过程控制 第三章 单回路控制系统的工程设计

1、自动化仪表与过程控制自动化仪表与过程控制 2021-8-10西南科技大学信息工程学院1 第三章第三章 单回路控制系统的工程设计单回路控制系统的工程设计 3-1 3-1 过程控制系统工程设计概述过程控制系统工程设计概述 3-2 3-2 过程控制系统硬件选择过程控制系统硬件选择 3-3 3-3 调节器的选型及调节器的选型及PIDPID参数整定参数整定 3-4 3-4 单回路控制系统仿真单回路控制系统仿真 自动化仪表与过程控制自动化仪表与过程控制 2021-8-10西南科技大学信息工程学院2 一、对过程控制系统设计的一般要求一、对过程控制系统设计的一般要求 1、安全性、安全性 整个生产过程中，确保人

2、员设备的安全 2、稳定性、稳定性 指系统在一定外界干扰下，在系统参数、工艺 条件一定的变化范围内能长期稳定运行的能力。 3、经济性、经济性 指提高产品质量、产量的同时，降耗节能，提 高经济效益与社会效益。 自动化仪表与过程控制自动化仪表与过程控制 2021-8-10西南科技大学信息工程学院3 二、过程控制系统设计步骤二、过程控制系统设计步骤 1 1、根据工艺要求和控制目标确定系统变量；、根据工艺要求和控制目标确定系统变量； （1 1）被控参数）被控参数 （2 2）控制参数：控制（或操作）变量和扰动变量）控制参数：控制（或操作）变量和扰动变量 2 2、建立被控过程的数学模型；、建立被控过程的数学

3、模型； 3 3、选择控制方案；、选择控制方案； （1 1）控制结构）控制结构 （2 2）控制算法）控制算法 4 4、选择系统所需控制设备的型号规格；、选择系统所需控制设备的型号规格； 5 5、控制器的设计；、控制器的设计； 6 6、实验（与仿真）、实验（与仿真） 自动化仪表与过程控制自动化仪表与过程控制 2021-8-10西南科技大学信息工程学院4 1、直接参数方法：、直接参数方法：能直接反映生产过程中产品 产量和质量又易于测量的参数 2、间接参数方法：、间接参数方法：当选择直接参数有困难那时， 可以选择能间接反映产品质量和质量又与直 接参数有单值对应关系、易于测量的参数作 为被控参数 被控参

4、数选择的方法：被控参数选择的方法： 自动化仪表与过程控制自动化仪表与过程控制 2021-8-10西南科技大学信息工程学院5 选择被控参数的一般原则：选择被控参数的一般原则： 1、选择对产品的产量和质量、安全生产、经济运行和环 境保护具有决定性作用的、可直接测量的工艺参数 2、当不能用直接参数作为被控参数时，应该选择一个与 直接参数有单值函数关系的间接参数 3、必须具有足够高的灵敏度 4、必须考虑工艺过程的合理性和所有仪表的性能 自动化仪表与过程控制自动化仪表与过程控制 2021-8-10西南科技大学信息工程学院6 控制参数的选择控制参数的选择 当生产过程中有多个因素能影响被控参数变化时，当生产

5、过程中有多个因素能影响被控参数变化时， 应分析过程扰动通道特性与控制通道特性对控制质量应分析过程扰动通道特性与控制通道特性对控制质量 的影响，然后正确地选择可控性良好的变量作为控制的影响，然后正确地选择可控性良好的变量作为控制 参数。一般希望控制通道克服扰动的能力要强，动态参数。一般希望控制通道克服扰动的能力要强，动态 响应应比扰动通道快。所以，在设计控制回路时，要响应应比扰动通道快。所以，在设计控制回路时，要 深入研究过程的控制通道和扰动通道。下面就从研究深入研究过程的控制通道和扰动通道。下面就从研究 过程特性对控制质量的影响入手，讨论选择控制参数过程特性对控制质量的影响入手，讨论选择控制参

6、数 的一般原则。的一般原则。 自动化仪表与过程控制自动化仪表与过程控制 2021-8-10西南科技大学信息工程学院7 1 1、过程静态特性对控制质量的影响、过程静态特性对控制质量的影响 过程静态特性对控制质量的影响是指过程的静态放大过程静态特性对控制质量的影响是指过程的静态放大 系数对控制质量的影响。现以如图所示的单回路控制系统系数对控制质量的影响。现以如图所示的单回路控制系统 为例。为例。 W（s） Wf（s） W0（s） + + + - X（s） F（s） Y（s） 单回路控制系统框图单回路控制系统框图 自动化仪表与过程控制自动化仪表与过程控制 2021-8-10西南科技大学信息工程学院8

7、 1 )( 1 )( )( 0 0 0 sT K sW sT K sW KsW f f f c （31） 图中，图中，W W（S S）为调节器传递函数，）为调节器传递函数，W W0 0（S S）为过程）为过程 控制通道传递函数，控制通道传递函数，W Wf f（S S）为过程扰动通道传递函数。）为过程扰动通道传递函数。 自动化仪表与过程控制自动化仪表与过程控制 2021-8-10西南科技大学信息工程学院9 对于定值控制系统的闭环传递函数为：对于定值控制系统的闭环传递函数为： )()(1 )( )( )( 0 sWsW sW sF sY f ) 1() 1)(1( ) 1( 00 0 sTkksT

8、sT sTK fcf f （32） 由于系统本质是稳定的，在单位阶跃扰动作用下，由于系统本质是稳定的，在单位阶跃扰动作用下， 系统余差可应用终值定理求得：系统余差可应用终值定理求得： 自动化仪表与过程控制自动化仪表与过程控制 2021-8-10西南科技大学信息工程学院10 ) 1() 1)(1( ) 1( lim)(lim)( 00 0 0 sTkksTsTs sTK styy fcf f st K K KK K f c f 11 0 （33） 由式（由式（33）可见，过程静态特性对控制质量有很）可见，过程静态特性对控制质量有很 大的影响，这是选择控制参数的一个重要依据。扰动通大的影响，这是选

