武漢理工大學(xué)過程控制第6章

1、過程控制系統(tǒng)與儀表過程控制系統(tǒng)與儀表 第第6章章6.1簡(jiǎn)單控制系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)與組成簡(jiǎn)單控制系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)與組成指由一個(gè)測(cè)量變送器、一個(gè)控制器、一個(gè)控制指由一個(gè)測(cè)量變送器、一個(gè)控制器、一個(gè)控制閥和一個(gè)對(duì)象所構(gòu)成的閥和一個(gè)對(duì)象所構(gòu)成的單閉環(huán)控制系統(tǒng)單閉環(huán)控制系統(tǒng)。 第第6 6章章 簡(jiǎn)單控制系統(tǒng)簡(jiǎn)單控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與參數(shù)整定的設(shè)計(jì)與參數(shù)整定TC206后續(xù)字母表示儀表功能后續(xù)字母表示儀表功能第第1位數(shù)字表示工段號(hào)位數(shù)字表示工段號(hào)后續(xù)數(shù)字表示儀表序號(hào)后續(xù)數(shù)字表示儀表序號(hào)第第1位字母表示被控參數(shù)位字母表示被控參數(shù) LC TT儀表符號(hào)標(biāo)準(zhǔn)儀表符號(hào)標(biāo)準(zhǔn)過程控制系統(tǒng)與儀表過程控制系統(tǒng)與儀表 第第6章章控制系統(tǒng)原理方框圖控

2、制系統(tǒng)原理方框圖給定值給定值測(cè)量變送器測(cè)量變送器控制器控制器執(zhí)行器執(zhí)行器對(duì)象對(duì)象操作量操作量被控變量被控變量干擾干擾熱物料熱物料載熱介質(zhì)載熱介質(zhì)冷物料冷物料熱交換器熱交換器 TT TC控制系統(tǒng)工藝流程圖控制系統(tǒng)工藝流程圖過程控制系統(tǒng)與儀表過程控制系統(tǒng)與儀表 第第6章章6.2簡(jiǎn)單控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)簡(jiǎn)單控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)1. 1. 過程控制系統(tǒng)方案設(shè)計(jì)的基本要求過程控制系統(tǒng)方案設(shè)計(jì)的基本要求 生產(chǎn)過程對(duì)過程控制系統(tǒng)的要求可簡(jiǎn)要?dú)w納為生產(chǎn)過程對(duì)過程控制系統(tǒng)的要求可簡(jiǎn)要?dú)w納為安全性、穩(wěn)定性和經(jīng)濟(jì)性安全性、穩(wěn)定性和經(jīng)濟(jì)性三個(gè)方面。三個(gè)方面。 2. 過程控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)的主要內(nèi)容過程控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)的主要內(nèi)容 過程控制系統(tǒng)設(shè)

3、計(jì)包括控制系統(tǒng)方案設(shè)計(jì)、工過程控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)包括控制系統(tǒng)方案設(shè)計(jì)、工程設(shè)計(jì)、工程安裝和儀表調(diào)校、調(diào)節(jié)器參數(shù)整定等程設(shè)計(jì)、工程安裝和儀表調(diào)校、調(diào)節(jié)器參數(shù)整定等四個(gè)主要內(nèi)容。四個(gè)主要內(nèi)容。 其中控制方案設(shè)計(jì)是控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)的核心。其中控制方案設(shè)計(jì)是控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)的核心。過程控制系統(tǒng)與儀表過程控制系統(tǒng)與儀表 第第6章章3. 過程控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)的步驟過程控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)的步驟1）掌握生產(chǎn)工藝對(duì)控制系統(tǒng)的技術(shù)要求）掌握生產(chǎn)工藝對(duì)控制系統(tǒng)的技術(shù)要求2）建立被控過程的數(shù)學(xué)模型）建立被控過程的數(shù)學(xué)模型3）確定控制方案）確定控制方案 包括控制方式和系統(tǒng)組成結(jié)構(gòu)的確定，是過程包括控制方式和系統(tǒng)組成結(jié)構(gòu)的確定，是過程控制系統(tǒng)設(shè)

4、計(jì)的關(guān)鍵步驟?？刂葡到y(tǒng)設(shè)計(jì)的關(guān)鍵步驟。 4）控制設(shè)備選型）控制設(shè)備選型5）實(shí)驗(yàn)（或仿真）驗(yàn)證）實(shí)驗(yàn)（或仿真）驗(yàn)證 過程控制系統(tǒng)與儀表過程控制系統(tǒng)與儀表 第第6章章6.2.2被控參數(shù)與控制變量的選擇被控參數(shù)與控制變量的選擇6.2.2.1被控參數(shù)的選擇被控參數(shù)的選擇被控變量被控變量生產(chǎn)過程中希望借助自動(dòng)控制保生產(chǎn)過程中希望借助自動(dòng)控制保持恒定值（或按一定規(guī)律變化）的變量。持恒定值（或按一定規(guī)律變化）的變量。合理選擇被控變量，關(guān)系到生產(chǎn)工藝能否達(dá)合理選擇被控變量，關(guān)系到生產(chǎn)工藝能否達(dá)到穩(wěn)定操作、保證質(zhì)量、保證安全等目的。到穩(wěn)定操作、保證質(zhì)量、保證安全等目的。被控變量的選擇依據(jù)：被控變量的選擇依據(jù)：1

5、 1、根據(jù)生產(chǎn)工藝的要求，找出影響生產(chǎn)的關(guān)、根據(jù)生產(chǎn)工藝的要求，找出影響生產(chǎn)的關(guān)鍵變量作為被控變量鍵變量作為被控變量過程控制系統(tǒng)與儀表過程控制系統(tǒng)與儀表 第第6章章例例1 儲(chǔ)槽液位控制系統(tǒng)儲(chǔ)槽液位控制系統(tǒng)工藝要求儲(chǔ)槽液位穩(wěn)定。那么設(shè)計(jì)的控制系統(tǒng)工藝要求儲(chǔ)槽液位穩(wěn)定。那么設(shè)計(jì)的控制系統(tǒng)就應(yīng)以儲(chǔ)槽液位為被控變量。就應(yīng)以儲(chǔ)槽液位為被控變量。 LC LTh過程控制系統(tǒng)與儀表過程控制系統(tǒng)與儀表 第第6章章例例2 換熱器出口溫度控制系統(tǒng)換熱器出口溫度控制系統(tǒng)工藝要求出口溫度為定值。那么設(shè)計(jì)的控制系工藝要求出口溫度為定值。那么設(shè)計(jì)的控制系統(tǒng)就應(yīng)以出口溫度為被控變量。統(tǒng)就應(yīng)以出口溫度為被控變量。熱物料熱物料載

6、熱介質(zhì)載熱介質(zhì)冷物料冷物料熱交換器熱交換器 TT TC過程控制系統(tǒng)與儀表過程控制系統(tǒng)與儀表 第第6章章2、當(dāng)不能用直接、當(dāng)不能用直接工藝工藝參數(shù)作為被控變量時(shí)，參數(shù)作為被控變量時(shí)，應(yīng)選擇與直接應(yīng)選擇與直接工藝工藝參數(shù)有單值函數(shù)關(guān)系的間接參數(shù)有單值函數(shù)關(guān)系的間接工藝工藝參數(shù)作為被控變量。參數(shù)作為被控變量。例例3 化工的精餾物純化工的精餾物純度控制系統(tǒng)度控制系統(tǒng)精餾工藝是利用被分精餾工藝是利用被分離物中各組分的揮發(fā)溫度離物中各組分的揮發(fā)溫度不同，將各組分分離。不同，將各組分分離。如圖將苯如圖將苯甲苯混合甲苯混合液進(jìn)行分離。液進(jìn)行分離。苯苯甲苯甲苯苯苯甲苯甲苯 過程控制系統(tǒng)與儀表過程控制系統(tǒng)與儀表

7、第第6章章 該精餾塔的工藝該精餾塔的工藝要求是要使塔頂（或塔要求是要使塔頂（或塔底）餾出物達(dá)到規(guī)定的底）餾出物達(dá)到規(guī)定的純度。按照被控變量的純度。按照被控變量的選擇原則選擇原則1，塔頂（或，塔頂（或塔底）餾出物的組分應(yīng)塔底）餾出物的組分應(yīng)作為被控變量。作為被控變量。但是，沒有合適但是，沒有合適的儀表在線檢測(cè)餾出物的儀表在線檢測(cè)餾出物的純度，則不能直接作的純度，則不能直接作為被控變量。為被控變量。苯苯甲苯甲苯 苯苯甲苯甲苯過程控制系統(tǒng)與儀表過程控制系統(tǒng)與儀表 第第6章章只好在與餾出物的只好在與餾出物的純度有單值關(guān)系的工藝純度有單值關(guān)系的工藝參數(shù)中，找出合適的變參數(shù)中，找出合適的變量作為被控變量，

