【正文】 若需加微分作用，微分時間常數(shù)按 TD=（ 1/3 ～ 1/4） TD計算。 （ 1）經(jīng)驗法 若將控制系統(tǒng)液位、流量、溫度和壓力等參數(shù)來分類，則屬于同一類別的系統(tǒng)，其對象往往比較接近，無論是控制器形式還是所整定的參數(shù)均可相互參考。 下面將介紹本次設(shè)計中在現(xiàn)場調(diào)試調(diào)節(jié)器參數(shù)時所采用的一種整定方法，現(xiàn)場經(jīng)驗整定法。由于無論是用解析法或?qū)嶒灧ㄇ笕〉倪^程數(shù)學(xué)模型都只能近似反映過程的動態(tài)特性，因而理論計算所得到的整定參數(shù)值可靠性不夠高，在現(xiàn)場使用中還需進(jìn)行反復(fù)調(diào)整。 PID 控制參 數(shù)整定方法 控制器參數(shù)的整定方法很多，歸納起來可分為兩大類，理論計算整定法與工程整定法。需要指出的是，不同生產(chǎn)過程對于控制過程的品質(zhì)要求不完全一樣，因而對系統(tǒng)整定性能指標(biāo)的選擇有較大的靈活性。由于人們在參數(shù)調(diào)整中，總是力圖達(dá)到最佳的控制效果，所以常稱“最佳整定”，相應(yīng)的控制器參數(shù)稱為“最佳參數(shù)整定”。控制規(guī)律為 : ])()(1)([)(0 dttdeTdtteTteKtu t diP ? ??? 或以傳遞函數(shù)形式表示： )11()( )()( T dsT iskpsE sUsG ???? 其中 Kp －比例系數(shù) ,Ti －積分時間常數(shù) Td －微分時間常數(shù) PID 控制參數(shù)的整定及方法 PID 控制參數(shù)的整定簡介 過程控制器采用的控制器通常都有一個或多個需要調(diào)整的參數(shù)和調(diào)整這些參數(shù)的相應(yīng)機(jī)構(gòu)（如旋鈕、開關(guān)）或相應(yīng)設(shè)備。它將比例、積分、微分三種調(diào)節(jié)規(guī) 律結(jié)合在一起，既可達(dá)到快速敏捷，又可達(dá)到平穩(wěn)準(zhǔn)確，只要三項作用的強(qiáng)度配合適當(dāng)，便可得到滿意的調(diào)節(jié)效果。 PD 調(diào)節(jié)器由于有微分的作用，能增加系統(tǒng)的穩(wěn)定度，比例系數(shù)的增加能加快系統(tǒng)的調(diào)節(jié)過程，減小動態(tài)和靜態(tài)誤差，但微分不能過大，以利于抗高頻干擾。因此在實(shí)際生產(chǎn)中，總是把比例作用的及時性和積分作用消除靜差的優(yōu)點(diǎn)結(jié)合起來，組成比例積分調(diào)節(jié)器（簡稱 PI調(diào)節(jié)器），其傳遞函數(shù)為： Gc(S)=Kp(1+1/T1S) 微分（ D）調(diào)節(jié) 微分調(diào)節(jié)器能在偏差信號出現(xiàn)或變化的瞬間，立即根據(jù)變化的趨勢，產(chǎn)生強(qiáng)烈的調(diào)節(jié)作用，使偏差盡可能地消除在萌芽狀態(tài)之中。在被調(diào)量的偏差消除以后，由于積分規(guī)律的特點(diǎn)，輸出將停留在新的位置而不回復(fù)原位，因而能保持靜差為零。這種調(diào)節(jié)器的主要缺點(diǎn)是使系統(tǒng)存在靜態(tài)誤差。 比例（ P）調(diào)節(jié) 純比例調(diào)節(jié)器是一種最簡單的調(diào)節(jié)器，它對控制作用和擾動作用的響應(yīng)都很快速。 PID 控制器原理 PID 控制器簡介 PID 控制器可以方便地實(shí)施多種控制算法，多年以來，在過程控制中，按偏差的比例 （ P）、積分（ I）和微分（ D）進(jìn)行控制的 PID 控制器（亦稱 PID 調(diào)節(jié)器） ， 40 是應(yīng)用最為廣泛的一種自動控制器。 階躍響應(yīng)法 階躍響應(yīng)法建模是實(shí)際中常用的方法，其方法是獲取系統(tǒng)的階躍響應(yīng)。