《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 第6章 簡單控制系統(tǒng)的設(shè)計與參數(shù)整定 教學(xué)目的：了解基本概念：簡單控制系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)與組成，調(diào)節(jié)規(guī)律對控制品質(zhì)的影響，調(diào)節(jié)器參數(shù)的工程整定方法。 教學(xué)重點：簡單控制系統(tǒng)的設(shè)計。 教學(xué)難點：檢測環(huán)節(jié)、執(zhí)行器及調(diào)節(jié)器正負(fù)作用的選擇。 6.1簡單控制系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)與組成 組成：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)成的單閉環(huán)控制系統(tǒng)。 LC h LT LT LC 206 后續(xù)字母表示儀表功能 第1位數(shù)字表示工段號 后續(xù)數(shù)字表示儀表序號 第1位字母表示被控參數(shù) 儀表符號標(biāo)準(zhǔn) 簡單控制系統(tǒng)原理方框圖 給定值 ＋ － 測量變送器 控制器 執(zhí)行器 對象 控制變量 被控變量 干擾 控制系統(tǒng)工藝流程圖 熱物料 載熱介質(zhì) 冷物料 熱交換器 TT TC 6.2簡單控制系統(tǒng)設(shè)計 1. 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)的要求可簡要歸納為安全性、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)計包括控制系統(tǒng)方案設(shè)計、工程設(shè)計、工程安裝和儀表調(diào)校、調(diào)節(jié)器參數(shù)整定等四個主要內(nèi)容。 其中控制方案設(shè)計是控制系統(tǒng)設(shè)計的核心。 3. 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 2）建立被控過程的數(shù)學(xué)模型 3）設(shè)計控制方案 4）控制儀表選型 5）實驗（或仿真）驗證 在設(shè)計控制方案時，關(guān)鍵的設(shè)計步驟是被控參數(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 被控參數(shù)（被控變量）——生產(chǎn)過程中希望借助自動控制系統(tǒng)保持恒定（或按一定規(guī)律變化）的工藝參數(shù)。 合理選擇被控參數(shù)，關(guān)系到生產(chǎn)工藝能否穩(wěn)定操作、保證質(zhì)量、保證安全。 被控參數(shù)的選擇原則： 1、將工藝要求控制的工藝參數(shù)直接作為被控變量。 工藝要求儲槽液位穩(wěn)定，那么就應(yīng)設(shè)計以儲槽液位為被控變量的控制系統(tǒng)。 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)計的控制系統(tǒng)就應(yīng)以出口溫度為被控變量。 2、當(dāng)不能用直接工藝參數(shù)作為被控變量時，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 化工精餾產(chǎn)品的純度控制 精餾工藝是利用被分離物中各組分氣化溫度不同，通過加熱，將各組分分離。如圖是苯—甲苯混合液的精餾過程。 工藝要求塔頂或塔底餾出物達(dá)到規(guī)定的純度。按被控變量的選擇原則1，應(yīng)將塔頂或塔底餾出物的組分作為被控變量。但是，沒有合適的在線儀表檢測餾出物的純度。 由于純度不能直接作為被控變量，只能在與餾出物純度有單值關(guān)系的工藝參數(shù)中找合適的參數(shù)作為間接被控變量。經(jīng)工藝分析發(fā)現(xiàn)，塔內(nèi)壓力和塔內(nèi)溫度都和餾出物純度有單值關(guān)系。 分別對塔內(nèi)壓力和塔內(nèi)溫度對餾出物純度的影響做比較試驗。如圖為塔內(nèi)溫度和壓力分別與苯的純度的對應(yīng)關(guān)系（甲苯的對應(yīng)關(guān)系也近似）。 3、被控變量必須有足夠大的靈敏度 此例中壓力和溫度都是單值關(guān)系，且靈敏度都足夠大，都可以作為被控變量。 壓力固定 溫度固定 4、選擇被控變量時，必須考慮工藝合理性。 從工藝合理性考慮，塔內(nèi)壓力應(yīng)按最佳分離效率控制。因此，選擇塔內(nèi)溫度代表純度作被控變量。 由于精餾塔很高，溫度分布不均勻。塔頂溫度表示塔頂產(chǎn)品純度較準(zhǔn)確、塔底溫度表示塔底產(chǎn)品純度較準(zhǔn)確。若設(shè)計一個溫控系統(tǒng)，只能保證塔頂或塔底一端的產(chǎn)品質(zhì)量。 被控參數(shù)的選擇原則： 1、將工藝要求控制的參數(shù)直接作為被控變量。 2、當(dāng)不能用直接工藝參數(shù)作為被控變量時，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，必須考慮工藝合理性。 