過程裝備控制技術(shù)及應(yīng)用第二章之2單回路系統(tǒng)

控制器(LC或TC)執(zhí)行器（控制閥）被控對(duì)象（液位儲(chǔ)槽或換熱器）測(cè)量、變送環(huán)節(jié)（LT或TT）被控變量（液位或溫度）干擾偏差設(shè)定值＋－廣義對(duì)象簡(jiǎn)單控制系統(tǒng)方塊圖載熱體冷流體換熱器溫度控制系統(tǒng)常見的兩種簡(jiǎn)單控制系統(tǒng)：選擇被控變量選擇控制變量處理測(cè)量信號(hào)選擇調(diào)節(jié)閥選擇控制規(guī)律系統(tǒng)投運(yùn)參數(shù)整定概述2.2.2自動(dòng)控制的目的及被控變量的選擇明確控制目的使生產(chǎn)過程自動(dòng)按照預(yù)定的目標(biāo)進(jìn)行，并使工藝參數(shù)保持在預(yù)先規(guī)定的數(shù)值上（或按預(yù)定規(guī)律變化）分析生產(chǎn)工藝“關(guān)鍵”變量：對(duì)產(chǎn)品的產(chǎn)量、質(zhì)量以及生產(chǎn)過程的安全具有決定作用的變量確定被控變量?jī)煞N控制類型：直接指標(biāo)控制和間接指標(biāo)控制當(dāng)質(zhì)量指標(biāo)信號(hào)缺少檢測(cè)手段、信號(hào)微弱、滯后很大時(shí)，可選取與直接質(zhì)量指標(biāo)有單值對(duì)應(yīng)關(guān)系而反應(yīng)又快的變量做為間接控制指標(biāo)。選擇被控變量選擇被控變量選擇控制變量處理測(cè)量信號(hào)選擇調(diào)節(jié)閥選擇控制規(guī)律系統(tǒng)投運(yùn)參數(shù)整定概述

要有代表性。被控變量應(yīng)能代表一定的工藝操作指標(biāo)或能反映工藝操作狀態(tài)，一般都是工藝過程中比較重要的變量。

應(yīng)該獨(dú)立可控。簡(jiǎn)單控制系統(tǒng)的被控變量應(yīng)避免和其他控制系統(tǒng)的被控變量有關(guān)聯(lián)（耦合)關(guān)系。

滯后要小。采用直接指標(biāo)作為被控變量最直接也最有效。當(dāng)無(wú)法獲得直接指標(biāo)信號(hào)，或其測(cè)量和變送環(huán)節(jié)滯后很大時(shí)，可選擇與直接指標(biāo)有單值對(duì)應(yīng)關(guān)系的間接指標(biāo)作為被控變量。

靈敏度要高。被控變量應(yīng)能被測(cè)量出來(lái)，并具有足夠大的靈敏度。

成本要低。選擇被控變量時(shí)，必須考慮工藝的合理性和國(guó)內(nèi)儀表產(chǎn)品現(xiàn)狀。被控變量選擇的一般原則

選擇被控變量選擇控制變量處理測(cè)量信號(hào)選擇調(diào)節(jié)閥選擇控制規(guī)律系統(tǒng)投運(yùn)參數(shù)整定概述控制變量與干擾變量

2.2.3對(duì)象特性對(duì)控制質(zhì)量的影響及控制變量的選擇Q入T入X入QZFTH被控變量TD影響塔頂溫度的各種輸入示意圖被控對(duì)象原則上，在諸多影響被控變量的輸入中選擇一個(gè)對(duì)被控變量影響顯著而且可控性良好的輸入作為控制變量后，其它所有未被選中的輸入則成了為系統(tǒng)的干擾變量。

選擇被控變量選擇控制變量處理測(cè)量信號(hào)選擇調(diào)節(jié)閥選擇控制規(guī)律系統(tǒng)投運(yùn)參數(shù)整定概述控制通道干擾通道干擾變量控制變量被控變量干擾作用與控制作用之間的關(guān)系

被控對(duì)象控制質(zhì)量系統(tǒng)的過渡過程形式——超調(diào)量、衰減比、余差、過渡時(shí)間、振蕩周期對(duì)象特性系統(tǒng)的輸入輸出關(guān)系分為對(duì)象靜態(tài)性質(zhì)和對(duì)象動(dòng)態(tài)性質(zhì)考察對(duì)象特性對(duì)控制質(zhì)量的影響，用以選擇控制變量對(duì)象特性對(duì)控制質(zhì)量的影響選擇被控變量選擇控制變量處理測(cè)量信號(hào)選擇調(diào)節(jié)閥選擇控制規(guī)律系統(tǒng)投運(yùn)參數(shù)整定概述放大系數(shù)絕對(duì)放大系數(shù)YXY/(YMAX-YMIN)X/(XMAX-XMIN)

相對(duì)放大系數(shù)控制通道的穩(wěn)態(tài)特性由控制通道放大系數(shù)K0表征從控制有效性考慮，K0應(yīng)適當(dāng)?shù)拇笠恍?/p>

干擾通道的穩(wěn)態(tài)特性由干擾通道放大系數(shù)Kf表征希望Kf小一些，Kf越小干擾變量對(duì)被控變量的影響就越小控制變量選擇的原則一：當(dāng)多個(gè)輸入變量都影響被控變量時(shí)，從穩(wěn)態(tài)性質(zhì)考慮，應(yīng)該選擇其中放大系數(shù)大的可控變量作為控制變量。

對(duì)象穩(wěn)態(tài)性質(zhì)對(duì)控制質(zhì)量的影響選擇被控變量選擇控制變量處理測(cè)量信號(hào)選擇調(diào)節(jié)閥選擇控制規(guī)律系統(tǒng)投運(yùn)參數(shù)整定概述對(duì)象動(dòng)態(tài)性質(zhì)對(duì)控制質(zhì)量的影響控制通道時(shí)間常數(shù)T0控制通道滯后時(shí)間τ0

