过程控制PID整定及参数调整

1、过程控制系统 PID整定及参数调整过程（Process）-生产过程基本概念历经一段时间一般工业生产伴随物质能量变化过程（Process）的特点连续过程(Continuous Process)批量（间歇）过程(Batch Process)离散过程(Discrete Process)流程工业(Flow Manufacturing Industry)离散制造业(Discrete Industry)过程控制(Process Control） 针对连续或半连续（间歇）过程中的温度、压力、流量、液（物）位、化学成分（如含氧量）、物性参数（如粘度、融溶指数）等变量而实现的自动控制系统，称为过程控制。被控参数

2、种类基本概念温度压力流量液位成分（氧含量，产品组份等）物性（粘度，干点，冰点等）过程控制领域基本概念石油化工：输油，炼油，乙烯，合成橡 胶，合成氨电力：火电厂冶金：冶金加热炉，热处理炉生化：啤酒，制药轻工：食品，漂染环境：水处理，大气监测其它：农业，养殖业我国的控制工程相对落后 单回路反馈控制系统1.1 单回路系统的结构组成1.2 被控变量的选择1.3 对象特性对控制质量的影响及操纵变量的选择1.4 控制阀的选择1.5 测量、传送滞后对控制质量的影响及其克服办法1.6 控制器参数对系统控制质量的影响及控制规律的选择1.7 系统的关联及其消除方法1.8 单回路系统的投运和整定 第1章1.1单回路

3、系统的结构组成 单回路反馈控制系统 四个基本环节：被控对象、测量变送、控制器和控制阀 反馈控制中的最基本系统 特点：简单、有效、 应用最成熟、最普遍 - 占70%以上例1：恒温箱的人工控制1.1单回路系统的结构组成人工控制的恒温箱 加热电阻丝220V调压器温度计观测恒温箱内的温度（被控制量）与要求的温度（给定值）进行比较，得到温度 偏差的大小和方向根据偏差大小和方向调节调压器，控制加热电 阻丝的电流以调节温度回复到要求值 人工控制恒温箱调节过程 1.1单回路系统的结构组成人工控制过程的实质：检测偏差，调节操纵变量，缩小偏差期望 温度大脑手调压器恒温箱眼睛实际 温度温度计 恒温箱自动控制调节过程

4、 恒温箱实际温度由热电偶转换为对应的电 压u2 恒温箱期望温度由电压u1给定，并与实际温度 u2比较得到温度偏差信号uu1 u2温度偏差信号经电压、功率放大后，用以驱动 执行电动机，并通过传动机构拖动调压器动触 头。当温度偏高时，动触头向减小电流的方向 运动，反之加大电流，直到温度达到给定值为 止，此时，偏差u0，电机停止转动。恒温箱自动控制系统工作原理：1.1单回路系统的结构组成例2：水槽液位控制系统LCF1F2F1F21.1单回路系统的结构组成F1增加 L增加 变送器输出信号增加 偏差（测量值-设定值）为正、增加 控制器输出增加 阀开度增加 F2增加 L降低；工作过程：1.1单回路系统的结

5、构组成控制器控制阀被控对象测量变送偏差给定 测量 液位给定量位于系统的输入端，称为系统输入量。 也称为参考输入量（信号）。被控制量位于系统的输出端，称为系统输出量。 输出量（全部或一部分）通过测量装置返回系 统的输入端，使 之与输入量进行比较，产生偏差（给定信号与返回的输出信号之差）信号。输出量的返回过程称为反馈。返回的全部或部分输出信号称为反馈信号。1.1单回路系统的结构组成 控制系统的原理和作用维持被控参数保持在设定值上，偏差越小越好偏差控制：纠正偏差 过程工业中，此类系统占大多数按被控参数分类： 温度控制回路、压力控制回路、 流量控制回路、物位（液位）控制回路引言:单回路控制设计了解生产

