第3章单回路控制系统

第3章单回路控制系统4单回路控制系统工程设计实例1单回路控制系统介绍2单回路控制系统的设计3单回路控制系统投运及控制器参数的整定单回路控制系统简介单回路反馈控制系统---又称简单控制系统，是指由一个被控过程、一个检测变送器、一个控制器一个执行器所组成的．生产过程自动化的基本单元、其结构简单、投资少、易于调整和投运，能满足一般工业生产过程的控制要求，应用十分广泛。对一个被控变量进行控制的单回路反馈闭环控制系统从框图上看只有一个闭环回路。控制器执行器被控过程测量变送给定值+-偏差e阀门开度信号调节量被控参数参数测量值扰动WC（S）WV（S）WO（S）Wm(S)X（S）+-E（S）Y（S）Z（S）单回路控制系统框图F（S）液位控制系统温度控制系统控制部分广义对象主要组成部分(1)、被控对象：生产过程中被控制的工艺设备或装置。(2)、检测变送单元：检测量转换为统一标准的电信号。(3)、控制器：实时地对被控系统施加控制作用。(4)、执行器：将控制信号进行放大以驱动控制阀。常见的有气动和电动两种。(5)、控制阀：控制进料量。有气开式和气关式之别。气压信号中断，阀门完全关闭气压信号中断，阀门完全打开单回路控制系统特点结构简单、投资少、易于整定和投运；可满足一般生产过程的工艺要求；占控制回路的85%以上，应用广泛；适用于被控过程的纯滞后与惯性不大、负荷与干扰变化比较平稳或者工艺要求不太高的场合。2单回路控制系统设计一、被控变量和控制变量的选择二、控制阀的选择三、测量变送环节的选择四、控制规律的选择五、系统的投运及控制器参数整定过程控制系统的性能指标1.单项性能指标2.误差积分性能指标它是以控制系统瞬时误差函数e(t)为泛函数的积分评价系统的综合性指标。它是用一个数（最小）衡量一个系统的优劣、是否处于最佳状态的一种方法。误差积分(IE)绝对误差积分(IAE)平方误差积分(ISE)时间与绝对误差乘积积分(ITAE)采用不同的积分公式意味着估计整个过程优良程度时的侧重点不同。例如ISE着重于抑制过渡过程中的大误差，而ITAE则着重惩罚过程拖得过长。

误差积分指标有一个缺点，它们并不能都保证控制系统具有合适的衰减率（人们关注）；等幅震荡过程是不能接受的，而它的IE却等于零，显然不合理。通常的做法是首先规定衰减率的要求，再考虑使误差积分为最小。一.被控变量的选择

二.控制变量的选择被控变量和操纵变量的选择被制参数选择1、选择的意义是控制系统方案设计的一个至关重要的问题。恰当的选择对于稳定生产、提高产品产量和质量、改善劳动条件有很大的作用。若选择不当，则不论组成什么样的控制系统，选择多么先进的过程检测控制仪表，都不能达到良好的控制效果。

t

选直接参数即能直接发映生产过程产品产量和质量，以及安全运行的参数。（如锅炉的水位控制)。t

选间接参数（1）当选直接参数有困难时采用。(如用反应釜的温度控制间接实现化学反应的质量控制。)（2）可选择那些间接反映产品产量和质量又与直接参数有单值对应关系、易于测量的参数作为被控参数。

2、

选择方法3.被制参数选择的原则

(1)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,一般都是工艺过程中比较重要的变量。(2)当无法获得直接指标信号,或其测量和变送信号滞后很大时,可选择与直接指标有单值对应关系的间接指标作为被控变量。

(3)被控变量应能被测量出来,并具有足够大的灵敏度。(4)必须考虑工艺合理性和国内外仪表产品现状。

(5)被控变量应是独立可控的。被控变量的选择原则控制变量的选择当生产过程中有多个因素能影响被控参数(在生产过程有几个控制参数可供选择时，一般希望控制通道克服扰动的校正能力要强，动态响应要比扰动通道快。(一)、过程静态特性对控制品质的影响1.系统的简化方框图

WC（S）WV（S）WO（S）Wm(S)X（S）+-E（S）Y（S）Z（S）单回路控制系统框图F（S）Wf（S）突出干扰的形式如下图所示：

2、传递函数

设传递函数分别为

则在定值控制下输出对干扰的闭环传递函数为

由于系统本质是稳定的，则在单位阶跃扰动下的余差为

3、稳态余差t

过程稳态特性对控制质量有很大影响，这是选择操纵参数的一个重要依据。t

应使Kf越小越好，以减弱扰动对控制参数的影响。最佳控制过程中，KcKo应为一常数，Ko大小可通过Kc来调节。在控制系统设计时，控制通道的Ko拟适当选大一些。

4、讨论稳态特性指过程的静态放大系数对控制质量的影响扰动通道的静态放大系统Kf大对控制不利；控制通道的放大系数Ko愈大，表示控制作用愈灵敏；但Ko太大，会使控制作用对被控变量的影响过强，使系统的稳定性下降；选择控制通道的Ko适当大一些，可由Kc来补偿。

