单回路PID控制课件

3PID控制Outline掌握调节阀的流量特性及开关选择原则掌握单回路控制器“正反作用”的选择原则；掌握单回路控制系统的常用性能指标；掌握PID控制律的意义及与控制性能的关系。3.1控制阀的选择执行器的构成及控制形式

执行器的分类：①按动力能源分类分为气动执行器、电动执行器、液动执行器。气动执行器利用压缩空气作为能源，其特点是结构简单、动作可靠、平稳、输出推力较大、维修方便、防火防爆，而且价格较低；它可以方便的与气动仪表配套使用，即使是采用电动仪表或计算机控制时，只要经过电/气转换器或电/气阀门定位器，将电信号转换为0.02~0.1MPa的标准气压信号，仍然可用气动执行器②按动作极性分类分为正作用执行器和反作用执行器③按动作行程分类分为角行程执行器和直行程执行器④按动作特性分类分为比例式执行器和积分式执行器控制阀的选择内容：口径大小开闭形式流量特性结构型式控制阀的选择常用理想流量特性

1、控制阀理想流量特性主要是指阀的前、后压差恒定时，流体通过阀门的流量与开度之间的关系。其中，称为可调比，一般。

2、理想流量特性主要取决于阀芯的形状。

3、常用理想流量特性1）线性特性——指控制阀相对流量与相对开度呈线性关系。2）对数（等百分比）特性——指单位相对位移变化所引起的相对 流量变化与该点的相对流量成正比 关系。3）快开特性——指单位相对唯一的变化所引起的相对流量变化与 该点相对流量值的倒数成正比关系。4）抛物线特性——指单位相对位移变化所引起的相对流量变化与 该点相对流量值的平方根成正比关系。控制阀的选择工作流量特性

1、串联管道中的工作流量特性当控制阀串联安装于工艺管道时，由于整个工艺管路除控制阀外，还有装置、设备、管道等都存在着阻力，该阻力损失随着通过管道的流量成平方关系变化。因此，当系统有关工艺管路两端总压差一定时，控制阀上的压差就会随着流量的增加而减小。这种压差变化又会引起通过控制阀的流量变化，从而使阀的理想流量特性转变为工作流量特性。上述情形可用值来描述：式中， ——控制阀全开时的压降；

——包括控制阀在内的全部管路系统总压降。

系数s值一方面反映了工艺生产过程的能耗,s值越大能耗也越大；另一方面反映了理想流量特性畸变的程度。s值越小，分配到控制阀上的压降越小，流量特性曲线下移，畸变越严重。一般设计要求s值不小于0.3。控制阀的选择

2、并联管道中的工作流量特性控制阀装于并联管路时，一般都装有手动旁路阀。设置手动旁路阀的主要目的在于当控制系统失灵时手动控制之用，保证工艺过程继续进行。此外，也可满足特殊要求增加流量的需要。这时，控制阀理想流量特性将发生变化成为工作流量特性。上述情形可用值来描述：式中， ——控制阀全开时通过的流量；

——工艺总管流体通过的最大流量。系数值主要反映理想流量特性畸变的严重程度。随值的减小，虽然控制阀本身的流量特性曲线没有变化，但管道系统的可控比将大大降低，泄漏量增大，另外，实际系统总是同时存在串联管道阻力的影响，其阀上压差随流量的增加而降低，使得系统的可控比进一步下降。导致控制阀实际可调的变化流量范围更小，甚至不起控制作用。设计中，一般要求值不应低于0.8，即旁路阀流量最多只能占总流量的百分之十几。控制阀的选择

控制阀开、关形式选择当控制系统中某一环节出现故障或意外中断气源时，应依次逐级考虑以下三方面：

1）主要考虑人身、设备装置的安全；

2）其次考虑介质性质；

3）还要考虑减少经济损失。控制阀的选择控制阀的口径计算流通能力的计算流通方程式为：若的单位取；的单位取；的单位取；的单位取，上式改写为：，式中，称为流量系数。从上式可知，正比于，因此，在控制阀中称为阀的流通能力。因的值正比于流通面积，而取决于阀芯直径；又因正比于，而阻力系数取决于阀的结构，因此，为了反映不同口径，不同结构的控制阀流通能力的大小，需规定一个统一的实验条件。于是流通能力被定义为：当控制阀全开时，阀两端的压差为流体密度为，每小时流经控制阀的流量，以计。若改用作单位，而的定义式不变，则流通方程式改写为：，即控制阀的选择口径计算步骤