8、進(jìn)行量作為被控變量，進(jìn)行間接參數(shù)控制。間接參數(shù)控制。經(jīng)工藝分析發(fā)現(xiàn)，經(jīng)工藝分析發(fā)現(xiàn)，塔內(nèi)壓力和塔內(nèi)溫度都塔內(nèi)壓力和塔內(nèi)溫度都對(duì)餾出物純度有影響。對(duì)餾出物純度有影響。需要對(duì)二者進(jìn)行比較試需要對(duì)二者進(jìn)行比較試驗(yàn)，選出一個(gè)合適的變驗(yàn)，選出一個(gè)合適的變量。量。苯苯甲苯甲苯 苯苯甲苯甲苯過程控制系統(tǒng)與儀表過程控制系統(tǒng)與儀表 第第6章章間接控制參數(shù)的確定間接控制參數(shù)的確定經(jīng)試驗(yàn)得出，塔頂餾出物苯的濃度分別與壓力經(jīng)試驗(yàn)得出，塔頂餾出物苯的濃度分別與壓力和溫度有單值對(duì)應(yīng)關(guān)系。（塔底餾出物甲苯也一樣）和溫度有單值對(duì)應(yīng)關(guān)系。（塔底餾出物甲苯也一樣）從工藝合理性考慮，選擇溫度作為被控變量。從工藝合理性考慮，選擇溫度

9、作為被控變量。 過程控制系統(tǒng)與儀表過程控制系統(tǒng)與儀表 第第6章章3 3、被控變量必須有足夠大的靈敏度、被控變量必須有足夠大的靈敏度被控變量必須靈敏，容易被測(cè)量。被控變量必須靈敏，容易被測(cè)量。4、選擇被控變量時(shí)，必須考慮工藝合理性選擇被控變量時(shí)，必須考慮工藝合理性上例中，選擇塔內(nèi)溫度作被控變量，就是考上例中，選擇塔內(nèi)溫度作被控變量，就是考慮了工藝上。慮了工藝上。過程控制系統(tǒng)與儀表過程控制系統(tǒng)與儀表 第第6章章6.2.2.2控制變量選擇控制變量選擇把用來(lái)克服干擾對(duì)被控變量的影響，實(shí)現(xiàn)控制把用來(lái)克服干擾對(duì)被控變量的影響，實(shí)現(xiàn)控制作用的變量稱為作用的變量稱為控制變量控制變量或或操縱變量操縱變量。最常見

10、的操。最常見的操縱變量是介質(zhì)的流量，也有以轉(zhuǎn)速、電壓等作為操縱變量是介質(zhì)的流量，也有以轉(zhuǎn)速、電壓等作為操縱變量的。縱變量的。 LC TTh過程控制系統(tǒng)與儀表過程控制系統(tǒng)與儀表 第第6章章控制變量的確定控制變量的確定被控變量選定以后，應(yīng)對(duì)工藝進(jìn)行分析，找出被控變量選定以后，應(yīng)對(duì)工藝進(jìn)行分析，找出所有影響被控變量的因素。在這些變量中，有些是所有影響被控變量的因素。在這些變量中，有些是可控的，有些是不可控的?？煽氐模行┦遣豢煽氐?。q在諸多影響被控變量的因素中選擇一個(gè)對(duì)被控在諸多影響被控變量的因素中選擇一個(gè)對(duì)被控變量影響顯著且便于控制的變量，作為控制變量；變量影響顯著且便于控制的變量，作為控制變量；

11、q其它未被選中的因素則視為系統(tǒng)的干擾。其它未被選中的因素則視為系統(tǒng)的干擾。被控變量被控變量影響變量影響變量過程控制系統(tǒng)與儀表過程控制系統(tǒng)與儀表 第第6章章對(duì)象特性對(duì)控制品質(zhì)影響的分析：對(duì)象特性對(duì)控制品質(zhì)影響的分析：1過程（通道）靜態(tài)特性對(duì)控制品質(zhì)的影響過程（通道）靜態(tài)特性對(duì)控制品質(zhì)的影響如圖所示為單回路控制系統(tǒng)的等效框圖。如圖所示為單回路控制系統(tǒng)的等效框圖。Gc(s) 控制器的傳遞函數(shù)；控制器的傳遞函數(shù)；Go(s) 廣義控制通道（包括執(zhí)行器和變送器）的傳遞函數(shù)；廣義控制通道（包括執(zhí)行器和變送器）的傳遞函數(shù)；Gf(s) 擾動(dòng)通道的傳遞函數(shù)。擾動(dòng)通道的傳遞函數(shù)。 Gc(s) Gf(s) Go(s)

12、X(s)Y(s)F(s) 過程控制系統(tǒng)與儀表過程控制系統(tǒng)與儀表 第第6章章 被控參數(shù)被控參數(shù)y(t)受到設(shè)定信號(hào)受到設(shè)定信號(hào)x(t)和干擾信號(hào)和干擾信號(hào)f(t)的的共同影響：共同影響：000( )( )( )( )X( )( )1( )( )1( )( )fcccGsGs GsY ssF sGs GsGs Gs干擾通道干擾通道控制通道控制通道 Gc(s) Gf(s) Go(s)X(s)Y(s)F(s) 過程控制系統(tǒng)與儀表過程控制系統(tǒng)與儀表 第第6章章代入系統(tǒng)偏差公式中：代入系統(tǒng)偏差公式中：)()()(sYsXsE將將 可見，控制通道偏差和干擾通道偏差的傳函可見，控制通道偏差和干擾通道偏差的傳函

13、分母是一樣的。將分母是一樣的。將Gc(s)、 Go(s)代入：代入：11sTK)s(GK)s(GsTK)s(Gfffccooo)()()()()(1)()()()(11)(sEsEsFsGsGsGsXsGsGsEfxocfoc+=+=11sTK)s(GK)s(GsTK)s(Gfffccooo000( )( )( )( )X ( )( )1( )( )1( )( )fcccGsGs GsYssFsGs GsGs Gs過程控制系統(tǒng)與儀表過程控制系統(tǒng)與儀表 第第6章章)()1(1)()()(11)(sXKKsTsTsXsGsGsEcoooocx+=+=)() 1() 1)(1() 1()()()(1

14、)()(sFsTKKsTsTsTKsFsGsGsGsEfcofoofocff+=+=vK0越大，控制作用越強(qiáng)，穩(wěn)態(tài)誤差越??；越大，控制作用越強(qiáng)，穩(wěn)態(tài)誤差越?。籿K0越大，被調(diào)參數(shù)對(duì)控制作用的反應(yīng)越靈敏，越大，被調(diào)參數(shù)對(duì)控制作用的反應(yīng)越靈敏，系統(tǒng)的閉環(huán)穩(wěn)定性越低。系統(tǒng)的閉環(huán)穩(wěn)定性越低。vKf越大，干擾作用越強(qiáng)，穩(wěn)態(tài)誤差越大。越大，干擾作用越強(qiáng)，穩(wěn)態(tài)誤差越大。故應(yīng)選放大系數(shù)大的變量作為控制變量。故應(yīng)選放大系數(shù)大的變量作為控制變量。過程控制系統(tǒng)與儀表過程控制系統(tǒng)與儀表 第第6章章2過程（通道）動(dòng)態(tài)特性對(duì)控制品質(zhì)的影響過程（通道）動(dòng)態(tài)特性對(duì)控制品質(zhì)的影響1）干擾通道動(dòng)態(tài)特性對(duì)控制品質(zhì)的影響）干擾通道動(dòng)

15、態(tài)特性對(duì)控制品質(zhì)的影響 f( )(1)Y (s)( )( )1( )( )(1)(1)(1)ffocoofocfG sK T sF sF sG s G sT sT sK K T s干擾通道的慣性因子（干擾通道的慣性因子（Tf s+1）使干擾作用）使干擾作用的的影響緩慢。影響緩慢。vTf 越大，干擾對(duì)被控變量的影響越緩慢，越有越大，干擾對(duì)被控變量的影響越緩慢，越有利于控制。利于控制。 v干擾進(jìn)入系統(tǒng)的位置離被控變量檢測(cè)點(diǎn)越遠(yuǎn)，干擾進(jìn)入系統(tǒng)的位置離被控變量檢測(cè)點(diǎn)越遠(yuǎn)，則則Tf 越大，控制時(shí)最大偏差越小。越大，控制時(shí)最大偏差越小。f( )(1)Y (s)( )( )1( )( )(1)(1)(1)f

16、focoofocfG sK T sF sF sG s G sT sT sK K T s過程控制系統(tǒng)與儀表過程控制系統(tǒng)與儀表 第第6章章例：例：某控制系統(tǒng)中，干擾某控制系統(tǒng)中，干擾f1、f2、f3分別在三個(gè)分別在三個(gè)位置進(jìn)入系統(tǒng)。干擾離被控變量檢測(cè)點(diǎn)越遠(yuǎn)，則干位置進(jìn)入系統(tǒng)。干擾離被控變量檢測(cè)點(diǎn)越遠(yuǎn)，則干擾通道的時(shí)間常數(shù)越大，對(duì)被控變量的影響越慢。擾通道的時(shí)間常數(shù)越大，對(duì)被控變量的影響越慢。010203f30G(s)G(s)G(s)Y ( )( )1( )( )csF sGs Gs0201012100G( )G(s)( )( )( )1( )( )1( )( )ccsGsFsF sGs GsGs