9、择控制参数的一个重要依据。扰动通 道的静态放大系数道的静态放大系数Kf愈大，系统的余差也愈大。愈大，系统的余差也愈大。 自动化仪表与过程控制自动化仪表与过程控制 2021-8-10西南科技大学信息工程学院11 为了提高控制精度，在选择控制参数时，应使为了提高控制精度，在选择控制参数时，应使Kf愈愈 小愈好，以减弱扰动对被控制参数的影响。控制通道的小愈好，以减弱扰动对被控制参数的影响。控制通道的 放大系数放大系数K0愈大，表示控制作用愈灵敏，克服扰动的效愈大，表示控制作用愈灵敏，克服扰动的效 果愈好。但是，由于最佳的控制过程，果愈好。但是，由于最佳的控制过程， K0与与Kc的乘积的乘积 应为一常

10、数。而调节器的应为一常数。而调节器的Kc是可调节的，是可调节的，K0的大小可通的大小可通 过改变过改变 Kc来补偿，以满足来补偿，以满足K0与与Kc乘积为一常数的要求。乘积为一常数的要求。 所以，在系统设计时，选择控制通道的所以，在系统设计时，选择控制通道的K0适当大一些。适当大一些。 自动化仪表与过程控制自动化仪表与过程控制 2021-8-10西南科技大学信息工程学院12 2 2、过程动态特性对控制质量的影响、过程动态特性对控制质量的影响 过程的动态特性包括扰动通道和控制通道两个部分过程的动态特性包括扰动通道和控制通道两个部分 的动态特性。的动态特性。 （1 1）扰动通道动态特性的影响）扰动

11、通道动态特性的影响 时间常数的影响、滞后时间的影响和扰动作用点位时间常数的影响、滞后时间的影响和扰动作用点位 置的影响。置的影响。 （2 2）控制通道动态特性的影响）控制通道动态特性的影响 可控性指示：为了比较不同过程的可控性，通常采用相可控性指示：为了比较不同过程的可控性，通常采用相 同模式的调节器，并分别将调节器参数整定到最佳，然同模式的调节器，并分别将调节器参数整定到最佳，然 后在相同扰动作用下，比较它们的工作性能。后在相同扰动作用下，比较它们的工作性能。 另外还有时间常数的影响和滞后时间的影响。另外还有时间常数的影响和滞后时间的影响。 自动化仪表与过程控制自动化仪表与过程控制 2021

12、-8-10西南科技大学信息工程学院13 h 蒸汽蒸汽Qs 给水给水Qw 给水控制对象结构给水控制对象结构 零水位零水位 例：锅炉给水系统的分析例：锅炉给水系统的分析 自动化仪表与过程控制自动化仪表与过程控制 2021-8-10西南科技大学信息工程学院14 在锅炉运行中，汽包水位为重要的控制参数。水位过高，在锅炉运行中，汽包水位为重要的控制参数。水位过高， 影响汽水分离的效果；而水位过低则会破坏汽水循环，严重时影响汽水分离的效果；而水位过低则会破坏汽水循环，严重时 将导致锅炉爆管。同时高效能的锅炉产生的蒸汽流量很大，而将导致锅炉爆管。同时高效能的锅炉产生的蒸汽流量很大，而 汽包的体积相对来说较小

13、，大容量的锅炉给水不及时，数十秒汽包的体积相对来说较小，大容量的锅炉给水不及时，数十秒 钟内就可能达到危险水位。因此，将汽包水位作为被控变量。钟内就可能达到危险水位。因此，将汽包水位作为被控变量。 锅炉给水自动控制的任务，就是控制给水流量（输入变量锅炉给水自动控制的任务，就是控制给水流量（输入变量 ），使其适应蒸发量的变化，维持汽包水位在允许的范围。），使其适应蒸发量的变化，维持汽包水位在允许的范围。 给水控制对象如图所示。影响水位给水控制对象如图所示。影响水位h h变化的两个主要扰动变化的两个主要扰动 是给水流量是给水流量QwQw和蒸汽流量和蒸汽流量QsQs。 系统控制目标的确定系统控制目标

14、的确定 自动化仪表与过程控制自动化仪表与过程控制 2021-8-10西南科技大学信息工程学院15 Qw h 给水控制对象的内扰特性给水控制对象的内扰特性 当给水压力波动时给水流当给水压力波动时给水流 量亦相应变化，这就引起水位量亦相应变化，这就引起水位 变化，扰动变化方向与水位变变化，扰动变化方向与水位变 化方向是一致的。化方向是一致的。 当给水扰动刚加入时，由当给水扰动刚加入时，由 于给水的过冷却的影响，水位于给水的过冷却的影响，水位 开始变化很慢，经过一段时间开始变化很慢，经过一段时间 之后，其速度才逐渐增加，最之后，其速度才逐渐增加，最 后呈等速变化。后呈等速变化。 控制系统的扰动分析控

15、制系统的扰动分析 自动化仪表与过程控制自动化仪表与过程控制 2021-8-10西南科技大学信息工程学院16 h Qs 给水控制对象的外扰特性给水控制对象的外扰特性 蒸汽流量阶跃增加时，蒸汽流量阶跃增加时， 使锅炉储藏的热能减少，汽使锅炉储藏的热能减少，汽 包内汽压下降，汽包内沸腾包内汽压下降，汽包内沸腾 突然加剧，水中汽泡迅速增突然加剧，水中汽泡迅速增 多，整个水位升高，形成虚多，整个水位升高，形成虚 假水位现象。假水位现象。 自动化仪表与过程控制自动化仪表与过程控制 2021-8-10西南科技大学信息工程学院17 简单的给水控制只引进水位信号组成单冲量系统，简单的给水控制只引进水位信号组成单

