过程控制6-王再英

过 程 控 制 系 统 与 仪 表 第 6章简 单 控 制 系统 的 结 构 四 个 环 节 组 成被 控 变 量 的 选 择控 制 变 量 的 选 择控 制 参 数 的 整 定简 单 控 制 系统 的 设 计 闭 环 负 反 馈控 制 规 律 的 选 择第 6章 简 单 控 制 系 统 的 设 计 与 参 数 整 定 过 程 控 制 系 统 与 仪 表 第 6章6.1简 单 控 制 系 统 的 结 构 与 组 成指 由 一 个 测 量 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 。 第 6章 简 单 控 制 系 统 的 设 计 与 参 数 整 定 TC206 后 续 字 母 表 示 仪 表 功 能第 1位 数 字 表 示 工 段 号后 续 数 字 表 示 仪 表 序 号第 1位 字 母 表 示 被 控 参 数 LC TT 仪 表 符 号 标 准 过 程 控 制 系 统 与 仪 表 第 6章控 制 系 统 原 理 方 框 图给 定 值 测 量 变 送 器控 制 器 执 行 器 对 象操 作 量 被 控 变 量干 扰 热 物 料载 热 介 质冷 物 料 热 交 换 器 TT TC控 制 系 统 工 艺 流 程 图 过 程 控 制 系 统 与 仪 表 第 6章6.2简 单 控 制 系 统 设 计1. 过 程 控 制 系 统 方 案 设 计 的 基 本 要 求 (了 解 ）安 全 性 、 稳 定 性 和 经 济 性 三 个 方 面 。 2. 过 程 控 制 系 统 设 计 的 主 要 内 容 （ 了 解 ） 过 程 控 制 系 统 设 计 包 括 控 制 系 统 方 案 设 计 、 工 程 设 计 、 工 程 安 装 和仪 表 调 校 、 调 节 器 参 数 整 定 等 四 个 主 要 内 容 。 过 程 控 制 系 统 与 仪 表 第 6章6.2.2被 控 参 数 与 控 制 变 量 的 选 择6.2.2.1被 控 参 数 （ 变 量 ） 的 选 择被 控 变 量 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 。被 控 变 量 的 选 择 依 据 ：1、 根 据 生 产 工 艺 的 要 求 ， 找 出 影 响 生 产 的 关 键 变 量 作 为 被 控 变 量 LC TT h例 1 储 槽 液 位 控制 系 统 工 艺 要 求 储 槽 液位 稳 定 。 那 么 设 计 的 控制 系 统 就 应 以 储 槽 液 位为 被 控 变 量 。 过 程 控 制 系 统 与 仪 表 第 6章2、 当 不 能 用 直 接 工 艺 参 数 作 为 被 控 变 量 时 ， 应 选 择 与直 接 工 艺 参 数 有 单 值 函 数 关 系 的 间 接 工 艺 参 数 作 为 被 控 变 量 。例 化 工 的 精 馏 物 纯 度 控 制 系 统 苯 甲 苯 苯 甲 苯 该 精 馏 塔 的 工 艺 要 求 是 要 使 塔顶 （ 或 塔 底 ） 馏 出 物 达 到 规 定 的 纯 度 。按 照 被 控 变 量 的 选 择 原 则 1， 塔 顶 （ 或塔 底 ） 馏 出 物 的 组 分 应 作 为 被 控 变 量 。-难 在 线 检 测 ， 则 不 能 直 接 作 为 被 控 变量 。 间 接 参 数 塔 内 压 力 和 塔 内 温 度 都对 馏 出 物 纯 度 有 影 响 。 选 哪 一 个作 为 被 控 变 量 ？ 过 程 控 制 系 统 与 仪 表 第 6章间 接 控 制 参 数 的 确 定经 试 验 得 出 ， 塔 顶 馏 出 物 苯 的 浓 度 分 别 与 压 力 和 温 度有 单 值 对 应 关 系 。 （ 塔 底 馏 出 物 甲 苯 也 一 样 ） 从 工 艺 合 理 性考 虑 ， 选 择 温 度 作 为 被 控 变 量 。 过 程 控 制 系 统 与 仪 表 第 6章3、 被 控 变 量 必 须 有 足 够 大 的 灵 敏 度4、 选 择 被 控 变 量 时 ， 必 须 考 虑 工 艺 合 理 性 过 程 控 制 系 统 与 仪 表 第 6章6.2.2.2控 制 变 量 选 择把 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 控制 变 量 或 操 纵 变 量 。 最 常 见 的 操 纵 变 量 是 介 质 的 流 量 ， 也 有 以 转 速 、 电压 等 作 为 操 纵 变 量 的 。 LC TTh控 制 变 量 的 确 定q 在 诸 多 影 响 被 控 变 量 的 因 素 中 选 择 一 个 对 被 控 变 量 影 响 显 著 且 便于 控 制 的 变 量 ， 作 为 控 制 变 量 ；q 其 它 未 被 选 中 的 因 素 则 视 为 系 统 的 干 扰 。 被 控变 量影 响变 量 被 控变 量干 扰变 量控 制 变 量 干 扰 通 道控 制 通 道 过 程 控 制 系 统 与 仪 表 第 6章对 象 特 性 对 控 制 品 质 影 响 的 分 析 ：1 过 程 （ 通 道 ） 静 态 特 性 对 控 制 品 质 的 影 响单 回 路 控 制 系 统 的 等 效 框 图 。G c(s) 控 制 器 的 传 递 函 数 ；Go(s) 广 义 控 制 通 道 （ 包 括 执 行 器 和 变 送 器 ） 的 传 递 函 数 ；Gf(s) 扰 动 通 道 的 传 递 函 数 。 