过程控制第章优秀PPT.ppt

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1、过程控制系统过程控制系统 第第6章章限制系统原理方框图限制系统原理方框图给定值给定值测量变送器测量变送器控制器控制器执行器执行器对象对象操作量操作量被控变量被控变量干扰干扰热物料热物料载热介质载热介质冷物料冷物料热交换器热交换器 TT TC限制系统工艺流程图限制系统工艺流程图过程控制系统过程控制系统 第第6章章6.2简洁限制系统设计简洁限制系统设计1.过程限制系统方案设计的基本要求过程限制系统方案设计的基本要求 生产过程对过程限制系统的要求可简要归纳为平生产过程对过程限制系统的要求可简要归纳为平安性、稳定性和经济性三个方面。安性、稳定性和经济性三个方面。2.过程限制系统设计的主要内容过程限制系

2、统设计的主要内容 过程限制系统设计包括限制系统方案设计、工过程限制系统设计包括限制系统方案设计、工程设计、工程安装和仪表调校、调整器参数整定等程设计、工程安装和仪表调校、调整器参数整定等四个主要内容。四个主要内容。其中限制方案设计是限制系统设计的核心。其中限制方案设计是限制系统设计的核心。过程控制系统过程控制系统 第第6章章3.过程限制系统设计的步骤过程限制系统设计的步骤1）驾驭生产工艺对限制系统的技术要求）驾驭生产工艺对限制系统的技术要求2）建立被控过程的数学模型）建立被控过程的数学模型3）确定限制方案）确定限制方案 包括限制方式和系统组成结构的确定，是过程包括限制方式和系统组成结构的确定，

3、是过程限制系统设计的关键步骤。限制系统设计的关键步骤。4）限制设备选型）限制设备选型5）试验（或仿真）验证）试验（或仿真）验证 其中最关键的设计是：其中最关键的设计是：过程控制系统过程控制系统 第第6章章6.2.2被控参数与限制变量的选择被控参数与限制变量的选择6.2.2.1被控参数的选择被控参数的选择被被控控变变量量生生产产过过程程中中希希望望借借助助自自动动限限制制保保持恒定值（或按确定规律变更）的变量。持恒定值（或按确定规律变更）的变量。合合理理选选择择被被控控变变量量，关关系系到到生生产产工工艺艺能能否否达达到稳定操作、保证质量、保证平安等目的。到稳定操作、保证质量、保证平安等目的。被

4、控变量的选择依据：被控变量的选择依据：1、依依据据生生产产工工艺艺的的要要求求，找找出出影影响响生生产产的的关关键变量作为被控变量键变量作为被控变量过程控制系统过程控制系统 第第6章章例例1 储槽液位限制系统储槽液位限制系统工工艺艺要要求求储储槽槽液液位位稳稳定定。那那么么设设计计的的限限制制系系统统就应以储槽液位为被控变量。就应以储槽液位为被控变量。LC TTh过程控制系统过程控制系统 第第6章章例例2 换热器出口温度限制系统换热器出口温度限制系统工工艺艺要要求求出出口口温温度度为为定定值值。那那么么设设计计的的限限制制系系统就应以出口温度为被控变量。统就应以出口温度为被控变量。热物料热物料

5、载热介质载热介质冷物料冷物料热交换器热交换器 TT TC过程控制系统过程控制系统 第第6章章2、当当不不能能用用干干脆脆工工艺艺参参数数作作为为被被控控变变量量时时，应应选选择择与与干干脆脆工工艺艺参参数数有有单单值值函函数数关关系系的的间间接接工工艺艺参参数作为被控变量。数作为被控变量。例例3 化化工工的的精精馏馏物物纯纯度限制系统度限制系统精精馏馏工工艺艺是是利利用用被被分分别别物物中中各各组组分分的的挥挥发发温温度度不同，将各组分分别。不同，将各组分分别。如如图图将将苯苯甲甲苯苯混混合合液进行分别。液进行分别。苯苯甲苯甲苯苯苯甲苯甲苯 过程控制系统过程控制系统 第第6章章 该该精精馏馏塔

6、塔的的工工艺艺要要求求是是要要使使塔塔顶顶（或或塔塔底底）馏馏出出物物达达到到规规定定的的纯纯度度。依依据据被被控控变变量量的的选选择择原原则则1，塔塔顶顶（或或塔塔底底）馏馏出出物物的的组组分分应应作为被控变量。作为被控变量。但但是是，没没有有合合适适的的仪仪表表在在线线检检测测馏馏出出物物的的纯纯度度，则则不不能能干干脆脆作作为被控变量。为被控变量。苯苯甲苯甲苯 苯苯甲苯甲苯过程控制系统过程控制系统 第第6章章只好在与馏出物的只好在与馏出物的纯度有单值关系的工艺纯度有单值关系的工艺参数中，找出合适的变参数中，找出合适的变量作为被控变量，进行量作为被控变量，进行间接参数限制。间接参数限制。经

