《简单控制系统》课件

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 LC206 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 LT 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 生 产 过 程 对 过 程 控 制 系 统 的 要 求 可 简 要 归 纳 为安 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 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 。 其 中 控 制 方 案 设 计 是 控 制 系 统 设 计 的 核 心 。 过 程 控 制 系 统 与 仪 表 第 6章3. 过 程 控 制 系 统 设 计 的 步 骤1） 掌 握 生 产 工 艺 对 控 制 系 统 的 技 术 要 求2） 建 立 被 控 过 程 的 数 学 模 型3） 确 定 控 制 方 案 包 括 控 制 方 式 和 系 统 组 成 结 构 的 确 定 ， 是 过 程控 制 系 统 设 计 的 关 键 步 骤 。 4） 控 制 设 备 选 型 5） 实 验 （ 或 仿 真 ） 验 证 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 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 。合 理 选 择 被 控 变 量 ， 关 系 到 生 产 工 艺 能 否 达到 稳 定 操 作 、 保 证 质 量 、 保 证 安 全 等 目 的 。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 过 程 控 制 系 统 与 仪 表 第 6章例 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 。 LC LTh 过 程 控 制 系 统 与 仪 表 第 6章例 2 换 热 器 出 口 温 度 控 制 系 统工 艺 要 求 出 口 温 度 为 定 值 。 那 么 设 计 的 控 制 系统 就 应 以 出 口 温 度 为 被 控 变 量 。 热 物 料载 热 介 质冷 物 料 热 交 换 器 TT TC 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 3 化 工 的 精 馏 物 纯度 控 制 系 统精 馏 工 艺 是 利 用 被 分离 物 中 各 组 分 的 挥 发 温 度不 同 ， 将 各 组 分 分 离 。如 图 将 苯 甲 苯 混 合液 进 行 分 离 。 苯 甲 苯 苯 甲 苯 过 程 控 制 系 统 与 仪 表 第 6章 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 。但 是 ， 没 有 合 适的 仪 表 在 线 检 测 馏 出 物的 纯 度 ， 则 不 能 直 接 作为 被 控 变 量 。苯甲 苯 苯 甲 苯 过 程 控 制 系 统 与 仪 表 第 6章 只 好 在 与 馏 出 物 的纯 度 有 单 值 关 系 的 工 艺参 数 中 ， 找 出 合 适 的 变量 作 为 被 控 变 量 ， 进 行间 接 参 数 控 制 。经 工 艺 分 析 发 现 ，塔 内 压 力 和 塔 内 温 度 都对 馏 出 物 纯 度 有 影 响 。需 要 对 二 者 进 行 比 较 试验 ， 选 出 一 个 合 适 的 变量 。苯甲 苯 苯 甲 苯 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 度被 控 变 量 必 须 灵 敏 ， 容 易 被 测 量 。4、 选 择 被 控 变 量 时 ， 必 须 考 虑 工 艺 合 理 性上 例 中 ， 选 择 塔 内 温 度 作 被 控 变 量 ， 就 是 考虑 了 工 艺 上 ， 塔 内 压 力 是 最 佳 分 离 效 率 控 制 系 统 的被 控 变 量 。上 例 中 ， 若 塔 顶 、 塔 底 的 产 品 纯 度 都 分 别 设置 温 控 系 统 ， 会 相 互 干 扰 ， 存 在 关 联 。 因 此 ， 若 采用 简 单 控 制 系 统 ， 只 能 设 置 一 个 温 控 系 统 ， 保 证 塔顶 或 塔 底 一 端 的 产 品 质 量 。 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 LT h 过 程 控 制 系 统 与 仪 表 第 6章控 制 变 量 的 确 定被 控 变 量 选 定 以 后 ， 应 对 工 艺 进 行 分 析 ， 找 出所 有 影 响 被 控 变 量 的 因 素 。 