1、过程装备控制技术及应用,2.2 单回路控制系统,内容提要,2.2.1简单控制系统的设计 被控变量的选择 操纵变量的选择 测量元件特性的影响 2.2.2 调节器调节规律的选择 位式 P I D PI PD PID 2.2.3 调节器参数的工程整定 临界比例度法 衰减曲线法 经验凑试法,2.2.1单回路控制系统的设计,单回路控制系统，也称为简单控制系统，通常是指由一个测量元件、变送器、一个调节器、一个控制阀和一个对象所构成的单闭环控制系统。,图 液位控制系统,图 温度控制系统,在以后的控制系统图中，将不再画出测量、变送环节，但要注意在实际的系统中总是存在这一环节，只是在画图时被省略了。,说明：,调
2、节器 (LC或TC),执行器（控制阀）,被控对象 （液位储槽或换热器）,测量、变送环节 （LT或TT）,被控变量 （液位或温度）,干扰,偏差,设定值,广义对象,简单控制系统方块图,图 简单控制系统的方块图,2.2.1单回路控制系统的设计,从图中可知,简单控制系统由四个基本环节组成，即被控对象、测量变送装置、调节器和执行器。 在该系统中有着一条从系统的输出端引向输入端的反馈路线，也就是说该系统中的调节器是根据被控变量的测量值与给定值的偏差来进行控制的。,2.2.1单回路控制系统的设计,设计一个控制系统，首先应对被控对象做全面的了解。包括： 被控对象的特性（动静态）； 工艺过程； 设备特性，等；
3、确定正确的控制方案，包括： 合理地选择被控变量与操纵变量； 选择合适的检测变送元件及检测位置； 选用恰当的执行器、调节器以及调节器调节规律等； 最后将调节器的参数整定到最佳值。,2.2.1单回路控制系统的设计,一、被控变量的选择,生产过程中希望借助自动控制保持恒定值（或按一定规律变化）的变量称为被控变量。,被控变量的界定,它们对产品的产量、质量以及安全具有决定性的作用，而人工操作又难以满足要求的；人工操作虽然可以满足要求，但是，这种操作是既紧张而又频繁的。,被控变量的分类（按照与生产过程的关系）,直接指标控制； 间接指标控制。,明确 控制目的,使生产过程自动按照预定的目标进行，并使工艺参数保持
4、在预先规定的数值上（或按预定规律变化）,分析 生产工艺,“关键”变量：对产品的产量、质量以及生产过程的安全具有决定作用的变量,确定 被控变量,两种控制类型：直接指标控制和间接指标控制 当质量指标信号缺少检测手段、信号微弱、滞后很大时，可选取与直接质量指标有单值对应关系而反应又快的变量做为间接控制指标。,选择被控变量,2.2.1单回路控制系统的设计,2.2.1单回路控制系统的设计,图 精馏过程示意图,1精馏塔；2蒸汽加热器,苯-甲苯溶液的T-x图,苯-甲苯溶液的p-x图,举例,精馏塔系统的被控变量选择,塔顶易挥发组分纯度XD、塔顶温度TD、塔顶压力P三者之间的关系为： XD= f (TD，P)，
5、两个独立变量。,2.2.1单回路控制系统的设计,从工艺合理性考虑，常常选择温度作为被控变量。,原因,在精馏塔操作中，压力往往需要固定。只有将塔操作在规定的压力下，才易于保证塔的分离纯度，保证塔的效率和经济性。 在塔压固定的情况下，精馏塔各层塔板上的压力基本上是不变的，这样各层塔板上的温度与组分之间就有一定的单值对应关系。 所选变量有足够的灵敏度。,要有代表性。被控变量应能代表一定的工艺操作指标或能反映工艺操作状态，一般都是工艺过程中比较重要的变量。应该独立可控。简单控制系统的被控变量应避免和其他控制系统的被控变量有关联（耦合)关系。滞后要小。采用直接指标作为被控变量最直接也最有效。当无法获得直
6、接指标信号，或其测量和变送环节滞后很大时，可选择与直接指标有单值对应关系的间接指标作为被控变量。灵敏度要高。被控变量应能被测量出来，并具有足够大的灵敏度。成本要低。选择被控变量时，必须考虑工艺的合理性和国内仪表产品现状。,被控变量选择的一般原则,2.2.1单回路控制系统的设计,2.2.1单回路控制系统的设计,二、操纵变量的选择,1.操纵变量（控制变量）,在自动控制系统中，把用来克服干扰对被控变量的影响，实现控制作用的变量称为操纵变量。,最常见的操纵变量是介质的流量。,操纵变量与干扰变量,原则上，在诸多影响被控变量的输入中选择一个对被控变量影响显著而且可控性良好的输入作为操纵变量后，其它所有未被
