过程控制第7节

1、beijing university of posts and telecommunications11/4/20211第五章第五章 简单控制系统设计简单控制系统设计beijing university of posts and telecommunications11/4/20212理想理想pidpid的增量式数学表达式的增量式数学表达式 ：dttdetdttettektudic)()(1)()()(tu为调节器输出的增量值，为调节器输出的增量值，)(te为被控参数与给定值之差。为被控参数与给定值之差。 传递函数形式：传递函数形式：第一项为比例（第一项为比例（p p）部分，第二项为积分（）部

2、分，第二项为积分（i i）部分，第三项为微分（）部分，第三项为微分（d d）部分；）部分；ck为调节器的比例增益，为调节器的比例增益，it为积分时间（以为积分时间（以s s或或minmin为单位）为单位）dt为微分时间（也以为微分时间（也以s s或或minmin为单位）。为单位）。 )11 ()()()(sttksesusgdiccbeijing university of posts and telecommunications11/4/20213控制系统在不同调节作用下的典型响应如下：控制系统在不同调节作用下的典型响应如下： 被控变量被控变量t无控制作用无控制作用ppdpidpibeiji

3、ng university of posts and telecommunications11/4/20214调节调节规律规律优优 点点缺缺 点点应应 用用p灵敏、简单，只有一灵敏、简单，只有一个整定参数；个整定参数；存在静差存在静差负荷变化不显著，工艺指标负荷变化不显著，工艺指标要求不高的对象。要求不高的对象。pi能消除静差，又控制能消除静差，又控制灵敏灵敏对于滞后较大的对象，对于滞后较大的对象，比例积分调节太慢，效比例积分调节太慢，效果不好。果不好。应用于调节通道容量滞后较应用于调节通道容量滞后较小、负荷变化不大、精度要小、负荷变化不大、精度要求高的调节系统。例如，流求高的调节系统。例如，

4、流量调节系统。量调节系统。pd增进调节系统的稳定增进调节系统的稳定度，可调小比例度，度，可调小比例度，而加快调节过程，减而加快调节过程，减小动态偏差和静差小动态偏差和静差系统对高频干扰特别敏系统对高频干扰特别敏感，系统输出易夹杂高感，系统输出易夹杂高频干扰。频干扰。应用于调节通道容量滞后较应用于调节通道容量滞后较大，但调节精度要求不高的大，但调节精度要求不高的对象。对象。pid综合了各类调节作用综合了各类调节作用的优点，所以有更高的优点，所以有更高的调节质量。的调节质量。对于滞后很大，负荷变对于滞后很大，负荷变化很大的对象，化很大的对象，pidpid调调节也无法满足要求，应节也无法满足要求，应

5、设计复杂调节系统设计复杂调节系统应用于调节通道容量滞后较应用于调节通道容量滞后较大、负荷变化较大、精度要大、负荷变化较大、精度要求高的对象。求高的对象。beijing university of posts and telecommunications11/4/20215例例 某比例控制器，温度控制范围为某比例控制器，温度控制范围为400400800800，输出信号范围，输出信号范围是是4 420ma20ma。当指示指针从。当指示指针从600600变到变到700700时，控制器相应的输出时，控制器相应的输出从从8ma8ma变为变为16ma16ma。求设定的比例度。求设定的比例度。beijing

6、 university of posts and telecommunications11/4/202165.2.4 5.2.4 执行器的选择执行器的选择 执行器是过程控制系统的重要组成部分，其特性好坏直接影响系统的控制质量执行器是过程控制系统的重要组成部分，其特性好坏直接影响系统的控制质量 1. 1. 执行器的选型执行器的选型 在过程控制中，使用最多的是气动执行器，其次是电动执行器。应根据生产过在过程控制中，使用最多的是气动执行器，其次是电动执行器。应根据生产过 程的特点、对执行器推力的需求以及被控介质的具体情况和保证安全等因素加程的特点、对执行器推力的需求以及被控介质的具体情况和保证安全等

7、因素加 以选择并且确定。以选择并且确定。 2. 2. 气动执行器气开、气关的选择气动执行器气开、气关的选择 气动执行器分气开、气关两种形式，它的选择首先应根据调节器输出信号为零气动执行器分气开、气关两种形式，它的选择首先应根据调节器输出信号为零 时使生产处于安全状态的原则确定；其次，在保证安全的前提下，还应根据是时使生产处于安全状态的原则确定；其次，在保证安全的前提下，还应根据是 否有利于节能、是否有利于开车、停车等进行选择。否有利于节能、是否有利于开车、停车等进行选择。 beijing university of posts and telecommunications11/4/202173

