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1、1n控制器是硬件和控制器是硬件和软件的件的结合体，从硬件上来合体，从硬件上来说，过程程控制中最常用控制器有：控制中最常用控制器有：u可可编程控制器（程控制器（PLC）u数字数字调节器（器（Digital Regulator)u工控机（工控机（IPC）u集散控制系集散控制系统（DCS）n从从软件上体件上体现的是各种的是各种过程控制策略。程控制策略。2过程控制策略过程控制策略n开关（开关（ON/OFF）控制）控制nPID控制控制uPID控制算法、数字控制算法、数字PID算法算法uPID改改进算法算法n复复杂过程控制程控制u串串级控制、前控制、前馈控制、解耦控制等控制、解耦控制等n先先进过程控制（程
2、控制（APC）u预测控制、智能控制等控制、智能控制等3第五讲第五讲 常规控制策略常规控制策略n5.1 开关控制开关控制n5.2 PID控制算法控制算法uP、I、D调节原理原理uPID调节规律律n5.3 数字式数字式PID算法算法n5.4 PID算法整定算法整定n5.5 PID改改进算法算法n5.6 简单过程控制系程控制系统设计45.1 开关控制（开关控制（ON/OFF）n指通指通过执行器（如行器（如电磁磁阀）的全开或全关）的全开或全关实现过程控制。适用于程控制。适用于对被被控量没有控量没有严格要求的格要求的场合，如要求被控量在一合，如要求被控量在一定范定范围内即可。内即可。n如采用如采用电磁磁
3、阀控制液位控制液位系系统，防止溢出或抽空。，防止溢出或抽空。55.1 开关控制开关控制n虽然然过程控制系程控制系统主要控制一些主要控制一些连续变化的参化的参量（温度、量（温度、压力、流量、液位等），但力、流量、液位等），但在在实施施控制控制时，涉及更多的，涉及更多的变量往往是开关量，量往往是开关量，诸如如启停、启停、联锁、切、切换等等。等等。n实践表明，践表明，过程控制中程控制中连续变量与开关量的点量与开关量的点数比数比约在在1: :10以上。以上。nPLC在在进行开关量行开关量输入入/输出控制出控制时具有明具有明显优势。65.1 开关控制开关控制n（一）（一）PLC的特点的特点uPLCPLC
4、最基本功能是最基本功能是DI/ODI/O控制，控制，中高档中高档PLCPLC普遍普遍带有有AI/OAI/O功能。功能。当今当今PLC已成已成为一个集一个集逻辑控控制、制、调节控制、网控制、网络通通讯和和图形形监视于一体的于一体的综合自合自动化系化系统。uPLC在在过程控制中程控制中约占控制器占控制器总量的量的80%以上，其广泛以上，其广泛应用的最根本原因在于它的可靠用的最根本原因在于它的可靠性和性和编程方式。程方式。7（一）（一）PLC的特点的特点n1、PLC的可靠性的可靠性uPLC的最大特点即是其高的最大特点即是其高可靠性，基本免可靠性，基本免维护。u适合于工适合于工业极其极其恶劣的生劣的生
5、产场合，如振合，如振动、噪声、噪声、粉粉尘、强电磁干磁干扰等等场合。合。uPLC输入入/输出一般都采出一般都采用光用光电隔离及隔离及滤波整形波整形电路；内配开关路；内配开关电源，允源，允许电源波源波动范范围宽；CPU冗冗余余设计等。等。82、PLC的编程方式的编程方式nPLC最基本的最基本的编程方式程方式为梯形梯形图（LAD）编程。程。使用最广，适用于使用最广，适用于电气自气自动化人化人员。n中高档中高档PLC一般一般还提供：提供：u状状态列表（列表（STL）编程，适用于程，适用于软件件专业人人员；u功能功能块流程（流程（FBD）编程，适用于程，适用于电子子专业人人员。n中高档中高档PLC一般
6、采用子程序一般采用子程序调用用结构，适用于构，适用于大型复大型复杂编程。程。9n一个一个实际的的PLC程序程序结构构u西西门子子（SIEMENS）S7-300系列系列PLC程序程序结构；构；uOB1为主程序，多主程序，多级程程序序调用。如用。如OB1- FC9- FC15 -SFC58(SFC59)10n一个一个实际的的PLC通通讯结构构u两台两台PLC各各带多个多个远程程I/O；uPLC通通过各自通各自通讯模模块与上位机（操作站）通与上位机（操作站）通讯；u两台两台PLC之之间通通过总线通通讯。11（二）国际著名（二）国际著名PLC供应商供应商nPLC产品以国外品以国外产品品为主，主要面向中