16、冲量系统， 但是该系统不能克服虚假水位对水位控制的不良影响，但是该系统不能克服虚假水位对水位控制的不良影响， 这是因为蒸汽流量大幅度增加时，由于假水位上升，调这是因为蒸汽流量大幅度增加时，由于假水位上升，调 节器输出信号不但不去开大调节阀增加给水流量，以维节器输出信号不但不去开大调节阀增加给水流量，以维 持物料平衡，反而去关小调节阀，减小给水量，等到假持物料平衡，反而去关小调节阀，减小给水量，等到假 水位消失后，水位将更加迅速下降，引起水位大幅度的水位消失后，水位将更加迅速下降，引起水位大幅度的 波动。波动。 引进蒸汽流量这个前馈信号后，就能基本克服虚假引进蒸汽流量这个前馈信号后，就能基本克服

17、虚假 水位对控制的不良影响。水位对控制的不良影响。 给水控制系统控制方案的确定给水控制系统控制方案的确定 自动化仪表与过程控制自动化仪表与过程控制 2021-8-10西南科技大学信息工程学院18 因为当蒸汽负荷变化引起水位大幅度波动时，蒸汽因为当蒸汽负荷变化引起水位大幅度波动时，蒸汽 流量信号起着超前的作用，它可使水位还未出现变化时流量信号起着超前的作用，它可使水位还未出现变化时 ，提前使调节阀动作，减小水位波动，从而改善了控制，提前使调节阀动作，减小水位波动，从而改善了控制 品质。这样，系统就成为双冲量控制系统。品质。这样，系统就成为双冲量控制系统。 但是，双冲量系统却不能克服给水压力变化对

18、水位但是，双冲量系统却不能克服给水压力变化对水位 的影响，因为当给水压力波动时，给水流量相应变化，的影响，因为当给水压力波动时，给水流量相应变化， 此时只有待水位发生变化后调节器才能起作用。为此，此时只有待水位发生变化后调节器才能起作用。为此， 再引入给水流量信号，组成了常用的三冲量给水控制系再引入给水流量信号，组成了常用的三冲量给水控制系 统。即统。即“前馈前馈串级串级”控制系统。其中蒸汽流量信号就控制系统。其中蒸汽流量信号就 是前馈信号。是前馈信号。 自动化仪表与过程控制自动化仪表与过程控制 2021-8-10西南科技大学信息工程学院19 常规模拟仪表组成的控制系统常规模拟仪表组成的控制系

19、统 多通道多通道 调节器调节器 -+ h Qs Qw 变送器变送器 变送器变送器 锅炉汽包液位三冲量给水锅炉汽包液位三冲量给水 控制系统流程图控制系统流程图 自动化仪表与过程控制自动化仪表与过程控制 2021-8-10西南科技大学信息工程学院20 主主 调调 节节 器器 付付 调调 节节 器器 给给 水水 对对 象象 液液 位位 对对 象象 差压差压 变送器变送器 液位给定液位给定 液位变送器液位变送器 差压差压 变送器变送器 -Ir +Ih +Is -Iw Qs 前馈信号前馈信号 h 开方器开方器 开方器开方器 执执 行行 器器 自动化仪表与过程控制自动化仪表与过程控制 2021-8-10西

20、南科技大学信息工程学院21 F E F E LT PID PID R/B loop2 loop1 UDC6300 锅炉汽包水位控制锅炉汽包水位控制串级加前馈串级加前馈 由智能仪表构成的控制系统由智能仪表构成的控制系统 自动化仪表与过程控制自动化仪表与过程控制 2021-8-10西南科技大学信息工程学院22 三、过程系统设计的主要内容（四个方面）三、过程系统设计的主要内容（四个方面） 1、方案设计、方案设计 是系统设计的核心 2、工程设计、工程设计 是在控制方案正确设计的基础上进行 3、工程安装、工程安装 是保证系统正常运行的前提 4、仪表调校、调节器参数整定、仪表调校、调节器参数整定 是系统运

21、行在最佳状态的重要保证 自动化仪表与过程控制自动化仪表与过程控制 2021-8-10西南科技大学信息工程学院23 越限报警：越限报警： 应根据工艺要求设置高、低限报警值 联锁保护：联锁保护： 当生产出现异常时，为保证设备、人身的安全， 使各个设备按一定次序紧急停止运转。 四、系统设计中的其它问题四、系统设计中的其它问题 越限报警与联锁保护越限报警与联锁保护 自动化仪表与过程控制自动化仪表与过程控制 2021-8-10西南科技大学信息工程学院24 3-2 3-2 过程控制系统硬件选择（传感器及变送器的选择）过程控制系统硬件选择（传感器及变送器的选择） 系统的硬件选择包含：系统的硬件选择包含：控制

22、装置、测量仪表、传控制装置、测量仪表、传 感器、执行机构和报警、保护、连锁等部件。感器、执行机构和报警、保护、连锁等部件。 自动化仪表与过程控制自动化仪表与过程控制 2021-8-10西南科技大学信息工程学院25 3-2 3-2 过程控制系统硬件选择（传感器及变送器的选择）过程控制系统硬件选择（传感器及变送器的选择） 一、控制装置的选择一、控制装置的选择 简单的过程控制系统可以选择单回路控制器，对于简单的过程控制系统可以选择单回路控制器，对于 比较复杂的系统需要用计算机控制。比较复杂的系统需要用计算机控制。 目前用于过程控制的计算机控制设备多采用目前用于过程控制的计算机控制设备多采用DCSDC

