验法方法一：经验法（长期的生产实践中总结出来的一种整定方法）方法方法 根据经验先将控制器参数放在某些数值上，直接在闭合的根据经验先将控制器参数放在某些数值上，直接在闭合的 控制系统中通过改变给定值以施加干扰，看输出曲线的形控

45、制系统中通过改变给定值以施加干扰，看输出曲线的形 状，以状，以 %、T TI I、T TD D，对控制过程的规律为指导，调整相应，对控制过程的规律为指导，调整相应 的参数进行凑试，直到合适为止的参数进行凑试，直到合适为止 控制器参数的工程整定方法二：临界比例度法方法二：临界比例度法临界振荡整定计算公式临界振荡整定计算公式(1)、使 ， ， Ti0TdpKc1取较小，将PID调节系统投运。(2)、在闭环调节系统上施加给定阶跃作用( )，观察 过渡过程及衰减率 。(3)、如 ，则增大Kc，重复(2)。0(4)、如 ，即闭环系统处于临界振荡状态，这时0PmKmKc1令，测得临界振荡周期 （临界振荡频率 ）mmT(5)、根据选择的调节算法，按下表计算调节算法参数 ， ， 。PTiTd(6)、将整定参数后 投