7、高档主，主要面向中高档PLC的供的供应商有：商有：uSIEMENS；uGE；uABB；uAB；uMODICON；uCITECT。n主要面向中低档主要面向中低档PLC的供的供应商有：商有：uOMRON；uMITSUBISHI；uFUJI。n国内市国内市场占有率以占有率以SIEMENS最高，最高，S7-200、S7-300、S7-400、LOGO!等。等。125.2 PID控制算法控制算法nPIDPIDuP比例（比例（proportional）uI积分（分（integral）uD微分微分（derivative）n历史最久、生命力最史最久、生命力最强的控制算法的控制算法135.2.1 PID概述概述
8、n（一）反（一）反馈控制控制控制器控制器执行器执行器被控对象被控对象测量测量/变送器变送器-+目标目标误差误差输出输出广义对象广义对象PID14（二）（二）PID控制系统结构控制系统结构15（三）（三）PID的特点的特点nPID控制的控制的优点点u原理原理简单，使用方便；，使用方便；u适适应性性强；u鲁棒性棒性强；控制品控制品质对被控被控对象特性的象特性的变化不大敏感。化不大敏感。u对模型依模型依赖少。少。nPIDPID是是过程控制中程控制中应用最广泛的控制用最广泛的控制规律律，占，占控制控制规律律总数的数的95%95%以上。以上。对相当多的工相当多的工业对象（一象（一阶、二、二阶）均）均获得
9、了得了满意的控制意的控制结果。果。165.2.2 PID调节原理调节原理n（一）比例（一）比例调节原理原理u1、基本原理、基本原理控制器的控制器的输出信号出信号u与偏差信号与偏差信号e成比例成比例， 即：即： 式中式中 称称为比例增益，比例增益， 为比例比例带。17（一）比例调节原理（一）比例调节原理n2、比例、比例带u为表示控制器表示控制器输入和入和输出之出之间的比例关系，在的比例关系，在过程程控制中控制中习惯用比例用比例带来代替比例增益：来代替比例增益：式中式中 emaxemin 偏差信号范偏差信号范围，即，即仪表量程；表量程； umaxumin控制器控制器输出信号范出信号范围，即控制器，
10、即控制器输出的工作范出的工作范围。18（一）比例调节原理（一）比例调节原理n2、比例、比例带u的物理意的物理意义（1）如果）如果u代表代表调节阀开度的开度的变化量，化量，就代表使就代表使调节阀开度改开度改变100%，即从全关到全开，即从全关到全开时所需要的所需要的被被调量的量的变化范化范围。（2）当被）当被调量量处在在”比例比例带”以内，以内，调节阀的开度的开度(变化化)才与偏差成比例。才与偏差成比例。（3）超超出出这个个“比比例例带”以以外外，调节阀已已处于于全全关关或或全全开开的的状状态，控控制制器器的的输入入与与输出出已已不不再再保保持持比比例关系。例关系。19（一）比例调节原理（一）比
11、例调节原理n3、比例、比例调节的的阶跃响响应uP调节对偏差信号能做出及偏差信号能做出及时反反应，没有，没有丝毫的滞后。毫的滞后。u输出出u实际上是上是对其起始其起始值（平衡点）的增量。（平衡点）的增量。uu0的大小是可以通的大小是可以通过调整控整控制器的工作点加以改制器的工作点加以改变的。的。u020（一）比例调节原理（一）比例调节原理n4、比例、比例调节的特点的特点u（1）比例）比例调节的的输出量与出量与输入量呈一一入量呈一一对应的比的比例关系。例关系。u（2）比例）比例调节反反应速度快，速度快，输出与出与输入同步，没入同步，没有有时间滞后，其滞后，其动态特性好。特性好。u（3）比例）比例调
12、节是是有差有差调节。21（一）比例调节原理（一）比例调节原理n5、比例、比例带对调节过程的影响程的影响22（一）比例调节原理（一）比例调节原理n6、仿真示例、仿真示例23（二）积分调节原理（二）积分调节原理n1、基本原理、基本原理u控制器控制器输出信号的出信号的变化速度化速度du/dt与偏差信号与偏差信号e成正成正比，或者比，或者说控制器的控制器的输出与偏差信号的出与偏差信号的积分成正比，分成正比，即：即：或：或：24（二）积分调节原理（二）积分调节原理n2、积分分调节的的阶跃响响应u控制器控制器输出不出不仅与偏差信号的与偏差信号的大小有关，大小有关，还与偏差存在的与偏差存在的时间长短有关。短
