06 换热器热流出口温度控制
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根据实验数据K---cmax和Tk的值，按照临界比例度法整定PID控 制器参数的经验公式，就可以计算得出采用不同类型的PID控 制器，使响应曲线呈4:1衰减振荡时的控制器参数。
25
PID控制器参数的工程整定法
临界比例度法（Ziegler-Nichols方法）
控制器类型
P PI PID
Kc 0.5K---cmax 0.46K---cmax 0.6K---cmax
0.5Ts 0.3Ts
Td ------0.1Ts
计算出控制器参数之后，先将Kc放在比计算值稍小一些（一
般小20%）的数值上，再依次放上Ti和Td的值，最后再将Kc放
回到计算值上即可。施加扰动，观察换热器热流出口温度的
响应情况。
30
PID控制器参数的工程整定法
衰减振荡法
1.将TI1104设定值从120变为130，记录TI1104的响应曲线。 2.待TI1104稳定后，将TI1104设定值从130再变为120，记录 TI1104的响应曲线。 3.待系统稳定之后，手工将FV1105开度设置为40，观察 TI1104曲线的变化趋势。 4.当TI1104稳定后，再将FV1105开度调回到30，等待TI1104 稳定。
Dpro
换热器热流出口温度控制
《深入浅出过程控制-小锅带你学过控》
实验目的
掌握比例积分微分作用的控制规律、PID控制器的使用 巩固学习PID控制器参数工程整定方法——衰减振荡法、
临界比例度法 了解温度对象的特性和控制方法
2
基础知识
1. 温度 2.换热器介绍 3.冷态开车 4.温度自衡过程 5.传热设备的控制要求
修改OP的值，也就是不断改变阀门FV1103开度，观察SP和 PV的值，当其值达到120℃左右时，将控制器投自动。
15
实验步骤
整定控制器参数。
当比例增益Kc取1时，改变热流出口温度TI1104的SP，如从 120℃变为130℃，当TI1104稳定后再将SP从130℃改为 120℃，观察并记录TI1104的响应曲线。
在没有打开任何工程的前提下，在SMPT-1000监控环境中打 开减温器工程06_Desuperheater。
点击工具栏中的 按钮，打开阀门/挡板控制配置对话框，确 认阀门FV1103和FV1105均设置为手操状态。
将热流出口阀FV1105开度置为30%，观察热流流量FI1105的 变化。
26
PID控制器参数的工程整定法
临界比例度法（Ziegler-Nichols方法）
适当修改计算出来的值，直到响应曲线的衰减比达到4:1为止。 观察并记录此时的响应曲线以及控制器各参数值。
施加扰动测试控制器性能。 1.令TIC1104的比例增益Kc=2.982、积分时间Ti=93.74、微
在响应曲线稳态无差且衰减比接近4:1时，可适当调整比例增 益，将衰减比调节到4:1。观察并记录TI1104的响应曲线以及 Kc和Ti的值。
18
实验步骤
整定控制器参数。
19
实验步骤
整定控制器参数。
确定Kc以及Ti的值之后，再修改Td的值，即加入微分作用。令 Td=1，改变过热蒸汽出口温度TI1104的SP，即从120℃变为 130℃，观察并记录响应曲线。当TI1104稳定后，再将SP从 130℃变为120℃，观察响应曲线。
3
基础知识
温度：是用于表示物质冷热程度的物理量。物质由分 子组成，分子在不断地运动着，分子的平均动能增加 时，物质的温度升高；分子的平均动能减小时，物质 的温度降低。温度又可定义为与物质分子平均动能成 比例的一种物理量。
温标：是统一规定的度量温度的标尺。温标规定了温 度的读数起点（零点）和测温的基本单位。常用的温 标有：华氏温标、摄氏温标、国际温标。
根据比例控制器的特点，不断修改Kc的值，每修改一次都要 通过改变SP来加入阶跃扰动，直到热流出口温度曲线出现4:1 衰减。观察并记录TI1104的响应曲线，同时记录下此时Kc的 值。
16
实验步骤
整定控制器参数。
17
实验步骤
整定控制器参数。
确定Kc的值之后，根据积分控制的特点，不断修改Ti的值，每 修改一次都要通过改变SP来加入阶跃扰动，观察并记录 TI1104的响应曲线。
4.当TI1104稳定后，再将FV1105开度调回到30，等待 TI1104稳定。
28
PID控制器参数的工程整定法
衰减振荡法
在纯比例作用的情况下，将Kc由小到大逐渐变化，每变化一 次Kc值，通过修改SP的值加入阶跃干扰，并观察热流出口温 度的阶跃响应曲线，直到出现4:1衰减振荡为止。测量并记录 此时的增益K-s以及振荡周期Ts。
6
基础知识