Gc(s) Gf(s) Go(s)X(s) Y(s) 干 扰F(s) 1 1foo f c co fKKG s G s G s KT s T s 1 211 1 1 11 1 o ofs so o oo o oo o sf ff ff fK K KG s G s e G s eT s T s Ts T sK KG s G s eT s T s 控 制 变 量 过 程 控 制 系 统 与 仪 表 第 6章 被 控 参 数 y(t)受 到 设 定 信 号 x(t)和 干 扰 信 号 f(t)的共 同 影 响 ： 0 0 0 ( )( ) ( )( ) X( ) ( )1 ( ) ( ) 1 ( ) ( )fc c cG sG s G sY s s F sG s G s G s G s Gc(s) Gf(s) Go(s)X(s) Y(s) F(s) 过 程 控 制 系 统 与 仪 表 第 6章代 入 系 统 偏 差 公 式 中 ： )()()( sYsXsE 将 将 G c(s)、 Go(s)， Gf(s)代 入 得 ： )()()()()(1 )()()()(1 1)( sEsEsFsGsG sGsXsGsGsE fxoc foc +=+= 0 0 0 ( )( ) ( )( ) X( ) ( )1 ( ) ( ) 1 ( ) ( )fc c cG sG s G sY s s F sG s G s G s G s )()1( 1)()()(1 1)( sXKKsT sTsXsGsGsE coo oocx + +=+= )()1()1)(1( )1()()()(1 )()( sFsTKKsTsT sTKsFsGsG sGsE fcofo ofoc ff + +=+= 过 程 控 制 系 统 与 仪 表 第 6章分 析 给 定 值 x(t)和 干 扰 f(t)对 系 统 稳 态 偏 差 得 影 响 。（ 1） 当 f(t) 0， x(t)作 单 位 阶 跃 变 化 时 ：ox o o c1 1( ) ( ) ( 1)T sE s E s T s K K s o 0 0 o o c o c1 1 1lim lim lim ( 1) 1xt s s T se e t sE s T s K K s K K （ 2） 当 x(t) 0， f(t)作 单 位 阶 跃 变 化 时 ： 0 o climlim 1 fft s Ke e t E ss K K ( 1) 1( ) ( ) ( 1)( 1) ( 1)f of o f o c fK T sE s E s T s T s K K T s s 过 程 控 制 系 统 与 仪 表 第 6章过 程 （ 通 道 ） 静 态 特 性 对 控 制 品 质 的 影 响v K0越 大 ， 控 制 作 用 越 强 ， 稳 态 误 差 越 小 ；v Kf越 大 ， 干 扰 作 用 越 强 ， 稳 态 误 差 越 大 。选 择 控 制 变 量 时 ， 应 使 控 制 通 道 得 静 态 放 大 系 数 Ko越大 越 好 ； 使 干 扰 通 道 得 静 态 放 大 系 数 Kf越 小 越 好 。 过 程 控 制 系 统 与 仪 表 第 6章2 过 程 （ 通 道 ） 动 态 特 性 对 控 制 品 质 的 影 响（ 1） 干 扰 通 道 动 态 特 性 对 控 制 品 质 的 影 响v 干 扰 通 道 的 容 积 或 惯 性环 节 越 多 ， T f 越 大 ， 干 扰 对 被控 变 量 的 影 响 越 缓 慢 ， 干 扰 引起 的 最 大 动 态 偏 差 越 小 ， 系 统的 控 制 品 质 越 好 。f ( )Y(s)( ) 1 ( ) ( )fc oG sF s G s G s 1） 干 扰 通 道 时 间 常 数 Tf对 控 制 质 量 得 影 响 1ff fKG s T s fY(s) 1 11( ) 1 ( ) ( )ff c ofKF s T G s G ss T Gc(s) Gf(s) Go(s)X(s) Y(s) F(s) 1 1 f sf ff ff fK KG s G s eT s T s 过 程 控 制 系 统 与 仪 表 第 6章2)干 扰 通 道 纯 滞 后 f对 控 制 质 量 的 影 响 ？f ( ) ( 1)Y(s) ( ) ( )1 ( ) ( ) ( 1)( 1) ( 1)f f oc o o f o c fG s K T sF s F sG s G s T s T s K K T s 结 论 ： 干 扰 通 道 纯 滞 后 f不 影 响 控 制 质 量 . 1 f sff fKG s eT s 过 程 控 制 系 统 与 仪 表 第 6章例 ： 某 控 制 系 统 中 ， 干 扰 f1、 f2、 f3分 别 在 三 个 位 置 进入 系 统 。 试 分 析 ： f1、 f2、 f3对 被 控 变 量 的 影 响 越 慢 。01 02 03 f 30G (s)G (s)G (s)Y ( ) ( )1 ( ) ( )cs F sG s G s 02 01 012 10 0G ( )G (s) ( )( ) ( )1 ( ) ( ) 1 ( ) ( )c cs G sF s F sG s G s G s G s 3)扰 动 进 入 控 制 通 道 的 位 置 对 控 制 品 质 的 影 响单 独 f3对 y的 影 响单 独 f2对 y的 影 响 单 独 f1对 y的 影 响 过 程 控 制 系 统 与 仪 表 第 6章结 论 ： 扰 动 进 入 系 统 的 位 置 离 被 控 参 数 检 测 点 越 远 ， 干 扰 通道 的 容 量 滞 后 有 所 增 加 ， 系 统 动 态 偏 差 越 小 ， 干 扰 对 被 控 参数 影 响 越 小 。 