第三章单回路控制系统设计

1、第三章第三章 单回路控制系统设计单回路控制系统设计Wangyu Process Control System主要内容主要内容1 1、概述、概述2 2、选择被控参数和控制参数（、选择被控参数和控制参数（* * *）4 4、调节阀（执行器）的选择、调节阀（执行器）的选择 （* * *）3 3、系统设计中的测量变送问题（、系统设计中的测量变送问题（* *）5 5、调节器的选择（、调节器的选择（* * *） 6 6、单回路控制系统投运、单回路控制系统投运 7 7、调节器参数整定（、调节器参数整定（* * *） 8 8、单回路控制系统设计原则应用举例、单回路控制系统设计原则应用举例 Wangyu Pro

2、cess Control System单回路控制系统简介单回路控制系统简介1液位控制系统液位控制系统温度控制系统温度控制系统控制部分广义对象Wangyu Process Control System单回路控制系统简介单回路控制系统简介2单回路控制系统定义单回路控制系统定义单回路控制系统定义：一般指针对一个被控过程单回路控制系统定义：一般指针对一个被控过程（调节对象），采用一个测量变送器监测被控过（调节对象），采用一个测量变送器监测被控过程，采用一个控制（调节）器来保持一个被控参程，采用一个控制（调节）器来保持一个被控参数恒定（或在很小范围内变化），其输出也只控数恒定（或在很小范围内变化），其输

3、出也只控制一个执行机构（调节阀）。制一个执行机构（调节阀）。Wangyu Process Control System主要组成部分主要组成部分(1)(1)、被控对象：生产过程中被控制的工艺设备或装置。、被控对象：生产过程中被控制的工艺设备或装置。(2)(2)、检测变送单元：检测量转换为统一标准的电信号。、检测变送单元：检测量转换为统一标准的电信号。(3)(3)、控制器：实时地对被控系统施加控制作用。、控制器：实时地对被控系统施加控制作用。(4)(4)、执行器：将控制信号进行放大以驱动控制阀。、执行器：将控制信号进行放大以驱动控制阀。 常见的有气动和电动两种。常见的有气动和电动两种。(5)(5)

4、、控制阀：控制进料量。有、控制阀：控制进料量。有 气开式气开式 和和 气关式气关式之别。之别。 气压信号中断，阀气压信号中断，阀门完全关闭门完全关闭气压信号中断，阀气压信号中断，阀门完全打开门完全打开单回路控制系统简介单回路控制系统简介3Wangyu Process Control System单回路控制系统特点单回路控制系统特点 结构简单、投资少、易于整定和投运；结构简单、投资少、易于整定和投运； 可满足一般生产过程的工艺要求；可满足一般生产过程的工艺要求； 占控制回路的占控制回路的85%85%以上，应用广泛；以上，应用广泛； 适用于被控过程的纯滞后与惯性不大、负荷与干扰变化适用于被控过程的

5、纯滞后与惯性不大、负荷与干扰变化 比较平稳或者工艺要求不太高的场合。比较平稳或者工艺要求不太高的场合。 单回路控制系统简介单回路控制系统简介4Wangyu Process Control System过程控制系统设计的一般要求和方法过程控制系统设计的一般要求和方法 安全性安全性 稳定性稳定性 经济性经济性相互矛盾的，分清主次相互矛盾的，分清主次 方法方法 v 首先全面了解被控过程；首先全面了解被控过程；v 深入分析工艺过程设备；深入分析工艺过程设备；v 应用自动控制理论和技术，拟定一个合理正确的控制应用自动控制理论和技术，拟定一个合理正确的控制方案。主要有对数频率特性设计法、根轨迹设计法、方案

6、。主要有对数频率特性设计法、根轨迹设计法、系统参数优化的计算机辅助设计等。系统参数优化的计算机辅助设计等。 要求要求 Wangyu Process Control System过程控制系统设计步骤过程控制系统设计步骤 建立被控过程的数学模型建立被控过程的数学模型选择控制方案选择控制方案建立系统方框图建立系统方框图进行静、动态特性分析计算进行静、动态特性分析计算实验和仿真实验和仿真设计步骤设计步骤Wangyu Process Control System控制方案的设计：控制方案的设计：核心，包括合理选择被控参数和核心，包括合理选择被控参数和控制参数、信息的获取和变送、调节阀的选择、调控制参数、信

7、息的获取和变送、调节阀的选择、调节器控制规律及正、反作用方式的确定等。节器控制规律及正、反作用方式的确定等。工程设计：工程设计：包括仪表选型、控制室和仪表盘设计、包括仪表选型、控制室和仪表盘设计、仪表供电供气系统设计、信号及联锁保护系统设计等。仪表供电供气系统设计、信号及联锁保护系统设计等。工程安装和仪表调校工程安装和仪表调校调节器参数工程整定：调节器参数工程整定：保证系统运行在最佳状态。保证系统运行在最佳状态。系统设计的主要内容系统设计的主要内容 Wangyu Process Control System1. 1. 单项性能指标单项性能指标过程控制系统的性能指标过程控制系统的性能指标 Wan

8、gyu Process Control System2. 2. 误差积分性能指标误差积分性能指标 它是以控制系统瞬时误差函数它是以控制系统瞬时误差函数e(t) e(t) 为泛函数的积分为泛函数的积分评价系统的综合性指标。它是用一个数（最小）衡量评价系统的综合性指标。它是用一个数（最小）衡量一个系统的优劣、是否处于最佳状态的一种方法。一个系统的优劣、是否处于最佳状态的一种方法。 误差积分误差积分( (IE) IE) 绝对误差积分绝对误差积分(IAE)(IAE) 平方误差积分平方误差积分( (ISE) ISE) 时间与绝对误差乘积积分时间与绝对误差乘积积分( (ITAE)ITAE)0( )IEe

