基本过程控制系统

TI：积分时间 TD：微分时间
KD：微分增益
实际PID
基本过程控制系统
2．PID调节的优点
原理简单（适用和实现方便） 鲁棒性强（对过程参数变化不敏感） 3．调节器偏差的定义 按仪表制造业的规定： 调节器偏差=测量值-给定值，即 工业调节器的基本构成
r + y
e(t) = y(t) - r(t)
正 -1 1 u
（2）认识生产过程的动态特性（一般为广义对象的动态性）；
（3）设计控制器的控制规律及控制结构，使控制系统达到控制 系统的控制指标要求。
基本过程控制系统
第一章
§1-1
生产过程动态特性
过程控制系统的性能指标
§1-2
§1-3
被控对象的动态特性
过程数学模型及其建立方法
基本过程控制系统
§1-1
给定值
过程控制系统的性能指标
基本过程控制系统
§2-1
基本概念
统计表明生产过程80%的控制可以用PID控制器构成单回路反馈 控制系统进行控制（简单控制系统）。 PID控制是比例积分微分控制的简称。 是一种负反馈控制。即
控制器与广义被控对象构成的系统为闭环负反馈系统。其作用是对 输入偏差进行调节，从而缓解系统的不平衡，使系统输出稳定。
Y∞
• 取y*(t1)=0.39，取y*(t2)=0.63，记t1和t2
T = 2(t 2 - t 1 ) τ = 2t 1 - t 2
0.39
t
Y*
0.63
1
t
• 取 t 3 = 0.8T + τ 验证 y * (t 3 ) = 0.55
t 4 = 2T + τ y * (t 4 ) = 0.87
作渐近线，记ta、oh、y(ta) y(ta )/oh与n为单值关系
n y(ta )/0h 1 2 3 0．224 4 0．195 5 0．175 6 0．161
0．368 0．271
n 、 Ta 、 T参数的确定：
n由y(ta )/0h的值经查表确定；
T＝ta /n；
Δμ 0nT t a Ta = = Δμ 0 0h 0h
t1 + t 2 nT 2.16
高阶对象中n与比值t1/t2的关系 n t1/t2 n 1 0.317 8 2 0.46 9 3 0.534 10 4 0.584 11 5 0.618 12 6 0.640 13 14 7 0.666
t1/t2 0.684 0.699 0.712 0.724 0.734 0.748 0.751
基本过程控制系统
§1-2
被控对象的动态特性
一、基本概念 被控对象的动态特性是指被控对象的输入发生变化时， 其输出（被调量）随时间变化的特性 。 对于线性系统，其动态特性可用传递函数来描述。 二、典型对象动态特性 1. 典型实例分析
基本过程控制系统
（1）单容水箱

k
Qi
物质平衡方程：
dH 1 (Qi Q o ) dt F 其中Qi k ， Qo k H
扰动2 对象
扰动1 被调量
4．给定值 按生产要求被调量必须维持的希望值（简称给定值）。 5．调节机构
6．调节量（控制量） 由操作者或调节机构(阀门、挡板等)改变的，生产过程的输入 物理量，用以控制被调量的变化。称为调节量。 7．扰动
引起被调量偏离平衡状态的各种原因称为扰动。
基本过程控制系统
被调量
给定值
有自平衡双容对象
基本过程控制系统
（3）带延长管的单容水箱

