《過程控制系統(tǒng)與儀表》課件及教案

《過程控制系統(tǒng)與儀表》課件及教案,過程控制系統(tǒng)與儀表,過程,控制系統(tǒng),儀表,課件,教案 過程控制系統(tǒng)與儀表過程控制系統(tǒng)與儀表 第第6章章6.1簡單控制系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)與組成簡單控制系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)與組成組成：組成：由一個測量變送器、一個控制器、一個由一個測量變送器、一個控制器、一個控制閥和一個對象所構(gòu)成的控制閥和一個對象所構(gòu)成的單閉環(huán)控制系統(tǒng)單閉環(huán)控制系統(tǒng)。第第6 6章章 簡單控制系統(tǒng)的設(shè)計與參數(shù)整定簡單控制系統(tǒng)的設(shè)計與參數(shù)整定LC206后續(xù)字母表示儀表功能后續(xù)字母表示儀表功能第第1位數(shù)字表示工段號位數(shù)字表示工段號后續(xù)數(shù)字表示儀表序號后續(xù)數(shù)字表示儀表序號第第1位字母表示被控參數(shù)位字母表示被控參數(shù)儀表符號標(biāo)準(zhǔn)儀表符號標(biāo)準(zhǔn) LC LTh過程控制系統(tǒng)與儀表過程控制系統(tǒng)與儀表 第第6章章簡單控制系統(tǒng)原理方框圖簡單控制系統(tǒng)原理方框圖熱物料熱物料載熱介質(zhì)載熱介質(zhì)冷物料冷物料熱交換器熱交換器 TT TC控制系統(tǒng)工藝流程圖控制系統(tǒng)工藝流程圖給定值給定值測量變送器測量變送器控制器控制器執(zhí)行器執(zhí)行器對象對象控制變量控制變量被控變量被控變量干擾干擾過程控制系統(tǒng)與儀表過程控制系統(tǒng)與儀表 第第6章章6.2簡單控制系統(tǒng)設(shè)計簡單控制系統(tǒng)設(shè)計1.1.過程控制系統(tǒng)方案設(shè)計的基本要求過程控制系統(tǒng)方案設(shè)計的基本要求生產(chǎn)過程對過程控制系統(tǒng)的設(shè)計要求可簡要歸生產(chǎn)過程對過程控制系統(tǒng)的設(shè)計要求可簡要歸納為安全性、穩(wěn)定性和經(jīng)濟性三個方面。納為安全性、穩(wěn)定性和經(jīng)濟性三個方面。2.過程控制系統(tǒng)設(shè)計的主要內(nèi)容過程控制系統(tǒng)設(shè)計的主要內(nèi)容 控制系統(tǒng)方案設(shè)計控制系統(tǒng)方案設(shè)計工程設(shè)計工程設(shè)計工程安裝和儀表調(diào)校工程安裝和儀表調(diào)校調(diào)節(jié)器參數(shù)整定調(diào)節(jié)器參數(shù)整定過程控制系統(tǒng)與儀表過程控制系統(tǒng)與儀表 第第6章章3.過程控制系統(tǒng)設(shè)計的步驟過程控制系統(tǒng)設(shè)計的步驟1）掌握生產(chǎn)工藝對控制系統(tǒng)的技術(shù)要求）掌握生產(chǎn)工藝對控制系統(tǒng)的技術(shù)要求2）建立被控過程的數(shù)學(xué)模型）建立被控過程的數(shù)學(xué)模型3）設(shè)計控制方案）設(shè)計控制方案4）控制儀表選型）控制儀表選型5）實驗（或仿真）驗證）實驗（或仿真）驗證其中控制方案設(shè)計是控制系統(tǒng)設(shè)計的核心。在其中控制方案設(shè)計是控制系統(tǒng)設(shè)計的核心。在設(shè)計控制方案時，關(guān)鍵的設(shè)計步驟是設(shè)計控制方案時，關(guān)鍵的設(shè)計步驟是被控變量與控被控變量與控制變量的選擇。制變量的選擇。過程控制系統(tǒng)與儀表過程控制系統(tǒng)與儀表 第第6章章6.2.2被控變量與控制變量的選擇被控變量與控制變量的選擇6.2.2.1被控變量的選擇被控變量的選擇被被控控變變量量（被被控控參參數(shù)數(shù)）生生產(chǎn)產(chǎn)過過程程中中希希望望借借助助自自動動控控制制系系統(tǒng)統(tǒng)保保持持恒恒定定（或或按按一一定定規(guī)規(guī)律律變變化化）的的工藝參數(shù)。工藝參數(shù)。合合理理選選擇擇被被控控變變量量，關(guān)關(guān)系系到到生生產(chǎn)產(chǎn)工工藝藝能能否否穩(wěn)穩(wěn)定定操作、保證質(zhì)量、保證安全。操作、保證質(zhì)量、保證安全。給定值給定值測量變送器測量變送器控制器控制器執(zhí)行器執(zhí)行器對象對象控制變量控制變量被控變量被控變量干擾干擾過程控制系統(tǒng)與儀表過程控制系統(tǒng)與儀表 第第6章章例例1 儲槽液位控制系統(tǒng)儲槽液位控制系統(tǒng) LC LTh被控變量的選擇原則：被控變量的選擇原則：1、將工藝要求控制的工藝參數(shù)直接作為被控變將工藝要求控制的工藝參數(shù)直接作為被控變量。量。工工藝藝要要求求儲儲槽槽液液位位穩(wěn)穩(wěn)定定，那那么么就就應(yīng)應(yīng)設(shè)設(shè)計計以以儲儲槽槽液液位位為為被被控控變變量量的的控控制制系統(tǒng)。系統(tǒng)。過程控制系統(tǒng)與儀表過程控制系統(tǒng)與儀表 第第6章章例例2 換熱器出口溫度控制系統(tǒng)換熱器出口溫度控制系統(tǒng)工工藝藝要要求求出出口口溫溫度度為為定定值值，那那么么設(shè)設(shè)計計的的控控制制系系統(tǒng)就應(yīng)以出口溫度為被控變量。統(tǒng)就應(yīng)以出口溫度為被控變量。熱物料熱物料載熱介質(zhì)載熱介質(zhì)冷物料冷物料熱交換器熱交換器 TT TC過程控制系統(tǒng)與儀表過程控制系統(tǒng)與儀表 第第6章章 2、直直接接工工藝藝參參數(shù)數(shù)不不能能作作為為被被控控變變量量時時，應(yīng)應(yīng)選選擇擇與與直直接接工工藝藝參參數(shù)數(shù)有有單單值值函函數(shù)數(shù)關(guān)關(guān)系系的的間間接接工工藝藝參參數(shù)數(shù)作為被控變量。作為被控變量。例例3 化化工工精精餾餾產(chǎn)產(chǎn)品品的的純純度控制度控制如如圖圖是是苯苯甲甲苯苯混混合合液液的精餾過程。的精餾過程。精精餾餾工工藝藝是是利利用用被被分分離離物物中中各各組組分分氣氣化化溫溫度度不不同同，通過加熱，將各組分分離。通過加熱，將各組分分離。苯苯甲苯甲苯 苯苯甲苯甲苯過程控制系統(tǒng)與儀表過程控制系統(tǒng)與儀表 第第6章章工工藝藝要要求求塔塔頂頂或或塔塔底底餾餾出出物物達達到到規(guī)規(guī)定定的的純純度度。按按被被控控變變量量的的選選擇擇原原則則1，應(yīng)應(yīng)將將塔塔頂頂或或塔塔底底餾餾出出物物的的組組分分作作為為被被控控變變量量。但但是是，沒沒有有合合適適的的檢檢測測儀儀表表能在線檢測餾出物的純度。能在線檢測餾出物的純度。苯苯甲苯甲苯 苯苯甲苯甲苯由于純度不能作為直接由于純度不能作為直接被控變量，只能找間接被控被控變量，只能找間接被控變量。經(jīng)工藝分析發(fā)現(xiàn)，變量。經(jīng)工藝分析發(fā)現(xiàn)，塔塔內(nèi)壓力內(nèi)壓力和和塔內(nèi)溫度塔內(nèi)溫度都和餾出都和餾出物純度有單值關(guān)系，可以選物純度有單值關(guān)系，可以選擇其中一個作為被控變量。擇其中一個作為被控變量。過程控制系統(tǒng)與儀表過程控制系統(tǒng)與儀表 第第6章章3、被控變量必須有足夠大的靈敏度、被控變量必須有足夠大的靈敏度分別做塔內(nèi)壓力和塔內(nèi)溫度對餾出物純度的影響分別做塔內(nèi)壓力和塔內(nèi)溫度對餾出物純度的影響試驗，如做塔內(nèi)溫度或壓力與苯純度的關(guān)系試驗。試驗，如做塔內(nèi)溫度或壓力與苯純度的關(guān)系試驗?？梢妷毫蜏囟榷寂c苯的純度呈單值關(guān)系，且靈可見壓力和溫度都與苯的純度呈單值關(guān)系，且靈敏度都較大，都可以作為被控變量。