第6章簡(jiǎn)單控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與參數(shù)整定

第6章簡(jiǎn)單控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與參數(shù)整定6.1簡(jiǎn)單控制系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)與組成6.2簡(jiǎn)單控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)6.3調(diào)節(jié)規(guī)律對(duì)控制品質(zhì)的影響與調(diào)節(jié)規(guī)律選擇6.4調(diào)節(jié)器參數(shù)的工程整定方法6.5簡(jiǎn)單控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)實(shí)例簡(jiǎn)單控制系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)

四個(gè)環(huán)節(jié)組成被控變量的選擇控制變量的選擇控制參數(shù)的整定簡(jiǎn)單控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

閉環(huán)負(fù)反饋控制規(guī)律的選擇給定值＋－測(cè)量變送器控制器執(zhí)行器對(duì)象操作量被控變量干擾6.1簡(jiǎn)單控制系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)與組成指由一個(gè)測(cè)量變送器、一個(gè)控制器、一個(gè)控制閥和一個(gè)對(duì)象所構(gòu)成的單閉環(huán)控制系統(tǒng)。

第6章簡(jiǎn)單控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與參數(shù)整定TC206后續(xù)字母表示儀表功能第1位數(shù)字表示工段號(hào)后續(xù)數(shù)字表示儀表序號(hào)第1位字母表示被控參數(shù)LCTT儀表符號(hào)標(biāo)準(zhǔn)控制系統(tǒng)原理方框圖給定值＋－測(cè)量變送器控制器執(zhí)行器對(duì)象操作量被控變量干擾熱物料載熱介質(zhì)冷物料熱交換器TTTC控制系統(tǒng)工藝流程圖Gc(s)Gf(s)Go(s)X(s)Y(s)＋F(s)＋＋－控制系統(tǒng)原理方框圖（傳遞函數(shù)）被控變量影響變量6.2簡(jiǎn)單控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)1.過程控制系統(tǒng)方案設(shè)計(jì)的基本要求生產(chǎn)過程對(duì)過程控制系統(tǒng)的要求可簡(jiǎn)要?dú)w納為安全性、穩(wěn)定性和經(jīng)濟(jì)性三個(gè)方面。2.過程控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)的主要內(nèi)容過程控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)包括控制系統(tǒng)方案設(shè)計(jì)、工程設(shè)計(jì)、工程安裝和儀表調(diào)校、調(diào)節(jié)器參數(shù)整定等四個(gè)主要內(nèi)容。其中控制方案設(shè)計(jì)是控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)的核心。3.過程控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)的步驟1）掌握生產(chǎn)工藝對(duì)控制系統(tǒng)的技術(shù)要求2）建立被控過程的數(shù)學(xué)模型3）確定控制方案包括控制方式和系統(tǒng)組成結(jié)構(gòu)的確定，是過程控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)的關(guān)鍵步驟。

4）控制設(shè)備選型5）實(shí)驗(yàn)（或仿真）驗(yàn)證其中最關(guān)鍵的設(shè)計(jì)是：被控參數(shù)與控制變量的選擇6.2.2被控參數(shù)與控制變量的選擇6.2.2.1被控參數(shù)的選擇被控變量—生產(chǎn)過程中希望借助自動(dòng)控制保持恒定值（或按一定規(guī)律變化）的變量。合理選擇被控變量，關(guān)系到生產(chǎn)工藝能否達(dá)到穩(wěn)定操作、保證質(zhì)量、保證安全等目的。被控變量的選擇依據(jù)：1、根據(jù)生產(chǎn)工藝的要求，找出影響生產(chǎn)的關(guān)鍵變量作為被控變量例1儲(chǔ)槽液位控制系統(tǒng)工藝要求儲(chǔ)槽液位穩(wěn)定。那么設(shè)計(jì)的控制系統(tǒng)就應(yīng)以儲(chǔ)槽液位為被控變量。LCTTh例2換熱器出口溫度控制系統(tǒng)工藝要求出口溫度為定值。那么設(shè)計(jì)的控制系統(tǒng)就應(yīng)以出口溫度為被控變量。熱物料載熱介質(zhì)冷物料熱交換器TTTC2、當(dāng)不能用直接工藝參數(shù)作為被控變量時(shí)，應(yīng)選擇與直接工藝參數(shù)有單值函數(shù)關(guān)系的間接工藝參數(shù)作為被控變量。例3化工的精餾物純度控制系統(tǒng)精餾工藝是利用被分離物中各組分的揮發(fā)溫度不同，將各組分分離。如圖將苯—甲苯混合液進(jìn)行分離。苯—甲苯苯甲苯

該精餾塔的工藝要求是要使塔頂（或塔底）餾出物達(dá)到規(guī)定的純度。按照被控變量的選擇原則1，塔頂（或塔底）餾出物的組分應(yīng)作為被控變量。但是，沒有合適的儀表在線檢測(cè)餾出物的純度，則不能直接作為被控變量。苯甲苯

苯—甲苯只好在與餾出物的純度有單值關(guān)系的工藝參數(shù)中，找出合適的變量作為被控變量，進(jìn)行間接參數(shù)控制。經(jīng)工藝分析發(fā)現(xiàn)，塔內(nèi)壓力和塔內(nèi)溫度都對(duì)餾出物純度有影響。需要對(duì)二者進(jìn)行比較試驗(yàn)，選出一個(gè)合適的變量。苯甲苯

苯—甲苯間接控制參數(shù)的確定經(jīng)試驗(yàn)得出，塔頂餾出物苯的濃度分別與壓力和溫度有單值對(duì)應(yīng)關(guān)系。（塔底餾出物甲苯也一樣）從工藝合理性考慮，選擇溫度作為被控變量(工藝要求塔壓力要穩(wěn)定)。

