3 单回路PID控制Outlinen掌握调节阀的流量特性及开关选择原则n掌握单回路控制器“正反作用”的选择原则；n掌握单回路控制系统的常用性能指标；n掌握PID控制律的意义及与控制性能的关系。3.1 控制阀的选择控制阀的选择控制阀概述控制阀概述 n控制阀或执行器是过程计算机控制系统中的一个重要组成部分。它的作用作用是接收控制器送来的控制信号，改变被控介质的流量，从而将被控变量维持在所要求的数值上或一定的范围内。n执行器的动作是由调节器的输出信号通过各种执行机构来实现的。执行器由执行机构与调节机构构成，在用电信号作为控制信号的控制系统中，目前广泛应用以下三种控制方式三种控制方式，如下图所示。执行器的构成及控制形式 执行器的分类：执行器的分类： 按动力能源分类 分为气动执行器、电动执行器、液动执行器。气动执行器利用压缩空气作为能源，其特点是结构简单、动作可靠、平稳、输出推力较大、维修方便、防火防爆，而且价格较低；它可以方便的与气动仪表配套使用，即使是采用电动仪表或计算机控制时，只要经过电/气转换器或电/气阀门定位器，将电信号转换为的标准气压信号，仍然可用气动执行器 按动作极性分类 分为正作用执行器和反作用执行器 按动作行程分类 分为角行程执行器和直行程执行器 按动作特性分类 分为比例式执行器和积分式执行器控制阀的选择内容：控制阀的选择内容：n口径大小n开闭形式n流量特性n结构型式口径大小的选择口径大小的选择n控制阀口径大小直接决定着控制介质流过的能力。n原则：控制阀口径不宜选的太大，也不宜选的太小，留有余地。n控制阀口径大小通过计算控制阀流通能力的大小来决定，控制阀流通能力必须满足生产控制的要求并留有一定的余地。以通过阀的最大流量时阀的开度90%来验证。调节阀的工作流量特性分析调节阀的工作流量特性分析阀阻比阀阻比 S100：调节阀全开时的两端压降与系统总压降之比，即n 为了保证控制阀具有一定的可控范围，必须使阀两端的压降在整个管线总压降中有较大的比例。nS值小，可控范围就窄，将导致控制阀特性的畸变，使控制效果变差。调节阀工作流量特性（续）调节阀工作流量特性（续）线性阀的特性变异对数阀的特性变异气动调节阀的结构气动调节阀的结构u(t)：控制器输出 ( 420 mA 或 010 mA DC)；pc ：调节阀气动控制信号；l：阀杆相对位置； f ：相对流通面积；q ：受调节阀影响的管路相对流量。控制阀气开气关结构示意图控制阀气开气关结构示意图 阀门的阀门的“气开气开”与与“气关气关”1. 气开阀与气关阀气开阀与气关阀 * 气开阀： pc f (“有气则开”) * 气关阀： pc f (“有气则关”) 无气源( pc = 0 )时，气开阀全关，气关阀全开。n2. 气开阀与气关阀的选择原则气开阀与气关阀的选择原则n 首先要从安全生产出发n其次从保证产品质量出发n还要考虑减少经济损失n考虑介质的特性n若无气源时，希望阀全关，则应选择气开阀，如加热炉瓦斯气调节阀；若无气源时，希望阀全开，则应选择气关阀，如加热炉进风蝶阀。调节阀的气开气关选择调节阀的气开气关选择FCn 从保护锅炉出发，应选用气闭阀；从保护后续设备出发，应选用气开阀。主要要分清主次矛盾。生产工艺对控制阀的开闭形式没有严格的要求开闭形式可以任选。LC给水蒸汽n假设右图为液体储槽，控制液位为恒定，要求内部液体严禁溢出，选择控制阀的开闭形式？n（1）选择流入量F1为控制变量n（2）选择流出量F2为控制变量F1F2调节阀的理想流量特性调节阀的理想流量特性调节阀理想流量特性调节阀理想流量特性：通过控制阀的流量和阀门开度之间的函数关系。