《单回路控制系统》PPT课件.ppt

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1、刘玉长刘玉长第四章第四章 单回路控制系统单回路控制系统控制装置控制装置执行器执行器过过 程程+r(t)e(t)_检测元件、变送器检测元件、变送器比较机构比较机构控制器控制器q(t)被控变量被控变量c(t)扰动扰动f(t)广义对象广义对象测量值测量值y(t)u(t)1刘玉长刘玉长过程控制系统设计步骤 过程控制系统的设计是工程设计的一个重要环节，设计的正确与否，直接影响到工程能否投入正常运行。因此要求过程控制专业人员必须根据生产过程的特点、工艺对象的特性和生产操作的规律，只有正确运用过程控制理论，合理选用自动化技术工具，才能设计出技术先进、经济合理、符合生产要求的控制系统。设计要求：11、安全性、

2、安全性 2 2、稳定性、稳定性 3 3、经济性、经济性2刘玉长刘玉长过程控制系统设计的具体步骤为：（1）根据工艺要求和控制目标确定系统变量（2）建立数学模型（3）确定控制方案（4）选择硬件设备（5）选择控制算法，进行控制器设计（6）软件设计 系统设计完成后，进行设备安装、调试与整定，再投入运行。对于过程控制系统而言，控制方案的选择控制方案的选择和调节器参数整定调节器参数整定是其两个重要的内容。3刘玉长刘玉长 过程控制系统从结构形式可分为单回路系统和多回路系统。单回路控制系统包含一个测量变送器、一个调节器、一个执行器和对象，对对象的某一个被控参数进行闭环负反馈控制。多回路控制系统内部包含两个以上

3、的单回路系统，对过程两个以上的参数进行闭环负反馈控制，其控制目标保证被控过程的被控参数满足工艺要求。4刘玉长刘玉长 在系统分析、设计和整定中，单回路系统设计是最基本的方法，适用于其他各类复杂控制系统的分析、设计、整定和投运。通常在选择控制方案时，只有通常在选择控制方案时，只有在简单控制系统不能满足生产过程控制的在简单控制系统不能满足生产过程控制的要求时，才考虑采用两个回路以上组成的要求时，才考虑采用两个回路以上组成的复杂控制系统。复杂控制系统。单回路控制系统适用于被控对象滞后时间较小，负载和干扰不大，控制质量要求不很高的场合。5刘玉长刘玉长主要内容主要内容4.1 4.1 概述概述4.2 4.2

4、 被控量与操纵量的选择被控量与操纵量的选择4.3 4.3 检测及变送环节的考虑检测及变送环节的考虑4.4 4.4 控制阀的选择控制阀的选择4.5 4.5 控制器控制规律及作用方向的选择控制器控制规律及作用方向的选择4.6 4.6 控制器参数的工程整定控制器参数的工程整定4.7 4.7 控制系统的投运控制系统的投运4.8 4.8 单回路控制系统设计实例单回路控制系统设计实例6刘玉长刘玉长1、换热器的温度控制 热交换器是常见的一种传热设备，通过它可以将冷物料加热(或冷却)到预定的温度。图示为一个列管式换热器，其中载流体的热量首先传给套管的内壁，经管壁传导后再传给冷流体。传热过程中存在几个串联的热阻

5、，故换热器是一个多容量对象，时间常数和滞后都比较大。7刘玉长刘玉长1、换热器的温度控制 根据工艺要求，需要控制的参数是冷流体被加热后的出口温度T1O，此温度要求保持在某一设定数值。影响出口温度T1O的扰动因素主要有：冷流体进口温度T1i 和流量F1、载热体入口温度T2i和流量F2等。常见控制方案有下面两种：(a)方案一：控制载热体流量 (b)方案二：控制冷流体分流量(b)冷流F1,T1i 体载热体 F2,T2iT1OT20TCF1,T1F1T1OF2TC换热器温度控制8刘玉长刘玉长2、离心泵的流量控制 离心泵是液体输送的常用设备。生产工艺往往对输送的流体流量有定量的要求。此时被控量是离心泵的实

6、际排出液体的流量，扰动因素主要有管道阻力特性的变化和泵的供电电压的变化等。离心泵流量控制离心泵流量控制9刘玉长刘玉长2、离心泵的流量控制 离心泵是液体输送的常用设备。生产工艺往往对输送的流体流量有定量的要求。此时被控量是离心泵的实际排出液体的流量，扰动因素主要有管道阻力特性的变化和泵的供电电压的变化等。控制方案常见的有如下三种：(a)直接节流方案 (b)控制旁路流量方案 (c)控制转速方案 离心泵流量控制离心泵流量控制FCFCFC10刘玉长刘玉长4.1 4.1 概述概述检测/变送控制器控制器执行器对象实际值期望值SP图4-1 单回路控制系统单回路（系统）单回路（系统）:反馈控制中的最基本系统反

