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1、过程控制系统,第八讲,第4章 简单控制系统,4.1 控制系统的组成4.2 简单控制系统的设计,4.3 简单控制系统的参数整定4.4 控制系统的投运,4.5 简单控制系统设计案例,4.3 简单控制系统的参数整定,4.3.1 控制器的参数整定若干原则所谓参数整定，就是对于一个已经设计并安装就绪的控制系统，选择合适的控制器参数（ ， ， ），来改善系统的静态和动态特性，使系统的过渡过程达到最为满意的质量指标要求。,过程控制系统,第八讲,4.3 简单控制系统的参数整定,过程控制系统,第八讲,简单控制系统是由对象和调节器构成的，其控制质量的决定性因素是被控对象的动态特性，与此相比其它都是次要的。,当系统
2、安装好以后，系统能否在最佳状态下工作，主要取决于调节器各参数的设置是否得当。,过程控制系统,第八讲,注意：控制系统的整定是一个很重要的工作，但它只能在一定范围内起作用，决不能误认为调节器参数的整定是“万能”的。,比如：如果设计方案不合理、仪表选择不当、安装质量不高、被控对象特性不好，要想通过调节器参数的整定来满足工艺生产要求也是不可能的。,所以：只有在系统设计合理、仪表选择得当和安装正确条件下，调节器参数整定才有意义。,4.3.2 控制器参数的工程整定法对于工程整定法，工程技术人员无需确切知道对象的数学模型，无需具备理论计算所必需的控制理论知识，就可以在控制系统中直接进行整定，因而简单、实用，
3、在实际工程中被广泛使用。,过程控制系统,第八讲,4.3 简单控制系统的参数整定,在工程实际中，常采用工程整定法，它们是在理论基础上通过实践总结出来的。,4.3.2 控制器参数的工程整定法工程实际法通过并不复杂的实验，便能迅速获得调节器的近似最佳整定参数，因而在工程中得到广泛应用。几种常用的工程整定法：经验整定法 临界比例度法 衰减曲线法 反应曲线法,过程控制系统,第八讲,4.3 简单控制系统的参数整定,经验整定法,根据运行经验，先确定一组控制器参数（如表4-3中所示），并将系统投入运行，通过观察人为加入干扰（改变设定值）后的过渡过程曲线，根据各种控制作用对过渡过程的不同影响来改变相应的控制参数
4、值，进行反复凑试，直到获得满意的控制质量为止。,过程控制系统,第八讲,4.3 简单控制系统的参数整定,经验整定法（1）,先用单纯的比例（P）作用，即寻找合适的比例度，将人为加入干扰后的过渡过程调整为的衰减振荡过程。然后再加入积分（I）作用，一般先取积分时间为衰减振荡周期的一半左右。由于积分作用将使振荡加剧，在加入积分作用之前，要先减弱比例作用，通常把比例度增大。调整积分时间的大小，直到出现的衰减振荡。需要时，最后加入微分（D）作用，即从零开始，逐渐加大微分时间。由于微分作用能抑制振荡，在加入微分作用之前，可把比例度调整到比纯比例作用时更小些，还可把积分时间也缩短一些。通过微分时间的凑试，使过渡
5、时间最短，超调量最小。,过程控制系统,第八讲,经验整定法（2）,先根据表4-3选取积分时间和微分时间，通常取，然后对比例度进行反复凑试，直至得到满意的结果。如果开始时和设置得不合适，则有可能得不到要求的理想曲线。这时应适当调整和，再重新凑试，使曲线最终符合控制要求。经验整定法适用于各种控制系统，特别适用对象干扰频繁、过渡过程曲线不规则的控制系统。但是，使用此法主要靠经验，对于缺乏经验的操作人员来说，整定所花费的时间较多。,过程控制系统,第八讲, 临界比例度法,所谓临界比例度法，是在系统闭环的情况下，用纯比例控制的方法获得临界振荡数据，即临界比例度和临界振荡周期，然后利用一些经验公式，求取满足衰
