過程裝備控制基礎過程裝備控制技術及應用

過程裝備控制基礎過程裝備控制及應用2過程裝備控制基礎設計一個控制系統(tǒng)，首先應對被控對象作全面的了解，下一步則是解決控制方案和調節(jié)器參數(shù)的整定，最后是系統(tǒng)的調試和運行。被控對象選硬件確定控制方案參數(shù)整定系統(tǒng)調試31被控對象的特性設計一個控制系統(tǒng)，控制質量的優(yōu)劣是最關鍵的問題，它主要取決于自動控制系統(tǒng)的結構及其各個環(huán)節(jié)的特性。其中，被控對象的特性由生產(chǎn)工藝過程和工藝設備決定，在控制系統(tǒng)的設計中是無法改變的。因此，必須深刻了解被控對象的特性，才能設計出合適的控制方案，取得良好的效果。

所謂被控對象的特性，就是當被控對象的輸入變量發(fā)生變化時，其輸出變量隨時間的變化規(guī)律（包括變化的大小、速度等）。1被控對象的特性41被控對象的特性

對一個被控對象來說，其輸出變量就是控制系統(tǒng)的被控變量，而其輸入變量則是控制系統(tǒng)的操縱變量和干擾作用。51被控對象的特性1.1被控對象的數(shù)學描述在不同的生產(chǎn)部門中被控對象千差萬別。在連續(xù)生產(chǎn)過程中，最基本的關系是物料平衡和能量平衡。

在靜態(tài)條件下，單位時間流入對象的物料（或能量）等于從系統(tǒng)中流出的物料(或能量);61被控對象的特性

在動態(tài)條件下，單位時間流入對象的物料(或能量)與單位時間從系統(tǒng)中流出的物料(或能量)之差等于系統(tǒng)內物料(或能量)貯存量的變化率。

被控對象的數(shù)學描述就是由這兩種關系推導出來的微分方程式。71被控對象的特性

（1）單容液位對象

有自衡特性的單容對象被控對象：水槽被控變量：液位H

令V=A×H81被控對象的特性令qv2=H/Rs得到：T——時間常數(shù)K——放大系數(shù)令T=ARs、K＝Rs得到：91被控對象的特性

在初始平衡狀態(tài)時，流入水槽的流量qv1等于流出水槽的流量qv2。因此，液位穩(wěn)定在某一數(shù)值H0上，處于平衡狀態(tài)。在t0時刻，若流入量qv1突然有一階躍變化量Δqv1，則液位變化量ΔH=K×Δqv1（1－e-(t-t0)T）當t→∞時，ΔH=K×Δqv1qv1＝qv2，達到了新的平衡。101被控對象的特性無自衡特性的單容對象由于泵的出口流量不受入口處壓力的影響，所以：ΔH=———（t－t0）Δqv1A當流入量突然增加Δqv1時。液位H將隨時間t的推移恒速上升，直至水槽頂部滋出。無自衡特性的被控對象在受到擾動作用后不能重新恢復平衡，因此控制要求較高。通常需要設自動報警裝置。11（2）雙容液位對象1被控對象的特性12令T1＝A1×Rs1、T2＝A2×Rs2、K=Rs2得1被控對象的特性13

以上介紹了液位被控對象的數(shù)學模型的建立。對于其他比較簡單的被控對象，如壓力容器的壓力被控對象、熱交換器的溫度被控對象等等，都可以用這種方法建立其數(shù)學模型。數(shù)學模型除了用方程式表示外，還可以用圖形、表格等形式來表示。

對于復雜的被控對象，直接用數(shù)學方法來建立模型是比較困難的。常常采用實驗測試法。1被控對象的特性141.2被控對象的特性參數(shù)：被控對象特性主要參數(shù)有：放大系數(shù)K時間常數(shù)T滯后時間τ例1例21被控對象的特性15（1）放大系數(shù)K：是被控對象受擾動后重新達到平衡狀態(tài)時的輸出變化量與輸入變化量之比。①放大系數(shù)K表達了被控對象在干擾作用下重新達到平衡狀態(tài)的性能，是不隨時間變化的參數(shù)。所以K是被控對象的靜態(tài)特性參數(shù)。②在相同的輸入變化量作用下，被控對象的K越大，輸出變化量就越大，即輸入對輸出的影響越大，被控對象的自身穩(wěn)定性越差。

K在任何輸入變化情況下都是常數(shù)的被控對象稱為線性對象。輸入不同的變化量其放大系數(shù)不為常數(shù)的被控對象，稱為非線性對象。舉例：1被控對象的特性16放大系數(shù)K對控制質量的影響分析：如果K值大，操縱變量對被控變量的影響會很大，控制系統(tǒng)對擾動的控制很靈敏。但缺點是容易造成被控變量波動較大，不易穩(wěn)定。反之，K小，控制系統(tǒng)對擾動的控制作用不夠顯著，會使被控變量變化遲緩。