7、馈控制中的最基本系统特特 点点：简 单、有 效、应 用 最 成 熟、最 普 遍 占90%以上11刘玉长刘玉长系统组成及分析系统组成及分析系统组成系统组成锅炉汽包水位控制系统锅炉汽包水位控制系统蒸汽蒸汽汽包汽包给水给水省煤器省煤器被控变量：汽包液位被控变量：汽包液位过程（被控对象）：锅炉过程（被控对象）：锅炉汽包汽包操纵变量：进水流量操纵变量：进水流量主要扰动：蒸汽量的变化主要扰动：蒸汽量的变化被控对象（被控过程）、测量变送、被控对象（被控过程）、测量变送、控制器、控制阀控制器、控制阀12刘玉长刘玉长4.2 4.2 被控量和操纵量的选择被控量和操纵量的选择4.2.1 4.2.1 被控量的选择原则

8、被控量的选择原则 控制系统的设计目标:即，要控制什么基于工艺要求，选择的结果直接影响生产（产量、质量、安全）选直接参数 即能直接反映生产过程产品产量和质量，以及安全运行的参数(如锅炉水位控制)。选间接参数 当选直接参数有困难时采用，间接指标与直接指标之间必须是一一对应的函数关系(如锌精矿沸腾炉的炉温控制，炉温是反映焙砂质量的一个间接指标)。13刘玉长刘玉长直接指标选择1）表征其质量指标是一个变量，应选用这个受控变量。如汽包液位L2）表征其质量指标是两个变量，应根据自由度选择14刘玉长刘玉长被控变量选择原则1、直接指标测量滞后小，选择直接指标为受控变量2、选择间接指标时应考虑工艺合理性测量滞后小

9、，对直接指标有最大灵敏度实施方便3、直接指标信号微弱，可选用间接指标4、考虑国内外仪表状况15刘玉长刘玉长4.2.2 4.2.2 操纵量的选择操纵量的选择操纵量是克服扰动影响、使系统重新恢复平稳运行的积极因素，应该遵循快速、有效地克服干扰的原则去选择操纵量。输入输入输入输入输出输出输出输出加热炉:燃料油成分、燃料油压力、燃料油雾化、燃料油流燃料油成分、燃料油压力、燃料油雾化、燃料油流量、烟筒抽力、原油温度、原油流量量、烟筒抽力、原油温度、原油流量16刘玉长刘玉长4.2.2 4.2.2 操纵量的选择操纵量的选择如何选？(从对象特性对控制质量的影响入手，完成下表）放大系数放大系数时间常数时间常数滞

10、后时间滞后时间通道通道1通道通道2 17刘玉长刘玉长操纵量的选择原则控制通道对象放大系数适当地大些，时间常数适中，纯滞后越小越好；扰动通道对象的放大系数应尽可能小，时间常数应尽可能大；扰动作用点应尽量靠近控制阀或远离检测元件，增大扰动通道的容量滞后，可减少对被控量的影响；操纵量的选择不能单纯从自动控制的角度出发，还必需考虑生产工艺的合理性、经济性。18刘玉长刘玉长4.3 4.3 检测及变送环节的考虑检测及变送环节的考虑 4.3.1 4.3.1 检测及变送环节任务、作用及检测及变送环节任务、作用及要求要求任务:对被控量进行正确测量，并将其转换为标准信号。要求:能正确、及时地反映被控量的状况，提供

11、操作人员判断生产工况和系统进行控制作用的依据。19刘玉长刘玉长4.3.2 4.3.2 检测变送环节特性检测变送环节特性通常等效为带滞后的一阶惯性特性【理想特性为比例环节】20刘玉长刘玉长4.3.2 4.3.2 选型注意事项选型注意事项 应尽量减少其时间常数与滞后时间。选择快速反应的测量元件，以减小时间常数选择合适的测量点，以减小纯滞后使用微分单元，以克服容量滞后21刘玉长刘玉长4.4 4.4 控制阀的选择控制阀的选择问题：干扰(设定值、负荷或其它因素变化)的存在会破坏系统的正常运行状态，那么用什么办法来克服扰动的影响【请根据系统框图回答】SP控制阀GV(s)检测与变送器Gm(s)PV对象GP(

12、s)控制器GC(s)单回路控制系统扰动22刘玉长刘玉长控制阀选择内容流量特性(实际上就是选线性还是对数特性，因为抛物线特性阀通常用的很少，而蝶阀当导通角为0-70o时近似为对数特性)；结构形式；开闭形式；口径计算。ZXP(ZJHP)型新系列型新系列气动薄膜直通单座阀气动薄膜直通单座阀 ZAZN型电动双座阀型电动双座阀 23刘玉长刘玉长控制阀的流量特性选择控制阀的流量特性选择选择原则系统稳定运行准则 使在生产负荷变动情况下，已整定的控制器的参数值不需改变，而控制系统仍能保持预定的品质指标。系统稳定运行维持方法 通过选择适当的控制阀特性来保证【原因：对象特性通常随负荷(工作点)而变，除控制器外系统

