常规过程控制策略

3第5章常规过程控制策略♦

开关控制的基本工作原理及特点♦

PLC控制工业过程的一般设计方法♦

PID控制的基本工作原理及特点♦

改进型PID控制算法主要内容♦

各种PID控制器参数整定方法♦

控制器的控制规律选择♦

过程控制系统的投运与维护控制器是硬件和软件的结合体从硬件上来说，过程控制中最常用控制器有：可编程控制器（PLC）数字调节器（DigitalRegulator)工控机（IPC）集散控制系统（DCS）从软件上体现的是各种过程控制策略第5章常规过程控制策略过程控制策略开关控制PID控制智能控制控制器接受了输入的偏差信号后，控制器的输出随输入变化的规律，用数学式来表示，即为：控制器+－exzp第5章常规过程控制策略5.1开关控制1.开关控制基本规律动作规律为：

开关控制只有两个输出值（pmax，pmin），相应的控制机构也只有两个极限位置，不是开就是关。开关量启停、切换、联锁……5.1开关控制VH<H0：H>H0：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。流体与电极相接触，继电器通路，电磁阀全关，流体不再流入贮槽，液位下降。EX1:电极式开关控制液位计结构电极、继电器、电磁阀工作过程5.1开关控制2.开关控制局限性调节机构的动作过于频繁，会使运动部件损坏，从而很难保证双位控制系统安全、可靠地工作。实际生产中给定值也总是有一定允许偏差的，某些情况下，只要求被控变量维持在某一个比较大的范围内就可以了。eminemax被控变量下降时e>emax

阀门关开被控变量上升时e<emin

阀门开关其他情况下，阀门不动作5.1开关控制5.1.1PLC简介开关量模拟量其他量调节阀接触器执行装置5.1开关控制5.1开关控制5.1.2PLC在过程控制中的应用1.PLC控制系统设计步骤1）功能设计2）结构设计3）梯形图设计4）编程设计5）调试运行5.1开关控制2.PLC梯形图设计EX2:PLC用于水泵控制接通启动开关，允许A泵、B泵供水。1）功能设计当A泵工作时P＜PL，则启动B泵。当A、B泵同时工作时P＞PH，则关闭B泵。首次启动时，A泵启动10s后，B泵才能启动关断启动开关，关停A泵、B泵。5.1开关控制2）结构设计输入装置元件号启动开关I0.0水压下限开关I0.1水压上限开关I0.2定时装置定时时间T3710s输出装置元件号A泵Q0.0B泵Q0.15.1开关控制3）梯形图设计计EX3:PLC用于啤酒发酵酵过程的控制制5.2PID控制比例作用(Proportional)积分作用(Integral)微分作用(Derivative)PID控制本质上是一种种连续的负反馈控制，特别适用于于过程的动态性能良好好而且控制性能要求求不太高的情况。5.2PID控制比例控制规律律表达式：KCΔpe(t)z(t)+_x(t)e(t)ΔpAKc*A1.比例控制规律律及特点一、比例控制制控制器的输出出变化量与输输入偏差信号号的大小成比比例5.2PID控制根据响应曲线线，能否发现现比例控制器器的显著特点点？属于有差调节节e(t)ΔpAKc*A特点1（1）只要偏差e不为零，控制制器就会有输输出。利用偏差实现现控制（2）只能使系统统被控量输出出近似跟踪给给定值。产生余差思考5.2PID控制比例增益KC的变化对过渡渡过程的影响响是如何？思考特点2KC大：余差小，稳稳定性差KC小：余差大，稳稳定性好余差和稳定性是一对矛盾要统筹兼顾5.2PID控制2.比例控制的适适用性跟踪误差会随随时间的增大大而增大。适用于控制通通道滞后小，，负荷变化不不大，控制要要求不高，被控参数在一定范围内内允许有余差的定值控制场合。定值控制系统统随动控制系统统实现现被被控控量量对对给给定定值值的的有有差差跟跟踪踪。。5.2PID控制制KI———积分分速速度度积分p(t)e(t)z(t)+_x(t)二、、积积分分控控制制1.积分分控控制制规规律律及及特特点点积分分控控制制规规律律表表达达式式：：TI———积分分时时间间控制制器器的的输输出出变变化化量量与与输输入入偏偏差差信信号号的的积积分分成成比比例例5.2PID控制AKIA微分积分控控制器器输出出的变化速速度与偏差成正比比偏差存存在，，输出出就会会变化化，控控制机机构就就要动动作；；偏差消消除，，输出出不再再变化化，控控制机机构停停止动动作。。在达到到稳定时，偏偏差必必然等于零零。特点1属于无无差调调节能够消消除余余差5.2PID控制积分控控制输出信信号的的大小小偏差信信号的的大小小偏差存存在的的时间间长短短积分控控制的的输出出取决决于哪哪些因因素？？思考AKIA特点2控制作作用不及时时，系统的的动态品品质变变差，过渡过过程比比较缓缓慢。牺牲了了动态态品质质来换换取稳稳态性性能的的改善善5.2PID控制2.比例积积分控控制规规律及及特点点比例积积分控控制比例控控制规规律：控制制作用用快，，有余差差