（二）过程动态特性的分析扰动通道对动态特性的影响（1）时间常数的影响t

系统的超调量随Tf的增大而减少，控制质量得到提高。

t

Tf变大或个数增多，均对干扰起到了一种滤波作用。（2）

滞后时间的影响t

干扰通道的纯滞后时间仅使被控参数对其反应在时间上平移了一段时间，理论上无影响。t

干扰通道的容量滞后会使干扰信号变得缓和一些，对克服干扰有利。

（3）干扰作用位置的影响应使扰动作用点位置远离被控参数。在系统设计时，应使扰动作用点位置远离被控量

控制通道对动态特性的影响（1）时间常数的影响l

T0过大特点：使控制作用变弱，控制质量变坏。措施：合理选择执行器位置l

T0过小特点：控制作用增强，但系统容易振荡。措施：T0应适度。时间常数较小；反应灵敏；纯滞后时间小的通道作为控制通道。（2）滞后时间的影响l纯滞后0的影响较大,应从工艺着手改善。l

容量滞后c比较缓和，引入微分作用可有效克服。(3)时间常数分配的影响在选择控制通道时，使开环传递函数中的几个时间常数值错开，减小中间的时间常数，可提高系统的工作频率，减小过渡过程时间和最大偏差，改善控制质量。K、T、τ对控制质量的影响：干扰通道控制通道K（放大倍数）小，越小越好尽可能大T（时间常数）大，越大越好适当小τ（纯滞后）无关小，越小越好选择控制参数的一般原则控制通道的放大系数K0要适当选大一些；时间常数T0要适当小一些；纯滞后时间0越小越好，0与T0之比应小于1.

扰动通道的放大系数Kf应尽可能小；时间常数Tf要大；扰动引入系统的位置要远离控制过程(即靠近调节阀)；容量滞后愈大，愈有利于控制。

注意工艺操作的合理性、经济性。

1、

尽可能选择测量误差小的测量元件高质量的控制离不开高质量的测量。2、尽可能选择快速响应的测量元件与变送设备

检测与变送器都有一定的时间常数，造成所谓的测量滞后与传送滞后问题。尽可能选择快速响应的测量元件与变送设备。系统设计中的测量变送问题3正确采用微分超前补偿

当系统中存在较大的测量滞后（如温度和压力），可在变送器的输出端串入一微分环节。

但微分控制的使用要慎重，以免引起系统不稳定。

4合理选择测量点位置并正确安装

测量点位置的选择，应尽可能减小参数测量滞后与传送滞后，同时也要考虑安装方便

例如：生产硫酸的硫铁矿焙烧，硫铁矿从焙烧炉下部送入，在一、二次风的助燃下焙烧硫铁矿，产生的SO2

气体从炉顶排出。在其他条件一定时，炉膛温度与SO2浓度有一定的对应关系。经验表明：在近炉膛上部的温度检测点的温度能够正确地反映SO2的浓度变化。

SO2炉气二次风矿石一次风O5、对测量信号作必要的处理

测量信号的校正测量信号躁声的抑制例：在流体输送过程中，由于输送机械的往复运动，流体的压力与流量呈现周期性的脉动变化，使参数值时高时低，它的频率与输送机械的往复频率一致。按偏差工作的控制器的输出信号呈周期性的变化，从而使调节阀不停的开大开小。解决方法：在气体传送管线上增加气阻R和气容C。对测量信号进行线性化处理在检测某些过程参数时，测量信号与被测信号之间成某种非线性关系，一般由测量元件所致，1）如热电偶测温。2）如节流装置输出差压与流量的平方成正比，可用开方器来校正。克服测量传送滞后的方法克服方法测量滞后

纯滞后选择惯性小的测量元件合理选择测量元件的安装位置引入微分环节选择纯滞后较小的测量变送仪表采用史密斯（smith）预估补偿器

合理选择测量元件的安装位置控制阀的选择※选用控制阀时

,一般要根据被控介质的特点

(温度、压力、腐蚀性、粘度等

)、控制要求、安装地点等因素,参考各种类型控制阀的特点合理地选用。在具体选用时

,一般应考虑下列几个主要方面的问题。(1)控制阀结构与特性的选择※控制阀的结构形式主要根据工艺条件

,如温度、压力及介质的物理、化学特性

(如腐蚀性、粘度等

)来选择。例如强腐蚀介质可采用隔膜阀、高温介质可选用带翅形散热片的结构形式。阀气开、气关形式选择原则主要从工艺生产安全出发，当仪表供气系统故障或控制信号突然中断，调节阀阀芯应处于使生产装置安全的状态。

(2)气开式与气关式的选择

动执行器有气开式与气关式两种型式。有压力信号时阀关、无信号压力时阀开的为气关式。反之

,为气开。

控制进入设备易燃气体的控制阀

,应选用气开式

,以防爆炸

,若介质为易结晶物料

,则选用气关式

,以防堵塞。在当今的工业控制器中，有半数以上采用了PID或变形PID控制方案。模拟PID控制器大多数是液压的、气动的、电气的和电子型的，或是由它们构成的组合型。由于微处理器的大量应用，许多变成了数字型的。大多数PID控制器是现场调节的，某些PID控制器还具有在线自动调节能力。PID控制优点：原理简单、使用方便

适应性强

鲁棒性强ProportionIntegralDifferentiation控制器的选择控制器的选择控制规律

正反作用比例(P)比例积分(PI)比例积分微分(PID)正作用反作用比例微分(PD)比例调节（P调节）——比例调节的动作规律一.比例带调节器的输出信号u与偏差信号e成比例：u=Kpe比例增益在过程控制中，习惯用增益的倒数表示调节器偏差信号与输出之间的比例关系：比例带数值上比例度等于输入偏差变化相对值与相应的输出变化相对值之比的百分数。