9、t dt0| ( )|IAEe tdt20( )ISEe t dt0| ( )|ITAEt e tdt过程控制系统的性能指标过程控制系统的性能指标 Wangyu Process Control Systemn 采用采用不同的积分公式不同的积分公式意味着估计整个过程优良程度时意味着估计整个过程优良程度时 的的侧重点不同侧重点不同。例如。例如ISEISE着重于抑制过渡过程中的大着重于抑制过渡过程中的大 误差，而误差，而ITAEITAE则着重惩罚过程拖得过长。则着重惩罚过程拖得过长。n 误差积分指标误差积分指标有一个缺点，它们有一个缺点，它们并不能都保证控制系并不能都保证控制系 统具有合适的衰减率统

10、具有合适的衰减率（人们关注）；等幅震荡过程是（人们关注）；等幅震荡过程是 不能接受的，而它的不能接受的，而它的IEIE却等于零，显然不合理。通常却等于零，显然不合理。通常 的做法是首先规定衰减率的要求，再考虑使误差积分的做法是首先规定衰减率的要求，再考虑使误差积分 为最小。为最小。过程控制系统的性能指标过程控制系统的性能指标 Wangyu Process Control System被控参数选择被控参数选择选择的意义选择的意义v 是控制系统方案设计的一个至关重要的问题。是控制系统方案设计的一个至关重要的问题。v 恰当的选择对于稳定生产、提高产品产量和质量、恰当的选择对于稳定生产、提高产品产量和

11、质量、改善劳动条件有很大的作用。改善劳动条件有很大的作用。v若选择不当，则不论组成什么样的控制系统，选择若选择不当，则不论组成什么样的控制系统，选择多么先进的过程检测控制仪表，都不能达到良好的多么先进的过程检测控制仪表，都不能达到良好的控制效果。控制效果。 Wangyu Process Control System即能直接发映生产过程产品产量和质量，以即能直接发映生产过程产品产量和质量，以 及安全运行的参数。（如锅炉供水的水位控制及安全运行的参数。（如锅炉供水的水位控制) )。 选择方法选择方法(1) (1) 当选直接参数有困难时采用。当选直接参数有困难时采用。( (如用精馏塔如用精馏塔 的温

12、度控制间接实现化学反应的质量控制的温度控制间接实现化学反应的质量控制) )(2) (2) 可选择那些间接反映产品产量和质量又与直可选择那些间接反映产品产量和质量又与直 接参数有单值对应关系、易于测量的参数作接参数有单值对应关系、易于测量的参数作 为被控参数。为被控参数。 被控参数选择被控参数选择Wangyu Process Control System控制参数选择控制参数选择当生产过程中有多个因素能影响被控参数（在生产过当生产过程中有多个因素能影响被控参数（在生产过程有几个控制参数可供选择）时，一般希望控制通道克服程有几个控制参数可供选择）时，一般希望控制通道克服扰动的校正能力要强，动态响应要

13、比扰动通道快。扰动的校正能力要强，动态响应要比扰动通道快。 ( (一一) )、过程静态特性对控制品质的影响、过程静态特性对控制品质的影响单回路系统简化方框图单回路系统简化方框图Wangyu Process Control System设传递函数分别为设传递函数分别为 1)(sTKsWooo1)(sTKsWfffccKsW)(则在定值控制下输出对干扰的闭环传递函数为则在定值控制下输出对干扰的闭环传递函数为 )1()1)(1()1(.)()(1)()()(sTKKsTsTsTKsWsWsWsFsYfocfoofocf控制参数选择控制参数选择Wangyu Process Control System

14、由于系统本质是稳定的，则在单位阶跃扰动下的稳态值为由于系统本质是稳定的，则在单位阶跃扰动下的稳态值为 KKKKKfocf11)(lim)(tyyt)1() 1)(1() 1(lim0sTKKsTsTssTKsfocfoofs稳态余差稳态余差 控制参数选择控制参数选择Wangyu Process Control System控制参数选择控制参数选择讨论讨论过程稳态特性对控制质量有很大影响，这是选择操纵过程稳态特性对控制质量有很大影响，这是选择操纵参数的一个重要依据。参数的一个重要依据。应使应使KKf f越小越好，以减弱扰动对控制参数的影响。越小越好，以减弱扰动对控制参数的影响。最佳控制过程中，最

15、佳控制过程中，KKc cKK0 0应为一常数，大小可通过应为一常数，大小可通过KcKc来调节。来调节。在控制系统设计时，控制通道的在控制系统设计时，控制通道的KK0 0拟适当选大一些。拟适当选大一些。 Wangyu Process Control System 扰动通道的静态放大系统扰动通道的静态放大系统KKf f大对控制不利大对控制不利 ； 控制通道的放大系数控制通道的放大系数KK0 0愈大，表示控制作用愈灵敏；愈大，表示控制作用愈灵敏； 但但KK0 0太大，会使控制作用对被控变量的影响过强，太大，会使控制作用对被控变量的影响过强，使系统的稳定性下降；使系统的稳定性下降； 选择控制通道的选择

