(14)--第6章 简单控制系统的设计与参数整定.ppt

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1、第第6 6章章 简单控制系统简单控制系统的设计与参数整定的设计与参数整定16.1 简单控制系统的结构与组成简单控制系统的结构与组成6.2 简单控制系统设计简单控制系统设计 6.2.1 过程控制系统方案设计过程控制系统方案设计 6.2.2 被控参数与控制变量的选择被控参数与控制变量的选择 6.2.3 检测环节、执行器及调节器正负作用选择检测环节、执行器及调节器正负作用选择6.3 调节规律对控制品质的影响与调节规律的选择调节规律对控制品质的影响与调节规律的选择6.4 调节器参数的工程整定方法调节器参数的工程整定方法6.5 简单控制系统设计实例简单控制系统设计实例2指指由由一一个个测测量量变变送送器

2、器、一一个个控控制制器器、一一个个控控制制阀和一个对象所构成的阀和一个对象所构成的单闭环控制系统。单闭环控制系统。TC206后续字母表示仪表功能后续字母表示仪表功能第第1位数字表示工段号位数字表示工段号后续数字表示仪表序号后续数字表示仪表序号第第1位字母表示被控参数位字母表示被控参数 LC LT仪表符号标准仪表符号标准6.1 简单控制系统的结构与组成简单控制系统的结构与组成控制系统原理方框图控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纵量操纵量控制量控制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控制系统

3、工艺流程图控制系统工艺流程图控制控制作用作用偏差偏差36.2 简单控制系统设计简单控制系统设计6.2.1 过程控制系统方案设计的基本要求、主要内容、过程控制系统方案设计的基本要求、主要内容、设计步骤设计步骤1.1.过程控制系统过程控制系统方案方案设计的基本要求设计的基本要求 生产过程对过程控制系统的要求可简要归纳为生产过程对过程控制系统的要求可简要归纳为安安全性、稳定性和经济性全性、稳定性和经济性三个方面。三个方面。2.过程控制系统设计的主要内容过程控制系统设计的主要内容 过程控制系统设计包括控制系统方案设计、工程过程控制系统设计包括控制系统方案设计、工程设计、工程安装和仪表调校、调节器参数整

4、定等四个设计、工程安装和仪表调校、调节器参数整定等四个主要内容。主要内容。其中控制系统方案设计是控制系统设计的核心。其中控制系统方案设计是控制系统设计的核心。43.过程控制系统设计的步骤过程控制系统设计的步骤1）掌握生产工艺对控制系统的技术要求）掌握生产工艺对控制系统的技术要求2）建立被控过程的数学模型）建立被控过程的数学模型3）确定控制方案）确定控制方案 包括控制方式和系统组成结构的确定，是过程包括控制方式和系统组成结构的确定，是过程控制系统设计的关键步骤。控制系统设计的关键步骤。4）控制设备选型）控制设备选型 5）实验（或仿真）验证）实验（或仿真）验证56.2.2 被控参数与控制变量的选择

5、被控参数与控制变量的选择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控控制制保保持恒定值（或按一定规律变化）的变量。持恒定值（或按一定规律变化）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、保证安全等目的。到稳定操作、保证质量、保证安全等目的。被控变量的选择依据：被控变量的选择依据：1 1、根根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6例例1 储槽液位控制系统储槽液位控制系统工工艺艺要要求求储储槽槽液液位位稳稳定定。

6、那那么么设设计计的的控控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 LTh7例例2 换热器出口温度控制系统换热器出口温度控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控控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。热物料热物料载热介质载热介质冷物料冷物料热交换器热交换器 TT TC82、当当不不能能用用直直接接工工艺艺参参数数作作为为被被控控变变量量时时，应应选选择择与与直直接接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数作为被控变量。参数作为被控变量。例例3 化化工工的的精精馏馏物物纯纯度控制系

7、统度控制系统精精馏馏工工艺艺是是利利用用被被分分离离物物中中各各组组分分的的挥挥发发温温度度不同，将各组分分离。不同，将各组分分离。如如图图将将苯苯甲甲苯苯混混合合液进行分离。液进行分离。苯苯甲苯甲苯苯苯甲苯甲苯 9 该该精精馏馏塔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。按按照照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，则则不不能能直直接接作作为被控变量。为被控变量。苯苯甲苯甲苯