敏度都較大，都可以作為被控變量。壓力固定壓力固定溫度固定溫度固定過程控制系統(tǒng)與儀表過程控制系統(tǒng)與儀表 第第6章章4、選擇被控變量時，必須考慮工藝合理性。選擇被控變量時，必須考慮工藝合理性。從從工工藝藝合合理理性性考考慮慮，塔塔內(nèi)內(nèi)壓壓力力應(yīng)應(yīng)按按最最佳佳分分離離效效率率控制。因此，選擇塔內(nèi)溫度代表純度作被控變量?？刂?。因此，選擇塔內(nèi)溫度代表純度作被控變量。由由于于精精餾餾塔塔很很高高，溫溫度度分分布布不不均均勻勻。塔塔頂頂溫溫度度表表示示塔塔頂頂產(chǎn)產(chǎn)品品純純度度較較準(zhǔn)準(zhǔn)確確，塔塔底底溫溫度度表表示示塔塔底底產(chǎn)產(chǎn)品品純純度度較較準(zhǔn)準(zhǔn)確確。若若設(shè)設(shè)計計一一個個溫溫控控系系統(tǒng)統(tǒng)，只只能能保保證證塔塔頂頂或或塔塔底底一一端端的的產(chǎn)品質(zhì)量。產(chǎn)品質(zhì)量。TT過程控制系統(tǒng)與儀表過程控制系統(tǒng)與儀表 第第6章章被控變量的選擇原則總結(jié)：被控變量的選擇原則總結(jié)：1、將工藝要求控制的參數(shù)直接作為被控變量。將工藝要求控制的參數(shù)直接作為被控變量。2、直接工藝參數(shù)不能作為被控變量時，應(yīng)選擇、直接工藝參數(shù)不能作為被控變量時，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。為被控變量。3、被控變量必須有足夠大的靈敏度。、被控變量必須有足夠大的靈敏度。4、選擇被控變量時，必須考慮工藝合理性。選擇被控變量時，必須考慮工藝合理性。給定值給定值測量變送器測量變送器控制器控制器執(zhí)行器執(zhí)行器對象對象控制變量控制變量被控變量被控變量干擾干擾過程控制系統(tǒng)與儀表過程控制系統(tǒng)與儀表 第第6章章6.2.2.2控制變量選擇控制變量選擇把把用用來來克克服服干干擾擾對對被被控控變變量量的的影影響響、實實現(xiàn)現(xiàn)控控制制作作用用的的變變量量稱稱為為控控制制變變量量或或操操縱縱變變量量。最最常常見見的的操操縱縱變變量量是是介介質(zhì)質(zhì)的的流流量量，也也有有轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)速速、電電壓壓、電電流流等等操操縱變量?？v變量。給定值給定值測量變送器測量變送器控制器控制器執(zhí)行器執(zhí)行器對象對象控制變量控制變量被控變量被控變量干擾干擾過程控制系統(tǒng)與儀表過程控制系統(tǒng)與儀表 第第6章章控制變量的選擇步驟：控制變量的選擇步驟：1、被控變量選定以后，應(yīng)對工藝進行分析，、被控變量選定以后，應(yīng)對工藝進行分析，找出所有影響被控變量的因素。找出所有影響被控變量的因素。2、將影響被控變量的因素分類：可控的、不、將影響被控變量的因素分類：可控的、不可控的；主要的、次要的?？煽氐?；主要的、次要的。熱物料熱物料載熱介質(zhì)載熱介質(zhì)冷物料冷物料熱交換器熱交換器 TT TC如圖，影響物料出如圖，影響物料出口溫度的變量有：口溫度的變量有：載熱載熱介質(zhì)溫度、流量，被加介質(zhì)溫度、流量，被加熱物料入口溫度、流量，熱物料入口溫度、流量，熱交換器換熱條件等。熱交換器換熱條件等。過程控制系統(tǒng)與儀表過程控制系統(tǒng)與儀表 第第6章章q在在諸諸多多影影響響被被控控變變量量的的因因素素中中選選擇擇一一個個對對被被控控變量影響顯著且便于控制的變量，作為控制變量。變量影響顯著且便于控制的變量，作為控制變量。q其它未被選中的因素則視為系統(tǒng)的干擾。其它未被選中的因素則視為系統(tǒng)的干擾。給定值給定值測量變送器測量變送器控制器控制器執(zhí)行器執(zhí)行器對象對象控制變量控制變量被控變量被控變量干擾干擾被控變量被控變量影響變量影響變量過程控制系統(tǒng)與儀表過程控制系統(tǒng)與儀表 第第6章章通過分析對象特性對控制品質(zhì)的影響，可以確通過分析對象特性對控制品質(zhì)的影響，可以確定選擇控制變量的原則。定選擇控制變量的原則。簡單控制系統(tǒng)的傳函框圖為：簡單控制系統(tǒng)的傳函框圖為：X(s)Gc(s)Gv(s)Gf(s)Y(s)F(s)Go(s)Gm(s)X(s)Gc(s)Gv(s)Gf(s)Y(s)F(s)Go(s)Gm(s)框圖標(biāo)準(zhǔn)化：框圖標(biāo)準(zhǔn)化：過程控制系統(tǒng)與儀表過程控制系統(tǒng)與儀表 第第6章章1對象靜態(tài)特性（即放大倍數(shù)）對控制品質(zhì)對象靜態(tài)特性（即放大倍數(shù)）對控制品質(zhì)的影響的影響為推導(dǎo)方便，為推導(dǎo)方便，令：令：Gm(s)=1，Gv(s)=1將框圖簡化為：將框圖簡化為：Gc(s)Gf(s)Go(s)X(s)Y(s)F(s)X(s)Gc(s)Gv(s)Gf(s)Y(s)F(s)Go(s)Gm(s)過程控制系統(tǒng)與儀表過程控制系統(tǒng)與儀表 第第6章章 被控參數(shù)被控參數(shù)y(t)受給定信號受給定信號x(t)和干擾信號和干擾信號f(t)的共的共同影響，系統(tǒng)的傳遞函數(shù)為：同影響，系統(tǒng)的傳遞函數(shù)為：干擾通道干擾通道控制通道控制通道 Gc(s)Gf(s)Go(s)X(s)Y(s)F(s)帶入系統(tǒng)的偏差式：帶入系統(tǒng)的偏差式：E(s)=X(s)-Y(s)過程控制系統(tǒng)與儀表過程控制系統(tǒng)與儀表 第第6章章得：得：系統(tǒng)偏差由系統(tǒng)偏差由控制通道偏差控制通道偏差和和干擾通道偏差干擾通道偏差組成。組成。Gc(s)Gf(s)Go(s)X(s)Y(s)F(s)E(s)=X(s)-Y(s)過程控制系統(tǒng)與儀表過程控制系統(tǒng)與儀表 第第6章章Gc(s)=Kc、Go(s)=Ko/(To s+1)、Gf(s)=Kf /(Tf s+1)得得 Gc(s)Gf(s)Go(s)X(s)Y(s)F(s)設(shè)設(shè)過程控制系統(tǒng)與儀表過程控制系統(tǒng)與儀表 第第6章章vK0越大，控制作用越強，穩(wěn)態(tài)誤差越小；越大，控制作用越強，穩(wěn)態(tài)誤差越小；vKf越大，干擾作用越強，穩(wěn)態(tài)誤差越大。越大，干擾作用越強，穩(wěn)態(tài)誤差越大。結(jié)結(jié)論論：在在諸諸多多影影響響變變量量中中，應(yīng)應(yīng)選選放放大大系系數(shù)數(shù)大大的的變量作為控制變量。變量作為控制變量。討論：討論：Gc(s)Gf(s)Go(s)X(s)Y(s)F(s)過程控制系統(tǒng)與儀表過程控制系統(tǒng)與儀表 第第6章章2對象動態(tài)特性對控制品質(zhì)的影響對象動態(tài)特性對控制品質(zhì)的影響1）干擾通道動態(tài)特性對控制品質(zhì)的影響）干擾通道動態(tài)特性對控制品質(zhì)的影響設(shè)：設(shè)：Gc(s)=Kc、Go(s)=Ko/(To s+1)、Gf(s)=Kf /(Tf s+1)Gc(s)Gf(s)Go(s)X(s)Y(s)F(s)得：得：過程控制系統(tǒng)與儀表過程控制系統(tǒng)與儀表 第第6章章討論：討論：（1）干擾通道的慣性因子（干擾通道的慣性因子（Tf s+1）使干擾作）使干擾作用用緩慢。緩慢。Tf 越大，干擾對被控變量的影響越緩慢，越大，干擾對被控變量的影響越緩慢，越有利于控制。越有利于控制。Gc(s)Gf(s)Go(s)X(s)Y(s)F(s)過程控制系統(tǒng)與儀表過程控制系統(tǒng)與儀表 第第6章章（2）干干擾擾進進入入系系統(tǒng)統(tǒng)的的位位置置離離被被控控變變量量檢檢測測點點越遠(yuǎn)，則越遠(yuǎn)，則Tf 越大，越大，對被控變量的影響越慢對被控變量的影響越慢。