过程控制王再英

1、过程控制系统与仪表过程控制系统与仪表 第第6章章6.1简单控制系统的结构与组成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阀和一个对象所构成的单闭环控制系统单闭环控制系统。 第第6 6章章 简单控制系统简单控制系统的设计与参数整定的设计与参数整定TC206后续字母表示仪表功能后续字母表示仪表功能第第1位数字表示工段号位数字表示工段号后续数字表示仪表序号后续数字表示仪表序号第第1位字母表示被控参数位字母表示被控参数 LC TT仪表符号标准仪表符号标准过程控制系统与仪表过程控制系统与仪表 第第6章章控制系统原理方框图控

2、制系统原理方框图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热物料热物料载热介质载热介质冷物料冷物料热交换器热交换器 TT TC控制系统工艺流程图控制系统工艺流程图过程控制系统与仪表过程控制系统与仪表 第第6章章6.2简单控制系统设计简单控制系统设计1. 1. 过程控制系统方案设计的基本要求过程控制系统方案设计的基本要求( (了解）了解）安全性、稳定性和经济性三个方面。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的主要内容 （了解）（了解） 过程控制系统设计包括控制系统方案设计、工程设计、工程安装和过

3、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。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过程控制系统与仪表 第第6章章6.2.2被控参数与控制变量的选择被控参数与控制变量的选择6.2.2.1被控参数（变量）的选择被控参数（变量）的选择被控变量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。定规律变化）的变量。被控变量的选择依据：被控变量的选择依据：1 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、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

4、量 LC TTh例例1 储槽液位控储槽液位控制系统制系统工艺要求储槽液工艺要求储槽液位稳定。那么设计的控位稳定。那么设计的控制系统就应以储槽液位制系统就应以储槽液位为被控变量。为被控变量。过程控制系统与仪表过程控制系统与仪表 第第6章章2、当不能用直接工艺参数作为被控变量时，应选择与、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。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。例例 化工的精馏物纯度控制系统化工的精馏物纯度控制系统苯苯甲苯甲苯苯苯甲苯甲苯 该精馏塔的工艺要求是要使塔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

5、度。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按照被控变量的选择原则1，塔顶（或，塔顶（或塔底）馏出物的组分应作为被控变量。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难在线检测，则不能直接作为被控变量。量。间接参数塔内压力和塔内温度都间接参数塔内压力和塔内温度都对馏出物纯度有影响。对馏出物纯度有影响。选哪一个选哪一个作为被控变量？作为被控变量？过程控制系统与仪表过程控制系统与仪表 第第6章章间接控制参数的确定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

6、）从工艺合理性有单值对应关系。（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。考虑，选择温度作为被控变量。 过程控制系统与仪表过程控制系统与仪表 第第6章章3 3、被控变量必须有足够大的灵敏度、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、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过程控制系统与仪表 第第6章章6.2.2.2控制变量选择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、电制变量或操纵变量。最常见的操

7、纵变量是介质的流量，也有以转速、电压等作为操纵变量的。压等作为操纵变量的。 LC TTh控制变量的确定控制变量的确定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；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。其它未被选中的因素则视为系统的干扰。被控被控变量变量影响影响变量变量被控被控变量变量干扰干扰变量变量控制变量控制变量干扰通道干扰通道控制通道控制通道过程控制系统与仪表过程控制系统与仪表 第第6章章对象特性对控制品质影响的分析：对象特性对控制品质影响的分析：1过程（通道）静态特

8、性对控制品质的影响过程（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。单回路控制系统的等效框图。Gc(s) 控制器的传递函数；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；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。扰动通道的传递函数。 Gc(s) Gf(s) Go(s)X(s)Y(s)干 扰干 扰F(s) 11foofccofKKGsGsGsKT sT s 121111111oofssoooooooosffffffKKKGsGseGseT sT sTsT sKKGsGseT sT s控制变量控制变量过程控制系统与仪表过