待FI1105稳定在2.5567kg/s时，将冷水入口阀FV1103开度置 为30%，观察冷水流量FI1102、热流出口温度TI1104、冷水 出口温度TI1103的变化趋势。
待TI1104稳定在130℃左右时，将热流出口阀开度置为50%， 观察热流流量FI1105、热流出口温度TI1104、冷水流量 FI1102、冷水出口温度TI1103的变化趋势。
控制器参数 Ti ----
0.85Tk 0.5Tk
Td ------0.13Tk
计算出控制器参数之后，先将K---c放在比计算值稍小一些
（一般小20%）的数值上，再依次放上Ti和Td的值，最后再
将K---c放回到计算值上即可。修改SP的值加入阶跃干扰，观
察TI1104的响应曲线，看衰减比是否达到4:1。
7
基础知识
8
基础知识
温度自衡过程
将阀门FV1105固定开度为30，点击工具栏中的运行按钮 ， 运行换热器工程。
将阀门FV1103固定到一个开度，待热流出口温度TI1104稳定 之后记录下流量FI1102和温度TI1104的值。
将阀门FV1103调整到一个新的开度，待温度稳定之后记录流 量和温度新的稳态值。
PID控制器组态（见下页）。 设置执行单元，阀门位号FV1103，数据输出类型为“绝对量”。 进行信号连接。
13
实验步骤
14
实验步骤
在趋势曲线画面添加所需曲线。 运行换热器工程。 控制系统投运。
控制系统投运原则：无平衡、无扰动切换 TIC1104投运过程：控制器状态为手动，进行手动控制，不断
4
基础知识
换热器介绍
换热器：又称为热交换器，是将热流体的部分热量传递给冷 流体的设备。
列管式换热器主要由壳体、管束、管板和封头等部分组成。 在其中进行换热的液体有两种，一种在管内流动，其行程称 为管程；一种在管外流动，其行程称为壳程。
换热器可分成加热器和冷却器两类。
5
基础知识
冷态开车
当TI1104稳定后，再将FV1105开度调到30，等待TI1104稳定。
22
实验步骤
施加扰动测试控制器性能。
23
经验整定法P、I、D参数范围
控制器参数 对象类型
P（KC） I（Ti） D（Td）
液位 1.25-25
----
----
流量
1-2.5
6-60
2-10
温度
1.6-5 180-600 10-100
2
，可采用比例-微分控制器
对于精度要求高的，要加入积分规律
3Baidu Nhomakorabea
，可采用比例-积分控制器
较重要、控制精度要求较高、希望动
4
态偏差小、被控对象的时间滞后较大
的，可采用比例-积分-微分控制器
34
被控对象特性
被控变量
总结
特征
流量
时间常数较小 容易受到干扰
液位 纯滞后较小
所采用的控制器
不易加入微分作用，一般 采用比例-积分控制器
根据实验数据K-s和Ts的值，按照衰减振荡法整定PID控制器参 数的经验公式，就可以计算得出采用不同类型的PID控制器， 使响应曲线呈4:1衰减振荡时的控制器参数。
29
PID控制器参数的工程整定法
衰减振荡法
控制器类型
P PI PID
Kc K-s 0.83K-s 1.25K-s
控制器参数 Ti ----
分时间Td=24.3724，将TI1104设定值从120变为130，记录 TI1104的响应曲线。
2.待TI1104稳定后，将TI1104设定值从130再变为120，记 录TI1104的响应曲线。
27
PID控制器参数的工程整定法
临界比例度法（Ziegler-Nichols方法）
3.待系统稳定之后，手工将FV1105开度设置为40，观察 TI1104曲线的变化趋势。
压力 1.4-3.3 20-180 2-20
24
PID控制器参数的工程整定法
临界比例度法（Ziegler-Nichols方法）
在纯比例作用的情况下，将Kc由小到大逐渐变化，每变化一 次Kc值，通过修改SP的值加入阶跃干扰，并观察热流出口温 度的阶跃响应曲线，直到出现等幅振荡为止。测量并记录此 时的临界增益K---cmax以及等幅振荡周期Tk。
将Td的值改为2，同样通过改变TI1104的SP，观察响应曲线。 根据微分作用的特点，修改Td的值，当响应曲线接近4:1衰减
振荡时，适当修改Kc、Ti和Td的值，使响应曲线的衰减比达到 4:1，观察并记录TI1104的响应曲线和此时的PID控制器参数。
20
实验步骤
整定控制器参数。
21
实验步骤
11
换热器热流出口温度单回路控制系统的设计
被控对象：换热器 操纵变量：冷水入口流量
被控变量：热流出口温度 干扰变量：热流流量、冷水温度
12
实验步骤
打开换热器工程。 确认FV1103为内控状态。 进行控制系统组态。
设置数据采集点，采集换热器热流出口温度TI1104实测值作控制 器输入。
一般不加入微分
压力