8、. 3. 调节阀尺寸的选择调节阀尺寸的选择 调节阀的尺寸主要指调节阀的开度和口径，它的选择对系统的正常运行影响很大调节阀的尺寸主要指调节阀的开度和口径，它的选择对系统的正常运行影响很大 在正常工况下一般要求调节阀开度应处于在正常工况下一般要求调节阀开度应处于15%-85%15%-85%之间，具体应根据实际需要之间，具体应根据实际需要的流通能力的大小进行选择。的流通能力的大小进行选择。 4. 4. 调节阀流量特性的选择调节阀流量特性的选择 通过选择调节阀的非线性流量特性来补偿被控过程的非线性特性，以达到系统通过选择调节阀的非线性流量特性来补偿被控过程的非线性特性，以达到系统总的放大倍数近似线性的

9、目的总的放大倍数近似线性的目的 x xy ybeijing university of posts and telecommunications11/4/202185.2.5 5.2.5 调节器正反作用的选择调节器正反作用的选择给定值给定值测量变送器测量变送器控制器控制器执行器执行器对象对象操作量操作量被控变量被控变量干扰干扰控制系统中，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。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

10、，调节器必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。须有正、反作用之调整。beijing university of posts and telecommunications11/4/20219按此定义：按此定义：给定值给定值测量变送器测量变送器控制器控制器执行器执行器对象对象操作量操作量被控变量被控变量干扰干扰当某个环节的输入增加时，其输出也增加，称该环节为当某个环节的输入增加时，其输出也增加，称该环节为“正作用正作用”；反之，称为反之，称为“反作用反作用” ” 。控制器作用方向以输入与输出的关系定义控制器作用方向以输入与输出的关系定义被控对象有的正

11、作用，有的反作用被控对象有的正作用，有的反作用气开阀是正作用，气关阀是反作用气开阀是正作用，气关阀是反作用变送器都是正作用变送器都是正作用“正反作用正反作用” ” 定义定义beijing university of posts and telecommunications11/4/202110偏差偏差控制器控制器执行器执行器对象对象变送器变送器给定值给定值被调参数被调参数干扰干扰测量值测量值正作用正作用反作用反作用正作用正作用正作用正作用构成系统开环传递函数静态增构成系统开环传递函数静态增益的乘积必须为正益的乘积必须为正 名称名称正负正负正作用正作用被控过程的静态增益被控过程的静态增益正作用正

12、作用调节器的静态增益调节器的静态增益 气开式调节阀的静态增益气开式调节阀的静态增益测量变送环节的静态增益测量变送环节的静态增益 ckvkmk各类增益符号的选择：各类增益符号的选择：ok正正负负正正正正beijing university of posts and telecommunications11/4/202111 调节器正反作用的确定原则：保证系统构成负反馈调节器正反作用的确定原则：保证系统构成负反馈偏差偏差控制器控制器执行器执行器对象对象变送器变送器给定值给定值被调参数被调参数干扰干扰测量值测量值反作用反作用正作用正作用正作用正作用正作用正作用简单的判定方法：闭合回路中有奇数个反作用

13、环节。简单的判定方法：闭合回路中有奇数个反作用环节。beijing university of posts and telecommunications11/4/202112首先根据生产工艺要求及安全等原则确定调节阀的气开、气关形式，以确定首先根据生产工艺要求及安全等原则确定调节阀的气开、气关形式，以确定 调节器正反作用类型的确定方法：调节器正反作用类型的确定方法： vk的正负；的正负； 然后根据被控过程特性确定其属于正、反哪一种类型，以确定然后根据被控过程特性确定其属于正、反哪一种类型，以确定 的正负；的正负； 最后根据系统开环传递函数中各环节静态增益的乘积必须为正这一原则确定最后根据系统开

14、环传递函数中各环节静态增益的乘积必须为正这一原则确定调节器调节器 ck正负，进而确定调节器的正反作用类型。正负，进而确定调节器的正反作用类型。 ok给定值给定值测量变送器测量变送器控制器控制器执行器执行器对象对象操作量操作量被控变量被控变量干扰干扰beijing university of posts and telecommunications11/4/202113例例1 1：加热炉出口温度控制系统：加热炉出口温度控制系统设某时刻燃料压力设某时刻燃料压力tttc反反正正正正正正燃料燃料出料出料出料温度出料温度炉温炉温阀关小阀关小tctc输出输出tctc输入输入负反馈验证：负反馈验证：出料温度