它所涉及的內(nèi)容很豐富，已形成一個 專門的學(xué)科分支。 對非線性模型，可以直接作為辨識結(jié)果，即直接用階躍響應(yīng)或脈沖響應(yīng)作為 對象模型；有時還需要將圖形或數(shù)據(jù)集轉(zhuǎn)化為傳遞函數(shù)或其他形式的參數(shù)模型。用階躍函數(shù)、脈沖函數(shù)、正弦波函數(shù)或隨機(jī) 函數(shù)作用于過程， 直接得到的是階躍響應(yīng)、脈沖響應(yīng)、頻率響應(yīng)、相關(guān)函數(shù)或譜密度，他們都是圖 形或數(shù)據(jù)集。經(jīng)典辨識法包括時域法、頻域法和相關(guān)分析法。復(fù)雜過程一般都 39 采用測試法建模。 測試法 測試法建模通常只用于建立輸入輸出模型。 機(jī)理法建模的主要步驟如下： (1)根據(jù)過程的內(nèi)在機(jī)理，寫出各種有關(guān)的平衡方程； (2)消去中間變量，建立狀態(tài)變量、控制變量和輸出變量之間的關(guān)系； (3)在工作點(diǎn)附近對方程進(jìn)行增量化，建立增量化方程； 機(jī)理建模法的首要條件是需要過程的先驗知識，并且可以比較確切地對過程 加以數(shù)學(xué)描述。 機(jī)理法 用機(jī)理法建模就是根據(jù)過程的內(nèi)在機(jī)理，寫出各種有關(guān)的平衡方程，例如物 質(zhì)平衡方程，能量平衡方程，動量平衡方程，反映流體流動、傳熱、傳質(zhì)、化學(xué) 反應(yīng)等基本規(guī)律的運(yùn)動方程，物性參數(shù)方程和某些設(shè)備的特性方程等，從中獲得所需的數(shù)學(xué)模型。 38 第五章 基于 MATLAB 的系統(tǒng)仿真 電廠鍋爐蒸汽溫度串級控制系統(tǒng)的建模 從控制 的角度來看，過程的靜態(tài)數(shù)學(xué)模型是系統(tǒng)方案和控制算法設(shè)計的重要基礎(chǔ)之一，然而，在不少情況下必須同時掌握過程的動態(tài)特性，需要把靜態(tài)模型和動態(tài)模型結(jié)合起來。為了使副回路能構(gòu)成一個穩(wěn)定的系統(tǒng)，所以副回路的開環(huán)放大系數(shù)符號必須是“正 “。反作用的判斷應(yīng)該是先副后主。 37 （ 3）主參數(shù)要求高，副參數(shù)亦有一定要求，這時主副調(diào)節(jié)器均可采用比例積分控制。 主、副回路調(diào)節(jié)器調(diào)節(jié)規(guī)律的選擇原則 （ 1）主參數(shù)控制質(zhì)量要求不十分嚴(yán)格，同時在對副參數(shù)的要求也不高的情況下，為使兩者兼顧而采 用的串級控制方式時，主副調(diào)節(jié)器均可采用比例控制。 當(dāng)21TT 10 時，表示 T2 很小，副回路包括的干擾因素越來越少，副回路克服干擾能力強(qiáng)的優(yōu)點(diǎn)未能充分利用。同時， T2過小，將導(dǎo)致副環(huán)過于敏感而不穩(wěn)定。 由式21122f21 TT TKKKKK mZT ???單串?? 可知：在一定的系統(tǒng)中，若 1+ 222 KKKKK mfZT 確定，得函數(shù)： ? ?212122f221111TTTTKKKKKTTf mZT ???????????單串?? ；串級控制系統(tǒng)頻率增長的速度，在主副對象時間常數(shù)的比值21TT 較小時最顯著，隨著 21TT 進(jìn)一步增大而明顯減弱，一方面我們希望 T2 小一點(diǎn)可以使副回路靈敏些控制作用快一點(diǎn)。 （ 3）主副對象的時間常數(shù)應(yīng)適當(dāng)匹配，串級控制系統(tǒng)與單回路控制系統(tǒng)相比，其工作頻率提高了，但這與主副對象的時間常數(shù)選擇是有關(guān)的。 主副回路的選擇原則 （ 1）副回路應(yīng)該把生產(chǎn)過程的主要干擾包括在內(nèi)，應(yīng)力求把變化幅度最大、 36 最劇烈和最頻繁的干擾包括在副回路內(nèi)，充分 發(fā)揮副回路改善系統(tǒng)動態(tài)特性的作用，保證主參數(shù)的穩(wěn)定。