1、第三章 反馈控制（简单控制系统）,过程控制工程,内容提要,简单控制系统的结构、性能指标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 控制器控制规律的选择控制器参数的工程整定 临界比例度法 衰减曲线法 经验凑试法,最大偏差A；超调量 衰减比(A-C)/(B-C)；4:110:1 余差C； 过渡时间ts； 振荡周期T。,第一节 简单控制系统的结构、性能指标,1. 最大偏差或超调量,最大偏差是指在过渡过程中，被控变量偏离给定值的最大数值。在衰减振荡过程中，最大偏差就是第一个波的峰值。特别是对于一些有约束条件的系统，如化学反应器的化合物爆炸极限、触媒烧结温度极限等，都会对最大
2、偏差的允许值有所限制。 超调量也可以用来表征被控变量偏离给定值的程度。,2. 衰减比,衰减比是衰减程度的指标，它是前后相邻两个峰值的比。习惯表示为 n:1，一般 n 取为410之间为宜。,3. 余差,当过渡过程终了时，被控变量所达到的新的稳态值与给定值之间的偏差叫做余差，或者说余差就是过渡过程终了时的残余偏差。有余差的控制过程称为有差调节，相应的系统称为有差系统。反之就为无差调节和无差系统。,4. 过渡时间,从干扰作用发生的时刻起，直到系统重新建立新的平衡时止，过渡过程所经历的时间叫过渡时间。一般在稳态值的上下规定一个小范围，当被控变量进入该范围并不再越出时，就认为被控变量已经达到新的稳态值，
3、或者说过渡过程已经结束这个范围一般定为稳态值的（也有的规定为）。,5.振荡周期或频率,过渡过程同向两波峰（或波谷）之间的间隔时间叫振荡周期或工作周期，其倒数称为振荡频率。在衰减比相同的情况下，周期与过渡时间成正比，一般希望振荡周期短一些为好。,某换热器的温度控制系统在单位阶跃干扰作用下的过渡过程曲线如下图所示。试分别求出最大偏差、余差、衰减比、振荡周期和过渡时间（给定值为200）。,举例,温度控制系统过渡过程曲线,解 最大偏差A230-20030 余差C205-200 由图上可以看出，第一个波峰值B230-20525， 第二个波峰值B2102055， 故衰减比应为B:B25:55:1。 振荡周
4、期为同向两波峰之间的时间间隔， 故周期T20-515（min）,分析 过渡时间与规定的被控变量限制范围大小有关，假定被控变量进入额定值的2，就可以认为过渡过程已经结束，那么限制范围为200（2）4，这时，可在新稳态值（205）两侧以宽度为画一区域，上图中以画有阴影线的区域表示，只要被控变量进入这一区域且不再越出，过滤过程就可以认为已经结束。因此，从图上可以看出，过渡时间为22min。,偏差积分性能指标,若要对几种过渡过程曲线做出谁是最优的评论，则首先应规定“最优”的性能指标。一般采用误差函数的积分形式表示。 误差：希望输出、实际输出但系统有余差时：,平方误差积分指标（ISE):时间乘平方误差积
5、分指标（ITSE):绝对误差积分指标（IAE)：时间乘绝对误差积分指标（ITAE)：,第一节 简单控制系统的结构、性能指标,对各种性能指标加以分析理解：, IAE(绝对误差积分)指标在图形上就是偏差面积分，它对于出现在设定值附近的偏差和出现在远离设定值的偏差面积是同等对待的。而ISE(平方误差积分)指标，却对同一偏差面积由于离设定值远近不同引起的目标值J是不一样的。 ITAE(时间乘绝对误差积分指标)是把偏差面积用时间来加权，同样的偏差面积，由于在过渡过程中出现时间的先后不同其目标值J是不同的。 ITSE(时间乘平方误差积分指标)兼有ISE和ITAE的特点，用它来调整控制器参数，可以得到比较理
6、想的结果。,第一节 简单控制系统的结构、性能指标,简单控制系统通常是指由一个测量元件、变送器、一个控制器、一个控制阀和一个对象所构成的单闭环控制系统。,液位控制系统,温度控制系统,简单控制系统的方块图,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、控制器和执行器。 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控制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。,第一节 简单控制系统的结构、性能指标,第二节 简单控制系统的设计,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,
7、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。,第二节 简单控制系统的设计,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。,第二节 简单控制系统的设计,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,第二节 简单控制系统的设计,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
8、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。,第二节 简单控制系统的设计,选择被控变量的原则,（1）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，一般是工艺过程中较重要的变量。,（2）被控变量在工艺操作过程中经常要受到一些干扰影响而变化。为维持其恒定，需要较频繁的调节。,（3）尽量采用直接指标作为被控变量。当无法获得直接指标信号，或其测量和变送信号滞后很大时，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。,第二节 简单控制系统的设计,（4）被控变量应能被测量出来，并具有足够大的灵敏度。,（5）选择被控变量时，必须考虑工艺合理性和国内
