热工控制第一章+基本理论

热工自动控制系统2011年春季学期教师：王永忠第一章热工过程自动控制基本理论

第一节概述一、热工自动控制系统在火电厂的作用

1提高机组运行的安全可靠性。

2提高机组运行的经济性。

3减少运行人员，提高劳动生产率。

4改善劳动条件，实现生产过程自动化。安全可靠是机组运行的首要要求。随机组容量增大，需监控的项目显著增多。如一台500MW的机组，需监控的项目达1200个，需操作的项目达4000多个。仅启动过程，就需监控500多个项目，进行400余项操作。自动控制能保证机组在良好的状态下运行，可以减少事故停机的损失和设备检修费用，提高热效率，降低热耗和煤耗。二、火电厂自动控制的基本内容

1自动检测

2自动调节

3远方控制及程序控制(或称顺序控制)

4自动保护

三、火电厂自动保护对象主要包括有锅炉、汽轮发电机本体、辅助设备、局部工艺过程等。

自动检测是对生产过程及设备的参数、信号进行转换、加工处理、显示并记录下来的过程。检测参数有温度、压力、流量、液位、电流、电压、转速、频率、振动、气体成分、汽水品质等。检测装置有测量仪表、记录仪表、巡回检测装置、工业电视等。自动调节是在一定范围内自动适应外界负荷变化或其它条件变化，使生产过程正常进行。火电厂自动调节主要包括锅炉水位调节、气温调节、燃烧调节、辅助设备调节等。远方控制是指通过开关或按钮，对生产过程中重要的调节机构和截止机构实现远距离控制。程序控制主要指机组或局部系统在启动、停机、增减负荷、事故处理时的一系列操作自动化。指对主机、辅助设备、公用系统等自动控制，主要包括以下四个方面的内容：指利用自动化装置对机组状态、参数和自动控制系统进行监视，当发生异常时，发出报警信号或自动切除某些系统和设备，防止事故扩大，保证人身和设备安全。四、热工自动控制系统分类1按给定值特点，热工自动控制系统分：定值控制系统、随动控制系统和程序控制系统。2按系统结构特点或信号的馈送方式分：反馈控制系统、前馈控制系统和前馈－反馈控制系统。反馈控制系统是最常见的控制系统，控制是按被调量与给定值的偏差起作用的，又称闭环控制系统。程序控制系统指系统的给定值是时间的函数。如汽轮机自启动过程，拟定转速的给定值随时间而进行规律性变化，要求汽轮机的实际转速按预先拟定的这个规律进行变化。特点：①系统按偏差调节，因此控制过程较长；②闭环系统需进行稳定性分析；③控制作用落后于扰动，控制作用不及时。定值控制系统指系统的给定值保持恒定或在较小的范围内变动。是现阶段热工控制系统中广泛使用的一种自动控制系统，如锅炉汽包水位控制系统，炉膛负压控制系统。随动控制系统指系统的给定值按预先不能确定的一些随机因素而变化，要求被调量以一定精度跟随给定值而变化。如锅炉燃烧控制系统；锅炉滑压运行时，主蒸汽压力的给定值随外界负荷而变化。前馈控制系统指系统根据扰动信号进行调节，即利用扰动信号产生的调节作用去补偿扰动对被调量的影响。

扰动通道

调节通道

前馈控制器

λ

y特点：①按扰动调节可以及时有效地制止被调量的变化，控制作用及时，使控制过程时间短；②属于开环控制系统，不存在稳定性分析问题；③前馈控制主要用于克服生产过程中主要的、可测的扰动。④前馈控制系统一般只能实现局部补偿而不能保证被调量的恒定不变。GfGoGd

前馈－反馈控制系统指在反馈控制系统基础上加入前馈控制系统。在复合控制系统中把前馈控制称为粗调，把反馈控制称为细调。这是目前广泛应用的控制系统。其方框图见书P40图1.37

3按控制方式分：开环控制系统（又称前馈控制系统）、闭环控制系统（反馈控制系统）和复合控制系统

4按闭合回路的数目分类：单回路控制系统和多回路控制系统。

单回路控制系统指只有一个被控量信号反馈到控制器的输入端，形成一个闭合回路。多回路控制系统指具有一个以上的闭合回路，控制器（调节器）除接受被控量反馈信号外，还有另外的输出信号直接或间接地反馈到控制输入端。如串级控制系统属于多回路控制系统。五

