內容提要概述被控變量的選擇操縱變量的選擇控制器控制規律的選擇及參數整定控制規律的選擇控制器參數的工程整定1

控制系統的投運及操作中的常見問題控制系統的投運控制系統操作中的常見問題

第一個問題：控制什么？答：控制工藝要求的指標具體分為兩種情況：1.工藝要求的指標可以直接在線測量

直接控制這個指標就可以了（直接指標控制）控制系統的相關問題2

控制系統的相關問題2.工藝要求的指標不可以直接在線測量

尋找一個于工藝指標有明顯的對應關系，且可以測量的另一個間接指標，通過控制間接指標來達到控制工藝指標的目的（間接指標控制）例如：精餾塔的組分是不能直接在線測量的，通過分析可以發現，當壓力恒定的時候，組分與溫度存在單值對應關系；或者溫度恒定的時候，組分與壓力存在單值對應關系，根據分析，最終可以確定：固定壓力，通過控制溫度來間接控制組分是合理的3

第二個問題：拿什么控制？答：拿一個對被控變量影響較顯著的變量來控。K大一些，T小一些，τ最好為0測量儀表的選用和安裝：量程、材質、精度等滿足工藝要求測量儀表本身要反應快應選擇有代表性位置進行安裝儀表安裝時所用的輔助裝置不應帶來較大的測量滯后(至少要滿足要求)控制系統的相關問題4

執行器的選用和安裝：口徑（流通能力）、材質、結構形式、正反作用、流量特性等滿足要求本身反應快（氣信號不要進行遠距離傳輸、必要時可以采用電氣轉換器、閥門定位器）閥門安裝位置應盡可能靠近被控設備（二者中間不能有很長的工藝管路，否則會人為增大廣義對象的純滯后）控制系統的相關問題5

第三個問題：以什么方式控制？答：沒有標準答案（選擇合適的調節規律）最常用的調節規律：位式控制、P、PI、PD、PID（需要充分理解各種調節規律的特點和適用場合）后續問題：如何整定PID參數？答：臨界比例度法＋衰減曲線法＋經驗湊試法控制系統的相關問題最好的方法就是“經驗”6

第一節概述7

簡單控制系統通常是指由一個測量元件、變送器、一個控制器、一個控制閥和一個對象所構成的單閉環控制系統。圖9-1

液位控制系統圖9-2溫度控制系統

第一節概述8圖9-3簡單控制系統的方塊圖從圖中可知

簡單控制系統由四個基本環節組成，即被控對象、測量變送裝置、控制器和執行器。在該系統中有著一條從系統的輸出端引向輸入端的反饋路線，也就是說該系統中的控制器是根據被控變量的測量值與給定值的偏差來進行控制的。

第二節被控變量的選擇9

生產過程中希望借助自動控制保持恒定值（或按一定規律變化）的變量稱為被控變量。被控變量的界定

它們對產品的產量、質量以及安全具有決定性的作用，而人工操作又難以滿足要求的；人工操作雖然可以滿足要求，但是，這種操作是既緊張而又頻繁的。

第二節被控變量的選擇10明確控制目的使生產過程自動按照預定的目標進行，并使工藝參數保持在預先規定的數值上（或按預定規律變化）分析生產工藝“關鍵”變量：對產品的產量、質量以及生產過程的安全具有決定作用的變量確定被控變量兩種控制類型：直接指標控制和間接指標控制當質量指標信號缺少檢測手段、信號微弱、滯后很大時，可選取與直接質量指標有單值對應關系而反應又快的變量做為間接控制指標。

第二節被控變量的選擇11實例圖9-4

液位控制系統

第二節被控變量的選擇13選擇被控變量的原則（1）被控變量應能代表一定的工藝操作指標或能反映工藝操作狀態，一般是工藝過程中較重要的變量。（2）被控變量在工藝操作過程中經常要受到一些干擾影響而變化。為維持其恒定，需要較頻繁的調節。（3）盡量采用直接指標作為被控變量。當無法獲得直接指標信號，或其測量和變送信號滯后很大時，可選擇與直接指標有單值對應關系的間接指標作為被控變量。

