20過(guò)程控制工程

過(guò)程控制工程

黃鐘旺隨著生產(chǎn)過(guò)程自動(dòng)化水平的日益提高，以及現(xiàn)代控制理論的發(fā)展，控制系統(tǒng)的類型越來(lái)越多，復(fù)雜程度的差異也越來(lái)越大。在這里，只介紹我們化工生產(chǎn)中常見(jiàn)的控制方案。PID類控制方案，包括：?jiǎn)位芈稰ID、串級(jí)、前饋、均勻、比值、分程、選擇或超馳控制等。而其中簡(jiǎn)單控制系統(tǒng)即單回路控制是使用最普遍（占85%左右）、結(jié)構(gòu)最簡(jiǎn)單的一種自動(dòng)控制系統(tǒng)。簡(jiǎn)單控制系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)與組成所謂簡(jiǎn)單控制系統(tǒng)，通常是指由一個(gè)測(cè)量元件、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)，因此也稱為單回路控制系統(tǒng)。液位控制系統(tǒng)的組成與方塊圖熱交換器的溫度控制系統(tǒng)熱交換器溫度控制系統(tǒng)方塊圖一般的單回路控制系統(tǒng)被控變量：溫度、壓力、流量、液位或料位、成分與物性等六大參數(shù)；過(guò)程控制系統(tǒng)的重要術(shù)語(yǔ)被控變量/受控變量/過(guò)程變量 需要對(duì)其進(jìn)行控制的工藝變量設(shè)定值/給定值

控制的工藝變量的目標(biāo)值操縱變量/操作變量：

受執(zhí)行機(jī)構(gòu)操縱，用于克服擾動(dòng)影響的變量擾動(dòng)/擾動(dòng)變量：影響被控變量的各種擾動(dòng)作用執(zhí)行器：接受控制器輸出信號(hào)控制操縱變量的設(shè)備，如調(diào)節(jié)閥控制器：根據(jù)測(cè)量值與設(shè)定值間的偏差，按照控制規(guī)律輸出信號(hào)的設(shè)備單回路控制器控制規(guī)律的選擇

在選擇控制器時(shí)，不僅要確定控制器的控制規(guī)律，而且要確定控制器的正、反作用。一、控制器控制規(guī)律的確定

1．純比例控制器純比例控制器的可調(diào)整參數(shù)是比例放大系數(shù)KP（也叫K值）或比例度（比例帶）δ(也用PB表示），對(duì)于單元組合儀表（即輸入、輸出均為標(biāo)準(zhǔn)信號(hào)）來(lái)說(shuō)，它們的關(guān)系為：

控制系統(tǒng)的分類2．比例積分控制器比例積分控制器是具有比例積分控制規(guī)律的控制器。它的可調(diào)整參數(shù)是比例放大系數(shù)KP（或比例度δ）和積分時(shí)間TI。積分是這樣的一種作用，其輸出為輸入偏差對(duì)時(shí)間的積分。只要有偏差存在，積分作用就一直是輸出變化，因此能夠把偏差減小到零。積分的作用就是為了消除余差。

3．比例積分微分控制器比例積分微分控制器是具有比例積分微分控制規(guī)律的控制器，常稱為三作用（PID）控制器。比例積分微分控制器的可調(diào)整參數(shù)有三個(gè)，即比例放大系數(shù)KP（比例度δ）、積分時(shí)間TI和微分時(shí)間TD。PID三個(gè)基本參數(shù)kp

、ki

、kd

對(duì)PID控制作用和影響

1、比例控制(P)

比例控制(P)是一種最簡(jiǎn)單的控制方式。其控制器的輸出與輸入誤差信號(hào)成比例關(guān)系。比例帶與比例控制(P)輸出的關(guān)系如圖所示。用MVp運(yùn)算式的設(shè)定舉例：PB(比例帶)％

MVp(操作輸出)