7、选中的输入则成了为系统的干扰变量。,2.2.1单回路控制系统的设计,举例,图 精馏塔流程图,如果根据工艺要求，选择提馏段某块塔板（一般为灵敏板）的温度作为被控变量。,影响塔顶温度的主要因素：,O,P,通过工艺分析，选择蒸汽流量作为操纵变量。,2.2.1单回路控制系统的设计,图 影响提馏段温度的各种因素示意图,影响提馏段灵敏板温度T灵的因素主要有： 进料的流量（Q入）、成分（x入）、温度（T入）、回流的流量（Q回）、回流液温度（T回）、加热蒸汽流量（Q蒸）、冷凝器冷却温度及塔压等等。,通过工艺分析，选择蒸汽流量作为操纵变量。,2.2.1单回路控制系统的设计,2.对象特性对选择操纵变量的影响,干扰
8、通道与控制通道的关系,干扰变量由干扰通道施加在对象上，起着破坏作用，使被控变量偏离给定值；,操纵变量由控制通道施加到对象上，使被控变量回复到给定值，起着校正作用。,控制质量 系统的过渡过程形式超调量、衰减 比、余差、过渡时间、振荡周期 对象特性 系统的输入输出关系分为对象静态性质和对象动态性质 考察对象特性对控制质量的影响，用 以选择控制变量,2.2.1单回路控制系统的设计,（1）对象静态特性的影响,一般希望控制通道的放大系数KO要大些，对象干扰通道的放大系数Kf小些。,控制通道的稳态特性由控制通道放大系数K0表征 从控制有效性考虑，K0应适当的大一些,干扰通道的稳态特性由干扰通道放大系数Kf
9、表征 希望Kf小一些，Kf越小干扰变量对被控变量的影响就越小,控制变量选择的原则一：当多个输入变量都影响被控变量时，从稳态性质考虑，应该选择其中放大系数大的可控变量作为控制变量。,2.2.1单回路控制系统的设计, 控制通道纯滞后0的影响,控制通道的物料输送或能量传递都需要一定的时间。这样造成的纯滞后O对控制质量是有影响的。图所示为纯滞后对控制质量影响的示意图。,图 纯滞后0对控制质量的影响,在选择操纵变量构成控制系统时，应使对象控制通道的纯滞后时间0尽量小。,（2）对象动态特性的影响, 控制通道时间常数的影响,Tc不能过大，否则会使操纵变量的校正作用迟缓、超调量大、过渡时间长。要求对象控制通道
10、的时间常数T小一些，从而获得良好的控制质量。,2.2.1单回路控制系统的设计, 干扰通道时间常数的影响,干扰通道的时间常数Tf越大，表示干扰对被控变量的影响越缓慢，越有利于控制。, 干扰通道纯滞后f的影响,如果干扰通道存在纯滞后f，控制作用也推迟了时间f，使整个过渡过程曲线推迟了时间f，只要控制通道不存在纯滞后，通常是不会影响控制质量的，如图所示。,干扰通道纯滞后f的影响,2.2.1单回路控制系统的设计,17,3.操纵变量（控制变量）的选择原则,控制变量是可控的，工艺上允许调节的变量。控制变量应比其他干扰对被控变量的影响更加灵敏。通过合理选择控制变量，使： 控制通道：Kc适当大、Tc适当小(但
11、不宜过小，否则易引起振荡)、尽量小。 干扰通道：Kf尽可能小、Tf尽可能大。 还要考虑工艺的合理性与生产的经济性。 一般说来不宜选择生产负荷作为控制变量，因为生产负荷直接关系到产品的产量，是不宜经常波动的。,2.2.1单回路控制系统的设计,被控变量：物料出口温度,待选的控制变量：,热物料温度 热物料的流量 液氨的流量 气氨的回气压力,O,P,热物料流量F对冷物料出口温度T的放大系数为：,气氨回气压力P对冷却器物料出口温度T的放大系数为：,P,P,练习：根据稳态性质选择控制变量,O,O,根据动态性质选择控制变量,乳化物干燥系统示意图,工艺要求 在保证产品含水率合格的前提下，保证最大产量。,被控变
12、量 产品含水率 干燥温度T1,影响被控变量的主要输入变量乳化物流量fw 旁路空气流量fQ 加热蒸汽压力流量fp,乳化物干燥系统示意图,GF(S) = e-3S,Fw-T1,FQ-T2,FP-T2,T2-T1,传递函数,方案1：乳化物流量为控制变量,方案2：旁路空气流量fQ为控制变量,方案3：蒸汽流量fp为控制变量,2.2.1单回路控制系统的设计,三、测量元件特性的影响,测量、变送装置是控制系统中获取信息的装置，也是系统进行控制的依据。要求它能正确地、及时地反映被控变量的状况。,1.测量元件的时间常数,图 测量元件时间常数的影响,测量元件，特别是测温元件，由于存在热阻和热容，它本身具有一定的时间