6、减振荡过渡过程的控制器参数。其整定计算公式如表4-4所示。,过程控制系统,第八讲,过程控制系统,第八讲,这是一种闭环的整定方法。,它基于纯比例控制系统临界振荡试验所得数据，即临界比例带cr和临界振荡周期Tcr，利用一些经验公式，求取调节器最佳参数值。, 临界比例度法,临界比例度法整定步骤, 将控制器的积分时间放在最大值（ ），微分时间放在最小值（ ），比例度 放在较大值后，让系统投入运行。 逐渐减小比例度，且每改变一次 ，都通过改变设定值给系统施加一个阶跃干扰，同时观察系统的输出，直到过渡过程出现等幅振荡为止，如图4-9所示。此时的过渡过程称为临界振荡过程。,过程控制系统,第八讲,临界比例度法
7、整定步骤, 按表4-4中的相应公式，求出控制器的各整定参数。 将控制器的比例度换成整定后的值，然后依次放上积分时间和微分时间的整定值。如果加入干扰后，过渡过程与衰减还有一定差距，可适当调整值，直到过渡过程满足要求。,过程控制系统,第八讲,表4-4 临界比例度法控制器参数计算表（衰减比）,过程控制系统,第八讲, 临界比例度法,临界比例度法应用时简单方便，但必须注意的是： 此方法在整定过程中必定出现等幅振荡，从而限制了此法的使用场合。对于工艺上不允许出现等幅振荡的系统，如锅炉水位控制系统就无法使用该方法；对于某些时间常数较大的单容量对象，如液位对象或压力对象，在纯比例作用下是不会出现等幅振荡的，因
8、此不能获得临界振荡的数据，从而也无法使用该方法。 使用该方法时，控制系统必需工作在线性区，否则得到的持续振荡曲线可能是极限环，不能依据此时的数据来计算整定参数。,过程控制系统,第八讲,过程控制系统,第八讲,应当指出：由于被控对象特性的不同，按上述经验公式求得的调节器参数不一定都能获得满意的结果。,实践证明：对于无自平衡特性的对象，用稳定边界法求得的调节器参数往往使系统响应的衰减率偏大(0.75);,过程控制系统,第八讲,实践证明：对于有自平衡特性的高阶等容对象，用稳定边界法求得的调节器参数往往使系统响应的衰减率大多偏小(0.75);,所以：上述求得的调节器参数，需要针对具体系统在实际运行过程中
9、作在线校正。,过程控制系统,第八讲,稳定边界法的适用范围：,适用于许多过程控制系统；,对于锅炉水位控制那样的不允许进行稳定边界试验的系统，或者某些时间常数较大的单容对象，采用纯比例控制时系统本质稳定。对于这些系统是无法用稳定边界法进行参数整定的。,过程控制系统,第八讲, 衰减曲线法,与稳定边界法类似，不同的只是本法采用某衰减比(通常为4：1或10：1）时设定值扰动的衰减振荡试验数据，然后利用一些经验公式，求取调节器相应的整定参数。, 衰减曲线法,在闭环系统中，先将积分时间置于最大值，微分时间置于最小值，比例时间置于较大值，然后让设定值的变化作为干扰输入，逐渐减小比例度值，观察系统的输出响应曲线
10、。按照过渡过程的衰减情况改变比例度值，直到系统出现的衰减振荡，如图4-10所示。记下此时的比例度和衰减振荡周期，然后根据表4-5中相应的经验公式，求出控制器的整定参数。,过程控制系统,第八讲, 衰减曲线法,衰减曲线法对大多数系统均可适用，且由于试验过渡过程振荡的时间较短，又都是衰减振荡，易为工艺人员所接受。故这种整定方法应用较为广泛。,过程控制系统,第八讲,表4-5 衰减曲线法控制器参数计算表（衰减比）,过程控制系统,第八讲, 衰减曲线法,过程控制系统,第八讲,注意：对于扰动频繁，过程进行较快的控制系统，要准确地确定系统响应的衰减程度比较困难，往往只能根据调节器输出摆动次数加以判断。,事实上，
11、对于4：1衰减过程，调节器输出应来回摆动两次后稳定。摆动一次所需时间即为Ts。,结论：这样测得的Ts和s值，会给调节器参数整定带来误差。,过程控制系统,第八讲,衰减曲线法也可以根据实际需要，在衰减比为n=10：1的情况下进行：,注意：此时要以下图的上升时间Tr为准，按表给出的公式计算。,过程控制系统,第八讲,结论：以上的几种系统参数工程整定法有各自的优缺点和适用范围，要善于针对具体系统的特点和生产要求，选择适当的整定方法。,注意：不管用哪种方法，所得调节器整定参数都需要通过现场试验，反复调整，直到取得满意的效果为止。,过程控制系统,第八讲, 反应曲线法,过程控制系统,第八讲,这是一种以被控对象
