第6章简单控制系统的设计与参数整定

1、过程控制系统与仪表过程控制系统与仪表 第第6章章第第6章章 简单控制系统的设计与参数整定简单控制系统的设计与参数整定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选择调节规律对控制品质的影响与调节规律选择6.4调节器参数的工程整定方法调节器参数的工程整定方法6.5 简单控制系统设计实例简单控制系统设计实例过程控制系统与仪表过程控制系统与仪表 第第6章章简单控制系简单控制系统的结构统的结构 四个环节组成四个环节组成被控变量的选择被控变量的选择控制变量的选择控制变量的选择控制参数的整定控制参数的整定简单控制系简单

2、控制系统的设计统的设计 闭环负反馈闭环负反馈控制规律的选择控制规律的选择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过程控制系统与仪表过程控制系统与仪表 第第6章章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指由一个测量变送器、一个控制器、一个控制指由一个测量变送器、一个控制器、一个控制阀和一个对象所构成的阀和一个对象所构成的单闭环控制系统单闭环控制系统。 第第6 6章章 简单控制系统简单控制系统的设计与参数整定的设计与参数整定TC206后续字母表示仪表功能后续字母表示仪表功能第第1位数字表示工段号位数字表示工段号后续数字表示仪

3、表序号后续数字表示仪表序号第第1位字母表示被控参数位字母表示被控参数 LC TT仪表符号标准仪表符号标准过程控制系统与仪表过程控制系统与仪表 第第6章章控制系统原理方框图控制系统原理方框图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控制系统工艺流程图控制系统工艺流程图过程控制系统与仪表过程控制系统与仪表 第第6章章 Gc(s) Gf(s) Go(s)X(s)Y(s)F(s) 控制系统原理方框图（传递函数）被控变量被控变量影响变量影响变量过程控制系统与仪表过程控制系统与仪表

4、 第第6章章6.2简单控制系统设计简单控制系统设计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 生产过程对过程控制系统的要求可简要归纳为生产过程对过程控制系统的要求可简要归纳为安全性、稳定性和经济性安全性、稳定性和经济性三个方面。三个方面。 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 过程控制系统设计包括过程控制系统设计包括控制系统方案设计、工控制系统方案设计、工程设计、工程安装和仪表调校、调节器参数整定程设计、工程安装和仪表调校、调节器参数整定等等四个主要内容。四个主要内容。 其中其中控制方案设计控制方案设计是控制系统设计的核心。是控制系统设计的核

5、心。过程控制系统与仪表过程控制系统与仪表 第第6章章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）掌握生产工艺对控制系统的技术要求2）建立被控过程的数学模型）建立被控过程的数学模型3）确定控制方案）确定控制方案 包括控制方式和系统组成结构的确定，是过程包括控制方式和系统组成结构的确定，是过程控制系统设计的关键步骤。控制系统设计的关键步骤。 4）控制设备选型）控制设备选型5）实验（或仿真）验证）实验（或仿真）验证 其中最关键的设计是：其中最关键的设计是：被控参数与控制变量的选择被控参数与控制变量的选择过程控制系统与仪表过程控制系统与仪表 第第6章章6.2

6、.2被控参数与控制变量的选择被控参数与控制变量的选择6.2.2.1被控参数的选择被控参数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。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、保证安全等目的。到稳定操作、保证质量、保证安全等目的。被控变量的选择依据：被控变量的选择依据：1 1、根据生产工艺的要求，找出影响生产的关、根据生产工艺的要求，找出影响生产的关键变量作为被控变量键变量作为被控变量过程控制系统与仪表过程控制系统与仪表 第第6章章例例

7、1 储槽液位控制系统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工艺要求储槽液位稳定。那么设计的控制系统就应以储槽液位为被控变量。就应以储槽液位为被控变量。 LC TTh过程控制系统与仪表过程控制系统与仪表 第第6章章例例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出口温度为定值。那么设计的控制系工艺要求出口温度为定值。那么设计的控制系统就应以出口温度为被控变量。统就应以出口温度为被控变量。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过程控制系统与仪表过程控制系统与仪表 第第6章章2、当不能用直接、当不能用直接工艺工艺参数作为被控变量时，参数作为

8、被控变量时，应选择与直接应选择与直接工艺工艺参数有单值函数关系的间接参数有单值函数关系的间接工艺工艺参数作为被控变量。参数作为被控变量。例例3 化工的精馏物纯化工的精馏物纯度控制系统度控制系统精馏工艺是利用被分精馏工艺是利用被分离物中各组分的挥发温度离物中各组分的挥发温度不同，将各组分分离。不同，将各组分分离。如图将苯如图将苯甲苯混合甲苯混合液进行分离。液进行分离。苯苯甲苯甲苯苯苯甲苯甲苯 过程控制系统与仪表过程控制系统与仪表 第第6章章 该精馏塔的工艺该精馏塔的工艺要求是要使要求是要使塔顶（或塔塔顶（或塔底）馏出物达到规定的底）馏出物达到规定的纯度纯度。按照被控变量的。按照被控变量的选择原则