6、工艺掌握生产过程的规律确定确定合理的控制方案被控变量&操纵变量控制阀开闭形式、流量特性控制器的类型及正、反作用测量变送装置控制系统的设计目标 1.2 被控变量的选择即，要控制什么 基于工艺要求，选择的结果直接影响生产（产品产量、质量、生产安全）分类1.2 被控变量的选择直接控制 最基本的热工参数，一般是可以直接进行测量和控制的参数 温度、压力、液位、流量间接控制 质量指标，以及一些特殊的参数成份、物性参数等，在一般条件下，无法直接测量和控制 应根据工艺参数的关系，用可测的参数，间接进行控制1.2 被控变量的选择选择被控变量的原则（1）尽可能选择直接控制参数 （2）必须选择间接控制参数时，选择对

7、目标参数影响最显著的可控参数，单值对应关系最好 （3）灵敏度好，反映产品质量变化，易于控制 （4）考虑工艺的合理性、测量仪表的选择操纵变量的选择：（1）一般选系统中可以调整的物料量或能量参数，多是流量；（2）不止一个，重要因素1.3 对象特性对控制质量的影响及操纵变量的选择对象特性分析精馏塔: 影响塔顶成分的有,温度、压力、 进料流量、进料成分等 对于实际过程，影响输出的因素一般不只一个，因此，实际上都是多输入系统（MIMO)F1F2FnY1.4 控制阀的选择控制系统的执行部件接受控制器的命令执行控制任务。选择内容：口径大小、开闭形式、流量特性、结构形式口径大小 直接决定介质流过的能力1.4

8、控制阀的选择 通过计算阀的流通能力，并且保证具有一定的余量，具有较宽的可控范围。 口径过大，正常流量时阀门处于小的开度，阀的特性不好； 口径过小，正常流量时阀门处于大的开度，阀的特性也不好。开闭形式气动控制阀：1.4 控制阀的选择电动控制阀：一般均为电开式（电机带动阀门）气开式输入气压信号（来自控制器）增大，阀的开度增大；气闭式输入气压信号（来自控制器）增大，阀的开度减小；控制阀的气开、闭形式的选择原则：1.4 控制阀的选择（1）安全角度： 即当出现意外事故时，如气源中断，或电源中断，此时输入控制阀的气压信号最小，这时，考虑到工艺设备的安全性，必须使阀门全闭（气开式）或阀门全开（气闭式） 如：

9、锅炉燃气控制阀气开式 （2）质量角度：出现以外事故，考虑产品质量 （3）消耗角度：原料、成品及动力消耗 （4）介质特点：特殊介质，考虑气结晶、蒸发等因素 具体工艺过程，对控制阀开闭有要求的场合，要区分主次因素（安全第一），对控制阀开闭没有要求时，可以任选1.4 控制阀的选择流量特性 目前控制阀的特性有三种： 线性特性、对数特性（等百分比特性）、快开特性 L/LmaxF/Fmax 一般的，生产负荷变化对象特性发生变化 如，热交换器： 负荷（被加热的流体）增大： 通过热交换器的时间缩短， 纯滞后减小； 特性改变 流速增大，传热效果变好 控制系统投运时，已经整定好了PID参数，一旦对象特性发生变化时

10、，原来好的PID参数就变得不好了1.4 控制阀的选择流量特性什么时候选择非线性特性？1.4 控制阀的选择阀门定位器 控制阀的辅助装置 接受控制器信号，输出控制控制阀 作用： 提高控制阀控制精度，准确定位； 功率放大； 可改变控制阀流量特性； 可实现分程控制 1.7系统的关联及其消除方法1.7.1系统的关联及其影响 如同一条水管安装有多个水龙头，各个龙头的流量相互影响所谓关联，就是系统之间彼此相互有影响TCLC提馏段温度与塔底液位控制系统家中煤气供量，高峰期互相影响 由此可见，这两套控制系统存在着相互关联。系统的关联在很大程度上影响控制系统的性能，要非常注意1.7.1系统的关联及其影响关联蒸汽阀

