第一章过程控制基本概念

1.2 控制规律的选择-PID控制
例1.3 换热器的温度控制系统 原理: 热水温度θ是由传感器θT获 取信号并送到调节器θC的, 调节器 控制加热蒸汽的调节阀开度以保 持出口水温恒定, 加热器的热负 荷既决定于热水流量Q也决定于 热水温度θ。 假定现在采用比例调节器，并将 调节阀开度μ直接视为调节器的 输出。水温愈高，调节器应把调 节阀开得愈小。 图1.5 换热器系统
1.2 控制规律的选择-PID控制
比例积分作用（PI）
式中TI是积分时间常数。 TI的定义：在阶跃偏差作用下，控制器的输 出达到比例输出的两倍所经历的时间。 特点：既能及时控制，又能消除余差，但也 降低了系统的稳定性。 在Kc和A确定的情况下，直线的斜率将取决 于积分时间TI的大小： TI越大，积分作用越弱，消除余差的能力弱； TI越小，积分作用越强，消除余差的能力强， 但是，系统振荡加剧，稳定性越差。
• 生化：啤酒，制药
• 轻工：食品，漂染 • 环境：水处理，大气监测 • 其它：农业，养殖业，…
What’s process control systems?
例1.1 加热器的温度控制（见图1.1）
控制目标：通过加热水箱中的 水使其达到期望的温度。 系统的主要组成： TT(Temperature Transmitter)
特点：主要适用于MIMO或大纯滞后SISO系统、 需要动态模型、结构复杂、在线计算量大。
1.2 控制规律的选择
PID控制是控制工程中技术成熟、理论完善、应用最 为广泛的一种控制策略，经过长期的工程实践，已 形成了一套完整的控制方法和典型结构。 在很多情形下，PID 控制可以方便灵活地改变控制 策略，实施P、PI、PD 或PID 控制。 PID 不仅适用于数学模型已知的控制系统，而且对 大多数数学模型难以确定的工业过程也可应用。
• 被控变量(Controlled Variable)：需要对其进行控制的工艺变量
• 扰动(Disturbance)：影响被控变量的各种扰动作用 • 操纵变量(Manipulated Variable)：受执行机构操纵用于克服扰动 影响的变量 • 测量值(Measurement )：被控变量经检测变送后即是测量值 • 给定值(Set Point)：即被控变量的设定值 • 偏差值(Error)：被控量的给定值与测量值之差
控制器输出信号u(t)与误差信号e(t)成比 例关系，即：
其中δ称为比例带/比例度。
比例度δ 定义为
u (t ) K c et
1
et
e Z Z min 1 max 100% 100% u Kc umax umin
δ ↓Kc↑,比例控制作用就越强；δ ↑Kc↓，比例控制作用就越弱。
TT
T(t)
Sensor
图1.3 换热器的控制框图
重要术语： Set Point 设定值 Process 被控对象 Controlled Variable 被 控变量
What’s process control systems?
SP
TC
Controller Final control element
例1.2 换热器的温度控制（见图1.3）
SP
TC
控制目标：使工艺流体的 温度从Ti(t)T(t)。 系统的主要组成： TT/Sensor TC Final control element Process
Controller Final control element
Steam
Transmitter Process fluid Ti(t) T Condensate return
TC(Temperature Controller)
加热器（执行器） 水箱（Process）
重要参数：
Reference signal Measurement
R _ 热电偶和传感器 图1.2 加热器控制系统方框图 E 控制器 P 加热器 M
L GL 过程 C
Controlled Variable
What’s process control systems?
教材及主要参考书目
• 《工业系统辨识与控制》，李少远等，化学工业出版社，2010年 • 《自动控制原理》，胡寿松，科学出版社，2001年及以后新版本 • 《现代控制工程》（第二版），绪方胜彦著，卢伯英等译，科学出版社， 1984
第一章 过程控制的基本概 念
1.1 工业过程控制系统
What’s process control (PC) systems?
