1、第三章 調(diào)節(jié)器,教學(xué)目的要求：掌握基本控制規(guī)律及其對(duì)控制過(guò)程的影響；掌握DDZ-III型控制器的結(jié)構(gòu)、電路及工作原理分析；理解數(shù)字調(diào)節(jié)器和可編程序調(diào)節(jié)器的功能和原理，了解它們的使用方法；理解PID參數(shù)自整定調(diào)節(jié)器的功能與結(jié)構(gòu)，了解其使用方法。 教學(xué)重點(diǎn)：PID控制規(guī)律，數(shù)字調(diào)節(jié)器和可編程序調(diào)節(jié)器的原理DDZ-III型控制器的結(jié)構(gòu)、電路及工作原理分析 教學(xué)難點(diǎn)：基本控制規(guī)律及其對(duì)控制過(guò)程的影響。,第八講 自整定PID調(diào)節(jié)器過(guò)程控制系統(tǒng)圖紙讀圖,教學(xué)目的與要求：了解PID自整定調(diào)節(jié)器基本概念， 了解自整定專(zhuān)家系統(tǒng)及整定過(guò)程,熟悉過(guò)程控制系統(tǒng)圖紙表示方法,會(huì)識(shí)圖,教學(xué)重點(diǎn)：自整定專(zhuān)家系統(tǒng)及整定過(guò)程，

2、過(guò)程控制系統(tǒng)圖紙表示方法 教學(xué)難點(diǎn)：自整定專(zhuān)家系統(tǒng)及整定過(guò)程,3,一、 PID參數(shù)自整定調(diào)節(jié)器,PID參數(shù)自整定是對(duì)于一個(gè)正在運(yùn)行的控制系統(tǒng)，特別是 定值改變的控制系統(tǒng)自動(dòng)整定控制回路中的PID參數(shù)。 PID參數(shù)自整定的方法有多種，大致可分為兩大類(lèi)。 1.波形識(shí)別法 這類(lèi)方法有兩種類(lèi)型：一種是在系統(tǒng)中加入具有繼電特性 性的非線性環(huán)節(jié)，使系統(tǒng)產(chǎn)生自激等幅振蕩，通過(guò)測(cè)取振蕩波 的振幅和周期，求取系統(tǒng)的臨界振蕩參數(shù)，再利用Ziegler- Nichols規(guī)則對(duì)PID參數(shù)進(jìn)行整定。另一種是根據(jù)過(guò)程輸出曲線 形狀判別來(lái)整定PID參數(shù)。,4,在系統(tǒng)正常運(yùn)行中，對(duì)由給定值變化或由擾動(dòng)產(chǎn)生的輸出波形進(jìn)行實(shí)時(shí)識(shí)

3、別，再由參數(shù)自校正機(jī)構(gòu)確定出新的PID參數(shù)值，系統(tǒng)按修正后的參數(shù)進(jìn)行PID控制，其構(gòu)成圖如下圖所示。,波形識(shí)別法的優(yōu)點(diǎn)是不要求辨識(shí)對(duì)象的數(shù)學(xué)模型，控制指標(biāo)與常規(guī)PID控制系統(tǒng)完全一致，非常直觀，因此這是目前使用較多的一種參數(shù)自整定方法。,5,2以對(duì)象數(shù)學(xué)模型辨識(shí)為基礎(chǔ)的自整定方法 對(duì)象數(shù)學(xué)模型的辨識(shí)方法有施加擾動(dòng)和不施加擾動(dòng)兩類(lèi)。,在施加擾動(dòng)的自整定控制系統(tǒng)中，調(diào)節(jié)器定時(shí)或按工況變化的信息斷開(kāi)反饋回路，給對(duì)象施加一擾動(dòng)，根據(jù)對(duì)象響應(yīng)信息進(jìn)行運(yùn)算處理，識(shí)別出對(duì)象特性，如K、T、特性參數(shù)。,在不施加擾動(dòng)的自整定控制系統(tǒng)中，是通過(guò)測(cè)試在線運(yùn)行的對(duì)象輸入輸出數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)象特性的閉環(huán)辨識(shí)。系統(tǒng)框圖如下所示

