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1、控制回路参数整定,PID,珠海长炼石化设备有限公司,机动部,被控对象：自控系统中被控制的工艺管道、设备或机器都称为被控对象。例如反应釜、缓冲罐、机组等。被控变量：是被控对象的一个参数。就是自动控制系统需要维持稳定的变量，比如反应釜温度、缓冲罐压力、塔底液位等。设定值(SP)：对被控变量的要求值叫设定值。测量值（PV）：利用检测元件测得被控变量的值，叫测量值偏差（e）:测量值与设定值的差叫偏差。扰动作用：在生产过程中，破坏生产平衡状态，引起被控变量偏离设定值的各种作用，叫作扰动作用。例如调节阀前后压差变化引起液位偏离设定值。控制作用：自控系统使被控变量回到给定值而对被控变量实施影响作用叫控制作用
2、。控制变量：被自控系统用来施加控制作用的变量叫控制变量。就是调节阀控制的变量。,基本概念,扰动作用与控制作用：扰动作用使测量值偏离设定值，控制作用使测量值回到给定值。扰动是控制作用的起因，控制作用是扰动作用的补偿，控制作用对扰动作用补偿的越好，自控系统的质量越高。自控系统构成：4个基本部分：被控对象、测量元件、变送器、调节器、执 行机构,Pv-sp,sp,e,PID,P,执行机构,控制作用,被控对象,扰动,被控变量,检测元件、变送器,测量值,正作用/反作用：偏差增加输出增加为正作用。偏差增加输出减少为反作用，调节器的正反作用与执行机构共同构成一个闭环负反馈系统,负反馈：系统的输出使系统输入与系
3、统目标的误差减小，系统趋于稳定。,指将系统的输出返回到输入端并以某种方式改变输入，进而影响系统功能的过 程。,反馈：,闭环控制系统,有反馈的控制系统就叫闭环控制系统,开环控制系统,定值控制系统,随动控制系统,没有反馈的控制系统就叫开环控制系统。,通常为内给定系统,通常为外给定系统,控制系统分类,简单调节回路,控制作用：为了使被控变量回到给定值而对被控变量实施影响作用叫控制作用。,简单控制回路：有一个变送器、一个调节器、一个调节阀构成的控制回路。,串级控制回路：在简单控制回路中增加一个副环,描述：根据液位的不同改变阀门开度。没有考虑在阀位不变的条件下流量的变化。,描述：根据液位的不同改变改变流量
4、的大小。考虑流量扰动。,指的是在没人参与的情况下，利用控制装置使被控对象或过程自动地按预定规律运行。,自动控制,比例带（Kp）,它依据“偏差的大小”来动作。它的输出的变化量与输入偏差变化量的大小成比例。,Kp=e/P*100%1,计算公式Kp,P：控制器输出的变化量的%,e：控制器输入的变化量的%,P=e*1/Kp 2,比例环节:对偏差瞬间作出快速反映.偏差一旦产生,控制器立即产生控制作用,使被控制量向减少偏差的方向变化.比例控制作用的强弱起决于比例带值。,比例调节功能P,用调节器输入偏差信号变化的相对值与输出信号变化的相对值之比的百分数。,闭环控制系统自动控制参数整定,比例带是调节回路参数设
5、定的基础。增大比例带，它意味比例作用减弱；反之，减小比例带，增强调节作用。比例作用弱，曲线飘逸，不能回到给定值上。比例作用过强，曲线发散震荡。,比例调节的特点,调节动作迅速，无滞后现象。调节作用结束后，会留有一定的余差，比例带越大，余差越大,比例调节适用的场合,适用于允许有一定偏差、调节质量要求不高的场合。适用于无滞后的场合。一般液位宜采用比例调节,积分调节功能,它依据“偏差是否存在”来动作。它的输出的变化量与偏差对时间的积分成比例，只有当余差完全消失，积分作用才停止。其实质就是消除余差。,积分作用使最大动偏差增大，延长了调节时间。用积分时间Ti表示其作用的强弱，单位用分（或秒）表示。Ti越小