6.2.2.2控制變量選擇 把用來克服干擾對被控變量的影響、實現(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。 控制變量的確定 被控變量選定以后，應(yīng)對工藝進(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；有些是主要的，有些是次要的。 熱物料 載熱介質(zhì) 冷物料 熱交換器 TT TC 被控變量 影響變量 其它未被選中的因素則視為系統(tǒng)的干擾。 在諸多影響被控變量的因素中選擇一個對被控變量影響顯著且便于控制的變量，作為控制變量。 簡單控制系統(tǒng)的傳函框圖為： F(s) X(s) ＋ － Gc(s) Gv(s) Gf(s) Y(s) Go(s) Gm(s) Gc(s) —控制器的傳遞函數(shù) Go(s) —對象控制通道的傳遞函數(shù) Gf(s) —對象擾動通道的傳遞函數(shù) Gv(s) —執(zhí)行器的傳遞函數(shù) Gm(s) —變送器的傳遞函數(shù) 框圖標(biāo)準(zhǔn)化： Gm(s) X(s) ＋ － Gc(s) Gv(s) Gf(s) Y(s) F(s) Go(s) ＋ ＋ 對象特性對控制品質(zhì)影響的分析： 1．對象靜態(tài)特性（即放大倍數(shù)）對控制品質(zhì)的影響 為推導(dǎo)方便，將框圖簡化為： Gc(s) Gf(s) Go(s) X(s) Y(s) ＋ F(s) ＋ ＋ － 令： Gm(s) =1 Go(s) —廣義控制通道（包括執(zhí)行器和對象）的傳遞函數(shù) 被控參數(shù)y(t)受給定信號x(t)和干擾信號f(t)的共同影響，系統(tǒng)的傳遞函數(shù)為： 系統(tǒng)的偏差為： 得： Ex(s)——控制通道偏差；Ef (s)——干擾通道偏差 系統(tǒng)偏差由控制通道偏差和干擾通道偏差組成。 設(shè)Gc(s)=Kc、 Go(s)=Ko / (Tos+1) 、 Gf(s)= Kf / (Tfs+1) 得： 討論： K0越大，控制作用越強，穩(wěn)態(tài)誤差越小； Kf越大，干擾作用越強，穩(wěn)態(tài)誤差越大。 結(jié)論：在諸多影響變量中，應(yīng)選放大系數(shù)大的變量作為控制變量。 2．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 設(shè)Gc(s)=Kc、 Go(s)=Ko / (Tos+1) 、 Gf(s)= Kf / (Tfs+1) 得： 討論： 干擾通道的慣性因子（Tf s+1）使干擾作用的影響緩慢。 （1）Tf 越大，干擾對被控變量的影響越緩慢，越有利于控制。 （2）干擾進(jìn)入系統(tǒng)的位置離被控變量檢測點越遠(yuǎn)，則Tf 越大，控制偏差越小。 例：某控制系統(tǒng)中，干擾f1、f2、f3分別在三個位置進(jìn)入系統(tǒng)。對被控變量的影響為： f1(t)通道短，對被控變量影響速度快；當(dāng)控制作用見效時，被控變量已經(jīng)變化很大。 f3(t)通道慣性大，對被控變量影響速度慢，對動態(tài)偏差影響較小。 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。 y t y1(t) y1k(t) y t y2k(t) y2(t) t y3k(t) y3(t) y 干擾通道純滯后τf 不影響控制質(zhì)量。 中，若Gf(s)含有 τf 使干擾對被控變量的影響推遲τf 時間，則控制作用也推遲τf 時間，整個過渡過程曲線也推遲τf 時間，控制品質(zhì)未變。 2）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： 純控制通道G01的時間常數(shù)T01增大，會使控制速度變慢，最大偏差增大。 yk(t)——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 y2(t) ——T01較大時被控變量控制曲線 t y2(t) yk(t) y1(t) y 因此，控制通道的時間常數(shù)T0 小一些好，使控制變量對被控變量的影響迅速，有利于控制。 純控制通道G01的純滯后τ01使控制作用滯后τ01到達(dá)，造成控制偏差增大?？刂啤⒏蓴_共用通道G02的純滯后使干擾作用滯后τ02產(chǎn)生后，控制作用再滯后τ02到達(dá)，也造成控制偏差增大。 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)濟性。 例1中，影響儲槽液位的主要因素有：液體流入量和液體流出量。這兩個變量影響力相當(dāng)，根據(jù)工藝要求，液體流出量可控。故選液體流出量作為控制變量。 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。 例3中，若選擇塔底溫度作為被控變量。那么，影響靈敏板溫度T靈的因素主要有： 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： 1. 回流量和蒸汽流量為可控因素 2. 其它基本為不可控因素 在兩個可控因素中，選蒸汽流量為操縱變量。因為： 1、蒸汽流量對塔底溫度影響比回流量對塔底溫度影響更迅速、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。 