《过程控制6王再英课件》由会员分享，可在线阅读，更多相关《过程控制6王再英课件（78页珍藏版）》请在金锄头文库上搜索。
1、过程控制系统与仪表过程控制系统与仪表 第第6章章简单控制系简单控制系统的结构统的结构 四个环节组成四个环节组成被控变量的选择被控变量的选择控制变量的选择控制变量的选择控制参数的整定控制参数的整定简单控制系简单控制系统的设计统的设计 闭环负反馈闭环负反馈控制规律的选择控制规律的选择第第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过程控制系统与仪表过程控制系统与仪表 第第6章章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指指由由一一个个测测量量变变送送器器、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。
2、 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 TT仪表符号标准仪表符号标准过程控制系统与仪表过程控制系统与仪表 第第6章章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作量操作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控制系统工艺流程图控制系统工艺流程图过程控制系统与仪表过程控制系统与
3、仪表 第第6章章6.2简单控制系统设计简单控制系统设计1. 1. 过程控制系统方案设计的基本要求过程控制系统方案设计的基本要求( (了解）了解）安全性、稳定性和经济性三个方面。安全性、稳定性和经济性三个方面。 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 （了解）（了解） 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、调节器参数整定等四个主要内容。仪表调校、调节器参数整定等四个主要内容。过程控制系统与仪表过程控制系统与仪表 第第6章章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6.2.2
4、.1被控参数（变量）的选择被控参数（变量）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持恒恒定定值值（或或按按一一定规律变化）的变量。定规律变化）的变量。被控变量的选择依据：被控变量的选择依据：1 1、根据生产工艺的要求，找出影响生产的关键变量作为被控变量、根据生产工艺的要求，找出影响生产的关键变量作为被控变量 LC TTh例例1 储储槽槽液液位位控控制系统制系统工工艺艺要要求求储储槽槽液液位位稳稳定定。那那么么设设计计的的控控制制系系统统就就应应以以储储槽槽液液位位为被控变量。为被控变量。过程控制系统与仪表过程控制系统与仪表 第第6章章2、当当不不能能用用
5、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接工艺参数有单值函数关系的间接工艺参数作为被控变量。直接工艺参数有单值函数关系的间接工艺参数作为被控变量。例例 化工的精馏物纯度控制系统化工的精馏物纯度控制系统苯苯甲苯甲苯苯苯甲苯甲苯 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作为为被被控控变变量量。难难在在线线检检测测，则则不不能能直直接接作作为为被被控控变变量。量。间接参数塔内压力和塔内温度都间接
6、参数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。选哪一个选哪一个作为被控变量？作为被控变量？过程控制系统与仪表过程控制系统与仪表 第第6章章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。（塔塔底底馏馏出出物物甲甲苯苯也也一一样样）从从工工艺艺合合理理性性考虑，选择温度作为被控变量。考虑，选择温度作为被控变量。 过程控制系统与仪表过程控制系统与仪表 第第6章章3 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4、选择被控变量时，必须考虑工艺合理性、选择被控
7、变量时，必须考虑工艺合理性过程控制系统与仪表过程控制系统与仪表 第第6章章6.2.2.2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、电电压等作为操纵变量的。压等作为操纵变量的。 LC TTh控制变量的确定控制变量的确定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变量量影影响响显显著著且且便便于控制的变量，作为控制变量；于控制的变量，作为控制变量；q其它未
8、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。被控被控变量变量影响影响变量变量被控被控变量变量干扰干扰变量变量控制变量控制变量干扰通道干扰通道控制通道控制通道过程控制系统与仪表过程控制系统与仪表 第第6章章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单回路控制系统的等效框图。单回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