16、控制通道的KK0 0适当大一些，可由适当大一些，可由KKc c来补偿。来补偿。 稳态特性对控制质量的影响稳态特性对控制质量的影响 控制参数选择控制参数选择Wangyu Process Control System（二）过程动态特性的分析（二）过程动态特性的分析（1 1）时间常数的影响）时间常数的影响系统的超调量随系统的超调量随T Tf f的增大而减少，控制质量得到提高。的增大而减少，控制质量得到提高。 T Tf f变大或个数增多，均对干扰起到了一种滤波作用。变大或个数增多，均对干扰起到了一种滤波作用。（2 2） 滞后时间的影响滞后时间的影响干扰通道的纯滞后时间仅使被控参数对其反应在时间上平移了

17、干扰通道的纯滞后时间仅使被控参数对其反应在时间上平移了一段时间，理论上无影响。一段时间，理论上无影响。干扰通道的容量滞后会使干扰信号变得缓和一些，对克服干扰干扰通道的容量滞后会使干扰信号变得缓和一些，对克服干扰有利。有利。 （3 3）干扰作用位置的影响）干扰作用位置的影响 应使扰动作用点位置远离被控参数。应使扰动作用点位置远离被控参数。控制参数选择控制参数选择Wangyu Process Control System时间常数较小；反应灵敏；纯滞后时间小的通道作为时间常数较小；反应灵敏；纯滞后时间小的通道作为控制通道控制通道 （1 1）时间常数的影响）时间常数的影响T T0 0过大过大特点：使控

18、制作用变弱，控制质量变坏。特点：使控制作用变弱，控制质量变坏。措施：合理选择执行器位置；采用前馈或复杂控制。措施：合理选择执行器位置；采用前馈或复杂控制。T T0 0过小过小特点：控制作用增强，但系统容易振荡。特点：控制作用增强，但系统容易振荡。措施：措施：T T0 0应适度。应适度。控制参数选择控制参数选择Wangyu Process Control System（2 2）滞后时间的影响）滞后时间的影响纯滞后纯滞后 0 0的影响较大的影响较大, , 如图所示如图所示3-93-9。应从工艺着。应从工艺着手改善。手改善。容量滞后容量滞后 c c比较缓和，引入微分作用可有效克服。比较缓和，引入微分

19、作用可有效克服。(3) (3) 时间常数分配的影响时间常数分配的影响在选择控制通道时，使开环传递函数中的几个时间在选择控制通道时，使开环传递函数中的几个时间常数值错开，减小中间的时间常数，可提高系统的工作常数值错开，减小中间的时间常数，可提高系统的工作频率，减小过渡过程时间和最大偏差，改善控制质量。频率，减小过渡过程时间和最大偏差，改善控制质量。控制参数选择控制参数选择Wangyu Process Control Systemv控制通道的放大系数控制通道的放大系数KK0 0要适当选大一些；时间常数要适当选大一些；时间常数T T0 0要适当小一些；纯滞后时间要适当小一些；纯滞后时间 0 0越小越

20、好，越小越好， 0 0与与T T0 0之比应小于之比应小于1. 1. v扰动通道的放大系数扰动通道的放大系数KKf f应尽可能小；时间常数应尽可能小；时间常数T Tf f要要大；扰动引入系统的位置要远离控制过程大；扰动引入系统的位置要远离控制过程( (即靠近调即靠近调节阀节阀) ) 。v注意工艺操作的合理性、经济性。注意工艺操作的合理性、经济性。控制参数选择控制参数选择Wangyu Process Control System系统设计中的测量变送问题系统设计中的测量变送问题检测与变送设备主要根据被检测参数的性质与系统设检测与变送设备主要根据被检测参数的性质与系统设计的总体考虑来决定。计的总体考

21、虑来决定。被检测参数性质的不同，准确度要求，相应速度要求被检测参数性质的不同，准确度要求，相应速度要求的不同以及对控制性能要求的不同都影响检测、变送器的不同以及对控制性能要求的不同都影响检测、变送器的选择，的选择，从工艺的合理性、经济性加以综合考虑。从工艺的合理性、经济性加以综合考虑。 Wangyu Process Control System系统设计中的测量变送问题系统设计中的测量变送问题对检测变送环节的三个基本要求：对检测变送环节的三个基本要求：1)1) 测量值能正确反映被控变量的值，误差不超过规定测量值能正确反映被控变量的值，误差不超过规定的范围；的范围；2)2)在环境条件下能长期工作，

22、保证测量值的可靠性；在环境条件下能长期工作，保证测量值的可靠性；3)3)测量值能迅速反映被控变量变化，即快速动态响应；测量值能迅速反映被控变量变化，即快速动态响应；Wangyu Process Control System系统设计中的测量变送问题系统设计中的测量变送问题进行测量和传送信号的过程中存在以下滞后进行测量和传送信号的过程中存在以下滞后: :被检测的信号传递到检测点需要花费被检测的信号传递到检测点需要花费一定的时间，即产生纯滞后；等于物一定的时间，即产生纯滞后；等于物料和能量传输的距离除以传输速度。料和能量传输的距离除以传输速度。纯滞后纯滞后: :测量滞后：测量滞后：传送滞后：传送滞后

