5常规过程控制策略

13第5章常规过程控制策略♦开关控制的基本工作原理及特点♦PLC控制工业过程的一般设计方法♦PID控制的基本工作原理及特点♦改进型PID控制算法主要内容♦各种PID控制器参数整定方法♦控制器的控制规律选择♦过程控制系统的投运与维护2控制器测量变送被控过程执行器r(t)e(t)u(t)q(t)f(t)y(t)z(t)-控制器是硬件和软件的结合体从硬件上来说，过程控制中最常用控制器有：可编程控制器（PLC）数字调节器（DigitalRegulator)工控机（IPC）集散控制系统（DCS）从软件上体现的是各种过程控制策略第5章常规过程控制策略3过程控制策略开关控制PID控制智能控制控制器接受了输入的偏差信号后，控制器的输出随输入变化的规律，用数学式来表示，即为：控制器+－exzp()pfe第5章常规过程控制策略45.1开关控制1.开关控制基本规律动作规律为：开关控制只有两个输出值（pmax，pmin），相应的控制机构也只有两个极限位置，不是开就是关。开关量启停、切换、联锁……55.1开关控制VHH0：HH0：流体与电极未接触，继电器断路，电磁阀全开，流体流入贮槽，液位上升。流体与电极相接触，继电器通路，电磁阀全关，流体不再流入贮槽，液位下降。EX1:电极式开关控制液位计结构电极、继电器、电磁阀工作过程65.1开关控制2.开关控制局限性调节机构的动作过于频繁，会使运动部件损坏，从而很难保证双位控制系统安全、可靠地工作。实际生产中给定值也总是有一定允许偏差的，某些情况下，只要求被控变量维持在某一个比较大的范围内就可以了。eminemax被控变量下降时eemax阀门关开被控变量上升时eemin阀门开关其他情况下，阀门不动作75.1开关控制5.1.1PLC简介开关量模拟量其他量调节阀接触器执行装置85.1开关控制95.1开关控制5.1.2PLC在过程控制中的应用1.PLC控制系统设计步骤1）功能设计2）结构设计3）梯形图设计4）编程设计5）调试运行105.1开关控制2.PLC梯形图设计E-1E-2P-2P-4P-6P-7P-8P-7A泵B泵水压开关PLPHP-1EX2:PLC用于水泵控制接通启动开关，允许A泵、B泵供水。1）功能设计当A泵工作时P＜PL，则启动B泵。当A、B泵同时工作时P＞PH，则关闭B泵。首次启动时，A泵启动10s后，B泵才能启动关断启动开关，关停A泵、B泵。115.1开关控制2）结构设计输入装置元件号启动开关I0.0水压下限开关I0.1水压上限开关I0.2定时装置定时时间T3710s输出装置元件号A泵Q0.0B泵Q0.1125.1开关控制3）梯形图设计EX3:PLC用于啤酒发酵过程的控制135.2PID控制比例作用(Proportional)积分作用(Integral)微分作用(Derivative)PID控制本质上是一种连续的负反馈控制，特别适用于过程的动态性能良好而且控制性能要求不太高的情况。145.2PID控制比例控制规律表达式：KCΔpe(t)z(t)+_x(t)e(t)ΔpAKc*A1.比例控制规律及特点CpKe一、比例控制控制器的输出变化量与输入偏差信号的大小成比例155.2PID控制根据响应曲线，能否发现比例控制器的显著特点？属于有差调节e(t)ΔpAKc*A特点1（1）只要偏差e不为零，控制器就会有输出。利用偏差实现控制（2）只能使系统被控量输出近似跟踪给定值。产生余差思考165.2PID控制比例增益KC的变化对过渡过程的影响是如何？思考特点2KC大：余差小，稳定性差KC小：余差大，稳定性好余差和稳定性是一对矛盾要统筹兼顾175.2PID控制2.比例控制的适用性跟踪误差会随时间的增大而增大。适用于控制通道滞后小，负荷变化不大，控制要求不高，被控参数在一定范围内允许有余差的定值控制场合。定值控制系统随动控制系统实现被控量对给定值的有差跟踪。