9、程控制系统与仪表 第第6章章 被控参数被控参数y(t)受到设定信号受到设定信号x(t)和干扰信号和干扰信号f(t)的的共同影响：共同影响：000( )( )( )( )X( )( )1( )( )1( )( )fcccGsGs GsY ssFsGs GsGs Gs Gc(s) Gf(s) Go(s)X(s)Y(s)F(s) 过程控制系统与仪表过程控制系统与仪表 第第6章章代入系统偏差公式中：代入系统偏差公式中：)()()(sYsXsE将将将将Gc(s)、 Go(s)， Gf(s)代入得：代入得：)()()()()(1)()()()(11)(sEsEsFsGsGsGsXsGsGsEfxocfoc

10、+=+=000( )( )( )( )X ( )( )1( )( )1( )( )fcccGsGs GsY ssFsGs GsGs Gs)()1(1)()()(11)(sXKKsTsTsXsGsGsEcoooocx+=+=)() 1() 1)(1() 1()()()(1)()(sFsTKKsTsTsTKsFsGsGsGsEfcofoofocff+=+=过程控制系统与仪表过程控制系统与仪表 第第6章章分析给定值分析给定值x(t)和干扰和干扰f(t)对系统稳态偏差得影响。对系统稳态偏差得影响。（1）当）当f(t)0， x(t)作单位阶跃变化时：作单位阶跃变化时：oxooc11( )( )(1)T

11、sE sEsT sK Ks o00oococ111limlimlim(1)1xtssT see tsEsT sK KsK K （2）当）当x(t)0， f(t)作单位阶跃变化时：作单位阶跃变化时： 0oclimlim1fftsKee tEssK K (1)1( )( )(1)(1)(1)fofofocfKT sE sEsT sT sK K T ss 过程控制系统与仪表过程控制系统与仪表 第第6章章过程（通道）静态特性对控制品质的影响过程（通道）静态特性对控制品质的影响vK0越大，控制作用越强，稳态误差越小；越大，控制作用越强，稳态误差越小；vKf越大，干扰作用越强，稳态误差越大。越大，干扰作用

12、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选择控制变量时，应使控制通道得静态放大系数Ko越越大越好；使干扰通道得静态放大系数大越好；使干扰通道得静态放大系数Kf越小越好。越小越好。过程控制系统与仪表过程控制系统与仪表 第第6章章2过程（通道）动态特性对控制品质的影响过程（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）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干扰通道的容积或惯性环节越多环节越多，Tf 越大，干扰对被越大，干扰对被控变量的影响越缓慢，干扰引控变量的影响越缓慢，干扰引起的最大动态偏差越小，系统起的最大动态偏差越小，系统的控制品

13、质越好。的控制品质越好。f( )Y (s)( )1( )( )fcoG sF sG s G s1）干扰通道时间常数）干扰通道时间常数Tf对控制质量得影响对控制质量得影响 1fffKGsT sfY (s)111( )1( )( )ffcofKF sTG s G ssT Gc(s) Gf(s) Go(s)X(s)Y(s)F(s) 11fsffffffKKGsGseT sT s过程控制系统与仪表过程控制系统与仪表 第第6章章2)干扰通道纯滞后干扰通道纯滞后f对对控制质量的影响？控制质量的影响？f( )(1)Y (s)( )( )1( )( )(1)(1)(1)ffocoofocfG sK T sF

14、sF sG s G sT sT sK K T s结论：干扰通道纯滞后结论：干扰通道纯滞后f不影响控制质量不影响控制质量. 1fsfffKGseT s过程控制系统与仪表过程控制系统与仪表 第第6章章例：例：某控制系统中，干扰某控制系统中，干扰f1、f2、f3分别在三个位置进分别在三个位置进入系统。试分析：入系统。试分析： f1、f2、f3对被控变量的影响越慢。对被控变量的影响越慢。010203f30G(s)G(s)G(s)Y ( )( )1( )( )csF sGs Gs0201012100G( )G(s)( )( )( )1( )( )1( )( )ccsGsFsF sGs GsGs Gs3)

15、扰动进入控制通道的位置对控制品质的影响扰动进入控制通道的位置对控制品质的影响单独单独f3对对y的影响的影响单独单独f2对对y的影响的影响单独单独f1对对y的影响的影响过程控制系统与仪表过程控制系统与仪表 第第6章章结论：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。数影响越小。 1ty(t)tyk(t)y0yby1f1tty(t)1tyk(t)yt1tt0yby2fy(t)yk(t)ty1t1tt0yby3f过程控制系统与仪表过