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)。但需要采取解耦措施。 再沸器 回流QL 塔底產(chǎn)品QW 精 餾 塔 T2C T2T T1C 蒸汽QS 進(jìn)料F 塔頂產(chǎn)品QD u2 T1T 冷凝器 回流罐 6.2.3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，就可以選擇變送器、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 1．按照生產(chǎn)過程的工藝要求，首先確定傳感器的測量范圍（量程）與精度等級。 2．確定傳感器的響應(yīng)速度。測量儀表反應(yīng)慢，會造成測量失真。 3．合理選擇檢測點，避免測量造成純滯后τ0 pHT LT LC pHC 中和槽 貯酸槽 l0 pH值控制系統(tǒng)圖 4．確定測量信號是否需要校正、補償、噪聲抑制、線性化處理等措施。 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)閥的工作開度應(yīng)在15%～85%區(qū)間。據(jù)此原則計算控制的閥口徑尺寸。 2．調(diào)節(jié)閥的流量特性選擇 按補償對象特性的原則選取，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。 3．調(diào)節(jié)閥的氣開、氣關(guān)作用方式選擇 按控制信號中斷時，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)的控制作用對被控變量的影響應(yīng)與干擾作用對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。 為了說明選擇方法，先定義作用方向： 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“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；被控對象有的正作用，有的反作用。 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–給定值 反作用：給定值–測量值 控制系統(tǒng)中，各個環(huán)節(jié)的作用方向組合不當(dāng)?shù)脑?，會使系統(tǒng)構(gòu)成正反饋，不但不能起控制作用，反而會破壞生產(chǎn)過程的穩(wěn)定。 因為執(zhí)行器和對象有正、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。 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。 簡單判定方法：閉合回路中有奇數(shù)個反作用環(huán)節(jié)。 反作用 正作用 正作用 正作用 給定值 ＋ － 測量變送器 控制器 執(zhí)行器 對象 控制變量 被控變量 干擾 測量值 例1：加熱爐出口溫度控制系統(tǒng) TT TC 反 正 正 正 燃料 出料 進(jìn)料 負(fù)反饋驗證： 設(shè)某時刻燃料壓力↑→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↓ 例2：儲槽液位控制系統(tǒng) LT LC M 出料 進(jìn)料 反 正 正 正 負(fù)反饋驗證： 設(shè)某時刻進(jìn)料量↑→液位↑→LC輸入↑→LC輸出↑→閥開大→出料量↑→液位↓ 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 只有根據(jù)對象的特性和工藝要求選擇合適的控制規(guī)律，才能使控制系統(tǒng)達(dá)到預(yù)期的品質(zhì)指標(biāo)。 控制器的作用是根據(jù)偏差，按預(yù)定的控制規(guī)律運算產(chǎn)生輸出信號。控制規(guī)律即控制器的輸出與偏差輸入之間的函數(shù)關(guān)系： u = f ( e ) 6.3.1調(diào)節(jié)規(guī)律對控制品質(zhì)影響的分析 要正確地選擇調(diào)節(jié)規(guī)律，首先必須了解各種調(diào)節(jié)規(guī)律對控制品質(zhì)的影響。 最簡單的調(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)器輸出只有兩個位置：0或100%。 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)、準(zhǔn)確的調(diào)節(jié)，必須采用連續(xù)調(diào)節(jié)規(guī)律。 0 e 100% 調(diào)節(jié)器輸出 兩位式調(diào)節(jié)的特性 對同一對象，用不同控制規(guī)律時控制過程比較 被控變量 t 無控制作用 P PD PID PI 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、控制精度要求不高的系統(tǒng)。 2、比例積分控制（PI） 適用于控制通道滯后較小、控制精度要求較高的系統(tǒng)。 