5常規(guī)過程控制策略

1、3第5章 常規(guī)過程控制策略 開關(guān)控制的基本工作原理及特點(diǎn) PLC控制工業(yè)過程的一般設(shè)計(jì)方法 PID控制的基本工作原理及特點(diǎn) 改進(jìn)型PID控制算法主要內(nèi)容 各種PID控制器參數(shù)整定方法 控制器的控制規(guī)律選擇 過程控制系統(tǒng)的投運(yùn)與維護(hù)1控制器是硬件和軟件的結(jié)合體從硬件上來說，過程控制中最常用控制器有： 可編程控制器（PLC） 數(shù)字調(diào)節(jié)器（Digital Regulator) 工控機(jī)（IPC） 集散控制系統(tǒng)（DCS）從軟件上體現(xiàn)的是各種過程控制策略第5章 常規(guī)過程控制策略2過程控制策略開關(guān)控制PID控制智能控制 控制器接受了輸入的偏差信號(hào)后，控制器的輸出隨輸入變化的規(guī)律，用數(shù)學(xué)式來表示，即為： 控制

2、器+exzp第5章 常規(guī)過程控制策略35.1 開關(guān)控制1.開關(guān)控制基本規(guī)律動(dòng)作規(guī)律為： 開關(guān)控制只有兩個(gè)輸出值（pmax，pmin），相應(yīng)的控制機(jī)構(gòu)也只有兩個(gè)極限位置，不是開就是關(guān)。開關(guān)量 啟停、切換 、聯(lián)鎖45.1 開關(guān)控制VH H0：流體與電極未接觸，繼電器斷路，電磁閥全開， 流體流入貯槽，液位上升。流體與電極相接觸，繼電器通路，電磁閥全關(guān)， 流體不再流入貯槽，液位下降。EX1: 電極式開關(guān)控制液位計(jì)結(jié)構(gòu) 電極、繼電器 、電磁閥工作過程55.1 開關(guān)控制2.開關(guān)控制局限性 調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)的動(dòng)作過于頻繁，會(huì)使運(yùn)動(dòng)部件損壞，從而很難保證雙位控制系統(tǒng)安全、可靠地工作。 實(shí)際生產(chǎn)中給定值也總是有一定允許

3、偏差的，某些情況下，只要求被控變量維持在某一個(gè)比較大的范圍內(nèi)就可以了。eminemax被控變量下降時(shí) e emax 閥門關(guān) 開被控變量上升時(shí) e emin 閥門開 關(guān)其他情況下，閥門不動(dòng)作65.1 開關(guān)控制5.1.1 PLC簡(jiǎn)介開關(guān)量模擬量其他量調(diào)節(jié)閥接觸器執(zhí)行裝置75.1 開關(guān)控制85.1 開關(guān)控制5.1.2 PLC在過程控制中的應(yīng)用1.PLC控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)步驟1）功能設(shè)計(jì)2）結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)3）梯形圖設(shè)計(jì)4）編程設(shè)計(jì)5）調(diào)試運(yùn)行95.1 開關(guān)控制2.PLC梯形圖設(shè)計(jì)EX2: PLC用于水泵控制 接通啟動(dòng)開關(guān)，允許A泵、B泵供水。1）功能設(shè)計(jì) 當(dāng)A泵工作時(shí)PPL ，則啟動(dòng)B泵。 當(dāng)A、B泵同時(shí)工作時(shí)P

4、PH ，則關(guān)閉B泵。 首次啟動(dòng)時(shí)，A泵啟動(dòng)10s后，B泵才能啟動(dòng) 關(guān)斷啟動(dòng)開關(guān)，關(guān)停A泵、B泵。105.1 開關(guān)控制2）結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)輸入裝置元件號(hào)啟動(dòng)開關(guān)I0.0水壓下限開關(guān)I0.1水壓上限開關(guān)I0.2定時(shí)裝置定時(shí)時(shí)間T3710s輸出裝置元件號(hào)A泵Q0.0B泵Q0.1115.1 開關(guān)控制3）梯形圖設(shè)計(jì)EX3: PLC用于啤酒發(fā)酵過程的控制125.2 PID控制比例作用(Proportional) 積分作用(Integral) 微分作用(Derivative)PID控制本質(zhì)上是一種連續(xù)的負(fù)反饋控制，特別適用于過程的動(dòng)態(tài)性能良好而且控制性能要求不太高的情況。135.2 PID控制比例控制規(guī)律表達(dá)式：