13、有关。u只要偏差存在，控制器只要偏差存在，控制器输出就出就会不断会不断变化，直到偏差化，直到偏差为零控零控制器制器输出才出才稳定下来不再定下来不再变化。化。u所以所以积分分调节作用能自作用能自动消除消除余差余差。u注意：注意：I调节的的输出不像出不像P调节那那样随偏差随偏差为零而零而变到零。到零。25（二）积分调节原理（二）积分调节原理n3、积分速度分速度对调节过程的影响程的影响u采用采用I调节时，控制系，控制系统的开的开环增益与增益与积分速分速度度So成正比。成正比。u增大增大积分速度将会降低分速度将会降低控制系控制系统的的稳定程度。定程度。26（二）积分调节原理（二）积分调节原理n4、积分
14、分调节的特点的特点u积分分调节是是无差无差调节u积分分调节的的稳定性比比例定性比比例调节差差u调节过程的程的进行行总比采用比采用 P调节时缓慢慢27（二）积分调节原理（二）积分调节原理n5、仿真示例、仿真示例28（三）微分调节原理（三）微分调节原理n1、基本原理、基本原理u控制器的控制器的输出出u与被与被调量或其偏差量或其偏差e对于于时间的的导数数成正比，即成正比，即29（三）微分调节原理（三）微分调节原理n2、微分、微分调节的的阶跃响响应u微分微分调节只与偏差的只与偏差的变化化成比例，偏差成比例，偏差变化越化越剧烈，烈，由微分控制器由微分控制器给出的控制出的控制作用越大，从而及作用越大，从而
15、及时地抑地抑制偏差的增制偏差的增长，提高系，提高系统的的稳定性。定性。30（三）微分调节原理（三）微分调节原理n3、微分、微分调节的特点的特点uP和和I是根据已是根据已经形成的被形成的被调参数与参数与给定定值之偏差而之偏差而动作作(即即偏差的方向和大小偏差的方向和大小进行行调节)。u微分微分调节是根据偏差信号的微分，即是根据偏差信号的微分，即偏差偏差变化的速化的速度度而而动作的。作的。n只要偏差一露头只要偏差一露头, ,控制器就立即动作，以求更好控制器就立即动作，以求更好的调节效果的调节效果n偏差没有变化偏差没有变化, ,微分调节不起作用。微分调节不起作用。u微分微分调节主要用于克服主要用于克
16、服调节对象有象有较大滞后，起大滞后，起超超前前调节作用。作用。31（三）微分调节原理（三）微分调节原理n4、几点注意几点注意u微分微分调节不能消除余差。不能消除余差。微分微分调节只只对偏差的偏差的变化化做出反做出反应，而与偏差的大，而与偏差的大小无关。小无关。u微分作用微分作用对噪声干噪声干扰有放大作用，因此有放大作用，因此过强的微分的微分调节，对系系统抗干抗干扰不利不利。u单纯的微分控制器也是不能工作的。的微分控制器也是不能工作的。实际的控制器都有一定的失灵区，若的控制器都有一定的失灵区，若调节误差的差的变化速度化速度缓慢，以至于控制器不能察慢，以至于控制器不能察觉，纯微分控制微分控制器将不
17、会器将不会动作，此作，此时调节误差会不断累差会不断累积却得不到却得不到校正。校正。32（三）微分调节原理（三）微分调节原理n5、仿真示例、仿真示例335.2.3 PID控制算法控制算法n（一）（一）PI调节规律律u1、PI调节规律律式中：式中：为比例带，可视情况取正值或负值；为比例带，可视情况取正值或负值； TiTi为积分时间。为积分时间。34（一）（一）PI调节规律调节规律n2、PI调节过程分析程分析0u0负荷变化前（负荷变化前（t给定限定限值时，改用，改用纯P调节u算法：算法：其中：其中：N为逻辑判断系数判断系数，满足足nN=0，e（k）M；nN=1，e（k）M。nM 预先设定的门限值。预
18、先设定的门限值。u应用：生用：生产设备启启动阶段的控制。段的控制。77（二）积分项改进的（二）积分项改进的PID算法算法n4、削弱、削弱积分作用技分作用技术（1）梯形）梯形积分分u常常规PID算法，如果算法，如果测量量值发生跳生跳变，积分分项改改变较大：大：u为防止防止输出出较大跳大跳变，采用梯形，采用梯形积分法。可将矩形分法。可将矩形积分改分改为梯形梯形积分：分：78（二）积分项改进的（二）积分项改进的PID算法算法n4、削弱、削弱积分作用技分作用技术（2）遇限削弱）遇限削弱积分法分法u当控制当控制输出出进入入饱和区和区时采用削弱采用削弱积分分项的算法，的算法，停止停止积分分项的增大：的增大