15、出料温度炉温炉温燃料流量燃料流量beijing university of posts and telecommunications11/4/202114例例2 2：储槽液位控制系统：储槽液位控制系统设某时刻进料量设某时刻进料量液位液位lclc输入输入lclc输出输出阀开大阀开大出料量出料量液位液位负反馈验证：负反馈验证：lt lcm正正正正正正反反出料进料beijing university of posts and telecommunications11/4/2021155.3 5.3 调节器的参数整定调节器的参数整定 调节器参数整定的任务是根据被控过程的特性，确定调节器参数整定的任务是

16、根据被控过程的特性，确定pidpid调节器的比例度调节器的比例度 、积分时间、积分时间 it以及微分时间以及微分时间 dt的大小。的大小。衰减比衰减比12bnb衰减率衰减率11bbj-b 2n 4:110:1 0.750.95%t tp pt ts sb b1 1b b2 2y yt t保证系统具有一定的稳定裕量保证系统具有一定的稳定裕量beijing university of posts and telecommunications11/4/202116参数整定的方法参数整定的方法理论计算整定法主要是依据系统的数学模型，采用控制理论中的根轨迹法、频理论计算整定法主要是依据系统的数学模型，采

17、用控制理论中的根轨迹法、频 率特性法、对数频率特性法、扩充频率特性法等，经过理论计算确定调节器参率特性法、对数频率特性法、扩充频率特性法等，经过理论计算确定调节器参 数的数值。数的数值。 这种方法只有理论指导意义。这种方法只有理论指导意义。工程整定法主要是依靠工程经验，直接在过程控制系统的实际运行中进行。工程整定法主要是依靠工程经验，直接在过程控制系统的实际运行中进行。 自整定法是对一个正在运行中的控制系统特别是设定值改变的控制系统自整定法是对一个正在运行中的控制系统特别是设定值改变的控制系统, ,进行自进行自 动整定控制回路中的动整定控制回路中的pidpid参数。参数。理论计算整定法理论计算

18、整定法工程整定法工程整定法 自整定法自整定法beijing university of posts and telecommunications11/4/2021175.3.2 5.3.2 调节器参数的整定调节器参数的整定 1 1临界比例度法临界比例度法 具体步骤：具体步骤：1 1）首先将调节器的）首先将调节器的ti ， td=0 ，置为较大的数值置为较大的数值 2 2）等系统运行稳定后，对设定值施加一个阶跃变化，并减小）等系统运行稳定后，对设定值施加一个阶跃变化，并减小 直到出现直到出现 等幅振荡曲线为止。记录下此时的临界比例度等幅振荡曲线为止。记录下此时的临界比例度k和等幅振荡周期和等幅振

19、荡周期 kt011()tdideueedt ttdtbeijing university of posts and telecommunications11/4/2021183 3）按下表的经验公式计算出调节器的）按下表的经验公式计算出调节器的 itdtv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。就以表中据。就以表中pipi调节器整定数值为例，可以看出调节器整定数值为例，可以看出pipi调节器的比例度较纯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，降低了系统的稳比例调节时增大，这是因为积分作用产生一

20、滞后相位，降低了系统的稳定度的缘故。定度的缘故。 整定参数整定参数调节规律调节规律 ti td p 2 pi 2.2 0.85 tk pid 1.7 0.50 tk 0.125 tk kkkbeijing university of posts and telecommunications11/4/2021192 2衰减曲线法衰减曲线法 衰减曲线法的做法与临界比例法类似。不同的是在改变比例度，观察衰减比。衰减曲线法的做法与临界比例法类似。不同的是在改变比例度，观察衰减比。当衰减比为当衰减比为4:14:1的振荡过程，或的振荡过程，或10:110:1的振荡过程，记录下此时的的振荡过程，记录下此时的

21、以及输出响应的上升时间以及输出响应的上升时间、 衰减振荡周期衰减振荡周期beijing university of posts and telecommunications11/4/202120该方法的最大缺点是较难准确确定该方法的最大缺点是较难准确确定4:14:1（或（或10:110:1）的衰减程度。尤其对于一）的衰减程度。尤其对于一些干扰比较频繁、过程变化较快的控制系统，如管道动、流量等控制系统不些干扰比较频繁、过程变化较快的控制系统，如管道动、流量等控制系统不宜采用此法。宜采用此法。 衰减曲线法对多数过程都适用。衰减曲线法对多数过程都适用。然后对比下表经验公式计算：然后对比下表经验公式计