7、工艺分析发觉，经工艺分析发觉，塔内压力和塔内温度都塔内压力和塔内温度都对馏出物纯度有影响。对馏出物纯度有影响。须要对二者进行比较试须要对二者进行比较试验，选出一个合适的变验，选出一个合适的变量。量。苯苯甲苯甲苯 苯苯甲苯甲苯过程控制系统过程控制系统 第第6章章间接限制参数的确定间接限制参数的确定经经试试验验得得出出，塔塔顶顶馏馏出出物物苯苯的的浓浓度度分分别别与与压压力力和和温温度度有有单单值值对对应应关关系系。（塔塔底底馏馏出出物物甲甲苯苯也也一一样样）从工艺合理性考虑，选择温度作为被控变量。从工艺合理性考虑，选择温度作为被控变量。过程控制系统过程控制系统 第第6章章3 3、被控变量必需有足

8、够大的灵敏度、被控变量必需有足够大的灵敏度被控变量必需灵敏，简洁被测量。被控变量必需灵敏，简洁被测量。4 4、选择被控变量时，必需考虑工艺合理性、选择被控变量时，必需考虑工艺合理性上上例例中中，选选择择塔塔内内温温度度作作被被控控变变量量，就就是是考考虑虑了了工工艺艺上上，塔塔内内压压力力是是最最佳佳分分别别效效率率限限制制系系统统的的被被控变量。控变量。上上例例中中，若若塔塔顶顶、塔塔底底的的产产品品纯纯度度都都分分别别设设置置温温控控系系统统，会会相相互互干干扰扰，存存在在关关联联。因因此此，若若接接受受简简洁洁限限制制系系统统，只只能能设设置置一一个个温温控控系系统统，保保证证塔塔顶顶或

9、塔底一端的产品质量。或塔底一端的产品质量。过程控制系统过程控制系统 第第6章章6.2.2.2限制变量选择限制变量选择把把用用来来克克服服干干扰扰对对被被控控变变量量的的影影响响，实实现现限限制制作作用用的的变变量量称称为为限限制制变变量量或或操操纵纵变变量量。最最常常见见的的操操纵纵变变量量是是介介质质的的流流量量，也也有有以以转转速速、电电压压等等作作为为操操纵变量的。纵变量的。LC TTh过程控制系统过程控制系统 第第6章章限制变量的确定限制变量的确定被被控控变变量量选选定定以以后后，应应对对工工艺艺进进行行分分析析，找找出出全全部部影影响响被被控控变变量量的的因因素素。在在这这些些变变量

10、量中中，有有些些是是可控的，有些是不行控的。可控的，有些是不行控的。在在诸诸多多影影响响被被控控变变量量的的因因素素中中选选择择一一个个对对被被控控变量影响显著且便于限制的变量，作为限制变量；变量影响显著且便于限制的变量，作为限制变量；其它未被选中的因素则视为系统的干扰。其它未被选中的因素则视为系统的干扰。被控变量被控变量影响变量影响变量过程控制系统过程控制系统 第第6章章对象特性对限制品质影响的分析：对象特性对限制品质影响的分析：1过程（通道）静态特性对限制品质的影响过程（通道）静态特性对限制品质的影响如图所示为单回路限制系统的等效框图。如图所示为单回路限制系统的等效框图。Gc(s)限制器的

11、传递函数；限制器的传递函数；Go(s)广义限制通道（包括执行器和变送器）的传递函数；广义限制通道（包括执行器和变送器）的传递函数；Gf(s)扰动通道的传递函数。扰动通道的传递函数。Gc(s)Gf(s)Go(s)X(s)Y(s)F(s)过程控制系统过程控制系统 第第6章章 被控参数被控参数y(t)受到设定信号受到设定信号x(t)和干扰信号和干扰信号f(t)的的共同影响：共同影响：干扰通道干扰通道限制通道限制通道 Gc(s)Gf(s)Go(s)X(s)Y(s)F(s)过程控制系统过程控制系统 第第6章章代入系统偏差公式中：代入系统偏差公式中：将将 可见，限制通道偏差和干扰通道偏差的传函可见，限制通

12、道偏差和干扰通道偏差的传函分母是一样的。将分母是一样的。将Gc(s)、Go(s)代入：代入：过程控制系统过程控制系统 第第6章章vK0越大，限制作用越强，稳态误差越小；越大，限制作用越强，稳态误差越小；vK0越越大大，被被调调参参数数对对限限制制作作用用的的反反应应越越灵灵敏敏，系统的闭环稳定性越低。系统的闭环稳定性越低。vKf越大，干扰作用越强，稳态误差越大。越大，干扰作用越强，稳态误差越大。v故应选放大系数大的变量作为限制变量。故应选放大系数大的变量作为限制变量。过程控制系统过程控制系统 第第6章章2过程（通道）动态特性对限制品质的影响过程（通道）动态特性对限制品质的影响1）干扰通道动态特