17、Gs過程控制系統(tǒng)與儀表過程控制系統(tǒng)與儀表 第第6章章 f1(t)通道慣性小，受干擾后被調(diào)參數(shù)變化速度通道慣性小，受干擾后被調(diào)參數(shù)變化速度快；當(dāng)控制作用見效時(shí)，被調(diào)參數(shù)已經(jīng)變化較大快；當(dāng)控制作用見效時(shí)，被調(diào)參數(shù)已經(jīng)變化較大造成動(dòng)態(tài)偏差較大。造成動(dòng)態(tài)偏差較大。 所以擾動(dòng)進(jìn)入系統(tǒng)的位置離被控參數(shù)檢測(cè)點(diǎn)越所以擾動(dòng)進(jìn)入系統(tǒng)的位置離被控參數(shù)檢測(cè)點(diǎn)越遠(yuǎn)，干擾對(duì)被控參數(shù)影響越小。遠(yuǎn)，干擾對(duì)被控參數(shù)影響越小。 過程控制系統(tǒng)與儀表過程控制系統(tǒng)與儀表 第第6章章 因?yàn)?，因?yàn)椋?f 使干擾對(duì)被使干擾對(duì)被控變量的影響推遲了控變量的影響推遲了f 時(shí)間時(shí)間，則控制作用也推遲則控制作用也推遲f 時(shí)間時(shí)間 ，整個(gè)過渡過程曲線也

18、推遲整個(gè)過渡過程曲線也推遲時(shí)間時(shí)間f ，但控制品質(zhì)未變。但控制品質(zhì)未變。v干擾通道純滯后干擾通道純滯后f不影響控制質(zhì)量。不影響控制質(zhì)量。f()( 1 )Y ( s )()()1 () ()( 1 ) ( 1 )( 1 )ff ocoofo c fGsKT sFsFsGsGsT s Ts K KTs 含有含有e f s過程控制系統(tǒng)與儀表過程控制系統(tǒng)與儀表 第第6章章 2）控制通道動(dòng)態(tài)特性對(duì)控制品質(zhì)的影響）控制通道動(dòng)態(tài)特性對(duì)控制品質(zhì)的影響tGCGVGO2GFGmfreGO1yv控制通道控制通道G01的時(shí)間常的時(shí)間常數(shù)數(shù)T01增大，使控制速度變?cè)龃?，使控制速度變慢，最大偏差增大。慢，最大偏差增大。v

19、G02是控制、干擾共用是控制、干擾共用通道，通道，T02不影響最大偏差不影響最大偏差y2(t)yk(t)yy1(t)過程控制系統(tǒng)與儀表過程控制系統(tǒng)與儀表 第第6章章y2(t)yk(t)tyy1(t)01v控制通道控制通道G01的純滯后的純滯后 ，使控制作用滯后使控制作用滯后01到達(dá)，造到達(dá)，造成控制偏差增大。成控制偏差增大。vG02是控制、干擾共用通道，是控制、干擾共用通道， 干擾作用滯后干擾作用滯后02產(chǎn)生，但控產(chǎn)生，但控制作用再滯后制作用再滯后02到達(dá)，同樣造到達(dá)，同樣造成控制偏差增大。成控制偏差增大。y2(t)yk(t)tyy1(t)220202GCGVGO2GFGmfreGO1y過程控

20、制系統(tǒng)與儀表過程控制系統(tǒng)與儀表 第第6章章 因此，控制通道時(shí)間常數(shù)因此，控制通道時(shí)間常數(shù)T0 小一些好。表明控小一些好。表明控制變量對(duì)被控變量的影響迅速，有利于控制。制變量對(duì)被控變量的影響迅速，有利于控制。 控制通道純滯后控制通道純滯后0越小越好。越小越好。 0會(huì)使控制時(shí)間會(huì)使控制時(shí)間延長(zhǎng)、最大偏差增大。延長(zhǎng)、最大偏差增大。 控制變量的選擇原則：控制變量的選擇原則： 1、控制通道應(yīng)當(dāng)放大系數(shù)大、時(shí)間常數(shù)小、純、控制通道應(yīng)當(dāng)放大系數(shù)大、時(shí)間常數(shù)小、純滯后越小越好。滯后越小越好。 2、控制變量應(yīng)是工藝上允許控制的變量，并且、控制變量應(yīng)是工藝上允許控制的變量，并且要考慮工藝的合理性與生產(chǎn)的經(jīng)濟(jì)性。要

21、考慮工藝的合理性與生產(chǎn)的經(jīng)濟(jì)性。 過程控制系統(tǒng)與儀表過程控制系統(tǒng)與儀表 第第6章章例例1中，影響儲(chǔ)槽液位的主要因素有：液體流中，影響儲(chǔ)槽液位的主要因素有：液體流入量和。這兩個(gè)變量影響力相當(dāng)，顯然，液體流出入量和。這兩個(gè)變量影響力相當(dāng)，顯然，液體流出量可控。故選液體流出量作為控制變量。量可控。故選液體流出量作為控制變量。 LC TThQiQo過程控制系統(tǒng)與儀表過程控制系統(tǒng)與儀表 第第6章章例例2中，影響出口中，影響出口溫度溫度的主要因素有：載熱介的主要因素有：載熱介質(zhì)溫度、載熱介質(zhì)流量、冷物料溫度、冷物料流量質(zhì)溫度、載熱介質(zhì)流量、冷物料溫度、冷物料流量等等。顯然，。顯然，載熱介質(zhì)流量影響力最大且

22、可控。故選載熱介質(zhì)流量影響力最大且可控。故選載熱介質(zhì)流量作為控制變量。載熱介質(zhì)流量作為控制變量。熱物料熱物料載熱介質(zhì)載熱介質(zhì)冷物料冷物料熱交換器熱交換器 TT TCQrQiTiTr過程控制系統(tǒng)與儀表過程控制系統(tǒng)與儀表 第第6章章例例3中，若選擇提餾段某塊塔板（靈敏板）的中，若選擇提餾段某塊塔板（靈敏板）的溫度作為被控變量。那么，影響靈敏板溫度溫度作為被控變量。那么，影響靈敏板溫度T靈靈的因的因素主要有：素主要有： TT進(jìn)料的流量（進(jìn)料的流量（Q入入）、）、進(jìn)料的成分（進(jìn)料的成分（ x入入）、）、進(jìn)料的溫度（進(jìn)料的溫度（T入入），），回流的流量（回流的流量（Q回回）、）、回流的溫度（回流的溫度（

23、T回回），），加熱蒸汽流量（加熱蒸汽流量（Q蒸蒸）、）、冷凝器冷卻溫度等。冷凝器冷卻溫度等。過程控制系統(tǒng)與儀表過程控制系統(tǒng)與儀表 第第6章章 這些影響因素分為可控的和不可控的兩大類：這些影響因素分為可控的和不可控的兩大類：回流量和蒸汽流量為可控因素回流量和蒸汽流量為可控因素其它基本為不可控因素其它基本為不可控因素 TT過程控制系統(tǒng)與儀表過程控制系統(tǒng)與儀表 第第6章章1、蒸汽流量對(duì)提餾、蒸汽流量對(duì)提餾段溫度影響比回流量段溫度影響比回流量對(duì)提餾段溫度影響更對(duì)提餾段溫度影響更迅速、更顯著。迅速、更顯著。2、從節(jié)能角度來(lái)講，、從節(jié)能角度來(lái)講，控制蒸汽流量比控制控制蒸汽流量比控制回流量消耗的能量要回流量

24、消耗的能量要小。小。 在兩個(gè)可控因素中，選蒸汽流量為操縱變量。在兩個(gè)可控因素中，選蒸汽流量為操縱變量。因?yàn)椋阂驗(yàn)椋?TT過程控制系統(tǒng)與儀表過程控制系統(tǒng)與儀表 第第6章章6.2.3檢測(cè)環(huán)節(jié)、執(zhí)行器及調(diào)節(jié)器正負(fù)作用選擇檢測(cè)環(huán)節(jié)、執(zhí)行器及調(diào)節(jié)器正負(fù)作用選擇 6.2.3.1傳感器、變送器選擇傳感器、變送器選擇1按照生產(chǎn)過程的工藝要求，首先確定傳感器與變按照生產(chǎn)過程的工藝要求，首先確定傳感器與變送器合適的測(cè)量范圍（量程）與精度等級(jí)。送器合適的測(cè)量范圍（量程）與精度等級(jí)。2測(cè)量?jī)x表反應(yīng)慢，會(huì)造成測(cè)量失真。應(yīng)盡可能選測(cè)量?jī)x表反應(yīng)慢，會(huì)造成測(cè)量失真。應(yīng)盡可能選擇時(shí)間常數(shù)小的傳感器、變送器。擇時(shí)間常數(shù)小的傳感器