3、被控變量必須有足夠大的靈敏度被控變量必須靈敏，容易被測(cè)量。4、選擇被控變量時(shí)，必須考慮工藝合理性上例中，選擇塔內(nèi)溫度作被控變量，就是考慮了工藝上，塔內(nèi)壓力要固定。上例中，若塔頂、塔底的產(chǎn)品純度都分別設(shè)置溫控系統(tǒng)，會(huì)相互干擾，存在關(guān)聯(lián)。因此，若采用簡(jiǎn)單控制系統(tǒng)，只能設(shè)置一個(gè)溫控系統(tǒng)，保證塔頂或塔底一端的產(chǎn)品質(zhì)量。6.2.2.2控制變量選擇把用來克服干擾對(duì)被控變量的影響，實(shí)現(xiàn)控制作用的變量稱為控制變量或操縱變量。最常見的操縱變量是介質(zhì)的流量，也有以轉(zhuǎn)速、電壓等作為操縱變量的。LCTTh給定值＋－測(cè)量變送器控制器執(zhí)行器對(duì)象操縱量被控變量干擾控制變量的確定被控變量選定以后，應(yīng)對(duì)工藝進(jìn)行分析，找出所有影響被控變量的因素。在這些變量中，有些是可控的，有些是不可控的。在諸多影響被控變量的因素中選擇一個(gè)對(duì)被控變量影響顯著且便于控制的變量，作為控制變量；其它未被選中的因素則視為系統(tǒng)的干擾。被控變量影響變量1．過程（通道）靜態(tài)特性K對(duì)控制品質(zhì)影響的分析確定控制變量要考慮：2．過程（通道）動(dòng)態(tài)特性T對(duì)控制品質(zhì)的影響被控變量影響變量1．過程（通道）靜態(tài)特性對(duì)控制品質(zhì)的影響如圖所示為單回路控制系統(tǒng)的等效框圖。Gc(s)—控制器的傳遞函數(shù)；Go(s)—廣義控制通道（包括執(zhí)行器和變送器）的傳遞函數(shù)；Gf(s)—擾動(dòng)通道的傳遞函數(shù)。Gc(s)Gf(s)Go(s)X(s)Y(s)＋F(s)＋＋－被控參數(shù)y(t)受到設(shè)定信號(hào)x(t)和干擾信號(hào)f(t)的共同影響：干擾通道控制通道Gc(s)Gf(s)Go(s)X(s)Y(s)＋F(s)＋＋－代入系統(tǒng)偏差公式中：將可見，控制通道偏差和干擾通道偏差的傳函分母是一樣的。將Gc(s)、Go(s)代入：Gc(s)Gf(s)Go(s)X(s)Y(s)＋F(s)＋＋－K0越大，控制作用越強(qiáng)，穩(wěn)態(tài)誤差越??；K0越大，被調(diào)參數(shù)對(duì)控制作用的反應(yīng)越靈敏，系統(tǒng)的閉環(huán)穩(wěn)定性越低。Kf越大，干擾作用越強(qiáng)，穩(wěn)態(tài)誤差越大。故應(yīng)選放大系數(shù)大的變量作為控制變量。Gc(s)Gf(s)Go(s)X(s)Y(s)＋F(s)＋＋－K0越大，控制作用越強(qiáng)，穩(wěn)態(tài)誤差越小；K0越大，被調(diào)參數(shù)對(duì)控制作用的反應(yīng)越靈敏，系統(tǒng)的閉環(huán)穩(wěn)定性越低。Kf越大，干擾作用越強(qiáng)，穩(wěn)態(tài)誤差越大。故對(duì)于控制通道，應(yīng)選放大系數(shù)大的變量作為控制變量對(duì)于控制通道，Kf越小越好。2．過程（通道）動(dòng)態(tài)特性對(duì)控制品質(zhì)的影響1）干擾通道動(dòng)態(tài)特性對(duì)控制品質(zhì)的影響

2）控制通道動(dòng)態(tài)特性對(duì)控制品質(zhì)的影響GCGVGO2GFGmfreGO1y2．過程（通道）動(dòng)態(tài)特性對(duì)控制品質(zhì)的影響1）干擾通道動(dòng)態(tài)特性對(duì)控制品質(zhì)的影響

干擾通道的慣性因子（Tfs+1）使干擾作用的影響緩慢。Tf

越大，干擾對(duì)被控變量的影響越緩慢，越有利于控制。

Gc(s)Gf(s)Go(s)X(s)Y(s)＋F(s)＋＋－因?yàn)?，τf使干擾對(duì)被控變量的影響推遲了τf時(shí)間，則控制作用也推遲τf時(shí)間，整個(gè)過渡過程曲線也推遲時(shí)間τf

，但控制品質(zhì)未變。干擾通道純滯后τf不影響控制質(zhì)量。含有e–τfs例：某控制系統(tǒng)中，干擾f1、f2、f3分別在三個(gè)位置進(jìn)入系統(tǒng)。干擾離被控變量檢測(cè)點(diǎn)越遠(yuǎn)，則干擾通道的時(shí)間常數(shù)越大，對(duì)被控變量的影響越慢。

干擾進(jìn)入系統(tǒng)的位置離被控變量檢測(cè)點(diǎn)越遠(yuǎn)，則Tf

越大，控制時(shí)最大偏差越小。f1(t)通道慣性小，受干擾后被調(diào)參數(shù)變化速度快；當(dāng)控制作用見效時(shí)，被調(diào)參數(shù)已經(jīng)變化較大——造成動(dòng)態(tài)偏差較大。所以擾動(dòng)進(jìn)入系統(tǒng)的位置離被控參數(shù)檢測(cè)點(diǎn)越遠(yuǎn)，干擾對(duì)被控參數(shù)影響越小。y(t)yk(t)tyyk(t)yy(t)tyk(t)yy(t)t

