常规过程控制策略课件

1、13第第5 5章章 常规过程控制策略常规过程控制策略 开关控制的基本工作原理及特点开关控制的基本工作原理及特点 PLCPLC控制工业过程的一般设计方控制工业过程的一般设计方法法 PIDPID控制的基本工作原理及特点控制的基本工作原理及特点 改进型改进型PIDPID控制算法控制算法主要内容主要内容 各种各种PIDPID控制器参数整定方法控制器参数整定方法 控制器的控制规律选控制器的控制规律选择择 过程控制系统的投运与维护过程控制系统的投运与维护2控制器是控制器是硬件硬件和和软件软件的结合体的结合体从从硬件上硬件上来说，过程控制中最常用控制器有：来说，过程控制中最常用控制器有：p 可编程控制器（可

2、编程控制器（PLC）p 数字调节器（数字调节器（Digital Regulator)p 工控机（工控机（IPC）p 集散控制系统（集散控制系统（DCS）从从软件上软件上体现的是各种体现的是各种过程控制策略过程控制策略第第5 5章章 常规过程控制策略常规过程控制策略3过程控制策略过程控制策略开关控制开关控制PIDPID控制控制智能控制智能控制 控制器接受了控制器接受了输入的偏差信号输入的偏差信号后，后，控制器的输出控制器的输出随输入变化随输入变化的规律，用数学式来表示，即为：的规律，用数学式来表示，即为： ()pfe第第5 5章章 常规过程控制策略常规过程控制策略45.1 5.1 开关控制开关控

3、制1.1.开关控制基本规律开关控制基本规律动作规律为：动作规律为： 开关控制只有开关控制只有两个输出值（两个输出值（p pmaxmax，p pminmin），相应的控制，相应的控制机构也只有机构也只有两个极限位置，不是开就是关两个极限位置，不是开就是关。开关量开关量 启停、切换启停、切换 、联锁、联锁55.1 5.1 开关控制开关控制VH HH HH H0 0：流体与电极未接触，继电器断路，电磁阀全开，流体与电极未接触，继电器断路，电磁阀全开， 流体流入贮槽，液位上升。流体流入贮槽，液位上升。流体与电极相接触，继电器通路，电磁阀全关，流体与电极相接触，继电器通路，电磁阀全关， 流体不再流入贮槽

4、，液位下降。流体不再流入贮槽，液位下降。EX1: EX1: 电极式开关控制液位计电极式开关控制液位计结构结构 电极、继电器电极、继电器 、电磁阀、电磁阀工作过程工作过程65.1 5.1 开关控制开关控制2.2.开关控制局限性开关控制局限性 调节机构的调节机构的动作过于频繁动作过于频繁，会使，会使运动部件损坏运动部件损坏，从而很难保证，从而很难保证双位控制系统安全、可靠地工作。双位控制系统安全、可靠地工作。 实际生产中给定值也总是有实际生产中给定值也总是有一定允许偏差一定允许偏差的，某些情况下，的，某些情况下，只要求只要求被控变量被控变量维持在某一个维持在某一个比较大的范围内比较大的范围内就可以

5、了。就可以了。eminemax被控变量下降时被控变量下降时 e emax 阀门关阀门关 开开被控变量上升时被控变量上升时 e emin 阀门开阀门开 关关其他情况下，阀门不动作其他情况下，阀门不动作75.1 5.1 开关控制开关控制5.1.1 PLC5.1.1 PLC简介简介开关量开关量模拟量模拟量其他量其他量调节阀调节阀接触器接触器执行装置执行装置85.1 5.1 开关控制开关控制95.1 5.1 开关控制开关控制5.1.2 PLC5.1.2 PLC在过程控制中的应用在过程控制中的应用1.PLC1.PLC控制系统设计步骤控制系统设计步骤1）功能设计）功能设计2）结构设计）结构设计3）梯形图设

6、计）梯形图设计4）编程设计）编程设计5）调试运行）调试运行105.1 5.1 开关控制开关控制2.PLC2.PLC梯形图设计梯形图设计EX2: PLCEX2: PLC用于水泵控制用于水泵控制 接通启动开关，允许接通启动开关，允许A A泵、泵、B B泵供水。泵供水。1）功能设计）功能设计 当当A A泵工作时泵工作时P PP PL L ，则启动，则启动B B泵。泵。 当当A A、B B泵同时工作时泵同时工作时P PP PH H ，则关闭，则关闭B B泵。泵。 首次启动时，首次启动时，A A泵启动泵启动10s10s后，后，B B泵才能启动泵才能启动 关断启动开关，关停关断启动开关，关停A A泵、泵、

