換熱器溫度反饋控制系統(tǒng)

1、武漢理工大學(xué)儀表與過程控制系統(tǒng)課程設(shè)計(jì)說明書目錄目錄11緒論31.1換熱設(shè)備的概述31.1.1設(shè)備的分類31.1.2換熱設(shè)備的換熱目的31.2換熱器應(yīng)用及發(fā)展41.3設(shè)計(jì)任務(wù)42換熱器溫控系統(tǒng)控制方案設(shè)計(jì)與論證52.1 課程設(shè)計(jì)的方案論證52.2換熱器溫度控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)及框圖52.3變量選擇62.4工作原理及實(shí)現(xiàn)功能62.4.1系統(tǒng)工作原理62.4.2系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)的功能73被控對(duì)象特性分析83.1數(shù)學(xué)模型概述83.2建模方法83.3測(cè)試法建模83.4換熱器測(cè)試法建模94系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)104.1 溫度變送器104.2 執(zhí)行器(調(diào)節(jié)閥)114.3調(diào)節(jié)器124.3.1調(diào)節(jié)器的選型124.3.2調(diào)節(jié)器正反作用

2、的選擇144.4系統(tǒng)組成144.4.1原件清單144.4.2系統(tǒng)配接圖145控制規(guī)律選擇及系統(tǒng)仿真165.1調(diào)節(jié)器控制規(guī)律的選擇165.2控制參數(shù)整定17總結(jié)18參考文獻(xiàn)19本科生課程設(shè)計(jì)成績?cè)u(píng)定表201緒論1.1換熱設(shè)備的概述 使熱量從熱流體傳遞到冷流體的設(shè)備稱為換熱設(shè)備。換熱設(shè)備廣泛應(yīng)用于煉油、化工、輕工、制藥、機(jī)械、食品 、加工、動(dòng)力以及原子能工業(yè)部門當(dāng)中。通常，在某些化工廠的設(shè)備投資中，換熱器占總投資的30%；在現(xiàn)代煉油廠中，換熱器約占全部工藝設(shè)備投資的40%以上；在海水淡化工業(yè)生產(chǎn)當(dāng)中，幾乎全部設(shè)備都是由換熱器組成的。換熱器的先進(jìn)性、合理性和運(yùn)轉(zhuǎn)的可靠性直接影響產(chǎn)品的質(zhì)量、數(shù)量和成本

3、。 1.1.1設(shè)備的分類 根據(jù)不同的使用目的，換熱器可以分為四類：加熱器、冷卻器、蒸發(fā)器、冷凝器。按照傳熱原理和實(shí)現(xiàn)熱交換的形式不同可以分為間壁式換熱器、混合式換熱器、蓄熱式換熱（冷熱流體直接接觸）、有液態(tài)載熱體的間接式換熱器四種。在石油、化工生產(chǎn)中間壁式換熱器應(yīng)用的最為廣泛。按冷、熱流體進(jìn)行熱量交換的形式分為兩類：一類是在無相變情況下的加熱或冷卻，另一種是在相變的情況下的加熱或冷卻。按傳熱設(shè)備的 結(jié)構(gòu)形式來分，則有列管式、蛇管式、夾套式和套管式等。 衡量一臺(tái)換熱器好壞的標(biāo)準(zhǔn)是傳熱效率高，流體阻力小，強(qiáng)度足夠，結(jié)構(gòu)合理，安全可靠，節(jié)省材料，成本低，制造、安裝、檢修方便。 1.1.2換熱設(shè)備的換

4、熱目的在煉油的化工生產(chǎn)中，換熱器設(shè)備應(yīng)用極其廣泛。進(jìn)行換熱的目的主要有下列四種：(1) 使工藝介質(zhì)達(dá)到規(guī)定的溫度，以使化學(xué)反應(yīng)或其他工藝過程很好的進(jìn)行；(2) 生產(chǎn)過程中加入吸收的熱量或除去放出的熱量，使工藝過程能在規(guī)定的溫度范圍內(nèi)進(jìn)行；(3) 某些工藝過程需要改變無聊的相態(tài)；(4) 回收熱量。由于換熱目的的不同，其被控變量也不完全一樣。在大多數(shù)情況下，被控變量是溫度，為了使被加熱的工藝介質(zhì)達(dá)到規(guī)定的溫度，常常取出溫度問被控溫度、調(diào)節(jié)加熱蒸汽量使工藝介質(zhì)出口溫度恒定。對(duì)于不同的工藝要求，被控變量也可以是流量、壓力、液位等。1.2換熱器應(yīng)用及發(fā)展換熱器作為工藝過程中必不可少的單元設(shè)備，廣泛地應(yīng)用