1t y(t) tyk(t)y 0yby1f 1t t y(t)1t yk(t)y t1t t0yby2f y(t) yk(t) ty 1t 1t t0yby3f 过 程 控 制 系 统 与 仪 表 第 6章 （ 2） 控 制 通 道 动 态 特 性 对 控 制 品 质 的 影 响 即 控 制 通 道 时 间 常 数 ， 滞 后 时 间 对 控 制 质 量 的 影 响 tv 控 制 通 道 G 0的 时 间 常 数 T0增大 ， 使 控 制 速 度 变 慢 ， 最 大 偏 差 增大 ， 系 统 过 渡 过 程 时 间 长1） 控 制 通 道 时 间 常 数 对 控 制 质 量 的 影 响 Gc(s) Gf(s) Go(s)X(s) Y(s) F(s) 过 程 控 制 系 统 与 仪 表 第 6章v 控 制 通 道 的 纯 滞 后 ， 使 控 制 作 用 滞 后 0到 达 ， 造 成 控 制 偏差 增 大 ， 系 统 稳 定 性 下 降 。 控 制 通 道 的 容 量 滞 后 也 会 造 成 控 制 质量 下 降 ， 影 响 比 纯 滞 后 缓 和 。2)控 制 通 道 的 纯 滞 后 对 控 制 质 量 的 影 响 Gc(s) Gf(s) Go(s)X(s) Y(s) F(s) y0(t) ty 0y 0 0t 0 1t yk(t)y1(t) 过 程 控 制 系 统 与 仪 表 第 6章控 制 变 量 的 选 择 原 则 ： 1.控 制 变 量 必 须 是 工 艺 上 可 调 节 的 。 2.控 制 变 量 一 般 应 比 其 他 干 扰 量 对 被 控 参 数 的 影 响 灵 敏 。 应 使 控 制通 道 放 大 系 数 大 、 时 间 常 数 小 、 纯 滞 后 越 小 越 好 。 3.为 使 干 扰 对 被 控 参 数 影 响 小 。 应 使 干 扰 通 道 放 大 系 数 小 ， 时 间 常数 尽 可 能 大 。 扰 动 进 入 控 制 通 道 的 未 知 要 远 离 被 控 参 数 ， 尽 可 能 靠 近 控制 阀 。 4.控 制 通 道 存 在 多 个 时 间 常 数 时 ， 应 尽 可 能 使 时 间 常 数 错 开 ， 使 其 中一 个 时 间 常 数 比 其 他 时 间 常 数 大 很 多 ， 同 时 注 意 减 小 其 他 时 间 常 数 。 5.要 考 虑 工 艺 的 合 理 性 与 生 产 的 经 济 性 。 过 程 控 制 系 统 与 仪 表 第 6章例 ： 液 位 控 制 系 统 控 制 变 量 的 选 择 。影 响 储 槽 液 位 的 主 要 因 素 有 ： 液 体 流 入 量 和 液 体 流 出 量 。这 两 个 变 量 影 响 力 相 当 ， 若 由 工 艺 决 定 液 体 流 出 量 可 控 。则 选 液 体 流 出 量 作 为 控 制 变 量 。 LC LThQi Q o 过 程 控 制 系 统 与 仪 表 第 6章例 .热 交 换 器 出 口 温 度 控 制 变 量 的 选 择 。影 响 出 口 温 度 的 主 要 因 素 有 ： 载 热 介 质 温 度 、 载 热 介质 流 量 、 冷 物 料 温 度 、 冷 物 料 流 量 等 。显 然 ， 载 热 介 质 流 量 影 响 力 最 大 且 可 控 。 故 选 载 热 介质 流 量 作 为 控 制 变 量 。 热 物 料载 热 介 质冷 物 料 热 交 换 器 TT TCQrQiTi Tr 过 程 控 制 系 统 与 仪 表 第 6章例 . 提 馏 段 某 块 塔 板 （ 灵 敏 板 ） 的 温 度 作 为 被 控 变 量 。此 控 制 系 统 控 制 变 量 的 选 择 。影 响 灵 敏 板 温 度 T灵 的 因 素 主 要 有 ： TT进 料 的 流 量 （ Q入 ） 、进 料 的 成 分 （ x入 ） 、进 料 的 温 度 （ T入 ） ，回 流 的 流 量 （ Q回 ） 、回 流 的 温 度 （ T回 ） ，加 热 蒸 汽 流 量 （ Q蒸 ） 、 过 程 控 制 系 统 与 仪 表 第 6章这 些 影 响 因 素 分 为 可 控 的 和 不 可 控 的 两 大 类 ： 回 流 量 和 蒸 汽 流 量 为 可 控 因 素 其 它 基 本 为 不 可 控 因 素 TT在 两 个 可 控 因 素 中 ， 选 蒸汽 流 量 为 操 纵 变 量 。 TC 过 程 控 制 系 统 与 仪 表 第 6章被 控 变 量 ， 操 纵 变 量 选 择 实 例 例 ： 如 图 是 奶 粉 生 产 工 艺 中 的 喷 雾 式 干 燥 设 备 。 此 工 艺 要 求 保 证 奶粉 含 水 量 在 2%2.5%。 1 被 控 参 数 选 择直 接 参 数 选 奶 粉 含 水 量为 被 控 变 量 ， 但 此 类 在 线 测 量 仪表 精 度 低 、 速 度 慢 。 间 接 参 数 奶 粉 含 水 量 与 干燥 器 出 口 温 度 之 间 存 在 单 值 关 系 。 出口 温 度 稳 定 在 150 2 ， 则 奶 粉 含 水量 符 合 2%2.5% 。 因 此 选 干 燥 器 出口 流 体 温 度 为 被 控 变 量 。 过 程 控 制 系 统 与 仪 表 第 6章2 控 制 变 量 选 择影 响 干 燥 器 出 口 奶 粉 流 体 温 度 的 主 要 可 控 因 素 有 ：乳 液 流 量 变 化 f1 旁 路 空 气 流 量 变 化 f2 加 热 蒸 汽 流 量 变 化 f3 若 分 别 以 这 三 个 变 量 为 控 制 变量 ， 可 以 得 到 三 个 不 同 的 控 制 方 案 。 