1、沈阳理工大学课程设计1摘 要在现代工业生产过程中，工艺上常需要两种或两种以上的物料流量保持一定的比例关系，一旦比例失调，就会影响生产的正常进行，影响产品质量，浪费原料，消耗动力，造成环境污染，甚至产生生产事故。例如氨分解工艺中的氨分解炉，入炉煤气和空气应保持一定的比例，否则将使燃烧反应不能正常进行，而煤气和空气比例超过一定的极限将会引起爆炸。实现两个或两个以上参数符合一定比例关系的控制系统，称为比值控制系统。通常以保持两种或几种物料的流量为一定比例关系的系统，称之为流量比值控制系统，这次课程设计的内容就是单闭环流量比值过程控制系统。在实际的生产过程控制中,比值控制系统除了实现一定比例的混合外,
2、还能起到在扰动影响到被控过程质量指标之前及时控制的作用.而且当最终质量指标难于测量 ,变送时,可以采用比值控制系统,使生产过程在最终质量达到预期指标下安全正常地进行 ,因为比值控制具有前馈控制的实质。 关键词：流量；比值控制；PID 控制；可编程控制器沈阳理工大学课程设计2目 录1设计背景 .12比值控制系统概述 .22.1 比值控制系统定义 .22.2 比值控制原理 .22.3 比值控制系统特点 .22.4 比值控制系统的类型 .32.4.1 开环比值控制系统 32.4.2 单闭环比值控制系统 43单闭环流量比值控制系统方案设计 .73.1 系统方案设计 .73.2 系统硬件设计 .74上位
3、机组态与程序设计 104.1 组态软件 WinCC.104.1.1 WinCC 简介 104.1.2 WinCC 的发展及应用 104.2 上位机组态设计 114.3 PLC 程序设计 .125 PID参数整定及系统调试 175.1 PID 控制器 .175.1.1 PID 控制器的优点 185.1.2 控制规律的选择 .185.2 PID 控制器参数的调节及其对控制性能的影响 .195.2.1 比例控制对控制性能的影响 .195.2.2 积分控制对控制性能的影响 .205.2.3 微分控制对控制性能的影响 .225.3 控制系统的整定 235.3.1 控制系统整定的基本要求 .23沈阳理工大
4、学课程设计35.3.2 调节器参数的整定方法 .235.4 调节器参数的整定及调试 25总结 .28参考文献 .29沈阳理工大学课程设计41设计背景石油炼制生产过程中，把两种或两种以上基础组分油与各种添加剂按一定比例均匀混合，从而成为一种新产品的过程称为调和。油品调合主要是指汽油、柴油、润滑以及原油等的调和。汽油调和是炼厂利用生产的各种汽油组分，按某种比例配方和添剂均匀混合，得到符合质量标准的汽油产品的过程。它是汽油成品出厂的最后一道工和炼厂生产成品油的最后一个环节，也是保证汽油质量指标满足环保和质量规格要求重要手段，调和效益在生产企业的经济效益中占有举足轻重的地位。在各种生产过程中，经常遇到
5、生产工艺要求两个或两个以上参数成一定的比例关系，一旦比例失调，就会影响生产的正常运行。例如在锅炉的燃烧系统中，要保持送进炉膛的风量和燃料成一定的比例，以保证燃烧的经济性。通常，在两个需要保持一定比例关系的物料中，一个是主动量或关键量，另一个是从动量或辅助量。由于物料通常是液体，因此称主动量为主流量Q1从动量为副流量 Q2。Q1与Q2之间的关系为Q2 KQ1式中，K为比值系数。因此，只要主副流量的给定值保持比值关系，或者副流量给定值随主流量按一定比例关系而变化即可实现比值控制。通过以上分析可见，在配料过程中对生产产品的各种原料的比值进行控制显得尤为重要，常用比值控制来解决此类问题。比值控制的目的