T0小一點(diǎn)好，不能過大，否則會(huì)使控制變量的校正作用遲緩，超調(diào)量增大，過渡時(shí)間增長(zhǎng)

在選擇控制變量構(gòu)成控制回路時(shí)，應(yīng)盡量避免控制通道純滯后τ0的存在，無(wú)法避免時(shí)應(yīng)使之盡可能小。A:無(wú)純滯后時(shí)的校正作用B:有純滯后時(shí)的校正作用C:不受控下的輸出曲線D:無(wú)純滯后時(shí)的輸出曲線E:有純滯后時(shí)的輸出曲線選擇被控變量選擇控制變量處理測(cè)量信號(hào)選擇調(diào)節(jié)閥選擇控制規(guī)律系統(tǒng)投運(yùn)參數(shù)整定概述選擇被控變量選擇控制變量處理測(cè)量信號(hào)選擇調(diào)節(jié)閥選擇控制規(guī)律系統(tǒng)投運(yùn)參數(shù)整定概述干擾通道時(shí)間常數(shù)TfTf越大越好，干擾對(duì)被控變量的影響越緩慢，越有利于改善控制質(zhì)量

干擾通道純滯后τf的影響無(wú)純滯后有純滯后干擾通道滯后時(shí)間τf

干擾通道的純滯后τf不會(huì)影響控制質(zhì)量

控制變量的選擇原則

選擇被控變量選擇控制變量處理測(cè)量信號(hào)選擇調(diào)節(jié)閥選擇控制規(guī)律系統(tǒng)投運(yùn)參數(shù)整定概述

控制變量應(yīng)是可控的，即工藝上允許調(diào)節(jié)的變量?？刂谱兞恳话銘?yīng)比其他干擾對(duì)被控變量的影響更加靈敏。為此，應(yīng)通過合理選擇控制變量，使控制通道的放大倍數(shù)適當(dāng)大、時(shí)間常數(shù)適當(dāng)小(但不宜過小，否則易引起振蕩)、純滯后時(shí)間盡量小。為使其他干擾對(duì)被控變量的影響盡可能小，應(yīng)使干擾通道的放大系數(shù)盡可能小、時(shí)間常數(shù)盡可能大。在選擇控制變量時(shí)，除了從自動(dòng)化角度考慮外，還要考慮工藝的合理性與生產(chǎn)的經(jīng)濟(jì)性。一般說來(lái)不宜選擇生產(chǎn)負(fù)荷作為控制變量，因?yàn)樯a(chǎn)負(fù)荷直接關(guān)系到產(chǎn)品的產(chǎn)量，是不宜經(jīng)常波動(dòng)的。物料平衡除外！應(yīng)盡量使干擾作用點(diǎn)靠近調(diào)節(jié)閥處被選擇的控制變量應(yīng)對(duì)裝置中其它控制系統(tǒng)的影響和關(guān)聯(lián)較小選擇被控變量選擇控制變量處理測(cè)量信號(hào)選擇調(diào)節(jié)閥選擇控制規(guī)律系統(tǒng)投運(yùn)參數(shù)整定概述根據(jù)穩(wěn)態(tài)性質(zhì)選擇控制變量

薄板冷卻器熱物料冷物料TTFTLC液氨液氨PT氣氨氣氨液氨儲(chǔ)罐氨直冷式薄板冷卻系統(tǒng)示意圖被控變量：物料出口溫度待選的控制變量：

熱物料溫度熱物料的流量液氨的流量氣氨的回氣壓力熱物料流量F對(duì)冷物料出口溫度T的放大系數(shù)為：

氣氨回氣壓力P對(duì)冷卻器物料出口溫度T的放大系數(shù)為：

根據(jù)動(dòng)態(tài)性質(zhì)選擇控制變量乳化物高位槽過濾器12WWW3蒸汽空氣產(chǎn)品GW(S)GQ(S)GP(S)T1T2GF(S)工藝要求在保證產(chǎn)品含水率合格的前提下，保證最大產(chǎn)量。

被控變量產(chǎn)品含水率－>干燥溫度T1

影響被控變量的主要輸入變量乳化物流量fw

旁路空氣流量fQ

加熱蒸汽壓力流量fp

選擇被控變量選擇控制變量處理測(cè)量信號(hào)選擇調(diào)節(jié)閥選擇控制規(guī)律系統(tǒng)投運(yùn)參數(shù)整定概述2.2.4測(cè)量滯后對(duì)控制質(zhì)量的影響及測(cè)量信號(hào)的處理測(cè)量滯后對(duì)控制質(zhì)量的影響測(cè)量元件時(shí)間常數(shù)的影響

測(cè)量元件純滯后時(shí)間的影響

τ0

＝

ι1

ι2

V1

V2

+一般是由于測(cè)量元件安裝位置引起的

選擇被控變量選擇控制變量處理測(cè)量信號(hào)選擇調(diào)節(jié)閥選擇控制規(guī)律系統(tǒng)投運(yùn)參數(shù)整定概述

選擇快速測(cè)量元件。

正確選擇測(cè)量元件的安裝位置。在自動(dòng)控制系統(tǒng)中，以溫度測(cè)量元件和成分分析的取樣裝置所引起的測(cè)量滯后為最大。通常測(cè)量單元件應(yīng)選擇在最具代表性，響應(yīng)最靈敏、最迅速的位置安裝，應(yīng)避免將其安裝在死角或易掛料結(jié)焦的地方。分析取樣則應(yīng)在溫度比較穩(wěn)定，離設(shè)備較近之處，盡量減小純滯后。