23、：测量环节的容量滞后，是由测量元测量环节的容量滞后，是由测量元件自身的特性决定的。件自身的特性决定的。例如：测温元件例如：测温元件生产现场和控制室之间的距离导致生产现场和控制室之间的距离导致测量和控制信号的往返传输滞后。测量和控制信号的往返传输滞后。Wangyu Process Control System 1 1、 尽可能选择测量误差小的测量元件尽可能选择测量误差小的测量元件对单回路定值闭环反馈控制系统，当控制器放大倍对单回路定值闭环反馈控制系统，当控制器放大倍数较大时，其稳态误差取决于反馈通道误差的大小。数较大时，其稳态误差取决于反馈通道误差的大小。高质量的控制离不开高质量的测量。高质量的

24、控制离不开高质量的测量。2 2、尽可能选择快速响应的测量元件与变送设备、尽可能选择快速响应的测量元件与变送设备 检测与变送器都有一定的时间常数，造成所谓的测量滞检测与变送器都有一定的时间常数，造成所谓的测量滞后与传送滞后问题。后与传送滞后问题。测量滞后与传送滞后使测量值与真实值之间产生差异，测量滞后与传送滞后使测量值与真实值之间产生差异，如果控制器按此失真的信号发出控制命令，就不能有如果控制器按此失真的信号发出控制命令，就不能有效的发挥校正作用。效的发挥校正作用。一般选测量元件的时间常数为控制通道的一般选测量元件的时间常数为控制通道的1/101/10以下。以下。系统设计中的测量变送问题系统设计

25、中的测量变送问题Wangyu Process Control System系统设计中的测量变送问题系统设计中的测量变送问题3 3 正确采用微分超前补偿正确采用微分超前补偿 当系统中存在较大的测量滞后（如温度和压力），引入当系统中存在较大的测量滞后（如温度和压力），引入一微分环节。一微分环节。 1) 1()()(sTsTKsTsPmDm但微分控制的使用要慎重，以免引起系统不稳定。但微分控制的使用要慎重，以免引起系统不稳定。 4 4 合理选择测量点位置并正确安装合理选择测量点位置并正确安装 测量元件的安装位置尽可能选在最灵敏地反映被测量元件的安装位置尽可能选在最灵敏地反映被测参数的地方，以减小纯滞

26、后的时间测参数的地方，以减小纯滞后的时间注意注意1 1）、微分单元接在不同的位置时，）、微分单元接在不同的位置时，对随动系统来说控制效果不同；对随动系统来说控制效果不同；2 2）、微分单元对于克服纯滞后是无）、微分单元对于克服纯滞后是无能为力的；能为力的；3 3）、微分单元只使用测量环节容量）、微分单元只使用测量环节容量滞后较大的场合；滞后较大的场合；4 4）、为了克服信号传送滞后，应尽）、为了克服信号传送滞后，应尽量采用电信号进行传送。量采用电信号进行传送。Wangyu Process Control System系统设计中的测量变送问题系统设计中的测量变送问题例如：生产硫酸的硫铁矿焙烧，硫

27、铁矿从焙烧炉下部送入，在一、二次例如：生产硫酸的硫铁矿焙烧，硫铁矿从焙烧炉下部送入，在一、二次风的助燃下焙烧硫铁矿，产生的风的助燃下焙烧硫铁矿，产生的SOSO2 2气体从炉顶排出。在其他条气体从炉顶排出。在其他条件一定时，炉膛温度与件一定时，炉膛温度与SOSO2 2浓度有一定的对应关系。浓度有一定的对应关系。经验表明：在近炉膛上部的温度检测点的温度能够正确地反映经验表明：在近炉膛上部的温度检测点的温度能够正确地反映SOSO2 2的浓的浓度变化。度变化。 SOSO2 2炉气炉气二次风二次风矿石矿石一次风一次风高测温高测温点点Wangyu Process Control System5 5、对测量

28、信号作必要的处理、对测量信号作必要的处理 测量信号的校正测量信号的校正测量信号躁声的抑制测量信号躁声的抑制例：在流体输送过程中，由于输送机械的往复运动，流体的压力与例：在流体输送过程中，由于输送机械的往复运动，流体的压力与流量呈现周期性的脉动变化，使参数值时高时低，它的频率与输送流量呈现周期性的脉动变化，使参数值时高时低，它的频率与输送机械的往复频率一致。对于呈周期性变化的脉动信号，当其平均值机械的往复频率一致。对于呈周期性变化的脉动信号，当其平均值不变时，控制系统不需要工作。但是按偏差工作的控制器的输出信不变时，控制系统不需要工作。但是按偏差工作的控制器的输出信号呈周期性的变化，从而使调节阀

29、不停的开大开小。号呈周期性的变化，从而使调节阀不停的开大开小。在气体传送管线上增加气阻在气体传送管线上增加气阻R R和气容和气容C C。对测量信号进行线性化处理对测量信号进行线性化处理在检测某些过程参数时，测量信号与被测信号之间成某种非在检测某些过程参数时，测量信号与被测信号之间成某种非线性关系，一般由测量元件所致，线性关系，一般由测量元件所致，1 1）如热电偶测温。）如热电偶测温。2 2）如节流装置输出差压与流量的平方成正比，可用开方器来校正。）如节流装置输出差压与流量的平方成正比，可用开方器来校正。系统设计中的测量变送问题系统设计中的测量变送问题Wangyu Process Control

30、 System作业作业 3-6，3-9 Wangyu Process Control System调节阀（执行器）的选择调节阀（执行器）的选择 1 1 作用作用 在自动控制系统中，接受调节器的指令；在自动控制系统中，接受调节器的指令； 经执行机构将其转换为相应的角位移或直线位移；经执行机构将其转换为相应的角位移或直线位移； 去操纵调节机构，改变被控对象进、出的能量或物料去操纵调节机构，改变被控对象进、出的能量或物料2 2 注意事项注意事项 选择合适的调节工作区间选择合适的调节工作区间 在正常工况下要求调节阀开度处于在正常工况下要求调节阀开度处于15%85%15%85%之间。之间。 选择合适的流

