过程控制--第六-2讲：单回路系统设计lyz
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TD(0.2~ 50.3)
0.8P
2019/9/21
过程控制与仪表
12
三、单回路系统整定
（二）、工程整定法
2、临界比例度法
临界比例度法是在系统闭环条件下进行的，方法简便，应用 广泛，其具体步骤如下：
（1）调节器置于纯比例位置，且比例度置最大值，此时无 积分Ti=∞和微分Td=0作用。使系统投入闭环运行。
A、4:1衰减曲线法 该法与临界比例度法相似，也是在系统闭环运行条件下进行
的。其具体步骤如下：
（1）将调节器积分时间置于Ti=∞，微分时间Td=0，比例 度置于最大值，将系统投入闭环运行。
（2）待系统运行稳定后，对给定值作一适当幅值的阶跃 扰动，并逐步减小比例度，直到记录曲线出现图8-17所示的 4：1衰减的曲线为止，记录下此时的比例度和衰减曲线的 第一个振荡周期。然后查表便可计算出调节器的PID参数的 整定值。
方法：
Wo(S)输入端加一阶跃信号记录变送器的响应输出 据响应曲线求特征参数，（τ -延时To-响应ε-响应度） 根据参数计算整定参数值[Wc(s)]。
2019/9/21
过程控制与仪表
8
三、单回路系统整定
（二）、工程整定法
1、动态特性参数法
A、广义过程无自衡能力
阶跃信号 近似对象 Wo(s)= ε/{s(1+τ S/n)} 或 Wc(s)确定:
F、模值条件： |Wk(s)|=1D点距离极点距离求kc
δ =1/(To*(/pd) To*(/pd) To*(/pd) )=0.349
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过程控制与仪表
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三、单回路系统整定
（二）、工程整定法
1、动态特性参数法
特点：根据系统开环广义过程响应特性，进行近似计算 的方法。
过程控制与仪表
16
三、单回路系统整定
（二）、工程整定法
3、衰减曲线法
B、10:1衰减曲线法
表8-8 10：1衰减法整定计算
调节器参数 (%)
控制规律
P
s
TI (min)
TD(min)
PI
1.2s
2Tr
PID
0.8s
1.2Tr
0.4Tr
2019/9/21
Hale Waihona Puke 过程控制与仪表17
三、单回路系统整定
调节规律
WC (s)
P
1
0.2 T0
0.2 1.5 T0
TI
TD
TI
TD
1 T0
0.08
2.6
T0
0.7
T0
PI
1 (1 )
TI s
1.1 T0
3.3
0.08
2.6 T0 0.6
T0
0.8T0
0.15
数。调节器参数整定的计算公式分别为：
比例（P） 积分（I） 微分（D）
TK0cTKI 0AA((TT00))BB
TD T0
A( T0
)B
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过程控制与仪表
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四、单回路控制系统投运
过程控制系统的方案设计、控制仪表选型和安装调试就绪后，或者经过停 车检修后，将过程控制系统重新投入到生产过程中运行，称为系统投运。 为使过程控制系统能顺利投入运行，投运前必须做好准备工作。
A、零点： B、极点：s1=-1/To; C、取：Td=To=10s
;m=0个（终点） n=4个（起点）
D、 Θ=0.75 取得α =12.28 E、模值条件： |Wk(s)|=1
P=（-1，0） 渐进线夹角A=180/3=60，交OA于D点
D=（-0.03+J0.135）
1．准备工作。 准备工作做得越充分，投运将越顺利。准备工作大体包括：在熟悉生产工
艺流程和控制方案的前提下，应对检测变送器、调节器、调节阀、供电、 供气、联接管线等以及其它装置进行全面而细致的检查，它们的连接极性 是否正确，仪表量程设置是否合理，仪表的相应开关是否置于规定位置上， 仪表的精度是否满足设计要求等。其次，在各组成系统的各台仪表进行单 独调校的基础上，再对系统进行联调，观察其工作是否正常，这是保证顺 利投入的重要步骤。 2．系统投运 根据生产过程的实际情况，首先将检测变送器投入运行，观察其测量显示 的参数是否正确；其次利用调节阀手动遥控，待被控参数在给定值附近稳 下来后，再从手动切换至自动控制。 在调节器从手动切换到自动运行前必须做细致的检查工作，首先检测调节 器的正、反作用是否正确，调节器的PID参数是否设置好等，检查完毕后， 当测量值与给定值的偏差为零时，将调节器由手动切换到自动，于是实现 了系统的投运。 201系再9/9统对/21投调入节自器动的运PID行参后数，作观适察当系的过统微程的控调控制，与制以仪质表期量达指到标较是好否的达控到制设质计量要。求，否则19，