串级控制系统串级控制系统是指在单回路控制的基础上增加一个或多个控制内回路，用来控制可能引起被控量发生变化的因素，从而抑制被控对象的时滞特性，提高系统的动态响应速度。串级控制在结构上有两个闭环回路：主回路（主调节器）和副回路（副调节器）。主回路中主调节器有独立的给定值，其输出作为副回路的输入，起细调的作用；副回路的输出给执行机构，起粗调的作用；从而完成控制过程。要求副回路时间常数小，响应速度快。图1-23串级控制系统的框图5.1采用串级控制系统需满足的条件：对象必须可以分段；中间信号（副参数）必须可以测量；副对象和主对象的时间常数相差比例大，对应的主回路的响应速度比较慢。副回路具有快速作用，因此串级控制系统对进入副回路的扰动有较强的克服能力存在的副回路惯性由副回路调节，改善了对象的动态特性，提高了系统的工作效率。串级系统具有一定的自适应能力。表现为稳态偏差比单回路系统的稳态偏差小得多。主回路是一个定值系统，副回路是一个随动控制系统，其定值来自主调节器的输出。主调节器不断纠正副调节器的给定值，副调节器使系统时间常数缩短，很快克服扰动，改善动态特性。5.2串级控制的优点（特点）主调节器：对控制生产的要求较高，一般不允许被调量存在静差。因此一般选择采用PI调节器，当控制对象惰性的容积数较多且有主要扰动落在副回路以外，可以选用PID控制方式。因为主调节器是减小系统的稳态误差，提高控制精度，同时提高系统的响应速度，保证被调量满足系统控制的要求，主要是实现精确控制作用。副调节器：一般采用P调节方式，因为副调节器在控制系统中主要承担粗调的作用，也可以采用PI控制器。5.3串级控制系统中主副调节器的选择5.4串级控制中主副回路的选择六

解耦控制（P38)

所谓解耦控制系统，就是采用某种结构，寻找合适的控制规律来消除系统中各控制回路之间的相互耦合关系，使每一个输入只控制相应的一个输出，每一个输出又只受到一个控制的作用。不确定性是解耦控制工程实际中普遍存在的棘手现象。解耦控制是多变量系统控制的有效手段。解耦控制方法（P37-40）传统解耦控制方法：以现代频域法为代表。是通过解耦补偿器的设计，是解耦补偿器与被控对象组成的广义系统的传递函数矩阵为对角阵，从而把一个有耦合影响的多变量系统化为多个无耦合的单变量系统。

自适应解耦控制方法：以多变量自适应解耦控制方法为代表。是将被控对象的解耦、控制和辨识结合起来，以实现时变系统的在线精确解耦控制。是将耦合项作为可测干扰，采用自校正前馈控制的方法，对耦合进行动、静态补偿。

智能解耦控制方法：在非线性系统解耦控制方面应用广泛。主要包括模糊解耦控制、神经网络解耦控制、鲁棒控制。

此外，还可以分为断续控制系统和连续控制系统断续控制系统指所要控制的变量是开关量（开或关，大或小，有或无）。主要用于系统中设备的自动启、停或自动保护系统及周期性工作。连续控制系统指所控制的变量是连续的变量。生产过程中各种过程参数的控制都属于连续控制系统。五、热工自动控制系统的组成（以简单反馈控制系统为例）

基本反馈控制系统的主要环节为：

1.设定值（或给定值）

2．调节对象（被控对象）

表征调节对象是否正常运行并需加以调节的物理量，称为被调量（或被控变量）

引起被调量偏离其给定值的各种原因称为扰动由调节机构（阀门、挡板等）改变的流量（或能量），用以控制被调量的变化，称为控制量（或调节量）设定值通常选择表征系统产品质量或运行状态的重要参数，即按生产要求被调量必须维持的希望值。设定值一般保持恒定，或者随时间而改变。如汽包水位、过热蒸汽温度，汽轮机启动过程中的转速等。对于锅炉，为了实现给水自动控制，就要建立以汽包水位作被控对象，而以给水流量（调节量）和蒸汽流量、燃烧率等扰动作为输入信号的给水调节对象。对于具有一个被调量和一个调节量的调节对象称为单变量对象，所构成的系统称为单变量系统。而具有一个以上被调量和一个以上调节量的调节对象称为多变量对象。3．调节器