9、选择原则1，塔顶（或，塔顶（或塔底）塔底）馏出物的组分馏出物的组分应应作为作为被控变量被控变量。但是，但是，没有合适没有合适的仪表的仪表在线检测馏出物在线检测馏出物的纯度，则不能直接作的纯度，则不能直接作为被控变量。为被控变量。苯苯甲苯甲苯 苯苯甲苯甲苯过程控制系统与仪表过程控制系统与仪表 第第6章章只好在与馏出物的只好在与馏出物的纯度有单值关系的工艺纯度有单值关系的工艺参数中，找出合适的变参数中，找出合适的变量作为被控变量，进行量作为被控变量，进行间接参数控制。间接参数控制。经工艺分析发现，经工艺分析发现，塔内压力和塔内温度塔内压力和塔内温度都都对馏出物纯度有影响。对馏出物纯度有影响。需要对

10、二者进行比较试需要对二者进行比较试验，选出一个合适的变验，选出一个合适的变量。量。苯苯甲苯甲苯 苯苯甲苯甲苯过程控制系统与仪表过程控制系统与仪表 第第6章章间接控制参数的确定间接控制参数的确定经经试验试验得出，塔顶馏出物苯的得出，塔顶馏出物苯的浓度分别与压力和温度浓度分别与压力和温度有单值对应关系有单值对应关系。（塔底馏出物甲苯也一样）从。（塔底馏出物甲苯也一样）从工艺合理性工艺合理性考虑，选择温度作为被控变量考虑，选择温度作为被控变量(工艺要求塔工艺要求塔压力要稳定压力要稳定)。 过程控制系统与仪表过程控制系统与仪表 第第6章章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

11、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。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上例中，选择上例中，选择塔内温度作被控变量塔内温度作被控变量，就是考，就是考虑了工艺上，塔内压力要固定。虑了工艺上，塔内压力要固定。上例中，若塔顶、塔底的产品纯度都分别设上例中，若塔顶、塔底的产品纯度都分别设置温控系统，会相互干扰，存在置温控系统，会相互干扰，存在关联关联。因此，若采。因此，若采用简单控制系统，只能设置一个用简单控制系统，只能设置一个温控系统温控系统，保证塔，保证塔顶或塔底一端的产品质量。顶或塔底一端的产品质量。6.2.2.2控制变量选择控制变量

12、选择把用来把用来克服干扰对被控变量克服干扰对被控变量的影响，实现控制作用的的影响，实现控制作用的变量称为变量称为控制变量控制变量或或操纵变量操纵变量。最常见的操纵变量是。最常见的操纵变量是介质的介质的流量流量，也有以，也有以转速、电压转速、电压等作为操纵变量的。等作为操纵变量的。 LC TTh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纵量操纵量被控变量被控变量干扰干扰过程控制系统与仪表过程控制系统与仪表 第第6章章控制变量的确定控制变量的确定被控变量选定以后，应对被控变量选定以后，应对工艺进行分析，找出工艺进行分析，找出所有影响被控变量的因素所有影响被控变量的因素。在这

13、些变量中，有些是。在这些变量中，有些是可控可控的，有些是的，有些是不可控不可控的。的。q在诸多影响被控变量的因素中在诸多影响被控变量的因素中选择一个对被控选择一个对被控变量影响显著且便于控制的变量变量影响显著且便于控制的变量，作为控制变量；，作为控制变量；q其它未被选中的因素则视为其它未被选中的因素则视为系统的干扰系统的干扰。被控变量被控变量影响变量影响变量过程控制系统与仪表过程控制系统与仪表 第第6章章1过程（通道）静态特性过程（通道）静态特性K对控制品质影响的分析对控制品质影响的分析 确定控制变量要考虑：确定控制变量要考虑： 2过程（通道）动态特性过程（通道）动态特性T对控制品质的影响对控

14、制品质的影响被控变量被控变量影响变量影响变量过程控制系统与仪表过程控制系统与仪表 第第6章章1过程（通道）过程（通道）静态特性静态特性对控制品质的影响对控制品质的影响如图所示为单回路控制系统的等效框图。如图所示为单回路控制系统的等效框图。Gc(s) 控制器的传递函数；控制器的传递函数；Go(s) 广义控制通道（包括执行器和变送器）的传递函数；广义控制通道（包括执行器和变送器）的传递函数；Gf(s) 扰动通道的传递函数。扰动通道的传递函数。 Gc(s) Gf(s) Go(s)X(s)Y(s)F(s) 过程控制系统与仪表过程控制系统与仪表 第第6章章 被控参数被控参数y(t)受到受到设定信号设定信