正確使用微分器。正確使用微分器，合理引入微分特性的超前作用，對(duì)克服測(cè)量滯后，改善控制質(zhì)量是一種有效的方法。。

(TdS+1)KmTmS+1Y(S)Z(S)U(S)測(cè)量、變送裝置與微分器連接示意圖克服測(cè)量滯后的幾種方法選擇被控變量選擇控制變量處理測(cè)量信號(hào)選擇調(diào)節(jié)閥選擇控制規(guī)律系統(tǒng)投運(yùn)參數(shù)整定概述測(cè)量信號(hào)的處理

濾波：克服隨機(jī)干擾信號(hào)

中位值濾波算術(shù)平均濾波遞推平均濾波加權(quán)遞推平均濾波一階慣性濾波

線性化處理1TS+1輸入輸出一階慣性低通濾波環(huán)節(jié)選擇被控變量選擇控制變量處理測(cè)量信號(hào)選擇調(diào)節(jié)閥選擇控制規(guī)律系統(tǒng)投運(yùn)參數(shù)整定概述2.2.5

負(fù)荷變化對(duì)控制質(zhì)量的影響及調(diào)節(jié)閥的選擇

負(fù)荷變化使得被控對(duì)象特性發(fā)生變化，對(duì)控制質(zhì)量產(chǎn)生影響?？梢酝ㄟ^選擇不同結(jié)構(gòu)的調(diào)節(jié)閥，利用調(diào)節(jié)閥的流量特性來(lái)克服負(fù)荷變化帶來(lái)的影響。原理：利用調(diào)節(jié)閥的放大系數(shù)的變化來(lái)補(bǔ)償控制對(duì)象放大系數(shù)的變化，使廣義對(duì)象的放大系數(shù)基本保持不變或近似不變，從而達(dá)到較好的控制效果基本的控制規(guī)律調(diào)節(jié)器執(zhí)行器對(duì)象傳感器、變送器+－SPxzeuqyf

在該控制系統(tǒng)中，被控變量由于受擾動(dòng)f（如生產(chǎn)負(fù)荷的改變，上下工段間出現(xiàn)的生產(chǎn)不平衡現(xiàn)象等）的影響，常常偏離給定值，即被控變量產(chǎn)生了偏差：

控制器接受了偏差信號(hào)e后，按一定的控制規(guī)律使其輸出信號(hào)u發(fā)生變化，通過執(zhí)行器改變操縱變量q，以抵消干擾對(duì)被控變量y的影響，從而使被控變量回到結(jié)定值上來(lái)。問題：被控變量能否回到給定值上，或者以什么樣的途徑、經(jīng)過多長(zhǎng)時(shí)間回到給定值上來(lái)？這不僅與被控對(duì)象特性有關(guān)，而且還與控制器的特性有關(guān)。只有熟悉了控制器的特性，才能達(dá)到自動(dòng)控制的目的。2.2.6

控制規(guī)律的選擇調(diào)節(jié)規(guī)律調(diào)節(jié)器產(chǎn)生控制信號(hào)的作用叫作調(diào)節(jié)作用。調(diào)節(jié)作用所遵循的數(shù)學(xué)規(guī)律稱為調(diào)節(jié)規(guī)律（又叫作調(diào)節(jié)器特性）。調(diào)節(jié)器特性：輸出信號(hào)與輸入信號(hào)之間隨時(shí)間變化的關(guān)系。U——輸出。調(diào)節(jié)器送往調(diào)節(jié)閥的信號(hào)e——偏差，數(shù)值上等于測(cè)量值減給定值調(diào)節(jié)規(guī)律：非連續(xù)——位式連續(xù)——PROPORTION/INTEGRAL/DERIVATION控制規(guī)律f（·）＋－z(t)x(t)e(t)u(t)控制規(guī)律：控制器的輸出信號(hào)隨輸入信號(hào)(偏差)變化的規(guī)律也稱為調(diào)節(jié)規(guī)律強(qiáng)調(diào)：如果

，則控制器稱正作用控制器；反之，，則稱反作用控制器基本控制規(guī)律：位式控制（雙位控制較常用）比例作用(Proportional)

積分作用(Intergral)

微分作用(Derivative)工業(yè)上（最）常用的控制規(guī)律：雙位控制純比例控制P

比例積分控制PI

比例微分控制PD

比例積分微分控制PID。

一個(gè)控制系統(tǒng)主要包括二類基本環(huán)節(jié)：調(diào)節(jié)器和廣義對(duì)象。廣義對(duì)象在控制系統(tǒng)中屬于固定因素，當(dāng)系統(tǒng)設(shè)計(jì)好以后，廣義對(duì)象特性也就被確定下來(lái)；在整個(gè)控制系統(tǒng)中的控制作用主要是通過調(diào)節(jié)器來(lái)實(shí)現(xiàn)的，而調(diào)節(jié)器真正實(shí)現(xiàn)控制的本質(zhì)在于選擇合適的調(diào)節(jié)規(guī)律。不同的控制規(guī)律適應(yīng)不同的生產(chǎn)要求，必須根據(jù)生產(chǎn)要求來(lái)選用適當(dāng)?shù)目刂埔?guī)律。如選用不當(dāng)，不但不能起到好的作用，反而會(huì)使控制過程惡化，甚至造成事故?；镜目刂埔?guī)律雙位控制是自動(dòng)控制系統(tǒng)中最簡(jiǎn)單也很實(shí)用的一種控制規(guī)律，調(diào)節(jié)器輸出只有2個(gè)固定的數(shù)值，即只有2個(gè)極限位置，其基本的控制規(guī)律可描述為：－x(t)z(t)e(t)p(t)+pmaxpmin