13、性对限制品质的影响）干扰通道动态特性对限制品质的影响 干干扰扰通通道道的的惯惯性性因因子子（Tf Tf s+1s+1）使使干干扰扰作作用用的的影响缓慢。影响缓慢。Tf Tf 越越大大，干干扰扰对对被被控控变变量量的的影影响响越越缓缓慢慢，越越有利于限制。有利于限制。干干扰扰进进入入系系统统的的位位置置离离被被控控变变量量检检测测点点越越远远，则则Tf Tf 越大，限制时最大偏差越小。越大，限制时最大偏差越小。过程控制系统过程控制系统 第第6章章例例：某某限限制制系系统统中中，干干扰扰f1、f2、f3分分别别在在三三个个位位置置进进入入系系统统。干干扰扰离离被被控控变变量量检检测测点点越越远远，

14、则则干干扰通道的时间常数越大，对被控变量的影响越慢。扰通道的时间常数越大，对被控变量的影响越慢。过程控制系统过程控制系统 第第6章章 f1(t)通道惯性小，受干扰后被调参数变更速度通道惯性小，受干扰后被调参数变更速度快；当限制作用见效时，被调参数已经变更较大快；当限制作用见效时，被调参数已经变更较大造成动态偏差较大。造成动态偏差较大。所以扰动进入系统的位置离被控参数检测点越所以扰动进入系统的位置离被控参数检测点越远，干扰对被控参数影响越小。远，干扰对被控参数影响越小。y(t)yk(t)tyyk(t)yy(t)tyk(t)yy(t)t过程控制系统过程控制系统 第第6章章 因为，因为，f 使干扰对

15、被使干扰对被控变量的影响推迟了控变量的影响推迟了f 时时间，则限制作用也推迟间，则限制作用也推迟f 时间时间，整个过渡过程曲线，整个过渡过程曲线也推迟时间也推迟时间f，但限制品，但限制品质未变。质未变。v干扰通道纯滞后干扰通道纯滞后f不影响限制质量。不影响限制质量。含有含有e f s过程控制系统过程控制系统 第第6章章 2）限制通道动态特性对限制品质的影响）限制通道动态特性对限制品质的影响tGCGVGO2GFGmfreGO1yv限制通道限制通道G01的时间常的时间常数数T01增大，使限制速度变增大，使限制速度变慢，最大偏差增大。慢，最大偏差增大。vG02是限制、干扰共用是限制、干扰共用通道，通

16、道，T02不影响最大偏差不影响最大偏差y2(t)yk(t)yy1(t)过程控制系统过程控制系统 第第6章章y2(t)yk(t)tyy1(t)01v限制通道限制通道G01的纯滞后的纯滞后，使限制作用滞后使限制作用滞后01到达，造成到达，造成限制偏差增大。限制偏差增大。vG02是限制、干扰共用通是限制、干扰共用通道，道，干扰作用滞后干扰作用滞后02产生，产生，但限制作用再滞后但限制作用再滞后02到达，同到达，同样造成限制偏差增大。样造成限制偏差增大。y2(t)yk(t)tyy1(t)220202GCGVGO2GFGmfreGO1y过程控制系统过程控制系统 第第6章章 因此，限制通道时间常数因此，限

17、制通道时间常数T0 小一些好。表明限小一些好。表明限制变量对被控变量的影响快速，有利于限制。制变量对被控变量的影响快速，有利于限制。限制通道纯滞后限制通道纯滞后0越小越好。越小越好。0会使限制时间会使限制时间延长、最大偏差增大。延长、最大偏差增大。限制变量的选择原则：限制变量的选择原则：1、限制通道应当放大系数大、时间常数小、纯、限制通道应当放大系数大、时间常数小、纯滞后越小越好。滞后越小越好。2、限制变量应是工艺上允许限制的变量，并且、限制变量应是工艺上允许限制的变量，并且要考虑工艺的合理性与生产的经济性。要考虑工艺的合理性与生产的经济性。过程控制系统过程控制系统 第第6章章例例1中中，影影

18、响响储储槽槽液液位位的的主主要要因因素素有有：液液体体流流入入量量和和。这这两两个个变变量量影影响响力力相相当当，明明显显，液液体体流流出出量量可控。故选液体流出量作为限制变量。可控。故选液体流出量作为限制变量。LC TThQiQo过程控制系统过程控制系统 第第6章章例例2中中，影影响响出出口口温温度度的的主主要要因因素素有有：载载热热介介质质温温度度、载载热热介介质质流流量量、冷冷物物料料温温度度、冷冷物物料料流流量量等等。明明显显，载载热热介介质质流流量量影影响响力力最最大大且且可可控控。故故选选载载热热介质流量作为限制变量。介质流量作为限制变量。热物料热物料载热介质载热介质冷物料冷物料热