9、通道的传递函数。 Gc(s) Gf(s) Go(s)X(s)Y(s)干干扰扰F(s) 控制变量控制变量过程控制系统与仪表过程控制系统与仪表 第第6章章 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： Gc(s) Gf(s) Go(s)X(s)Y(s)F(s) 过程控制系统与仪表过程控制系统与仪表 第第6章章代入系统偏差公式中：代入系统偏差公式中：将将将将Gc(s)、 Go(s)， Gf(s)代入得：代入得：过程控制系统与仪表过程控制系统与仪表 第第6章章分析给定值分析给定值x(t)和干扰和干扰f(t)对系统稳态偏差得影响。对系统稳态
10、偏差得影响。（1）当）当f(t)0， x(t)作单位阶跃变化时：作单位阶跃变化时：（2）当）当x(t)0， f(t)作单位阶跃变化时：作单位阶跃变化时：过程控制系统与仪表过程控制系统与仪表 第第6章章过程（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vK0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；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。选选择择控控制制变变量量时时，应应使使控控制制通通道道得得静静态态放放大大系系数数Ko越越大越好；使干扰通道得静态放大系数大越好；使干扰通道得静态放大系数Kf越小越好。越小越好。过
11、程控制系统与仪表过程控制系统与仪表 第第6章章2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v干干扰扰通通道道的的容容积积或或惯惯性性环环节节越越多多，Tf 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，干干扰扰引引起起的的最最大大动动态态偏偏差差越越小小，系系统统的控制品质越好。的控制品质越好。1）干扰通道时间常数）干扰通道时间常数Tf对控制质量得影响对控制质量得影响 Gc(s) Gf(s) Go(s)X(s)Y(s)F(s) 过程控制系统与仪表过程控制系统与仪表 第第6章章
12、2)干扰通道纯滞后干扰通道纯滞后f对对控制质量的影响？控制质量的影响？结论：干扰通道纯滞后结论：干扰通道纯滞后f不影响控制质量不影响控制质量.过程控制系统与仪表过程控制系统与仪表 第第6章章例例：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系统。试分析：入系统。试分析： f1、f2、f3对被控变量的影响越慢。对被控变量的影响越慢。3)扰动进入控制通道的位置对控制品质的影响扰动进入控制通道的位置对控制品质的影响单独单独f3对对y的影响的影响单独单独f2对对y的影响的影响单独单独f1对对y的影响的影响过程控制系统与仪表过程控制系统与仪表 第第6章章结论：扰动
13、进入系统的位置离被控参数检测点越远，干扰通结论：扰动进入系统的位置离被控参数检测点越远，干扰通道的容量滞后有所增加，系统动态偏差越小，干扰对被控参道的容量滞后有所增加，系统动态偏差越小，干扰对被控参数影响越小。数影响越小。 y(t)tyk(t)yy(t)yk(t)yty(t)yk(t)ty过程控制系统与仪表过程控制系统与仪表 第第6章章 （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即控制通道时间常数，滞后时间对控制质量的影响即控制通道时间常数，滞后时间对控制质量的影响tv控制通道控制通道G0的时间常数的时间常数T0增增大，使控制速度变慢，最大偏差增大，使控制速度变慢
14、，最大偏差增大，系统过渡过程时间长大，系统过渡过程时间长1）控制通道时间常数对控制质量的影响）控制通道时间常数对控制质量的影响 Gc(s) Gf(s) Go(s)X(s)Y(s)F(s) 过程控制系统与仪表过程控制系统与仪表 第第6章章v控制通道的纯滞后控制通道的纯滞后 ，使控制作用滞后，使控制作用滞后0到达，造成控制偏到达，造成控制偏差增大，系统稳定性下降。控制通道的容量滞后也会造成控制质差增大，系统稳定性下降。控制通道的容量滞后也会造成控制质量下降，影响比纯滞后缓和。量下降，影响比纯滞后缓和。2)控制通道的纯滞后对控制质量的影响控制通道的纯滞后对控制质量的影响 Gc(s) Gf(s) Go
15、(s)X(s)Y(s)F(s) y0(t)tyyk(t)y1(t)过程控制系统与仪表过程控制系统与仪表 第第6章章控制变量的选择原则：控制变量的选择原则： 1.控制变量必须是工艺上可调节的。控制变量必须是工艺上可调节的。 2.控制变量一般应比其他干扰量对被控参数的影响灵敏。应使控制控制变量一般应比其他干扰量对被控参数的影响灵敏。应使控制通道放大系数大、时间常数小、纯滞后越小越好。通道放大系数大、时间常数小、纯滞后越小越好。 3.为使干扰对被控参数影响小。应使干扰通道放大系数小，时间常为使干扰对被控参数影响小。应使干扰通道放大系数小，时间常数尽可能大。扰动进入控制通道的未知要远离被控参数，尽可能
