第5章 简单控制系统

1、 第第5 5章章 简单控制系统简单控制系统u了解简单控制系统的设计任务及开发步骤；了解简单控制系统的设计任务及开发步骤； u熟悉被控过程特性对控制质量的影响，掌握熟悉被控过程特性对控制质量的影响，掌握被控参数、控制参数的设计原则；被控参数、控制参数的设计原则； u熟悉调节规律对控制质量的影响，调节规律熟悉调节规律对控制质量的影响，调节规律的选择方法；的选择方法； u掌握调节器作用方式的选择掌握调节器作用方式的选择 u掌握调节器参数的整定方法掌握调节器参数的整定方法. .由一个由一个测量变送器测量变送器、一个、一个控制器控制器、一个、一个控制阀控制阀和和一个一个被控对象被控对象所构成的单闭环控制

2、系统。所构成的单闭环控制系统。 5.1 简单控制系统的分析简单控制系统的分析由一个由一个测量变送器测量变送器、一个、一个控制器控制器、一个、一个控制阀控制阀和和一个一个被控对象被控对象所构成的单闭环控制系统。所构成的单闭环控制系统。 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 LT仪表符号标准仪表符号标准5.1 简单控制系统的分析简单控制系统的分析5.1 简单控制系统的分析简单控制系统的分析| 控制系统的工作过程控制系统的工作过程锅炉锅炉是生产蒸汽的设备。如图，

3、工业生产中的锅炉汽包流程图。是生产蒸汽的设备。如图，工业生产中的锅炉汽包流程图。 保持锅炉汽包内的液位高度在规定范围内是非常重要的。保持锅炉汽包内的液位高度在规定范围内是非常重要的。若水位过低，则会影响产汽量，且锅炉易烧干而发生事故；若水位过低，则会影响产汽量，且锅炉易烧干而发生事故；若水位过高，生产的蒸汽含水量高，会影响蒸汽质量；若水位过高，生产的蒸汽含水量高，会影响蒸汽质量；这些都是危险的。因此这些都是危险的。因此锅炉汽包液位锅炉汽包液位是一个重要的工艺参数。是一个重要的工艺参数。5.1 简单控制系统的分析简单控制系统的分析| 控制系统的工作过程控制系统的工作过程为了保持液位为定值，手动控

4、制时主要有三步：为了保持液位为定值，手动控制时主要有三步： 观察被控变量的数值，即汽包的液位；观察被控变量的数值，即汽包的液位； 把观察到的被控变量值与设定值加以比较，把观察到的被控变量值与设定值加以比较， 根据两者偏差大小或随时间变化的情况，根据两者偏差大小或随时间变化的情况， 做出判断并发布命令；做出判断并发布命令； 根据命令操作给水阀，改变进水量，根据命令操作给水阀，改变进水量， 使液位回到设定值。使液位回到设定值。5.1 简单控制系统的分析简单控制系统的分析| 控制系统的工作过程控制系统的工作过程如对锅炉汽包液位进行精如对锅炉汽包液位进行精确控制，就必须采用检测确控制，就必须采用检测仪

5、表和自动控制装置来代仪表和自动控制装置来代替手工控制，这些自动控替手工控制，这些自动控制装置和被控的工艺对象制装置和被控的工艺对象就组成了一个就组成了一个简单的过程简单的过程控制系统控制系统，此时系统就成，此时系统就成为自动控制系统。锅炉汽为自动控制系统。锅炉汽包液位控制系统的管道仪包液位控制系统的管道仪表流程图如图所示。表流程图如图所示。 5.1 简单控制系统的分析简单控制系统的分析| 控制系统的工作过程控制系统的工作过程将以上锅炉汽包液位控制系统用方框图表示，可得锅将以上锅炉汽包液位控制系统用方框图表示，可得锅炉汽包液位控制系统的原理结构图，如图所示。炉汽包液位控制系统的原理结构图，如图所

6、示。5.1 简单控制系统的分析简单控制系统的分析| 简单控制系统的组成简单控制系统的组成根据锅炉汽包液位控制系统的结构图，可得简单控制根据锅炉汽包液位控制系统的结构图，可得简单控制系统的结构图。将各个环节分别用传递函数描述后，系统的结构图。将各个环节分别用传递函数描述后，可得如图所示的简单控制系统方框图。可得如图所示的简单控制系统方框图。图中，图中，G0(s)、Gm (s)、Gv(s)和和Gc(s)分别表示被控对象、测量变送装置、分别表示被控对象、测量变送装置、执行器和控制器的传递函数。系统工作时，被控过程的输出信号（被控执行器和控制器的传递函数。系统工作时，被控过程的输出信号（被控变量）变量

7、）y(t)通过测量变送装置后将其变换为测量值通过测量变送装置后将其变换为测量值ym(t)，并将测量值反，并将测量值反馈到控制器的输入端；控制器根据系统被控变量的设定值馈到控制器的输入端；控制器根据系统被控变量的设定值r(t)与测量值与测量值ym(t)的偏差的偏差e(t)，按照一定的控制算法输出控制量，按照一定的控制算法输出控制量u(t) )；执行器根据控制；执行器根据控制器送来的控制信号器送来的控制信号u(t)，通过改变操纵变量，通过改变操纵变量(t)的大小，对被控对象进行的大小，对被控对象进行调节，克服扰动调节，克服扰动d(t)对系统的影响，从而使被控变量对系统的影响，从而使被控变量y(t)