1被控對象的特性17

（2）時間常數(shù)T：它反映了被控對象的輸入變量改變以后，輸出變量達到新穩(wěn)態(tài)值的快慢，它決定了整個動態(tài)過程的長短。因此，它是被控對象的動態(tài)特性參數(shù)。

時間常數(shù)對控制系統(tǒng)的影響分析：若時間常數(shù)T大，則被控變量的變化比較緩和，一般來講，這種對象比較穩(wěn)定，容易控制，但缺點是控制過于緩慢；若時間常數(shù)T小，則被控變量的變化速度快，不易控制。因此，時間常數(shù)太大或太小，對過程控制都不利。舉例：氣水混合器1被控對象的特性18

（3）滯后時間τ：有不少化工對象，在受到干擾作用后，其被控變量并不立即發(fā)生變化，而是過一段時間才發(fā)生變化，這種現(xiàn)象稱為滯后現(xiàn)象。滯后時間是描述對象滯后現(xiàn)象的動態(tài)參數(shù)。

1被控對象的特性19滯后時間對控制系統(tǒng)的影響分析：滯后的存在會使控制不夠及時，在干擾出現(xiàn)后不能迅速調節(jié)，嚴重影響控制質量。因此，應盡量減少滯后時間。1被控對象的特性201.3對象特性的實驗測定

前面所講對象特性的求取方法是從工藝過程的變化機理出發(fā)，寫出各種有關的平衡方程（如物料平衡方程、能量平衡方程等），進而推導出被控對象的數(shù)學模型，得出其特性參數(shù)。但現(xiàn)實情況是：

①對象的動態(tài)特性雖可運用流動、蒸發(fā)、反應、傳熱、吸收等物理化學基礎理論來推導求解，但由于具體對象往往非常復雜，在數(shù)學推導過程中必須作許多假設和簡化，致使推導的結果偏離實際；②許多實際工業(yè)對象的機理很復雜，有時甚至很難用數(shù)學方法推導；③有許多被控對象的特性在運行過程中會隨工況變化而改變，或隨其他因素而改變，為了提高控制質量，這種系統(tǒng)就非得在運行過程中用實驗的方法測定對象的動態(tài)特性不可。1被控對象的特性21

鑒于上述原因，許多工業(yè)被控對象難以用數(shù)學的方法求出其特性參數(shù)，必須得對具體的對象通過實驗測試，得到一系列數(shù)據(jù)和運行曲線，由此分析歸納出被控對象的動態(tài)特性——實驗測定法。

方法一：時域分析法時域分析法就是用實驗的方法測定對象在輸入突然改變后，其輸出量隨時間的變化規(guī)律。

以單容水槽液位對象在階躍輸入時的動態(tài)特性為例1被控對象的特性22①求純滯后時間:從t0時刻起到輸出開始變化的這段時間，即輸入變化而輸出不發(fā)生變化的這段時間為純滯后時間。②求靜態(tài)放大倍數(shù):K=——————y(∞)-y(0)x(∞)-x(0)③求時間常數(shù)T：在反應曲線上找到輸出量變化至終值63.2%時的坐標點，它所對應的時刻與輸出量開始變化時的時刻之差就是時間常數(shù)T。1被控對象的特性63.2%23

討論：此法是一種比較簡單的對象特性實驗測定方法，但由于實際生產(chǎn)過程中的干擾因素較多，而且一般不允許輸入量變化太大，通常為額定值的5%—10%，因此這種方法的精度較差、應用受限。實際常用矩形脈沖，矩形脈沖輸入信號作用下，測其輸出量隨時間的變化規(guī)律。1被控對象的特性24討論：用矩形脈沖干擾來測取對象特性時，由于加在對象上的干擾經(jīng)過一段時間即被除去，因此干擾的幅度可取的較大，以提高實驗的精度;同時，對象輸出量又不至于長時間地偏離給定值，因而對正常生產(chǎn)影響較小。所以，這種方法是測定對象特性常用的方法之一。1被控對象的特性251被控對象的特性另外，還有頻域測定法、統(tǒng)計分析法等。26

對象特性時域測定注意事項：a.測試時采取一切措施防止其他干擾發(fā)生；b.必須在對象平穩(wěn)后加入激勵；c.必須注意過渡過程起始階段的測量和記錄；d.每次測量應進行到被測參數(shù)足夠穩(wěn)定時為止；e.階躍值不能太大、也不宜太小，通常取正常生產(chǎn)值的5~15%。對于更大的激勵，應采用矩形脈沖法;f.最好在同一工況下，通過重復測試，剔除偶然誤差g.一般應在對象工作范圍內，選取多個工況，進行多次測試，求取多組特性參數(shù)再進一步加以處理。1被控對象的特性272單回路控制系統(tǒng)2單回路控制系統(tǒng)