16、靠近控数尽可能大。扰动进入控制通道的未知要远离被控参数，尽可能靠近控制阀。制阀。 4.控制通道存在多个时间常数时，应尽可能使时间常数错开，使其中控制通道存在多个时间常数时，应尽可能使时间常数错开，使其中一个时间常数比其他时间常数大很多，同时注意减小其他时间常数。一个时间常数比其他时间常数大很多，同时注意减小其他时间常数。 5.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。过程控制系统与仪表过程控制系统与仪表 第第6章章例：液位控制系统控制变量的选择。例：液位控制系统控制变量的选择。影响储槽液位的主要因素有：液体流入量和液体流出量。影响储槽液位的主要因素有：液体流入量和液体
17、流出量。这两个变量影响力相当，若由工艺决定液体流出量可控。这两个变量影响力相当，若由工艺决定液体流出量可控。则选液体流出量作为控制变量。则选液体流出量作为控制变量。 LC LThQiQo过程控制系统与仪表过程控制系统与仪表 第第6章章例例.热交换器出口温度控制变量的选择。热交换器出口温度控制变量的选择。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温度度、载载热热介介质流量、冷物料温度、冷物料流量等质流量、冷物料温度、冷物料流量等。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介质流量作为控制变量。质流量作为控制变量。热物料热物料载
18、热介质载热介质冷物料冷物料热交换器热交换器 TT TCQrQiTiTr过程控制系统与仪表过程控制系统与仪表 第第6章章例例. 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。此控制系统控制变量的选择。此控制系统控制变量的选择。影响灵敏板温度影响灵敏板温度T灵灵的因素主要有：的因素主要有： 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）、）、过程控制系统与仪表过程控制系统与仪表
19、第第6章章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 TT在两个可控因素中，选蒸在两个可控因素中，选蒸汽流量为操纵变量。汽流量为操纵变量。TC过程控制系统与仪表过程控制系统与仪表 第第6章章被控变量，操纵变量选择实例被控变量，操纵变量选择实例 例例：如如图图是是奶奶粉粉生生产产工工艺艺中中的的喷喷雾雾式式干干燥燥设设备备。此此工工艺艺要要求求保保证证奶奶粉含水量在粉含水量在2%2.5%。1 被控参数选择被控参数选择直接参数选奶粉含水量直接参数选奶粉含水量为被控变量，
20、但此类在线测量仪表为被控变量，但此类在线测量仪表精度低、速度慢。精度低、速度慢。间间接接参参数数奶奶粉粉含含水水量量与与干干燥燥器器出出口口温温度度之之间间存存在在单单值值关关系系。出出口口温温度度稳稳定定在在1502，则则奶奶粉粉含含水水量量符符合合2%2.5% 。因因此此选选干干燥燥器器出出口流体温度为被控变量。口流体温度为被控变量。过程控制系统与仪表过程控制系统与仪表 第第6章章2 控制变量选择控制变量选择影响干燥器出口奶粉流体温度的主要影响干燥器出口奶粉流体温度的主要可控可控因素有：因素有：乳液流量变化乳液流量变化 f1 旁路空气流量变化旁路空气流量变化 f2 加热蒸汽流量变化加热蒸汽
21、流量变化 f3 若若分分别别以以这这三三个个变变量量为为控控制制变变量，可以得到三个不同的控制方案。量，可以得到三个不同的控制方案。 f2 f1 f3 f3蒸气流量蒸气流量f2旁路冷风流量旁路冷风流量f1乳液流量乳液流量 热交换器热交换器T=100, T=100送风管道送风管道 =3干燥器干燥器 Go过程控制系统与仪表过程控制系统与仪表 第第6章章q调节方案：调节方案：方方案案1：取取乳乳液液流流量量为控制变量（调节阀为控制变量（调节阀1） f3f2f1 热交换器热交换器送风管道送风管道干燥器干燥器调节阀调节阀1调节器调节器变送器变送器ry过程控制系统与仪表过程控制系统与仪表 第第6章章方方案
22、案2：取取旁旁通通冷冷风风流流量为控制变量（调节阀量为控制变量（调节阀2）v由由于于有有送送风风管管路路的的传传递递滞滞后后存存在在，较较方方案案1多多一一个纯滞后环节个纯滞后环节=3sf3f2f1 热交换器热交换器风管风管干燥器干燥器调节阀调节阀2调节器调节器变送器变送器ry过程控制系统与仪表过程控制系统与仪表 第第6章章v热热交交换换器器为为双双容容特特性性，因因而而调调节节通通道道又又多多了了两两个个容容量量滞滞后后，时时间间常常数数都是都是T = 100秒。秒。 方方案案3：取取蒸蒸汽汽流流量量为控制变量（调节阀为控制变量（调节阀3）f3f2f1加热器加热器风管风管干燥器干燥器调节阀调
23、节阀3调节器调节器变送器变送器ry过程控制系统与仪表过程控制系统与仪表 第第6章章q 控制方案的判别：控制方案的判别： 从从控控制制效效果果考考虑虑，方方案案1的的调调节节通通道道最最短短，控控制制性性能能最最佳佳；方方案案2次次之之，方方案案3最最差差。但但从从工工艺艺合合理理性性考考虑虑，方方案案1并并不合适。不合适。选择方案选择方案2比较合适。即：将调节阀装在旁通冷风管道上。比较合适。即：将调节阀装在旁通冷风管道上。过程控制系统与仪表过程控制系统与仪表 第第6章章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 6.2.3.1传感器、变送器选择（了解）传