15、号x(t)和干扰信号和干扰信号f(t)的的共同影响：共同影响：000( )( )( )( )X( )( )1( )( )1( )( )fcccGsGs GsY ssF sGs GsGs Gs干扰通道干扰通道控制通道控制通道 Gc(s) Gf(s) Go(s)X(s)Y(s)F(s) 代入系统偏差公式中：代入系统偏差公式中：)()()(sYsXsE将将 可见，控制通道偏差和干扰通道偏差的可见，控制通道偏差和干扰通道偏差的传函传函分母分母是一样的。将是一样的。将Gc(s)、 Go(s)代入：代入：11sTK)s(GK)s(GsTK)s(Gfffccooo)()()()()(1)()()()(11)

16、(sEsEsFsGsGsGsXsGsGsEfxocfoc+=+=11sTK)s(GK)s(GsTK)s(Gfffccooo000( )( )( )( )X ( )( )1( )( )1( )( )fcccGsGs GsYssFsGs GsGs Gs Gc(s) Gf(s) Go(s)X(s)Y(s)F(s) 11sTK)s(GK)s(GsTK)s(Gfffccooo过程控制系统与仪表过程控制系统与仪表 第第6章章)()1(1)()()(11)(sXKKsTsTsXsGsGsEcoooocx+=+=)() 1() 1)(1() 1()()()(1)()(sFsTKKsTsTsTKsFsGsGsG

17、sEfcofoofocff+=+=vK0越大，控制作用越强，稳态误差越小；越大，控制作用越强，稳态误差越小；vK0越大，被调参数对控制作用的反应越灵敏，系统的越大，被调参数对控制作用的反应越灵敏，系统的闭环稳定性越低。闭环稳定性越低。vKf越大，越大，干扰作用干扰作用越强，稳态误差越大。越强，稳态误差越大。故应选放大系数大的变量作为控制变量。故应选放大系数大的变量作为控制变量。)()()()()(1)()()()(11)(sEsEsFsGsGsGsXsGsGsEfxocfoc+=+=11sTK)s(GK)s(GsTK)s(Gfffccooo11sTK)s(GK)s(GsTK)s(Gfffcco

18、oo11sTK)s(GK)s(GsTK)s(Gfffccooo过程控制系统与仪表过程控制系统与仪表 第第6章章 Gc(s) Gf(s) Go(s)X(s)Y(s)F(s) )()1(1)()()(11)(sXKKsTsTsXsGsGsEcoooocx+=+=)() 1() 1)(1() 1()()()(1)()(sFsTKKsTsTsTKsFsGsGsGsEfcofoofocff+=+=vK0越大，控制作用越强，稳态误差越小；越大，控制作用越强，稳态误差越小；vK0越大，被调参数对控制作用的反应越灵敏，系统的越大，被调参数对控制作用的反应越灵敏，系统的闭环稳定性越低。闭环稳定性越低。vKf越大

19、，越大，干扰作用干扰作用越强，稳态误差越大。越强，稳态误差越大。故对于控制通道，应选放大系数大的变量作为控制变故对于控制通道，应选放大系数大的变量作为控制变量量对于控制通道，对于控制通道，Kf越小越好越小越好 。过程控制系统与仪表过程控制系统与仪表 第第6章章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l1）干扰通道动态特性对控制品质的影响 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GCGVGO2GFGmfreGO1y2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）干扰通道动态特性干扰通道动态特性对控制品质

20、的影响对控制品质的影响 f( )(1)Y (s)( )( )1( )( )(1)(1)(1)ffocoofocfG sK T sF sF sG s G sT sT sK K T s干扰通道的干扰通道的惯性因子（惯性因子（Tf s+1）使干扰作用使干扰作用的影响缓慢。的影响缓慢。vTf 越大，干扰对被控变量的影响越缓慢，越有利于控制。越大，干扰对被控变量的影响越缓慢，越有利于控制。 Gc(s) Gf(s) Go(s)X(s)Y(s)F(s) 过程控制系统与仪表过程控制系统与仪表 第第6章章 因为，因为， f 使干扰对被使干扰对被控变量的影响推迟了控变量的影响推迟了f 时间时间，则控制作用也推迟则

21、控制作用也推迟f 时间时间 ，整个过渡过程曲线也推迟整个过渡过程曲线也推迟时间时间f ，但控制品质未变。但控制品质未变。v干扰通道纯滞后干扰通道纯滞后f不影响控制质量。不影响控制质量。f()( 1 )Y ( s )()()1 () ()( 1 ) ( 1 )( 1 )ff ocoofo c fGsKT sFsFsGsGsT s Ts K KTs 含有含有e f s例：例：某控制系统中，干扰某控制系统中，干扰f1、f2、f3分别在三个位置进入分别在三个位置进入系统。干扰离被控变量检测点越远，则干扰通道的时间常数系统。干扰离被控变量检测点越远，则干扰通道的时间常数越大，对被控变量的影响越慢。越大，