單回路控制系統(tǒng)又稱簡單控制系統(tǒng)，是指由一個被控對象、一個檢測元件及變送器、一個調節(jié)器和一個執(zhí)行器所構成的閉合系統(tǒng)。單回路控制系統(tǒng)結構簡單，便于施工，并能滿足一般生產(chǎn)過程的控制要求，應用廣泛。282單回路控制系統(tǒng)2.1單回路控制系統(tǒng)的設計設計一個控制系統(tǒng)，首先應對被控對象做全面的了解。除被控對象的動靜態(tài)特性外，對于工藝過程、設備等也需要做比較深入的了解；在此基礎上，確定正確的控制方案，包括合理地選擇被控變量與操縱變量，選擇合適的檢測變送元件及檢測位置，選用恰當?shù)膱?zhí)行器、調節(jié)器以及調節(jié)器控制規(guī)律等;最后將調節(jié)器的參數(shù)整定到最佳值。292單回路控制系統(tǒng)

（1）被控變量的選擇被控變量是生產(chǎn)過程中希望保持在定值的過程參數(shù)。影響一個生產(chǎn)過程正常操作的因素很多，但不可能全部都加以控制。作為被控變量，它應是對提高產(chǎn)品質量和產(chǎn)量、保證安全生產(chǎn)、節(jié)約能源等具有決定作用的工藝參數(shù)。這就需要在了解工藝過程、控制要求的基礎上，分析各變量間的關系，合理選擇被控變量。302單回路控制系統(tǒng)選擇被控變量的基本原則：作為被控變量，其信號最好是能夠直接測量獲得，并且測量和變送環(huán)節(jié)的滯后也要比較小。若被控變量信號無法直接獲取，可選擇與之有單值函數(shù)關系的間接參數(shù)作為被控變量。作為被控變量，最好是獨立變量。變量的數(shù)目一般可以用物理化學中的相律關系來確定。作為被控變量，必須考慮工藝合理性，以及目前儀表的現(xiàn)狀能否滿足要求。312單回路控制系統(tǒng)（2）操縱變量的選擇在控制系統(tǒng)中，用來克服干擾對被控變量的影響，實現(xiàn)控制作用的變量就是操縱變量。在化工和煉油生產(chǎn)過程中，最常見的操縱變量是流量，也有電壓、轉速等。？？T:被控變量322單回路控制系統(tǒng)選擇操縱變量的基本原則：操控角度：放大系數(shù)較大，時間常數(shù)較小，滯后時間越小越好;（靈敏、快捷）克服干擾角度：抑制效果好；綜合考慮工藝的合理性和實現(xiàn)的成本。332單回路控制系統(tǒng)控制任務——使塔底產(chǎn)品成分穩(wěn)定。被控變量？操控變量？可選參數(shù)：進料量進料溫度回流量回流溫度蒸汽量冷凝溫度塔內溫度342單回路控制系統(tǒng)

（3）檢測變送環(huán)節(jié)的影響檢測變送環(huán)節(jié)在控制系統(tǒng)中起著獲取信息和傳送信息的作用。因此要求獲取的信息及時、準確，傳遞信息快捷、完整。

①純滯后：在過程控制中，由于檢測元件安裝位置的不適當將會產(chǎn)生純滯后。352單回路控制系統(tǒng)

純滯后使測量信號不能及時地反映被控變量的實際值，從而降低了控制系統(tǒng)的控制質量。由檢測元件安裝位置所引入的純滯后是不可避免的，因此，在設計時，要正確選擇安裝檢測點位置。另外，檢測元件不能安裝在死角或容易結焦的地方。

②測量滯后是指由測量元件本身特性所引起的動態(tài)誤差。當測量元件感受被控變量的變化時，要經(jīng)過一定時間，才能反映出被控變量的實際值，這時測量元件本身就構成了一個具有一定時間常數(shù)的慣性環(huán)節(jié)。362單回路控制系統(tǒng)

克服測量滯后的方法通常有兩種：一是盡量選用快速測量元件，以測量元件的時間常數(shù)為被控對象的時間常數(shù)的十分之一以下為宜；二是在測最元件之后引入微分作用進行補償，以改善控制質量。③傳遞滯后即信號傳輸滯后，主要是由于氣壓信號在管路傳送過程中引起的滯后（電信號的傳遞滯后可以忽略不計）。在采用氣動儀表實現(xiàn)集中控制的場合，調節(jié)器和顯示器一般均集中安裝在中心控制室，而檢測變送器和執(zhí)行器安裝在現(xiàn)場。在由測量變送器至調節(jié)器和由調節(jié)器至執(zhí)行器的信號傳遞中，由于管線過長就形成了傳遞滯后。372單回路控制系統(tǒng)