24、感器、变送器选择（了解）1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。（量程）与精度等级。2测量仪表反应慢，会造成测量失真。应尽可能选择时间常数小的传感测量仪表反应慢，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。器、变送器。OtOtTmTmx(t)y(t)x(t)y(t)测量环节时间常数对测量信号的影响测量环节时间常数对测量信号的影响过程控制系统与仪表过程控制系统与仪表 第第6章章3合理选择检测点，避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
25、图值控制系统图 LT LC中和槽中和槽贮酸槽贮酸槽 pHT pHCl04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、测量信号的线性化处理。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。过程控制系统与仪表过程控制系统与仪表 第第6章章 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%区间。据此原则计算、区间。据此原则计算、确定控制阀的口径尺寸。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偿对象特性的原则选取。按补偿对象特性的原则选取
26、。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 （1）按控制信号中断时，保证生产设备，人身安全的原则确定）按控制信号中断时，保证生产设备，人身安全的原则确定（2）保证产品质量原则）保证产品质量原则（3）减少原料，能耗原则）减少原料，能耗原则（4）基于介质特点的工艺设备安全原则）基于介质特点的工艺设备安全原则过程控制系统与仪表过程控制系统与仪表 第第6章章6.2.3.3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
27、量值值回回复复到到给给定定值值。为了保证负反馈，必须正确选择调节器的正反作用。为了保证负反馈，必须正确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过程控制系统与仪表过程控制系统与仪表 第第6章章为为了了说说明明选选择择方方法法，对对各各环环节节先先定定义义一一个个表表示示其其性性质质的的正正（“”），负负（“”）符号。）符号。q变变送送器器：输输出出信信号号随随被被测测变变量量增增加加而而增增加加，为为“”；反反之之为为“”。变变送器一般都为送器一般都为“”q执行器：气开阀为执行器：气开阀为“”，气关阀为，气关阀为“
28、”q被控对象：若控制变量增加，被控参数随之增加，为被控对象：若控制变量增加，被控参数随之增加，为“”，反之为，反之为“”。q控制器：控制器：正正作作用用控控制制器器：当当给给定定值值不不变变时时，随随测测量量值值增增加加，控控制制器器输输出出增增加加。 或者测量值不变时，给定值减小时，控制器输出增加。取为或者测量值不变时，给定值减小时，控制器输出增加。取为“”反反作作用用控控制制器器：当当给给定定值值不不变变时时，随随测测量量值值增增加加，控控制制器器输输出出减减小小。 或者测量值不变时，给定值减小时，控制器输出减小。取为或者测量值不变时，给定值减小时，控制器输出减小。取为“”偏差偏差控制器控
29、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过程控制系统与仪表过程控制系统与仪表 第第6章章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 调节器正反作用的确定原则：调节器正反作用的确定原则：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：闭合回路中闭合回路中各环节符号之积为各环节符号之积为“”。过程控制系统与仪表过程控制系统与仪表 第第6章章例：储槽液位控制系统例：储槽液位控制系统LTLCM正正气开气开出料要求：出现故障或气源断开要求：出现故障或气源断开时，不允许物料全部流走。
30、试确定时，不允许物料全部流走。试确定调节器的正，反作用方式。调节器的正，反作用方式。LTLCM反反气关气关出料例：另一工艺的储槽液位控制系统例：另一工艺的储槽液位控制系统要求：出现故障或气源断开时，物料不要求：出现故障或气源断开时，物料不能溢出储槽。试确定调节器正反作用方式。能溢出储槽。试确定调节器正反作用方式。过程控制系统与仪表过程控制系统与仪表 第第6章章练习：储槽液位控制系统如图。工艺要求：出现故障或气源断开时，不允练习：储槽液位控制系统如图。工艺要求：出现故障或气源断开时，不允许物料全部流走。许物料全部流走。hrQiQo贮罐贮罐LTLCh指出系统被控对象，被控参数，指出系统被控对象，被