13、中无其它可变部分】。流量特性选择实质与原则 以控制阀特性的变化来补偿对象特性的变化，使系统成为一个理想的控制系统，即保证系统特性在整个操作范围内基本维持不变：24刘玉长刘玉长控制阀的流量特性选择原则G0(s)=GC(s)GV(s)GP(s)Gm(s)=const 通常使 G0(jwg)-0.5 若仅考虑静态特性，并考虑到控制器增益与检测变送环节增益通常维持不变，则有阀与对象的放大系数控制阀:KV输入输出合成:K0对象:KP25刘玉长刘玉长流量特性的选择方法1)数学分析法数学分析法根据对象特性选取合适的控制阀流量特性2)经验法经验法(工程上多采用工程上多采用)根据被控对象、控制参数，按照经验选取

14、流量特性。按经验法选择流量特性时：需要考虑工艺配管情况;考虑负荷变换的情况:在负荷变化幅度大的场合，选等百分比阀较合适；当所选控制阀经常工作在小开度时，也宜选等百分比阀。26刘玉长刘玉长数学分析法（举例）数学分析法（举例）27刘玉长刘玉长数学分析法（举例）数学分析法（举例）28刘玉长刘玉长数学分析法（举例）数学分析法（举例）由于设定值扰动引起工作点移动静态特性的补偿静态特性的补偿 29刘玉长刘玉长数学分析法（举例）数学分析法（举例）由于设定值扰动引起工作点移动动态特性的补偿动态特性的补偿 30刘玉长刘玉长数学分析法（举例）数学分析法（举例）由于出液阀开度扰动引起工作点移动31刘玉长刘玉长对数/

15、抛物线/蝶阀R2R1R2R1R2R1Q1 Q2数学分析法数学分析法:随动控制系统(设定值R为干扰)对象KP恒定，即被控量与控制阀输出流量Q成正比，则阀流量特性应选线性；KP变化，且随Q增大反而减少，则应选对数(或抛物线/或蝶阀)流量特性；KP变化，且随Q增大反而增大，则应选快开流量特性；QyQyQylQlQlQ设定值R改变快开直线32刘玉长刘玉长RRRQ1Q2Q3数学分析法数学分析法:定值控制系统(负荷为干扰)对象KP恒定，即被控量与控制阀输出流量Q成正比，则阀流量特性应选线性；KP变化，且随Q增大反而减少，则应选对数(或抛物线/或蝶阀)流量特性；KP变化，且随Q增大反而增大，则应选快开流量特

16、性；yQylQlQlQ负荷线负荷线y负荷线负荷改变对数/抛物线/蝶阀快开直线33刘玉长刘玉长数学分析法选控制阀流量特性注意事项 不同扰动引起的对象变化，要求补偿用的流量特性可能是不一样，甚至是相反的，所以应根据引起工作点移动的主要干扰来选取控制阀流量特性；采用分析推理方法得到的流量特性有时为快开特性，考虑到快开特性特点，一般用于双位控制或程序控制而不适合于连续自动调节，此时可用线性阀代替；生产实践中，通常阀前后压差是变化的，故选择时还需考虑配管条件等对流量特性的影响。34刘玉长刘玉长经验法经验法:按控制对象选择流量特性35刘玉长刘玉长经验法经验法:按被控变量选择控制阀的理想特性36刘玉长刘玉长

17、经验法经验法:按配管情况选择流量特性配管状态S=1.00.6S=0.60.3S0.3实际特性直线对数直线对数不适宜控制理想特性直线对数对数对数37刘玉长刘玉长4.4.1.3 控制阀流量特性选择注意事项应根据主要干扰的变化来选择阀门特性；当对象特性可用图形表示时，用图解法选；而当特性可用解析式表示时用解析法选【注意对象特性必须是增量化前的方程】；要求高时，应从动态角度考虑与分析；控制阀流量特性的选择是使系统总的幅频与相频特性恒定，为此亦可通过选择控制器或检测变送环节特性满足此要求。如节流装置测流量，配开方器，用线性控制阀；如不加开方器，从静态考虑要选快开特性，实际选线性。38刘玉长刘玉长4.4.

18、2 4.4.2 控制阀结构形式的选择控制阀结构形式的选择控制阀选用时需注意两点：被控介质的工艺条件，如温度、压力、流量等。被控介质的流量特性，如黏度、腐蚀性、毒性、是否含悬浮颗粒、液态还是气态等。a)单座控制阀 b)双座控制阀 c)角形控制阀 d)套筒控制阀1-阀杆；2-上阀盖；3-填料；4-阀芯；5-阀座；6-阀体图4-4 部分控制阀结构39刘玉长刘玉长控制阀结构形式特点及适用场所直通单直通单座阀座阀结构简单，装配方便，泄漏小，但受流体冲击不平衡结构简单，装配方便，泄漏小，但受流体冲击不平衡力大。适用于小口径力大。适用于小口径Dg25mm 的场合。的场合。直通双直通双座阀座阀 受流体冲击不平