5、KCpe(t)z(t)+_x(t)e(t)pAKc*A1.比例控制規(guī)律及特點(diǎn)一、比例控制控制器的輸出變化量與輸入偏差信號(hào)的大小成比例145.2 PID控制根據(jù)響應(yīng)曲線，能否發(fā)現(xiàn)比例控制器的顯著特點(diǎn)？屬于有差調(diào)節(jié) e(t)pAKc*A特點(diǎn)1（1）只要偏差e不為零，控制器就會(huì)有輸出。 利用偏差實(shí)現(xiàn)控制（2）只能使系統(tǒng)被控量輸出近似跟蹤給定值。 產(chǎn)生余差思考155.2 PID控制比例增益KC的變化對(duì)過渡過程的影響是如何？思考特點(diǎn)2KC 大：余差小，穩(wěn)定性差KC ?。河嗖畲螅€(wěn)定性好余差和穩(wěn)定性是一對(duì)矛盾 要統(tǒng)籌兼顧165.2 PID控制2.比例控制的適用性跟蹤誤差會(huì)隨時(shí)間的增大而增大。 適用于控制通

6、道滯后小，負(fù)荷變化不大，控制要求不高，被控參數(shù)在一定范圍內(nèi)允許有余差的定值控制場(chǎng)合。定值控制系統(tǒng)隨動(dòng)控制系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)被控量對(duì)給定值的有差跟蹤。175.2 PID控制KI積分速度積分p(t)e(t)z(t)+_x(t)二、積分控制1.積分控制規(guī)律及特點(diǎn)積分控制規(guī)律表達(dá)式： TI積分時(shí)間控制器的輸出變化量與輸入偏差信號(hào)的積分成比例185.2 PID控制AKIA微分積分控制器輸出的變化速度與偏差成正比偏差存在，輸出就會(huì)變化，控制機(jī)構(gòu)就要?jiǎng)幼?；偏差消除，輸出不再變化，控制機(jī)構(gòu)停止動(dòng)作。 在達(dá)到穩(wěn)定時(shí)，偏差必然等于零。特點(diǎn)1屬于無差調(diào)節(jié) 能夠消除余差195.2 PID控制 積分控制輸出信號(hào)的大小偏差信號(hào)的大

7、小偏差存在的時(shí)間長(zhǎng)短積分控制的輸出取決于哪些因素？思考AKIA特點(diǎn)2控制作用不及時(shí)，系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)品質(zhì)變差，過渡過程比較緩慢。犧牲了動(dòng)態(tài)品質(zhì)來?yè)Q取穩(wěn)態(tài)性能的改善205.2 PID控制2.比例積分控制規(guī)律及特點(diǎn) 比例積分控制比例控制規(guī)律：控制作用快， 有余差 結(jié)合積分控制規(guī)律：控制作用慢， 消除余差（PI)比例積分控制規(guī)律表達(dá)式： 215.2 PID控制特點(diǎn)1PI控制結(jié)合P控制的快速反應(yīng)與I控制的消除穩(wěn)態(tài)誤差。粗調(diào)：偏差出現(xiàn)時(shí)，比例作用迅速反應(yīng)輸入的變化；細(xì)調(diào)：積分作用使輸出逐漸增加，最終消除穩(wěn)態(tài)誤差。225.2 PID控制積分時(shí)間TI的變化對(duì)過渡過程的影響是如何？思考特點(diǎn)2TI 大：余差消除慢，

8、穩(wěn)定性好TI ?。河嗖钕?穩(wěn)定性差壓力、流量對(duì)象等：TI可小一點(diǎn)溫度對(duì)象：TI可大一些235.2 PID控制 PI控制器輸入一個(gè)如圖所示幅值為A方波信號(hào)，畫出控制器的輸出的波形。（KC1，Ti1min） e(t)A2431min A 03A 2A2Ap(t)min1234EX4: PI控制器的輸出計(jì)算245.2 PID控制三、微分控制1.微分控制規(guī)律及特點(diǎn)微分控制規(guī)律表達(dá)式： 控制器的輸出變化量與輸入偏差信號(hào)的變化速度成比例255.2 PID控制tOee=AtOpOtptOee=Atp=TDA下面兩種輸入情況下，PI控制輸出如何變化？思考特點(diǎn)（1）偏差e出現(xiàn)變化的瞬間，產(chǎn)生劇烈調(diào)節(jié)作用。