這是一種理想的雙位控制，請(qǐng)問這種理想的雙位控制策略能否直接由于實(shí)際工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)的控制？雙位控制雙位控制控制器罐壓力變送器排放電磁閥例如：某壓力控制系統(tǒng)，控制設(shè)定值為100KPa，當(dāng)罐內(nèi)壓力剛好達(dá)到100KPa時(shí)，調(diào)節(jié)器輸出為0，電磁閥關(guān)；罐內(nèi)壓力稍稍大于100KPa時(shí)，調(diào)節(jié)器輸出為1，電磁閥開，排除氣體降低系統(tǒng)壓力，此時(shí)罐內(nèi)壓力馬上又小于設(shè)定值100KPa，電磁閥關(guān)，內(nèi)部壓力馬上又會(huì)重新升高，大于100KPa，調(diào)節(jié)器輸出為1，電磁閥開······，這樣調(diào)節(jié)器輸出在0與1之間不斷變化，電磁閥也在“開”和“關(guān)”二個(gè)狀態(tài)上不停的動(dòng)作。

這種現(xiàn)象在實(shí)際工業(yè)系統(tǒng)中是絕對(duì)不允許的，因?yàn)槿魏我环N設(shè)備都有一定的使用壽命，電磁閥的使用壽命一般在10萬(wàn)～50萬(wàn)次。

任何正常工作的儀表都是根據(jù)輸入變化之后輸出才會(huì)有動(dòng)作的。而所有的儀表都會(huì)有它的不靈敏區(qū)（程度不同而已）。在儀表的不靈敏區(qū)內(nèi)，輸入信號(hào)已經(jīng)給出，但儀表的輸出并不會(huì)立即變化。這種現(xiàn)象即我們?cè)谇懊嫣岬降臏蟋F(xiàn)象。 如果把儀表的不靈敏區(qū)人為擴(kuò)大，即稱為儀表的中間區(qū)。 日本控制工程專家緒方勝?gòu)┦沁@樣定義中間區(qū)的：開、關(guān)動(dòng)作之前，誤差信號(hào)的變化范圍。雙位控制雙位控制（有中間區(qū)）如果把雙位特性調(diào)整為：帶中間區(qū)的雙位調(diào)節(jié)

－x(t)z(t)e(t)u(t)+umaxumin△u

顯然，中間區(qū)的存在使得執(zhí)行機(jī)構(gòu)的動(dòng)作周期加大，被控變量的變化范圍更大，但設(shè)備動(dòng)作的周期也更大。如果工藝允許，這樣既延緩了設(shè)備的壽命，同樣也可以滿足工藝要求。這就是工業(yè)上經(jīng)常采用具有雙位調(diào)節(jié)規(guī)律控制被控對(duì)象的原因。雙位控制——總結(jié)由于位式控制的執(zhí)行器是從一個(gè)固定位置到另一個(gè)固定位置所以整個(gè)系統(tǒng)不可能保持在一個(gè)平衡狀態(tài)被控變量總在設(shè)定值的附近波動(dòng)，其過渡過程是持續(xù)的等幅振蕩滯回區(qū)間的大小影響振蕩頻率。振蕩頻率低，控制質(zhì)量差；振蕩頻率高，影響執(zhí)行器的使用壽命。

位式控制的特點(diǎn)：簡(jiǎn)單、過渡過程是振蕩的位式控制的適用范圍：時(shí)間常數(shù)大純滯后小負(fù)荷變化不大也不激烈控制要求不高。u純比例控制PO

由此可見，在該控制系統(tǒng)中，閥門開度的改變量與被控變量(液位)的偏差值成比例，這就是比例控制規(guī)律，其輸出信號(hào)的變化量與輸入信號(hào)(指偏差，當(dāng)給定值不變時(shí)，偏差就是被控變量測(cè)量值的變化量)的變化量之間成比例關(guān)系，這種控制規(guī)律稱為“純比例控制”

純比例控制也是一種最基本的控制規(guī)律，從上面這個(gè)例子可以看出來(lái)，純比例控制至少能克服位式控制振蕩、不穩(wěn)定的缺點(diǎn)。O比例調(diào)節(jié)規(guī)律表達(dá)式：比例調(diào)節(jié)規(guī)律或u0是偏差e=0時(shí)的調(diào)節(jié)器的穩(wěn)定輸出值KP是調(diào)節(jié)器的比例增益或放大倍數(shù)（與對(duì)象增益的區(qū)別）KPu(t)e(t)z(t)+_x(t)e(t)u(t)比例作用的特點(diǎn)：1、控制及時(shí)。一旦偏差不為0，調(diào)節(jié)器的輸出即刻發(fā)生改變。2、KP

表征比例作用的強(qiáng)弱。KP

增大，比例作用增強(qiáng)。3、克服干擾作用以后有余差。比例增益KP是比例調(diào)節(jié)器輸出變化量u與偏差e之比：比例增益KP和比例度

KP越大，比例作用越強(qiáng)，KP越小比例作用越弱。但是，在工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)，一般都習(xí)慣于用比例度來(lái)表示比例作用的強(qiáng)弱比例度的定義：輸入信號(hào)的相對(duì)變化量占輸出信號(hào)的相對(duì)變化量的百分?jǐn)?shù)。

其中：C——儀表常數(shù)，當(dāng)輸入輸出是統(tǒng)一信號(hào)時(shí)，儀表常數(shù)C＝1，在沒有特定指明的情況下，C＝1，因?yàn)樵谝粋€(gè)系統(tǒng)中所選用儀表的信號(hào)制一般都是統(tǒng)一的。KP越大