6、就是为了实现使几种物料混合符合一定比例关系，使生产能安全正常进行。配料精度的高低制约着整个生产的产品质量和产量，所以应对配料过程的控制给予足够重视。沈阳理工大学课程设计52比值控制系统概述2.1 比值控制系统定义在 化 工 、 炼 油 及 其 他 工 业 生 产 过 程 中 ， 工 艺 上 常 需 要 两 种 或 两 种 以 上 的 物 料 保 持一 定 的 比 例 关 系 ， 比 例 一 旦 失 调 ， 将 影 响 生 产 或 造 成 事 故 。实 现 两 个 或 两 个 以 上 参 数 符 合 一 定 比 例 关 系 的 控 制 系 统 ， 称 为 比 值 控 制 系 统 。 通常 以 保
7、 持 两 种 或 几 种 物 料 的 流 量 为 一 定 比 例 关 系 的 系 统 ， 称 之 流 量 比 值 控 制 系 统 。比 值 控 制 系 统 可 分 为 ： 开 环 比 值 控 制 系 统 ， 单 闭 环 比 值 控 制 系 统 ， 双 闭 环 比 值 控制 系 统 ， 变 比 值 控 制 系 统 ， 串 级 和 比 值 控 制 组 合 的 系 统 等 。2.2 比值控制原理通常，在两个需要保持一定比例关系的物料中，一个是主动量或关键量，另一个是从动量或辅助量。由于物料通常是液体，因此称主动量为主流量 Q1 从动量为副流量Q2。Q 1 与 Q2 之间的关系为Q2 KQ1 （2-1
8、）式中，K 为比值系数。因此，只要主副流量的给定值保持比值关系，或者副流量给定值随主流量按一定比例关系而变化即可实现比值控制。2.3 比值控制系统特点 比值控制系统的特征: 是实现两个或两个以上物料保持一定比例关系。1.主物料，也称为主动量: 在要保持一定比例关系的物料中，把起主导作用的物料，称为主物料（主动量） ，因为在过程控制中经常保持比例的参数是流量，故常用 Q1 表示。2.从物料，也称为从动量: 另一种随主物料的变化而成比例地变化的物料称为从物料（从动量） ，常用 Q2 表示。3.比值系数：沈阳理工大学课程设计6若两物料的比值系数设定为 K，则有：（2-2 ）2.4 比值控制系统的类型
9、比值控制系统按比值的特点可分为定比值和变比值控制系统。两个或两个以上参数之间的比值是通过改变比值器的比值系数来实现的，一旦比值系数确定，系统投入运行后，此比值系数将保持不变（为常数） ，具有这种特点的系统称为定比值控制系统。如果生产上因某种需要对参数间的比值进行修正时，需要人工重新设置新的比值系数，这种系统的结构一般比较简单。两个或两个以上参数之间的比值不是一个常数，而是根据另一个参数的变化而不断的修正，具有这种特点的系统称为变比值控制系统，这种系统的结构一般比较复杂。比值控制系统按结构特点可分为简单比值和复杂比值控制系统。比值控制系统可笼统分为：开环比值控制系统、单闭环比值控制系统、双闭环比
10、值控制系统、串级比值及变比值控制系统等。下面简单介绍这五种控制系统 4。2.4.1开环比值控制系统开环比值控制系统是结构最简单的比值控制系统，其工艺流程图和原理方块图如图 2.1 所示。其中 FT 为检测变送器，FC 为比值控制器。（1）工艺流程图 （2）原理方框图 图 2.1 开环比值控制系统21Q沈阳理工大学课程设计7由原理方块图我们可以总结开环比值控制系统的特点如下：1）当系统处于稳定工作状态时，两物料的流量满足比值关系。2）当主动量受到干扰而发生变化时，系统通过比值器及设定值按比例去改变控制阀的开度，调节从动量使之与主动量仍保持原有的比例关系。3）当从动量受到外界干扰（如温度、压力扰动
11、）波动时，由于是开环控制，没有调节从动量自身波动的环节，也没有调整主动量的环节，故两种物料的比值关系很难保持不变，系统对此无能为力。开环比值控制是理解比例控制工作机理的基础，在实际工程上很少应用。 2.4.2单闭环比值控制系统单闭环比值控制系统是在开环比值控制系统上增加对副物料的闭环控制回路，用以实现主、副物料的比值保持不变。工艺流程图及原理框图如图 2.2 所示。（1）工艺流程图 （2）原理方框图图 2.2 单闭环比值控制系统1. 单闭环比值控制系统原理单闭环比值控制系统是由两个信号即主流量 、副流量 ，两个变送器、调节器、1Q2执行机构和一个以 作为反馈信号的闭环回路组成。在稳定时，能实现