11、开大，蒸汽量增加，温度上升，但同时由于蒸发量增大，塔釜液位会下降；同样，液位阀开大，采出量增加，液位下降，同时由于被加热的液体减少，温度会增加。例子：离心泵输出管线上的流量和压力控制控制系统 PC FC 流量和压力控制系统存在关联，可采用控制器参数整定的方法，拉开各自的工作频率。 若流量控制重要，可使流量控制器敏感些（减小比例度，减小微分时间），这样，系统出现扰动，流量系统快速调整，然后，压力系统再缓慢控制。 反之亦然。 1.7.3削弱或消除系统间关联的方法1.8单回路系统投运和整定系统投入运行以及控制器的参数调整投运前的准备：（1）熟悉被控对象和整个控制系统，检查所有仪表及连接管线，以保证投

12、运时能及时、正确的操作，故障能及时查找。（2）现场检验所有的仪表，保持仪表能正常使用。（3）根据经验或估算，设置Kc、TI、To，或为纯比例，比例度设置在较大位置。（4）确认阀的开、闭形式。（5）确认控制器的正、反作用。（6）根据上述选择，假设被控变量受一干扰，看控制系统能否克服干扰的影响。 原则：系统开环总放大倍数必须为负值（保证负反馈）1.8单回路系统投运和整定控制器正反作用的确定Gc(s)Gv(s)Go(s) Gm(s)R(s)E(s)Y(s)根据：对象Go(s)、控制阀Gv(s)、 测量变送器Gm(s)的正反作用，保证：总符号为负，确定：控制器Gc(s)的符号。正：输入信号，输出信号负

13、：输入信号 ，输出信号 对象、控制阀、测量变送装置 若控制阀为气闭式，膜头压力增大阀门关小P 对象特性，输出流量F2增大，液位L减小 测量变送 控制器符号应该为负，即反作用LC水槽液位控制系统1.8单回路系统投运和整定P弹性薄膜阀芯一般，对于仪表控制器，都带有正反作用开关，对于计算机控制，可以通过程序设置 1.8单回路系统投运和整定1.8.1控制系统投运 关键是自动和手动的切换要求，必须保证是无扰动切换手动：通过控制器，手动给出控制器的输出， 手动输出自动：控制器根据偏差，自动计算给出控制 器的输出，自动输出无扰动切换手动时，自动输出跟踪手动输出自动时，手动输出跟踪自动输出1.8.1控制系统投

14、运双向平衡无扰动切换 电动III型、I系列、EK系列 电动II型 一般，仪表控制器带有自动/手动切换开关，计算机控制时，也必须设置这样的开关1.8.2控制系统整定目前基本控制器一般均为PID控制器（比例、积分、微分控制器）PID控制器整定，调节P、I、D参数，使得控制系统的控制性能指标达到满意。一旦控制控制系统安装到位，控制系统的品质就取决于控制器的参数设置整定的目的对象特性、控制方案、干扰的形式和大小、控制器参数整定 选择什么样的控制系统性能指标 常见的，如4：1衰减等，根据不同的实际情 况，有所不同。 整定方法 两类：理论计算和工程整定方法1.8.2控制系统整定理论整定方法 基于控制原理的

15、计算方法（时域法、频域法、根轨迹法等）工程整定方法 理论整定方法，必须要求已知各个环节的传递函数，对于一般的实际问题，难于满足。另外，理论计算也比较烦琐，工程上一般不采用。 工程整定方法，直接在闭合的控制回路中对控制器参数进行整定。经验方法，简单、方便，易于掌握，工程实际中广泛采用。1.8.2控制系统整定（1）临界比例度法步骤： 系统闭环 TI最大、TD最小 （没有积分、微分作用） 比例度放到100%（K=1），由大往小逐渐改变，每改变一次，通过设定值的改变给控制系统施加阶跃干扰，观察输出Y的变化 若Y衰减振荡，则继续减小；若Y发散振荡，则应增大 当Y出现等幅振荡（临界振荡），此时k称为临界比