结合积分控控制规规律：控制制作用用慢，，消除余余差（PI)比例积积分控控制规规律表表达式式：5.2PID控制特点1PI控制结结合P控制的的快速速反应应与I控制的的消除除稳态态误差差。粗调：：偏差出出现时时，比比例作作用迅迅速反反应输输入的的变化化；细调：：积分作作用使使输出出逐渐渐增加加，最最终消消除稳稳态误误差。。5.2PID控制积分时时间TI的变化化对过过渡过过程的的影响响是如如何？？思考特点2TI大：余差差消除除慢，，稳定性性好TI小：余差差消除除快稳定性性差压力、、流量量对象象等：：TI可小一一点温度对对象：：TI可大一一些5.2PID控制PI控制制器器输输入入一一个个如如图图所所示示幅幅值值为为A方波波信信号号，，画出出控控制制器器的的输输出出的的波波形形。。（（KC＝1，Ti＝1min）e(t)A2431minA03A2A2Ap(t)min1234EX4:PI控制制器器的的输输出出计计算算5.2PID控制制三、、微微分分控控制制1.微分分控控制制规规律律及及特特点点微分分控控制制规规律律表表达达式式：：控制器器的输输出变变化量量与输输入偏偏差信信号的的变化化速度度成比比例5.2PID控制tOe△e=AtOpOtptOe△e=At△p=TDA下面两两种输输入情情况下下，PI控制输输出如如何变变化？？思考特点（1）偏差差e出现变变化的的瞬间间，产产生剧剧烈调调节作作用。。超前控控制。（2）偏差差存在在但不不变化化时，，控制制器输输出为为0。对静态偏差差毫无控制制能力。5.2PID控制2.比例微分控控制规律及及特点比例微分控控制规律表表达式：AAKDAettptp△e=AKDA通常取1微分放大倍倍数，一般是确定定数值。衰减函数，，TD决定衰减快快慢理想实际5.2PID控制微分控制的的输出取决决于哪些因因素？思考1)起始跳变幅幅度，用微微分增益KD来衡量，2)衰减时间长长短，用微微分时间TD来衡量。特点1（1）偏差输出出跳得越高高，或降得得越慢，微微分作用越越强。KD通常常固固定定，，TD越大大微微分分作作用用越越强强。（2）稳稳态态时时微微分分部部分分不不起起作作用用，，PD控制制变变成成P控制制。。有差差调调节节5.2PID控制制微分分时时间间TD的变变化化对对过过渡渡过过程程的的影影响响是是如如何何？？思考特点2TD适当：提高系系统稳定定性，减少振幅幅，降低低余差TD太大：微分作用过过强，输出剧烈变化化，引起振荡荡微分作用力图图阻止被控变变量的任何变化。5.2PID控制四、比例积分分微分控制1.PID控制规律及特特点PID控制规律表达达式：微分作用比例作用积分作用PID控制作用中，，P是基础控制；I用于消除静差；D用于加快系统控制制速度。5.2PID控制ettp随着时间的积积累，逐渐占占据主导。只要有余差，，积分作用不不断增加。干扰作用下，，PID调节时P、I、D控制规律如何何作用的？思考自始至终与偏偏差相对应，，贯穿于整个个控制过程中中。初期就有较大大控制作用，，然后逐渐消失失。比例PP+DP+I积分I微分D5.2PID控制与PI相比，PID多了一个零点点，为动态性性能的改善提提供了可能。。对P、PI、PD、PID控制规律下过过渡过程进行行分析与对比比？思考特点与PD相比，PID提高了系统的的无差度；PID兼顾顾了了静态态和动态态控制制要要求求。。5.2PID控制制2.控制制规规律律的的选选择择1）广广义义过过程程控控制制通通道道时间间常常数数较较大大或容积积迟迟延延较较大大时，，若工工艺艺容容许许有有静静差差，，若工工艺艺要要求求无无静静差差，，2）广广义义过过程程控控制制通通道道时间间常常数数较较小小、负荷荷变变化化不不大大、且工工艺艺要要求求允允许许有有静静差差，，且工工艺艺要要求求允允许许无无静静差差，，3）广广义义过过程程控控制制通通道道时间间常常数数很很大大、且且纯时时延延较较大大、负荷荷变变化化剧剧烈烈时。。P高级级控控制制规规律律DPIPDPID5.2PID控制制注意意1)根据据对对象象实实际际情情况况，，选选择择适适用用的的控控制制规规律律2)实际际的的PID控制制器器，，对对参参数数进进行行设设置置，，变变成成P、PI、PD控制制器器3）要要得得到到良良好好的的控控制制质质量量，，需需要要进进行行控控制制器器参参数数整整定定5.2PID控制制模拟拟式式PID调节节器器数字字式式PID调节节器器改进进的的PID算法法通过过运运算算放放大大器器电电路路、、电电阻阻和和电电容容实实现现。。参数数通通过过电电位位器器进进行行调调节节和和整整定定。。采样样控控制制：：根据采样样时刻的的偏差值值计算控控制量，，一系列的的采样时时刻点kT代表连续续时间t。积分：累加和和式；微分：增量或或差分；；5.3PID参数的整整定确定调节节器的比例度δ、积分时间间TI和微分时间间TD通过改变变调节器器的参数数，使其其特性和和过程特特性相匹匹配，以以改变系系统的动态和静静态指标标，争取最最佳控制效果果。控制指标标：衰减比比n=4:1-10:1一阶惯性性纯滞后后过程与KC成反比整定的实实质5.3PID参数的整整定参数整定定原则则可根据据τ0/T0的比值值来选择择调节节规律律。τ0/T0<0.2，选用用P或PI调节规规律。。0.2<ττ0/T0<1.0，选用用PD或PID调节规规律。。τ0/T0>1.0，PID不能满满足控控制要要求。。5.3PID参数的的整定定对数频率特性法