185.2PID控制KI——积分速度积分p(t)e(t)z(t)+_x(t)二、积分控制1.积分控制规律及特点积分控制规律表达式：IdpKetI1dpetTTI——积分时间控制器的输出变化量与输入偏差信号的积分成比例195.2PID控制IdpKetAKIA微分积分控制器输出的变化速度与偏差成正比偏差存在，输出就会变化，控制机构就要动作；偏差消除，输出不再变化，控制机构停止动作。在达到稳定时，偏差必然等于零。IddpKet特点1属于无差调节能够消除余差205.2PID控制积分控制输出信号的大小偏差信号的大小偏差存在的时间长短积分控制的输出取决于哪些因素？思考IdpKetAKIA特点2控制作用不及时，系统的动态品质变差，过渡过程比较缓慢。牺牲了动态品质来换取稳态性能的改善215.2PID控制2.比例积分控制规律及特点比例积分控制比例控制规律：控制作用快，有余差结合积分控制规律：控制作用慢，消除余差（PI)I1(d)TCpKeetITCPICKpppKAAt比例积分控制规律表达式：225.2PID控制特点1PI控制结合P控制的快速反应与I控制的消除稳态误差。ITCPICKpppKAAt粗调：偏差出现时，比例作用迅速反应输入的变化；细调：积分作用使输出逐渐增加，最终消除稳态误差。235.2PID控制积分时间TI的变化对过渡过程的影响是如何？思考特点2TI大：余差消除慢，稳定性好TI小：余差消除快稳定性差压力、流量对象等：TI可小一点温度对象：TI可大一些245.2PID控制PI控制器输入一个如图所示幅值为A方波信号，画出控制器的输出的波形。（KC＝1，Ti＝1min）e(t)A2431minA03A2A2Ap(t)min1234EX4:PI控制器的输出计算ITCPICKpppKAAt255.2PID控制三、微分控制1.微分控制规律及特点微分控制规律表达式：dedtDpT控制器的输出变化量与输入偏差信号的变化速度成比例265.2PID控制tOe△e=AtOpOtptOe△e=At△p=TDA下面两种输入情况下，PI控制输出如何变化？思考特点（1）偏差e出现变化的瞬间，产生剧烈调节作用。超前控制。（2）偏差存在但不变化时，控制器输出为0。对静态偏差毫无控制能力。275.2PID控制2.比例微分控制规律及特点de()dtPDCDpppKeT比例微分控制规律表达式：AAKDAettptp△e=A(1)DDKtTPDDpppAAKeKDA通常取1微分放大倍数，一般是确定数值。衰减函数，TD决定衰减快慢理想实际285.2PID控制微分控制的输出取决于哪些因素？思考1)起始跳变幅度，用微分增益KD来衡量，2)衰减时间长短，用微分时间TD来衡量。特点1（1）偏差输出跳得越高，或降得越慢，微分作用越强。KD通常固定，TD越大微分作用越强。（2）稳态时微分部分不起作用，PD控制变成P控制。有差调节295.2PID控制微分时间TD的变化对过渡过程的影响是如何？思考特点2TD适当：提高系统稳定性，减少振幅，降低余差TD太大：微分作用过强，输出剧烈变化，引起振荡微分作用力图阻止被控变量的任何变化。305.2PID控制四、比例积分微分控制1.PID控制规律及特点PID控制规律表达式：I1de(d)TdtPIDCDppppKeetT微分作用比例作用积分作用PID控制作用中，P是基础控制；I用于消除静差；D用于加快系统控制速度。315.2PID控制ettp随着时间的积累，逐渐占据主导。只要有余差，积分作用不断增加。干扰作用下，PID调节时P、I、D控制规律如何作用的？思考自始至终与偏差相对应，贯穿于整个控制过程中。初期就有较大控制作用，然后逐渐消失。比例PP+DP+I积分I微分D325.2PID控制与PI相比，PID多了一个零点，为动态性能的改善提供了可能。对P、PI、PD、PID控制规律下过渡过程进行分析与对比？