12、主、副流量的2Q工艺比值的要求，即 (K 为常数)。系统原理框图如图 6-3 所示。当主流量/1不变、而副流量 受到扰动时，则可通过副流量的闭合回路进行定值控制。主流量1Q2调节器 的输出作为副流量的给定值。当主流量 受到扰动时， 则按预先1()TWs 11()TWs沈阳理工大学课程设计8设置好的比值使其输出成比例变化，即改变 的给定值。 根据给定值的变化，2Q1()TWs发出控制命令以改变调节阀的开度，使副流量 跟随主流量 而变化，从而保证原设定的比值不变。当主副流量同时受到扰动时，调节器 在克服副流量扰动的同时，1()T又根据新的给定值，改变调节阀的开度，使主、副流量在新的流量数值的基础上
13、，保持其原设定值的比值关系。它不但可以实现副流量跟随主流量的变化而变化，而且还可以克服副流量本身干扰对比值的影响。可见，该系统能确保主、副两个流量的比值不变，同时，系统的结构又较简单，方案实现起来方便,仅用一台比值器或比例调节器即可，因而在工业过程自动化中广泛应用 5。2.单闭环比值控制系统的四种工作情况：（1）当系统处于稳定工作状态时，主、副物料流量的比值恒定。 如图 2.3 单闭环比值控制系统的原理框图，由图可知：稳态时：（2-3）12()mTmWQ（2-4）图 2.3 单闭环比值控制系统的原理框图当 不变， 受到扰动时，闭合回路进行定值控制。当 受到扰动时， 输1Q2 1Q1()TWs出
14、变化， 跟随 变化，保证原设定的比值不变。21单闭环比值控制系统适用于负荷变化不大，主流量不可控制，两种物料间的比值要求较精确的生产过程。KT2112沈阳理工大学课程设计9（2）当主物料流量不变，副物料流量受到扰动变化时，可通过副流量的闭合回路调整副物料流量使之恢复到原设定值，保证主、副物料流量比值一定。（3）当主物料流量受到扰动变化，而副物料不变时，则按预先设置好的比值使比值器输出成比例变化，即改变给定值，根据给定值的变化，发出控制命令，以改变调节阀的开度，使副流量跟随主流量而变化，从而保证原设定的比值不变。（4）当主、副物料流量同时受到扰动变化时，调节器在调整副物料流量使之维持原设定值的同
15、时，系统又根据主物料流量产生新的给定值，改变调节阀的开度，使主、副物料流量在新的流量数值的基础上，保持原设定值的比值关系不变。总之, 单闭环比值控制系统虽然能保持主、副物料流量比值不变，但是无法控制主物料的流量不变，因此，对生产过程的生产能力没有进行控制。该控制系统能保证主、副物料的流量比值不变，同时，系统结构简单，因此在工业生产过程自动化中应用较广。沈阳理工大学课程设计103单闭环流量比值控制系统方案设计3.1系统方案设计系统结构图如图 3.1（a ） ，方框图如图 3.1（b）所示(a)结构图 (b)方框图图 3.1 单闭环流量比值控制系统该系统中有两条支路，一路是来自于变频器磁力泵支路的
16、流量 Q1，它是一个主流量；另一路是来自于气动调节阀支路的流量 Q2，它是系统的副流量。要求副流量Q2 能跟随主流量 Q1 的变化而变化，而且两者之间保持一个定值的比例关系，即Q2/Q1=K。3.2系统硬件设计1、水箱包括下水箱和储水箱。下水箱采用淡蓝色圆筒型有机玻璃，不但坚实耐用，而且透明度高。下水箱尺寸为：d=35cm ，h=20 cm。水箱有三个槽，分别是缓冲槽，工作槽，出水槽。储水箱尺寸为：长宽 高=68cm5243。储水箱内部有两个椭圆形沈阳理工大学课程设计11塑料过滤网罩，防止两套动力支路进水时有杂物进入泵中。2、调节阀气动调节阀是由气动执行机构和阀两部分组成的，气动执行机构是接收