4．执行器

调节器可以分为模拟式和数字式两种

执行器由执行机构和调节机构两部分组成

在自动调节系统中，以设定值与被调量的测量信号作为输入，按照某种规律对偏差信号实施运算，并将运算结果作为输出以驱动执行器的装置称为调节器。模拟式调节器的输入信号和输出信号在时间上都是连续的，一般采用通用的调节规律（常用比例、积分、微分调节规律，即调节器的输出信号是对偏差信号实施的比例、积分、微分运算后的结果，简称PID调节规律）。数字式调节器需用计算机来实现所需的调节规律。其被调量是以在时间上离散的信号输入到调节器中，而调节器所输出的调节信号在时间上也是离散的。如计算机控制系统。执行机构接受调节器输出的调节信号产生相应的位移去带动调节机构。图1.4典型的热工过程控制系统图1.3单变量反馈控制系统简化框图图中r一设定值；e一偏差；u一调节量；y一被调量yi，…，v。一扰动。扰动通道纳入了广义被调对象中。第二节控制系统的动态特性一、系统的动态特性

动态系统是指有特定输入和输出的设备或装置的一种模型。动态系统简称系统。在动态过程中，系统的输入、输出和状态变量都是时间的函数，它们之间的关系称为系统的动态特性。

图1.6动态系统示意图u1，u2，…——输入变量y1，y2，…——输出变量输入变量是使动态系统的状态发生变化的原因，输出变量是动态系统在输入作用下的响应（效果），而状态变量则是联系输入和输出的动态系统的内部变量。二、影响对象动态特性的结构性质1容量系数

2阻力

3传递延迟

图1.7有自平衡能力的单容对象是衡量对象储存物质或能量能力的一个特征参数。

指被调量变化的时刻落后于扰动发生的时刻的现象称为对象的传递延迟，或称纯延迟。以延迟时间表示。(P11)

阻力的存在是系统在动态过程中表现出自平衡的能力。单容控制对象指只有一个贮存物质或能量的容积，其可用一阶微分方程描述。

三、有自平衡能力单容对象的动态特性

1单容对象的动态特性

（1）阶跃响应

，，；；（2）动态方程和传递函数

水箱在时间内，存水量为：，产生水位变化，则故：令：，，则：对于阀1：——控制阀的比例系数阀2：阻力得到：（3）特征参数，包括：

时间常数表示的意义：表征对象在受到扰动后，被调量再次进入稳定状态所需时间的长短。（2）放大系数K表1-1工业调节器的典型调节规律第三节调节器的调节规律及动态特性

一、基本调节作用（注意掌握各自的传递函数及特点）1比例（P）作用比例调节作用的传递函数为

工业中常用比例带来描述其控制作用的强弱:其物理意义指调节阀开度的全范围改变，即在调节机构的位移改变100％时，被调量应有的改变量。如，表示调节器输出变化100％时，需要其输入信号变化20％。比例作业特点：（1）调节及时、迅速（2）当调节器只有比例作用时，调节量u和偏差e成正比关系。（3）属于有差调节。即调节结束后偏差依然存在。2积分（I）作用