3、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、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)。 調(diào)節(jié)規(guī)律 優(yōu) 點 缺 點 應(yīng) 用 P 靈敏、簡單，只有一個整定參數(shù) 存在靜差 負(fù)荷變化不顯著，工藝指標(biāo)要求不高的對象。 PI 能消除靜差，又控制靈敏 對于滯后較大的對象，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、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 能加快調(diào)節(jié)速度，提高控制系統(tǒng)的穩(wěn)定性，進(jìn)而可調(diào)小比例度，減小動態(tài)偏差和靜差 系統(tǒng)對高頻干擾特別敏感，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)精度要求不高的對象。 PID 綜合了三種調(diào)節(jié)作用的優(yōu)點 對于滯后很大，負(fù)荷變化很大的對象，PID調(diào)節(jié)也無法滿足要求，應(yīng)設(shè)計復(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、精度要求高的對象。 6.4調(diào)節(jié)器參數(shù)的工程整定方法 在控制系統(tǒng)安裝完畢后，被控對象、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。 控制器參數(shù)的整定，就是在已定的控制方案，下確定控制器參數(shù)值。具體來說，就是控制器比例度P、積分時間TI，和微分時間TD的整定。 控制器參數(shù)整定的方法很多，主要有兩大類，一類是理論計算法，另一類是工程整定法。 理論計算的方法是根據(jù)已知的各環(huán)節(jié)特性及控制質(zhì)量的要求，通過理論計算出控制器的最佳參數(shù)。這種方法計算繁瑣、涉及面廣，很難算準(zhǔn)，故在工程實踐中長期沒有得到推廣和應(yīng)用。 工程整定法是在已經(jīng)投運的實際控制系統(tǒng)中，通過試驗或探索，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)場經(jīng)常使用的。 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)臨界振蕩試驗所得數(shù)據(jù)（臨界比例度Pm和振蕩周期Tm），按經(jīng)驗公式求出調(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)驗公式計算出控制器的參數(shù)整定值。 調(diào)節(jié)規(guī)律 整定參數(shù) P（%） Ti Td P 2Pm — — PI 2.2Pm 0.85 Tm — PID 1.7Pm 0.50 Tm 0.125 Tm 經(jīng)驗公式雖然是在實驗基礎(chǔ)上歸納出來的，但它有一定的理論依據(jù)。就以表中PI調(diào)節(jié)器整定數(shù)值為例，可以看出PI調(diào)節(jié)器的比例度較純比例調(diào)節(jié)時增大，這是因為積分作用產(chǎn)生一滯后相位，降低了系統(tǒng)的穩(wěn)定度的緣故。 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，調(diào)節(jié)閥容易游移于全開或全關(guān)位置，對生產(chǎn)工藝不利或不容許。例如，一個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，等幅振蕩將影響生產(chǎn)的安全。 6.4.2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。 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，投入自動運行。 （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)上述實驗，到出現(xiàn)滿意的衰減曲線為止。 記下此時的比例度Ps及周期Ts。n=10:1時，記P’s及Ts （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)律時的整定參數(shù)。 調(diào)節(jié)規(guī)律 整定參數(shù) P（%） Ti Td P Ps — — PI 1.2Ps 0.5Ts — PID 0.8Ps 0.3Ts 0.1Ts 表6.2 衰減比為4:1時，整定參數(shù)計算表 調(diào)節(jié)規(guī)律 整定參數(shù) P（%） Ti Td P P's — — PI 1.2 P's 2Tr — PID 0.8 P's 1.2Tr 0.4Ts 6.4.3響應(yīng)曲線法 屬于開環(huán)整定方法。以被控對象控制通道的階躍響應(yīng)為依據(jù)，通過經(jīng)驗公式求取調(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 ＋ － 測量變送器 控制器 執(zhí)行器 對象 被控變量 根據(jù)實驗所得響應(yīng)曲線，找出廣義對象的特性參數(shù)K0、T0、τ0，用表6-4的經(jīng)驗公式求整定參數(shù)。 