19、衡力影响小，但关不严渗漏较大，适受流体冲击不平衡力影响小，但关不严渗漏较大，适用于大口径管道的场合。用于大口径管道的场合。角形阀角形阀 阀体受流体的冲击小，体内不易结污，对粘度高、有阀体受流体的冲击小，体内不易结污，对粘度高、有悬浮物和颗粒物的流体尤为适用，并且调节稳定性较悬浮物和颗粒物的流体尤为适用，并且调节稳定性较好。好。蝶阀蝶阀 流阻小，适用于低差压大流量的气体及含有固体悬浮流阻小，适用于低差压大流量的气体及含有固体悬浮物的介质，通常流量特性与等百分比相似。物的介质，通常流量特性与等百分比相似。隔膜阀隔膜阀 用于强腐蚀性粘度高带悬浮物或带纤维的介质，但不用于强腐蚀性粘度高带悬浮物或带纤维

20、的介质，但不耐高温和高压。耐高温和高压。三通阀三通阀 分三通合流阀和三通分流阀，适用于介质三个方向的分三通合流阀和三通分流阀，适用于介质三个方向的流通。对于三个系统的分合流控制非常有效。流通。对于三个系统的分合流控制非常有效。40刘玉长刘玉长4.4.3 4.4.3 控制阀开闭控制阀开闭(作用作用)形式的选择形式的选择控制阀的开(信号增大时阀开大)闭(信号压力增大阀关小)形式选择主要基于以下几点考虑：安全角度：出现意外，保证人员、设备安全；质量角度：出现意外事故，考虑产品质量；消耗角度：原料、成品及动力；介质特点：特殊介质，考虑结晶、蒸发等因素控制阀作用方式的选择要和控制器作用方式的选择匹配以满

21、足控制通道作用方向的要求。正正反反p0p0正反反正p0p0气关阀 气开阀41刘玉长刘玉长控制阀开闭选择之安全原则 控制阀开闭形式的选择主要从生产安全角度考虑，一般在控制阀气/电源中断时，应切断进入被控设备的原料或热源，停止向设备外输出产品：进料/出料阀(控制原料/热源)气开；回流阀(如精馏罐回流)气关串级控制时如阀的开闭形式可任选，为使主控与串级切换方便，选KV与主对象放大系数符号相同的的(气开时KV为正，气关为负)。例如：加热炉的燃料油控制应采用气开阀，放热反应罐冷却水控制应采用气关阀。42刘玉长刘玉长例：加热炉温度控制系统的控制阀应采用何种开闭（正反）形式？43刘玉长刘玉长4.4.4 4.

22、4.4 控制阀口径计算控制阀口径计算调节阀的口径选择是由调节阀流量系数C(或称流通能力C)决定的。调节阀口径的选择实质上就是根据特定的工艺条件(即给定的介质流量与物性参数及阀前后的压差等)进行Cmax值的计算，然后按调节阀生产厂家的产品目录，选出相应的调节阀口径，使得通过调节阀的流量满足工艺要求的最大流量且留有一定的裕度，但裕度不宜过大。【流通能力定义】在给定的行程下，当阀两端压差为100kPa，流体密度为1g/cm3时，流经调节阀的流体流量(以m3/h表示)。44刘玉长刘玉长控制阀口径计算计算方法在新装置的设计时，通常按流通能力C值确定阀门口径，常用方法有两种：根据实际最大流量Qmax，算出

23、相应的流通能力Cmax，然后从产品系列中选取稍大于Cmax的C值及相应的阀门口径，选取时应留必要的余地。最后对实际最大流量Qmax及实际最小流量Qmin时的阀门开度进行验算：在Qmax时应不大于90%,在Qmin时不小于10%。按常用流量算出相应的流通能力Cvc。选用阀门C值应使Cvc/C在之间，即按常用流量乘以倍。一般Cvc/C为相宜，当工作特性为对数型时可更小些。45刘玉长刘玉长控制阀口径计算计算步骤根据工艺专业委托的条件，初选阀的型式、流向及流量特性，并决定流量系数C值的计算方法。确定计算C值的各项参数值，如阀前、后压力，最大、常用、最小流量，阀前后压差，密度以及其他辅助修正系数。判别工

24、况是阻塞流还是非阻塞流，如为阻塞流工况，且流量较大，则应进行噪声预估计算，如为非阻塞流，一般可不进行噪声预估计算。选定合适的C值计算公式，计算最大流量下阀的Cmax值，并圆整之。按圆整的Cmax值在所选阀型的标准系列中，找与C Cmax靠近的额定C值，其对应的阀径即为所选调节阀的阀径。进行压力、压差、开度(10%l/LQmax/Qmin)校验，以验证所选调节阀口径的正确性。46刘玉长刘玉长 例例：某某一一蒸蒸汽汽加加热热器器，饱饱和和水水蒸蒸气气的的正正常常用用量量是是450kg/h，蒸蒸汽汽阀阀前前压压力力为为，阀阀后后设设计计压压力力为为。试试确确定定直直通通双双座座阀的口径。阀的口径。解