在 这 些 变 量 中 ， 有 些 是可 控 的 ， 有 些 是 不 可 控 的 。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 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 响如 图 所 示 为 单 回 路 控 制 系 统 的 等 效 框 图 。 G c(s) Gf(s) Go(s)X(s) Y(s) F(s) 过 程 控 制 系 统 与 仪 表 第 6章 11sT K)s(G K)s(G sT K)s(G f ff cc o oo 11sT K)s(G K)s(G sT K)s(G f ff cc o oo 1sT Ks) f ff G c(s) 控 制 器 的 传 递 函 数 ；G o(s) 广 义 控 制 通 道 （ 包 括 执 行 器 和 变 送 器 ） 的 传 递 函 数 ；G f(s) 扰 动 通 道 的 传 递 函 数 。 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 干 扰 通 道控 制 通 道 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 可 见 ， 控 制 通 道 偏 差 和 干 扰 通 道 偏 差 的 传 函 分 母是 一 样 的 。 将 G c(s)、 Go(s)、 Gf(s)代 入 ： 11sT K)s(G K)s(G sT K)s(G f ff cc o oo )()()()()(1 )()()()(1 1)( sEsEsFsGsG sGsXsGsGsE fxoc foc +=+= 11sT K)s(G K)s(G sT K)s(G f ff cc o oo 0 0 0 ( )( ) ( )( ) X( ) ( )1 ( ) ( ) 1 ( ) ( )fc c cG sG s G sY s s F sG s G s G s G s 1sT K(s)G f ff 过 程 控 制 系 统 与 仪 表 第 6章 )()1( 1)()()(1 1)( sXKKsT sTsXsGsGsE coo oocx + +=+= )()1()1)(1( )1()()()(1 )()( sFsTKKsTsT sTKsFsGsG sGsE fcofo ofocff + +=+= 在 系 统 稳 定 的 条 件 下 ， 当 t时 ， 设 定 值 x(t)和 干扰 f(t)对 系 统 稳 态 误 差 e()的 影 响 如 下 ： （ 1） 当 f(t)=0， x(t)作 单 位 阶 跃 变 化 时 : s1KK1)s(T 1sT(s)EE(s) c00 0 x 过 程 控 制 系 统 与 仪 表 第 6章 c0 c00 0KK sKK1)s(T sTs sE(s)e(t)( 1 1 11lim limlime 0s 0stv K0越 大 ， 控 制 作 用 越 强 ， 稳 态 误 差 越 小 ；v K 0越 大 ， 被 调 参 数 对 控 制 作 用 的 反 应 越 灵 敏 ，控 制 精 度 越 高 ， 但 系 统 的 闭 环 稳 定 性 越 低 。 过 程 控 制 系 统 与 仪 表 第 6章 （ 2） 当 x(t)=0， f (t)作 单 位 阶 跃 扰 动 时 : ssTKKsTsT sTKsEsE fc0f0 0ff 1)1()1)(1( )1()()( c0f fc0f0 0f fKKK ssTKKsTsT sTKs ssEte)( 1 1)1()1)(1( )1(lim )(lim)(lime 0s 0st 过 程 控 制 系 统 与 仪 表 第 6章v 干 扰 通 道 的 静 态 放 大 系 数 Kf越 大 ， 干 扰 作 用 越强 ， 稳 态 误 差 越 大 ； 反 之 ， Kf越 小 ， 干 扰 作 用 越 弱 ，对 被 控 参 数 的 影 响 越 小 。故 应 选 放 大 系 数 大 的 变 量 作 为 控 制 变 量 。 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 1） 干 扰 通 道 时 间 常 数 T f对 控 制 品 质 的 影 响 干 扰 f(t)对 被 控 变 量 yf(t)的 影 响 可 用 下 面 的 传 递 函数 表 示 ： 过 程 控 制 系 统 与 仪 表 第 6章 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 如 果 干 扰 通 道 为 单 容 过 程 ， 其 传 递 函 数 为 ：1)( sTKsG f ff )()(1 11)()(1)s( )( sGsGT1sTKsGsG GF sY ocfffoc ff 过 程 控 制 系 统 与 仪 表 第 6章干 扰 通 道 的 惯 性 因 子 （ Tf s+1） 使 干 扰 作 用 的影 响 缓 慢 。