根轨迹法理论计算整定方法经验法

衰减曲线法

临界比例度法响应曲线法工程整定法需要知知道数数学模模型可直接接在系系统中中进行行现场场整定定，比比较简简单参数整整定方方法5.3PID参数的的整定定1.经验整整定方方法参数时滞容量数周期噪声比例带积分作用微分作用流量、液体压力无多容量1～10s有100～500%50～200%重要不用气体压力无单容量0无0～5%不必要不必要液位无单容量1～10s有5～50%少用不用温度蒸汽压力变动3～6min～h无10～100%用重要成分恒定1～100min～h存在100～1000%重要可用关键是是“看曲线线，调调参数数”5.3PID参数的的整定定2.临界比比例度度法

控制器纯比例作用

系统产生

等幅振荡临界比例度临界振荡周期

各参数

整定数值

由大到小改变比例度临界振荡过程δKTk使用局局限性性：①临界比比例度度很小小的过程程不适适用②工艺上上不允许许产生生等幅幅振荡荡的过程程5.3PID参数的的整定定控制作用比例度%积分时间(min)微分时间(min)比例2δK

比例＋积分2.2δK

0.85Tk

比例＋微分1.8δK

0.85Tk

比例＋积分＋微分1.7δK

0.5Tk

0.125Tk

临界比比例度度法参参数计计算公公式表表EX5:用临界界比例例度法法整定定参数数已测得得δK=30%，TK=3min。试确确定PI作用和PID作用时控制制器的的参数数？