8、 苯苯甲苯甲苯10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，进行间接参数控制。间接参数控制。经工艺分析发现，经工艺分析发现，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。需要对二者进行比较试需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11间接控制参数的确定间接控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

9、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。123 3、被控变量必须有足够大的灵敏度、被控变量必须有足够大的灵敏度被控变量必须灵敏，容易被测量。被控变量必须灵敏，容易被测量。4、选择被控变量时，必须考虑工艺合理性选择被控变量时，必须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，塔塔内内温温度度是是最最佳佳分分离离效效率率控控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

10、扰，存存在在关关联联。因因此此，若若采采用用简简单单控控制制系系统统，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塔底一端的产品质量。或塔底一端的产品质量。136.2.2.2 控制变量选择控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，实实现现控控制制作作用用的的变变量量称称为为控控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 TTh14控制变量的确定控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

11、出出所所有有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量中中，有有些些是是可控的，有些是不可控的。可控的，有些是不可控的。q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控制的变量，作为控制变量；变量影响显著且便于控制的变量，作为控制变量；q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15对象特性对控制品质影响的分析：对象特性对控制品质影响的分析：1过程（通道）静态特性对控制品质的影响过程（通道）静态特性对控制品质的影响如图所示为单回路控制系统的等效框图。如图所示为单回

12、路控制系统的等效框图。Gc(s)控制器的传递函数；控制器的传递函数；Go(s)广义控制通道（包括执行器和变送器）的传递函数；广义控制通道（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)16 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：干扰通道干扰通道控制通道控制通道 Gc(s)Gf(s)Go(s)X(s)Y(s)F(s)17代入系统偏差公式中：代入系统偏差公式中：将将 可见，控制通道偏差和干扰通道偏差的传函可见，控制通道偏差和干扰通道偏差的传

13、函分母是一样的。将分母是一样的。将Gc(s)、Go(s)、Gf(s)代入：代入：18vK0越大，控制作用越强，稳态误差越小；越大，控制作用越强，稳态误差越小；vK0越越大大，被被调调参参数数对对控控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。故应选放大系数大的变量作为控制变量。故应选放大系数大的变量作为控制变量。192过程（通道）动态特性对控制品质的影响过程（通道）动态特性对控制品质的影响1）干扰通道动态特性对控制品质的影响）干扰通道动态特性对控制品质的影响 干干扰扰通通道道的的惯惯

14、性性因因子子（Tf s+1）使使干干扰扰作作用用的的影响缓慢。影响缓慢。vTf 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，越越有有利于控制。利于控制。v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 越大，控制时最大偏差越小。越大，控制时最大偏差越小。20例例：某某控控制制系系统统中中，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，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。21 f1(t)通道惯性小，受干扰

15、后被调参数变化速度快；通道惯性小，受干扰后被调参数变化速度快；当控制作用见效时，被调参数已经变化较大当控制作用见效时，被调参数已经变化较大造成造成动态偏差较大。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远，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。干扰对被控参数影响越小。y(t)yk(t)tyyk(t)yy(t)tyk(t)yy(t)t22 因为，因为，f 使干扰对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 时间时间，则控制作用也推迟则控制作用也推迟f 时间时间，整个过渡过程曲线也推迟整个过渡过程曲线也推迟时间时间f，但控制品质未变。但控制品质未变

16、。v干扰通道纯滞后干扰通道纯滞后f不影响控制质量。不影响控制质量。含有含有e f s23 2）控制通道动态特性对控制品质的影响）控制通道动态特性对控制品质的影响tGCGVGO2GFGmfreGO1yv控制通道控制通道G01的时间常的时间常数数T01增大，使控制速度变增大，使控制速度变慢，最大偏差增大。慢，最大偏差增大。vG02是控制、干扰共用是控制、干扰共用通道，通道，T02不影响最大偏差不影响最大偏差y2(t)yk(t)yy1(t)24y2(t)yk(t)tyy1(t)01v控制通道控制通道G01的纯滞后的纯滞后，使控制作用滞后使控制作用滞后01到达，造到达，造成控制偏差增大。成控制偏差增大