8、趋于设定值趋于设定值r(t)，达到预期的控制目标。，达到预期的控制目标。| 简单控制系统的组成简单控制系统的组成简单控制系统的输出与输入的关系为简单控制系统的输出与输入的关系为:)()()()()(1)()()()()()(1)()()()(000sDsGsGsGsGsGsRsGsGsGsGsGsGsGsYmvcdmvcvc| 简单控制系统的组成简单控制系统的组成| 简单控制系统的组成简单控制系统的组成)()()()(0sGsGsGsGmvp被控对象被控对象、执行器执行器和和测量变送装置测量变送装置合并为合并为广义被控对象广义被控对象，用用Gp( (s) )表示，即表示，即: : 图图: 由控

9、制器和广义被控对象组成的简单控制系统由控制器和广义被控对象组成的简单控制系统u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 安全性、稳定性和经济性安全性、稳定性和经济性5.2 简单控制系统的设计简单控制系统的设计u简单控制系统设计的主要任务简单控制系统设计的主要任务 选择被控变量和操作变量选择被控变量和操作变量 建立被控对象的数学模型建立被控对象的数学模型控制器的设计控制器的设计 检测变送仪表的选择检测变送仪表的选择执行器的选择执行器的选择5.2 简单控制系统的设计简单控制系统的设计| 被控变量和操作变量的选择被控变量和操作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

10、持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。合理选恒定值（或按一定规律变化）的变量。合理选择被控变量，关系到生产工艺能否达到稳定操择被控变量，关系到生产工艺能否达到稳定操作、保证质量、保证安全等目的。作、保证质量、保证安全等目的。5.2 简单控制系统的设计简单控制系统的设计| 被控变量和操作变量的选择被控变量和操作变量的选择 选择直接参数作为被控变量选择直接参数作为被控变量 能直接反映生产过程中产品的产量和质量，以及安全能直接反映生产过程中产品的产量和质量，以及安全 运行的参数称为直接参数运行的参数称为直接参数。换热器出口温度控制系统：工艺要求出口温度为定值。换热器出口

11、温度控制系统：工艺要求出口温度为定值。那么设计的控制系统就应以出口温度为被控变量。那么设计的控制系统就应以出口温度为被控变量。 被控变量的选择被控变量的选择1 1、被控变量的选择方法、被控变量的选择方法精馏工艺是利用被分离物中各组精馏工艺是利用被分离物中各组分的挥发温度不同，将各组分分分的挥发温度不同，将各组分分离。但是，没有合适的仪表在线离。但是，没有合适的仪表在线检测馏出物的纯度，则不能直接检测馏出物的纯度，则不能直接作为被控变量。作为被控变量。塔内压力和塔内温度都对馏出物塔内压力和塔内温度都对馏出物纯度有影响。纯度有影响。苯苯甲苯甲苯苯苯甲苯甲苯 选择间接参数作为被控变量选择间接参数作为

12、被控变量 当不能用直接工艺参数作为被控变量时，应选择与直接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。工艺参数有单值函数关系的间接工艺参数作为被控变量。被控变量应能代表一定的工艺操作指标或能反映工被控变量应能代表一定的工艺操作指标或能反映工 艺操作状态；艺操作状态；选择能直接反映生产过程的产品产量和质量，以及选择能直接反映生产过程的产品产量和质量，以及 安全运行的直接参数，或选择与直接参数有对应关安全运行的直接参数，或选择与直接参数有对应关 系、有足够灵敏度的间接参数；系、有足够灵敏度的间接参数；考虑工艺合理性和国内外仪表产品的现状考虑工

13、艺合理性和国内外仪表产品的现状2 2、被控变量的选择原则、被控变量的选择原则操作变量操作变量: : 把用来克服干扰对被控变量的影响，实现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操作变量或控制变量。制作用的变量称为操作变量或控制变量。 LC LTh 操作变量的选择操作变量的选择 最常见的操纵变量是介质的流量，也有以转速、电压等作最常见的操纵变量是介质的流量，也有以转速、电压等作为操作变量的。为操作变量的。p在诸多影响被控变量的因素中选择一个对被控变量影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；响显著且便于控制的变量，作为控制变量；p其它未

14、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。被控变量被控变量影响变量影响变量 操作变量的选择操作变量的选择1 1、操作变量的选择方法、操作变量的选择方法被控变量选定以后，应对工艺进行分析，找出所有影被控变量选定以后，应对工艺进行分析，找出所有影 响被控变量的因素。在这些变量中，有些是可控的，响被控变量的因素。在这些变量中，有些是可控的，有些是不可控的。有些是不可控的。操纵变量选择应该遵循一些原则：操纵变量选择应该遵循一些原则：（1 1）操纵变量必须是工艺上）操纵变量必须是工艺上的变量；的变量；（2 2）操纵变量应该是系统中所有被控对象的输入变量中对）操纵变量应该是系统中所

15、有被控对象的输入变量中对 被控变量影响最大的一个，被控变量影响最大的一个，控制通道的放大倍数控制通道的放大倍数K K要要 尽量大，时间常数尽量大，时间常数T T适当小，滞后时间尽量小适当小，滞后时间尽量小。 （3 3）不宜选择代表生产负荷的变量作为操纵变量，以免产）不宜选择代表生产负荷的变量作为操纵变量，以免产 量受到波动。量受到波动。 2 2、操作变量的选择原则、操作变量的选择原则如对于换热器，通常选择蒸汽流量作为操纵变量。如果不控制蒸汽如对于换热器，通常选择蒸汽流量作为操纵变量。如果不控制蒸汽流量，而是控制冷流体的流量，理论上可以使得出口温度稳定，但流量，而是控制冷流体的流量，理论上可以使