17、输入的气源信号，产生相应的推力，使推杆发生位移，推动阀门动作；而阀是指与管路联接的阀体组件部分，它接受执行机构的推杆推力，改变阀杆位移，从而改变阀门开度，最终控制流体流量的变化。系统采用 SIEMENS 带 MPI 通讯协议的气动调节阀，其型 QS 智能型电动调节阀 QSTP-16K，电动执行机构接受 420mA 控制信号，改变阀门的开度，同时将阀门开度的隔离信号反馈给控制系统，实现对压力、温度、流量、液位等参数的调节。图3.2 QS智能型电动调节阀3、普通手动阀门4、KYB 压力变送器KYB 系列压力、液位变送器是在引进国外先进制造技术和设备并吸取了国外同类产品的先进工艺和关键零部件基础上发
18、展起来的一个全新产品，可精确地连续测量液体、气体或蒸汽的压力，绝对压力或液位，并转换输出正比于被测量程的 420mADC 二线制标准信号。5、磁力驱动泵系统采用磁力驱动泵，型号为 16CQ-8P，流量为 32 升/分，扬程为 8 米，功率为180w。泵体完全采用不锈钢材料，以防止生锈，使用寿命长。为三相 380V 恒压驱动。6、变频流量计7、管道沈阳理工大学课程设计12整个系统管道采用敷塑不锈钢管组成，所有的水阀采用优质球阀，彻底避免了管道系统生锈的可能性。有效提高了实验装置的使用年限。其中储水箱底有一个出水阀，当水箱需要换水时，将球阀打开让水直接排出。8、电控箱内安装有如下主要部件：（1）C
19、PU 316-2 DP 安装有：1）微处理器;处理器对每条二进制指令的处理时间大约为 50 ns，每个浮点预算的时间为 0.45 s。2）256 KB 工作存储器（相当于大约 85 K 条指令） ；与执行程序段相关的大容量工作存储器可以为用户程序提供足够的空间。作为程序装载存储器的微型存储卡（最大为 8 MB）也允许将可以项目（包括符号和注释）保存在 CPU 中。装载存储器还可用于数据归档和配方管理。3）MPI 多点接口;集成的 MPI 接口最多可以同时建立与 S7-300/400 或编程设备、PC、OP 的 16 条连接。在这些连接中，始终为编程器和 OP 分别预留一个连接。通过“全局数据通
20、讯”，MPI 可以用来建立最多 16 个 CPU 组成的简单网络。（2）I/O 模块SM323 DI8/DO8*DV24SIMATIC S7-300 的数字输入/输出模块，使控制器灵活地与任务相适应，用于连接数字传感器和执行元件。SM 326-1BH01-0AA0 是 8 点输入，8 点输出， 可同时控制的输入点数，最高 40C 可同时控制的输入点数。（3）变频器 型号 FR-0720S-0.4k-CHT。变频器是利用电力半导体器件的通断作用将工频电源变换为另一频率的电能控制装置，能实现对交流异步电机的软起动、变频调速、提高运转精度、改变功率因数、过流/过压/过载保护等功能。9、控制平台1)
21、PC 机2) CP5611（MPI ） 数据采集卡及其驱动程序。西门子 CP5611 卡可以实现 PC(计算机) 与 SIMATIC S7 之间的 PROFIBUS/MPI 通讯连接 ;并且 CP5611 可支持以下软件:STEP7V.52 及以上； SOFTNET-S7；SOFTNET-DP ；及以上；STEP 7-Micro/Win V3.1及以上；ProTool,ProToo/Pro；NCMPC。3) WinCC 组态软件沈阳理工大学课程设计134） STEP 7 软件4 上位机组态与程序设计4.1 组态软件 WinCC4.1.1 WinCC简介本设计用组态软件的是西门子公司的 WinC