17、。vG02是控制、干扰共用通道，是控制、干扰共用通道，干扰作用滞后干扰作用滞后02产生，但控产生，但控制作用再滞后制作用再滞后02到达，同样造到达，同样造成控制偏差增大。成控制偏差增大。y2(t)yk(t)tyy1(t)220202GCGVGO2GFGmfreGO1y25 因此，控制通道时间常数因此，控制通道时间常数T0 小一些好。表明控小一些好。表明控制变量对被控变量的影响迅速，有利于控制。制变量对被控变量的影响迅速，有利于控制。控制通道纯滞后控制通道纯滞后0越小越好。越小越好。0会使控制时间会使控制时间延长、最大偏差增大。延长、最大偏差增大。控制变量的选择原则：控制变量的选择原则：1、控制

18、通道应当放大系数大、时间常数小、纯、控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、控制变量应是工艺上允许控制的变量，并且、控制变量应是工艺上允许控制的变量，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。26例例1中中，影影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流流出出量量。这这两两个个变变量量影影响响力力相相当当，显显然然，液液体体流出量可控。故选液体流出量作为控制变量。流出量可控。故选液体流出量作为控制变量。LC LThQiQo27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

19、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。显显然然，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控制变量。介质流量作为控制变量。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 TCQrQiTiTr28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

20、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。29 这些影响因素分为可控的和不可控的两大类：这些影响因素分为可控的和不可控的两大类：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可控因素其它基本为不可控因素 TT301、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迅速、更显著。迅速、更显著。2、从从节节能能角角度度来来讲讲，控控制制蒸蒸汽汽流流量量比比控控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，

21、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：TT316.2.3 检测环节、执行器及调节器正负作用选择检测环节、执行器及调节器正负作用选择 6.2.3.1 传感器、变送器选择传感器、变送器选择1按照生产过程的工艺要求，首先确定传感器与变按照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)323合理选择检测点，避

22、免测量造成对象纯滞后合理选择检测点，避免测量造成对象纯滞后0图图6.15 pH值控制系统图值控制系统图 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。33 6.2.3.2 执行器的选择执行器的选择1调节阀工作区间的选择调节阀工作区间的选择 正常工况下，调节阀的开度应在正常工况下，调节阀的开度应在15%85%区区间。据此原则计算、确定控制阀的口径尺寸。间。据此原则计算、确定控制阀的口径尺寸。2调节阀的流量特性选择调节阀的流量特性选择 按补

23、偿对象特性的原则选取。按补偿对象特性的原则选取。3调节阀的气开、气关作用方式选择调节阀的气开、气关作用方式选择 按控制信号中断时，保证生产设备安全的原则按控制信号中断时，保证生产设备安全的原则确定。确定。346.2.3.3 调节器正反作用的选择调节器正反作用的选择负负反反馈馈控控制制系系统统的的控控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，必必须须正正确确选择调节器的正反作用。选择调节器的正反作用。给定值给定值测量变送器测量变送器控制器控制

24、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35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：q变送器都是正作用变送器都是正作用q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q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q控制器作用方向以测量输入与输出的关系定义：控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,输出输出反作用

25、：反作用：测量值测量值给定值给定值,输出输出36控控制制系系统统中中，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控控制制作作用用，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，为了保证控因为执行器和对象有正、反作用，为了保证控制系统负反馈，调节器必须有正、反作用之调整。制系统负反馈，调节器必须有正、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37 调节器正反作用的确

26、定原调节器正反作用的确定原则：则：保证系统构成负反馈保证系统构成负反馈 简单的判定方法：简单的判定方法：闭合回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38例例1：加热炉出口温度控制系统：加热炉出口温度控制系统负反馈验证：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TTTC反反正正正正正正燃料燃料出料出料39例例2：储槽液位控制系统：储

27、槽液位控制系统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406.3 调节规律对控制品质的影响与调节规律选择调节规律对控制品质的影响与调节规律选择 确定调节系统的方案时，要根据对象的特性和工确定调节系统的方案时，要根据对象的特性和工艺要求，选择合适的调节规律，使组成的调节系统满艺要求，选择合适的调节规律，使组成的调节系统满足预期的品质指标。足预期的品质指标。调调节节器器的的调调节节规规律律，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

28、节器的作用是根据偏差，按规定的调节规律产生调节器的作用是根据偏差，按规定的调节规律产生输出信号，推动执行机构，对生产过程进行调节。输出信号，推动执行机构，对生产过程进行调节。416.3.1 调节规律对控制品质影响的分析调节规律对控制品质影响的分析要正确地选择调节规律，首先必须理解各种调要正确地选择调节规律，首先必须理解各种调节规律对控制品质的影响。节规律对控制品质的影响。最简单的调节规律是位式调节规律。最简单的调节规律是位式调节规律。根据偏差根据偏差 e 的正、负，调节器输出只有两个位的正、负，调节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