f 为相对流量；l 为相对开度：n 线性阀线性阀（1）：n 等百分比阀或称对数阀等百分比阀或称对数阀（2）：调节阀调节阀4种理想流量特性种理想流量特性调节阀流量特性总结调节阀流量特性总结n 线性阀：线性阀：在理想情况下，调节阀的放大增益Kv与阀门开度无关；而随着管路系统阀阻比的减少，当开度到达50 70%时，流量已接近其全开时的数值，即Kv随着开度的增大而显著下降。n 对数阀：对数阀：在理想情况下，调节阀的放大增益Kv随着阀门开度的增大而增加；而随着管路系统阀阻比的减少， Kv 渐近于常数。控制阀结构形式的选择控制阀结构形式的选择 阀结构形式 特点及使用场合 直通单座阀前后压降低，适用于要求泄露量小的场合 直通双座阀前后压降大，适用于要求泄露量较大的场合 角阀适用于高压，高粘度的，含悬浮物或颗粒状物质的场合 高压阀适用于高压控制的特殊场合 蝶阀适用于有悬浮物的液体、大流量气体、压差低、允许泄露量大的场合 隔膜阀适用于有腐蚀介质的场合 三通阀适用于分流或合流的控制场合控制阀的结构形式调节阀流量特性的选择调节阀流量特性的选择n 选择原则：选择原则：仅当对象特性近似线性而且阀阻比大于 0. 60 以上（即调节阀两端的压差基本不变），才选择线性阀，如液位控制系统；其他情况大都应选择对数阀。“广义对象广义对象”的概念的概念特点：（1）使控制系统的设计与分析简化； （2）广义对象的输入输出通常可测量，以便于 测试其动态特性； （3）只关心某些特定的输入输出变量。3.2 控制器的控制器的“正反作用正反作用”选择选择问问题题问题：如何构成一个负反馈控制系统？控制器的控制器的“正反作用正反作用”选择选择n 定义：定义：当被控变量的测量值测量值增大时，控制器的输出也增大，则该控制器为“正作用”；否则，当测量值测量值增大时，控制器输出反而减少，则该控制器为“反作用”。n 选择要点：选择要点：使控制回路成为“负反馈”系统。n选择方法选择方法：（1）假设检验法。假设检验法。先假设控制器的作用方向，再检查控制回路能否成为“负反馈”系统。（2）回路判别法。回路判别法。先画出控制系统的方块图，并确定回路除控制器外的各环节作用方向，再确定控制器的正反作用。控制器的作用方向选择：假设检验法控制器的作用方向选择：假设检验法根据控制阀的“气开气关”的选择原则，该阀应选“气开阀”，即： u Rf。 假设温度控制器为正作用，即：Tm u；则结论结论：该控制器的作用方向不能为正作用，而应为反作用.控制器的作用方向选择：回路判别法控制器的作用方向选择：回路判别法回路判别法的要点：（1）反馈回路中负增益环节数为奇数；（2）对控制器而言，“正作用”是指Tm u。回路判别法的步骤：回路判别法的步骤：n（1）根据被控变量和操作变量判断被控对象增益特性；n（2）根据控制阀开闭形式选择原则确定控制阀增益特性；n（3）变送器增益特性一般为正；n（4）确定控制器的增益特性，从而确定其正、反作用。举例：压力控制系统的分析举例：压力控制系统的分析“正作用”+Gm(S)Go(S)Gv(S)Gc(S)+-PC气开PC气开+Gm(S)Go(S)Gv(S)Gc(S)-+“反作用”结论结论n讨论了调节阀的流量特性及开关选择原则；n引入了广义对象的概念；n介绍了单回路控制器“正反作用”的选择原则。上一讲内容回顾上一讲内容回顾n讨论了调节阀的流量特性及开关选择原则；n引入了广义对象的概念；n介绍了单回路控制器的“正反作用”；本讲基本要求本讲基本要求n描述了单回路系统的常用性能指标n掌握PID控制律的意义及与控制性能的关系n了解PID控制律的选取原则n掌握单回路PID控制器的参数整定方法n了解“防积分饱和”与“无扰动切换”n了解PID参数的自整定方法3.3 控制系统的性能指标 n以阶跃响应曲线的特征参数作为性能指标 n偏差积分性能指标 控制性能指标衰减比超调量回复时间余差偏差平方值积分偏差绝对值积分偏差绝对值与时间乘积的积分n例 某化学反应器，工艺规定操作温度为20010，考虑安全因素，调节过程中温度规定值最大不得超过15。