第一章过程控制基本概念.

PID 控制参数整定方便，结构灵活，在众多工业过 程控制中取得了满意的应用效果。
1.2 控制规律的选择
PID控制器（包括：单回路PID、串级、前馈、均 匀、比值、分程、选择或超驰控制等） 特点：主要适用于SISO系统、基本上不需要对象 的动态模型、结构简单、在线调整方便。 APC控制器（先进控制方法，包括：解耦控制、 内模控制、预测控制、自适应控制等），
1.2 控制规律的选择-PID控制
直线1：是比例调节器的静 特性, 即调节阀开度随水温 变化的情况. δ↑,斜率↑ 曲线2和3：分别代表加热 器在不同的热水流量下的 静特性,他们表示加热器在 没有调节器控制时,在不同 流量下的稳态出口水温与 调节阀开度之间的关系
Qcp ( 0 ) K H s
特点：主要适用于MIMO或大纯滞后SISO系统、 需要动态模型、结构复杂、在线计算量大。
1.2 控制规律的选择-PID控制
PID：Proportional Integral Derivative
比例 积分 微分
PID控制：对偏差信号e=ysp-ym进行比例、积分和 微分运算变换后形成的一种控制规律。
控制目标：通过加热水箱中的 水使其达到期望的温度。 系统的主要组成： TT(Temperature Transmitter)
TC(Temperature Controller)
加热器（执行器） 水箱（Process）
重要参数：
Reference signal Measurement
R _ 热电偶和传感器 图1.2 加热器控制系统方框图 E 控制器 P 加热器 M
0
t
只有原系统稳定裕量充分大时 才采用纯比例控制。
1.2 控制规律的选择-PID控制
1.2.2 积分作用（I）
积分控制是控制器的输出变化率与误差成 正比，即：
du S0e dt
或
u S0 edt
0
t
式中S0称为积分速度，可视情况取正值或 负值．此时，调节器的输出与偏差信号的 积分成正比． 特点： （1）当且仅当e=0时, 积分调节器的输出是恒定的，没 有稳态余差。 （2）对于相同的对象，积分控制作用总是慢于比例控 制，难以对干扰进行及时而且有效的抑制，从而降低系 统的稳定性。 （3）S0↑稳定性↓,最终出现发散的振荡过程
过程控制系统
邬晶 上海交通大学电信学院自动化系
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作业 实验 课堂 表现 平时 成绩
主要的教学内容
过程控制系统的基本概念 复杂过程控制系统的设计与分析 过程控制系统的模型辨识与设计 多变量控制系统的稳定性分析与控制器设计 过程控制系统的性能评估
1.2 控制规律的选择-PID控制
直线1与直线2的交点O：代 表在热水流量为Q0，在P调 节下的稳态运行点。此时出 口水温为θ 0，调节阀开度 为u0 .
若热水流量减小为Q1，则调 节过程结束后，新的稳态点 将是直线1与3的交点A。
P调节下残差为: θ A-θ 无调节下: θ B-θ 结论：P调节是有差调节
1.2 控制规律的选择-PID控制
例1.3 换热器的温度控制系统 原理: 热水温度θ是由传感器θT获 取信号并送到调节器θC的, 调节器 控制加热蒸汽的调节阀开度以保 持出口水温恒定, 加热器的热负 荷既决定于热水流量Q也决定于 热水温度θ。 假定现在采用比例调节器，并将 调节阀开度μ直接视为调节器的 输出。水温愈高，调节器应把调 节阀开得愈小。 图1.5 换热器系统
控制器输出信号u(t)与误差信号e(t)成比 例关系，即：
其中δ称为比例带/比例度。
比例度δ 定义为
u (t ) K c et
1
et
e Z Z min 1 max 100% 100% u Kc umax umin
δ ↓Kc↑,比例控制作用就越强；δ ↑Kc↓，比例控制作用就越弱。
过程控制系统的目标：
在扰动存在的情况下，通过调节操纵变量使被控变量保 持在其设定值。