16、得出口温度稳定，但冷流体流量是生产负荷，一般不宜进行控制。冷流体流量是生产负荷，一般不宜进行控制。| 检测变送仪表的选择检测变送仪表的选择测量变送装置（包括测量元件和变送器）的作用是将工测量变送装置（包括测量元件和变送器）的作用是将工业生产过程的参数（如流量、压力、温度、物位和成分业生产过程的参数（如流量、压力、温度、物位和成分等）经检测并转换为标准信号。在模拟仪表中，标准信等）经检测并转换为标准信号。在模拟仪表中，标准信号通常采用号通常采用010mA、420 mA、15V电流或电压，电流或电压，0.020.1MPa气压信号；在现场总线仪表中，标准信号气压信号；在现场总线仪表中，标准信号是数字

17、信号。测量变送装置的工作原理如图所示。是数字信号。测量变送装置的工作原理如图所示。1 1测量变送装置的工作原理测量变送装置的工作原理| 检测变送仪表的选择检测变送仪表的选择 测量元件和变送器的类型繁多，现场总线仪表的出现使测测量元件和变送器的类型繁多，现场总线仪表的出现使测量变送装置呈现模拟和数字并存的状态。但它们都可用带量变送装置呈现模拟和数字并存的状态。但它们都可用带纯迟延的一阶惯性环节纯迟延的一阶惯性环节近似，其传递函数为近似，其传递函数为 式中，式中， 、 和和 分别为测量变送装置的增益、时分别为测量变送装置的增益、时间常数和纯迟延时间。间常数和纯迟延时间。 smmmmesTKsG1)

18、(mKmTm| 检测变送仪表的选择检测变送仪表的选择 对测量变送装置的基本要求是对测量变送装置的基本要求是准确准确、迅速迅速和和可靠可靠。准确准确指检测元件和变送器能正确反映被控或被测变指检测元件和变送器能正确反映被控或被测变量，误差小；量，误差小；迅速迅速指应能及时反映被控或被测变量指应能及时反映被控或被测变量的变化；的变化；可靠可靠是检测元件和变送器的基本要求，它是检测元件和变送器的基本要求，它应能在环境工况下长期稳定运行。为此需要考虑以应能在环境工况下长期稳定运行。为此需要考虑以下三个主要问题。下三个主要问题。 (1) (1) 在所处环境下能否正常长期工作在所处环境下能否正常长期工作 (

19、2) (2) 动态响应是否比较迅速动态响应是否比较迅速 (3) (3) 测量误差是否满足要求测量误差是否满足要求2检测变送仪表的基本要求检测变送仪表的基本要求| 检测变送仪表的选择检测变送仪表的选择 测量变送装置信号的处理包括测量变送装置信号的处理包括信号补偿信号补偿、线性化线性化、信信号滤波号滤波、数学运算数学运算、信号报警信号报警和和数学变换数学变换等。等。 硬件滤波通常采用阻容滤波环节，可以用电阻电容组硬件滤波通常采用阻容滤波环节，可以用电阻电容组成低通滤波，也可用气阻和气容组成滤波环节。可以成低通滤波，也可用气阻和气容组成滤波环节。可以组成有源滤波、也可以组成无源滤波等。由于需要硬组成

20、有源滤波、也可以组成无源滤波等。由于需要硬件的投资，因此成本提高。软件滤波采用计算方法，件的投资，因此成本提高。软件滤波采用计算方法，利用程序编制各种数字滤波器实现信号滤波，具有投利用程序编制各种数字滤波器实现信号滤波，具有投资少、应用灵活等特点，受到用户欢迎。在智能仪表资少、应用灵活等特点，受到用户欢迎。在智能仪表、DCSDCS等装置中通常采用软件滤波。等装置中通常采用软件滤波。 如果测量变送装置的信号超出工艺过程的允许范围，如果测量变送装置的信号超出工艺过程的允许范围，就要进行信号报警和联锁处理。就要进行信号报警和联锁处理。3.检测变送仪表信号的处理检测变送仪表信号的处理PID控制器的调节

21、规律可根据广义被控对象的特点进控制器的调节规律可根据广义被控对象的特点进 行选择，选择原则如下：行选择，选择原则如下： 广义对象控制通道时间常数较大或容积迟延较大时，广义对象控制通道时间常数较大或容积迟延较大时， 应引入应引入微分动作微分动作. .如工艺容许有残差，可选用比例微分动作；如工艺要求无残差如工艺容许有残差，可选用比例微分动作；如工艺要求无残差则选用比例积分微分动作则选用比例积分微分动作如温度、成分、如温度、成分、pHpH值等控制过程值等控制过程. . 广义对象控制通道时间常数较小，负荷变化不大，工艺要求广义对象控制通道时间常数较小，负荷变化不大，工艺要求无残差时，可选择比例积分动作

22、。如管道压力和流量控制无残差时，可选择比例积分动作。如管道压力和流量控制 广义对象控制通道时间常数较小广义对象控制通道时间常数较小, ,负荷变化较小负荷变化较小, ,工艺要求不工艺要求不高时，可选择比例动作，如液位控制高时，可选择比例动作，如液位控制. .| 控制器的选型控制器的选型1 1控制器控制规律的选择控制器控制规律的选择如果被控对象传递函数为如果被控对象传递函数为( )1sPKeGsTs则可根据对象的可则可根据对象的可控比控比/T选择调节器的动选择调节器的动作规律：作规律：/T0.2：选择比例或比例积分动作：选择比例或比例积分动作0.21.0：采用简单控制系统不能满足控制要求，应：采用