4、。辨識(shí)方法有遞推最小二乘法、極大似然法等多種，可參閱有關(guān)系統(tǒng)辨識(shí)的專(zhuān)門(mén)文獻(xiàn)。,6,PID參數(shù)自整定的方法很多，我們這里僅介紹三種目前用得較多的方法。 一、改進(jìn)型臨界比例度法（繼電限幅自整定法） 這是波形識(shí)別法中的一種參數(shù)自整定方法。用改進(jìn)型臨界比例度法的PID參數(shù)自整定控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖如下圖所示。,圖中 G（j）為控制對(duì)象，N為具有繼電特性的非線性環(huán)節(jié)。當(dāng)系統(tǒng)處于自整定狀態(tài)時(shí)，開(kāi)關(guān)S置于位置2，S置于位置1時(shí)為系統(tǒng)正常工作狀態(tài)，進(jìn)行PID控制。,7,改進(jìn)型臨界比例度法整定PID參數(shù)的運(yùn)行步驟： 1）使系統(tǒng)工作在有繼電特性的非線性系統(tǒng)狀態(tài)，產(chǎn)生自激振蕩，求出臨界比例系數(shù)Ku及臨界振蕩周期Tu。

5、,2）按ZieglerNichols規(guī)則計(jì)算出PID參數(shù)KP、TI、TD的值。,ZieglerNichols規(guī)則,改進(jìn)型臨界比例度自整定方法的特點(diǎn)是原理簡(jiǎn)單、整定速度快，但為求取Ku及Tu系統(tǒng)要產(chǎn)生等幅振蕩，因此不宜多次使用。,它適用于回路參數(shù)的初始整定，特別是系統(tǒng)開(kāi)工時(shí)大量的回路整定。將用改進(jìn)型臨界比例度自整定方法求出的PID參數(shù)作為初值，在實(shí)時(shí)運(yùn)行中再應(yīng)用其它方法對(duì)參數(shù)進(jìn)行修正。,實(shí)時(shí)修正參數(shù)可用迭代法或?qū)＜曳ā?10,二迭代自整定控制算法 在閉環(huán)控制系統(tǒng)中，假設(shè)調(diào)節(jié)器經(jīng)初步整定的初始參數(shù)，通過(guò)推導(dǎo)出PID參數(shù)KP、TI、TD的迭代整定算式求出修正參數(shù)。 前述改進(jìn)型臨界比例度整定算式可用于

6、確定初始整定參數(shù)，而迭代算式適用于在已有較好整定參數(shù)的基礎(chǔ)上進(jìn)行修正，逐漸趨近最佳參數(shù)。因此，可將兩種方法結(jié)合起來(lái)進(jìn)行PID參數(shù)自整定。,三、專(zhuān)家法PID參數(shù)自整定 用專(zhuān)家法自整定PID參數(shù)的調(diào)節(jié)器稱為專(zhuān)家自整定調(diào)節(jié)器。這種PID參數(shù)自整定的過(guò)程實(shí)際上是模擬操作人員整定PID參數(shù)的判斷和決策過(guò)程。專(zhuān)家PID調(diào)節(jié)器是在一般調(diào)節(jié)器結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上，增加了由知識(shí)庫(kù)和推理機(jī)構(gòu)組成的參數(shù)自整定專(zhuān)家系統(tǒng)，其構(gòu)成框圖如下圖所示。,專(zhuān)家系統(tǒng)由知識(shí)庫(kù)和推理機(jī)構(gòu)組成,核心是知識(shí)庫(kù)，就是按照專(zhuān)家的整定與操作經(jīng)驗(yàn)總結(jié)成的整定手冊(cè)，包括響應(yīng)曲線，控制目標(biāo)和整定規(guī)則。,12,l知識(shí)庫(kù) 知識(shí)庫(kù)是將控制工程師整定系統(tǒng)的知識(shí)和經(jīng)驗(yàn)

7、進(jìn)行整理歸納后，以一定表示法存入計(jì)算機(jī)中。參數(shù)自整定專(zhuān)家系統(tǒng)的知識(shí)庫(kù)主要包括以下幾方面的內(nèi)容：過(guò)程響應(yīng)曲線類(lèi)型、控制目標(biāo)類(lèi)型及整定規(guī)則。下面分別加以說(shuō)明。,（1）過(guò)程響應(yīng)曲線類(lèi)型 由于實(shí)際控制系統(tǒng)多種多樣，因此系統(tǒng)響應(yīng)曲線也可能是各種各樣的，在構(gòu)成知識(shí)庫(kù)時(shí)盡量考慮周全又不能過(guò)于繁雜。,根據(jù)給定值變化和負(fù)荷變化兩種情況，將系統(tǒng)輸出響應(yīng)曲線分為給定值變化時(shí)和負(fù)荷擾動(dòng)下的輸出響應(yīng)曲線如下圖所示。,設(shè)定值變化時(shí)的輸出響應(yīng)曲線,14,由于調(diào)節(jié)器整定參數(shù)時(shí)，是將實(shí)際觀測(cè)的曲線與知識(shí)庫(kù)中的曲線進(jìn)行對(duì)照，按照最佳條件進(jìn)行整定。因此，知識(shí)庫(kù)中存入的響應(yīng)曲線類(lèi)型完善與否，對(duì)參數(shù)整定是否理想至關(guān)重要。一般需存幾十種