22、C，它是 Windows Control Center（视窗控制中心）的简称，是 HMI/SCADA 软件中的后起之秀。 WinCC 是 Siemens 公司的一种功能强大的工业控制软件，是“真正开放的”HMISCADA 软件。它集成了 SCADA、组态、脚本（Script）语言和 OPC 等先进技术，为用户提供了 Windows 操作系统环境下使用各种通用软件的功能。WinCC 继承了西门子公司的全集成自动化（TIA）产品的技术先进性和无缝集成的特点。WinCC 运行于个人计算机环境，可以与多种自动化设备及控制软件集成，具有丰富的设置项目、可视窗口和菜单选择，使用方便灵活，功能齐全。用户在其
23、友好的界面下进行组态、编程和数据管理，可形成所需的操作画面、监视画面、控制画面、报警画面、趋势曲线等。它为操作者提供了图文并茂、形象直观的操作环境，不仅缩短了软件设计周期，而且提高了工作效率。WinCC 的另一个特点在于它的整体开放性，它可以方便的与各种软件和用户程序组合在一起，建立友好的人机界面，满足实际需要。用户也可以将 WinCC 作为系统扩充的基础，通过开放式接口，开发其自身需要的应用系统。WinCC由三大部分组成：1、控制中心：控制中心使用户通过WinCC应用进行浏览，并且对其数据进行一些操作。从形式和操作上看，控制中心与Windows资源管理器相似。3、 系统控制器：管理各站之间的
24、系统通讯。3、数据管理器：在WinCC项目中用于处理中央任务的启动。其主要任务是处理变量管理器，其通讯通道用于访问过程数据。4.1.2 WinCC的发展及应用从面市伊始，用户就对 SIMATIC WinCC 印象深刻。一方面，是其高水平的创新，沈阳理工大学课程设计14它使用户在早期就认识到即将到来的发展趋势并予以实现；另一方面，是其基于标准的长期产品策略，可确保用户的投资利益。依据这种战略思想，WinCC，这一运行于 Microsoft Windows 2000 和 XP 下的Windows 控制中心，已发展成为欧洲市场中的领导者，乃至业界遵循的标准。如果你想使设备和机器最优化运行，如果你想最
25、大程度地提高工厂的可用性和生产效率，WinCC 当是上乘之选。突出的优点：通用的应用程序；适合所有工业领域的解决方案；多语言支持，全球通用；可以集成到所有自动化解决方案内；内置所有操作和管理功能；可简单、有效地进行组态；可基于 Web 持续延展；采用开放性标准，集成简便集成的 Historian 系统作为 IT 和商务集成的平台；可用选件和附加件进行扩展；“全集成自动化” 的组成部分。图 4.1 组态监控画面4.2上位机组态设计如图 4.2 所示，主动量液体 A 的测出的流量值 PV 经过比值器，与 PV2 进行偏差运算，再进行 PID 运算。系统一般在手动的情况下是不输出值的，若此时输出值，
26、得沈阳理工大学课程设计15到的结果不是预期要的，所以系统在手动的情况下 PID 控制无输出值输出，我们设计的这个系统在系统运行时默认是手动，只有在切换到自动的情况 PID 才有输出值输出。图 4.2 系统组态图4.3 PLC程序设计沈阳理工大学课程设计16沈阳理工大学课程设计17沈阳理工大学课程设计18沈阳理工大学课程设计19沈阳理工大学课程设计205 PID 参数整定及系统调试5.1 PID控制器本设计采用 PID 控制算法，PID 调节器的动作规律是（5-1）tDIdeTeu0)1(式中： 比例带；TI 积分时间；TD 微分时间。PID 调节器的传递函数为：（5-2）)sT1()sGDIc