被控对象 扰动 D 干扰通道 GD (s) 偏差 e 控制器 Gc (s) 控制变量 u 操纵变量 q 执行器 Gv (s)
设定值 ysp
+
控制通道 Gp (s)
+
被控变量 y
+
_ 测量值 ym
测量变送 Gm (s)
图1.4 简单过程控制的系统框图
1.2 控制规律的选择-PID控制
1.2.1 比例作用（P）
过程控制系统
邬晶 上海交通大学电信学院自动化系
联系方式：
Email: jingwu@
Tel: 3420-7216 Office: 电信群楼2号楼543室 考试成绩记分方式
考试成绩(70%)+平时成绩(30%)
作业 实验 课堂 表现 平时 成绩
主要的教学内容
过程控制 （Process 理论
特点：主要适用于MIMO或大纯滞后SISO系统、 需要动态模型、结构复杂、在线计算量大。
1.2 控制规律的选择-PID控制
PID：Proportional Integral Derivative
比例 积分 微分
PID控制：对偏差信号e=ysp-ym进行比例、积分和 微分运算变换后形成的一种控制规律。
Steam
Transmitter Process fluid Ti(t) T Condensate return
TT
T(t)
Sensor
到底什么样的结构是过程控制系统呢？
What’s process control systems?
过程控制系统的基本组成 • 被控对象 • 传感器和变送器 • 控制器 • 执行器
被控对象 扰动 D 干扰通道 GD (s) 偏差 e 控制器 Gc (s) 控制变量 u 操纵变量 q 执行器 Gv (s)
设定值 ysp
+
控制通道 Gp (s)
+
被控变量 y
+
_ 测量值 ym
测量变送 Gm (s)
Why use process control？
为什么要采用过程控制？
• 安全性：确保生产过程中人身与设备的安全，保护或 减少生产过程对环境的影响； • 稳定性：确保产品质量与产量的长期稳定，以抑制各 种外部干扰； • 经济性：实现效益最大化或成本最小化。
• 按系统的结构特点来分：反馈控制，前馈控制，复合
控制(前馈-反馈控制)
• …
How to control a PC system?
过程控制流程图
给定一个过程控制系统 控制目标 被控对象，被控变量，制规律的选择
PID控制器（包括：单回路PID、串级、前馈、均 匀、比值、分程、选择或超驰控制等） 特点：主要适用于SISO系统、基本上不需要对象 的动态模型、结构简单、在线调整方便。 APC控制器（先进控制方法，包括：解耦控制、 内模控制、预测控制、自适应控制等），
1.2 控制规律的选择-PID控制
例1.4: 热水加热器 热水流量阶跃减小 后的调节情况, 它显 示了各个量之间的 关系.
热水流量Q: 出口水 流量,发生阶跃扰动
出口水温θ: 被调量, 最初稳定在θ0 比例调节μp:它与θ曲 线成镜面对称, 只是 幅值不一样 30
被控对象：工业生产过程中的各种生产装置和设备，如加热 炉，锅炉，分馏塔，反应器等 被控变量：温度、压力、流量、液位或料位、成分与物性等 六大参数
What’s process control systems?
过程控制领域
• 石油化工：输油，炼油，乙烯，合成橡
胶，合成氨
• 电力：火电厂 • 冶金：冶金加热炉，热处理炉
1.2 控制规律的选择-PID控制
直线1与直线2的交点O：代 表在热水流量为Q0，在P调 节下的稳态运行点。此时出 口水温为θ 0，调节阀开度 为u0.
若热水流量减小为Q1，则调 节过程结束后，新的稳态点 将是直线1与3的交点A。
P调节下残差为: θ A-θ 无调节下: θ B-θ 结论：P调节是有差调节
被控对象 扰动 D 干扰通道 GD (s) 偏差 e 控制器 Gc (s) 控制变量 u 操纵变量 q 执行器 Gv (s) 设定值 ysp 被控变量 y
+
控制通道 Gp (s)
+
+
_ 测量值 ym
测量变送 Gm (s)
图1.4 简单过程控制的系统框图
常用术语
• 被控对象(Process/Object)：被控制的设备或装置
PID 控制参数整定方便，结构灵活，在众多工业过 程控制中取得了满意的应用效果。
1.2 控制规律的选择
PID控制器（包括：单回路PID、串级、前馈、均 匀、比值、分程、选择或超驰控制等） 特点：主要适用于SISO系统、基本上不需要对象 的动态模型、结构简单、在线调整方便。 APC控制器（先进控制方法，包括：解耦控制、 内模控制、预测控制、自适应控制等），
0 0
1.2 控制规律的选择-PID控制
残差的计算:
r e － ym Km 测量变送器 调节器 Kc u 调节阀 Kv μ 被控过程 Kp y
e r ym
1 1 r r 1 1 Kc Kv K m K p 1 Kv K m K p