1 => 100/1×誤差

=

100×誤差 50 => 100/50×誤差

=

2×誤差 100 => 100/100×誤差

=

1×誤差 200 => 100/200×誤差

=

0.5×誤差 2、積分（I）控制

在積分控制中，控制器的輸出與輸入誤差信號(hào)的積分成正比關(guān)系。為了消除穩(wěn)態(tài)誤差，在控制器中必須引入“積分項(xiàng)”。積分項(xiàng)對(duì)誤差取決于時(shí)間的積分，隨著時(shí)間的增加，積分項(xiàng)會(huì)增大。這樣，即便誤差很小，積分項(xiàng)也會(huì)隨著時(shí)間的增加而加大，它推動(dòng)控制器的輸出增大使穩(wěn)態(tài)誤差進(jìn)一步減小，直到等于零。因此，比例+積分（PI）控制器，可以使系統(tǒng)在進(jìn)入穩(wěn)態(tài)后無(wú)穩(wěn)態(tài)誤差。PID三個(gè)基本參數(shù)kp

、ki

、kd

對(duì)PID控制作用和影響

PID三個(gè)基本參數(shù)kp

、ki

、kd

對(duì)PID控制作用和影響3、微分（D）控制

在微分控制中，控制器的輸出與輸入誤差信號(hào)的微分（即誤差的變化率）成正比關(guān)系。

自動(dòng)控制系統(tǒng)在克服誤差的調(diào)節(jié)過(guò)程中可能會(huì)出現(xiàn)振蕩甚至失穩(wěn)。其原因是由于存在有較大慣性組件（環(huán)節(jié)）或有滯后（delay）組件，具有抑制誤差的作用，其變化總是落后于誤差的變化。解決的辦法是使抑制誤差的作用的變化“超前”，即在誤差接近零時(shí)，抑制誤差的作用就應(yīng)該是零。這就是說(shuō)，在控制器中僅引入“比例”項(xiàng)往往是不夠的，比例項(xiàng)的作用僅是放大誤差的幅值，而目前需要增加的是“微分項(xiàng)”，它能預(yù)測(cè)誤差變化的趨勢(shì)，這樣，具有比例+微分的控制器，就能夠提前使抑制誤差的控制作用等于零，甚至為負(fù)值，從而避免了被控量的嚴(yán)重超調(diào)。所以對(duì)有較大慣性或滯后的被控對(duì)象，比例+微分（PD）控制器能改善系統(tǒng)在調(diào)節(jié)過(guò)程中的動(dòng)態(tài)特性。對(duì)PID三個(gè)基本參數(shù)kp

、ki

、kd

的個(gè)人概括總結(jié)增大比例系數(shù)P將加快系統(tǒng)的響應(yīng)，它的作用于輸出值較快，但不能很好穩(wěn)定在一個(gè)理想的數(shù)值，不良的結(jié)果是雖較能有效的克服擾動(dòng)的影響，但有余差出現(xiàn)，過(guò)大的比例系數(shù)會(huì)使系統(tǒng)有比較大的超調(diào)，并產(chǎn)生振蕩，使穩(wěn)定性變壞。積分能在比例的基礎(chǔ)上消除余差，它能對(duì)穩(wěn)定后有累積誤差的系統(tǒng)進(jìn)行誤差修整，減小穩(wěn)態(tài)誤差。微分具有超前作用，對(duì)于具有容量滯后的控制通道，引入微分參與控制，在微分項(xiàng)設(shè)置得當(dāng)?shù)那闆r下，對(duì)于提高系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)性能指標(biāo)，有著顯著效果，它可以使系統(tǒng)超調(diào)量減小，穩(wěn)定性增加，動(dòng)態(tài)誤差減小。綜上所述，P---比例控制系統(tǒng)的響應(yīng)快速性，快速作用于輸出，好比"現(xiàn)在"（現(xiàn)在就起作用，快），I---積分控制系統(tǒng)的準(zhǔn)確性，消除過(guò)去的累積誤差，好比"過(guò)去"（清除過(guò)去積怨，回到準(zhǔn)確軌道），D---微分控制系統(tǒng)的穩(wěn)定性，具有超前控制作用，好比"未來(lái)"（放眼未來(lái)，未雨綢繆，穩(wěn)定才能發(fā)展）?？刂破骺刂埔?guī)律的選擇原則通過(guò)對(duì)上述PID參數(shù)的了解，那么，對(duì)控制器的選擇遵從如下原則：1、對(duì)于一些對(duì)象控制通道滯后較小，負(fù)荷變化不大，工藝要求又不太高的控制系統(tǒng)，可選用比例控制器。象貯罐的液面，以及不太重要的蒸汽壓力等控制系統(tǒng)。2.對(duì)象控制通道滯后較小，負(fù)荷變化不大，但不允許有余差的情況，可選用比例積分控制器。例如流量、管道壓力等控制系統(tǒng)往往采用ＰＩ控制器。3.當(dāng)對(duì)象滯后較大，如溫度、ＰＨ值等控制系統(tǒng)則需引入微分作用。一般在對(duì)象滯后較大，負(fù)荷變化也較大，控制質(zhì)量又要求較高時(shí)，可選用比例（P）積分（I）微分（D）控制器。控制器參數(shù)的工程整定方法一：經(jīng)驗(yàn)法（長(zhǎng)期的生產(chǎn)實(shí)踐中總結(jié)出來(lái)的一種整定方法）系統(tǒng)參數(shù)δ(%)TI(min)TD(min)溫度流量壓力液面20～6040～10030～7020～803～100.1～10.4～30.5～3方法

