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受控系统和执行器 通过加热系统控制室温是受控系统的一个简单示例。传感器测量室温并将温度值传送给控制 器。控制器将当前室温与设定值进行比较，并计算加热控制的输出值（调节变量）。 如果 PID 控制器的设置正确，则会尽快达到此设定值，然后使其保持为常数值。输出值更改 后，过程值通常仅随时间延迟而变化。控制器必须针对此响应进行补偿。 执行器是受控系统元件，受控制器影响。其功能是修改质量和能量流。 下表概述了执行器的应用。 应用 液体或气体质量流 固体质量流，如大块材料 执行器 阀门、遮板、闸门阀 铰链式挡板、传送带、振动器通道 电流 开关触点、接触器、继电器、可控硅 可变电阻、可调变压器、晶体管 编程和操作手册, 05/2021 707 PID 控制 3.1 控制原理 3.1.2 受控系统类型 708 执行器分为以下几种： • 带有恒定起动信号的比例执行器 这些元件用于设置开启角度、角位置，或与输出值成比例的位置。输出值在控制范围内 会对过程产生模拟量作用。 此组中的执行器包括弹簧支撑的气动驱动器，以及构成位置控制系统的带位置反馈的电 动驱动器。 连续控制器（如 PID_Compact）会生成输出值。 • 带脉冲宽度调制信号的比例执行器 这些执行器用于在采样时间间隔内生成长度与输出值成比例的脉冲输出。执行器（如加 热电阻或制冷装置）在等时模式下接通，持续时间根据输出值的不同而有所不同。 起动信号可呈现单极“打开”或“关闭”状态，或表示双极状态，如“打开/关闭”、“向 前/向后”、“加速/制动”。 输出值由两位控制器（如具有脉宽调制的 PID_Compact）生成。 • 具有积分作用和三位起动信号的执行器 执行器经常由电机操作，操作周期与阻塞元件的执行器进给成比例。包括阀门、遮板和 闸门阀等元件。尽管所有这些执行器的设计有所不同，但它们都受到受控系统输入端的 积分作用的影响。 步进控制器（如 PID_3Step）会生成输出值。 受控系统 受控系统的属性几乎不受到影响，因为这些属性是由过程和机械的技术要求决定的。 只能 通过为特定受控系统选择合适的控制器类型以及调整控制器以适应受控系统的时间响应，来 实现可接受的控制结果。 因此，要对控制器的比例、积分和微分作用进行组态，很有必要 详细了解受控系统的类型和参数。 根据受控系统对输出值阶跃变化的时间响应来对受控系统进行分类。 受控系统有以下分类： • 自调节受控系统– 比例作用受控系统– PT1 受控系统– PT2 受控系统 • 非自调节受控系统 • 具有/不具有时间的受控系统 使用工艺功能 编程和操作手册, 05/2021 PID 控制 3.1 控制原理 自调节受控系统 比例作用受控系统 在比例作用受控系统中，过程值几乎会立即随输出值而变化。 过程值与输出值之间的比率 由受控系统的比例 Gain 定义。 示例： • 管道系统中的闸门阀 • 分压器 • 液压系统中的降压功能 PT1 受控系统 在 PT1 受控系统中，过程值的变化*初与输出值的变化成比例。 过程值的变化率随时间减小， 直至达到*终值，即被延迟。 示例： • 弹簧减震系统 • RC 元件的充电 • 由蒸汽加热的贮水器。 加热与制冷过程，或充电和放电特性的时间常量通常相同。 时间常量不同时，控制显然会 更加复杂。 PT2 受控系统 在 PT2 受控系统中，过程值不会立即跟随输出值的阶跃变化，即，过程值的增加与正向上升 率成正比，然后随着上升率的下降而逼近设定值。 受控系统通过二阶延迟元件显示比例响 应特性。 示例： • 压力控制 • 流速控制 • 温度控制 非自调节受控系统 非自调节受控系统具有积分响应。 过程值趋于无限大的值。 示例： • 流入容器的液体 使用工艺功能 709 编程和操作手册, 05/2021 PID 控制 3.1 控制原理 具有死时间的受控系统 死时间总是表示在系统输出测量系统输入的变化之前到期的运行时间或传输时间。 在具有死时间的受控系统中，过程值的变化将发生延迟，延迟时间等于死时间量。 