《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(jiǎn)單控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與參數(shù)整定 教學(xué)目的：了解基本概念：簡(jiǎn)單控制系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)與組成，調(diào)節(jié)規(guī)律對(duì)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(diǎn)：簡(jiǎn)單控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)。 教學(xué)難點(diǎn)：檢測(cè)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(jiǎn)單控制系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)與組成 組成：由一個(gè)測(cè)量變送器、一個(gè)控制器、一個(gè)控制閥和一個(gè)對(duì)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(hào) 后續(xù)數(shù)字表示儀表序號(hào) 第1位字母表示被控參數(shù) 儀表符號(hào)標(biāo)準(zhǔn) 簡(jiǎn)單控制系統(tǒng)原理方框圖 給定值 ＋ － 測(cè)量變送器 控制器 執(zhí)行器 對(duì)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(jiǎn)單控制系統(tǒng)設(shè)計(jì) 1. 過程控制系統(tǒng)方案設(shè)計(jì)的基本要求 生產(chǎn)過程對(duì)過程控制系統(tǒng)的要求可簡(jiǎn)要?dú)w納為安全性、穩(wěn)定性和經(jīng)濟(jì)性三個(gè)方面。 2. 過程控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)的主要內(nèi)容 過程控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)包括控制系統(tǒng)方案設(shè)計(jì)、工程設(shè)計(jì)、工程安裝和儀表調(diào)校、調(diào)節(jié)器參數(shù)整定等四個(gè)主要內(nèi)容。 其中控制方案設(shè)計(jì)是控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)的核心。 3. 過程控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)的步驟 1）掌握生產(chǎn)工藝對(duì)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(jì)控制方案 4）控制儀表選型 5）實(shí)驗(yàn)（或仿真）驗(yàn)證 在設(shè)計(jì)控制方案時(shí)，關(guān)鍵的設(shè)計(jì)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(dòng)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(chǔ)槽液位穩(wěn)定，那么就應(yīng)設(shè)計(jì)以儲(chǔ)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(jì)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(shí)，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(cè)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(duì)塔內(nèi)壓力和塔內(nèi)溫度對(duì)餾出物純度的影響做比較試驗(yàn)。如圖為塔內(nèi)溫度和壓力分別與苯的純度的對(duì)應(yīng)關(guān)系（甲苯的對(duì)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(shí)，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(jì)一個(gè)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(shí)，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(shí)，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(duì)被控變量的影響、實(shí)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(duì)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(gè)對(duì)被控變量影響顯著且便于控制的變量，作為控制變量。 簡(jiǎn)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(duì)象控制通道的傳遞函數(shù) Gf(s) —對(duì)象擾動(dòng)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(duì)象特性對(duì)控制品質(zhì)影響的分析： 1．對(duì)象靜態(tài)特性（即放大倍數(shù)）對(duì)控制品質(zhì)的影響 為推導(dǎo)方便，將框圖簡(jiǎn)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(duì)象）的傳遞函數(shù) 被控參數(shù)y(t)受給定信號(hào)x(t)和干擾信號(hào)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(qiáng)，穩(wěn)態(tài)誤差越??； Kf越大，干擾作用越強(qiáng)，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(duì)象動(dòng)態(tài)特性對(duì)控制品質(zhì)的影響 1）干擾通道動(dòng)態(tài)特性對(duì)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(duì)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(cè)點(diǎn)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(gè)位置進(jìn)入系統(tǒng)。對(duì)被控變量的影響為： f1(t)通道短，對(duì)被控變量影響速度快；當(dāng)控制作用見效時(shí)，被控變量已經(jīng)變化很大。 f3(t)通道慣性大，對(duì)被控變量影響速度慢，對(duì)動(dòng)態(tài)偏差影響較小。 因此，干擾離被控變量檢測(cè)點(diǎn)越遠(yuǎn)，干擾通道的時(shí)間常數(shù)越大，對(duì)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(duì)被控變量的影響推遲τf 時(shí)間，則控制作用也推遲τf 時(shí)間，整個(gè)過渡過程曲線也推遲τf 時(shí)間，控制品質(zhì)未變。 2）控制通道動(dòng)態(tài)特性對(duì)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(shí)間常數(shù)T01增大，會(huì)使控制速度變慢，最大偏差增大。 yk(t)——開環(huán)時(shí)被控變量階躍響應(yīng) y1(t) ——T01較小時(shí)被控變量控制曲線 y2(t) ——T01較大時(shí)被控變量控制曲線 t y2(t) yk(t) y1(t) y 因此，控制通道的時(shí)間常數(shù)T0 小一些好，使控制變量對(duì)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。控制、干擾共用通道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(shí)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(jì)性。 例1中，影響儲(chǔ)槽液位的主要因素有：液體流入量和液體流出量。這兩個(gè)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(gè)可控因素中，選蒸汽流量為操縱變量。因?yàn)椋? 1、蒸汽流量對(duì)塔底溫度影響比回流量對(duì)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(duì)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(hào)、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(cè)量范圍（量程）與精度等級(jí)。 2．確定傳感器的響應(yīng)速度。測(cè)量?jī)x表反應(yīng)慢，會(huì)造成測(cè)量失真。 3．合理選擇檢測(cè)點(diǎn)，避免測(cè)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(cè)量信號(hào)是否需要校正、補(bǔ)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(jì)算控制的閥口徑尺寸。 2．調(diào)節(jié)閥的流量特性選擇 按補(bǔ)償對(duì)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(hào)中斷時(shí)，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(duì)被控變量的影響應(yīng)與干擾作用對(duì)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(gè)環(huán)節(jié)的輸入增加時(shí)，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(duì)象有的正作用，有的反作用。 控制器作用方向以測(cè)量輸入與輸出的關(guān)系定義： 正作用：測(cè)量值–給定值 反作用：給定值–測(cè)量值 控制系統(tǒng)中，各個(gè)環(huán)節(jié)的作用方向組合不當(dāng)?shù)脑?