22、对被控变量的影响越慢。010203f30G(s)G(s)G(s)Y ( )( )1( )( )csF sGs Gs0201012100G( )G(s)( )( )( )1( )( )1( )( )ccsGsFsF sGs GsGs Gs v干扰进入系统的位置离被控变量检测点越远，则干扰进入系统的位置离被控变量检测点越远，则Tf 越大，越大，控制时最大偏差越小。控制时最大偏差越小。过程控制系统与仪表过程控制系统与仪表 第第6章章 f1(t)通道惯性小，受干扰后被调参数变化速度通道惯性小，受干扰后被调参数变化速度快；当控制作用见效时，被调参数已经变化较大快；当控制作用见效时，被调参数已经变化较大造

23、成造成动态偏差较大动态偏差较大。 所以扰动进入系统的位置离被控参数检测点越所以扰动进入系统的位置离被控参数检测点越远，干扰对被控参数影响越小。远，干扰对被控参数影响越小。 y(t)yk(t)tyyk(t)yy(t)tyk(t)yy(t)t过程控制系统与仪表过程控制系统与仪表 第第6章章 2）控制通道动态特性控制通道动态特性对控制品质的影响对控制品质的影响tGCGVGO2GFGmfreGO1yv控制通道控制通道G01的时间常的时间常数数T01增大，使控制速度变增大，使控制速度变慢，最大偏差增大。慢，最大偏差增大。vG02是控制、干扰共用是控制、干扰共用通道，通道，T02不影响最大偏差不影响最大偏

24、差y2(t)yk(t)yy1(t)过程控制系统与仪表过程控制系统与仪表 第第6章章y2(t)yk(t)tyy1(t)01v控制通道控制通道G01的纯滞后的纯滞后 ，使控制作用滞后使控制作用滞后01到达，造到达，造成控制偏差增大。成控制偏差增大。vG02是控制、干扰共用通道，是控制、干扰共用通道， 干扰作用滞后干扰作用滞后02产生，但控产生，但控制作用再滞后制作用再滞后02到达，同样造到达，同样造成控制偏差增大。成控制偏差增大。y2(t)yk(t)tyy1(t)220202GCGVGO2GFGmfreGO1y过程控制系统与仪表过程控制系统与仪表 第第6章章 因此，控制通道因此，控制通道时间常数时

25、间常数T0 小一些好小一些好。表明控。表明控制变量对被控变量的影响迅速，有利于控制。制变量对被控变量的影响迅速，有利于控制。 控制通道控制通道纯滞后纯滞后0越小越好越小越好。 0会使控制时间会使控制时间延长、最大偏差增大。延长、最大偏差增大。 控制变量的选择原则：控制变量的选择原则： 1、控制通道应当放大系数大、时间常数小、纯、控制通道应当放大系数大、时间常数小、纯滞后越小越好。滞后越小越好。 2、控制变量应是工艺上允许控制的变量，并且、控制变量应是工艺上允许控制的变量，并且要考虑工艺的合理性与生产的经济性。要考虑工艺的合理性与生产的经济性。 过程控制系统与仪表过程控制系统与仪表 第第6章章例

26、例1中，影响储槽液位的主要因素有：液体流中，影响储槽液位的主要因素有：液体流入量和液体流出量。这两个变量影响力相当，显然，入量和液体流出量。这两个变量影响力相当，显然，液体流出量可控。故选液体流出量作为控制变量。液体流出量可控。故选液体流出量作为控制变量。 LC TThQiQo过程控制系统与仪表过程控制系统与仪表 第第6章章例例2中，影响出口中，影响出口温度温度的主要因素有：载热介的主要因素有：载热介质温度、载热介质流量、冷物料温度、冷物料流量质温度、载热介质流量、冷物料温度、冷物料流量等等。显然，。显然，载热介质流量影响力最大且可控。故选载热介质流量影响力最大且可控。故选载热介质流量作为控制

27、变量。载热介质流量作为控制变量。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 TCQrQiTiTr过程控制系统与仪表过程控制系统与仪表 第第6章章例例3中，若选择提馏段某块塔板（灵敏板）的中，若选择提馏段某块塔板（灵敏板）的温度作为被控变量。那么，影响灵敏板温度温度作为被控变量。那么，影响灵敏板温度T灵灵的因的因素主要有：素主要有： TT进料的流量（进料的流量（Q入入）、）、进料的成分（进料的成分（ x入入）、）、进料的温度（进料的温度（T入入），），回流的流量（回流的流量（Q回回）、）、回流的温度（回流的温度（T回回），），加热蒸汽流量（加热蒸汽流量（Q蒸蒸）、）、冷凝器冷