5、于石油、化工、動(dòng)力、輕工、機(jī)械、冶金、交通、制藥等工程領(lǐng)域中。據(jù)統(tǒng)計(jì)，在現(xiàn)代石油化工企業(yè)中換熱器投資約占裝置建設(shè)總投資的 30%40%；在合成氨廠中，換熱器約占全部設(shè)備總臺(tái)數(shù)40%。由此可見，換熱器對(duì)整個(gè)企業(yè)的建設(shè)投資及經(jīng)濟(jì)效益有著重要的影響?；どa(chǎn)中所指的換熱器，常指間壁式換熱器，它利用金屬壁將冷、熱兩種流體間隔開，熱流體將熱傳到避面的一側(cè)（對(duì)流傳熱），通過間壁內(nèi)的熱傳導(dǎo)，再由間壁的另一側(cè)將熱傳遞給冷流體，從而使熱物流被冷卻，冷物流被加熱，滿足化工生產(chǎn)中對(duì)冷物流或熱物流溫度的控制要求。目前,換熱器控制中大多數(shù)仍采用簡(jiǎn)單控制系統(tǒng)及傳統(tǒng)的PID控制,以加熱（冷卻）介質(zhì)的流量作為調(diào)節(jié)手段,以被加

6、熱（冷卻）工藝介質(zhì)的出口溫度作為被控量構(gòu)成控制系統(tǒng)。對(duì)于存在大的負(fù)荷干擾且對(duì)于控制品質(zhì)要求較高的應(yīng)用場(chǎng)合，可能需要用到串級(jí)控制及前饋控制或串級(jí)反饋，前饋反饋等復(fù)雜控制系統(tǒng)。1.3設(shè)計(jì)任務(wù)本次設(shè)計(jì)針對(duì)換熱器的溫度反饋控制系統(tǒng)進(jìn)行研究。通過對(duì)冷卻水流量的控制以期實(shí)現(xiàn)出口油溫度的恒定。具體要求為：題 目: 換熱器溫度反饋控制系統(tǒng) 初始條件：潤滑油入口溫度： 90 潤滑油出口溫度： 45 冷卻水流量： 40Kg/s 冷卻水入口溫度： 282換熱器溫控系統(tǒng)控制方案設(shè)計(jì)與論證2.1 課程設(shè)計(jì)的方案論證 根據(jù)題目要求并通過檢閱大量文獻(xiàn)，有三種方案可以實(shí)現(xiàn)換熱器溫度控制系統(tǒng)：方案一:為了克服干擾對(duì)系統(tǒng)的影響，

7、選擇串級(jí)系統(tǒng)。其中潤滑油出口溫度為被控參數(shù)、冷卻水流量為控制參數(shù)。方案二:選擇前饋-反饋系統(tǒng)。其中潤滑油出口溫度為被控參數(shù)、冷卻水流量為控制參數(shù)，為了克服主要擾動(dòng)(潤滑油的流量Q)的干擾，在單閉環(huán)控制的基礎(chǔ)上，加入對(duì)潤滑油流量的檢測(cè)，與單閉環(huán)控制構(gòu)成前饋-反饋系統(tǒng)。方案三:選擇溫度反饋控制系統(tǒng)。其中潤滑油出口溫度為被控參數(shù)、冷卻水流量為控制參數(shù)。以上三個(gè)方案都可以實(shí)現(xiàn)對(duì)換熱器的控制，方案一使用串級(jí)控制系統(tǒng)，通過引入副回路使控制更加精確，減小了擾動(dòng)的影響；方案二使用前饋-反饋系統(tǒng)，能實(shí)現(xiàn)對(duì)特定干擾的提前檢測(cè)與消除，適用于系統(tǒng)干擾確定且較大的情況；方案三直接使用溫度反饋控制系統(tǒng)，通過反饋來實(shí)現(xiàn)溫度