越小比例作用越強(qiáng)。當(dāng)時(shí)，即調(diào)節(jié)器的輸出變化量為滿量程。這就是比例度的物理意義。注意：對(duì)于非線性刻度的儀表，例如流量用孔板測(cè)量而未用開方器時(shí)，偏差的變化量Δe不能直接用流量的數(shù)值，而應(yīng)該用實(shí)際輸入給調(diào)節(jié)器的信號(hào)。也一樣。對(duì)于單元組合儀表而言：δ與輸入、輸出的關(guān)系：δ減小，使輸出變化全范圍時(shí)需要的輸入變化區(qū)間就越小。50%100%200%Pe比例作用對(duì)過渡過程的影響某控制系統(tǒng)的方塊圖如右圖所示，求設(shè)定值、干擾分別發(fā)生階躍變化時(shí)的穩(wěn)態(tài)變化量。先求Y(s)=??×X(s)+??×F(s)令設(shè)定值發(fā)生單位階躍變化：則：存在余差令干擾發(fā)生單位階躍變化：對(duì)被控變量有影響，產(chǎn)生余差。Kp增大，余差減小。比例作用對(duì)過渡過程的影響結(jié)論：·純比例控制系統(tǒng)，過渡過程結(jié)束以后必定存在余差。

·KP越大或越小余差越小KP越大或越小控制作用越強(qiáng)

余差越小、最大偏差越小KP太大或太小控制作用太強(qiáng)

穩(wěn)定性降低、甚至造成系統(tǒng)不穩(wěn)定純比例控制適用場(chǎng)合：

干擾幅度較小純滯后較小負(fù)荷變化不大控制要求不太高

一般來(lái)說，若對(duì)象滯后較小、時(shí)間常數(shù)較大以及放大倍數(shù)較小時(shí)，比例度可以選得小些，以提高系統(tǒng)的靈敏度，使反應(yīng)快些，從而過渡過程曲線的形狀較好。反之，比例度就要選大些以保證穩(wěn)定。

比例積分控制PI比例控制最大的優(yōu)點(diǎn)是反應(yīng)快，控制作用及時(shí)

最大的缺點(diǎn)是控制結(jié)果存在余差當(dāng)工藝對(duì)控制質(zhì)量有更高要求，不允許控制結(jié)果存在余差時(shí)，就需要在比例控制的基礎(chǔ)上，再加上能消除余差的積分控制作用。比例積分控制就是由比例作用和積分作用二種控制作用組合而成

積分作用是指調(diào)節(jié)器的輸出與輸入（偏差）對(duì)時(shí)間的積分成比例的特性。表達(dá)式為：積分作用積分u(t)e(t)z(t)+_x(t)uI(t)e(t)AuI(t)e(t)ATi：積分時(shí)間，因?yàn)門i在分母底下，所以Ti越大積分作用越小。只要有偏差存在，調(diào)節(jié)器輸出會(huì)不斷變化，直到偏差為0――消除余差調(diào)節(jié)器的輸出是偏差隨時(shí)間的積分，當(dāng)t較小時(shí)，調(diào)節(jié)器輸出u(t)很小，控制作用很弱，不能及時(shí)克服干擾作用，

所以一般不單獨(dú)采用積分作用，而與比例作用配合使用。

比例積分控制作用比例積分(PI)控制由比例和積分二種控制作用組合而成

比例作用項(xiàng)積分作用項(xiàng)如果加入幅值為A的階躍信號(hào)：e(t)u(t)AuI=KPAt/TiuP=KPA積分時(shí)間的定義：在階躍輸入下，積分作用的輸出變化到比例作用的輸出所經(jīng)歷的時(shí)間。

特點(diǎn)：1、慢慢來(lái)，調(diào)節(jié)速度慢。所以不能單獨(dú)使用。2、穩(wěn)定后能消除余差。3、積分時(shí)間減小，積分速度增加，積分作用增強(qiáng)。積分時(shí)間表征積分作用的強(qiáng)弱。積分作用比例積分控制作用PI調(diào)節(jié)器輸入一個(gè)方波信號(hào)，幅值為＋10％調(diào)節(jié)器的初始輸出為0，畫出調(diào)節(jié)器輸出的波形。（KP＝1，Ti＝1min）－5％20％15％10％15％u(t)mine(t)10％2431min注意：PI調(diào)節(jié)器可以穩(wěn)定在任何一個(gè)值上調(diào)節(jié)器的輸入輸出單位改為實(shí)際的mA時(shí)，輸出波形應(yīng)該注意坐標(biāo)單位％實(shí)際單位mA（之間的對(duì)應(yīng)關(guān)系）實(shí)際PI調(diào)節(jié)器的傳遞函數(shù)為：在階躍偏差信號(hào)作用下，利用拉普拉斯反變換可求得實(shí)際PI調(diào)節(jié)器的輸出隨時(shí)間變化的表達(dá)式為：實(shí)際PI調(diào)節(jié)器的階躍響應(yīng)特性中下圖所示：ΔyKPεε00ttKPKIε由圖可知，積分輸出并非直線增長(zhǎng)，而是按指數(shù)（時(shí)間常數(shù)為KITI）規(guī)律變化的。最終趨向于飽和。其穩(wěn)態(tài)值（即最大值）為KPKIε。此值取決于調(diào)節(jié)器的積分增益KI或開環(huán)增益（穩(wěn)態(tài)時(shí)的放大倍數(shù)）K。積分增益KI的意義是，在階躍信號(hào)作用下，PI調(diào)節(jié)器輸出變化的最終值（假定偏差很小，輸出值未達(dá)到調(diào)節(jié)器的輸出限制值）與初始值（即比例輸出值）之比：開環(huán)增益K和積分增益KI的關(guān)系為：當(dāng)積分增益KI無(wú)窮大時(shí)，可證明：這時(shí)就相當(dāng)于理想PI調(diào)節(jié)器的輸出了。實(shí)際上，PI調(diào)節(jié)器的KI一般都比較大（數(shù)量級(jí)為102——105），因此可以認(rèn)為實(shí)際PI調(diào)節(jié)器的特性是接近于理想PI調(diào)節(jié)器特性的?？刂泣c(diǎn)偏差和調(diào)節(jié)精度實(shí)際PI調(diào)節(jié)器的KI值比較大但仍是一個(gè)限值。因此當(dāng)調(diào)節(jié)器的輸出穩(wěn)定在某一值時(shí)，測(cè)量值和給定值之間依然存在偏差（也就是說實(shí)際PI調(diào)節(jié)器不可能完全消除余差），這種偏差通常稱為控制點(diǎn)偏差。當(dāng)調(diào)節(jié)器的輸出變化為滿度時(shí)，控制點(diǎn)的偏差達(dá)最大，其值為：控制點(diǎn)最大偏差的相對(duì)變化值即為調(diào)節(jié)器的調(diào)節(jié)精度（Δ），考慮到調(diào)節(jié)器輸入信號(hào)和輸出信號(hào)的變化范圍是相等的，故有：調(diào)節(jié)精度是調(diào)節(jié)器的重要指標(biāo)，它表征調(diào)節(jié)器消除余差的能力。KI越大，調(diào)節(jié)精度越高，消除余差的能力越強(qiáng)。積分作用對(duì)過渡過程的影響某控制系統(tǒng)的方塊圖如圖所示，求設(shè)定值、干擾分別發(fā)生階躍變化時(shí)的穩(wěn)態(tài)變化量先求Y(s)=??×X(s)+??×F(s)令設(shè)定值發(fā)生單位階躍變化：則：無(wú)余差令干擾發(fā)生單位階躍變化：則：無(wú)余差積分作用能消除余差！??！積分作用對(duì)過渡過程的影響