27、+=不难看出，由式（6.3）表示的调节器动作规律在物理上是不能实现的。工业上实际采用的 PID 调节器（如 DDZ 型调节器） ，其传递函数为（5-3）sKT1)s(GDI*I*cc +=式中： ；FTD*=；ccK；I*IF 相互干扰系数；KI 积分增益；其中，带*的量 调节器参数的实际值；不带*者 参数的刻度值。沈阳理工大学课程设计215.1.1 PID控制器的优点PID 是比例、积分、微分的缩写，PID 控制器是应用最广泛的闭环控制器，有人估计现在有 90%以上的闭环控制采用 PID 控制器。这是因为 PID 控制具有以下的优点：1、不需要被控对象的数学模型2、结构简单，容易实现3、有较
28、强的灵活性和适应性4、使用方便现在已有很多 PLC 厂家提供具有 PID 控制功能的产品，例如 PID 闭环控制模块、PID 控制指令和 PID 控制系统功能块等，它们使用简单方便，只需设定一些参数即可，有的产品还具有参数自整定功能 。5.1.2 控制规律的选择PID 控制规律及其对系统控制质量的影响已在有关课程中介绍，在此将有关结论再简单归纳一下。1、比例(P)调节纯比例调节器是一种最简单的调节器，它对控制作用和扰动作用的响应都很快。由于比例调节只有一个参数，所以整定很方便。这种调节器的主要缺点是系统有静差存在。其传递函数为：GC(s)= KP = (5-4) 1式中 KP 为比例系数， 为
29、比例带 6。2、比例积分(PI)调节PI 调节器就是利用 P 调节快速抵消干扰的影响，同时利用 I 调节消除残差，但 I调节会降低系统的稳定性，这种调节器在过程控制中是应用最多的一种调节器。其传递函数为：GC(s)=KP(1+ ) (1+ ) (5-5) s1ITs1I式中 TI 为积分时间。3、比例微分(PD)调节沈阳理工大学课程设计22这种调节器由于有微分的超前作用，能增加系统的稳定度，加快系统的调节过程，减小动态误差，但微分抗干扰能力较差，且微分过大，易导致调节阀动作向两端饱和。因此一般不用于流量和液位控制系统。PD 调节器的传递函数为GC(s)=KP(1+TDs) (1+TDs) (5
30、-6)1式中 TD 为微分时间 10。4、比例积分微分(PID)调节器PID 是常规调节器中性能最好的一种调节器。由于它具有各类调节器的优点，因而使系统具有更高的控制质量。它的传递函数为GC(s)=KP(1+ +TDs) (1+ +TDs) (5-7)s1ITs1IT图 5.1 表示了同一对象在相同阶跃扰动下，采用不同控制规律时具有相同衰减率的响应过程。图 5.1 各种控制规律对应的响应过程5.2 PID控制器参数的调节及其对控制性能的影响5.2.1 比例控制对控制性能的影响所谓比例调节规律，是指调节器输出的控制作用 u(t)与其偏差输入信号 e(t)之间成比例关系，（5-8）)()(teKt
31、uP其中， -比例增益。pK比例调节器的传递函数：（5-9）PPSEsUW)(工程中，常用比例带 来描述其控制作用的强弱，即沈阳理工大学课程设计23（5-10）PK1其物理意义是在调节机构的位移改变 100%时，被调量应有的改变量。比例调节器的阶跃响应曲线如下图 5.2 所示。由图，在 t 时刻前，系统处于稳定状态；t 时刻偏差信号 e(t)发生阶跃变化，对于0 0定值控制系统，即被调量产生阶跃变化，调节输出控制作用 u(t)将成比例的变化，而且几乎是同时产生的。控制作用的变化目的是调节进入对象的流入量，消除不平衡流量，是被调量回到原来的值上。从这一点看，比例调节规律的特点之一就是调节及时、迅
32、速。图 5.2 比例调节规律由上图还可看出，在 t 时调节过程结束，但偏差信号 e(t)仍存在；在系统受到扰动后，被调量偏离了其给定值，而出现偏差，调节器的调节使系统再次进入稳定状态，但偏差或大或小还要存在，否则偏差为零，控制作用也随之消失，干扰信号的存在就不可能使系统稳定下来。调节过程结束，被调量偏差仍存在称为有差调节，这是比例调节规律的又一特点。5.2.2 积分控制对控制性能的影响比例调节规律的特点是控制及时，控制作用贯穿整个调节过程，因此它是基本的调节作用。然而比例调节不能保证系统无差，因此对于一些要求较高的控制（定值调节）还需引入积分调节规律，实现无差调节。积分调节规律是调节器输出控制