f 2 f1 f3 f3蒸 气 流 量 f2旁 路 冷 风 流 量 f1乳 液 流 量 热 交 换 器T=100, T=100 送 风 管 道 =3 干 燥 器 Go 过 程 控 制 系 统 与 仪 表 第 6章q 调 节 方 案 ：方 案 1： 取 乳 液 流 量为 控 制 变 量 （ 调 节 阀 1） f 3 f2 f1 热 交 换 器 送 风 管 道 干 燥 器调 节 阀 1调 节 器 变 送 器r yTT TC 过 程 控 制 系 统 与 仪 表 第 6章方 案 2： 取 旁 通 冷 风 流量 为 控 制 变 量 （ 调 节 阀 2）v 由 于 有 送 风 管 路 的 传递 滞 后 存 在 ， 较 方 案 1多 一个 纯 滞 后 环 节 =3sf 3 f2 f1 热 交 换 器 风 管 干 燥 器调 节 阀 2调 节 器 变 送 器r yTTTC 过 程 控 制 系 统 与 仪 表 第 6章v 热 交 换 器 为 双 容 特性 ， 因 而 调 节 通 道 又 多了 两 个 容 量 滞 后 ， 时 间常 数 都 是 T = 100秒 。 方 案 3： 取 蒸 汽 流 量为 控 制 变 量 （ 调 节 阀 3）f 3 f2 f1加 热 器 风 管 干 燥 器调 节 阀 3调 节 器 变 送 器r yTTTC 过 程 控 制 系 统 与 仪 表 第 6章q 控 制 方 案 的 判 别 ： 从 控 制 效 果 考 虑 ， 方 案 1的 调 节 通 道 最 短 ， 控 制 性 能 最佳 ； 方 案 2次 之 ， 方 案 3最 差 。但 从 工 艺 合 理 性 考 虑 ， 方 案 1并不 合 适 。选 择 方 案 2比 较 合 适 。 即 ： 将 调 节 阀 装 在 旁 通 冷 风 管 道 上 。TTTC 过 程 控 制 系 统 与 仪 表 第 6章6.2.3检 测 环 节 、 执 行 器 及 调 节 器 正 负 作 用 选 择 6.2.3.1传 感 器 、 变 送 器 选 择 （ 了 解 ）1 按 照 生 产 过 程 的 工 艺 要 求 ， 首 先 确 定 传 感 器 与 变 送 器 合 适 的 测 量 范 围（ 量 程 ） 与 精 度 等 级 。2 测 量 仪 表 反 应 慢 ， 会 造 成 测 量 失 真 。 应 尽 可 能 选 择 时 间 常 数 小 的 传 感器 、 变 送 器 。 O t O tTmTm x(t) y(t)x(t)y(t)测 量 环 节 时 间 常 数 对 测 量 信 号 的 影 响 过 程 控 制 系 统 与 仪 表 第 6章3 合 理 选 择 检 测 点 ， 避 免 测 量 造 成 对 象 纯 滞 后 0图 6.15 pH 值 控 制 系 统 图 LT LC中 和 槽贮 酸 槽 pH T pH C l 04 测 量 信 号 的 处 理 测 量 信 号 的 校 正 与 补 偿 、 测 量 噪 声 的 抑 制 、 测 量 信 号 的 线 性 化 处 理 。 过 程 控 制 系 统 与 仪 表 第 6章 6.2.3.2执 行 器 的 选 择 1 调 节 阀 工 作 区 间 的 选 择 正 常 工 况 下 ， 调 节 阀 的 开 度 应 在 15% 85%区 间 。 据 此 原 则 计 算 、确 定 控 制 阀 的 口 径 尺 寸 。2 调 节 阀 的 流 量 特 性 选 择按 补 偿 对 象 特 性 的 原 则 选 取 。3 调 节 阀 的 气 开 、 气 关 作 用 方 式 选 择 （ 1） 按 控 制 信 号 中 断 时 ， 保 证 生 产 设 备 ， 人 身 安 全 的 原 则 确 定（ 2） 保 证 产 品 质 量 原 则 （ 3） 减 少 原 料 ， 能 耗 原 则（ 4） 基 于 介 质 特 点 的 工 艺 设 备 安 全 原 则 过 程 控 制 系 统 与 仪 表 第 6章6.2.3.3调 节 器 正 反 作 用 的 选 择负 反 馈 控 制 系 统 的 控 制 作 用 对 被 控 变 量 的 影 响 应 与 干 扰作 用 对 被 控 变 量 的 影 响 相 反 ， 才 能 使 被 控 变 量 值 回 复 到 给 定 值 。为 了 保 证 负 反 馈 ， 必 须 正 确 选 择 调 节 器 的 正 反 作 用 。给 定 值 测 量 变 送 器控 制 器 执 行 器 对 象操 作 量 被 控 变 量干 扰 过 程 控 制 系 统 与 仪 表 第 6章为 了 说 明 选 择 方 法 ， 对 各 环 节 先 定 义 一 个 表 示 其 性 质 的 正 （ “ ” ） ， 负（ “ ”） 符 号 。q 变 送 器 ： 输 出 信 号 随 被 测 变 量 增 加 而 增 加 ， 为 “ ” ； 反 之 为 “ ” 。 变送 器 一 般 都 为 “ ”q 执 行 器 ： 气 开 阀 为 “ ” ， 气 关 阀 为 “ ”q 被 控 对 象 ： 若 控 制 变 量 增 加 ， 被 控 参 数 随 之 增 加 ， 为 “ ” ， 反 之 为 “ ”。q 控 制 器 ： ：正 作 用 控 制 器 ： 当 给 定 值 不 变 时 ， 随 测 量 值 增 加 ， 控 制 器 输 出 增 加 。 或 者 测 量 值 不 变 时 ， 给 定 值 减 小 时 ， 控 制 器 输 出 增 加 。 取 为 “ ”反 作 用 控 制 器 ： 当 给 定 值 不 变 时 ， 随 测 量 值 增 加 ， 控 制 器 输 出 减 小 。 或 者 测 量 值 不 变 时 ， 给 定 值 减 小 时 ， 控 制 器 输 出 减 小 。 取 为 “ ”偏 差 控 制 器 执 行 器 对 象变 送 器给 定 值 被 调 参 数干 扰测量值 过 程 控 制 系 统 与 仪 表 第 6章偏 差 控 制 器 执 行 器 对 象变 送 器给 定 值 被 调 参 数干 扰 测量值 调 节 器 正 反 作 用 的 确 定 原 则 ：保 证 系 统 构 成 负 反 馈 简 单 的 判 定 方 法 ： 闭 合 回 路 中各 环 节 符 号 之 积 为 “ ” 。 过 程 控 制 系 统 与 仪 表 第 6章例 ： 储 槽 液 位 控 制 系 统LT LCM 正 气 开 出 料 要 求 ： 出 现 故 障 或 气 源 断 开时 ， 不 允 许 物 料 全 部 流 走 。 