23、简单控制系统不能满足控制要求，应选用复杂控制系统，如串级，前馈控制等选用复杂控制系统，如串级，前馈控制等 当广义对象控制通道时间常数或容积迟延很大，负荷当广义对象控制通道时间常数或容积迟延很大，负荷变化也很大时，简单控制系统已不能满足要求，应设计复变化也很大时，简单控制系统已不能满足要求，应设计复杂控制系统杂控制系统正反馈正反馈作用加剧被控对象流入量流出量的不平衡，作用加剧被控对象流入量流出量的不平衡，导致控制系统不稳定。导致控制系统不稳定。 负反馈负反馈作用则缓解对象中的不平衡，作用则缓解对象中的不平衡，正确地达到自正确地达到自动控制的目的。动控制的目的。2 2控制器正、反作用方式的选择控制

24、器正、反作用方式的选择在反馈控制系统中，由控制器、调节阀、被控对象和检测变在反馈控制系统中，由控制器、调节阀、被控对象和检测变送仪表构成一个闭合回路。在连接成闭合回路时，可能出现送仪表构成一个闭合回路。在连接成闭合回路时，可能出现两种情况：两种情况：正反馈正反馈和和负反馈负反馈. . 在控制系统方框图中，每一个环节（方框）的作用方向都在控制系统方框图中，每一个环节（方框）的作用方向都可用该环节放大系数的正、负来表示。如作用方向为正，可用该环节放大系数的正、负来表示。如作用方向为正，可在方框上标可在方框上标“”；如作用方向为负，可在方框上标；如作用方向为负，可在方框上标“”。 系统中各环节正、反

25、作用方向的规定系统中各环节正、反作用方向的规定控制系统中各环节的作用方向（增益符号）是这样规定的：控制系统中各环节的作用方向（增益符号）是这样规定的：正作用正作用：当该环节的输入信号增加时，输出信号也随之增加。：当该环节的输入信号增加时，输出信号也随之增加。反作用反作用：当输入增加时，输出减小，即输出与输入变化方向相反。：当输入增加时，输出减小，即输出与输入变化方向相反。(1)被控对象正、反作用方向的确定被控对象正、反作用方向的确定被控对象的作用方向，随具体对象的不同而各不相同。当过被控对象的作用方向，随具体对象的不同而各不相同。当过程的输入（操纵变量）增加时，若其输出（被控变量）也增程的输入

26、（操纵变量）增加时，若其输出（被控变量）也增加则属于正作用，取加则属于正作用，取“”；反之则为负作用，取；反之则为负作用，取“”号。号。 系统中各环节正、反作用方向的规定系统中各环节正、反作用方向的规定 对于控制阀，其作用方向取决于是对于控制阀，其作用方向取决于是气开阀气开阀还是还是气关阀气关阀。当控制器输出信号（即控制阀的输入信号）增加时，当控制器输出信号（即控制阀的输入信号）增加时，气开阀的开度增加，因而流过控制阀的流体流量也增气开阀的开度增加，因而流过控制阀的流体流量也增加，故加，故气开阀气开阀是正方向的，取是正方向的，取“”号；反之，当号；反之，当气气关阀关阀接收的信号增加时，流过控制

27、阀的流量反而减少，接收的信号增加时，流过控制阀的流量反而减少，所以是反方向的，取所以是反方向的，取“”号。控制阀的气开、气关号。控制阀的气开、气关作用形式应按其选择原则事先确定。作用形式应按其选择原则事先确定。（2）执行器正、反作用方向的确定）执行器正、反作用方向的确定(3)(3)测量变送单元正、反作用方向的确定测量变送单元正、反作用方向的确定 对于测量元件及变送器，其作用方向一般都是对于测量元件及变送器，其作用方向一般都是“正正”的。的。因为当其输入量（被控变量）增加时，输出量（测量值）因为当其输入量（被控变量）增加时，输出量（测量值）一般也是增加的。一般也是增加的。 由于控制器的输出取决于

28、被控变量的测量值与设定值之差，由于控制器的输出取决于被控变量的测量值与设定值之差，所以被控变量的测量值与设定值变化时，对输出的作用所以被控变量的测量值与设定值变化时，对输出的作用方向是相反的。当误差增加时，其输出也增加，则该环方向是相反的。当误差增加时，其输出也增加，则该环节的增益为正，反之为负。节的增益为正，反之为负。(4)(4)控制器正、反作用方向的确定控制器正、反作用方向的确定 设置的目的：保证控制系统成为设置的目的：保证控制系统成为负反馈负反馈。负反馈准则：控制系统开环总增益为正负反馈准则：控制系统开环总增益为正开环总增益：各组成环节的增益之积开环总增益：各组成环节的增益之积环节的增益

29、为正：当环节输入增加时，其输出也增加环节的增益为正：当环节输入增加时，其输出也增加 控制器正、反作用的确定控制器正、反作用的确定 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 控制器正、反作用的确定控制器正、反作用的确定 (1)(1)逻辑推理法逻辑推理法 假定被控对象是一个假定被控对象是一个加热过加热过程程，即利用蒸汽加热某种介质，即利用蒸汽加热某种介质使其出口温度自动保持在某一使其出口温度自动保持在某一设定值上，如图所示。如果蒸设定值上，如图所示。如果蒸汽调节阀的开度随着控制信号汽调节阀的开度随着控制信号u u的加大而加大，那么就广义被