积分作用是调节器的输出控制作用u与偏差输入信号e对时间的积分成比例．即：传递函数为：调节器控制作用输出的变化速度：在调节过程中，调节量的大小与偏差对时间的积分成比例，而调节量的变化速度却与偏差的大小成比例。因此，当调节对象受到扰动的初期．被调量变化速度快而偏差小，此时调节量的变化速度慢而动作幅度小，调节动作不及时，而当被调量达到最高（或最低）值时，偏差值大、变化速度等于零，此时调节量的变化量已经比较大而且还以更快的速度向同一方向变化。因此在热工过程的自动控制中很少采用只具有积分作用的调节器。积分调节作用的特点：（1）积分调节作用不及时；（2）积分控制作用在积分时间越小时越强；（3）消除稳态偏差，实现无差调节，即调节结束后不存在偏差，控制作用体现在调节过程的后期；（4）只要有偏差e存在，输出u就随时间而不断改变；当偏差e等于零时，调节过程才结束（重新达到平衡）。3微分调节（D）作用比例调节和积分调节作用的共同点是在偏差出现后才产生控制作用。微分调节规律是调节器输出的控制作用与偏差输入信号的变化速度成正比，对于定值控制系统，偏差信号的变化速度是被调量的变化速度，动态方程式为：传递函数式为：特点：在控制过程的开始阶段微分作用较强，具有超前调节的特点，适用于惯性较大的对象；调节作用的大小与偏差值的变化速度成正比，而与偏差值无关，因此不能单独实现控制。在控制系统中能提高控制过程的稳定性。上述三个调节作用是基本的，比例作用能单独执行，并使控制过程趋于稳定；积分作用在较少情况下单独使用，使控制过程产生振荡；微分作用不能单独执行，但能提高控制过程的稳定性。二、工业上应用的调节器的动态特性

1比例（P）调节器

比例调节器的动态方程式与比例作用的动态方程式相同，即：比例调节器的传递函数为：比例带的作用：比例调节器的特点：比例调节器的输出u对输入e的响应无延迟、无惯性。因此比例调节器在控制系统中是使控制过程稳定的因素。2.在控制对象的负荷发生变化后，执行机构必须移动到一个与负荷相适应的位置才能使控制对象再度平衡。调节的结果是有差调节，因而比例调节器称为有差调节器。2比例积分（PI）调节器

比例作用和积分作用相加组成比例积分作用调节器，这是工程上应用广泛的一类调节器。可以认为是在比例作用的基础上适当加入积分作用，使调节结束后偏差消失。控制器的输出或动态方程为：调节器的传递函数为：比例积分调节器中有两个参数—比例增益或比例带）和积分时间（或）可供自调整，以与不同的对象特性相匹配。其中积分时间的具体数值表示出调节器中比例作用和积分作用的比值。有两个特殊情形：PI调节器的阶跃响应曲线方程式为：PI调节器的特点：（1） 积分时间越小，积分作用越强；反之，越大，积分作用越弱。（2） 比例带不仅影响比例作用的强弱，而且影响积分作用的强弱。（3） 是在“粗调”的基础上加上“细调”，使控制过程结束后没有静态偏差。具有比例作用及时和积分作用消除偏差的优点。3比例微分（PD）调节器比例作用和微分作用相加组成比例微分作用调节器。理想比例微分调节器的动态方程式为：PD调节器的传递函数为：微分作用是辅助的调节规律，它在系统平衡（被调量变化速度为零）时不起作用。但由于微分作用对各种干扰信号反应敏感，因此适用于测量干扰小的热工参数（如温度）的自动调节系统中。比例微分作用调节器在静态时仍具有比例调节器的特点，即调节结果是有偏差存在的。PD调节器的特点：（3） 偏差不变化时微分作用消失，控制过程结束后存在静态偏差。（1） 当调节对象受到扰动的初期，被调量一开始变化，微分作用最强，输出信号u（t）立即升至无限大并瞬间消失，余下比例作用的响应曲线。（2） 存在超前调节，这种提前于比例作用的动作有利于减少被调量的动态偏差，而且由于微分作用的输出与被调量的变化速度成比例，也有利于加快调节的过程。实际比例微分调节器的动态方程为：指实际PD调节器的微分惯性时间常数。传递函数为：表明实际PD调节器比理想的PD调节器增加了一些惯性。4比例积分微分（PID）控制器比例作用、积分作用和微分作用相加组成比例积分微分作用调节器。理想的比例积分微分调节器的动态表达式为：传递函数为：从工程实用的观点，比例积分微分调节器可以看作是在比例积分作用调节器的基础上适当加入微分作用。当反馈调节系统中采用PID调节器时，与采用PI调节器时相比较，可以减小被调量的动态偏差和缩短调节过程时间。三、PID控制器1PID控制器的优点2PID控制器的缺陷3理想PID控制的算法采用微分控制作用能预测偏差的变化趋势，提前进行调控，抑制偏差增大，避免了被调量的超调，减小被调量的动态偏差和缩短调节过程时间，有效改善系统在调节过程中的质量指标。在控制非线性、时变、耦合及参数和结构不确定的过程中，控制效果不理想。理想PID算法的常用传递函数形式为：或位置算法在离散控制系统中，进行离散化处理进行计算。离散PID算法主要有三类：位置算法、增量算法、速度算法。理想PID位置算法为，对于小采样周期，用离散化方法把它转换成差分方程，当积分用矩形面积近似时的算法称为位置算法：或——积分时间常数——微分时间常数——采样周期位置算法的缺点：计算求和项时，需作k次加法计算，增大计算量和数据存储空间；控制器的运算错误和硬件故障将导致控制阀的剧烈振荡，引起系统的不稳定。增量算法当积分用梯形面积近似时，可以得到同样形式的增量算式，是指相邻两次采样时刻的位置差，即：设则上式变为：在增量控制算法中输出表示控制器的改变量，采用增量控制算法将减少控制器的运算量，有利于系统对两个控制周期之间的变化量进行幅度限制。增量算法的优点：速度算法将增量控制算法除以采样周期，即得速度算法：从应用角度看，采用增量算法和速度算法，在手动和自动之间的切换较方便。同时这两种算法不会产生积分饱和现象。如果执行机构已经到极限位置，仍然不能消除偏差时，由于积分作用，即使PID差分方程式所得的运算结果继续增大或减小，但执行机构已无相应的动作，这就叫积分饱和。三种算法的选择，一方面要考虑执行器的形式，另一方面要考虑应用时的方便性。4控制精度和采样周期的确定对采样周期的选择主要考虑以下因素：