第二節被控變量的選擇（4）被控變量應能被測量出來，并具有足夠大的靈敏度。（5）選擇被控變量時，必須考慮工藝合理性和國內儀表產品現狀。（6）被控變量應是獨立可控的。

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第三節操縱變量的選擇151.操縱變量

在自動控制系統中，把用來克服干擾對被控變量的影響，實現控制作用的變量稱為操縱變量。最常見的操縱變量是介質的流量。操縱變量系統的干擾通過工藝分析確定

第三節操縱變量的選擇16實例圖9-4

液位控制系統

第三節操縱變量的選擇182.對象特性對選擇操縱變量的影響圖9-5干擾通道與控制通道的關系

干擾變量由干擾通道施加在對象上，起著破壞作用，使被控變量偏離給定值；

操縱變量由控制通道施加到對象上，使被控變量回復到給定值，起著校正作用。

第三節操縱變量的選擇（1）對象靜態特性的影響

一般希望控制通道的放大系數KO要大些，對象干擾通道的放大系數Kf小些。（2）對象動態特性的影響①控制通道時間常數的影響

控制通道的時間常數不能過大，否則會使操縱變量的校正作用遲緩、超調量大、過渡時間長。要求對象控制通道的時間常數T小一些，從而獲得良好的控制質量。19

第三節操縱變量的選擇20②控制通道純滯后τ0的影響

控制通道的物料輸送或能量傳遞都需要一定的時間。這樣造成的純滯后τO對控制質量是有影響的。圖9-6所示為純滯后對控制質量影響的示意圖。圖9-6純滯后τ0對控制質量的影響

在選擇操縱變量構成控制系統時，應使對象控制通道的純滯后時間τ0盡量小。

第三節操縱變量的選擇21③干擾通道時間常數的影響

干擾通道的時間常數Tf越大，表示干擾對被控變量的影響越緩慢，越有利于控制。④干擾通道純滯后τf的影響

如果干擾通道存在純滯后τf，控制作用也推遲了時間τf，使整個過渡過程曲線推遲了時間τf，要控制通道不存在純滯后，通常是不會影響控制質量的，如圖9-7所示。圖9-7干擾通道純滯后τf的影響

第三節操縱變量的選擇223.操縱變量的選擇原則①

操縱變量應是可控的，即工藝上允許調節的變量。②

操縱變量一般應比其他干擾對被控變量的影響更加靈敏。

③

在選擇操縱變量時，除了從自動化角度考慮外，還要考慮工藝的合理性與生產的經濟性。

第四節控制器控制規律的選擇及參數整定231.控制規律的選擇圖9-8簡單控制系統簡化方塊圖（1）比例控制器

比例控制器是具有比例控制規律的控制器。對于單元組合儀表適用于

控制通道滯后較小、負荷變化不大、工藝上沒有提出無差要求的系統。

第四節控制器控制規律的選擇及參數整定

控制器的輸出與偏差成比例。當負荷變化時，比例控制器克服干擾能力強、控制及時、過渡時間短。在常用控制規律中，比例作用是最基本的控制規律，不加比例作用的控制規律是很少采用的。純比例控制系統在過渡過程終了時存在余差。負荷變化越大，余差就越大。特點24

第四節控制器控制規律的選擇及參數整定25（2）比例積分控制器比例積分控制器是具有比例積分控制規律的控制器?？烧{整參數比例放大系數KP（或比例度δ）和積分時間TI。適用于控制通道滯后較小、負荷變化不大、工藝參數不允許有余差的系統。

第四節控制器控制規律的選擇及參數整定特點

由于在比例作用的基礎上加上積分作用，而積分作用的輸出是與偏差的積分成比例，只要偏差存在，控制器的輸出就會不斷變化，直至消除偏差為止。積分作用會使穩定性降低，雖然在加積分作用的同時，可以通過加大比例度，使穩定性基本保持不變，但超調量和振蕩周期都相應增大，過渡過程的時間也加長。26