19、：n若若 ，则只累加负偏差；，则只累加负偏差；n若若 ，则只累加正偏差。，则只累加正偏差。7980（三）改进微分作用的（三）改进微分作用的PID算法算法n1、微分作用、微分作用u在在PID控制中，微分控制中，微分项根据偏差根据偏差变化的化的趋势及及时施施加作用，从而有效地抑制偏差增加作用，从而有效地抑制偏差增长，减小系，减小系统输出出的超凋，克服减弱振的超凋，克服减弱振荡，加快，加快动态过程。程。u但是微分作用但是微分作用对高高频干干扰非常灵敏，容易引起控制非常灵敏，容易引起控制过程振程振荡，降低，降低调节品品质。81（三）改进微分作用的（三）改进微分作用的PID算法算法n2、微分先行技、微分
20、先行技术u基本原理：只基本原理：只对输出量出量进行微分，而行微分，而对给定量不定量不起微分作用。起微分作用。u应用：用：给定定值频繁繁变化的化的场合，如随合，如随动系系统，可，可以避免指令的改以避免指令的改变导致超致超调过大。大。 82（三）改进微分作用的（三）改进微分作用的PID算法算法n3、不完全微分技、不完全微分技术u基本原理：在基本原理：在PID算法中加入一个一算法中加入一个一阶惯性性环节。835.6 简单过程控制系统设计简单过程控制系统设计n5.6.1 过程控制系程控制系统设计步步骤（1 1）根据工）根据工艺要求和控制目要求和控制目标确定系确定系统变量量（2 2）确定控制方案）确定控
21、制方案（3 3）选择硬件硬件设备（4 4）选择控制算法，控制算法，进行控制器行控制器设计（5 5）设计报警、警、联锁保保护系系统（6 6）系）系统的的调试及投运及投运（）系（）系统的的维护845.6.1 过程控制系统设计过程控制系统设计步骤步骤n（一）控制（一）控制规律的律的选择uP：适用于干：适用于干扰变化幅度小，化幅度小，对象滞后象滞后较小，控制小，控制质量要求不高，且系量要求不高，且系统允允许有一定范有一定范围余差的余差的场合合；uPI：适用于控制通道滞后：适用于控制通道滞后较小、小、负荷荷变化不大、工化不大、工艺不允不允许被控被控变量存在余差的量存在余差的场合；合； uPD：适用于被控
22、适用于被控对象容量象容量较大的大的场合。合。对于信号有于信号有噪声或周期性干噪声或周期性干扰的系的系统不能采用微分作用不能采用微分作用； uPID：适用于适用于负荷荷变化和化和对象容量滞后都象容量滞后都较大、大、纯滞后不太大且控制滞后不太大且控制质量要求又量要求又较高的高的场合。合。855.6.1 过程控制系统设计过程控制系统设计步骤步骤n（二）控制器正反作用的（二）控制器正反作用的选择u选择原原则：闭环回路必回路必须形成形成负反反馈。u正反作用方向，是指正反作用方向，是指输入入变化后，化后，输出的出的变化方向化方向n当输入增加时，输出也增加，则称该环节为当输入增加时，输出也增加，则称该环节为
23、“正作用正作用”方向；方向；n反之，当环节的输入量增加时，输出减小，则称该环反之，当环节的输入量增加时，输出减小，则称该环节为节为“反作用反作用”方向。方向。u测量量变送送环节的作用方向一般都是的作用方向一般都是“正正”方向。方向。865.6.1 过程控制系统设计过程控制系统设计步骤步骤n（二）控制器正反作用的（二）控制器正反作用的选择u控制器正反作用确定步控制器正反作用确定步骤1、被控被控对象象：由工：由工艺机理确定。机理确定。2、执行器行器：由工：由工艺安全条件安全条件选定，故障定，故障时应保保证设备和操作人和操作人员的安全。的安全。3、测量量变送送环节：可不考：可不考虑。4、控制器控制器
24、：n若广义对象为正作用，则控制器选择反作用方向；若广义对象为正作用，则控制器选择反作用方向；n若广义对象为反作用，则控制器选择正作用方向。若广义对象为反作用，则控制器选择正作用方向。875.6.1 过程控制系统设计过程控制系统设计步骤步骤n（二）控制器正反作用的（二）控制器正反作用的选择u例例1：调节阀正作用，正作用，则LC作用作用方向？方向？调节阀正作用，正作用，则LC反作用；反作用；反之，反之，调节阀反作用，反作用，则LC正正作用。作用。u例例2：调节阀正作用，正作用，则LC作用作用方向？方向？调节阀正作用，正作用，则LC正作用；正作用；反之，反之，调节阀反作用，反作用，则LC反反作用。作