傳遞滯后總是存在的，克服或減小信號傳遞滯后的方法：①盡量縮短氣壓信號管線的長度，一般不超過300m；②改用電信號傳遞，即先用氣電轉換器把調節(jié)器輸出的氣壓信號變成電信號，送到現(xiàn)場后，再用電氣轉換器變換成氣壓信號送到執(zhí)行器上;③在氣壓管線上加氣動繼動器，或在執(zhí)行器上加氣動閥門定位器，以增大輸出功率，減少傳遞滯后的影響;④如果變送器和調節(jié)器都是電動的，而執(zhí)行器采用的是氣動執(zhí)行器，則可將電氣轉換器靠近執(zhí)行器或采用電氣閥門定位器;⑤如實際情況允許，采用基地式儀表，以消除信號傳遞上的滯后。382單回路控制系統(tǒng)（4）執(zhí)行器的影響執(zhí)行器是過程控制系統(tǒng)中的一個重要環(huán)節(jié)，其作用是接受調節(jié)器送來的控制信號，調節(jié)管道中介質的流量(改變操縱變量)，從而實現(xiàn)生產(chǎn)過程的自動控制。執(zhí)行器通常為調節(jié)閥。由于調節(jié)閥直接與介質接觸，當在高溫、高壓、深冷、強腐蝕、高粘度、易結晶、閃蒸、氣蝕等各種惡劣條件下工作時，如果執(zhí)行器選擇不當或維護不善，常常會使整個系統(tǒng)不能可靠工作，嚴重影響控制系統(tǒng)的質量。392單回路控制系統(tǒng)2.2調節(jié)器的調節(jié)規(guī)律調節(jié)器是控制系統(tǒng)的心臟。它的作用是將測量變送信號與給定值相比較產(chǎn)生偏差信號，然后按一定的運算規(guī)律產(chǎn)生輸出信號，推動執(zhí)行器，實現(xiàn)對生產(chǎn)過程的自動控制。調節(jié)規(guī)律是指調節(jié)器的輸出信號隨輸入信號變化的規(guī)律。常用的基本調節(jié)規(guī)律有：位式比例積分微分——斷續(xù)調節(jié)連續(xù)調節(jié)402單回路控制系統(tǒng)（1）位式調節(jié)規(guī)律雙位調節(jié)是位式調節(jié)規(guī)律中最簡單的形式。Δu=umax

當e>0（或e<0）時umin

當e<0（或e>0）時412單回路控制系統(tǒng)

位式調節(jié)結構簡單、成本較低、使用方便，一般是帶有上下限裝置的檢測儀表。422單回路控制系統(tǒng)雙位調節(jié)的主要缺點是：被控變量總在波動，控制質量不高。當被控對象純滯后較大時，被控變量波動幅度會很大。

在理想的雙位控制系統(tǒng)中，調節(jié)機構(繼電器)的啟停過于頻繁，系統(tǒng)中的運動部件(繼電器觸頭)容易損壞，這樣就很難保證控制系統(tǒng)安全可靠地運行。因此，實際應用的雙位調節(jié)器都有一個中間區(qū)域。432單回路控制系統(tǒng)雙位調節(jié)過程實際是一種斷續(xù)作用下的等幅振蕩過程。不能用連續(xù)控制作用下的衰減振蕩過程的性能指標來衡量，而是用振幅和周期作為其品質指標。

顯然，振幅小、周期長，控制質量就好。442單回路控制系統(tǒng)（2）比例調節(jié)規(guī)律（P）①比例放大倍數(shù)（Kp）:可以人為設定。

Δu(t)=Kpe(t)

Δu(t)=——e(t)ba

改變O點位置，可以改變放大倍數(shù)。

比例調節(jié)器的輸出變化量與輸入偏差具有一一對應的比例關系，因此比例控制具有控制及時、克服偏差有力的特點。452單回路控制系統(tǒng)

②比例度工業(yè)上使用的調節(jié)器，常常采用比例度來表示比例作用的強弱。Δ

例：一個電動比例調節(jié)器，它的量程是100~200℃，輸出信號是0～10mA，當輸入從140℃變化到160℃時，相應的調節(jié)器輸出從3mA變化到8mA，則該調節(jié)器的比例度為462單回路控制系統(tǒng)比例度對控制質量的影響：在相同大小的干擾下，調節(jié)器的比例度越小，則比例作用越強，調節(jié)器的輸出越大，使被控變量偏離給定值越小，被控變量被拉回到給定值所需的時間越短。但比例度太小時，調節(jié)太頻繁，會影響系統(tǒng)穩(wěn)定性。

在調節(jié)器的基本調節(jié)規(guī)律中，比例調節(jié)是最基本、最主要、應用最普遍的規(guī)律，它能較為迅速地克服干擾的影響，使系統(tǒng)很快地穩(wěn)定下來。比例控制作用通常適用于干擾少、擾動幅度小、負荷變化不大、滯后較小或者控制精度要求不高的場合。472單回路控制系統(tǒng)

