化工厂烟气处理控制系统的设计

本科生课程设计（论文）
课程设计（论文）任务及评语
院（系）：教研室：
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摘要
经济发展使得人们的生活水平不断提高，但也使人们周围环境不断恶化。

我国每年因酸雨和二氧化硫污染造成的直接和间接的损失高达上亿元人民币。

消减二氧化硫的排放量，控制大气二氧化硫污染，保护大气环境质量，是我国目前及未来相当长时间内环境保护的重要问题。

本文首先简述了烟气脱硫工艺的技术发展状况，对湿式钙镁烟气脱硫工艺进行了相关介绍，并对工艺流程设计进行相关描述。

采用分程控制系统，将烟气送入高速旋转的吸收塔中并用雾状石灰水即Ca(OH)与SO产生化学反应，生成22CaSO 沉淀，以消除SO，以保护环境卫生。

传感器对烟尘的温度进行检测，通24过对温度大小的检测进行PID控制，使其温度控制在150℃，该系统实现烟气脱硫工艺的控制与监视功能，上位机通过组态软件进行烟气脱硫工艺系统的状态控制、工艺以及数据显示。

本设计系统性能稳定，安全可靠，提高了脱硫系统的脱硫效率和自动化程度，并具有一定的环保意义、社会意义和经济效益。

关键词：湿法钙脱硫；PID控制；分程控制
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目录
第1章绪论 (1)
第2章设计系统的方案论证 ........................................
2
2.1 烟气脱硫的工艺原理 (2)
2.2 控制系统的选择 (2)
2.3 分程控制系统结构框图 (3)
第3章仪表选择 ...................................................
5
3.1 温度传感器选型 (5)
3.2 控制器选型 (6)
3.3 执行器选择 (7)
3.3.1 冷凝水阀的选型 (7)
3.3.2 蒸汽阀的选型 (8)
8 ....................................... 3.3.3 调节阀的输出信号第4章软件设计 .................................. 错误！未定义书签。

4.1 PID运算的算法 (10)
4.2 PID参数整定方法 (12)
4.3 调节规律对控制品质影响 (13)
第5章系统测试与仿真 ...........................................
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第6章课程设计总结 ..............................................
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参考文献 ...........................................................
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第1章绪论
随着我国工业的迅猛发展，各地由于工业废气引起的污染已不可小视。

二氧化硫是我国主要面临的大气污染源，我国火电厂每年向大气排放的二氧化硫高达1700—1800万吨，其中80%是由燃气排放的。

我国能源构成以煤炭为主，占了71%。

由此可见，我国目前的污染主要是由煤炭燃烧后产生二氧化硫引起的。

煤炭的大量燃烧产生了很多有害物质，二氧化硫的大量排放使我国很多地区出现酸雨，植物减产，牲畜死亡，危害人们的身体健康。

目前我国是世界三大酸雨区之一，PH小于5.6的区域面积已占全国国土面积的40%,两控区面积占全国面积的11.4%。

中国国际环境保护总局污染控制司副司长李新民指出，我国二氧化硫排放量的90%，氮氧化物排放量的70%来自燃煤。

2005年中国二氧化硫排放总量高达2549.3万吨，比2000年增加了27%，居世界第一。

我国政府已将二氧化硫污染的治理提到了议事日程，由建立两控区，实施总量控制、浓度控制，到排放收费，超标罚款，再到实施强制性脱硫，其执法力度越来越大。

控制二氧化硫的排放已成为不可忽视、不可回避的问题。

因此解决好燃煤排放烟气脱硫问题对于解决大气二氧化硫的污染具有极为重要的意义，烟气脱硫技术必将成为大气环境改善提供强有力的保障。

世界燃煤电厂控制二氧化硫排放最有效、应用最广的技术为燃烧后脱硫即烟气脱硫（Flue gas desulfurization，缩写FGD）。

该法可达到很高的脱硫率，技术化较成熟，是目前世界上已经完成大规模商业化应用的主要脱硫技术之一。

烟气脱硫术可分为湿法、半干法和干法三类工艺。

湿法脱硫技术以其脱硫效率高运行稳定可靠及没有二次污染独占鳌头。

在发达国际，90%以上的烟气脱硫采用湿法脱硫技术，湿法脱硫技术已成为我国燃煤电厂烟气脱硫的首选工艺。

湿式的石灰石—石膏法烟气脱硫工艺是目前世界上燃煤电厂应用最广泛、技术最成熟的湿法脱硫技术。

该技术采用石灰石浆液作洗涤剂，在反应塔中对烟气进行洗涤，从而出去烟气中的二氧化硫。

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第2章设计系统的方案论证
2.1 烟气脱硫的工艺原理
石灰石（石灰）-石膏湿法脱硫工艺系统主要有：烟气系统、吸收氧化系统、浆液制备系统、石膏脱水系统、排放系统组成。