7、B B泵。泵。115.1 5.1 开关控制开关控制2）结构设计）结构设计输入装置输入装置元件号元件号启动开关启动开关I0.0I0.0水压下限开关水压下限开关I0.1I0.1水压上限开关水压上限开关I0.2I0.2定时装置定时装置 定时时间定时时间T37T3710s10s输出装置输出装置元件号元件号A A泵泵Q0.0Q0.0B B泵泵Q0.1Q0.1125.1 5.1 开关控制开关控制3）梯形图设计）梯形图设计EX3: PLCEX3: PLC用于啤酒发酵过程的控制用于啤酒发酵过程的控制135.2 PID5.2 PID控制控制比例作用比例作用( (P Proportional)roportiona

8、l) 积分作用积分作用( (I Integral)ntegral) 微分作用微分作用( (D Derivative)erivative)PID控制控制本质上是一种本质上是一种连续连续的的负反馈控制负反馈控制，特别适用于过程，特别适用于过程的的动态性能良好动态性能良好而且而且控制性能要求不太高控制性能要求不太高的情况。的情况。145.2 PID5.2 PID控制控制KCpe(t)z(t)+_x(t)p1.1.比例控制规律及特点比例控制规律及特点CpKe一、比例控制一、比例控制控制器的输出变化量与输入偏差信号的大小成比例控制器的输出变化量与输入偏差信号的大小成比例155.2 PID5.2 PID控

9、制控制属于有差调节属于有差调节p特点特点1 1（1 1）只要偏差）只要偏差e e不为零，控制器就会有输出。不为零，控制器就会有输出。 利用偏差实现控制利用偏差实现控制（2 2）只能使系统被控量输出近似跟踪给定值。）只能使系统被控量输出近似跟踪给定值。 产生余差产生余差思考思考165.2 PID5.2 PID控制控制思考思考特点特点2 2 大 小175.2 PID5.2 PID控制控制2.2.比例控制的适用性比例控制的适用性跟踪误差会随时间的增大而增大。跟踪误差会随时间的增大而增大。 适用于控制通道滞后小，负荷变化不大，控制要求不高，适用于控制通道滞后小，负荷变化不大，控制要求不高，被控参数被控

10、参数在一定范围内在一定范围内允许有余差允许有余差的的定值控制定值控制场合。场合。定值控制系统定值控制系统随动控制系统随动控制系统实现被控量对给定值的有差跟踪。实现被控量对给定值的有差跟踪。185.2 PID5.2 PID控制控制二、积分控制二、积分控制1.1.积分控制规律及特点积分控制规律及特点IdpKetI1dpetT控制器的输出变化量与输入偏差信号的积分成比例控制器的输出变化量与输入偏差信号的积分成比例195.2 PID5.2 PID控制控制IdpKetA AK KI IA AIddpK et特点特点1 1属于无差调节属于无差调节能够消除余差能够消除余差205.2 PID5.2 PID控制

11、控制思考思考IdpKetA AK KI IA A特点特点2 2控制作用控制作用不及时不及时，系统的系统的动态品质变差动态品质变差，过渡过程比较缓慢过渡过程比较缓慢。牺牲了动态品质来换取稳态性能的改善牺牲了动态品质来换取稳态性能的改善215.2 PID5.2 PID控制控制2.2.比例积分控制规律及特点比例积分控制规律及特点 比例积分控制比例积分控制比例控制规律比例控制规律：控制作用快，：控制作用快， 有余差有余差积分控制规律积分控制规律：控制作用慢，：控制作用慢， 消除余差消除余差（PI)PI)I1(d)TCpKeetITCPICKpppKAA t 225.2 PID5.2 PID控制控制特点