31、控参数，调节参数调节参数作出系统方框图作出系统方框图选择调节阀气开，气关形式选择调节阀气开，气关形式选择调节器正反作用方式并进行选择调节器正反作用方式并进行验证。验证。过程控制系统与仪表过程控制系统与仪表 第第6章章6.3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调节调节器的器的调节规律调节规律，即它的输出量与输入量（偏差值）之间的函数关系。，即它的输出量与输入量（偏差值）之间的函数关系。P = f ( e )调节调节器的作用是根据偏差，按规定的器的作用是根据偏差，按规定的调节规律调节规律产生输出信号，推动产生输出信号，推动执行机构，对生产过程进行调节。执行机
32、构，对生产过程进行调节。过程控制系统与仪表过程控制系统与仪表 第第6章章6.3.1调节规律对控制品质影响的分析（复习）调节规律对控制品质影响的分析（复习）过程控制系统与仪表过程控制系统与仪表 第第6章章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带带的的物物理理意意义义：比比例例带带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控制作用的强弱。例控制作用的强弱。P越越小小，控控制制作作用用越越强强、静静差差越越小小，系系统统调调节节越越快快、系系统统稳稳定定性性降降低。低。P越大，静差越大。越大，静差越大。比例带比例带P对控制过程
33、的影响对控制过程的影响 比例控制的特点比例控制的特点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例地地变变化化，偏偏差差越越大，输出的控制作用越强。大，输出的控制作用越强。q控制结果控制结果存在余差，随比例度增大而增大。存在余差，随比例度增大而增大。q实现定值控制的有差实现定值控制的有差跟踪。跟踪。过程控制系统与仪表过程控制系统与仪表 第第6章章 振振荡荡逐逐渐渐加加剧剧PPPPP P越越小小，控控制制过过程程曲曲线线越越振振荡，周期缩短。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间越越长长，余差也越大。余差也
34、越大。出现等幅振荡，这时的比例出现等幅振荡，这时的比例度称为临界比例度度称为临界比例度Pmin ，振，振荡频率称为临界振荡频率荡频率称为临界振荡频率M过程控制系统与仪表过程控制系统与仪表 第第6章章6.3.1.2积积分分（I）调调节节与与比比例例积积分分（PI）调调节节对对系系统控制质量的影响统控制质量的影响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 SI积分速度积分速度ee ttu过程控制系统与仪表过程控制系统与仪表 第第6章章q积分控制可以消除余差。积分控
35、制可以消除余差。v 积分控制的特点积分控制的特点q积积分分输输出出信信号号是是随随时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，稳定性比稳定性比P控制差。故一般积分作用不单独使用。控制差。故一般积分作用不单独使用。过程控制系统与仪表过程控制系统与仪表 第第6章章 2 比例积分控制（比例积分控制（PI）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 ttu过程控制系统与仪表过程控制系统与仪表 第第6章章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的阶跃的阶跃: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/P2
36、e/PuttTIe过程控制系统与仪表过程控制系统与仪表 第第6章章1.TI越越大大，Si越越小小，积积分分作作用用越越弱弱， TI = ，Si0，积分作用为零。积分作用为零。2.TI减减小小，Si增增大大，积积分分作作用用增增强强，系系统统振振荡荡加加剧剧，稳定性下降。稳定性下降。3.如如果果T1适适当当，系系统统能能很很快消除余差。快消除余差。 积分时间积分时间TI 或积分速度或积分速度Si对过渡过程的影响对过渡过程的影响过程控制系统与仪表过程控制系统与仪表 第第6章章 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 式中：式中：TD 微分时间微分
37、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 ttu过程控制系统与仪表过程控制系统与仪表 第第6章章q 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，使使偏偏差差尽尽快快地地消消除除于于萌萌芽芽状状态态之之中中。提前动作提前动作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无抑制能力。不能单独使用。毫无抑制能力。不能单独使用。v 微分控制的特点微分控制的特点eettu过程控制系统与仪表过程控制系统与仪表 第第6章章2