8、的恒定控制。其中前兩種方案控制效果要好一些，但系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)起來較復(fù)雜，在實(shí)際生產(chǎn)中，當(dāng)簡(jiǎn)單反饋控制系統(tǒng)能滿足要求時(shí)，一般直接使用簡(jiǎn)單反饋控制系統(tǒng)。通過對(duì)以上三種方案的分析比較及本次設(shè)計(jì)的技術(shù)參數(shù)要求，選擇方案三作為換熱器溫度控制系統(tǒng)的方案即可滿足要求。2.2換熱器溫度控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)及框圖根據(jù)前面的方案分析，換熱器溫度反饋控制系統(tǒng)控制圖如圖2-1所示。圖2-1換熱器控制圖換熱器控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖如圖2-2所示，輸出量為被控參數(shù)，傳感器把它測(cè)回到輸入端與給定值比較，在由控制器指導(dǎo)執(zhí)行器對(duì)被控參數(shù)進(jìn)行操作。圖2-2換熱器控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖2.3變量選擇簡(jiǎn)單控制系統(tǒng)是指那些只有一個(gè)被控量、一個(gè)操作量，只用一個(gè)控制器

9、和一個(gè)調(diào)節(jié)閥所組成的控制回路。根據(jù)上述分析可知該系統(tǒng)只需用簡(jiǎn)單控制系統(tǒng)既能完成控制要求。被控參數(shù)選擇潤滑油出口溫度，主要是因?yàn)楸鞠到y(tǒng)主要干擾是潤滑油流量的變化，當(dāng)選擇冷卻水為控制參數(shù)，則可以使主要干擾進(jìn)入系統(tǒng)的位置遠(yuǎn)離被控參數(shù)，從而減小干擾對(duì)被參數(shù)的影響，提高了系統(tǒng)的控制品質(zhì)?？刂茀?shù)選擇冷卻水流量。若系統(tǒng)出現(xiàn)故障時(shí)，應(yīng)使冷卻水以最大速度進(jìn)入換熱器，避免因換熱器溫度過高，燒壞換熱器。從系統(tǒng)整體來看，擾動(dòng)作用是由擾動(dòng)通道對(duì)過程的被控參數(shù)產(chǎn)生影響，力圖使被控參數(shù)偏離給定值；控制作用是由控制通道對(duì)過程的被控參數(shù)起主導(dǎo)影響，抵消擾動(dòng)影響，以使被控參數(shù)盡力維持在給定值。因此，選冷卻水流量為控制參數(shù)。 2

10、.4工作原理及實(shí)現(xiàn)功能2.4.1系統(tǒng)工作原理換熱器的溫度控制系統(tǒng)換熱器工作原理工藝流程：冷流體冷卻水和熱流體潤滑油分別通過換熱器的殼程和管程，通過熱傳導(dǎo)，從而使熱流體潤滑油的出口溫度降低。通過控制冷卻水的流量來使?jié)櫥偷某隹跍囟确€(wěn)定在設(shè)定值附近。反饋系統(tǒng)的工作原理是：根據(jù)系統(tǒng)輸出變化的信息來進(jìn)行控制，即通過比較系統(tǒng)行為（輸出）與期望行為之間的偏差，并消除偏差以獲得預(yù)期的系統(tǒng)性能。在反饋控制系統(tǒng)中，既存在由輸入到輸出的信號(hào)前向通路，也包含從輸出端到輸入端的信號(hào)反饋通路，兩者組成一個(gè)閉合的回路。因此，反饋控制系統(tǒng)又稱為閉環(huán)控制系統(tǒng)。反饋控制是自動(dòng)控制的主要形式。2.4.2系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)的功能通過控制冷卻