时间常数与体积有关，例如： 时间常数较大的话可以加 大体积的容器压力时间常数较 入微分，一般情况下采用 大；而管道压力时间常数较小 比例-积分控制器
温度
时间常数比较大，控制起来不 灵敏
需要加入微分作用
35
Dpro
施加扰动测试控制器性能。
令TIC1104的比例增益Kc=2.5、积分时间Ti=55、微分时间 Td=3，将TI1104设定值从120变为130，记录TI1104响应曲线。
待TI1104稳定后，将TI1104设定值从130再变为120，记录 TI1104的响应曲线。
待系统稳定之后，手工将FV1105开度设置为40，观察TI1104 曲线的变化趋势。
31
PID控制器参数的工程整定法
衰减振荡法
32
PID控制器参数的工程整定法
衰减振荡法
适当修改控制器参数的值，直到响应曲线达到4:1为止。观察 并记录此时的响应曲线以及各参数值。
33
总结
控制规律选择的一般原则
对控制要求不高的参数，可只采用比
1
例控制器，甚至采用开关控制
对控制要求不高，且惯性较大的参数
本实验可以继续下去，对应FV1103任何一种开度，蒸汽温度 TI1104都能达到平衡。
9
基础知识
由于热流最高温度的限制，无论冷流流量的变化有多大，都 不会导致TI1104无休止地上升或下降。所以，热交换过程属于 完全自衡过程。
10
基础知识
传热设备的控制要求
传热的目的主要有下列三种： 1.使工艺介质达到规定的温度 2.使工艺介质改变相态 3.回收热量
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PID控制器参数的工程整定法
临界比例度法（Ziegler-Nichols方法）
控制器类型
P PI PID
Kc 0.5K---cmax 0.46K---cmax 0.6K---cmax
0.5Ts 0.3Ts
Td ------0.1Ts
计算出控制器参数之后，先将Kc放在比计算值稍小一些（一
般小20%）的数值上，再依次放上Ti和Td的值，最后再将Kc放
回到计算值上即可。施加扰动，观察换热器热流出口温度的
响应情况。
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PID控制器参数的工程整定法
衰减振荡法
1.将TI1104设定值从120变为130，记录TI1104的响应曲线。 2.待TI1104稳定后，将TI1104设定值从130再变为120，记录 TI1104的响应曲线。 3.待系统稳定之后，手工将FV1105开度设置为40，观察 TI1104曲线的变化趋势。 4.当TI1104稳定后，再将FV1105开度调回到30，等待TI1104 稳定。
Dpro
换热器热流出口温度控制
《深入浅出过程控制-小锅带你学过控》
实验目的
掌握比例积分微分作用的控制规律、PID控制器的使用 巩固学习PID控制器参数工程整定方法——衰减振荡法、
临界比例度法 了解温度对象的特性和控制方法
2
基础知识
1. 温度 2.换热器介绍 3.冷态开车 4.温度自衡过程 5.传热设备的控制要求
修改OP的值，也就是不断改变阀门FV1103开度，观察SP和 PV的值，当其值达到120℃左右时，将控制器投自动。
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实验步骤
整定控制器参数。
当比例增益Kc取1时，改变热流出口温度TI1104的SP，如从 120℃变为130℃，当TI1104稳定后再将SP从130℃改为 120℃，观察并记录TI1104的响应曲线。
在没有打开任何工程的前提下，在SMPT-1000监控环境中打 开减温器工程06_Desuperheater。
点击工具栏中的 按钮，打开阀门/挡板控制配置对话框，确 认阀门FV1103和FV1105均设置为手操状态。
将热流出口阀FV1105开度置为30%，观察热流流量FI1105的 变化。
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PID控制器参数的工程整定法
临界比例度法（Ziegler-Nichols方法）
适当修改计算出来的值，直到响应曲线的衰减比达到4:1为止。 观察并记录此时的响应曲线以及控制器各参数值。
施加扰动测试控制器性能。 1.令TIC1104的比例增益Kc=2.982、积分时间Ti=93.74、微
在响应曲线稳态无差且衰减比接近4:1时，可适当调整比例增 益，将衰减比调节到4:1。观察并记录TI1104的响应曲线以及 Kc和Ti的值。
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实验步骤