調(diào)節(jié)規(guī)律 整定參數(shù) P（%） Ti Td P P's — — PI 3.3 — PID T0 τ0 此方法在不加控制作用的狀態(tài)下進(jìn)行，對于不允許工藝失控的生產(chǎn)過程，不能使用。 6.4.4 經(jīng)驗法 憑經(jīng)驗湊試。 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)驗先將控制器參數(shù)放在一個數(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對過渡過程的影響為指導(dǎo)，對比例度P 、積分時間TI和微分時間TD逐個整定，直到獲得滿意的曲線為止。 經(jīng)驗法的方法簡單，但必須清楚控制器參數(shù)變化對過渡過程曲線的影響關(guān)系。在缺乏實際經(jīng)驗或過渡過程本身較慢時，往往較為費時。 比例度逐漸減小→ 積分時間逐漸減小→ 微分時間逐漸增大→ 6.4.5 幾種整定方法的比較 整定方法 優(yōu) 點 缺 點 反應(yīng)曲線法 方法簡單 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 實驗費時 經(jīng)驗法 系統(tǒng)閉環(huán)，不需計算 需要經(jīng)驗 注意： 同一個系統(tǒng)，最佳整定參數(shù)可能不是唯一的。不同的PID參數(shù)組合，有時會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： P ＝15％ TI ＝7.5min P ＝35％ TI ＝ 3 min 系統(tǒng)都得到10:1的衰減曲線，超調(diào)量和過渡時間基本相同。 6.5 簡單控制系統(tǒng)設(shè)計實例 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。 6.5.2.2 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 若分別以這三個變量為控制變量，可以得到三個不同的控制方案。 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 乳液流量變化f1的作用通道最短；旁路空氣流量變化f2的作用通道增加了3秒的滯后；加熱蒸汽流量變化f3的作用通道又增加了兩個100秒的雙容滯后。 調(diào)節(jié)方案： 方案1：取乳液流量為控制變量（調(diào)節(jié)閥1） 控制通道最短 f2 f3 f1 熱交換器 送風(fēng)管道 干燥器 調(diào)節(jié)閥1 調(diào)節(jié)器 變送器 － r y 方案2：取旁通冷風(fēng)流量為控制變量（調(diào)節(jié)閥2） 由于有送風(fēng)管路的傳遞滯后存在，較方案1多一個純滯后環(huán)節(jié)τ=3s f3 f2 f1 熱交換器 風(fēng)管 干燥器 調(diào)節(jié)閥2 調(diào)節(jié)器 變送器 － r y 方案3：取蒸汽流量為控制變量（調(diào)節(jié)閥3） 熱交換器為雙容特性，因而調(diào)節(jié)通道又多了兩個容量滯后，時間常數(shù)都是T = 100秒。 f3 f2 f1 加熱器 風(fēng)管 干燥器 調(diào)節(jié)閥3 調(diào)節(jié)器 變送器 － r y 控制方案的選擇： 從控制效果考慮，方案1的調(diào)節(jié)通道最短，控制性能最佳；方案2次之，方案3最差。 但從工藝合理性考慮，方案1并不合適。因為乳液量應(yīng)按該裝置的最大生產(chǎn)能力控制，且在濃縮乳液管道上裝調(diào)節(jié)閥，容易使調(diào)節(jié)閥堵塞而影響控制效果。選擇方案2比較合適。即：將調(diào)節(jié)閥裝在旁通冷風(fēng)管道上。 6.5.1.3檢測儀表、調(diào)節(jié)閥及調(diào)節(jié)器調(diào)節(jié)規(guī)律選擇 ①溫度傳感器及變送器選用熱電阻溫度傳感器。為了減少測量滯后，溫度傳感器應(yīng)安裝在干燥器出口處。 ②調(diào)節(jié)閥選擇氣關(guān)型調(diào)節(jié)風(fēng)閥，直線流量特性。 調(diào)節(jié)閥 熱交換器 鼓風(fēng)機 產(chǎn)品 干燥器 蒸汽 乳液 TC TT ③調(diào)節(jié)器 可選模擬式或數(shù)字式調(diào)節(jié)器。根據(jù)控制精度要求（偏差≤±2℃），采用PI或PID調(diào)節(jié)規(guī)律；根據(jù)構(gòu)成控制系統(tǒng)負(fù)反饋的原則，采用反作用方式。 6.5.1.4繪制控制系統(tǒng)圖 f3 f2 f1 熱交換器 風(fēng)管 干燥器 調(diào)節(jié)閥2 調(diào)節(jié)器 變送器 － r y 本章小結(jié) 四個環(huán)節(jié)組成 簡單控制系統(tǒng)的結(jié)構(gòu) 被控變量的選擇 控制變量的選擇 控制參數(shù)的整定 簡單控制系統(tǒng)的設(shè)計 閉環(huán)負(fù)反饋 控制規(guī)律的選擇