16、程控制系统与仪表 第第6章章 （2）控制通道动态特性对控制品质的影响）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控制通道控制通道G0的时间常数的时间常数T0增增大，使控制速度变慢，最大偏差增大，使控制速度变慢，最大偏差增大，系统过渡过程时间长大，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）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过程控制系统与仪表 第第6章章v控制通道的纯滞后控制通道的纯滞后 ，使控制作用滞后，使控制作用滞后0到达

17、，造成控制偏到达，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。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)ty0y00t01tyk(t)y1(t)过程控制系统与仪表过程控制系统与仪表 第第6章章控制变量的选择原则：控制变量的选择原则： 1.控制变量必须是工艺上可调节的。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。应使控制控制变量一般

18、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。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。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。一个时间常数比其他时间常数大很多

19、，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。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过程控制系统与仪表 第第6章章例：液位控制系统控制变量的选择。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。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。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。则选液体流出量作为控制变量。 LC LThQiQo过程控制系统与仪表过程控制系统与仪表 第第6章章例例.热交换器出口温度控制变量的选择。热交换器出口温度控制变

20、量的选择。影响出口影响出口温度温度的主要因素有：载热介质温度、载热介的主要因素有：载热介质温度、载热介质流量、冷物料温度、冷物料流量等质流量、冷物料温度、冷物料流量等。显然，显然，载热介质流量影响力最大且可控。故选载热介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。质流量作为控制变量。热物料热物料载热介质载热介质冷物料冷物料热交换器热交换器 TT TCQrQiTiTr过程控制系统与仪表过程控制系统与仪表 第第6章章例例. 提馏段某块塔板（灵敏板）的温度作为被控变量。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。此控制系统控制变量的选择。影响灵敏板温度影响灵

21、敏板温度T灵灵的因素主要有：的因素主要有： TT进料的流量（进料的流量（Q入入）、）、进料的成分（进料的成分（ x入入）、）、进料的温度（进料的温度（T入入），），回流的流量（回流的流量（Q回回）、）、回流的温度（回流的温度（T回回），），加热蒸汽流量（加热蒸汽流量（Q蒸蒸）、）、过程控制系统与仪表过程控制系统与仪表 第第6章章这些影响因素分为可控的和不可控的两大类：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回流量和蒸汽流量为可控因素其它基本为不可控因素其它基本为不可控因素 TT在两个可控因素中，选蒸在两个可控因素中，选蒸汽流量为操纵变量。汽流量为操纵变量。TC过程控制

22、系统与仪表过程控制系统与仪表 第第6章章被控变量，操纵变量选择实例被控变量，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粉含水量在2%2.5%。1 被控参数选择被控参数选择直接参数选奶粉含水量直接参数选奶粉含水量为被控变量，但此类在线测量仪为被控变量，但此类在线测量仪表精度低、速度慢。表精度低、速度慢。间接参数奶粉含水量与干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。出燥器出口温度之间存在单值关系。出口温度稳定在口温度稳定在1502，则奶粉含水，则奶粉含水量符合量符合2%2.5% 。因此

23、选干燥器出。因此选干燥器出口流体温度为被控变量。口流体温度为被控变量。过程控制系统与仪表过程控制系统与仪表 第第6章章2 控制变量选择控制变量选择影响干燥器出口奶粉流体温度的主要影响干燥器出口奶粉流体温度的主要可控可控因素有：因素有：乳液流量变化乳液流量变化 f1 旁路空气流量变化旁路空气流量变化 f2 加热蒸汽流量变化加热蒸汽流量变化 f3 若分别以这三个变量为控制变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。量，可以得到三个不同的控制方案。 f2 f1 f3 f3蒸气流量蒸气流量f2旁路冷风流量旁路冷风流量f1乳液流量乳液流量 热交换器热交换器T=100, T=100送风管道