其基本工艺流程如下：
锅炉烟气经电除尘器除尘后，通过增压风机、GGH(气体-气体换热器)降温后进入吸收塔。

在吸收塔内烟气向上流动且被向下流动的循环浆液以逆流方式洗涤。

循环浆液则通过喷浆层内设置的喷嘴喷射到吸收塔中，以便脱除SO、SO、HCL32和HF，与此同时在“强制氧化工艺”的处理下反应的副产物被导入的空气氧化为石?2HO）膏（CaSO，并消耗作为吸收剂的石灰石。

循环浆液通过浆液循环泵向上24输送到喷淋层中，通过喷嘴进行雾化，可使气体和液体得以充分接触。

每个泵通常与其各自的喷淋层相连接，即通常采用单元制。

在吸收塔中，石灰石与二氧化硫反应生成石膏，这部分石膏浆液通过石膏浆液泵排出，进入石膏脱水系统。

脱水系统主要包括石膏水力旋流器（作为一级脱水设备）、浆液分配器和真空皮带脱水机。

经过净化处理的烟气流经两级除雾器除雾，在此处将清洁烟气中所携带的浆液雾滴去除。

同时按特定程序不时地用工艺水对除雾器进行冲洗。

进行除雾器冲洗有两个目的，一是防止除雾器堵塞，二是冲洗水同时作为补充水，稳定吸收塔液位。

烟气脱硫技术属于燃烧后的脱硫。

在吸收塔出口，烟气一般被冷却到46~55℃左右，且为水蒸气所饱和。

通过气-气换热器将烟气加热到80℃以上，以提高烟气的抬升高度和扩散能力。

最后，洁净的烟气通过烟道进入烟囱排向大气。

2.2 控制系统的选择
基于烟气脱硫的要求，本设计采用以反应器内温度为被控参数，以蒸汽流量和冷凝水流量为控制变量的分程控制系统。

在一般的反馈控制系统中，通常是一台调节器只控制一个调节阀。

但在某些工业生产中，根据工艺要求，需将调节器的输出信号分段，去控制两个或者两个以上的调节阀，以便使每个调节阀在调节器输出的某段信号范围内作全行程动作，2
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这种控制系统成为分程控制系统。

在本次设计中由于发生间歇式化学反应，在反应过程中每次投料完毕后，为使其达到反应温度，需要先对其加热引发化学反应。

一旦化学反应开始进行，就会持续产生大量的反应热，如果不及时将热量释放，物料温度会越来越高，以至于有发生爆炸的危险。

因此，必须用冷却剂对其冷却，以保证化学反应在规定的温度下进行。

为此，设计以反应器内温度为被控参数、
以蒸汽流量和冷凝水流量为控制变量的分程控制系统，利用A、B两台调节阀分别控制泠凝水流量和蒸汽流量，以满足生产工艺对冷却和加热的不同需求，是系统温度维持在150℃左右。

为保证安全，蒸汽阀采用气开式，冷凝水阀采用气关式，温度调节器为反作用。

当烟气进入反应器后，化学反应开始前，温度测量值小于设定值。

调节器输出气压大于0.06MPa，A（冷凝水）阀关闭，B（蒸汽）阀开启，反应器夹套中流进的蒸汽使反应物料温度上升。

待化学反应开始以后，反应物料温度逐渐升高。

由于调节器是反作用，随着温度升高，调节器输出下降，B（蒸汽）阀逐渐关小；当反应物料温度达到并高于设定值时，调节器输出气压小于0.06MPa，B阀完全关闭，A阀逐渐打开，反应器夹套中流过的冷凝水将反应热带走，使反应物料温度保持在设定值。