13、常数，易造成测量滞后。,2.2.1单回路控制系统的设计,测量元件的时间常数越大，测量滞后现象愈加显著。控制系统中的测量元件时间常数不能太大，最好选用惰性小的快速测量元件。当测量元件的时间常数Tm小于对象时间常数的110时，对系统的控制质量影响不大。测量元件安装是否正确，维护是否得当，也会影响测量与控制。,结论,2.2.1单回路控制系统的设计,2.测量元件的纯滞后,当测量存在纯滞后时，会严重地影响控制质量。,图 pH值控制系统示意图,有时，测量的纯滞后是由于测量元件安装位置引起的。,延迟时间0,这一纯滞后使测量信号不能及时反映中和槽内溶液pH值的变化，因而降低了控制质量。,2.2.1单回路控制系
14、统的设计,3.信号的传送滞后,信号传送滞后,测量信号传送滞后,控制信号传送滞后,由现场测量变送装置的信号传送到控制室的调节器所引起的滞后。,由控制室内调节器的输出控制信号传送到现场执行器所引起的滞后。,信号的传送滞后，应尽量减小。,选择快速测量元件,正确选择测量元件的安装位置。 通常测量单元件应在最具代表性，响应最灵敏、最迅速的位置安装，避免安装在死角或易挂料结焦的地方。 分析取样应在温度比较稳定，离设备较近之处，尽量减小纯滞后。,正确使用微分器。引入微分，对克服测量滞后，改善控制质量是一种有效的方法。,2.2.1单回路控制系统的设计,克服测量滞后的几种方法,负荷变化对控制质量的影响及调节阀的
15、选择,负荷变化使得被控对象特性发生变化，对控制质量产生影响。,可以通过选择不同结构的调节阀，利用调节阀的流量特性来克服负荷变化带来的影响。,原理：利用调节阀的放大系数的变化来补偿控制对象放大系数的变化，使广义对象的放大系数基本保持不变或近似不变，从而达到较好的控制效果,2.2.1单回路控制系统的设计,2.2.2 调节器调节规律的选择,四、调节器调节规律的选择,1.调节器调节规律,调节规律：也称为控制规律，是指调节器的输出信号与输入信号之间的关系。即,2.2.2 调节器的调节规律,注意： 在分析自动化系统时，偏差e=x-z； 在研究控制仪表时，偏差e=z-x 强调： 如果z(t)p(t) ，正作
16、用； 若z(t)p(t) ，反作用调节器 在研究调节器的调节规律时 经常是假定调节器的输入信号e是一个阶跃信号，然后来研究调节器的输出信号p随时间的变化规律。,2.2.2 调节器的调节规律,调节器的基本调节规律,位式控制（双位控制较常用）比例作用(Proportional)积分作用(Intergral)微分作用(Derivative),双位控制纯比例控制 P比例积分控制 PI比例微分控制 PD比例积分微分控制 PID。,工业上（最）常用的调节规律：,双位控制是最简单实用的一种调节规律，调节器输出只有2个固定的数值，即2个极限位置（最大或最小）。,这是一种理想的双位控制，请问这种理想的双位控制能
17、否直接用于实际工业现场的控制？,一、双位控制理想双位控制的基本规律,理想双位控制的基本规律,图 理想双位控制特性,图 双位控制示例,如图是一个双位液位控制系统，工作过程？,p,这种现象在实际系统中是绝对不允许的，因为任何一种设备都有一定的使用寿命，电磁阀的寿命一般在10万50万次。,规律：,某压力控制系统，控制设定值为100KPa，当罐内压力刚好达到100KPa时，调节器输出为0，电磁阀关；罐内压力稍稍大于100KPa时，调节器输出为1，电磁阀开，排除气体降低系统压力，此时罐内压力马上又小于设定值100KPa，电磁阀关，内部压力马上又会重新升高，大于100 KPa，调节器输出为1，电磁阀开，这
18、样调节器输出在0与1之间不断变化，电磁阀也在“开”和“关”二个状态上不停的动作。,实际双位控制,一、双位控制双位控制举例,4.位式控制的特点： 简单、过渡过程是振荡的 5.位式控制的适用范围：时间常数大纯滞后小负荷变化不大也不激烈控制要求不高。,p,1. 由于位式控制的执行器是从一个固定位置到另一个固定位置，所以整个系统不可能保持在一个平衡状态,2.被控变量总在设定值的附近波动，其过渡过程是持续的等幅振荡。,3.滞回区间的大小影响振荡频率。振荡频率低，控制质量差；振荡频率高，影响执行器的使用寿命。,一、双位控制总结,在双位控制中，被控变量不可避免地会产生等幅振荡过程。能否考虑使控制阀的开度（即
