第5章 簡單控制系統(tǒng)

1、 第第5 5章章 簡單控制系統(tǒng)簡單控制系統(tǒng)u了解簡單控制系統(tǒng)的設(shè)計任務(wù)及開發(fā)步驟；了解簡單控制系統(tǒng)的設(shè)計任務(wù)及開發(fā)步驟； u熟悉被控過程特性對控制質(zhì)量的影響，掌握熟悉被控過程特性對控制質(zhì)量的影響，掌握被控參數(shù)、控制參數(shù)的設(shè)計原則；被控參數(shù)、控制參數(shù)的設(shè)計原則； u熟悉調(diào)節(jié)規(guī)律對控制質(zhì)量的影響，調(diào)節(jié)規(guī)律熟悉調(diào)節(jié)規(guī)律對控制質(zhì)量的影響，調(diào)節(jié)規(guī)律的選擇方法；的選擇方法； u掌握調(diào)節(jié)器作用方式的選擇掌握調(diào)節(jié)器作用方式的選擇 u掌握調(diào)節(jié)器參數(shù)的整定方法掌握調(diào)節(jié)器參數(shù)的整定方法. .由一個由一個測量變送器測量變送器、一個、一個控制器控制器、一個、一個控制閥控制閥和和一個一個被控對象被控對象所構(gòu)成的單閉環(huán)控制

2、系統(tǒng)。所構(gòu)成的單閉環(huán)控制系統(tǒng)。 5.1 簡單控制系統(tǒng)的分析簡單控制系統(tǒng)的分析由一個由一個測量變送器測量變送器、一個、一個控制器控制器、一個、一個控制閥控制閥和和一個一個被控對象被控對象所構(gòu)成的單閉環(huán)控制系統(tǒng)。所構(gòu)成的單閉環(huán)控制系統(tǒng)。 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)字表示工段號位數(shù)字表示工段號后續(xù)數(shù)字表示儀表序號后續(xù)數(shù)字表示儀表序號第第1位字母表示被控參數(shù)位字母表示被控參數(shù) LC LT儀表符號標(biāo)準(zhǔn)儀表符號標(biāo)準(zhǔn)5.1 簡單控制系統(tǒng)的分析簡單控制系統(tǒng)的分析5.1 簡單控制系統(tǒng)的分析簡單控制系統(tǒng)的分析| 控制系統(tǒng)的工作過程控制系統(tǒng)的工作過程鍋爐鍋爐是生產(chǎn)蒸汽的設(shè)備。如圖，

3、工業(yè)生產(chǎn)中的鍋爐汽包流程圖。是生產(chǎn)蒸汽的設(shè)備。如圖，工業(yè)生產(chǎn)中的鍋爐汽包流程圖。 保持鍋爐汽包內(nèi)的液位高度在規(guī)定范圍內(nèi)是非常重要的。保持鍋爐汽包內(nèi)的液位高度在規(guī)定范圍內(nèi)是非常重要的。若水位過低，則會影響產(chǎn)汽量，且鍋爐易燒干而發(fā)生事故；若水位過低，則會影響產(chǎn)汽量，且鍋爐易燒干而發(fā)生事故；若水位過高，生產(chǎn)的蒸汽含水量高，會影響蒸汽質(zhì)量；若水位過高，生產(chǎn)的蒸汽含水量高，會影響蒸汽質(zhì)量；這些都是危險的。因此這些都是危險的。因此鍋爐汽包液位鍋爐汽包液位是一個重要的工藝參數(shù)。是一個重要的工藝參數(shù)。5.1 簡單控制系統(tǒng)的分析簡單控制系統(tǒng)的分析| 控制系統(tǒng)的工作過程控制系統(tǒng)的工作過程為了保持液位為定值，手動控

4、制時主要有三步：為了保持液位為定值，手動控制時主要有三步： 觀察被控變量的數(shù)值，即汽包的液位；觀察被控變量的數(shù)值，即汽包的液位； 把觀察到的被控變量值與設(shè)定值加以比較，把觀察到的被控變量值與設(shè)定值加以比較， 根據(jù)兩者偏差大小或隨時間變化的情況，根據(jù)兩者偏差大小或隨時間變化的情況， 做出判斷并發(fā)布命令；做出判斷并發(fā)布命令； 根據(jù)命令操作給水閥，改變進(jìn)水量，根據(jù)命令操作給水閥，改變進(jìn)水量， 使液位回到設(shè)定值。使液位回到設(shè)定值。5.1 簡單控制系統(tǒng)的分析簡單控制系統(tǒng)的分析| 控制系統(tǒng)的工作過程控制系統(tǒng)的工作過程如對鍋爐汽包液位進(jìn)行精如對鍋爐汽包液位進(jìn)行精確控制，就必須采用檢測確控制，就必須采用檢測儀

5、表和自動控制裝置來代儀表和自動控制裝置來代替手工控制，這些自動控替手工控制，這些自動控制裝置和被控的工藝對象制裝置和被控的工藝對象就組成了一個就組成了一個簡單的過程簡單的過程控制系統(tǒng)控制系統(tǒng)，此時系統(tǒng)就成，此時系統(tǒng)就成為自動控制系統(tǒng)。鍋爐汽為自動控制系統(tǒng)。鍋爐汽包液位控制系統(tǒng)的管道儀包液位控制系統(tǒng)的管道儀表流程圖如圖所示。表流程圖如圖所示。 5.1 簡單控制系統(tǒng)的分析簡單控制系統(tǒng)的分析| 控制系統(tǒng)的工作過程控制系統(tǒng)的工作過程將以上鍋爐汽包液位控制系統(tǒng)用方框圖表示，可得鍋將以上鍋爐汽包液位控制系統(tǒng)用方框圖表示，可得鍋爐汽包液位控制系統(tǒng)的原理結(jié)構(gòu)圖，如圖所示。爐汽包液位控制系統(tǒng)的原理結(jié)構(gòu)圖，如圖所

6、示。5.1 簡單控制系統(tǒng)的分析簡單控制系統(tǒng)的分析| 簡單控制系統(tǒng)的組成簡單控制系統(tǒng)的組成根據(jù)鍋爐汽包液位控制系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)圖，可得簡單控制根據(jù)鍋爐汽包液位控制系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)圖，可得簡單控制系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)圖。將各個環(huán)節(jié)分別用傳遞函數(shù)描述后，系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)圖。將各個環(huán)節(jié)分別用傳遞函數(shù)描述后，可得如圖所示的簡單控制系統(tǒng)方框圖?？傻萌鐖D所示的簡單控制系統(tǒng)方框圖。圖中，圖中，G0(s)、Gm (s)、Gv(s)和和Gc(s)分別表示被控對象、測量變送裝置、分別表示被控對象、測量變送裝置、執(zhí)行器和控制器的傳遞函數(shù)。系統(tǒng)工作時，被控過程的輸出信號（被控執(zhí)行器和控制器的傳遞函數(shù)。系統(tǒng)工作時，被控過程的輸出信號（被控變量）變量

7、）y(t)通過測量變送裝置后將其變換為測量值通過測量變送裝置后將其變換為測量值ym(t)，并將測量值反，并將測量值反饋到控制器的輸入端；控制器根據(jù)系統(tǒng)被控變量的設(shè)定值饋到控制器的輸入端；控制器根據(jù)系統(tǒng)被控變量的設(shè)定值r(t)與測量值與測量值ym(t)的偏差的偏差e(t)，按照一定的控制算法輸出控制量，按照一定的控制算法輸出控制量u(t) )；執(zhí)行器根據(jù)控制；執(zhí)行器根據(jù)控制器送來的控制信號器送來的控制信號u(t)，通過改變操縱變量，通過改變操縱變量(t)的大小，對被控對象進(jìn)行的大小，對被控對象進(jìn)行調(diào)節(jié)，克服擾動調(diào)節(jié)，克服擾動d(t)對系統(tǒng)的影響，從而使被控變量對系統(tǒng)的影響，從而使被控變量y(t)