29、调节的特性位式调节下，被控参数不位式调节下，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节，必须采用稳的高精度的调节，必须采用连续调节规律。连续调节规律。42要要使使控控制制过过程程平平稳稳准准确确，必必须须使使用用输输出出值值能能连连续续变变化化的的调调节节器器，采采用用比比例例，微微分分、积积分分等等算算法法进进行调节。行调节。6.3.1.1 比例（比例（P）调节对系统控制品质的影响）调节对系统控制品质的影响比比例例调调节节器器输输出出变变化化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。43例例 自力式水位比例控制系统自力式

30、水位比例控制系统浮浮球球为为水水位位传传感感器器，杠杠杆杆为为控控制制器器，活活塞塞阀阀为为执执行行器器。如如果果某某时时刻刻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加大阻止水位下降。加大阻止水位下降。杠杆杠杆a、b之比例关系，决定调节作用强弱。之比例关系，决定调节作用强弱。如果如果e=0，则活塞无，则活塞无法提高，法提高，Q1无法加大，调无法加大，调节无法进行。节无法进行。u44比例度的物理意义：比例度的物理意义：比比例例度度P是是放放大大倍倍数数KC的的倒倒数数，其其大大小小决决定定比比例例控制作用的强弱。控制作用的强弱。P越越小小，控控制制

31、作作用用越越强强、系系统统调调节节越越快快、系系统统稳稳定性越小。定性越小。P越小，控制余差越小。越小，控制余差越小。q比例度比例度P对控制过程的影响对控制过程的影响45 振振荡荡逐逐渐渐加加剧剧PPPPPuuuuu P越越小小，控控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，控控制制过过程程曲曲线线越越平平稳稳，但但控控制制过过程程时时间越长，余差也越大。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M46 q系统调节性能指标（又称可控性指标）系统调节性能

32、指标（又称可控性指标）调节过程的概貌主要由四个品质指标来衡量：调节过程的概貌主要由四个品质指标来衡量：1.1.衰减率：反映系统的稳定性衰减率：反映系统的稳定性2.2.振荡频率：反映调节速度振荡频率：反映调节速度3.3.余差：反映稳态精度余差：反映稳态精度4.4.最大动态偏差：反映动态精度最大动态偏差：反映动态精度上上述述指指标标的的提提高高是是有有限限度度的的，受受制制于于控控制制系系统统的的临界比例度临界比例度Pmin 和临界振荡频率和临界振荡频率M而而被被控控对对象象的的特特性性决决定定了了控控制制系系统统Pmin 和和M 的大小。的大小。47临界比例度临界比例度Pmin的倒数是临界放大倍

33、数的倒数是临界放大倍数KmaxKmax与与M的的乘乘积积KmaxM在在一一定定程程度度上上代代表表了了被控过程的控制性能。被控过程的控制性能。KmaxM越大，意味着：越大，意味着：1.控控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的的下下限限越越小），则系统稳态误差越小。小），则系统稳态误差越小。2.控控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作作为为调调节节性性能能指指标标，越越大大表表明明系系统的控制性能越好。统的控制性能越好。可可用于工程上的简便判断。用于工程上的简便判断。48v 比例控制的特点比例控制的特

34、点q控控制制及及时时、适适当当。只只要要有有偏偏差差，输输出出立立刻刻成成比比例地变化，偏差越大，输出的控制作用越强。例地变化，偏差越大，输出的控制作用越强。q控控制制结结果果存存在在余余差差。如如果果被被调调量量偏偏差差为为零零，调调节器的输出也就为零节器的输出也就为零 u=e/P即即调调节节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，不不可可能能做到无静差调节。做到无静差调节。496.3.1.2 积积分分（I）调调节节与与比比例例积积分分（PI）调调节节对对系统控制质量的影响系统控制质量的影响1 积分控制积分控制（I）输出变化量输出变化量p与输入偏差与输入偏差e的积分成正比的积分

35、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tu50 2 比例积分控制（比例积分控制（PI）将比例与积分组合起来，这样既控制及时，又将比例与积分组合起来，这样既控制及时，又能消除余差，可以用于控制精度要求高的场合。能消除余差，可以用于控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 ttu51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的阶跃干扰的阶跃干扰:当当 t=TI 时时:q积分时间积分时间TI对控制过程的影响对控制过程的影响e e/P2e/PuttTIe521.TI越越大大，积积分分作