11、水的流量來使?jié)櫥偷某隹跍囟确€(wěn)定在設(shè)定值附近，即讓流進(jìn)來的熱潤滑油（90）經(jīng)冷卻水冷卻后使其出口溫度維持在45附近。3被控對(duì)象特性分析3.1數(shù)學(xué)模型概述一個(gè)過程控制的控制系統(tǒng)，是圍繞被控現(xiàn)象而組成的，被控對(duì)象是控制系統(tǒng)的主體。因此，對(duì)被控對(duì)象的動(dòng)態(tài)特性進(jìn)行深入了解是過程控制的一個(gè)重要任務(wù)。只有深入了解被控對(duì)象的動(dòng)態(tài)特性，了解他的內(nèi)在規(guī)律，了解被控辯量在各種擾動(dòng)下變化的情況，才能根據(jù)生產(chǎn)工藝的要求，為控制系統(tǒng)制定一個(gè)合理的動(dòng)態(tài)性能指標(biāo)，為控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)提供一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)。因此要給被控對(duì)象建立數(shù)學(xué)模型。數(shù)學(xué)建模將現(xiàn)實(shí)問題歸結(jié)為相應(yīng)的數(shù)學(xué)問題，并在此基礎(chǔ)上利用數(shù)學(xué)的概念、方法和理論進(jìn)行深入的分析和研究，從

12、而從定性或定量的角度來刻畫實(shí)際問題，并為解決現(xiàn)實(shí)問題提供精確的數(shù)據(jù)或可靠的指導(dǎo)。3.2建模方法白箱模型： 指那些內(nèi)部規(guī)律比較清楚的模型。如力學(xué)、熱學(xué)、電學(xué)以及相關(guān)的工程技術(shù)問題。 灰箱模型： 指那些內(nèi)部規(guī)律尚不十分清楚，在建立和改善模型方面都還不同程度地有許多工作要做的問題。黑箱模型： 指一些其內(nèi)部規(guī)律還很少為人們所知的現(xiàn)象。如生命科學(xué)、社會(huì)科學(xué)等方面的問題。但由于因素眾多、關(guān)系復(fù)雜，也可簡(jiǎn)化為灰箱模型來研究。 根據(jù)實(shí)際問題分析，由于換熱器較難描述，但人們還是了解了一些方法，所以我們采用灰箱模型建模，即測(cè)試法建模。3.3測(cè)試法建模只用于建立輸入輸出模型。它是根據(jù)工業(yè)過程的輸入和輸出的實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)

13、行某種數(shù)學(xué)處理后得到的模型。它的主要特點(diǎn)是把被研究的對(duì)象視為黑匣子，完全從外部特性上測(cè)試和描述它的動(dòng)態(tài)特性，不需要深入掌握其內(nèi)部機(jī)理。響應(yīng)曲線法是指通過操作調(diào)節(jié)閥，使被控過程的控制輸入產(chǎn)生一階躍變化或方波變化，得到被控量隨時(shí)間變化的響應(yīng)曲線或輸出數(shù)據(jù)，再根據(jù)輸入輸出數(shù)據(jù)，求取過程的輸入輸出之間的數(shù)學(xué)關(guān)系。響應(yīng)曲線法又分為階躍響應(yīng)曲線法和方波響應(yīng)曲線法 。方波響應(yīng)曲線法是在正常輸入的基礎(chǔ)上，施加一方波輸入，并測(cè)取相應(yīng)輸出的變化曲線，據(jù)此估計(jì)過程參數(shù)。通常在實(shí)驗(yàn)獲取方波響應(yīng)曲線后，先將其轉(zhuǎn)換為階躍響應(yīng)曲線，然后再按階躍響應(yīng)法確定有關(guān)參數(shù) 。3.4換熱器測(cè)試法建模通過方波響應(yīng)曲線法對(duì)換熱器系統(tǒng)建模，

14、得到實(shí)驗(yàn)曲線，對(duì)實(shí)驗(yàn)曲線分析進(jìn)而得到系統(tǒng)對(duì)象的數(shù)學(xué)模型。由于換熱器類似于單容水箱的特性，考慮到實(shí)際工作中，大量的工業(yè)過程都采用一，二階傳遞函數(shù)的形式，所以本對(duì)象也采用一階慣性加延遲的傳遞函數(shù)。4系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)4.1 溫度變送器根據(jù)題目知，溫度測(cè)量儀表的選擇：由于系統(tǒng)對(duì)溫度的要求不是很高，而系統(tǒng)的溫度范圍也在0100之內(nèi)，則只需要一般的測(cè)溫元件，故選擇K型熱電偶。溫度變送器儀表的選擇：DDZ-類儀表相對(duì)于DDZ-類儀表的一個(gè)優(yōu)點(diǎn)為電流范圍不是從零開始，這樣就避免了把儀表不能正常工作誤認(rèn)為是輸出為零，所以應(yīng)選擇DDZ-型K型熱電偶溫度變送器DZ-5130K型熱電偶溫度變送器。 圖4-1 K型熱電偶溫