第四節控制器控制規律的選擇及參數整定27（3）比例積分微分控制器

比例積分微分控制器是具有比例積分微分控制規律的控制器，常稱為三作用（PID）控制器。理想的三作用控制器，存在可調整參數比例放大系數KP（或比例度δ）、積分時間TI和微分時間TD。

第四節控制器控制規律的選擇及參數整定特點

微分作用使控制器的輸出與輸入偏差的變化速度成比例，它對克服對象的滯后有顯著的效果。在比例的基礎上加上微分作用能提高穩定性，再加上積分作用可以消除余差。所以，適當調整δ、TI、TD參數，可以使控制系統獲得較高的控制質量。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，應用最普遍的是溫度、成分控制系統。28

第四節控制器控制規律的選擇及參數整定29

目前生產的模擬式控制器一般都同時具有比例、積分、微分三種作用。只要將其中的微分時間TD置于０，就成了比例積分控制器，如果同時將積分時間TI置于無窮大，便成了比例控制器。注意！

第四節控制器控制規律的選擇及參數整定一、臨界比例度法30

按照已定的控制方案，求取使控制質量最好的控制器參數值。即確定最合適的控制器比例度δ、積分時間TI和微分時間TD。方法理論計算的方法和工程整定法。

先通過試驗得到臨界比例度δk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。幾種常用的工程整定法2.控制器參數的工程整定

第四節控制器控制規律的選擇及參數整定31圖9-9臨界振蕩過程控制作用比例度/%積分時間TI/min微分時間TD/min比例比例+積分比例+微分比例+積分+微分2δk2.2δk1.8δk1.7δk0.85Tk0.5Tk0.1Tk0.125Tk表9-1臨界比例度法參數計算公式表特點

比較簡單方便，容易掌握和判斷，適用于一般的控制系統。對于臨界比例度很小的系統不適用。對于工藝上不允許產生等幅振蕩的系統本方法亦不適用。

第四節控制器控制規律的選擇及參數整定二、衰減曲線法32通過使系統產生衰減振蕩來整定控制器的參數值。圖9-10

4∶1和10∶1衰減振蕩過程控制作用δ/%TI/minTD/min比例δs比例+積分1.2δs0.5TS比例+積分+微分0.8δs

0.3TS0.1TS控制作用δ/%TI/minTD/min比例δs′比例+積分1.2δs′2T升比例+積分+微分0.8δs′1.2T升0.4T升表9-2

4∶1衰減曲線法控制器參數計算表表9-3

10∶1衰減曲線法控制器參數計算表

第四節控制器控制規律的選擇及參數整定

在閉環的控制系統中，先將控制器變為純比例作用，并將比例度預置在較大的數值上。在達到穩定后，用改變給定值的辦法加入階躍干擾，觀察被控變量記錄曲線的衰減比，然后從大到小改變比例度，直至出現4∶1或10∶1衰減比為止。通過比例度δs

和衰減周期TS,得到控制器的參數整定值。33

第四節控制器控制規律的選擇及參數整定34（1）加的干擾幅值不能太大，要根據生產操作要求來定，一般為額定值的5％左右，也有例外的情況。（2）必須在工藝參數穩定情況下才能施加干擾，否則得不到正確的δS

、TS或δS′和T升值。（3）對于反應快的系統，如流量、管道壓力和小容量的液位控制等，要在記錄曲線上嚴格得到4∶1衰減曲線比較困難。一般以被控變量來回波動兩次達到穩定，就可以近似地認為達到4∶1衰減過程了。注意！

第四節控制器控制規律的選擇及參數整定三、經驗湊試法

根據經驗先將控制器參數放在一個數值上，直接在閉環的控制系統中，通過改變給定值施加干擾，在記錄儀上觀察過渡過程曲線，運用δ、TI、TD對過渡過程的影響為指導，按照規定順序，對比例度δ、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。35