30、的加大而加大，那么就广义被控对象看，显然介质出口温度控对象看，显然介质出口温度 y y将会随着控制信号将会随着控制信号u u的加大而的加大而升高。如果介质出口温度升高。如果介质出口温度 y y升升高了，自动控制器就应减小其高了，自动控制器就应减小其输出信号输出信号u u才能正确地起负反馈才能正确地起负反馈控制作用，因此控制器应置于控制作用，因此控制器应置于反作用方式下。反作用方式下。 控制器正、反作用的确定控制器正、反作用的确定 (1)(1)逻辑推理法逻辑推理法 图： 控制器正反作用选择的推理过程KcKvKKmreuyym调节阀被控过程测量变送器 控制器正、反作用的确定控制器正、反作用的确定

31、Kc：调节器运算部分的增益：调节器运算部分的增益K、Kv和和Km：代表被控过程、调节阀和测量变送装置的增益：代表被控过程、调节阀和测量变送装置的增益为调节阀的开度为调节阀的开度 ym为被调量为被调量y的测量值。的测量值。(2)(2)判别式法判别式法 KcKvKKmreuyym调节阀被控过程测量变送器 控制器正、反作用的确定控制器正、反作用的确定 (2)(2)判别式法判别式法 为保证使整个系统构成负反馈的闭环系统，系统中实际控制为保证使整个系统构成负反馈的闭环系统，系统中实际控制器、执行器、被控对象和测量变送装置四部分的开环增益之积器、执行器、被控对象和测量变送装置四部分的开环增益之积必须为负，

32、即：必须为负，即：(实际控制器实际控制器 )(执行器执行器 )(被控对象被控对象 )=（-） （实际控制器（实际控制器 ）（执行器（执行器 ）（被控对象（被控对象 ）（测量变送单元（测量变送单元 ）=（-）由于测量变送单元的增益一般均为正，故控制器正反作用选择的由于测量变送单元的增益一般均为正，故控制器正反作用选择的判别式也可简化为判别式也可简化为:过程控制系统中的实际过程控制系统中的实际PIDPID控制器是由控制器是由信号比较机构信号比较机构和和运算运算环节环节两部分组成的，实际两部分组成的，实际PIDPID控制器的增益控制器的增益= =（-1-1）* *控制器控制器运算环节的增益运算环节的

33、增益。(实际控制器的运算环节实际控制器的运算环节 )(执行器执行器 )(被控对象被控对象 )=（+） KcKvKKmreuyym调节阀被控过程测量变送器负反馈准则：负反馈准则：KCKVKKm0+因实际控制器的增益与其运算环节的增益因实际控制器的增益与其运算环节的增益K Kc c符号符号相反，所以要求控制器置于相反，所以要求控制器置于反作用反作用方式。方式。确定控制器的正反作用的步骤1、根据工艺安全性要求，确定、根据工艺安全性要求，确定控制阀控制阀的气开和气关型。的气开和气关型。 气开阀的增益为正，气关阀的增益为负气开阀的增益为正，气关阀的增益为负2、根据过程的输入和输出关系，确定、根据过程的输

34、入和输出关系，确定被控过程被控过程增益的正负增益的正负3、根据检测变送环节的输入输出关系，确定、根据检测变送环节的输入输出关系，确定检测变送环节检测变送环节 增益的正负增益的正负4、根据负反馈准则，确定、根据负反馈准则，确定控制器控制器的正反作用的正反作用补充补充5.1：加热炉出口温度控制系统：加热炉出口温度控制系统在某生产过程中，冷物料通过加热炉对其进行加热，热物料温度必须在某生产过程中，冷物料通过加热炉对其进行加热，热物料温度必须满足生产工艺要求，故设计图所示温度控制系统流程图，画出系统框满足生产工艺要求，故设计图所示温度控制系统流程图，画出系统框图，指出被控过程，被控参数和控制参数。确定

35、调节阀的气开、气关图，指出被控过程，被控参数和控制参数。确定调节阀的气开、气关形式和调节器正、反作用方式。形式和调节器正、反作用方式。TTTC燃料燃料出料出料补充补充5.2：储槽液位控制系统：储槽液位控制系统LTLCM出料如图液位控制系统原理图，生产工艺要求汽包水位一定必须稳定。画如图液位控制系统原理图，生产工艺要求汽包水位一定必须稳定。画出控制系统框图，指出被控过程、被控参数和控制参数。确定调节阀出控制系统框图，指出被控过程、被控参数和控制参数。确定调节阀气开、气关形式和调节器的正、反作用方式。气开、气关形式和调节器的正、反作用方式。例例1：加热炉出口温度控制系统：加热炉出口温度控制系统负反

36、馈验证：负反馈验证：设某时刻燃料压力设某时刻燃料压力燃料流量燃料流量炉温炉温出料温度出料温度TC输入输入 TC输出输出阀关小阀关小炉温炉温出料温度出料温度TTTC反反正正正正正正燃料燃料出料出料5.3 简单控制系统的整定简单控制系统的整定在控制系统设计或安装完毕后，被控对象、测量变在控制系统设计或安装完毕后，被控对象、测量变送器和执行器这三部分的特性就完全确定了，不能送器和执行器这三部分的特性就完全确定了，不能任意改变。只能通过任意改变。只能通过控制器参数的工程整定控制器参数的工程整定，来调，来调整控制系统的整控制系统的稳定性稳定性和和控制质量控制质量。控制器参数的整定控制器参数的整定，就是按