25、解:阀前绝对压力阀前绝对压力 p1 阀后绝对压力阀后绝对压力 p2 因因p2/p1，故应用表，故应用表11-3中蒸汽中蒸汽C的公式：的公式：蒸汽蒸汽 C=Ms/(1.406710-4p1)即即 Cvc=Ms/(1.406710-4 Cvc4=43 Cvc根根据据计计算算和和表表12-4可可指指，公公称称通通径径Dg为为40mm的的直直通通双双座座阀阀可可以适用。以适用。47刘玉长刘玉长常用控制规律特点及适用场合常用控制规律特点及适用场合位式PPIPDPID特点简单控制质量低，有振荡控制速度快有静差控制不及时无静差 超前控制，减小动态偏差 有静差兼顾动态与静态，整定较麻烦适用场合对象容量大，负荷

26、变动小。控制质量要求不高，容许振荡对象容量大，负荷变动小，纯滞后小。允许静差存在对象滞后大，负荷变动大但缓慢。不允许静差存在对象滞后大，负荷变动不大，被控量变化不频繁。允许静差存在对象滞后大，负荷变动较大但不频繁。控制质量要求高4.5 4.5 控制器的控制律及作用方式选择控制器的控制律及作用方式选择48刘玉长刘玉长控制器作用方式的选择控制器作用方式的选择正作用：正作用：当设定值不变，测量值增加时控制器输出也增加；或者当测量值不变，设定值减少时控制器输出增加。反作用：反作用：测量值增加控制器输出减少。49刘玉长刘玉长 原则原则：1 1 1 1、控制阀：气开式为、控制阀：气开式为、控制阀：气开式为

27、、控制阀：气开式为“”，气关式为，气关式为，气关式为，气关式为“-”“-”“-”“-”；2 2 2 2、控制器：正作用为、控制器：正作用为、控制器：正作用为、控制器：正作用为“”，反作用为，反作用为，反作用为，反作用为“-”“-”“-”“-”；3 3 3 3、被控对象：物料或能量增加时，被控参数随之、被控对象：物料或能量增加时，被控参数随之、被控对象：物料或能量增加时，被控参数随之、被控对象：物料或能量增加时，被控参数随之增加为增加为增加为增加为“”，随之减少为，随之减少为，随之减少为，随之减少为“-”“-”“-”“-”；4 4 4 4、变送器：一般为、变送器：一般为、变送器：一般为、变送器：

28、一般为“”；控制器正、反作用选择的判别式：控制器正、反作用选择的判别式：(控制器控制器控制器控制器“”)*(“”)*(“”)*(“”)*(控制阀控制阀控制阀控制阀“”)*(“”)*(“”)*(“”)*(对象对象对象对象“”)=“”)=“”)=“”)=“”控制器正、反作用的选择控制器正、反作用的选择50刘玉长刘玉长例：请判定左图所示温度控制系统中，例：请判定左图所示温度控制系统中，调节阀和调节器的作用型式。调节阀和调节器的作用型式。1-1-当物料为温度过低时易析出当物料为温度过低时易析出结晶颗粒的介质，调节介质为过热结晶颗粒的介质，调节介质为过热蒸汽时；蒸汽时；2-2-当物料为温度过高时易结焦当

29、物料为温度过高时易结焦或分解的介质，调节介质为过热蒸或分解的介质，调节介质为过热蒸汽时；汽时；3-3-当物料为温度过低时易析出当物料为温度过低时易析出结晶颗粒的介质，调节介质为待加结晶颗粒的介质，调节介质为待加热的软化水时；热的软化水时；4-4-当物料为温度过高时易结焦当物料为温度过高时易结焦或分解的介质，调节介质为待加热或分解的介质，调节介质为待加热的软化水时；的软化水时；(控制器控制器控制器控制器“”)*(“”)*(“”)*(“”)*(控制阀控制阀控制阀控制阀“”)*(“”)*(“”)*(“”)*(对象对象对象对象“”)=“”“”)=“”“”)=“”“”)=“”51刘玉长刘玉长例：请判定左

30、图所示温度控制系统中，调节阀例：请判定左图所示温度控制系统中，调节阀和调节器的作用型式。和调节器的作用型式。1-1-当物料为温度过低时易析出结晶颗当物料为温度过低时易析出结晶颗粒的介质，调节介质为过热蒸汽时；粒的介质，调节介质为过热蒸汽时；（气（气关调节阀，正作用调节器；）关调节阀，正作用调节器；）2-2-当物料为温度过高时易结焦或分解当物料为温度过高时易结焦或分解的介质，调节介质为过热蒸汽时；的介质，调节介质为过热蒸汽时；（气开（气开调节阀，反作用调节器；）调节阀，反作用调节器；）3-3-当物料为温度过低时易析出结晶颗当物料为温度过低时易析出结晶颗粒的介质，调节介质为待加热的软化水时；粒的介

