热工过程自动控制简述

刘玉长
(二)增量式PID控制算式
根据位置式算式，可导出控制量的增量 ∆u(k)： ∆u(k)=u(k)−u(k−1) =KP∆e(k)+ KIe(k)+ KD[∆e(k)−∆e(k−1)] =Ae(k)+ Be(k−1)+ Ce(k−2) − − 输出∆u(k)是控制阀开度(位置)的增量(改变 量)。
在输入阶跃信号 后，微分作用和比例作 用同时发生，PID控制 器的输出Y突然发生大 幅度的变化，产生一个 较强的控制作用，这是 比例基础上的微分控制 作用，然后逐渐向比例 作用下降；接着又随时 间上升，这是积分作用； 直到偏差完全消失为止。
PID控制特点与适用场合
【特点】： 集成P、I、D作用，只要参数选择合适(较 麻烦)，可同时改善稳态与动态性能。 【适合于】： 对象滞后大，负荷变化大但不频繁，控制 要求高场合，如反应器温度控制或成分控制等。
SP+∆1 SP SP-∆2
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双位控制系统输出曲线
二、比例(Propotional)控制作用
控制器输出与输入(偏差)成正比： y(t)=KPe(t) 【特点】 (1)作用速度快；(2)e=0，y=0，故不可 能消除偏差。【适用于】对象惯性大、滞后小， 负荷变化不大，容许余差存在场合，如要求较低 的压力、流量、液位等的控制。
y(t) e(t)
(a)理想
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(b)滞环 (c)死区 常用位式控制作用
(d)滞环+死区
双位控制特点与适用场合
【特点】 (1)结构简单，控制质量不高；(2)被 控量会出现振荡(被控变量持续地在设定值上 下作等幅震荡，无法稳定在设定值上) 。 【适用于】对象惯性大，负荷变化小，控制质 量要求不高的场合，如炉温控制。
1 δ= ×100% Kp
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例题：一个DDZ-III型的比例控制器，若输入信 号从6mA增大到10mA，控制器的输出相应地从 8mA增大到16mA，试求该控制器的比例带。 [解]: 控制器的输入、输出有效量程均为4-20mA
1 10 − 6 δ= × 100% = × 100% = 50% 16 − 8 Kp
六、PID控制算式
在模拟控制系统中，PID控制是被广泛采用 的一种控制策略，在数字(计算机)控制系统中， PID控制仍被广泛应用。由于计算机控制是一种 采样控制，它只能根据采样时刻的偏差值(数字 量)计算控制量，因此式中积分和微分项不能直 接使用，需要进行离散化处理。
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(一) 位置式PID控制算式
比例带物理意义:比例 带就是使控制器变化 全范围时，输入偏差 对应满量程的百分数。
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三、比例积分(PI)控制规律
(一) 积分(Integrate)控制作用 积分控制作用是指控制器的输出变化量∆y 与输入偏差e的积分成正比：
∆y = K I ∫ edt 或 1 ∆y = ∫ edt TI
e t ∆y t 积分作用动态特性
(二) 比例积分(PI)控制规律
e
比例积分控制 器的输出可视为比例 输出yP和积分作用的 输出yI之和。理想PI 控制作用为：
1 ∆y = K P (e + ∫ edt ) TI
t ∆y yI yP t=TI 理想PI动态特性 理想 动态特性
yI = yP t
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PI控制特点与 应用场合
【特点】： (1)相角为负，相当于滞后校正； (2)积分控制较缓慢，稳定性变差，但可消除 余差。 【适合于】： 对象滞后较大，负荷变化较大但缓慢， 要求无余差场合。应用最广，流量、压力、液 位控制均可。
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第二节 基本控制规律与控制器
控制器是自动控制系统的核心，它接受变 送器或转换器送来的标准信号，按预定的规律 (称控制作用或控制规律)输出标准信号，推动执 行器消除偏差，使被控参数保持在给定值附近或 按预定规律变化，实现对生产过程的自动控制。 控制器的输出信号y与输入偏差信号e(=PVSP)之间随时间变化的规律y=f(e)叫做控制器的控 制规律，也称之为控制器的特性。 不同的控制规律适应不同的生产要求。要 选用合适的控制规律，首先必须了解控制规律的 特点与适用条件，根据工艺指标的要求，结合具 体对象特性，才能做出正确的选择。 刘玉长