，?huì)使系統(tǒng)構(gòu)成正反饋，不但不能起控制作用，反而會(huì)破壞生產(chǎn)過程的穩(wěn)定。 因?yàn)閳?zhí)行器和對(duì)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(jiǎn)單判定方法：閉合回路中有奇數(shù)個(gè)反作用環(huán)節(jié)。 反作用 正作用 正作用 正作用 給定值 ＋ － 測(cè)量變送器 控制器 執(zhí)行器 對(duì)象 控制變量 被控變量 干擾 測(cè)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(yàn)證： 設(shè)某時(shí)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(chǔ)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(yàn)證： 設(shè)某時(shí)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(duì)控制品質(zhì)的影響與調(diào)節(jié)規(guī)律選擇 只有根據(jù)對(duì)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(yùn)算產(chǎn)生輸出信號(hào)?？刂埔?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(duì)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(duì)控制品質(zhì)的影響。 最簡(jiǎn)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(gè)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(duì)同一對(duì)象，用不同控制規(guī)律時(shí)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(shí)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(diǎn) 缺 點(diǎn) 應(yīng) 用 P 靈敏、簡(jiǎn)單，只有一個(gè)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(duì)象。 PI 能消除靜差，又控制靈敏 對(duì)于滯后較大的對(duì)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(dòng)態(tài)偏差和靜差 系統(tǒng)對(duì)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(duì)象。 PID 綜合了三種調(diào)節(jié)作用的優(yōu)點(diǎn) 對(duì)于滯后很大，負(fù)荷變化很大的對(duì)象，PID調(diào)節(jié)也無法滿足要求，應(yīng)設(shè)計(jì)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(duì)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(duì)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(shí)間TI，和微分時(shí)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(jì)算法，另一類是工程整定法。 理論計(jì)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(jì)算出控制器的最佳參數(shù)。這種方法計(jì)算繁瑣、涉及面廣，很難算準(zhǔn)，故在工程實(shí)踐中長(zhǎng)期沒有得到推廣和應(yīng)用。 工程整定法是在已經(jīng)投運(yùn)的實(shí)際控制系統(tǒng)中，通過試驗(yàn)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(chǎng)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(yàn)所得數(shù)據(jù)（臨界比例度Pm和振蕩周期Tm），按經(jīng)驗(yàn)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(yùn)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(shí)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(yàn)公式計(jì)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(yàn)公式雖然是在實(shí)驗(yàn)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(shí)增大，這是因?yàn)榉e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(shí)，調(diào)節(jié)閥容易游移于全開或全關(guān)位置，對(duì)生產(chǎn)工藝不利或不容許。例如，一個(gè)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(shí)，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(dòng)運(yùn)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(shí)驗(yàn)，到出現(xiàn)滿意的衰減曲線為止。 記下此時(shí)的比例度Ps及周期Ts。n=10:1時(shí)，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(shí)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(shí)，整定參數(shù)計(jì)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(duì)象控制通道的階躍響應(yīng)為依據(jù)，通過經(jīng)驗(yàn)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(cè)量變送器 控制器 執(zhí)行器 對(duì)象 被控變量 根據(jù)實(shí)驗(yàn)所得響應(yīng)曲線，找出廣義對(duì)象的特性參數(shù)K0、T0、τ0，用表6-4的經(jīng)驗(yàn)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(duì)于不允許工藝失控的生產(chǎn)過程，不能使用。 6.4.4 經(jīng)驗(yàn)法 憑經(jīng)驗(yàn)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(yàn)先將控制器參數(shù)放在一個(gè)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(duì)過渡過程的影響為指導(dǎo)，對(duì)比例度P 、積分時(shí)間TI和微分時(shí)間TD逐個(gè)整定，直到獲得滿意的曲線為止。 經(jīng)驗(yàn)法的方法簡(jiǎn)單，但必須清楚控制器參數(shù)變化對(duì)過渡過程曲線的影響關(guān)系。在缺乏實(shí)際經(jīng)驗(yàn)或過渡過程本身較慢時(shí)，往往較為費(fèi)時(shí)。 比例度逐漸減小→ 積分時(shí)間逐漸減小→ 微分時(shí)間逐漸增大→ 6.4.5 幾種整定方法的比較 整定方法 優(yōu) 點(diǎn) 缺 點(diǎn) 反應(yīng)曲線法 方法簡(jiǎn)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(huì)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(shí)驗(yàn)費(fèi)時(shí) 經(jīng)驗(yàn)法 系統(tǒng)閉環(huán)，不需計(jì)算 需要經(jīng)驗(yàn) 注意： 同一個(gè)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(shí)會(huì)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(shí)： 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(shí)間基本相同。 6.5 簡(jiǎn)單控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)實(shí)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(chǔ)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(gè)變量為控制變量，可以得到三個(gè)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(gè)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(gè)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(gè)容量滯后，時(shí)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?yàn)槿橐毫繎?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(cè)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(cè)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(jī) 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(gè)環(huán)節(jié)組成 簡(jiǎn)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(jiǎn)單控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì) 閉環(huán)負(fù)反饋 控制規(guī)律的選擇