2）控制通道動(dòng)態(tài)特性對(duì)控制品質(zhì)的影響tGCGVGO2GFGmfreGO1y控制通道G01的時(shí)間常數(shù)T01增大，使控制速度變慢，最大偏差增大。G02是控制、干擾共用通道，T02不影響最大偏差y2(t)yk(t)yy1(t)y2(t)yk(t)tyy1(t)τ01控制通道G01的純滯后

，使控制作用滯后τ01到達(dá)，造成控制偏差增大。G02是控制、干擾共用通道，干擾作用滯后τ02產(chǎn)生，但控制作用再滯后τ02到達(dá)，同樣造成控制偏差增大。y2(t)yk(t)tyy1(t)2τ02τ02GCGVGO2GFGmfreGO1y因此，控制通道時(shí)間常數(shù)T0小一些好。表明控制變量對(duì)被控變量的影響迅速，有利于控制?？刂仆ǖ兰儨螃?越小越好。τ0會(huì)使控制時(shí)間延長(zhǎng)、最大偏差增大。

控制變量的選擇原則：1、控制通道應(yīng)當(dāng)放大系數(shù)大、時(shí)間常數(shù)小、純滯后越小越好。2、控制變量應(yīng)是工藝上允許控制的變量，并且要考慮工藝的合理性與生產(chǎn)的經(jīng)濟(jì)性。

例1中，影響儲(chǔ)槽液位的主要因素有：液體流入量和液體流出量。這兩個(gè)變量影響力相當(dāng)，顯然，液體流出量可控。故選液體流出量作為控制變量。LCTThQiQo例2中，影響出口溫度的主要因素有：載熱介質(zhì)溫度、載熱介質(zhì)流量、冷物料溫度、冷物料流量等。顯然，載熱介質(zhì)流量影響力最大且可控。故選載熱介質(zhì)流量作為控制變量。熱物料載熱介質(zhì)冷物料熱交換器TTTCQrQiTiTr例3中，若選擇提餾段某塊塔板（靈敏板）的溫度作為被控變量。那么，影響靈敏板溫度T靈的因素主要有：

TT進(jìn)料的流量（Q入）、進(jìn)料的成分（x入）、進(jìn)料的溫度（T入），回流的流量（Q回）、回流的溫度（T回），加熱蒸汽流量（Q蒸）、冷凝器冷卻溫度等。

這些影響因素分為可控的和不可控的兩大類：回流量和蒸汽流量為可控因素其它基本為不可控因素

TT1、蒸汽流量對(duì)提餾段溫度影響比回流量對(duì)提餾段溫度影響更迅速、更顯著。2、從節(jié)能角度來講，控制蒸汽流量比控制回流量消耗的能量要小。在兩個(gè)可控因素中，選蒸汽流量為操縱變量。因?yàn)椋?/p>

TT上節(jié)教學(xué)內(nèi)容(15)第5章被控過程的數(shù)學(xué)模型5.4測(cè)試法建模給定值被控量干擾f

控制器變送器執(zhí)行器被控對(duì)象+e實(shí)測(cè)值－第6章簡(jiǎn)單控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與參數(shù)整定6.1簡(jiǎn)單控制系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)與組成6.2簡(jiǎn)單控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)簡(jiǎn)單控制系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)

四個(gè)環(huán)節(jié)組成被控變量的選擇控制變量的選擇控制參數(shù)的整定簡(jiǎn)單控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

閉環(huán)負(fù)反饋控制規(guī)律的選擇給定值被控量干擾f

控制器變送器執(zhí)行器被控對(duì)象+e實(shí)測(cè)值－被控變量的選擇依據(jù)：1、根據(jù)生產(chǎn)工藝的要求，找出影響生產(chǎn)的關(guān)鍵變量作為被控變量2、當(dāng)不能用直接工藝參數(shù)作為被控變量時(shí)，應(yīng)選擇與直接工藝參數(shù)有單值函數(shù)關(guān)系的間接工藝參數(shù)作為被控變量。3、被控變量必須有足夠大的靈敏度4、選擇被控變量時(shí)，必須考慮工藝合理性控制變量的確定被控變量選定以后，應(yīng)對(duì)工藝進(jìn)行分析，找出所有影響被控變量的因素。在這些變量中，有些是可控的，有些是不可控的。在諸多影響被控變量的因素中選擇一個(gè)對(duì)被控變量影響顯著且便于控制的變量，作為控制變量；其它未被選中的因素則視為系統(tǒng)的干擾。給定值被控量干擾f

控制器變送器執(zhí)行器被控對(duì)象+e實(shí)測(cè)值－本節(jié)教學(xué)內(nèi)容(16)給定值被控量干擾f

控制器變送器執(zhí)行器被控對(duì)象+e實(shí)測(cè)值－第6章簡(jiǎn)單控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與參數(shù)整定6.2簡(jiǎn)單控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)6.3調(diào)節(jié)規(guī)律對(duì)控制品質(zhì)的影響與調(diào)節(jié)規(guī)律選擇6.4調(diào)節(jié)器參數(shù)的工程整定方法6.5簡(jiǎn)單控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)實(shí)例6.2.3檢測(cè)環(huán)節(jié)、執(zhí)行器及調(diào)節(jié)器正負(fù)作用選擇6.2.3.1傳感器、變送器選擇

6.2.3.2執(zhí)行器的選擇6.2.3.3調(diào)節(jié)器正反作用的選擇6.2簡(jiǎn)單控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)給定值被控量干擾f