Gc(s)Gf(s)Go(s)X(s)Y(s)F(s)過程控制系統(tǒng)與儀表過程控制系統(tǒng)與儀表 第第6章章例例：某某控控制制系系統(tǒng)統(tǒng)中中，干干擾擾f1、f2、f3分分別別在在三三個個位置進入系統(tǒng)。對被控變量的影響為位置進入系統(tǒng)。對被控變量的影響為上試整理后可知：上試整理后可知：f1(t)通道短，對被控變量影響通道短，對被控變量影響快；當(dāng)控制作用見效時，被控變量已經(jīng)變化很大?？?；當(dāng)控制作用見效時，被控變量已經(jīng)變化很大。過程控制系統(tǒng)與儀表過程控制系統(tǒng)與儀表 第第6章章f3(t)通道慣性大，對被控變量影響速度慢通道慣性大，對被控變量影響速度慢，對對動態(tài)偏差影響較小。動態(tài)偏差影響較小。v因此，干擾離被控變量檢測點越遠(yuǎn)，干擾通道因此，干擾離被控變量檢測點越遠(yuǎn)，干擾通道的時間常數(shù)越大，對被控變量的影響越小。的時間常數(shù)越大，對被控變量的影響越小。yty1(t)y1k(t)yty2k(t)y2(t)ty3k(t)y3(t)y過程控制系統(tǒng)與儀表過程控制系統(tǒng)與儀表 第第6章章f 使干擾對被控變量的影響推遲使干擾對被控變量的影響推遲f 時間時間，則控則控制作用也推遲制作用也推遲f 時間時間，整個過渡過程曲線也推遲整個過渡過程曲線也推遲f 時間時間，控制品質(zhì)未變。控制品質(zhì)未變。v干擾通道純滯后干擾通道純滯后f 不影響控制質(zhì)量。不影響控制質(zhì)量。f s中，若中，若Gf(s)含有含有e Gc(s)Gf(s)Go(s)X(s)Y(s)F(s)過程控制系統(tǒng)與儀表過程控制系統(tǒng)與儀表 第第6章章 2）控制通道動態(tài)特性對控制品質(zhì)的影響）控制通道動態(tài)特性對控制品質(zhì)的影響控制通道分純控制通道和共用控制通道：控制通道分純控制通道和共用控制通道：Gc(s)Gf(s)Go(s)X(s)Y(s)F(s)Gc(s)Gf(s)Go1(s)X(s)Y(s)F(s)Go2(s)純控制通道純控制通道共用控制通道共用控制通道過程控制系統(tǒng)與儀表過程控制系統(tǒng)與儀表 第第6章章v純控制通道純控制通道G01的時間常數(shù)的時間常數(shù)T01增大，會使控制速增大，會使控制速度變慢，最大偏差增大。度變慢，最大偏差增大。Gc(s)Gf(s)Go1(s)X(s)Y(s)F(s)Go2(s)yk(t)開環(huán)時被控變量階躍響應(yīng)開環(huán)時被控變量階躍響應(yīng)y1(t)T01較小時被控變量控制曲線較小時被控變量控制曲線y2(t)T01較大時被控變量控制曲線較大時被控變量控制曲線ty2(t)yk(t)y1(t)y過程控制系統(tǒng)與儀表過程控制系統(tǒng)與儀表 第第6章章 Gc(s)Gf(s)Go1(s)X(s)Y(s)F(s)Go2(s)v控制、干擾共用通道控制、干擾共用通道G02中中T02的大小不影響最的大小不影響最大偏差。大偏差。因此，控制通道的時間常數(shù)因此，控制通道的時間常數(shù)T0 小一些好，使小一些好，使控制變量對被控變量的影響迅速，有利于控制?？刂谱兞繉Ρ豢刈兞康挠绊懷杆伲欣诳刂?。過程控制系統(tǒng)與儀表過程控制系統(tǒng)與儀表 第第6章章v純控制通道純控制通道G01的純滯后的純滯后01使控制作用滯后使控制作用滯后01到達，造成控制偏差增大。到達，造成控制偏差增大。Gc(s)Gf(s)Go1(s)X(s)Y(s)F(s)Go2(s)yk(t)tyy(t)01y01(t)yk(t)開環(huán)時被控變量階躍響應(yīng)開環(huán)時被控變量階躍響應(yīng)y(t)無無01時被控變量控制曲線時被控變量控制曲線y01(t)有有01時被控變量控制曲線時被控變量控制曲線過程控制系統(tǒng)與儀表過程控制系統(tǒng)與儀表 第第6章章v控制、干擾共用通道控制、干擾共用通道G02的純滯后使干擾作用滯的純滯后使干擾作用滯后后02產(chǎn)生，控制作用再滯后產(chǎn)生，控制作用再滯后02到達，也造成控制偏到達，也造成控制偏差增大。差增大。因此，控制通道純滯后因此，控制通道純滯后0越小越好。越小越好。yk(t)ty2 20202y02(t)Gc(s)Gf(s)Go1(s)X(s)Y(s)F(s)Go2(s)過程控制系統(tǒng)與儀表過程控制系統(tǒng)與儀表 第第6章章控制變量的選擇原則總結(jié)：控制變量的選擇原則總結(jié)：1、控制通道應(yīng)當(dāng)放大系數(shù)大、時間常數(shù)小、控制通道應(yīng)當(dāng)放大系數(shù)大、時間常數(shù)小、純滯后越小越好。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、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)濟性。且要考慮工藝的合理性與生產(chǎn)的經(jīng)濟性。給定值給定值測量變送器測量變送器控制器控制器執(zhí)行器執(zhí)行器對象對象控制變量控制變量被控變量被控變量干擾干擾過程控制系統(tǒng)與儀表過程控制系統(tǒng)與儀表 第第6章章例例1中中，影影響響儲儲槽槽液液位位的的主主要要因因素素有有：液液體體流流入入量量和和液液體體流流出出量量。這這兩兩個個變變量量影影響響力力相相當(dāng)當(dāng)，根根據(jù)據(jù)工工藝藝要要求求，液液體體流流出出量量可可控控。故故選選液液體體流流出出量量作作為為控控制變量。制變量。QiQo LC LTh過程控制系統(tǒng)與儀表過程控制系統(tǒng)與儀表 第第6章章例例2中中，影影響響出出口口溫溫度度的的主主要要因因素素有有：載載熱熱介介質(zhì)質(zhì)溫溫度度、載載熱熱介介質(zhì)質(zhì)流流量量、冷冷物物料料溫溫度度、冷冷物物料料流流量量等等。顯顯然然，載載熱熱介介質(zhì)質(zhì)流流量量影影響響力力最最大大且且可可控控。故故選選載載熱熱介質(zhì)流量作為控制變量。介質(zhì)流量作為控制變量。熱物料熱物料載熱介質(zhì)載熱介質(zhì)冷物料冷物料熱交換器熱交換器 TT TCQrQiTiTr過程控制系統(tǒng)與儀表過程控制系統(tǒng)與儀表 第第6章章例例3中中，若若選選擇擇塔塔底底溫溫度度作作為為被被控控變變量量。那那么么，影響靈敏板溫度影響靈敏板溫度T靈靈的因素主要有：的因素主要有：TT進料的流量（進料的流量（Q入入）、）、進料的成分（進料的成分（x入入）、）、進料的溫度（進料的溫度（T入入），），回流的流量（回流的流量（Q回回）、）、回流的溫度（回流的溫度（T回回），），加熱蒸汽流量（加熱蒸汽流量（Q蒸蒸）、）、冷凝器冷卻溫度等。冷凝器冷卻溫度等。過程控制系統(tǒng)與儀表過程控制系統(tǒng)與儀表 第第6章章這些影響因素分為可控的和不可控的兩大類：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回流量和蒸汽流量為可控因素其它基本為不可控因素其它基本為不可控因素 TT 過程控制系統(tǒng)與儀表過程控制系統(tǒng)與儀表 第第6章章因為：因為：1、蒸蒸汽汽流流量量對對塔塔底底溫溫度度影影響響比比回回流流量量對對塔塔底底溫溫度度影影響響更更迅迅速速、更更顯著。顯著。2、從從節(jié)節(jié)能能角角度度考考慮慮，控控制制蒸蒸汽汽流流量量比比控控制制回回流量消耗的能量少。流量消耗的能量少。在兩個可控因素中，選蒸汽流量為操縱變量。在兩個可控因素中，選蒸汽流量為操縱變量。TT過程控制系統(tǒng)與儀表過程控制系統(tǒng)與儀表 第第6章章再沸器再沸器回流回流QL塔底產(chǎn)品塔底產(chǎn)品QW精精 餾餾 塔塔 T2C T2T T1C蒸汽蒸汽QS進料進料F塔頂產(chǎn)品塔頂產(chǎn)品QDu2 T1T冷凝器冷凝器回流罐回流罐如果對塔頂和塔底產(chǎn)品成分都要控制，可分別設(shè)如果對塔頂和塔底產(chǎn)品成分都要控制，可分別設(shè)塔頂溫度控制系統(tǒng)和塔底溫度控制系統(tǒng)。但需要采取塔頂溫度控制系統(tǒng)和塔底溫度控制系統(tǒng)。但需要采取解耦措施。