33、作用 u(t)与其偏差输入信号 e(t)随时间的积累值成正比，即沈阳理工大学课程设计24（ 5-dteTtui)(111）其传递函数形式：（5-12）sTWiI1)(式中 -积分时间。iT积分调节器的阶跃响应如图 5.3 所示。由图可以看出，当被调量出现偏差并成阶跃形式变化时，积分调节器输出的控制作用并不立即变化，而是由零开始线性增长。从这一点看，积分调节作用是不及时的。只要偏差信号存在，调节器输出旨在消除对系统影响的控制作用就一直增加，且其增长的速度始终为初始速度。由下式可知：（5-13）iTtedu)(上式表明，控制作用在积分时间 TI 越小时越强。从响应曲线看，只要偏差存在，积分控制作用
34、一直增加；换言之，只有偏差为零时，积分作用才停止变化。这表明系统达到再次稳定状态时，被调量的偏差必然为零。积分调节规律的另一特点就是消除稳态偏差，实现无差调节，其控制作用体现在调节过程的后期。描述比例积分调节规律的动态方程是：（5-14）dteTKttuiP)()()(式中 -比例增益； -积分时间pKiT沈阳理工大学课程设计25图 5.3 积分作用曲线比例积分调节器的传递函数为：（5-15）sTsKsWiiPI 11)(综上分析，当被调量一旦偏离给定值出现偏差时，调节器立即输出一个与偏差成比例的控制作用，这是比例作用的结果；随着时间的增长，控制作用线性增加，积分作用表现出来；只要偏差存在，控
35、制作用就一直增长下去，直至消除偏差时，控制作用才停止变化。由此可见，比例积分调节作用具有比例作用及时和积分作用消除偏差的优点，从而克服了单纯比例作用时不能消除偏差的缺点和单纯积分作用控制不及时的缺点 3。5.2.3 微分控制对控制性能的影响微分调节规律是是调节器输出的控制作用与其偏差输入信号的变化速度成正比。对于定值控制系统，偏差信号的变化速度就是被调量的变化速度，即（5-dtcTtetud)()()(16）式中 Td-微分时间。传递函数式为：（ 5-sTWdD)(17）微分调节作用的大小仅与偏差信号的变化速度有关，而与偏差值大小无关。分作用调节器同时由于自身动作的不灵敏区的存在而始终不动作,
36、这样，经过一段时间后，偏差将积累成一个较大的值。就是说纯微分作用的调节器是不能单独使用的，微分作沈阳理工大学课程设计26用要与比例作用或比例积分作用相结合，形成比例微分调节规律或比例微分积分调节规律 。图 5.4 微分调节阶跃响应由图 5.4 也可以看出，当偏差信号做幅度为 E 的阶跃变化时，微分作用将立即产生，其值为偏差的 KD 倍。从这一点上与比例作用相比，调节及时且作用强。在时间较长后，微分作用消失，直到为零。可见微分作用要在调节过程的初期，和积分作用恰好相反。5.3 控制系统的整定5.3.1 控制系统整定的基本要求简单控制系统是由广义对象和调节器构成的，其控制质量的决定性因素是被控对象
37、的动态特性，与此相比其它都是次要的。当系统安装好以后，系统能否在最佳状态下工作，主要取决于调节器各参数的设置是否得当。过程控制通常都是选用工业成批生产的不同类型的调节器，这些调节器都有一个或几个整定参数和调整这些参数的相应机构（如旋钮，开关等） 。系统整定的实质，就是通过调整调节器的这些参数使其特性与被控对象特性相匹配，以达到最佳的控制效果。人们常把这种整定称作“最佳整定” ，这时的调节器参数叫做 “最佳整定参数”。应当指出，控制系统的整定是一个很重要的工作，但它只能在一定范围内起作用，决不能误认为调节器参数的整定是“万能” 的。如果设计方案不合理，仪表选择不当，安装质量不高，被控对象特性不好