试 确 定调 节 器 的 正 ， 反 作 用 方 式 。LT LC M 反 气 关 出 料 例 ： 另 一 工 艺 的 储 槽 液 位 控 制 系 统要 求 ： 出 现 故 障 或 气 源 断 开 时 ， 物 料 不能 溢 出 储 槽 。 试 确 定 调 节 器 正 反 作 用 方 式 。 过 程 控 制 系 统 与 仪 表 第 6章练 习 ： 储 槽 液 位 控 制 系 统 如 图 。 工 艺 要 求 ： 出 现 故 障 或 气 源 断 开 时 ， 不 允许 物 料 全 部 流 走 。hr Qi Qo-贮 罐LTLC h 指 出 系 统 被 控 对 象 ， 被 控 参 数 ，调 节 参 数 作 出 系 统 方 框 图 选 择 调 节 阀 气 开 ， 气 关 形 式 选 择 调 节 器 正 反 作 用 方 式 并 进 行验 证 。 过 程 控 制 系 统 与 仪 表 第 6章6.3调 节 规 律 对 控 制 品 质 的 影 响 与 调 节 规 律 选 择调 节 器 的 调 节 规 律 ， 即 它 的 输 出 量 与 输 入 量 （ 偏 差 值 ） 之 间 的 函 数 关 系 。P = f ( e )调 节 器 的 作 用 是 根 据 偏 差 ， 按 规 定 的 调 节 规 律 产 生 输 出 信 号 ， 推 动执 行 机 构 ， 对 生 产 过 程 进 行 调 节 。 过 程 控 制 系 统 与 仪 表 第 6章6.3.1调 节 规 律 对 控 制 品 质 影 响 的 分 析 （ 复 习 ） 过 程 控 制 系 统 与 仪 表 第 6章6.3.1.1比 例 （ P） 调 节 对 系 统 控 制 品 质 的 影 响U( ) 1G( ) E( ) Pss s 1u(t) ( ) e(t)PcK e t 比 例 带 的 物 理 意 义 ： 比 例 带 P是 放 大 倍 数 KC的 倒 数 ， 其 大 小 决 定 比例 控 制 作 用 的 强 弱 。P越 小 ， 控 制 作 用 越 强 、 静 差 越 小 ， 系 统 调 节 越 快 、 系 统 稳 定 性 降低 。 P越 大 ， 静 差 越 大 。比 例 带 P对 控 制 过 程 的 影 响 比 例 控 制 的 特 点q 控 制 及 时 、 适 当 。 只 要 有 偏 差 ， 输 出 立 刻 成 比 例 地 变 化 ， 偏 差 越大 ， 输 出 的 控 制 作 用 越 强 。q 控 制 结 果 存 在 余 差 ， 随 比 例 度 增 大 而 增 大 。q 实 现 定 值 控 制 的 有 差 跟 踪 。 过 程 控 制 系 统 与 仪 表 第 6章 振荡逐渐加剧PPP PP P越 小 ， 控 制 过 程 曲 线 越 振荡 ， 周 期 缩 短 。 P越 大 ， 控 制 过 程 曲 线 越 平稳 ， 但 控 制 过 程 时 间 越 长 ，余 差 也 越 大 。出 现 等 幅 振 荡 ， 这 时 的 比 例度 称 为 临 界 比 例 度 Pmin ， 振荡 频 率 称 为 临 界 振 荡 频 率M 过 程 控 制 系 统 与 仪 表 第 6章6.3.1.2积 分 （ I） 调 节 与 比 例 积 分 （ PI） 调 节 对 系统 控 制 质 量 的 影 响1 积 分 控 制 （ I）输 出 变 化 量 p与 输 入 偏 差 e的 积 分 成 正 比 0 01u S t tI Iedt edtT 当 输 入 偏 差 e是 幅 值 为 e 的 阶 跃 时 ：01 eu etI Idt tT T TI 积 分 时 间 SI 积 分 速 度ee ttu 过 程 控 制 系 统 与 仪 表 第 6章q 积 分 控 制 可 以 消 除 余 差 。v 积 分 控 制 的 特 点q 积 分 输 出 信 号 是 随 时 间 逐 渐 增 强 的 ， 控 制 作 用 缓 慢 ，稳 定 性 比 P控 制 差 。 故 一 般 积 分 作 用 不 单 独 使 用 。 过 程 控 制 系 统 与 仪 表 第 6章 2 比 例 积 分 控 制 （ PI）若 偏 差 是 幅 值 为 e 的 阶 跃 干 扰 e 1u (1 )P I tT U( ) 1 1G( ) (1 )( ) P Iss E s T s ee ttu01 1u (e )P tI edtT 过 程 控 制 系 统 与 仪 表 第 6章积 分 时 间 的 物 理 意 义 ： t0I1 1u ( edt)P Te 1 1u e(1 )P I tT 若 偏 差 是 幅 值 为 e的 阶 跃 :当 t = TI 时 : I 2u(T) eP q 积 分 时 间 TI对 控 制 过 程 的 影 响e e/P2e/Pu ttTIe 过 程 控 制 系 统 与 仪 表 第 6章 1. TI越 大 ， Si越 小 ， 积 分作 用 越 弱 ， TI = ， Si 0，积 分 作 用 为 零 。2. TI减 小 ， Si增 大 ， 积 分作 用 增 强 ， 系 统 振 荡 加 剧 ，稳 定 性 下 降 。3. 如 果 T 1适 当 ， 系 统 能 很快 消 除 余 差 。 积 分 时 间 TI 或 积 分 速 度 Si对 过 渡 过 程 的 影 响 过 程 控 制 系 统 与 仪 表 第 6章 6.3.1.3比 例 微 分 （ PD） 调 节 对 系 统 控 制 品 质 的 影 响 u D deT dt式 中 ： TD 微 分 时 间 dtde 偏 差 变 化 速 度 理 想 微 分1 微 分 控 制 （ D） ee ttu 过 程 控 制 系 统 与 仪 表 第 6章q 微 分 控 制 能 在 偏 差 出 现 或 变化 的 瞬 间 ， 立 即 根 据 变 化 的 趋 势 ，产 生 强 烈 的 调 节 作 用 ， 使 偏 差 尽快 地 消 除 于 萌 芽 状 态 之 中 。 