比例带计算即比例带δ越大，表示比例控制作用越弱。(δ=1/Kp）减小比例度，会使系统的稳定性和动态性能变差，但可相应地减小余差，提高静态精度.一台DDZ-Ⅲ型温度比例控制器，测温范围为200～1200℃,其输出为4～20mA。当温度给定值由800℃变动到850℃，其输出由12mA变化到16mA。试求该控制器的比例带及放大系数。e.g.由定义：二.比例调节的特点——有差调节在比例调节的作用下，在负荷扰动下的调节过程结束后，被调量不可能与设定值准确相等，它们之间一定有残差。自动控制下的被控过程在进入稳态后，流入量与流出量之间总是平衡的。e.g.水加热器出水温度控制系统三.比例带对于调节过程的影响很大意味着调节阀的动作幅度很小，因此被调量的变化比较平稳，甚至可以没有超调，但残差很大，调节时间很长；减小就加大了调节阀的动作幅度，引起被调量来回波动，残差相应减小。比例调节的残差随着比例带的加大而加大。但是减小比例带又等于加大调节系统的开环增益，将导致系统激烈震荡甚至不稳定。比例带对于调节过程的影响曲线图积分调节（I调节）一.积分调节动作规律调节器的输出信号的变化速度与偏差信号成正比，即或积分速度调节器的输出与偏差信号的积分成正比。二.积分调节的特点1.无差调节×-从物理意义上解释：e.g.2.稳定性比比例调节差，且调节过程慢对同一被控对象分别采用P调节和I调节，曲线如下：P调节I调节三.积分速度对于调节过程的影响增大积分速度会降低控制系统的稳定程度——越大，调节阀的动作愈快，振荡频率越来越高。比例积分调节（PI调节）一.比例积分调节的动作规律综合P、I两种调节的优点：利用P调节快速抵消干扰的影响，同时利用I调节消除残差。它的调节规律为：或：比例带积分时间

在比例带不变的情况下，减小积分时间，将使控制系统的稳定性降低、振荡加剧、调节过程加快、振荡频率升高。

PI调节引入积分动作带来消除系统残差好处的同时，却降低了原有系统的稳定性。e.g.水加热器出水温度控制系统

为消除偏差采用PI调节器，调节阀选用气开式，调节器为反作用方式微分调节的引入比例调节——根据当前的偏差大小进行调节积分作用——根据当前及过去的偏差的大小进行调节P、I调节均不管当时被调量的变化趋势。这可能导致被调量随即出现大的偏差。微分调节：在控制作用中加入被调量的变化趋势，避免等到被调量已经出现较大偏差后才开始作用，即赋予调节器某种程度的预见性。e.g.加热器温度的PI控制前提：某时刻e=Tr

–T接近0，累计也误差接近0，此时PI调节器的输出u为0,蒸汽阀关闭。但此时冷水仍进入，导致温度下降。需经过较长时间才能调回到设定值。这时，可加入微分作用，对被调量的变化通过误差变化来提前判断。比例积分微分调节（PID调节）微分调节作用

调节器的输出与偏差对于时间的导数成正比：注意：单纯的微分调节器是不能单独工作的，这是因为实际的调节器都有一定的失灵区，如果被控对象的流入、流出量只相差很少以致被调量只以调节器不能察觉的速度缓慢变化时，调节器并不会动作，但经过很长时间后，被调量偏差却可以累加到相当大而得不到校正。因此微分调节只能起辅助调节的作用，它可以与其它调节动作结合成PD和PID调节作用。二.比例微分调节规律或其传递函数为：比例带微分时间三.比例微分调节的特点由于稳态下，de/dt=0，PD调节器的微分部分为零，因此PD调节也是有差调节；微分调节动作总是力图抑制被调量的振荡，它有提高控制系统稳定性的作用。适度引入微分动作可以允许稍许减小比例带，同时保持衰减率不变。微分调节须注意：微分作用太强容易导致调节阀开度向两端饱和，因此在PD调节中总是以比例动作为主。

PD调节器的抗干扰能力很差，只能应用于被调量变化非常平稳的过程，一般不用于流量和液位控制。

微分调节作用对于纯延迟过程无效。

引入微分动作要适度。这是因为大多数PD控制系统随着微分时间TD增大，其稳定性提高，但TD过大，系统反而不稳定了。四、比例积分微分调节规律或PID调节器的传递函数为：PID控制器参数的影响比例控制比例积分控制比例积分微分总结比例积分微分PID控制器参数的影响P---比例控制系统的响应快速性，快速作用于输出，好比“现在”（现在就起作用，快）；I---积分控制系统的准确性，消除过去的累积误差，好比“过去”（清除过去积怨，回到准确轨道）；D---微分控制系统的稳定性，具有超前控制作用，好比"未来"（放眼未来，未雨绸缪）。

三个参数之间需要权衡，以达到最佳控制效果，实现稳、快、准的控制特点；增大比例系数P将加快系统的响应，它的作用在于使输出响应较快，但不能很好稳定在一个理想的数值，不良的结果是虽较能有效的克服扰动的影响，但有余差出现，过大的比例系数会使系统有比较大的超调，并产生振荡，使稳定性变坏。

比例作用：积分能在比例的基础上消除余差，它能对稳定后有累积误差的系统进行误差修整，减小稳态误差

。

积分作用：微分具有超前作用，如果微分项设置得当，对于提高系统的动态性能指标，有显著效果，它可以使系统超调量减小，稳定性增加，动态误差减小。微分作用：如何选择调节器的动作规律？主要原则:根据对象特性、负荷变化、主要扰动和系统控制要求等具体情况，同时应考虑系统的经济性以及系统投入方便等。一、调节器控制规律的选择原则：

