簡(jiǎn)單控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)課件

6.1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)控制閥和一個(gè)對(duì)象所構(gòu)成的單閉環(huán)控制系統(tǒng)。

第6章簡(jiǎn)單控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與參數(shù)整定熱物料載熱介質(zhì)冷物料熱交換器TTTC控制系統(tǒng)工藝流程圖LCLTTC206后續(xù)字母表示儀表功能第1位數(shù)字表示工段號(hào)后續(xù)數(shù)字表示儀表序號(hào)第1位字母表示被控參數(shù)儀表符號(hào)標(biāo)準(zhǔn)控制系統(tǒng)原理方框圖給定值＋－測(cè)量變送器控制器執(zhí)行器對(duì)象操作量被控變量干擾3.過(guò)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2）建立被控過(guò)程的數(shù)學(xué)模型3）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(guò)程控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)的關(guān)鍵步驟。

4）控制設(shè)備選型5）實(shí)驗(yàn)（或仿真）驗(yàn)證6.2.2被控參數(shù)與控制變量的選擇6.2.2.1被控參數(shù)的選擇被控變量—生產(chǎn)過(guò)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。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。被控變量的選擇依據(jù)：1、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例1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)就應(yīng)以?xún)?chǔ)槽液位為被控變量。LCLTh2、當(dāng)不能用直接工藝參數(shù)作為被控變量時(shí)，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。例3化工的精餾物純度控制系統(tǒng)精餾工藝是利用被分離物中各組分的揮發(fā)溫度不同，將各組分分離。如圖將苯—甲苯混合液進(jìn)行分離。苯—甲苯苯甲苯

該精餾塔的工藝要求是要使塔頂（或塔底）餾出物達(dá)到規(guī)定的純度。按照被控變量的選擇原則1，塔頂（或塔底）餾出物的組分應(yīng)作為被控變量。但是，沒(méi)有合適的儀表在線(xiàn)檢測(cè)餾出物的純度，則不能直接作為被控變量。苯甲苯

苯—甲苯只好在與餾出物的純度有單值關(guān)系的工藝參數(shù)中，找出合適的變量作為被控變量，進(jìn)行間接參數(shù)控制。經(jīng)工藝分析發(fā)現(xiàn)，塔內(nèi)壓力和塔內(nèi)溫度都對(duì)餾出物純度有影響。需要對(duì)二者進(jìn)行比較試驗(yàn)，選出一個(gè)合適的變量。苯甲苯

苯—甲苯3、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。4、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，就是考慮了工藝上，塔內(nèi)壓力是最佳分離效率控制系統(tǒng)的被控變量。上例中，若塔頂、塔底的產(chǎn)品純度都分別設(shè)置溫控系統(tǒng)，會(huì)相互干擾，存在關(guān)聯(lián)。因此，若采用簡(jiǎn)單控制系統(tǒng)，只能設(shè)置一個(gè)溫控系統(tǒng)，保證塔頂或塔底一端的產(chǎn)品質(zhì)量。6.2.2.2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)控制作用的變量稱(chēng)為控制變量或操縱變量。最常見(jiàn)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的。LCTTh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。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；其它未被選中的因素則視為系統(tǒng)的干擾。被控變量影響變量被控參數(shù)y(t)受到設(shè)定信號(hào)x(t)和干擾信號(hào)f(t)的共同影響：干擾通道控制通道Gc(s)Gf(s)Go(s)X(s)Y(s)＋F(s)＋＋－代入系統(tǒng)偏差公式中：將可見(jiàn)，控制通道偏差和干擾通道偏差的傳函分母是一樣的。將Gc(s)、Go(s)代入：K0越大，控制作用越強(qiáng)，穩(wěn)態(tài)誤差越??；K0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。Kf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。例：某控制系統(tǒng)中，干擾f1、f2、f3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)，則干擾通道的時(shí)間常數(shù)越大，對(duì)被控變量的影響越慢。y(t)yk(t)tyy’(t)ybt1+Δtt1yk(t)—開(kāi)環(huán)響應(yīng)曲線(xiàn)y(t)—閉環(huán)響應(yīng)曲線(xiàn)；y’(t)—控制器對(duì)偏差校正曲線(xiàn)yb—控制器的靈敏限f1(t)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(jiàn)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。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。y(t)yk(t)tyyk(t)yy(t)tyk(t)yy(t)t