提 前 动 作q 当 偏 差 存 在 ， 但 不 变 化 时 ， 微 分 输 出 为 零 ， 对 静 态 偏 差毫 无 抑 制 能 力 。 不 能 单 独 使 用 。v 微 分 控 制 的 特 点 ee ttu 过 程 控 制 系 统 与 仪 表 第 6章2 比 例 微 分 控 制 （ PD） 理 想 的 比 例 微 分 控 制1u ( )P D dee T dt 1G( ) (1 )P Ds T s ee t tu tuPD调 节 是 有 差 调 节 。PD具 有 提 高 系 统 稳 定 性 ， 抑 制 最 大动 态 偏 差 的 作 用 。PD调 节 有 利 与 提 高 系 统 的 响 应 速 度 ，减 小 稳 态 误 差 。若 Td太 大 ， 微 分 作 用 太 强 ， 易 造 成系 统 振 荡 。 过 程 控 制 系 统 与 仪 表 第 6章q 将 比 例 、 积 分 、 微 分 三 种 调 节 规 律 结 合 在 一 起， 只 要 三 项 作 用 的 强 度 配 合 适 当 ， 既 能 快 速 调 节 ，又 能 消 除 余 差 ， 可 得 到 满 意 的 控 制 效 果 。 01 1u(t) ( )P t DI dee edt TT dt 1 1G( ) (1 )P DIs T sT s 6.3.1.4 （ PID） 调 节 对 系 统 控 制 品 质 的 影 响 过 程 控 制 系 统 与 仪 表 第 6章对某一对象，用不同控制规律时阶跃干扰过程比较被控变量 t无 控 制 作 用P PD PIDPI 过 程 控 制 系 统 与 仪 表 第 6章调 节 规 律 优 点 缺 点 应 用P 灵 敏 、 简 单 ， 只 有 一个 整 定 参 数 ； 存 在 静 差 负 荷 变 化 不 显 著 ， 工 艺 指 标要 求 不 高 的 对 象 。 适 用 于 一般 要 求 的 液 位 ， 压 力 调 节 系统PI 能 消 除 静 差 ， 又 控 制灵 敏 降 低 了 系 统 控 的 稳 定 性 。对 于 滞 后 较 大 的 对 象 ，比 例 积 分 调 节 太 慢 ， 效果 不 好 。 应 用 于 调 节 通 道 容 量 滞 后 较小 、 负 荷 变 化 不 大 、 精 度 要求 高 的 调 节 系 统 。 适 用 于 流量 ， 要 求 较 严 格 的 压 力 ， 液位 调 节 系 统 。PD 增 进 调 节 系 统 的 稳 定 度 ， 可 调 小 比 例 度 ，而 加 快 调 节 过 程 ， 减小 动 态 偏 差 和 静 差 系 统 对 高 频 干 扰 特 别 敏感 ， 系 统 输 出 易 夹 杂 高频 干 扰 。 应 用 于 调 节 通 道 容 量 滞 后 较大 ， 但 调 节 精 度 要 求 不 高 的对 象 。 加 热 较 慢 的 温 度 控 制系 统 。PID 综 合 了 各 类 调 节 作 用的 优 点 ， 所 以 有 更 高的 调 节 质 量 。 对 于 滞 后 很 大 ， 负 荷 变化 很 大 的 对 象 ， PID调节 也 无 法 满 足 要 求 ， 应设 计 复 杂 调 节 系 统 应 用 于 调 节 通 道 容 量 滞 后 较大 、 负 荷 变 化 较 大 、 精 度 要求 高 的 对 象 。 温 度 控 制 系 统与 成 分 控 制 系 统 6.3.2调 节 规 律 的 选 择 过 程 控 制 系 统 与 仪 表 第 6章0/T0 0.2， 用 P或 PI 0.2 0/T0 1.0， 用 PD或 PID 0/T0 1.0， 用 简 单 控 制 系 统 效 果 不 好 。 1 osoo oKG s eT s 若 广 义 对 象 传 递 函 数 可 用 描 述 过 程 控 制 系 统 与 仪 表 第 6章6.4调 节 器 参 数 的 工 程 整 定 方 法控 制 器 参 数 的 整 定 就 是 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 。 具 体 来 说 ， 就 是 确 定最 合 适 的 控 制 器 比 例 度 P、 积 分 时 间 TI， 和 微 分 时 间 TD。理 论 计 算 的 方 法 是 根 据 已 知 的 各 环 节 特 性 及 控 制 质 量 的 要求 ， 通 过 理 论 计 算 出 控 制 器 的 最 佳 参 数 。工 程 整 定 法 在 已 经 投 运 的 实 际 控 制 系 统 中 ， 通 过 试 验 或 探索 ， 来 确 定 控 制 器 的 最 佳 参 数 。 过 程 控 制 系 统 与 仪 表 第 6章6.4.1稳 定 边 界 法 （ 临 界 比 例 度 法 ） 属 于 闭 环 整 定 方 法 ， 根 据 纯 比 例 控 制 系 统 临 界振 荡 试 验 所 得 数 据 （ 临 界 比 例 度 Pm和 振 荡 周 期 Tm） ，按 经 验 公 式 求 出 调 节 器 的 整 定 参 数 。（ 1） 置 调 节 器 Ti ， Td=0， 比 例 度 P 较大 值 ， 将 系 统 投 入 运 行 。（ 2） 逐 渐 减 小 P ， 加干 扰 观 察 ， 直 到 出 现 等 幅 减振 荡 为 止 。 记 录 此 时 的 临 界值 P m和 Tm。 y(t) Tm 系 统 临 界 振 荡 曲 线 t 过 程 控 制 系 统 与 仪 表 第 6章（ 3） 根 据 Pm和 Tm， 按 经 验公 式 计 算 出 控制 器 的 参 数 整定 值 。 整 定 参 数调 节 规 律 P（ %） Ti Td P 2Pm PI 2.2Pm 0.85 Tm PID 1.7Pm 0.50 Tm 0.125 Tm 表 6.1 稳 定 边 界 法 整 定 参 数 计 算 表 过 程 控 制 系 统 与 仪 表 第 6章方 法 ：（ 1） 把 调 节 器 设 成 比 例 作 用 （ Ti= ， Td=0） ， 置 于 较 大 比 例 度 ，投 入 自 动 运 行 。