根据比值选择控制规律：已知过程的数学模型：

l

时，选用比例或比例积分控制规律；l

时，选用比例积分或比例积分微分控制规律；l

时，单回路反馈控制系统已不能满足控制要求，应根据具体情况，采用其他控制方式。

<0.22条规律经验表明根据过程特性选择控制规律：比例控制规律(P)：特点：抗干扰能力强，过渡过程时间短，但有余差。适用：控制通道滞后较小，负荷变化不大，允许被控量在一定范围内变化的系统。如贮罐液位、塔釜液位的控制和不太重要的蒸汽压力的控制等。比例积分控制规律(PI)：特点：过渡过程结束时无余差，但系统的稳定性降低。适用：滞后较小，负荷变化不大，被控量不允许有余差的控制系统，如流量、液位控制

l

比例微分控制规律(PD)：特点：对于改善系统的动态性能指标、有显著的效果。适用：控制通道的时间常数或容量滞后大，适用于温度、成分控制

l

比例积分微分控制规律(PID)：特点：对克服对象的容量滞后有显著的效果。适用：负荷变化大，容量滞后大，控制质量要求很高的系统。如反应器、聚合釜的温度控制。回顾调节阀、被控对象和测量变送元件等调节器负反馈：缓解对象中的不平衡，达到自动控制目的。+正反馈：加剧被控对象流入量流出量的不平衡，导致系统不稳定。调节器正反作用选择为了适应不同被控对象实现负反馈控制的需要，工业调节器都设置有正、方作用开关（正、反作用方式）。正作用方式：调节器的输出信号u随着被调量y的增大而增大，调节器的增益为“-”。反作用方式：调节器的输出信号u随着被调量y的增大而减小，调节器的增益为“+”。调节器正、反作用的确定

t

控制阀：气开式为“＋”，气关式为“-”；t

被控对象：物料或能量增加时，被控参数随之增加为“＋”，随之减少为“-”；t

控制器：正作用：其静态放大系数KC取负；反作用：其静态放大系数KC取正；t变送器：一般为“＋”；原则：使整个单回路构成负反馈系统---乘积为正

根据控制系统方框图确定调节器的正反作用

首先根据生产工艺安全等原则①确定调节阀的气开、气关形式；然后按②被控过程特性，确定其正、反作用；最后根据上述组成该系统的开环传递函数各环节的静态放大系数极性相乘必须为正的原则来③确定调节器的正、反作用方式。被控过程增益调节阀增益调节器增益测量变送装置增益(+)确定调节器正、反作用的次序过程：作业11.某电动比例调节器的测量范围为，

其输出为。当温度从变化到时，测得调节器的输出从

变化到。求该调节器的比例带。

作业23-23.作业33-24测量值↑液位↑液位↓阀门关小控制器输出↓反作用控制系统投运和参数整定投运：在控制系统方案设计、仪表安装调校就绪后，或者经过停车检修之后，再将系统投入生产使用的过程。操作人员在系统投运之前，必须对构成系统的各种仪器仪表、联接管线、供电、供气情况等进行全面检查和准备。简单控制系统的投运控制系统投运步骤投运步骤：检测系统投入运行；调节阀投运；调节器投运。待回路工况稳定后，可投入自动：把调节器PID参数值设置合适位置，当其偏差接近零时，即将调节器由手动切换到自动；若还不够理想，则继续整定调节器参数，直到满意为止。控制器参数整定

控制系统整定的基本要求通过调整调节器的参数使其特性与被控对象特性相匹配，以达到最佳的控制效果，称作“最佳整定”，这时的调节器参数叫做“最佳整定参数”。系统整定实质系统整定方法可归纳为两大类：

理论计算整定法如根轨迹法、频率特性法。这类方法基于被控对象的数学模型（如传递函数、频率特性），通过计算方法直接求得调节器整定参数。往往比较复杂、繁琐，使用不十分方便。

工程整定法近似的经验方法，基于对象的阶跃响应曲线或直接在闭环系统中进行。方法简单，易于掌握，相当实用。工程整定方法常见的工程整定方法：动态特性参数法衰减曲线法临界比例度法经验法但无论采用哪一种方法所得到的控制器参数，都需要在实际运行中进行最后调整与完善。一、动态特性参数法原理：在调节阀WV(s)的输入端加一阶跃信号，记录测量变送器Wm(s)的输出响应曲线，根据该曲线求出代表广义过程的动态特性参数(过程的时延，过程的时间常数)后根据这些参数的数值，分别应用经验公式计算出调节器的整定参数值。在系统开环并稳定的情况下的产生一阶跃变化记录下被控变量y随时间变化的曲线，如左图过A（拐点）作切线，并得出τ、Τo

代入公式。ΔpyttpToτA控制器类型控制器参数

δ,%Ti,minTd,min

P(Ko

×

τ/Τo)×100%

——

——

PI(1.1Ko×

τ/Τo)×100%

3.3τ

——

PID(0.85Ko×

τ/Τo)×100%

2τ

0.5τΔpyttpToτA例题:有一个蒸气加热器温度控制系统，当电动Ⅱ型控制器的手动输出电流从6mA突然增加到7mA时，加热器温度从原先稳态值85.0℃上升到新的稳态值87.8℃。所用测温仪的量程为50～100℃。试验得τ=1.2min,To=2.5min.若采用PI控制器，其参数整定应为多少？如果改用PID控制器，其参数整定又应为多少？解：由已知条件可得：

ΔP=7－6=1(mA)

Pmax－Pmin=10－0=10(mA)Δy=87.8－85=2.8(℃)

ymax

－ymin=100－50=50(℃)根据公式：

K0=0.56

当采用PI控制器时：

δ%=（1.1Ko×

τ/To）×100%=(1.1×0.56×1.2/2.5)100%=29.6%Ti=3.3τ=3.3×1.2=3.96(min)