6、，积分作用越强，积分作用太强时，也会引起振荡。,积分控制规律的动态方程,dp/dt=1/Ti*e,求导,当输入偏差产生阶跃A时，调节器输出为：,P=1/Ti*A t 3,积分作用有滞后特性。也就是说，慢慢的调整，逐渐消除余差。,Ti 为积分时间,偏差A只要不等于0，输出P就要变化，当A=0时，输出的的变化为0，系统达到稳态。,一般纯积分作用常用于纯滞后环节，例如加药比例调节，一小时后达到稳态，可以采用纯积分调节,比例积分调节功能,纯积分作用一般不单独使用，常和比例控制组合成比例积分控制器。这种控制器相互取长补短，既有比例控制作用动作迅速及时，又有积分控制作用能够消除余差的特点。,比例积分调节功
7、能是应用最广泛的调节功能。常用于流量、液位、压力和温度等。,计算公式：,P=1/K（A+1/Ti*A*t）,当输入偏差产生阶跃A时，调节器输出为,在偏差产生的瞬间，t=0，输出为P=1/K*A，然后在此基础上随着时间的推移，积分作用逐渐增强。,比例积分调节的特点：,当输入偏差e阶跃时，比例环节及时作用，抑制住扰动的影响粗调，随后积分调节作用逐渐累积、增强，逐步消除余差细调。,比例积分调节适用的场合,主要用于控制精度要求高，不允许有余差的场合。,它依据“偏差变化速度”来动作。它的输出的变化与输入偏差变化的速度成比例，其实质和效果是阻止被调参数的一切变化，有超前调节的作用。对滞后较大的对象有很好的
8、效果。使调节过程动偏差减少，余差也减少（但不能消除）。用微分时间Td表示作用的强弱，单位用分（或秒）表示。Td大，作用强，Td太大，会引起振荡。,Pd=Td*de/dt,计算公式,当输入偏差e作阶跃变化时，输出一开始就跃变到KD倍，然后逐渐下降到比例作用。由于有超前作用，因而可以得到提前控制的效果，对于常见的容量滞后现象有克服作用。,规定为从最大值下降0.632倍时，经过的时间为微分时间。,微分时间,比例微分调节适用的场合,适用于容量滞后较大的场合。但不适合纯滞后环节。,比例微分调节使用较少，而大多数是比例、积分、微分三者结合使用，即PID调节。,微分调节功能,比例微分调节的特点,比例积分微分
9、调节规律就是指调节器的输出值与输入之间的关系呈现比例、积分、微分三种关系。比例积分微分调节用PID表示。,比例积分微分调节的特点,在PID调节中，比例环节是基础，起基本的调节作用，拟制住干扰的扩大，积分环节起消除余差的作用，以提高调节质量，微分调节有超前作用，可以用来克服容量滞后的现象，得到较好的过渡过程品质指标。因此，三者的配合使用可以得到较完善的调节器功能，使自动控制系统的工作更加稳定可靠。,比例积分微分适用的场合,控制质量要求较高的场合。,被控参数有滞后现象，特别是容量滞后的现象比较大的场合。,比例积分微分调节功能,PID总结,比例调节,依据“偏差的大小”来动作。它的输出与输入偏差的大小
10、成比例，调节及时，有力，但是有余差。,积分调节,依据“偏差是否存在”来动作。它的输出与偏差对时间的积分成比例，只有当余差完全消失，积分作用才停止。,微分调节,依据“偏差变化速度”来动作。它的输出与输入偏差变化的速度成比例，其实质和效果是阻止被调参数的一切变化，有超前调节的作用。,参数整定,调节器参数只能在一定范围内起作用，如果方案不合理，工况改变、或属于仪表和调节阀故障，则无法投运。调节阀、变送器在正常范围内等。不能投自动的系统。原因：控制方案不合理、仪表故障、不在应用范围内等。,临界比例阀,使用较广的一种方法,先在纯比例作用下（把积分时间放到最大，微分时间放到零），在闭合的调节系统中，从大到