TC
烟气TT
A
反应器冷凝水
脱硫烟气输出B
蒸汽
、
图2.1 反应器温度分程控制系统
2.3 分程控制系统结构框图
当烟气进入反应器后A（冷凝水）阀关闭，B（蒸汽）阀开启，反应器夹套中流进的蒸汽使反应物料温度上升。

待化学反应开始以后，反应物料温度逐渐升高，由于调节器是反作用，随着温度升高，调节器输出下降，B（蒸汽）阀逐渐关小。

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分程控制系统结构框图2.2 图
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第3章仪表选择
3.1 温度传感器选型
温度传感器（temperature transducer）是指能感受温度并转换成可用输出信号的传感器。

温度传感器是温度测量仪表的核心部分，品种繁多。

按测量方式可分为接触式和非接触式两大类，按照传感器材料及电子元件特性分为热电阻和热电偶两类。

本设计基于要求采用WZPB系列PT100热电阻作为温度传感器。

热电阻的测温原理是基于纯金属导体的电阻值随被测点温度增加而增加的这一特性来测量温度的；在一定的温度范围内纯金属导体的电阻值与被测温度呈线性的关系，所以通过测量纯金属的电阻值就可测出被测点的温度。

性能特点热电阻的测温原理是基于纯金属导体的电阻值随被测点温度增加而增加的这一特性来测量温度的；在一定的温度范围内纯金属导体的电阻值与被测温度呈线性的关系，所以通过测量纯金属的电阻值就可测出被测点的温度。

目前应用最多的是铂和Pt100、Cu100、Cu50等。

铜，如WZPB系列PT100热电阻通常和显示仪表、记录仪表、电子计算机等配套使用，输出4-20mA，直接测量生产现场存在碳氯化合物等爆炸物的范围内液体、蒸汽的气体质以及固体表面温度。

采用二线制输出4-20mA，抗干扰能力强；节省补偿导线及安装温度变送器费用；安全可靠，使用寿命长；冷端温度自动补偿，非线性校正电路。

技术参数：℃测量范围：-200~+5004-20 mA 输出信号：250Ω负载电阻：100Ω传输导线电阻：输出方法：二线制
10% 24V.DC±供电电源：
系列热电阻图 3.1 WZPB
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3.2 控制器选型控制器也叫调节器，调节器的选型与调节规律的选择对过程控制系统的控制品质有着至关重要的影响，也是过程控制系统设计的核心内
容之一。

调节器的输出决定于被控参数的测量值与设定值之差，被控参数的测量值与随着测量值的增加，对输出的作用方向是相反的。

当设定值不变时，设定值变化，调节器的输出也增加，称为“正作用”方式。

反之，如果测量值增加或设定值减小时，调节器输出减小，则称为“反作用”方式。

调节器正、反作用方式的选择是在调节阀气开、气关方式确定之后进行的，其确定原则是使整个单回路构成负”负”，所以主控制器应选“反馈系统。

在本系统中，主对象的放大倍数为符号“正作用。

由于仪表采用高性智能温度控制调节器。

JCS-33A-R/M型号PID本设计选用ON/OFF、、PD能芯片，从而保证了仪表基本性能的稳定、可靠，可任选自整定PID控制方式，大大的提高了抗超调或欠调，抑制扰动力。

针对仪表经常使用在工矿企业中，考虑到电网电压及工作环境的恶劣，在仪表的软、硬件设计上均采取了必要措施，大大提高了仪表的抗干扰性、稳定性，使之对工作环境的要求降低为零，具有更广泛的使用价值。

技术参数：）工作电压：AC 100-240（V 0-400℃温度范围：Pt100种热电偶，自由输入：用户通过操作键自由选择102种热电阻（、JPt100）
主控输出：可配备双输出功能，继电器、无触点电压、直流电流方式任选。

协议。

RS-485串行通讯：仪表具有通讯接口，支持Modbus
调节器系列3.2 图JCSPID
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3.3 执行器选择
在过程控制系统设计中，确定控制阀的口径尺寸是选择控制阀的重要内容之一，在正常工况下要求调节阀的开度在15%～85%之间。