Q0
Q0
e-τs Q1
阶越响应：
Q1
μ
Kμ Q0 纯迟延
H
有迟延自衡单容对象
Q1
_ Q2
1 FS
H
Q2
1 Rs
传递函数为：
G(s) =
H(s) K = e s μ(s) Ts 1
, 其中 为迟延时间
基本过程控制系统
μ
k
Qi
h
F
控制器 广义被控对象
被调量
控制系统的目标：当被调量受到扰动而偏离平衡状态时，控制器
的控制作用能使被调量稳、准、快地回到要求平衡状态。
稳态
稳态
动态
基本过程控制系统 一、单项性能指标 单项性能指标 衰减率: ψ=
给定值 : σ= 超调量
y1 - y3 y1 控制器 y1 100% y
被调量
广义被控对象
Q2
无自平衡单容对象
H(s) k μ 1 G(s) = = = μ(s) Fs Ts
F T= kμ
基本过程控制系统
自衡过程
非自衡过程
三、工业过程动态特性的特点 （1）无振荡； （2）稳定或中性稳定； （3）有惯性或迟延； （4）非线性特征，大部分生产过程可在工作点附近线性化
基本过程控制系统
归纳：
二、建立数学模型的两个基本方法
机理建模法 测试建模法
三、阶跃响应确定传递函数
1 阶跃响应获取应注意的问题 2 确定自衡对象传递函数 3 确定非自衡对象传递函数
基本过程控制系统
1 阶跃响应获取应注意的问题
（1）合理选择阶跃扰动的幅度
(一般约为额定负荷的10%～20%)
（2）实际阀门只能以有限速度移动 一般认为阶跃信号是在t1 /2时加入 （3）试验前确保被控对象处于稳定工况 考虑过程的非线性特性，应进行多次测试。 （4）若过程不允许同一方向扰动加入，则采用矩形脉冲扰动 可从脉冲响应曲线求出所需的阶跃响应。
H1
F1
对物质平衡方程在工作点处进行 线性化处理后达到传递函数为：
rk R1 H 2 (s) G(s) = = μ(s) T1T2 s 2 (T1 T2 ) s (1- r )
Q1
R1
其中：T1 F1 R1
H2
F2
R2
, T2 F2 R2
,
Q2
R2 r R1 R2
阶越响应：
（1）典型自衡对象传递函数表达式
K G(s) = e-τs Ts + 1
τ T
K
1 自衡率ρ = K
Κ 响应速度ε = Τ
（2）典型非自衡对象传递函数表达式
G(s) = 1 -τs e Ts
响应速度ε =
1 T
τ
T
基本过程控制系统
§1-3
过程数学模型及其建立方法
一、过程数学模型的表达形式与对模型的要求
给定值
基本过程控制系统 名词术语
给定值
控制器 广义被控对象
被调量
1．生产过程（被控对象）
生产设备以及所发生的物理和化学变化的过程。
被置于控制系统中过程称为被控对象 2．控制系统 控制仪表和生产过程通过信号的传递互相联系起来就构成控 制系统。 3．被调量（被控制量）
基本过程控制系统
给定值+ 控制器 测量变送器 执行器 调节阀
基本过程控制系统 （2
1 -τs G(s) = e Ta s
需要确定两个参数(T和τ)。 •τ = ta 。
Ta = Δμ 0 Δμ 0 ta = τ oh oh
基本过程控制系统
第二章
比例积分微分控制及其调节过程
§2-1 §2-2 §2-3 §2-4 §2-5 基本概念 比例调节 积分调节 比例积分调节 比例积分微分调节
基本过程控制系统
2 确定自衡对象传递函数
Ke-τs (1)一阶惯性环节 G(s) = Ts +1
K
典型自衡过程：
τ
T
Ke-τs Ke-τs 或G(s) = (2)二阶或n阶惯性环节 G(s) = (T1s + 1)(T2s + 1) (Ts + 1)n
(3)用有理分式表示的传递函数
bm sm + G(s) n an s +
H
在工作点线性化处理：
F
R
Q0
d H 1 k (k H ) dt F 2 H0
阶越响应：
传递函数：
G(s) = 水容 水阻 H(s) K = μ(s) Ts 1 C F R 2 H0 k
有自平衡单容对象
T CR K k R
基本过程控制系统
（2）双容水箱

Qi
+ b1s + b 0 -τs e + a1s + a 0
(n > m）
选择哪种传递函数的形式，可依据以下两点： 对被控对象的验前知识的掌握 对建立数学模型准确性的要求
基本过程控制系统
Ke-τs （1）确定 G(s) = 参数 K Ts + 1
• t1/2处为扰动起点； • 在s型响应曲线找拐点，并作切线； • 记交点a、b和c • 起点到a的距离为τ； • a点到c点的距离为T；
优点：抑制响应等幅波动和大误差
局限：不能反映微小误差对系统的影响
(4) ITAE（时间与绝对误差乘积积分） = 优点：着重惩罚过度时间过长