37、照已定的控制方案，就是按照已定的控制方案，求求取使控制质量最好的控制器参数值取使控制质量最好的控制器参数值。具体来说，就。具体来说，就是确定最合适的控制器比例度是确定最合适的控制器比例度、积分时间、积分时间T Ti i和微和微分时间分时间T Td d。 n调整调整PIDPID调节器中的三个参数调节器中的三个参数比例参数比例参数 K Kc c （或者是比例带（或者是比例带）积分时间常数积分时间常数T Ti i微分时间常数微分时间常数T Td d控制器参数整定的方法很多，主要有两大类，控制器参数整定的方法很多，主要有两大类，一类是一类是理论计算的方法理论计算的方法，另一类是，另一类是工程整定法工程

38、整定法。q理论计算的方法是根据已知的各环节特性及控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，通过制质量的要求，通过理论计算出控制器的最佳参数理论计算出控制器的最佳参数。这种方法由于比较繁琐、工作量大，计算结果有时这种方法由于比较繁琐、工作量大，计算结果有时与实际情况不甚符合，故在工程实践中长期没有得与实际情况不甚符合，故在工程实践中长期没有得到推广和应用。到推广和应用。q工程整定法是在工程整定法是在已经投运的实际控制系统已经投运的实际控制系统中，中，通过通过试验或探索试验或探索，来确定控制器的最佳参数。这种，来确定控制器的最佳参数。这种方法是工艺技术人员在现场经常使用的。方法是工艺

39、技术人员在现场经常使用的。| PID控制器参数的工程整定控制器参数的工程整定工程整定方法通过并不复杂的实验，便能迅速获得控工程整定方法通过并不复杂的实验，便能迅速获得控制器的近似最佳整定参数，因而在工程中得到广泛应制器的近似最佳整定参数，因而在工程中得到广泛应用。其中有一些是用。其中有一些是基于对象的阶跃响应曲线基于对象的阶跃响应曲线，有些则，有些则直接在闭环系统中进行，方法简单，易于掌握。直接在闭环系统中进行，方法简单，易于掌握。1. 动态特性参数法动态特性参数法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( )1spKGseTs使用方法的使用方法的前提前

40、提是，广义被控对象的阶跃响应可用一阶惯性是，广义被控对象的阶跃响应可用一阶惯性环节加纯延迟来近似。环节加纯延迟来近似。这是一种以被控对象控制通道的这是一种以被控对象控制通道的阶跃响应曲线阶跃响应曲线为依据，通过为依据，通过一些一些经验公式经验公式求取控制器最佳参数整定值的开环整定方法。求取控制器最佳参数整定值的开环整定方法。111( )11cCddiiG sKT sT sTsTs若广义被控对象的阶跃响应可用一阶惯性环节加纯延迟若广义被控对象的阶跃响应可用一阶惯性环节加纯延迟来近似来近似则做实验得对象参数则做实验得对象参数再根据再根据Z ZN N调节器参数整定公式求取调节器参数整定公式求取PID

41、PID参数：参数：( )1spKGseTs,TK011()tdideueedt TTdt1. 动态特性参数法动态特性参数法(1) Z-N (1) Z-N 工程整定法工程整定法 背景：背景：19421942年由齐格勒年由齐格勒(Ziegler)(Ziegler)和尼科尔斯和尼科尔斯(Nichols)(Nichols)首先提出。首先提出。1. 动态特性参数法动态特性参数法n其中其中K K为系统的放大系数为系统的放大系数, , T T 为时间常数为时间常数, , 为纯滞后时间。为纯滞后时间。表表: Z-N: Z-N调节器整定参数公式调节器整定参数公式后来经过改进，总结出相应的计算调节器最佳参数整定公

42、式。后来经过改进，总结出相应的计算调节器最佳参数整定公式。 T TI IT Td dP PPIPIPIDPIDK(/T)1.1 K(/T)0.85 K(/T) 3.33.32.02.0 0.50.5(1) Z-N工程整定法工程整定法 n以衰减率以衰减率 为性能指标的柯恩为性能指标的柯恩(Cohen)-(Cohen)-库恩库恩(Coon)(Coon)整定公式整定公式 n以各种误差积分值为系统性能指标的调以各种误差积分值为系统性能指标的调节器最佳数整定公式节器最佳数整定公式 75. 01(/)0.333 cK KT120.9( / )0.082/3.33( / )0.3( / ) /12.2( /

43、 ) ciK KTT TTTT121.35( /)0.27/2.5( /)0.5( /) /10.6( /) /0.37( /)/10.2( /)cidK KTT TTTTTTTT1）比例调节器比例调节器2 2）比例积分调节器）比例积分调节器 3 3）比例积分微分调节器）比例积分微分调节器（2）柯恩）柯恩(Cohen)-库恩库恩(Coon)整定公式整定公式 （3）以各种误差积分值为系统性能指标的工程整定方法）以各种误差积分值为系统性能指标的工程整定方法 n随着仿真技术的发展，又提出了以各种误差积分值为系统随着仿真技术的发展，又提出了以各种误差积分值为系统性能指标的性能指标的PIDPID控制器最

44、佳参数整定公式控制器最佳参数整定公式其中，以上整定公式中的各系数在不同误差积分性能指标下其中，以上整定公式中的各系数在不同误差积分性能指标下的取值如表所示。的取值如表所示。(/)/=(/)/=(/)BcDiFdK KATT TCTTTET（3）以各种误差积分值为系统性能指标的工程整定方法）以各种误差积分值为系统性能指标的工程整定方法 表：表： Z-N及及IAE、ISE、ITAE性能指标的各系数取值：性能指标的各系数取值：性能指标调节规律ABCDEFZ-NIAEISEITAE P1.0000.9021.4110.9041.0000.9850.9171.084 Z-NIAEISEITAE PI0.