19、交换器热交换器 TT TCQrQiTiTr过程控制系统过程控制系统 第第6章章例例3中中，若若选选择择提提馏馏段段某某块块塔塔板板（灵灵敏敏板板）的的温温度度作作为为被被控控变变量量。那那么么，影影响响灵灵敏敏板板温温度度T灵灵的的因因素主要有：素主要有：TT进料的流量（进料的流量（Q入入）、）、进料的成分（进料的成分（x入入）、）、进料的温度（进料的温度（T入入），），回流的流量（回流的流量（Q回回）、）、回流的温度（回流的温度（T回回），），加热蒸汽流量（加热蒸汽流量（Q蒸蒸）、）、冷凝器冷却温度等。冷凝器冷却温度等。过程控制系统过程控制系统 第第6章章 这些影响因素分为可控的和不行控的两

20、大类：这些影响因素分为可控的和不行控的两大类：回流量和蒸汽流量为可控因素回流量和蒸汽流量为可控因素其它基本为不行控因素其它基本为不行控因素 TT过程控制系统过程控制系统 第第6章章1、蒸蒸汽汽流流量量对对提提馏馏段段温温度度影影响响比比回回流流量量对对提提馏馏段段温温度度影影响响更更快速、更显著。快速、更显著。2、从从节节能能角角度度来来讲讲，限限制制蒸蒸汽汽流流量量比比限限制制回回流流量量消消耗耗的的能能量量要要小。小。在两个可控因素中，选蒸汽流量为操纵变量。在两个可控因素中，选蒸汽流量为操纵变量。因为：因为：TT过程控制系统过程控制系统 第第6章章6.2.3检测环节、执行器及调整器正负作用

21、选择检测环节、执行器及调整器正负作用选择 6.2.3.1传感器、变送器选择传感器、变送器选择1依据生产过程的工艺要求，首先确定传感器与变依据生产过程的工艺要求，首先确定传感器与变送器合适的测量范围（量程）与精度等级。送器合适的测量范围（量程）与精度等级。2测量仪表反应慢，会造成测量失真。应尽可能选测量仪表反应慢，会造成测量失真。应尽可能选择时间常数小的传感器、变送器。择时间常数小的传感器、变送器。OtOtTmTmx(t)y(t)x(t)y(t)过程控制系统过程控制系统 第第6章章3合理选择检测点，避开测量造成对象纯滞后合理选择检测点，避开测量造成对象纯滞后0图图6.15 pH值控制系统图值控制

22、系统图 pHT LT LC pHC中和槽中和槽贮酸槽贮酸槽l04测量信号的处理测量信号的处理 测量信号的校正与补偿、测量噪声的抑制、测量测量信号的校正与补偿、测量噪声的抑制、测量信号的线性化处理。信号的线性化处理。过程控制系统过程控制系统 第第6章章 6.2.3.2执行器的选择执行器的选择 1调整阀工作区间的选择调整阀工作区间的选择 正常工况下，调整阀的开度应在正常工况下，调整阀的开度应在15%85%区区间。据此原则计算、确定限制阀的口径尺寸。间。据此原则计算、确定限制阀的口径尺寸。2调整阀的流量特性选择调整阀的流量特性选择按补偿对象特性的原则选取。按补偿对象特性的原则选取。3调整阀的气开、气

23、关作用方式选择调整阀的气开、气关作用方式选择 按限制信号中断时，保证生产设备平安的原则按限制信号中断时，保证生产设备平安的原则确定。确定。过程控制系统过程控制系统 第第6章章6.2.3.3调整器正反作用的选择调整器正反作用的选择负负反反馈馈限限制制系系统统的的限限制制作作用用对对被被控控变变量量的的影影响响应应与与干干扰扰作作用用对对被被控控变变量量的的影影响响相相反反，才才能能使使被被控控变变量量值值回回复复到到给给定定值值。为为了了保保证证负负反反馈馈，必必需需正正确确选择调整器的正反作用。选择调整器的正反作用。给定值给定值测量变送器测量变送器控制器控制器执行器执行器对象对象操作量操作量被

24、控变量被控变量干扰干扰过程控制系统过程控制系统 第第6章章为了说明选择方法，先定义作用方向：为了说明选择方法，先定义作用方向：当当某某个个环环节节的的输输入入增增加加时时，其其输输出出也也增增加加，称称该该环节为环节为“正作用正作用”；反之，称为；反之，称为“反作用反作用”。按此定义：按此定义：变送器都是正作用变送器都是正作用气开阀是正作用，气关阀是反作用气开阀是正作用，气关阀是反作用被控对象有的正作用，有的反作用被控对象有的正作用，有的反作用限制器作用方向以测量输入与输出的关系定义：限制器作用方向以测量输入与输出的关系定义：正作用：测量值正作用：测量值给定值给定值反作用：给定值反作用：给定值

25、测量值测量值 过程控制系统过程控制系统 第第6章章限限制制系系统统中中，各各个个环环节节的的作作用用方方向向组组合合不不当当的的话话，会会使使系系统统构构成成正正反反馈馈，不不但但不不能能起起限限制制作作用用，反而会破坏生产过程的稳定。反而会破坏生产过程的稳定。因为执行器和对象有正、反作用，为了保证限因为执行器和对象有正、反作用，为了保证限制系统负反馈，调整器必需有正、反作用之调整。制系统负反馈，调整器必需有正、反作用之调整。偏差偏差控制器控制器执行器执行器对象对象变送器变送器给定值给定值被调参数被调参数干扰干扰测测量量值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过程控制系统过程控制系