（ 2） 在 稳 定 状 态 下 ， 阶 跃 改 变 给 定 值 （ 通 常 以 5%左 右 为 宜 ） ， 观察 调 节 过 程 曲 线 。（ 3） 适 当 改 变 比 例 度 ， 重 复 上 述 实 验 ， 到 出 现 满 意 的 衰 减 曲 线 为止 。 记 下 此 时 的 比 例 度 P s及周 期 Ts。n=10:1时 ， 记 Ps及 Ts TsTr 6.4.2衰 减 曲 线 法 也 属 于 闭 环 整 定 方 法 ， 但 不 需 要 寻 找 等 幅 振 荡 状态 ， 只 需 寻 找 最 佳 衰 减 振 荡 状 态 即 可 。 过 程 控 制 系 统 与 仪 表 第 6章（ 4） 按 表 6-2（ n=4:1） 或 按 表 6-3（ n=10:1） 求得 各 种 调 节 规 律 时 的 整 定 参 数 。表 6.2 衰 减 比 为 4:1时 ，整 定 参 数 计 算 表表 6.3 衰 减 比 为 10:1时 ，整 定 参 数 计 算 表 0.1T s0.3 Ts0.8PsPID 0. 5 Ts1.2PsPI PsP TdTiP（ %） 整 定 参 数调 节 规 律 0.4Ts1.2Tr0.8PsPID 2Tr1.2PsPI PsP TdTiP（ %） 整 定 参 数调 节 规 律 过 程 控 制 系 统 与 仪 表 第 6章6.4.3响 应 曲 线 法属 于 开 环 整 定 方 法 。 以 广 义 对 象 的 阶 跃 响 应 为 依 据 ， 通过 经 验 公 式 求 取 调 节 器 的 最 佳 参 数 整 定 值 。方 法 ： 不 加 控 制 作 用 ， 作 广 义 对 象 的 阶 跃 响 应 曲 线 。给 定 值 控 制 器 被 控 变 量测 量 变 送 器执 行 器 对 象 过 程 控 制 系 统 与 仪 表 第 6章根 据 实 验 所 得 响 应 曲 线 ， 找 出 广 义 对 象 的 特 性参 数 K0、 T0、 0， 用 表 6-4的 经 验 公 式 求 整 定 参 数 。 T00 表 6.4 响 应 曲 线 法 整 定 参 数 的 公 式 0.5020PID 3.30PI P TdTiP（ %） 整 定 参 数调 节 规 律 00 085.0 PT 00 01.1 PT 00 0PT 1 osoo oKG s eT s max minmax min( ) 1 100%( )o o oy y yK Px x x K 过 程 控 制 系 统 与 仪 表 第 6章6.4.4 经 验 法 凭 经 验 凑 试 。 其 关 键 是 “ 看 曲 线 ， 调 参 数 ” 。控 制 器 参 数 对 控 制 过 程 的 影 响 ：比例度逐渐减小 积分时间逐渐减小 微分时间逐渐增大 过 程 控 制 系 统 与 仪 表 第 6章 返 回 控 制 器 参 数 经 验 数 据l 流 量 ： 对 象 时 间 常 数 小 ， 参 数 有 波 动 ， 要 大 40100%；Ti要 短 0.31min ； 不 用 微 分 。l 温 度 ： 对 象 容 量 滞 后 较 大 ， 即 参 数 受 干 扰 后 变 化 迟 缓 ， 应 小 2060%； Ti要 长 310min； 一 般 需 加 微 分 Td=0.5-3min l 压 力 ： 对 象 的 容 量 滞 后 不 算 大 ， 一 般 不 加 微 分 =3070% Ti=0.43min l 液 位 ： 对 象 时 间 常 数 范 围 较 大 ， 要 求 不 高 时 ， 可 在 一定 范 围 内 选 取 ， 一 般 不 用 微 分 ， = 2080 % 过 程 控 制 系 统 与 仪 表 第 6章6.4.5 几 种 整 定 方 法 的 比 较整 定 方 法 优 点 缺 点反 应 曲 线 法 方 法 简 单 系 统 开 环 ， 被 调 量 变 化较 大 ， 影 响 生 产稳 定 边 界 法 系 统 闭 环 会 出 现 被 调 量 等 幅 振 荡衰 减 曲 线 法 系 统 闭 环 ， 安 全 实 验 费 时经 验 法 系 统 闭 环 ， 不 需 计 算 需 要 经 验 过 程 控 制 系 统 与 仪 表 第 6章q 注 意 ：同 一 个 系 统 ， 最 佳 整 定 参 数 可 能 不 是 唯 一 的 。不 同 的 PID参 数 组 合 ， 有 时 会 得 到 极 为 相 近 的 控 制结 果 。例 如 某 初 馏 塔 塔 顶 温 度 控 制 系 统 ， 控 制 器 采 用以 下 两 组 参 数 时 ： P 15 TI 7.5min P 35 T I 3 min系 统 都 得 到 10:1的 衰 减 曲 线 ， 超 调 量 和 过 渡 时间 基 本 相 同 。 过 程 控 制 系 统 与 仪 表 第 6章例 ： 一 蒸 汽 加 热 的 热 交 换 温 度 控 制 系 统 ， 要 求 热 水 温 度 稳 定在 65 。 当 调 解 阀 输 入 信 号 增 加 1.6mADC（ 调 节 阀 门 输 入 电 流 范围 为 4 20mADC） 时 ， 热 水 温 度 上 升 为 67.8 ， 并 达 到 新 的 稳定 状 态 。 温 度 变 送 器 量 程 和 调 节 器 刻 度 范 围 为 30 80 。 从 温 度动 态 曲 线 上 可 以 测 出 。 如 果 采 用 PI或 PID调 节 规 律 ， 计 算 调 节 器 的 整 定 参 数 。1.2min, 2.5mino oT max min max min1.6 , 20 4 16 ,67.8 65 2.8 , 80 30 50 ,o ox mA x x mAy C y y C 2.8 50 0.561.616oK 解 ： 由 题 意 ：代 入 表 6 4计 算 即 可 。