2）控制通道動(dòng)態(tài)特性對(duì)控制品質(zhì)的影響t系統(tǒng)控制性能的評(píng)價(jià)控制通道時(shí)間常數(shù)T0對(duì)控制品質(zhì)的影響T0大→控制影響緩慢→控制品質(zhì)差多個(gè)時(shí)間常數(shù)時(shí)，時(shí)間常數(shù)應(yīng)錯(cuò)開(kāi)控制通道滯后τ0對(duì)控制品質(zhì)的影響包含控制器通道，臨界放大系數(shù)和臨界震蕩頻率2023/3/3126單回路控制系統(tǒng)閉環(huán)傳遞函數(shù)系統(tǒng)的特征方程為

特征方程包含有純滯后環(huán)節(jié)，使系統(tǒng)的穩(wěn)定性下降，尤其當(dāng)較大時(shí)，系統(tǒng)就會(huì)不穩(wěn)定。

圖18帶純滯后環(huán)節(jié)的控制系統(tǒng)

分析：因此，控制通道時(shí)間常數(shù)T0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?？刂仆ǖ兰儨螃?越小越好。τ0會(huì)使控制時(shí)間延長(zhǎng)、最大偏差增大。1、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。2、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。

控制變量的選擇原則：1、控制變量可控；2、應(yīng)比其他干擾對(duì)被控參數(shù)影響靈敏；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。3、應(yīng)使干擾對(duì)被控參數(shù)影響減??；Kf，Tf，擾動(dòng)位置4、當(dāng)被控過(guò)程存在多個(gè)時(shí)間常數(shù)時(shí)，應(yīng)使時(shí)間常數(shù)錯(cuò)開(kāi)，且其中一個(gè)時(shí)間常數(shù)比其他常數(shù)大很多5、除控制品質(zhì)角度考慮外，還要考慮工藝的合理性與生產(chǎn)的經(jīng)濟(jì)性。

例1中，影響儲(chǔ)槽液位的主要因素有：液體流入量和液體流出量。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。LCLThQiQo例2中，影響出口溫度的主要因素有：載熱介質(zhì)溫度、載熱介質(zhì)流量、冷物料溫度、冷物料流量等。顯然，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。熱物料載熱介質(zhì)冷物料熱交換器TTTCQrQiTiTr例3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T靈的因素主要有：

TT進(jìn)料的流量（Q入）、進(jìn)料的成分（x入）、進(jìn)料的溫度（T入），回流的流量（Q回）、回流的溫度（T回），加熱蒸汽流量（Q蒸）、冷凝器冷卻溫度等。

這些影響因素分為可控的和不可控的兩大類(lèi)：回流量和蒸汽流量為可控因素其它基本為不可控因素

TT1、蒸汽流量對(duì)提餾段溫度影響比回流量對(duì)提餾段影響更迅速、更顯著。2、從節(jié)能角度來(lái)講，控制蒸汽流量比控制回流量消耗的能量要小。在兩個(gè)可控因素中，選蒸汽流量為操縱變量。因?yàn)椋?/p>

TT6.2.3檢測(cè)環(huán)節(jié)、執(zhí)行器及調(diào)節(jié)器正負(fù)作用選擇6.2.3.1傳感器、變送器選擇1．按照生產(chǎn)過(guò)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)。2．測(cè)量?jī)x表反應(yīng)慢，會(huì)造成測(cè)量失真。應(yīng)盡可能選擇時(shí)間常數(shù)小的傳感器、變送器。OtOtTmTmx(t)y(t)x(t)y(t)3．合理選擇檢測(cè)點(diǎn)，避免測(cè)量造成對(duì)象純滯后τ0圖6.15pH值控制系統(tǒng)圖pHTLTLCpHC中和槽貯酸槽l04．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)量信號(hào)的線(xiàn)性化處理。