采用比例積分控制作用時(shí)，積分時(shí)間對(duì)過渡過程的影響具有兩重性。在同樣的比例度下，縮短積分時(shí)間Ti，將使積分調(diào)節(jié)作用加強(qiáng)，容易消除余差，這是有利的一面。但縮短積分時(shí)間，加強(qiáng)積分調(diào)節(jié)作用后，會(huì)使系統(tǒng)振蕩加劇，有不易穩(wěn)定的傾向。積分時(shí)間越短，振蕩傾向越強(qiáng)烈，甚至?xí)蔀椴环€(wěn)定的發(fā)散振蕩，這是不利的一面。由圖可以看出，積分時(shí)間過大或過小均不合適。Ti過大，積分作用不明顯，余差消除很慢，見曲線3，Ti過小，過渡過程振蕩太劇烈，穩(wěn)定程度降低，見曲線1。

積分作用的特點(diǎn)：消除余差，會(huì)降低系統(tǒng)穩(wěn)定性；注意事項(xiàng)：★引入積分作用以后，能消除余差，但系統(tǒng)的穩(wěn)定性必然會(huì)降低，所以在使用過程中應(yīng)適當(dāng)降低比例作用（增大比例度或降低比例增益）★當(dāng)對(duì)象滯后很大時(shí)，可能控制時(shí)間較長(zhǎng)、最大偏差也較大；負(fù)荷變化過于劇烈時(shí)，由于積分動(dòng)作緩慢，使控制作用不及時(shí)，此時(shí)可增加微分作用比例微分控制PD積分控制最大的優(yōu)點(diǎn)是消除余差

最大的缺點(diǎn)是動(dòng)作緩慢、產(chǎn)生相位滯后、穩(wěn)定性降低

比例控制規(guī)律和積分控制規(guī)律，都是根據(jù)已經(jīng)形成的被控變量與給定值的偏差而進(jìn)行動(dòng)作。但對(duì)于慣性較大的對(duì)象，為了使控制作用及時(shí)，常常希望能根據(jù)被控變量變化的快慢來(lái)控制。在人工控制時(shí)，雖然偏差可能還小，但看到參數(shù)變化很快，估計(jì)到很快就會(huì)有更大偏差，此時(shí)會(huì)先改變閥門開度以克服干擾影響，它是根據(jù)偏差的速度而引入的超前控制作用，只要偏差的變化一露頭，就立即動(dòng)作，這樣控制的效果將會(huì)更好。微分作用就是模擬這一實(shí)踐活動(dòng)而采用的控制規(guī)律。微分控制主要用來(lái)克服被控對(duì)象的容量滯后(時(shí)間常數(shù)T)，但不能克服純滯后。比例微分控制就是由比例作用和微分作用二種控制作用組合而成

微分作用是指調(diào)節(jié)器的輸出與輸入變化率成比例關(guān)系，成比例的特性。表達(dá)式為：微分作用微分u(t)e(t)z(t)+_x(t)Td：微分時(shí)間，Td越大微分作用越強(qiáng)。微分作用的目的：克服對(duì)象滯后大的影響，改善過渡過程品質(zhì)。微分作用的原理：根據(jù)偏差信號(hào)變化速度來(lái)確定調(diào)節(jié)器的輸出，改變操作變量（超前控制）。

e(t)u(t)TT+e(t)u(t)00+AtTdA比例微分控制作用比例微分(PD)控制由比例和微分二種控制作用組合而成

比例作用項(xiàng)微分作用項(xiàng)e(t)Ae(t)0At

從(b)圖中可以看出，當(dāng)輸入為斜坡曲線時(shí)存在：u(t)＝e(t＋Td)，所以微分控制起到了超前的作用，即：調(diào)節(jié)器輸出比輸入超前TD時(shí)間從(a)圖上可得出，當(dāng)加入階躍輸入時(shí)，微分作用產(chǎn)生了一個(gè)函數(shù)，當(dāng)t>0時(shí)，u(t)＝e(t)，很顯然這種控制作用在實(shí)際應(yīng)用中沒有什么態(tài)大的意義根據(jù)這2個(gè)特點(diǎn)不難理解：微分作用不能作為一種單獨(dú)的調(diào)節(jié)規(guī)律來(lái)使用，理想的PD作用不能直接使用；微分作用一般多用于對(duì)象時(shí)間常數(shù)較大的系統(tǒng)之中。u(t)T+KpA(a)u(t)0+e(t)=Atu(t)=(Td+t)A(b)實(shí)際的比例微分控制作用