36、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强强，系系统统振振荡荡加加剧剧，稳稳定定性性下下降降。因因此此，加加积积分分后后，比比例例带带要适当加大。要适当加大。2.如如果果TI适适当当，系系统统能很快消除余差。能很快消除余差。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uuuu53q积分控制可以消除余差。积分控制可以消除余差。v 积分控制的特点积分控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）；当偏差消失时，输出保持在某一值上。当偏差消失时，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

37、时间间逐逐渐渐增增强强的的，控控制制作作用用缓缓慢慢，故故一一般般积积分分作作用用不不单独使用。单独使用。54 6.3.1.3 比例微分（比例微分（PD）调节对系统控制品质的影响）调节对系统控制品质的影响 对对于于惯惯性性较较大大的的对对象象，常常常常希希望望能能加加快快控控制制速速度度，此时可增加微分作用。此时可增加微分作用。式中：式中：TD 微分时间微分时间 偏差变化速度偏差变化速度 理想微分理想微分1 微分控制（微分控制（D）ee ttu55q 微微分分控控制制能能在在偏偏差差出出现现或或变变化化的的瞬瞬间间，立立即即根根据据变变化化的的趋趋势势，产产生生强强烈烈的的调调节节作作用用，使

38、使偏偏差差尽尽快快地地消消除除于于萌芽状态之中。萌芽状态之中。q当当偏偏差差存存在在，但但不不变变化化时时，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能能力力。因因此此不不能能单单独独使使用用，总总要要和和比比例例或或比比例例积积分分调调节节规规律律结结合合起起来来，组组成成PD调调节节器或器或PID调节器。调节器。v 微分控制的特点微分控制的特点eettu562 比例微分控制（比例微分控制（PD）理想的比例微分控制理想的比例微分控制eettutu 理想的微分作用持续时理想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。一般使用实际的比例微分作一般使用实

39、际的比例微分作用。用。57微分时间的物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对控制过程的影响对控制过程的影响euttTD2aTD/PaTD/Pa58uuutttut TD较小，较小，控制控制速度稍有加快速度稍有加快 TD=0，纯纯比比例控制过程例控制过程TD太大太大，出现出现等幅振荡等幅振荡 TD合适，合适，控制控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59v微分控制的微分控制的优点：优点：能加快系统的控制速度。能加快系统的控制速度。缺点：缺点：偏差存在但不变化时，无控

40、制作用。偏差存在但不变化时，无控制作用。q 将将比比例例、积积分分、微微分分三三种种调调节节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配配合合适适当当，既既能能快快速速调调节节，又又能能消除余差，可得到满意的控制效果。消除余差，可得到满意的控制效果。60uq 在在PID调节中，比调节中，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控作用可以加快系统控制速度，减小超调；制速度，减小超调；积分作用可以消除静积分作用可以消除静差。但不是任何对象差。但不是任何对象都是用都是用PID 控制最好。控制最好。61对某一对象，用不同控制规律时阶跃干扰过程比较对某一对象，用不同

41、控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）调节对系统控制品质的影响）调节对系统控制品质的影响626.3.2 调节规律的选择调节规律的选择1、比例控制（、比例控制（P）适适用用于于控控制制通通道道滞滞后后较较小小、负负荷荷变变化化不不大大、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、比例积分控制（、比例积分控制（PI）适用于控制通道滞后较小、负荷变化不大、适用于控制通道滞后较小、负荷变化不大、工艺参数不允许有余差的系统。工艺参数不允许有余差的系统。3、比例微分控制（、比例微分控制（PD）适用于控制通道滞后较大的系

42、统。例如加热适用于控制通道滞后较大的系统。例如加热较慢的温度控制系统。较慢的温度控制系统。634、比例积分微分控制（、比例积分微分控制（PID）适适用用于于容容量量滞滞后后较较大大、负负荷荷变变化化大大、控控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控控制制系系统统与与成分控制系统。成分控制系统。TTTC 也可根据也可根据0/T0来选择调节器来选择调节器的调节规律：的调节规律：0/T00.2，用，用P或或PI 0.20/T0 1.0，用，用PD或或PID 0/T0 1.0，用简单控制系统效，用简单控制系统效果不好。果不好。64调节调节规律规律优优 点点缺缺