31、量特性选择合适的流量特性第一步：确定工作流量特性；第一步：确定工作流量特性；第二步：根据特性曲线的畸变第二步：根据特性曲线的畸变程度，确定理想流量特性；程度，确定理想流量特性；Wangyu Process Control System 选择合适的调节阀开关形式选择合适的调节阀开关形式 考虑事故状态是人身、工艺设备的安全。考虑事故状态是人身、工艺设备的安全。 例如：进加热炉的燃料气或燃料油的调节阀应采用气开式，例如：进加热炉的燃料气或燃料油的调节阀应采用气开式， 一旦事故发生，调节阀处于全关状态，避免炉温继续升高。一旦事故发生，调节阀处于全关状态，避免炉温继续升高。 考虑事故状态下减少经济损失，

32、保证产品质量。考虑事故状态下减少经济损失，保证产品质量。 例如：精馏塔进料一般选用气开式，在事故状态下，调节阀例如：精馏塔进料一般选用气开式，在事故状态下，调节阀 关闭，停止进料。关闭，停止进料。 考虑介质的性质。考虑介质的性质。 例如：对装有易结晶、易凝固物料的装置，蒸汽流量调节阀需选用例如：对装有易结晶、易凝固物料的装置，蒸汽流量调节阀需选用 气关式，一旦事故发生，处于全开状态，以防止物料结晶。气关式，一旦事故发生，处于全开状态，以防止物料结晶。调节阀（执行器）的选择调节阀（执行器）的选择 Wangyu Process Control System控制器（调节器）的选择控制器（调节器）的选

33、择 目的：目的：为了使调节器的特性与控制过程的特性能很好配为了使调节器的特性与控制过程的特性能很好配 合，使所设计的系统能满足生产工艺对控制质量合，使所设计的系统能满足生产工艺对控制质量 指标的要求。指标的要求。 调节器正、反作用的确定调节器正、反作用的确定 控制阀：控制阀：气开式为气开式为“”，气关式为，气关式为“- -”； 被控对象：被控对象：物料或能量增加时，被控参数随之增加为物料或能量增加时，被控参数随之增加为“”，随，随之之 减少为减少为“- -”； 控制器：控制器：正作用为正作用为“-”-”，反作用为，反作用为“+”+”； 正作用：当系统的测量信号增加时，调节器的输出增加，其静态放

34、正作用：当系统的测量信号增加时，调节器的输出增加，其静态放 大系数大系数KKC C取负；取负； 反作用：当系统的测量信号增加时，调节器的输出减小，其静态放反作用：当系统的测量信号增加时，调节器的输出减小，其静态放 大系数大系数KKC C取正；取正；变送器：变送器：一般为一般为“”； Wangyu Process Control System确定各个环节正、反作用的次序过程：确定各个环节正、反作用的次序过程：原则：使整个单回路构成负原则：使整个单回路构成负反馈系统反馈系统-总放大系数为正总放大系数为正 控制器（调节器）的选择 n 首先根据生产工艺安全等原则确定调节阀的气开气关形式；首先根据生产工

35、艺安全等原则确定调节阀的气开气关形式；n 然后按被控过程特性，确定其正、反作用；然后按被控过程特性，确定其正、反作用；n 最后根据上述组成该系统的开环传递函数各环节的静态放最后根据上述组成该系统的开环传递函数各环节的静态放 大系数极性相乘必须为正的原则来确定调节器的正、反作大系数极性相乘必须为正的原则来确定调节器的正、反作 用方式用方式Wangyu Process Control Systemv 在当今的工业控制器中，有半数以上采用了在当今的工业控制器中，有半数以上采用了PIDPID或变形或变形 PID PID控制方案。控制方案。模拟模拟PIDPID控制器控制器大多数是液压的、气动大多数是液压

36、的、气动 的、电气的和电子型的，或是由它们构成的组合型。由于的、电气的和电子型的，或是由它们构成的组合型。由于 微处理器的大量应用，许多变成了微处理器的大量应用，许多变成了数字型数字型的。的。v 大多数大多数PIDPID控制器是现场调节的，某些控制器是现场调节的，某些PIDPID控制器还具有控制器还具有在线自动调节能力。在线自动调节能力。v PIDPID控制优点：原理简单、使用方便控制优点：原理简单、使用方便 适应性强适应性强 鲁棒性强鲁棒性强 PIDPID控制概述控制概述Wangyu Process Control System PIDPID是一种负反馈控制。是一种负反馈控制。PIDPID控

37、制概述控制概述回顾回顾调节阀、被控对象和调节阀、被控对象和测量变送元件等测量变送元件等调节器调节器负反馈：缓解对象中的不平衡，达到自动控制目的。负反馈：缓解对象中的不平衡，达到自动控制目的。+正反馈：加剧被控对象流入量流出量的不平衡，导致系统不稳定。正反馈：加剧被控对象流入量流出量的不平衡，导致系统不稳定。Wangyu Process Control System比例调节（比例调节（P P调节）调节）1 1比例调节的动作规律比例调节的动作规律一一. . 比例度比例度调节器的输出信号调节器的输出信号u u与偏差信号与偏差信号e e成比例：成比例：u = u = KKp pe e比例增益比例增益注

