第6章 简单控制系统的设计与参数整定

1、第六章第六章 单回路调节系统的设计及调节器参数整定方法单回路调节系统的设计及调节器参数整定方法 本章内容：本章内容： 6.1 简单控制系统的结构与组成简单控制系统的结构与组成 6.2 简单控制系统设计简单控制系统设计 6.3 调节规律对控制品质的影响与调节规律的选择调节规律对控制品质的影响与调节规律的选择 6.4 控制系统的投运与控制系统的投运与调节器参数的工程整定方法调节器参数的工程整定方法 第六章第六章 单回路调节系统的设计及调节器参数整定方法单回路调节系统的设计及调节器参数整定方法 6.1 简单控制系统的结构与组成简单控制系统的结构与组成 简单控制系统：（单回路控制系统）简单控制系统：（

2、单回路控制系统） 指由一个测量元件及变送器、一个控制器、一个执行机构（调节阀）和一个被控过指由一个测量元件及变送器、一个控制器、一个执行机构（调节阀）和一个被控过 程组成，并只对一个被控变量进行控制的单闭环反馈控制系统。程组成，并只对一个被控变量进行控制的单闭环反馈控制系统。 如：如： 液位（简单）控制系统液位（简单）控制系统 温度（简单）控制系统温度（简单）控制系统 LT：液位测量变送器：液位测量变送器 LC：液位控制器：液位控制器 TT：温度测量变送器：温度测量变送器 TC：温度控制器：温度控制器 上述图形称为上述图形称为“带控制点的工艺流程图带控制点的工艺流程图” 或简称或简称“仪表流程

3、图仪表流程图” 6.1 简单控制系统的结构与组成简单控制系统的结构与组成 图形什么图形什么 含义？含义？ 如何规定如何规定 的？的？ 6.1 简单控制系统的结构与组成（续）简单控制系统的结构与组成（续） 单回路控制系统的框图：单回路控制系统的框图： 6.1 简单控制系统的结构与组成简单控制系统的结构与组成 仪表流程图：仪表流程图： （一）图形符号（一）图形符号 仪表的图形符号是一个细实线圆圈，直径约仪表的图形符号是一个细实线圆圈，直径约10或或12cm 6.1 简单控制系统的结构与组成简单控制系统的结构与组成仪表流程图仪表流程图 巴基斯坦贾姆肖罗电厂巴基斯坦贾姆肖罗电厂 现场安装基地式压力表现

4、场安装基地式压力表 6.1 简单控制系统的结构与组成简单控制系统的结构与组成仪表流程图仪表流程图 6.1 简单控制系统的结构与组成简单控制系统的结构与组成仪表流程图仪表流程图 控制柜内部控制柜内部 仪表流程图：仪表流程图： （二）字母代号（二）字母代号 （标于图形符号圆圈的上半部）（标于图形符号圆圈的上半部） 6.1 简单控制系统的结构与组成简单控制系统的结构与组成仪表流程图仪表流程图 注意：同样的字注意：同样的字 母在不同位置其母在不同位置其 含义不同含义不同 仪表流程图：仪表流程图： （三）仪表位置（三）仪表位置 （标于图形符号圆圈的下半部）（标于图形符号圆圈的下半部） 第一位数字：表示工

5、段号第一位数字：表示工段号 后续数字：表示仪表序号。后续数字：表示仪表序号。 例：例： 6.1 简单控制系统的结构与组成简单控制系统的结构与组成仪表流程图仪表流程图 仪表流程图：仪表流程图： 练习练习 请说出：上述换热器仪表流程图中图形符合、字母代号，及仪表位置的含义请说出：上述换热器仪表流程图中图形符合、字母代号，及仪表位置的含义 6.1 简单控制系统的结构与组成简单控制系统的结构与组成仪表流程图仪表流程图 6.2 简单控制系统设计简单控制系统设计 6.2 简单控制系统设计简单控制系统设计 6.2.1 6.2.1 过程控制系统方案设计的基本要求、过程控制系统方案设计的基本要求、 主要内容与设

6、计步骤主要内容与设计步骤 6.2.1.1 6.2.1.1 过程控制系统方案设计的基本要求过程控制系统方案设计的基本要求 生产过程对控制系统的要求可简要归纳为三个方面生产过程对控制系统的要求可简要归纳为三个方面: : 安全性安全性 稳定性稳定性 经济性经济性 6.2 简单控制系统设计简单控制系统设计 6.2.1.2. 6.2.1.2. 过程控制系统设计的主要内容过程控制系统设计的主要内容 四个主要内容四个主要内容 （1） 控制系统方案设计控制系统方案设计 是控制系统设计的核心是控制系统设计的核心 （2）控制系统工程设计）控制系统工程设计 仪表选型、现场仪表与设备安装位置确定、控制室操作台和仪表选

7、型、现场仪表与设备安装位置确定、控制室操作台和 仪表盘设计、供电与供气系统设计仪表盘设计、供电与供气系统设计 等等等等 （3）工程安装和仪表调校）工程安装和仪表调校 （4）投运与调节器参数整定）投运与调节器参数整定 6.2 简单控制系统设计简单控制系统设计 6.2.1.3 过程控制系统设计的步骤过程控制系统设计的步骤 1）掌握生产工艺对控制系统的技术要求与性能指标）掌握生产工艺对控制系统的技术要求与性能指标 2）建立被控过程的数学模型（或对被控过程的特性分析）建立被控过程的数学模型（或对被控过程的特性分析） 3）确定控制方案）确定控制方案 包括确定包括确定: : 控制方式控制方式 系统组成结构