①对象的动态特性采用周期的选择应考虑时间常数和纯延迟时间。当系统只是惯性时间常数起作用时，即或，可选当系统中纯延迟时间占主导地位时，时，取②执行机构的性能③系统扰动信号的频率要求采样周期应远远小于对象的扰动信号的周期。④对控制质量的要求

控制精度越高，采用周期越短。采用周期的选择必需大于使由计算机精度造成的“积分残差”减小到可以接受的程度。

离散PID算法较模拟PID算法的优点：参数整定无数间的关联问题，等效的选取范围大，积分作用和微分作用的改进更灵活。但采用离散PID控制的品质较连续控制的低，其原因是控制作用的实现要延迟半个采样周期。采样：把时间连续的模拟信号转化成时间离散、幅度连续的信号，在某些特定时刻获取的信号叫做采样，一般都是每隔相等的一小段时间采样一次，其时间间隔称为采样周期，它的倒数称为采样频率。为了提高控制质量，采样周期的选择非常重要，采样周期越小，数字模拟越精确，控制效果越接近于实际。首先要求采样周期的确定要遵循香农采样定理5理想PID算法的改进目前主要有模糊PID控制系统、专家PID控制系统、基于遗传算法整定的PID控制系统、带纯滞后环节PID控制系统和神经PID控制系统。算法的改进方法有：（1）积分算法的改进：园整误差问题和积分分离园整误差指在算法程序中增加一个求和单元，当输出控制增量出现机器零时，将偏差保留在求和单元内进行叠加，直到其累加结果使输出控制作用的增量大于机器零后，在产生一次输出控制的同时，将累加器清零。积分分离

指由于PID控制中的积分作用随时间而逐步增强，相对于单纯的比例控制，产生时间滞后，这种滞后是造成很大的超调和长时间的系统振荡。在离散PID控制算法中采用了两种方法进行处理：（1）当积分控制作用输出与比例控制作用输出同向时，才引入积分作用；（2）当偏差的绝对值小于某一界限后，方引入积分控制，在大偏差的情况下（e(k)>1/2|RK|）将积分作用切除，采用PD控制。这就是所谓的积分分离法。（2）微分算法改进：微分先行算法和不完全微分算法微分先行