8、趨于設(shè)定值趨于設(shè)定值r(t)，達(dá)到預(yù)期的控制目標(biāo)。，達(dá)到預(yù)期的控制目標(biāo)。| 簡單控制系統(tǒng)的組成簡單控制系統(tǒng)的組成簡單控制系統(tǒng)的輸出與輸入的關(guān)系為簡單控制系統(tǒng)的輸出與輸入的關(guān)系為:)()()()()(1)()()()()()(1)()()()(000sDsGsGsGsGsGsRsGsGsGsGsGsGsGsYmvcdmvcvc| 簡單控制系統(tǒng)的組成簡單控制系統(tǒng)的組成| 簡單控制系統(tǒng)的組成簡單控制系統(tǒng)的組成)()()()(0sGsGsGsGmvp被控對象被控對象、執(zhí)行器執(zhí)行器和和測量變送裝置測量變送裝置合并為合并為廣義被控對象廣義被控對象，用用Gp( (s) )表示，即表示，即: : 圖圖: 由控

9、制器和廣義被控對象組成的簡單控制系統(tǒng)由控制器和廣義被控對象組成的簡單控制系統(tǒng)u過程控制系統(tǒng)方案設(shè)計的基本要求過程控制系統(tǒng)方案設(shè)計的基本要求 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5.2 簡單控制系統(tǒng)的設(shè)計簡單控制系統(tǒng)的設(shè)計u簡單控制系統(tǒng)設(shè)計的主要任務(wù)簡單控制系統(tǒng)設(shè)計的主要任務(wù) 選擇被控變量和操作變量選擇被控變量和操作變量 建立被控對象的數(shù)學(xué)模型建立被控對象的數(shù)學(xué)模型控制器的設(shè)計控制器的設(shè)計 檢測變送儀表的選擇檢測變送儀表的選擇執(zhí)行器的選擇執(zhí)行器的選擇5.2 簡單控制系統(tǒng)的設(shè)計簡單控制系統(tǒng)的設(shè)計| 被控變量和操作變量的選擇被控變量和操作變量的選擇被控變量被控變量生產(chǎn)過程中希望借助自動控制保

10、持生產(chǎn)過程中希望借助自動控制保持 恒定值（或按一定規(guī)律變化）的變量。合理選恒定值（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)到穩(wěn)定操擇被控變量，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。作、保證質(zhì)量、保證安全等目的。5.2 簡單控制系統(tǒng)的設(shè)計簡單控制系統(tǒng)的設(shè)計| 被控變量和操作變量的選擇被控變量和操作變量的選擇 選擇直接參數(shù)作為被控變量選擇直接參數(shù)作為被控變量 能直接反映生產(chǎn)過程中產(chǎn)品的產(chǎn)量和質(zhì)量，以及安全能直接反映生產(chǎn)過程中產(chǎn)品的產(chǎn)量和質(zhì)量，以及安全 運行的參數(shù)稱為直接參數(shù)運行的參數(shù)稱為直接參數(shù)。換熱器出口溫度控制系統(tǒng)：工藝要求出口溫度為定值。換熱器出口

11、溫度控制系統(tǒng)：工藝要求出口溫度為定值。那么設(shè)計的控制系統(tǒng)就應(yīng)以出口溫度為被控變量。那么設(shè)計的控制系統(tǒng)就應(yīng)以出口溫度為被控變量。 被控變量的選擇被控變量的選擇1 1、被控變量的選擇方法、被控變量的選擇方法精餾工藝是利用被分離物中各組精餾工藝是利用被分離物中各組分的揮發(fā)溫度不同，將各組分分分的揮發(fā)溫度不同，將各組分分離。但是，沒有合適的儀表在線離。但是，沒有合適的儀表在線檢測餾出物的純度，則不能直接檢測餾出物的純度，則不能直接作為被控變量。作為被控變量。塔內(nèi)壓力和塔內(nèi)溫度都對餾出物塔內(nèi)壓力和塔內(nèi)溫度都對餾出物純度有影響。純度有影響。苯苯甲苯甲苯苯苯甲苯甲苯 選擇間接參數(shù)作為被控變量選擇間接參數(shù)作為

12、被控變量 當(dāng)不能用直接工藝參數(shù)作為被控變量時，應(yīng)選擇與直接當(dāng)不能用直接工藝參數(shù)作為被控變量時，應(yīng)選擇與直接 工藝參數(shù)有單值函數(shù)關(guān)系的間接工藝參數(shù)作為被控變量。工藝參數(shù)有單值函數(shù)關(guān)系的間接工藝參數(shù)作為被控變量。被控變量應(yīng)能代表一定的工藝操作指標(biāo)或能反映工被控變量應(yīng)能代表一定的工藝操作指標(biāo)或能反映工 藝操作狀態(tài)；藝操作狀態(tài)；選擇能直接反映生產(chǎn)過程的產(chǎn)品產(chǎn)量和質(zhì)量，以及選擇能直接反映生產(chǎn)過程的產(chǎn)品產(chǎn)量和質(zhì)量，以及 安全運行的直接參數(shù)，或選擇與直接參數(shù)有對應(yīng)關(guān)安全運行的直接參數(shù)，或選擇與直接參數(shù)有對應(yīng)關(guān) 系、有足夠靈敏度的間接參數(shù)；系、有足夠靈敏度的間接參數(shù)；考慮工藝合理性和國內(nèi)外儀表產(chǎn)品的現(xiàn)狀考慮工

13、藝合理性和國內(nèi)外儀表產(chǎn)品的現(xiàn)狀2 2、被控變量的選擇原則、被控變量的選擇原則操作變量操作變量: : 把用來克服干擾對被控變量的影響，實現(xiàn)控把用來克服干擾對被控變量的影響，實現(xiàn)控制作用的變量稱為操作變量或控制變量。制作用的變量稱為操作變量或控制變量。 LC LTh 操作變量的選擇操作變量的選擇 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、電壓等作為操作變量的。為操作變量的。p在諸多影響被控變量的因素中選擇一個對被控變量影在諸多影響被控變量的因素中選擇一個對被控變量影響顯著且便于控制的變量，作為控制變量；響顯著且便于控制的變量，作為控制變量；p其它未

14、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 操作變量的選擇操作變量的選擇1 1、操作變量的選擇方法、操作變量的選擇方法被控變量選定以后，應(yīng)對工藝進(jìn)行分析，找出所有影被控變量選定以后，應(yīng)對工藝進(jìn)行分析，找出所有影 響被控變量的因素。在這些變量中，有些是可控的，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。有些是不可控的。操縱變量選擇應(yīng)該遵循一些原則：操縱變量選擇應(yīng)該遵循一些原則：（1 1）操縱變量必須是工藝上）操縱變量必須是工藝上的變量；的變量；（2 2）操縱變量應(yīng)該是系統(tǒng)中所有被控對象的輸入變量中對）操縱變量應(yīng)該是系統(tǒng)中所

15、有被控對象的輸入變量中對 被控變量影響最大的一個，被控變量影響最大的一個，控制通道的放大倍數(shù)控制通道的放大倍數(shù)K K要要 盡量大，時間常數(shù)盡量大，時間常數(shù)T T適當(dāng)小，滯后時間盡量小適當(dāng)小，滯后時間盡量小。 （3 3）不宜選擇代表生產(chǎn)負(fù)荷的變量作為操縱變量，以免產(chǎn)）不宜選擇代表生產(chǎn)負(fù)荷的變量作為操縱變量，以免產(chǎn) 量受到波動。量受到波動。 2 2、操作變量的選擇原則、操作變量的選擇原則如對于換熱器，通常選擇蒸汽流量作為操縱變量。如果不控制蒸汽如對于換熱器，通常選擇蒸汽流量作為操縱變量。如果不控制蒸汽流量，而是控制冷流體的流量，理論上可以使得出口溫度穩(wěn)定，但流量，而是控制冷流體的流量，理論上可以使