8、系统组成结构 过程控制系统设计的关键步骤过程控制系统设计的关键步骤 4）控制设备选型（工程设计）控制设备选型（工程设计） 5）实验（或仿真）验证）实验（或仿真）验证 6.2 简单控制系统设计简单控制系统设计 6.2.2 被控变量与控制变量的选择被控变量与控制变量的选择 6.2.2 6.2.2 被控变量与控制变量的选择被控变量与控制变量的选择 6.2.2.1 被控变量的选择被控变量的选择 被控变量被控变量 生产过程中希望借助自动控制保持恒定值（或按一定规律变化）的变量。生产过程中希望借助自动控制保持恒定值（或按一定规律变化）的变量。 合理选择被控变量，关系到生产工艺能否达到稳定操作、保证质量、合

9、理选择被控变量，关系到生产工艺能否达到稳定操作、保证质量、 保证安全等目的。保证安全等目的。 那如何选择被控那如何选择被控 变量？变量？ 被控变量被控变量 控制变量控制变量 6.2 6.2 简单控制系统设计简单控制系统设计 6.2.2.1 6.2.2.1 被控变量的选择被控变量的选择 6.2.2.1 被控变量的选择被控变量的选择 （续）（续） 被控变量的选择原则：被控变量的选择原则： 1、根据生产工艺的要求，一般选取对产品产量和质量、安全生产等具有决、根据生产工艺的要求，一般选取对产品产量和质量、安全生产等具有决 定性作用，可测量的工艺变量为被控变量定性作用，可测量的工艺变量为被控变量 2、当

10、不能用直接工艺变量作为被控变量时，应选择与直接工艺变量有单值、当不能用直接工艺变量作为被控变量时，应选择与直接工艺变量有单值 函数关系的间接工艺变量作为被控变量。函数关系的间接工艺变量作为被控变量。 3 3、被控变量必须有足够大的灵敏度、被控变量必须有足够大的灵敏度 4、选择被控变量时，必须考虑工艺合理性选择被控变量时，必须考虑工艺合理性 6.2 简单控制系统设计简单控制系统设计 6.2.2.1 6.2.2.1 被控变量的选择被控变量的选择 原则原则1：根据生产工艺的要求，一般选取对产品产量和质量、安全生产等具有决定性根据生产工艺的要求，一般选取对产品产量和质量、安全生产等具有决定性 作用，可

11、测量的工艺变量为被控变量。作用，可测量的工艺变量为被控变量。 例例1 储槽液位控制系统工艺要求储槽液位稳定。储槽液位控制系统工艺要求储槽液位稳定。 那么设计的控制系统就可以储槽液位作为被控变量。那么设计的控制系统就可以储槽液位作为被控变量。 生产要求储生产要求储 槽液位稳定槽液位稳定 6.2 简单控制系统设计简单控制系统设计 6.2.2.1 6.2.2.1 被控变量的选择被控变量的选择 例例2 换热器出口温度控制系统，换热器出口温度控制系统，工艺要求加热后的热物料温度稳定工艺要求加热后的热物料温度稳定。 那么设计的控制系统就应以出口温度为被控变量。那么设计的控制系统就应以出口温度为被控变量。

12、热物料热物料 载热介质载热介质 冷物料冷物料 热交换器热交换器 TT TC 6.2 简单控制系统设计简单控制系统设计 6.2.2.1 6.2.2.1 被控变量的选择被控变量的选择 例例3 精馏塔精馏塔 精馏物纯度控制系统。精馏物纯度控制系统。 精馏工艺是利用被分离物中各组分的挥发温度不精馏工艺是利用被分离物中各组分的挥发温度不 同，将各组分分离。同，将各组分分离。 如图将苯如图将苯甲苯混合液进行分离的精馏塔甲苯混合液进行分离的精馏塔 。 该精馏塔的工艺要求是要使塔顶该精馏塔的工艺要求是要使塔顶 （或塔底）馏出物达到规定的纯度。（或塔底）馏出物达到规定的纯度。 按照被控变量的选择原则按照被控变量

13、的选择原则1，塔顶，塔顶 （或塔底）馏出物的组分应作为被（或塔底）馏出物的组分应作为被 控变量。控变量。 但是，没有合适的仪表在线检测馏但是，没有合适的仪表在线检测馏 出物的纯度，则不能直接作为被控出物的纯度，则不能直接作为被控 变量。变量。 6.2 简单控制系统设计简单控制系统设计 6.2.2.1 6.2.2.1 被控变量的选择被控变量的选择 例例3 （续）（续） 只好在与馏出物的纯度有单值关只好在与馏出物的纯度有单值关 系的工艺变量中，找出合适的变量作系的工艺变量中，找出合适的变量作 为被控变量，进行间接变量控制。为被控变量，进行间接变量控制。 经工艺分析发现，塔内压力和塔经工艺分析发现，

14、塔内压力和塔 内温度都对馏出物纯度有影响。需要内温度都对馏出物纯度有影响。需要 对二者进行比较试验，选出一个合适对二者进行比较试验，选出一个合适 的变量。的变量。 原则原则2：当不能用直接工艺变量作为被控变量时，应选择与直接工艺变量当不能用直接工艺变量作为被控变量时，应选择与直接工艺变量 有单值函数关系的间接工艺变量作为被控变量。有单值函数关系的间接工艺变量作为被控变量。 6.2 简单控制系统设计简单控制系统设计 6.2.2.1 6.2.2.1 被控变量的选择被控变量的选择 例例3 （续）（续） 经试验得出，塔顶馏出物苯的浓度分经试验得出，塔顶馏出物苯的浓度分 别与压力和温度有单值对应关系（塔

15、底馏别与压力和温度有单值对应关系（塔底馏 出物甲苯也一样）。出物甲苯也一样）。 从工艺合理性踪合考虑，最后选择从工艺合理性踪合考虑，最后选择 塔顶温度塔顶温度作为作为被控变量被控变量。 塔顶温度塔顶温度 作为作为 被控变量被控变量 6.2 简单控制系统设计简单控制系统设计 6.2.2.1 6.2.2.1 被控变量的选择被控变量的选择 原则原则3 3：被控变量必须有足够大的灵敏度被控变量必须有足够大的灵敏度 被控变量必须灵敏，容易被测量。被控变量必须灵敏，容易被测量。 原则原则4 4：选择被控变量时，必须考虑工艺合理性选择被控变量时，必须考虑工艺合理性 6.2 简单控制系统设计简单控制系统设计