Tf 越 大 ， 干 扰 对 被 控 变 量 的 影 响 越 缓 慢 ， 越 有利 于 控 制 。 )()(1 11)()(1)s( )( sGsGT1sTKsGsG GF sY ocfffoc ff 2） 干 扰 通 道 纯 滞 后 f对 控 制 品 质 的 影 响v 干 扰 通 道 纯 滞 后 f不 影 响 控 制 质 量 。 过 程 控 制 系 统 与 仪 表 第 6章 因 为 ， f 使 干 扰 对 被控 变 量 的 影 响 推 迟 了 f 时 间 ，则 控 制 作 用 也 推 迟 f 时 间 ，整 个 过 渡 过 程 曲 线 也 推 迟时 间 f ， 但 控 制 品 质 未 变 。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 含 有 e f s 过 程 控 制 系 统 与 仪 表 第 6章干 扰 进 入 系 统 的 位 置 离 被 控 变 量 检 测 点 越 远 ，则 Tf 越 大 ， 控 制 时 最 大 偏 差 越 小 。3） 干 扰 进 入 控 制 通 道 的 位 置 对 控 制 品 质 的 影 响例 ： 某 控 制 系 统 中 ， 干 扰 f1、 f2、 f3分 别 在 三 个位 置 进 入 系 统 。 干 扰 离 被 控 变 量 检 测 点 越 远 ， 则 干扰 通 道 的 时 间 常 数 越 大 ， 对 被 控 变 量 的 影 响 越 慢 。 过 程 控 制 系 统 与 仪 表 第 6章01 02 03f 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 f1(t)通 道 惯 性 小 ， 受 干 扰 后 被 调 参 数 变 化 速 度快 ； 当 控 制 作 用 见 效 时 ， 被 调 参 数 已 经 变 化 较 大 ，造 成 动 态 偏 差 较 大 。 过 程 控 制 系 统 与 仪 表 第 6章 所 以 扰 动 进 入 系 统 的 位 置 离 被 控 参 数 检 测 点 越 远 ，干 扰 对 被 控 参 数 影 响 越 小 。 y(t) yk(t) tyy k(t)y y(t) tyk(t)y y(t) t 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 tG C GV GO2GFGm fr e GO1 y v 控 制 通 道 G 01的 时 间 常数 T01增 大 ， 使 控 制 速 度 变慢 ， 最 大 偏 差 增 大 。v G 02是 控 制 、 干 扰 共 用通 道 ， T02不 影 响 最 大 偏 差 y2(t)yk(t)y y1(t) 过 程 控 制 系 统 与 仪 表 第 6章 y2(t)yk(t) ty y1(t) 01v 控 制 通 道 G 01的 纯 滞 后 ，使 控 制 作 用 滞 后 01到 达 ， 造成 控 制 偏 差 增 大 。v G 02是 控 制 、 干 扰 共 用 通 道 ， 干 扰 作 用 滞 后 02产 生 ， 但 控制 作 用 再 滞 后 02到 达 ， 同 样 造成 控 制 偏 差 增 大 。 y 2(t)yk(t) ty y1(t)2 02 02GC GV GO2GFGm fr e GO1 y 过 程 控 制 系 统 与 仪 表 第 6章 因 此 ， 控 制 通 道 时 间 常 数 T0 小 一 些 好 。 表 明 控制 变 量 对 被 控 变 量 的 影 响 迅 速 ， 有 利 于 控 制 。 控 制 通 道 纯 滞 后 0越 小 越 好 。 0会 使 控 制 时 间延 长 、 最 大 偏 差 增 大 。 控 制 变 量 的 选 择 原 则 ： 1、 控 制 通 道 应 当 放 大 系 数 大 、 时 间 常 数 小 、 纯滞 后 越 小 越 好 。 2、 控 制 变 量 应 是 工 艺 上 允 许 控 制 的 变 量 ， 并 且要 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 1中 ， 影 响 储 槽 液 位 的 主 要 因 素 有 ： 液 体 流入 量 和 。 这 两 个 变 量 影 响 力 相 当 ， 显 然 ， 液 体 流 出量 可 控 。 故 选 液 体 流 出 量 作 为 控 制 变 量 。 LC TThQi Q o 过 程 控 制 系 统 与 仪 表 第 6章例 2中 ， 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 3中 ， 若 选 择 提 馏 段 某 块 塔 板 （ 灵 敏 板 ） 的温 度 作 为 被 控 变 量 。 