6.2.3.2執(zhí)行器的選擇1．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(kāi)度應(yīng)在15%～85%區(qū)間。據(jù)此原則計(jì)算、確定控制閥的口徑尺寸。2．調(diào)節(jié)閥的流量特性選擇按補(bǔ)償對(duì)象特性的原則選取。3．調(diào)節(jié)閥的氣開(kāi)、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)備安全的原則確定。給水閥燃?xì)忾y蒸汽給水閥應(yīng)選氣關(guān)式燃?xì)忾y應(yīng)選氣開(kāi)式安全原則回流閥應(yīng)選氣關(guān)式產(chǎn)品質(zhì)量原則進(jìn)料閥應(yīng)選氣開(kāi)式減少浪費(fèi)原則工藝設(shè)備安全原則易結(jié)晶、聚合物應(yīng)采用氣關(guān)式6.2.3.3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)被控變量的影響應(yīng)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，必須正確選擇調(diào)節(jié)器的正反作用。給定值＋－測(cè)量變送器控制器執(zhí)行器對(duì)象操作量被控變量干擾為了說(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(chēng)該環(huán)節(jié)為“正作用”；反之，稱(chēng)為“反作用”。按此定義：變送器都是正作用氣開(kāi)閥是正作用，氣關(guān)閥是反作用被控對(duì)象有的正作用，有的反作用控制器作用方向以測(cè)量輸入與輸出的關(guān)系定義：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?huà)，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(guò)程的穩(wěn)定。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。偏差控制器執(zhí)行器對(duì)象變送器給定值被調(diào)參數(shù)干擾—測(cè)量值正作用反作用正作用正作用＋調(diào)節(jié)器正反作用的確定原則：保證系統(tǒng)構(gòu)成負(fù)反饋簡(jiǎn)單的判定方法：閉合回路中有奇數(shù)個(gè)反作用環(huán)節(jié)。偏差控制器執(zhí)行器對(duì)象變送器給定值被調(diào)參數(shù)干擾－測(cè)量值反作用正作用正作用正作用＋例1：加熱爐出口溫度控制系統(tǒng)負(fù)反饋驗(yàn)證：設(shè)某時(shí)刻燃料壓力↑→燃料流量↑→爐溫↑→出料溫度↑→TC輸入↑→TC輸出↓→閥關(guān)小→爐溫↓→出料溫度↓TTTC反正正正燃料出料例2：儲(chǔ)槽液位控制系統(tǒng)LTLCM正正正反出料負(fù)反饋驗(yàn)證：設(shè)某時(shí)刻進(jìn)料量↑→液位↑→LC輸入↑→LC輸出↑→閥開(kāi)大→出料量↑→液位↓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(mǎn)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（偏差值）之間的函數(shù)關(guān)系。P=f(e)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)律產(chǎn)生輸出信號(hào)，推動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)，對(duì)生產(chǎn)過(guò)程進(jìn)行調(diào)節(jié)。6.3.1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。根據(jù)偏差e的正、負(fù)，調(diào)節(jié)器輸出只有兩個(gè)位置：0或100%。0e100%調(diào)節(jié)器輸出兩位式調(diào)節(jié)的特性位式調(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。要使控制過(guò)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)行調(diào)節(jié)。6.3.1.1比例（P）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u(t)隨輸入偏差e(t)成比例關(guān)系：

P—比例度。

例自力式水位比例控制系統(tǒng)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Q2加大，造成水位下降，則浮球帶動(dòng)活塞提高，使Q1加大阻止水位下降。杠桿a、b之比例關(guān)系，決定調(diào)節(jié)作用強(qiáng)弱。如果e=0，則活塞無(wú)法提高，Q1無(wú)法加大，調(diào)節(jié)無(wú)法進(jìn)行。u比例帶的物理意義：比例帶P是放大倍數(shù)KC的倒數(shù)，其大小決定比例控制作用的強(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)定性越小。P越小，控制余差越小。比例帶P對(duì)控制過(guò)程的影響

振蕩逐漸加劇PPPPPuuuuu

P越小，控制過(guò)程曲線(xiàn)越振蕩，周期縮短。

P越大，控制過(guò)程曲線(xiàn)越平穩(wěn)，但控制過(guò)程時(shí)間越長(zhǎng)，余差也越大。出現(xiàn)等幅振蕩，這時(shí)的比例度稱(chēng)為臨界比例度Pmin，振蕩頻率稱(chēng)為臨界振蕩頻率ωM