16、6.2.2.2 控制变量选择控制变量选择 6.2.2.2 控制变量选择控制变量选择 控制变量控制变量 用来克服干扰对被控变量的影响，实现控制作用的变量称为控制变量或用来克服干扰对被控变量的影响，实现控制作用的变量称为控制变量或 操纵变量。操纵变量。 最常见的控制变量是介质的流量，最常见的控制变量是介质的流量， 也有以转速、电压等作为操纵变量的。也有以转速、电压等作为操纵变量的。 有些过程是比较明显的，有些过程是比较明显的， 如下储液槽。如下储液槽。 （设进液是上一工段的生产液（设进液是上一工段的生产液） 流出流量流出流量 作为作为 控制变量控制变量 控制变量控制变量被控变量被控变量 6.2 简

17、单控制系统设计简单控制系统设计 6.2.2.2 控制变量选择控制变量选择 控制变量的确定控制变量的确定 被控变量选定以后，应对工艺进行分析，找出所有影响被控变量的因素被控变量选定以后，应对工艺进行分析，找出所有影响被控变量的因素, 经分析确定控制变量。经分析确定控制变量。 例：例： 燃油加热炉：燃油加热炉： 工艺上要求被加热后的物料出口温度工艺上要求被加热后的物料出口温度T 恒定，恒定， 可选出口温度可选出口温度T 为被控变量。为被控变量。 可影响被控变量的因素：可影响被控变量的因素： 被加热物的流量被加热物的流量Q 被加热物的初始温度被加热物的初始温度T0 燃油量；燃油量； 加风量；加风量；

18、 环境温度环境温度 加热炉加热炉 选谁作为控选谁作为控 制变量？制变量？ 6.2 简单控制系统设计简单控制系统设计 6.2.2.2 控制变量选择控制变量选择 控制变量的确定控制变量的确定 （续）（续） 在诸多影响被控变量的因素中选择一个在诸多影响被控变量的因素中选择一个对被控变量影响显著、便于控制且合对被控变量影响显著、便于控制且合 理理的变量，作为控制变量；的变量，作为控制变量； 其它未被选中的因素则视为系统的干扰。其它未被选中的因素则视为系统的干扰。 （被控对象被控对象） 相应于控制变量的通道称为相应于控制变量的通道称为控制通道控制通道， 其他影响通道称为其他影响通道称为干扰通道干扰通道。

19、 被控变量被控变量影响变量影响变量 为了选取合理的控制变量，下面先分析各种过程通道特性对控制品质为了选取合理的控制变量，下面先分析各种过程通道特性对控制品质 的影响，反过来可以指导控制变量的选取。的影响，反过来可以指导控制变量的选取。 下面将分析：下面将分析： 1.过程（通道）静态特性对控制品质的影响过程（通道）静态特性对控制品质的影响 2.过程（通道）动态特性对控制品质的影响过程（通道）动态特性对控制品质的影响 （1）干扰通道动态特性对控制品质的影响）干扰通道动态特性对控制品质的影响 1）干扰通道的时间常数）干扰通道的时间常数Tf 的影响的影响 2）干扰通道的纯滞后）干扰通道的纯滞后f 影响

20、影响 指导控制变量的选取指导控制变量的选取 3）扰动进入控制通道的位置对控制品质的影响）扰动进入控制通道的位置对控制品质的影响 （2）控制通道动态特性对控制品质的影响）控制通道动态特性对控制品质的影响 1）控制通道时间常数）控制通道时间常数T0 对控制品质的影响对控制品质的影响 2）控制通道纯滞后时间）控制通道纯滞后时间 的影响的影响 3）控制通道有多个时间常数时相近程度的影响）控制通道有多个时间常数时相近程度的影响 6.2 简单控制系统设计简单控制系统设计 6.2.2.2 控制变量选择控制变量选择 1. 过程（通道）静态特性对控制品质的影响过程（通道）静态特性对控制品质的影响 如下图单回路系

21、统：如下图单回路系统： 6.2 简单控制系统设计简单控制系统设计 6.2.2.2 控制变量选择控制变量选择 1. 过程（通道）静态特性对控制品质的影响过程（通道）静态特性对控制品质的影响 分析稳态情况分析稳态情况 6.2 简单控制系统设计简单控制系统设计 6.2.2.2 控制变量选择控制变量选择 2. 过程（通道）动态特性对控制品质的影响过程（通道）动态特性对控制品质的影响 （1）干扰通道动态特性对控制品质的影响）干扰通道动态特性对控制品质的影响 1）干扰通道的时间常数干扰通道的时间常数 Tf 的影响的影响 （先分析下反馈系统先分析下反馈系统 克服干扰的过程）克服干扰的过程） 直观分析：直观分

22、析： 设干扰设干扰 f(t) 阶跃变化，有阶跃变化，有 d(t) 是直接作用于反馈回路的干扰作用是直接作用于反馈回路的干扰作用 Tf 大大 d(t) 缓慢，缓慢， 反馈控制有足够的时间来克服它，干扰总的对反馈控制有足够的时间来克服它，干扰总的对 y(t) 的影响必然小。的影响必然小。 Tf小，（反之）干扰对被控变量的影响大。小，（反之）干扰对被控变量的影响大。 6.2 简单控制系统设计简单控制系统设计 6.2.2.2 控制变量选择控制变量选择 2）干扰通道的纯滞后干扰通道的纯滞后f 的的影响影响 f 不一样，只是改变了不一样，只是改变了d(t)对反馈回路真正开始干扰的时间，而对强弱没有改变。对