（2）待系统运行稳定后，对给定值施加一适当幅值的阶跃 扰动，并逐步减小比例度，直到系统产生等幅振荡，即为临 界振荡。并记录下此时的比例度，称为临界比例度δk。
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过程控制与仪表
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三、单回路系统整定
（二）、工程整定法
2、临界比例度法
根据δk、Tk按表计算调节器的参数δk 、Ti和Td之值。
解：开环传递函数：Wk(s)=1.2 Kc /(s+1)(s+0.2)(s+0.5)
K= 1.2 Kc
A、开环根轨迹
零点：
;m=0个（终点）
极点：s1=-1; s2=-0.2; s3=-0.5;n=3个（起点）
渐进线：n-m=3
夹角：θ=±180（1+2u）/3=±60, ±180
交点：λ =（s1+s2+s3）/(n-m)=-0.567
分离点：和回合点
1+Wk(s)=0有极值，对1+Wk(s)=0 针对K求导数得
S1=-0.333， S2=0.8
虚轴焦点：S=a+jw 令a=0 代1+Wk(s)=0
得w= ±0.89
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过程控制与仪表
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三、单回路系统整定
系统稳定整定条件1：
模值条件：|wk(s)|=0 幅角条件：±（2N+1）180=0
系统稳定整定条件2：
Θ=0.75
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三、单回路系统整定
（一）、理论计算整定法
例：Wo(s)=1.2/(s+1)(s+0.2)(s+0.5)调节器Wc(s)=Kc，求 Θ=0.75 时比例度的值δ。
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三、单回路系统整定
（一）、理论计算整定法
例：Wo(s)=1/(Ts+1)(Ts+1)(Ts+1)(Ts+1),T=10S,调节器 Wc(s)=Kc(1+Td*s)，求Θ=0.75 时比例度的值δ,Td。
解：开环传递函数：Wk(s)=Wc(s)*Wo(s)
计算机仿真寻优整定法利用误差积分最优准则，通过计算机仿真以 求调节器的参数整定达至最优，该整定方法的应用越来越广泛。
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三、单回路系统整定
（一）、理论计算整定法
根据根轨迹作图法选择调节器的参数，使系统 特征方程中对瞬态响应起主导作用的满足系统 指标。
系统闭环传递函数：w(s)=wk(s)/[1+wk(s)] 系统特征根：|1+wk(s)|=0
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三、单回路系统整定
（二）、工程整定法
3、衰减曲线法
A、4:1衰减曲线法
调节器参数 控制规律
P PI PID
表8-7 衰减法整定计算(4：1)
(%) s 1.2s 0.8s
TI (min)
0.5Ts 0.3Ts
TD(min) 0.1Ts
2019/9/21
讨论
整定参数？
2019/9/21
过程控制与仪表
20
（三）、计算机仿真寻优整定法
随着计算机技术的发展，人们利用计算机仿真技术进
一步发展了的调节器PID参数的整定方法。称为计算
机仿真寻优整定法。该法根据过程的参数KoTo和τ
之值，利用绝对误差积分（IAE）、平方误差积分
（ISE）和时间乘绝对误差积分（ITAE）之值为最小
为准则，进行计算机仿真，从而整定调节器的PID参
PID
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(1
1 TI s
TD s)
0.85 T0
2
0.5
2.6
T0
过程控制与仪表 T0
0.08
0.8T0 0.19
0.25TI
11
三、单回路系统整定
（二）、工程整定法
1、动态特性参数法
B、广义过程有自衡能力
PD调节器的参数整定计算公式，它是在计算了比例（P） 调节器的比例度后利用下式计算:
表8-6 采用临界比例度法的整定参数
整定参数
调节规律
(%) TI
TD
P
2 K
PI
2.2 K 0.85TK
PID
1.7 K 0.5TK 0.125TK
注意：有时生产过程工艺上不允许产生连续的等幅振荡。