31、质，调节介质为待加热的软化水时；（气开调节阀，正作用调节器；）（气开调节阀，正作用调节器；）4-4-当物料为温度过高时易结焦或分解的当物料为温度过高时易结焦或分解的介质，调节介质为待加热的软化水时；介质，调节介质为待加热的软化水时；（气关调节阀，反作用调节器；）（气关调节阀，反作用调节器；）(控制器控制器控制器控制器“”)*(“”)*(“”)*(“”)*(控制阀控制阀控制阀控制阀“”)*(“”)*(“”)*(“”)*(对象对象对象对象“”)=“”“”)=“”“”)=“”“”)=“”52刘玉长刘玉长4.6 4.6 控制器参数整定控制器参数整定 控制器参数整定，就是确定控制器参数。控制器参数的整定

32、方法有理论计算整定法【通过理论计算(微分方程、频率特性、根轨迹法等)求取控制器参数】和工程整定法【从工程的实际出发，直接在控制系统中进行整定】两种。工程应用上大量采用工程整定法工程整定法。下面介绍PID型控制器参数的工程整定方法。【经验试凑法；临界比例带法；衰减曲线法；响应曲线法】53刘玉长刘玉长4.6.1 4.6.1 经验试凑法经验试凑法 将控制器参数设置为某些经验值，使系统闭环运行，观察过渡过程的曲线形状(亦可以施加一定的扰动，如改变设定值)。若曲线不够理想，根据控制器参数对过渡过程的不同影响，按规定的顺序，反复凑试，直到满意为止。54刘玉长刘玉长11、常用的参数经验范围：、常用的参数经验

33、范围：凑试凑试的顺序有两种：的顺序有两种：一种认为比例作用是基本作用。首先把比例带凑试，待一种认为比例作用是基本作用。首先把比例带凑试，待过渡过程基本稳定，再加入积分作用消除静差，最后加入微过渡过程基本稳定，再加入积分作用消除静差，最后加入微分作用提高控制质量。分作用提高控制质量。另一种顺序认为，比例带和积分时间可以在一定范围内另一种顺序认为，比例带和积分时间可以在一定范围内匹配，所得过渡过程衰减情况可以一样，即减小比例带可用匹配，所得过渡过程衰减情况可以一样，即减小比例带可用增加积分时间来补偿。增加积分时间来补偿。55刘玉长刘玉长2 2、整定步骤、整定步骤 (1)(1)、在纯比例作用下、在纯

34、比例作用下(T(T(T(TI I I I=、T T T TD D D D=0)=0)=0)=0)在比例度在比例度P PC C按上表的取值下，将系统投入运行；按上表的取值下，将系统投入运行；若曲线振荡频繁，则加大比例度若曲线振荡频繁，则加大比例度P PC C；若超调量大，且趋于非周期，则减少若超调量大，且趋于非周期，则减少P PC C，求得满意，求得满意 的的4 4：1 1过渡过程曲线。过渡过程曲线。(2)(2)、引入积分作用、引入积分作用 将积分时间将积分时间T TI I由大到小进行整定；由大到小进行整定；若曲线波动较大，则应增大若曲线波动较大，则应增大T TI I；若曲线偏离给定值后长时间回

35、不来，则需减少若曲线偏离给定值后长时间回不来，则需减少T TI I，以求得较好的过渡过程曲线。以求得较好的过渡过程曲线。56刘玉长刘玉长(3)(3)、若需引入微分作用、若需引入微分作用 将将T TD D按经验值或按按经验值或按T TD D=(1/3=(1/31/4)T1/4)TI I设置，并由小到大设置，并由小到大加入；加入；若曲线超调量大而衰减慢，则需增大若曲线超调量大而衰减慢，则需增大T TD D；若曲线振荡厉害，则应减小若曲线振荡厉害，则应减小T TD D；观察曲线，再适当调节观察曲线，再适当调节P PC C和和T TI I，反复调试直到获得满意，反复调试直到获得满意的过渡过程曲线。的过

36、渡过程曲线。57刘玉长刘玉长PID参数整定经验参数整定找最佳，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，前高后低比；一看二调多分析，调节质量不会低。58刘玉长刘玉长1、特点、特点:是目前工程上应用较广泛的一种控制器参数的整是目前工程上应用较广泛的一种控制器参数的整定方法。定方法。2、整定步骤、整定步骤(1)、在纯比例作用下投入、在纯比例作用下投入(TI=,TD=0),比例度比例度PC

37、适当；适当；平稳操作一段时间，把系统投入自动运行。平稳操作一段时间，把系统投入自动运行。(2)(2)、将、将P PC C逐渐减小逐渐减小，得到下图所示等幅振荡过程记下临，得到下图所示等幅振荡过程记下临，得到下图所示等幅振荡过程记下临，得到下图所示等幅振荡过程记下临界比例度界比例度界比例度界比例度P PKK和临界振荡周期和临界振荡周期和临界振荡周期和临界振荡周期T TKK值。值。值。值。临界振荡过程曲线yTKt4.6.2 临界比例带法59刘玉长刘玉长 (3)(3)、根据、根据、根据、根据P PK K和和和和T TK K值，采用下页表中的经验公式，计算值，采用下页表中的经验公式，计算值，采用下页表