控制器變送器執(zhí)行器被控對(duì)象+e實(shí)測(cè)值－6.2.3檢測(cè)環(huán)節(jié)、執(zhí)行器及調(diào)節(jié)器正負(fù)作用選擇6.2.3.1傳感器、變送器選擇1．按照生產(chǎn)過程的工藝要求，首先確定傳感器與變送器合適的測(cè)量范圍（量程）與精度等級(jí)。2．測(cè)量?jī)x表反應(yīng)慢，會(huì)造成測(cè)量失真。應(yīng)盡可能選擇時(shí)間常數(shù)小的傳感器、變送器,或引入微分環(huán)節(jié)。OtOtTmTmx(t)y(t)x(t)y(t)克服傳輸滯后的對(duì)策電氣轉(zhuǎn)換器電信號(hào)氣電轉(zhuǎn)換器引起原因傳遞滯后即信號(hào)傳輸滯后，主要是由于氣壓信號(hào)在管路傳送過程中引起的滯后(電信號(hào)的傳遞滯后可以忽略不計(jì))?，F(xiàn)場(chǎng)控制中心（檢測(cè)變送器、執(zhí)行器）（調(diào)節(jié)器、顯示器）3．合理選擇檢測(cè)點(diǎn)，避免測(cè)量造成對(duì)象純滯后τ0圖6.15pH值控制系統(tǒng)圖pHTLTLCpHC中和槽貯酸槽l04．測(cè)量信號(hào)的處理測(cè)量信號(hào)的校正與補(bǔ)償、測(cè)量噪聲的抑制、測(cè)量信號(hào)的線性化處理。

6.2.3.2執(zhí)行器的選擇1．調(diào)節(jié)閥工作區(qū)間的選擇正常工況下，調(diào)節(jié)閥的開度應(yīng)在15%～85%區(qū)間。據(jù)此原則計(jì)算、確定控制閥的口徑尺寸。2．調(diào)節(jié)閥的流量特性選擇按補(bǔ)償對(duì)象特性的原則選取。3．調(diào)節(jié)閥的氣開、氣關(guān)作用方式選擇按控制信號(hào)中斷時(shí)，保證生產(chǎn)設(shè)備安全的原則確定。6.2.3.3調(diào)節(jié)器正反作用的選擇負(fù)反饋控制系統(tǒng)的控制作用對(duì)被控變量的影響應(yīng)與干擾作用對(duì)被控變量的影響相反，才能使被控變量值回復(fù)到給定值。為了保證負(fù)反饋，必須正確選擇調(diào)節(jié)器的正反作用。給定值＋－測(cè)量變送器控制器執(zhí)行器對(duì)象操作量被控變量干擾為了說明選擇方法，先定義作用方向：當(dāng)某個(gè)環(huán)節(jié)的輸入增加時(shí)，其輸出也增加，稱該環(huán)節(jié)為“正作用”；反之，稱為“反作用”。按此定義：變送器都是正作用氣開閥是正作用，氣關(guān)閥是反作用被控對(duì)象有的正作用，有的反作用控制器作用方向以測(cè)量輸入與輸出的關(guān)系定義：正作用：測(cè)量值–給定值反作用：給定值–測(cè)量值

MPa0100%0.020.060.10A閥B閥MPa0100%0.020.060.10A閥B閥A、B均為正作用閥A、B均為反作用閥氣開閥是正作用，氣關(guān)閥是反作用控制系統(tǒng)中，各個(gè)環(huán)節(jié)的作用方向組合不當(dāng)?shù)脑?，?huì)使系統(tǒng)構(gòu)成正反饋，不但不能起控制作用，反而會(huì)破壞生產(chǎn)過程的穩(wěn)定。因?yàn)閳?zhí)行器和對(duì)象有正、反作用，為了保證控制系統(tǒng)負(fù)反饋，調(diào)節(jié)器必須有正、反作用之調(diào)整。偏差控制器執(zhí)行器對(duì)象變送器給定值被調(diào)參數(shù)干擾—測(cè)量值正作用反作用正作用正作用＋調(diào)節(jié)器正反作用的確定原則：保證系統(tǒng)構(gòu)成負(fù)反饋簡(jiǎn)單的判定方法：閉合回路中有奇數(shù)個(gè)反作用環(huán)節(jié)。偏差控制器執(zhí)行器對(duì)象變送器給定值被調(diào)參數(shù)干擾－測(cè)量值反作用正作用正作用正作用＋例1：加熱爐出口溫度控制系統(tǒng)負(fù)反饋驗(yàn)證：設(shè)某時(shí)刻燃料壓力↑→燃料流量↑→爐溫↑→出料溫度↑→TC輸入↑→TC輸出↓→閥關(guān)小→爐溫↓→出料溫度↓TTTC反正正正燃料出料例2：儲(chǔ)槽液位控制系統(tǒng)LTLCM正正正反出料負(fù)反饋驗(yàn)證：設(shè)某時(shí)刻進(jìn)料量↑→液位↑→LC輸入↑→LC輸出↑→閥開大→出料量↑→液位↓例題：下圖是鍋爐的液位的控制系統(tǒng)圖，試確定控制系統(tǒng)中各個(gè)環(huán)節(jié)的正、反作用方向以及控制閥的氣開、氣關(guān)形式。LC給水PC燃料燃燒室解：①單回路液位控制系統(tǒng)：對(duì)象：供水量增加時(shí)，液位升高，故是“+”方向執(zhí)行器：從鍋爐安全的角度來看，應(yīng)選“氣關(guān)閥”即“－”方向，以便當(dāng)信號(hào)中斷時(shí)，能繼續(xù)供水?？刂破鳎簯?yīng)為“+”方向控制器執(zhí)行器鍋爐汽包測(cè)量變送器LsLf(干擾變量）Lme=Lm