8、類(lèi)型的曲線。,（2）控制目標(biāo),根據(jù)控制系統(tǒng)的要求選擇。例如：溫度控制系統(tǒng)不允許超調(diào)，流量控制系統(tǒng)要求快速允許有小超調(diào)。,16,（3）整定規(guī)則 PID參數(shù)的整定規(guī)則都是經(jīng)驗(yàn)性的，它是建立于控制工程師經(jīng)驗(yàn)的基礎(chǔ)上的，下面僅舉出幾條整定規(guī)則作為例子。 對(duì)給定值變化和干擾引起的輸出響應(yīng)采取不同的整定規(guī)則。 在P、I、D三個(gè)作用中，P是最基本的控制作用。當(dāng)輸出響應(yīng)的超調(diào)量過(guò)大及衰減比過(guò)小時(shí)，減小KP。若最大偏差大，且趨于非周期過(guò)程時(shí)，增加KP。 一般取TI等于二分之一系統(tǒng)振蕩周期，取TD=(1/31/4)TI。 輸出響應(yīng)曲線偏離給定值后長(zhǎng)期回不來(lái)，減小TI。若波動(dòng)較大則增大TI。 由于KP 過(guò)小和TI過(guò)

9、大都將引起系統(tǒng)輸出響應(yīng)遲緩，難以穩(wěn)定。但是兩者情況有區(qū)別，前者表現(xiàn)為曲線飄動(dòng)較大，變化無(wú)規(guī)則，后者則會(huì)逐漸接近給定值，據(jù)此可以判斷需增大KP或減小TI 。,17,2推理機(jī)構(gòu) 在參數(shù)自整定系統(tǒng)中。推理機(jī)構(gòu)的作用是判斷系統(tǒng)輸出響應(yīng)的波形，（如超調(diào)量、遞減比、響應(yīng)時(shí)間等） ，歸為知識(shí)庫(kù)中存儲(chǔ)波形中的一種，并對(duì)其進(jìn)行品質(zhì)評(píng)價(jià)，根據(jù)控制目標(biāo)的要求采取相應(yīng)措施。,專(zhuān)家自整定調(diào)節(jié)器隨時(shí)觀測(cè)控制系統(tǒng)輸出值及給定值。如有給定值變化、負(fù)荷干擾等因素影響控制偏差變化，而且超過(guò)預(yù)先設(shè)定的噪聲帶時(shí)，調(diào)節(jié)器即進(jìn)行參數(shù)自整定，否則保持原來(lái)的PID參數(shù)值。,18,3）確定容許等待時(shí)間TW：自整定調(diào)節(jié)器需根據(jù)控制系統(tǒng)估計(jì)的響應(yīng)

10、時(shí)間作為容許等待時(shí)間。在專(zhuān)家法自整定中，是在容許等待時(shí)間內(nèi)等待下一個(gè)峰值的到來(lái)。 TW過(guò)大，會(huì)使曲線識(shí)別時(shí)間過(guò)長(zhǎng)，影響控制效果。 TW過(guò)短可能會(huì)對(duì)波形判斷失誤。在予整定后取TW (T+)，T為過(guò)程時(shí)間常數(shù)， 為純滯后時(shí)間。 4）確定TD/TI比值：一般取TD/TI =(1/31/4)。 5）確定控制周期TS： TS與控制效果關(guān)系密切， TS過(guò)大導(dǎo)致控制效果變壞甚至失控，但對(duì)純滯后較大的系統(tǒng)，則要求TS取大些，一般取TS (1/51/6) 。,專(zhuān)家法自整定前，需進(jìn)行以下工作： l）進(jìn)行PID 參數(shù)予整定，確定PID參數(shù)的粗略值作為初值. 2）確定噪聲帶Nb：在自整定時(shí)，采用了偏差超過(guò)設(shè)定的噪聲帶