9、仪表产品现状。,（6）被控变量应是独立可控的。,第二节 简单控制系统的设计,二、操纵变量的选择,1.操纵变量,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。,第二节 简单控制系统的设计,举例,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。,第二节 简单控制系统的设计,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，
10、选择蒸汽流量作为操纵变量。,第二节 简单控制系统的设计,2.对象特性对选择操纵变量的影响,干扰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。,第二节 简单控制系统的设计,（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。,（2）对象动态特性的影响, 控制通道时间常数的影响,控制通道的时间常数不能过大，否则会使操纵变量的校正作用迟缓、超调量大、过渡时间长。要求对象控制通道的时间常数T小一些，从而获得良好的控制质量。,第二节 简单控制系统
11、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。,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。,第二节 简单控制系统的设计, 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，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,第二节 简单控制
12、系统的设计,3.操纵变量的选择原则, 操纵变量应是可控的，即工艺上允许调节的变量。, 操纵变量一般应比其他干扰对被控变量的影响更加灵敏。控制通道的k、T；干扰通道的k、T；, 在选择操纵变量时，除了从自动化角度考虑外，还要考虑工艺的合理性与生产的经济性。 不宜选生产负荷作为操纵变量； 经济性：降低物料和能源的消耗,第二节 简单控制系统的设计,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,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常数，易
13、造成测量滞后。,第二节 简单控制系统的设计,第二节 简单控制系统的设计,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。,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。,第二节 简单控制系统的设计,3.信号的传送滞后,信号的传送滞后，应尽量减小。,第二节 简单控制系统的设计 四、控制器控制规律的选择,控制器的控制规律是指控制器的输出信号与输入信号之间的关系。,即,经常是假定控制器的输入信号e是一个阶跃信号，然后来研究控制器的输出信号p随时间的变化规律。,在研究控制
14、器的控制规律时,四、控制器控制规律的选择,控制器的基本控制规律,位式控制（其中以双位控制比较常用）、比例控制（P）、积分控制（I）、微分控制（D）及它们的组合形式，如比例积分控制（PI）、比例微分控制（PD）和比例积分微分控制（PID）。,四、控制器控制规律的选择,（1）双位控制,理想的双位控制器其输出p与输入偏差额e之间的关系为,图 理想双位控制特性,图 双位控制示例,1.控制器控制规律的确定,将上图中的测量装置及继电器线路稍加改变，便可成为一个具有中间区的双位控制器，见下图。由于设置了中间区，当偏差在中间区内变化时，控制机构不会动作，因此可以使控制机构开关的频繁程度大为降低，延长了控制器中
15、运动部件的使用寿命。,图 实际的双位控制特性,图 具有中间区的双位控制过程,双位控制过程中一般采用振幅与周期作为品质指标,结论,被控变量波动的上、下限在允许范围内，使周期长些比较有利。,双位控制器结构简单、成本较低、易于实现，因而 应用很普遍。,（2）比例控制,9,在双位控制系统中，被控变量不可避免地会产生持续的等幅振荡过程，为了避免这种情况，应该使控制阀的开度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。,图 简单的比例控制系统示意图,如左图，根据相似三角形原理,对于具有比例控制的控制器,比
16、例控制的放大倍数KP是一个重要的系数，它决定了比例控制作用的强弱。 控制及时，有余差,比例度 是指控制器输入的变化相对值与相应的输出变化相对值之比的百分数。,图 比例度示意图,举例,DDZ-型比例作用控制，温度刻度范围为400800，控制器输出工作范围是010mA。当指示指针从600移到700，此时控制器相应的输出从4mA变为9mA，其比例度的值为,说明,对于这台控制器，温度变化全量程的50（相当于200），控制器的输出就能从最小变为最大，在此区间内，e和p是成比例的。,比例度与放大倍数KP成反比。控制器的比例度越小，它的放大倍数KP就越大，它将偏差（控制器输入）放大的能力越强，反之亦然。,结