38、 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eettutuPD调节是有差调节。调节是有差调节。PD具有提高系统稳定性，抑制最大具有提高系统稳定性，抑制最大动态偏差的作用。动态偏差的作用。PD调节有利与提高系统的响应速度，调节有利与提高系统的响应速度，减小稳态误差。减小稳态误差。若若Td太大，微分作用太强，易造成太大，微分作用太强，易造成系统振荡。系统振荡。过程控制系统与仪表过程控制系统与仪表 第第6章章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
39、又能消除余差，能消除余差，可得到满意的可得到满意的控制控制效果。效果。6.3.1.4 （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过程控制系统与仪表过程控制系统与仪表 第第6章章对某一对象，用不同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PPDPIDPI过程控制系统与仪表过程控制系统与仪表 第第6章章调节规律调节规律优优 点点缺缺 点点应应 用用P灵灵敏敏、简简单单，只只有有一一个整定参数；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，工工艺艺指指标标要要求求不不高高的的对对象象。适适用用于于一一般般要要求的液位，压力调节系统求的液位，压力调节
40、系统PI能能消消除除静静差差，又又控控制制灵敏灵敏降降低低了了系系统统控控的的稳稳定定性性。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，效效果不好。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。适适用用于于流流量量，要要求求较严格的压力，液位调节系统。较严格的压力，液位调节系统。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，减减小动态偏差和静差小动态偏差和静差系系统统对对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
41、杂杂高高频干扰。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高的的对对象象。加热较慢的温度控制系统。加热较慢的温度控制系统。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，所所以以有有更更高高的调节质量。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，应应设计复杂调节系统设计复杂调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、精精度度要要求求高高的的对对象象。温温度度控控制制系系统统与与成成分分控控制系统制系统6.3.2调节
42、规律的选择调节规律的选择过程控制系统与仪表过程控制系统与仪表 第第6章章0/T00.2，用，用P或或PI 0.20/T01.0，用，用PD或或PID 0/T01.0，用简单控制系统效果不好。，用简单控制系统效果不好。若广义对象传递函数可用若广义对象传递函数可用 描述描述过程控制系统与仪表过程控制系统与仪表 第第6章章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合适的控制器比例度最合适的控制器比例度P、积分时
43、间积分时间TI，和微分时间和微分时间TD。理论计算的方法理论计算的方法是根据已知的各环节特性及控制质量的要是根据已知的各环节特性及控制质量的要求，通过理论计算出控制器的最佳参数。求，通过理论计算出控制器的最佳参数。工程整定法工程整定法在已经投运的实际控制系统中，通过试验或探在已经投运的实际控制系统中，通过试验或探索，来确定控制器的最佳参数。索，来确定控制器的最佳参数。过程控制系统与仪表过程控制系统与仪表 第第6章章6.4.1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
44、界比比例例度度Pm和和振振荡荡周周期期Tm），按经验公式求出调节器的整定参数。按经验公式求出调节器的整定参数。（1 1） 置置调调节节器器Ti ， Td=0，比比例例度度P 较较大值，将系统投入运行。大值，将系统投入运行。（2 2） 逐逐渐渐减减小小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Pm和和Tm。y(t)Tm 系统临界振荡曲线系统临界振荡曲线t过程控制系统与仪表过程控制系统与仪表 第第6章章（3）根据）根据Pm和和Tm，按经验按经验公式计算出控公式计算出控制器的参数整制器的参数整定值。定值。 整定参数整定参数调节规律调节规
45、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过程控制系统与仪表过程控制系统与仪表 第第6章章方法：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），置置于于较较大大比比例例度度，投入自动运行。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%左左右右为为宜宜），观观察察调节过程曲线。调节过程曲线。（3 3）适当改变比例度，重复上述实验，到出现满意的衰减曲线为