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(二) 比例微分(PD)控制规律
比例微分控 制器的输出等于 比例输出yP和微 分作用的输出yD 之和。理想PD控 制作用为：
de ∆y = K p (e + TD ) dt
e t ∆y y t t1 TD e t0 ∆y PD t P D t2
(a) e=1(t) (b)e=t 比例微分控制动态特性
热工参数自动控制简述
第一节 过程控制系统的组成与分类
一、过程控制系统
自动控制：就是在没有人直接参与的情况 下，利用外加的设备或装置(控制装置)，使机器、 设备或生产过程(控制对象)的某个工作状态或参 数(被控量)按照预定的规律自动地运行。 自动控制系统(Automatic Control Systems )： 是在无人直接参与下可使生产过程或其他过程按 期望规律或预定程序进行的控制系统。 过程控制系统(Process Control Systems )：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。 刘玉长
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三、控制系统的工程表示
自动控制系统有两种表示方法，即方框图 与工艺控制流程图(或称管道仪表流程图)【需遵 循 “GB/T 2625-1981 过程检测和控制流程图用 图形符号和文字代号” 或其它行业标准】。
蒸汽 SV 期望值 控制器 LT LC SV LC MV PV PV 实际值 控制阀 V 检测变送 LT 锅炉
e(t) r(t) e(t) 1 y(t) y(t) KP 比例控制作用及其特性
KP
c(t)
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比例控制规律的参数
比例控制作用的整定参数是放大系数KP， 它决定比例作用的强弱，但在一般控制器中，比 例作用都不用放大系数作为刻度，而是用比例带 δ来刻度。比例带的定义是：输出信号作全范围 的变化时所需输入信号的变化(占全量程)百分数。 比例带δ可用下式表示 δ
因为采样周期T相对于信号变化周期来说很 小，故可用和式(矩形计算法)代替积分，以增量 (差分)代替微分，可得离散的PID表达式为
T u ( k ) = K P e( k ) + TI TD ∑ e(i) + T [e(k ) − e(k − 1)] i =1
k
k
= K P e( k ) + K I ∑ e(i ) + K D [e(k ) − e(k − 1)]
V
给水
(a)工艺控制流程图 (b)方框图 锅炉汽包液位控制
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四、过程控制系统的分类
自动控制系统有多种分类方法，可以按被 控量分类，例如温度控制系统、流量控制系统等； 也可以按控制器的控制作用来分类，例如比例控 制系统、比例积分控制系统等。 为了便于分析自动控制系统的性质，可将 控制系统按设定值形式的不同分为三类，即定值 定值 控制系统、程序控制系统 随动控制系统 。 控制系统、程序控制系统与随动控制系统 系统 系统 随动控制
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常用控制规律特点及适用场合 P PI PD PID
结合P、I、 D的优点， 同时兼顾动 态与静态 高性能控制 系统与温度 控制系统等 (1)速度快 (1)存在滞 (1)超前控 特 (2)有静差 后，控制 制，减小 动态偏差 不及时 点 (2)无静差 (2)有静差 适 压力、流 流量、压 温度、液 用 量、液位 力及高性 位控制等 场 等的控制 能液位控 (对象存在 合 (要求低) 制系统 大惯性) 刘玉长
二、过程控制系统组成
对象： 对象：被控制的装置或设备，其输出即为被控量； 检测元件及变送器：检测元件的功能是感受并测出被 检测元件及变送器 控量的大小，变送器的作用则是检测元件测出的被控量 变换成控制器所需要的信号形式； 控制器：它将检测元件或变送器送来的信号与被控变 控制器 量的设定值信号进行比较得出偏差信号，根据这个偏差 信号的大小按一定的运算规律计算控制信号u，然后将 控制信号传送给执行器。 执行器： 执行器：其作用是接受控制器发出的控制信号u，直 接改变操纵量q(例如电流、重油、煤气等的量)，即调整 能量或物料的平衡，使被控量回复至设定数值。