15、度變送器表1 DZ-5130的主要技術(shù)指標(biāo)供電電源：24VDC±10%電源保護(hù)：具有反向保護(hù)輸出保護(hù)：輸出短路無限制轉(zhuǎn)換精度：±0.1±0.5%F.S溫度漂移：±0.15% F.S/10隔離性能：輸入/輸出/電源全隔離響應(yīng)時(shí)間：0.1秒(090%F.S)絕緣電阻：輸入/輸出/電源間>100 M環(huán)境溫度：-1055絕緣強(qiáng)度：輸入/輸出/電源間>1500VAC(1分鐘)環(huán)境濕度：090%RH不結(jié)露外 殼：耐高溫阻燃工程塑料安裝形式： DIN 導(dǎo)軌安裝，導(dǎo)軌尺寸 35mm圖4-2 DZ-5130接線圖端子1、2為輸入，3、4為補(bǔ)償電阻，5、6為輸出

16、15VDC，7、8為電源。4.2 執(zhí)行器(調(diào)節(jié)閥)調(diào)節(jié)閥是過程控制系統(tǒng)的一個(gè)重要組成部分，其特性好壞對(duì)控制質(zhì)量的影響是很大的。由于其結(jié)構(gòu)較簡(jiǎn)單又較粗糙，所以往往不被人們所重視。實(shí)踐證明，在過程控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)中，若調(diào)節(jié)閥特性選用不當(dāng)，閥門動(dòng)作不靈活，口徑大小不合適，都會(huì)嚴(yán)重影響控制質(zhì)量。通過調(diào)節(jié)閥的選擇原則，及本系統(tǒng)的要求，閥門選擇氣動(dòng)薄膜式單座直通閥，安裝方式為氣關(guān)，實(shí)物圖如圖4-4所示。為了與氣動(dòng)薄膜式單座直通閥相匹配，還需要選擇一個(gè)閥門定位器，與之配套使用，電氣閥門定位器的型號(hào)為HEP-17，主要技術(shù)指標(biāo)為：(1)、精度：小于全行程±1%。(2)、回差：小于全行程1%。(3)、死區(qū)

17、：小于全行程0.4%。(4)、特性：線性(可改變成快開、等百分比特性)。(5)、氣源壓力：0.14-0.16MPa 0.17-0.5MPa。(6)、最大流量：140NL/min(當(dāng)氣源壓力在0.14MPa時(shí))。(7)、耗氣量：5NL/min(當(dāng)氣源壓力在0.14MPa時(shí))。(8)、環(huán)境溫度：-25+55。(9)、環(huán)境濕度：10-90%RH。(10)、最大行程速度：4mm/秒(配ZH -22執(zhí)行機(jī)構(gòu)時(shí))。(11)、輸入阻抗：250 (4-20mADC) 100(10-50mADC)。(12)、電氣連接：G1/2螺紋。(13)、氣管連接：卡套式氣管接頭(6或8)。(14)、防爆(防護(hù))型式(等級(jí))

18、：隔爆型d(Diibt6)，本質(zhì)安全型 i(iaIICT6)(15)外殼材料：鋁合金 噴朔工藝處理(16)外形尺寸：392.5*141.5*231(mm)(長*寬*高)(17)重 量： 3.5kg引線端子如圖4-3所示。如圖4-3 電氣閥門定位器的引線端子圖圖4-4 氣動(dòng)薄膜直通單座調(diào)節(jié)閥4.3調(diào)節(jié)器4.3.1調(diào)節(jié)器的選型由于已經(jīng)選用DDZ-型變送器，所以調(diào)節(jié)器也選用DDZ-的，選DTZ-2100D。它是全刻度指示調(diào)節(jié)器，是DDZ-III系列儀表中調(diào)節(jié)單元的基型品種，它接受變送器經(jīng)信號(hào)分配器送來的信號(hào)征收給定信號(hào)進(jìn)行比較，對(duì)其差值進(jìn)行比例、積分、微分運(yùn)算，以電流輸出控制執(zhí)行機(jī)構(gòu)。主要技術(shù)指標(biāo)為