19、调节器的输出值）与被控变量的偏差成比例，根据偏差的大小，控制阀可以处于不同的位置，这样就有可能获得与对象负荷相适应的操纵变量，从而使被控变量趋于稳定，达到平衡状态。,2.2.2 调节器的调节规律,二、比例控制P,2.2.2 调节器的调节规律,比例控制的一个示例,在t=t0时，系统外加一个干扰作用,液位开始下降,作用在控制阀上的信号,进水量增加,偏差的变化曲线,在该控制系统中，阀门开度的改变量与被控变量(液位)的偏差值成比例，这就是比例调节规律，其输出信号的变化量与输入信号(指偏差，当给定值不变时，偏差就是被控变量测量值的变化量)的变化量之间成比例关系，这种调节规律称为“纯比例控制” KP是一个
20、重要的系数，它决定了比例控制作用的强弱。,纯比例控制是一种最基本的调节规律，从上面这个例子可以看出来，纯比例控制至少能克服位式控制振荡、不稳定的缺点。,如图，据相似三角形原理可知：,2.2.2 调节器的调节规律,比例调节规律,既：对于具有比例控制的调节器：,比例调节规律表达式：,KP是调节器的比例增益或放大倍数（与对象增益的区别）,A,Kp*A,根据上述响应曲线，可以明显地看出比例调节器的一个特点： 控制及时。一旦偏差不为 0，调节器的输出即刻发生改变。,比例调节规律的响应曲线,比例调节规律的特点,2.2.2 调节器的调节规律,比例调节器输出变化量p与偏差e之比：,2. 比例增益KP和比例度,
21、KP越大，比例作用越强，KP越小比例作用越弱。,但是，在工业现场，一般都习惯于用比例度来表示比例作用的强弱,比例增益KP,比例度定义：,输入信号相对变化量占输出信号的相对变化量的百分数。,2.2.2 调节器的调节规律,图 比例度示意图,当输入输出是统一信号时，,KP越大 越小 比例作用越强。,比例作用对过渡过程的影响,纯比例控制系统，过渡过程结束以后必定存在余差，且：KP越大或越小余差越小 KP 越大或越小 控制作用越强 余差越小、最大偏差越小 KP 太大或太小 控制作用太强 稳定性降低、甚至造成系统不稳定,2.2.2 调节器的调节规律,纯比例调节系统的特点：控制及时; 控制结束有余差 纯比例
22、控制适用场合：干扰幅度较小; 纯滞后较小负荷变化不大; 控制要求不太高 一般来说： 若对象的：滞后较小、时间常数较大，放大倍数较小时，比例度可以选得小些，以提高系统的灵敏度，使反应快些，从而过渡过程曲线的形状较好。 反之，比例度就要选大些以保证稳定。,比例作用对过渡过程的影响,2.2.2 调节器的调节规律,三、比例积分控制,当对控制质量有更高要求时，就需要在比例控制的基础上，再加上能消除余差的积分控制作用。,积分控制作用的输出变化量p与输入偏差e的积分成正比，即,积分调节器特性,当输入偏差是常数A时,当有偏差存在时，输出信号将随时间增长（或减小）。当偏差为零时，输出才停止变化而稳定在某一值上，
23、因而用积分调节器组成控制系统可以达到无余差。,结论,定义：积分作用是指调节器的输出与输入（偏差）对时间的积分成比例的特性。表达式为 ：,1.积分调节规律 I,式中；Ti =1/Ki：积分时间，因为Ti在分母底下，所以Ti越大积分作用越小。,只要有偏差存在，调节器输出会不断变化，直到偏差为0消除余差 调节器的输出是偏差随时间的积分，当t较小时，调节器输出p(t)很小，控制作用很弱，不能及时克服干扰作用， 所以一般不单独采用积分作用，而与比例作用配合使用。,特点：,2.比例积分控制作用,比例积分(PI)控制由比例和积分二种控制作用组合而成,比例作用项,积分作用项,如果加入幅值为A的阶跃信号：,积分