1、根据现有的生产能力、设备负荷及介质的状况，确定最大工作流量和最小工作流量。

2、根据系统特点选定值，然后计算压差，即控制阀全开时压差。

3、根据控制介质类型和工况，选用合适的值计算公式，求最大和最小流量时流通能力和。

4、根据值，在所选用的产品型式标准系列中，选取大于并最接近的一档值。各类控制阀的值有汇总表。

5、开度验算。

6、实际可控比验算。

7、压差校核。

8、上述各项验算合格，则所选控制阀口径合格，否则需重定值和口径，再验算至合格。控制阀的选择角型阀：

1）结构特点：阀体为角型，其它结构与单座阀类似。

2）使用场合：适用于高压差、高粘度、含有悬浮物和颗粒物流体的场合。三通阀：

1）结构特点：有三个出入口与管道相连接。按作用方式可分为合流和分流两种。

2）使用场合：一般用于替代两个直通阀进行热交换器的旁通控制。隔膜阀：

1）结构特点：采用带有耐腐蚀村里的阀体和耐腐蚀隔膜。

2）使用场合：适用于强酸、强碱、强腐蚀性流体的控制，和有毒性、易燃、易爆、贵重 流体的控制。碟阀：

1）结构特点：有常温型、低温型和高温型之分。

2）使用场合：特别适用于大流量、大管径、低压差的场合。控制阀的选择小流量阀：

1）结构特点：结构简单，体积较小，重量轻，便于安装维护。

2）使用场合：适用于要求小流量控制的场合。套筒阀：

1）结构特点：采用平衡型阀芯结构，采用阀芯和套筒侧面导向，空化对节流材质破坏小， 由此引起的振动和噪声也小，提高了阀的使用寿命。

2）使用场合：适用于阀两端压差较大，并且要求噪声低，气蚀小，响应快的场合，也适 用于高粘度或含有悬浮物的介质控制。控制阀的选择阀门定位器的使用是气动执行机构的主要附件，它与气动执行器配套使用，组成闭环，利用阀杆位移反馈提高阀门定位精度与灵敏度。它能输出较大功率的气源信号，克服阀杆的磨檫力和介质的不平衡影响，从而使控制阀位置按控制器送来的操纵信号实现确定位。应用场合：

1）用于控制阀高精度定位，及工作可靠性高的控制场合；

2）用于阀前后压差较大（）的场合，克服不平衡力，使阀杆正确定位；

3）用于控制高压介质，克服较大不平衡力与干磨檫力；

4）用于大口径、大膜头的场合（），或控制阀与控制器相距较远（>60m）时，克服滞后，提高执行速度；5）用于高温或低温介质的场合，克服阀门填料与阀杆之间较大的干磨檫力；6）用于流体介质中含固体悬浮物或粘性较大的场合，克服介质对阀杆移动所产生的较大阻力；控制阀的选择控制阀的安装使用

安装时应注意的：

1）安装前，控制阀和阀门定位器应经过检查调校，包括始、终点偏差、非线性偏差、正反行 程边差等项目。阀门定位器的输出不应有持续振荡。

2）安装位置应便于维护，尽可能远离高温、机械振动及腐蚀性场合。

3）控制阀最好垂直安装在水平管道上，特殊情况需要水平或倾斜安装时（除小口径阀外）一 般要加支撑。

4）对无手轮机构的控制阀，或虽有手轮但属重要控制的场合，应设置旁路控制，并安装切断 阀（上、下游各一个）。

5）控制阀流向不能装反，连接口径不同时，应特制锥形大小头连接。

6）在高压装置中，控制阀前后压差较大，液态流体通过阀要产生空化现象，阀后要串联限流 降压孔板。

7）平时要对填料密封、阀杆移动、气路接头、膜片等定期检查，看其是否正常。调节阀的工作流量特性分析阀阻比S100：调节阀全开时的两端压降与系统总压降之比，即为了保证控制阀具有一定的可控范围，必须使阀两端的压降在整个管线总压降中有较大的比例。S值小，可控范围就窄，将导致控制阀特性的畸变，使控制效果变差。气动调节阀的结构u(t)：控制器输出(4~20mA或0~10mADC)；pc：调节阀气动控制信号；l：阀杆相对位置；f：相对流通面积；q：受调节阀影响的管路相对流量。控制阀气开气关结构示意图

调节阀的气开气关选择FC从保护锅炉出发，应选用气闭阀；从保护后续设备出发，应选用气开阀。主要要分清主次矛盾。生产工艺对控制阀的开闭形式没有严格的要求开闭形式可以任选。LC给水蒸汽假设右图为液体储槽，控制液位为恒定，要求内部液体严禁溢出，选择控制阀的开闭形式？（1）选择流入量F1为控制变量（2）选择流出量F2为控制变量F1F2调节阀的理想流量特性调节阀理想流量特性：通过控制阀的流量和阀门开度之间的函数关系。f为相对流量；l为相对开度：

