1、過程控制系統及工程緒論歷經一段時間一般工業生產伴隨物質能量變化連續過程(Continuous Process)批量（間歇）過程(Batch Process)離散過程(Discrete Process)流程工業(Flow Manufacturing Industry)離散制造業(Discrete Industry)。 被控對象被控對象控制變量控制變量設定值設定值x控制器控制器執行器執行器被控對象被控對象測量、變送測量、變送擾動擾動 f被控變量被控變量y反饋量反饋量 z圖圖12 自動控制系統的基本結構自動控制系統的基本結構偏差偏差e控制變量控制變量u是指被控制的裝置或者設備。是指被控制的裝置或者設

2、備。施加給被控對象的信號，使受控對象按照一定施加給被控對象的信號，使受控對象按照一定的規律運行，一般用符號的規律運行，一般用符號u 表示。表示。被控變量被控變量控制系統的輸出，即被控的物理量，一般用符號控制系統的輸出，即被控的物理量，一般用符號y 表示。表示。偏差信號偏差信號擾動信號擾動信號系統的設定值與反饋信號之差稱為偏差，用符號系統的設定值與反饋信號之差稱為偏差，用符號e 表示。表示。使對象輸出偏離設定值的輸入信號。一般用符號使對象輸出偏離設定值的輸入信號。一般用符號f 表示。表示。 設定值設定值x控制器控制器執行器執行器被控對象被控對象測量、變送測量、變送擾動擾動 f被控變量被控變量y反

3、饋量反饋量 z圖圖12 自動控制系統的基本結構自動控制系統的基本結構偏差偏差e控制變量控制變量u設定值（給定值）設定值（給定值）希望系統輸出達到的數值，一般用符號希望系統輸出達到的數值，一般用符號x 表示。表示。2、控制系統的組成、控制系統的組成定值元件定值元件 控制器控制器 執行元件執行元件用來產生設定值或參考輸入。用來產生設定值或參考輸入。 或稱調節器。通過一定的控制規律給出或稱調節器。通過一定的控制規律給出控制量，送到執行元件。控制量，送到執行元件。完成功率轉換或信號轉換，常稱為執完成功率轉換或信號轉換，常稱為執行機構或者執行器。行機構或者執行器。 設定值設定值x控制器控制器執行器執行器

4、被控對象被控對象測量、變送測量、變送擾動擾動 f被控變量被控變量y反饋量反饋量 z圖圖12 自動控制系統的基本結構自動控制系統的基本結構偏差偏差e控制變量控制變量u測量、變送元件測量、變送元件又稱傳感器，用于檢測被控對象的輸出又稱傳感器，用于檢測被控對象的輸出量，并變換成標準信號送到控制器。量，并變換成標準信號送到控制器。 比較元件比較元件用以產生偏差信號用以產生偏差信號2、控制系統的組成、控制系統的組成設定值設定值x控制器控制器執行器執行器被控對象被控對象測量、變送測量、變送擾動擾動 f被控變量被控變量y反饋量反饋量 z圖圖12 自動控制系統的基本結構自動控制系統的基本結構偏差偏差e控制變量

5、控制變量u3 3、 對自動控制系統的基本要求對自動控制系統的基本要求穩定性、精確性和快速性穩定性、精確性和快速性 q 穩定性穩定性 控制系統設計的首要條件控制系統設計的首要條件 系統自身的屬性系統自身的屬性 有界輸入，有界輸出有界輸入，有界輸出q 精確性精確性反映系統的被控變量偏離設定值的程度。反映系統的被控變量偏離設定值的程度。 q 快速性快速性控制系統受到外界的作用后，從一個平衡狀態控制系統受到外界的作用后，從一個平衡狀態達到另一個平衡狀態的時間達到另一個平衡狀態的時間 。 單回路反饋控制系統單回路反饋控制系統 加熱電阻絲加熱電阻絲 工作過程：工作過程：控制器控制器控制閥控制閥被控被控對象

6、對象測量測量變送變送偏差偏差給定給定 測量測量 液位液位給定量位于系統的輸入端，稱為給定量位于系統的輸入端，稱為系統輸入量系統輸入量。 也稱為也稱為參考輸入參考輸入量量（信號）。（信號）。被控制量位于系統的輸出端，稱為被控制量位于系統的輸出端，稱為系統輸出量系統輸出量。 輸出量（全部或一部分）通過測量裝置返回系輸出量（全部或一部分）通過測量裝置返回系 統的輸入端，使統的輸入端，使 之與輸入量進行比較，產生之與輸入量進行比較，產生偏差偏差（給定信號與返回的輸出信號之差（給定信號與返回的輸出信號之差）信號。輸出量的返回過程稱為）信號。輸出量的返回過程稱為反饋反饋。返回的全部或部分輸出信號。返回的全