那 么 ， 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 ） 、冷 凝 器 冷 却 温 度 等 。 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 过 程 控 制 系 统 与 仪 表 第 6章1、 蒸 汽 流 量 对 提 馏段 温 度 影 响 比 回 流 量对 提 馏 段 温 度 影 响 更迅 速 、 更 显 著 。2、 从 节 能 角 度 来 讲 ，控 制 蒸 汽 流 量 比 控 制回 流 量 消 耗 的 能 量 要小 。 在 两 个 可 控 因 素 中 ， 选 蒸 汽 流 量 为 操 纵 变 量 。因 为 ： TT 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) 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 pH T LT LC pH C中 和 槽贮 酸 槽 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 按 控 制 信 号 中 断 时 ， 保 证 生 产 设 备 安 全 的 原 则确 定 。 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 ， 先 定 义 作 用 方 向 ：当 某 个 环 节 的 输 入 增 加 时 ， 其 输 出 也 增 加 ， 称 该环 节 为 “ 正 作 用 ” ； 反 之 ， 称 为 “ 反 作 用 ” 。按 此 定 义 ：q 变 送 器 都 是 正 作 用q 气 开 阀 是 正 作 用 ， 气 关 阀 是 反 作 用q 被 控 对 象 有 的 正 作 用 ， 有 的 反 作 用q 控 制 器 作 用 方 向 以 测 量 输 入 与 输 出 的 关 系 定 义 ：正 作 用 ： 测 量 值 给 定 值反 作 用 ： 给 定 值 测 量 值 过 程 控 制 系 统 与 仪 表 第 6章控 制 系 统 中 ， 各 个 环 节 的 作 用 方 向 组 合 不 当的 话 ， 会 使 系 统 构 成 正 反 馈 ， 不 但 不 能 起 控 制 作 用 ，反 而 会 破 坏 生 产 过 程 的 稳 定 。 因 为 执 行 器 和 对 象 有 正 、 反 作 用 ， 为 了 保 证 控制 系 统 负 反 馈 ， 调 节 器 必 须 有 正 、 反 作 用 之 调 整 。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 正 作 用反 作 用 正 作 用正 作 用 过 程 控 制 系 统 与 仪 表 第 6章 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 有 奇 数 个 反 作 用 环 节 。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 反 作 用正 作 用 正 作 用正 作 用 过 程 控 制 系 统 与 仪 表 第 6章例 1： 加 热 炉 出 口 温 度 控 制 系 统负 反 馈 验 证 ：设 某 时 刻 燃 料 压 力 燃 料 流 量 炉 温 出 料 温 度 TC输 入 TC输 出 阀 关 小 炉 温 出 料 温 度 TT TC 反正正正 燃 料出 料 过 程 控 制 系 统 与 仪 表 第 6章例 2： 储 槽 液 位 控 制 系 统LT LC M正正 正反 出 料负 反 馈 验 证 ：设 某 时 刻 进 料 量 液 位 LC输 入 LC输 出 阀 开 大 出 料 量 液 位 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 确 定 调 节 系 统 的 方 案 时 ， 要 根 据 对 象 的 特 性 和 工艺 要 求 ， 选 择 合 适 的 调 节 规 律 ， 使 组 成 的 调 节 系 统 满足 预 期 的 品 质 指 标 。 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 ) -e -测 量 值 给 定 值给 定 值 测 量 值调 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 析要 正 确 地 选 择 调 节 规 律 ， 首 先 必 须 理 解 各 种 调节 规 律 对 控 制 品 质 的 影 响 。最 简 单 的 调 节 规 律 是 位 式 调 节 规 律 。根 据 偏 差 e 的 正 、 负 ， 调 节 器 输 出 只 有 两 个 位置 ： 0或 100%。 