现设计运行的温度定值调节系统，在最大阶跃干扰作用下的过渡过程曲线如下图所示，试求：该系统的过渡过程品质指标（最大偏差、超调量、余差、衰减比和震荡周期），并问该调节系统是否满足工艺要求。n解：n最大偏差：A=230-200=30 n余差： c=205-200=5 n衰减比： n震荡周期：T=20-5=15min n过渡时间（调节时间）： n再：工艺规定操作温度为20010，考虑安全因素，调节过程中温度规定值最大不得超过15，而该调节系统=30，不满足工艺要求。 3.4 三种常规的反馈控制模式n当构成一个控制系统的被控对象、测量变送环节和控制阀都确定之后，控制器参数是决定控制系统控制质量的唯一因素。PID 控制器比例控制器比例增益对控制性能的影响控制器增益 Kc对系统性能的影响：增益 Kc 增大，系统的调节作用增强，但稳定性下降（当系统稳定时，调节频率提高、余差下降）。P控制作用举例比例积分控制器积分时间积分作用对控制性能的影响积分时间Ti 对系统性能的影响引入积分作用可以消除稳态余差，但控制系统的稳定性下降。当积分作用过强时（即Ti 过小），可能使控制系统不稳定。PI控制作用举例理想的比例积分微分控制器n微分时间Td 对系统性能的影响微分作用的增强（即Td 增大），从理论上讲使系统的超前作用增强，稳定性得到加强，但对高频噪声起放大作用。对于测量噪声较大的对象，需要引入测量信号的平滑滤波；而微分作用主要适合于一阶滞后较大的广义对象，如温度、成份等。微分作用对控制性能的影响PD控制作用举例实际的比例积分微分控制器其中Ad 为微分增益SimuLink 结构:结论n描述了单回路系统的常用性能指标；n通过仿真讨论了PID控制律的意义及与控制性能的关系。3.5 工业工业PID控制器的选择控制器的选择*1：当工业对象具有较大的滞后时，可引入微分作用；但如果测量噪声较大，则应先对测量信号进行一阶或平均滤波。PID工程整定法工程整定法1-经验法经验法针对被控变量类型的不同，选择不同的PID参数初始值，投运后再作调整。尽管简单，但即使对于同一类型的被控变量，如温度系统，其控制通道的动态特性差别可能很大，因而经验法属最为“粗糙”的整定法。（具体整定参数原则见 p.53 表4.3-1）工程整定法工程整定法2-临界比例度法临界比例度法1、先切除PID控制器中的积分与微分作用（即将积分时间设为无穷大，微分时间取为0），并令比例增益KC为一个较小值，并投入闭环闭环运行；2、将设定值作小幅度的阶跃变化，观察测量值的响应变化情况；3、逐步增大KC的取值，对于每个KC值重复步骤2中的过程，直至产生等幅振荡；4、设等幅振荡的振荡周期为Pu、产生等幅振荡的控制器增益为Kcmax 。临界比例度法举例临界比例度法举例临界比例度法临界比例度法( (续续) )控制规律KcTiTdP0.5KcmaxPI0.45Kcmax0.83PuPID0.6Kcmax0.5Pu0.12Pu根据等幅振荡曲线得到的振荡周期Pu和产生等幅振荡的控制器增益Kcmax ，对所选择的控制规律查表得到控制器参数。临界比例度法举例（续临界比例度法举例（续2）工程整定法工程整定法3-衰减曲线法按“先P后I最后D”的操作程序，将求得的整定参数设置在调节器上，再观察运行曲线，若不太理想，还可作适当调整。临界比例度法的局限性：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。工程整定法工程整定法3-衰减曲线法n衰减曲线法的注意事项：n（1）对于反应较快的控制系统，要认定4:1衰减曲线和读出Ts比较困难，此时，可认为记录指针来回摆动两次就达到稳定是4:1衰减过程。n（2）在生产过程中，负荷变化会影响过程特性。当负荷变化较大时，必须重新整定调节器参数值。