12、特点1 1PIPI控制结合控制结合P P控制的快速反应控制的快速反应与与I I控制的消除稳态误差控制的消除稳态误差。ITCPICKpppK AAt 粗调：粗调：偏差出现时，比例作用迅速反应输入的变化；偏差出现时，比例作用迅速反应输入的变化；细调：细调：积分作用使输出逐渐增加，最终消除稳态误差。积分作用使输出逐渐增加，最终消除稳态误差。235.2 PID5.2 PID控制控制思考思考特点特点2 2 大 小压力、流量对象等：压力、流量对象等：T TI I可小一点可小一点温度对象：温度对象：T TI I可大一些可大一些245.2 PID5.2 PID控制控制 PIPI控制器输入一个如图所示幅值为控制

13、器输入一个如图所示幅值为A A方波信号，方波信号，画出控制器的输出的波形。（画出控制器的输出的波形。（K KC C1 1，T Ti i1min1min） e(t)A2431min1234EX4: PIEX4: PI控制器的输出计算控制器的输出计算ITCPICKpppK AAt 255.2 PID5.2 PID控制控制三、微分控制三、微分控制1.1.微分控制规律及特点微分控制规律及特点d ed tDpT 控制器的输出变化量与输入偏差信号的变化速度成比例控制器的输出变化量与输入偏差信号的变化速度成比例265.2 PID5.2 PID控制控制tOee=AtOpOtptOee=Atp=TDA下面两种输

14、入情况下，下面两种输入情况下，PI控制输出如何变化？控制输出如何变化？思考思考特点特点（1 1）偏差）偏差e e出现变化的瞬间，产生剧烈调节作用。出现变化的瞬间，产生剧烈调节作用。 超前控制超前控制。（2 2）偏差存在但不变化时，控制器输出为）偏差存在但不变化时，控制器输出为0 0。 对静态偏差毫无控制能力对静态偏差毫无控制能力。275.2 PID5.2 PID控制控制2.2.比例微分控制规律及特点比例微分控制规律及特点de()dtPDCDpppKeT AAKDAettptpe=A(1)DDKtTPDDpppAA Ke KDA通常取通常取1微分放大倍数，微分放大倍数，一般是确定数值。一般是确定

15、数值。衰减函数，衰减函数，TD决定衰减快慢决定衰减快慢理想理想实际实际285.2 PID5.2 PID控制控制思考思考1) 1) 起始跳变幅度，用微分增益起始跳变幅度，用微分增益K KD D来衡量，来衡量，2) 2) 衰减时间长短，用微分时间衰减时间长短，用微分时间T TD D来衡量。来衡量。 特点特点1 1（1 1）偏差输出跳得越高，或降得越慢，微分作用越强。）偏差输出跳得越高，或降得越慢，微分作用越强。 K KD D通常固定，通常固定，T TD D越大微分作用越强越大微分作用越强。（2 2）稳态时微分部分不起作用，）稳态时微分部分不起作用，PDPD控制变成控制变成P P控制。控制。 有差调

16、节有差调节295.2 PID5.2 PID控制控制思考思考特点特点2 2 适当适当 太大太大305.2 PID5.2 PID控制控制四、比例积分微分控制四、比例积分微分控制1.1. PIDPID控制规律及特点控制规律及特点I1de(d)TdtPIDCDppppKee tT 微分作用微分作用比例作用比例作用积分作用积分作用PID控制作用中，控制作用中，P是是基础控制基础控制；I用于用于消除静差消除静差；D用于用于加快系统控制速度加快系统控制速度。315.2 PID5.2 PID控制控制ettp随着时间的积累，逐渐占据主导。随着时间的积累，逐渐占据主导。只要有余差，积分作用不断增加。只要有余差，积

17、分作用不断增加。思考思考自始至终与偏差相对应，自始至终与偏差相对应，贯穿于整个控制过程中。贯穿于整个控制过程中。初期就有较大控制作用，初期就有较大控制作用，然后逐渐消失。然后逐渐消失。比例比例P PP+DP+I积分积分I I微分微分D D325.2 PID5.2 PID控制控制与与PIPI相比相比，PIDPID多了一多了一个零点，为动态性能的个零点，为动态性能的改善提供了可能。改善提供了可能。思考思考特点特点与与PDPD相比相比，PIDPID提高了提高了系统的无差度；系统的无差度；PIDPID兼顾了兼顾了静态静态和和动态动态 控制要求。控制要求。335.2 PID5.2 PID控制控制2.2.