系統(tǒng)調(diào)節(jié)性能指標(biāo)（又稱(chēng)可控性指標(biāo)）調(diào)節(jié)過(guò)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)定性振蕩頻率：反映調(diào)節(jié)速度余差：反映穩(wěn)態(tài)精度最大動(dòng)態(tài)偏差：反映動(dòng)態(tài)精度上述指標(biāo)的提高是有限度的，受制于控制系統(tǒng)的臨界比例度Pmin

和臨界振蕩頻率ωM而被控對(duì)象的特性決定了控制系統(tǒng)Pmin

和ωM的大小。臨界比例度Pmin的倒數(shù)是臨界放大倍數(shù)KmaxKmax與ωM的乘積Kmax?ωM在一定程度上代表了被控過(guò)程的控制性能。Kmax?ωM越大，意味著：控制器放大系數(shù)Kc的可選上限越大（P的下限越?。?，則系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)誤差越小?？刂葡到y(tǒng)可選的工作頻率ωc越大，則過(guò)渡過(guò)程越快。因此，Kmax?ωM作為調(diào)節(jié)性能指標(biāo)，越大表明系統(tǒng)的控制性能越好?？捎糜诠こ躺系暮?jiǎn)便判斷。

比例控制的特點(diǎn)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)?？刂平Y(jié)果存在余差。如果被調(diào)量偏差為零，調(diào)節(jié)器的輸出也就為零u=e/P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)。6.3.1.2積分（I）調(diào)節(jié)與比例積分（PI）調(diào)節(jié)對(duì)系統(tǒng)控制質(zhì)量的影響1

積分控制（I）輸出變化量p與輸入偏差e的積分成正比當(dāng)輸入偏差e是幅值為?e的階躍時(shí)：TI—積分時(shí)間tu

2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?e

的階躍干擾e?ettu積分時(shí)間的物理意義：若偏差是幅值為?e的階躍:當(dāng)t=TI時(shí):積分時(shí)間TI對(duì)控制過(guò)程的影響?e

?e/P2?e/PuttTIeTI越大，積分作用越弱，TI

=∞，積分作用為零。TI減小，積分作用增強(qiáng)，系統(tǒng)振蕩加劇，穩(wěn)定性下降。因此，加積分后，比例帶要適當(dāng)加大。如果T1適當(dāng)，系統(tǒng)能很快消除余差。

積分時(shí)間TI對(duì)過(guò)渡過(guò)程的影響uuuu積分控制可以消除余差。

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?。?；當(dāng)偏差消失時(shí)，輸出保持在某一值上。e?ettu積分輸出信號(hào)是隨時(shí)間逐漸增強(qiáng)的，控制作用緩慢，故一般積分作用不單獨(dú)使用。

6.3.1.3比例微分（PD）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，此時(shí)可增加微分作用。式中：TD—微分時(shí)間—偏差變化速度理想微分1微分控制（D）e?ettu微分控制能在偏差出現(xiàn)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)作用，使偏差盡快地消除于萌芽狀態(tài)之中。當(dāng)偏差存在，但不變化時(shí)，微分輸出為零，對(duì)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PD調(diào)節(jié)器或PID調(diào)節(jié)器。

微分控制的特點(diǎn)e?ettu2比例微分控制（PD）理想的比例微分控制e?ettutu理想的微分作用持續(xù)時(shí)間太短，執(zhí)行器來(lái)不及響應(yīng)。一般使用實(shí)際的比例微分作用。微分時(shí)間的物理意義若偏差是系數(shù)為a的斜坡信號(hào):當(dāng)t=TD時(shí):微分時(shí)間TD對(duì)控制過(guò)程的影響euttTD2aTD/PaTD/Pauuutttut

TD較小，控制速度稍有加快

TD=0，純比例控制過(guò)程TD太大，出現(xiàn)等幅振蕩

TD合適，控制速度明顯加快

微分時(shí)間TD對(duì)過(guò)渡過(guò)程的影響微分控制的優(yōu)點(diǎn)：能加快系統(tǒng)的控制速度。缺點(diǎn)：偏差存在但不變化時(shí)，無(wú)控制作用。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)，既能快速調(diào)節(jié)，又能消除余差，可得到滿(mǎn)意的控制效果。u在PID調(diào)節(jié)中，比例作用是基礎(chǔ)；微分作用可以加快系統(tǒng)控制速度，減小超調(diào)；積分作用可以消除靜差。但不是任何對(duì)象都是用PID控制最好。對(duì)某一對(duì)象，用不同控制規(guī)律時(shí)階躍干擾過(guò)程比較被控變量t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6.3.2調(diào)節(jié)規(guī)律的選擇1、比例控制（P）適用于控制通道滯后較小、負(fù)荷變化不大、工藝上沒(méi)有提出無(wú)差要求的系統(tǒng)，2、比例積分控制（PI）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)。3、比例微分控制（PD）適用于控制通道滯后較大的系統(tǒng)。例如加熱較慢的溫度控制系統(tǒng)。4、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)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)。