23、S （集散控制系统）或（集散控制系统）或PLCPLC（可编程序控制器）。相比较（可编程序控制器）。相比较 而言，模拟量控制回路较多、开关量较少的过程控制系而言，模拟量控制回路较多、开关量较少的过程控制系 统宜采用统宜采用DCSDCS控制；模拟量控制回路较少，开关量较多控制；模拟量控制回路较少，开关量较多 的过程控制系统宜采用的过程控制系统宜采用PLCPLC控制。控制。 模拟量少于模拟量少于6464个调节回路，而开关量大于个调节回路，而开关量大于256256点时，点时， 以选用以选用PLCPLC为宜。为宜。 自动化仪表与过程控制自动化仪表与过程控制 2021-8-10西南科技大学信息工程学院26

24、 3-2 3-2 过程控制系统硬件选择（传感器及变送器的选择）过程控制系统硬件选择（传感器及变送器的选择） 二、测量仪表和传感器的选择二、测量仪表和传感器的选择 1 1、测量变送中的几个主要问题、测量变送中的几个主要问题 过程控制系统设计是围绕着如何抑制扰动来进行的。在系过程控制系统设计是围绕着如何抑制扰动来进行的。在系 统设计时，测量和变送是一个十分重要的问题。统设计时，测量和变送是一个十分重要的问题。 在工程上，在工程上， 信息的测量和变送必须迅速可靠地反映被控参数的实际变化情信息的测量和变送必须迅速可靠地反映被控参数的实际变化情 况，为系统设计提供准确的控制依据。在具体分析测量变送环况，

25、为系统设计提供准确的控制依据。在具体分析测量变送环 节对控制质量的影响时，往往碰到测量、变送和信息传送中的节对控制质量的影响时，往往碰到测量、变送和信息传送中的 滞后问题，它包括测量滞后、纯滞后和信息传送滞后等。滞后问题，它包括测量滞后、纯滞后和信息传送滞后等。这些这些 滞后均与测量元件本身的特性、元件安装位置的选择和信息传滞后均与测量元件本身的特性、元件安装位置的选择和信息传 送的方法等有关。所以必须深入研究，克服或尽量减少其对控送的方法等有关。所以必须深入研究，克服或尽量减少其对控 制质量的影响。另外还有测量信号的处理问题。制质量的影响。另外还有测量信号的处理问题。 自动化仪表与过程控制自

26、动化仪表与过程控制 2021-8-10西南科技大学信息工程学院27 3-2 3-2 过程控制系统硬件选择（传感器及变送器的选择）过程控制系统硬件选择（传感器及变送器的选择） （1）纯滞后问题）纯滞后问题 在生产过程中，测量温度、物性等参数时，由于测量元件在生产过程中，测量温度、物性等参数时，由于测量元件 安装位置不当及测量仪表本别特性等最容易引入纯滞后。纯滞安装位置不当及测量仪表本别特性等最容易引入纯滞后。纯滞 后不能使测量信号及时反映被控参数的实际值，引起测量动态后不能使测量信号及时反映被控参数的实际值，引起测量动态 误差，降低过程控制系统的控制质量。误差，降低过程控制系统的控制质量。 微分

27、作用对于纯滞后是无能为力的。为了消除纯滞后的影微分作用对于纯滞后是无能为力的。为了消除纯滞后的影 响，只有合理选择测量元件及其安装位置，尽量减小纯滞后。响，只有合理选择测量元件及其安装位置，尽量减小纯滞后。 从过程控制系统设计来说，纯滞后愈小愈好。当过程参数测量从过程控制系统设计来说，纯滞后愈小愈好。当过程参数测量 引起的纯滞后较大时，单回路控制系统很难满足生产工艺要求，引起的纯滞后较大时，单回路控制系统很难满足生产工艺要求， 此时，就需设计其他的控制方案（如大迟延控制系统）。此时，就需设计其他的控制方案（如大迟延控制系统）。 自动化仪表与过程控制自动化仪表与过程控制 2021-8-10西南科

28、技大学信息工程学院28 3-2 3-2 过程控制系统硬件选择（传感器及变送器的选择）过程控制系统硬件选择（传感器及变送器的选择） （2）测量滞后问题）测量滞后问题 测量滞后主要是由测量元件本身的特性造成的。例如，测量滞后主要是由测量元件本身的特性造成的。例如， 在温度测量过程中，由于热电偶或热电阻存在着传热阻在温度测量过程中，由于热电偶或热电阻存在着传热阻 力和热容，它本身具有一定的时间常数力和热容，它本身具有一定的时间常数Tm，所以其输出，所以其输出 总是滞后于被控参数的变化，从而引起了测量动态误差。总是滞后于被控参数的变化，从而引起了测量动态误差。 自动化仪表与过程控制自动化仪表与过程控制

29、 2021-8-10西南科技大学信息工程学院29 3-2 3-2 过程控制系统硬件选择（传感器及变送器的选择）过程控制系统硬件选择（传感器及变送器的选择） 如图所示，若被控参数如图所示，若被控参数 y（t）有一阶跃变化时，测）有一阶跃变化时，测 量值量值z（t）因滞后而缓慢靠）因滞后而缓慢靠 近近y（t），使测量值），使测量值z（t） 与真实值与真实值y（t）之间产生差）之间产生差 异。如果调节器按此失真的异。如果调节器按此失真的 信号发出控制命令，就不能信号发出控制命令，就不能 正常发挥控制系统的校正作正常发挥控制系统的校正作 用，就不能达到预期的控制用，就不能达到预期的控制 要求。要求。

30、y（t） z（t） y（t） z（t） t 0 自动化仪表与过程控制自动化仪表与过程控制 2021-8-10西南科技大学信息工程学院30 3-2 3-2 过程控制系统硬件选择（传感器及变送器的选择）过程控制系统硬件选择（传感器及变送器的选择） 在在如图所示如图所示的单回路控制系统中，若调节器的单回路控制系统中，若调节器W（s） =Kc；过程；过程 ；测量变送器；测量变送器 。 1 )( 0 0 0 sT K sW 1 )( sT K sW m m m W（s） W0（s） Wm（s） X(s)Y(s) Z(s) + - 单回路控制系统框图单回路控制系统框图 自动化仪表与过程控制自动化仪表与过程