指只对被控变量的测量值求导，而不对给定值求导。这样在改变给定值时不会造成输出的突变，而被控量的变化通常是比较缓和的，从而避免了执行器的剧烈动作。控制算法为：不完全微分算法对于设定值经常迅速改变的系统，为了减小调节器输出（即调节量）的大幅度变化。设定值不包括在微分项内，增量算法改为：式中第四节单回路反馈控制系统的工作原理及参数整定（一）单回路控制系统的组成调节器和控制对象是单回路控制系统的两个主要组成部分。单回路控制系统的原理方框图如图所示，它是由测量变送器、调节器、执行器及控制对象组成的单闭环负反馈控制系统。系统检测中需注意以下几点：1被调量的选择在热工生产过程中主要是温度、压力、流量、化学成分等。一般情况下需维持的参数就是被调量，如锅炉过热蒸汽温度控制就是维持锅炉过热器出口蒸汽温度。但有些参数不能直接获得，这是需采取间接方式测量，如磨煤机入口介质的温度来代替原煤的干燥度。2控制量的选择原则上选择工艺允许作为控制手段的变量作为控制量，如锅炉负荷控制系统，其被调量是主蒸汽压力，而影响主蒸汽压力的主要因素是汽轮机进气量和锅炉燃料量，前者是电力生产要求确定的，因而不能作为控制量而选择燃料量作为系统的控制手段。3控制通道和扰动通道主要因素来源于调节器的特性和受控对象的特性。扰动通道：扰动信号以传递函数形式对被调量信号产生影响的通道。控制通道：调节器输出的控制信号以传递函数形式影响被调量信号变化的通道。4影响系统控制质量的主要因素（二） 对象特性对控制过程的影响描述对象动态特性的特征参数有对象的放大系数K、时间常数T和延迟时间。1干扰通道特征参数对控制质量的影响在图1.25的单回路控制系统方框图中，设控制器为比例控制规律，其放大系数为，干扰通道和控制通道的放大系数为则扰动通道的传递函数为：控制对象的传递函数为：因此：在单位阶跃扰动下即作用下，控制系统过渡过程结束时，系统静态上式说明，干扰通道的放大系数越大，在扰动作用下系统的动态偏差、稳态误差越大。因此要求扰动通道的放大系数越小越好。越大，稳态误差越小。偏差：（2）时间常数对控制质量的影响令扰动通道放大系数，且扰动通道为一阶惯性环节，则扰动通道的传递函数为：被调量对扰动的传递函数为：系统的闭环特征方程为：式中为扰通道的时间常数。扰动通道的时间常数的变化将影响系统稳定性裕量和动态偏差，当干扰通道的时间常数增大时，控制作用减弱，使系统稳定性裕量增大，使控制过程的动态偏差减小；相反，当干扰通道的时间常数控制作用增强，使系统稳定性裕量减小。因此扰动通道的时间常数越大越好，可以提高系统的稳定性裕量。减小时，（3）延迟时间对控制质量的影响当扰动通道存在延迟时间时，则相当于一阶惯性环节串联了一个延迟环节，这时系统的传递函数为：即：据延迟定理得到：——无延迟时间的被调量——平移了延迟时间的被调量。由此可见扰动通道延迟时间的存在仅使过渡过程增加了一个时间，并不影响系统的控制质量。2控制通道特征参数对控制质量的影响（1）放大系数对控制质量的影响控制通道的放大系数是一种互补关系，对线性控制系统可以通过调整控制器的比例系数保证二者乘积满足设计要求；对于非线性控制系统，其随负荷变化而变化，需利用来补偿，即采用非线性控制器。在系统设计确定控制参数时，要使控制通道的放大系数大于扰动通道的放大系数。（2）时间常数、延迟时间对控制质量的影响①n阶惯性对象对控制质量的影响减小控制通道的时间常数，能提高控制系统的控制质量。控制通道的T越短，表明系统的被调量对调节作用的反应快，能迅速反映调节效果，控制过程的时间可缩短，控制质量提高。惯性对象阶次n越大对被调量的影响越慢，调节作用越慢，使控制系统的动态偏差、控制过程的时间增大，稳定性裕度减小。因此，控制通道的惯性对象阶次n越小越好，这样可使控制系统的动态偏差、控制过程的时间减小，稳定性裕度增大。②有延迟对象对控制质量的影响控制通道存在延迟时，将对控制质量产生不利影响。延迟时间越大，动态偏差、控制过程的时间越大。而时间常数越大，动态偏差、控制过程的时间越小，稳定性裕度增大。(三）PID参数整定（包括凑试法和试验经验法）整定就是指确定调节器的比例带、积分时间和微分时间。1．凑试法凑试法是模拟闭环试验，观察系统的响应曲线。在凑试参数时，根据比例系数对控制过程的影响趋势，对参数实行先比例、后积分、再微分的步骤进行整定。整定步骤为：（1）整定比例：将比例系数逐渐变大（提高系统的响应速度），观察系统的响应，直至得到反应快、超调量小的响应曲线。（2）引入积分环节：当比例控制系统的静差不能满足设计要求时，需引入积分环节。首先将积分时间常数设置为较大值，略降上步得到的比例系数，减小积分时间，消除静态误差的影响。（3）引入微分环节：若引入比例积分控制器消除了静差后，系统动态观察反复调整仍不能达到满意状态，则引入微分环节，构成比例-积分-微分控制器。首先将TD设置为0，在第二部基础上增大TD，同时调整KP和Ti，逐步调整，直到得到满意的控制效果。典型的是响应曲线法。响应曲线法是根据控制对象的飞升特性试验曲线求取对象的动态特性参数，然后根据一些经验公式，得到调节器的有关整定参数。利用响应曲线法整定调节器参数必须作对象的阶跃响应曲线，但试验所得到的阶跃响应曲线准确性不高，甚至有时不允许作阶跃扰动试验，因此，可采用现场试验整定方法。2．临界振荡的试验整定方法(临界曲线法，稳定边界法)这是一种把控制系统处在闭环条件下的试验整定方法，又称N-Z法。试验整定的步骤如下：3衰减曲线法也是一种闭环整定方法。主要是调整比例带直到被调量出现4：1或10：1的衰减振荡。然后根据此时的比例带和振荡周期由衰减曲线法整定PID参数表确定控制器的参数。当生产过程不允许出现等幅振荡时，可将试验过程中的闭环控制过程改为有一定衰减率的衰减振荡过程。然后利用在比例作用条件下产生