25、、變送器。OtOtTmTmx(t)y(t)x(t)y(t)過程控制系統(tǒng)與儀表過程控制系統(tǒng)與儀表 第第6章章3合理選擇檢測(cè)點(diǎn)，避免測(cè)量造成對(duì)象純滯后合理選擇檢測(cè)點(diǎn)，避免測(cè)量造成對(duì)象純滯后0圖圖6.15 pH值控制系統(tǒng)圖值控制系統(tǒng)圖 pHT LT LC pHC中和槽中和槽貯酸槽貯酸槽l04測(cè)量信號(hào)的處理測(cè)量信號(hào)的處理 測(cè)量信號(hào)的校正與補(bǔ)償、測(cè)量噪聲的抑制、測(cè)測(cè)量信號(hào)的校正與補(bǔ)償、測(cè)量噪聲的抑制、測(cè)量信號(hào)的線性化處理。量信號(hào)的線性化處理。過程控制系統(tǒng)與儀表過程控制系統(tǒng)與儀表 第第6章章 6.2.3.2執(zhí)行器的選擇執(zhí)行器的選擇 1調(diào)節(jié)閥工作區(qū)間的選擇調(diào)節(jié)閥工作區(qū)間的選擇 正常工況下，調(diào)節(jié)閥的開度應(yīng)在正

26、常工況下，調(diào)節(jié)閥的開度應(yīng)在15%85%區(qū)區(qū)間。據(jù)此原則計(jì)算、確定控制閥的口徑尺寸。間。據(jù)此原則計(jì)算、確定控制閥的口徑尺寸。2調(diào)節(jié)閥的流量特性選擇調(diào)節(jié)閥的流量特性選擇按補(bǔ)償對(duì)象特性的原則選取。按補(bǔ)償對(duì)象特性的原則選取。3調(diào)節(jié)閥的氣開、氣關(guān)作用方式選擇調(diào)節(jié)閥的氣開、氣關(guān)作用方式選擇 按控制信號(hào)中斷時(shí)，保證生產(chǎn)設(shè)備安全的原則按控制信號(hào)中斷時(shí)，保證生產(chǎn)設(shè)備安全的原則確定。確定。過程控制系統(tǒng)與儀表過程控制系統(tǒng)與儀表 第第6章章6.2.3.3調(diào)節(jié)器正反作用的選擇調(diào)節(jié)器正反作用的選擇負(fù)反饋控制系統(tǒng)的控制作用對(duì)被控變量的影響負(fù)反饋控制系統(tǒng)的控制作用對(duì)被控變量的影響應(yīng)與干擾作用對(duì)被控變量的影響相反，才能使被控應(yīng)

27、與干擾作用對(duì)被控變量的影響相反，才能使被控變量值回復(fù)到給定值。為了保證負(fù)反饋，必須正確變量值回復(fù)到給定值。為了保證負(fù)反饋，必須正確選擇調(diào)節(jié)器的正反作用。選擇調(diào)節(jié)器的正反作用。給定值給定值測(cè)量變送器測(cè)量變送器控制器控制器執(zhí)行器執(zhí)行器對(duì)象對(duì)象操作量操作量被控變量被控變量干擾干擾過程控制系統(tǒng)與儀表過程控制系統(tǒng)與儀表 第第6章章為了說(shuō)明選擇方法，先定義作用方向：為了說(shuō)明選擇方法，先定義作用方向：當(dāng)某個(gè)環(huán)節(jié)的輸入增加時(shí)，其輸出也增加，稱該當(dāng)某個(gè)環(huán)節(jié)的輸入增加時(shí)，其輸出也增加，稱該環(huán)節(jié)為環(huán)節(jié)為“正作用正作用”；反之，稱為；反之，稱為“反作用反作用” 。按此定義：按此定義：q變送器都是正作用變送器都是正作用

28、q氣開閥是正作用，氣關(guān)閥是反作用氣開閥是正作用，氣關(guān)閥是反作用q被控對(duì)象有的正作用，有的反作用被控對(duì)象有的正作用，有的反作用q控制器作用方向以測(cè)量輸入與輸出的關(guān)系定義：控制器作用方向以測(cè)量輸入與輸出的關(guān)系定義：正作用：測(cè)量值正作用：測(cè)量值給定值給定值反作用：給定值反作用：給定值測(cè)量值測(cè)量值 過程控制系統(tǒng)與儀表過程控制系統(tǒng)與儀表 第第6章章控制系統(tǒng)中，各個(gè)環(huán)節(jié)的作用方向組合不當(dāng)控制系統(tǒng)中，各個(gè)環(huán)節(jié)的作用方向組合不當(dāng)?shù)脑?，?huì)使系統(tǒng)構(gòu)成正反饋，不但不能起控制作用，的話，會(huì)使系統(tǒng)構(gòu)成正反饋，不但不能起控制作用，反而會(huì)破壞生產(chǎn)過程的穩(wěn)定。反而會(huì)破壞生產(chǎn)過程的穩(wěn)定。 因?yàn)閳?zhí)行器和對(duì)象有正、反作用，為了保證

29、控因?yàn)閳?zhí)行器和對(duì)象有正、反作用，為了保證控制系統(tǒng)負(fù)反饋，調(diào)節(jié)器必須有正、反作用之調(diào)整。制系統(tǒng)負(fù)反饋，調(diào)節(jié)器必須有正、反作用之調(diào)整。偏差偏差控制器控制器執(zhí)行器執(zhí)行器對(duì)象對(duì)象變送器變送器給定值給定值被調(diào)參數(shù)被調(diào)參數(shù)干擾干擾測(cè)量值測(cè)量值正作用正作用反作用反作用正作用正作用正作用正作用過程控制系統(tǒng)與儀表過程控制系統(tǒng)與儀表 第第6章章 調(diào)節(jié)器正反作用的確定原調(diào)節(jié)器正反作用的確定原則：則：保證系統(tǒng)構(gòu)成負(fù)反饋保證系統(tǒng)構(gòu)成負(fù)反饋 簡(jiǎn)單的判定方法：簡(jiǎn)單的判定方法：閉合回閉合回路中有奇數(shù)個(gè)反作用環(huán)節(jié)。路中有奇數(shù)個(gè)反作用環(huán)節(jié)。偏差偏差控制器控制器執(zhí)行器執(zhí)行器對(duì)象對(duì)象變送器變送器給定值給定值被調(diào)參數(shù)被調(diào)參數(shù)干擾干擾測(cè)

30、量值測(cè)量值反作用反作用正作用正作用正作用正作用正作用正作用過程控制系統(tǒng)與儀表過程控制系統(tǒng)與儀表 第第6章章例例1：加熱爐出口溫度控制系統(tǒng)：加熱爐出口溫度控制系統(tǒng)負(fù)反饋驗(yàn)證：負(fù)反饋驗(yàn)證：設(shè)某時(shí)刻燃料壓力設(shè)某時(shí)刻燃料壓力燃料流量燃料流量爐溫爐溫出料溫度出料溫度TC輸入輸入 TC輸出輸出閥關(guān)小閥關(guān)小爐溫爐溫出料溫度出料溫度TTTC反反正正正正正正燃料燃料出料出料過程控制系統(tǒng)與儀表過程控制系統(tǒng)與儀表 第第6章章例例2：儲(chǔ)槽液位控制系統(tǒng)：儲(chǔ)槽液位控制系統(tǒng)LTLCM正正正正正正反反出料負(fù)反饋驗(yàn)證：負(fù)反饋驗(yàn)證：設(shè)某時(shí)刻進(jìn)料量設(shè)某時(shí)刻進(jìn)料量液位液位LC輸入輸入LC輸出輸出閥開大閥開大出料量出料量液位液位過程控

31、制系統(tǒng)與儀表過程控制系統(tǒng)與儀表 第第6章章6.3調(diào)節(jié)規(guī)律對(duì)控制品質(zhì)的影響與調(diào)節(jié)規(guī)律選擇調(diào)節(jié)規(guī)律對(duì)控制品質(zhì)的影響與調(diào)節(jié)規(guī)律選擇 確定調(diào)節(jié)系統(tǒng)的方案時(shí)，要根據(jù)對(duì)象的特性和工確定調(diào)節(jié)系統(tǒng)的方案時(shí)，要根據(jù)對(duì)象的特性和工藝要求，選擇合適的調(diào)節(jié)規(guī)律，使組成的調(diào)節(jié)系統(tǒng)滿藝要求，選擇合適的調(diào)節(jié)規(guī)律，使組成的調(diào)節(jié)系統(tǒng)滿足預(yù)期的品質(zhì)指標(biāo)。足預(yù)期的品質(zhì)指標(biāo)。 調(diào)節(jié)器的調(diào)節(jié)規(guī)律，即它的輸出量與輸入量（偏調(diào)節(jié)器的調(diào)節(jié)規(guī)律，即它的輸出量與輸入量（偏差值）之間的函數(shù)關(guān)系。差值）之間的函數(shù)關(guān)系。P = f ( e )-e- 測(cè)量值 給定值給定值 測(cè)量值調(diào)節(jié)器的作用是根據(jù)偏差，按規(guī)定的調(diào)節(jié)規(guī)律調(diào)節(jié)器的作用是根據(jù)偏差，按規(guī)定的調(diào)