38、中的经验公式，计算值，采用下页表中的经验公式，计算P P、T TI I、T TD D的值。的值。的值。的值。(4)、按、按“先先P后后I最后最后D”的操作程序，将控制器整定参的操作程序，将控制器整定参数调整到计算值上。数调整到计算值上。观察其运行曲线，若不够满意，再做进一步调整。观察其运行曲线，若不够满意，再做进一步调整。观察其运行曲线，若不够满意，再做进一步调整。观察其运行曲线，若不够满意，再做进一步调整。60刘玉长刘玉长例：例：用临界比例度法整定某过程控制系统所得的用临界比例度法整定某过程控制系统所得的用临界比例度法整定某过程控制系统所得的用临界比例度法整定某过程控制系统所得的比例度比例度

39、比例度比例度P PK K=20%,=20%,临界振荡周期临界振荡周期临界振荡周期临界振荡周期T T T TK K K K=1min=1min=1min=1min，当控，当控，当控，当控制器分别采用比例作用、比例积分作用、比制器分别采用比例作用、比例积分作用、比制器分别采用比例作用、比例积分作用、比制器分别采用比例作用、比例积分作用、比例积分微分作用时，求其最佳整定参数值例积分微分作用时，求其最佳整定参数值例积分微分作用时，求其最佳整定参数值例积分微分作用时，求其最佳整定参数值。61刘玉长刘玉长解：应用上表经验公式，可得解：应用上表经验公式，可得 (1).(1).比例比例控制器控制器 P=2P

40、P=2PK K=220%=40%=220%=40%(2).(2).比例积分比例积分控制器控制器 K K=2.220%=44%=2.220%=44%T TI I=T=TK K (3).(3).比例积分微分比例积分微分控制器控制器 K K=1.7=1.7 20%=34%20%=34%T TIKIK T TDIDI62刘玉长刘玉长 应用临界比例度法的几点注意事项：应用临界比例度法的几点注意事项：（1 1）在寻找临界状态时，应格外小心。）在寻找临界状态时，应格外小心。因当比例带小于临界值因当比例带小于临界值PkPk时，会出现发散振时，会出现发散振荡，可能使被控量超出工艺要求的范围，从荡，可能使被控量超

41、出工艺要求的范围，从而造成损失。而造成损失。（2 2）对工艺上约束严格，不允许等幅振）对工艺上约束严格，不允许等幅振荡的场合，不宜采用此法。荡的场合，不宜采用此法。（3 3）当比例带过小时，纯比例控制接近）当比例带过小时，纯比例控制接近于双位控制，对于某些生产工艺不利，也不于双位控制，对于某些生产工艺不利，也不宜采用此法。宜采用此法。63刘玉长刘玉长1 1 1 1、特点：、特点：、特点：、特点：是在总结是在总结是在总结是在总结稳定边界法稳定边界法稳定边界法稳定边界法的基础上，经过反复实验的基础上，经过反复实验的基础上，经过反复实验的基础上，经过反复实验提出来的。提出来的。提出来的。提出来的。2

42、 2、整定步骤：、整定步骤：、整定步骤：、整定步骤：对于要求系统过渡过程达到对于要求系统过渡过程达到对于要求系统过渡过程达到对于要求系统过渡过程达到4 4：1 1衰减的步衰减的步衰减的步衰减的步骤如下。骤如下。骤如下。骤如下。(1)(1)、实现、实现、实现、实现4 4：1 1衰减比衰减比衰减比衰减比 先把参数置成纯比例作用先把参数置成纯比例作用先把参数置成纯比例作用先把参数置成纯比例作用(TI=TI=,TD=0),TD=0)，使系统投入运，使系统投入运，使系统投入运，使系统投入运行；行；行；行；再把再把再把再把P P从大逐渐调小，直到出现从大逐渐调小，直到出现从大逐渐调小，直到出现从大逐渐调小

43、，直到出现4 4：1 1衰减过程曲线衰减过程曲线衰减过程曲线衰减过程曲线 ；此时的此时的此时的此时的4 4：1 1衰减比例度为衰减比例度为衰减比例度为衰减比例度为P PS S，4 4：1 1衰减振荡周期为衰减振荡周期为衰减振荡周期为衰减振荡周期为T TS S。(2)、计算参数、计算参数 根据根据根据根据P PS S和和和和T TS S，查表计算出控制器的各个整定参数值。，查表计算出控制器的各个整定参数值。，查表计算出控制器的各个整定参数值。，查表计算出控制器的各个整定参数值。(3)、进一步调整、进一步调整 按按“先先P后后I最后最后D”的操作程序，将求得的参数设置在控制器上；的操作程序，将求得