11、小地逐渐地改变调节器的比例度，就会得到一个临界振荡过程，如图2所示。这时的比例度叫临界比例度k，周期为临界振荡周期Tk。记下k和Tk，然后按表1的经验公式来确定调节器的各参数值。,再根据运行曲线的现状调整PID参数,两种情况下不宜采用临界比例法,临界比例度过小，因为这时候调节阀很容易处于全开及全关位置，对于工艺生产不利，举例来说，对于一个用燃料油（或瓦斯）加热的炉子，如很小，接近双位调节，将一会儿熄火，一会儿烟囱浓烟直冲。工艺上约束条件较严格时，因为这时候如达到等幅振荡，将影响生产的安全运行。,衰减曲线法,4：1衰减曲线法,10：1衰减曲线法,4：1衰减曲线法,系统处于纯比例作用下，在达到稳定
12、时，用改变给定值的办法加入阶跃干扰，观察记录曲线的衰减比，然后逐渐从大到小改变比例度，使出现4：1的衰减比为止，如图3所示。记下此时的比例度s。再按表2的经验公式来确定PID数值。,采用衰减曲线法必须注意事项,加给定干扰不能太大，要根据生产操作要求来定，一般在5%左右，也有例外的情况。必须在工艺参数稳定的情况下才能加给定干扰，否则得不到正确得 s、Ts、或s和Ts值。对于反应快的系统，如流量、管道压力和小容量的液位调节等，要在记录纸上严格得到4：1衰减曲线较困难，一般以被调参数来回波动两次达到稳定，就近似地认为达到4：1衰减过程了。,实例,1,2,3,4,下面举一个现场整定的例子。在某塔顶温度
13、调节系统中，被调参数是塔顶温度，工艺允许波动为4，调节参数是回流量。在整定过 程中，考虑到对象滞后较大，反应较慢的情况，的选择从50%开始凑试起，此时在阶跃作用下（给定值降低2%）的过渡过程曲线见图（1）。此时调节时间长，不起振荡，于是将比例度减少，=30%、20%、及10%时的曲线见（2）、（3）、（4）。显然，20%的情况最好，衰减比接近4：1，Ts=10分,按4：1衰减曲线法数据表定出整定参数：=0.8s=16%；Ti=0.3Ts=3分；Td=0.1Ts=1分。,实例,投运时，先将放在较大的数值，把Ti从大减少到3分，把Td从小到大逐步放大到1分，然后把拉到15%，（如果在=15%的条件
14、下很快地把Td放到1分，调节器的输出会剧烈变化）。再对系统加2%的给定值变化时，仍产生4：1衰减过程，见图（5）所示，调节质量显著改善，超调量小于1，调节时间为6.5分。,5,验试凑法,1.。根据不同调节系统的特点，先把PI、D各参数放在基本合适的数值上这些数值。（由大量实践经验总结得来的（按4：1衰减）,2.。看曲线，调参数，根据操作经验，看曲线的形状，直接在闭合的调节系统中逐步反复试凑，一直得到满意数据。,参数整定找最佳，从大到小顺次查，先是比例后积分，最后才把微分加；曲线振荡很频繁，比例度值要放大，曲线漂浮绕大弯，比例度值应减小；曲线偏离回复慢，积分时间往下降，曲线振荡周期长，积分时间再
15、加长；曲线振荡频率快，先把微分降下来，动差大来波动慢，微分时间应加长；理想曲线两个波，前高后低四比一，一看二调多分析，调节质量不会低。,PID整定口诀,a 积分时间过小，振荡周期长，输出变化到指示变化时间长。b 比例度过小，振荡周期短，输出变化到指示变化时间短。c 微分时间过长，振荡周期最短，输出变化到指示变化时最短。,a 比例度过大，曲线漂浮绕大弯。b 积分时间过长，曲线偏离回复慢。,只要测量曲线震荡，肯定有作用过强的参数，在无法确定的条件下，可以取消该作用，看看曲线是否震荡,关于小信号切除问题,举一个简单的例子,如果说差压变送器的误差是1%,也就是0.01。开方后流量的误差就是0.01的开方,为0.1,即10%。因此开方对误差有放大作用,信号越小,越严重,所以要进行小信号切除,