24、送风管道 =3干燥器干燥器 Go过程控制系统与仪表过程控制系统与仪表 第第6章章q调节方案：调节方案：方案方案1：取乳液流量取乳液流量为控制变量（调节阀为控制变量（调节阀1） f3f2f1 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调节器调节器变送器变送器ryTTTC过程控制系统与仪表过程控制系统与仪表 第第6章章方案方案2：取旁通冷风流取旁通冷风流量为控制变量（调节阀量为控制变量（调节阀2）v由于有送风管路的传由于有送风管路的传递滞后存在，较方案递滞后存在，较方案1多一多一个纯滞后环节个纯滞后环节=3sf3f2f1 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调节器调节

25、器变送器变送器ryTTTC过程控制系统与仪表过程控制系统与仪表 第第6章章v热交换器为双容特热交换器为双容特性，因而调节通道又多性，因而调节通道又多了两个容量滞后，时间了两个容量滞后，时间常数都是常数都是T = 100秒。秒。 方案方案3：取蒸汽流量取蒸汽流量为控制变量（调节阀为控制变量（调节阀3）f3f2f1加热器加热器风管风管干燥器干燥器调节阀调节阀3调节器调节器变送器变送器ryTTTC过程控制系统与仪表过程控制系统与仪表 第第6章章q 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的调节通道最短，控制性能最的调节通道最短，控制性能最佳；方案佳；方案2次之，方

26、案次之，方案3最差。最差。但从工艺合理性考虑，方案但从工艺合理性考虑，方案1并并不合适。不合适。选择方案选择方案2比较合适。即：将调节阀装在旁通冷风管道上。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过程控制系统与仪表 第第6章章6.2.3检测环节、执行器及调节器正负作用选择检测环节、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）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。（量程）与精度等级。2测量仪表反应慢，会造成测量失真。

27、应尽可能选择时间常数小的传感测量仪表反应慢，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。器、变送器。OtOtTmTmx(t)y(t)x(t)y(t)测量环节时间常数对测量信号的影响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过程控制系统与仪表 第第6章章3合理选择检测点，避免测量造成对象纯滞后合理选择检测点，避免测量造成对象纯滞后0图图6.15 pH值控制系统图值控制系统图 LT LC中和槽中和槽贮酸槽贮酸槽 pHT pHCl04测量信号的处理测量信号的处理 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。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

28、。过程控制系统与仪表过程控制系统与仪表 第第6章章 6.2.3.2执行器的选择执行器的选择 1调节阀工作区间的选择调节阀工作区间的选择 正常工况下，调节阀的开度应在正常工况下，调节阀的开度应在15%85%区间。据此原则计算、区间。据此原则计算、确定控制阀的口径尺寸。确定控制阀的口径尺寸。2调节阀的流量特性选择调节阀的流量特性选择按补偿对象特性的原则选取。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）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）保证产品质量原则（3）

29、减少原料，能耗原则）减少原料，能耗原则（4）基于介质特点的工艺设备安全原则）基于介质特点的工艺设备安全原则过程控制系统与仪表过程控制系统与仪表 第第6章章6.2.3.3调节器正反作用的选择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。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。为了保证负反馈，必须正确选择调节器的正反作用。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

30、干扰干扰过程控制系统与仪表过程控制系统与仪表 第第6章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（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），负（“”）符号。）符号。q变送器：输出信号随被测变量增加而增加，为变送器：输出信号随被测变量增加而增加，为“”；反之为；反之为“”。变。变送器一般都为送器一般都为“”q执行器：气开阀为执行器：气开阀为“”，气关阀为，气关阀为“”q被控对象：若控制变量增加，被控参数随之增加，为被控对象：若控制变量增加，被控参数随之增加，为“”，反之为，反之为“”。q控制器：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。

31、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。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过程控制系统与仪表过程控制系统与仪表 第第6章章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

32、给定值给定值被调参数被调参数干扰干扰测量值测量值 调节器正反作用的确定原则：调节器正反作用的确定原则：保证系统构成负反馈保证系统构成负反馈 简单的判定方法：简单的判定方法：闭合回路中闭合回路中各环节符号之积为各环节符号之积为“”。过程控制系统与仪表过程控制系统与仪表 第第6章章例：储槽液位控制系统例：储槽液位控制系统LTLCM正正气开气开出料要求：出现故障或气源断开要求：出现故障或气源断开时，不允许物料全部流走。试确定时，不允许物料全部流走。试确定调节器的正，反作用方式。调节器的正，反作用方式。LTLCM反反气关气关出料例：另一工艺的储槽液位控制系统例：另一工艺的储槽液位控制系统要求：出现故障