还不把我记下来？5.4PID调节器器控制制规律律的选选择根据过过程特特性选选择控控制规规律要点五种控控制规规律的的特点点五种控控制规规律的的适用用场合合单回路路控制制系统统广义对对象根据τ0/T0的比值值选择择调节节器的的控制制规律律控制器正/反作用选择1.什么是正/反作用所谓作用方向向，就是指输入变化后，输出的变化方方向。5.4PID调节器控制规规律的选择正作用反作用输入增加，输输出增加；输输入减少，输输出减少。输入增加，输输出较少；输输入减少，输输出增加。2.为什么要选择择正/反作用3.如何确定过控控系统各个环环节的正反作作用5.4PID调节器控制规规律的选择2.为什么要选择择正/反作用保证控制系统统稳定运行，，要使整个控控制系统形成成负反馈。在控制系统中中，控制制器器、、被被控控过过程程、、测测量量元元件件及执行行器器都有有各各自自的的作作用用方方向向，，要要使使整整个个系系统统呈呈现现反作作用用。被控控变变量量偏偏高高，，控控制制作作用用应应使使之之降降低低。。被控控变变量量偏偏低低，，控控制制作作用用应应使使之之增增加加。。5.4PID调节节器器控控制制规规律律的的选选择择3.如何何确确定定过过控控系系统统各各个个环环节节的的正正反反作作用用输入：操纵变量输出：被控变量由工艺机理决定输入：控制信号输出：阀门开度由工艺安全条件决定正作用:气开式反作用:气关式一般为正作用输入：偏差信号输出：控制信号由前三者决定广义对象5.4PID调节节器器控控制制规规律律的的选选择择EX6:控制制器器正正/反作作用用选选择择I输入：燃料气流量输出：出口温度被控过程：加热炉燃料气TC加热炉出口温度控制原料油执行器：调节阀避免气源中断，阀门大开烧坏炉子，选则气开阀。控制器广义对象为正作用，控制器选择反作用。广义对象EX7:控制制器器正正/反作作用用选选择择II水槽液位控制系统输入：出口流量输出：水槽液位被控过程：水槽执行器：调节阀信号中断，阀门自动关闭，以免物料流失，选则气开阀。控制器广义对象为反作用，控制器选择正作用。广义对象5.5过程程控控制制系系统统的的投投运运与与维维护护单回回路路控控制制系系统统的的设设计计5.5过程程控控制制系系统统的的投投运运与与维维护护EX8:球磨磨给给矿矿过过程程控控制制系系统统的的设设计计一、、生生产产过过程程的的分分析析工作作过过程程存在在问问题题二、、控控制制方方案案的的设设计计被控控过过程程给矿矿皮皮带带被控控变变量量矿石石重重量量操纵纵变变量量矿石石流流量量5.5过程程控控制制系系统统的的投投运运与与维维护护过程程控控制制系系统统方方块块图图三、、选选型型和和安安装装电子子式式？？核辐辐射射式式？？5.5过程程控控制制系系统统的的投投运运与与维维护护5.5过程程控控制制系系统统的的投投运运与与维维护护西门门子子S7-300PLC施耐耐德德变变频频器器四、、系系统统的的投投运运1.电子子皮皮带带秤秤标定定及投投入入使使用用；；2.手动动调节节变变频频器器频频率率，，观观察察手手动动控控制制效效果果；；3.在稳稳定定运运行行一一段段时时间间后后投投入入到到自动动；4.记录录运运行行数数据据，，整定定控控制制器器参参数数，直直至至满满意意。。5.5过程程控控制制系系统统的的投投运运与与维维护护9、静夜四无邻邻，荒居旧业业贫。。1月-231月-23Sunday,January1,202310、雨中黄叶树树，灯下白头头人。。20:36:3620:36:3620:361/1/20238:36:36PM11、以我我独沈沈久，，愧君君相见见频。。。1月-2320:36:3620:36Jan-2301-Jan-2312、故人江江海别，，几度隔隔山川。。。20:36:3620:36:3620:36Sunday,January1,202313、乍见翻疑梦梦，相悲各问问年。。1月-231月-2320:36:3620:36:36January1,202314、他乡乡生白白发，，旧国国见青青山。。。01一一月月20238:36:36下下午20:36:361月-2315、比不了了得就不不比，得得不到的的就不要要。。。。一月238:36下午午1月-2320:36January1,202316、行动出出成果，，工作出出财富。。。2023/1/120:36:3620:36:3601January202317、做前，能够够环视四周；；做时，你只只能或者最好好沿着以脚为为起点的射线线向前。。8:36:36下午8:36下下午20:36:361月-239、没有有失败败，只只有暂暂时停停止成成功！！。1月-231月-23Sunday,January1,202310、很多多事情情努力力了未未必有有结果果，但但是不不努力力却什什么改改变也也没有有。。。20:36:3620:36:3620:361/1/20238:36:36PM11、成功就是日日复一日那一一点点小小努努力的积累。。。1月-2320:36:3620:36Jan-2301-Jan-2312、世世间间成成事事，，不不求求其其绝绝对对圆圆满满，，留留一一份份不不足足，，可可得得无无限限完完美美。。。。20:36:3620:36:3620:36Sunday,January1,202313、不不知知香香积积寺寺，，数数里里入入云云峰峰。。。。1月月-231月月-2320:36:3620:36:36January1,202314、意志志坚强强的人人能把把世界界放在在手中中像泥泥块一一样任任意揉揉捏。。01一一月月20238:36:36下下午20:36:361