（3）比例積分調節(jié)規(guī)律（PI）

①積分調節(jié)規(guī)律（I）在積分調節(jié)規(guī)律中，調節(jié)器輸出信號的變化量與輸入偏差的積分成正比。只要有偏差，調節(jié)器的輸出就不斷變化。直到偏差等于零，積分調節(jié)器的輸出信號才能穩(wěn)定。482單回路控制系統(tǒng)

純積分控制的缺點在于:它不像比例控制那樣輸出△u與輸入e保持同步、反應較快，而是其輸出變化總要滯后于偏差的變化。這樣就不能及時有效地克服擾動的影響，其結果是加劇了被控變量的波動，使系統(tǒng)難以穩(wěn)定下來。因此，在工業(yè)過程控制中，通常不單獨使用積分控制規(guī)律，而是將它與比例控制組合成比例積分控制規(guī)律來應用。

②比例積分控制規(guī)律（PI）是比例與積分兩種控制規(guī)律的組合，其數(shù)學表達式為492單回路控制系統(tǒng)PI規(guī)律將比例控制反應快和積分控制能消除余差的優(yōu)點結合在一起，因而在生產(chǎn)中得到了廣泛應用。在幅度為A的階躍偏差輸入作用下TI為積分時間TI越小，積分控制作用越強；TI越大，積分控制作用越弱，TI特別大時，則只有P調節(jié)。502單回路控制系統(tǒng)比例調節(jié)比例積分調節(jié)

Δu(t)=Kpe(t)=—e(t)Δu(t)=KpA＋—Atδ1KpTI

比例積分調節(jié)規(guī)律的適用性很強，在多數(shù)場合下均可采用。只是當被控對象的滯后很大時，可能PI調節(jié)的時間較長；或者當負荷變化特別劇烈時，PI調節(jié)不夠及時。512單回路控制系統(tǒng)

（4）比例積分微分調節(jié)規(guī)律（PID）對于慣性較大的被控對象，如果調節(jié)器能夠根據(jù)被控變量的變化趨勢來采取調節(jié)措施，而不要等到被控變量已經(jīng)出現(xiàn)較大偏差后才開始動作，那么調節(jié)的效果將會更好，等于賦予了調節(jié)器以某種程度的預見性，這種調節(jié)規(guī)律就是微分調節(jié)規(guī)律。

①微分調節(jié)規(guī)律（D）在微分調節(jié)中，調節(jié)器輸出信號的變化量與輸入偏差的變化速度成正比。其數(shù)學表達式為Δu(t)=TD———de(t)dt522單回路控制系統(tǒng)從圖中可看出，微分調節(jié)器的輸出只與偏差的變化速度有關，而與偏差的存在與否無關。即微分作用對恒定不變的偏差沒有克服能力，必須與其它控制聯(lián)合使用。②比例微分控制規(guī)律（PD）532單回路控制系統(tǒng)

理想的比例微分調節(jié)器在物理上是難以實現(xiàn)的，工業(yè)上實際采用的PD調節(jié)規(guī)律是比例作用與近似微分作用的組合。KD——微分增益，工業(yè)上一般取5～10；TD——微分時間，工業(yè)上一般3s～10min.TD太小

由于微分作用總是力圖阻止被控變量的任何變化，所以適當?shù)奈⒎肿饔糜幸种普袷幍男Ч?。若微分作用選擇適當，將有利于提高系統(tǒng)的穩(wěn)定性。TD適當542單回路控制系統(tǒng)④比例積分微分控制規(guī)律（PID）

不難看出，由上式所描述的調節(jié)器在物理上也是無法實現(xiàn)的。工業(yè)上實際采用的PID調節(jié)器如DDZ型調節(jié)器，其傳遞函數(shù)為:帶＊量為實際值

KP

＝FKPTI

＝FTITD

＝TD／F***552單回路控制系統(tǒng)

在PID調節(jié)器中，比例、積分和微分作用取長補短、互相配合，如果比例度、積分時間、微分時間這三個參數(shù)整定適當，就可以獲得較高的控制質量。因此，PID調節(jié)器適應性較強，應用普遍。（5）調節(jié)規(guī)律的選取選擇什么樣的調節(jié)規(guī)律與具體對象相匹配，是一個比較復雜的問題，需要綜合考慮多種因素。通常，選擇調節(jié)器調節(jié)規(guī)律時應根據(jù)對象特性、負荷變化、主要擾動和控制要求等具體情況，同時還應考慮系統(tǒng)的經(jīng)濟性以及系統(tǒng)投入方便等。562單回路控制系統(tǒng)1—比例調節(jié)2—積分調節(jié)3—PI調節(jié)4—PD調節(jié)5—PID調節(jié)