17、论,左下图表示液位比例控制系统的过渡过程。,图 比例控制系统过渡过程,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,图 比例度对过渡过程的影响 当比例度减小到某一数值时系统出现等幅振荡，称为临界比例度,（2）比例控制器,比例控制器是具有比例控制规律的控制器。,对于单元组合仪表,适用于,控制通道滞后较小、负荷变化不大、工艺上没有提出无差要求的系统。,第二节 简单控制系统的设计,控制器的输出与偏差成比例。当负荷变化时，比例控制器克服干扰能力强、控制及时、过渡时间短。在常用控制规律中，比例作用是最基本的控制规律，不加比例作用的控制规律是很少采用的
18、。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。,比例控制特点,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 （稳定程度与控制精度的矛盾， Kc的整定就是对这两指标作权衡）。,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,图 积分控制器特性,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，因而用积分控制器组成控制系统可以达到无余差。,结
19、论,第二节 简单控制系统的设计,（3）比例积分控制器,（3）比例积分控制器,比例积分控制器是具有比例积分控制规律的控制器。,可调整参数,比例放大系数Kc（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。,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1.积分作用的输出是与偏差的积分成比例，只要偏差存在，控制器的输出就会不断变化，直至消除偏差为止。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。2.当积分作用过强时（即Ti 过小），可能使控制系统不稳定。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
20、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。,微分控制,在自动控制时，控制器具有微分控制规律,图 理想微分控制器特性,优点,具有超前控制功能。,缺点,它的输出不能反映偏差的大小，假如偏差固定，即使数值很大，微分作用也没有输出，因而控制结果不能消除偏差，所以不能单独使用这种控制器，它常与比例或比例积分组合构成比例微分或三作用控制器。,第二节 简单控制系统的设计,（4）比例积分微分控制器,理想的微分作用TDS 在物理上是不能实现的，一般用超前滞后单元来产生近似的微分作用。其中， 的取值：1/61/20,比例微分控制规律,比例微分控制器特性,比例积分控制规律,三作用控制器特性,（4）
21、比例积分微分控制器,比例积分微分控制器是具有比例积分微分控制规律的控制器，常称为三作用（PID）控制器。,理想的三作用控制器， 存在,可调整参数,比例放大系数Kc（或比例度）、积分时间TI和微分时间TD。,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。,第二节 简单控制系统的设计,比例积分微分控制器特点,微分作用使控制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
22、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。,实际的比例积分微分控制器,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
23、对象，如温度对象等。,PID参数对控制性能的影响,第二节 简单控制系统的设计,2.控制器正、反作用的确定,控制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。要通过改变控制器的正、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。,当环节的输入增加时，输出减少的称“反作用”方向。,第二节 简单控制系统的设计,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。,控
24、制器,当给定值不变，被控变量测量值增加时，控制器的输出也增加，称为“正作用”方向，或者当测量值不变，给定值减小时，控制器的输出增加的称为“正作用”方向。反之，如果测量值增加时，控制器的输出减小的称为“反作用”方向。,第二节 简单控制系统的设计,第二节 简单控制系统的设计,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,第二节 简单控制系统的设计,当操纵变量燃料气流量增加时，被控变量是增加的，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