1.1 工业过程控制系统
为什么要采用过程控制？
• 安全性：确保生产过程中人身与设备的安全，保护或 减少生产过程对环境的影响； • 稳定性：确保产品质量与产量的长期稳定，以抑制各 种外部干扰； • 经济性：实现效益最大化或成本最小化。
过程控制系统 控制目标 被控对象，被控变量，操纵变量，…
控制器方案设计
1.2 控制规律的选择
PID控制器（包括：单回路PID、串级、前馈、均 匀、比值、分程、选择或超驰控制等） 特点：主要适用于SISO系统、基本上不需要对象 的动态模型、结构简单、在线调整方便。 APC控制器（先进控制方法，包括：解耦控制、 内模控制、预测控制、自适应控制等），
L GL 过程 C
Controlled Variable
1.1 工业过程控制系统
例1.2 换热器的温度控制（见图1.3）
SP
TC
Controller Final control element
控制目标：使工艺流体的 温度从Ti(t)T(t)。 系统的主要组成： TT/Sensor TC Final control element Process
被控对象 扰动 D 干扰通道 GD (s) 偏差 e 控制器 Gc (s) 控制变量 u 操纵变量 q 执行器 Gv (s) 控制通道 Gp (s)
设定值 ysp+源自+被控变量 y
+
_ 测量值 ym
测量变送 Gm (s)
1.1 工业过程控制系统
过程控制系统的特点
• 被控对象的多样性 • 对象动态特性存在滞后和非线性 • 控制方案丰富多样 • 有多个过程检测控制仪表
1.2 控制规律的选择-PID控制
比例积分作用（PI）
式中TI是积分时间常数。 TI的定义：在阶跃偏差作用下，控制器的输 出达到比例输出的两倍所经历的时间。 特点：既能及时控制，又能消除余差，但也 降低了系统的稳定性。 在Kc和A确定的情况下，直线的斜率将取决 于积分时间TI的大小： TI越大，积分作用越弱，消除余差的能力弱； TI越小，积分作用越强，消除余差的能力强， 但是，系统振荡加剧，稳定性越差。
1.1 工业过程控制系统
过程控制系统的分类
• 按调节器的控制规律分：P、PI、PD、PID等 • 按被控量的多少分：单变量和多变量控制系统 • 按系统的复杂程度来分：单回路和多回路系统
• 按系统的结构特点来分：反馈控制，前馈控制，复合
控制(前馈-反馈控制)
• …
1.1 工业过程控制系统
过程控制流程图
过程控制系统(Process Control System)的定义
• 以表征生产过程的参量为被控制量使之接近给定值或 保持在给定范围内的自动控制系统。 物质和能量有相互作用和转换
被控对象：工业生产过程中的各种生产装置和设备，如加热 炉，锅炉，分馏塔，反应器等 被控变量：温度、压力、流量、液位或料位、成分与物性等 六大参数
式中S2是微分时间常数。 注： 微分调节只能起辅助作用，不能单独使用 可以与其它调节动 作结合成PD或PID控制。
1.2 控制规律的选择-PID控制
比例微分作用（PD）
式中TD—微分时间 特点： （1）在稳态下,de/dt=0, PD调节器的微分部分输出为零, 因此PD调节也是有差调节.与P调节相同． （2）微分调节动作总是力图抑制被调量的振荡, 能提高系 统的稳定性。 （3）能增加开环增益，提高系统的响应速度。 （4）对干扰较为敏感。
第一章 过程控制的基本概念
1.1 工业过程控制系统
过程控制领域
• 石油化工：输油，炼油，乙烯，合成橡
胶，合成氨
• 电力：火电厂 • 冶金：冶金加热炉，热处理炉
• 生化：啤酒，制药
• 轻工：食品，漂染 • 环境：水处理，大气监测 • 其它：农业，养殖业，…
1.1 工业过程控制系统
例1.1 加热器的温度控制（见图1.1）
1.2 控制规律的选择-PID控制
例1.4: 热水加热器 热水流量阶跃减小 后的调节情况, 它显 示了各个量之间的 关系.