0 e100% 调 节 器 输 出两 位 式 调 节 的 特 性位 式 调 节 下 ， 被 控 参 数 不能 稳 定 在 给 定 值 上 。 要 获 得 平稳 的 高 精 度 的 调 节 ， 必 须 采 用连 续 调 节 规 律 。 过 程 控 制 系 统 与 仪 表 第 6章要 使 控 制 过 程 平 稳 准 确 ， 必 须 使 用 输 出 值 能 连续 变 化 的 调 节 器 ， 采 用 比 例 ， 微 分 、 积 分 等 算 法 进行 调 节 。6.3.1.1比 例 （ P） 调 节 对 系 统 控 制 品 质 的 影 响比 例 调 节 器 输 出 变 化 u (t) 随 输 入 偏 差 e (t)成 比例 关 系 ： U( ) 1G( ) E( ) Pss s P比 例 度 。 1u(t) e(t)P 过 程 控 制 系 统 与 仪 表 第 6章例 自 力 式 水 位 比 例 控 制 系 统浮 球 为 水 位 传 感 器 ， 杠 杆 为 控 制 器 ， 活 塞 阀 为执 行 器 。 如 果 某 时 刻 Q2加 大 ， 造 成 水 位 下 降 ， 则 浮球 带 动 活 塞 提 高 ， 使 Q1加 大 阻 止 水 位 下 降 。杠 杆 a、 b之 比 例 关 系 ， 决 定 调 节 作 用 强 弱 。uab e a 1u e eb P 如 果 e = 0， 则 活 塞 无法 提 高 ， Q 1无 法 加 大 ， 调节 无 法 进 行 。u 过 程 控 制 系 统 与 仪 表 第 6章比 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 、 系 统 调 节 越 快 、 系 统 稳定 性 越 小 。P越 小 ， 控 制 余 差 越 小 。1u(t) e(t)Pq 比 例 带 P对 控 制 过 程 的 影 响 过 程 控 制 系 统 与 仪 表 第 6章 振荡逐渐加剧PPP PPuuuuu 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 q 系 统 调 节 性 能 指 标 （ 又 称 可 控 性 指 标 ）调 节 过 程 的 概 貌 主 要 由 四 个 品 质 指 标 来 衡 量 ： 1. 衰 减 率 ： 反 映 系 统 的 稳 定 性2. 振 荡 频 率 ： 反 映 调 节 速 度3. 余 差 ： 反 映 稳 态 精 度4. 最 大 动 态 偏 差 ： 反 映 动 态 精 度上 述 指 标 的 提 高 是 有 限 度 的 ， 受 制 于 控 制 系 统的 临 界 比 例 度 P min 和 临 界 振 荡 频 率 M而 被 控 对 象 的 特 性 决 定 了 控 制 系 统 Pmin 和 M 的 大 小 。 过 程 控 制 系 统 与 仪 表 第 6章临 界 比 例 度 Pmin的 倒 数 是 临 界 放 大 倍 数 KmaxKmax与 M的 乘 积 KmaxM在 一 定 程 度 上 代 表 了被 控 过 程 的 控 制 性 能 。 KmaxM越 大 ， 意 味 着 ：1. 控 制 器 放 大 系 数 Kc的 可 选 上 限 越 大 （ P的 下 限越 小 ） ， 则 系 统 稳 态 误 差 越 小 。2. 控 制 系 统 可 选 的 工 作 频 率 c越 大 ， 则 过 渡 过 程越 快 。因 此 ， K maxM作 为 调 节 性 能 指 标 ， 越 大 表 明 系统 的 控 制 性 能 越 好 。 可 用 于 工 程 上 的 简 便 判 断 。 过 程 控 制 系 统 与 仪 表 第 6章v 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 。 如 果 被 调 量 偏 差 为 零 ， 调节 器 的 输 出 也 就 为 零 u = e/P即 调 节 作 用 是 以 偏 差 存 在 为 前 提 条 件 ， 不 可 能做 到 无 静 差 调 节 。 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 tu 过 程 控 制 系 统 与 仪 表 第 6章 2 比 例 积 分 控 制 （ PI） 将 比 例 与 积 分 组 合 起 来 ， 这 样 既 控 制 及 时 ， 又能 消 除 余 差 ， 可 以 用 于 控 制 精 度 要 求 高 的 场 合 。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 ， 积 分 作 用越 弱 ， TI = ， 积 分 作用 为 零 。 TI减 小 ， 积 分作 用 增 强 ， 系 统 振 荡 加剧 ， 稳 定 性 下 降 。 因 此 ，加 积 分 后 ， 比 例 带 要 适当 加 大 。2. 如 果 T 1适 当 ， 系 统能 很 快 消 除 余 差 。 