25、。那么这时执行器便是“正”作用方向。为了保证由对象、执行器与控制器所组成的系统是负反馈的，控制器就应该选为“反”作用。,第二节 简单控制系统的设计,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。控制器为“正”方向。,控制器正、反作用开关示意图,控制器的正、反作用可以通过改变控制器上的正、反作用开关自行选择。一台正作用的控制器，只要将其测量值与给定值的输入线互换一下，就成了反作用的控制器。,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。,1)积分饱和的概念具有积分作用的调节器，只要被调量
26、与设定值之间有偏差，其输出就会不停地变化。如果阀门由于某种原因（关闭、全开或泵故障）而失去控制作用，偏差一时无法消除，而调节器还是要试图校正这个偏差，经过一段时间后，调节器输出将进入深度饱和状态，达到某个极限值并停留在该值，这种现象称为积分饱和。,积分饱和及其防止,原因：控制器的饱和输出限值比执行机构的信号范围大。 积分饱和的极限值一般比控制阀全开全关的信号范围大得多。例如：气动阀，输入有效信号范围：0.020.1Mpa；控制器饱和上限约为气源压力0.140.16Mpa，下限接近大气压（表压0MPa）。进入深度积分饱和的调节器，要等被调量偏差反向以后才慢慢从饱和状态中退出来，重新恢复控制作用。
27、,积分饱和及其防止,积分饱和现象经常发生在间歇过程的控制中、串级系统中的主调节器以及选择性控制等复杂控制系统中。 例：间歇式化学反应器：为消除残差，采用PI调节器调节阀：气开式调节器：反作用方式,积分饱和及其防止,工作过程： （1） t0t1阶段 ： t0时刻，升温，T较低e较大，调节器输出逐渐增大。阀门全开；控制器输出最后可达0.14Mpa（气源压力），称为深度饱和。 （2） t1t2 阶段 ：温度上升，仍低于设定值，调节器输出不会下降（温度T不断上升），阀门全开。 （3） t2t3 阶段 ： t2时刻，偏差反向，调节器输出 u 减小。 由于输出气压大于0.10Mpa， 调节阀仍处于全开状态
28、 （温度T不断上升）。 t3时刻后，调节阀开始关小 （温度T开始下降）。 结果（在 t2t3 阶段 ）温度大大超过设定值，控制品质变坏，甚至引起危险,积分饱和及其防止,全开,全关,2) 防止积分饱和的措施 气动PI调节器。,积分饱和及其防止,积分饱和及其防止,输入输出关系：由以上式可得： 上式为气动PI控制器的算式。其中： 比例增益， 积分时间,由图可见，方框图中存在正反馈，积分作用正是由这正反馈造成的。PI调节器积分部分的输出在偏差长期存在时会超过额定输出值，从而引起积分饱和。措施：利用限幅切断正反馈，使输出不会一直增长，从而避免出现积分饱和现象。,积分饱和及其防止,积分饱和及其防止,实现：
29、对正反馈进行限幅，见图中虚线方框。 设限幅上下限分别为 和 ，则限幅上限时，PI算式为：限幅下限时，PI算式为：这样，利用限幅切断了正反馈，使 限制在一定范围内，防止积分饱和发生,改进后的方框图,单回路控制的抗积分饱和原理,原理：当控制器输出超出正常操作范围时，将积分作用切除。,单回路系统的防积分饱和,单回路系统的抗积分饱和举例,第三节 PID控制器参数的工程整定,一、临界比例度法,控制器参数的整定,按照已定的控制方案，求取使控制质量最好的控制器参数值。即确定最合适的控制器比例度、积分时间TI和微分时间TD。,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
30、和临界周期Tk，然后根据经验总结出来的关系求出控制器各参数值。,第三节 控制器参数的工程整定,临界振荡过程,表 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，或者无法产生正常操作范围内的等幅振荡，本方法亦不适用。,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
31、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,临界比例度法举例(续1),Pu=11.1,临界比例度法(续),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）,PID 0.6Kcmax=0.55.9=3.54； 0.5Pu=0.511.1=5.55； 0.12Pu=0.1211.1=1.33,第三节 控制器参数的工程整定,二、衰减曲线法,通过使系统产生衰减振荡来整定控制器的参数值。,41和101衰减振荡过程,表 41衰减曲线法控制器参数计算表,101
32、衰减曲线法控制器参数计算表,第三节 控制器参数的工程整定,在闭环的控制系统中，先将控制器变为纯比例作用，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,得到控制器的参数整定值。,第三节 控制器参数的工程整定,（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
33、录曲线上严格得到41衰减曲线比较困难。一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！,第三节 控制器参数的工程整定,三、经验凑试法,根据经验先将控制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。,第三节 控制器参数的工程整定,表 控制器参数的经验数据表,第三节 控制器参数的工程整定,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(同时