46、止。）适当改变比例度，重复上述实验，到出现满意的衰减曲线为止。记下此时的比例度记下此时的比例度Ps及及周期周期Ts。n=10:1时，记时，记Ps及及TsTsTr6.4.2衰减曲线法衰减曲线法 也属于闭环整定方法，但不需要寻找等幅振荡状也属于闭环整定方法，但不需要寻找等幅振荡状态，只需寻找最佳衰减振荡状态即可。态，只需寻找最佳衰减振荡状态即可。过程控制系统与仪表过程控制系统与仪表 第第6章章（4 4）按按表表62（n=4:1）或或按按表表63（n=10:1）求求得各种调节规律时的整定参数。得各种调节规律时的整定参数。表表6.2 衰减比为衰减比为4:1时，时，整定参数计算表整定参数计算表表表6.3
47、 衰减比为衰减比为10:1时，时，整定参数计算表整定参数计算表0.1Ts0.3 Ts0.8PsPID 0. 5 Ts1.2PsPIPsPTdTiP（%） 整定参数整定参数调节规律律0.4Ts1.2Tr0.8PsPID 2Tr1.2PsPIPsPTdTiP（%） 整定参数整定参数调节规律律过程控制系统与仪表过程控制系统与仪表 第第6章章6.4.3响应曲线法响应曲线法属属于于开开环环整整定定方方法法。以以广广义义对对象象的的阶阶跃跃响响应应为为依依据据，通通过经验公式求取调节器的最佳参数整定值。过经验公式求取调节器的最佳参数整定值。方法：不加控制作用，作广义对象的阶跃响应曲线。方法：不加控制作用，
48、作广义对象的阶跃响应曲线。给定值给定值控制器控制器被控变量被控变量测量变送器测量变送器执行器执行器对象对象过程控制系统与仪表过程控制系统与仪表 第第6章章根根据据实实验验所所得得响响应应曲曲线线，找找出出广广义义对对象象的的特特性性参参数数K0、T0、0，用表，用表64的经验公式求整定参数。的经验公式求整定参数。T00 表表6.4 响应曲线法整定参数的公式响应曲线法整定参数的公式0.5020PID3.30PIPTdTiP（%） 整定参数整定参数调节规律律过程控制系统与仪表过程控制系统与仪表 第第6章章6.4.4 经验法经验法 凭经验凑试。凭经验凑试。 其关键是其关键是“看曲线，调参数看曲线，调
49、参数”。控制器参数对控制过程的影响：控制器参数对控制过程的影响：比比例例度度逐逐渐渐减减小小积积分分时时间间逐逐渐渐减减小小微微分分时时间间逐逐渐渐增增大大过程控制系统与仪表过程控制系统与仪表 第第6章章返回控制器参数经验数据控制器参数经验数据l流流 量：对象时间常数小，参数有波动，量：对象时间常数小，参数有波动，要大要大40100%；Ti要短要短0.31min ；不用微分；不用微分 。l温温 度：对象容量滞后较大，即参数受干扰后变化迟缓，度：对象容量滞后较大，即参数受干扰后变化迟缓， 应小应小2060%； Ti要长要长310min；一般；一般需加微分需加微分 Td=0.53min l压压 力
50、：对象的容量滞后不算大，一般不加微分力：对象的容量滞后不算大，一般不加微分 =3070% Ti=0.43minl液液 位：对象时间常数范围较大，要求不高时，位：对象时间常数范围较大，要求不高时， 可在一可在一定范围内选取，一般不用微分，定范围内选取，一般不用微分， = = 2080 % 过程控制系统与仪表过程控制系统与仪表 第第6章章6.4.5 6.4.5 几种整定方法的比较几种整定方法的比较整定方法整定方法优优 点点缺缺 点点反应曲线法反应曲线法方法简单方法简单系系统统开开环环，被被调调量量变变化化较大，影响生产较大，影响生产稳定边界法稳定边界法系统闭环系统闭环会出现被调量等幅振荡会出现被调
51、量等幅振荡衰减曲线法衰减曲线法系统闭环，安全系统闭环，安全实验费时实验费时经验法经验法系统闭环，不需计算系统闭环，不需计算需要经验需要经验过程控制系统与仪表过程控制系统与仪表 第第6章章q注意：注意：同同一一个个系系统统，最最佳佳整整定定参参数数可可能能不不是是唯唯一一的的。不不同同的的PID参参数数组组合合，有有时时会会得得到到极极为为相相近近的的控控制制结果。结果。例例如如某某初初馏馏塔塔塔塔顶顶温温度度控控制制系系统统，控控制制器器采采用用以下两组参数时：以下两组参数时： P 15 TI 7.5min P 35 TI 3 min系系统统都都得得到到10:1的的衰衰减减曲曲线线，超超调调量
52、量和和过过渡渡时时间基本相同。间基本相同。 过程控制系统与仪表过程控制系统与仪表 第第6章章例：一蒸汽加热的热交换温度控制系统，要求热水温度稳定例：一蒸汽加热的热交换温度控制系统，要求热水温度稳定在在65。当调解阀输入信号增加。当调解阀输入信号增加1.6mADC（调节阀门输入电流范（调节阀门输入电流范围为围为420mADC）时，热水温度上升为）时，热水温度上升为67.8 ，并达到新的稳，并达到新的稳定状态。温度变送器量程和调节器刻度范围为定状态。温度变送器量程和调节器刻度范围为3080 。从温度。从温度动态曲线上可以测出动态曲线上可以测出 。如果采用。如果采用PI或或PID调节规律，计算调节器