调节阀的流量特性选择也很重要，一般分为两步进行。

首先要根据生产过程的工艺参数和对控制系统的工艺要求，确定工作流量特性，然后根据工作流量特性相对于理想流量特性的畸变关系，求出对应的理想流量特性，确定阀门类型。

调节阀开关作用方式的选择主要以不同生产工艺条件下，人员安全、生产安全、系统及设备安全的需呀为首要依据。

气开式调节阀随着控制信号的增加而开度加大，当无压力控制信号时，阀门处于完全关闭状态；与之相反，气关式调节阀随着信号压力增加，阀门逐渐关小，当无信号时，阀门处于全开状态。

为保证安全，蒸汽阀采用气开式，冷凝水阀采用气关式，温度调节器为反作用。

3.3.1 冷凝水阀的选型
ZJHS精小型气动薄膜角形单座调节阀采用顶导向结构，配用多弹簧执行机构，具有结构紧凑、重量轻、动作灵敏、阀容量大、流体通道呈流线型、压降损失小、阀容量大、流量特性精确、拆装方便等优点。

广泛应用于精确控制气体、液体等介质工艺参数如压力、流量、温度、液位保持在给定值。

特别适用于允许泄漏量小阀前事压差不大的高粘度，含有悬浮物和颗粒状物质流体的调节，可避免结焦、堵塞，便于自净与清洗的场合。

调节阀有标准型、调节切断型、波纹管密封型、夹套保温型等多种品种。

主要规格参数:
100 ～公称通径DN(mm):206.4 、):1.6、4.0公称压力PN(MPa直线、等百分比固有流量特性: 240 、80～～～压力调节范围():20100、40200KPa0.4 ):0.14～Ps(气源压力MPa℃流体温度由-20~250
3.3 ZJHS 图气动调节阀7
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3.3.2 蒸汽阀的选型
ZJHP、ZJHM精小型气动薄膜单座、套筒调节阀采用顶部导向结构,配用多
弹簧执行机构和低流阻调节机构组成。

具有结构紧凑、重量轻、动作灵敏、流体通道呈S流线型、压降损失小、阀容量大、流量特性精确、拆装方便等优点。

广泛应用于精确控制气体、液体等介质的工艺参数对压力、流量、温度、液位保持在给定值。

主要规格参数:
公称通径DN(mm):20～40
公称压力PN():1.6、4.0、6.4 MPa固有流量特性:直线、等百分比
压力调节范围():20～100、40～200、80～240 段幅:20～60、60～100 KPa气源压力Ps():0.14～0.4
MPa工作温度t(℃):-20～200常温型、-40～450中温型
精小型气动调节阀图3.4 ZJHM
调节阀的输出信号3.3.3
阀门开度（%）
100阀A阀B
阀B阀A00.06 0.02 输出信号（0.10 ）MPa 3.5 图调节阀分程关系曲线8
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气阀门控制器选型3.5 电/
由于启动调节阀能用于易燃易爆现场的优点，还不能被电动调节阀所取代。

气转换器把调节/为了使气动调节阀能够接受电动调节阀的输出信号，必须使用电器输出的标准电流信号转换为20-100kPa的标准气压信号，因此需要电/气转换器。

T-1000转换器是电气转换装置，它降低供给压力，产生一个与输入电信号成比例的压力输出。

供给压力范围125kPa～700kPa。

自带体积增大器提供大流量能力(可达20.4m3/h)。

供给压力为175kPa时，流量为7.6m3/h, 供给压力为700kPa 时，流量为20.0m3/h。

此转换器为防爆型，当供给压力为175kPa时，流量为3.2m3/h,
供给压力为700kPa时，流量为3.1m3/h。

供给压力：供给压力应超过输出压力21kPa，但最大为700kPa。

供给压力的敏感性：±0.15%量程，供给压力每变化10kPa。

排气量：在中间量程时为0.2 m3/h。

电气转换器图 3.6 T-1000
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第4章控制算法
4.1 PID运算的算法
PID(比例-积分-微分)调节在工业控制中得到了广泛的应用，对系统的模型要求低，调节方便，适用范围广，PID调节是比例、积分、微分调节规律的线性组合，PID 调节把比例调节的快速性、积分调节的消除静差的能力、微分调节的预见性结合起来。