在本設(shè)計中采用第二種方式可以是控制系統(tǒng)更好的工作，得到更穩(wěn)定的控制輸出。由于副控制器輸出的是，而控制閥只能接受 ~ 氣壓信號，所以在副控制器與控制閥之間設(shè)置了一個電氣轉(zhuǎn)換器。所以在本設(shè)計中選用電動 III 型儀表。 電動 III型和電動 II型儀表就其功能來說基本相同，但是其控制信號不相同，控制 II型典型信號為 mADC10~0 ，而電動 III型儀表的典型信號為 mADC20~4 ，此外。常用的控制儀表有電動 II 型、 III 型。 此設(shè)計中的串級控制系統(tǒng)主要是通過換熱來達(dá)到控制目的，過熱蒸汽在過熱器內(nèi)與減溫水進(jìn)行熱交換被冷卻，調(diào)節(jié)閥安裝在減溫水的管道上，用換熱后的蒸汽溫度來控制減溫水的水量，在氣源中斷時，調(diào)節(jié)閥應(yīng)處于開啟位置更安全些，宜選用氣關(guān)式調(diào)節(jié)閥。在正常情況下一般要求調(diào)節(jié)閥開度應(yīng)處于 15%~85%之間，具體應(yīng)根據(jù)實(shí)際需要的流通能力大大小進(jìn)行選擇。 調(diào)節(jié)閥的口徑大小，直接決定著控制介質(zhì)流過他的能力。 操縱變量的選擇 控制變量和擾動變量時工業(yè)過程的兩大輸入變量。且應(yīng)保證副變量的選擇能實(shí)現(xiàn)生產(chǎn)工藝上的合理性，可能性和經(jīng)濟(jì)性。 副變量的選擇 副回路應(yīng)該把生產(chǎn)系統(tǒng)的主要干擾包括在內(nèi)，應(yīng)力求把變化幅度最大，最強(qiáng)烈和最頻繁的干擾包括在副回路內(nèi)，以充分發(fā)揮副回路改善系統(tǒng)動態(tài)特性的作用，保證主參數(shù)的穩(wěn)定，為發(fā)揮這一特殊作用，在系統(tǒng)設(shè)計時，副參數(shù)的選擇應(yīng)使得副回路盡可能多的包括一些擾動。所以，在本系統(tǒng)中需選擇送入負(fù)荷設(shè)備的出口溫度作為主變量。若被控對象的遲延較大，外擾頻繁，而且要求有較高的控制質(zhì)量，則應(yīng)采用串級控制系統(tǒng)。而有導(dǎo)前汽溫微分 信號的雙回路控制系統(tǒng)的兩個回路在參數(shù)整定時相互影響，不容易掌握 從儀表硬件結(jié)構(gòu)上看，采用導(dǎo)前汽溫微分信號的雙回路系統(tǒng)較為簡單。因此，采用導(dǎo)前汽溫微分信號的雙回路系統(tǒng)的副回路，其快速跟蹤和消除干擾的性能不如串級系統(tǒng)；在主回路中，串級系統(tǒng)的主調(diào)節(jié)器可具有微分作用，故控制品質(zhì)也比雙回路系統(tǒng)好，特別對于慣性、延遲較大的系統(tǒng)，雙回路系統(tǒng)的控制質(zhì)量不如串級系統(tǒng)。 把采用導(dǎo)前汽溫微分信號的雙回路控制系統(tǒng)轉(zhuǎn)化為串級控制系統(tǒng)來看 待 時，其等效主、副調(diào)節(jié)器均為 PI 調(diào)節(jié)器。 當(dāng) 11( ) 1T iWs Ts? ????????和 ()1 DDd DK T sWs Ts? ?時，等效副調(diào)節(jié)器 *2()TWs為 PI調(diào)節(jié)器，傳遞函數(shù)為： ? ?*2 111TDDWs TsK? ???????? 而等效主調(diào)節(jié)器 ??*1TWs也是 PI 調(diào)節(jié)器，傳遞函數(shù)為： *1 11( ) 1TDDWs K T s???????? 此時可根據(jù)對象導(dǎo)前區(qū)特性和主汽溫特性，按串級控制系統(tǒng)的整定方法 ，分別求得等效副調(diào)節(jié)器 *2()TWs和等效主調(diào)節(jié)器 *1()TWs的各個參數(shù)，從而 i D DT K T?、 、 、 。 按等效為串級控制系統(tǒng)的整定方法來整定 采用導(dǎo)前汽溫微分信號的控制系統(tǒng)等效為串級控制系統(tǒng)方框圖見圖 39。