38、意：上式中的注意：上式中的u u实际上是对其起始值实际上是对其起始值u u0 0的增量，即若的增量，即若 e=0e=0， 则则u=uu=u0 0 在过程控制中，习惯用在过程控制中，习惯用增益的倒数增益的倒数表示调节器输入与输出表示调节器输入与输出之间的比例关系：之间的比例关系：1ue比例度比例度比例度的物理意义：如果比例度的物理意义：如果u u直接代表调节阀开度的变化量，那么直接代表调节阀开度的变化量，那么 就代表就代表 使调节阀开度改变使调节阀开度改变100%100%即从关到全开即从关到全开所需的所需的 被调量的变化范围被调量的变化范围。Wangyu Process Control Syst

39、em数值上比例度等于数值上比例度等于输入偏差变化相对值输入偏差变化相对值与相应的与相应的输出变化相对值输出变化相对值之比的之比的百分数百分数。 比例度计算比例度计算%100/minmaxminmaxuuuxxe即即 比例度比例度 越大，表示比例控制作用越弱。越大，表示比例控制作用越弱。 ( =1/Kp ( =1/Kp ）减小比例度，会使系统的稳定性和动态性能变差，但可相应减小比例度，会使系统的稳定性和动态性能变差，但可相应地减小余差，提高静态精度地减小余差，提高静态精度. .比例调节（比例调节（P P调节）调节）2 2Wangyu Process Control System比例调节（比例调节

40、（P P调节）调节）3 3 一台一台DDZ-DDZ-型温度比例控制器，测温范围为型温度比例控制器，测温范围为200200 1200 1200, ,其输出为其输出为4 420mA20mA。当温度给定值由。当温度给定值由 800 800变动到变动到850850，其输出由，其输出由12mA12mA变化到变化到16mA16mA。 试求该控制器的比例度及放大系数。试求该控制器的比例度及放大系数。e.g.85080016 12/100%20%12002002045%2011Kp%100/minmaxminmaxpppxxe由定义：由定义：Wangyu Process Control System二二. .

41、 比例调节的特点比例调节的特点比例调节（比例调节（P P调节）调节）4 4有差调节有差调节负荷负荷工业过程中物料流或能量流的大小。工业过程中物料流或能量流的大小。 在比例调节的作用下，在负荷扰动下的调节过程结在比例调节的作用下，在负荷扰动下的调节过程结束后，束后，被调量被调量不可能不可能与设定值与设定值准确相等，它们之间一定准确相等，它们之间一定有残差有残差。 自动控制下的被控过程在进入稳态后，流入量与流自动控制下的被控过程在进入稳态后，流入量与流出量之间总是平衡的。出量之间总是平衡的。Wangyu Process Control Systeme.g. e.g. 水加热器出水温度控制系统水加热

42、器出水温度控制系统比例调节（比例调节（P P调节）调节）5 5系统流入量系统流入量蒸汽带入的热量蒸汽带入的热量系统流出量系统流出量热水带走的热量热水带走的热量从热平衡的角度看：从热平衡的角度看：热水流量、温度热水流量、温度Wangyu Process Control System比例调节器的静特性比例调节器的静特性调节阀开度随水温变化调节阀开度随水温变化加热器在不同热水流量下加热器在不同热水流量下的静特性的静特性在没有调节器在没有调节器控制时，不同热水流量下控制时，不同热水流量下的稳态出口水温与调节阀的稳态出口水温与调节阀开度之间的关系开度之间的关系比例调节（比例调节（P P调节）调节）6 6

43、O O ：热水流量为：热水流量为 时，系统在调节阀作用下的稳定运行点时，系统在调节阀作用下的稳定运行点0QA A ：热水流量减小为：热水流量减小为 时，系统在调节阀作用下的新的稳定运行点时，系统在调节阀作用下的新的稳定运行点1Q1QBB B ：从运行点：从运行点OO点开始，如不加比例控制，热水流量减小为点开始，如不加比例控制，热水流量减小为 后，水后，水 温将根据自平衡特性一直上升到温将根据自平衡特性一直上升到 为止。为止。水温残差：0AWangyu Process Control System比例调节（比例调节（P P调节）调节）7 7 三三. . 比例度对于调节过程的影响比例度对于调节过程

44、的影响 很大意味着调节阀的动作幅度很小，因此被调量的变化很大意味着调节阀的动作幅度很小，因此被调量的变化 比较平稳，甚至可以没有超调，但残差很大，调节时间很长；比较平稳，甚至可以没有超调，但残差很大，调节时间很长； 减小减小 就加大了调节阀的动作幅度，引起被调量来回波动，就加大了调节阀的动作幅度，引起被调量来回波动， 残差相应减小残差相应减小 。 由前例可以看出，比例调节的残差由前例可以看出，比例调节的残差 随着比例度的加大随着比例度的加大而加大而加大。但是。但是减小比例度减小比例度又等于加大调节系统的开环增益，又等于加大调节系统的开环增益，将将导致系统激烈震荡导致系统激烈震荡甚至不稳定。甚至

45、不稳定。Wangyu Process Control System比例调节（比例调节（P P调节）调节）8 8比例度对于调节过程的影响曲线图比例度对于调节过程的影响曲线图10.50.210.50.2Wangyu Process Control System积分调节（积分调节（I I调节）调节）1 1一一. . 积分调节动作规律积分调节动作规律0duS edt调节器的输出信号的变化速度与偏差信号成正比，即调节器的输出信号的变化速度与偏差信号成正比，即或或00tuSedt积分速度，可正可负积分速度，可正可负调节器的输出与偏差信号的积分成正比。调节器的输出与偏差信号的积分成正比。Wangyu Pro