22、算：beijing university of posts and telecommunications11/4/2021213 3反应曲线法（动态特性参数法）反应曲线法（动态特性参数法） 反应曲线法是利用系统广义过程的阶跃响应曲线对调节器参数进行整定。反应曲线法是利用系统广义过程的阶跃响应曲线对调节器参数进行整定。 先使系统处于开环状态，在输入端施加一个阶跃信号，记录下测量变送环先使系统处于开环状态，在输入端施加一个阶跃信号，记录下测量变送环节的输出响应曲线节的输出响应曲线 给定值给定值测量变送器测量变送器控制器控制器执行器执行器对象对象被控变量被控变量beijing university

23、of posts and telecommunications11/4/202122对于有自衡能力的广义被控过程，传递函数可写为对于有自衡能力的广义被控过程，传递函数可写为根据阶跃响应曲线求得广义被控过程的传递函数后根据下表的经验公式计算根据阶跃响应曲线求得广义被控过程的传递函数后根据下表的经验公式计算调节器的参数。调节器的参数。 ssestestksg-0000111)(beijing university of posts and telecommunications11/4/2021234 4三种工程整定方法的比较三种工程整定方法的比较三种工程整定方法都是通过试验获取某些特征参数，然后再

24、按三种工程整定方法都是通过试验获取某些特征参数，然后再按计算公式算出调节器的整定参数计算公式算出调节器的整定参数 反应曲线法通用性最强；反应曲线法通用性最强；临界比例度法和衰减曲线法都无需掌握被控过程的数学模型；临界比例度法和衰减曲线法都无需掌握被控过程的数学模型；从闭环试验对干扰有较好的抑制作用，开环试验对外界干扰的抑制能力从闭环试验对干扰有较好的抑制作用，开环试验对外界干扰的抑制能力很差的意义上说，衰减曲线法最好，临界比例度法次之，反应曲线法最很差的意义上说，衰减曲线法最好，临界比例度法次之，反应曲线法最差。差。 相同：相同：不同：不同：beijing university of post

25、s and telecommunications11/4/202124min)(0dtteiaemin)(02dtteisemin)(0dttetitaemin)(02dttteitse衰减比衰减比 n 4:1衰减率衰减率 0.75最佳整定法最佳整定法beijing university of posts and telecommunications11/4/202125v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。的影响关系。在缺乏实际经验或过渡过程本身较慢时，往

26、往较为费时。beijing university of posts and telecommunications11/4/202126 t tt tt ty yt ttd=0td较小较小td合适合适td太大太大011()tdideueedtttdtbeijing university of posts and telecommunications11/4/202127注意：注意：同一个系统，最佳整定参数可能不是唯一的。不同的同一个系统，最佳整定参数可能不是唯一的。不同的pidpid参数组参数组合，有时会得到极为相近的控制结果。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

27、器采用以下两组参数时：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： 1515 t ti i 7.5min7.5min 3535 t ti i 3 min3 min系统都得到系统都得到10:110:1的衰减曲线，超调量和过渡时间基本相同。的衰减曲线，超调量和过渡时间基本相同。 beijing university of posts and telecommunications11/4/2021285.4 5.4 单回路控制系统设计实例单回路控制系统设计实例 5.4.1 5.4.1 干燥过程的控制系统设计干燥过程的控制系统设计 5.4.1.1 5.4.1.1 工艺要求工艺要求 由于乳化

28、物属于胶体物质，激烈搅由于乳化物属于胶体物质，激烈搅拌易固化，也不能用泵抽送，因而拌易固化，也不能用泵抽送，因而采用高位槽的办法采用高位槽的办法 由于需要蒸发掉乳液中的水分，使之由于需要蒸发掉乳液中的水分，使之成为粉状物，并随湿空气一起送出进成为粉状物，并随湿空气一起送出进行分离。行分离。奶粉含水量在奶粉含水量在2%-2.5%2%-2.5%beijing university of posts and telecommunications11/4/2021295.4.1.2 5.4.1.2 方案设计与参数整定方案设计与参数整定 1. 1. 被控参数与控制参数的选择被控参数与控制参数的选择 1

29、1）被控参数的选择）被控参数的选择 根据生产工艺，水分含量与干燥温度根据生产工艺，水分含量与干燥温度密切相关。选用干燥的温度为被控参密切相关。选用干燥的温度为被控参数，水分与温度一一对应。数，水分与温度一一对应。2 2）控制参数的选择）控制参数的选择 经过对装置的分析，可知影响干经过对装置的分析，可知影响干燥器温度的因素：燥器温度的因素：)(1tf旁路空气旁路空气流量流量2( )f t加热蒸汽流量加热蒸汽流量 3( )f t任选一个作控制参数，任选一个作控制参数，均可构成温度控制系统。均可构成温度控制系统。 乳液流量乳液流量f f3 3f f1 1f f2 2出口温度稳定在出口温度稳定在150