当采用PID控制器时：

δ%=（0.85Koτ/To）×100%=(0.85×0.56×1.2/2.5)×100%=22.8%Ti=2τ=2×1.2=2.4(min)TD=0.5τ=0.5×1.2=0.6(min)二、稳定边界法（临界比例度法）是目前工程上应用较广泛的一种控制器参数的整定方法。

所谓临界比例度法，是在系统闭环的情况下，用纯比例控制的方法获得临界振荡数据，即临界比例度K和临界振荡周期TK，然后利用一些经验公式，求取满足4：1衰减振荡过渡过程的控制器参数。

(1)将控制器的积分时间放在最大（TI=），微分时间放在最小值（TD=0)，比例度放在较大值后，把系统投入运行。

整定步骤：

(2)将逐渐减小得到如图所示等幅振荡过程，记下临界比例度K和临界振荡周期TK值。(3)利用K和TK试验数据，按表的经验公式，求出控制器的各整定参数。(4)将控制器的比例度换成整定后的值，然后依次放上积分时间和微分时间的整定值，继续适当调整值，直到满足要求。采用表中的经验公式，计算、TI、TD的值例：用临界比例度法整定某过程控制系统，所得的比例

度K=20%，临界振荡周期TK=1min，当控制器

分别采用P作用、PI作用、PID作用时，求其最佳

整定参数值。解：应用表3-1经验公式，可得(1)比例控制器

=2K=2×20%=40%(2)比例积分控制器

=2.2K=2.2×20%=44%TI=TK/1.2=1/1.2=0.83min(3)比例积分微分控制器

=1.6K=1.620%=32%TI=0.5TK=0.51=0.5minTD=0.25TI=0.250.5=0.125min

三、阻尼振荡法（衰减曲线法）是在总结临界比例度法的基础上，经过反复实验提出的整定步骤：（1）实现4:1衰减

先把参数置成纯比例作用

(TI=,TD=0)，使系统投入运行；

再把从大逐渐调小，直到出现图所示的4:1衰减过程曲线；

此时的4:1衰减比例度为S，4:1衰减振荡周期TS。（2）计算参数

根据S和TS，使用表计算出控制器的各个整定参数值

(3)进一步调整

按“先P后I最后D”的操作程序，将求得的参数设置在控制器上；再观察运行曲线，若不太理想，可做适当调整

例

某温度控制系统，采用4:1衰减曲线法整定控制器参数，得S=20%，TS=10分，当控制器分别为比例作用、比例积分作用、比例积分微分作用时，试求其整定参数值。解:应用表3-2中的经验公式，可得

(1)、比例控制器=S=20%(2)、比例积分控制器=1.2S=1.220%=24%TI=0.5TS=0.510=5min(3)、比例积分微分控制器=0.8S=0.820%=16%TI=0.3TS=0.310=3minTD=0.1TS=0.110=1min

四、现场经验整定法（凑试法）

表

常用的参数经验范围PID参数是根据控制对象的惯量来确定的。大惯量如：大烘房的温度控制,一般P可在10以上,I=3-10,D=1左右。小惯量如：一个小电机带一水泵进行压力闭环控制,一般只用PI控制。P=1-10,I=0.1-1,D=0,这些要在现场调试时进行修正的。

主要分析调节器参数比例带、积分时间Ti、微分时间Td对控制过程的影响

控制器类型

PPIPID说明整定参数δ↑δ↑

Ti↑δ↑Ti↑

Td↑↑:表示增加↓:表示减小Td过大时，将出现较高频率的振荡而衰减率减小.主要性能衰减率↑↑略有↑↑略有↑略有↑动态偏差↑↑略有↑↑略有↑↓振荡频率↓↓略有↓↓略有↓↑复原速度——↓—↓—稳态偏差(负荷扰动时)↑Ti过大时，输出响应缓慢地趋向其稳态值，对于振荡过程输出偏向在稳态值之上(或下)振荡.比例是必须的,它直接影响精度,影响控制的结果积分它相当于力学的惯性能使震荡趋于平缓

微分控制提前量它相当于力学的加速度影响控制的反应速度.太大会导致大的超调量使系统极不稳定.太小会使反应缓慢.

按照先比例（P）、再积分（I）、最后微分（D）的顺序。

整定步骤(1)在纯比例作用下(TI=、TD=0)

在比例度按表的取值下，将系统投入运行；

若曲线振荡频繁，则加大比例度；

若超调量大，且趋于非周期，则减少，求得满意的4:1过渡过程曲线。(2)引入积分作用(此时应将上述加大1.2倍)

将积分时间TI由大到小进行整定;

若曲线波动较大，则应增大TI;

若曲线偏离给定值后长时间回不来，则需减少TI，以求得较好的过渡过程曲线。

(3)若需引入微分作用将TD按经验值或按TD=(1/3～1/4)TI设置，并由小到大加入;

若曲线超调量大而衰减慢，则需增大TD;

若曲线振荡厉害，则应减小TD;