解耦措施。過程控制系統(tǒng)與儀表過程控制系統(tǒng)與儀表 第第6章章6.2.3變送器、執(zhí)行器及控制器的選擇變送器、執(zhí)行器及控制器的選擇被控變量、控制變量選定后，就可以確定變送被控變量、控制變量選定后，就可以確定變送器、執(zhí)行器及控制器的型號規(guī)格了。器、執(zhí)行器及控制器的型號規(guī)格了。6.2.3.1傳感器、變送器選擇傳感器、變送器選擇1確定傳感器的類型、量程與精度等級確定傳感器的類型、量程與精度等級根據(jù)工藝狀況確定傳感器的類型和量程，然后根據(jù)工藝狀況確定傳感器的類型和量程，然后根據(jù)工藝要求計算精度要求。根據(jù)工藝要求計算精度要求。給定值給定值測量變送器測量變送器控制器控制器執(zhí)行器執(zhí)行器對象對象控制變量控制變量被控變量被控變量干擾干擾過程控制系統(tǒng)與儀表過程控制系統(tǒng)與儀表 第第6章章2確定變送器的響應(yīng)速度確定變送器的響應(yīng)速度根據(jù)被測量的變化速度選擇變送器的響應(yīng)速度。根據(jù)被測量的變化速度選擇變送器的響應(yīng)速度。若被測量變化快而變送器反應(yīng)慢，會造成測量失真。若被測量變化快而變送器反應(yīng)慢，會造成測量失真。ty(t)0 x(t)TmTm0y(t)x(t)t熱物料熱物料載熱介質(zhì)載熱介質(zhì)冷物料冷物料熱交換器熱交換器 TT TC過程控制系統(tǒng)與儀表過程控制系統(tǒng)與儀表 第第6章章 PHT LT LC PHC中和槽中和槽貯酸槽貯酸槽l04確定變送器是否需要對測量信號進行校正、確定變送器是否需要對測量信號進行校正、補償、噪聲抑制、線性化等特別功能。補償、噪聲抑制、線性化等特別功能。3確定變送器安裝點確定變送器安裝點合理選擇檢測點，避免測量造成純滯后合理選擇檢測點，避免測量造成純滯后0如圖如圖6.15 PH值控制系統(tǒng)中，值控制系統(tǒng)中，PHT安裝點太遠(yuǎn)。安裝點太遠(yuǎn)。過程控制系統(tǒng)與儀表過程控制系統(tǒng)與儀表 第第6章章6.2.3.2執(zhí)行器的選擇執(zhí)行器的選擇1調(diào)節(jié)閥工作區(qū)間的選擇調(diào)節(jié)閥工作區(qū)間的選擇正常工況下，調(diào)節(jié)閥的工作開度應(yīng)在正常工況下，調(diào)節(jié)閥的工作開度應(yīng)在15%85%區(qū)間。據(jù)此原則計算控制閥的口徑尺寸。區(qū)間。據(jù)此原則計算控制閥的口徑尺寸。熱物料熱物料載熱介質(zhì)載熱介質(zhì)冷物料冷物料熱交換器熱交換器 TT TC過程控制系統(tǒng)與儀表過程控制系統(tǒng)與儀表 第第6章章2調(diào)節(jié)閥的流量特性選擇調(diào)節(jié)閥的流量特性選擇按補償對象特性的原則選取，按補償對象特性的原則選取，保持控制系統(tǒng)的保持控制系統(tǒng)的總放大倍數(shù)在工作范圍內(nèi)盡可能恒定?？偡糯蟊稊?shù)在工作范圍內(nèi)盡可能恒定。3調(diào)節(jié)閥的氣開、氣關(guān)作用方式選擇調(diào)節(jié)閥的氣開、氣關(guān)作用方式選擇控制信號中斷時，調(diào)節(jié)閥的復(fù)位位置能使：控制信號中斷時，調(diào)節(jié)閥的復(fù)位位置能使：人員設(shè)備處于安全狀態(tài)人員設(shè)備處于安全狀態(tài)避免產(chǎn)生不合格產(chǎn)品避免產(chǎn)生不合格產(chǎn)品減少原料浪費減少原料浪費其中，人員設(shè)備處于安全狀態(tài)是首要原則。其中，人員設(shè)備處于安全狀態(tài)是首要原則。過程控制系統(tǒng)與儀表過程控制系統(tǒng)與儀表 第第6章章6.2.3.3調(diào)節(jié)器正反作用的選擇調(diào)節(jié)器正反作用的選擇負(fù)負(fù)反反饋饋控控制制系系統(tǒng)統(tǒng)的的控控制制作作用用應(yīng)應(yīng)與與干干擾擾對對被被控控變變量的作用方向相反，才能使被控變量回到給定值。量的作用方向相反，才能使被控變量回到給定值。在在標(biāo)標(biāo)準(zhǔn)準(zhǔn)負(fù)負(fù)反反饋饋控控制制系系統(tǒng)統(tǒng)框框圖圖中中，假假定定控控制制系系統(tǒng)統(tǒng)中中各各環(huán)環(huán)節(jié)節(jié)的的信信號號傳傳遞遞不不改改變變方方向向，控控制制器器的的給給定定輸輸入減去測量輸入就構(gòu)成系統(tǒng)負(fù)反饋。入減去測量輸入就構(gòu)成系統(tǒng)負(fù)反饋。給定值給定值測量變送器測量變送器控制器控制器執(zhí)行器執(zhí)行器對象對象控制變量控制變量被控變量被控變量干擾干擾過程控制系統(tǒng)與儀表過程控制系統(tǒng)與儀表 第第6章章但實際上執(zhí)行器和對象環(huán)節(jié)的信號傳遞有可能但實際上執(zhí)行器和對象環(huán)節(jié)的信號傳遞有可能改變方向，如果不做調(diào)整，會使負(fù)反饋系統(tǒng)變成正改變方向，如果不做調(diào)整，會使負(fù)反饋系統(tǒng)變成正反饋，不但不起控制作用，還會破壞生產(chǎn)的穩(wěn)定。反饋，不但不起控制作用，還會破壞生產(chǎn)的穩(wěn)定。調(diào)節(jié)器正、反作用調(diào)整就是調(diào)整控制器，使之調(diào)節(jié)器正、反作用調(diào)整就是調(diào)整控制器，使之處于處于測量減給定測量減給定狀態(tài)或是狀態(tài)或是給定減測量給定減測量狀態(tài)。狀態(tài)。偏差偏差控制器控制器執(zhí)行器執(zhí)行器對象對象變送器變送器給定值給定值被控變量被控變量干擾干擾測量值測量值過程控制系統(tǒng)與儀表過程控制系統(tǒng)與儀表 第第6章章為了方便確定系統(tǒng)的負(fù)反饋狀態(tài)，要引入作用為了方便確定系統(tǒng)的負(fù)反饋狀態(tài)，要引入作用方向的概念。所謂方向的概念。所謂作用方向作用方向，是指某環(huán)節(jié)輸入變化，是指某環(huán)節(jié)輸入變化后，輸出的變化方向。后，輸出的變化方向。當(dāng)某個環(huán)節(jié)的輸入增加時，其輸出也增加，稱當(dāng)某個環(huán)節(jié)的輸入增加時，其輸出也增加，稱該環(huán)節(jié)為該環(huán)節(jié)為“正作用正作用”；反之，稱為反之，稱為“反作用反作用”。偏差偏差控制器控制器執(zhí)行器執(zhí)行器對象對象變送器變送器給定值給定值被控變量被控變量干擾干擾測量值測量值正、反作用的定義正、反作用的定義過程控制系統(tǒng)與儀表過程控制系統(tǒng)與儀表 第第6章章q氣開閥是正作用，氣關(guān)閥是反作用氣開閥是正作用，氣關(guān)閥是反作用q被控對象有正作用、有反作用被控對象有正作用、有反作用q控制器作用方向以測量輸入與輸出的關(guān)系定義：控制器作用方向以測量輸入與輸出的關(guān)系定義：正作用：測量值正作用：測量值給定值給定值反作用：給定值反作用：給定值測量值測量值 按此定義：按此定義：q變送器都是正作用變送器都是正作用偏差偏差控制器控制器執(zhí)行器執(zhí)行器對象對象變送器變送器給定值給定值被控變量被控變量干擾干擾測量值測量值過程控制系統(tǒng)與儀表過程控制系統(tǒng)與儀表 第第6章章 為了保證控制系統(tǒng)負(fù)反饋，控制器設(shè)置了正、為了保證控制系統(tǒng)負(fù)反饋，控制器設(shè)置了正、反作用切換開關(guān)。負(fù)反饋簡單判定方法：反作用切換開關(guān)。負(fù)反饋簡單判定方法：閉合回路閉合回路中有奇數(shù)個反作用環(huán)節(jié)。中有奇數(shù)個反作用環(huán)節(jié)。