TTTC也可根據(jù)τ0/T0來(lái)選擇調(diào)節(jié)器的調(diào)節(jié)規(guī)律：

τ0/T0＜0.2，用P或PI0.2＜τ0/T0＜1，用PD或PID

τ0/T0＞1，用簡(jiǎn)單控制系統(tǒng)效果不好。調(diào)節(jié)規(guī)律優(yōu)點(diǎn)缺點(diǎn)應(yīng)用P靈敏、簡(jiǎn)單，只有一個(gè)整定參數(shù)；存在靜差負(fù)荷變化不顯著，工藝指標(biāo)要求不高的對(duì)象。PI能消除靜差，又控制靈敏對(duì)于滯后較大的對(duì)象，比例積分調(diào)節(jié)太慢，效果不好。應(yīng)用于調(diào)節(jié)通道容量滯后較小、負(fù)荷變化不大、精度要求高的調(diào)節(jié)系統(tǒng)。例如，流量調(diào)節(jié)系統(tǒng)。PD增進(jìn)調(diào)節(jié)系統(tǒng)的穩(wěn)定度，可調(diào)小比例度，而加快調(diào)節(jié)過(guò)程，減小動(dòng)態(tài)偏差和靜差系統(tǒng)對(duì)高頻干擾特別敏感，系統(tǒng)輸出易夾雜高頻干擾。應(yīng)用于調(diào)節(jié)通道容量滯后較大，但調(diào)節(jié)精度要求不高的對(duì)象。PID綜合了各類(lèi)調(diào)節(jié)作用的優(yōu)點(diǎn)，所以有更高的調(diào)節(jié)質(zhì)量。對(duì)于滯后很大，負(fù)荷變化很大的對(duì)象，PID調(diào)節(jié)也無(wú)法滿(mǎn)足要求，應(yīng)設(shè)計(jì)復(fù)雜調(diào)節(jié)系統(tǒng)應(yīng)用于調(diào)節(jié)通道容量滯后較大、負(fù)荷變化較大、精度要求高的對(duì)象。

振蕩逐漸加劇PPPPPuuuuu

P越小，控制過(guò)程曲線(xiàn)越振蕩，周期縮短。

P越大，控制過(guò)程曲線(xiàn)越平穩(wěn)，但控制過(guò)程時(shí)間越長(zhǎng)，余差也越大。出現(xiàn)等幅振蕩，這時(shí)的比例度稱(chēng)為臨界比例度Pmin，振蕩頻率稱(chēng)為臨界振蕩頻率ωMTI越大，積分作用越弱，TI

=∞，積分作用為零。TI減小，積分作用增強(qiáng)，系統(tǒng)振蕩加劇，穩(wěn)定性下降。因此，加積分后，比例帶要適當(dāng)加大。如果T1適當(dāng)，系統(tǒng)能很快消除余差。