－Lsum正負(fù)正補(bǔ)充題：圖為一蒸汽加熱器，利用蒸汽將物料加熱到所需溫度后排出，試問：①影響物料出口溫度的主要因素有哪些？一般情況下，其中哪些為可控量，哪些為不可控量？②如果要設(shè)計(jì)一溫度控制系統(tǒng)，一般應(yīng)選擇什么量為被控變量和操縱變量？為什么？③如果物料溫度過高時(shí)會(huì)分解，試確定控制閥的氣開、氣關(guān)形式和控制器的正、反作用方向？

答：①影響物料出口溫度的主要因素有：加熱蒸汽的流量、壓力；被加熱物料的流量、入口溫度；傳熱情況等。一般情況下，可控量為加熱蒸汽流量，其它量為不可控量。②如果要設(shè)計(jì)一溫度控制系統(tǒng)，一般應(yīng)選擇加熱器內(nèi)的物料溫度或物料出口溫度為被控變量，這是工藝生產(chǎn)中的主要直接操作指標(biāo)。應(yīng)選擇加熱蒸汽量為操縱變量，因?yàn)樗强煽亓浚覍?duì)物料溫度的影響較顯著。（3）應(yīng)選氣開閥，反作用控制器。答：①影響物料出口溫度的主要因素有：加熱蒸汽的流量、壓力；被加熱物料的流量、入口溫度；傳熱情況等。一般情況下，可控量為加熱蒸汽流量，其它量為不可控量。②如果要設(shè)計(jì)一溫度控制系統(tǒng)，一般應(yīng)選擇加熱器內(nèi)的物料溫度或物料出口溫度為被控變量，這是工藝生產(chǎn)中的主要直接操作指標(biāo)。應(yīng)選擇加熱蒸汽量為操縱變量，因?yàn)樗强煽亓?，而且?duì)物料溫度的影響較顯著。（3）應(yīng)選氣開閥，反作用控制器。干擾作用

T給定值控制器執(zhí)行器蒸汽加熱器f溫度測(cè)量元件與變送器Tse=Tm－TsumTm偏差－控制信號(hào)操縱變量出口溫度正正反正課堂測(cè)驗(yàn)：

補(bǔ)充題4：有一冷卻器，以冷卻水作為冷劑，來冷卻物料溫度，現(xiàn)選擇冷卻水流量為操縱變量，物料出口溫度為被控變量。試確定在下述三種情況下的控制閥氣開、氣關(guān)型式和控制器的正反作用方向。①被冷卻物料溫度不能太高，否則對(duì)后續(xù)生產(chǎn)不利；②被冷卻物料溫度不能太低，否則易凝結(jié)；③冷卻器置于室外，而該地區(qū)冬季溫度最低達(dá)0℃以下。課堂測(cè)驗(yàn)：

補(bǔ)充題4：有一冷卻器，以冷卻水作為冷劑，來冷卻物料溫度，現(xiàn)選擇冷卻水流量為操縱變量，物料出口溫度為被控變量。試確定在下述三種情況下的控制閥氣開、氣關(guān)型式和控制器的正反作用方向。①被冷卻物料溫度不能太高，否則對(duì)后續(xù)生產(chǎn)不利；②被冷卻物料溫度不能太低，否則易凝結(jié)；③冷卻器置于室外，而該地區(qū)冬季溫度最低達(dá)0℃以下。答：①氣關(guān)型，反作用②氣開型，正作用③氣關(guān)型，反作用控制器執(zhí)行器冷卻器測(cè)量變送器LsLf(干擾變量）Lme=Lm

－Lsum負(fù)正？正6.3調(diào)節(jié)規(guī)律對(duì)控制品質(zhì)的影響與調(diào)節(jié)規(guī)律選擇

最簡(jiǎn)單的調(diào)節(jié)規(guī)律是位式調(diào)節(jié)規(guī)律。根據(jù)偏差e的正、負(fù)，調(diào)節(jié)器輸出只有兩個(gè)位置：0或100%。0e100%調(diào)節(jié)器輸出兩位式調(diào)節(jié)的特性位式調(diào)節(jié)下，被控參數(shù)不能穩(wěn)定在給定值上。要獲得平穩(wěn)的高精度的調(diào)節(jié)，必須采用連續(xù)調(diào)節(jié)規(guī)律。確定調(diào)節(jié)系統(tǒng)的方案時(shí)，要根據(jù)對(duì)象的特性和工藝要求，選擇合適的調(diào)節(jié)規(guī)律，使組成的調(diào)節(jié)系統(tǒng)滿足預(yù)期的品質(zhì)指標(biāo)。比例調(diào)節(jié)的特點(diǎn)：比例調(diào)節(jié)器對(duì)于偏差是即時(shí)反應(yīng)，偏差一旦產(chǎn)生，調(diào)節(jié)器立即產(chǎn)生控制作用使被控量朝著減小偏差的方向變化，控制作用的強(qiáng)弱取決于比例系數(shù)。只有當(dāng)偏差發(fā)生變化時(shí)，控制量才變化。是最基本，最主要，應(yīng)用最普遍的規(guī)律缺點(diǎn)：不能消除靜差；過大，會(huì)使動(dòng)態(tài)質(zhì)量變壞，引起被控量振蕩甚至導(dǎo)致閉環(huán)不穩(wěn)定。

適用場(chǎng)合:干擾少擾動(dòng)幅度小，負(fù)荷變化不大，滯后少，精度不高6.3調(diào)節(jié)規(guī)律對(duì)控制品質(zhì)的影響與調(diào)節(jié)規(guī)律選擇