經(jīng)比較，PID調節(jié)的控制作用最佳，但這并不意味著在任何情況下采用PID規(guī)律都是合理的。在PID調節(jié)器中有三個參數(shù)需要整定，如果這些參數(shù)整定不合適，也不能達到理想的效果。572單回路控制系統(tǒng)控制規(guī)律的選取原則：簡單控制系統(tǒng)適用于控制負荷變化較小的被控對象，如果負荷變化較大，無論選擇那種調節(jié)規(guī)律，簡單控制系統(tǒng)都很難得到滿意的控制質量，此時，應設計選用復雜控制系統(tǒng)。在一般的控制系統(tǒng)中，比例控制是必不可少的。當一些對象控制通道滯后較小，負荷變化較小，而工藝要求不高時，可選擇單純的比例調節(jié)規(guī)律。如貯罐液位、不太重要的壓力等參數(shù)的控制。當一些對象控制通道滯后較小，負荷變化較小，而工藝要求無余差時，可選用比例積分調節(jié)規(guī)律，如管道壓力、流量等參數(shù)的控制。582單回路控制系統(tǒng)

當一些對象控制通道滯后較大時，應引入微分作用。如工藝允許有余差，可選取比例微分調節(jié)規(guī)律；如工藝要求無余差時，則選用比例積分微分調節(jié)規(guī)律，如溫度、成分、pH等參數(shù)的控制。當一些對象控制通道滯后較大、負荷變化也較大時，比例積分微分調節(jié)規(guī)律也往往不能滿足控制要求，這時應選用復雜控制系統(tǒng)。592單回路控制系統(tǒng)2.3調節(jié)器參數(shù)的工程整定當一個控制系統(tǒng)設計安裝完成后，系統(tǒng)各個環(huán)節(jié)以及被控對象各通道的特性就不能再改變了，而唯一能改變的就是調節(jié)器的參數(shù)，即調節(jié)器的比例度δ、積分時間TI和微分時間TD。

通過改變求取這三個參數(shù)的最佳值，獲得較好的控制質量，這就是調節(jié)器參數(shù)的整定。整定方法理論計算整定法工程整定：根軌跡法、頻率響應法、偏差積分準則等：經(jīng)驗試湊法、臨界比例度法、衰減曲線法602單回路控制系統(tǒng)

（1）經(jīng)驗試湊法

經(jīng)驗試湊法就是根據(jù)被控變量的性質在已知合適的參數(shù)（經(jīng)驗參數(shù)）范圍內選擇一組適當?shù)闹底鳛檎{節(jié)器當前的參數(shù)。然后直接在運行中，人為加上階躍干擾，通過觀察記錄儀表上的過渡過程曲線，反復試湊、積分時間、微分時間的大小，直到獲得滿意的過渡過程曲線.。612單回路控制系統(tǒng)溫度系統(tǒng)特性是容量滯后較大，被控變量受干擾作用后變化遲緩，一般選用較小的比例度，較大的積分時間，同時要加入微分作用，微分時間一般取積分時間的四分之一。流量系統(tǒng)是典型的快速系統(tǒng)，對象的容量滯后小，被控變量有波動。對于這種過程，不用微分作用，宜用PI調節(jié)，且比例度要大，積分時間可小。液位系統(tǒng)其對象時間常數(shù)范圍較大，對只需要實現(xiàn)平均液位控制的地方，宜用純比例控制，比例度要大，一般不用微分作用，要求較高時應加入積分作用。622單回路控制系統(tǒng)壓力系統(tǒng)通常為快速系統(tǒng)，對象的滯后一般較小，其參數(shù)的整定原則與流量系統(tǒng)的整定原則相同。但在某些情況下，壓力系統(tǒng)也有可能成為慢速系統(tǒng)。632單回路控制系統(tǒng)

經(jīng)驗試湊法簡單可靠，容易掌握，適用于各種系統(tǒng)。特別是對于外界干擾作用較頻繁的系統(tǒng)，采用這種方法更為適合。642單回路控制系統(tǒng)

（2）臨界比例度法臨界比例度法整定參數(shù)的具體步驟是：首先將調節(jié)器的積分作用和微分作用全部除去，在純比例的情況下，按比例度δ從大到小的變化規(guī)律，對應于某一δ值做小幅度的設定值階躍干擾.直到獲得等幅振蕩過渡過程曲線。這時的比例度為臨界比例度δK，振蕩周期即為臨界周期TK，臨界周期TK可在過渡過程曲線上求取。最后根據(jù)經(jīng)驗公式計算出調節(jié)器各參數(shù)的整定數(shù)值。652單回路控制系統(tǒng)

需要指出的是：使用臨界比例度法整定調節(jié)器參數(shù)有兩個條件：一是工藝允許被控變量做等幅振蕩；二是在獲取等幅振蕩曲線時，應特別注意，不能使控制閥出現(xiàn)全關、全開的極限狀態(tài)。（3）衰減曲線法在一些不允許或不能得到等幅振蕩的情況下，可考慮采用修正方法——衰減曲線法。