9、超前控制。（2）偏差存在但不變化時(shí)，控制器輸出為0。 對(duì)靜態(tài)偏差毫無控制能力。265.2 PID控制2.比例微分控制規(guī)律及特點(diǎn)比例微分控制規(guī)律表達(dá)式： AAKDAettptpe=AKDA通常取1微分放大倍數(shù)，一般是確定數(shù)值。衰減函數(shù)，TD決定衰減快慢理想實(shí)際275.2 PID控制微分控制的輸出取決于哪些因素？思考1) 起始跳變幅度，用微分增益KD來衡量，2) 衰減時(shí)間長(zhǎng)短，用微分時(shí)間TD來衡量。 特點(diǎn)1（1）偏差輸出跳得越高，或降得越慢，微分作用越強(qiáng)。 KD通常固定，TD越大微分作用越強(qiáng)。（2）穩(wěn)態(tài)時(shí)微分部分不起作用，PD控制變成P控制。 有差調(diào)節(jié)285.2 PID控制微分時(shí)間TD的變化對(duì)過渡

10、過程的影響是如何？思考特點(diǎn)2TD 適當(dāng)：提高系統(tǒng)穩(wěn)定性， 減少振幅，降低余差TD 太大：微分作用過強(qiáng)， 輸出劇烈變化，引起振蕩 微分作用力圖阻止被控變量的 任何變化。295.2 PID控制四、比例積分微分控制1. PID控制規(guī)律及特點(diǎn)PID控制規(guī)律表達(dá)式： 微分作用比例作用積分作用PID控制作用中，P是基礎(chǔ)控制；I用于消除靜差；D用于加快系統(tǒng)控制速度。305.2 PID控制ettp隨著時(shí)間的積累，逐漸占據(jù)主導(dǎo)。只要有余差，積分作用不斷增加。干擾作用下，PID調(diào)節(jié)時(shí)P、I、D控制規(guī)律如何作用的？思考自始至終與偏差相對(duì)應(yīng)，貫穿于整個(gè)控制過程中。初期就有較大控制作用，然后逐漸消失。比例PP+DP+I

11、積分I微分D315.2 PID控制與PI相比，PID多了一個(gè)零點(diǎn)，為動(dòng)態(tài)性能的改善提供了可能。對(duì)P、PI、PD、PID控制規(guī)律下過渡過程進(jìn)行分析與對(duì)比？思考特點(diǎn)與PD相比，PID提高了系統(tǒng)的無差度；PID兼顧了靜態(tài)和動(dòng)態(tài) 控制要求。325.2 PID控制2. 控制規(guī)律的選擇1）廣義過程控制通道時(shí)間常數(shù)較大或容積遲延較大時(shí)， 若工藝容許有靜差， 若工藝要求無靜差，2）廣義過程控制通道時(shí)間常數(shù)較小、負(fù)荷變化不大、 且工藝要求允許有靜差， 且工藝要求允許無靜差，3）廣義過程控制通道時(shí)間常數(shù)很大、且純時(shí)延較大、 負(fù)荷變化劇烈時(shí)。P高級(jí)控制規(guī)律DPIPDPID335.2 PID控制注意1) 根據(jù)對(duì)象實(shí)際

12、情況，選擇適用的控制規(guī)律2) 實(shí)際的PID控制器，對(duì)參數(shù)進(jìn)行設(shè)置，變成P、PI、PD控制器 3）要得到良好的控制質(zhì)量，需要進(jìn)行控制器參數(shù)整定 345.2 PID控制5.2.1 模擬式PID調(diào)節(jié)器5.2.2 數(shù)字式PID調(diào)節(jié)器5.2.3 改進(jìn)的PID算法通過運(yùn)算放大器電路、電阻和電容實(shí)現(xiàn)。參數(shù)通過電位器進(jìn)行調(diào)節(jié)和整定。采樣控制：根據(jù)采樣時(shí)刻的偏差值計(jì)算控制量， 一系列的采樣時(shí)刻點(diǎn)kT代表連續(xù)時(shí)間t。積分：累加和式；微分：增量或差分；355.3 PID參數(shù)的整定確定調(diào)節(jié)器的比例度、積分時(shí)間TI和微分時(shí)間TD 通過改變調(diào)節(jié)器的參數(shù)，使其特性和過程特性相匹配，以改變系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)和靜態(tài)指標(biāo)，爭(zhēng)取最佳控制效

13、果。 控制指標(biāo)：衰減比n=4:1-10:1一階慣性純滯后過程與KC成反比整定的實(shí)質(zhì)365.3 PID參數(shù)的整定5.3.1 參數(shù)整定原則則可根據(jù)0/T0的比值來選擇調(diào)節(jié)規(guī)律。0/T00.2，選用P或PI調(diào)節(jié)規(guī)律。0.20/T01.0，PID不能滿足控制要求。375.3 PID參數(shù)的整定對(duì)數(shù)頻率特性法 根軌跡法理論計(jì)算整定方法經(jīng)驗(yàn)法 衰減曲線法 臨界比例度法響應(yīng)曲線法工程整定法需要知道數(shù)學(xué)模型可直接在系統(tǒng)中進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)整定，比較簡(jiǎn)單5.3.2 參數(shù)整定方法385.3 PID參數(shù)的整定1. 經(jīng)驗(yàn)整定方法參數(shù)時(shí)滯容量數(shù)周期噪聲比例帶積分作用微分作用流量、液體壓力無多容量110s有100500%50200%