46、cess Control System积分调节（积分调节（I I调节）调节）2 2二二. . 积分调节的特点积分调节的特点1. 无差调节无差调节 sXi sXos10- sE ?1ssiettx 0110lim 10lim00sssssXsssesisss从从物理意义上解释：物理意义上解释： 10101111 ssssGsXsEi 。必为常值输入时，不再变化只有当变化，直至使积分输出就要变化，则有误差，不为若必为时，0, 01, 111ssossooooietxextxxxttxe.g.Wangyu Process Control System2. 2. 稳定性比比例调节差，且调节过程慢稳定性

47、比比例调节差，且调节过程慢积分调节（积分调节（I I调节）调节）3 3对同一被控对象分别采用对同一被控对象分别采用P P调节和调节和I I调节，曲线如下：调节，曲线如下：P调节I调节Wangyu Process Control System积分调节（积分调节（I I调节）调节）4 4三三. . 积分速度对于调节过程的影响积分速度对于调节过程的影响 增大积分速度增大积分速度 会降低控制系统的稳定程度会降低控制系统的稳定程度 越大，调节阀越大，调节阀的动作愈快，振荡频率越来越高。的动作愈快，振荡频率越来越高。0S0S00S 00.2S 00.5S 01S00S 00.2S 00.5S 01SWan

48、gyu Process Control System比例积分调节（比例积分调节（PIPI调节）调节）1 1一一. . 比例积分调节的动作规律比例积分调节的动作规律 综合综合P P、I I两种调节的优点：利用两种调节的优点：利用P P调节快速抵消干扰的调节快速抵消干扰的影响，同时利用影响，同时利用I I调节消除残差。调节消除残差。它的调节规律为：它的调节规律为：00tPuK eSedt或：或：011()tIueedtT比例度比例度积分时间积分时间Wangyu Process Control System比例积分调节（比例积分调节（PIPI调节）调节）2 2PIPI调节器的阶跃响应调节器的阶跃响应

49、 在施加阶跃输入的瞬间，调节器立在施加阶跃输入的瞬间，调节器立 即输出一个幅值为即输出一个幅值为 的阶跃，然的阶跃，然 后以固定速度后以固定速度 变化。变化。/e/IeT 当当 时，调节器的总输出为时，调节器的总输出为 ，这时的积分部分恰好等，这时的积分部分恰好等 于比例部分。于比例部分。 ItT2/e 可以衡量积分部分在在总输出可以衡量积分部分在在总输出 中所占的比重，中所占的比重， 越小，积分越小，积分 部分所占的比重越大。部分所占的比重越大。 ITIT 由图可知由图可知 、 的数值。的数值。ITWangyu Process Control System 在比例度不变的情况下，在比例度不变

50、的情况下，减小积分时间减小积分时间 ，将使控制系统的，将使控制系统的稳定稳定 性降低性降低、振荡加剧、调节过程加快、振荡频率升高。、振荡加剧、调节过程加快、振荡频率升高。比例积分调节（比例积分调节（PIPI调节）调节）3 3IT PIPI调节引入积分动作带来调节引入积分动作带来消除系统残差消除系统残差好处的同时，却好处的同时，却降低降低了原有了原有 系统的系统的稳定性稳定性。Wangyu Process Control System三三. . 积分饱和积分饱和比例积分调节（比例积分调节（PIPI调节）调节）4 4 具有积分作用的调节器，只要被调量与设定值之间有具有积分作用的调节器，只要被调量与

51、设定值之间有偏差，其输出就会不停的变化，如果由于某种原因（如阀偏差，其输出就会不停的变化，如果由于某种原因（如阀门关闭、泵故障等）门关闭、泵故障等）被调量偏差一时无法消除被调量偏差一时无法消除，然而调节，然而调节器还是要试图校正这个偏差，结果器还是要试图校正这个偏差，结果经过一段时间后，调节经过一段时间后，调节器的输出将进入深度饱和状态器的输出将进入深度饱和状态，这种现象称为，这种现象称为积分饱和积分饱和。进入深度饱和的调节器，要等被调量偏差反向后才慢慢从进入深度饱和的调节器，要等被调量偏差反向后才慢慢从饱和状态退出来，重新恢复控制作用。饱和状态退出来，重新恢复控制作用。Wangyu Proc

52、ess Control System比例积分调节（比例积分调节（PIPI调节）调节）5 5e.g. e.g. 水加热器出水温度控制系统水加热器出水温度控制系统 为消除偏差采用为消除偏差采用PIPI调节器，调节阀调节器，调节阀选用气开式，调节器为反作用选用气开式，调节器为反作用方式方式Wangyu Process Control System 积分饱和现象常出现在自动启动间歇过程的控制系统、积分饱和现象常出现在自动启动间歇过程的控制系统、串级系统中的主调节器以及象选择性控制这样的复杂控制系串级系统中的主调节器以及象选择性控制这样的复杂控制系统中，后者积分饱和的危害性也许更为严重。统中，后者积分饱