31、控制 2021-8-10西南科技大学信息工程学院31 3-2 3-2 过程控制系统硬件选择（传感器及变送器的选择）过程控制系统硬件选择（传感器及变送器的选择） mcm mc KKKsTsT STKK sX sY 00 0 ) 1)(1( ) 1( )( )( mcm mc KKKsTsT KKK sX sZ 00 0 ) 1)(1()( )( 测量测量Z（s）对于给定值）对于给定值X（s）的响应为：）的响应为： （34） （35） 则被控参数真实值则被控参数真实值Y（s）对于给定值）对于给定值X（s）的响应为：）的响应为： 比较式（比较式（34）和（）和（35）可知，其特征方程相同，系统）可知

32、，其特征方程相同，系统 动态过程的特征也相同。但因两式分子不同，动态幅值不同，动态过程的特征也相同。但因两式分子不同，动态幅值不同， y（t）的幅值将随）的幅值将随Tm的增大而增大。的增大而增大。 自动化仪表与过程控制自动化仪表与过程控制 2021-8-10西南科技大学信息工程学院32 3-2 3-2 过程控制系统硬件选择（传感器及变送器的选择）过程控制系统硬件选择（传感器及变送器的选择） 测量元件的滞后将使系统的控制质量下降。为克服测量测量元件的滞后将使系统的控制质量下降。为克服测量 滞后的影响，在系统设计中可选用快速测量元件，一般选其滞后的影响，在系统设计中可选用快速测量元件，一般选其 时

33、间常数为控制通道时间常数的时间常数为控制通道时间常数的1/10以下为宜；可正确选择测以下为宜；可正确选择测 量元件的安装位置，将其安装在被控参数变化较灵敏的位置；量元件的安装位置，将其安装在被控参数变化较灵敏的位置； 也可在测量变送器的输出端引入微分环节，如图所示。其输也可在测量变送器的输出端引入微分环节，如图所示。其输 出与输入之间的关系为：出与输入之间的关系为： ) 1( ) 1()( )( sT sT K sY sZ D m m （36） Z(s) 1sTK mm 1sTD Y(s) 自动化仪表与过程控制自动化仪表与过程控制 2021-8-10西南科技大学信息工程学院33 3-2 3-2

34、 过程控制系统硬件选择（传感器及变送器的选择）过程控制系统硬件选择（传感器及变送器的选择） 由式（由式（3636）可知，若）可知，若T TD D=T=Tm m，则，则Z Z（s s）=K=Km mY Y（s s）。）。 可见，引入微分环节后，变送器的输出可见，引入微分环节后，变送器的输出Z Z（s s）与被控）与被控 参数参数Y Y（s s）成比例，完全克服了测量滞后引起的动态误差，）成比例，完全克服了测量滞后引起的动态误差， 获得了被控参数的真实数值。获得了被控参数的真实数值。 自动化仪表与过程控制自动化仪表与过程控制 2021-8-10西南科技大学信息工程学院34 （2 2）信息传送滞后问

35、题）信息传送滞后问题 信息传送滞后主要是指信息传送滞后主要是指QDZQDZ仪表气压信号在管路传送仪表气压信号在管路传送 过程中所造成的滞后。过程中所造成的滞后。 在现代工业生产过程中，测量元件、变送器和调节在现代工业生产过程中，测量元件、变送器和调节 阀通常是安装在现场设备上的，调节器安装在控制室，阀通常是安装在现场设备上的，调节器安装在控制室， 彼此间有一定距离，因此就产生气压信号的传送滞后。彼此间有一定距离，因此就产生气压信号的传送滞后。 因为存在信号传送滞后，调节器不能及时获得测量信号，因为存在信号传送滞后，调节器不能及时获得测量信号， 也不能及时将其输出信号送至调节阀，从而影响了系统也

36、不能及时将其输出信号送至调节阀，从而影响了系统 的控制质量。的控制质量。 3-2 3-2 过程控制系统硬件选择（传感器及变送器的选择）过程控制系统硬件选择（传感器及变送器的选择） 自动化仪表与过程控制自动化仪表与过程控制 2021-8-10西南科技大学信息工程学院35 气压传输管道的特性可用下式表示：气压传输管道的特性可用下式表示： s e Ts SW 0 1 1 )( （37） 克服信号传送滞后，可采用以下措施：克服信号传送滞后，可采用以下措施： 尽量缩短信号传递管线，一般不能超过尽量缩短信号传递管线，一般不能超过300m300m。 应用气应用气电和电电和电气转换器，将气压信号变为电信气转换

37、器，将气压信号变为电信 号传送。号传送。 在气压管线上安装气动继电器，或用气动阀门定位在气压管线上安装气动继电器，或用气动阀门定位 器，以提高气压信号的传输功率，减小信号传送滞后。器，以提高气压信号的传输功率，减小信号传送滞后。 3-2 3-2 过程控制系统硬件选择（传感器及变送器的选择）过程控制系统硬件选择（传感器及变送器的选择） 自动化仪表与过程控制自动化仪表与过程控制 2021-8-10西南科技大学信息工程学院36 2、测量信号的处理、测量信号的处理 （1） 测量信号的校正测量信号的校正 在检测某些过程参数时，其测量值往往要受到其它一在检测某些过程参数时，其测量值往往要受到其它一 些参数