32、節(jié)規(guī)律產(chǎn)生輸出信號(hào)，推動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)，對(duì)生產(chǎn)過程進(jìn)行調(diào)產(chǎn)生輸出信號(hào)，推動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)，對(duì)生產(chǎn)過程進(jìn)行調(diào)節(jié)。節(jié)。過程控制系統(tǒng)與儀表過程控制系統(tǒng)與儀表 第第6章章6.3.1調(diào)節(jié)規(guī)律對(duì)控制品質(zhì)影響的分析調(diào)節(jié)規(guī)律對(duì)控制品質(zhì)影響的分析 要正確地選擇調(diào)節(jié)規(guī)律，首先必須理解各要正確地選擇調(diào)節(jié)規(guī)律，首先必須理解各種調(diào)節(jié)規(guī)律對(duì)控制品質(zhì)的影響。種調(diào)節(jié)規(guī)律對(duì)控制品質(zhì)的影響。最簡(jiǎn)單的調(diào)節(jié)規(guī)律是位式調(diào)節(jié)規(guī)律。最簡(jiǎn)單的調(diào)節(jié)規(guī)律是位式調(diào)節(jié)規(guī)律。根據(jù)偏差根據(jù)偏差 e 的正、負(fù)，調(diào)節(jié)器輸出只有兩個(gè)位的正、負(fù)，調(diào)節(jié)器輸出只有兩個(gè)位置：置：0或或100%。0 e100%調(diào)節(jié)器輸出調(diào)節(jié)器輸出兩位式調(diào)節(jié)的特性兩位式調(diào)節(jié)的特性位式調(diào)節(jié)下，被控參

33、數(shù)不位式調(diào)節(jié)下，被控參數(shù)不能穩(wěn)定在給定值上。要獲得平能穩(wěn)定在給定值上。要獲得平穩(wěn)的高精度的調(diào)節(jié)，必須采用穩(wěn)的高精度的調(diào)節(jié)，必須采用連續(xù)調(diào)節(jié)規(guī)律。連續(xù)調(diào)節(jié)規(guī)律。過程控制系統(tǒng)與儀表過程控制系統(tǒng)與儀表 第第6章章要使控制過程平穩(wěn)準(zhǔn)確，必須使用輸出值能連要使控制過程平穩(wěn)準(zhǔn)確，必須使用輸出值能連續(xù)變化的調(diào)節(jié)器，采用比例，微分、積分等算法進(jìn)續(xù)變化的調(diào)節(jié)器，采用比例，微分、積分等算法進(jìn)行調(diào)節(jié)。行調(diào)節(jié)。6.3.1.1比例（比例（P）調(diào)節(jié)對(duì)系統(tǒng)控制品質(zhì)的影響）調(diào)節(jié)對(duì)系統(tǒng)控制品質(zhì)的影響比例調(diào)節(jié)器輸出變化比例調(diào)節(jié)器輸出變化u (t) 隨輸入偏差隨輸入偏差e (t)成比成比例關(guān)系：例關(guān)系： U( )1G( )E( )

34、PsssP比例度。比例度。 1u(t)e(t)P過程控制系統(tǒng)與儀表過程控制系統(tǒng)與儀表 第第6章章例例 自力式水位比例控制系統(tǒng)自力式水位比例控制系統(tǒng)浮球?yàn)樗粋鞲衅鳎軛U為控制器，活塞閥為浮球?yàn)樗粋鞲衅?，杠桿為控制器，活塞閥為執(zhí)行器。如果某時(shí)刻執(zhí)行器。如果某時(shí)刻Q2加大，造成水位下降，則浮加大，造成水位下降，則浮球帶動(dòng)活塞提高，使球帶動(dòng)活塞提高，使Q1加大阻止水位下降。加大阻止水位下降。杠桿杠桿a、b之比例關(guān)系，決定調(diào)節(jié)作用強(qiáng)弱。之比例關(guān)系，決定調(diào)節(jié)作用強(qiáng)弱。uabea1ueebP 如果如果e = 0，則活塞無(wú)，則活塞無(wú)法提高，法提高，Q1無(wú)法加大，調(diào)無(wú)法加大，調(diào)節(jié)無(wú)法進(jìn)行。節(jié)無(wú)法進(jìn)行。u過程

35、控制系統(tǒng)與儀表過程控制系統(tǒng)與儀表 第第6章章比例帶的物理意義：比例帶的物理意義：比例帶比例帶P是放大倍數(shù)是放大倍數(shù)KC的倒數(shù)，其大小決定比例的倒數(shù)，其大小決定比例控制作用的強(qiáng)弱?？刂谱饔玫膹?qiáng)弱。P越小，控制作用越強(qiáng)、系統(tǒng)調(diào)節(jié)越快、系統(tǒng)穩(wěn)越小，控制作用越強(qiáng)、系統(tǒng)調(diào)節(jié)越快、系統(tǒng)穩(wěn)定性越小。定性越小。P越小，控制余差越小。越小，控制余差越小。1u(t)e(t)Pq比例帶比例帶P對(duì)控制過程的影響對(duì)控制過程的影響過程控制系統(tǒng)與儀表過程控制系統(tǒng)與儀表 第第6章章 振蕩逐漸加劇振蕩逐漸加劇PPPPPuuuuu P越小，控制過程曲線越小，控制過程曲線越振蕩，周期縮短。越振蕩，周期縮短。 P越大，控制過程曲線越

36、大，控制過程曲線越平穩(wěn)，但控制過程時(shí)越平穩(wěn)，但控制過程時(shí)間越長(zhǎng)，余差也越大。間越長(zhǎng)，余差也越大。出現(xiàn)等幅振蕩，這時(shí)的出現(xiàn)等幅振蕩，這時(shí)的比例度稱為臨界比例度比例度稱為臨界比例度Pmin ，振蕩頻率稱為臨，振蕩頻率稱為臨界振蕩頻率界振蕩頻率M過程控制系統(tǒng)與儀表過程控制系統(tǒng)與儀表 第第6章章 q系統(tǒng)調(diào)節(jié)性能指標(biāo)（又稱可控性指標(biāo)）系統(tǒng)調(diào)節(jié)性能指標(biāo)（又稱可控性指標(biāo)）調(diào)節(jié)過程的概貌主要由四個(gè)品質(zhì)指標(biāo)來(lái)衡量：調(diào)節(jié)過程的概貌主要由四個(gè)品質(zhì)指標(biāo)來(lái)衡量： 衰減率：反映系統(tǒng)的穩(wěn)定性衰減率：反映系統(tǒng)的穩(wěn)定性振蕩頻率：反映調(diào)節(jié)速度振蕩頻率：反映調(diào)節(jié)速度余差：反映穩(wěn)態(tài)精度余差：反映穩(wěn)態(tài)精度最大動(dòng)態(tài)偏差：反映動(dòng)態(tài)精度最大

37、動(dòng)態(tài)偏差：反映動(dòng)態(tài)精度上述指標(biāo)的提高是有限度的，受制于控制系統(tǒng)上述指標(biāo)的提高是有限度的，受制于控制系統(tǒng)的的臨界比例度臨界比例度Pmin 和臨界振蕩頻率和臨界振蕩頻率M而被控對(duì)象的特性決定了控制系統(tǒng)而被控對(duì)象的特性決定了控制系統(tǒng)Pmin 和和M 的大小。的大小。過程控制系統(tǒng)與儀表過程控制系統(tǒng)與儀表 第第6章章臨界比例度臨界比例度Pmin的倒數(shù)是臨界放大倍數(shù)的倒數(shù)是臨界放大倍數(shù)KmaxKmax與與M的乘積的乘積KmaxM在一定程度上代表了在一定程度上代表了被控過程的控制性能。被控過程的控制性能。KmaxM越大，意味著：越大，意味著：控制器放大系數(shù)控制器放大系數(shù)Kc的可選上限越大（的可選上限越大（P

38、的下限的下限越?。瑒t系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)誤差越小。越?。?，則系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)誤差越小?？刂葡到y(tǒng)可選的工作頻率控制系統(tǒng)可選的工作頻率c越大，則過渡過程越大，則過渡過程越快。越快。因此，因此，KmaxM作為調(diào)節(jié)性能指標(biāo)，作為調(diào)節(jié)性能指標(biāo)，越大表明系越大表明系統(tǒng)的控制性能越好。統(tǒng)的控制性能越好。 可可用于工程上的簡(jiǎn)便判斷。用于工程上的簡(jiǎn)便判斷。過程控制系統(tǒng)與儀表過程控制系統(tǒng)與儀表 第第6章章v 比例控制的特點(diǎn)比例控制的特點(diǎn)q控制及時(shí)、適當(dāng)。只要有偏差，輸出立刻成比控制及時(shí)、適當(dāng)。只要有偏差，輸出立刻成比例地變化，偏差越大，輸出的控制作用越強(qiáng)。例地變化，偏差越大，輸出的控制作用越強(qiáng)。q控制結(jié)果控制結(jié)果存在余差。如果被調(diào)