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三、单回路系统整定
（二）、工程整定法
3、衰减曲线法
表8-4 0.75，过程无自平衡能力时的整定计算公式
调节规律
W(s)
TI
TD
1
P
PI
1(1 1)
TIs
1.1
3.3
2019/9P /2ID 1
1(1T1IsTDs)
过程0.8控5制 与仪表 2
0.5
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三、单回路系统整定
（二）、工程整定法
1、动态特性参数法
B、广义过程有自衡能力
阶跃信号 近似对象 Wo(s)= (1/ρ)/(1+ToS) 或 Wc(s)确定:
2019/9/21
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三、单回路系统整定
（二）、工程整定法
1、动态特性参数法
B、广义过程有自衡能力 表8-5 0.75 过程有自衡能力时的整定计算公式
（一）、理论计算整定法
例：Wo(s)=1.2/(s+1)(s+0.2)(s+0.5)调节器 Wc(s)=Kc，求Θ=0.75 时比例度的值δ。
解：
根轨迹特征，共扼对称，作根轨迹 Θ=0.75系统特征曲线α =12.28 二者交点a,b 根据模值条件：求K。
A=-0.185+j0.654 |Wk(s)|=1 K=0.575*0.675*1.05=0.408 Kc=K/0.12=3.4 Δ=0.294
调节器参数整定的方法很多，可分为三类：
一是理论计算整定法； 二是工程整定法； 三是计算机仿真寻优整定法。
理论计算整定法由于过分依赖过程的数学模型，而在建立数学模型 时忽略了许多次要因素，过程模型的精确度不高，计算所得数据不 可靠。而且计算繁琐，工作量很大，因此工程上很少用。
工程整定法直接在控制系统中进行，且方法简单、实用，易于掌握， 在工程实际中被广泛应用。
第六讲：单回路系统设计
Process Control System
主讲老师：廉迎战 副教授
重点内容
单回路系统=对象+执行器+调节器+变送器
内容：
系统参数整定
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过程控制与仪表
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三、单回路系统整定
系统整定，一般是指选择调节器的比例度δ、积分时间 Ti和微分时 间Td的具体数值。系统整定的实质，就是通过改变控制参数，使 调节器特性和被控过程特性配合好，以改善系统的动态和静态特性， 求得最佳的控制效果。
0.8P
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三、单回路系统整定
（二）、工程整定法
2、临界比例度法
临界比例度法是在系统闭环条件下进行的，方法简便，应用 广泛，其具体步骤如下：
（1）调节器置于纯比例位置，且比例度置最大值，此时无 积分Ti=∞和微分Td=0作用。使系统投入闭环运行。
A、4:1衰减曲线法 该法与临界比例度法相似，也是在系统闭环运行条件下进行
的。其具体步骤如下：
（1）将调节器积分时间置于Ti=∞，微分时间Td=0，比例 度置于最大值，将系统投入闭环运行。
（2）待系统运行稳定后，对给定值作一适当幅值的阶跃 扰动，并逐步减小比例度，直到记录曲线出现图8-17所示的 4：1衰减的曲线为止，记录下此时的比例度和衰减曲线的 第一个振荡周期。然后查表便可计算出调节器的PID参数的 整定值。
方法：
Wo(S)输入端加一阶跃信号记录变送器的响应输出 据响应曲线求特征参数，（τ -延时To-响应ε-响应度） 根据参数计算整定参数值[Wc(s)]。
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三、单回路系统整定
（二）、工程整定法
1、动态特性参数法
A、广义过程无自衡能力
阶跃信号 近似对象 Wo(s)= ε/{s(1+τ S/n)} 或 Wc(s)确定:
F、模值条件： |Wk(s)|=1D点距离极点距离求kc
δ =1/(To*(/pd) To*(/pd) To*(/pd) )=0.349
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三、单回路系统整定
（二）、工程整定法
1、动态特性参数法
特点：根据系统开环广义过程响应特性，进行近似计算 的方法。
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三、单回路系统整定
（二）、工程整定法
3、衰减曲线法
B、10:1衰减曲线法
表8-8 10：1衰减法整定计算