19、：輸入信號(hào)： 1-5VDC給定方式： 內(nèi)給定1-5DVC 外給定4-20mDVC(250±0.1%)輸出信號(hào)： 4-20mADC閉環(huán)跟蹤誤差： <±0.5%負(fù)載電阻： 205-750功 能： 自動(dòng)/手動(dòng)，非平衡無擾動(dòng)切換調(diào)節(jié)動(dòng)作： PD；PI；PID比 例 帶：(P)2%-500%積分時(shí)間：(Ti)0.01分-2.5分和0.1分-25分兩檔(開關(guān)切換)微分時(shí)間：(TD)關(guān)、0.04分-10分(開關(guān)切換)微分增益： KD=10工作環(huán)境： 環(huán)境溫度： 0-50；相對(duì)濕度： 85%(RH)電源電壓： 24VAC±10%功 耗： 3W重 量： 3kg圖4-5 DTZ

20、-2100D引線端子圖圖4-6 DTZ-2100D實(shí)物圖4.3.2調(diào)節(jié)器正反作用的選擇調(diào)節(jié)器有正作用和反作用調(diào)節(jié)器兩種。調(diào)節(jié)器正、反作用的選擇同被控過程的特性及調(diào)節(jié)閥的氣開、氣關(guān)形式有關(guān)。被控過程的特性也分正、反兩種。即當(dāng)被控過程的輸入量增加(或減小)時(shí)，其輸出(被控參數(shù))亦增加(或減小)，此時(shí)稱此被控過程為正作用；反之，當(dāng)被控過程的輸入量增加時(shí)，其輸出卻減小，稱此過程為反作用。4.4系統(tǒng)組成4.4.1原件清單根據(jù)前面的選型確定系統(tǒng)的原件清單如表2所示。表2 控制系統(tǒng)儀表元件清單名稱數(shù)量名稱數(shù)量K型熱電偶溫度傳感器1DTZ-2100D調(diào)節(jié)器1DZ-5130K型熱電偶溫度變送 器1氣動(dòng)薄膜式直通

21、單座閥門1HEP-17電氣閥門定位器14.4.2系統(tǒng)配接圖將所選元器件連接起來組成系統(tǒng)的配接圖如下。圖4-7 控制系統(tǒng)的配接圖用K型熱電偶將潤滑油的出口溫度測(cè)量出來送給溫度變送器處理，溫度變送器將此溫度送給調(diào)節(jié)器分析控制，經(jīng)一定的處理后輸出控制信號(hào)給執(zhí)行機(jī)構(gòu)，即通過閥門定位器控制閥門的開度進(jìn)而控制冷卻水的流量，保證潤滑油的出口溫度穩(wěn)定在設(shè)定值的附近。5控制規(guī)律選擇及參數(shù)整定5.1調(diào)節(jié)器控制規(guī)律的選擇調(diào)節(jié)器的作用是對(duì)來自變送器的測(cè)量信號(hào)與給定值比較所產(chǎn)生的偏差e(t)進(jìn)行比例(P)、比例積分(PI)、比例微分(PD)或比例積分微分(PID)運(yùn)算，并輸出信號(hào)到執(zhí)行器。選擇調(diào)節(jié)器的控制規(guī)律是為了使調(diào)