的控制过程时的调节器的比例带

和振荡周期

或者

的控制过程的比例带

和振荡周期

来选取相应的调节器参数。

采用衰减曲线法需注意以下几点：（1） 加入的干扰幅值不能太大，一般定为额定值的5%。（2） 需在工艺参数稳定情况下，施加干扰，否则不能得到正确的比例带和振荡周期值；（3） 对于反应较快的系统，如流量、压力等，在记录曲线上严格得到4：1衰减曲线较难。一般认为被控变量来回波动两次达到稳定，就近似认为达到4：1衰减过程。最佳整定参数应使这些偏差积分指标最小，不同积分指标所对应的系统输出被控量响应曲线略有不同。采用偏差积分指标，可以利用最小参数整定法寻找最佳的PID控制器参数。4动态特性法适用于开环情形下进行的参数整定。根据系统的阶跃响应曲线，求取系统的动态特性参数。然后查表根据经验公式计算比例带、积分时间和微分时间。计算过程中，用等效纯延迟时间代替参数整定公式中的纯延迟时间。所谓等效纯延迟时间指被控对象的纯延迟时间加采样周期的一半的时间，即：5基于偏差积分值最小的整定方法常用的偏差积分指标有三种：IAE，ISE，ITAE

（四）PID控制器参数自整定所谓自整定是指控制器的参数可根据用户的需要自动整定，将过程动态性能的确定和控制器参数的计算方法结合起来实现控制器参数的自整定。包括3个部分：过程扰动的产生、扰动响应的评估、控制器参数的计算。与手动整定步骤相同。自整定一般分为两类：基于模型的自整定（暂态响应、频率响应和参数估计）和基于规则的自整定（基于经验）。（五）PID控制器在热工系统中的应用（1）汽包水位在给水量W作用下的动态特性图1.21所示是锅炉汽包水位在给水量作用下水位阶跃响应曲线，图中