從前面的波形圖中可以看到，如果調(diào)節(jié)器的輸入為階躍信號(hào)，理想PD調(diào)節(jié)器的輸出為脈沖信號(hào)，而脈沖信號(hào)不可能被其它環(huán)節(jié)（執(zhí)行器）所接收到。在工業(yè)應(yīng)用現(xiàn)場(chǎng)時(shí)不采用理想的PD作用，而采用實(shí)際的PD作用。實(shí)際的PD作用表達(dá)式為：式中，Kd為微分增益，它反映了實(shí)際微分特性與理想微分特性接近的程度

Kd越大微分作用越接近理想程度，Kd一般為5～10。另外還有一類Kd<1的單元，稱為反微分器，它具有遲緩信號(hào)變換的作用。實(shí)際比例微分控制作用的階躍響應(yīng)e(t)au(t)0.632KP(Kd-1)aKPaKdKPa(Kd-)KPaτd當(dāng)t=0+時(shí)u＝KdKPa當(dāng)t時(shí)u＝Kpa當(dāng)t=τd時(shí)u＝KPa＋0.368（Kd－1）KPaKp的測(cè)定：u()/aKd的測(cè)定：u(0)/u()Td的測(cè)定：測(cè)出τd后乘以Kd實(shí)際比例微分控制器在幅度為A的階躍偏差作用下的開環(huán)輸出特性，見左圖。階躍偏差作用下實(shí)際比例微分開環(huán)輸出特性由：得：

微分增益KD是固定不變的，只與控制器的類型有關(guān)。電動(dòng)控制器的KD一般為5～10。如果KD

=1，則此時(shí)等同于純比例控制。KD

>1，稱為正微分。KD<1的，稱為反微分器，它的控制作用反而減弱。這種反微分作用運(yùn)用于噪音較大的系統(tǒng)中，會(huì)起到較好的濾波作用。階躍偏差作用下實(shí)際比例微分開環(huán)輸出特性微分作用對(duì)過渡過程的影響從圖看出，微分時(shí)間太大及太小均不合適，應(yīng)取適當(dāng)?shù)臄?shù)值。由于增加微分作用，可以減小比例度，因而微分時(shí)間越大，余差也就越小。一般溫度調(diào)節(jié)系統(tǒng)常需加微分作用，其他系統(tǒng)需要較少。有些系統(tǒng)由于反應(yīng)太快，可加“反微分”，以降低系統(tǒng)的靈敏度。

微分作用的特點(diǎn)：對(duì)于有過渡滯后的對(duì)象，采用PD控制能明顯改善過渡過程的品質(zhì)；

PD控制有超前作用

Td，微分作用加強(qiáng)，系統(tǒng)穩(wěn)定性提高，表現(xiàn)為：

衰減比增大；過渡過程最大偏差減少emax；過渡時(shí)間tp；

Td太大，微分作用太強(qiáng)，導(dǎo)致反應(yīng)速度過快，引起系統(tǒng)振蕩引入微分作用以后，不能消除余差，但余差會(huì)有所減少微分作用對(duì)純滯后的對(duì)象不起作用。微分作用對(duì)過渡過程的影響微分作用適用于過渡滯后強(qiáng)的對(duì)象，如：溫度對(duì)象(其他系統(tǒng)較少用

)微分作用對(duì)高頻噪聲非常敏感，在流量控制系統(tǒng)總流量測(cè)量信號(hào)通常包含脈沖干擾，象這類對(duì)象一般不加微分作用。有些系統(tǒng)由于反應(yīng)太快，可加“反微分”，以降低系統(tǒng)的靈敏度。現(xiàn)場(chǎng)控制系統(tǒng)中用比例微分作用的不多，較常見的是比例積分微分三作用控制規(guī)律（通常稱為PID控制）。

比例積分微分控制PID在工業(yè)生產(chǎn)中，常將比例、積分、微分三種作用規(guī)律結(jié)合起來(lái)，可以得到較為滿意的控制質(zhì)量，包括這三種控制規(guī)律的控制器稱為比例積分微分三作用控制器，習(xí)慣上稱為PID控制規(guī)律，其理想的輸出與輸入的關(guān)系為：理想PID算法實(shí)際PID算法Ki——積分增益，一般較大，

III型模擬調(diào)節(jié)器約104～105Kd——微分增益，一般為5～10PID控制的階躍響應(yīng)uPuDuPIDe(t)e(t)uPuDuPIDuIuI三種規(guī)律的概括：比例作用的輸出與偏差成正比，依“偏差的大小”來(lái)動(dòng)作。積分作用的輸出的變化速度與偏差成正比，依“偏差是否存在”來(lái)動(dòng)作。微分作用的輸出與偏差的變化速度成正比，依“偏差變化速度”來(lái)動(dòng)作。工人師傅的順口溜比例：積分： 微分：比例調(diào)節(jié)器 重定調(diào)節(jié)器 說起微分器象個(gè)放大器 累積有本事 一點(diǎn)不神秘一個(gè)偏差來(lái) 只要偏差在 階躍輸入來(lái)放大送出去 累積不停止 輸出跳上去放大是多少 累積快與慢 下降快與慢旋鈕看仔細(xì) 旋鈕看仔細(xì) 旋鈕看仔細(xì)比例度旋大 積分時(shí)間長(zhǎng) 微分時(shí)間長(zhǎng)放大倍數(shù)低 累積速度低 下降就慢些選擇被控變量選擇控制變量處理測(cè)量信號(hào)選擇調(diào)節(jié)閥選擇控制規(guī)律系統(tǒng)投運(yùn)參數(shù)整定概述常用的幾種控制規(guī)律