16、例度，振荡周期Tk称为临界周期。工程整定方法1.8.2控制系统整定 有了k和Tk后，按经验公式确定、TI、TD，按此参数可使控制系统呈4：1衰减。若还有差距，可适当调整 1.8.2控制系统整定0tTk等幅振荡曲线 临界周期%TI，minTD，minP 2kPI2.2k0.85TkPID1.7k0.5Tk0.13Tk1.8.2控制系统整定表1-5 临界比例度整定控制器参数经验公式临界比例度法优点： 应用简单 缺点：有些实际系统不允许进行等幅振荡测试，另外，对象也必须是二阶以上系统，或是一阶加纯滞后的对象，否则，不能出现振荡。 （2）衰减曲线法 与临界法类似 4：1衰减曲线： 比例度放到100%（

17、K=1），由大往小逐渐改变，每改变一次，通过设定值的改变给控制系统施加阶跃干扰，观察输出Y的变化 若Y衰减比大于4：1，则继续减小；若小于4：1，则应增大，直到出现4：1衰减振荡，记录此时比例度s和振荡周期Ts 按经验公式确定、TI、TD 工程整定方法1.8.2控制系统整定，%TI，minTD，minPsPI1.2s0.5TsPID0.8s0.3Ts0.1Ts1.8.2控制系统整定表1-6 衰减曲线法整定控制器参数经验公式ytTs4:1衰减曲线 s Ts 振荡周期比例度1.8.2控制系统整定 先比例，后积分，最后微分的顺序 优点：易于实际应用 缺点：有时4：1衰减不太好确定，只能近似 （3）反

18、应曲线法 测试广义对象的时间特性 步骤：系统开环、稳定（测量值等于给定值）手动操作控制器产生一个阶跃输出，它将作用于广义对象上，记录Y的曲线（反应曲线）工程整定方法1.8.2控制系统整定1.8.2控制系统整定pP0tyT00yACBDt对象反应曲线 纯滞后时间 时间常数 To1.8.2控制系统整定控 制 器 参 数控制器类型/%Ti/minTD/minP(K0/T0)100%PI(1.1K0/T0)100%3.3 PID(0.85K0/T0)100% 2 0.5表1-8 反应曲线法整定控制器参数经验公式广义对象特性可用一阶加纯滞后环节近似按经验公式，可计算P、I、D参数此方法简单，但有些实际场

19、合，不允许进行开环阶跃实验过程控制系统及工程第二章 串级控制系统 串级控制系统2.1 概述2.2 串级控制系统2.3 投运和整定2.4 串级控制系统的特点2.5 串级系统副回路的设计 第2章2.1概述复杂控制系统单回路控制系统简单控制系统：在一般情况下能够满足生产控制要求特殊情况：系统干扰因素多、干扰变化剧烈，以及工艺特殊要求复杂控制系统 串级控制系统原理 精馏控制过程： 提馏段温度控制 通过控制再沸器加热蒸汽量来维持提馏段温度恒定 2.1概述TC精馏塔提馏段温度控制：结果：温度控制不稳定2.1概述 分析干扰：若干扰仅来自精馏塔进料的波动，则通过此回路 可控制温度情况一，很多情况下，除了进料因

20、素影响，加热蒸汽流量也会有波动（如锅炉蒸汽出口压力的波动），这时，在一定的阀门开度情况下，加热蒸汽量不同。解决办法：再加入一个蒸汽流量控制系统，可控制 流量稳定。 问题：两套控制系统不能协调，甚至出现矛盾 温度控制系统要求增加或减小蒸汽流量，而流量控制系统却只能根据事先的流量设定值进行定值控制。 2.1概述TCFC串级控制系统：两套控制系统的协调控制特点：两个控制器，一个调节阀 一个控制器（主控制器）的输出送到另一个控制器（副控制器）的给定，副控制器的输出送到控制阀 2.1概述TCFC2.1概述温度控制器流量控制器控制阀流量对象温度对象温度变送器流量变送器 特点：两个闭环环路，内环和外环 内环