16、得出口溫度穩(wěn)定，但冷流體流量是生產(chǎn)負(fù)荷，一般不宜進(jìn)行控制。冷流體流量是生產(chǎn)負(fù)荷，一般不宜進(jìn)行控制。| 檢測變送儀表的選擇檢測變送儀表的選擇測量變送裝置（包括測量元件和變送器）的作用是將工測量變送裝置（包括測量元件和變送器）的作用是將工業(yè)生產(chǎn)過程的參數(shù)（如流量、壓力、溫度、物位和成分業(yè)生產(chǎn)過程的參數(shù)（如流量、壓力、溫度、物位和成分等）經(jīng)檢測并轉(zhuǎn)換為標(biāo)準(zhǔn)信號。在模擬儀表中，標(biāo)準(zhǔn)信等）經(jīng)檢測并轉(zhuǎn)換為標(biāo)準(zhǔn)信號。在模擬儀表中，標(biāo)準(zhǔn)信號通常采用號通常采用010mA、420 mA、15V電流或電壓，電流或電壓，0.020.1MPa氣壓信號；在現(xiàn)場總線儀表中，標(biāo)準(zhǔn)信號氣壓信號；在現(xiàn)場總線儀表中，標(biāo)準(zhǔn)信號是數(shù)字

17、信號。測量變送裝置的工作原理如圖所示。是數(shù)字信號。測量變送裝置的工作原理如圖所示。1 1測量變送裝置的工作原理測量變送裝置的工作原理| 檢測變送儀表的選擇檢測變送儀表的選擇 測量元件和變送器的類型繁多，現(xiàn)場總線儀表的出現(xiàn)使測測量元件和變送器的類型繁多，現(xiàn)場總線儀表的出現(xiàn)使測量變送裝置呈現(xiàn)模擬和數(shù)字并存的狀態(tài)。但它們都可用帶量變送裝置呈現(xiàn)模擬和數(shù)字并存的狀態(tài)。但它們都可用帶純遲延的一階慣性環(huán)節(jié)純遲延的一階慣性環(huán)節(jié)近似，其傳遞函數(shù)為近似，其傳遞函數(shù)為 式中，式中， 、 和和 分別為測量變送裝置的增益、時分別為測量變送裝置的增益、時間常數(shù)和純遲延時間。間常數(shù)和純遲延時間。 smmmmesTKsG1)

18、(mKmTm| 檢測變送儀表的選擇檢測變送儀表的選擇 對測量變送裝置的基本要求是對測量變送裝置的基本要求是準(zhǔn)確準(zhǔn)確、迅速迅速和和可靠可靠。準(zhǔn)確準(zhǔn)確指檢測元件和變送器能正確反映被控或被測變指檢測元件和變送器能正確反映被控或被測變量，誤差?。涣?，誤差小；迅速迅速指應(yīng)能及時反映被控或被測變量指應(yīng)能及時反映被控或被測變量的變化；的變化；可靠可靠是檢測元件和變送器的基本要求，它是檢測元件和變送器的基本要求，它應(yīng)能在環(huán)境工況下長期穩(wěn)定運行。為此需要考慮以應(yīng)能在環(huán)境工況下長期穩(wěn)定運行。為此需要考慮以下三個主要問題。下三個主要問題。 (1) (1) 在所處環(huán)境下能否正常長期工作在所處環(huán)境下能否正常長期工作 (

19、2) (2) 動態(tài)響應(yīng)是否比較迅速動態(tài)響應(yīng)是否比較迅速 (3) (3) 測量誤差是否滿足要求測量誤差是否滿足要求2檢測變送儀表的基本要求檢測變送儀表的基本要求| 檢測變送儀表的選擇檢測變送儀表的選擇 測量變送裝置信號的處理包括測量變送裝置信號的處理包括信號補(bǔ)償信號補(bǔ)償、線性化線性化、信信號濾波號濾波、數(shù)學(xué)運算數(shù)學(xué)運算、信號報警信號報警和和數(shù)學(xué)變換數(shù)學(xué)變換等。等。 硬件濾波通常采用阻容濾波環(huán)節(jié)，可以用電阻電容組硬件濾波通常采用阻容濾波環(huán)節(jié)，可以用電阻電容組成低通濾波，也可用氣阻和氣容組成濾波環(huán)節(jié)?？梢猿傻屯V波，也可用氣阻和氣容組成濾波環(huán)節(jié)?？梢越M成有源濾波、也可以組成無源濾波等。由于需要硬組成

20、有源濾波、也可以組成無源濾波等。由于需要硬件的投資，因此成本提高。軟件濾波采用計算方法，件的投資，因此成本提高。軟件濾波采用計算方法，利用程序編制各種數(shù)字濾波器實現(xiàn)信號濾波，具有投利用程序編制各種數(shù)字濾波器實現(xiàn)信號濾波，具有投資少、應(yīng)用靈活等特點，受到用戶歡迎。在智能儀表資少、應(yīng)用靈活等特點，受到用戶歡迎。在智能儀表、DCSDCS等裝置中通常采用軟件濾波。等裝置中通常采用軟件濾波。 如果測量變送裝置的信號超出工藝過程的允許范圍，如果測量變送裝置的信號超出工藝過程的允許范圍，就要進(jìn)行信號報警和聯(lián)鎖處理。就要進(jìn)行信號報警和聯(lián)鎖處理。3.檢測變送儀表信號的處理檢測變送儀表信號的處理PID控制器的調(diào)節(jié)

21、規(guī)律可根據(jù)廣義被控對象的特點進(jìn)控制器的調(diào)節(jié)規(guī)律可根據(jù)廣義被控對象的特點進(jìn) 行選擇，選擇原則如下：行選擇，選擇原則如下： 廣義對象控制通道時間常數(shù)較大或容積遲延較大時，廣義對象控制通道時間常數(shù)較大或容積遲延較大時， 應(yīng)引入應(yīng)引入微分動作微分動作. .如工藝容許有殘差，可選用比例微分動作；如工藝要求無殘差如工藝容許有殘差，可選用比例微分動作；如工藝要求無殘差則選用比例積分微分動作則選用比例積分微分動作如溫度、成分、如溫度、成分、pHpH值等控制過程值等控制過程. . 廣義對象控制通道時間常數(shù)較小，負(fù)荷變化不大，工藝要求廣義對象控制通道時間常數(shù)較小，負(fù)荷變化不大，工藝要求無殘差時，可選擇比例積分動作

22、。如管道壓力和流量控制無殘差時，可選擇比例積分動作。如管道壓力和流量控制 廣義對象控制通道時間常數(shù)較小廣義對象控制通道時間常數(shù)較小, ,負(fù)荷變化較小負(fù)荷變化較小, ,工藝要求不工藝要求不高時，可選擇比例動作，如液位控制高時，可選擇比例動作，如液位控制. .| 控制器的選型控制器的選型1 1控制器控制規(guī)律的選擇控制器控制規(guī)律的選擇如果被控對象傳遞函數(shù)為如果被控對象傳遞函數(shù)為( )1sPKeGsTs則可根據(jù)對象的可則可根據(jù)對象的可控比控比/T選擇調(diào)節(jié)器的動選擇調(diào)節(jié)器的動作規(guī)律：作規(guī)律：/T0.2：選擇比例或比例積分動作：選擇比例或比例積分動作0.21.0：采用簡單控制系統(tǒng)不能滿足控制要求，應(yīng)：采用