PID基本算式有：位置式、增量式、和速度式。

调节系统框图图4.1 PID
算法1）位置式PID（n TdT?nn)??1)]})?e()e(un)?Kp{(e(i?[e(n
（4-1 ）TTi0?i
算式2）增量式PID （TdT)]}?1e[?e((??u(neKp)?{?e(n)?(n)?n)?n
（4-2 ）TTi
算式（3）速度式PID )KpTTd?u(n?{?e(n)?e(n)?[?e(n)??e(n?1)]}（4-3）
TTTTi
PID）进行控制的D）和微分（、积分（）P在过程控制中，按偏差的比例（I 它具有原理简单，PID（亦称控制器是应用最为广泛的一种自动控制器。

调节器）易于实现，适用面广，控制参数相互独立，参数的选定比较简单等优点；而且在
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理论上可以证明，对于过程控制的典型对象──“一阶滞后+纯滞后”与“二阶滞后+纯滞后”的控制对象，PID控制器是一种最优控制。

PID调节既能改善系统稳定性，又可以消除静差。

对于负荷变化大、容量滞后大、控制品质要求高的控制对象均能适应。

其传递函数为：
U(s)11[1G????Ts]（4-4）
d s)PTE(s i
）为微分时间常数。

由式（4-4是比例系数，其中为积分时间常数，K TT pdi减控制器的比例系数增大，则控制器对偏差反应灵敏；积分时间可知，PID K T pi PID 增大，则对偏差的变化灵敏，小，则对偏差的积累量灵敏；微分时间常数T d控制各个校正环节的介绍与作用如下：）控制：比例控制是一种最简单的控制方式。

其控制器的输出信号P比例（。

c(t)能够成比例地反应其输入信号ε(t)当仅有比例控制时系统输出存在稳态误差。

，偏差一旦产生，控比例调节作用：成比例地反映控制系统的偏差信号e(t)制器立即产生控制作用，以减少偏差。

比例作用大，可以加快调节，减少误差，但是过大的比例，是系统的稳定性下降，甚至造成
系统的不稳定。

）控制：在积分控制中，控制器的输出与输入误差信号的积分成正比积分（I关系。

对一个自动控制系统，如果在进入稳态后存在稳态误差，则称这个控制系统是有稳态误差或简称有差系统。

未来消除稳态误差，在控制器中必须引入“积这样，随着时间的增加，积分项会增大。

积分项对误差取决于时间的积分，分项”。

即便是误差很小，积分项也会随着时间增加而加大，它推动控制器的输出增大使）控制器可以使系统在进稳态误差进一步减小，直到等于零。

因此比例积分（PI 入稳态后无稳态误差。

积分调节作用：是使系统消除稳态误差，提高误差度。

因为有误差，积分调节就进行，直至无差，积分调节停止，积分调节输出为常值。

积分作用的强弱取越大，积分作用越弱，反之越强。

加入积分调节可使系，决于积分时间常数TT ii调节积分作用常与另两种调节规律结合，组成PI动态响应变慢。

统稳定性下降，PID调节器。

器或）控制：在微分控制中，控制器的输出与输入误差信号的微分成正D微分（比关系。

自动控制系统在克服误差的调节过程中可能会出现振荡甚至失稳。

其原因是由于存在有较大惯性环节或由滞后组件，具有抑制误差的作用，其变化总是即在误差接近零解决的办法使抑制误差的作用变化“超前”，落后于误差的变化。

时，抑制误差的作用为零。

这就是说，在控制器中仅引入“比例”项是不够的，它能预测误差比例项的作用仅是放大误差的幅值，而目前需要加的是“微分项”，11
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变化的趋势。