53、的整定参数。调节规律，计算调节器的整定参数。解：由题意：解：由题意：代入表代入表64计算即可。计算即可。过程控制系统与仪表过程控制系统与仪表 第第6章章练习：如图所示加热炉练习：如图所示加热炉温度控制系统温度控制系统指出系统被控对象，被控参数，指出系统被控对象，被控参数，调节参数调节参数作出系统方框图作出系统方框图选择调节阀气开，气关形式选择调节阀气开，气关形式选择调节器正反作用方式选择调节器正反作用方式若当若当DDZ调节器的输出从调节器的输出从6mA改变到改变到7mA时，温度记录仪的指针由时，温度记录仪的指针由85.0升到升到87.8 ，从原来的稳定状态到新的稳定状态。仪表的刻度为，从原来的
54、稳定状态到新的稳定状态。仪表的刻度为50100 ，并测出，并测出 。如果采用。如果采用PI与与PID调节规律，计算调节规律，计算参数整定值。参数整定值。燃料油燃料油加热炉温度控制系统加热炉温度控制系统TC过程控制系统与仪表过程控制系统与仪表 第第6章章6.5 简单控制系统设计实例简单控制系统设计实例 如如图图是是奶奶粉粉生生产产工工艺艺中中的的喷喷雾雾式式干干燥燥设设备备。此此工艺要求保证奶粉含水量在工艺要求保证奶粉含水量在2%2.5%。6.5.1 生产过程概述生产过程概述6.5.2 控制方案设计控制方案设计6.5.2.1 被控参数选择被控参数选择直接参数选奶粉含水量直接参数选奶粉含水量为被控
55、变量，但此类在线测量仪表为被控变量，但此类在线测量仪表精度低、速度慢。精度低、速度慢。间间接接参参数数奶奶粉粉含含水水量量与与干干燥燥器器出出口口温温度度之之间间存存在在单单值值关关系系。出出口口温温度度稳稳定定在在1502，则则奶奶粉粉含含水水量量符符合合2%2.5% 。因因此此选选干干燥燥器器出出口流体温度为被控变量。口流体温度为被控变量。过程控制系统与仪表过程控制系统与仪表 第第6章章6.5.2.2 控制变量选择控制变量选择影响干燥器出口奶粉流体温度的主要影响干燥器出口奶粉流体温度的主要可控可控因素有：因素有：乳液流量变化乳液流量变化 f1 旁路空气流量变化旁路空气流量变化 f2 加热蒸
56、汽流量变化加热蒸汽流量变化 f3 若若分分别别以以这这三三个个变变量量为为控控制制变变量，可以得到三个不同的控制方案。量，可以得到三个不同的控制方案。 f2 f1 f3 f3蒸气流量蒸气流量f2旁路冷风流量旁路冷风流量f1乳液流量乳液流量 热交换器热交换器T=100, T=100送风管道送风管道 =3干燥器干燥器 Go过程控制系统与仪表过程控制系统与仪表 第第6章章q调节方案：调节方案：方方案案1：取取乳乳液液流流量量为控制变量（调节阀为控制变量（调节阀1） f3f2f1 热交换器热交换器送风管道送风管道干燥器干燥器调节阀调节阀1调节器调节器变送器变送器ry过程控制系统与仪表过程控制系统与仪表
57、 第第6章章方方案案2：取取旁旁通通冷冷风风流流量为控制变量（调节阀量为控制变量（调节阀2）v由由于于有有送送风风管管路路的的传传递递滞滞后后存存在在，较较方方案案1多多一一个纯滞后环节个纯滞后环节=3sf3f2f1 热交换器热交换器风管风管干燥器干燥器调节阀调节阀2调节器调节器变送器变送器ry过程控制系统与仪表过程控制系统与仪表 第第6章章v热热交交换换器器为为双双容容特特性性，因因而而调调节节通通道道又又多多了了两两个个容容量量滞滞后后，时时间间常常数数都是都是T = 100秒。秒。 方方案案3：取取蒸蒸汽汽流流量量为控制变量（调节阀为控制变量（调节阀3）f3f2f1加热器加热器风管风管干
58、燥器干燥器调节阀调节阀3调节器调节器变送器变送器ry过程控制系统与仪表过程控制系统与仪表 第第6章章q 控制方案的判别：控制方案的判别： 从从控控制制效效果果考考虑虑，方方案案1的的调调节节通通道道最最短短，控控制制性性能能最最佳佳；方方案案2次次之之，方方案案3最最差差。但但从从工工艺艺合合理理性性考考虑虑，方方案案1并并不合适。不合适。选择方案选择方案2比较合适。即：将调节阀装在旁通冷风管道上。比较合适。即：将调节阀装在旁通冷风管道上。过程控制系统与仪表过程控制系统与仪表 第第6章章6.5.1.3检测仪表、调节阀及调节器调节规律选择检测仪表、调节阀及调节器调节规律选择温度传感器及变送器温度
59、传感器及变送器选用热电阻温度传感器。为了减少测量滞后，温度传感器应安装在干燥选用热电阻温度传感器。为了减少测量滞后，温度传感器应安装在干燥器出口附近。器出口附近。调节阀调节阀选择气关型调节风阀。其流量特性近似线性。选择气关型调节风阀。其流量特性近似线性。调节器调节器可选模拟式或数字式调节器。根据控制精度要求（偏差可选模拟式或数字式调节器。根据控制精度要求（偏差2），采用），采用PI或或PID调节规律；根据构成控制系统负反馈的原则，采用正作用方式。调节规律；根据构成控制系统负反馈的原则，采用正作用方式。过程控制系统与仪表过程控制系统与仪表 第第6章章调节阀调节阀热交换器热交换器鼓风机鼓风机产品产
60、品干燥器干燥器蒸汽蒸汽乳液乳液TCTT6.5.1.4绘制控制系统图绘制控制系统图过程控制系统与仪表过程控制系统与仪表 第第6章章本章小结本章小结简单控制系简单控制系统的结构统的结构 四个环节组成四个环节组成被控变量的选择被控变量的选择控制变量的选择控制变量的选择控制参数的整定控制参数的整定简单控制系简单控制系统的设计统的设计 闭环负反馈闭环负反馈控制规律的选择控制规律的选择过程控制系统与仪表过程控制系统与仪表 第第6章章补充：积分饱和现象补充：积分饱和现象t0 t1 t2 t3 t阀位阀位全关全关全开全开u0.140.10.5ryPCPT恒压放空系统恒压放空系统间歇生产过程间歇生产过程调节阀：气开调节阀：气开控制器：反作用控制器：反作用