积 分 时 间 TI 对 过 渡 过 程 的 影 响uuuu 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 点有 偏 差 时 ， 积 分 输 出 随 时 间 增 大 （ 或 减 小 ） ；当 偏 差 消 失 时 ， 输 出 保 持 在 某 一 值 上 。ee t tuq 积 分 输 出 信 号 是 随 时间 逐 渐 增 强 的 ， 控 制 作 用缓 慢 ， 故 一 般 积 分 作 用 不单 独 使 用 。 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 对 于 惯 性 较 大 的 对 象 ， 常 常 希 望 能 加 快 控 制 速 度 ，此 时 可 增 加 微 分 作 用 。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 。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 。 因 此 不 能 单 独 使 用 ， 总 要和 比 例 或 比 例 积 分 调 节 规 律 结 合 起 来 ， 组 成 PD调 节器 或 PID调 节 器 。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 tu 理 想 的 微 分 作 用 持 续时 间 太 短 ， 执 行 器 来 不 及响 应 。 一 般 使 用 实 际 的 比例 微 分 作 用 。 过 程 控 制 系 统 与 仪 表 第 6章微 分 时 间 的 物 理 意 义 1u ( )P D dee T dt Dau (t T )P 若 偏 差 是 系 数 为 a的斜 坡 信 号 :当 t = TD 时 : q 微 分 时 间 TD对 控 制 过 程 的 影 响 D Dau(T ) 2TP eu ttT D2aTD/PaTD/P a 过 程 控 制 系 统 与 仪 表 第 6章uuu tttu t TD较 小 ， 控 制速 度 稍 有 加 快 TD=0， 纯 比例 控 制 过 程TD太 大 ， 出 现等 幅 振 荡 TD合 适 ， 控 制速 度 明 显 加 快 微 分 时 间 TD 对 过 渡 过 程 的 影 响 过 程 控 制 系 统 与 仪 表 第 6章v 微 分 控 制 的 优 点 ： 能 加 快 系 统 的 控 制 速 度 。缺 点 ： 偏 差 存 在 但 不 变 化 时 ， 无 控 制 作 用 。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 过 程 控 制 系 统 与 仪 表 第 6章uq 在 PID调 节 中 ，比 例 作 用 是 基 础 ； 微分 作 用 可 以 加 快 系 统控 制 速 度 ， 减 小 超 调 ；积 分 作 用 可 以 消 除 静差 。 但 不 是 任 何 对 象都 是 用 PID 控 制 最 好 。 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 PIDPI6.3.1.4 （ 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6.3.2调 节 规 律 的 选 择1、 比 例 控 制 （ P）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 ，2、 比 例 积 分 控 制 （ PI）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 。3、 比 例 微 分 控 制 （ PD）适 用 于 控 制 通 道 滞 后 较 大 的 系 统 。 例 如 加 热较 慢 的 温 度 控 制 系 统 。 过 程 控 制 系 统 与 仪 表 第 6章4、 比 例 积 分 微 分 控 制 （ PID）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 控 制 系 统与 成 分 控 制 系 统 。 TT TC 也 可 根 据 0/T0来 选 择 调 节器 的 调 节 规 律 ： 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 。 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 。PI 能 消 除 静 差 ， 又 控 制灵 敏 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 。 例 如 ， 流量 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 。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 。 