23、反馈回路真正开始干扰的时间，而对强弱没有改变。 所以，所以， 干扰通道纯滞后干扰通道纯滞后f 大小不改变干扰对控制质量的好坏影响。大小不改变干扰对控制质量的好坏影响。 6.2 简单控制系统设计简单控制系统设计 6.2.2.2 控制变量选择控制变量选择 3）扰动进入控制通道的位置对控制品质的影响扰动进入控制通道的位置对控制品质的影响 假设假设 G01 ， G02 ， G03 均为一阶惯性环节均为一阶惯性环节 6.2 简单控制系统设计简单控制系统设计 6.2.2.2 控制变量选择控制变量选择 谁的影谁的影 响大？响大？ 3）扰动进入控制通道的位置对控制品质的影响扰动进入控制通道的位置对控制品质的影

24、响 （续）（续） 设设F1 ,F2 ,F3 均为幅度相同的阶跃干扰，则：均为幅度相同的阶跃干扰，则： d1(t), d2(t), d3(t)是直接进入反馈回路的干扰，显然，是直接进入反馈回路的干扰，显然，d3(t)对对y(t)的影响最小，的影响最小， d1(t)对对y(t)的影响最大。的影响最大。 所以：所以： 干扰进入单回路系统的位置离被控变量越近，影响越大；干扰进入单回路系统的位置离被控变量越近，影响越大； 反之，干扰进入点离被控越远，影响越小。反之，干扰进入点离被控越远，影响越小。 6.2 简单控制系统设计简单控制系统设计 6.2.2.2 控制变量选择控制变量选择 （2）控制通道动态特性

25、对控制品质的影响控制通道动态特性对控制品质的影响 1）控制通道时间常数）控制通道时间常数 T0 对控制品质的影响对控制品质的影响 直接分析直接分析 T0小，控制强度较大；小，控制强度较大； T0大，控制强度较弱，大，控制强度较弱， 所以，控制通道时间常数所以，控制通道时间常数T0小，控制及时；小，控制及时； 反之，控制通道时间常数反之，控制通道时间常数T0大，控制不够及时。大，控制不够及时。 6.2 简单控制系统设计简单控制系统设计 6.2.2.2 控制变量选择控制变量选择 （2）控制通道动态特性对控制品质的影响控制通道动态特性对控制品质的影响 （续）（续） 2）控制通道纯滞后时间控制通道纯滞

26、后时间的影响的影响 由于控制通道的纯滞后直接滞后控制作用的到达，由于控制通道的纯滞后直接滞后控制作用的到达， 越大，越大，“失控失控”的时间越长，控制品质越差。（严重）的时间越长，控制品质越差。（严重） 小，小，“失控失控”的时间较短，控制品质较好。（情况类似的时间较短，控制品质较好。（情况类似上小节上小节 T0 ） 6.2 简单控制系统设计简单控制系统设计 6.2.2.2 控制变量选择控制变量选择 （2）控制通道动态特性对控制品质的影响控制通道动态特性对控制品质的影响 （续）（续） 3）控制通道有多个时间常数时相近程度的影响）控制通道有多个时间常数时相近程度的影响 6.2 简单控制系统设计简

27、单控制系统设计 6.2.2.2 控制变量选择控制变量选择 3控制变量选择的一般原则：控制变量选择的一般原则： （1）控制变量可控、工艺上允许调节；）控制变量可控、工艺上允许调节； （2）所选控制通道灵敏：）所选控制通道灵敏：K0 大、大、T0 小、小、0 小；小； （3）使其它影响变量（即干扰），）使其它影响变量（即干扰），Kf 小，小，Tf 大，远离被控变量；大，远离被控变量； （4）应使控制器、调节阀、测量环节的时间常远小于过程控制通道）应使控制器、调节阀、测量环节的时间常远小于过程控制通道 的时间常数；的时间常数； （5）工艺上必须合理，同时考虑效率和经济性。）工艺上必须合理，同时考虑效

28、率和经济性。 6.2 简单控制系统设计简单控制系统设计 6.2.2.2 控制变量选择控制变量选择 6.2.3 6.2.3 检测环节、执行器及调节器正、反作用选择检测环节、执行器及调节器正、反作用选择 6.2.3.1 传感器、变送器的选择传感器、变送器的选择 选择原则：选择原则： 1、测量范围与精度符合和满足工艺要求；、测量范围与精度符合和满足工艺要求； 2、尽可能选择时间常数小的传感器和变送器；、尽可能选择时间常数小的传感器和变送器； 3、合理选择检测点，减小测量纯滞后。、合理选择检测点，减小测量纯滞后。 6.2.3 6.2.3 检测环节、执行器及调节器正、反作用选择检测环节、执行器及调节器正

29、、反作用选择6.2.3.1 传感器、变送器的选择传感器、变送器的选择 6.2.3.2 执行器（调节阀）的选择执行器（调节阀）的选择 1.调节阀工作区间的选择调节阀工作区间的选择 主要是控制阀口径的选择，要求在正常工况下，调节阀的工作开度在主要是控制阀口径的选择，要求在正常工况下，调节阀的工作开度在15%85%之间。之间。 2.调节阀的流量特性选择调节阀的流量特性选择 调节阀的理想流量特性调节阀的理想流量特性 调节阀流量特性是指相对流量与相对位移（相对开度）之间的关系。调节阀流量特性是指相对流量与相对位移（相对开度）之间的关系。 理想流量特性：保持阀二边的工作压力恒定（不随阀开度变化而变）条件下

30、测得的流量特性。理想流量特性：保持阀二边的工作压力恒定（不随阀开度变化而变）条件下测得的流量特性。 6.2.3.2 执行器（调节阀）的选择执行器（调节阀）的选择 2.调节阀的流量特性选择（续）调节阀的流量特性选择（续） 工作流量特性工作流量特性 实际上的调节阀串联在管道中：实际上的调节阀串联在管道中： 若若Ps恒定，但开度改变，会使恒定，但开度改变，会使Q变化，变化， PF变化，变化，PV也变化。也变化。 如：开度增大，如：开度增大，Q增大，增大，PF，PV 则实际流量特性会改变，即与理想流量特性不同。则实际流量特性会改变，即与理想流量特性不同。 变化方向：变化方向： 等百分比等百分比抛物线抛