1.2min, 2.5mino oT 过 程 控 制 系 统 与 仪 表 第 6章练 习 ： 如 图 所 示 加 热 炉温 度 控 制 系 统 指 出 系 统 被 控 对 象 ， 被 控 参 数 ，调 节 参 数 作 出 系 统 方 框 图 选 择 调 节 阀 气 开 ， 气 关 形 式 选 择 调 节 器 正 反 作 用 方 式 若 当 DDZ 调 节 器 的 输 出 从 6mA改 变 到 7mA时 ， 温 度 记 录 仪 的 指 针 由 85.0 升 到 87.8 ， 从 原 来 的 稳 定 状 态 到 新 的 稳 定 状 态 。 仪 表 的 刻 度 为 50100 ， 并 测 出 。 如 果 采 用 PI与 PID调 节 规 律 ， 计 算参 数 整 定 值 。 min5.2min,2.1 T 燃 料 油加 热 炉 温 度 控 制 系 统 TC 过 程 控 制 系 统 与 仪 表 第 6章6.5 简 单 控 制 系 统 设 计 实 例 如 图 是 奶 粉 生 产 工 艺 中 的 喷 雾 式 干 燥 设 备 。 此工 艺 要 求 保 证 奶 粉 含 水 量 在 2%2.5%。6.5.1 生 产 过 程 概 述 6.5.2 控 制 方 案 设 计6.5.2.1 被 控 参 数 选 择直 接 参 数 选 奶 粉 含 水 量为 被 控 变 量 ， 但 此 类 在 线 测 量 仪表 精 度 低 、 速 度 慢 。 间 接 参 数 奶 粉 含 水 量 与 干燥 器 出 口 温 度 之 间 存 在 单 值 关 系 。 出口 温 度 稳 定 在 150 2 ， 则 奶 粉 含 水量 符 合 2%2.5% 。 因 此 选 干 燥 器 出口 流 体 温 度 为 被 控 变 量 。 过 程 控 制 系 统 与 仪 表 第 6章6.5.2.2 控 制 变 量 选 择影 响 干 燥 器 出 口 奶 粉 流 体 温 度 的 主 要 可 控 因 素 有 ：乳 液 流 量 变 化 f1 旁 路 空 气 流 量 变 化 f2 加 热 蒸 汽 流 量 变 化 f3 若 分 别 以 这 三 个 变 量 为 控 制 变量 ， 可 以 得 到 三 个 不 同 的 控 制 方 案 。 f 2 f1 f3 f3蒸 气 流 量 f2旁 路 冷 风 流 量 f1乳 液 流 量 热 交 换 器T=100, T=100 送 风 管 道 =3 干 燥 器 Go 过 程 控 制 系 统 与 仪 表 第 6章q 调 节 方 案 ：方 案 1： 取 乳 液 流 量为 控 制 变 量 （ 调 节 阀 1） f 3 f2 f1 热 交 换 器 送 风 管 道 干 燥 器调 节 阀 1调 节 器 变 送 器r yTT TC 过 程 控 制 系 统 与 仪 表 第 6章方 案 2： 取 旁 通 冷 风 流量 为 控 制 变 量 （ 调 节 阀 2）v 由 于 有 送 风 管 路 的 传递 滞 后 存 在 ， 较 方 案 1多 一个 纯 滞 后 环 节 =3sf 3 f2 f1 热 交 换 器 风 管 干 燥 器调 节 阀 2调 节 器 变 送 器r yTTTC 过 程 控 制 系 统 与 仪 表 第 6章v 热 交 换 器 为 双 容 特性 ， 因 而 调 节 通 道 又 多了 两 个 容 量 滞 后 ， 时 间常 数 都 是 T = 100秒 。 方 案 3： 取 蒸 汽 流 量为 控 制 变 量 （ 调 节 阀 3）f 3 f2 f1加 热 器 风 管 干 燥 器调 节 阀 3调 节 器 变 送 器r yTTTC 过 程 控 制 系 统 与 仪 表 第 6章q 控 制 方 案 的 判 别 ： 从 控 制 效 果 考 虑 ， 方 案 1的 调 节 通 道 最 短 ， 控 制 性 能 最佳 ； 方 案 2次 之 ， 方 案 3最 差 。但 从 工 艺 合 理 性 考 虑 ， 方 案 1并不 合 适 。选 择 方 案 2比 较 合 适 。 即 ： 将 调 节 阀 装 在 旁 通 冷 风 管 道 上 。TTTC 过 程 控 制 系 统 与 仪 表 第 6章6.5.1.3检 测 仪 表 、 调 节 阀 及 调 节 器 调 节 规 律 选 择 温 度 传 感 器 及 变 送 器选 用 热 电 阻 温 度 传 感 器 。 为 了 减 少 测 量 滞 后 ， 温 度 传 感 器 应 安 装 在 干 燥器 出 口 附 近 。 调 节 阀选 择 气 关 型 调 节 风 阀 。 其 流 量 特 性 近 似 线 性 。 调 节 器可 选 模 拟 式 或 数 字 式 调 节 器 。 根 据 控 制 精 度 要 求 （ 偏 差 2 ） ， 采 用PI或 PID调 节 规 律 ； 根 据 构 成 控 制 系 统 负 反 馈 的 原 则 ， 采 用 正 作 用 方 式 。 过 程 控 制 系 统 与 仪 表 第 6章调 节 阀 热 交 换 器鼓 风 机 产 品干 燥 器蒸 汽 乳 液TC TT6.5.1.4绘 制 控 制 系 统 图 过 程 控 制 系 统 与 仪 表 第 6章本 章 小 结简 单 控 制 系统 的 结 构 四 个 环 节 组 成被 控 变 量 的 选 择控 制 变 量 的 选 择控 制 参 数 的 整 定简 单 控 制 系统 的 设 计 闭 环 负 反 馈控 制 规 律 的 选 择 过 程 控 制 系 统 与 仪 表 第 6章补 充 ： 积 分 饱 和 现 象 t0 t1 t2 t3 t阀 位全 关全 开u0.140.1 0.5 r y PCPT恒 压 放 空 系 统间 歇 生 产 过 程调 节 阀 ： 气 开控 制 器 ： 反 作 用