第6章简单系统学生ppt课件

1、过程控制系统与仪表过程控制系统与仪表 第第6章章简单控制系简单控制系统的结构统的结构 四个环节组成四个环节组成被控变量的选择被控变量的选择控制变量的选择控制变量的选择控制参数的整定控制参数的整定简单控制系简单控制系统的设计统的设计 闭环负反馈闭环负反馈控制规律的选择控制规律的选择第第6 6章章 简单控制系统的设计与参数整定简单控制系统的设计与参数整定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单闭环控制系统。阀和一个对象所构成的单闭环控制

2、系统。 第第6 6章章 简单控制系统的设计与参数整定简单控制系统的设计与参数整定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

3、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. 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。四个主要内容。3. 过程控制系统设计的步骤了解）过程控制系统设计的步骤了解）1掌握生产工艺对控制系统的技术要求掌握生产工艺对控制系统的

4、技术要求2建立被控过程的数学模型建立被控过程的数学模型3确定控制方案确定控制方案 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。步骤。 4控制设备选型控制设备选型5实验或仿真验证实验或仿真验证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。持恒定值或按一定规律变化的变量。被控变量的选择依据：被控变量的选择依据：

5、1、根据生产工艺的要求，找出影响生产的关、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键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章章例例1 储槽液位控制系统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。就应以储槽液位为被控变量。 LC TTh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2 换热器出口温度控制系统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。统就应以出口温度为被控变量。热物料热物料载热

6、介质载热介质冷物料冷物料热交换器热交换器 TT TC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3 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

7、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。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过程控制系统

8、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是介质的流量，也有以转速、电压等作为操纵变量的。纵变量的。 LC TTh控制变量的确定控制变量的确定在诸多影响被控变量的因素中选择一个对被

9、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；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)

10、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(

11、)( )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+=+=000( )( )( )( )X ( )( )1( )( )1( )( )fcccGsGs GsYssFsGs GsGs Gs)()1(1)()()(11)(sXKK

12、sTsTsXsGsGsEcoooocx+=+=)() 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 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

13、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K0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；Kf越大，干扰作用越强，稳态误差越大。越大，干扰作用越强，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

14、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(

15、 )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对控制质量的影响？对控制质量的影响？f()( 1 )Y ( s )()()1 () ()( 1 ) ( 1 )( 1 )ff ocoofo c fGsKT sFsFsGsGsT s Ts K KTs 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：某

16、控制系统中，干扰例：某控制系统中，干扰f1、f2、f3分别在三个分别在三个位置进入系统。试分析：位置进入系统。试分析： f1、f2、f3对被控变量的对被控变量的影响越慢。影响越慢。010203f30G(s)G(s)G(s)Y ( )( )1( )( )csF sGs Gs0201012100G( )G(s)( )( )( )1( )( )1( )( )ccsGsFsF sGs GsGs Gs3)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

17、 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

18、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，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

19、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

20、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，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

21、择。影响储槽液位的主要因素有：液体流入量和液体影响储槽液位的主要因素有：液体流入量和液体流出量。流出量。这两个变量影响力相当，若由工艺决定液体流出这两个变量影响力相当，若由工艺决定液体流出量可控。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量的选择。影响出口温度的主要因素有：载热介质温度、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。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

22、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。载热介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敏板温度T灵的因素主要有：灵的因素主要有： 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）

23、，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

24、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。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

25、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。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%区区间。据此原则计算、确定控制阀的口径尺寸。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

26、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，必须正确选择调值回复到给定值。为了保证负反馈，必须正确选择调节

27、器的正反作用。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。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“”执行器：气开阀为执行器：气开阀为“”，气关阀为，气关阀为“”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

28、随之增加，为“”，反之为，反之为“”。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。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“”偏向偏向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

29、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章章偏向偏向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 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：闭合回路中简单的判定方法：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

30、，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：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TTTC燃料燃料出料出料过程控制系统与仪表过程控制系

31、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

32、值调节器的调节规律，即它的输出量与输入量偏差值之间的函数关系。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

33、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，其大小决定的倒数，其大小决定比例控制作用的强弱。比例控制作用的强弱。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控制及时、适当。只要有偏差，输出立刻成比例地变化，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控制结果存在余差，随比例度增大而增大。控制结果存在余差，随比例

34、度增大而增大。q实现定值控制的有差跟踪。实现定值控制的有差跟踪。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，控制过程曲线越平稳，但控制过越大，控制过程曲线越平稳，但控制过程时间越长，余差也越大。程时间越长，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度Pmin ，振荡频率称为临界振荡频率振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

35、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 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

36、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

37、与仪表 第第6章章vTI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。vTI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。v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PD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

38、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，对静态偏差当偏差存在，但不变化时，微分输出为零，对静态偏差毫无抑制能力。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

39、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，既能快速调节，只要三项作用的强度配合适当，既能

40、快速调节，又能消除余差，可得到满意的控制效果。又能消除余差，可得到满意的控制效果。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

41、艺指标要求不高的对象。要求不高的对象。适用于一适用于一般要求的液位，压力调节般要求的液位，压力调节系统系统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。求高的调节系统。适用于流适用于流量，要求较严格的压力，量，要求较严格的压力，液位调节系统。液位调节系统。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

42、，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。加热较慢的温度控加热较慢的温度控制系统。制系统。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，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

43、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。温度控制系统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 描画描画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就是按照已定的控制控制器参数的整定就是按

44、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体来说，就是确定最合适的控制器比例度P、积分、积分时间时间TI，和微分时间，和微分时间TD。理论计算的方法是根据已知的各环节特性及控制质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。量的要求，通过理论计算出控制器的最佳参数。工程整定法在已经投运的实际控制系统中，通过试工程整定法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。验或探索，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

45、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） 置调节器置调节器Ti ， Td=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 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PmPm和和TmTm。y(t)Tm 系统临界振荡曲线系统

46、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 P（% %） Ti Ti TdTd P P 2Pm2Pm PI PI 2.2Pm 2.2Pm 0.85 Tm 0.85 Tm PID 1.7Pm PID 1.7Pm 0.50 Tm 0.125 Tm 0.50 Tm 0.125 Tm 表表6.1 6.1 稳定边界法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

47、设成比例作用Ti=Ti=，Td=0Td=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

48、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6-26-2n=4:1n=4:1或按表或按表6-36-3n=10:1n=10:1求得各种调节规律时的整定参数。求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 Ts1.2PsPIPsPTdTiP（%） 整定参数整定参数调节规律调节规律0.4Ts1.2Tr0.8PsPID 2Tr1.2PsPIPsPTdTiP

49、（%） 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。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，作广义对象的阶跃响应方法：不加控制作用，作广义对象的阶跃响应曲线。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，找出广义对象的特性根据实验所得响应曲线，找出广义对象的特性参数参数K

50、0K0、T0T0、00，用表，用表6-46-4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

51、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留意：留意：q同

52、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。q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： q P 15 TI 7.5minq P 35 TI 3 minq系统都得到系统都得到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

53、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。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水量在2%2.5%。6.5.1 生产过程概