示例： 传送带 710 使用工艺功能 编程和操作手册, 05/2021 PID 控制 3.1 控制原理 3.1.3 控制部分的特征值 根据阶跃响应确定时间响应 受控系统的时间响应可根据输出值 y 发生阶跃变化之后的过程值 x 的时间特性来确定。大多 数受控系统为自调节受控系统。 时间响应可由使用变量延迟时间 Tu 、恢复时间 Tg 和*大值 Xmax 来大致确定。这些变量可通 过*大值的切点和阶跃响应的转折点来确定。在很多情况下，无法记录达到*大值的响应特 性，因为过程值不能超过特定值。在这种情况下，上升率 vmax 用于确定受控系统 (vmax = Δx / Δt )。 使用工艺功能 711 编程和操作手册, 05/2021 PID 控制 3.1 控制原理 受控系统的可控性可根据比率 Tu /Tg 或 Tu × vmax /Xmax 来估算。规则： 过程类型 I Tu / Tg < 0.1 受控系统的适控性 可以很好地控制 II III 死时间对受控系统可控性的影响 0.1 到 0.3 > 0.3 仍可控制 难以控制 具有死时间和恢复功能的受控系统对输出值跳变的响应如下所述。 Tt Tu Tg y x 死时间 延迟时间 恢复时间 输出值 过程值 具有死时间的自调节受控系统的可控性由 Tt 与 Tg 的比率确定。Tt 必须小于 Tg 。规则： Tt /Tg ≤ 1 712 使用工艺功能 编程和操作手册, 05/2021 受控系统的响应率 可以根据以下值来判断受控系统： Tu < 0.5 min、Tg < 5 min = 快速受控系统 Tu > 0.5 min、Tg > 5 min = 慢速受控系统 特定受控系统的参数 物理量受控系统延迟时间 Tu 恢复时间 Tg 上升率 vmax 温度小型电热炉0.5 到 1 min 5 到 15 min一直到 60 K/ min。 大型电热退火炉1 到 5 min 10 分钟到 20 分 钟 一直到 20 K/ min。 大型燃气加热退火炉0.2 到 5 min 3 分钟到 60 分钟1 到 30 K/min 蒸馏塔1 到 7 min 40 到 60 min 0.1 到 0.5° C/s 高压锅 (2.5 m3) 0.5 分钟到 0.7 分钟10 分钟到 20 分 钟 未指定 高压锅12 分钟到 15 分钟200 分钟到 300 分钟 未指定 蒸气过热器30 s 到 2.5 min 1 到 4 min 2°C/s 注塑机0.5 分钟到 3 分钟3 分钟到 30 分钟5 到 20 K/min 挤压机1 分钟到 6 分钟5 分钟到 60 分钟 包装机0.5 分钟到 4 分钟3 分钟到 40 分钟2 到 35 K/min 暖气1 到 5 min 10 到 60 min 1° C/min 流速气体管道0 到 5 s 0.2 到 10 s不相关 液体管道无无 压力气体管道无0.1 s不相关 用煤气或石油作燃料的汽包锅炉无150 s不相关 采用撞击粉碎机的汽包锅炉1 到 2 min 2 到 5 min不相关 容器级别汽包锅炉0.6 到 1 min未指定0.1 到 0.3 cm/s 速度小型电动机无0.2 到 10 s不相关 大型电动机无5 到 40 s不相关 蒸汽轮机无未指定50 min–1 PID 控制 3.1 控制原理 使用工艺功能 编程和操作手册, 05/2021 713 PID 控制 3.1 控制原理 物理量 受控系统 延迟时间 Tu 恢复时间 Tg 上升率 vmax 电压 3.1.4 小型生成器 大型生成器 脉冲控制器 无反馈两位控制器 无 无 1 到 5 s 5 到 10 s 不相关 不相关 两位控制器将状态“ON”和“OFF”作为切换函数。 这与 **** 或 0% 输出相对应。 该特性会使 过程值 x 在设定值 w 周围持续振荡。 振幅和波动持续时间随受控系统的延迟时间 Tu 与恢复时间 Tg 之间的比例而增加。 这些控制 器主要用于简单的温度控制系统（例如直接用电加热的炉子），或用作限值报警设备。 下图显示了两位控制器的特性