積分控制作用是力圖消除余差。調(diào)節(jié)器的輸出與偏差存在的時(shí)間有關(guān)。只要偏差不為零，輸出就會(huì)隨時(shí)間不斷增加，并減小偏差，直至消除偏差，控制作用不再變化，系統(tǒng)才能達(dá)到穩(wěn)態(tài)。純積分控制的缺點(diǎn)是降低響應(yīng)速度。輸出變化總是滯后于偏差的變化，不能夠及時(shí)有效克服擾動(dòng)的影響，所以不能單獨(dú)使用特點(diǎn)1）可以消除余差；2）克服干擾不及時(shí)；3）穩(wěn)定性差。微分調(diào)節(jié)的特點(diǎn)：在偏差出現(xiàn)或變化的瞬間，產(chǎn)生一個(gè)正比于偏差變化率的控制作用，它總是反對(duì)偏差向任何方向的變化，偏差變化越快，反對(duì)作用越強(qiáng)。故微分作用的加入將有助于減小超調(diào)，克服振蕩，使系統(tǒng)趨于穩(wěn)定。它加快了系統(tǒng)的動(dòng)作速度，減小調(diào)整時(shí)間，從而改善了系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)性能。

缺點(diǎn)：太大，易引起系統(tǒng)不穩(wěn)定。

微分控制的優(yōu)點(diǎn)：能加快系統(tǒng)的控制速度。缺點(diǎn)：偏差存在但不變化時(shí)，無控制作用。將比例、積分、微分三種調(diào)節(jié)規(guī)律結(jié)合在一起，只要三項(xiàng)作用的強(qiáng)度配合適當(dāng)，既能快速調(diào)節(jié)，又能消除余差，可得到滿意的控制效果。u在PID調(diào)節(jié)中，比例作用是基礎(chǔ)；微分作用可以加快系統(tǒng)控制速度，減小超調(diào)；積分作用可以消除靜差。但不是任何對(duì)象都是用PID控制最好。對(duì)某一對(duì)象，用不同控制規(guī)律時(shí)階躍干擾過程比較被控變量t無控制作用PPDPIDPI6.3.1.4（PID）調(diào)節(jié)對(duì)系統(tǒng)控制品質(zhì)的影響上節(jié)教學(xué)內(nèi)容(16)給定值被控量干擾f

控制器變送器執(zhí)行器被控對(duì)象+e實(shí)測(cè)值－第6章簡(jiǎn)單控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與參數(shù)整定6.2簡(jiǎn)單控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)6.3調(diào)節(jié)規(guī)律對(duì)控制品質(zhì)的影響與調(diào)節(jié)規(guī)律選擇本節(jié)教學(xué)內(nèi)容(17)

給定值被控量干擾f

控制器變送器執(zhí)行器被控對(duì)象+e實(shí)測(cè)值－第6章簡(jiǎn)單控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與參數(shù)整定6.4調(diào)節(jié)器參數(shù)的工程整定方法6.5簡(jiǎn)單控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)實(shí)例第7章復(fù)雜控制系統(tǒng)6.3調(diào)節(jié)規(guī)律對(duì)控制品質(zhì)的影響與調(diào)節(jié)規(guī)律選擇6.3.2調(diào)節(jié)規(guī)律的選擇1、比例控制（P）適用于控制通道滯后較小、負(fù)荷變化不大、工藝上沒有提出無差要求的系統(tǒng)，2、比例積分控制（PI）適用于控制通道滯后較小、負(fù)荷變化不大、工藝參數(shù)不允許有余差的系統(tǒng)。3、比例微分控制（PD）適用于控制通道滯后較大的系統(tǒng)。例如加熱較慢的溫度控制系統(tǒng)。4、比例積分微分控制（PID）適用于容量滯后較大、負(fù)荷變化大、控制質(zhì)量要求較高的系統(tǒng)，應(yīng)用最普遍的是溫度控制系統(tǒng)與成分控制系統(tǒng)。

TTTC也可根據(jù)τ0/T0來選擇調(diào)節(jié)器的調(diào)節(jié)規(guī)律：

τ0/T0＜0.2，用P或PI0.2＜τ0/T0＜0.1，用PD或PID

τ0/T0＞0.1，用簡(jiǎn)單控制系統(tǒng)效果不好。調(diào)節(jié)規(guī)律優(yōu)點(diǎn)缺點(diǎn)應(yīng)用P靈敏、簡(jiǎn)單，只有一個(gè)整定參數(shù)；存在靜差負(fù)荷變化不顯著，工藝指標(biāo)要求不高的對(duì)象。PI能消除靜差，又控制靈敏對(duì)于滯后較大的對(duì)象，比例積分調(diào)節(jié)太慢，效果不好。應(yīng)用于調(diào)節(jié)通道容量滯后較小、負(fù)荷變化不大、精度要求高的調(diào)節(jié)系統(tǒng)。例如，流量調(diào)節(jié)系統(tǒng)。PD增進(jìn)調(diào)節(jié)系統(tǒng)的穩(wěn)定度，可調(diào)小比例度，而加快調(diào)節(jié)過程，減小動(dòng)態(tài)偏差和靜差系統(tǒng)對(duì)高頻干擾特別敏感，系統(tǒng)輸出易夾雜高頻干擾。應(yīng)用于調(diào)節(jié)通道容量滯后較大，但調(diào)節(jié)精度要求不高的對(duì)象。PID綜合了各類調(diào)節(jié)作用的優(yōu)點(diǎn)，所以有更高的調(diào)節(jié)質(zhì)量。對(duì)于滯后很大，負(fù)荷變化很大的對(duì)象，PID調(diào)節(jié)也無法滿足要求，應(yīng)設(shè)計(jì)復(fù)雜調(diào)節(jié)系統(tǒng)應(yīng)用于調(diào)節(jié)通道容量滯后較大、負(fù)荷變化較大、精度要求高的對(duì)象。6.4調(diào)節(jié)器參數(shù)的工程整定方法在控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)或安裝完畢后，被控對(duì)象、測(cè)量變送器和執(zhí)行器這三部分的特性就完全確定了，不能任意改變。只能通過控制器參數(shù)的工程整定，來調(diào)整控制系統(tǒng)的穩(wěn)定性和控制質(zhì)量?？刂破鲄?shù)的整定，就是按照已定的控制方案，求取使控制質(zhì)量最好的控制器參數(shù)值。具體來說，就是確定最合適的控制器比例度P、積分時(shí)間TI，和微分時(shí)間TD。給定值＋－測(cè)量變送器控制器執(zhí)行器對(duì)象操作量被控變量干擾控制器參數(shù)整定的方法很多，主要有兩大類，一類是理論計(jì)算的方法，另一類是工程整定法。理論計(jì)算的方法是根據(jù)已知的各環(huán)節(jié)特性及控制質(zhì)量的要求，通過理論計(jì)算出控制器的最佳參數(shù)。這種方法由于比較繁瑣、工作量大，計(jì)算結(jié)果有時(shí)與實(shí)際情況不甚符合，故在工程實(shí)踐中長(zhǎng)期沒有得到推廣和應(yīng)用。工程整定法是在已經(jīng)投運(yùn)的實(shí)際控制系統(tǒng)中，通過試驗(yàn)或探索，來確定控制器的最佳參數(shù)。這種方法是工藝技術(shù)人員在現(xiàn)場(chǎng)經(jīng)常使用的。6.4調(diào)節(jié)器參數(shù)的工程整定方法