23、簡單控制系統(tǒng)不能滿足控制要求，應(yīng)選用復(fù)雜控制系統(tǒng)，如串級，前饋控制等選用復(fù)雜控制系統(tǒng)，如串級，前饋控制等 當(dāng)廣義對象控制通道時間常數(shù)或容積遲延很大，負(fù)荷當(dāng)廣義對象控制通道時間常數(shù)或容積遲延很大，負(fù)荷變化也很大時，簡單控制系統(tǒng)已不能滿足要求，應(yīng)設(shè)計復(fù)變化也很大時，簡單控制系統(tǒng)已不能滿足要求，應(yīng)設(shè)計復(fù)雜控制系統(tǒng)雜控制系統(tǒng)正反饋正反饋作用加劇被控對象流入量流出量的不平衡，作用加劇被控對象流入量流出量的不平衡，導(dǎo)致控制系統(tǒng)不穩(wěn)定。導(dǎo)致控制系統(tǒng)不穩(wěn)定。 負(fù)反饋負(fù)反饋作用則緩解對象中的不平衡，作用則緩解對象中的不平衡，正確地達(dá)到自正確地達(dá)到自動控制的目的。動控制的目的。2 2控制器正、反作用方式的選擇控制

24、器正、反作用方式的選擇在反饋控制系統(tǒng)中，由控制器、調(diào)節(jié)閥、被控對象和檢測變在反饋控制系統(tǒng)中，由控制器、調(diào)節(jié)閥、被控對象和檢測變送儀表構(gòu)成一個閉合回路。在連接成閉合回路時，可能出現(xiàn)送儀表構(gòu)成一個閉合回路。在連接成閉合回路時，可能出現(xiàn)兩種情況：兩種情況：正反饋正反饋和和負(fù)反饋負(fù)反饋. . 在控制系統(tǒng)方框圖中，每一個環(huán)節(jié)（方框）的作用方向都在控制系統(tǒng)方框圖中，每一個環(huán)節(jié)（方框）的作用方向都可用該環(huán)節(jié)放大系數(shù)的正、負(fù)來表示。如作用方向為正，可用該環(huán)節(jié)放大系數(shù)的正、負(fù)來表示。如作用方向為正，可在方框上標(biāo)可在方框上標(biāo)“”；如作用方向為負(fù)，可在方框上標(biāo)；如作用方向為負(fù)，可在方框上標(biāo)“”。 系統(tǒng)中各環(huán)節(jié)正、反

25、作用方向的規(guī)定系統(tǒng)中各環(huán)節(jié)正、反作用方向的規(guī)定控制系統(tǒng)中各環(huán)節(jié)的作用方向（增益符號）是這樣規(guī)定的：控制系統(tǒng)中各環(huán)節(jié)的作用方向（增益符號）是這樣規(guī)定的：正作用正作用：當(dāng)該環(huán)節(jié)的輸入信號增加時，輸出信號也隨之增加。：當(dāng)該環(huán)節(jié)的輸入信號增加時，輸出信號也隨之增加。反作用反作用：當(dāng)輸入增加時，輸出減小，即輸出與輸入變化方向相反。：當(dāng)輸入增加時，輸出減小，即輸出與輸入變化方向相反。(1)被控對象正、反作用方向的確定被控對象正、反作用方向的確定被控對象的作用方向，隨具體對象的不同而各不相同。當(dāng)過被控對象的作用方向，隨具體對象的不同而各不相同。當(dāng)過程的輸入（操縱變量）增加時，若其輸出（被控變量）也增程的輸入

26、（操縱變量）增加時，若其輸出（被控變量）也增加則屬于正作用，取加則屬于正作用，取“”；反之則為負(fù)作用，取；反之則為負(fù)作用，取“”號。號。 系統(tǒng)中各環(huán)節(jié)正、反作用方向的規(guī)定系統(tǒng)中各環(huán)節(jié)正、反作用方向的規(guī)定 對于控制閥，其作用方向取決于是對于控制閥，其作用方向取決于是氣開閥氣開閥還是還是氣關(guān)閥氣關(guān)閥。當(dāng)控制器輸出信號（即控制閥的輸入信號）增加時，當(dāng)控制器輸出信號（即控制閥的輸入信號）增加時，氣開閥的開度增加，因而流過控制閥的流體流量也增氣開閥的開度增加，因而流過控制閥的流體流量也增加，故加，故氣開閥氣開閥是正方向的，取是正方向的，取“”號；反之，當(dāng)號；反之，當(dāng)氣氣關(guān)閥關(guān)閥接收的信號增加時，流過控制

27、閥的流量反而減少，接收的信號增加時，流過控制閥的流量反而減少，所以是反方向的，取所以是反方向的，取“”號。控制閥的氣開、氣關(guān)號。控制閥的氣開、氣關(guān)作用形式應(yīng)按其選擇原則事先確定。作用形式應(yīng)按其選擇原則事先確定。（2）執(zhí)行器正、反作用方向的確定）執(zhí)行器正、反作用方向的確定(3)(3)測量變送單元正、反作用方向的確定測量變送單元正、反作用方向的確定 對于測量元件及變送器，其作用方向一般都是對于測量元件及變送器，其作用方向一般都是“正正”的。的。因為當(dāng)其輸入量（被控變量）增加時，輸出量（測量值）因為當(dāng)其輸入量（被控變量）增加時，輸出量（測量值）一般也是增加的。一般也是增加的。 由于控制器的輸出取決于

28、被控變量的測量值與設(shè)定值之差，由于控制器的輸出取決于被控變量的測量值與設(shè)定值之差，所以被控變量的測量值與設(shè)定值變化時，對輸出的作用所以被控變量的測量值與設(shè)定值變化時，對輸出的作用方向是相反的。當(dāng)誤差增加時，其輸出也增加，則該環(huán)方向是相反的。當(dāng)誤差增加時，其輸出也增加，則該環(huán)節(jié)的增益為正，反之為負(fù)。節(jié)的增益為正，反之為負(fù)。(4)(4)控制器正、反作用方向的確定控制器正、反作用方向的確定 設(shè)置的目的：保證控制系統(tǒng)成為設(shè)置的目的：保證控制系統(tǒng)成為負(fù)反饋負(fù)反饋。負(fù)反饋準(zhǔn)則：控制系統(tǒng)開環(huán)總增益為正負(fù)反饋準(zhǔn)則：控制系統(tǒng)開環(huán)總增益為正開環(huán)總增益：各組成環(huán)節(jié)的增益之積開環(huán)總增益：各組成環(huán)節(jié)的增益之積環(huán)節(jié)的增益

29、為正：當(dāng)環(huán)節(jié)輸入增加時，其輸出也增加環(huán)節(jié)的增益為正：當(dāng)環(huán)節(jié)輸入增加時，其輸出也增加 控制器正、反作用的確定控制器正、反作用的確定 給定值給定值測量變送器測量變送器控制器控制器執(zhí)行器執(zhí)行器對象對象操作量操作量被控變量被控變量干擾干擾 控制器正、反作用的確定控制器正、反作用的確定 (1)(1)邏輯推理法邏輯推理法 假定被控對象是一個假定被控對象是一個加熱過加熱過程程，即利用蒸汽加熱某種介質(zhì)，即利用蒸汽加熱某種介質(zhì)使其出口溫度自動保持在某一使其出口溫度自動保持在某一設(shè)定值上，如圖所示。如果蒸設(shè)定值上，如圖所示。如果蒸汽調(diào)節(jié)閥的開度隨著控制信號汽調(diào)節(jié)閥的開度隨著控制信號u u的加大而加大，那么就廣義被