7、部或部分輸出信號稱為稱為反饋信號反饋信號。 維持被控參數保持在設定值上，偏差越小越好維持被控參數保持在設定值上，偏差越小越好偏差控制：糾正偏差偏差控制：糾正偏差 過程工業中，此類系統占大多數過程工業中，此類系統占大多數按被控參數分類：按被控參數分類： 溫度控制回路、壓力控制回路、溫度控制回路、壓力控制回路、 流量控制回路、物位（液位）控制回路流量控制回路、物位（液位）控制回路常規常規PID控制系統組成控制系統組成 PID控制器 調節閥工藝對象檢測儀表給定值偏差被測變量A/DD/A PID控制器：它是各類自動控制系統的核心部分。由于控制對象的不同，以及對系統靜、動態特性的要求和應用的控制規則的不

8、同，可以構成各種類型P, PI, PID控制器。 比例（P）控制器：適用于調節通道滯后較小、負荷變化不大、工藝上沒有提出無差要求的系統。如：中間儲罐液位、精餾塔塔釜液位以及不太重要的蒸汽壓力。 比例積分(PI)控制器：它適用于調節通道滯后較小、負荷變化不大、工藝參數不允許有余差的系統系統。例如流量、壓力和要求嚴格的液位控制系統，常采用比例積分控制器。 比例積分(PI)控制器是使用最多、應用最廣的控制器。 比例積分微分（PID）控制器：適用于容量滯后較大、負荷變化大、控制質量要求較高的系統，目前應用較多的是溫度系統。常規常規PIDPID控制系統控制系統 常規PID（Proportional In

9、tegral Derivative）控制器是過程控制中應用最為廣泛最基本的一種控制器，它具有簡單、穩定性好、可靠性高的特點，而且PID調節規律對相當多的工業控制對象，特別是對于線性定常系統的控制非常有效。 即使在現代控制技術飛速發展的今天，仍有90%以上的控制回路采用PID控制。由于計算機的廣泛使用，控制器的實現大都有微機實現控制算法。PID控制算法控制算法 PID算法是根據給定值SP與實際輸出值PV構成控制偏差e(t)=SP-PV，將偏差的比例(P)、積分(I)和微分(D)通過線性組合構成控制量，對被控對象進行控制，其控制規律為：比例作用比例作用 比例部分：由數學表達式Kpe(t)表示，比例

10、系數Kp越大，則過渡過程越快，控制結果的靜態偏差也越小;但Kp越大，也越容易產生振蕩。因此，比例系數Kp選擇必須恰當，才能取得過渡時間少，靜差小而又穩定的結果。 積分作用積分作用 從積分部分的數學表達式可以知道，只要存在偏差，它的控制作用就會不斷增加;只有在偏差e(t)=0時，它的積分才會為一個常數。 可見，積分部分的作用可以消除系統的偏差。積分時間Ti對積分的作用影響極大。當Ti較大時，積分作用較弱;這時系統的過渡時間不會產生振蕩;但是消除偏差的時間較長。當Ti較小時，則積分作用較強，系統過渡時間中有可能產生振蕩，不過消除偏差的時間較短。微分作用微分作用 微分部分的作用由微分時間Td決定;T

11、d越大，它抑制偏差e (t)變化的作用越強;Td越小，它反抗偏差e(t)變化的作用越弱。微分部分顯然對系統的動態過程有很大的作用。PID參數的整定參數的整定 P I D控制器參數整定的實質是，尋找或者選擇控制器的三項參數值，使控制器的特性與被控過程的特性得到良好的匹配，從而使控制系統的特性滿足期望的目標。 P I D控制器參數整定的方法很多，工程上常用的方法有：臨界比例度法、衰減曲線法、經驗湊試法臨界比例度法臨界比例度法 臨界比例度法：先通過試驗得到臨界比例度k和臨界周期TK，然后根據經驗總結出來的關系求出控制器各參數值。 具體做法：先只加純比例作用，在干擾作用下，從大到小逐漸改變比例度，直到

12、系統產生等幅振蕩，這時的比例度叫臨界比例度k，振蕩周期為臨界周期TK，然后按下表的計算公式計算出控制器的各參數整定數值。臨界比例度法參數計算公式表臨界比例度法參數計算公式表控制作用比例度/% 積分時間/min微分時間/minP2 kPI2.2k0.85TKPID1.7k0.5TK0.125TK衰減曲線法衰減曲線法 衰減曲線法是通過使系統產生衰減振蕩來整定控制器的參數值的。 具體做法：先只加純比例作用，將控制器比例度放在較大的數值上，在達到穩定后，用改變給定值的辦法加入階躍干擾，觀察記錄曲線的衰減比，然后從大到小改變比例度，直至出現4：1衰減比為止，記下此時的比例度s，并從曲線上得出衰減周期TS