6.4.1穩(wěn)定邊界法（臨界比例度法）6.4.2衰減曲線法6.4.3響應(yīng)曲線法6.4.4經(jīng)驗(yàn)法

6.4.1穩(wěn)定邊界法（臨界比例度法）

屬于閉環(huán)整定方法，根據(jù)純比例控制系統(tǒng)臨界振蕩試驗(yàn)所得數(shù)據(jù)（臨界比例度Pm和振蕩周期Tm），按經(jīng)驗(yàn)公式求出調(diào)節(jié)器的整定參數(shù)。（1）置調(diào)節(jié)器Ti，Td=0，比例度P較大值，將系統(tǒng)投入運(yùn)行。（2）逐漸減小P，加干擾觀察，直到出現(xiàn)等幅減振蕩為止。記錄此時(shí)的臨界值Pm和Tm。y(t)Tm

系統(tǒng)臨界振蕩曲線t根據(jù)Pm和Tm，按經(jīng)驗(yàn)公式計(jì)算出控制器的參數(shù)整定值。

整定參數(shù)調(diào)節(jié)規(guī)律P（%）Ti

Td

P 2Pm ————PI 2.2Pm0.85Tm——PID1.7Pm 0.50Tm0.125Tm表6.1

穩(wěn)定邊界法整定參數(shù)計(jì)算表穩(wěn)定邊界方法在下面兩種情況下不宜采用：

臨界比例度過小時(shí)，調(diào)節(jié)閥容易游移于全開或全關(guān)位置，對(duì)生產(chǎn)工藝不利或不容許。例如，一個(gè)用燃料油加熱的爐子，如果閥門發(fā)生全關(guān)狀態(tài)就要熄火。

工藝上的約束條件嚴(yán)格時(shí)，等幅振蕩將影響生產(chǎn)的安全。

方法：（1）把調(diào)節(jié)器設(shè)成比例作用（Ti=∞，Td=0），置于較大比例度，投入自動(dòng)運(yùn)行。（2）在穩(wěn)定狀態(tài)下，階躍改變給定值（通常以5%左右為宜），觀察調(diào)節(jié)過程曲線。（3）適當(dāng)改變比例度，重復(fù)上述實(shí)驗(yàn)，到出現(xiàn)滿意的衰減曲線為止。記下此時(shí)的比例度Ps及周期Ts。n=10:1時(shí)，記P’s及TsTsTr6.4.2衰減曲線法也屬于閉環(huán)整定方法，但不需要尋找等幅振蕩狀態(tài)，只需尋找最佳衰減振蕩狀態(tài)即可。（4）按表6-2（n=4:1）或按表6-3（n=10:1）求得各種調(diào)節(jié)規(guī)律時(shí)的整定參數(shù)。表6.2衰減比為4:1時(shí)，整定參數(shù)計(jì)算表表6.3衰減比為10:1時(shí)，整定參數(shù)計(jì)算表0.1Ts0.3Ts0.8PsPID

——0.5Ts1.2PsPI————PsPTdTiP（%）整定參數(shù)調(diào)節(jié)規(guī)律0.4Ts1.2Tr0.8P'sPID

——2Tr1.2P'sPI————P'sPTdTiP（%）整定參數(shù)調(diào)節(jié)規(guī)律6.4.3響應(yīng)曲線法屬于開環(huán)整定方法。以被控對(duì)象控制通道的階躍響應(yīng)為依據(jù)，通過經(jīng)驗(yàn)公式求取調(diào)節(jié)器的最佳參數(shù)整定值。方法：不加控制作用，作控制通道特性曲線。給定值＋－測(cè)量變送器控制器執(zhí)行器對(duì)象被控變量根據(jù)實(shí)驗(yàn)所得響應(yīng)曲線，找出廣義對(duì)象的特性參數(shù)K0、T0、τ0，用表6-4的經(jīng)驗(yàn)公式求整定參數(shù)。T0τ0此方法在不加控制作用的狀態(tài)下進(jìn)行，對(duì)于不允許工藝失控的生產(chǎn)過程，不能使用。表6.4響應(yīng)曲線法整定參數(shù)的公式0.5τ02τ0PID——3.3τ0PI————PTdTiP（%）整定參數(shù)調(diào)節(jié)規(guī)律6.4.4經(jīng)驗(yàn)法憑經(jīng)驗(yàn)湊試。其關(guān)鍵是“看曲線，調(diào)參數(shù)”。在閉環(huán)的控制系統(tǒng)中，憑經(jīng)驗(yàn)先將控制器參數(shù)放在一個(gè)數(shù)值上，通過改變給定值施加干擾，在記錄儀上觀察過渡過程曲線，根據(jù)P、TI

