单回路控制

过程控制工程黄钟旺随着生产过程自动化水平的日益提高，以及现代控制理论的发展，控制系统的类型越来越多，复杂程度的差异也越来越大。在这里，只介绍我们化工生产中常见的控制方案。PID类控制方案，包括：单回路PID、串级、前馈、均匀、比值、分程、选择或超驰控制等。而其中简单控制系统即单回路控制是使用最普遍（占85%左右）、结构最简单的一种自动控制系统。简单控制系统的结构与组成所谓简单控制系统，通常是指由一个测量元件、变送器、一个控制器、一个控制阀和一个对象所构成的单闭环控制系统，因此也称为单回路控制系统。LChhspQiQo液位控制系统的组成与方块图液位控制器设定值hsp偏差e(t)+_测量值hm(t)干扰通道++液位传感测量变送器出水控制阀被控变量h(t)控制信号u(t)操纵变量Qo(t)控制通道扰动Qi(t)液体贮罐热交换器的温度控制系统TC蒸汽凝液进料TspTmTRVRF,Tiu(t)热交换器温度控制系统方块图温度控制器设定值Tsp偏差e(t)+_测量值Tm(t)干扰通道++温度测量变送器蒸汽控制阀被控变量T(t)控制信号u(t)蒸汽量RV(t)控制通道扰动RF(t),Ti(t)热交换器一般的单回路控制系统被控变量：温度、压力、流量、液位或料位、成分与物性等六大参数；过程控制系统的重要术语被控变量/受控变量/过程变量需要对其进行控制的工艺变量设定值/给定值控制的工艺变量的目标值操纵变量/操作变量：受执行机构操纵，用于克服扰动影响的变量扰动/扰动变量：影响被控变量的各种扰动作用执行器：接受控制器输出信号控制操纵变量的设备，如调节阀控制器：根据测量值与设定值间的偏差，按照控制规律输出信号的设备单回路控制器控制规律的选择在选择控制器时，不仅要确定控制器的控制规律，而且要确定控制器的正、反作用。一、控制器控制规律的确定1．纯比例控制器纯比例控制器的可调整参数是比例放大系数KP（也叫K值）或比例度（比例带）δ(也用PB表示），对于单元组合仪表（即输入、输出均为标准信号）来说，它们的关系为：控制系统的分类2．比例积分控制器比例积分控制器是具有比例积分控制规律的控制器。它的可调整参数是比例放大系数KP（或比例度δ）和积分时间TI。积分是这样的一种作用，其输出为输入偏差对时间的积分。只要有偏差存在，积分作用就一直是输出变化，因此能够把偏差减小到零。积分的作用就是为了消除余差。3．比例积分微分控制器比例积分微分控制器是具有比例积分微分控制规律的控制器，常称为三作用（PID）控制器。比例积分微分控制器的可调整参数有三个，即比例放大系数KP（比例度δ）、积分时间TI和微分时间TD。PID三个基本参数kp、ki、kd对PID控制作用和影响1、比例控制(P)比例控制(P)是一种最简单的控制方式。其控制器的输出与输入误差信号成比例关系。比例带与比例控制(P)输出的关系如图所示。用MVp运算式的设定举例：PB(比例带)％MVp(操作输出)1=100/1×误差=100×误差50=100/50×误差=2×误差100=100/100×误差=1×误差200=100/200×误差=0.5×误差2、积分（I）控制在积分控制中，控制器的输出与输入误差信号的积分成正比关系。为了消除稳态误差，在控制器中必须引入“积分项”。积分项对误差取决于时间的积分，随着时间的增加，积分项会增大。这样，即便误差很小，积分项也会随着时间的增加而加大，它推动控制器的输出增大使稳态误差进一步减小，直到等于零。因此，比例+积分（PI）控制器，可以使系统在进入稳态后无稳态误差。PID三个基本参数kp、ki、kd对PID控制作用和影响PID三个基本参数kp、ki、kd对PID控制作用和影响3、微分（D）控制在微分控制中，控制器的输出与输入误差信号的微分（即误差的变化率）成正比关系。自动控制系统在克服误差的调节过程中可能会出现振荡甚至失稳。