53、和的危害性也许更为严重。比例积分调节（比例积分调节（PIPI调节）调节）6 6 简单地限制简单地限制PI调节器的输出在规定范围内，虽然能缓调节器的输出在规定范围内，虽然能缓和积分饱和的影响，但并不能真正解决问题，反而在正常操和积分饱和的影响，但并不能真正解决问题，反而在正常操作中不能消除系统的残差，根本解决办法还得从作中不能消除系统的残差，根本解决办法还得从PI动作规动作规律找律找输出在偏差长期存在时会超过输出额定值，从而引输出在偏差长期存在时会超过输出额定值，从而引起积分饱和起积分饱和，因此，必须在调节器内部限制这部分输出，使，因此，必须在调节器内部限制这部分输出，使得偏差为零时得偏差为零时

54、PI调节器的输出在额定值以内。调节器的输出在额定值以内。Wangyu Process Control System一一. . 微分调节的引入微分调节的引入比例积分微分调节（比例积分微分调节（PIDPID调节）调节）1 1比例调节比例调节根据当前的偏差大小进行调节根据当前的偏差大小进行调节积分作用积分作用根据当前及过去的偏差的大小进行调节根据当前及过去的偏差的大小进行调节 P P、I I调节调节均不管当时被控对象中流入量与流出量之间均不管当时被控对象中流入量与流出量之间有多大的不平衡，即被调量的变化趋势。这可能导致被调量有多大的不平衡，即被调量的变化趋势。这可能导致被调量随即出现大的偏差。随即出

55、现大的偏差。微分调节：在控制作用中微分调节：在控制作用中加入被调量的变化趋势加入被调量的变化趋势，避免等到，避免等到被调量已经出现较大偏差后才开始作用，即赋予调节器某种被调量已经出现较大偏差后才开始作用，即赋予调节器某种程度的预见性。程度的预见性。Wangyu Process Control Systeme. g. e. g. 加热器温度的加热器温度的PIPI控制控制前提：某时刻前提：某时刻e=e=T Tr r T T接近接近0 0，累计，累计 误差也接近误差也接近0 0，此时，此时PIPI调节器调节器 的输出的输出u u为为0, 0, 蒸汽阀关闭。但蒸汽阀关闭。但 此时冷水仍进入，导致温度下

56、此时冷水仍进入，导致温度下 降。需经过较长时间才能调回降。需经过较长时间才能调回 到设定值。到设定值。 这时，可加入微分作用，对被调量的变化通过误差变化来提前判断。这时，可加入微分作用，对被调量的变化通过误差变化来提前判断。比例积分微分调节（比例积分微分调节（PIDPID调节）调节）2 2Wangyu Process Control System比例积分微分调节（比例积分微分调节（PIDPID调节）调节）3 3微分调节作用微分调节作用 调节器的输出与被调量或其偏差对于时间的导数成正比：调节器的输出与被调量或其偏差对于时间的导数成正比：2deuSdt注意注意：单纯的微分调节器是不能单独工作的单纯

57、的微分调节器是不能单独工作的，这是因为实际的调节器，这是因为实际的调节器都有一定的失灵区，如果被控对象的流入、流出量只相差很少以致被都有一定的失灵区，如果被控对象的流入、流出量只相差很少以致被调量只以调节器不能察觉的速度缓慢变化时，调节器并不会动作，但调量只以调节器不能察觉的速度缓慢变化时，调节器并不会动作，但经过很长时间后，被调量偏差却可以累加到相当大而得不到校正。经过很长时间后，被调量偏差却可以累加到相当大而得不到校正。（e.g. e.g. 温度控制中，热量出入相差不大，温度控制中，热量出入相差不大，e e虽大但变化趋势不明显）虽大但变化趋势不明显）因此微分调节只能起因此微分调节只能起辅助

58、调节辅助调节的作用，它可以与其它调节动作结合成的作用，它可以与其它调节动作结合成PDPD和和PIDPID调节调节作用。作用。Wangyu Process Control System比例积分微分调节（比例积分微分调节（PIDPID调节）调节）4 4微分控制作用曲线微分控制作用曲线Wangyu Process Control System比例积分微分调节（比例积分微分调节（PIDPID调节）调节）5 5二二. . 比例微分调节规律比例微分调节规律2PdeuK eSdt或或1()DdeueTdt其传递函数为：其传递函数为：1( )(1)cDG sT s注意：注意：严格按上式动作的调节器在物理上是不

59、能实现的，严格按上式动作的调节器在物理上是不能实现的， 工业上采用的工业上采用的PDPD调节器的传递函数是：调节器的传递函数是：11( )1DcDDT sG sTsK比例度比例度微分时间微分时间微分增益，一般在微分增益，一般在5-105-10范围内范围内Wangyu Process Control System比例积分微分调节（比例积分微分调节（PIDPID调节）调节）6 611(1)exp()/DDDtuKTK工业上工业上PDPD调节器的单位阶跃输出响应为调节器的单位阶跃输出响应为: :式中的三个参数：式中的三个参数：均可从其阶跃响应曲线读出均可从其阶跃响应曲线读出DKDTWangyu Pr

60、ocess Control System比例积分微分调节（比例积分微分调节（PIDPID调节）调节）7 7根据根据PDPD调节器的斜坡响应也可以单独测定它的微分时间调节器的斜坡响应也可以单独测定它的微分时间T TD DT TD D=0=0，无微分作用，无微分作用T TD D不为不为0 0，有微分作用，有微分作用微分作用的引入使输出的变化提前一段时间发生，而这段时间就等微分作用的引入使输出的变化提前一段时间发生，而这段时间就等于于T TD D。因此，。因此，PDPD调节器有导前作用，其导前时间即是微分时间调节器有导前作用，其导前时间即是微分时间T TD D。t1t2u0Wangyu Proces