14、重要不用氣體壓力無單容量0無05%不必要不必要液位無單容量110s有550%少用不用溫度蒸汽壓力變動(dòng)36minh無10100%用重要成分恒定1100minh存在1001000%重要可用關(guān)鍵是“看曲線，調(diào)參數(shù)”395.3 PID參數(shù)的整定2. 臨界比例度法 控制器純比例作用 系統(tǒng)產(chǎn)生 等幅振蕩臨界比例度臨界振蕩周期 各參數(shù) 整定數(shù)值 由大到小改變比例度臨界振蕩過程K Tk使用局限性： 臨界比例度很小的過程不適用 工藝上不允許產(chǎn)生等幅振蕩的過程405.3 PID參數(shù)的整定控制作用比例度%積分時(shí)間(min)微分時(shí)間(min)比例2K 比例積分2.2K 0.85Tk 比例微分1.8K 0.85Tk 比

15、例積分微分1.7K 0.5Tk 0.125Tk 臨界比例度法參數(shù)計(jì)算公式表EX5: 用臨界比例度法整定參數(shù)已測(cè)得K=30%，TK=3min。試確定PI作用和PID作用時(shí)控制器的參數(shù)？ 還不把我 記下來？415.4 PID調(diào)節(jié)器控制規(guī)律的選擇5.4.1 根據(jù)過程特性選擇控制規(guī)律要點(diǎn) 五種控制規(guī)律的特點(diǎn) 五種控制規(guī)律的適用場(chǎng)合單回路控制系統(tǒng)廣義對(duì)象425.4.2 根據(jù)0/T0的比值選擇調(diào)節(jié)器的控制規(guī)律5.4.3 控制器正/反作用選擇1. 什么是正/反作用所謂作用方向，就是指輸入變化后，輸出的變化方向。5.4 PID調(diào)節(jié)器控制規(guī)律的選擇 正作用 反作用輸入增加，輸出增加；輸入減少，輸出減少。輸入增加

16、，輸出較少；輸入減少，輸出增加。2. 為什么要選擇正/反作用3. 如何確定過控系統(tǒng)各個(gè)環(huán)節(jié)的正反作用435.4 PID調(diào)節(jié)器控制規(guī)律的選擇2. 為什么要選擇正/反作用保證控制系統(tǒng)穩(wěn)定運(yùn)行，要使整個(gè)控制系統(tǒng)形成負(fù)反饋。在控制系統(tǒng)中，控制器、被控過程、測(cè)量元件及執(zhí)行器都有各自的作用方向，要使整個(gè)系統(tǒng)呈現(xiàn)反作用。被控變量偏高，控制作用應(yīng)使之降低。被控變量偏低，控制作用應(yīng)使之增加。445.4 PID調(diào)節(jié)器控制規(guī)律的選擇3. 如何確定過控系統(tǒng)各個(gè)環(huán)節(jié)的正反作用輸入：操縱變量輸出：被控變量由工藝機(jī)理決定輸入：控制信號(hào)輸出：閥門開度由工藝安全條件決定正作用:氣開式反作用:氣關(guān)式一般為正作用輸入：偏差信號(hào)輸出：控制信號(hào)由前三者決定廣義對(duì)象455.4 PID調(diào)節(jié)器控制規(guī)律的選擇EX6: 控制器正/反作用選擇I輸入：燃料氣流量輸出：出口溫度被控過程：加熱爐燃料氣TC加熱爐出口溫度控制原料油執(zhí)行器：調(diào)節(jié)閥避免氣源中斷，閥門大開燒壞爐子，選則氣開閥?？刂破鲝V義對(duì)象為正作用，控制器選擇反作用。廣義對(duì)象46EX7: 控制器正/反作用選擇II水槽液位控制系統(tǒng)輸入：出口流量輸出：水槽液位被控過程：水槽執(zhí)行器：調(diào)節(jié)閥信號(hào)中斷，閥門自動(dòng)關(guān)閉，以免物料流失，選則氣開閥。控制器廣義對(duì)象為反作用，控制器選擇正作用。廣義對(duì)象5.5 過程控制系統(tǒng)的投運(yùn)與維護(hù)47單回路控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)5.5 過程控制系統(tǒng)的投運(yùn)與維護(hù)