24、时间的定义：在阶跃输入下，积分作用的输出变化到比例作用的输出所经历的时间。,比例积分控制作用,PI调节器输入一个方波信号，幅值为10，调节器的初始输出为0，画出调节器输出的波形。（KP1，Ti1min）,10,0%,30,20,20,15,10,15,注意：PI调节器可以稳定在任何一个值上调节器的输入输出单位改为实际的mA时，输出波形应该注意坐标单位 实际单位mA（之间的对应关系）,采用比例积分控制作用时，积分时间对过渡过程的影响具有两重性在同样的比例度下： 缩短积分时间Ti，积分调节作用加强，容易消除余差； 缩短积分时间，加强积分调节作用后，会使系统振荡加剧，有不易稳定的倾向。 积分时间越短
25、，振荡倾向越强烈，甚至会成为不稳定的发散振荡。由图可以看出，积分时间过大或过小均不合适。Ti过大，积分作用不明显，余差消除很慢；Ti过小，过渡过程振荡太剧烈，稳定程度降低。,积分作用对过渡过程的影响,积分作用的特点,积分作用的特点：消除余差，会降低系统稳定性；注意事项： 引入积分作用以后，能消除余差，但系统的稳定性必然会降低，所以在使用过程中应适当降低比例作用（增大比例度或降低比例增益） 当对象滞后很大时，可能控制时间较长、最大偏差也较大； 负荷变化过于剧烈时，由于积分动作缓慢，使控制作用不及时，此时可增加微分作用,P31 例2-1,有一台比例积分调节器，它的比例度为50，积分时间为1min。
26、开始时，测量、给定和输出都在50，当测量变化到55时，输出变化到多少?1min后又变化到多少?解 比例积分调节器的输出P和输入偏差e的关系为： 式中：比例度；e一 偏差值(Xm-Xs) Ti积分时间。 输入e=e为一阶跃信号时，相应的输出变化为 e=55%-50%=5%，Ti=1min，代入得：T=0时， P=0.1=10%，此时 P=60% T=1min时， P=0.1+0.1=20%，此时 P=70%,四、微分控制,积分控制最大的优点是消除余差； 积分控制最大的缺点是动作缓慢、产生相位滞后、稳定性降低 比例调节规律和积分调节规律，都是根据已经形成的被控变量与给定值的偏差而进行动作。 对于惯
27、性较大的对象，为了使控制作用及时，常常希望能根据被控变量变化的快慢来控制，这样控制的效果将会更好。 微分作用就是模拟这一实践活动而采用的调节规律。微分控制主要用来克服被控对象的容量滞后(时间常数T)，但不能克服纯滞后。,比例微分控制就是由比例作用和微分作用二种控制作用组合而成,微分作用是指调节器的输出与输入变化率成比例的特性。理想的微分调节规律表达式为：,1. 微分作用,Td：微分时间，Td越大微分作用越强。,微分作用的目的：克服对象滞后大的影响，改善过渡过程品质。,微分作用的原理：根据偏差信号变化速度来确定调节器的输出，改变操作变量（超前控制）。,2.比例微分控制作用,比例微分(PD)控制由
28、比例和微分二种控制作用组合而成,比例作用项,微分作用项,从(a)图上可得出，当加入阶跃输入时，微分作用产生了一个函数，当t0时，p(t)e(t)，很显然这种控制作用在实际应用中没有什么太大的意义 从(b)图中可以看出，当输入为斜坡曲线时存在：p(t)e(tTd)，所以微分控制起到了超前的作用，即：调节器输出比输入超前TD时间 根据这2个特点不难理解：微分作用不能作为一种单独的调节规律来使用，理想的PD作用不能直接使用；微分作用一般多用于对象时间常数较大的系统之中。,3 实际的比例微分控制作用,从前面的波形图中可以看到，如果调节器的输入为阶跃信号，理想PD调节器的输出为脉冲信号，而脉冲信号不可能
29、被其它环节（执行器）所接收到。在工业应用现场时不采用理想的PD作用，而采用实际的PD作用。实际的PD作用表达式为：,式中，Kd为微分增益，它反映实际微分特性与理想微分特性接近的程度Kd越大微分作用越接近理想程度，Kd一般为510。还有一类Kd1的单元，称为反微分器，具有迟缓信号变换的作用。,微分作用对过渡过程的影响,微分时间Td的大小反映微分作用的强弱：Td，微分作用加强，系统稳定性提高，表现为：衰减比；最大偏差减少emax；过渡时间tp；Td太大，微分作用太强，导致反应速度过快，易引起系统振荡.从图中可以看出，微分时间Td太大、太小均不合适，应取适当的数值。由于增加微分作用，可以减小比例度，