39、量偏差為零，調(diào)存在余差。如果被調(diào)量偏差為零，調(diào)節(jié)器的輸出也就為零節(jié)器的輸出也就為零 u = e/P即調(diào)節(jié)作用是以偏差存在為前提條件，不可能即調(diào)節(jié)作用是以偏差存在為前提條件，不可能做到無(wú)靜差調(diào)節(jié)。做到無(wú)靜差調(diào)節(jié)。過程控制系統(tǒng)與儀表過程控制系統(tǒng)與儀表 第第6章章6.3.1.2積分（積分（I）調(diào)節(jié)與比例積分（）調(diào)節(jié)與比例積分（PI）調(diào)節(jié)對(duì)系）調(diào)節(jié)對(duì)系統(tǒng)控制質(zhì)量的影響統(tǒng)控制質(zhì)量的影響1 積分控制積分控制（I）輸出變化量輸出變化量p與輸入偏差與輸入偏差e的積分成正比的積分成正比001uSttIIedtedtT當(dāng)輸入偏差當(dāng)輸入偏差e是幅值為是幅值為e 的階躍時(shí)：的階躍時(shí)：01euetIIdttTTTI 積

40、分時(shí)間積分時(shí)間tu過程控制系統(tǒng)與儀表過程控制系統(tǒng)與儀表 第第6章章 2 比例積分控制（比例積分控制（PI） 將比例與積分組合起來(lái)，這樣既控制及時(shí)，又將比例與積分組合起來(lái)，這樣既控制及時(shí)，又能消除余差，可以用于控制精度要求高的場(chǎng)合。能消除余差，可以用于控制精度要求高的場(chǎng)合。若偏差是幅值為若偏差是幅值為e 的階躍干擾的階躍干擾e1u(1)PItTU( )11G( )(1)( )PIssE sT see ttu011u(e)PtIedtT過程控制系統(tǒng)與儀表過程控制系統(tǒng)與儀表 第第6章章積分時(shí)間的物理意義：積分時(shí)間的物理意義：t0I11u(edt)PTe11ue(1)PItT若偏差是幅值為若偏差是幅值

41、為e的階躍的階躍:當(dāng)當(dāng) t = TI 時(shí)時(shí):I2u(T )ePq積分時(shí)間積分時(shí)間TI對(duì)控制過程的影響對(duì)控制過程的影響e e/P2e/PuttTIe過程控制系統(tǒng)與儀表過程控制系統(tǒng)與儀表 第第6章章TI越大，積分作用越大，積分作用越弱，越弱， TI = ，積分作積分作用為零。用為零。TI減小，積分減小，積分作用增強(qiáng)，系統(tǒng)振蕩加作用增強(qiáng)，系統(tǒng)振蕩加劇，穩(wěn)定性下降。因此，劇，穩(wěn)定性下降。因此，加積分后，比例帶要適加積分后，比例帶要適當(dāng)加大。當(dāng)加大。如果如果T1適當(dāng)，系統(tǒng)適當(dāng)，系統(tǒng)能很快消除余差。能很快消除余差。 積分時(shí)間積分時(shí)間TI 對(duì)過渡過程的影響對(duì)過渡過程的影響uuuu過程控制系統(tǒng)與儀表過程控制系

42、統(tǒng)與儀表 第第6章章q積分控制可以消除余差。積分控制可以消除余差。v 積分控制的特點(diǎn)積分控制的特點(diǎn)有偏差時(shí)，積分輸出隨時(shí)間增大（或減?。?；有偏差時(shí)，積分輸出隨時(shí)間增大（或減小）；當(dāng)偏差消失時(shí)，輸出保持在某一值上。當(dāng)偏差消失時(shí)，輸出保持在某一值上。ee ttuq積分輸出信號(hào)是隨時(shí)積分輸出信號(hào)是隨時(shí)間逐漸增強(qiáng)的，控制作用間逐漸增強(qiáng)的，控制作用緩慢，故一般積分作用不緩慢，故一般積分作用不單獨(dú)使用。單獨(dú)使用。過程控制系統(tǒng)與儀表過程控制系統(tǒng)與儀表 第第6章章 6.3.1.3比例微分（比例微分（PD）調(diào)節(jié)對(duì)系統(tǒng)控制品質(zhì)的影響）調(diào)節(jié)對(duì)系統(tǒng)控制品質(zhì)的影響 對(duì)于慣性較大的對(duì)象，常常希望能加快控制速度，對(duì)于慣性較

43、大的對(duì)象，常常希望能加快控制速度，此時(shí)可增加微分作用。此時(shí)可增加微分作用。uDdeTdt式中：式中：TD 微分時(shí)間微分時(shí)間 dtde 偏差變化速度偏差變化速度 理想微分理想微分1 微分控制（微分控制（D）ee ttu過程控制系統(tǒng)與儀表過程控制系統(tǒng)與儀表 第第6章章q 微分控制能在偏差出現(xiàn)微分控制能在偏差出現(xiàn)或變化的瞬間，立即根據(jù)變或變化的瞬間，立即根據(jù)變化的趨勢(shì)，產(chǎn)生強(qiáng)烈的調(diào)節(jié)化的趨勢(shì)，產(chǎn)生強(qiáng)烈的調(diào)節(jié)作用，使偏差盡快地消除于作用，使偏差盡快地消除于萌芽狀態(tài)之中。萌芽狀態(tài)之中。q當(dāng)偏差存在，但不變化時(shí)，微分輸出為零，當(dāng)偏差存在，但不變化時(shí)，微分輸出為零，對(duì)對(duì)靜態(tài)偏差毫無(wú)抑制能力。因此不能單獨(dú)使用

44、，總要靜態(tài)偏差毫無(wú)抑制能力。因此不能單獨(dú)使用，總要和比例或比例積分調(diào)節(jié)規(guī)律結(jié)合起來(lái)，組成和比例或比例積分調(diào)節(jié)規(guī)律結(jié)合起來(lái)，組成PD調(diào)節(jié)調(diào)節(jié)器或器或PID調(diào)節(jié)器。調(diào)節(jié)器。v 微分控制的特點(diǎn)微分控制的特點(diǎn)eettu過程控制系統(tǒng)與儀表過程控制系統(tǒng)與儀表 第第6章章2 比例微分控制（比例微分控制（PD） 理想的比例微分控制理想的比例微分控制1u()PDdeeTdt1G( )(1)PDsT seettutu 理想的微分作用持續(xù)理想的微分作用持續(xù)時(shí)間太短，執(zhí)行器來(lái)不及時(shí)間太短，執(zhí)行器來(lái)不及響應(yīng)。一般使用實(shí)際的比響應(yīng)。一般使用實(shí)際的比例微分作用。例微分作用。過程控制系統(tǒng)與儀表過程控制系統(tǒng)與儀表 第第6章章微

45、分時(shí)間的物理意義微分時(shí)間的物理意義1u()PDdeeTdtDau(tT )P 若偏差是系數(shù)為若偏差是系數(shù)為a的的斜坡信號(hào)斜坡信號(hào):當(dāng)當(dāng) t = TD 時(shí)時(shí):q微分時(shí)間微分時(shí)間TD對(duì)控制過程的影響對(duì)控制過程的影響DDau(T )2TPeuttTD2aTD/PaTD/Pa過程控制系統(tǒng)與儀表過程控制系統(tǒng)與儀表 第第6章章uuutttut TD較較小，控制小，控制速度稍有加快速度稍有加快 TD=0，純比，純比例控制過程例控制過程TD太大，太大，出現(xiàn)出現(xiàn)等幅振蕩等幅振蕩 TD合適合適，控制，控制速度明顯加快速度明顯加快 微分時(shí)間微分時(shí)間TD 對(duì)過渡過程的影響對(duì)過渡過程的影響過程控制系統(tǒng)與儀表過程控制系統(tǒng)

46、與儀表 第第6章章v微分控制的微分控制的優(yōu)點(diǎn)：優(yōu)點(diǎn)：能加快系統(tǒng)的控制速度能加快系統(tǒng)的控制速度。缺點(diǎn)：缺點(diǎn)：偏偏差差存在但不變化時(shí)，無(wú)控制作用。存在但不變化時(shí)，無(wú)控制作用。q 將比例、積分、微分三種調(diào)節(jié)規(guī)律結(jié)合在一起將比例、積分、微分三種調(diào)節(jié)規(guī)律結(jié)合在一起，只要三項(xiàng)作用的強(qiáng)度配合適當(dāng)，既，只要三項(xiàng)作用的強(qiáng)度配合適當(dāng)，既能快速能快速調(diào)節(jié)調(diào)節(jié)，又能消除余差，又能消除余差，可得到滿意的可得到滿意的控制控制效果。效果。011u(t)()PtDIdeeedtTTdt11G ( )(1)PDIsT sT s過程控制系統(tǒng)與儀表過程控制系統(tǒng)與儀表 第第6章章uq 在在PID調(diào)節(jié)中，調(diào)節(jié)中，比例作用是基礎(chǔ)；微比例