观察曲线，再适当调节和TI，反复调试直到获得满意的过渡过程曲线。PID调节口诀参数整定找最佳，从小到大顺序查

先是比例后积分，最后再把微分加

曲线振荡很频繁，比例度盘要放大

曲线漂浮绕大湾，比例度盘往小扳

曲线偏离回复慢，积分时间往下降

曲线波动周期长，积分时间再加长

曲线振荡频率快，先把微分降下来

动差大来波动慢。微分时间应加长

理想曲线两个波，前高后低4比1

一看二调多分析，调节质量不会低大多数生产过程是非线性的，调节器参数与系统所处的稳态工况有关；生产中需适时调整调节器参数大多数生产过程的特性随时间变化，将导致调节性能的恶化；传统的PID调节器参数是采用人工整定，费时且不具有“自适应”能力，只能依靠人工重新整定参数；调节器的参数整定与系统控制质量直接相关，而控制质量意味着显著的经济效益。研究调节器参数自整定的目的是寻找一种对象验前知识不需要很多，而又简单鲁棒性又好的方法。控制器参数整定单回路控制系统工程设计实例单回路控制系统指由一个测量变送器、一个控制器、一个执行器和一个被控对象组成的单回路闭环反馈控制系统。回顾奶粉生产工艺流程喷雾干燥法生产奶粉工艺流程原材料验收及预处理——标准化配料——真空浓缩——喷雾干燥——流化床——振动筛——包装——装箱——检验——出厂每天一斤奶强壮中国人?!......e.g.1喷雾式干燥设备控制系统设计1、配料

配料是生产的开始，是非常关键的工序。物料配好后，在其后的生产工序中除水分外，各种物质的比例关系是不变的，故可以说配料准确与否直接影响最终产品质量。所以，配料工序不但是各种营养成分充分混匀的过程，还涉及投料顺序、原料状态要求、投料方法等。

2、杀菌

牛乳中的细菌很多，是引起牛乳和奶粉变质的主要原因。杀菌的目的就在于抑制细菌的繁殖和消灭致病菌。现在常采用的杀菌方法是巴氏杀菌法，若使用片式或管式杀菌器，通常采用的杀菌条件为80～85℃、保持30秒钟，或95℃，保持24秒钟。若用超高温瞬时杀菌装置，则为120～150℃，保持1～2秒钟。奶粉生产工艺奶粉是以鲜奶为基料，根据配方不同，添加或不添加其他原料，经数道工序制造而成，简言之，就是把按一定配比混合好的物料中的水分除去并制成粉状产品的过程。3、浓缩

浓缩的过程是除去部分水分的过程，乳品厂生产多采用真空浓缩，又有单效和多效之分。

真空浓缩的意义在于：

（1）可节省制粉工序的蒸气和动力消耗，降低成本；

（2）改善奶粉颗粒的物理性状，增强分散性和溶解性；

（3）排除氧气和空气，改善奶粉的保藏性；

（4）增加奶粉密度，利于包装。4、喷雾干燥（制粉）

浓奶由高压泵压入喷枪，经喷嘴雾化后分散成液滴，在干燥室经热空气加热，瞬间蒸发水分成为粉状颗粒，自由落下，经出粉口排出。

制粉工序影响产品质量的参数主要有进风温度、排风温度、浓奶浓度、高压泵压力等。5、出粉、凉粉

因干燥室温度较高，粉温一般在60-65℃。如果在此温度下停留时间过长，会增加游离脂肪量，蛋白质变性，保存期易使脂肪氧化，影响产品的溶解度和色泽、风味，因此应及时凉粉、筛粉。

现在较为先进的降温设备是流化床6.称量与包装：乳粉冷却后应立即用马口铁罐、玻璃罐或塑料袋进行包装。根据保存期和用途的不同要求，可分为小罐密封包装、塑料袋包装和大包装。三聚氰胺是个微溶于水的化学品，三聚氰胺都是呈现颗粒状悬浮在液体之中，奶粉生产工艺的第一个环节就是“过滤”！如果是奶农加了三聚氰胺，在第一个工艺流程里就会被层层的过滤器所拦截。在哪个环节最方便添加呢？就是在牛奶在做完杀菌环节以后的真空脱水环节！白色的三聚氰胺和白色的奶粉混合，完全无法分辩！而且总氮测试肯定过关！三鹿奶粉中三聚氰氨的含量达到了千分之2.6，即1袋奶粉中含将近1克三聚氰胺三鹿奶粉中三聚氰胺来源于生产过程喷雾干燥工艺惠氏婴幼儿奶粉生产基地

由于乳化物属胶体物质，激烈搅拌易固化，不能用泵抽出。采用高位槽的办法。过程：1）浓缩的乳液由高位槽流经过滤器A，B，除去凝结块等杂质，再至干燥器顶部从喷嘴喷出。2）空气由鼓风机送至换热气，热空气与鼓风机直接来的空气混合后，经风管进入干燥器，从而蒸发乳液中的水分，成为奶粉，并随湿空气一起送出，进行分离。喷雾式干燥设备控制系统设计生产工艺要求干燥后的产品含水量波动要小，即温度要求稳定。设计要求1.选择被控变量与操纵变量2.过程检测、控制设备的选用奶粉喷雾干燥塔1.选择被控变量直接参数----湿度（测量困难）2.选择操纵变量（控制参数）乳液流量f1(t)旁路空气流量f2(t)蒸汽流量f3(t)间接参数----干燥塔出口温度由于产品水分含量测量十分困难，根据生产工艺，产品质量（水分含量）与干燥器里的温度密切相关，选干燥器里的温度为被控参数。三种控制方案：

方案一以乳液流量f1为控制参数方案二以旁路空气量f2为控制参数方案三以热蒸汽量f3为控制参数方案比较：方案一：采用乳液流量作控制参数，乳液直接进入干燥器，控制通道滞后最小，对干燥温度的校正作用最灵敏.扰动通道不仅时延大而且位置最靠近调节阀，从控制品质上考虑，应该选此方案。但乳液流量是生产负荷，即产量，若作为控制参数，则他不能始终在最大的负荷点工作，从而限制生产能力。在乳液管线上装了调节阀，容易使浓缩液结块，降低产品质量。