30、的加大而加大，那么就廣義被控對象看，顯然介質(zhì)出口溫度控對象看，顯然介質(zhì)出口溫度 y y將會隨著控制信號將會隨著控制信號u u的加大而的加大而升高。如果介質(zhì)出口溫度升高。如果介質(zhì)出口溫度 y y升升高了，自動控制器就應(yīng)減小其高了，自動控制器就應(yīng)減小其輸出信號輸出信號u u才能正確地起負(fù)反饋才能正確地起負(fù)反饋控制作用，因此控制器應(yīng)置于控制作用，因此控制器應(yīng)置于反作用方式下。反作用方式下。 控制器正、反作用的確定控制器正、反作用的確定 (1)(1)邏輯推理法邏輯推理法 圖： 控制器正反作用選擇的推理過程KcKvKKmreuyym調(diào)節(jié)閥被控過程測量變送器 控制器正、反作用的確定控制器正、反作用的確定

31、Kc：調(diào)節(jié)器運算部分的增益：調(diào)節(jié)器運算部分的增益K、Kv和和Km：代表被控過程、調(diào)節(jié)閥和測量變送裝置的增益：代表被控過程、調(diào)節(jié)閥和測量變送裝置的增益為調(diào)節(jié)閥的開度為調(diào)節(jié)閥的開度 ym為被調(diào)量為被調(diào)量y的測量值。的測量值。(2)(2)判別式法判別式法 KcKvKKmreuyym調(diào)節(jié)閥被控過程測量變送器 控制器正、反作用的確定控制器正、反作用的確定 (2)(2)判別式法判別式法 為保證使整個系統(tǒng)構(gòu)成負(fù)反饋的閉環(huán)系統(tǒng)，系統(tǒng)中實際控制為保證使整個系統(tǒng)構(gòu)成負(fù)反饋的閉環(huán)系統(tǒng)，系統(tǒng)中實際控制器、執(zhí)行器、被控對象和測量變送裝置四部分的開環(huán)增益之積器、執(zhí)行器、被控對象和測量變送裝置四部分的開環(huán)增益之積必須為負(fù)，

32、即：必須為負(fù)，即：(實際控制器實際控制器 )(執(zhí)行器執(zhí)行器 )(被控對象被控對象 )=（-） （實際控制器（實際控制器 ）（執(zhí)行器（執(zhí)行器 ）（被控對象（被控對象 ）（測量變送單元（測量變送單元 ）=（-）由于測量變送單元的增益一般均為正，故控制器正反作用選擇的由于測量變送單元的增益一般均為正，故控制器正反作用選擇的判別式也可簡化為判別式也可簡化為:過程控制系統(tǒng)中的實際過程控制系統(tǒng)中的實際PIDPID控制器是由控制器是由信號比較機(jī)構(gòu)信號比較機(jī)構(gòu)和和運算運算環(huán)節(jié)環(huán)節(jié)兩部分組成的，實際兩部分組成的，實際PIDPID控制器的增益控制器的增益= =（-1-1）* *控制器控制器運算環(huán)節(jié)的增益運算環(huán)節(jié)的

33、增益。(實際控制器的運算環(huán)節(jié)實際控制器的運算環(huán)節(jié) )(執(zhí)行器執(zhí)行器 )(被控對象被控對象 )=（+） KcKvKKmreuyym調(diào)節(jié)閥被控過程測量變送器負(fù)反饋準(zhǔn)則：負(fù)反饋準(zhǔn)則：KCKVKKm0+因?qū)嶋H控制器的增益與其運算環(huán)節(jié)的增益因?qū)嶋H控制器的增益與其運算環(huán)節(jié)的增益K Kc c符號符號相反，所以要求控制器置于相反，所以要求控制器置于反作用反作用方式。方式。確定控制器的正反作用的步驟1、根據(jù)工藝安全性要求，確定、根據(jù)工藝安全性要求，確定控制閥控制閥的氣開和氣關(guān)型。的氣開和氣關(guān)型。 氣開閥的增益為正，氣關(guān)閥的增益為負(fù)氣開閥的增益為正，氣關(guān)閥的增益為負(fù)2、根據(jù)過程的輸入和輸出關(guān)系，確定、根據(jù)過程的輸

34、入和輸出關(guān)系，確定被控過程被控過程增益的正負(fù)增益的正負(fù)3、根據(jù)檢測變送環(huán)節(jié)的輸入輸出關(guān)系，確定、根據(jù)檢測變送環(huán)節(jié)的輸入輸出關(guān)系，確定檢測變送環(huán)節(jié)檢測變送環(huán)節(jié) 增益的正負(fù)增益的正負(fù)4、根據(jù)負(fù)反饋準(zhǔn)則，確定、根據(jù)負(fù)反饋準(zhǔn)則，確定控制器控制器的正反作用的正反作用補(bǔ)充補(bǔ)充5.1：加熱爐出口溫度控制系統(tǒng)：加熱爐出口溫度控制系統(tǒng)在某生產(chǎn)過程中，冷物料通過加熱爐對其進(jìn)行加熱，熱物料溫度必須在某生產(chǎn)過程中，冷物料通過加熱爐對其進(jìn)行加熱，熱物料溫度必須滿足生產(chǎn)工藝要求，故設(shè)計圖所示溫度控制系統(tǒng)流程圖，畫出系統(tǒng)框滿足生產(chǎn)工藝要求，故設(shè)計圖所示溫度控制系統(tǒng)流程圖，畫出系統(tǒng)框圖，指出被控過程，被控參數(shù)和控制參數(shù)。確定

35、調(diào)節(jié)閥的氣開、氣關(guān)圖，指出被控過程，被控參數(shù)和控制參數(shù)。確定調(diào)節(jié)閥的氣開、氣關(guān)形式和調(diào)節(jié)器正、反作用方式。形式和調(diào)節(jié)器正、反作用方式。TTTC燃料燃料出料出料補(bǔ)充補(bǔ)充5.2：儲槽液位控制系統(tǒng)：儲槽液位控制系統(tǒng)LTLCM出料如圖液位控制系統(tǒng)原理圖，生產(chǎn)工藝要求汽包水位一定必須穩(wěn)定。畫如圖液位控制系統(tǒng)原理圖，生產(chǎn)工藝要求汽包水位一定必須穩(wěn)定。畫出控制系統(tǒng)框圖，指出被控過程、被控參數(shù)和控制參數(shù)。確定調(diào)節(jié)閥出控制系統(tǒng)框圖，指出被控過程、被控參數(shù)和控制參數(shù)。確定調(diào)節(jié)閥氣開、氣關(guān)形式和調(diào)節(jié)器的正、反作用方式。氣開、氣關(guān)形式和調(diào)節(jié)器的正、反作用方式。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

36、饋驗證：負(fù)反饋驗證：設(shè)某時刻燃料壓力設(shè)某時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5.3 簡單控制系統(tǒng)的整定簡單控制系統(tǒng)的整定在控制系統(tǒng)設(shè)計或安裝完畢后，被控對象、測量變在控制系統(tǒng)設(shè)計或安裝完畢后，被控對象、測量變送器和執(zhí)行器這三部分的特性就完全確定了，不能送器和執(zhí)行器這三部分的特性就完全確定了，不能任意改變。只能通過任意改變。只能通過控制器參數(shù)的工程整定控制器參數(shù)的工程整定，來調(diào)，來調(diào)整控制系統(tǒng)的整控制系統(tǒng)的穩(wěn)定性穩(wěn)定性和和控制質(zhì)量控制質(zhì)量。控制器參數(shù)的整定控制器參數(shù)的整定，就是按

37、照已定的控制方案，就是按照已定的控制方案，求求取使控制質(zhì)量最好的控制器參數(shù)值取使控制質(zhì)量最好的控制器參數(shù)值。具體來說，就。具體來說，就是確定最合適的控制器比例度是確定最合適的控制器比例度、積分時間、積分時間T Ti i和微和微分時間分時間T Td d。 n調(diào)整調(diào)整PIDPID調(diào)節(jié)器中的三個參數(shù)調(diào)節(jié)器中的三個參數(shù)比例參數(shù)比例參數(shù) K Kc c （或者是比例帶（或者是比例帶）積分時間常數(shù)積分時間常數(shù)T Ti i微分時間常數(shù)微分時間常數(shù)T Td d控制器參數(shù)整定的方法很多，主要有兩大類，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算的方法理論計算的方法，另一類是，另一類是工程整定法工程