反作用反作用正作用正作用正作用正作用正作用正作用給定值給定值測量變送器測量變送器控制器控制器執(zhí)行器執(zhí)行器對象對象控制變量控制變量被控變量被控變量干擾干擾測量測量值值過程控制系統(tǒng)與儀表過程控制系統(tǒng)與儀表 第第6章章例例1：加熱爐出口溫度控制系統(tǒng)：加熱爐出口溫度控制系統(tǒng)負(fù)反饋驗證：設(shè)某時刻燃料壓力負(fù)反饋驗證：設(shè)某時刻燃料壓力燃料流量燃料流量爐溫爐溫出料溫度出料溫度TT輸出輸出 TC測量輸入測量輸入 TC輸出輸出閥關(guān)小閥關(guān)小爐溫爐溫出料溫度出料溫度TTTC反反正正正正正正燃料燃料出料出料進料進料控制器反作用：控制器反作用：給定給定測量測量 過程控制系統(tǒng)與儀表過程控制系統(tǒng)與儀表 第第6章章例例2：儲槽液位控制系統(tǒng)：儲槽液位控制系統(tǒng)負(fù)反饋驗證：負(fù)反饋驗證：設(shè)某時刻進料量設(shè)某時刻進料量液位液位 LT輸出輸出 LC測量測量輸入輸入LC輸出輸出閥開大閥開大出料量出料量液位液位LTLCM正正正正正正反反出料出料進料進料控制器正作用：控制器正作用：測量測量給定給定過程控制系統(tǒng)與儀表過程控制系統(tǒng)與儀表 第第6章章MTTTC蒸汽蒸汽進料進料排水排水加熱加熱換熱器換熱器出料出料q例例3：加熱換熱器出口溫度控制系統(tǒng)：加熱換熱器出口溫度控制系統(tǒng)偏差偏差控制器控制器執(zhí)行器執(zhí)行器對象對象變送器變送器給定值給定值被控變量被控變量干擾干擾正作用正作用反作用反作用正作用正作用正作用正作用+測量值測量值過程控制系統(tǒng)與儀表過程控制系統(tǒng)與儀表 第第6章章MTTTC冷水冷水進料進料排水排水冷卻冷卻換熱器換熱器出料出料q偏差偏差控制器控制器執(zhí)行器執(zhí)行器對象對象變送器變送器給定值給定值被控變量被控變量干擾干擾+正作用正作用正作用正作用反作用反作用正作用正作用-測量值測量值例例4：冷卻換熱器出口溫度控制系統(tǒng)：冷卻換熱器出口溫度控制系統(tǒng)過程控制系統(tǒng)與儀表過程控制系統(tǒng)與儀表 第第6章章6.3調(diào)節(jié)規(guī)律對控制品質(zhì)的影響與調(diào)節(jié)規(guī)律選擇調(diào)節(jié)規(guī)律對控制品質(zhì)的影響與調(diào)節(jié)規(guī)律選擇為為保保證證控控制制系系統(tǒng)統(tǒng)達達到到預(yù)預(yù)期期的的品品質(zhì)質(zhì)指指標(biāo)標(biāo)，應(yīng)應(yīng)根根據(jù)據(jù)對象的特性和工藝要求選擇合適的控制規(guī)律。對象的特性和工藝要求選擇合適的控制規(guī)律?？刂瓶刂破鞯钠鞯目刂埔?guī)律控制規(guī)律即即控制控制器的輸出增量與輸入器的輸出增量與輸入偏差之間的函數(shù)關(guān)系：偏差之間的函數(shù)關(guān)系：u=f(e)給定值給定值測量變送器測量變送器控制器控制器執(zhí)行器執(zhí)行器對象對象控制變量控制變量被控變量被控變量干擾干擾u e過程控制系統(tǒng)與儀表過程控制系統(tǒng)與儀表 第第6章章6.3.1調(diào)節(jié)規(guī)律對控制品質(zhì)影響的分析調(diào)節(jié)規(guī)律對控制品質(zhì)影響的分析要正確選擇調(diào)節(jié)規(guī)律，首先必須了解各調(diào)節(jié)規(guī)要正確選擇調(diào)節(jié)規(guī)律，首先必須了解各調(diào)節(jié)規(guī)律對控制品質(zhì)的影響。調(diào)節(jié)過程的主要品質(zhì)指標(biāo)：律對控制品質(zhì)的影響。調(diào)節(jié)過程的主要品質(zhì)指標(biāo)：衰減率衰減率反映系統(tǒng)的穩(wěn)定性反映系統(tǒng)的穩(wěn)定性振蕩頻率振蕩頻率反映調(diào)節(jié)速度反映調(diào)節(jié)速度余差余差反映穩(wěn)態(tài)精度反映穩(wěn)態(tài)精度最大動態(tài)偏差最大動態(tài)偏差反映動態(tài)精度反映動態(tài)精度yry1y3Cy()TtA過程控制系統(tǒng)與儀表過程控制系統(tǒng)與儀表 第第6章章最簡單的最簡單的調(diào)節(jié)規(guī)律調(diào)節(jié)規(guī)律是位式是位式調(diào)節(jié)規(guī)律調(diào)節(jié)規(guī)律。位式調(diào)節(jié)下，根據(jù)偏差位式調(diào)節(jié)下，根據(jù)偏差 e 的正、負(fù)，的正、負(fù)，調(diào)節(jié)器調(diào)節(jié)器輸輸出只有兩個位置：出只有兩個位置：0或或100%。被控參數(shù)不能穩(wěn)定在。被控參數(shù)不能穩(wěn)定在給定值上。如電加熱爐的位式控制過程：給定值上。如電加熱爐的位式控制過程：tTTHTLtp加熱功率加熱功率過程控制系統(tǒng)與儀表過程控制系統(tǒng)與儀表 第第6章章要要使使控控制制過過程程平平穩(wěn)穩(wěn)準(zhǔn)準(zhǔn)確確，必必須須使使控控制制器器的的輸輸出出能連續(xù)變化，即采用能連續(xù)變化，即采用PID算法進行調(diào)節(jié)。算法進行調(diào)節(jié)。6.3.1.1比例（比例（P）調(diào)節(jié)對系統(tǒng)控制品質(zhì)的影響）調(diào)節(jié)對系統(tǒng)控制品質(zhì)的影響比比例例調(diào)調(diào)節(jié)節(jié)輸輸出出變變化化u(t)與與輸輸入入偏偏差差e(t)成成比比例例關(guān)關(guān)系：系：u(t)=Kc e(t)比比例例帶帶P是是放放大大倍倍數(shù)數(shù)Kc的的倒倒數(shù)數(shù)，其其大大小小決決定定比比例控制作用的強弱。例控制作用的強弱。過程控制系統(tǒng)與儀表過程控制系統(tǒng)與儀表 第第6章章例例 自力式水位比例控制系統(tǒng)自力式水位比例控制系統(tǒng)如如果果某某時時刻刻Q2加加大大，造造成成水水位位下下降降，則則浮浮球球帶帶動活塞提高，使動活塞提高，使Q1加大阻止水位下降。加大阻止水位下降。杠桿杠桿a、b之比例關(guān)系，決定調(diào)節(jié)作用強弱。之比例關(guān)系，決定調(diào)節(jié)作用強弱。如果如果P=a/b越小，活塞越小，活塞動作幅度越大，則調(diào)節(jié)作用動作幅度越大，則調(diào)節(jié)作用越強。越強。uq比例帶比例帶P對控制過程的影響分析對控制過程的影響分析過程控制系統(tǒng)與儀表過程控制系統(tǒng)與儀表 第第6章章 振振蕩蕩逐逐漸漸加加劇劇PPPPPhhhhh P減減小小，控控制制過過程程曲曲線線振蕩周期縮短。振蕩周期縮短。P越越大大，控控制制過過程程曲曲線線越越平平穩(wěn)穩(wěn)，但但控控制制過過程程時時間越長，余差也越大。間越長，余差也越大。P太小，呈等幅振蕩，太小，呈等幅振蕩，這時的比例度稱為臨界這時的比例度稱為臨界比例度比例度Pmin，振蕩頻率，振蕩頻率稱為臨界振蕩頻率稱為臨界振蕩頻率M過程控制系統(tǒng)與儀表過程控制系統(tǒng)與儀表 第第6章章v 比例調(diào)節(jié)過程的特點比例調(diào)節(jié)過程的特點比例調(diào)節(jié)是有差調(diào)節(jié)比例調(diào)節(jié)是有差調(diào)節(jié)，控制結(jié)果控制結(jié)果存在靜差。存在靜差。比比例例調(diào)調(diào)節(jié)節(jié)系系統(tǒng)統(tǒng)的的靜靜差差，隨隨比比例例度度的的增增大大而而增增大大，P越越小小，控控制制作作用用越越強強、余余差差越越小小、系系統(tǒng)統(tǒng)調(diào)調(diào)節(jié)節(jié)越越快、系統(tǒng)穩(wěn)定性越小?？?、系統(tǒng)穩(wěn)定性越小。對定值控制系統(tǒng)的給定值變化實現(xiàn)有差跟蹤。對定值控制系統(tǒng)的給定值變化實現(xiàn)有差跟蹤。