33、或气源断开时，物料不要求：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。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过程控制系统与仪表 第第6章章练习：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。许物料全部流走。hrQiQo-贮罐贮罐LTLCh指出系统被控对象，被控参数，指出系统被控对象，被控参数，调节参数调节参数作出系统方框图作出系统方框图选择调节阀气开，气关形式选择调节阀气开，气关形式选择调节器正反作用方式并进行选择调节器正反作用方式并进行验证。验证。过程控制系统与

34、仪表过程控制系统与仪表 第第6章章6.3调节规律对控制品质的影响与调节规律选择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。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。执行机构，对生产过程进行调节。过程控制系统与仪表过程控制系统与仪表 第第6章章6.3.1调节规律对控制品质影响的分析（复习）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过程控制系

35、统与仪表 第第6章章6.3.1.1比例（比例（P）调节对系统控制品质的影响）调节对系统控制品质的影响U( )1G( )E( )Psss1u(t)( )e(t)PcK e t比例带的物理意义：比例带比例带的物理意义：比例带P是放大倍数是放大倍数KC的倒数的倒数，其大小决定比其大小决定比例控制作用的强弱。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。低。P越大，静差越大。越大，静差越大。比例带比例带P对控制过程的影响对控制过程的影响 比例控制的特点比例控制的特点q控制及时、适当。只要有偏差，输出立刻成比例地变

36、化，偏差越控制及时、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。大，输出的控制作用越强。q控制结果控制结果存在余差，随比例度增大而增大。存在余差，随比例度增大而增大。q实现定值控制的有差实现定值控制的有差跟踪。跟踪。过程控制系统与仪表过程控制系统与仪表 第第6章章 振荡逐渐加剧振荡逐渐加剧PPPPP P越小，控制过程曲线越振越小，控制过程曲线越振荡，周期缩短。荡，周期缩短。 P越大，控制过程曲线越平越大，控制过程曲线越平稳，但控制过程时间越长，稳，但控制过程时间越长，余差也越大。余差也越大。出现等幅振荡，这时的比例出现等幅振荡，这时的比例度称为临界比例度度称为临界比例

37、度Pmin ，振，振荡频率称为临界振荡频率荡频率称为临界振荡频率M过程控制系统与仪表过程控制系统与仪表 第第6章章6.3.1.2积分（积分（I）调节与比例积分（）调节与比例积分（PI）调节对系）调节对系统控制质量的影响统控制质量的影响1 积分控制积分控制（I）输出变化量输出变化量p与输入偏差与输入偏差e的积分成正比的积分成正比001uSttIIedtedtT当输入偏差当输入偏差e是幅值为是幅值为e 的阶跃时：的阶跃时：01euetIIdttTTTI 积分时间积分时间 SI积分速度积分速度ee ttu过程控制系统与仪表过程控制系统与仪表 第第6章章q积分控制可以消除余差。积分控制可以消除余差。v

38、 积分控制的特点积分控制的特点q积分输出信号是随时间逐渐增强的，控制作用缓慢，积分输出信号是随时间逐渐增强的，控制作用缓慢，稳定性比稳定性比P控制差。故一般积分作用不单独使用。控制差。故一般积分作用不单独使用。过程控制系统与仪表过程控制系统与仪表 第第6章章 2 比例积分控制（比例积分控制（PI）若偏差是幅值为若偏差是幅值为e 的阶跃干扰的阶跃干扰e1u(1)PItTU( )11G( )(1)( )PIssE sT see ttu011u(e)PtIedtT过程控制系统与仪表过程控制系统与仪表 第第6章章积分时间的物理意义：积分时间的物理意义：t0I11u(edt)PTe11ue(1)PItT