25、用。885.6.1 过程控制系统设计过程控制系统设计步骤步骤n（三）系（三）系统投运投运u在控制系在控制系统方案方案设计、工程、工程设计、仪表安装与表安装与调校校结束后，系束后，系统可投入生可投入生产运行。运行。u在系在系统投运之前，必投运之前，必须对构成系构成系统的各种的各种仪器器仪表、表、联接管接管线、供、供电、供气等情况、供气等情况进行全面准行全面准备和和检查。u必必须做到无做到无扰动切切换。就是就是说，从手，从手动到自到自动的的过程中，不程中，不应造成系造成系统的的扰动，不，不应该破坏系破坏系统原有原有的平衡。的平衡。895.6.2 单回路控制系统设计举例单回路控制系统设计举例n磨磨矿
26、工工艺中，每个球中，每个球磨系列由磨系列由摆式式给矿机机下下矿，经集集矿皮皮带和和给矿皮皮带送入球磨机；送入球磨机；n以前由人工以前由人工观察察给矿量，靠量，靠调整下整下矿口或口或起停起停给矿机来控制机来控制矿量，量，给矿量波量波动往往往往较大，大，难以以稳定。定。为稳定入磨定入磨矿量，需量，需设计球磨球磨给矿自自动控制控制系系统。905.6.2 单回路控制系统设计举例单回路控制系统设计举例n大型球磨机大型球磨机915.6.2 单回路控制系统设计举例单回路控制系统设计举例n摆式式给矿机机925.6.2 单回路控制系统设计举例单回路控制系统设计举例n单回路系回路系统？或其它系？或其它系统？n干干
27、扰量？量？n静静态和和动态指指标要求？要求？n仪表表选型？控制器型？控制器选型？型？n控制控制规律（算法）确定？律（算法）确定？935.6.2 单回路控制系统设计举例单回路控制系统设计举例n被控参数：被控参数：给矿量；量；n控制参数：下控制参数：下矿口开度？口开度？给矿机机频率？率？n测量量仪表：皮表：皮带秤（秤（电子式？放射源式？）子式？放射源式？）n测量量仪表安装位置：（集表安装位置：（集矿皮皮带？给矿皮皮带？）？）n执行器：开度控制器（推杆）？行器：开度控制器（推杆）？变频器？器？945.6.2 单回路控制系统设计举例单回路控制系统设计举例n采用采用单回路控制系回路控制系统；n在在给矿皮
28、皮带上安装上安装电子皮子皮带秤，根据皮秤，根据皮带秤秤检测的的矿量量对给矿机机进行行变频调节；n控制器控制器选用西用西门子子S7-300PLC；n控制算法采用控制算法采用PI控制。控制。955.6.2 单回路控制系统设计举例单回路控制系统设计举例n西西门子子电子皮子皮带秤秤965.6.2 单回路控制系统设计举例单回路控制系统设计举例n施耐德施耐德变频器器975.6.2 单回路控制系统设计举例单回路控制系统设计举例n西西门子子S7-300 PLC985.6.2 单回路控制系统设计举例单回路控制系统设计举例n给矿量控制原理量控制原理图995.6.2 单回路控制系统设计举例单回路控制系统设计举例n给
29、矿量控制方框量控制方框图1005.6.2 单回路控制系统设计举例单回路控制系统设计举例n投运步投运步骤：u1.电子皮子皮带秤秤标定及投入使用；定及投入使用；u2.手手动调节变频器器频率，率，观察手察手动控制效果；控制效果；u3.在在稳定运行一段定运行一段时间后投入到自后投入到自动；u4.记录运行数据，整定控制器参数，直至运行数据，整定控制器参数，直至满意。意。101单回路控制系统存在的问题单回路控制系统存在的问题n若容器内温度若容器内温度动态过程程变化化较大，大，有何解决有何解决办法？法？102本讲小结本讲小结n5.1 开关控制开关控制n5.2 PID控制算法控制算法uP、I、D作用，作用，PI、PD、PID算法算法n5.3 数字式数字式PID算法算法n5.4 PID算法整定算法整定n5.5 PID改改进算法算法n5.6 简单过程控制系程控制系统设计103作作 业业nP95：2.3、2.5、2.8nP98：3.5、3.12nP100：4.6