n（3）若认为4:1衰减太慢，可采用10:1衰减过程。对于10:1衰减曲线法整定调节器参数的步骤与上述完全相同，仅仅所用计算公式有些不同。衰减曲线法举例工程整定法工程整定法4-响应曲线法响应曲线法n响应曲线法响应曲线法PID参数整定步骤：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）根据单位阶跃响应曲线求取“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。响应曲线法响应曲线法阶跃响应测试法（续阶跃响应测试法（续1）对象的近似模型：响应曲线法响应曲线法n特点：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。n整定公式：整定公式：响应曲线法举例响应曲线法举例1响应曲线法举例响应曲线法举例2继电器型继电器型PID自整定器自整定器具有继电器型非线性控制系统具有继电器型非线性控制系统问题：分析上述非线性系统产生等幅振荡的条件 ？继电器输入输出信号分析继电器输入输出信号分析周期信号的周期信号的Fourier级数展开级数展开一个以T为周期的方波函数f (t)可以展开为假设继电器的幅值为d，则继电器输出的一次谐波为继电器型控制系统等幅振荡条件继电器型控制系统等幅振荡条件对于没有滞环的继电器环节，假设该环节输入的一次谐波振幅为a，则a为系统产生振荡的条件是：再由临界比例度法自动确定PID参数.继电器型继电器型PID自整定举例自整定举例n仿真举例如何实现？单回路系统的单回路系统的“积分饱和积分饱和”问问题题问题问题：当存在大的外部扰动时，很有可能出现控制阀调节能力不够的情况，即使控制阀全开或全关，仍不能消除被控输出y(t)与设定值ysp(t)之间的误差。此时，由于积分作用的存在，使调节器输出u(t)无限制地增大或减少，直至达到极限值。而当扰动恢复正常时，由于u(t)在可调范围以外，不能马上起调节作用；等待一定时间后，系统才能恢复正常。单回路系统的防积分饱和单回路系统的防积分饱和讨论讨论：正常情况为标准的PI控制算法；而当出现超限时，自动切除积分作用。手自动无扰动切换问题与实现手自动无扰动切换问题与实现实现方式实现方式：在Auto （自动）状态，使手操器输出等于调节器的输出；而在Man（手动）时，使调节器输出等于手操器的输出；练习题练习题 对于如图所示的加热炉出口温度控制系统假设变送器量程为200 300。试回答以下问题：（1）燃料控制阀选用“气开”阀还是“气关阀”，why？（2）温度控制器该选“正作用”还是“反作用”，why？（3）若在手动控制状态，温度控制器的输出减少3%，炉出口温度的变化过程如题4-5下表格所示。请确定“广义对象”的特性参数K、T、。（4）若温度控制器采用PID调节器，试确定PID参数。仿真练习1n构造具有初始输出的构造具有初始输出的PID控制模块；控制模块；n对下图所示的系统，假设稳态时对象的输入为50，输出y为20。在10时刻设定值从20变为25，试对不同控制器进行仿真比较。仿真练习1(续)n采用纯比例控制器，分别在有噪声和没有噪声的情况下，作出Kc值为5，15和25时y相对于设定值变化的曲线；n采用Kc=2的PI控制器，Ti分别取2，1，时在有噪声和没有噪声的情况下作出y相对于设定值变化的曲线；n采用Kc=2， 的PID控制器，试改变Td和Ad的值并比较在不同取值情况下以及在不同大小的噪声干扰下y相对于设定值变化的曲线。仿真练习2构建如图所示的对象，其中一阶环节的参数如图所示，纯滞后时间为5，稳态时的输入为45，输出为25。白噪声的强度为0.2，采样时间为。假设采用单回路控制，试为上述对象设置合适的PID参数。习题p.59 n4-2（通过仿真说明）n4-5