第四節控制器控制規律的選擇及參數整定36控制對象對象特征δ/%TI/minTD/min流量溫度壓力液位對象時間常數小，參數有波動，δ要大；TI要短；不用微分對象容量滯后較大，即參數受干擾候變化遲緩；δ應小；TI要長；一般需加微分對象的容量滯后一般，不算大，一般不加微分對象時間常數范圍較大。要求不高時，δ可在一定范圍內選取，一般不用微分40～10020～6030～7020～800.3～13～100.4～30.5～3表9-4控制器參數的經驗數據表

第四節控制器控制規律的選擇及參數整定整定的步驟（1）先用純比例作用進行湊試，待過渡過程已基本穩定并符合要求后，再加積分作用消除余差，最后加入微分作用是為了提高控制質量。關鍵看曲線，調參數。37

第四節控制器控制規律的選擇及參數整定38圖9-11三種振蕩曲線比較圖圖9-12比例度過大、積分時間過大時兩種曲線比較圖比例度過小、積分時間過小或微分時間過大，產生的周期性激烈振蕩。如果比例度過大或積分時間過大，過渡過程變化緩慢的情形。

第四節控制器控制規律的選擇及參數整定39（2）先按表9-4中給出的范圍把TI定下來，如要引入微分作用，可取TD＝(1/3～1/4)TI，然后對δ進行湊試，湊試步驟與前一種方法相同。特點

方法簡單，適用于各種控制系統。特別是外界干擾作用頻繁，記錄曲線不規則的控制系統，采用此法最為合適。此法主要是靠經驗，在缺乏實際經驗或過渡過程本身較慢時，往往較為費時。

第四節控制器控制規律的選擇及參數整定

對于同一個系統，不同的人采用經驗湊試法整定，可能得出不同的參數值。在一個自動控制系統投運時，控制器的參數必須整定，才能獲得滿意的控制質量。同時，在生產進行的過程中，如果工藝操作條件改變，或負荷有很大變化，被控對象的特性就要改變，因此，控制器的參數必須重新整定。注意！40

第五節控制系統的投運及操作中的常見問題433.控制器正、反作用的確定

控制器的正反作用是關系到控制系統能否正常運行與安全操作的重要問題。要通過改變控制器的正、反作用，以保證整個控制系統是一個具有負反饋的閉環系統。作用的方向輸入變化后，輸出的變化方向。

正作用方向反作用方向當某個環節的輸入增加時，其輸出也增加，則稱該環節為“正作用”方向。當環節的輸入增加時，輸出減少的稱“反作用”方向。

第五節控制系統的投運及操作中的常見問題測量元件及變送器作用方向一般是“正”的。執行器作用方向取決于是氣開閥還是氣關閥。被控對象作用方向隨具體對象的不同而各不相同?？刂破?/p>

當給定值不變，被控變量測量值增加時，控制器的輸出也增加，稱為“正作用”方向，或者當測量值不變，給定值減小時，控制器的輸出增加的稱為“正作用”方向。反之，如果測量值增加時，控制器的輸出減小的稱為“反作用”方向。44

第五節控制系統的投運及操作中的常見問題45

在一個安裝好的控制系統中，對象的作用方向由工藝機理可以確定，執行器的作用方向由工藝安全條件可以選定，而控制器的作用方向要根據對象及執行器的作用方向來確定，以使整個控制系統構成負反饋的閉環系統。結論

控制器正、反作用的選擇

保證整個控制系統形成負反饋。在控制系統中，控制器、被控對象、測量元件及執行器都有各自的作用方向，一般被控對象、測量元件及執行器的作用方向是固定的，因此為了使系統構成負反饋，應對控制器的正反作用進行調整。

所謂作用方向，就是指輸入變化后，輸出的變化方向。當輸入增加時，輸出也增加，則稱該環節為“正作用”方向；反之，當環節的輸人增加時，輸出減小，則稱該環節為“反作用”方向。何謂“正”、“反”作用？控制器正反作用選擇的基本原則第五節控制系統的投運及操作中的常見問題46

控制器正反作用選擇的步驟1、判斷被控對象的正反作用方向，由工藝