26、统 第第6章章 调整器正反作用的确定原调整器正反作用的确定原则：保证系统构成负反馈则：保证系统构成负反馈 简洁的判定方法：闭合回简洁的判定方法：闭合回路中有奇数个反作用环节。路中有奇数个反作用环节。偏差偏差控制器控制器执行器执行器对象对象变送器变送器给定值给定值被调参数被调参数干扰干扰测测量量值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过程控制系统过程控制系统 第第6章章例例1：加热炉出口温度限制系统：加热炉出口温度限制系统负反馈验证：负反馈验证：设某时刻燃料压力设某时刻燃料压力燃料流量燃料流量炉温炉温出料温度出料温度TC输入输入 TC输出输出阀关小阀关小炉温炉温出料温度出料温度TTT

27、C反反正正正正正正燃料燃料出料出料过程控制系统过程控制系统 第第6章章例例2：储槽液位限制系统：储槽液位限制系统LTLCM正正正正正正反反出料负反馈验证：负反馈验证：设某时刻进料量设某时刻进料量液位液位LC输入输入LC输出输出阀开大阀开大出料量出料量液位液位过程控制系统过程控制系统 第第6章章6.3调整规律对限制品质的影响与调整规律选择调整规律对限制品质的影响与调整规律选择 确确定定调调整整系系统统的的方方案案时时，要要依依据据对对象象的的特特性性和和工工艺艺要要求求，选选择择合合适适的的调调整整规规律律，使使组组成成的的调调整整系系统统满满足预期的品质指标。足预期的品质指标。调调整整器器的的

28、调调整整规规律律，即即它它的的输输出出量量与与输输入入量量（偏偏差值）之间的函数关系。差值）之间的函数关系。P=f(e)调整器的作用是依据偏差，按规定的调整规律产调整器的作用是依据偏差，按规定的调整规律产生输出信号，推动执行机构，对生产过程进行调整。生输出信号，推动执行机构，对生产过程进行调整。过程控制系统过程控制系统 第第6章章6.3.1调整规律对限制品质影响的分析调整规律对限制品质影响的分析 要正确地选择调整规律，首先必需理解各要正确地选择调整规律，首先必需理解各种调整规律对限制品质的影响。种调整规律对限制品质的影响。最简洁的调整规律是位式调整规律。最简洁的调整规律是位式调整规律。依据偏差

29、依据偏差 e 的正、负，调整器输出只有两个位的正、负，调整器输出只有两个位置：置：0或或100%。0 e100%调节器输出调节器输出两位式调节的特性两位式调节的特性位式调整下，被控参数不位式调整下，被控参数不能稳定在给定值上。要获得平能稳定在给定值上。要获得平稳的高精度的调整，必需接受稳的高精度的调整，必需接受连续调整规律。连续调整规律。过程控制系统过程控制系统 第第6章章要要使使限限制制过过程程平平稳稳精精确确，必必需需运运用用输输出出值值能能连连续续变变更更的的调调整整器器，接接受受比比例例，微微分分、积积分分等等算算法法进进行调整。行调整。6.3.1.1比例（比例（P）调整对系统限制品质

30、的影响）调整对系统限制品质的影响比比例例调调整整器器输输出出变变更更u(t)随随输输入入偏偏差差e(t)成成比比例关系：例关系：P比例度。比例度。过程控制系统过程控制系统 第第6章章例例 自力式水位比例限制系统自力式水位比例限制系统浮浮球球为为水水位位传传感感器器，杠杠杆杆为为限限制制器器，活活塞塞阀阀为为执执行行器器。假假如如某某时时刻刻Q2加加大大，造造成成水水位位下下降降，则则浮浮球带动活塞提高，使球带动活塞提高，使Q1加大阻挡水位下降。加大阻挡水位下降。杠杆杠杆a、b之比例关系，确定调整作用强弱。之比例关系，确定调整作用强弱。假如假如e=0，则活塞无，则活塞无法提高，法提高，Q1无法加

31、大，调无法加大，调整无法进行。整无法进行。u过程控制系统过程控制系统 第第6章章比例带的物理意义：比例带的物理意义：比比例例带带P是是放放大大倍倍数数KC的的倒倒数数，其其大大小小确确定定比比例限制作用的强弱。例限制作用的强弱。P越越小小，限限制制作作用用越越强强、系系统统调调整整越越快快、系系统统稳稳定性越小。定性越小。P越小，限制余差越小。越小，限制余差越小。q比例带比例带P对限制过程的影响对限制过程的影响过程控制系统过程控制系统 第第6章章 振振荡荡逐逐渐渐加加剧剧PPPPPuuuuu P越越小小，限限制制过过程程曲曲线线越振荡，周期缩短。越振荡，周期缩短。P越越大大，限限制制过过程程曲