下面推導(dǎo) 1 2n? 時，微分器參數(shù)的確定方法。 設(shè)主汽溫對象的傳遞函數(shù)為： 000 0 2 0 10( ) ( ) ( ) (1 ) nKW s W s W s Ts?? ? （ 31） 導(dǎo)前區(qū)汽溫對象的傳遞函數(shù)為： 22022() (1 )nKWs Ts? ? （ 32） 則等效對象的傳遞函數(shù)為： ? ?2* 2 0 00 0 2 0 1 0 21 2 2( ) ( ) ( ) ( ) ( 1 )d nKKW s W s W s W s W sT s K??????? ? ? ??? ??? （ 33） 由上式可得： 0 012( ) ( )d KW s W sK????????12???? （ 34） 29 可見微分器的參數(shù)時根據(jù)控制對象的惰性區(qū)來整定的，用控制對象惰性區(qū)傳遞函數(shù)的求法，可得： 11011() (1 )nKWs Ts? ? 且 1 0 2/K K K? 則式（ 34）可寫為： 111121( ) 11 (1 )DDd nDK T sW s KT s T s ??????? ? ??????? (35) 假設(shè)汽溫對象惰性區(qū)得傳遞函數(shù)時一階的（即 1 1n? ），則有： 111 1 111 2 1 21 1 1DDDK T s T s K T sKT s T s T s??????? ? ? 比較等式兩邊的對應(yīng)項可得： DT ＝ 1T DK ＝ 1K 12???? 微分器按此組參數(shù)整定，則等效對象的傳遞函數(shù)為： 2* 002() (1 )nKWs Ts? ? 則實(shí)現(xiàn)了完全補(bǔ)償?shù)念A(yù)定目的。 導(dǎo)前微分控制系統(tǒng)的整定 按補(bǔ)償法進(jìn) 行整定 根據(jù)前面對系統(tǒng)的分析方法，我們可以得出補(bǔ)償法的整定規(guī)則：整定微分器 ??dWs的參數(shù)（ DK 、 DT ）以形成一個等效對象，這個等效對象的動態(tài)特性等于（或近似等于）在動態(tài)時為導(dǎo)前區(qū)的特性，在靜態(tài)時為主汽溫的特性，而調(diào)節(jié)器 TW (S)的參數(shù)（ ? ， iT ）則按等效對象的特性整定（按一般單回路控制系統(tǒng)得到整定方法）。因此加入導(dǎo)前汽溫微分信號的作用可以理解為改變了控制對象的動態(tài)特性，可見，等效控制對象是輸出 *1? 比主汽溫 1? 的響應(yīng)有很大的改善。其中： 27 * 22111ddt ?????? ??? ** 210 0 2 0 1 1()( ) ( ) ( ) ( )() dB sW s W s W s W sWs ???? ???? ? ????? 圖 37采用導(dǎo)前汽溫微分信號的雙回路汽溫控制系統(tǒng)原理框圖 圖 38采用微分信號改變控制對 象特性的方框圖 a—— 單回路系統(tǒng)方框圖； b—— 雙回路系統(tǒng)的等效方框圖 28 在靜態(tài)時，微分器輸出為零，所以等效控制對象的輸出 *11??? ；在動態(tài)過程中，等效控制對象的輸出中除了主汽溫信號 1? 外，還疊加了導(dǎo)前汽溫 2? 的微分信號。只是由于微分信號的引入改變了控制對象的動態(tài)特性。當(dāng)系統(tǒng)加入導(dǎo)前汽溫微分信號后，調(diào)節(jié)器將同時接受兩個輸入信號，系統(tǒng)也成了雙回路結(jié)構(gòu)。它包括兩個閉合的控制回路： 由控制對象的導(dǎo)前區(qū) 02()Ws，導(dǎo)前汽溫變送器 2r? 、微分器 ()dWs、調(diào)節(jié)器 ()TWs、執(zhí)行器 ZK 和減溫水調(diào)節(jié)閥 K? 組成的副回路（導(dǎo)前補(bǔ)償回路）； 由控制對象的惰性區(qū) 01()Ws、主汽溫變送器 1r? 和副回路組成的主回路。如果不采用導(dǎo)前信號 2? 的微分信號， 26 則在靜態(tài)時，調(diào)節(jié)器將保持 12(