28、却温度等。冷凝器冷却温度等。过程控制系统与仪表过程控制系统与仪表 第第6章章 这些影响因素分为可控的和不可控的两大类：这些影响因素分为可控的和不可控的两大类：回流量和蒸汽流量为可控因素回流量和蒸汽流量为可控因素其它基本为不可控因素其它基本为不可控因素 TT过程控制系统与仪表过程控制系统与仪表 第第6章章1、蒸汽流量对提馏、蒸汽流量对提馏段温度影响比回流量段温度影响比回流量对提馏段温度影响更对提馏段温度影响更迅速、更显著。迅速、更显著。2、从节能角度来讲，、从节能角度来讲，控制蒸汽流量比控制控制蒸汽流量比控制回流量消耗的能量要回流量消耗的能量要小。小。 在两个可控因素中，选蒸汽流量为操纵变量。在

29、两个可控因素中，选蒸汽流量为操纵变量。因为：因为： TT过程控制系统与仪表过程控制系统与仪表 第第6章章上节教学内容上节教学内容(15)第第5章章 被控过程的数学模型被控过程的数学模型5.4测试法建模测试法建模给定值给定值被控量被控量干扰干扰f 控制器控制器 变送器变送器执行器执行器被控对象被控对象+e实测值实测值第第6章章 简单控制系统的设计与参数整定简单控制系统的设计与参数整定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过程控制系统与仪表过程控制系统与仪表 第第6章章简单控制系简单控制系统的结构统的结构 四个环节组成四个环节组成被控变量的选择

30、被控变量的选择控制变量的选择控制变量的选择控制参数的整定控制参数的整定简单控制系简单控制系统的设计统的设计 闭环负反馈闭环负反馈控制规律的选择控制规律的选择给定值给定值被控量被控量干扰干扰f 控制器控制器 变送器变送器执行器执行器被控对象被控对象+e实测值实测值被控变量的选择依据：被控变量的选择依据：1、根据生产工艺的要求，找出影响生产的关键变量作为被控变量、根据生产工艺的要求，找出影响生产的关键变量作为被控变量2、当不能用直接工艺参数作为被控变量时，应选择与直接工艺参数有、当不能用直接工艺参数作为被控变量时，应选择与直接工艺参数有单值函数关系的间接工艺参数作为被控变量。单值函数关系的间接工艺

31、参数作为被控变量。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控制变量的确定控制变量的确定被控变量选定以后，应对被控变量选定以后，应对工艺进行分析，找出所有影响被控变量的因素工艺进行分析，找出所有影响被控变量的因素。在。在这些变量中，有些是这些变量中，有些是可控可控的，有些是的，有些是不可控不可控的。的。q在诸多影响被控变量的因素中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且便于控制的变选择一个对被控变量影响显著且便于控制的变量量，作为控制变量；，作为控制变量；q其它未被选中的因素则视为其它未

32、被选中的因素则视为系统的干扰系统的干扰。给定值给定值被控量被控量干扰干扰f 控制器控制器 变送器变送器执行器执行器被控对象被控对象+e实测值实测值过程控制系统与仪表过程控制系统与仪表 第第6章章本节教学内容本节教学内容(16)给定值给定值被控量被控量干扰干扰f 控制器控制器 变送器变送器执行器执行器被控对象被控对象+e实测值实测值第第6章章 简单控制系统的设计与参数整定简单控制系统的设计与参数整定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选择调节规律对控制品质的影响与调节规律选择6.4调节器参数的工程整定方法调节器参数的工程整定方法6.5 简单控制系统设计实

33、例简单控制系统设计实例过程控制系统与仪表过程控制系统与仪表 第第6章章6.2.3检测环节、执行器及调节器正负作用选择 6.2.3.1传感器、变送器选择 6.2.3.2执行器的选择执行器的选择6.2.3.3调节器正反作用的选择调节器正反作用的选择6.2简单控制系统设计简单控制系统设计给定值给定值被控量被控量干扰干扰f 控制器控制器 变送器变送器执行器执行器被控对象被控对象+e实测值实测值过程控制系统与仪表过程控制系统与仪表 第第6章章6.2.3检测环节、执行器及调节器正负作用选择检测环节、执行器及调节器正负作用选择 6.2.3.1传感器、变送器选择传感器、变送器选择1按照生产过程的工艺要求，首先

34、确定传感器与变按照生产过程的工艺要求，首先确定传感器与变送器合适的测量范围（量程）与精度等级。送器合适的测量范围（量程）与精度等级。2测量仪表反应慢，会造成测量失真。应尽可能测量仪表反应慢，会造成测量失真。应尽可能选选择时间常数小择时间常数小的传感器、变送器的传感器、变送器,或引入或引入微分微分环节环节。OtOtTmTmx(t)y(t)x(t)y(t)过程控制系统与仪表过程控制系统与仪表 第第6章章l克服传输滞后的对策克服传输滞后的对策电气转换器电气转换器电信号电信号气电转换器气电转换器n引起原因引起原因n传递滞后传递滞后n即信号传输滞后，主要是由于气压信号在管即信号传输滞后，主要是由于气压信