積分時(shí)間TI對(duì)過(guò)渡過(guò)程的影響uuuuuuutttut

TD較小，控制速度稍有加快

TD=0，純比例控制過(guò)程TD太大，出現(xiàn)等幅振蕩

TD合適，控制速度明顯加快

微分時(shí)間TD對(duì)過(guò)渡過(guò)程的影響

TD=0

TD較小

TD合適

TD太大6.4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、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(guò)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?？刂破鲄?shù)的整定，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。具體來(lái)說(shuō)，就是確定最合適的控制器比例度P、積分時(shí)間TI，和微分時(shí)間TD。就是通過(guò)一定的方法和步驟，確定系統(tǒng)處于最佳過(guò)渡過(guò)程時(shí)，控制器比例度P、積分時(shí)間TI，和微分時(shí)間TD。所謂的最佳就是在一定的評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)下得到的，通用的標(biāo)準(zhǔn)為衰減比4：1，10：1。在這個(gè)前提下，盡量滿(mǎn)足準(zhǔn)確性和快速性要求，即絕對(duì)誤差積分時(shí)間最小，這時(shí)系統(tǒng)不僅具有適當(dāng)?shù)姆€(wěn)定性和快速性，而且又便于人工操作和管理。習(xí)慣上把滿(mǎn)足這一衰減過(guò)程的調(diào)節(jié)器參數(shù)稱(chēng)為最佳參數(shù)控制器參數(shù)整定的方法很多，主要有兩大類(lèi)，一類(lèi)是理論計(jì)算的方法，另一類(lèi)是工程整定法。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(guò)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)與實(shí)際情況不甚符合，故在工程實(shí)踐中長(zhǎng)期沒(méi)有得到推廣和應(yīng)用。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(guò)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。6.4.1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)臨界振蕩試驗(yàn)所得數(shù)據(jù)（臨界比例度Pm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)。（1）置調(diào)節(jié)器Ti，Td=0，比例度P較大值，將系統(tǒng)投入運(yùn)行。（2）逐漸減小P，加干擾觀察，直到出現(xiàn)等幅減振蕩為止。記錄此時(shí)的臨界值Pm和Tm。y(t)Tm

系統(tǒng)臨界振蕩曲線(xiàn)t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PI調(diào)節(jié)器整定數(shù)值為例，可以看出PI調(diào)節(jié)器的比例度較純比例調(diào)節(jié)時(shí)增大，這是因?yàn)榉e分作用產(chǎn)生一滯后相位，降低了系統(tǒng)的穩(wěn)定度的緣故。根據(jù)Pm和Tm，按經(jīng)驗(yàn)公式計(jì)算出控制器的參數(shù)整定值。

整定參數(shù)調(diào)節(jié)規(guī)律P（%）Ti

Td

P 2Pm ————PI 2.2Pm0.85Tm——PID1.7Pm 0.50Tm0.125Tm表6.1

穩(wěn)定邊界法整定參數(shù)計(jì)算表穩(wěn)定邊界方法在下面兩種情況下不宜采用：臨界比例度過(guò)小時(shí)，調(diào)節(jié)閥容易游移于全開(kāi)或全關(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(mén)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(shí)，等幅振蕩將影響生產(chǎn)的安全。

6.4.2衰減曲線(xiàn)法也屬于閉環(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)即可。方法：（1）把調(diào)節(jié)器設(shè)成比例作用（Ti=∞，Td=0），置于較大比例度，投入自動(dòng)運(yùn)行。（2）在穩(wěn)定狀態(tài)下，階躍改變給定值（通常以5%左右為宜），觀察調(diào)節(jié)過(guò)程曲線(xiàn)。（3）適當(dāng)改變比例度，重復(fù)上述實(shí)驗(yàn)，到出現(xiàn)滿(mǎn)意的衰減曲線(xiàn)為止。記下此時(shí)的比例度Ps及周期Ts。n=10:1時(shí)，記P’s及TsTsTr（4）按表6-2（n=4:1）或按表6-3（n=10:1）求得各種調(diào)節(jié)規(guī)律時(shí)的整定參數(shù)。表6.2衰減比為4:1時(shí)，整定參數(shù)計(jì)算表表6.3衰減比為10:1時(shí)，整定參數(shù)計(jì)算表0.1Ts0.3Ts0.8PsPID