整定控制器参数。
19
实验步骤
整定控制器参数。
确定Kc以及Ti的值之后，再修改Td的值，即加入微分作用。令 Td=1，改变过热蒸汽出口温度TI1104的SP，即从120℃变为 130℃，观察并记录响应曲线。当TI1104稳定后，再将SP从 130℃变为120℃，观察响应曲线。
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基础知识
温度：是用于表示物质冷热程度的物理量。物质由分 子组成，分子在不断地运动着，分子的平均动能增加 时，物质的温度升高；分子的平均动能减小时，物质 的温度降低。温度又可定义为与物质分子平均动能成 比例的一种物理量。
温标：是统一规定的度量温度的标尺。温标规定了温 度的读数起点（零点）和测温的基本单位。常用的温 标有：华氏温标、摄氏温标、国际温标。
根据比例控制器的特点，不断修改Kc的值，每修改一次都要 通过改变SP来加入阶跃扰动，直到热流出口温度曲线出现4:1 衰减。观察并记录TI1104的响应曲线，同时记录下此时Kc的 值。
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实验步骤
整定控制器参数。
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实验步骤
整定控制器参数。
确定Kc的值之后，根据积分控制的特点，不断修改Ti的值，每 修改一次都要通过改变SP来加入阶跃扰动，观察并记录 TI1104的响应曲线。
4.当TI1104稳定后，再将FV1105开度调回到30，等待 TI1104稳定。
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PID控制器参数的工程整定法
衰减振荡法
在纯比例作用的情况下，将Kc由小到大逐渐变化，每变化一 次Kc值，通过修改SP的值加入阶跃干扰，并观察热流出口温 度的阶跃响应曲线，直到出现4:1衰减振荡为止。测量并记录 此时的增益K-s以及振荡周期Ts。
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基础知识
待FI1105稳定在2.5567kg/s时，将冷水入口阀FV1103开度置 为30%，观察冷水流量FI1102、热流出口温度TI1104、冷水 出口温度TI1103的变化趋势。
待TI1104稳定在130℃左右时，将热流出口阀开度置为50%， 观察热流流量FI1105、热流出口温度TI1104、冷水流量 FI1102、冷水出口温度TI1103的变化趋势。
控制器参数 Ti ----
0.85Tk 0.5Tk
Td ------0.13Tk
计算出控制器参数之后，先将K---c放在比计算值稍小一些
（一般小20%）的数值上，再依次放上Ti和Td的值，最后再
将K---c放回到计算值上即可。修改SP的值加入阶跃干扰，观
察TI1104的响应曲线，看衰减比是否达到4:1。
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基础知识
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基础知识
温度自衡过程
将阀门FV1105固定开度为30，点击工具栏中的运行按钮 ， 运行换热器工程。
将阀门FV1103固定到一个开度，待热流出口温度TI1104稳定 之后记录下流量FI1102和温度TI1104的值。
将阀门FV1103调整到一个新的开度，待温度稳定之后记录流 量和温度新的稳态值。
PID控制器组态（见下页）。 设置执行单元，阀门位号FV1103，数据输出类型为“绝对量”。 进行信号连接。
13
实验步骤
14
实验步骤
在趋势曲线画面添加所需曲线。 运行换热器工程。 控制系统投运。
控制系统投运原则：无平衡、无扰动切换 TIC1104投运过程：控制器状态为手动，进行手动控制，不断
4
基础知识
换热器介绍
换热器：又称为热交换器，是将热流体的部分热量传递给冷 流体的设备。
列管式换热器主要由壳体、管束、管板和封头等部分组成。 在其中进行换热的液体有两种，一种在管内流动，其行程称 为管程；一种在管外流动，其行程称为壳程。
换热器可分成加热器和冷却器两类。
5
基础知识
冷态开车
当TI1104稳定后，再将FV1105开度调到30，等待TI1104稳定。
22
实验步骤
施加扰动测试控制器性能。
23
经验整定法P、I、D参数范围
控制器参数 对象类型
P（KC） I（Ti） D（Td）
液位 1.25-25
----