其原因是由于存在有较大惯性组件（环节）或有滞后（delay）组件，具有抑制误差的作用，其变化总是落后于误差的变化。解决的办法是使抑制误差的作用的变化“超前”，即在误差接近零时，抑制误差的作用就应该是零。这就是说，在控制器中仅引入“比例”项往往是不够的，比例项的作用仅是放大误差的幅值，而目前需要增加的是“微分项”，它能预测误差变化的趋势，这样，具有比例+微分的控制器，就能够提前使抑制误差的控制作用等于零，甚至为负值，从而避免了被控量的严重超调。所以对有较大惯性或滞后的被控对象，比例+微分（PD）控制器能改善系统在调节过程中的动态特性。对PID三个基本参数kp、ki、kd的个人概括总结增大比例系数P将加快系统的响应，它的作用于输出值较快，但不能很好稳定在一个理想的数值，不良的结果是虽较能有效的克服扰动的影响，但有余差出现，过大的比例系数会使系统有比较大的超调，并产生振荡，使稳定性变坏。积分能在比例的基础上消除余差，它能对稳定后有累积误差的系统进行误差修整，减小稳态误差。微分具有超前作用，对于具有容量滞后的控制通道，引入微分参与控制，在微分项设置得当的情况下，对于提高系统的动态性能指标，有着显著效果，它可以使系统超调量减小，稳定性增加，动态误差减小。综上所述，P---比例控制系统的响应快速性，快速作用于输出，好比现在（现在就起作用，快），I---积分控制系统的准确性，消除过去的累积误差，好比过去（清除过去积怨，回到准确轨道），D---微分控制系统的稳定性，具有超前控制作用，好比未来（放眼未来，未雨绸缪，稳定才能发展）。控制器控制规律的选择原则通过对上述PID参数的了解，那么，对控制器的选择遵从如下原则：1、对于一些对象控制通道滞后较小，负荷变化不大，工艺要求又不太高的控制系统，可选用比例控制器。象贮罐的液面，以及不太重要的蒸汽压力等控制系统。2.对象控制通道滞后较小，负荷变化不大，但不允许有余差的情况，可选用比例积分控制器。例如流量、管道压力等控制系统往往采用ＰＩ控制器。3.当对象滞后较大，如温度、ＰＨ值等控制系统则需引入微分作用。一般在对象滞后较大，负荷变化也较大，控制质量又要求较高时，可选用比例（P）积分（I）微分（D）控制器。控制器参数的工程整定方法一：经验法（长期的生产实践中总结出来的一种整定方法）系统参数δ(%)TI(min)TD(min)温度流量压力液面20～6040～10030～7020～803～100.1～10.4～30.5～3方法根据经验先将控制器参数放在某些数值上，直接在闭合的控制系统中通过改变给定值以施加干扰，看输出曲线的形状，以δ%、TI、TD，对控制过程的规律为指导，调整相应的参数进行凑试，直到合适为止控制器参数的工程整定方法2-临界比例度法步骤：（1）先将切除PID控制器中的积分与微分作用，取比例增益KC较小值，并投入闭环运行；（2）将KC由小到大变化，对应于某一KC值作小幅度的设定值阶跃响应，直至产生等幅振荡；（3）设等幅振荡时振荡周期为Tcr、控制器增益Kcr，再根据控制器类型选择以下PID参数。控制规律KcTiTdP0.5KcrPI0.45Kcr0.83TcrPID0.6Kcr0.5Tcr0.12Tcr方法3-响应曲线法临界比例度法的局限性：生产过程有时不允许出现等幅振荡，或者无法产生正常操作范围内的等幅振荡。响应曲线法PID参数整定步骤：（1）在手动状态下，改变控制器输出（通常采用阶跃变化），记录被控变量的响应曲线；（2）由开环响应曲线获得单位阶跃响应曲线，并求取“广义对象”的近似模型与模型参数；（3）根据控制器类型与对象模型，选择PID参数并投入闭环运行。在运行过程中，可对增益作调整。