32、曲线线越越平平稳稳，但但限制过程时间越长，余差也越大。限制过程时间越长，余差也越大。出现等幅振荡，这时的出现等幅振荡，这时的比例度称为临界比例度比例度称为临界比例度Pmin，振荡频率称为临，振荡频率称为临界振荡频率界振荡频率M过程控制系统过程控制系统 第第6章章 q系统调整性能指标（又称可控性指标）系统调整性能指标（又称可控性指标）q调整过程的概貌主要由四个品质指标来衡量：调整过程的概貌主要由四个品质指标来衡量：q衰减率：反映系统的稳定性衰减率：反映系统的稳定性q振荡频率：反映调整速度振荡频率：反映调整速度q余差：反映稳态精度余差：反映稳态精度q最大动态偏差：反映动态精度最大动态偏差：反映动态

33、精度q上上述述指指标标的的提提高高是是有有限限度度的的，受受制制于于限限制制系系统统的临界比例度的临界比例度Pmin Pmin 和临界振荡频率和临界振荡频率MMq而而被被控控对对象象的的特特性性确确定定了了限限制制系系统统Pmin Pmin 和和M M 的大小。的大小。过程控制系统过程控制系统 第第6章章临界比例度临界比例度Pmin的倒数是临界放大倍数的倒数是临界放大倍数KmaxKmax与与M的的乘乘积积KmaxM在在确确定定程程度度上上代代表了被控过程的限制性能。表了被控过程的限制性能。KmaxM越大，意味着：越大，意味着：限限制制器器放放大大系系数数Kc的的可可选选上上限限越越大大（P的的

34、下下限限越小），则系统稳态误差越小。越小），则系统稳态误差越小。限限制制系系统统可可选选的的工工作作频频率率c越越大大，则则过过渡渡过过程程越快。越快。因因此此，KmaxM作作为为调调整整性性能能指指标标，越越大大表表明明系统的限制性能越好。系统的限制性能越好。可用于工程上的简便推断。可用于工程上的简便推断。过程控制系统过程控制系统 第第6章章v 比例限制的特点比例限制的特点v限限制制刚刚好好、适适当当。只只要要有有偏偏差差，输输出出马马上上成成比比例地变更，偏差越大，输出的限制作用越强。例地变更，偏差越大，输出的限制作用越强。q限限制制结结果果存存在在余余差差。假假如如被被调调量量偏偏差差为

35、为零零，调调整器的输出也就为零整器的输出也就为零q u=e/Pq即即调调整整作作用用是是以以偏偏差差存存在在为为前前提提条条件件，不不行行能能做到无静差调整。做到无静差调整。过程控制系统过程控制系统 第第6章章6.3.1.2积积分分（I）调调整整与与比比例例积积分分（PI）调调整整对对系系统限制质量的影响统限制质量的影响1 积分限制（积分限制（I）输出变更量输出变更量p与输入偏差与输入偏差e的积分成正比的积分成正比当输入偏差当输入偏差e是幅值为是幅值为e 的阶跃时：的阶跃时：TI 积分时间积分时间tu过程控制系统过程控制系统 第第6章章 2 比例积分限制（比例积分限制（PI）将比例与积分组合起

36、来，这样既限制刚好，又将比例与积分组合起来，这样既限制刚好，又能消退余差，可以用于限制精度要求高的场合。能消退余差，可以用于限制精度要求高的场合。若偏差是幅值为若偏差是幅值为e 的阶跃干扰的阶跃干扰ee ttu过程控制系统过程控制系统 第第6章章积分时间的物理意义：积分时间的物理意义：若偏差是幅值为若偏差是幅值为e的阶跃的阶跃:当当 t=TI 时时:q积分时间积分时间TI对限制过程的影响对限制过程的影响e e/P2e/PuttTIe过程控制系统过程控制系统 第第6章章1.TI越越大大，积积分分作作用用越越弱弱，TI=，积积分分作作用用为为零零。TI减减小小，积积分分作作用用增增加加，系系统统振

37、振荡荡加加剧剧，稳稳定定性性下下降降。因因此此，加加积积分分后后，比比例例带带要要适适当加大。当加大。2.假假如如T1适适当当，系系统统能很快消退余差。能很快消退余差。积分时间积分时间TI 对过渡过程的影响对过渡过程的影响uuuu过程控制系统过程控制系统 第第6章章q积分限制可以消退余差。积分限制可以消退余差。v 积分限制的特点积分限制的特点有有偏偏差差时时，积积分分输输出出随随时时间间增增大大（或或减减小小）；当偏差消逝时，输出保持在某一值上。当偏差消逝时，输出保持在某一值上。ee ttuq积积分分输输出出信信号号是是随随时时间间渐渐渐渐增增加加的的，限限制制作作用用缓缓慢慢，故故一一般般积