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 法在 控 制 系 统 设 计 或 安 装 完 毕 后 ， 被 控 对 象 、测 量 变 送 器 和 执 行 器 这 三 部 分 的 特 性 就 完 全 确 定了 ， 不 能 任 意 改 变 。 只 能 通 过 控 制 器 参 数 的 工 程整 定 ， 来 调 整 控 制 系 统 的 稳 定 性 和 控 制 质 量 。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 T I， 和 微 分 时 间 TD。 过 程 控 制 系 统 与 仪 表 第 6章控 制 器 参 数 整 定 的 方 法 很 多 ， 主 要 有 两 大 类 ，一 类 是 理 论 计 算 的 方 法 ， 另 一 类 是 工 程 整 定 法 。q 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 。这 种 方 法 由 于 比 较 繁 琐 、 工 作 量 大 ， 计 算 结 果 有 时与 实 际 情 况 不 甚 符 合 ， 故 在 工 程 实 践 中 长 期 没 有 得到 推 广 和 应 用 。q 工 程 整 定 法 是 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 。 这 种方 法 是 工 艺 技 术 人 员 在 现 场 经 常 使 用 的 。 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v 经 验 公 式 虽 然 是 在 实 验 基 础 上 归 纳 出 来 的 ， 但它 有 一 定 的 理 论 依 据 。 就 以 表 中 PI调 节 器 整 定 数 值为 例 ， 可 以 看 出 PI调 节 器 的 比 例 度 较 纯 比 例 调 节 时增 大 ， 这 是 因 为 积 分 作 用 产 生 一 滞 后 相 位 ， 降 低 了系 统 的 稳 定 度 的 缘 故 。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q 稳 定 边 界 方 法 在 下 面 两 种 情 况 下 不 宜 采 用 ： 临 界 比 例 度 过 小 时 ， 调 节 阀 容 易 游 移 于 全 开 或全 关 位 置 ， 对 生 产 工 艺 不 利 或 不 容 许 。 例 如 ， 一 个用 燃 料 油 加 热 的 炉 子 ， 如 果 阀 门 发 生 全 关 状 态 就 要熄 火 。 工 艺 上 的 约 束 条 件 严 格 时 ， 等 幅 振 荡 将 影 响 生产 的 安 全 。 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 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 被 控 对 象 控 制 通 道 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 控 制 通 道 特 性 曲 线 。给 定 值 测 量 变 送 器控 制 器 执 行 器 对 象 被 控 变 量 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此 方 法 在 不 加 控 制 作 用 的 状 态 下 进 行 ， 对 于 不 允许 工 艺 失 控 的 生 产 过 程 ， 不 能 使 用 。 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 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 ” 。在 闭 环 的 控 制 系 统 中 ， 凭 经 验 先 将 控 制 器 参 数放 在 一 个 数 值 上 ， 通 过 改 变 给 定 值 施 加 干 扰 ， 在 记录 仪 上 观 察 过 渡 过 程 曲 线 ， 根 据 P、 TI 、 TD对 过 渡过 程 的 影 响 为 指 导 ， 对 比 例 度 P 、 积 分 时 间 TI和 微分 时 间 TD逐 个 整 定 ， 直 到 获 得 满 意 的 曲 线 为 止 。v 经 验 法 的 方 法 简 单 ， 但 必 须 清 楚 控 制 器 参 数 变化 对 过 渡 过 程 曲 线 的 影 响 关 系 。 在 缺 乏 实 际 经 验 或过 渡 过 程 本 身 较 慢 时 ， 往 往 较 为 费 时 。 过 程 控 制 系 统 与 仪 表 第 6章控 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