衰減曲線法整定參數(shù)的具體操作步驟與臨界比例度法相同，但只需獲得4:1衰減振蕩過渡過程曲線即可。662單回路控制系統(tǒng)得到比例度δK，并在4:1曲線上求得振蕩周期TS。然后根據(jù)經(jīng)驗公

衰減曲線法的整定方法簡單、可靠，而且整定的質量較高，目前應用較廣。但這種方法操作時其他工藝上的干擾要設法免除，否則，記錄曲線將是幾種外界干擾作用同時影響的結果，不可能得到正確的4:1衰減曲線。式，求出相應的比例度、積分時間和微分時間。672單回路控制系統(tǒng)

以上介紹的調節(jié)器參數(shù)的三種工程整定方法，它們都不需要預先知道被控對象的特性，而是直接在閉合的系統(tǒng)中進行整定。另外需要指出的是，對調節(jié)器參數(shù)的整定是在一定的工藝操作條件和一定的負荷下進行的。那么一組調節(jié)器參數(shù)在一種工作狀態(tài)下是最佳的，而在另一種工作狀態(tài)下就不一定是最佳的。所以，當工藝操作條件或負荷發(fā)生較大變化時，調節(jié)器參數(shù)往往需要重新整定。683復雜控制系統(tǒng)3復雜控制系統(tǒng)在前面，主要討論了單回路控制系統(tǒng)，系統(tǒng)中只使用了一個調節(jié)器、一個執(zhí)行器和一個檢測變送器。

工藝對調節(jié)質量的要求很高,或者控制的任務比較特殊，單回路控制系統(tǒng)無法實現(xiàn)。另外，隨著生產(chǎn)過程向大型化、連續(xù)化方向發(fā)展，對操作條件要求也更高，參數(shù)間相互關系更加復雜，對控制系統(tǒng)的精度和功能提出了許多新的要求。為此，需要在單回路控制的基礎上，設計開發(fā)一類復雜控制系統(tǒng)，以滿足生產(chǎn)過程控制的要求。693復雜控制系統(tǒng)

對于復雜控制系統(tǒng)，通?？筛鶕?jù)其開發(fā)目的的差異，將其分為兩大類。為提高響應曲線的性能指標而開發(fā)的控制系統(tǒng)開發(fā)這類系統(tǒng)的目的，主要是企圖獲得比單回路PID控制更優(yōu)越的過渡過程質量，如串級控制系統(tǒng)、前饋控制系統(tǒng)等。按某些特殊目的而開發(fā)的控制系統(tǒng)這是為滿足不同的化工生產(chǎn)工藝、操作方式、乃至特殊的控制性能指標而開發(fā)的控制系統(tǒng)，如比值控制系統(tǒng)、分程控制系統(tǒng)等。703復雜控制系統(tǒng)3.1串級控制系統(tǒng)串級控制的基本原理實例1：管式加熱爐控制變量：油料出口溫度操縱變量：燃料供給量擾動因素：原料流量和溫度；燃料油的熱值、壓力；噴油用蒸汽壓力；配風及其溫度等。（對象特性：滯后嚴重、控制要求高ΔT＝±2％）713復雜控制系統(tǒng)串級控制：爐膛內部的擾動，由2號傳感器經(jīng)TC2先去調節(jié)克制；剩余偏差由1號傳感器和TC1二次調整克制。723復雜控制系統(tǒng)實例2：連續(xù)反應器控制變量：反應溫度操縱變量：冷水供給量擾動因素：原料流量和溫度；冷卻水的溫度、壓力。733復雜控制系統(tǒng)

總結：串級控制系統(tǒng)由兩套檢測變送器、兩個調節(jié)器、兩個被控對象和一個調節(jié)閥組成，其中的兩個調節(jié)器串聯(lián)起來工作，前一個的輸出作為后一個的給定值。后一個調節(jié)器的輸出才送往調節(jié)閥。副環(huán)起著“粗調”的作用;主環(huán)用來完成“細調”任務，以保證被控變量滿足工藝要求。743復雜控制系統(tǒng)