方案二、三的比较：乳液流量f1(t)作为扰动量，其对控制系统的影响是相同的。由于换热器为一双容对象，时间常数大.方案二采用风量作为控制参数时，控制通道时间常数小，扰动通道时间常数大；扰动作用点位置靠近调节阀。

方案三采用蒸汽量作为控制参数时，控制通道时间常数大，扰动通道时间常数小.单回路控制系统工程设计实例12结论：方案二选择旁路空气量为控制参数的方案为最佳。3.过程检测、控制设备的选用

测温元件及变送器被控温度在600度，选用热电阻温度计，为提高检测精度、应用三线制接法，并配有温度变送器。4.调节器参数整定

调节阀根据生产工艺的安全原则及被控介质的特点，选用气关式。根据过程特性与控制要求选用对数流量特性的调节阀。

调节器根据过程特性与工艺要求，可选用PI或PID控制规律。

e.g.2贮槽液位控制系统设计

生产工艺要求

贮槽的液位要求维持在某给定值上下，或在某一小范围内变化，并保证物料不产生溢出。设计要求1.选择被控变量与操纵变量2.过程检测、控制设备的选用控制系统的组成变送器检测液位控制器对偏差运算执行器改变操纵变量

1、工艺要求：，贮槽的液位要求维持在某给定值上下，或在某一小范围内变化，并保证物料不产生溢出。当系统受到外界扰动的影响时，为使被控变量（液位）与设定值保持一致，检测被控变量，并与设定值比较得到偏差，按一定控制规律对偏差运算，输出信号驱动操纵变量（流量），最终使被控变量回复到设定值2、选择被控参数根据工艺可知，贮槽的液位要求维持在某给定值上下，直接选取液位为被控参数。a)流入贮槽的流量

3、选择控制参数b)流出贮槽的流量气关气开（方案一）以出水阀R2为调节阀2）故障时为保证下道工序能正常工作，选用气关阀。“-”3）对液位对象来说，

q2增加，h减少，故被控过程为反作用。

“-”1）一般来说，检测变送环节增益为“+”。储水槽液位控制系统框图如下：“+”反作用“-”气关“-”反作用“+”由各环节乘积为正原则，液位调节器为“+”，即为反作用方式。（方案二）以入水阀R1为调节阀2）故障时为保证下道工序能正常工作，选用气关阀。“-”3）对液位对象来说，

q1增加，h增加，故被控过程为正作用。

“+”1）检测变送环节增益为“+”。这时储水槽液位控制系统框图如下：“+”正作用“+”气关“-”正作用“-”由各环节乘积为正原则，液位调节器为“-”，即为正作用方式。两种方案具有相同的框图结构：比较：当突然停电、停气的事故情况下，方案一最多流光贮槽中的液体，而方案二将形成长流水的情况，浪费严重

液位调节器调节阀-液位对象检测、变送环节1qmhuerhh4.选用过程检测设备选用DDZ-III型差压变送器来实现贮槽中的液位的检测和变送。根据生产工艺安全原则选择调节阀。方案一选用气开式，方案二选用气关式，选用对数流量特性的调节阀。控制规律选择，对液位要求不高，调节器采用宽比例度的比例作用即可；当容器作为计量槽使用时，则需精确控制液位，采用比例积分控制。

调节器和控制对象是单回路控制系统的两个主要的组成部分

单回路控制系统原理框图WT(S)W0(S)WZ(S)Wm(S)VTrVm(内扰)广义调节器调节器控制对象广义控制对象单回路控制系统总结控制器(LC或TC)执行器（控制阀）被控对象（液位储槽或换热器）测量、变送环节（LT或TT）被控变量（液位或温度）干扰偏差设定值＋－广义对象简单控制系统方块图简单控制系统方块图对象特性对控制质量的影响

控制作用被调量干扰作用热工对象W0λ（s）W0μ（s）干扰通道控制通道

控制质量是用衰减率或衰减比n、动态偏差ym（）、静态偏差y（）或e（）、控制时间ts等

。描述对象特性的特征参数是放大系数K

、时间常数Tc（T）、迟延时间τ（n）。WT(S)W*0(S)VTVm（扰动）控制器为比例控制规律其放大系数为KP

干扰通道和控制通道的放大系数为K

、K0

干扰通道和扰动通道的时间常数为T、T一、干扰通道的特征参数对控制质量的影响1．放大系数K对控制质量的影响

∴在单位阶跃扰动下,系统稳态值：

干扰通道的放大系数K越大,在扰动作用下系统的动态偏差、稳态误差(静态偏差)越大。

2．时间常数T对控制质量的影响

设K=1,且扰动通道为一阶惯性环节

扰动通道的时间常数越大越好,这样可使系统的稳定性裕度提高，动态偏差减小。

n增加,使闭环系统的动态偏差减小3．迟延时间对控制质量的影响

当扰动通道存在迟延τ时,则相当于一阶惯性环节串联了一个迟延环节

扰动通道迟延时间τ的存在仅使被调量在时间轴上平移了一个τ值即过渡过程增加了一个τ时间。并不影响系统的控制质量。

4．多个扰动对控制质量的影响

扰动进入系统的位置离输出(被调量)越远,对系统控制质量影响就越小。

二、控制通道的特征参数对控制质量的影响（一）放大系数Ko对控制质量的影响

控制通道的放大系数KP·Ko

是一种互补关系，如果KP保持不变，Ko增大时控制系统的稳定性裕度下降，被调量的动、静态偏差增大，控制系统的过渡过程的时间将加长。（二）时间常数、迟延时间对控制质量的影响