21、：副环，副控制器、副对象、副变送器 （流量） 外环：主环，主控制器、主对象、主变送器 （温度） 主环，定值控制系统，给定值由工艺设定，主控制器输出作为副控制器的设定 副环，随动控制系统，给定值由主控制器输出给定，副控制器输出控制控制阀2.1概述串级控制系统工作过程控制系统处于稳定的平衡状态 2.1概述气开式控制阀反作用的流量控制器反作用的温度控制器 情况1: 副环内出现干扰 流量控制器：“粗调” 温度控制器：“细调” 2.1概述蒸汽流量突然增大（一段时间：提馏段温度不变，温度控制器输出不变，流量控制器设定值不变，但流量测量增大（流量控制器正偏差，流量控制器输出减小，控制阀关小）蒸汽流量减小，削

22、弱对提馏段温度的影响） 提馏段温度缓慢上升（温度控制器正偏差，温度控制器输出减小，输出到流量控制器的设定值减小）流量控制器设定值减小，流量控制阀开度进一步减小。 情况2: 主环内出现干扰 进料量突然增大，塔釜液位上升，提馏段温度下降温度控制器负偏差，输出增大（流量控制器负偏差，流量控制器输出增大，控制阀开度增大，蒸汽量增加）提馏段温度回升2.1概述2.1概述情况3: 主环和副环同时（1）副环干扰使蒸汽流量增大， 主环干扰使提馏段温度降低；（1）副环干扰使蒸汽流量增大， 主环干扰使提馏段温度升高。FCFCspsp结论：串级控制系统具有单回路控制系统的全部功能，控制质量优于单回路控制系统，并且，实

23、现方便，生产过程中应用比较普遍。 2.1概述2.2串级控制系统的实施组成控制系统的设备不同，实施方法也有差异目前主要是： 电动型仪表系统、 气动型仪表系统、 计算机控制系统（DCS、PLC） 实施前要考虑的几个问题 （1）系统设备间的传输信号要匹配，电信号420mA, 15V，气信号0.020.1Mpa，混合时需要转换装置（电-气转换） （2）副控制器必须具有外给定功能 （3）是否需要切换开关，即切换成： a 主控制器直接控制控制阀； b 副控制器不接受主控制器的外给定，实现其独立控制，并且要考虑无扰动切换。无扰动切换。2.2串级控制系统的实施2.2.1串级控制系统控制方案 电动仪表、气动仪表

24、（很少用）、计算机 （1）一般的串级方案 （2）能实现主控 串级切换的串级方案温度控制器流量控制器控制阀流量对象温度对象温度变送器流量变送器2.2.2串级控制系统的实施 主变量是生产工艺的主要操作指标，要求比较严格，一般不允许有余差 副变量是粗调，一般要求不严格，允许有波动和余差主控制器（定值控制）一般选择比例积分控制规律，有时为了克服对象滞后，也加入微分作用副控制器（随动控制）力求快速反应，所以，一般不加入积分作用，只选择比例控制规律只要主控制器有积分规律，主变量就可以保证没有余差，不管干扰出现在什么位置（1）主、副控制器控制规律的选择。 2.2.2串级控制系统的实施 选择顺序：先副后主 副

25、控制器：副回路按单回路独立考虑，与主回路没有关系 即从稳定性考虑，开环放大倍数必须为“负” 要求，知道副对象的符号，以及控制阀的符号 主控制器：考虑主环内各个环节的符号情况 主控制器、主对象，以及副回路。 副回路可以看作是一个符号为“正”的环节 随动系统，跟踪主控制器的输出。 （2）主、副控制器正反作用的选择2.2.2串级控制系统的实施因此，主控制器的符号主要取决于主对象的符号，即，主对象为“正”，则主控制器取“反”作用，主对象为“负”，则主控制器取“正”作用 例1 图2-7 加热炉出口温度与燃料压力的串级控制系统PCTC副控制器： 控制阀选“气开”式正 副对象，压力对象，阀门开大，负，反作用 压力上升正 变送器一般均为正主控制器： 副环正 主对象，温度对象， 燃料压力增大时，燃料量增加，负，反作用 出口温度上升正2.2.2串级控制系统的实施例2精馏塔提馏段温度与再沸器加热蒸汽流量串级控制系统2.2.2串级控制系统的实施FCTC副控制器： 控制阀选“气闭”式负 正对象，流量对象，阀门开大， 流量增大正 变送器一般均为正主控制器： 副环正 主对象，温度对象，