31、物线直线直线快开快开 6.2.3.2 执行器（调节阀）的选择执行器（调节阀）的选择 2.调节阀的流量特性选择（续）调节阀的流量特性选择（续） 流量特性选择流量特性选择 流量特性选择原则：流量特性选择原则： 若若 K0 当当K0有非线性时，有非线性时， 可恰当选取阀的流量特性，可恰当选取阀的流量特性， 让让 KV 的非线性的非线性 补偿补偿K0 的非线性，的非线性， 使整体广义对象成线性。使整体广义对象成线性。 则选则选 KV （等百分比）（等百分比） 6.2.3.2 执行器（调节阀）的选择执行器（调节阀）的选择 3. 调节阀的气开、气关作用方式的选择调节阀的气开、气关作用方式的选择 调节阀的气

32、开、气关作用方式调节阀的气开、气关作用方式 制造上，使调节阀有气开型和气关型。制造上，使调节阀有气开型和气关型。 气开型（气开型（Kv：+）：输入信号（气压信号）增大）：输入信号（气压信号）增大阀门开度增大，阀门开度增大， 也就是说，无气（无信号）时，阀门是自然关闭的也就是说，无气（无信号）时，阀门是自然关闭的 （常闭型）（常闭型） 气关型（气关型（Kv：-）：）： 输入信号（气压信号）增大输入信号（气压信号）增大阀门开度减小，阀门开度减小， 即：无信号时，阀门自然全开。即：无信号时，阀门自然全开。 （常开型）（常开型） 6.2.3.2 执行器（调节阀）的选择执行器（调节阀）的选择 3. 调节

33、阀的气开、气关作用方式的选择调节阀的气开、气关作用方式的选择 调节阀气开、气关作用方式的选择调节阀气开、气关作用方式的选择 a）首要从安全性考虑（人身安全、设备安全）首要从安全性考虑（人身安全、设备安全） 在仪表发生故障，无信号（无气压）时，在仪表发生故障，无信号（无气压）时， 阀门的自然状态必须有利于安全。阀门的自然状态必须有利于安全。 在无安全问题的情况下，再考虑以下因素在无安全问题的情况下，再考虑以下因素 b）保证产品质量原则；）保证产品质量原则； c）减小原料和动力浪费的经济原则；）减小原料和动力浪费的经济原则； d）基于介质特点的工艺设备安全原则）基于介质特点的工艺设备安全原则 6.

34、2.3.2 执行器（调节阀）的选择执行器（调节阀）的选择 3. 调节阀的气开、气关作用方式的选择调节阀的气开、气关作用方式的选择 ： h为被控，工艺上严禁液体溢出。为被控，工艺上严禁液体溢出。 要求：要求： 当选当选Q1为控制变量时，阀为控制变量时，阀1的的“气开气开”“”“气关气关”选择；选择； 当选当选Q2为控制变量时，阀为控制变量时，阀2的的“气开气开”“”“气关气关”选择。选择。 6.2.3.2 执行器（调节阀）的选择执行器（调节阀）的选择 6.2.3.3 调节器正、负（反）作用的选择调节器正、负（反）作用的选择 负反馈控制系统的控制作用对被控变量的影响负反馈控制系统的控制作用对被控变

35、量的影响 应与干扰作用对被控变量的影响相反，才能使被控应与干扰作用对被控变量的影响相反，才能使被控 变量值回复到给定值。为了保证负反馈，必须正确变量值回复到给定值。为了保证负反馈，必须正确 选择调节器的正反作用。选择调节器的正反作用。 给定值给定值 测量变送器测量变送器 控制器控制器执行器执行器对象对象 操作量操作量 被控变量被控变量 干扰干扰 为了说明选择方法，先定义作用方向：为了说明选择方法，先定义作用方向： 当某个环节的输入增加时，其输出也增加，称该当某个环节的输入增加时，其输出也增加，称该 环节为环节为“正作用正作用”；反之，称为；反之，称为“反作用反作用” 。 按此定义：按此定义：

36、q变送器都是正作用变送器都是正作用 q气开阀是正作用，气关阀是反作用气开阀是正作用，气关阀是反作用 q被控对象有的正作用，有的反作用被控对象有的正作用，有的反作用 q控制器作用方向以测量输入与输出的关系定义：控制器作用方向以测量输入与输出的关系定义： 正作用：测量值正作用：测量值给定值给定值 反作用：给定值反作用：给定值测量值测量值 控制系统中，各个环节的作用方向组合不当控制系统中，各个环节的作用方向组合不当 的话，会使系统构成正反馈，不但不能起控制作用，的话，会使系统构成正反馈，不但不能起控制作用， 反而会破坏生产过程的稳定。反而会破坏生产过程的稳定。 因为执行器和对象有正、反作用，为了保证

37、控因为执行器和对象有正、反作用，为了保证控 制系统负反馈，调节器必须有正、反作用之调整。制系统负反馈，调节器必须有正、反作用之调整。 偏差偏差 控制器控制器执行器执行器对象对象 变送器变送器 给定值给定值被调参数被调参数 干扰干扰 测量值测量值 正作用正作用反作用反作用正作用正作用 正作用正作用 调节器正反作用的确定原调节器正反作用的确定原 则：则：保证系统构成负反馈保证系统构成负反馈 简单的判定方法：简单的判定方法：闭合回闭合回 路中有奇数个反作用环节。路中有奇数个反作用环节。 偏差偏差 控制器控制器执行器执行器对象对象 变送器变送器 给定值给定值被调参数被调参数 干扰干扰 测量值测量值 反