思考特点与PD相比，PID提高了系统的无差度；PID兼顾了静态和动态控制要求。335.2PID控制2.控制规律的选择1）广义过程控制通道时间常数较大或容积迟延较大时，若工艺容许有静差，若工艺要求无静差，2）广义过程控制通道时间常数较小、负荷变化不大、且工艺要求允许有静差，且工艺要求允许无静差，3）广义过程控制通道时间常数很大、且纯时延较大、负荷变化剧烈时。P高级控制规律DPIPDPID345.2PID控制注意1)根据对象实际情况，选择适用的控制规律2)实际的PID控制器，对参数进行设置，变成P、PI、PD控制器3）要得到良好的控制质量，需要进行控制器参数整定CKITDTDK355.2PID控制5.2.1模拟式PID调节器5.2.2数字式PID调节器5.2.3改进的PID算法1111)()()(sKTsTsTKsEsUsGdddicc通过运算放大器电路、电阻和电容实现。参数通过电位器进行调节和整定。00(0,1,2,...)()()()()[(1)]ktsjtkTketdtTejTdetekTekdtT采样控制：根据采样时刻的偏差值计算控制量，一系列的采样时刻点kT代表连续时间t。积分：累加和式；微分：增量或差分；365.3PID参数的整定确定调节器的比例度δ、积分时间TI和微分时间TD通过改变调节器的参数，使其特性和过程特性相匹配，以改变系统的动态和静态指标，争取最佳控制效果。控制指标：衰减比n=4:1-10:1一阶惯性纯滞后过程与KC成反比整定的实质sesTKsGo1)(ooo375.3PID参数的整定5.3.1参数整定原则则可根据τ0/T0的比值来选择调节规律。τ0/T00.2，选用P或PI调节规律。0.2τ0/T01.0，选用PD或PID调节规律。τ0/T01.0，PID不能满足控制要求。sesTKsGo1)(ooo385.3PID参数的整定对数频率特性法根轨迹法理论计算整定方法经验法衰减曲线法临界比例度法响应曲线法工程整定法需要知道数学模型可直接在系统中进行现场整定，比较简单5.3.2参数整定方法395.3PID参数的整定1.经验整定方法参数时滞容量数周期噪声比例带积分作用微分作用流量、液体压力无多容量1～10s有100～500%50～200%重要不用气体压力无单容量0无0～5%不必要不必要液位无单容量1～10s有5～50%少用不用温度蒸汽压力变动3～6min～h无10～100%用重要成分恒定1～100min～h存在100～1000%重要可用关键是“看曲线，调参数”405.3PID参数的整定2.临界比例度法控制器纯比例作用系统产生等幅振荡临界比例度临界振荡周期各参数整定数值由大到小改变比例度临界振荡过程δKTk使用局限性：①临界比例度很小的过程不适用②工艺上不允许产生等幅振荡的过程415.3PID参数的整定控制作用比例度%积分时间(min)微分时间(min)比例2δK比例＋积分2.2δK0.85Tk比例＋微分1.8δK0.85Tk比例＋积分＋微分1.7δK0.5Tk0.125Tk临界比例度法参数计算公式表EX5:用临界比例度法整定参数已测得δK=30%，TK=3min。试确定PI作用和PID作用时控制器的参数？还不把我记下来？425.4PID调节器控制规律的选择5.4.1根据过程特性选择控制规律要点五种控制规律的特点五种控制规律的适用场合控制器测量变送被控过程执行器r(t)e(t)u(t)q(t)f(t)y(t)z(t)-单回路控制系统广义对象435.4.2根据τ0/T0的比值选择调节器的控制规律5.4.3控制器正/反作用选择1.什么是正/反作用所谓作用方向，就是指输入变化后，输出的变化方向。5.4PID调节器控制规律的选择正作用反作用输入增加，输出增加；输入减少，输出减少。输入增加，输出较少；输入减少，输出增加。2.为什么要选择正/反作用3.如何确定过控系统各个环节的正反作用445.4PID调节器控制规律