35、号在管路传送过程中引起的滞后路传送过程中引起的滞后( (电信号的传递滞电信号的传递滞后可以忽略不计后可以忽略不计) )。现场现场控制中心控制中心（检测变送器、（检测变送器、执行器）执行器）（调节器、（调节器、显示器）显示器）过程控制系统与仪表过程控制系统与仪表 第第6章章3合理选择检测点，避免测量造成对象纯滞后合理选择检测点，避免测量造成对象纯滞后0图图6.15 pH值控制系统图值控制系统图 pHT LT LC pHC中和槽中和槽贮酸槽贮酸槽l04测量信号的处理测量信号的处理 测量信号的校正与补偿、测量噪声的抑制、测测量信号的校正与补偿、测量噪声的抑制、测量信号的线性化处理。量信号的线性化处理

36、。过程控制系统与仪表过程控制系统与仪表 第第6章章 6.2.3.2执行器的选择执行器的选择 1调节阀工作区间的选择调节阀工作区间的选择 正常工况下，调节阀的开度应在正常工况下，调节阀的开度应在15%85%区区间。据此原则计算、确定控制阀的口径尺寸。间。据此原则计算、确定控制阀的口径尺寸。2调节阀的流量特性选择调节阀的流量特性选择按补偿对象特性的原则选取。按补偿对象特性的原则选取。3调节阀的气开、气关作用方式选择调节阀的气开、气关作用方式选择 按控制信号中断时，保证生产设备按控制信号中断时，保证生产设备安全安全的原则的原则确定。确定。过程控制系统与仪表过程控制系统与仪表 第第6章章6.2.3.3

37、调节器正反作用的选择调节器正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，必须正确选择选择调节器的正反作用。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过程控制系统与仪表过程控制系统与仪表 第第6章章为了说明选择方法，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

38、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：q变送器都是变送器都是正作用正作用q气开阀是气开阀是正正作用，气关阀是作用，气关阀是反反作用作用q被控对象有的被控对象有的正作用正作用，有的，有的反作用反作用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 过程控制系统与仪表过程控制系统与仪表 第第6章章MPa0100%0.020.060.10A阀阀B阀阀MPa0100%0.020.060.10A

39、阀阀B阀阀A、B均为正作用阀均为正作用阀A、B均为反作用阀均为反作用阀q气开阀是气开阀是正正作用，气关阀是作用，气关阀是反反作用作用过程控制系统与仪表过程控制系统与仪表 第第6章章控制系统中，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

40、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过程控制系统与仪表过程控制系统与仪表 第第6章章 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作用反作用正作用正作用正作用正作用正作用正作用过程控制系统与仪表过程控制系统与仪表 第第6章章例例1：加热炉出口温度控制系统：加热炉出口温度控制系统

41、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过程控制系统与仪表过程控制系统与仪表 第第6章章例例2：储槽液位控制系统：储槽液位控制系统LTLCM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例题：例题： 下图是锅炉的液位的控制系统图，试确定控制系统中各个下图是锅炉的液位的控制系统图，试确定控制系统中各个环节的正、反作用方向以及控制阀的气开、气关形式。环节

42、的正、反作用方向以及控制阀的气开、气关形式。LC给水PC燃料燃烧室解：解： 单回路液位控制系统：单回路液位控制系统：对象对象 ：供水量增加时，液位升高，：供水量增加时，液位升高，故是故是 “+”方向方向执行器：从锅炉安全的角度来看，执行器：从锅炉安全的角度来看，应选应选“气关阀气关阀”即即“”方向，方向，以便当信号中断时，能继续供水。以便当信号中断时，能继续供水。控制器：应为控制器：应为“+”方向方向控制器控制器执行器执行器锅炉汽包锅炉汽包测量变送器测量变送器LsLf (干扰变量）干扰变量）Lme = Lm Lsum正负正补充题：补充题：图为一蒸汽加热器，利用蒸汽将物料加热到所需温度后排出，试

43、问：图为一蒸汽加热器，利用蒸汽将物料加热到所需温度后排出，试问： 影响物料出口温度的主要因素有哪些？一般情况下，其中哪些为可控量，哪些影响物料出口温度的主要因素有哪些？一般情况下，其中哪些为可控量，哪些为不可控量？为不可控量？如果要设计一温度控制系统，一般应选择什么量为被控变量和操纵变量？为什如果要设计一温度控制系统，一般应选择什么量为被控变量和操纵变量？为什么？么？如果物料温度过高时会分解，试确定控制阀的气开、气关形式和控制器的正、如果物料温度过高时会分解，试确定控制阀的气开、气关形式和控制器的正、反作用方向？反作用方向？ 答：答： 影响物料出口温度的主要因素有：加热蒸影响物料出口温度的主要