44、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。再观察运行曲线，若不太理想，可做适当调整。再观察运行曲线，若不太理想，可做适当调整。再观察运行曲线，若不太理想，可做适当调整。4.6.3 衰减曲线法64刘玉长刘玉长衰减曲线法参数调整图和计算表衰减曲线法参数调整图和计算表65刘玉长刘玉长例：某温度控制系统，采用例：某温度控制系统，采用4 4：1 1衰减曲线法整衰减曲线法整定控制器参数，得定控制器参数，得P PS S=20%=20%，T TS S=10=10分，当控制分，当控制器分别为比例作用、比例积分作用、比例积分器分别为比例作用、比例积分作用、比例积分微分作用时，试求其整定参数值

45、。微分作用时，试求其整定参数值。66刘玉长刘玉长解解 应用表中的经验公式，可得应用表中的经验公式，可得 (1)、比例比例控制器控制器 P=PS=20%(2)、比例积分比例积分控制器控制器 P=1.2PS=1.2 20%=24%TI=0.5TS=0.5 10=5min (3)、比例积分微分比例积分微分控制器控制器 P=0.8PS=0.8 20%=16%TI=0.3TS=0.3 10=3min TD=0.1TS=0.1 10=1min 67刘玉长刘玉长 1 1 1 1、特点：、特点：、特点：、特点：依据对象的响应曲线依据对象的响应曲线依据对象的响应曲线依据对象的响应曲线-飞升特性整定参数，飞升特性

46、整定参数，飞升特性整定参数，飞升特性整定参数，精度更高。精度更高。精度更高。精度更高。2 2 2 2、整定步骤、整定步骤、整定步骤、整定步骤 (1)(1)(1)(1)、获取对象的响应曲线，如下图所示。、获取对象的响应曲线，如下图所示。、获取对象的响应曲线，如下图所示。、获取对象的响应曲线，如下图所示。4.6.4 响应曲线法68刘玉长刘玉长(2)(2)、求取广义对象的放大系数、求取广义对象的放大系数KpKp式中式中 x-x-被控参数测量值的变化量；被控参数测量值的变化量；m-m-控制器输出的变化量；控制器输出的变化量；x xmaxmax-x-xminmin-测量仪表的刻度范围；测量仪表的刻度范围

47、；m mmaxmaxmaxmax-m-mminminminmin-控制器输出变化范围。控制器输出变化范围。69刘玉长刘玉长 (3)(3)、根据对象的根据对象的K KP P 、TTP P 、，按下表，按下表12-912-9所所给公式求出给公式求出44：11衰减过程控制器的参数衰减过程控制器的参数pp、TITI和和 TD TD。70刘玉长刘玉长 例：在某一蒸汽加热器的控制系统中，当电动单元组合控制器的输出从6mA改变到7mA时，温度记录仪的指针从85升到87.8，从原来的稳定状态达到新的稳定状态。仪表的刻度为50100，并测出=1.2min,TP=2.5min。如采用PI和PID控制规律，试确定出

48、整定参数。71刘玉长刘玉长解：解：m=7-6=1mA m=7-6=1mA m mmaxmax-m-mminmin x xmaxmax-x-xminmin=100-50=50=100-50=50 所以所以72刘玉长刘玉长因此，在因此，在PIPI控制器时：控制器时：P P P P=120=120=120=120 0.27%=3%0.27%=3%0.27%=3%0.27%=3%T T T TI I I I=3.3=3.3=3.3=3.3 1.2=4min1.2=4min1.2=4min1.2=4min 在在在在PIDPIDPIDPID控制器时：控制器时：控制器时：控制器时：P=83 P=83 P=8

49、3 P=83 0.27%=2%0.27%=2%0.27%=2%0.27%=2%T T T TI I I I T T T TD D D D 解毕。解毕。解毕。解毕。73刘玉长刘玉长4.6.5 4.6.5 总结：工程整定方法优缺总结：工程整定方法优缺点点 1）经验凑试法：简单方便，容易掌握，应用较广泛，特别是对扰动频繁的系统更为合适。但此方法靠经验，要凑到一条满意的过程曲线，可能花费时间多。此方法对PID控制器的三个参数不容易找到最佳的数值。2）临界比例带法：较简单，易掌握和判断，应用较广。此方法对于临界比例带很小的系统不适用，因在这种情况下，控制器的输出一定很大，被控量容易一下超出允许的范围，为

50、工艺所不允许。3）衰减曲线法：此法是在总结临界比例带的经验基础上提出来的，较准确可靠，安全，应用广泛。但对时间常数小的对象不易判断，扰动频繁的系统不便应用。4）响应曲线法：较准确，能近似求出广义对象的动态特性。但加阶跃信号测试，须在不影响生产的情况下进行。74刘玉长刘玉长 （1 1 1 1）准备工作。）准备工作。）准备工作。）准备工作。熟悉工艺工程，了解主要工艺流程及主要设备的功熟悉工艺工程，了解主要工艺流程及主要设备的功熟悉工艺工程，了解主要工艺流程及主要设备的功熟悉工艺工程，了解主要工艺流程及主要设备的功能、控制指标和要求，以及各种工艺参数之间的关能、控制指标和要求，以及各种工艺参数之间的