34、可适当提高比例度)，最后加入微分作用（同时可适当减小比例度、TI）是为了提高控制质量。,关键,看曲线，调参数。,第三节 控制器参数的工程整定,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(周期短)、积分时间过小a (周期较长)或微分时间过大c (周期最短) ，产生的周期性激烈振荡。,如果比例度过大a（波动剧烈）或积分时间过大b（非周期、缓慢回复），过渡过程变化缓慢的情形。,第三节 控制器参数的工程整定,（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
35、。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，往往较为费时。,第三节 控制器参数的工程整定,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，控制器的参数必须整定，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，控制器的参数必须重新整定。,注意！,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
36、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。,响应曲线法举例,阶跃响应测试法举例（续1）,对象的近似模型：,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（续2）,典型自衡工业对象的阶跃响应,对象的近似模型：,响应曲线法举例,假设测量范围为200 400 , K = 1.75, T = 10 min, = 7 min.Kc = 0.8, Ti = 14 min, Td = 3.5 min.,响应曲线法举例（续）,继电器型PID自
37、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（输出信号y的幅度），则a为,系统产生振荡的条件是：,临界振荡周期为 Tu，再由临界比例度法自动确定PID参数.,闭环继电系统临界稳定条件：,简单控制系统的投运,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转到自动工作状态。,准备工作： 1. 详细了解工艺，对投运
38、中可能出现的问题有所估计。 2. 吃透控制系统的设计意图。 3. 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。 4. 设置好控制器正反作用和、参数。 5. 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。,系统投运前的准备三熟悉五检查 控制系统的投运 一个控制系统安装完毕或停车检修之后，如何投运仍是一项十分重要的工作。为了保证系统顺利投运，达到预期的效果，必须科学地、一丝不苟地做好各项工作。,控制系统的投运,三熟悉：熟悉工艺过程机理熟悉控制系统特点与设计意图熟悉紧急情况下的故障处理,系统投运前的准备 三熟悉,1）电、气线路检
39、查：检查线路有无错接、断通情况；气路：有无漏、堵现象电路：有无短路、断路、漏电 2）一次表与变送器的检查一次表、变送器现场模拟信号检验，确保精度、灵敏度，量程达到预定的要求。 3）控制器的检查正、反作用方式是否设定正确对控制功能的现场检查手动 / 自动切换开关P、I、D刻度自动跟踪、 极限信号的报警,五检查,4）控制阀的检查气开、气关形式核实，阀杆运动是否灵活，控制阀的输出信号是否线性，能否在全行程工作。 5）综合检查有关部件灵敏度、可靠性检查，安保系统要重点测试。最后联调，一次表与二次表的信号对应，二次表与执行器的信号对应。,五检查,带有偏差表的控制器投运方法一般电动控制器都带有偏差指示表头
40、。以DDZ-型表为例构成的简单控制系统的投运步骤如下。(1) 控制器给定开关置内给定，正、反作用方式置正确位置。按经验法先设置一组PID参数，控制器切换开关置手动位置； （2） 用控制器的手动拨盘（或软、硬手动，或手操器）手动控制调节阀 （3） 观察一次表，当被控变量y(t)接近工艺值并相对稳定一段时间后，置被控变量在控制器给定刻度时，使测量针与给定针重合（目的：防止模拟调校中，控制器给定值与工艺实际给定值之间误差太大）； （4） 将控制器切换开关从手动往自动切换，因DDZ-型表有自动电流跟踪保持，切换过程无扰动。此时，系统处于自动控制状态。,控制系统的投运,通过适当的方式使控制器从手动工作状
41、态平稳地转动到自动工作状态，即实现无扰动切换。无扰动切换：是保证生产平稳运行所必须的，也是控制器投运工作必须具备的条件。 （包含两层含义）当控制器从手动转入自动工作状态时，保证尽可能小的扰动进入系统当控制器从自动转入手动工作状态时，也必须保证尽可能小的扰动进入系统 如何保证切换过程无扰动：当控制器从自动切向硬手动时：先调硬手动拨杆或拨盘，使其刻度与自动电流相同；当软手动向硬手动切换时：使硬拨杆对应的刻度与自动电流输出值一致；DDZ-型控制器一般都配有便携手操器的输入、输出插孔，以备万一。手操器手动位置工作时，应将手操器的输出（除送执行机构外）接入控制器的阀位输入端或跟踪端子，以保证输出信号自动跟踪；,控制系统的投运（无扰动切换）,