39、若偏差是幅值为若偏差是幅值为e的阶跃的阶跃:当当 t = TI 时时:I2u(T )ePq积分时间积分时间TI对控制过程的影响对控制过程的影响e e/P2e/PuttTIe过程控制系统与仪表过程控制系统与仪表 第第6章章1.TI越大，越大，Si越小，积分越小，积分作用越弱，作用越弱， TI = ，Si0，积分作用为零。积分作用为零。2.TI减小，减小，Si增大，积分增大，积分作用增强，系统振荡加剧，作用增强，系统振荡加剧，稳定性下降。稳定性下降。3.如果如果T1适当，系统能很适当，系统能很快消除余差。快消除余差。 积分时间积分时间TI 或积分速度或积分速度Si对过渡过程的影响对过渡过程的影响过

40、程控制系统与仪表过程控制系统与仪表 第第6章章 6.3.1.3比例微分（比例微分（PD）调节对系统控制品质的影响）调节对系统控制品质的影响 uDdeTdt式中：式中：TD 微分时间微分时间 dtde 偏差变化速度偏差变化速度 理想微分理想微分1 微分控制（微分控制（D）ee ttu过程控制系统与仪表过程控制系统与仪表 第第6章章q 微分控制能在偏差出现或变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，化的瞬间，立即根据变化的趋势，产生强烈的调节作用，使偏差尽产生强烈的调节作用，使偏差尽快地消除于萌芽状态之中。快地消除于萌芽状态之中。提前动作提前动作q当偏差存在，但不变化时，微分输出为零

41、，当偏差存在，但不变化时，微分输出为零，对静态偏差对静态偏差毫无抑制能力。不能单独使用。毫无抑制能力。不能单独使用。v 微分控制的特点微分控制的特点eettu过程控制系统与仪表过程控制系统与仪表 第第6章章2 比例微分控制（比例微分控制（PD） 理想的比例微分控制理想的比例微分控制1u()PDdeeTdt1G( )(1)PDsT seettutuPD调节是有差调节。调节是有差调节。PD具有提高系统稳定性，抑制最大具有提高系统稳定性，抑制最大动态偏差的作用。动态偏差的作用。PD调节有利与提高系统的响应速度，调节有利与提高系统的响应速度，减小稳态误差。减小稳态误差。若若Td太大，微分作用太强，易造

42、成太大，微分作用太强，易造成系统振荡。系统振荡。过程控制系统与仪表过程控制系统与仪表 第第6章章q 将比例、积分、微分三种调节规律结合在一起将比例、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，只要三项作用的强度配合适当，既能快速能快速调节调节，又能消除余差，又能消除余差，可得到满意的可得到满意的控制控制效果。效果。011u(t)()PtDIdeeedtTTdt11G ( )(1)PDIsT sT s6.3.1.4 （PID）调节对系统控制品质的影响）调节对系统控制品质的影响过程控制系统与仪表过程控制系统与仪表 第第6章章对某一对象，用不同控制规律时阶跃干扰过程比较被控变量

43、被控变量t无控制作用无控制作用PPDPIDPI过程控制系统与仪表过程控制系统与仪表 第第6章章调节规律调节规律优优 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。适用于一要求不高的对象。适用于一般要求的液位，压力调节系般要求的液位，压力调节系统统PI能消除静差，又控制能消除静差，又控制灵敏灵敏降低了系统控的稳定性。降低了系统控的稳定性。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

44、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。适用于流求高的调节系统。适用于流量，要求较严格的压力，液量，要求较严格的压力，液位调节系统。位调节系统。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。加热较慢的温度控制对象。加热较慢的温度控制系统。系统。PID综合了各类调节作用综合了各类

45、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，PID调调节也无法满足要求，应节也无法满足要求，应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。温度控制系统求高的对象。温度控制系统与成分控制系统与成分控制系统6.3.2调节规律的选择调节规律的选择过程控制系统与仪表过程控制系统与仪表 第第6章章0/T00.2，用，用P或或PI 0.20/T01.0，用，用PD或或PID 0/T01.0，用简单控制系统效果不好。，用简

46、单控制系统效果不好。 1osoooKGseT s若广义对象传递函数可用若广义对象传递函数可用 描述描述过程控制系统与仪表过程控制系统与仪表 第第6章章6.4调节器参数的工程整定方法调节器参数的工程整定方法控制器参数的整定控制器参数的整定就是按照已定的控制方案，求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最合适的控制器比例度P、积分时间积分时间TI，和微分时间和微分时间TD。理论计算的方法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