对有较大惯性或滞后的被控对象，比例微分（PD）控制器能改善系统在调节过程中的动态特性。

微分调节作用：具有预见性，能预见偏差变化的趋势，因此能产生超前的控制作用，在偏差还没有形成之前，已被微分调节作用消除。

因此，可以改善系统的动态性能。

在微分时间选择合适情况下，可以减少超调，减少调节时间。

微分作用对噪声干扰有放大作用，因此过强的加微分调节，对系统抗干扰不利。

此外，微分反应的是变化率，而当输入没有时，微分作用输出为零。

微分作用不能单独使用，需要与另外两种调节规律相结合，组成PD或PID控制器。

因此，通过选择，，可使控制量中的三个部分合理组合，从而达到K TT pdi控制目的。

4.2 PID参数整定方法
PID控制器的参数整定是控制系统设计的核心内容。

它是根据被控过程的特性确定PID控制器的比例系数、积分时间和微分时间的大小。

PID控制器参数整定的方法很多，概括起来有两大类：理论计算整定法和工程整定法。

其中理论计算整定法包括根轨迹法、对数频率特性法、扩充频率特性法、M圆法等。

要求获得对象的特性参数，建立对象的数学模型，通过计算方法求得控制器参数。

但计算而得的参数并不可靠，还需在现场进行验证；而且计算非常复杂和繁琐，在工程实际中很少使用，仅用于理论分析。

它主要是依据系统的数学模型，经过理论计算确定控制器参数。

这种方法所得到的计算数据未必可以直接使
用，还必须通过工程实际进行调整和修改。

工程整定方法包括稳定边界法、衰减曲线法、响应曲线法和经验法。

它避开对象的数学描述，有的基于对象的阶跃响应曲线，有的直接在现场整定，其方法简单，计算方便，容易掌握。

这种近似的方法得到的参数不一定是最佳参数，但非常实用，可以解决一般的实际问题。

它主要依赖工程经验，直接在控制系统的试验中进行，且方法简单、易于掌握，在工程实际中被广泛采用。

（1）稳定边界法又称临界比例度法，是目前应用较广泛的一种用调节器参数整定方法。

临界比例带法整定调节器参数时，先要切除积分和微分作用，让控制P，每减小一次系统以较大的比例带，在纯比例控制作用下运行，然后逐渐减小m P(称为临界都要认真观察过程曲线，直到达到等幅振荡时，记下此时的比例带m T，
然后按给出的经验公式求出调节器的参数值。

按该表算)和波动周期比例带m出参数值后，要把比例带放在比计算值稍大一点的值上，把和放在计算值上，TT di12
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将放在计算值上。

这种方法简单，应进行现场观察，如果比例带可以减小，再
P m用比较广泛。

衰减作为整定要求的，先切除调节器的积分和微1（2）衰减
曲线法是以4：衰减比例的，用凑试法整定纯比例控制作用的比例带，使之符合4：1 分作用P m。

如果加进积分和微分作用，可按表要求，记下此时的比例带和振荡周期TP mm对有些控3-4-2给出经验公式进行计算。

若按这种方式整定的参数作适当的调整。

制对象，控制过程进行较快，难以从记录曲线上找出衰减比。

这时，只要被控量其波动一次时间为4：1的衰减过程，波动2次就能达到稳定状态，可近似认为是。

T m都是在预先不知道控制对前三种整定调节器参数的方法，）响应曲线法，（3、时间迟T象特性的情况下进行的。

如果知道控制对象的特性
参数，即时间常数，则可按经验公式计算出调节器的参数。

利用这种方法整定的
Kξ和放大系数延φ=0.75的要求。

结果可达到衰减率而是根据运行经验法实质上是经验试凑法，它不需要进行试验和计算，（4）经验和先验知识，选确定一组调节参数，然后人为加入阶跃扰动，观察被控参数的响应曲线，并按照调节器各个参数对调节过程的影响，逐次改变相应的整定参的顺序逐一进行整定，直，再积分时间、微分时间数值，一般按先比例度P TT di到获得满意的控制品质为止。

4.3 调节规律对控制品质影响K对系统性能的影响）比例系数（1p偏大，
振比例系数加大，使系统的动作灵敏，速度加快，稳态误差减小。

K p KK太小，又会使荡次数加多，调节时间加长。

太大时，系统会趋于不稳定。

pp K传感器以
控制对象的特系统的动作缓慢。

这主要是由执行机构、可以选负数，p pv)()就会
离控制目标的状态的符号选择不当对象状态性决定的。

如果(值值Ksv p K越来越远，如果出现这样的情况的符号就一定要取反。

p）积分控制对系统性能的影响（2T i小（积分作用强）会使系统不稳定，但能积分作用使系统的稳定性下降，
T i消除稳态误差，提高系统的控制精度。

（3）微分控制对系统性能的影响T d微。