38、积分分作作用用不不单独运用。单独运用。过程控制系统过程控制系统 第第6章章 6.3.1.3比例微分（PD）调整对系统限制品质的影响 对于惯性较大的对象，常常希望能加快限制速度，此时可增加微分作用。式中：式中：TD 微分时间微分时间 偏差变更速度偏差变更速度 志向微分志向微分1 微分限制（微分限制（D）ee ttu过程控制系统过程控制系统 第第6章章q 微微分分限限制制能能在在偏偏差差出出现现或或变变更更的的瞬瞬间间，马马上上依依据据变变更更的的趋趋势势，产产生生猛猛烈烈的的调调整整作作用用，使使偏偏差差尽尽快快地地消消退退于于萌芽状态之中。萌芽状态之中。q当当偏偏差差存存在在，但但不不变变更更

39、时时，微微分分输输出出为为零零，对对静静态态偏偏差差毫毫无无抑抑制制实实力力。因因此此不不能能单单独独运运用用，总总要要和和比比例例或或比比例例积积分分调调整整规规律律结结合合起起来来，组组成成PD调调整整器或器或PID调整器。调整器。v 微分限制的特点微分限制的特点eettu过程控制系统过程控制系统 第第6章章2 比例微分限制（比例微分限制（PD）志向的比例微分限制志向的比例微分限制eettutu 志向的微分作用持续时志向的微分作用持续时间太短，执行器来不及响应。间太短，执行器来不及响应。一般运用实际的比例微分作一般运用实际的比例微分作用。用。过程控制系统过程控制系统 第第6章章微分时间的物

40、理意义微分时间的物理意义 若若偏偏差差是是系系数数为为a的的斜坡信号斜坡信号:当当 t=TD 时时:q微分时间微分时间TD对限制过程的影响对限制过程的影响euttTD2aTD/PaTD/Pa过程控制系统过程控制系统 第第6章章uuutttut TD较小，限制较小，限制速度稍有加快速度稍有加快 TD=0，纯纯比比例例限限制过程制过程TD太大，太大，出现出现等幅振荡等幅振荡 TD合适，限制合适，限制速度明显加快速度明显加快 微分时间微分时间TD 对过渡过程的影响对过渡过程的影响过程控制系统过程控制系统 第第6章章v微分限制的优点：能加快系统的限制速度。微分限制的优点：能加快系统的限制速度。v缺点：

41、偏差存在但不变更时，无限制作用。缺点：偏差存在但不变更时，无限制作用。q 将将比比例例、积积分分、微微分分三三种种调调整整规规律律结结合合在在一一起起，只只要要三三项项作作用用的的强强度度协协作作适适当当，既既能能快快速速调调整整，又又能消退余差，可得到满足的限制效果。能消退余差，可得到满足的限制效果。过程控制系统过程控制系统 第第6章章uq 在在PID调整中，比调整中，比例作用是基础；微分例作用是基础；微分作用可以加快系统限作用可以加快系统限制速度，减小超调；制速度，减小超调；积分作用可以消退静积分作用可以消退静差。但不是任何对象差。但不是任何对象都是用都是用PID 限制最好。限制最好。过程

42、控制系统过程控制系统 第第6章章对某一对象，用不同限制规律时阶跃干扰过程比较被被控控变变量量t无控制作用无控制作用PPDPIDPI6.3.1.4 （PID）调整对系统限制品质的影响）调整对系统限制品质的影响过程控制系统过程控制系统 第第6章章6.3.2调整规律的选择调整规律的选择1、比例限制（、比例限制（P）适适用用于于限限制制通通道道滞滞后后较较小小、负负荷荷变变更更不不大大、工艺上没有提出无差要求的系统，工艺上没有提出无差要求的系统，2、比例积分限制（、比例积分限制（PI）适适用用于于限限制制通通道道滞滞后后较较小小、负负荷荷变变更更不不大、工艺参数不允许有余差的系统。大、工艺参数不允许有

43、余差的系统。3、比例微分限制（、比例微分限制（PD）适适用用于于限限制制通通道道滞滞后后较较大大的的系系统统。例例如如加加热热较慢的温度限制系统。较慢的温度限制系统。过程控制系统过程控制系统 第第6章章4、比例积分微分限制（、比例积分微分限制（PID）适适用用于于容容量量滞滞后后较较大大、负负荷荷变变更更大大、限限制制质质量量要要求求较较高高的的系系统统，应应用用最最普普遍遍的的是是温温度度限限制制系系统统与与成分限制系统。成分限制系统。TTTC 也可依据也可依据0/T0来选择调整来选择调整器的调整规律：器的调整规律：0/T00.2，用，用P或或PI 0.20/T00.1，用，用PD或或PID

44、 0/T00.1，用简洁限制系统，用简洁限制系统效果不好。效果不好。过程控制系统过程控制系统 第第6章章过程控制系统过程控制系统 第第6章章6.4调整器参数的工程整定方法调整器参数的工程整定方法在在限限制制系系统统设设计计或或安安装装完完毕毕后后，被被控控对对象象、测测量量变变送送器器和和执执行行器器这这三三部部分分的的特特性性就就完完全全确确定定了了，不不能能随随意意变变更更。只只能能通通过过限限制制器器参参数数的的工工程程整整定定，来调整限制系统的稳定性和限制质量。来调整限制系统的稳定性和限制质量。限限制制器器参参数数的的整整定定，就就是是依依据据已已定定的的限限制制方方案案，求求取取使使