38、的影响，为了保证其测量精度，必须要考虑测量些参数的影响，为了保证其测量精度，必须要考虑测量 信号的校正问题。信号的校正问题。 例如，发电厂过热蒸汽流量测量，通常用标准节流例如，发电厂过热蒸汽流量测量，通常用标准节流 元件，在设计参数下运行时，这种节流装置的测量精度元件，在设计参数下运行时，这种节流装置的测量精度 较高，当参数偏离给定值时，测量误差较大，其主要原较高，当参数偏离给定值时，测量误差较大，其主要原 因是蒸汽密度受压力和温度的影响较大，为此，必须对因是蒸汽密度受压力和温度的影响较大，为此，必须对 其测量信号进行压力和温度校正。其测量信号进行压力和温度校正。 3-2 3-2 过程控制系统

39、硬件选择（传感器及变送器的选择）过程控制系统硬件选择（传感器及变送器的选择） 自动化仪表与过程控制自动化仪表与过程控制 2021-8-10西南科技大学信息工程学院37 （2）测量信号噪声（干扰）的滤波）测量信号噪声（干扰）的滤波 在测量某些参数时，由于其物理或化学特点，常常在测量某些参数时，由于其物理或化学特点，常常 产生具有随机波动特性的过程噪声。若测量变送器的阻产生具有随机波动特性的过程噪声。若测量变送器的阻 尼较小时，其噪声会叠加于测量信号之中，影响系统的尼较小时，其噪声会叠加于测量信号之中，影响系统的 控制质量，所以应考虑对其进行滤波。控制质量，所以应考虑对其进行滤波。 例如，测量流量

40、时，常伴有噪声，故需加阻尼器进例如，测量流量时，常伴有噪声，故需加阻尼器进 行滤波。行滤波。 有些测量元件本身具有一定的阻尼作用，测有些测量元件本身具有一定的阻尼作用，测 量信号的噪声基本上被抑制。例如，用热电偶或热电阻量信号的噪声基本上被抑制。例如，用热电偶或热电阻 测温时，由于其本身的惯性作用，测量信号并无噪声。测温时，由于其本身的惯性作用，测量信号并无噪声。 3-2 3-2 过程控制系统硬件选择（传感器及变送器的选择）过程控制系统硬件选择（传感器及变送器的选择） 自动化仪表与过程控制自动化仪表与过程控制 2021-8-10西南科技大学信息工程学院38 （3）对测量信号进行线性化处理）对测

41、量信号进行线性化处理 在检测某些过程参数时，测量信号与被测参数之间成非线在检测某些过程参数时，测量信号与被测参数之间成非线 性关系。从过程控制来看，非线性信号的处理是不方便的，需性关系。从过程控制来看，非线性信号的处理是不方便的，需 要对其进行线性化处理。但是，具体问题还要作具体分析。要对其进行线性化处理。但是，具体问题还要作具体分析。 测量信号的非线性特性，一般是由测量元件所致。例如，测量信号的非线性特性，一般是由测量元件所致。例如， 用热电偶测量时，其热电动势与温度是非线性的。当热电偶配用热电偶测量时，其热电动势与温度是非线性的。当热电偶配 用用DDZ型温度变送器时，其输出的测量信号就已经

42、线性化型温度变送器时，其输出的测量信号就已经线性化 了，即变送器输出的电流信号与温度成线性关系。又如用节流了，即变送器输出的电流信号与温度成线性关系。又如用节流 装置测量流量时，其输出差压与流量的平方成比例，对此，可装置测量流量时，其输出差压与流量的平方成比例，对此，可 采用开方器来校正。采用开方器来校正。 3-2 3-2 过程控制系统硬件选择（传感器及变送器的选择）过程控制系统硬件选择（传感器及变送器的选择） 自动化仪表与过程控制自动化仪表与过程控制 2021-8-10西南科技大学信息工程学院39 1 1、流量计算有关的基本概念、流量计算有关的基本概念 （1 1）流量）流量: :体积流量和质

43、量流量体积流量和质量流量 （2 2）等熵指数）等熵指数 当气体流过节流装置后，会产生膨胀。假定这种向当气体流过节流装置后，会产生膨胀。假定这种向 较低压力的膨胀是按照多变过程进行的，对于多变过程，较低压力的膨胀是按照多变过程进行的，对于多变过程， 压力与体积之间的关系是：压力与体积之间的关系是： 三、节流元件的选择三、节流元件的选择 常数 k pV （310310） 3-2 3-2 过程控制系统硬件选择（传感器及变送器的选择）过程控制系统硬件选择（传感器及变送器的选择） 自动化仪表与过程控制自动化仪表与过程控制 2021-8-10西南科技大学信息工程学院40 3-2 3-2 过程控制系统硬件选

44、择（传感器及变送器的选择）过程控制系统硬件选择（传感器及变送器的选择） （3 3）雷诺数）雷诺数 管道内流量较小时，压差与流量成正比，流量变大后，压管道内流量较小时，压差与流量成正比，流量变大后，压 差大致与流量的平方成正比。在压差与流量成正比的范围内，差大致与流量的平方成正比。在压差与流量成正比的范围内， 流体的流动状态为层流；在压差与流量的平方成正比的范围内，流体的流动状态为层流；在压差与流量的平方成正比的范围内， 流体的流动状态为紊流。从层流到紊流的分界线不仅与流量有流体的流动状态为紊流。从层流到紊流的分界线不仅与流量有 关，而且与流体的密度、粘度和管道内径有关。在流体力学中，关，而且与

45、流体的密度、粘度和管道内径有关。在流体力学中， 此现象用雷诺实验可以验证，并用雷诺数此现象用雷诺实验可以验证，并用雷诺数ReRe表征。雷诺数是流表征。雷诺数是流 体惯性力与粘性力之比，可用下式表示：体惯性力与粘性力之比，可用下式表示： D Q D QvD Vm 44 Re（39） 自动化仪表与过程控制自动化仪表与过程控制 2021-8-10西南科技大学信息工程学院41 （4 4）流体的密度）流体的密度 是指在工作温度和压力下节流装置前流体的密度，是指在工作温度和压力下节流装置前流体的密度， 其单位为其单位为kg/mkg/m3 3。 （5 5）流体的粘度）流体的粘度 粘度是表征流体内摩擦力的一个