44、因素有：加热蒸汽的流量、压力；被加热物料的流量、入口温度；汽的流量、压力；被加热物料的流量、入口温度；传热情况等。一般情况下，可控量为加热蒸汽流传热情况等。一般情况下，可控量为加热蒸汽流量，其它量为不可控量。量，其它量为不可控量。 如果要设计一温度控制系统，一般应选择加如果要设计一温度控制系统，一般应选择加热器内的物料温度或物料出口温度为被控变量，热器内的物料温度或物料出口温度为被控变量，这是工艺生产中的主要直接操作指标。这是工艺生产中的主要直接操作指标。 应选择加热蒸汽量为操纵变量，因为它是可控量，应选择加热蒸汽量为操纵变量，因为它是可控量，而且对物料温度的影响较显著。而且对物料温度的影响较

45、显著。（3）应选气开阀，反作用控制器。）应选气开阀，反作用控制器。答：答： 影响物料出口温度的主要因素有：加热蒸影响物料出口温度的主要因素有：加热蒸汽的流量、压力；被加热物料的流量、入口温度；汽的流量、压力；被加热物料的流量、入口温度；传热情况等。一般情况下，可控量为加热蒸汽流传热情况等。一般情况下，可控量为加热蒸汽流量，其它量为不可控量。量，其它量为不可控量。 如果要设计一温度控制系统，一般应选择加热如果要设计一温度控制系统，一般应选择加热器内的物料温度或物料出口温度为被控变量，这器内的物料温度或物料出口温度为被控变量，这是工艺生产中的主要直接操作指标。是工艺生产中的主要直接操作指标。 应选

46、择加热蒸汽量为操纵变量，因为它是可控量，应选择加热蒸汽量为操纵变量，因为它是可控量，而且对物料温度的影响较显著。而且对物料温度的影响较显著。（3）应选气开阀，反作用控制器。）应选气开阀，反作用控制器。干扰作用干扰作用 T给定值给定值控制器控制器执行器执行器蒸汽加热器蒸汽加热器f温度测量元件与变送器温度测量元件与变送器Tse= Tm TsumTm偏差偏差控制信号控制信号操纵变量操纵变量出口温度出口温度正正正正反反正正课堂测验：课堂测验： 补充题补充题4：有一冷却器，以冷却水作为冷剂，来冷却物料有一冷却器，以冷却水作为冷剂，来冷却物料温度，现选择冷却水流量为操纵变量，物料出口温度为被温度，现选择冷

47、却水流量为操纵变量，物料出口温度为被控变量。试确定在下述三种情况下的控制阀气开、气关型控变量。试确定在下述三种情况下的控制阀气开、气关型式和控制器的正反作用方向。式和控制器的正反作用方向。 被冷却物料温度不能太高，否则对后续生产不利；被冷却物料温度不能太高，否则对后续生产不利； 被冷却物料温度不能太低，否则易凝结；被冷却物料温度不能太低，否则易凝结； 冷却器置于室外，而该地区冬季温度最低达冷却器置于室外，而该地区冬季温度最低达0以下。以下。课堂测验：课堂测验： 补充题补充题4：有一冷却器，以冷却水作为冷剂，来冷却物料有一冷却器，以冷却水作为冷剂，来冷却物料温度，现选择冷却水流量为操纵变量，物料

48、出口温度为被温度，现选择冷却水流量为操纵变量，物料出口温度为被控变量。试确定在下述三种情况下的控制阀气开、气关型控变量。试确定在下述三种情况下的控制阀气开、气关型式和控制器的正反作用方向。式和控制器的正反作用方向。 被冷却物料温度不能太高，否则对后续生产不利；被冷却物料温度不能太高，否则对后续生产不利； 被冷却物料温度不能太低，否则易凝结；被冷却物料温度不能太低，否则易凝结； 冷却器置于室外，而该地区冬季温度最低达冷却器置于室外，而该地区冬季温度最低达0以下。以下。答： 气关型，反作用气关型，反作用 气开型，正作用气开型，正作用 气关型，反作用气关型，反作用控制器控制器执行器执行器冷却器冷却器

49、测量变送器测量变送器LsLf (干扰变量）干扰变量）Lme = Lm Lsum负正？正过程控制系统与仪表过程控制系统与仪表 第第6章章6.3调节规律对控制品质的影响与调节规律选择调节规律对控制品质的影响与调节规律选择最简单的调节规律是位式调节规律。最简单的调节规律是位式调节规律。根据偏差根据偏差 e 的正、负，调节器输出只有两个的正、负，调节器输出只有两个位置：位置：0或或100%。0 e100%调节器输出调节器输出两位式调节的特性两位式调节的特性位式调节下，被控参数不位式调节下，被控参数不能稳定在给定值上。要获得平能稳定在给定值上。要获得平稳的高精度的调节，必须采用稳的高精度的调节，必须采用