30、因而微分时间越大，余差也就越小。,微分作用对过渡过程的影响小结,微分作用适用于过渡滞后强的对象，如：温度对象(其他系统较少用 ) 微分作用对高频噪声非常敏感，在流量控制系统总流量测量信号通常包含脉冲干扰，象这类对象一般不加微分作用。 有些系统由于反应太快，可加“反微分”，以降低系统的灵敏度。 现场控制系统中用比例微分作用的不多，较常见的是比例积分微分三作用调节规律（通常称为PID控制）。 微分作用对纯滞后的对象不起作用。,比例积分微分控制 PID,在工业生产中，常将比例、积分、微分三种作用规律结合起来，可以得到较为满意的控制质量，包括这三种调节规律的调节器称为比例积分微分三作用调节器，习惯上称
31、为PID调节规律。1 理想的PID算法：,理想 PID算法,实际PID算法,Ki积分增益，一般较大，III型模拟调节器约104105 Kd微分增益，一般为510,2 实际PID算法：,PID控制的阶跃响应,理想PID,实际PID,2.2.2 调节器调节规律的选择,调节器的输出与偏差成比例。当负荷变化时，比例调节器克服干扰能力强、控制及时、过渡时间短。在常用调节规律中，比例作用是最基本的调节规律，不加比例作用的调节规律是很少采用的。纯比例控制系统在过渡过程终了时存在余差。负荷变化越大，余差就越大。,特点,（1）比例调节器,比例调节器是具有比例调节规律的调节器。,对于单元组合仪表,适用于,控制通道
32、滞后较小、负荷变化不大、工艺上没有提出无差要求的系统。,2.2.2 调节器调节规律的选择,（2）比例积分调节器,比例积分调节器是具有比例积分调节规律的调节器。,可调整参数,比例放大系数KP（或比例度）和积分时间TI。,适用于,控制通道滞后较小、负荷变化不大、工 艺参数不允许有余差的系统。,特点,由于在比例作用的基础上加上积分作用，而积分作用的输出是与偏差的积分成比例，只要偏差存在，调节器的输出就会不断变化，直至消除偏差为止。积分作用会使稳定性降低，虽然在加积分作用的同时，可以通过加大比例度，使稳定性基本保持不变，但超调量和振荡周期都相应增大，过渡过程的时间也加长。,2.2.2 调节器调节规律的
33、选择,（3）比例积分微分调节器,比例积分微分调节器是具有比例积分微分调节规律的调节器，常称为三作用（PID）调节器。,理想的三作用调节器， 存在,可调整参数,比例放大系数KP（或比例度）、积分时间TI和微分时间TD。,2.2.2 调节器调节规律的选择,特点,微分作用使调节器的输出与输入偏差的变化速度成比例，它对克服对象的滞后有显著的效果。在比例的基础上加上微分作用能提高稳定性，再加上积分作用可以消除余差。所以，适当调整、TI、TD参数，可以使控制系统获得较高的控制质量。,适用于,容量滞后较大、负荷变化大、控制质量要求较高的系统，应用最普遍的是温度、成分控制系统。,2.2.2 调节器调节规律的选
34、择,图2-33 为同一对象在相同阶跃干扰作用下，采用不同调节规律时具有同样衰减比的响应曲线。显然，PID调节的控制作用最佳。 这并不意味着在任何情况下采用PID规律都是合理的。,通常，选择调节器调节规律时需考虑：对象特性、负荷变化、主要扰动和控制要求等情况，同时还应考虑系统的经济性以及系统投入方便等。,关于控制规律选取的几点归纳：,简单控制系统适用于控制负荷变化较小的被控对象。如果负荷变化较大，无论选择哪种调节规律，简单控制系统都很难得到满意的控制质量，应设计选用复杂控制系统。 在一般的控制系统中，P是必不可少的。 当广义对象控制通道T较小，负荷变化较小，要求不高时，可选择P，如贮罐液位、不重
35、要的压力等的控制。 当广义对象控制通道T较小，负荷变化较小，而工艺要求无余差时，可选用PI，如管道压力、流量等的控制。 当广义对象控制通道T较大或n较大时应引入微分作用。 允许有余差，选取PD；要求无余差时，则选用PID。 如温度、成分、PH等参数的控制。,关于控制规律选取的几点归纳：,如果被控对象传递函数可用Gp(S) 近似： 则可根据对象的可控比 /T选择调节器的调节规律： 当/T 0.2时，选择P或PI； 当0.2/T0.5时，选择PD或PID； 当/T0.5时，选用复杂控制系统,因采用简单控制系统往往不能满足控制要求。,常见对象特点及其常用调节器类型,液位滞后不大，一般控制要求不高，常