30、15022beijing university of posts and telecommunications11/4/202130影响量作用的位置不同：影响量作用的位置不同：f3f3蒸气流量蒸气流量f2f2旁路冷风流量旁路冷风流量f1f1乳液流量乳液流量 热交换器热交换器t=100, t=100t=100, t=100送风管道送风管道 =3 =3干燥器干燥器 gogo乳液流量变化乳液流量变化f1f1的作用通道最短；的作用通道最短；旁路空气流量变化旁路空气流量变化f2f2的作用通道增的作用通道增加了加了3 3秒的滞后；秒的滞后；加热蒸汽流量变化加热蒸汽流量变化f3f3的作用通道又的作用通道又增

31、加了两个增加了两个100100秒的双容滞后。秒的双容滞后。f f3 3f f1 1f f2 2beijing university of posts and telecommunications11/4/202131q调节方案：调节方案：方案方案1 1：取乳液流量为控制：取乳液流量为控制变量（调节阀变量（调节阀1 1） v控制通道最短控制通道最短f f3 3f2f2f1f1 热交换器热交换器送风管道送风管道干燥器干燥器调节阀调节阀1 1调节器调节器变送器变送器r ry ybeijing university of posts and telecommunications11/4/202132方

32、案方案2 2：取旁通冷风流量为控制：取旁通冷风流量为控制变量（调节阀变量（调节阀2 2）v由于有送风管路的传递滞后存由于有送风管路的传递滞后存在，较方案在，较方案1 1多一个纯滞后环节多一个纯滞后环节=3s=3sf f3 3f f2 2f f1 1 热交换器热交换器风管风管干燥器干燥器调节阀调节阀2 2调节器调节器变送器变送器r ry ybeijing university of posts and telecommunications11/4/202133v热交换器为双容特性，因而热交换器为双容特性，因而调节通道又多了两个容量滞后，时调节通道又多了两个容量滞后，时间常数都是间常数都是t t

33、= 100 = 100秒。秒。 方案方案3 3：取蒸汽流量为控制：取蒸汽流量为控制变量（调节阀变量（调节阀3 3）f f3 3f f2 2f f1 1加热器加热器风管风管干燥器干燥器调节阀调节阀3 3调节器调节器变送器变送器r ry ybeijing university of posts and telecommunications11/4/202134q 控制方案的判别：控制方案的判别：从控制效果考虑，方案从控制效果考虑，方案1 1的调节通道最短，控制性能最佳的调节通道最短，控制性能最佳；方案；方案2 2次之，方案次之，方案3 3最差。但最差。但从工艺合理性考虑，方案从工艺合理性考虑，方案

34、1 1并不并不合适。合适。因为乳液量应按该装置的最大生产能力控制，且在浓缩乳液管道上因为乳液量应按该装置的最大生产能力控制，且在浓缩乳液管道上装调节阀，容易使调节阀堵塞而影响控制效果。因此，选择方案装调节阀，容易使调节阀堵塞而影响控制效果。因此，选择方案2 2比较合比较合适。即：将调节阀装在旁通冷风管道上。适。即：将调节阀装在旁通冷风管道上。beijing university of posts and telecommunications11/4/2021352 2仪表的选择仪表的选择 1 1）测温元件及变送器的选择）测温元件及变送器的选择选用热电阻温度计选用热电阻温度计2 2）调节阀的选择

35、）调节阀的选择 选用气关式调节阀选用气关式调节阀3 3）调节器的选择）调节器的选择 由于调节阀为气关式，故由于调节阀为气关式，故 vk为负；为负；当给被控过程当给被控过程输入的空气量增加时，干燥器的温度降低，故输入的空气量增加时，干燥器的温度降低，故0k测量变送器的测量变送器的 mk调节器的调节器的 ck应为正，故选用反作用调节器。应为正，故选用反作用调节器。 选用选用pipi或或pidpid控制规律控制规律为负；为负；tctt为正为正; ;各环节静态放大系数的乘积为正各环节静态放大系数的乘积为正beijing university of posts and telecommunications11/4/2021363 3温度控制原理图及其系统框图温度控制原理图及其系统框图 4. 4. 调节器的参数整定调节器的