46、参数，分为动力粘粘度是表征流体内摩擦力的一个参数，分为动力粘 度和运动粘度。动力粘度与密度的比值称为运动粘度，度和运动粘度。动力粘度与密度的比值称为运动粘度， 表示为：表示为： v （311） （6 6）气体的压缩系数）气体的压缩系数 3-2 3-2 过程控制系统硬件选择（传感器及变送器的选择）过程控制系统硬件选择（传感器及变送器的选择） 自动化仪表与过程控制自动化仪表与过程控制 2021-8-10西南科技大学信息工程学院42 2 2、流量计类型、流量计类型 按测量对象分有封闭管道和明渠两大类。按测量对象分有封闭管道和明渠两大类。 流量计（封闭管道）流量计（封闭管道） 容积式容积式推理式推理式

47、 差压式差压式 孔板式孔板式 喷嘴式喷嘴式 文丘利管式文丘利管式 浮子式浮子式 涡轮式涡轮式 电磁式电磁式 超声波式超声波式 流体振荡式流体振荡式 质量式质量式 靶式靶式 标记法（电容式）标记法（电容式） 翼轮式（水表翼轮式（水表） 其它其它 3-2 3-2 过程控制系统硬件选择（传感器及变送器的选择）过程控制系统硬件选择（传感器及变送器的选择） 自动化仪表与过程控制自动化仪表与过程控制 2021-8-10西南科技大学信息工程学院43 3-2 3-2 过程控制系统硬件选择（传感器及变送器的选择）过程控制系统硬件选择（传感器及变送器的选择） 3、节流元件、节流元件 为了测量管道中的流体的流量，在

48、直线管道中设置为了测量管道中的流体的流量，在直线管道中设置 使流束产生局部收缩的装置，通常称之为节流元件（或使流束产生局部收缩的装置，通常称之为节流元件（或 节流装置）。节流装置目前有节流装置）。节流装置目前有20余种，其中三种：孔板、余种，其中三种：孔板、 喷嘴和文丘利管应用最多，流量测量国际标准喷嘴和文丘利管应用最多，流量测量国际标准ISO5167 对这三种的取压方式和安装位置的前后直管段等使用条对这三种的取压方式和安装位置的前后直管段等使用条 件进行了标准规范，称这三种节流装置为标准节流装置。件进行了标准规范，称这三种节流装置为标准节流装置。 自动化仪表与过程控制自动化仪表与过程控制 2

49、021-8-10西南科技大学信息工程学院44 流量测量原理：流量测量原理： 在管道中流动的流体具有动能和位能，并在一定条在管道中流动的流体具有动能和位能，并在一定条 件下这两种形式的能量可以相互转换，但参加转换的能件下这两种形式的能量可以相互转换，但参加转换的能 量总和是不变的。量总和是不变的。 paQm 1 2 （311） 3-2 3-2 过程控制系统硬件选择（传感器及变送器的选择）过程控制系统硬件选择（传感器及变送器的选择） 自动化仪表与过程控制自动化仪表与过程控制 2021-8-10西南科技大学信息工程学院45 3-3 3-3 调节器的选型及调节器的选型及PIDPID参数整定参数整定 1

50、、根据、根据0 / T0比值来选择调节器的控制规律比值来选择调节器的控制规律 一、选择调节器的控制规律一、选择调节器的控制规律 自动化仪表与过程控制自动化仪表与过程控制 2021-8-10西南科技大学信息工程学院46 3-3 3-3 调节器的选型及调节器的选型及PIDPID参数整定参数整定 2、根据过程特性来选择调节器的控制规律、根据过程特性来选择调节器的控制规律 比例控制规律比例控制规律P 特点：特点： 能较快地克服扰动的影响，使系统稳定下来，但是有余差 随着调节器放大系数Kc的增大，控制系统的稳定性降低。 随着Kc的增大，余差将减少，但不能消除 适用场合：适用场合：控制通道滞后较小，负荷变

51、化不大，控制要求不 高、被控参数允许在一定范围内有余差的场合 自动化仪表与过程控制自动化仪表与过程控制 2021-8-10西南科技大学信息工程学院47 比例积分控制规律比例积分控制规律PI 特点：特点：积分能消除余差；TI愈小，稳定性愈差。 适用场合：适用场合：控制通道滞后较小、负荷变化不大、被控参数不允许有余差的场合 比例微分控制规律比例微分控制规律PD 特点：特点：具有超前作用，对于具有容量滞后的控制通道，引入比例微分控制 规律PD对于改善系统的动态性能指标，有显著效果。但微分作用太强，会 引起控制阀时而全开、时而全关。 适用场合：适用场合：控制通道的时间常数或容量滞后较大的场合 比例积分

52、微分控制规律比例积分微分控制规律PID 特点：特点：PID控制规律是一种较理想的控制规律，在比例基础上引入积分， 可以消除余差，再加入微分作用，又提高系统的稳定性。 适用场合：适用场合：控制通道时间常数或容量滞后较大、控制要求较高的场合 3-3 3-3 调节器的选型及调节器的选型及PIDPID参数整定参数整定 自动化仪表与过程控制自动化仪表与过程控制 2021-8-10西南科技大学信息工程学院48 二二、调节调节器正、反作用的选择器正、反作用的选择 原则：使整个单回路构成负反馈系统原则：使整个单回路构成负反馈系统-乘积为负。乘积为负。 1 1、控制阀：气开式为、控制阀：气开式为“”，气关式为，