45、9000.9841.3050.8591.0000.9860.9590.9773.3331.6442.0331.4841.0000.7070.7390.680 Z-NIAEISEITAE PID1.2001.4351.4951.3571.0000.9210.9450.9472.0001.1390.9171.1761.0000.7490.7710.7380.5000.4820.5600.3811.0001.1371.0060.995调节器调节器Ti ， Td=0，比例度，比例度较大值，较大值， 将系统投入运行。将系统投入运行。逐渐减小逐渐减小 ，直到出现，直到出现 等幅振荡为止。等幅振荡为止。 记

46、录此时的临界值记录此时的临界值cr和和Tcr。 系统临界振荡曲线系统临界振荡曲线y(t)Tcrt属于闭环整定方法，根据纯比例控制系统临界振荡试验属于闭环整定方法，根据纯比例控制系统临界振荡试验所得数据（临界比例度所得数据（临界比例度cr和振荡周期和振荡周期Tcr），按经验公式），按经验公式求出调节器的整定参数。求出调节器的整定参数。2. 稳定边界法稳定边界法v经验公式虽然是在实验基础上归纳出来的，但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。就以表中它有一定的理论依据。就以表中PI调节器整定数值调节器整定数值为例，可以看出为例，可以看出PI调节器的比例度较纯比例调节时调节器的比

47、例度较纯比例调节时增大，这是因为积分作用增大，这是因为积分作用产生一滞后相位，产生一滞后相位，降低了降低了系统的稳定度的缘故。系统的稳定度的缘故。(3) 根据根据cr和和Tcr，按经验公，按经验公式计算出控制式计算出控制器的参数整定器的参数整定值。值。 整定参数整定参数调节规律调节规律 Ti Td P 2cr PI 2.2cr 0.85 Tcr PID 1.67cr 0.50 Tcr 0.125 Tcr 表表： 稳定边界法整定参数计算表稳定边界法整定参数计算表q 稳定边界方法在下面两种情况下不宜采用：稳定边界方法在下面两种情况下不宜采用：临界比例度过小时，调节阀容易游移于全开或全关位置，临界比

48、例度过小时，调节阀容易游移于全开或全关位置， 对生产工艺不利或不容许。例对生产工艺不利或不容许。例:一个用燃料油加热的炉子，一个用燃料油加热的炉子， 如果阀门发生全关状态就要熄火。如果阀门发生全关状态就要熄火。工艺上的约束条件严格时，等幅振荡将影响生产的安全。工艺上的约束条件严格时，等幅振荡将影响生产的安全。 TsTr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），置于较大比例 度，投入自动运行。度，投入自动运行。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），左右为宜）， 观察调节过程曲线。若系统

49、响应衰减太快，则减小比例带，观察调节过程曲线。若系统响应衰减太快，则减小比例带， 反之，系统响应衰减过慢，应增加比例带。反之，系统响应衰减过慢，应增加比例带。适当改变比例度，重复上述实验至满意的衰减曲线为止。适当改变比例度，重复上述实验至满意的衰减曲线为止。3.衰减曲线法衰减曲线法属于闭环整定方法，但不需要寻找等幅振荡状态，只需寻找属于闭环整定方法，但不需要寻找等幅振荡状态，只需寻找最佳衰减振荡状态最佳衰减振荡状态( (衰减比为衰减比为4:14:1，或，或10:110:1的振荡过程的振荡过程) )即可。即可。记下此时的比例度记下此时的比例度s及周期及周期Ts。按表（按表（n n=4:1=4:1

50、）或按表（）或按表（n n=10:1=10:1）求得各种调节规律）求得各种调节规律 时的整定参数。时的整定参数。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 Ts0.8sPID 0. 5 Ts1.2 sPI sPTdTi（%） 整定参数整定参数调节规律调节规律0.4Ts1.2Tr0.8sPID 2Tr1.2sPIsPTdTi（%） 整定参数整定参数调节规律调节规律4.4.经验整定法经验整定法 在现场控制系统整定工作中，经验丰富的运行人员常常采用经验整定法经验整定法。这种方法实质上是一种经验试凑法，它不需要

51、进行上述方法所要求的试验和计算，而是根据运行经验，先确定一组调节器参数，并将系统投入运行，然后人为加入阶跃扰动(通常为调节器的设定值扰动)，观察被调量或调节器输出的阶跃响应曲线，并依照调节器各参数对调节过程的影响，改变相应的整定参数值。一般先后Ti和Td，如此反复试验多次，直到获得满意的阶跃响应曲线为止。经验整定法 （经验试凑法 ）n根据经验先选一组控制器参数n将系统投入运行n根据运行情况依经验调整PID参数经验凑试法具体步骤经验凑试法具体步骤 n按先比例（按先比例（P)P)再积分（再积分（I I）最后微分（）最后微分（D D）的顺序。）的顺序。 置调节器积分时间置调节器积分时间T Ti i=

52、，微分时间，微分时间T Td d=0=0，在比，在比例例度度按经验设置的初值条件下，将系统投入按经验设置的初值条件下，将系统投入运行，整定比例度运行，整定比例度。求得满意的。求得满意的4 4：1 1过渡过过渡过程曲线。程曲线。 引入积分作用（此时应将上述比例度引入积分作用（此时应将上述比例度加大加大1.21.2倍）。将倍）。将T Ti i由大到小进行整定。由大到小进行整定。 若需引入微分作用时，则将若需引入微分作用时，则将T Td d按经验值或按照按经验值或按照T Td d= =（1/31/31/41/4）T Ti i设置，并由小到大加入。设置，并由小到大加入。 Kp微分微分积分积分PID调节