根據(jù)經(jīng)驗(yàn)先將控制器參數(shù)放在某些數(shù)值上，直接在閉合的控制系統(tǒng)中通過(guò)改變給定值以施加干擾，看輸出曲線的形狀，以δ%、TI、TD，對(duì)控制過(guò)程的規(guī)律為指導(dǎo)，調(diào)整相應(yīng)的參數(shù)進(jìn)行湊試，直到合適為止

控制器參數(shù)的工程整定方法2-臨界比例度法步驟：（1）先將切除PID控制器中的積分與微分作用，取比例增益KC較小值，并投入閉環(huán)運(yùn)行； （2）將KC由小到大變化，對(duì)應(yīng)于某一KC值作小幅度的設(shè)定值階躍響應(yīng)，直至產(chǎn)生等幅振蕩； （3）設(shè)等幅振蕩時(shí)振蕩周期為Tcr、控制器增益Kcr

，再根據(jù)控制器類型選擇以下PID參數(shù)?？刂埔?guī)律KcTiTdP0.5KcrPI0.45Kcr0.83TcrPID0.6Kcr0.5Tcr0.12Tcr方法3-響應(yīng)曲線法臨界比例度法的局限性： 生產(chǎn)過(guò)程有時(shí)不允許出現(xiàn)等幅振蕩，或者無(wú)法產(chǎn)生正常操作范圍內(nèi)的等幅振蕩。響應(yīng)曲線法PID參數(shù)整定步驟： （1）在手動(dòng)狀態(tài)下，改變控制器輸出（通常采用階躍 變化），記錄被控變量的響應(yīng)曲線； （2）由開(kāi)環(huán)響應(yīng)曲線獲得單位階躍響應(yīng)曲線，并求取 “廣義對(duì)象”的近似模型與模型參數(shù)； （3）根據(jù)控制器類型與對(duì)象模型，選擇PID參數(shù)并投 入閉環(huán)運(yùn)行。在運(yùn)行過(guò)程中，可對(duì)增益作調(diào)整。控制器參數(shù)的工程整定控制器參數(shù)的工程整定典型自衡工業(yè)對(duì)象的階躍響應(yīng)對(duì)象的近似模型：對(duì)應(yīng)參數(shù)見(jiàn)左圖，而增益為：[ymin,ymax]為CV的測(cè)量范圍；[umin,umax]為MV的變化范圍，對(duì)于閥位開(kāi)度通常用0~100%表示。特點(diǎn)：適合于存在明顯純滯后的自衡對(duì)象，而且廣義對(duì)象的階躍響應(yīng)曲線可用“一階+純滯后”來(lái)近似。整定公式：控制器參數(shù)的工程整定θ=2τ=3=T/6K

=2=△VP/△

MV0.570.971.261.471.621.731.811.861.901.931.951.961.971.981.991.991.992.0000.511.522.50510152025TimeIntervalsValueMVCV控制器參數(shù)的工程整定：過(guò)程模型UnitMVChangeatt=11

θ21T=18△VPPID基于過(guò)程模型的參數(shù)調(diào)整1Cohen-CoonPID基于過(guò)程模型的參數(shù)調(diào)整2IMCτ