0
e(t ) tdt
基本过程控制系统 三、小结
1 单项指标用若干特征参数评价系统优劣；
2 积分指标用误差积分综合评价系统优劣； 3 根据具体生产过程的实际选用不同的指标； 4 通常将衰减率和积分指标结合，首先满足衰减率。
理想条件
原材料
合格产品
干扰 产品？
控制
过程控制
过程控制主要是指连续过程工业的过程控制
基本过程控制系统
汽包炉汽水生产过程
饱和蒸汽 测量 变送器 控制器 水位H 过热蒸汽
广义被控对象 （广义过程）
被 调 量 控制器 执行器 调节阀 对象
定值+
（PID)
执行器
测量变送器
给水 流量
被调量
控制器 广义被控对象
|PID|
反
设置正反作用开关的目的：使控制系统构成闭环负反馈系统
基本过程控制系统
§2-2
比例调节
e(t) t
Kc
1. 比例调节规律（ P）
基本过程控制系统
3．由阶跃响应确定非自衡过程近似传递函数
非自衡过程传递函数为：
e-τs 一阶积分环节的纯迟延过程 G(s) = Ts
一阶积分环节的多容过程
1 G(s) = Tas(Ts + 1)n
*当对象的阶数n<6时，一般多容过程传递函数描述
基本过程控制系统
（1）一阶积分的多容过程
1 G(s) = Tas(Ts + 1)n
控制器包括求偏 差和PID运算
控制器
给定值r
e
PID
u
广义被控对象
被调量y
基本过程控制系统
1．典型的传递函数为：
理想PID
u(s) 1 G s = = Kc 1 + + TDs e(s) TI s
其中： KC：比例系数
TDs u(s) 1 G s = = Kc 1 + + TD e(s) TI s s + 1 KD
基本过程控制系统
火力发电厂热工过程控制
基本过程控制系统
什么是过程控制？
工业生产过程 指原材料经过若干加工步骤转变成产品的过程。 工业生产过程可分为：
连续生产过程
离散生产过程
间歇生产过程（批量生产过程）。
基本过程控制系统 工业生产的目标
在可能获得的原料和能源条件下，以最经济的途径将原材 料加工成预期的合格产品。
控制器
广义被控对象
8．控制过程（调节过程） 原来处于平衡状态的生产过程，一旦受到扰动作用，被调量 偏离原来平衡状态，通过施加调节作用使被调量重新恢复到新
新平衡状态
原平衡状态
控制过程 （调节过程）
基本过程控制系统
被调量 给定值
控制器 广义被控对象
过程控制的研究内容： （1）设计控制系统的控制目标（即设计指标参数）；
基本过程控制系统 二、综合指标（时间——积分指标） 各种积分指标： (1) IE（误差积分）=


0
e(t )dt
优点：简单，也称为线性积分准则
局限：不能抑制响应等幅波动
(2) IAE（绝对误差积分）= 特点：抑制响应等幅波动 (3) ISE（平方误差积分）=


0
e(t ) dt

0
e 2 (t )dt
稳态误差: ess=y∞-r 调节时间: ts(进入稳态值5%范围内）
振荡频率：ω
r
y1
ess y3 y∞ ts
基本过程控制系统 单项性能指标 衰减率ψ : 反映了系统稳定性 超调量σ : 反映了动态准确性 稳态误差ess: 反映了静态准确性
调节时间ts :
反映了快速型
振荡频率ω：反映了快速型 一般 对定值系统衰减率要求为0.75 对随动系统衰减率要求为0.90
t1 t2
基本过程控制系统
Ke-τs （3）确定 G(s) = (T s + 1)(T s + 1) ， T1 T2 参数的两点方法 1 2
• 将响应曲线标幺并去掉纯迟延的到y*(t)
• 取y*(t1)=0.4，取y*(t2)=0.8，记t1和t2 若0.32<t1/t2≤0.46 ，则为二阶对象
K= y Δμ 0
T
τ 的作图法
Y
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Y∞
τ
T
t
c
基本过程控制系统
Ke-τs （2）确定 G(s) = 参数的两点法 Ts + 1 y(t) * y t = • 将响应曲线标幺 y()
0 y* t = t-τ 1exp T t<τ tτ
Y
1 T1 + T2 (t 1 + t 2 ) 2.16 T1T2 t1 1.74 - 0.55 (T1 + T2 ) t2
Y
Y∞
t
Y*´ Y*
1
t
若t1/t2>0.46 ，则为高阶对象 见表1-1（p.28)
τ
t1
t2
基本过程控制系统
G(s)=
1
Ts + 1
n