线性阀（1）：等百分比阀或称对数阀（2）：调节阀4种理想流量特性调节阀流量特性总结

线性阀：在理想情况下，调节阀的放大增益Kv与阀门开度无关；而随着管路系统阀阻比的减少，当开度到达50~70%时，流量已接近其全开时的数值，即Kv随着开度的增大而显著下降。

对数阀：在理想情况下，调节阀的放大增益Kv随着阀门开度的增大而增加；而随着管路系统阀阻比的减少，Kv渐近于常数。控制阀结构形式的选择阀结构形式特点及使用场合直通单座阀前后压降低，适用于要求泄露量小的场合直通双座阀前后压降大，适用于要求泄露量较大的场合角阀适用于高压，高粘度的，含悬浮物或颗粒状物质的场合高压阀适用于高压控制的特殊场合蝶阀适用于有悬浮物的液体、大流量气体、压差低、允许泄露量大的场合隔膜阀适用于有腐蚀介质的场合三通阀适用于分流或合流的控制场合控制阀的结构形式调节阀流量特性的选择选择原则：仅当对象特性近似线性而且阀阻比大于0.60

以上（即调节阀两端的压差基本不变），才选择线性阀，如液位控制系统；其他情况大都应选择对数阀。“广义对象”的概念特点：（1）使控制系统的设计与分析简化；（2）广义对象的输入输出通常可测量，以便于 测试其动态特性；（3）只关心某些特定的输入输出变量。3.2控制器的“正反作用”选择问题问题：如何构成一个负反馈控制系统？控制器的“正反作用”选择定义：当被控变量的测量值增大时，控制器的输出也增大，则该控制器为“正作用”；否则，当测量值增大时，控制器输出反而减少，则该控制器为“反作用”。选择要点：使控制回路成为“负反馈”系统。选择方法：（1）假设检验法。先假设控制器的作用方向，再检查控制回路能否成为“负反馈”系统。（2）回路判别法。先画出控制系统的方块图，并确定回路除控制器外的各环节作用方向，再确定控制器的正反作用。控制器的作用方向选择：假设检验法根据控制阀的“气开气关”的选择原则，该阀应选“气开阀”，即：u↑→Rf↑。

假设温度控制器为正作用，即：Tm↑→u↑；则结论：该控制器的作用方向不能为正作用，而应为反作用.控制器的作用方向选择：回路判别法回路判别法的要点：（1）反馈回路中负增益环节数为奇数；（2）对控制器而言，“正作用”是指Tm↑→u↑。回路判别法的步骤：（1）根据被控变量和操作变量判断被控对象增益特性；（2）根据控制阀开闭形式选择原则确定控制阀增益特性；（3）变送器增益特性一般为正；（4）确定控制器的增益特性，从而确定其正、反作用。举例：压力控制系统的分析“正作用”+Gm(S)Go(S)Gv(S)Gc(S)+-PC气开PC气开+Gm(S)Go(S)Gv(S)Gc(S)-+“反作用”结论讨论了调节阀的流量特性及开关选择原则；引入了广义对象的概念；介绍了单回路控制器“正反作用”的选择原则。上一讲内容回顾讨论了调节阀的流量特性及开关选择原则；引入了广义对象的概念；介绍了单回路控制器的“正反作用”；本讲基本要求描述了单回路系统的常用性能指标掌握PID控制律的意义及与控制性能的关系了解PID控制律的选取原则掌握单回路PID控制器的参数整定方法了解“防积分饱和”与“无扰动切换”了解PID参数的自整定方法3.3控制系统的性能指标以阶跃响应曲线的特征参数作为性能指标偏差积分性能指标控制性能指标衰减比超调量回复时间余差偏差平方值积分偏差绝对值积分偏差绝对值与时间乘积的积分[例]某化学反应器，工艺规定操作温度为200±10℃，考虑安全因素，调节过程中温度规定值最大不得超过15℃。现设计运行的温度定值调节系统，在最大阶跃干扰作用下的过渡过程曲线如下图所示，试求：该系统的过渡过程品质指标（最大偏差、超调量、余差、衰减比和震荡周期），并问该调节系统是否满足工艺要求。解：最大偏差：A=230-200=30℃余差：e=205-200=5℃衰减比：震荡周期：T=20-5=15min过渡时间（调节时间）：再：工艺规定操作温度为200±10℃，考虑安全因素，调节过程中温度规定值最大不得超过15℃，而该调节系统=30℃，不满足工艺要求。3.4三种常规的反馈控制模式当构成一个控制系统的被控对象、测量变送环节和控制阀都确定之后，控制器参数是决定控制系统控制质量的唯一因素。PID控制器比例控制器比例增益对控制性能的影响控制器增益Kc对系统性能的影响：增益Kc

增大，系统的调节作用增强，但稳定性下降（当系统稳定时，调节频率提高、余差下降）。P控制作用举例比例积分控制器积分时间积分作用对控制性能的影响积分时间Ti对系统性能的影响