47、作用是基礎(chǔ)；微分作用可以加快系統(tǒng)分作用可以加快系統(tǒng)控制速度，減小超調(diào)；控制速度，減小超調(diào)；積分作用可以消除靜積分作用可以消除靜差。但不是任何對(duì)象差。但不是任何對(duì)象都是用都是用PID 控制最好?？刂谱詈谩＿^程控制系統(tǒng)與儀表過程控制系統(tǒng)與儀表 第第6章章對(duì)某一對(duì)象，用不同控制規(guī)律時(shí)階躍干擾過程比較被控變量被控變量t無(wú)控制作用無(wú)控制作用PPDPIDPI6.3.1.4 （PID）調(diào)節(jié)對(duì)系統(tǒng)控制品質(zhì)的影響）調(diào)節(jié)對(duì)系統(tǒng)控制品質(zhì)的影響過程控制系統(tǒng)與儀表過程控制系統(tǒng)與儀表 第第6章章6.3.2調(diào)節(jié)規(guī)律的選擇調(diào)節(jié)規(guī)律的選擇1、比例控制（、比例控制（P）適用于控制通道滯后較小、負(fù)荷變化不大、適用于控制通道滯后較小

48、、負(fù)荷變化不大、工藝上沒有提出無(wú)差要求的系統(tǒng)，工藝上沒有提出無(wú)差要求的系統(tǒng)，2、比例積分控制（、比例積分控制（PI） 適用于控制通道滯后較小、負(fù)荷變化不適用于控制通道滯后較小、負(fù)荷變化不大、工藝參數(shù)不允許有余差的系統(tǒng)。大、工藝參數(shù)不允許有余差的系統(tǒng)。3、比例微分控制（、比例微分控制（PD）適用于控制通道滯后較大的系統(tǒng)。例如加熱適用于控制通道滯后較大的系統(tǒng)。例如加熱較慢的溫度控制系統(tǒng)。較慢的溫度控制系統(tǒng)。過程控制系統(tǒng)與儀表過程控制系統(tǒng)與儀表 第第6章章4、比例積分微分控制（、比例積分微分控制（PID）適用于容量滯后較大、負(fù)荷變化大、控制質(zhì)適用于容量滯后較大、負(fù)荷變化大、控制質(zhì)量要求較高的系統(tǒng)，應(yīng)

49、用最普遍的是溫度控制系統(tǒng)量要求較高的系統(tǒng)，應(yīng)用最普遍的是溫度控制系統(tǒng)與成分控制系統(tǒng)。與成分控制系統(tǒng)。 TTTC 也可根據(jù)也可根據(jù)0/T0來(lái)選擇調(diào)節(jié)來(lái)選擇調(diào)節(jié)器的調(diào)節(jié)規(guī)律：器的調(diào)節(jié)規(guī)律： 0/T00.2，用，用P或或PI 0.20/T01，用，用PD或或PID 0/T01，用簡(jiǎn)單控制系統(tǒng)效，用簡(jiǎn)單控制系統(tǒng)效果不好。果不好。過程控制系統(tǒng)與儀表過程控制系統(tǒng)與儀表 第第6章章調(diào)節(jié)規(guī)律調(diào)節(jié)規(guī)律優(yōu)優(yōu) 點(diǎn)點(diǎn)缺缺 點(diǎn)點(diǎn)應(yīng)應(yīng) 用用P靈敏、簡(jiǎn)單，只有一靈敏、簡(jiǎn)單，只有一個(gè)整定參數(shù)；個(gè)整定參數(shù)；存在靜差存在靜差負(fù)荷變化不顯著，工藝指標(biāo)負(fù)荷變化不顯著，工藝指標(biāo)要求不高的對(duì)象。要求不高的對(duì)象。PI能消除靜差，又控制能消

50、除靜差，又控制靈敏靈敏對(duì)于滯后較大的對(duì)象，對(duì)于滯后較大的對(duì)象，比例積分調(diào)節(jié)太慢，效比例積分調(diào)節(jié)太慢，效果不好。果不好。應(yīng)用于調(diào)節(jié)通道容量滯后較應(yīng)用于調(diào)節(jié)通道容量滯后較小、負(fù)荷變化不大、精度要小、負(fù)荷變化不大、精度要求高的調(diào)節(jié)系統(tǒng)。例如，流求高的調(diào)節(jié)系統(tǒng)。例如，流量調(diào)節(jié)系統(tǒng)。量調(diào)節(jié)系統(tǒng)。PD增進(jìn)調(diào)節(jié)系統(tǒng)的穩(wěn)定增進(jìn)調(diào)節(jié)系統(tǒng)的穩(wěn)定度，可調(diào)小比例度，度，可調(diào)小比例度，而加快調(diào)節(jié)過程，減而加快調(diào)節(jié)過程，減小動(dòng)態(tài)偏差和靜差小動(dòng)態(tài)偏差和靜差系統(tǒng)對(duì)高頻干擾特別敏系統(tǒng)對(duì)高頻干擾特別敏感，系統(tǒng)輸出易夾雜高感，系統(tǒng)輸出易夾雜高頻干擾。頻干擾。應(yīng)用于調(diào)節(jié)通道容量滯后較應(yīng)用于調(diào)節(jié)通道容量滯后較大，但調(diào)節(jié)精度要求不高的大

51、，但調(diào)節(jié)精度要求不高的對(duì)象。對(duì)象。PID綜合了各類調(diào)節(jié)作用綜合了各類調(diào)節(jié)作用的優(yōu)點(diǎn)，所以有更高的優(yōu)點(diǎn)，所以有更高的調(diào)節(jié)質(zhì)量。的調(diào)節(jié)質(zhì)量。對(duì)于滯后很大，負(fù)荷變對(duì)于滯后很大，負(fù)荷變化很大的對(duì)象，化很大的對(duì)象，PID調(diào)調(diào)節(jié)也無(wú)法滿足要求，應(yīng)節(jié)也無(wú)法滿足要求，應(yīng)設(shè)計(jì)復(fù)雜調(diào)節(jié)系統(tǒng)設(shè)計(jì)復(fù)雜調(diào)節(jié)系統(tǒng)應(yīng)用于調(diào)節(jié)通道容量滯后較應(yīng)用于調(diào)節(jié)通道容量滯后較大、負(fù)荷變化較大、精度要大、負(fù)荷變化較大、精度要求高的對(duì)象。求高的對(duì)象。過程控制系統(tǒng)與儀表過程控制系統(tǒng)與儀表 第第6章章6.4調(diào)節(jié)器參數(shù)的工程整定方法調(diào)節(jié)器參數(shù)的工程整定方法在控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)或安裝完畢后，被控對(duì)象、在控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)或安裝完畢后，被控對(duì)象、測(cè)量變送器和執(zhí)行

52、器這三部分的特性就完全確定測(cè)量變送器和執(zhí)行器這三部分的特性就完全確定了，不能任意改變。只能通過控制器參數(shù)的工程了，不能任意改變。只能通過控制器參數(shù)的工程整定，來(lái)調(diào)整控制系統(tǒng)的穩(wěn)定性和控制質(zhì)量。整定，來(lái)調(diào)整控制系統(tǒng)的穩(wěn)定性和控制質(zhì)量?？刂破鲄?shù)的整定控制器參數(shù)的整定，就是按照已定的控制方，就是按照已定的控制方案，求取使控制質(zhì)量最好的控制器參數(shù)值。具體案，求取使控制質(zhì)量最好的控制器參數(shù)值。具體來(lái)說(shuō)，就是確定最合適的控制器比例度來(lái)說(shuō)，就是確定最合適的控制器比例度P、積分時(shí)積分時(shí)間間TI，和微分時(shí)間和微分時(shí)間TD。過程控制系統(tǒng)與儀表過程控制系統(tǒng)與儀表 第第6章章控制器參數(shù)整定的方法很多，主要有兩大類，

53、控制器參數(shù)整定的方法很多，主要有兩大類，一類是一類是理論計(jì)算理論計(jì)算的方法，另一類是的方法，另一類是工程整定法工程整定法。q理論計(jì)算的方法是根據(jù)已知的各環(huán)節(jié)特性及控理論計(jì)算的方法是根據(jù)已知的各環(huán)節(jié)特性及控制質(zhì)量的要求，通過理論計(jì)算出控制器的最佳參數(shù)。制質(zhì)量的要求，通過理論計(jì)算出控制器的最佳參數(shù)。這種方法由于比較繁瑣、工作量大，計(jì)算結(jié)果有時(shí)這種方法由于比較繁瑣、工作量大，計(jì)算結(jié)果有時(shí)與實(shí)際情況不甚符合，故在工程實(shí)踐中長(zhǎng)期沒有得與實(shí)際情況不甚符合，故在工程實(shí)踐中長(zhǎng)期沒有得到推廣和應(yīng)用。到推廣和應(yīng)用。q工程整定法是在已經(jīng)投運(yùn)的實(shí)際控制系統(tǒng)中，工程整定法是在已經(jīng)投運(yùn)的實(shí)際控制系統(tǒng)中，通過試驗(yàn)或探索，來(lái)