调节器参数 (%)
控制规律
P
s
TI (min)
TD(min)
PI
1.2s
2Tr
PID
0.8s
1.2Tr
0.4Tr
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三、单回路系统整定
调节规律
WC (s)
P
1
0.2 T0
0.2 1.5 T0
TI
TD
TI
TD
1 T0
0.08
2.6
T0
0.7
T0
PI
1 (1 )
TI s
1.1 T0
3.3
0.08
2.6 T0 0.6
T0
0.8T0
0.15
数。调节器参数整定的计算公式分别为：
比例（P） 积分（I） 微分（D）
TK0cTKI 0AA((TT00))BB
TD T0
A( T0
)B
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四、单回路控制系统投运
过程控制系统的方案设计、控制仪表选型和安装调试就绪后，或者经过停 车检修后，将过程控制系统重新投入到生产过程中运行，称为系统投运。 为使过程控制系统能顺利投入运行，投运前必须做好准备工作。
A、零点： B、极点：s1=-1/To; C、取：Td=To=10s
;m=0个（终点） n=4个（起点）
D、 Θ=0.75 取得α =12.28 E、模值条件： |Wk(s)|=1
P=（-1，0） 渐进线夹角A=180/3=60，交OA于D点
D=（-0.03+J0.135）
1．准备工作。 准备工作做得越充分，投运将越顺利。准备工作大体包括：在熟悉生产工
艺流程和控制方案的前提下，应对检测变送器、调节器、调节阀、供电、 供气、联接管线等以及其它装置进行全面而细致的检查，它们的连接极性 是否正确，仪表量程设置是否合理，仪表的相应开关是否置于规定位置上， 仪表的精度是否满足设计要求等。其次，在各组成系统的各台仪表进行单 独调校的基础上，再对系统进行联调，观察其工作是否正常，这是保证顺 利投入的重要步骤。 2．系统投运 根据生产过程的实际情况，首先将检测变送器投入运行，观察其测量显示 的参数是否正确；其次利用调节阀手动遥控，待被控参数在给定值附近稳 下来后，再从手动切换至自动控制。 在调节器从手动切换到自动运行前必须做细致的检查工作，首先检测调节 器的正、反作用是否正确，调节器的PID参数是否设置好等，检查完毕后， 当测量值与给定值的偏差为零时，将调节器由手动切换到自动，于是实现 了系统的投运。 201系再9/9统对/21投调入节自器动的运PID行参后数，作观适察当系的过统微程的控调控制，与制以仪质表期量达指到标较是好否的达控到制设质计量要。求，否则19，
（2）待系统运行稳定后，对给定值施加一适当幅值的阶跃 扰动，并逐步减小比例度，直到系统产生等幅振荡，即为临 界振荡。并记录下此时的比例度，称为临界比例度δk。
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三、单回路系统整定
（二）、工程整定法
2、临界比例度法
根据δk、Tk按表计算调节器的参数δk 、Ti和Td之值。
解：开环传递函数：Wk(s)=1.2 Kc /(s+1)(s+0.2)(s+0.5)
K= 1.2 Kc
A、开环根轨迹
零点：
;m=0个（终点）
极点：s1=-1; s2=-0.2; s3=-0.5;n=3个（起点）
渐进线：n-m=3
夹角：θ=±180（1+2u）/3=±60, ±180
交点：λ =（s1+s2+s3）/(n-m)=-0.567
分离点：和回合点
1+Wk(s)=0有极值，对1+Wk(s)=0 针对K求导数得
S1=-0.333， S2=0.8
虚轴焦点：S=a+jw 令a=0 代1+Wk(s)=0
得w= ±0.89
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三、单回路系统整定
系统稳定整定条件1：
模值条件：|wk(s)|=0 幅角条件：±（2N+1）180=0
系统稳定整定条件2：
Θ=0.75
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三、单回路系统整定
（一）、理论计算整定法
例：Wo(s)=1.2/(s+1)(s+0.2)(s+0.5)调节器Wc(s)=Kc，求 Θ=0.75 时比例度的值δ。
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三、单回路系统整定
（一）、理论计算整定法
例：Wo(s)=1/(Ts+1)(Ts+1)(Ts+1)(Ts+1),T=10S,调节器 Wc(s)=Kc(1+Td*s)，求Θ=0.75 时比例度的值δ,Td。
解：开环传递函数：Wk(s)=Wc(s)*Wo(s)