38、作用反作用正作用正作用正作用正作用 正作用正作用 例例1：加热炉出口温度控制系统：加热炉出口温度控制系统 负反馈验证：负反馈验证： 设某时刻燃料压力设某时刻燃料压力燃料流量燃料流量炉温炉温出料温度出料温度 TC输入输入 TC输出输出阀关小阀关小炉温炉温出料温度出料温度 TTTC 反反 正正 正正 正正 燃料燃料 出料出料 例例2：储槽液位控制系统：储槽液位控制系统 LT LC M 正正 正正 正正 反反 出料 负反馈验证：负反馈验证： 设某时刻进料量设某时刻进料量液位液位LC输入输入 LC输出输出阀开大阀开大出料量出料量液位液位 6.3 调节规律对控制品质的影响与调节规律的选择调节规律对控制品

39、质的影响与调节规律的选择 调节规律：调节规律： 简单来说，根据系统偏差简单来说，根据系统偏差 e(t) 产生输出产生输出 u(t) 的算法。也就是控制器输出信号与输入的算法。也就是控制器输出信号与输入 信号之间的关系，又称信号之间的关系，又称控制规律控制规律，控制算法控制算法。 6.3 调节规律对控制品质的影响与调节规律的选择调节规律对控制品质的影响与调节规律的选择 6.3 调节规律对控制品质的影响与调节规律的选择调节规律对控制品质的影响与调节规律的选择 （续）（续） 控制算法很多。控制算法很多。 PID（比例、积分、微分）算法是应用最广泛的一种算法。（比例、积分、微分）算法是应用最广泛的一种

40、算法。 PID算法具有原理简单、鲁棒性强、适应性广等优点。算法具有原理简单、鲁棒性强、适应性广等优点。 但对个别复杂或难控过程则有一定困难。但对个别复杂或难控过程则有一定困难。 6.3 调节规律对控制品质的影响与调节规律的选择调节规律对控制品质的影响与调节规律的选择 u q 在在PID调节中，调节中， 比例作用是基础；微比例作用是基础；微 分作用可以加快系统分作用可以加快系统 控制速度，减小超调；控制速度，减小超调； 积分作用可以消除静积分作用可以消除静 差。但不是任何对象差。但不是任何对象 都是用都是用PID 控制最好。控制最好。 6.3.1 (PID)调节规律对控制品质的影响分析调节规律对

41、控制品质的影响分析 对某一对象，用不同控制规律时阶跃干扰过程比较 被控变量被控变量 t 无控制作用无控制作用 P PD PID PI 6.3.1 (PID)调节规律对控制品质的影响分析调节规律对控制品质的影响分析 6.3.1.3 比例微分（比例微分（PD）调节对系统控制品质的影响）调节对系统控制品质的影响 * 动态方面：动态方面：适量的适量的微分作用克服系统的惯性，可提高系统的控制质量和稳定性。微分作用克服系统的惯性，可提高系统的控制质量和稳定性。 但若微分作用太大时，则又对稳定性不利。但若微分作用太大时，则又对稳定性不利。 注意：微分作用对纯滞后无任何改进作用。有高频干扰时慎用。注意：微分作

42、用对纯滞后无任何改进作用。有高频干扰时慎用。 * 静态方面：微分作用对静态没有任何影响。静态方面：微分作用对静态没有任何影响。 6.3 调节规律对控制品质的影响与调节规律的选择调节规律对控制品质的影响与调节规律的选择 （2）理想的）理想的PD（比例微分作用）（比例微分作用） 6.3.1.4 比例积分微分（比例积分微分（PID）调节）调节 综合了上述的比例、积分、微分特性。综合了上述的比例、积分、微分特性。 6.3 调节规律对控制品质的影响与调节规律的选择调节规律对控制品质的影响与调节规律的选择 6.3.2 （PID）调节规律的选择）调节规律的选择 根据上述根据上述P、I、D对控制品质的影响，反

43、过来根据实际要求可选定你需要（应对控制品质的影响，反过来根据实际要求可选定你需要（应 该选择）的调节规律。该选择）的调节规律。 1、比例（比例（ Kc ）：）： 基本控制作用，一般都需要。基本控制作用，一般都需要。 Kc 大大控制响应快，但稳定性差控制响应快，但稳定性差 Kc 小小稳定性好，但控制响应慢、稳定性好，但控制响应慢、 2、积分作用（积分作用（ Ti ）：）： 唯一好处是可消除余差，但对稳定性有害。不可太强。唯一好处是可消除余差，但对稳定性有害。不可太强。 积分作用强是指积分作用强是指 Ti 小小 3、微分作用（微分作用（ Td）：）： 对惯性较大的对象适当加点微分有好处，可提高控制

44、速度，改善控制质量。对惯性较大的对象适当加点微分有好处，可提高控制速度，改善控制质量。 但不宜太大，否则控制质量下降。有一个度。对于高频干扰频繁的系统慎用微分作但不宜太大，否则控制质量下降。有一个度。对于高频干扰频繁的系统慎用微分作 用。用。 6.3 调节规律对控制品质的影响与调节规律的选择调节规律对控制品质的影响与调节规律的选择 振荡逐渐加剧振荡逐渐加剧 P P P P P u u u u u P越小，控制过程曲线越小，控制过程曲线 越振荡，周期缩短。越振荡，周期缩短。 P越大，控制过程曲线 越大，控制过程曲线 越平稳，但控制过程时越平稳，但控制过程时 间越长，余差也越大。间越长，余差也越大

45、。 出现等幅振荡，这时的出现等幅振荡，这时的 比例度称为临界比例度比例度称为临界比例度 Pmin ，振荡频率称为临，振荡频率称为临 界振荡频率界振荡频率M 1.TI越大，积分作用越大，积分作用 越弱，越弱， TI = ，积分作积分作 用为零。用为零。TI减小，积分减小，积分 作用增强，系统振荡加作用增强，系统振荡加 剧，稳定性下降。因此，剧，稳定性下降。因此， 加积分后，比例带要适加积分后，比例带要适 当加大。当加大。 2.如果如果T1适当，系统适当，系统 能很快消除余差。能很快消除余差。 积分时间积分时间TI 对过渡过程的影响对过渡过程的影响 u u u u 11 ue(1) P I t T