11、兩倍時(shí)才啟動(dòng)自整定動(dòng)作的方法來(lái)克服噪聲和干擾。Nb值還可用來(lái)判斷觀測(cè)到的峰值是否真實(shí)，以排除噪聲、干擾引起的假象。,在線自整定：觀察輸出是否有波動(dòng)，有，則重新計(jì)算過(guò)程特性參數(shù)及PID參數(shù)。,3、整定過(guò)程,專(zhuān)家自整定控制器的工作模式：?jiǎn)?dòng)處理和在線自整定。,啟動(dòng)處理：系統(tǒng)投運(yùn)時(shí)，根據(jù)控制目標(biāo)，把階躍變量施加到操縱變量u上，并自動(dòng)計(jì)算出Kp，Ti，Td，自動(dòng)識(shí)別出過(guò)程類(lèi)型，過(guò)程響應(yīng)時(shí)間，為在線自整定做好準(zhǔn)備。,二、過(guò)程控制系統(tǒng)圖紙讀圖,內(nèi)容包括： 管道儀表流程圖圖例符號(hào)，儀表流程圖； 自控工程圖例符號(hào)，控制室平面布置圖，儀表盤(pán)布置圖和接線圖，儀表供電供氣系統(tǒng)圖，電纜管纜外部連接系統(tǒng)圖，電纜管纜平面

12、敷設(shè)圖，儀表回路圖，儀表接地系統(tǒng)圖； 儀表安裝圖常用圖例符號(hào)，溫度、壓力、流量、物位、分析儀表安裝圖。,一、管道儀表流程圖 按照統(tǒng)一規(guī)定的圖形符號(hào)和文字代號(hào)，用圖示的方法把建立工業(yè)生產(chǎn)工藝裝置所需的全部設(shè)備、儀表、管道、閥門(mén)以及主要管件，按照它們各自的功能以及工藝要求組合起來(lái)，以起到描述工藝裝置的結(jié)構(gòu)和功能的作用。 它表達(dá)了部分或整個(gè)生產(chǎn)工藝流程，體現(xiàn)了對(duì)該工藝過(guò)程所實(shí)施的控制方案?？梢酝ㄟ^(guò)它清晰了解生產(chǎn)過(guò)程的自動(dòng)控制實(shí)施方案等各項(xiàng)管信息。,1、儀表功能標(biāo)志： 用幾個(gè)大寫(xiě)英文字母組合表示對(duì)某個(gè)變量的操作要求（TIC等）。 第一位（或前兩位）字母稱為首字母，表示被測(cè)變量。 其余一位或多位稱為后繼

13、字母，表示對(duì)該變量的操作要求。 過(guò)程檢測(cè)和控制系統(tǒng)用文字代號(hào)和圖形符號(hào)（HG/T20505-2000）中作了詳細(xì)規(guī)定。,2、儀表位號(hào) 由儀表功能標(biāo)志和儀表回路編號(hào)兩部分組成。 例如：FIC-116，TRC-158 功能字母代號(hào)： 首位：F流量，L物位，T溫度，S速度等。 后繼：C控制，I指示，T變送，R記錄 儀表回路編號(hào)由工序號(hào)和順序號(hào)兩部分組成。 例如：FIC-116中的第一個(gè)1是工序號(hào)，16是順序號(hào)。,3、常規(guī)儀表及計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)圖形符號(hào),二、儀表盤(pán)布置圖 表示出儀表在儀表盤(pán)、操作臺(tái)和框架上的正面布置位置，標(biāo)注出了儀表位號(hào)、型號(hào)、數(shù)量、中心線與橫坐標(biāo)尺寸，并表示出儀表盤(pán)、操作臺(tái)和框架的外形

14、尺寸和顏色。,三、儀表回路圖：是采用直接連線法，將一個(gè)系統(tǒng)回路中的所有儀表、自控設(shè)備和部件的連接關(guān)系表達(dá)出來(lái)的圖紙。 把安裝、施工、檢驗(yàn)、投運(yùn)、維護(hù)所需的全部信息方便地表示在一張按照一定規(guī)格繪制的圖紙上，改善了回路信息的完整性和準(zhǔn)確性，便于使用儀表回路圖的各類(lèi)人員之間的交流和理解。,四、接地系統(tǒng)圖：表示控制室和現(xiàn)場(chǎng)儀表設(shè)備的接地系統(tǒng)，主要包括地點(diǎn)位置，分類(lèi)，接地電纜的敷設(shè)以及規(guī)格，數(shù)量和接地電阻值等要求。 按照接地設(shè)置情況和接地作用不同，接地可以分為保護(hù)接地和工作接地。 中華人民共和國(guó)行業(yè)標(biāo)準(zhǔn) 儀表系統(tǒng)接地設(shè)計(jì)規(guī)定 （HG/T 20513-2000） 保護(hù)接地：將用電儀表的金屬外殼和自控設(shè)備在正常情況下不帶電的金屬部分與接地體之間作良好的金屬連接，以防