45、限限制制质质量量最最好好的的限限制制器器参参数数值值。具具体体来来说说，就就是是确确定定最最合合适适的的限限制制器器比比例例度度P、积积分分时时间间TI，和微分时间，和微分时间TD。过程控制系统过程控制系统 第第6章章限限制制器器参参数数整整定定的的方方法法很很多多，主主要要有有两两大大类类，一类是理论计算的方法，另一类是工程整定法。一类是理论计算的方法，另一类是工程整定法。理理论论计计算算的的方方法法是是依依据据已已知知的的各各环环节节特特性性及及限限制制质质量量的的要要求求，通通过过理理论论计计算算出出限限制制器器的的最最佳佳参参数数。这这种种方方法法由由于于比比较较繁繁琐琐、工工作作量量

46、大大，计计算算结结果果有有时时与与实实际际状状况况不不甚甚符符合合，故故在在工工程程实实践践中中长长期期没没有有得得到推广和应用。到推广和应用。工工程程整整定定法法是是在在已已经经投投运运的的实实际际限限制制系系统统中中，通通过过试试验验或或探探究究，来来确确定定限限制制器器的的最最佳佳参参数数。这这种种方法是工艺技术人员在现场常常运用的。方法是工艺技术人员在现场常常运用的。过程控制系统过程控制系统 第第6章章6.4.1稳定边界法（临界比例度法）稳定边界法（临界比例度法）属属于于闭闭环环整整定定方方法法，依依据据纯纯比比例例限限制制系系统统临临界界振振荡荡试试验验所所得得数数据据（临临界界比比

47、例例度度Pm和和振振荡荡周周期期Tm），按阅历公式求出调整器的整定参数。），按阅历公式求出调整器的整定参数。（1）置置调调整整器器Ti ，Td=0，比比例例度度P 较较大值，将系统投入运行。大值，将系统投入运行。（2 2）渐渐渐渐减减小小P P，加加干干扰扰视视察察，直直到到出出现现等等幅幅减减振振荡荡为为止止。记记录录此此时时的的临临界界值值PmPm和和TmTm。y(t)Tm 系统临界振荡曲线系统临界振荡曲线t过程控制系统过程控制系统 第第6章章v阅阅历历公公式式虽虽然然是是在在试试验验基基础础上上归归纳纳出出来来的的，但但它它有有确确定定的的理理论论依依据据。就就以以表表中中PI调调整整器

48、器整整定定数数值值为为例例，可可以以看看出出PI调调整整器器的的比比例例度度较较纯纯比比例例调调整整时时增增大大，这这是是因因为为积积分分作作用用产产生生一一滞滞后后相相位位，降降低低了了系统的稳定度的原因。系统的稳定度的原因。依据依据Pm和和Tm，按阅历公式，按阅历公式计算出限制器计算出限制器的参数整定值。的参数整定值。整定参数整定参数调节规律调节规律 P（%）Ti Td P 2Pm PI 2.2Pm 0.85 Tm PID 1.7Pm 0.50 Tm 0.125 Tm 表表6.1 稳定边界法整定参数计算表稳定边界法整定参数计算表过程控制系统过程控制系统 第第6章章q 稳定边界方法在下面两种

49、状况下不宜接受：稳定边界方法在下面两种状况下不宜接受：q 临临界界比比例例度度过过小小时时，调调整整阀阀简简洁洁游游移移于于全全开开或或全全关关位位置置，对对生生产产工工艺艺不不利利或或不不容容许许。例例如如，一一个个用用燃燃料料油油加加热热的的炉炉子子，假假如如阀阀门门发发生生全全关关状状态态就就要要熄火。熄火。q 工工艺艺上上的的约约束束条条件件严严格格时时，等等幅幅振振荡荡将将影影响响生生产的平安。产的平安。q 6.4.2衰减曲线法衰减曲线法q 也也属属于于闭闭环环整整定定方方法法，但但不不须须要要找找寻寻等等幅幅振振荡状态，只需找寻最佳衰减振荡状态即可。荡状态，只需找寻最佳衰减振荡状态

50、即可。过程控制系统过程控制系统 第第6章章方法：方法：（1 1）把把调调整整器器设设成成比比例例作作用用（Ti=Ti=，Td=0Td=0），置于较大比例度，投入自动运行。置于较大比例度，投入自动运行。（2 2）在在稳稳定定状状态态下下，阶阶跃跃变变更更给给定定值值（通通常常以以5%5%左右为宜），视察调整过程曲线。左右为宜），视察调整过程曲线。（3 3）适适当当变变更更比比例例度度，重重复复上上述述试试验验，到到出出现现满足的衰减曲线为止。满足的衰减曲线为止。登记此时的比例度登记此时的比例度Ps及周期及周期Ts。n=10:1时，记时，记Ps及及TsTsTr过程控制系统过程控制系统 第第6章章（