பைடு நூலகம்
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PD控制特点与 应用场合
【特点】 (1) D作用起超前控制效果。使系统的相角裕 度提高，因此有助于系统动态性能的改善； (2) e=0，y=0，故不能消除偏差。 【适合于】 对象滞后大，负荷变化不大，被控量变 化不频繁且允许余差存在场合。
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五、比例-积分-微分(PID)控制作用
为了得到比较满意的控制质量，常将比例、 积分、微分三种控制结合起来，构成比例积分 微分(PID:Propotional-Integrate-Differential)三种 作用控制器。理想PID控制作用特性方程如下：
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四、比例微分(PD)控制规律
(一) 微分(Differential)控制作用
微分控制作用就是指输出信号∆y与输入偏 差信号的变化速度成正比，即 de ∆y = TD , TD ——微分时间， 。 min dt dt
e t0 ∆y δ(t) t (a)理想微分作用 t (b)实际微分作用特性 微分控制器动态特性 t (c)匀速偏差输入 t t0 t t0 t
d e (t ) 1 ∆y = K P [e(t ) + TD + dt TI
1 K p (1 + + TD s ) TI s G (s) = 1 TD 1+ + s TI K I s K D
∫ e(t )dt ]
0
t
实际PID控制特性(传递函数)如下： KI、KD分别为积 分与微分常数。
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实际PID控制阶跃响应曲线 刘玉长
i =1
u(k)同控制阀开度(位置)一一对应，也就是 计算机对采样值进行PID运算后，其输出与控制 阀开度相对应，故称位置式算式。 刘玉长
位置式PID控制算式特点
(1)由于全量输出，所以每次输出均与过去的状态 有关，计算机要对e(k)进行累加，计算机运算 工作量大； (2)因为计算机输出的u(k)对应的是执行机构的实 际位置，如计算机出现故障，u(k)的大幅度变 化，会引起执行机构位置的大幅度变化，这种 情况往往是生产实践中不允许的，在某些场合， 还可能造成重大的生产事故。
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微分作用特点
(1)即使偏差很小，但只要出现变化趋势，即可马 上进行控制，故微分作用也被称之为“超前” 控制作用； (2)但它的输出只与偏差信号的变化速度有关。如 有偏差存在但不变化，则微分输出为零，故微 分控制不能消除静差。所以微分控制器不能单 独使用，它常与比例或比例积分控制作用组合， 构成比例微分(PD)或比例积分微分(PID)控制 器。
一、双位控制
双位控制的输出规律是根据输入偏差的正 负，控制器的输出为最大或最小。即控制器只有 最大或最小两个输出值，相应的执行器只有开和 关两个极限位置，因此又称开关控制。 理想的双位控制器其输出y于输入偏差e之间 的关系为 e > 0(或e < 0) ymax
y= ymin e < 0(或e>0)
KI —积分增益，1/min; TI —积分时间，min。 刘玉长
积分作用特点
(1)只要有偏差存在，输出信号将随时间不断增长 (或减小)；只有输入偏差等于零，输出信号才 停止变化，而稳定在某一数值上，因而积分控 制作用可消除静差。输出信号的变化与输入偏 差的大小和积分时间TI成反比，TI越小，积分 速度越快，积分作用越强。输出信号变化方向 由e的正负决定。 (2)积分控制作用可以消除静差，但因积分作用是 随着时间积累而逐渐加强，所以控制作用缓慢， 在时间上总是落后于偏差信号的变化，不能及 时控制。 刘玉长
e /(emax − emin ) δ = × 100% ∆y /( y max − y min )
式中emax－emin——偏差变化范围； ymax－ymin——输出信号变化范围。
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比例带与比例系数关系
对于一个具体的控制器， emax－emin、ymax －ymin都已固定，所以其比值为常数： K δ= ×100% Kp 在单元组合仪表中，emax－emin=ymax－ymin， K＝1，所以有：