引入积分作用可以消除稳态余差，但控制系统的稳定性下降。当积分作用过强时（即Ti过小），可能使控制系统不稳定。PI控制作用举例理想的比例积分微分控制器微分时间Td对系统性能的影响 微分作用的增强（即Td增大），从理论上讲使系统的超前作用增强，稳定性得到加强，但对高频噪声起放大作用。对于测量噪声较大的对象，需要引入测量信号的平滑滤波；而微分作用主要适合于一阶滞后较大的广义对象，如温度、成份等。微分作用对控制性能的影响PD控制作用举例实际的比例积分微分控制器其中Ad

为微分增益SimuLink结构:控制器增益Kc或比例度PB

增益增大(即Kc增大或比例度PB下降)，调节作用增强，但稳定性下降；积分时间Ti

积分作用增强（即Ti下降），使系统消除余差的能力加强，但控制系统的稳定性下降；微分时间Td

微分作用增强（即Td增大），可使系统的超前作用增强，稳定性得到加强，但对高频噪声起放大作用，主要适合于特性滞后较大的广义对象，如温度对象等。PID参数对控制性能的影响(整定规律)结论描述了单回路系统的常用性能指标；通过仿真讨论了PID控制律的意义及与控制性能的关系。3.5工业PID控制器的选择*1：当工业对象具有较大的滞后时，可引入微分作用；但如果测量噪声较大，则应先对测量信号进行一阶或平均滤波。PID工程整定法1-经验法 针对被控变量类型的不同，选择不同的PID参数初始值，投运后再作调整。尽管简单，但即使对于同一类型的被控变量，如温度系统，其控制通道的动态特性差别可能很大，因而经验法属最为“粗糙”的整定法。 （具体整定参数原则见p.53表4.3-1）工程整定法2-临界比例度法1、先切除PID控制器中的积分与微分作用（即将积分时间设为无穷大，微分时间取为0），并令比例增益KC为一个较小值，并投入闭环运行；2、将设定值作小幅度的阶跃变化，观察测量值的响应变化情况；3、逐步增大KC的取值，对于每个KC值重复步骤2中的过程，直至产生等幅振荡；4、设等幅振荡的振荡周期为Pu、产生等幅振荡的控制器增益为Kcmax

。临界比例度法举例临界比例度法(续)控制规律KcTiTdP0.5KcmaxPI0.45Kcmax0.83PuPID0.6Kcmax0.5Pu0.12Pu根据等幅振荡曲线得到的振荡周期Pu和产生等幅振荡的控制器增益Kcmax，对所选择的控制规律查表得到控制器参数。临界比例度法举例（续2）工程整定法3-衰减曲线法按“先P后I最后D”的操作程序，将求得的整定参数设置在调节器上，再观察运行曲线，若不太理想，还可作适当调整。临界比例度法的局限性： 生产过程有时不允许出现等幅振荡，或者无法产生正常操作范围内的等幅振荡。工程整定法3-衰减曲线法衰减曲线法的注意事项：（1）对于反应较快的控制系统，要认定4:1衰减曲线和读出Ts比较困难，此时，可认为记录指针来回摆动两次就达到稳定是4:1衰减过程。（2）在生产过程中，负荷变化会影响过程特性。当负荷变化较大时，必须重新整定调节器参数值。（3）若认为4:1衰减太慢，可采用10:1衰减过程。对于10:1衰减曲线法整定调节器参数的步骤与上述完全相同，仅仅所用计算公式有些不同。衰减曲线法举例工程整定法4-响应曲线法响应曲线法PID参数整定步骤： （1）在手动状态下，改变控制器输出（通常采用阶跃 变化），记录被控变量的响应曲线； （2）根据单位阶跃响应曲线求取“广义对象”的近似模型与模型参数； （3）根据控制器类型与对象模型，选择PID参数并投 入闭环运行。在运行过程中，可对增益作调整。响应曲线法阶跃响应测试法（续1）对象的近似模型：响应曲线法特点：适合于存在明显纯滞后的自衡对象，而且广义对象的阶跃响应曲线可用“一阶+纯滞后”来近似。整定公式：响应曲线法举例1响应曲线法举例2继电器型PID自整定器具有继电器型非线性控制系统问题：分析上述非线性系统产生等幅振荡的条件？继电器输入输出信号分析周期信号的Fourier级数展开一个以T为周期的方波函数f(t)可以展开为假设继电器的幅值为d，则继电器输出的一次谐波为继电器型控制系统等幅振荡条件对于没有滞环的继电器环节，假设该环节输入的一次谐波振幅为a，则a为系统产生振荡的条件是：再由临界比例度法自动确定PID参数.继电器型PID自整定举例P.56仿真举例如何实现？单回路系统的“积分饱和”