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流量
1-2.5
6-60
2-10
温度
1.6-5 180-600 10-100
2
，可采用比例-微分控制器
对于精度要求高的，要加入积分规律
3Baidu Nhomakorabea
，可采用比例-积分控制器
较重要、控制精度要求较高、希望动
4
态偏差小、被控对象的时间滞后较大
的，可采用比例-积分-微分控制器
34
被控对象特性
被控变量
总结
特征
流量
时间常数较小 容易受到干扰
液位 纯滞后较小
所采用的控制器
不易加入微分作用，一般 采用比例-积分控制器
根据实验数据K-s和Ts的值，按照衰减振荡法整定PID控制器参 数的经验公式，就可以计算得出采用不同类型的PID控制器， 使响应曲线呈4:1衰减振荡时的控制器参数。
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PID控制器参数的工程整定法
衰减振荡法
控制器类型
P PI PID
Kc K-s 0.83K-s 1.25K-s
控制器参数 Ti ----
分时间Td=24.3724，将TI1104设定值从120变为130，记录 TI1104的响应曲线。
2.待TI1104稳定后，将TI1104设定值从130再变为120，记 录TI1104的响应曲线。
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PID控制器参数的工程整定法
临界比例度法（Ziegler-Nichols方法）
3.待系统稳定之后，手工将FV1105开度设置为40，观察 TI1104曲线的变化趋势。
压力 1.4-3.3 20-180 2-20
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PID控制器参数的工程整定法
临界比例度法（Ziegler-Nichols方法）
在纯比例作用的情况下，将Kc由小到大逐渐变化，每变化一 次Kc值，通过修改SP的值加入阶跃干扰，并观察热流出口温 度的阶跃响应曲线，直到出现等幅振荡为止。测量并记录此 时的临界增益K---cmax以及等幅振荡周期Tk。
将Td的值改为2，同样通过改变TI1104的SP，观察响应曲线。 根据微分作用的特点，修改Td的值，当响应曲线接近4:1衰减
振荡时，适当修改Kc、Ti和Td的值，使响应曲线的衰减比达到 4:1，观察并记录TI1104的响应曲线和此时的PID控制器参数。
20
实验步骤
整定控制器参数。
21
实验步骤
11
换热器热流出口温度单回路控制系统的设计
被控对象：换热器 操纵变量：冷水入口流量
被控变量：热流出口温度 干扰变量：热流流量、冷水温度
12
实验步骤
打开换热器工程。 确认FV1103为内控状态。 进行控制系统组态。
设置数据采集点，采集换热器热流出口温度TI1104实测值作控制 器输入。
一般不加入微分
压力
时间常数与体积有关，例如： 时间常数较大的话可以加 大体积的容器压力时间常数较 入微分，一般情况下采用 大；而管道压力时间常数较小 比例-积分控制器
温度
时间常数比较大，控制起来不 灵敏
需要加入微分作用
35
Dpro
施加扰动测试控制器性能。
令TIC1104的比例增益Kc=2.5、积分时间Ti=55、微分时间 Td=3，将TI1104设定值从120变为130，记录TI1104响应曲线。
待TI1104稳定后，将TI1104设定值从130再变为120，记录 TI1104的响应曲线。
待系统稳定之后，手工将FV1105开度设置为40，观察TI1104 曲线的变化趋势。
31
PID控制器参数的工程整定法
衰减振荡法
32
PID控制器参数的工程整定法
衰减振荡法
适当修改控制器参数的值，直到响应曲线达到4:1为止。观察 并记录此时的响应曲线以及各参数值。
33
总结
控制规律选择的一般原则
对控制要求不高的参数，可只采用比
1
例控制器，甚至采用开关控制
对控制要求不高，且惯性较大的参数
本实验可以继续下去，对应FV1103任何一种开度，蒸汽温度 TI1104都能达到平衡。
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基础知识
由于热流最高温度的限制，无论冷流流量的变化有多大，都 不会导致TI1104无休止地上升或下降。所以，热交换过程属于 完全自衡过程。
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基础知识
传热设备的控制要求
传热的目的主要有下列三种： 1.使工艺介质达到规定的温度 2.使工艺介质改变相态 3.回收热量