36、用P或PI调节器； 流量滞后很小，响应快，测量信号有脉动信号，常用PI调节器（一般不能加D）； 压力液体介质：滞后小，气体介质：滞后适中，常用P或PI调节器，有时可用位式控制； 温度滞后较大，响应较慢，常用PID调节器。,2.2.2 调节器调节规律的选择,2.2.2 调节器调节规律的选择,29,2.调节器正、反作用的确定,调节器的正反作用是关系到控制系统能否正常运行与安全操作的重要问题。要通过改变调节器的正、反作用，以保证整个控制系统是一个具有负反馈的闭环系统。,作用的方向,输入变化后，输出的变化方向。,正作用方向,反作用方向,当某个环节的输入增加时，其输出也增加，则称该环节为“正作用”方向。
37、,当环节的输入增加时，输出减少的称“反作用”方向。,2.2.2 调节器调节规律的选择,测量元件及变送器,作用方向一般是“正”的。,执行器,作用方向取决于是气开阀还是气关阀。,被控对象,作用方向随具体对象的不同而各不相同。,调节器,当给定值不变，被控变量测量值增加时，调节器的输出也增加，称为“正作用”方向，或者当测量值不变，给定值减小时，调节器的输出增加的称为“正作用”方向。反之，如果测量值增加时，调节器的输出减小的称为“反作用”方向。,2.2.2 调节器调节规律的选择,调节器正 反作用选择的基本原则,保证整个控制系统形成负反馈,调节器正 反作用选择的步骤,1、判断被控对象的正反作用方向，由工艺
38、机理确定 ； 2、判断执行器的正反作用方向，由工艺安全条件选定，其选择原则是：控制信号中断时，应保证设备和操作人员的安全； 3、确定广义对象的正反作用方向，一般测量变送环节为正作用方向，根据被控对象和执行器的作用方向，确定广义对象的正反作用方向； 4、确定调节器的正反作用方向，广义对象正作用方向，则调节器应选择为反作用，反之亦然。,2.2.2 调节器调节规律的选择,举例,一个简单的加热炉出口温度控制系统。,对象,加热炉,操作变量,燃料气流量,被控变量,被加热的原料油出口温度,加热炉出口温度控制,当操纵变量燃料气流量增加时，被控变量增加，故对象是“正”作用方向。 如果从工艺安全条件出发选定执行器
39、是气开阀（停气时关闭），以免当气源突然断气时，控制阀大开而烧坏炉子。执行器便是“正”作用方向。 为了保证系统是负反馈的，调节器选“反”作用。,2.2.2 调节器调节规律的选择,液位控制,一个简单的液位控制系统,执行器是“正”方向。对象是“反”方向。调节器为“正”方向。,调节器正、反作用开关示意图,调节器的正、反作用可以通过改变调节器上的正、反作用开关自行选择。一台正作用的调节器，只要将其测量值与给定值的输入线互换一下，就成了反作用的调节器。,2.2.3 调节器参数的工程整定,控制系统的投运,（1）熟悉被控对象和整个控制系统，检查所有仪表及连接管线、气管线、电源、气源等，以保证接线的正确性，及故
40、障时能及时确定故障原因； （2）根据经验或估算比例度 、积分时间TI和微分时间TD的数值，或将调节器放在纯比例作用，比例度放在较大位置； （3）确认控制阀的气开、气关作用；确认调节器的正、反作用； （4）手动操作执行器，待工况稳定后，将调节器由手动状态切换到自动状态，控制系统由开环控制变为闭环控制。初步投运过程基本结束。但控制系统的过渡过程不一定满足要求，需要进一步整定比例度 、积分时间TI和微分时间TD三个参数。,2.2.3 调节器参数的工程整定,一、临界比例度法,调节器参数的整定,按照已定的控制方案，求取使控制质量最好的调节器参数值。即确定最合适的调节器比例度、积分时间TI和微分时间TD。
41、,方法,理论计算的方法和工程整定法。,几种常用的工程整定法,先通过试验得到临界比例度k和临界周期Tk，然后根据经验总结出来的关系求出调节器各参数值。,2.2.3 调节器参数的工程整定,图7-18 临界振荡过程,临界比例度法参数计算公式表,特点,比较简单方便，容易掌握和判断，适用于一般的控制系统。对于临界比例度很小的系统不适用。 对于工艺上不允许产生等幅振荡的系统本方法亦不适用。,2.2.3 调节器参数的工程整定,二、衰减曲线法,通过使系统产生衰减振荡来整定调节器的参数值。,41和101衰减振荡过程,41衰减曲线法调节器参数计算表,表7-3 101衰减曲线法调节器参数计算表,2.2.3 调节器参