（2）串級控制系統(tǒng)的主要特點及其應用場合①能迅速克服進入副回路的干擾，這是串級控制系統(tǒng)的主要特點。②能改善被控對象的特性，提高系統(tǒng)克服干擾的能力。③具有一定的自適應能力，提高了控制精度。特別是在被控對象的容量滯后大、干擾強、要求高的場合，采用串級控制可以獲得明顯的效果。753復雜控制系統(tǒng)3.2前饋控制系統(tǒng)在前面討論的控制系統(tǒng)中，都是按偏差來進行調節(jié)的反饋控制系統(tǒng)，調節(jié)器均是根據(jù)已經(jīng)出現(xiàn)的偏差進行調節(jié)。也就是說，反饋控制根本無法將擾動克服在被控變量偏離給定值之前，調節(jié)作用總不及時，從而限制了調節(jié)質量的進一步提高。為了改變反饋控制不及時和不穩(wěn)定的內在因素，提出一種前饋控制的原理。763復雜控制系統(tǒng)基本原理：前饋控制又稱擾動補償,是測量進入過程的干擾(包括外界干擾和設定值變化)，并按其信號產(chǎn)生合適的控制作用去改變操縱變量，使被控變量維持在設定值上。被控變量：出口溫度；操控變量：蒸汽流量。773復雜控制系統(tǒng)前饋控制的主要結構形式①靜態(tài)前饋控制：穩(wěn)態(tài)下，利用物料或能量平衡算式，實現(xiàn)對擾動的完全補償即可。以熱交換器為例，熱平衡表達式為

qvCp(θ－θi)＝GsHsGs＝qv——(θ－θi)CpHs783復雜控制系統(tǒng)②前饋--反饋控制系統(tǒng)在理論上，前饋控制可以實現(xiàn)被控變量的不變性，但在工程實踐中，由于下列原因，前饋控制系統(tǒng)依然會存在偏差。實際的工業(yè)對象會存在多個擾動。一般僅選擇幾個主要干擾作前饋通道。這樣設計的前饋控制器對其他干擾是絲毫沒有校正作用的。受前饋控制模型精度限制，使被控變量最終存在偏差。用儀表實現(xiàn)前饋控制時，往往作了近似處理，尤其當綜合得到的前饋控制算式包含有純超前環(huán)節(jié)或純微分環(huán)節(jié)時，它們在物理上是不能實現(xiàn)的，構成的前饋控制器只能是近似的。793復雜控制系統(tǒng)

為了解決前饋控制不檢測被控變量余差的局限性，在工程上往往將前饋與反饋結合起來應用。這樣既發(fā)揮了前饋校正作用及時的優(yōu)點，又保持了反饋控制能克服多種擾動及對被控變量最終檢驗的長處，是一種適合化工過程控制的控制方法。803復雜控制系統(tǒng)前饋—反饋控制系統(tǒng)的優(yōu)點：從前饋控制角度，由于增添了反饋控制，降低了對前饋控制模型的精度要求，并能對未選作前饋信號的干擾產(chǎn)生校正作用。從反饋控制角度，由于前饋控制的存在，對干擾作了及時的粗調作用，大大減輕了反饋控制的負擔。813復雜控制系統(tǒng)3.3比值控制系統(tǒng)在化工生產(chǎn)中，經(jīng)常需要兩種或兩種以上的物料按一定比例混合或進行化學反應，一旦比例失調，輕則造成產(chǎn)品質量不合格，重則發(fā)生危險。

比值控制的目的，就是為了實現(xiàn)幾種物料符合一定的比例關系，以使生產(chǎn)能安全正常地進行。823復雜控制系統(tǒng)

對于上述混合問題，只要入口30%Na0H和H2O的流量之比為1:4～1:2.75，就可以滿足出口Na0H溶液濃度達到6%～8%。對于這樣一個濃度控制問題，也就成為流量比值控制問題。833復雜控制系統(tǒng)

（1）定比值控制系統(tǒng)定比值控制系統(tǒng)的一個共同特點是系統(tǒng)以保持兩種物料流量比值恒定為目的，比值器的參數(shù)經(jīng)計算設置好后不再變動，工藝要求的實際流量比值r也就固定不變，因此，稱為定比值控制系統(tǒng)。定比值控制系統(tǒng)分類開環(huán)比值控制系統(tǒng)單閉環(huán)比值控制系統(tǒng)雙閉環(huán)比值控制系統(tǒng)843復雜控制系統(tǒng)①開環(huán)比值控制系統(tǒng)

一般情況下，以生產(chǎn)中的主要物料或不可控物料作為主流量，通過改變可控物料流量(副流量)的方法來實現(xiàn)它們的比例關系。853復雜控制系統(tǒng)②單閉環(huán)比值控制系統(tǒng)為了克服開環(huán)比值控制系統(tǒng)的缺點，可在副流量對象中引入一個閉合回路。863復雜控制系統(tǒng)③雙閉環(huán)比值控制系統(tǒng)為了能實現(xiàn)兩流量的比值恒定，又能使進入系統(tǒng)的總負荷平穩(wěn)，在單閉環(huán)比值控制的基礎上又出現(xiàn)了雙閉環(huán)比值控制。它與單閉環(huán)比值控制系統(tǒng)的差別在于主流量也構成了閉合回路，有了兩個閉合回路。873復雜控制系統(tǒng)（2）變比值控制系統(tǒng)如前所講定比值控制的各種方案只考慮如何來