38、整定法。q理論計算的方法是根據(jù)已知的各環(huán)節(jié)特性及控理論計算的方法是根據(jù)已知的各環(huán)節(jié)特性及控制質(zhì)量的要求，通過制質(zhì)量的要求，通過理論計算出控制器的最佳參數(shù)理論計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，計算結(jié)果有時這種方法由于比較繁瑣、工作量大，計算結(jié)果有時與實際情況不甚符合，故在工程實踐中長期沒有得與實際情況不甚符合，故在工程實踐中長期沒有得到推廣和應(yīng)用。到推廣和應(yīng)用。q工程整定法是在工程整定法是在已經(jīng)投運的實際控制系統(tǒng)已經(jīng)投運的實際控制系統(tǒng)中，中，通過通過試驗或探索試驗或探索，來確定控制器的最佳參數(shù)。這種，來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)場經(jīng)常使用的。方法是工藝

39、技術(shù)人員在現(xiàn)場經(jīng)常使用的。| PID控制器參數(shù)的工程整定控制器參數(shù)的工程整定工程整定方法通過并不復(fù)雜的實驗，便能迅速獲得控工程整定方法通過并不復(fù)雜的實驗，便能迅速獲得控制器的近似最佳整定參數(shù)，因而在工程中得到廣泛應(yīng)制器的近似最佳整定參數(shù)，因而在工程中得到廣泛應(yīng)用。其中有一些是用。其中有一些是基于對象的階躍響應(yīng)曲線基于對象的階躍響應(yīng)曲線，有些則，有些則直接在閉環(huán)系統(tǒng)中進(jìn)行，方法簡單，易于掌握。直接在閉環(huán)系統(tǒng)中進(jìn)行，方法簡單，易于掌握。1. 動態(tài)特性參數(shù)法動態(tài)特性參數(shù)法給定值給定值測量變送器測量變送器控制器控制器執(zhí)行器執(zhí)行器對象對象被控變量被控變量( )1spKGseTs使用方法的使用方法的前提前

40、提是，廣義被控對象的階躍響應(yīng)可用一階慣性是，廣義被控對象的階躍響應(yīng)可用一階慣性環(huán)節(jié)加純延遲來近似。環(huán)節(jié)加純延遲來近似。這是一種以被控對象控制通道的這是一種以被控對象控制通道的階躍響應(yīng)曲線階躍響應(yīng)曲線為依據(jù)，通過為依據(jù)，通過一些一些經(jīng)驗公式經(jīng)驗公式求取控制器最佳參數(shù)整定值的開環(huán)整定方法。求取控制器最佳參數(shù)整定值的開環(huán)整定方法。111( )11cCddiiG sKT sT sTsTs若廣義被控對象的階躍響應(yīng)可用一階慣性環(huán)節(jié)加純延遲若廣義被控對象的階躍響應(yīng)可用一階慣性環(huán)節(jié)加純延遲來近似來近似則做實驗得對象參數(shù)則做實驗得對象參數(shù)再根據(jù)再根據(jù)Z ZN N調(diào)節(jié)器參數(shù)整定公式求取調(diào)節(jié)器參數(shù)整定公式求取PID

41、PID參數(shù)：參數(shù)：( )1spKGseTs,TK011()tdideueedt TTdt1. 動態(tài)特性參數(shù)法動態(tài)特性參數(shù)法(1) Z-N (1) Z-N 工程整定法工程整定法 背景：背景：19421942年由齊格勒年由齊格勒(Ziegler)(Ziegler)和尼科爾斯和尼科爾斯(Nichols)(Nichols)首先提出。首先提出。1. 動態(tài)特性參數(shù)法動態(tài)特性參數(shù)法n其中其中K K為系統(tǒng)的放大系數(shù)為系統(tǒng)的放大系數(shù), , T T 為時間常數(shù)為時間常數(shù), , 為純滯后時間。為純滯后時間。表表: Z-N: Z-N調(diào)節(jié)器整定參數(shù)公式調(diào)節(jié)器整定參數(shù)公式后來經(jīng)過改進(jìn)，總結(jié)出相應(yīng)的計算調(diào)節(jié)器最佳參數(shù)整定公

42、式。后來經(jīng)過改進(jìn)，總結(jié)出相應(yīng)的計算調(diào)節(jié)器最佳參數(shù)整定公式。 T TI IT Td dP PPIPIPIDPIDK(/T)1.1 K(/T)0.85 K(/T) 3.33.32.02.0 0.50.5(1) Z-N工程整定法工程整定法 n以衰減率以衰減率 為性能指標(biāo)的柯恩為性能指標(biāo)的柯恩(Cohen)-(Cohen)-庫恩庫恩(Coon)(Coon)整定公式整定公式 n以各種誤差積分值為系統(tǒng)性能指標(biāo)的調(diào)以各種誤差積分值為系統(tǒng)性能指標(biāo)的調(diào)節(jié)器最佳數(shù)整定公式節(jié)器最佳數(shù)整定公式 75. 01(/)0.333 cK KT120.9( / )0.082/3.33( / )0.3( / ) /12.2( /

43、 ) ciK KTT TTTT121.35( /)0.27/2.5( /)0.5( /) /10.6( /) /0.37( /)/10.2( /)cidK KTT TTTTTTTT1）比例調(diào)節(jié)器比例調(diào)節(jié)器2 2）比例積分調(diào)節(jié)器）比例積分調(diào)節(jié)器 3 3）比例積分微分調(diào)節(jié)器）比例積分微分調(diào)節(jié)器（2）柯恩）柯恩(Cohen)-庫恩庫恩(Coon)整定公式整定公式 （3）以各種誤差積分值為系統(tǒng)性能指標(biāo)的工程整定方法）以各種誤差積分值為系統(tǒng)性能指標(biāo)的工程整定方法 n隨著仿真技術(shù)的發(fā)展，又提出了以各種誤差積分值為系統(tǒng)隨著仿真技術(shù)的發(fā)展，又提出了以各種誤差積分值為系統(tǒng)性能指標(biāo)的性能指標(biāo)的PIDPID控制器最

44、佳參數(shù)整定公式控制器最佳參數(shù)整定公式其中，以上整定公式中的各系數(shù)在不同誤差積分性能指標(biāo)下其中，以上整定公式中的各系數(shù)在不同誤差積分性能指標(biāo)下的取值如表所示。的取值如表所示。(/)/=(/)/=(/)BcDiFdK KATT TCTTTET（3）以各種誤差積分值為系統(tǒng)性能指標(biāo)的工程整定方法）以各種誤差積分值為系統(tǒng)性能指標(biāo)的工程整定方法 表：表： Z-N及及IAE、ISE、ITAE性能指標(biāo)的各系數(shù)取值：性能指標(biāo)的各系數(shù)取值：性能指標(biāo)調(diào)節(jié)規(guī)律ABCDEFZ-NIAEISEITAE P1.0000.9021.4110.9041.0000.9850.9171.084 Z-NIAEISEITAE PI0.