、TD對(duì)過渡過程的影響為指導(dǎo)，對(duì)比例度P

、積分時(shí)間TI和微分時(shí)間TD逐個(gè)整定，直到獲得滿意的曲線為止。經(jīng)驗(yàn)法的方法簡(jiǎn)單，但必須清楚控制器參數(shù)變化對(duì)過渡過程曲線的影響關(guān)系。在缺乏實(shí)際經(jīng)驗(yàn)或過渡過程本身較慢時(shí)，往往較為費(fèi)時(shí)。控制器參數(shù)對(duì)控制過程的影響：比例度逐漸減小→積分時(shí)間逐漸減小→微分時(shí)間逐漸增大→

針對(duì)被控變量類型的不同，選擇不同的PID參數(shù)初始值，投運(yùn)后再作調(diào)整。經(jīng)驗(yàn)法屬最為“粗糙”的整定法。例▲如何根據(jù)過渡曲線，憑經(jīng)驗(yàn)調(diào)節(jié)參數(shù)？

①比例度過小、積分時(shí)間過小、微分時(shí)間過大都會(huì)引起過渡曲線劇烈振蕩，如何判斷？

積分時(shí)間過小，振蕩周期長(zhǎng)比例度過小，振蕩周期較短微分時(shí)間過大，振蕩周期最短根據(jù)過渡曲線振蕩的周期不一樣進(jìn)行判斷yt②比例度過大、積分時(shí)間過大都會(huì)使過渡過程變化緩慢，如何判斷？比例度過大，曲線波動(dòng)較劇烈、不規(guī)則較大地偏離給定值積分時(shí)間過大，經(jīng)過非周期振蕩慢慢回到給定值ty例3試分辨（a）、（b）兩過渡曲線哪一個(gè)的比例度大、那一個(gè)的比例度?。縴tyt（a）（b）分析：（a）振蕩劇烈、頻率高、衰減比小、系統(tǒng)穩(wěn)定性差，說明其比例度小，因?yàn)楸壤刃?，控制作用?qiáng)，在同樣的偏差情況下，容易產(chǎn)生超調(diào)，使系統(tǒng)的穩(wěn)定性下降。

（b）曲線的余差大，說明其比例度大。原因是比例度大，當(dāng)負(fù)荷變化后，要產(chǎn)生同樣的控制作用，所需的偏差要大，所以比例度越大，所產(chǎn)生的余差也越大。6.4.5幾種整定方法的比較整定方法優(yōu)點(diǎn)缺點(diǎn)反應(yīng)曲線法方法簡(jiǎn)單系統(tǒng)開環(huán)，被調(diào)量變化較大，影響生產(chǎn)穩(wěn)定邊界法系統(tǒng)閉環(huán)會(huì)出現(xiàn)被調(diào)量等幅振蕩衰減曲線法系統(tǒng)閉環(huán)，安全實(shí)驗(yàn)費(fèi)時(shí)經(jīng)驗(yàn)法系統(tǒng)閉環(huán)，不需計(jì)算需要經(jīng)驗(yàn)注意：同一個(gè)系統(tǒng)，最佳整定參數(shù)可能不是唯一的。不同的PID參數(shù)組合，有時(shí)會(huì)得到極為相近的控制結(jié)果。例如某初餾塔塔頂溫度控制系統(tǒng)，控制器采用以下兩組參數(shù)時(shí)：

P

＝15％TI

＝7.5min

P＝35％TI＝3min系統(tǒng)都得到10:1的衰減曲線，超調(diào)量和過渡時(shí)間基本相同。

小結(jié)對(duì)調(diào)節(jié)器參數(shù)的整定是在某一工作狀態(tài)下進(jìn)行的，即在一定的工藝操作條件和一定的負(fù)荷下進(jìn)行的。那么一組調(diào)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(dāng)工藝操作條件或負(fù)荷發(fā)生較大變化時(shí)，調(diào)節(jié)器參數(shù)往往需要重新整定。6.5簡(jiǎn)單控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)實(shí)例

如圖是奶粉生產(chǎn)工藝中的噴霧式干燥設(shè)備。此工藝要求保證奶粉含水量在2%~2.5%。6.5.1生產(chǎn)過程概述已濃縮的奶液從儲(chǔ)槽流下，經(jīng)過濾后從干燥器頂部噴出。干燥空氣被加熱后經(jīng)風(fēng)管吹入干燥器。滴狀奶液在熱風(fēng)中干燥成奶粉，并被氣流帶出干燥器。6.5.2控制方案設(shè)計(jì)6.5.2.1被控參數(shù)選擇按工藝要求應(yīng)首選奶粉含水量為被控變量，但此類在線測(cè)量?jī)x表精度低、速度慢。試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，奶粉含水量與干燥器出口溫度之間存在單值關(guān)系。出口溫度穩(wěn)定在150±2℃，則奶粉含水量符合2%~2.5%。因此選干燥器出口流體溫度為被控變量。6.5.2.2控制變量選擇影響干燥器出口奶粉流體溫度的主要可控因素有：乳液流量變化f1

旁路空氣流量變化f2

加熱蒸汽流量變化f3

若分別以這三個(gè)變量為控制變量，可以得到三個(gè)不同的控制方案。

f2

f1

f3

影響量作用的位置不同：f3蒸氣流量f2旁路冷風(fēng)流量f1乳液流量熱交換器T=100,T=100送風(fēng)管道

τ=3干燥器

Go

f2

f1

f3

乳液流量變化f1的作用通