18、 控制规律的选择控制规律的选择1 1）广义过程控制通道）广义过程控制通道时间常数较大时间常数较大或或容积迟延较大容积迟延较大时，时， 若工艺容许有静差，若工艺容许有静差， 若工艺要求无静差，若工艺要求无静差，2 2）广义过程控制通道）广义过程控制通道时间常数较小时间常数较小、负荷变化不大负荷变化不大、 且工艺要求允许有静差，且工艺要求允许有静差， 且工艺要求允许无静差，且工艺要求允许无静差，3 3）广义过程控制通道）广义过程控制通道时间常数很大时间常数很大、且、且纯时延较大纯时延较大、 负荷变化剧烈负荷变化剧烈时。时。P P高级控制规律高级控制规律D DPIPIPDPDPIDPID345.2

19、PID5.2 PID控制控制注意注意1) 1) 根据对象实际情况，选择适用的控制规律根据对象实际情况，选择适用的控制规律2) 2) 实际的实际的PIDPID控制器，对参数进行设置，变成控制器，对参数进行设置，变成P P、PIPI、PDPD控制器控制器 3 3）要得到良好的控制质量，需要进行控制器参数整定）要得到良好的控制质量，需要进行控制器参数整定 CKITDTDK355.2 PID5.2 PID控制控制5.2.1 5.2.1 模拟式模拟式PIDPID调节器调节器5.2.2 5.2.2 数字式数字式PIDPID调节器调节器5.2.3 5.2.3 改进的改进的PIDPID算法算法1111)()(

20、)(sKTsTsTKsEsUsGdddiccn通过运算放大器电路、电阻和电容实现。通过运算放大器电路、电阻和电容实现。n参数通过电位器进行调节和整定。参数通过电位器进行调节和整定。00(0,1,2,.)( )()( )()(1)ktsjtkTke t dtTe jTde te kTe kdtT采样控制：采样控制：根据采样时刻的偏差值计算控制量，根据采样时刻的偏差值计算控制量， 一系列的采样时刻点一系列的采样时刻点kTkT代表连续时间代表连续时间t t。积分积分：累加和式；：累加和式；微分微分：增量或差分；：增量或差分；365.3 PID5.3 PID参数的整定参数的整定确定调节器的确定调节器的

21、比例度比例度、积分时间积分时间T TI I和和微分时间微分时间T TD D 通过改变调节器的参数，使其特性和过程特性相匹配，以改变系通过改变调节器的参数，使其特性和过程特性相匹配，以改变系统的统的动态和静态指标动态和静态指标，争取最佳，争取最佳控制效果控制效果。 控制指标控制指标：衰减比：衰减比n=4:1-10:1n=4:1-10:1一阶惯性纯滞后过程一阶惯性纯滞后过程与与K KC C成反比成反比整定的实质整定的实质sesTKsGo1)(ooo375.3 PID5.3 PID参数的整定参数的整定5.3.1 5.3.1 参数整定原则参数整定原则则可根据则可根据0 0/T/T0 0的比值的比值来选

22、择调节规律。来选择调节规律。0/T00.2，选用，选用P或或PI调节规律。调节规律。0.20/T01.0，PID不能满足控制要求。不能满足控制要求。sesTKsGo1)(ooo385.3 PID5.3 PID参数的整定参数的整定对数频率特性法对数频率特性法 根轨迹法根轨迹法理论计算整定方法理论计算整定方法经验法经验法 衰减曲线法衰减曲线法 临界比例度法临界比例度法响应曲线法响应曲线法工程整定法工程整定法需要知道数学模型需要知道数学模型可直接在系统中进行现场整可直接在系统中进行现场整定，比较简单定，比较简单5.3.2 5.3.2 参数整定方法参数整定方法395.3 PID5.3 PID参数的整定

23、参数的整定1.1. 经验整定方法经验整定方法参数参数时滞时滞容量数容量数周期周期噪声噪声比例带比例带积分作用积分作用微分作用微分作用流量、流量、液体压力液体压力无无多容量多容量1 110s10s有有100100500%500%5050200%200%重要重要不用不用气体压力气体压力无无单容量单容量0 0无无0 05%5%不必要不必要不必要不必要液位液位无无单容量单容量1 110s10s有有5 550%50%少用少用不用不用温度温度蒸汽压力蒸汽压力变动变动3 36 6minminh h无无1010100%100%用用重要重要成分成分恒定恒定1 1100100minminh h存在存在100100