yrCy()t過程控制系統(tǒng)與儀表過程控制系統(tǒng)與儀表 第第6章章6.3.1.2 積分與比例積分調(diào)節(jié)對控制質(zhì)量的影響積分與比例積分調(diào)節(jié)對控制質(zhì)量的影響1 1 積分調(diào)節(jié)（積分調(diào)節(jié)（I I）輸出變化量與輸入偏差輸出變化量與輸入偏差e的積分成正比。的積分成正比。TI 積分時間積分時間積分控制的特點：積分控制的特點：積積分分作作用用能能在在偏偏差差消消失失后后將將輸輸出出保保持持，故故能能消消除除余余差差。但但由由于于積積分分是是隨隨時時間間逐逐漸漸增增強強的的，控控制作用緩慢，故積分不單獨使用。制作用緩慢，故積分不單獨使用。ettu過程控制系統(tǒng)與儀表過程控制系統(tǒng)與儀表 第第6章章 2 比例積分調(diào)節(jié)（比例積分調(diào)節(jié)（PI）將比例與積分組合起來，這樣既控制及時，又將比例與積分組合起來，這樣既控制及時，又能消除余差。能消除余差。若偏差是幅值為若偏差是幅值為e 的階躍干擾的階躍干擾ee ttu過程控制系統(tǒng)與儀表過程控制系統(tǒng)與儀表 第第6章章q積分時間積分時間TI對控制過程的影響對控制過程的影響yyyy1.TI太太小小，積積分分作作用用太太強強，系統(tǒng)振蕩劇烈。系統(tǒng)振蕩劇烈。2.TI適適當(dāng)當(dāng)，系系統(tǒng)統(tǒng)能能很很快快消消除余差。除余差。3.TI太太大大，積積分分作作用用太太弱弱，余差消除很慢。余差消除很慢。4.TI=，積分作用為零。，積分作用為零。過程控制系統(tǒng)與儀表過程控制系統(tǒng)與儀表 第第6章章v 比例積分調(diào)節(jié)過程的特點比例積分調(diào)節(jié)過程的特點比比例例積積分分調(diào)調(diào)節(jié)節(jié)是是無無差差調(diào)調(diào)節(jié)節(jié)，控控制制結(jié)結(jié)果果能能消消除靜差。除靜差。TI增增大大，積積分分作作用用減減弱弱，TI=，積積分分作作用為零。用為零。積積分分作作用用會會使使系系統(tǒng)統(tǒng)穩(wěn)穩(wěn)定定性性下下降降。TI越越小小，積積分分作作用用越越強強，被被控控變變量量振振蕩蕩加加劇劇，因因此此，加加積積分分后，比例帶要適當(dāng)加大。后，比例帶要適當(dāng)加大。過程控制系統(tǒng)與儀表過程控制系統(tǒng)與儀表 第第6章章 6.3.1.3比例微分調(diào)節(jié)對系統(tǒng)控制品質(zhì)的影響比例微分調(diào)節(jié)對系統(tǒng)控制品質(zhì)的影響TD 微分時間微分時間 理想微分理想微分1、微分控制（、微分控制（D）ettuq 微分控制的特點：微分控制的特點：微微分分能能在在偏偏差差剛剛出出現(xiàn)現(xiàn)、幅幅值值很很小小但但速速度度較較大大時時，產(chǎn)產(chǎn)生生強強烈烈的的調(diào)調(diào)節(jié)節(jié)作作用用，加加快快系系統(tǒng)統(tǒng)的的調(diào)調(diào)節(jié)節(jié)速速度度。但但微微分分對靜態(tài)偏差無控制作用，因此不能單獨使用。對靜態(tài)偏差無控制作用，因此不能單獨使用。過程控制系統(tǒng)與儀表過程控制系統(tǒng)與儀表 第第6章章2、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：理想的微分作用對高頻干理想的微分作用對高頻干擾太敏感，工業(yè)中常常使用實擾太敏感，工業(yè)中常常使用實際的比例微分作用：際的比例微分作用：eettutu過程控制系統(tǒng)與儀表過程控制系統(tǒng)與儀表 第第6章章yyytttyt TD較較小，控制速度小，控制速度稍快，動態(tài)偏差減小。稍快，動態(tài)偏差減小。TD=0，純比例控制，純比例控制TD太大，太大，等幅振蕩等幅振蕩 TD合適合適，控制速度，控制速度最快，動態(tài)偏差最小。最快，動態(tài)偏差最小。q微分時間微分時間TD對控制過程的影響對控制過程的影響過程控制系統(tǒng)與儀表過程控制系統(tǒng)與儀表 第第6章章v 比例微分調(diào)節(jié)過程的特點比例微分調(diào)節(jié)過程的特點PD調(diào)節(jié)是有差調(diào)節(jié)調(diào)節(jié)是有差調(diào)節(jié)，控制結(jié)果控制結(jié)果存在靜差。存在靜差。PD調(diào)調(diào)節(jié)節(jié)能能抑抑制制系系統(tǒng)統(tǒng)的的振振蕩蕩，使使動動態(tài)態(tài)偏偏差差減減小小，改善了系統(tǒng)品質(zhì)。，改善了系統(tǒng)品質(zhì)。PD調(diào)調(diào)節(jié)節(jié)會會使使系系統(tǒng)統(tǒng)響響應(yīng)應(yīng)速速度度加加快快，增增加加了了系系統(tǒng)統(tǒng)的的穩(wěn)穩(wěn)定定性性。因因此此，加加微微分分后后，比比例例帶帶可可以以適適當(dāng)當(dāng)減減小，從而減小靜差。小，從而減小靜差。微分作用對純滯后沒有作用。微分作用對純滯后沒有作用。過程控制系統(tǒng)與儀表過程控制系統(tǒng)與儀表 第第6章章理想的比例理想的比例積分積分微分控制微分控制eettutu實際的比例實際的比例積分積分微分控制微分控制6.3.1.4 （PID）調(diào)節(jié)對系統(tǒng)控制品質(zhì)的影響）調(diào)節(jié)對系統(tǒng)控制品質(zhì)的影響過程控制系統(tǒng)與儀表過程控制系統(tǒng)與儀表 第第6章章q 特點：在特點：在PID調(diào)節(jié)中，比例作用是基礎(chǔ)；微分調(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?？梢韵o差。q對對于于時時間間常常數(shù)數(shù)大大、控控制制精精度度要要求求高高的的對對象象，用用PID控控制制既既能能快快速速調(diào)調(diào)節(jié)節(jié)，又又能能消消除余差除余差。eettu過程控制系統(tǒng)與儀表過程控制系統(tǒng)與儀表 第第6章章對同一對象，用不同控制規(guī)律時控制過程比較對同一對象，用不同控制規(guī)律時控制過程比較被被控控變變量量t無控制作用無控制作用PPDPIDPI過程控制系統(tǒng)與儀表過程控制系統(tǒng)與儀表 第第6章章6.3.2調(diào)節(jié)規(guī)律的選擇調(diào)節(jié)規(guī)律的選擇1、比例控制（、比例控制（P）適適用用于于控控制制通通道道滯滯后后較較小小、控控制制精精度度要要求求不不高的系統(tǒng)。高的系統(tǒng)。2、比例積分控制（、比例積分控制（PI）適用于控制通道滯后較小、控制精度要求較適用于控制通道滯后較小、控制精度要求較高的系統(tǒng)。高的系統(tǒng)。3、比例微分控制（、比例微分控制（PD）適用于控制通道時間常數(shù)較大的系統(tǒng)。例如適用于控制通道時間常數(shù)較大的系統(tǒng)。例如加熱較慢的溫度控制系統(tǒng)。加熱較慢的溫度控制系統(tǒng)。過程控制系統(tǒng)與儀表過程控制系統(tǒng)與儀表 第第6章章4、比例積分微分控制（、比例積分微分控制（PID）適適用用于于容容量量滯滯后后較較大大、控控制制質(zhì)質(zhì)量量要要求求較較高高的的系系統(tǒng)，應(yīng)用最普遍的是溫度控制系統(tǒng)和成分控制系統(tǒng)。統(tǒng)，應(yīng)用最普遍的是溫度控制系統(tǒng)和成分控制系統(tǒng)。TTTC過程控制系統(tǒng)與儀表過程控制系統(tǒng)與儀表 第第6章章調(diào)節(jié)規(guī)律調(diào)節(jié)規(guī)律優(yōu)優(yōu) 點點缺缺 點點應(yīng)應(yīng) 用用P靈靈敏敏、簡簡單單，只只有有一一個整定參數(shù)個整定參數(shù)存在靜差存在靜差負(fù)負(fù)荷荷變變化化不不顯顯著著，工工藝藝指標(biāo)要求不高的對象。指標(biāo)要求不高的對象。