47、制器的最佳参数。求，通过理论计算出控制器的最佳参数。工程整定法工程整定法在已经投运的实际控制系统中，通过试验或探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。索，来确定控制器的最佳参数。过程控制系统与仪表过程控制系统与仪表 第第6章章6.4.1稳定边界法（临界比例度法）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（临界比例度振荡试验所得数据（临界比例度Pm和振荡周期和振荡周期Tm），），按经验公式求出调节器的整定参数。按经验公式求出调节器的整定参数。（1 1） 置调节器置调节器Ti ， Td=

48、0，比例度比例度P 较较大值，将系统投入运行。大值，将系统投入运行。（2 2） 逐渐减小逐渐减小P ，加，加干扰观察，直到出现等幅减干扰观察，直到出现等幅减振荡为止。记录此时的临界振荡为止。记录此时的临界值值Pm和和Tm。y(t)Tm 系统临界振荡曲线系统临界振荡曲线t过程控制系统与仪表过程控制系统与仪表 第第6章章（3）根据）根据Pm和和Tm，按经验按经验公式计算出控公式计算出控制器的参数整制器的参数整定值。定值。 整定参数整定参数调节规律调节规律 P（%） Ti Td P 2Pm PI 2.2Pm 0.85 Tm PID 1.7Pm 0.50 Tm 0.125 Tm 表表6.1 稳定边界法

49、整定参数计算表稳定边界法整定参数计算表过程控制系统与仪表过程控制系统与仪表 第第6章章方法：方法：（1 1）把调节器设成比例作用（）把调节器设成比例作用（T Ti i=，T Td d=0=0），），置于较大比例度，置于较大比例度，投入自动运行。投入自动运行。（2 2）在稳定状态下，阶跃改变给定值（通常以）在稳定状态下，阶跃改变给定值（通常以5%5%左右为宜），观左右为宜），观察调节过程曲线。察调节过程曲线。（3 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）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。止。记下此时的比例度记下此时的比例度Ps及及周期周期Ts。n=10:1

50、时，记时，记Ps及及TsTsTr6.4.2衰减曲线法衰减曲线法 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。态，只需寻找最佳衰减振荡状态即可。过程控制系统与仪表过程控制系统与仪表 第第6章章（4 4）按表按表6-2（n=4:1）或按表）或按表6-3（n=10:1）求求得各种调节规律时的整定参数。得各种调节规律时的整定参数。表表6.2 衰减比为衰减比为4:1时，时，整定参数计算表整定参数计算表表表6.3 衰减比为衰减比为10:1时，时，整定参数计算表整定参数计算表0.1Ts0.3 Ts0.8PsPID 0. 5 Ts1.2

51、PsPIPsPTdTiP（%） 整定参数整定参数调节规律调节规律0.4Ts1.2Tr0.8PsPID 2Tr1.2PsPIPsPTdTiP（%） 整定参数整定参数调节规律调节规律过程控制系统与仪表过程控制系统与仪表 第第6章章6.4.3响应曲线法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。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。方法：不加控制作用，作广义对象的阶跃响应曲线。给定值给定值控制器控制器被控变量被控变量测量变送器测量变送器执行器执行器对象对象

52、过程控制系统与仪表过程控制系统与仪表 第第6章章根据实验所得响应曲线，根据实验所得响应曲线，找出广义对象的特性找出广义对象的特性参数参数K0、T0、0，用表，用表6-4的经验公式求整定参数。的经验公式求整定参数。T00 表表6.4 响应曲线法整定参数的公式响应曲线法整定参数的公式0.5020PID3.30PIPTdTiP（%） 整定参数整定参数调节规律调节规律00085.0PT 0001.1PT 000PT 1osoooKGseT smaxminmaxmin()1100%()oooyyyKPx xxK过程控制系统与仪表过程控制系统与仪表 第第6章章6.4.4 经验法经验法 凭经验凑试。凭经验凑