24、1000%1000%重要重要可用可用关键是关键是“看曲线，调参数看曲线，调参数”405.3 PID5.3 PID参数的整定参数的整定2.2. 临界比例度法临界比例度法 控制器控制器纯比例作用纯比例作用 系统产生系统产生 等幅振荡等幅振荡临界比例度临界比例度临界振荡周期临界振荡周期 各参数各参数 整定数值整定数值 由大到由大到小小改 变 比改 变 比例度例度临界振荡过程临界振荡过程 Tk使用局限性使用局限性： 临界比例度很小临界比例度很小的过程不适用的过程不适用 工艺上工艺上不允许产生等幅振荡不允许产生等幅振荡的过程的过程415.3 PID5.3 PID参数的整定参数的整定控制作用控制作用比例度

25、比例度%积分时间积分时间(min)微分时间微分时间(min)比例比例2K 比例积分比例积分2.2K 0.85Tk 比例微分比例微分1.8K 0.85Tk 比例积分微分比例积分微分1.7K 0.5Tk 0.125Tk 临界比例度法参数计算公式表临界比例度法参数计算公式表EX5: EX5: 用临界比例度法整定参数用临界比例度法整定参数已测得已测得K K=30%=30%，T TK K=3min=3min。试确定。试确定PIPI作用作用和和PIDPID作用作用时控制器的参数？时控制器的参数？ 还不把我还不把我 记下来？记下来？425.4 PID5.4 PID调节器控制规律的选择调节器控制规律的选择5.

26、4.1 5.4.1 根据过程特性选择控制规律根据过程特性选择控制规律要点要点n 五种控制规律的特点五种控制规律的特点n 五种控制规律的适用场合五种控制规律的适用场合单回路控制系统单回路控制系统广义对象广义对象435.4.2 5.4.2 根据根据0/T0的比值选择调节器的控制规律的比值选择调节器的控制规律5.4.3 5.4.3 控制器正控制器正/ /反作用选择反作用选择1.1. 什么是正什么是正/ /反作用反作用所谓作用方向，就是指所谓作用方向，就是指输入变化输入变化后，后，输出的变化方向输出的变化方向。5.4 PID5.4 PID调节器控制规律的选择调节器控制规律的选择 正作用正作用 反作用反

27、作用输入增加，输出增加；输入减少，输出减少。输入增加，输出增加；输入减少，输出减少。输入增加，输出较少；输入减少，输出增加。输入增加，输出较少；输入减少，输出增加。2.2. 为什么要选择正为什么要选择正/ /反作用反作用3.3. 如何确定过控系统各个环节的正反作用如何确定过控系统各个环节的正反作用445.4 PID5.4 PID调节器控制规律的选择调节器控制规律的选择2.2. 为什么要选择正为什么要选择正/ /反作用反作用n保证控制系统稳定运行，要使整个控制系统形成保证控制系统稳定运行，要使整个控制系统形成负反馈负反馈。n在控制系统中，在控制系统中，控制器、被控过程、测量元件控制器、被控过程、

28、测量元件及及执行器执行器都有各自的作用方向，要使整个系统呈现都有各自的作用方向，要使整个系统呈现反作用反作用。被控变量偏高，控制作用应使之降低。被控变量偏高，控制作用应使之降低。被控变量偏低，控制作用应使之增加。被控变量偏低，控制作用应使之增加。455.4 PID5.4 PID调节器控制规律的选择调节器控制规律的选择3.3. 如何确定过控系统各个环节的正反作用如何确定过控系统各个环节的正反作用输入：操纵变量输入：操纵变量输出：被控变量输出：被控变量由工艺机理决定由工艺机理决定输入：控制信号输入：控制信号输出：阀门开度输出：阀门开度由工艺安全条件决定由工艺安全条件决定正作用正作用:气开式气开式反作用反作用:气关式气关式一般为正作用一般为正作用输入：偏差信号输入：偏差信号输出：控制信号输出：控制信号由前三者决定由前三者决定广义对象广义对象465.4 PID5.4 PID调节器控制规律的选择调节器控制规律的选择EX6: EX6: 控制器正控制器正/ /反作用选择反作用选择I I输入：输入：燃料气流量燃料气流量输出：输出：出口温度出口温度被控过程：加热炉被控过程：