46、 u u u t t t u t TD较小较小，控制，控制 速度稍有加快速度稍有加快 TD=0，纯比 ，纯比 例控制过程例控制过程 TD太大，太大，出现出现 等幅振荡等幅振荡 TD合适合适，控制，控制 速度明显加快速度明显加快 微分时间微分时间TD 对过渡过程的影响对过渡过程的影响 1 u() P D de eT dt 4、比例积分微分控制（、比例积分微分控制（PID） 适用于容量滞后较大、负荷变化大、控制质适用于容量滞后较大、负荷变化大、控制质 量要求较高的系统，应用最普遍的是温度控制系统量要求较高的系统，应用最普遍的是温度控制系统 与成分控制系统。与成分控制系统。 TTTC 也可根据也可根

47、据0/T0来选择调节来选择调节 器的调节规律：器的调节规律： 0/T00.1，用，用P或或PI 0.10/T00.2，用，用PD或或PID 0/T00.2，用简单控制系统效，用简单控制系统效 果不好。果不好。 6.4 控制系统的投运与调节器参数的工程整定方法控制系统的投运与调节器参数的工程整定方法 6.4.0 控制系统的投运控制系统的投运 投运投运： 将生产过程由人工操作方式切换到自动控制状态的过程。将生产过程由人工操作方式切换到自动控制状态的过程。 要求：要求： 人工（手动）人工（手动）自动过程自动过程 必须是平稳的，即无扰动的。必须是平稳的，即无扰动的。 控制系统投运（完整地）应包括：控制

48、系统投运（完整地）应包括： 将自控回路由将自控回路由“手动手动”状态无扰动地切换到状态无扰动地切换到“自动自动”运行状态；运行状态； 整定好控制器的参数。整定好控制器的参数。 6.4 控制系统的投运与调节器参数的工程整定方法控制系统的投运与调节器参数的工程整定方法 6.4.0 控制系统的投运控制系统的投运 （续）（续） 一、投运前的准备一、投运前的准备 （1）、熟悉整个系统；）、熟悉整个系统； （2）、现场校验好所有仪表；）、现场校验好所有仪表； （3）、放置适当的放大系数）、放置适当的放大系数Kc（或比例度），积分时间（或比例度），积分时间Ti，微分时间，微分时间Td 或：或： 放在纯比例作

49、用，且放大系数放在纯比例作用，且放大系数Kc小一点（比例度大一点）；小一点（比例度大一点）； （4）、确认阀的气开、气关作用；）、确认阀的气开、气关作用； （5）、确认控制器的正、反作用；）、确认控制器的正、反作用； （6）、将控制系统放置在开环手动状态。）、将控制系统放置在开环手动状态。 6.4.0 控制系统的投运控制系统的投运 6.4.0 控制系统的投运控制系统的投运 （续）（续） 二、控制系统投运二、控制系统投运 步骤：步骤： （1）在手动状态下，手动控制被控变量，使其接近并等于给定值）在手动状态下，手动控制被控变量，使其接近并等于给定值 （使偏差（使偏差e0） （2）然后再将）然后再将

50、“手动手动”“自动自动”切换开关切换开关 从从“手动手动”切至切至“自动自动”。 由于跟踪器的作用使自动输出始终跟踪操作输出，又由于使由于跟踪器的作用使自动输出始终跟踪操作输出，又由于使e=0，所以切换，所以切换 后操作输出不会跳变，实现无扰动切换。后操作输出不会跳变，实现无扰动切换。 6.4.0 控制系统的投运控制系统的投运 6.5调节器参数的工程整定方法调节器参数的工程整定方法 在控制系统设计或安装完毕后，被控对象、在控制系统设计或安装完毕后，被控对象、 测量变送器和执行器这三部分的特性就完全确定测量变送器和执行器这三部分的特性就完全确定 了，不能任意改变。只能通过控制器参数的工程了，不能

51、任意改变。只能通过控制器参数的工程 整定，来调整控制系统的稳定性和控制质量。整定，来调整控制系统的稳定性和控制质量。 控制器参数的整定控制器参数的整定，就是按照已定的控制方，就是按照已定的控制方 案，求取使控制质量最好的控制器参数值。具体案，求取使控制质量最好的控制器参数值。具体 来说，就是确定最合适的控制器比例度来说，就是确定最合适的控制器比例度P、积分时、积分时 间间TI，和微分时间，和微分时间TD。 控制器参数整定的方法很多，主要有两大类，控制器参数整定的方法很多，主要有两大类， 一类是理论计算的方法，另一类是工程整定法。一类是理论计算的方法，另一类是工程整定法。 q理论计算的方法是根据

52、已知的各环节特性及控理论计算的方法是根据已知的各环节特性及控 制质量的要求，通过理论计算出控制器的最佳参数。制质量的要求，通过理论计算出控制器的最佳参数。 这种方法由于比较繁琐、工作量大，计算结果有时这种方法由于比较繁琐、工作量大，计算结果有时 与实际情况不甚符合，故在工程实践中长期没有得与实际情况不甚符合，故在工程实践中长期没有得 到推广和应用。到推广和应用。 q工程整定法是在已经投运的实际控制系统中，工程整定法是在已经投运的实际控制系统中， 通过试验或探索，来确定控制器的最佳参数。这种通过试验或探索，来确定控制器的最佳参数。这种 方法是工艺技术人员在现场经常使用的。方法是工艺技术人员在现场