13、，然后按下表的計算公式計算出控制器的各參數整定數值。衰減曲線法法參數計算公式表衰減曲線法法參數計算公式表控制作用比例度/% 積分時間/min微分時間/minPSPI1.2S0. 5TSPID0.8S0.3TS0.1TS經驗湊試法經驗湊試法 經驗湊試法是長期的生產實踐中總結出來的一種整定方法。它是根據經驗先將控制器參數放在一個數值上，通過改變給定值施加干擾，在記錄儀上觀察過渡過程曲線，按照規定順序，對比例度、積分時間Ti和微分時間Td逐個整定，直到獲得滿意的過渡過程為止。經驗數據表經驗數據表被控變量特點/%Ti/minTd/min流量對象時間常數小，參數有波動，401000.31溫度對象容量滯后

14、較大20603100.53壓力對象容量滯后一般30700.43液位對象時間常數范圍較大，2080過程控制系統及工程第二章第二章 串級控制系統串級控制系統 TC 分析干擾：分析干擾：情況一，情況一， TCFC串級控制系統：串級控制系統：特點：特點： TCFC溫度控制器流量控制器流量控制器控制閥控制閥流量對象流量對象溫度對象溫度對象溫度變送器溫度變送器流量變送器流量變送器 流量控制器：流量控制器：“粗調粗調” 溫度控制器：溫度控制器：“細調細調” 蒸汽流量突然增大蒸汽流量突然增大（一段時間：提餾段溫度不變，（一段時間：提餾段溫度不變，溫度控制器輸出不變，流量控制器設定值不變，但流溫度控制器輸出不變

15、，流量控制器設定值不變，但流量測量增大量測量增大（流量控制器正偏差，流量控制器輸出（流量控制器正偏差，流量控制器輸出減小，控制閥關小）減小，控制閥關小）蒸汽流量減小，削弱對提餾段蒸汽流量減小，削弱對提餾段溫度的影響）溫度的影響） 提餾段溫度緩慢上升提餾段溫度緩慢上升（溫度控制器正偏差，溫（溫度控制器正偏差，溫度控制器輸出減小，輸出到流量控制器的設定值減?。┒瓤刂破鬏敵鰷p小，輸出到流量控制器的設定值減小）流量控制器設定值減小，流量控制閥開度進一步減流量控制器設定值減小，流量控制閥開度進一步減小。小。FCFCspsp結論：結論： 溫度控制器流量控制器流量控制器控制閥控制閥流量對象流量對象溫度對象溫

16、度對象溫度變送器溫度變送器流量變送器流量變送器因此，主控制器的符號主要取決于主對象的符號，即，因此，主控制器的符號主要取決于主對象的符號，即，主對象為主對象為“正正”，則主控制器取，則主控制器取“反反”作用，主對象作用，主對象為為“負負”，則主控制器取，則主控制器取“正正”作用作用 例例1 1P48 圖圖2-7 加熱爐出口溫度與燃料壓力的串級控制系統加熱爐出口溫度與燃料壓力的串級控制系統PCTC副控制器：副控制器： 控制閥選控制閥選“氣開氣開”式式正正 副對象，壓力對象，閥門開大，負，反作用副對象，壓力對象，閥門開大，負，反作用 壓力上升壓力上升正正 變送器一般均為正變送器一般均為正主控制器：

17、主控制器： 副環副環正正 主對象，溫度對象，主對象，溫度對象， 燃料壓力增大時，燃料量增加，負，反作用燃料壓力增大時，燃料量增加，負，反作用 出口溫度上升出口溫度上升正正例例2 2精餾塔提餾段溫度與再沸器加熱蒸汽流量串級控制系統精餾塔提餾段溫度與再沸器加熱蒸汽流量串級控制系統FCTC副控制器：副控制器： 控制閥選控制閥選“氣閉氣閉”式式負負 正對象，流量對象，閥門開大，正對象，流量對象，閥門開大， 流量增大流量增大正正 變送器一般均為正變送器一般均為正主控制器：主控制器： 副環副環正正 主對象，溫度對象，主對象，溫度對象， 蒸汽流量增大時，加熱量增加，蒸汽流量增大時，加熱量增加， 提餾段溫度上

18、升提餾段溫度上升正正 過程控制系統及工程第三章第三章 比值控制系統比值控制系統 12FFK (a)(a)原理圖原理圖FCF1F2(b)(b)方塊圖方塊圖3.2.1 開環比值控制系統開環比值控制系統控制器控制器控制閥控制閥對象對象F2測量變送測量變送F1本質：整個控制系統處于開環狀態，本質：整個控制系統處于開環狀態，F2流量根據流量根據F1流量，流量， 按比例系數開閉閥門按比例系數開閉閥門場合：這種方案應用較少場合：這種方案應用較少優點：簡單，儀表少優點：簡單，儀表少缺點：系統開環，缺點：系統開環，F2波動時比值難以保證波動時比值難以保證3.2.2 單閉環比值控制系統單閉環比值控制系統 在開環比值控制系統的基礎上，增加了一個在開環比值控制系統的基礎上，增加了一個副流量的閉環控制系統副流量的閉環控制系統