45、9000.9841.3050.8591.0000.9860.9590.9773.3331.6442.0331.4841.0000.7070.7390.680 Z-NIAEISEITAE PID1.2001.4351.4951.3571.0000.9210.9450.9472.0001.1390.9171.1761.0000.7490.7710.7380.5000.4820.5600.3811.0001.1371.0060.995調(diào)節(jié)器調(diào)節(jié)器Ti ， Td=0，比例度，比例度較大值，較大值， 將系統(tǒng)投入運行。將系統(tǒng)投入運行。逐漸減小逐漸減小 ，直到出現(xiàn)，直到出現(xiàn) 等幅振蕩為止。等幅振蕩為止。 記

46、錄此時的臨界值記錄此時的臨界值cr和和Tcr。 系統(tǒng)臨界振蕩曲線系統(tǒng)臨界振蕩曲線y(t)Tcrt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)臨界振蕩試驗所得數(shù)據(jù)（臨界比例度所得數(shù)據(jù)（臨界比例度cr和振蕩周期和振蕩周期Tcr），按經(jīng)驗公式），按經(jīng)驗公式求出調(diào)節(jié)器的整定參數(shù)。求出調(diào)節(jié)器的整定參數(shù)。2. 穩(wěn)定邊界法穩(wěn)定邊界法v經(jīng)驗公式雖然是在實驗基礎(chǔ)上歸納出來的，但經(jīng)驗公式雖然是在實驗基礎(chǔ)上歸納出來的，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)時調(diào)節(jié)器的比

47、例度較純比例調(diào)節(jié)時增大，這是因為積分作用增大，這是因為積分作用產(chǎn)生一滯后相位，產(chǎn)生一滯后相位，降低了降低了系統(tǒng)的穩(wěn)定度的緣故。系統(tǒng)的穩(wěn)定度的緣故。(3) 根據(jù)根據(jù)cr和和Tcr，按經(jīng)驗公，按經(jīng)驗公式計算出控制式計算出控制器的參數(shù)整定器的參數(shù)整定值。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 Ti Td P 2cr PI 2.2cr 0.85 Tcr PID 1.67cr 0.50 Tcr 0.125 Tcr 表表： 穩(wěn)定邊界法整定參數(shù)計算表穩(wěn)定邊界法整定參數(shù)計算表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，調(diào)節(jié)閥容易游移于全開或全關(guān)位置，臨界比

48、例度過小時，調(diào)節(jié)閥容易游移于全開或全關(guān)位置， 對生產(chǎn)工藝不利或不容許。例對生產(chǎn)工藝不利或不容許。例:一個用燃料油加熱的爐子，一個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。如果閥門發(fā)生全關(guān)狀態(tài)就要熄火。工藝上的約束條件嚴(yán)格時，等幅振蕩將影響生產(chǎn)的安全。工藝上的約束條件嚴(yán)格時，等幅振蕩將影響生產(chǎn)的安全。 TsTr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），置于較大比例），置于較大比例 度，投入自動運行。度，投入自動運行。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），左右為宜）， 觀察調(diào)節(jié)過程曲線。若系統(tǒng)

49、響應(yīng)衰減太快，則減小比例帶，觀察調(diào)節(jié)過程曲線。若系統(tǒng)響應(yīng)衰減太快，則減小比例帶， 反之，系統(tǒng)響應(yīng)衰減過慢，應(yīng)增加比例帶。反之，系統(tǒng)響應(yīng)衰減過慢，應(yīng)增加比例帶。適當(dāng)改變比例度，重復(fù)上述實驗至滿意的衰減曲線為止。適當(dāng)改變比例度，重復(fù)上述實驗至滿意的衰減曲線為止。3.衰減曲線法衰減曲線法屬于閉環(huán)整定方法，但不需要尋找等幅振蕩狀態(tài)，只需尋找屬于閉環(huán)整定方法，但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)最佳衰減振蕩狀態(tài)( (衰減比為衰減比為4:14:1，或，或10:110:1的振蕩過程的振蕩過程) )即可。即可。記下此時的比例度記下此時的比例度s及周期及周期Ts。按表（按表（n n=4:1=4:1

50、）或按表（）或按表（n n=10:1=10:1）求得各種調(diào)節(jié)規(guī)律）求得各種調(diào)節(jié)規(guī)律 時的整定參數(shù)。時的整定參數(shù)。衰減比為衰減比為4:1時，時，整定參數(shù)計算表整定參數(shù)計算表衰減比為衰減比為10:1時，時，整定參數(shù)計算表整定參數(shù)計算表0.1Ts0.3 Ts0.8sPID 0. 5 Ts1.2 sPI sPTdTi（%） 整定參數(shù)整定參數(shù)調(diào)節(jié)規(guī)律調(diào)節(jié)規(guī)律0.4Ts1.2Tr0.8sPID 2Tr1.2sPIsPTdTi（%） 整定參數(shù)整定參數(shù)調(diào)節(jié)規(guī)律調(diào)節(jié)規(guī)律4.4.經(jīng)驗整定法經(jīng)驗整定法 在現(xiàn)場控制系統(tǒng)整定工作中，經(jīng)驗豐富的運行人員常常采用經(jīng)驗整定法經(jīng)驗整定法。這種方法實質(zhì)上是一種經(jīng)驗試湊法，它不需要

51、進(jìn)行上述方法所要求的試驗和計算，而是根據(jù)運行經(jīng)驗，先確定一組調(diào)節(jié)器參數(shù)，并將系統(tǒng)投入運行，然后人為加入階躍擾動(通常為調(diào)節(jié)器的設(shè)定值擾動)，觀察被調(diào)量或調(diào)節(jié)器輸出的階躍響應(yīng)曲線，并依照調(diào)節(jié)器各參數(shù)對調(diào)節(jié)過程的影響，改變相應(yīng)的整定參數(shù)值。一般先后Ti和Td，如此反復(fù)試驗多次，直到獲得滿意的階躍響應(yīng)曲線為止。經(jīng)驗整定法 （經(jīng)驗試湊法 ）n根據(jù)經(jīng)驗先選一組控制器參數(shù)n將系統(tǒng)投入運行n根據(jù)運行情況依經(jīng)驗調(diào)整PID參數(shù)經(jīng)驗湊試法具體步驟經(jīng)驗湊試法具體步驟 n按先比例（按先比例（P)P)再積分（再積分（I I）最后微分（）最后微分（D D）的順序。）的順序。 置調(diào)節(jié)器積分時間置調(diào)節(jié)器積分時間T Ti i=

52、，微分時間，微分時間T Td d=0=0，在比，在比例例度度按經(jīng)驗設(shè)置的初值條件下，將系統(tǒng)投入按經(jīng)驗設(shè)置的初值條件下，將系統(tǒng)投入運行，整定比例度運行，整定比例度。求得滿意的。求得滿意的4 4：1 1過渡過過渡過程曲線。程曲線。 引入積分作用（此時應(yīng)將上述比例度引入積分作用（此時應(yīng)將上述比例度加大加大1.21.2倍）。將倍）。將T Ti i由大到小進(jìn)行整定。由大到小進(jìn)行整定。 若需引入微分作用時，則將若需引入微分作用時，則將T Td d按經(jīng)驗值或按照按經(jīng)驗值或按照T Td d= =（1/31/31/41/4）T Ti i設(shè)置，并由小到大加入。設(shè)置，并由小到大加入。 Kp微分微分積分積分PID調(diào)節(jié)

53、規(guī)律n參數(shù)整定找最佳，從小到大順序查參數(shù)整定找最佳，從小到大順序查n先是比例后積分，最后再把微分加先是比例后積分，最后再把微分加n曲線振蕩很頻繁，比例度盤要放大曲線振蕩很頻繁，比例度盤要放大n曲線漂浮繞大灣，比例度盤往小扳曲線漂浮繞大灣，比例度盤往小扳n曲線偏離回復(fù)慢，積分時間往下降曲線偏離回復(fù)慢，積分時間往下降n曲線波動周期長，積分時間再加長曲線波動周期長，積分時間再加長n曲線振蕩頻率快，先把微分降下來曲線振蕩頻率快，先把微分降下來n動差大來波動慢。微分時間應(yīng)加長動差大來波動慢。微分時間應(yīng)加長n理想曲線兩個波，前高后低理想曲線兩個波，前高后低4比比1n一看二調(diào)多分析，調(diào)節(jié)質(zhì)量不會低一看二調(diào)多