53、气关式为“-”-”； 2 2、调节器：正作用为、调节器：正作用为“”，反作用为，反作用为“-”-”； 3 3、被控对象：物料或能量增加时，被控参数随之增加为、被控对象：物料或能量增加时，被控参数随之增加为 “”，随之减少为，随之减少为“-”-”； 4 4、变送器：一般为、变送器：一般为“”； 控制器正、反作用选择的判别式：控制器正、反作用选择的判别式： ( (控制器控制器“”)(”)(控制阀控制阀“”)(”)(对象对象“”)=“-”)=“-” 3-3 3-3 调节器的选型及调节器的选型及PIDPID参数整定参数整定 自动化仪表与过程控制自动化仪表与过程控制 2021-8-10西南科技大学信息工

54、程学院49 3-3 3-3 调节器的选型及调节器的选型及PIDPID参数整定参数整定 o 将调节器置于将调节器置于“手动手动”方式，人为改变调节器的输出方式，人为改变调节器的输出 信号（遥控），检测现场调节阀阀杆是否上下移动；信号（遥控），检测现场调节阀阀杆是否上下移动； o 如果阀杆上下移动自如，检查相关流量如果阀杆上下移动自如，检查相关流量/压力等测量压力等测量 信号是否随之变化。若变化很小，则检查测量信号是信号是否随之变化。若变化很小，则检查测量信号是 否正常，或者调节阀上游阀和下游阀是否全开，或者否正常，或者调节阀上游阀和下游阀是否全开，或者 旁路阀是否关闭；旁路阀是否关闭； o 如果

55、调节阀灵活，而且相关被控信号可随之变化。则如果调节阀灵活，而且相关被控信号可随之变化。则 可进入单回路可进入单回路PID调节器的参数整定调节器的参数整定. 三、基本调节回路的诊断三、基本调节回路的诊断 自动化仪表与过程控制自动化仪表与过程控制 2021-8-10西南科技大学信息工程学院50 四、调节四、调节器的参数整定器的参数整定 如果控制方案已经确定，则过程各通道的静态和动态如果控制方案已经确定，则过程各通道的静态和动态 特性就已确定，系统的控制质量就取决于调节器各个参数特性就已确定，系统的控制质量就取决于调节器各个参数 值的设置。调节器的参数整定，就是确定最佳过渡过程值的设置。调节器的参数

56、整定，就是确定最佳过渡过程 （是在某种质量指标下，系统达到最佳调整状态，（是在某种质量指标下，系统达到最佳调整状态，4 4：1 1递递 减比为最佳参数整定的常用依据）中调节器的比例度减比为最佳参数整定的常用依据）中调节器的比例度、 积分时间积分时间T TI I、微分时间、微分时间T TD D的具体数值。的具体数值。 3-3 3-3 调节器的选型及调节器的选型及PIDPID参数整定参数整定 自动化仪表与过程控制自动化仪表与过程控制 2021-8-10西南科技大学信息工程学院51 3-3 3-3 调节器的选型及调节器的选型及PIDPID参数整定参数整定 由于由于PIDPID调节器有模拟型和离散型两

57、种，所以控制系调节器有模拟型和离散型两种，所以控制系 统的参数整定包括连续控制系统统的参数整定包括连续控制系统PIDPID调节器的参数整定和调节器的参数整定和 离散控制系统离散控制系统PIDPID调节器的参数整定。调节器的参数整定。 连续控制系统连续控制系统PIDPID调节器需整定的参数有：比例参数调节器需整定的参数有：比例参数K K （或比例带（或比例带）、积分时间常数）、积分时间常数TITI以及微分时间常数以及微分时间常数TDTD。 离散控制系统离散控制系统PIDPID调节器需整定的参数有：除上述调节器需整定的参数有：除上述3 3个个 参数外，还有控制系统的采样周期参数外，还有控制系统的采

58、样周期T TS S。 自动化仪表与过程控制自动化仪表与过程控制 2021-8-10西南科技大学信息工程学院52 参数整定方法：参数整定方法： （1）理论计算整定法：）理论计算整定法：对数频率特性法、根轨迹法等。对数频率特性法、根轨迹法等。 （2 2）工程整定法：动态特性参数法（或响应曲线法）、）工程整定法：动态特性参数法（或响应曲线法）、 稳定边界法（或临界比例度法）、衰减曲线法（阻尼振荡稳定边界法（或临界比例度法）、衰减曲线法（阻尼振荡 法）。法）。 1 1、动态特性参数法、动态特性参数法 是一种以被控对象控制通道的阶跃响应为依据，通过是一种以被控对象控制通道的阶跃响应为依据，通过 一些经验

59、公式（以衰减率一些经验公式（以衰减率=0.75=0.75为系统的性能指标）求为系统的性能指标）求 取调节器最佳参数整定值的开环整定方法。取调节器最佳参数整定值的开环整定方法。 3-4 3-4 调节器的选型及调节器的选型及PIDPID参数整定参数整定 自动化仪表与过程控制自动化仪表与过程控制 2021-8-10西南科技大学信息工程学院53 3-3 3-3 调节器的选型及调节器的选型及PIDPID参数整定参数整定 333. 0)( 1 TKK P （319） 比例调节器比例调节器 柯恩柯恩-库恩整定公式库恩整定公式 比例积分调节器比例积分调节器 )(2 . 21/)( 3 . 0)(33. 3 0

60、82. 0)(9 . 0 2 1 TTTTT TKK I P （320） 自动化仪表与过程控制自动化仪表与过程控制 2021-8-10西南科技大学信息工程学院54 比例积分微分调节器比例积分微分调节器 )(2 . 01/)(37. 0 )(6 . 01/)(5 . 0)(5 . 2 27. 0)(35. 1 2 1 TTTT TTTTT TKK D I P （321） 利用以上公式进行参数整定的前提是：利用以上公式进行参数整定的前提是：广义对象广义对象的阶的阶 跃相应曲线可用一阶惯性环节加纯延迟来近似，否则整定跃相应曲线可用一阶惯性环节加纯延迟来近似，否则整定 的参数只能作初步估计值。的参数只