53、经常使用的。 6.5.1稳定边界法（临界比例度法）稳定边界法（临界比例度法） 属于闭环整定方法，根据纯比例控制系统临界振属于闭环整定方法，根据纯比例控制系统临界振 荡试验所得数据（临界比例度荡试验所得数据（临界比例度Pm和振荡周期和振荡周期Tm），按），按 经验公式求出调节器的整定参数。经验公式求出调节器的整定参数。 （1 1） 置调节器置调节器Ti ， Td=0，比例度，比例度P 较大较大 值，将系统投入运行。值，将系统投入运行。 （2 2） 逐渐减小逐渐减小P ，加，加 干扰观察，直到出现等幅减干扰观察，直到出现等幅减 振荡为止。记录此时的临界振荡为止。记录此时的临界 值值Pm和和Tm。

54、y(t) Tm 系统临界振荡曲线系统临界振荡曲线 t 0 11 u(t)() P t D I de eedtT Tdt 0 11 u(t)() P t D I de eedtT Tdt v经验公式虽然是在实验基础上归纳出来的，但经验公式虽然是在实验基础上归纳出来的，但 它有一定的理论依据。就以表中它有一定的理论依据。就以表中PI调节器整定数值调节器整定数值 为例，可以看出为例，可以看出PI调节器的比例度较纯比例调节时调节器的比例度较纯比例调节时 增大，这是因为积分作用增大，这是因为积分作用产生一滞后相位，产生一滞后相位，降低了降低了 系统的稳定度的缘故。系统的稳定度的缘故。 根据根据Pm和和T

55、m， 按经验公式计按经验公式计 算出控制器的算出控制器的 参数整定值。参数整定值。 整定参数整定参数 调节规律调节规律 P（%） Ti Td P 2Pm PI 2.2Pm 0.85 Tm PID 1.7Pm 0.50 Tm 0.125 Tm 表表6.1 稳定边界法整定参数计算表稳定边界法整定参数计算表 0 11 u(t)() P t D I de eedtT Tdt q 稳定边界方法在下面两种情况下不宜采用：稳定边界方法在下面两种情况下不宜采用： 临界比例度过小时，调节阀容易游移于全开或临界比例度过小时，调节阀容易游移于全开或 全关位置，对生产工艺不利或不容许。例如，一个全关位置，对生产工艺不

56、利或不容许。例如，一个 用燃料油加热的炉子，如果阀门发生全关状态就要用燃料油加热的炉子，如果阀门发生全关状态就要 熄火。熄火。 工艺上的约束条件严格时，等幅振荡将影响生工艺上的约束条件严格时，等幅振荡将影响生 产的安全。产的安全。 6.5.2衰减曲线法衰减曲线法 也属于闭环整定方法，但也属于闭环整定方法，但不需要寻找等幅振荡不需要寻找等幅振荡 状态，只需寻找最佳衰减振荡状态即可。状态，只需寻找最佳衰减振荡状态即可。 方法：方法： （1 1）把调节器设成比例作用（）把调节器设成比例作用（T Ti i=，T Td d=0=0），）， 置于较大比例度，投入自动运行。置于较大比例度，投入自动运行。 （

57、2 2）在稳定状态下，阶跃改变给定值（通常以）在稳定状态下，阶跃改变给定值（通常以 5%5%左右为宜），观察调节过程曲线。左右为宜），观察调节过程曲线。 （3 3）适当改变比例度，重复上述实验，到出现）适当改变比例度，重复上述实验，到出现 满意的衰减曲线为止。满意的衰减曲线为止。 记下此时的比例度记下此时的比例度Ps 及周期及周期Ts。（。（ n=1:4 ） n=1:10时，记时，记Ps及及Tr TsTr 0 11 u(t)() P t D I de eedtT Tdt 0 11 u(t)() P t D I de eedtT Tdt （4 4）按表按表6-2（n=1:4）或按表）或按表6-3

58、（n=1:10）求）求 得各种调节规律时的整定参数。得各种调节规律时的整定参数。 表表6.2 衰减比为衰减比为1:4时，时， 整定参数计算表整定参数计算表 表表6.3 衰减比为衰减比为1:10时，时， 整定参数计算表整定参数计算表 0.1Ts0.3 Ts0.8Ps PID 0. 5 Ts1.2Ps PI PsP TdTi P（%） 整定参数整定参数 调节规律调节规律 0.4Tr1.2Tr0.8Ps PID 2Tr1.2Ps PI Ps P TdTi P（%） 整定参数整定参数 调节规律调节规律 0 11 u(t)() P t D I de eedtT Tdt 6.5.3响应曲线法响应曲线法 属

59、于开环整定方法。以被控对象控制通道的阶属于开环整定方法。以被控对象控制通道的阶 跃响应为依据，通过经验公式求取调节器的最佳参跃响应为依据，通过经验公式求取调节器的最佳参 数整定值。数整定值。 方法：不加控制作用，作控制通道特性曲线。方法：不加控制作用，作控制通道特性曲线。 给定值给定值 测量变送器测量变送器 控制器控制器执行器执行器对象对象 被控变量被控变量 根据实验所得响应曲线，根据实验所得响应曲线，找出广义对象的特性找出广义对象的特性 参数参数K0、T0、0，用表，用表6-4的经验公式求整定参数。的经验公式求整定参数。 此方法在不加控制作用的状态下进行，对于不允此方法在不加控制作用的状态下

60、进行，对于不允 许工艺失控的生产过程，不能使用。许工艺失控的生产过程，不能使用。 表表6.4 响应曲线法整定参数的公式响应曲线法整定参数的公式 0.5020 PID 3.30 PI P TdTi P（%） 整定参数整定参数 调节规律调节规律 00 0 85.0 PT 00 0 1.1 PT 00 0 PT 0 11 u(t)() P t D I de eedtT Tdt T00 6.5.4 经验法经验法 凭经验凑试。凭经验凑试。 其关键是其关键是“看曲线，调参数看曲线，调参数”。 在闭环的控制系统中，凭经验先将控制器参数在闭环的控制系统中，凭经验先将控制器参数 放在一个数值上，通过改变给定值施