CL>0.8θτ

CL>0.1τ控制器正反作用的判斷

控制器的偏差正反作用選擇

1、控制器正負(fù)偏差的規(guī)定

控制理論上以及儀表制造廠家規(guī)定：正偏差：測(cè)量－給定＝偏差

負(fù)偏差：給定－測(cè)量2、正反作用規(guī)定：正作用：偏差增加，控制器輸出增加（Ｚｍ－Ｓｐ）↑→Ｐｃ↑反作用：偏差增加控制輸出減少（Ｚｍ－Ｓｐ）↑→Ｐｃ↓控制器正反作用的判定3、對(duì)于測(cè)量元件及變送器，其作用方向一般都是“正”的。4、對(duì)于執(zhí)行器，它的作用方向取決于是氣開(kāi)閥還是氣關(guān)閥（注意不要與執(zhí)行機(jī)構(gòu)和控制閥的“正作用”及“反作用”混淆）。執(zhí)行器的氣開(kāi)或氣關(guān)型式主要應(yīng)從工藝安全角度來(lái)確定。氣動(dòng)薄膜調(diào)節(jié)閥可分為氣關(guān)（NO或FO）和氣開(kāi)（NC或FC）兩種型式。有信號(hào)壓力時(shí)閥關(guān)、無(wú)信號(hào)壓力時(shí)閥開(kāi)的為氣關(guān)式。反之，為氣開(kāi)式。氣開(kāi)閥是“正”方向。氣關(guān)閥是“反”方向。5、對(duì)于被控對(duì)象的作用方向。當(dāng)操縱變量增加時(shí)，被控變量也增加的對(duì)象屬于“正作用”的。反之，屬于“反作用”的。6、控制器的作用方向要根據(jù)對(duì)象及執(zhí)行器的作用方向來(lái)確定，以使整個(gè)控制系統(tǒng)構(gòu)成負(fù)反饋的閉環(huán)系統(tǒng)。一、符號(hào)法(１)、原理：自控系統(tǒng)正常工作，必須是一個(gè)負(fù)反饋調(diào)節(jié)系統(tǒng)，為此各環(huán)節(jié)乘積必須是正。各環(huán)節(jié)：調(diào)節(jié)器，Ｋｃ，調(diào)節(jié)閥，對(duì)象，Ｋｃ·Ｋｐ·Ｋｖ＝正(２)正負(fù)號(hào)規(guī)定：１）控制器反作用為：“正”；正作用為“負(fù)”２）氣開(kāi)式調(diào)節(jié)閥為“正“，氣關(guān)式為”負(fù)“３）對(duì)象Ｋｐ：輸入增加，輸出增加為“正“，反之為”負(fù)控制器正反作用的判定－＋＋－控制器正反作用的判定舉例：假設(shè)液位出水控制閥為氣開(kāi)。則KV為正，過(guò)程對(duì)象KP為負(fù)，液位測(cè)量單元為正，要使KC*KV*KP*KT=正，則必須KC=負(fù)。所以液位控制器為正作用。二、邏輯推理法：１）根據(jù)工藝條件確定閥開(kāi)閉形式２）確定控制器正反作用①首先假定控制器為某一作用，如正作用②分析是否符合設(shè)計(jì)意圖，符合則原假設(shè)正確，否則取其反分析：１)判斷閥開(kāi)閉形式，選發(fā)閥為氣開(kāi)式

２)假定控制器設(shè)為正作用分析：①液位h↑→e(t)↑→u（t）↑→Q(t)↑→h（t）↓（原假設(shè)符合要求，取正作用）②如果閥為氣關(guān)，則液位h↑→e(t)↑→u（t）↑→Q(t)↓→h（t）↑（原假設(shè)不符合要求，取反作用）控制器正反作用的判定前面的符號(hào)判斷的規(guī)定為教科書上的。大家注意到?jīng)]有？各環(huán)節(jié)：調(diào)節(jié)器，Ｋｃ，調(diào)節(jié)閥，對(duì)象，Ｋｃ·Ｋｐ·Ｋｖ＝正；但是在控制器的正反作用的符號(hào)上，又規(guī)定控制器反作用為：“