——0.5Ts1.2PsPI————PsPTdTiP（%）整定參數(shù)調(diào)節(jié)規(guī)律0.4Ts1.2Tr0.8P'sPID

——2Tr1.2P'sPI————P'sPTdTiP（%）整定參數(shù)調(diào)節(jié)規(guī)律6.4.3響應(yīng)曲線(xiàn)法屬于開(kāi)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(guò)經(jīng)驗(yàn)公式求取調(diào)節(jié)器的最佳參數(shù)整定值。方法：不加控制作用，作控制通道特性曲線(xiàn)。給定值＋－測(cè)量變送器控制器執(zhí)行器對(duì)象被控變量根據(jù)實(shí)驗(yàn)所得響應(yīng)曲線(xiàn)，找出廣義對(duì)象的特性參數(shù)K0、T0、τ0，用表6-4的經(jīng)驗(yàn)公式求整定參數(shù)。T0τ0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(guò)程，不能使用。表6.4響應(yīng)曲線(xiàn)法整定參數(shù)的公式0.5τ02τ0PID——3.3τ0PI————PTdTiP（%）整定參數(shù)調(diào)節(jié)規(guī)律理論依據(jù)：廣義被控系統(tǒng)以滯后的一階慣性來(lái)表示系統(tǒng)出現(xiàn)臨界比例度Pm和臨界震蕩頻率ωm時(shí)考慮到臨界震蕩頻率ωm處|T0jωm|>>1由相位條件可知由幅值條件可知考慮到誤差，且簡(jiǎn)便起見(jiàn)6.4.4經(jīng)驗(yàn)法憑經(jīng)驗(yàn)湊試。其關(guān)鍵是“看曲線(xiàn)，調(diào)參數(shù)”。在閉環(huán)的控制系統(tǒng)中，憑經(jīng)驗(yàn)先將控制器參數(shù)放在一個(gè)數(shù)值上，通過(guò)改變給定值施加干擾，在記錄儀上觀察過(guò)渡過(guò)程曲線(xiàn)，根據(jù)P、TI

、TD對(duì)過(guò)渡過(guò)程的影響為指導(dǎo)，對(duì)比例度P

、積分時(shí)間TI和微分時(shí)間TD逐個(gè)整定，直到獲得滿(mǎn)意的曲線(xiàn)為止。經(jīng)驗(yàn)法的方法簡(jiǎn)單，但必須清楚控制器參數(shù)變化對(duì)過(guò)渡過(guò)程曲線(xiàn)的影響關(guān)系。在缺乏實(shí)際經(jīng)驗(yàn)或過(guò)渡過(guò)程本身較慢時(shí)，往往較為費(fèi)時(shí)?？刂破鲄?shù)對(duì)控制過(guò)程的影響：

振蕩逐漸加劇PPPPPuuuuuuuuuuuutttut

TD=0

TD較小

TD合適

TD太大經(jīng)驗(yàn)法整定方法一：1、調(diào)比例：P由大到小，到滿(mǎn)意曲線(xiàn)2、調(diào)PI,比例度放大10-20%,積分時(shí)間↓衰減率

4：13、調(diào)PID，比例度縮小，積分時(shí)間縮小，微分時(shí)間↑經(jīng)驗(yàn)法整定方法二：1、按照表6-5確定Ti，取Td=（1/3-1/4）Ti，然后從大到小調(diào)P2、如果Ti和Td不合適，重新選擇并測(cè)試到滿(mǎn)意衰減曲線(xiàn)6.4.5幾種整定方法的比較整定方法優(yōu)點(diǎn)缺點(diǎn)反應(yīng)曲線(xiàn)法方法簡(jiǎn)單系統(tǒng)開(kāi)環(huán)，被調(diào)量變化較大，影響生產(chǎn)穩(wěn)定邊界法系統(tǒng)閉環(huán)會(huì)出現(xiàn)被調(diào)量等幅振蕩衰減曲線(xiàn)法系統(tǒng)閉環(huán)，安全實(shí)驗(yàn)費(fèi)時(shí)經(jīng)驗(yàn)法系統(tǒng)閉環(huán)，不需計(jì)算需要經(jīng)驗(yàn)注意：同一個(gè)系統(tǒng)，最佳整定參數(shù)可能不是唯一的。不同的PID參數(shù)組合，有時(shí)會(huì)得到極為相近的控制結(jié)果。例如某初餾塔塔頂溫度控制系統(tǒng)，控制器采用以下兩組參數(shù)時(shí)：

P

＝15％TI

＝7.5min

P＝35％TI＝3min系統(tǒng)都得到10:1的衰減曲線(xiàn)，超調(diào)量和過(guò)渡時(shí)間基本相同。

6.5簡(jiǎn)單控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)實(shí)例

如圖是奶粉生產(chǎn)工藝中的噴霧式干燥設(shè)備。此工藝要求保證奶粉含水量在2%~2.5%。6.5.1生產(chǎn)過(guò)程概述已濃縮的奶液從儲(chǔ)槽流下，經(jīng)過(guò)濾后