控制器参数的工程整定控制器参数的工程整定seTsKsusy1)()(minmax01minmax01uuuuyyyyK典型自衡工业对象的阶跃响应对象的近似模型：对应参数见左图，而增益为：[ymin,ymax]为CV的测量范围；[umin,umax]为MV的变化范围，对于阀位开度通常用0~100%表示。tt0u(t)y(t)y0y1u0u1T0T3T1T2τTp特点：适合于存在明显纯滞后的自衡对象，而且广义对象的阶跃响应曲线可用“一阶+纯滞后”来近似。整定公式：控制规律KCTITDPppTK1PIppTK19.03.3PIDppTK12.10.25.0控制器参数的工程整定控制器正反作用的判断控制器的偏差正反作用选择1、控制器正负偏差的规定控制理论上以及仪表制造厂家规定：正偏差：测量－给定＝偏差负偏差：给定－测量2、正反作用规定：正作用：偏差增加，控制器输出增加（Ｚｍ－Ｓｐ）↑→Ｐｃ↑反作用：偏差增加控制输出减少（Ｚｍ－Ｓｐ）↑→Ｐｃ↓控制器正反作用的判定3、对于测量元件及变送器，其作用方向一般都是“正”的。4、对于执行器，它的作用方向取决于是气开阀还是气关阀（注意不要与执行机构和控制阀的“正作用”及“反作用”混淆）。执行器的气开或气关型式主要应从工艺安全角度来确定。气动薄膜调节阀可分为气关（NO或FO）和气开（NC或FC）两种型式。有信号压力时阀关、无信号压力时阀开的为气关式。反之，为气开式。气开阀是“正”方向。气关阀是“反”方向。5、对于被控对象的作用方向。当操纵变量增加时，被控变量也增加的对象属于“正作用”的。反之，属于“反作用”的。6、控制器的作用方向要根据对象及执行器的作用方向来确定，以使整个控制系统构成负反馈的闭环系统。一、符号法(１)、原理：自控系统正常工作，必须是一个负反馈调节系统，为此各环节乘积必须是正。各环节：调节器，Ｋｃ，调节阀，对象，Ｋｃ·Ｋｐ·Ｋｖ＝正(２)正负号规定：１）控制器反作用为：“正”；正作用为“负”２）气开式调节阀为“正“，气关式为”负“３）对象Ｋｐ：输入增加，输出增加为“正“，反之为”负控制器正反作用的判定液位控制器设定值hsp偏差e(t)+_测量值hm(t)干扰通道++液位传感测量变送器出水控制阀被控变量h(t)控制信号u(t)操纵变量Qo(t)控制通道扰动Qi(t)液体贮罐－＋＋－控制器正反作用的判定举例：假设液位出水控制阀为气开。则KV为正，过程对象KP为负，液位测量单元为正，要使KC*KV*KP*KT=正，则必须KC=负。所以液位控制器为正作用。二、逻辑推理法：１）根据工艺条件确定阀开闭形式２）确定控制器正反作用①首先假定控制器为某一作用，如正作用②分析是否符合设计意图，符合则原假设正确，否则取其反分析：１)判断阀开闭形式，选发阀为气开式２)假定控制器设为正作用分析：①液位h↑→e(t)↑→u（t）↑→Q(t)↑→h（t）↓（原假设符合要求，取正作用）②如果阀为气关，则液位h↑→e(t)↑→u（t）↑→Q(t)↓→h（t）↑（原假设不符合要求，取反作用）控制器正反作用的判定前面的符号判断的规定为教科书上的。大家注意到没有？各环节：调节器，Ｋｃ，调节阀，对象，Ｋｃ·Ｋｐ·Ｋｖ＝正；但是在控制器的正反作用的符号上，又规定控制器反作用为：“正”；正作用为“负”。这很容易混乱概念。这里介绍我读书时的技巧：就是：Ｋｃ·Ｋｐ·Ｋｖ＝负！那么直接的控制器的符号就直观了，控制器反作用为：“负”；正作用为“正”。（这只能在个人理解，正式的答题还得按照教科书的规定）控制器正反作用的判定液位控制器设定值hsp偏差e(t)+_测量值hm(t)干扰通道++液位传感测量变送器出水控制阀被控变量h(t)控制信号u(t)操纵变量Qo(t)控制通道扰动Qi(t)液体贮罐＋＋＋－控制器正反作用的判定举例：假设液位出水控制阀为气开。则KV为正，过程对象KP为负，液位测量单元为正，要使KC*KV*KP*KT=负，则必须KC=正。所以液位控制器为正作用。单回路课程完毕