43、点点应应 用用P灵灵敏敏、简简单单，只只有有一个整定参数一个整定参数存在静差存在静差负负荷荷变变化化不不显显著著，工工艺艺指指标要求不高的对象标要求不高的对象PI能能消消除除静静差差，又又控控制灵敏制灵敏对对于于滞滞后后较较大大的的对对象象，比比例例积积分分调调节节太太慢慢，效果不好效果不好应应用用于于调调节节通通道道容容量量滞滞后后较较小小、负负荷荷变变化化不不大大、精精度度要要求求高高的的调调节节系系统统。例例如，流量调节系统如，流量调节系统PD增增进进调调节节系系统统的的稳稳定定度度，可可调调小小比比例例度度，而而加加快快调调节节过过程程，减减小小动动态态偏偏差差和静差和静差系系统统对对

44、高高频频干干扰扰特特别别敏敏感感，系系统统输输出出易易夹夹杂高频干扰杂高频干扰应应用用于于调调节节通通道道容容量量滞滞后后较较大大，但但调调节节精精度度要要求求不不高的对象高的对象PID综综合合了了各各类类调调节节作作用用的的优优点点，所所以以有有更高的调节质量更高的调节质量对对于于滞滞后后很很大大，负负荷荷变变化化很很大大的的对对象象，PID调调节节也也无无法法满满足足要要求求，应应设设计计复复杂杂调调节系统节系统应应用用于于调调节节通通道道容容量量滞滞后后较较大大、负负荷荷变变化化较较大大、精精度要求高的对象度要求高的对象656.4 调节器参数的工程整定方法调节器参数的工程整定方法在在控控

45、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，不不能能任任意意改改变变。只只能能通通过过控控制制器器参参数数的的工工程程整整定定，来调整控制系统的稳定性和控制质量。，来调整控制系统的稳定性和控制质量。控控制制器器参参数数的的整整定定，就就是是按按照照已已定定的的控控制制方方案案，求求取取使使控控制制质质量量最最好好的的控控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控控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。66控控制制器器参参

46、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。q理理论论计计算算的的方方法法是是根根据据已已知知的的各各环环节节特特性性及及控控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控控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、工工作作量量大大，计计算算结结果果有有时时与与实实际际情情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。q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控控制制系系统统中中，通通过过

47、试试验验或或探探索索，来来确确定定控控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经常使用的。方法是工艺技术人员在现场经常使用的。676.4.1 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，根根据据纯纯比比例例控控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（临临界界比比例例度度Pm和和振振荡荡周周期期Tm），按按经验公式求出调节器的整定参数。经验公式求出调节器的整定参数。（1 1）置置调调节节器器T Ti i ，T Td d=0=0，比比例例度度P P 较较大值，将系统投入运行。大值，将系统投入运行。（2 2）逐逐渐渐减减小

48、小P P ，加加干干扰扰观观察察，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P Pm m和和T Tm m。y(t)Tm 系统临界振荡曲线系统临界振荡曲线t68v经经验验公公式式虽虽然然是是在在实实验验基基础础上上归归纳纳出出来来的的，但但它它有有一一定定的的理理论论依依据据。就就以以表表中中PI调调节节器器整整定定数数值值为为例例，可可以以看看出出PI调调节节器器的的比比例例度度较较纯纯比比例例调调节节时时增增大大，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缘故。系统的稳定度的缘故。根据根据Pm和和Tm，按经验公

49、式计按经验公式计算出控制器的算出控制器的参数整定值。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69q 稳定边界方法在下面两种情况下不宜采用：稳定边界方法在下面两种情况下不宜采用：临临界界比比例例度度过过小小时时，调调节节阀阀容容易易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，如如果果阀阀门门发发生生全全关关状状态态

50、就就要要熄火。熄火。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安全。产的安全。6.4.2 衰减曲线法衰减曲线法 也也属属于于闭闭环环整整定定方方法法，但但不不需需要要寻寻找找等等幅幅振振荡荡状态，只需寻找最佳衰减振荡状态即可。状态，只需寻找最佳衰减振荡状态即可。70方法：方法：（1 1）把把调调节节器器设设成成比比例例作作用用（T Ti i=，T Td d=0=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，阶阶跃跃改改变变给给定定值值（通通常常以以5%5%左右为宜），观察调节过程曲线。左右为宜），观