计算机仿真寻优整定法利用误差积分最优准则，通过计算机仿真以 求调节器的参数整定达至最优，该整定方法的应用越来越广泛。
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（一）、理论计算整定法
根据根轨迹作图法选择调节器的参数，使系统 特征方程中对瞬态响应起主导作用的满足系统 指标。
系统闭环传递函数：w(s)=wk(s)/[1+wk(s)] 系统特征根：|1+wk(s)|=0
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三、单回路系统整定
（二）、工程整定法
3、衰减曲线法
A、4:1衰减曲线法
调节器参数 控制规律
P PI PID
表8-7 衰减法整定计算(4：1)
(%) s 1.2s 0.8s
TI (min)
0.5Ts 0.3Ts
TD(min) 0.1Ts
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讨论
整定参数？
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（三）、计算机仿真寻优整定法
随着计算机技术的发展，人们利用计算机仿真技术进
一步发展了的调节器PID参数的整定方法。称为计算
机仿真寻优整定法。该法根据过程的参数KoTo和τ
之值，利用绝对误差积分（IAE）、平方误差积分
（ISE）和时间乘绝对误差积分（ITAE）之值为最小
为准则，进行计算机仿真，从而整定调节器的PID参
PID
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(1
1 TI s
TD s)
0.85 T0
2
0.5
2.6
T0
过程控制与仪表 T0
0.08
0.8T0 0.19
0.25TI
11
三、单回路系统整定
（二）、工程整定法
1、动态特性参数法
B、广义过程有自衡能力
PD调节器的参数整定计算公式，它是在计算了比例（P） 调节器的比例度后利用下式计算:
表8-6 采用临界比例度法的整定参数
整定参数
调节规律
(%) TI
TD
P
2 K
PI
2.2 K 0.85TK
PID
1.7 K 0.5TK 0.125TK
注意：有时生产过程工艺上不允许产生连续的等幅振荡。
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三、单回路系统整定
（二）、工程整定法
3、衰减曲线法
表8-4 0.75，过程无自平衡能力时的整定计算公式
调节规律
W(s)
TI
TD
1
P
PI
1(1 1)
TIs
1.1
3.3
2019/9P /2ID 1
1(1T1IsTDs)
过程0.8控5制 与仪表 2
0.5
9
三、单回路系统整定
（二）、工程整定法
1、动态特性参数法
B、广义过程有自衡能力
阶跃信号 近似对象 Wo(s)= (1/ρ)/(1+ToS) 或 Wc(s)确定:
2019/9/21
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三、单回路系统整定
（二）、工程整定法
1、动态特性参数法
B、广义过程有自衡能力 表8-5 0.75 过程有自衡能力时的整定计算公式
（一）、理论计算整定法
例：Wo(s)=1.2/(s+1)(s+0.2)(s+0.5)调节器 Wc(s)=Kc，求Θ=0.75 时比例度的值δ。
解：
根轨迹特征，共扼对称，作根轨迹 Θ=0.75系统特征曲线α =12.28 二者交点a,b 根据模值条件：求K。
A=-0.185+j0.654 |Wk(s)|=1 K=0.575*0.675*1.05=0.408 Kc=K/0.12=3.4 Δ=0.294
调节器参数整定的方法很多，可分为三类：
一是理论计算整定法； 二是工程整定法； 三是计算机仿真寻优整定法。
理论计算整定法由于过分依赖过程的数学模型，而在建立数学模型 时忽略了许多次要因素，过程模型的精确度不高，计算所得数据不 可靠。而且计算繁琐，工作量很大，因此工程上很少用。
工程整定法直接在控制系统中进行，且方法简单、实用，易于掌握， 在工程实际中被广泛应用。
第六讲：单回路系统设计
Process Control System
主讲老师：廉迎战 副教授
重点内容
单回路系统=对象+执行器+调节器+变送器
内容：
系统参数整定
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三、单回路系统整定
系统整定，一般是指选择调节器的比例度δ、积分时间 Ti和微分时 间Td的具体数值。系统整定的实质，就是通过改变控制参数，使 调节器特性和被控过程特性配合好，以改善系统的动态和静态特性， 求得最佳的控制效果。