（1）n阶惯性对象对控制质量的影响讨论时间常数T和阶次n

控制通道的时间常数T如果增大,系统的反应速度慢,工作频率将下降,系统的过渡过程的时间将加长，减小控制通道的时间常数，能提高控制系统的控制质量。

惯性对象阶次n越大对被调量的影响越慢，调节的也越慢，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。

（二）时间常数、迟延时间对控制质量的影响

（1）n阶惯性对象对控制质量的影响（二）时间常数、迟延时间对控制质量的影响

（2）有迟延对象对控制质量的影响讨论时间常数Tc和迟延时间为τ

当控制通道有迟延时,迟延时间对调节是不利的，控制质量主要取决于迟延和时间常数的比值τ/Tc,比值越大则控制质量越差。

时间常数越大,动态偏差、控制过程的时间减小，稳定性裕度增大，时间常数Tc增大能提高系统的控制质量。（二）时间常数、迟延时间对控制质量的影响

（2）有迟延对象对控制质量的影响单回路控制系统的分析

主要分析调节器参数比例带、积分时间Ti、微分时间Td对控制过程的影响

控制器类型

PPIPID说明整定参数δ↑δ↑

Ti↑δ↑Ti↑

Td↑↑:表示增加↓:表示减小Td过大时，将出现较高频率的振荡而衰减率减小.主要性能衰减率↑↑略有↑↑略有↑略有↑动态偏差↑↑略有↑↑略有↑↓振荡频率↓↓略有↓↓略有↓↑复原速度——↓—↓—稳态偏差(负荷扰动时)↑Ti过大时，输出响应缓慢地趋向其稳态值，对于振荡过程输出偏向在稳态值之上(或下)振荡.过程控制系统的性能指标

（一）系统阶跃响应性能指标（定值控制系统）

余差C①余差：过渡过程终了时的给定值与被控参数稳态值之差。②工程意义：反映控制准确性的重要指标，生产中一般希望愈小愈好（不超过某一个预定范围）

一般由工艺人员提出受控变量的波动范围所规定

衰减比

N①定义：第一个波峰与第二个波峰之比②工程意义：反映过程稳定性一个指标

N>1衰减振荡N=1等幅振荡N<1发散振荡N>>1非周期工程上希望4:1--10:1超调量B（最大偏差）

①最大偏差：第一个波峰与稳态值之差②工程意义：反应过程稳定性一个指标

过渡时间（恢复时间）

Ts①定义：从系统受扰后至受控变量又建立新的平衡的最短时间，理论上是无限长，一般规定进入稳态值±5%（±2%)范围内经历的时间。②工程意义：反映过程快慢、长短标志（快速性指标），在N一定相同情况下，Ts愈短，过程愈快，适应性愈强，质量愈好。

（二）偏差积分性能指标

它是以控制系统瞬时误差函数e(t)为泛函数的积分评价系统的系统品质指标。它衡量一个系统的优劣及是否处于最佳状态的一种方法。

l

偏差绝对值积分(IAE)l

偏差绝对值时间积分(ITAE)l

偏差平方积分(ISE)l

偏差平方、时间积分(ITSE)偏差绝对值积分（IntegralofAbsoluteError:IAE）

适用于衰减和无静差系统偏差绝对值与时间乘积的积分（ITAE）

用以降低初始大误差对性能指标的影响；同时强调了过渡过程后期的误差对指标的影响。偏差平方值积分（IntegralofSquaredError:ISE）同IAE时间乘偏差平方积分（ITSE）同ITAE注：ISE着重于抑制过渡过程中的大偏差，而ITAE和ITSE则着重惩罚过渡过程拖得太长，ITSE兼顾抑制过程中的大误差。

注意事项l

选择合适的调节工作区间在正常工况下要求调节阀开度处于15%~85%之间。l

选择合适的流量特性选择合适的调节阀开关形式气开（在有信号压力输入时阀开，无信号压力时阀关）或气关（在有信号压力时阀关，无信号压力时阀开）。确定调节阀开关方式的原则是：当信号压力中断时，应保证工艺设备和生产的安全。调节阀的选择

*考虑事故状态是人身、工艺设备的安全。例如：进加热炉的燃料气或燃料油的调节阀应采用气开式，一旦事故发生，调节阀处于全关状态，避免炉温继续升高。*考虑事故状态下减少经济损失，保证产品质量。例如：精馏塔进料一般选用气开式，在事故状态下，调节阀关闭，停止进料。*

考虑介质的性质。例如：对装有易结晶、易凝固物料的装置，蒸汽流量调节阀需选用气关式，一旦事故发生，处于全开状态，以防止物料结晶。执行器结构型式选择执行机构调节机构电动气动安全性气源条件经济性信号中断时安全性作用方式阀结构材料流体性质工艺条件控制要求流量特性等百分比阀直线阀阀阻比S较小阀阻比S较大流量系数计算流量工艺条件计算压差阀阻比S阻力损失流量系数计算工具口径确定开度验算可调比验算执行器选择执行器选择的流程图设计者只要将有关数据、方法选择正确，就能得到相应的结果。这里我们向大家推荐一网站，控制阀在线——http:///。它是专业介绍阀门技术，并有详细的在线计算工具调节阀的在线选择液体流量系数的计算一般来说调节阀的生产厂家、销售商都提供了执行器的选择服务。只要我们将需求填写在有关表单内，生产厂家会根据要求帮助我们选择合适的执行器。在此，给出了厂家的一个执行器选择表单样例。国内几个主要生产厂家的网址：1、上海仪器仪表行业协会