54、確定控制器的最佳參數(shù)。這種通過試驗(yàn)或探索，來(lái)確定控制器的最佳參數(shù)。這種方法是工藝技術(shù)人員在現(xiàn)場(chǎng)經(jīng)常使用的。方法是工藝技術(shù)人員在現(xiàn)場(chǎng)經(jīng)常使用的。過程控制系統(tǒng)與儀表過程控制系統(tǒng)與儀表 第第6章章6.4.1穩(wěn)定邊界法（臨界比例度法）穩(wěn)定邊界法（臨界比例度法） 屬于閉環(huán)整定方法，根據(jù)純比例控制系統(tǒng)臨界屬于閉環(huán)整定方法，根據(jù)純比例控制系統(tǒng)臨界振蕩試驗(yàn)所得數(shù)據(jù)（臨界比例度振蕩試驗(yàn)所得數(shù)據(jù)（臨界比例度Pm和振蕩周期和振蕩周期Tm），），按經(jīng)驗(yàn)公式求出調(diào)節(jié)器的整定參數(shù)。按經(jīng)驗(yàn)公式求出調(diào)節(jié)器的整定參數(shù)。（1 1） 置調(diào)節(jié)器置調(diào)節(jié)器Ti ， Td=0，比例度比例度P 較較大值，將系統(tǒng)投入運(yùn)行。大值，將系統(tǒng)投入運(yùn)行

55、。（2 2） 逐漸減小逐漸減小P ，加，加干擾觀察，直到出現(xiàn)等幅減干擾觀察，直到出現(xiàn)等幅減振蕩為止。記錄此時(shí)的臨界振蕩為止。記錄此時(shí)的臨界值值Pm和和Tm。y(t)Tm 系統(tǒng)臨界振蕩曲線系統(tǒng)臨界振蕩曲線t過程控制系統(tǒng)與儀表過程控制系統(tǒng)與儀表 第第6章章v經(jīng)驗(yàn)公式雖然是在實(shí)驗(yàn)基礎(chǔ)上歸納出來(lái)的，但經(jīng)驗(yàn)公式雖然是在實(shí)驗(yàn)基礎(chǔ)上歸納出來(lái)的，但它有一定的理論依據(jù)。就以表中它有一定的理論依據(jù)。就以表中PI調(diào)節(jié)器整定數(shù)值調(diào)節(jié)器整定數(shù)值為例，可以看出為例，可以看出PI調(diào)節(jié)器的比例度較純比例調(diào)節(jié)時(shí)調(diào)節(jié)器的比例度較純比例調(diào)節(jié)時(shí)增大，這是因?yàn)榉e分作用增大，這是因?yàn)榉e分作用產(chǎn)生一滯后相位，產(chǎn)生一滯后相位，降低了降低了系

56、統(tǒng)的穩(wěn)定度的緣故。系統(tǒng)的穩(wěn)定度的緣故。根據(jù)根據(jù)Pm和和Tm，按經(jīng)驗(yàn)公式計(jì)按經(jīng)驗(yàn)公式計(jì)算出控制器的算出控制器的參數(shù)整定值。參數(shù)整定值。 整定參數(shù)整定參數(shù)調(diào)節(jié)規(guī)律調(diào)節(jié)規(guī)律 P（%） Ti Td P 2Pm PI 2.2Pm 0.85 Tm PID 1.7Pm 0.50 Tm 0.125 Tm 表表6.1 穩(wěn)定邊界法整定參數(shù)計(jì)算表穩(wěn)定邊界法整定參數(shù)計(jì)算表過程控制系統(tǒng)與儀表過程控制系統(tǒng)與儀表 第第6章章q 穩(wěn)定邊界方法在下面兩種情況下不宜采用：穩(wěn)定邊界方法在下面兩種情況下不宜采用： 臨界比例度過小時(shí)，調(diào)節(jié)閥容易游移于全開或臨界比例度過小時(shí)，調(diào)節(jié)閥容易游移于全開或全關(guān)位置，對(duì)生產(chǎn)工藝不利或不容許。例如，

57、一個(gè)全關(guān)位置，對(duì)生產(chǎn)工藝不利或不容許。例如，一個(gè)用燃料油加熱的爐子，如果閥門發(fā)生全關(guān)狀態(tài)就要用燃料油加熱的爐子，如果閥門發(fā)生全關(guān)狀態(tài)就要熄火。熄火。 工藝上的約束條件嚴(yán)格時(shí)，等幅振蕩將影響生工藝上的約束條件嚴(yán)格時(shí)，等幅振蕩將影響生產(chǎn)的安全。產(chǎn)的安全。 6.4.2衰減曲線法衰減曲線法 也屬于閉環(huán)整定方法，但也屬于閉環(huán)整定方法，但不需要尋找等幅振蕩不需要尋找等幅振蕩狀態(tài)，只需尋找最佳衰減振蕩狀態(tài)即可。狀態(tài)，只需尋找最佳衰減振蕩狀態(tài)即可。過程控制系統(tǒng)與儀表過程控制系統(tǒng)與儀表 第第6章章方法：方法：（1 1）把調(diào)節(jié)器設(shè)成比例作用（）把調(diào)節(jié)器設(shè)成比例作用（T Ti i=，T Td d=0=0），），置于

58、較大比例度，投入自動(dòng)運(yùn)行。置于較大比例度，投入自動(dòng)運(yùn)行。（2 2）在穩(wěn)定狀態(tài)下，階躍改變給定值（通常以）在穩(wěn)定狀態(tài)下，階躍改變給定值（通常以5%5%左右為宜），觀察調(diào)節(jié)過程曲線。左右為宜），觀察調(diào)節(jié)過程曲線。（3 3）適當(dāng)改變比例度，重復(fù)上述實(shí)驗(yàn)，到出現(xiàn)）適當(dāng)改變比例度，重復(fù)上述實(shí)驗(yàn)，到出現(xiàn)滿意的衰減曲線為止。滿意的衰減曲線為止。記下此時(shí)的比例度記下此時(shí)的比例度Ps及周期及周期Ts。n=10:1時(shí)，記時(shí)，記Ps及及TsTsTr過程控制系統(tǒng)與儀表過程控制系統(tǒng)與儀表 第第6章章（4 4）按表按表6-2（n=4:1）或按表）或按表6-3（n=10:1）求求得各種調(diào)節(jié)規(guī)律時(shí)的整定參數(shù)。得各種調(diào)節(jié)規(guī)律時(shí)

59、的整定參數(shù)。表表6.2 衰減比為衰減比為4:1時(shí)，時(shí)，整定參數(shù)計(jì)算表整定參數(shù)計(jì)算表表表6.3 衰減比為衰減比為10:1時(shí)，時(shí)，整定參數(shù)計(jì)算表整定參數(shù)計(jì)算表0.1Ts0.3 Ts0.8PsPID 0. 5 Ts1.2PsPIPsPTdTiP（%） 整定參數(shù)整定參數(shù)調(diào)節(jié)規(guī)律調(diào)節(jié)規(guī)律0.4Ts1.2Tr0.8PsPID 2Tr1.2PsPIPsPTdTiP（%） 整定參數(shù)整定參數(shù)調(diào)節(jié)規(guī)律調(diào)節(jié)規(guī)律過程控制系統(tǒng)與儀表過程控制系統(tǒng)與儀表 第第6章章6.4.3響應(yīng)曲線法響應(yīng)曲線法屬于開環(huán)整定方法。以被控對(duì)象控制通道的階屬于開環(huán)整定方法。以被控對(duì)象控制通道的階躍響應(yīng)為依據(jù)，通過經(jīng)驗(yàn)公式求取調(diào)節(jié)器的最佳參躍響應(yīng)

60、為依據(jù)，通過經(jīng)驗(yàn)公式求取調(diào)節(jié)器的最佳參數(shù)整定值。數(shù)整定值。方法：不加控制作用，作控制通道特性曲線。方法：不加控制作用，作控制通道特性曲線。給定值給定值測(cè)量變送器測(cè)量變送器控制器控制器執(zhí)行器執(zhí)行器對(duì)象對(duì)象被控變量被控變量過程控制系統(tǒng)與儀表過程控制系統(tǒng)與儀表 第第6章章根據(jù)實(shí)驗(yàn)所得響應(yīng)曲線，根據(jù)實(shí)驗(yàn)所得響應(yīng)曲線，找出廣義對(duì)象的特性找出廣義對(duì)象的特性參數(shù)參數(shù)K0、T0、0，用表，用表6-4的經(jīng)驗(yàn)公式求整定參數(shù)。的經(jīng)驗(yàn)公式求整定參數(shù)。T00此方法在不加控制作用的狀態(tài)下進(jìn)行，對(duì)于不允此方法在不加控制作用的狀態(tài)下進(jìn)行，對(duì)于不允許工藝失控的生產(chǎn)過程，不能使用。許工藝失控的生產(chǎn)過程，不能使用。 表表6.4 響