位式控制適用于對(duì)控制質(zhì)量要求不高，被控對(duì)象是單容量的、且容量較大、滯后較小、負(fù)荷變化不大也不太激烈，工藝允許被控變量波動(dòng)范圍較寬的場(chǎng)合。

比例控制

優(yōu)點(diǎn)：比例控制克服干擾能力強(qiáng)、控制及時(shí)、過渡時(shí)間短。缺點(diǎn)：在過渡過程終了時(shí)存在余差適用于控制通道滯后較小、負(fù)荷變化不大、工藝允許被控變量存在余差的場(chǎng)合。選擇被控變量選擇控制變量處理測(cè)量信號(hào)選擇調(diào)節(jié)閥選擇控制規(guī)律系統(tǒng)投運(yùn)參數(shù)整定概述

比例微分控制優(yōu)點(diǎn)：利用微分超前的作用，在被控對(duì)象具有較大滯后的場(chǎng)合下，將會(huì)有效地改善擔(dān)制質(zhì)量。缺點(diǎn)：有可能會(huì)使系統(tǒng)產(chǎn)生振蕩，嚴(yán)重時(shí)使系統(tǒng)失控而發(fā)生事故。

比例積分微分控制比例積分微分控制綜合了比例、積分、微分控制規(guī)律的優(yōu)點(diǎn)。適用于容量滯后較大、負(fù)荷變化大、控制要求高的場(chǎng)合。

比例積分控制優(yōu)點(diǎn)：系統(tǒng)在過渡過程結(jié)束時(shí)無(wú)余差缺點(diǎn)：系統(tǒng)的超調(diào)量、振蕩周期都會(huì)相應(yīng)增大，過渡時(shí)間也會(huì)相應(yīng)增加。適用于控制通道滯后較小、負(fù)荷變化不大、工藝不允許被控變量存在余差的場(chǎng)合。

控制器正、反作用的選擇選擇被控變量選擇控制變量處理測(cè)量信號(hào)選擇調(diào)節(jié)閥選擇控制規(guī)律系統(tǒng)投運(yùn)參數(shù)整定概述

保證整個(gè)控制系統(tǒng)形成負(fù)反饋。在控制系統(tǒng)中，控制器、被控對(duì)象、測(cè)量元件及執(zhí)行器都有各自的作用方向，一般被控對(duì)象、測(cè)量元件及執(zhí)行器的作用方向是固定的，因此為了使系統(tǒng)構(gòu)成負(fù)反饋，應(yīng)對(duì)控制器的正反作用進(jìn)行調(diào)整。

所謂作用方向，就是指輸入變化后，輸出的變化方向。當(dāng)輸入增加時(shí)，輸出也增加，則稱該環(huán)節(jié)為“正作用”方向；反之，當(dāng)環(huán)節(jié)的輸人增加時(shí)，輸出減小，則稱該環(huán)節(jié)為“反作用”方向。何謂“正”、“反”作用？控制器正反作用選擇的基本原則選擇被控變量選擇控制變量處理測(cè)量信號(hào)選擇調(diào)節(jié)閥選擇控制規(guī)律系統(tǒng)投運(yùn)參數(shù)整定概述控制器正反作用選擇的步驟1、判斷被控對(duì)象的正反作用方向，由工藝機(jī)理確定；2、判斷執(zhí)行器的正反作用方向，由工藝安全條件選定，其選擇原則是：控制信號(hào)中斷時(shí)，應(yīng)保證設(shè)備和操作人員的安全；3、確定廣義對(duì)象的正反作用方向，一般測(cè)量變送環(huán)節(jié)為正作用方向，根據(jù)被控對(duì)象和執(zhí)行器的作用方向，確定廣義對(duì)象的正反作用方向；4、確定控制器的正反作用方向，廣義對(duì)象正作用方向，則控制器應(yīng)選擇為反作用，反之亦然。被控變量控制器執(zhí)行器被控對(duì)象測(cè)量變送環(huán)節(jié)干擾偏差設(shè)定值＋－廣義對(duì)象燃料氣TC加熱爐出口溫度控制控制器正反作用選擇的實(shí)例選擇被控變量選擇控制變量處理測(cè)量信號(hào)選擇調(diào)節(jié)閥選擇控制規(guī)律系統(tǒng)投運(yùn)參數(shù)整定概述液位控制選擇被控變量選擇控制變量處理測(cè)量信號(hào)選擇調(diào)節(jié)閥選擇控制規(guī)律系統(tǒng)投運(yùn)參數(shù)整定概述2.2.7

控制系統(tǒng)的投運(yùn)與參數(shù)整定控制系統(tǒng)的投運(yùn)（1）熟悉被控對(duì)象和整個(gè)控制系統(tǒng)，檢查所有儀表及連接管線、氣管線、電源、氣源等，以保證接線的正確性，及故障時(shí)能及時(shí)確定故障原因；（2）根據(jù)經(jīng)驗(yàn)或估算比例度δ、積分時(shí)間TI和微分時(shí)間TD的數(shù)值，或?qū)⒖刂破鞣旁诩儽壤饔?，比例度放在較大位置；（3）確認(rèn)控制閥的氣開、氣關(guān)作用；確認(rèn)控制器的正、反作用；（4）手動(dòng)操作執(zhí)行器，待工況穩(wěn)定后，將控制器由手動(dòng)狀態(tài)切換到自動(dòng)狀態(tài)，控制系統(tǒng)由開環(huán)控制變?yōu)殚]環(huán)控制。初步投運(yùn)過程基本結(jié)束。但控制系統(tǒng)的過渡過程不一定滿足要求，需