热水流量Q: 出口水 流量,发生阶跃扰动
出口水温θ: 被调量, 最初稳定在θ0 比例调节μp:它与θ曲 线成镜面对称, 只是 幅值不一样 27
1.2 控制规律的选择-PID控制
课程要求及参考书目
教学目标
• • • • • 什么是过程控制系统 过程控制系统的基本设计方法和原则 过程控制系统的建模与辨识 过程控制系统的控制器设计与稳定性分析 了解过程控制系统的性能评估方法
教材及主要参考书目
• 《工业系统辨识与控制》，李少远等，化学工业出版社，2010年 • 《自动控制原理》，胡寿松，科学出版社，2001年及以后新版本 • 《现代控制工程》（第二版），绪方胜彦著，卢伯英等译，科学出版社， 1984
1.2 控制规律的选择-PID控制
注： (1)微分作用的强弱要适当 TD太小，作用不明显，控制质量改善不大 TD太大，作用过强，引起被调量幅度振荡，稳定性下降 (2) 微分调节动作对于纯迟延过程是无效的。 (3) PD调节器的抗干扰能力很差, 只能应用于被调量的变 化非常平稳的过程, 一般不用于流量和液位控制系统.
1.1 工业过程控制系统
过程控制系统的基本组成 • 被控对象 • 传感器和变送器 • 控制器 • 执行器
被控对象 扰动 D 干扰通道 GD (s) 偏差 e 控制器 Gc (s) 控制变量 u 操纵变量 q 执行器 Gv (s) 控制通道 Gp (s) 设定值 ysp 被控变量 y
+
+
+
_ 测量值 ym
测量变送 Gm (s)
图1.4 简单过程控制的系统框图
1.1 工业过程控制系统
常用术语
• 被控对象(Process/Object)：被控制的设备或装置
• 被控变量(Controlled Variable)：需要对其进行控制的工艺变量
• 扰动(Disturbance)：影响被控变量的各种扰动作用 • 操纵变量(Manipulated Variable)：受执行机构操纵用于克服扰动 影响的变量 • 测量值(Measurement )：被控变量经检测变送后即是测量值 • 给定值(Set Point)：即被控变量的设定值 • 偏差值(Error)：被控量的给定值与测量值之差
被控对象 扰动 D 干扰通道 GD (s) 偏差 e 控制器 Gc (s) 控制变量 u 操纵变量 q 执行器 Gv (s) 控制通道 Gp (s)
设定值 ysp
+
+
被控变量 y
+
_ 测量值 ym
测量变送 Gm (s)
图1.4 简单过程控制的系统框图
1.2 控制规律的选择-PID控制
1.2.1 比例作用（P）
0 0
1.2 控制规律的选择-PID控制
残差的计算:
r e － ym Km 测量变送器 调节器 Kc u 调节阀 Kv μ 被控过程 Kp y
e r ym
1 1 r r 1 1 Kc Kv K m K p 1 Kv K m K p
y(t)

Kc增大
特点：反应速度快，在时间上没有延滞 Kc ↑δ ↓ 残差 e↓但有稳态余差 , 不 能消除 Kc↑控制系统的稳定性降低。 (与自控理论的分析一致。)
Steam
Transmitter Process fluid Ti(t) T Condensate return
TT
T(t)
Sensor
图1.3 换热器的控制框图
重要术语： Set Point 设定值 Process 被控对象 Controlled Variable 被 控变量
1.1 工业过程控制系统
残差的消除是PI调节器积分动作的结果．比例部分的阀位输出μp在调节过程 的初始阶段起较大作用,调节过程结束后返回到扰动发生前的数值. μp=Kce, 当调节过程结束后，e=0,则μp=0,回到原来的位置．
1.2 控制规律的选择-PID控制
1.2.3 微分作用（D）
微分控制是指调节器的输出与被调量或其偏差对时间的导 数成正比，即：
特点：主要适用于MIMO或大纯滞后SISO系统、 需要动态模型、结构复杂、在线计算量大。
1.2 控制规律的选择
PID控制是控制工程中技术成熟、理论完善、应用最 为广泛的一种控制策略，经过长期的工程实践，已 形成了一套完整的控制方法和典型结构。 在很多情形下，PID 控制可以方便灵活地改变控制 策略，实施P、PI、PD 或PID 控制。 PID 不仅适用于数学模型已知的控制系统，而且对 大多数数学模型难以确定的工业过程也可应用。