38、等，要想通过调节器参数的整定来满足工艺生产要求也是不可能的。所以，只有在系统设计合理，仪表选择得当和安装正确条件下，调节器参数整定才有意义。在实际系统整定中，一般先改变调节器的某些参数（通常是比例带）使系统响应获得规定的衰减率，然后再改变另外一些参数，最后经过综合反复调整所有参数，以期在规定的衰减率下使选定的某一误差积分指标最小，从而获得调节器最佳整定参数。当然，如果系统只有一个可供整定的参数，就不必进行积分指标的计算了 13。沈阳理工大学课程设计275.3.2 调节器参数的整定方法调节器参数的整定一般有两种方法：一种是理论计算法，即根据广义对象的数学模型和性能要求，用根轨迹法或频率特性法来确
39、定调节器的相关参数；另一种方法是工程实验法，通过对典型输入响应曲线所得到的特征量，然后查照经验表，求得调节器的相关参数。工程实验整定法有以下几种：1、经验法在现场控制系统整定过程中，经验丰富的运行人员常常采用经验整定法，这种方法实质上是一种经验试凑法，它不需要进行方法所要求的经验和计算，而是根据运行经验，先确定一组控制器参数，并将系统投入运行，然后认为加入阶跃扰动，观察被控量或控制器输出地阶跃响应曲线，并依照控制器各参数对调节过程的影响，改变相应的整定参数值。一般先改变 后改变 和 ，如此反复试验多次，知道获得满意的 阶跃响应曲线位置，表 6.1 就不同对象，给出控制器参数的经验数据。表 5.
40、1 经验法整定参数参数系统(%) TI (min) TD (min)温度 2060 310 0.53流量 40100 0.11 压力 3070 0.43 液位 2080 2、稳定边界法稳定边界法是一种闭环的整定方法。它基于纯比例控制它基于纯比例控制系统临界 振荡试验所得数据，即临界比例带 和临界振荡周期 Ts， 利用一些经验公式，求cr取调节器最佳参数值。其整定计算公式如下表表 5.2 稳定边界法整定调节器参数调节参数调节器名称(%) TI (S) TD (S)P 2k PI 2.2k TS/1.2 沈阳理工大学课程设计28PID 1.6k 0.5TS 0.125TS1. 置控制器积分时间,T
41、i.到最大值（ ） ，微分时间 为零（ ） ，比例带 = =0置较大值，使控制器系统投入运行。2. 待控制系统运行稳定后，逐渐减小比例带，直到系统出现如图 5.5 所示的等幅震荡，即所谓的临界震荡过程。记录下次是的比例带 （临界比例带） ，并计算两个波峰cr间的时间, -.（临界振荡周期） 。图 5.5 系统的临界震荡过程5.4 调节器参数的整定及调试本次设计变频器流量作为被控对象，调试之前先将储水箱中贮足水量，接通控制系统电源，打开用作上位监控的的 PC 机，进入的组态主界面。1. 设置系统的参数 =0.5 T I =0 TD=0，副设定值为 80 和 =0.8 TI =0 TD=0（a）沈
42、阳理工大学课程设计29(b)图 5.6 只有比例调节响应曲线纯比例调节器是一种最简单的调节器，它对控制作用和扰动作用的响应都很快。由于比例调节只有一个参数，所以整定很方便。这种调节器的主要缺点是系统有静差存在。 2. 设置系统的参数 =0.5 T I =15000 TD=0 和 =0.5 TI =20000 TD=0。（a）沈阳理工大学课程设计30（b）图 5.7 比例积分调节响应曲线从响应曲线看，只要偏差存在，积分控制作用一直增加；换言之，只有偏差为零时，积分作用才停止变化。这表明系统达到再次稳定状态时，被调量的偏差必然为零。积分调节规律的另一特点就是消除稳态偏差，实现无差调节，其控制作用体现在调节过程的后期。但积分参数不同时效果也不相同，因此应根据实际情况合理设置参数。3. 设置系统的参数 =0.5 TI =15000 TD=10000，和 =0.5 TI =15000 TD=5000（a ）