PI能能消消除除靜靜差差，又又控控制制靈敏靈敏對對于于滯滯后后較較大大的的對對象象，比比例例積積分分調(diào)調(diào)節(jié)節(jié)太太慢慢，效效果不好。果不好。應(yīng)應(yīng)用用于于調(diào)調(diào)節(jié)節(jié)通通道道容容量量滯滯后后較較小小、精精度度要要求求高高的的調(diào)調(diào)節(jié)節(jié)系系統(tǒng)統(tǒng)。例例如如，流流量量調(diào)節(jié)系統(tǒng)。調(diào)節(jié)系統(tǒng)。PD能能加加快快調(diào)調(diào)節(jié)節(jié)速速度度，提提高高控控制制系系統(tǒng)統(tǒng)的的穩(wěn)穩(wěn)定定性性，進進而而可可調(diào)調(diào)小小比比例例度度，減小動態(tài)偏差和靜差減小動態(tài)偏差和靜差系系統(tǒng)統(tǒng)對對高高頻頻干干擾擾特特別別敏敏感感，系系統(tǒng)統(tǒng)輸輸出出易易夾夾雜雜高高頻干擾。頻干擾。應(yīng)應(yīng)用用于于調(diào)調(diào)節(jié)節(jié)通通道道容容量量滯滯后后較較大大，但但調(diào)調(diào)節(jié)節(jié)精精度度要要求不高的對象。求不高的對象。PID綜綜合合了了三三種種調(diào)調(diào)節(jié)節(jié)作作用用的優(yōu)點的優(yōu)點對對于于滯滯后后很很大大，負(fù)負(fù)荷荷變變化化很很大大的的對對象象，PID調(diào)調(diào)節(jié)節(jié)也也無無法法滿滿足足要要求求，應(yīng)應(yīng)設(shè)計復(fù)雜調(diào)節(jié)系統(tǒng)設(shè)計復(fù)雜調(diào)節(jié)系統(tǒng)應(yīng)應(yīng)用用于于調(diào)調(diào)節(jié)節(jié)通通道道容容量量滯滯后后較較大大、精精度度要要求求高高的的對象。對象。過程控制系統(tǒng)與儀表過程控制系統(tǒng)與儀表 第第6章章6.4調(diào)節(jié)器參數(shù)的工程整定方法調(diào)節(jié)器參數(shù)的工程整定方法在在控控制制系系統(tǒng)統(tǒng)安安裝裝完完畢畢后后，被被控控對對象象、變變送送器器和和執(zhí)執(zhí)行行器器這這三三部部分分的的特特性性就就完完全全確確定定了了，不不能能任任意意改改變變。只只能能通通過過控控制制器器參參數(shù)數(shù)的的工工程程整整定定，來來調(diào)調(diào)整整控控制制系統(tǒng)的穩(wěn)定性和控制質(zhì)量。系統(tǒng)的穩(wěn)定性和控制質(zhì)量?？乜刂浦破髌鲄?shù)數(shù)的的整整定定：就就是是在在已已定定的的控控制制方方案案下下確確定定控控制制器器參參數(shù)數(shù)值值。具具體體來來說說，就就是是控控制制器器比比例例度度P、積分時間積分時間TI，和微分時間和微分時間TD的確定的確定。過程控制系統(tǒng)與儀表過程控制系統(tǒng)與儀表 第第6章章控制器參數(shù)整定的方法很多，主要有兩類：控制器參數(shù)整定的方法很多，主要有兩類：1、理論計算法、理論計算法2、工程整定法、工程整定法q理理論論計計算算法法是是根根據(jù)據(jù)各各環(huán)環(huán)節(jié)節(jié)特特性性及及控控制制質(zhì)質(zhì)量量的的要要求求，通通過過理理論論計計算算出出控控制制器器的的最最佳佳參參數(shù)數(shù)。這這種種方方法法計計算算繁繁瑣瑣、涉涉及及面面廣廣，很很難難算算準(zhǔn)準(zhǔn)，故故在在工工程程實實踐踐中中長期沒有得到推廣和應(yīng)用。長期沒有得到推廣和應(yīng)用。q工工程程整整定定法法是是在在控控制制系系統(tǒng)統(tǒng)投投運運時時，通通過過試試驗驗探探索索來來確確定定控控制制器器的的最最佳佳參參數(shù)數(shù)。生生產(chǎn)產(chǎn)現(xiàn)現(xiàn)場場經(jīng)經(jīng)常常使使用用這這種方法。種方法。過程控制系統(tǒng)與儀表過程控制系統(tǒng)與儀表 第第6章章6.4.1穩(wěn)定邊界法（臨界比例度法）穩(wěn)定邊界法（臨界比例度法）是是閉閉環(huán)環(huán)整整定定方方法法，根根據(jù)據(jù)純純比比例例控控制制臨臨界界振振蕩蕩試試驗驗所所得得數(shù)數(shù)據(jù)據(jù)（臨臨界界比比例例度度Pm和和振振蕩蕩周周期期Tm），按按經(jīng)經(jīng)驗公式求出調(diào)節(jié)器的整定參數(shù)。驗公式求出調(diào)節(jié)器的整定參數(shù)。（1 1）置置調(diào)調(diào)節(jié)節(jié)器器Ti ，Td=0，比比例例度度P 較較大值，將系統(tǒng)投入運行。大值，將系統(tǒng)投入運行。（2 2）逐逐漸漸減減小小P，加加干干擾擾觀觀察察，直直到到出出現(xiàn)現(xiàn)等等幅幅減減振振蕩蕩為為止止。記記錄錄此此時時的的臨臨界界值值Pm和和Tm。y(t)Tm 系統(tǒng)臨界振蕩曲線系統(tǒng)臨界振蕩曲線t過程控制系統(tǒng)與儀表過程控制系統(tǒng)與儀表 第第6章章v經(jīng)經(jīng)驗驗公公式式符符合合理理論論分分析析的的結(jié)結(jié)果果。如如表表中中PI調(diào)調(diào)節(jié)節(jié)器器的的比比例例度度是是2Pm，P調(diào)調(diào)節(jié)節(jié)器器的的比比例例度度是是2.2Pm，因因為為積分作用積分作用產(chǎn)生一滯后相位，產(chǎn)生一滯后相位，降低了系統(tǒng)的穩(wěn)定度。降低了系統(tǒng)的穩(wěn)定度。根據(jù)根據(jù)Pm和和Tm，按經(jīng)驗公式計算出控制器的參數(shù)按經(jīng)驗公式計算出控制器的參數(shù)整定值。整定值。整定參數(shù)整定參數(shù)調(diào)節(jié)規(guī)律調(diào)節(jié)規(guī)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 穩(wěn)定邊界法整定參數(shù)計算表穩(wěn)定邊界法整定參數(shù)計算表過程控制系統(tǒng)與儀表過程控制系統(tǒng)與儀表 第第6章章q 穩(wěn)定邊界方法在下面兩種情況下不宜采用：穩(wěn)定邊界方法在下面兩種情況下不宜采用：臨臨界界比比例例度度過過小小時時，調(diào)調(diào)節(jié)節(jié)閥閥會會在在全全開開和和全全關(guān)關(guān)位位置置之之間間振振蕩蕩，生生產(chǎn)產(chǎn)工工藝藝可可能能不不容容許許。例例如如，加加熱熱爐爐的燃料閥門若全關(guān)，加熱爐就要熄火。的燃料閥門若全關(guān)，加熱爐就要熄火。對有些對有些工藝參數(shù)，等幅振蕩將影響生產(chǎn)安全。工藝參數(shù)，等幅振蕩將影響生產(chǎn)安全。6.4.2衰減曲線法衰減曲線法 不不需需要要尋尋找找等等幅幅振振蕩蕩狀狀態(tài)態(tài)，只只需需尋尋找找最最佳佳衰衰減減振蕩狀態(tài)即可。振蕩狀態(tài)即可。TsTr過程控制系統(tǒng)與儀表過程控制系統(tǒng)與儀表 第第6章章方法：方法：（1 1）設(shè)調(diào)節(jié)器為純比例作用）設(shè)調(diào)節(jié)器為純比例作用，且比例度較大。且比例度較大。（2 2）階躍改變給定值，觀察調(diào)節(jié)過程曲線。）階躍改變給定值，觀察調(diào)節(jié)過程曲線。（3 3）適適當(dāng)當(dāng)減減小小比比例例度度，重重復(fù)復(fù)上上述述實實驗驗，到到出出現(xiàn)現(xiàn)滿意的滿意的n=4:1或或n=10:1衰減曲線為止。衰減曲線為止。（4 4）記記 下下 比比 例例 度度 P Ps s和和 周周 期期 T Ts s，按按 表表 6-6-2 2（n=4:1）或或表表6-6-3 3（n=10:1）求求得得所所用用調(diào)調(diào)節(jié)節(jié)規(guī)規(guī)律律的整定參數(shù)。