12、控制通道的阶跃响应为依据，通过一些经验公式求取调节器最佳参数整定值的开环整定方法。,这种方法是由齐格勒（Ziegler）和尼克尔斯（Nichols）于1942年首先提出的。, 反应曲线法,过程控制系统,第八讲,用下列公式计算调节器参数整定值的前提是：广义对象的阶跃响应曲线可用一阶惯性环节加纯迟延来近似，即 ，否则由公式计算得的整定参数只能做初步估计值。, 反应曲线法,过程控制系统,第八讲,计算调节器整定参数的公式如下表：,后来经过不少改进，总结出相应的计算调节器最佳参数整定公式。, 反应曲线法,过程控制系统,第八讲,这些公式均以衰减率（=0.75）为系统的性能指标，其中广为流行的是科恩(Coh
13、en)-库恩(Coon)整定公式：,其中：K、T、为对象动态特性参数,(1)比例调节器,(2)比例积分调节器, 反应曲线法,过程控制系统,第八讲,(3)比例积分微分调节器,其中：K、T、为对象动态特性参数, 反应曲线法,过程控制系统,第八讲,随着仿真技术的发展，又提出了以各种误差积分值为系统性能指标的调节器最佳参数整定公式，如下表所示：,第八讲,定值系统时公式中的常数按下表计算：,过程控制系统,第八讲,4.4 控制系统的投运,4.4.1.投运前的准备工作熟悉工艺生产过程 熟悉控制系统的控制方案 熟悉各种控制装置 综合检查 现场校验,过程控制系统,第八讲,4.4.2 投运过程, 根据经验或估算，
14、设置控制器参数； 确认控制阀的气开、气关作用后确认控制器的正、反作用； 现场的人工操作；手动遥控； 投入自动 。,过程控制系统,第八讲,4.5 简单控制系统设计案例,以喷雾式干燥设备控制系统设计作为案例介绍。工艺要求将浓缩的乳液用热空气干燥成奶粉。乳液从高位槽流下，经过滤器进入干燥器从喷嘴喷出。空气由鼓风机送到热交换器，通过蒸汽加热。热空气与鼓风机直接送来的空气混合以后，经风管进入干燥器，乳液中的水分被蒸发，成为奶粉，并随湿空气一起送出。干燥后的奶粉含水量不能波动太大，否则将影响奶粉质量。,过程控制系统,第八讲,过程控制系统,第八讲, 确定被控变量 从工艺概况可知需要控制奶粉含水量。由于测水分
15、的仪表精度不太高，因此不能直接选奶粉含水量作为被控变量。实际上，奶粉含水量与干燥温度密切相关，只要控制住干燥温度就能控制住奶粉含水量。所以选干燥温度作为被控变量。,过程控制系统,第八讲, 确定操纵变量影响干燥器温度的因素有乳液流量、旁路空气流量和加热蒸汽量。粗略一看，选其中任一变量作为操纵变量，都能构成温度控制系统。方案一：如果乳液流量作为操纵变量，则滞后最小，对干燥温度控制作用明显。但是乳液流量是生产负荷，如果选它作为操纵变量，就不可能保证其在最大值上工作，限制了该装置的生产能力。这种方案是为保证质量而牺牲产量，工艺上是不合理的。因此不能选乳液流量作为操纵变量，该方案不能成立。,过程控制系统
16、,第八讲,方案二：如果选择蒸汽流量作为操纵变量，由于换热过程本身是一个多容过程，因此从改变蒸汽量，到改变热空气温度，再来控制干燥温度，这一过程时滞太大，控制效果差。方案三：如果选择旁路空气流量作为操纵变量，旁路空气量与热风量的混合后经风管进入干燥器，其控制通道的时滞虽比方案一大，但比方案二小。综合比较之后，确定将旁路控制流量作为操纵变量较为理想。,过程控制系统,第八讲,根据生产工艺和用户要求，选用电动单元组合仪表。 由于被控温度在600以下，选用热电阻作为测温元件，配用温度变送器。 根据过程特性和控制要求，选用对数流量特性的控制阀。根据生产工艺安全原则和被控介质特点，控制阀应为气关型。 为减小滞后，控制器选用PID控制。控制器正反作用选择时，可假设干燥温度偏高（即乳液中水分减少），则要求减少空气流量，由于控制阀是气关型，因此要求控制器输出增加。这样控制器应选择正作用。,