53、规律n参数整定找最佳，从小到大顺序查参数整定找最佳，从小到大顺序查n先是比例后积分，最后再把微分加先是比例后积分，最后再把微分加n曲线振荡很频繁，比例度盘要放大曲线振荡很频繁，比例度盘要放大n曲线漂浮绕大湾，比例度盘往小扳曲线漂浮绕大湾，比例度盘往小扳n曲线偏离回复慢，积分时间往下降曲线偏离回复慢，积分时间往下降n曲线波动周期长，积分时间再加长曲线波动周期长，积分时间再加长n曲线振荡频率快，先把微分降下来曲线振荡频率快，先把微分降下来n动差大来波动慢。微分时间应加长动差大来波动慢。微分时间应加长n理想曲线两个波，前高后低理想曲线两个波，前高后低4比比1n一看二调多分析，调节质量不会低一看二调多

54、分析，调节质量不会低 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几种整定方法的比较几种整定方法的比较不同不同：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：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；从闭环试验对干扰有较好的抑制作用，开环握被控过程的数学模

55、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很差的意义上说，衰减曲线法最好，临界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，反应曲线法最差。比例度法次之，反应曲线法最差。5. 等效控制器等效控制器n动态特性参数法整定计算时，常常把简单控制系统简化为调节器和被控对象两大环节，分别称为等效调节器等效调节器和等效广义被控对象等效广义被控对象。n它们之间如何划分会直接影响实际调节器参数与等效调节器参数之间的关系。实际控制器实际控制器等效控制器等效控制器：n在通过试验测取动态特性时，如果调节阀并未考虑在被控对象的范围之内，则等效广义被控对象的传递函数G

56、p(s)为 n此时等效调节器的传递函数Gc*(s)为)()()(*sGsGsGvcc( )( )( )pomGsG s GsGC(s)Gv(s)Go(s)Gm(s)_r(t)e(t)y(t)u(t)n由于调节阀Gv(s)可近似视为比例环节，即Gv(s)Kv，因此，当调节器为 PID作用时，等效 PID调节器的传递函数为:*1111( )(1)(1)cvddiiGsKT sT sTsTs：n如果试验测取的广义对象动态特性已包括调节阀，即n则等效调节器就是调节器本身，即)()()()(sGsGsGsGmvcp)11 (1)()(*sTsTsGsGDIcc (3GC(s)Gv(s)Go(s)Gm(s

57、)_r(t)e(t)y(t)u(t)n当然，如果用机理法求得被控对象动态特性为 Go(s)，那么等效调节器的传递函数为：式中，mvKK/*为等效比例带，其中mK为测量变送装置的转换系数。: GC(s)Gv(s)Go(s)Gm(s)_r(t)e(t)y(t)u(t)*11( )( )( )( )(1)ccvmdiGsG s G s GsT sTsn上述的不论是调节器参数理论计算方法还是工程整定法中的动态特性参数法，都是以上图所示的由广义被控对象Gp(s)和等效调节器Gc*(s)组成的简单控制系统为基础的。这样，整定计算所得的均为等效调节器的等效比例带，必须经过换算后才得到调节器的比例带。6.调节

58、器各参数实际值参数实际值与刻度值刻度值n整定计算得到整定计算得到的是调节器各参数的实际值。实际值。n对于工业 PID调节器，由于、TI和Td各参数之间存在相互干扰，必须考虑调节器各参数实际值参数实际值与刻度值刻度值之间的转换关系。n由调节器动态特性分析可知，由调节器动态特性分析可知，干扰系数干扰系数 F为为 n式中，式中，Td*、Ti *分别为调节器微分时间和积分时间的刻分别为调节器微分时间和积分时间的刻度值；度值；为与调节器结构有关的系数。为与调节器结构有关的系数。*1diTFT n对于不同类型的调节器，系数对于不同类型的调节器，系数各不相同，且随各不相同，且随T Td d* *、T Ti

59、i * *取值取值不同而变化。通过分析可知，调节器整定参数的不同而变化。通过分析可知，调节器整定参数的刻度值刻度值、实实际值际值与与干扰系数干扰系数 F 之间关系如下：之间关系如下： n式中，式中，* *、T Ti i* *和和T Td d* *分别为调节器比例带、积分时间、微分时分别为调节器比例带、积分时间、微分时间的刻度值；间的刻度值；、T Ti i和和T Td d分别为调节器比例带、积分时间、微分别为调节器比例带、积分时间、微分时间的实际值。分时间的实际值。*1;iiddFTT TFTFn调节器处于 P、PI和 PD工作状态时，Fl，可近似地认为调节器参数的刻度值和实际值是一致的。但是，

60、当处于 PID工作状态时，Fl，且为Td*/Ti*的函数。所以，在整定 PID调节器各参数时，必须按公式进行转换，由它的实际值计算调节器参数的刻度值它的实际值计算调节器参数的刻度值，对PID控制器进行设置。n例：例： 某温度控制系统采用 PI调节器。在调节阀扰动量=20%时，测得温度控制通道阶跃响应特性参数：稳定时温度变化（）60；时间常数 T300s；纯迟延时间 10s。温度变送器量程为0一100，且温度变送器和调节器均为 DDZIII型仪表。试求调节器、TI的刻度值。ssesKeTsKssYsG1000013001)()()(%)C/( 320600K 解：解： (1) 确定控制器的比例带