54、分析，調(diào)節(jié)質(zhì)量不會低 整定方法整定方法優(yōu)優(yōu) 點點缺缺 點點反應(yīng)曲線法反應(yīng)曲線法方法簡單方法簡單系統(tǒng)開環(huán)，被調(diào)量變化系統(tǒng)開環(huán)，被調(diào)量變化較大，影響生產(chǎn)較大，影響生產(chǎn)穩(wěn)定邊界法穩(wěn)定邊界法系統(tǒng)閉環(huán)系統(tǒng)閉環(huán)會出現(xiàn)被調(diào)量等幅振蕩會出現(xiàn)被調(diào)量等幅振蕩衰減曲線法衰減曲線法系統(tǒng)閉環(huán)，安全系統(tǒng)閉環(huán)，安全實驗費時實驗費時經(jīng)驗法經(jīng)驗法系統(tǒng)閉環(huán)，不需計算系統(tǒng)閉環(huán)，不需計算需要經(jīng)驗需要經(jīng)驗幾種整定方法的比較幾種整定方法的比較不同不同：反應(yīng)曲線法通用性最強(qiáng)；臨界比例度法和衰減曲線法都無需掌：反應(yīng)曲線法通用性最強(qiáng)；臨界比例度法和衰減曲線法都無需掌握被控過程的數(shù)學(xué)模型；從閉環(huán)試驗對干擾有較好的抑制作用，開環(huán)握被控過程的數(shù)學(xué)模

55、型；從閉環(huán)試驗對干擾有較好的抑制作用，開環(huán)試驗對外界干擾的抑制能力很差的意義上說，衰減曲線法最好，臨界試驗對外界干擾的抑制能力很差的意義上說，衰減曲線法最好，臨界比例度法次之，反應(yīng)曲線法最差。比例度法次之，反應(yīng)曲線法最差。5. 等效控制器等效控制器n動態(tài)特性參數(shù)法整定計算時，常常把簡單控制系統(tǒng)簡化為調(diào)節(jié)器和被控對象兩大環(huán)節(jié)，分別稱為等效調(diào)節(jié)器等效調(diào)節(jié)器和等效廣義被控對象等效廣義被控對象。n它們之間如何劃分會直接影響實際調(diào)節(jié)器參數(shù)與等效調(diào)節(jié)器參數(shù)之間的關(guān)系。實際控制器實際控制器等效控制器等效控制器：n在通過試驗測取動態(tài)特性時，如果調(diào)節(jié)閥并未考慮在被控對象的范圍之內(nèi)，則等效廣義被控對象的傳遞函數(shù)G

56、p(s)為 n此時等效調(diào)節(jié)器的傳遞函數(shù)Gc*(s)為)()()(*sGsGsGvcc( )( )( )pomGsG s GsGC(s)Gv(s)Go(s)Gm(s)_r(t)e(t)y(t)u(t)n由于調(diào)節(jié)閥Gv(s)可近似視為比例環(huán)節(jié)，即Gv(s)Kv，因此，當(dāng)調(diào)節(jié)器為 PID作用時，等效 PID調(diào)節(jié)器的傳遞函數(shù)為:*1111( )(1)(1)cvddiiGsKT sT sTsTs：n如果試驗測取的廣義對象動態(tài)特性已包括調(diào)節(jié)閥，即n則等效調(diào)節(jié)器就是調(diào)節(jié)器本身，即)()()()(sGsGsGsGmvcp)11 (1)()(*sTsTsGsGDIcc (3GC(s)Gv(s)Go(s)Gm(s

57、)_r(t)e(t)y(t)u(t)n當(dāng)然，如果用機(jī)理法求得被控對象動態(tài)特性為 Go(s)，那么等效調(diào)節(jié)器的傳遞函數(shù)為：式中，mvKK/*為等效比例帶，其中mK為測量變送裝置的轉(zhuǎn)換系數(shù)。: GC(s)Gv(s)Go(s)Gm(s)_r(t)e(t)y(t)u(t)*11( )( )( )( )(1)ccvmdiGsG s G s GsT sTsn上述的不論是調(diào)節(jié)器參數(shù)理論計算方法還是工程整定法中的動態(tài)特性參數(shù)法，都是以上圖所示的由廣義被控對象Gp(s)和等效調(diào)節(jié)器Gc*(s)組成的簡單控制系統(tǒng)為基礎(chǔ)的。這樣，整定計算所得的均為等效調(diào)節(jié)器的等效比例帶，必須經(jīng)過換算后才得到調(diào)節(jié)器的比例帶。6.調(diào)節(jié)

58、器各參數(shù)實際值參數(shù)實際值與刻度值刻度值n整定計算得到整定計算得到的是調(diào)節(jié)器各參數(shù)的實際值。實際值。n對于工業(yè) PID調(diào)節(jié)器，由于、TI和Td各參數(shù)之間存在相互干擾，必須考慮調(diào)節(jié)器各參數(shù)實際值參數(shù)實際值與刻度值刻度值之間的轉(zhuǎn)換關(guān)系。n由調(diào)節(jié)器動態(tài)特性分析可知，由調(diào)節(jié)器動態(tài)特性分析可知，干擾系數(shù)干擾系數(shù) F為為 n式中，式中，Td*、Ti *分別為調(diào)節(jié)器微分時間和積分時間的刻分別為調(diào)節(jié)器微分時間和積分時間的刻度值；度值；為與調(diào)節(jié)器結(jié)構(gòu)有關(guān)的系數(shù)。為與調(diào)節(jié)器結(jié)構(gòu)有關(guān)的系數(shù)。*1diTFT n對于不同類型的調(diào)節(jié)器，系數(shù)對于不同類型的調(diào)節(jié)器，系數(shù)各不相同，且隨各不相同，且隨T Td d* *、T Ti

59、i * *取值取值不同而變化。通過分析可知，調(diào)節(jié)器整定參數(shù)的不同而變化。通過分析可知，調(diào)節(jié)器整定參數(shù)的刻度值刻度值、實實際值際值與與干擾系數(shù)干擾系數(shù) F 之間關(guān)系如下：之間關(guān)系如下： n式中，式中，* *、T Ti i* *和和T Td d* *分別為調(diào)節(jié)器比例帶、積分時間、微分時分別為調(diào)節(jié)器比例帶、積分時間、微分時間的刻度值；間的刻度值；、T Ti i和和T Td d分別為調(diào)節(jié)器比例帶、積分時間、微分別為調(diào)節(jié)器比例帶、積分時間、微分時間的實際值。分時間的實際值。*1;iiddFTT TFTFn調(diào)節(jié)器處于 P、PI和 PD工作狀態(tài)時，F(xiàn)l，可近似地認(rèn)為調(diào)節(jié)器參數(shù)的刻度值和實際值是一致的。但是，

60、當(dāng)處于 PID工作狀態(tài)時，F(xiàn)l，且為Td*/Ti*的函數(shù)。所以，在整定 PID調(diào)節(jié)器各參數(shù)時，必須按公式進(jìn)行轉(zhuǎn)換，由它的實際值計算調(diào)節(jié)器參數(shù)的刻度值它的實際值計算調(diào)節(jié)器參數(shù)的刻度值，對PID控制器進(jìn)行設(shè)置。n例：例： 某溫度控制系統(tǒng)采用 PI調(diào)節(jié)器。在調(diào)節(jié)閥擾動量=20%時，測得溫度控制通道階躍響應(yīng)特性參數(shù)：穩(wěn)定時溫度變化（）60；時間常數(shù) T300s；純遲延時間 10s。溫度變送器量程為0一100，且溫度變送器和調(diào)節(jié)器均為 DDZIII型儀表。試求調(diào)節(jié)器、TI的刻度值。ssesKeTsKssYsG1000013001)()()(%)C/( 320600K 解：解： (1) 確定控制器的比例帶