42、数的工程整定,在闭环的控制系统中，先将调节器变为纯比例作用，并将比例度预置在较大的数值上。在达到稳定后，用改变给定值的办法加入阶跃干扰，观察被控变量记录曲线的衰减比，然后从大到小改变比例度，直至出现41或10 1衰减比为止。通过比例度s 和衰减周期TS,得到调节器的参数整定值。,2.2.3 调节器参数的工程整定,（1）加的干扰幅值不能太大，要根据生产操作要求来定，一般为额定值的5左右，也有例外的情况。 （2）必须在工艺参数稳定情况下才能施加干扰，否则得不到正确的S 、TS或S和T升值。 （3）对于反应快的系统，如流量、管道压力和小容量的液位控制等，要在记录曲线上严格得到41衰减曲线比较困难。一
43、般以被控变量来回波动两次达到稳定，就可以近似地认为达到41衰减过程了。,注意！,2.2.3 调节器参数的工程整定,三、经验凑试法,根据经验先将调节器参数放在一个数值上，直接在闭环的控制系统中，通过改变给定值施加干扰，在记录仪上观察过渡过程曲线，运用、TI、TD对过渡过程的影响为指导，按照规定顺序，对比例度、积分时间TI和微分时间TD逐个整定，直到获得满意的过渡过程为止。,2.2.3 调节器参数的工程整定,调节器参数的经验数据表,2.2.3 调节器参数的工程整定,整定的步骤,（1）先用纯比例作用进行凑试，待过渡过程已基本稳定并符合要求后，再加积分作用消除余差，最后加入微分作用是为了提高控制质量。
44、,关键,看曲线，调参数。,2.2.3 调节器参数的工程整定,三种振荡曲线比较图,比例度过大、积分时间过大时两种曲线比较图,比例度过小（b）、积分时间过小（a）或微分时间过大（c），产生的周期性激烈振荡。,如果比例度过大（a）或积分时间过大（b），过渡过程变化缓慢的情形。,2.2.3 调节器参数的工程整定,（2）先按表中给出的范围把TI定下来，如要引入微分作用，可取TD(1/31/4)TI，然后对进行凑试，凑试步骤与前一种方法相同。,特点,方法简单，适用于各种控制系统。特别是外界干扰作用频繁，记录曲线不规则的控制系统，采用此法最为合适。 此法主要是靠经验，在缺乏实际经验或过渡过程本身较慢时，往往
45、较为费时。,2.2.3 调节器参数的工程整定,对于同一个系统，不同的人采用经验凑试法整定，可能得出不同的参数值。在一个自动控制系统投运时，调节器的参数必须整定，才能获得满意的控制质量。同时，在生产进行的过程中，如果工艺操作条件改变，或负荷有很大变化，被控对象的特性就要改变，因此，调节器的参数必须重新整定。,注意！,小结：这一节主要回答三个问题1.控什么？2.拿什么来控？3.通过什么方式控？,第一个问题：控制什么？,答：控工艺要求的指标,具体分为两种情况： 1.工艺要求的指标可以直接在线测量直接控制这个指标就可以了（直接指标控制） 2.工艺要求的指标不可以直接在线测量寻找一个于工艺指标有明显的对
46、应关系，且可以测量的另一个间接指标，通过控制间接指标来达到控制工艺指标的目的（间接指标控制）,例如：精馏塔的组分是不能直接在线测量的，通过分析可以发现，当压力恒定的时候，组分与温度存在单值对应关系；或者温度恒定的时候，组分与压力存在单值对应关系，根据工艺分析，最终可以确定：固定压力，通过控制温度来间接控制组分是合理的,第二个问题：拿什么控制？,答：拿一个对被控变量影响较显著的变量来控。 K大一些，T小一些，最好为0,测量仪表的选用和安装：量程、材质、精度等满足工艺要求测量仪表本身要反应快应选择有代表性位置进行安装仪表安装时所用的辅助装置不应带来较大的测量滞后(至少要满足要求),执行器的选用和安装：口径（流通能力）、材质、结构形式、正反作用、流量特性等满足要求本身反应快（气信号不要进行远距离传输、必要时可以采用电气转换器、阀门定位器）阀门安装位置应尽可能靠近被控设备（二者中间不能有很长的工艺管路，否则会人为增大广义对象的纯滞后）,第三个问题：以什么方式控制？,答：没有标准答案 （选择合适的调节规律）,最常用的调节规律：位式控制、P、PI、PD、PID （需要充分理解各种调节规律的特点和适用场合）,后续问题：如何整定PID参数？,答：临界比例度法经验衰减曲线法经验经验凑试法,最好的方法就是“经验”,END,作业：,P57思考题与习题6，7，8，9，10，15,