的整定參數(shù)。TsTr過程控制系統(tǒng)與儀表過程控制系統(tǒng)與儀表 第第6章章表表6.2 整定參數(shù)計算表（整定參數(shù)計算表（n=4:1）表表6.3 整定參數(shù)計算表（整定參數(shù)計算表（n=10:1）0.1Ts0.3 Ts0.8PsPID 0.5 Ts1.2PsPIPsPTdTiP（%）整定參數(shù)整定參數(shù)調(diào)節(jié)規(guī)調(diào)節(jié)規(guī)律律0.4Ts1.2Tr0.8PsPID 2Tr1.2PsPIPsPTdTiP（%）整定參數(shù)整定參數(shù)調(diào)節(jié)規(guī)調(diào)節(jié)規(guī)律律n=4:1衰減曲線時的比衰減曲線時的比例度例度P Ps s和周期和周期T Ts sn=10:1衰減曲線時的衰減曲線時的比例度比例度P Ps s和周期和周期T Ts s過程控制系統(tǒng)與儀表過程控制系統(tǒng)與儀表 第第6章章6.4.3響應(yīng)曲線法響應(yīng)曲線法屬屬于于開開環(huán)環(huán)整整定定方方法法。以以被被控控對對象象控控制制通通道道的的階階躍躍響響應(yīng)應(yīng)為為依依據(jù)據(jù)，通通過過經(jīng)經(jīng)驗驗公公式式求求取取調(diào)調(diào)節(jié)節(jié)器器的的最最佳佳參參數(shù)數(shù)整定值。整定值。方法：不加控制作用，作控制通道特性曲線。方法：不加控制作用，作控制通道特性曲線。給定值給定值測量變送器測量變送器控制器控制器執(zhí)行器執(zhí)行器對象對象被控變量被控變量過程控制系統(tǒng)與儀表過程控制系統(tǒng)與儀表 第第6章章根根據(jù)據(jù)實實驗驗所所得得響響應(yīng)應(yīng)曲曲線線，找找出出廣廣義義對對象象的的特特性性參參數(shù)數(shù)K0、T0、0，用表，用表6-4的經(jīng)驗公式求整定參數(shù)。的經(jīng)驗公式求整定參數(shù)。T00此方法在不加控制作用的狀態(tài)下進行，對于此方法在不加控制作用的狀態(tài)下進行，對于不允許工藝失控的生產(chǎn)過程，不能使用。不允許工藝失控的生產(chǎn)過程，不能使用。表表6.4 響應(yīng)曲線法整定參數(shù)的公式響應(yīng)曲線法整定參數(shù)的公式0.5020PID3.30PIPTdTiP（%）整定參數(shù)整定參數(shù)調(diào)節(jié)規(guī)調(diào)節(jié)規(guī)律律過程控制系統(tǒng)與儀表過程控制系統(tǒng)與儀表 第第6章章6.4.4 經(jīng)驗法經(jīng)驗法 憑經(jīng)驗湊試。憑經(jīng)驗湊試。其關(guān)鍵是其關(guān)鍵是“看曲線，調(diào)參數(shù)看曲線，調(diào)參數(shù)”。在在閉閉環(huán)環(huán)的的控控制制系系統(tǒng)統(tǒng)中中，憑憑經(jīng)經(jīng)驗驗先先將將控控制制器器參參數(shù)數(shù)放放在在一一個個數(shù)數(shù)值值上上，通通過過改改變變給給定定值值施施加加干干擾擾，在在記記錄錄儀儀上上觀觀察察過過渡渡過過程程曲曲線線，根根據(jù)據(jù)P、TI、TD對對過過渡渡過過程程的的影影響響為為指指導(dǎo)導(dǎo)，對對比比例例度度P 、積積分分時時間間TI和和微微分時間分時間TD逐個整定，直到獲得滿意的曲線為止。逐個整定，直到獲得滿意的曲線為止。v經(jīng)經(jīng)驗驗法法的的方方法法簡簡單單，但但必必須須清清楚楚控控制制器器參參數(shù)數(shù)變變化化對對過過渡渡過過程程曲曲線線的的影影響響關(guān)關(guān)系系。在在缺缺乏乏實實際際經(jīng)經(jīng)驗驗或或過渡過程本身較慢時，往往較為費時。過渡過程本身較慢時，往往較為費時。過程控制系統(tǒng)與儀表過程控制系統(tǒng)與儀表 第第6章章PID整定口訣：整定口訣：參數(shù)整定找最佳，參數(shù)整定找最佳，從小到大順序查。從小到大順序查。先是比例后積分，先是比例后積分，最后再把微分加。最后再把微分加。曲線振蕩很頻繁，曲線振蕩很頻繁，比例度盤要放大。比例度盤要放大。曲線漂浮繞大彎，曲線漂浮繞大彎，比例度盤往小扳。比例度盤往小扳。曲線偏離回復(fù)慢，曲線偏離回復(fù)慢，積分時間往下降。積分時間往下降。曲線波動周期長，曲線波動周期長，積分時間再加長。積分時間再加長。曲線振蕩頻率快，曲線振蕩頻率快，先把微分降下來。先把微分降下來。動差大來波動慢，動差大來波動慢，微分時間應(yīng)加長。微分時間應(yīng)加長。理想曲線兩個波，理想曲線兩個波，前高后低四比一。前高后低四比一。一看二調(diào)多分析，一看二調(diào)多分析，調(diào)節(jié)質(zhì)量不會低。調(diào)節(jié)質(zhì)量不會低。過程控制系統(tǒng)與儀表過程控制系統(tǒng)與儀表 第第6章章6.4.5 6.4.5 幾種整定方法的比較幾種整定方法的比較整定方法整定方法優(yōu)優(yōu) 點點缺缺 點點反應(yīng)曲線法反應(yīng)曲線法方法簡單方法簡單系系統(tǒng)統(tǒng)開開環(huán)環(huán)，被被調(diào)調(diào)量量變變化化較大，影響生產(chǎn)較大，影響生產(chǎn)穩(wěn)定邊界法穩(wěn)定邊界法系統(tǒng)閉環(huán)系統(tǒng)閉環(huán)會出現(xiàn)被調(diào)量等幅振蕩會出現(xiàn)被調(diào)量等幅振蕩衰減曲線法衰減曲線法系統(tǒng)閉環(huán)，安全系統(tǒng)閉環(huán)，安全實驗費時實驗費時經(jīng)驗法經(jīng)驗法系統(tǒng)閉環(huán)，不需計算系統(tǒng)閉環(huán)，不需計算需要經(jīng)驗需要經(jīng)驗過程控制系統(tǒng)與儀表過程控制系統(tǒng)與儀表 第第6章章q注意：注意：同同一一個個系系統(tǒng)統(tǒng)，最最佳佳整整定定參參數(shù)數(shù)可可能能不不是是唯唯一一的的。不不同同的的PID參參數(shù)數(shù)組組合合，有有時時會會得得到到極極為為相相近近的的控控制制結(jié)果。結(jié)果。例例如如某某初初餾餾塔塔塔塔頂頂溫溫度度控控制制系系統(tǒng)統(tǒng)，控控制制器器采采用用以下兩組參數(shù)時：以下兩組參數(shù)時：P 15 TI 7.5min P 35 TI 3 min系系統(tǒng)統(tǒng)都都得得到到10:1的的衰衰減減曲曲線線，超超調(diào)調(diào)量量和和過過渡渡時時間基本相同。間基本相同。過程控制系統(tǒng)與儀表過程控制系統(tǒng)與儀表 第第6章章6.5 簡單控制系統(tǒng)設(shè)計實例簡單控制系統(tǒng)設(shè)計實例 如如圖圖是是奶奶粉粉生生產(chǎn)產(chǎn)工工藝藝中中的的噴噴霧霧式式干干燥燥設(shè)設(shè)備備。此此工藝要求保證奶粉含水量在工藝要求保證奶粉含水量在2%2.5%。6.5.1 生產(chǎn)過程概述生產(chǎn)過程概述已已濃濃縮縮的的奶奶液液從從儲儲槽槽流流下下，經(jīng)經(jīng)過過濾濾后后從從干干燥燥器器頂頂部部噴噴出出。干干燥燥空空氣氣被被加加熱熱后后經(jīng)經(jīng)風(fēng)風(fēng)管管吹吹入入干干燥燥器器。滴滴狀狀奶奶液液在在熱熱風(fēng)風(fēng)中中干干燥燥成成奶奶粉粉，并并被被氣氣流流帶帶出出干干燥燥器。器。過程控制系統(tǒng)與儀表過程控制系統(tǒng)與儀表 第第6章章6.5.2 控制方案設(shè)計控制方案設(shè)計6.5.2.1 被控參數(shù)選擇被控參數(shù)選擇按按工工藝藝要要求求應(yīng)應(yīng)首首選選奶奶粉粉含含水水量量為為被被控控變變量量，但但此類在線測量儀表精度低、速度慢。此類在線測量儀表精度低、速度慢。試試驗驗發(fā)發(fā)現(xiàn)現(xiàn)，奶奶粉粉含含水水量量與與干干燥燥器器出出口口溫溫度度之之間間存存在在