22、節(jié)器的特性與控制過程的特性能很好配合，使所設(shè)計(jì)的系統(tǒng)能滿足生產(chǎn)工藝對(duì)控制質(zhì)量指標(biāo)的要求。比例控制規(guī)律(P)是一種最基本的控制規(guī)律，其適用范圍很廣。在一般情況下控制質(zhì)量較高，但有余差。此外，當(dāng)過程慣性時(shí)延較大時(shí)，由于純比例作用在起始段動(dòng)作不夠靈敏，因而超調(diào)量較大，同時(shí)加長了過渡過程時(shí)間，于是純比例作用的應(yīng)用受到了限制。積分作用能消除余差，所以當(dāng)過程容量較小，負(fù)荷變化較大，工藝要求無余差時(shí)，采用比例積分控制規(guī)律可以獲得較好的控制質(zhì)量。但是當(dāng)過程控制通道的純時(shí)延和容量時(shí)延都較大時(shí)，由于積分作用容易引起較大的超調(diào)，可能出現(xiàn)持續(xù)振蕩，所以要盡可能避免用比例積分控制規(guī)律，不然會(huì)降低控制質(zhì)量。通常對(duì)管道內(nèi)的

23、流量或壓力控制，采用比例積分作用其效果甚好，所以應(yīng)用較多。微分作用具有超前作用，對(duì)于被控過程具有較大容量時(shí)延的場(chǎng)合，會(huì)大大改善系統(tǒng)的控制質(zhì)量。但是對(duì)于時(shí)延很小，擾動(dòng)頻繁的系統(tǒng)，由于微分作用會(huì)使系統(tǒng)產(chǎn)生振蕩，嚴(yán)重時(shí)會(huì)使系統(tǒng)發(fā)生事故，所以應(yīng)盡可能不用微分作用。比例積分微分(PID)作用是一種理想的控制作用，一般均能適應(yīng)不同的過程特性。當(dāng)要求控制質(zhì)量較高時(shí)，可選用這種控制作用的調(diào)節(jié)器。比例積分微分(PID)控制規(guī)律的微分方程數(shù)學(xué)模型為：其中：為調(diào)節(jié)器的輸出號(hào) ：放大倍數(shù) ：積分時(shí)間常數(shù) ：微分時(shí)間常數(shù)：設(shè)定值與測(cè)量值偏差信號(hào)通過以上分析及本系統(tǒng)是溫度控制為被控參數(shù)，溫度檢測(cè)本身具有滯后性，為了彌補(bǔ)這

24、個(gè)缺點(diǎn)，本系統(tǒng)選用比例積分微分(PID)控制規(guī)律。5.2控制參數(shù)整定PID參數(shù)整定方法就是確定調(diào)節(jié)器的比例系數(shù)P、積分時(shí)間常數(shù)Ti和微分時(shí)間常數(shù)Td，改善系統(tǒng)的靜態(tài)和動(dòng)態(tài)特性，使系統(tǒng)的過渡過程達(dá)到最為滿意的質(zhì)量指標(biāo)要求。一般可以通過理論計(jì)算確定，但誤差太大。目前，應(yīng)用最多的還是工程整定法：如經(jīng)驗(yàn)法、衰減曲線法、臨界比例帶法和反應(yīng)曲線法。下面介紹衰減曲線法整定PID參數(shù)。衰減曲線法是在閉環(huán)系統(tǒng)中，先把調(diào)節(jié)器設(shè)置為純比例作用，然后把比例度由大逐漸減小，加階躍擾動(dòng)觀察輸出響應(yīng)的衰減過程，直至10：1衰減過程為止。這時(shí)的比例度稱為10：1衰減比例度，用表示之。由于當(dāng)衰減比為10：1時(shí)。要推測(cè)的時(shí)間不容易，因此當(dāng)過渡過程曲線上只看到第一個(gè)波峰而第二個(gè)看不出來時(shí)就認(rèn)為是衰減比為10：1的振蕩過程。此時(shí)被控參數(shù)上升時(shí)間為。根據(jù)和，運(yùn)用表2所示的經(jīng)驗(yàn)公式，就可計(jì)算出調(diào)節(jié)器預(yù)整定的參數(shù)值。表2 衰減曲線法整定計(jì)算公式衰減率 整定參數(shù)調(diào)節(jié)規(guī)律 TiTd0.9 P PI 1.2 2 PID 0.8 1.2 0.4衰減曲線法的第一步就是獲取系統(tǒng)的衰減曲線，采用10：1衰減曲線法。取，可直接將圖11中的積分環(huán)節(jié)和微分環(huán)節(jié)都斷開，讓S的值從大到小進(jìn)行試驗(yàn).，觀察示波器的輸出， 直到只看到第一個(gè)