53、试。 其关键是其关键是“看曲线，调参数看曲线，调参数”。控制器参数对控制过程的影响：控制器参数对控制过程的影响：比例度逐渐减小比例度逐渐减小积分时间逐渐减小积分时间逐渐减小微分时间逐渐增大微分时间逐渐增大过程控制系统与仪表过程控制系统与仪表 第第6章章返回控制器参数经验数据l流流 量：对象时间常数小，参数有波动，量：对象时间常数小，参数有波动，要大要大40100%；Ti要短要短0.31min ；不用微分；不用微分 。l温温 度：对象容量滞后较大，即参数受干扰后变化迟缓，度：对象容量滞后较大，即参数受干扰后变化迟缓， 应小应小2060%； Ti要长要长310min；一般需加微分；一般需加微分 T

54、d=0.5-3min l压压 力：对象的容量滞后不算大，一般不加微分力：对象的容量滞后不算大，一般不加微分 =3070% Ti=0.43minl液液 位：对象时间常数范围较大，要求不高时，位：对象时间常数范围较大，要求不高时， 可在一可在一定范围内选取，一般不用微分，定范围内选取，一般不用微分， = = 2080 % 过程控制系统与仪表过程控制系统与仪表 第第6章章6.4.5 6.4.5 几种整定方法的比较几种整定方法的比较整定方法整定方法优优 点点缺缺 点点反应曲线法反应曲线法方法简单方法简单系统开环，被调量变化系统开环，被调量变化较大，影响生产较大，影响生产稳定边界法稳定边界法系统闭环系统

55、闭环会出现被调量等幅振荡会出现被调量等幅振荡衰减曲线法衰减曲线法系统闭环，安全系统闭环，安全实验费时实验费时经验法经验法系统闭环，不需计算系统闭环，不需计算需要经验需要经验过程控制系统与仪表过程控制系统与仪表 第第6章章q注意：注意：同一个系统，最佳整定参数可能不是唯一的。同一个系统，最佳整定参数可能不是唯一的。不同的不同的PID参数组合，有时会得到极为相近的控制参数组合，有时会得到极为相近的控制结果。结果。例如某初馏塔塔顶温度控制系统，控制器采用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：以下两组参数时： P 15 TI 7.5min P 35 TI 3 min系统都得到系统都得

56、到10:1的衰减曲线，超调量和过渡时的衰减曲线，超调量和过渡时间基本相同。间基本相同。 过程控制系统与仪表过程控制系统与仪表 第第6章章例：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在65。当调解阀输入信号增加。当调解阀输入信号增加1.6mADC（调节阀门输入电流范（调节阀门输入电流范围为围为420mADC）时，热水温度上升为）时，热水温度上升为67.8 ，并达到新的稳，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定状态。温度变送器量程和调节器刻度范围为3080 。从温度。从温度动态曲线上可以测出动态曲线上可以测出 。如果采用

57、。如果采用PI或或PID调节规律，计算调节器的整定参数。调节规律，计算调节器的整定参数。1.2min,2.5minooTmaxminmaxmin1.6,20416,67.8652.8,803050,ooxmA xxmAyC yyC 2.8 500.561.6 16oK 解：由题意：解：由题意：代入表代入表64计算即可。计算即可。1.2min,2.5minooT过程控制系统与仪表过程控制系统与仪表 第第6章章练习：如图所示加热炉练习：如图所示加热炉温度控制系统温度控制系统指出系统被控对象，被控参数，指出系统被控对象，被控参数，调节参数调节参数作出系统方框图作出系统方框图选择调节阀气开，气关形式选

58、择调节阀气开，气关形式选择调节器正反作用方式选择调节器正反作用方式若当若当DDZ调节器的输出从调节器的输出从6mA改变到改变到7mA时，温度记录仪的指针由时，温度记录仪的指针由85.0升到升到87.8 ，从原来的稳定状态到新的稳定状态。仪表的刻度为，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，并测出 。如果采用。如果采用PI与与PID调节规律，计算调节规律，计算参数整定值。参数整定值。min5 . 2min,2 . 1T燃料油燃料油加热炉温度控制系统加热炉温度控制系统TC过程控制系统与仪表过程控制系统与仪表 第第6章章6.5 简单控制系统设计实例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工艺要求保证奶粉含