50、连续调节规律。连续调节规律。确定调节系统的方案时，要根据对象的特性和工艺要求，选确定调节系统的方案时，要根据对象的特性和工艺要求，选择合适的调节规律，使组成的调节系统满足预期的品质指标。择合适的调节规律，使组成的调节系统满足预期的品质指标。过程控制系统与仪表过程控制系统与仪表 第第6章章比例调节的特点：比例调节的特点：比例调节器对于比例调节器对于偏差是即时反应，偏差一旦产生，偏差是即时反应，偏差一旦产生，调节器立即产生控制作用使被控量调节器立即产生控制作用使被控量朝着减小偏差的方向变化，控制作朝着减小偏差的方向变化，控制作用的强弱取决于比例系数。只有当用的强弱取决于比例系数。只有当偏差发生变化

51、时，控制量才变化。偏差发生变化时，控制量才变化。是最基本，最主要，应用最普遍的是最基本，最主要，应用最普遍的规律规律 缺点：缺点：不能消除静差；不能消除静差； 过大，会使过大，会使动态质量变坏，引起被控量振荡甚至动态质量变坏，引起被控量振荡甚至导致闭环不稳定。导致闭环不稳定。 PKn适用场合适用场合: :干扰少扰动幅度小，负荷变化不大，滞后干扰少扰动幅度小，负荷变化不大，滞后少，精度不高少，精度不高6.3调节规律对控制品质的影响与调节规律选择调节规律对控制品质的影响与调节规律选择1u(t)e(t)Pn积分控制作用是力图消除余差。积分控制作用是力图消除余差。调节器的输出与偏差存在的时间调节器的输

52、出与偏差存在的时间有关。只要偏差不为零，输出就有关。只要偏差不为零，输出就会随时间不断增加，并减小偏差，会随时间不断增加，并减小偏差，直至消除偏差，控制作用不再变直至消除偏差，控制作用不再变化，系统才能达到稳态。化，系统才能达到稳态。n纯积分控制的缺点是纯积分控制的缺点是降低响应速度。输出变化总是滞后于降低响应速度。输出变化总是滞后于偏差的变化，不能够及时有效克服扰动的影响，所以不能单偏差的变化，不能够及时有效克服扰动的影响，所以不能单独使用独使用特点1）可以消除余差；2）克服干扰不及时；3）稳定性差。01ytIedtT过程控制系统与仪表过程控制系统与仪表 第第6章章微分调节的特点：微分调节的

53、特点：在偏差出现或变化的瞬间，产生一在偏差出现或变化的瞬间，产生一个个正比于偏差变化率正比于偏差变化率的控制作用，它总是反对偏差向的控制作用，它总是反对偏差向任何方向的变化，偏差变化越快，反对作用越强。故任何方向的变化，偏差变化越快，反对作用越强。故微分作用的加入将微分作用的加入将有助于减小超调，克服振荡，使系有助于减小超调，克服振荡，使系统趋于稳定统趋于稳定。它加快了系统的动作速度，减小调整时。它加快了系统的动作速度，减小调整时间，从而改善了系统的动态性能。间，从而改善了系统的动态性能。 缺点：缺点： 太大，易引起系统不稳定。太大，易引起系统不稳定。 v微分控制的微分控制的优点：优点：能加快

54、系统的控制速度能加快系统的控制速度。缺点：缺点：偏偏差差存在但不变化时，无控制作用。存在但不变化时，无控制作用。yDdeTdt过程控制系统与仪表过程控制系统与仪表 第第6章章q 将将比例、积分、微分比例、积分、微分三种调节规律结合在一起三种调节规律结合在一起，只要三项作用的强度配合适当，既，只要三项作用的强度配合适当，既能快速能快速调节调节，又能消除余差，又能消除余差，可得到满意的可得到满意的控制控制效果。效果。011u(t)()PtDIdeeedtTTdt11G ( )(1)PDIsT sT s过程控制系统与仪表过程控制系统与仪表 第第6章章uq 在在PID调节中，调节中，比例作用是基础；微

55、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。过程控制系统与仪表过程控制系统与仪表 第第6章章对某一对象，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PPDPIDPI6.3.1.4 （PID）调节对系统控制品质的影响）调节对系统控制品质的影响过程控制系统与仪表过程控制系统与仪表 第第6章章上节教学内容上节教学内容(16)给定值给定值被控量被控量干扰干扰f 控制器控制器 变送器变送器执行器执行器被控对象被控对象+

56、e实测值实测值第第6章章 简单控制系统的设计与参数整定简单控制系统的设计与参数整定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选择调节规律对控制品质的影响与调节规律选择本节教学内容本节教学内容(17)给定值给定值被控量被控量干扰干扰f 控制器控制器 变送器变送器执行器执行器被控对象被控对象+e实测值实测值第第6章章 简单控制系统的设计与参数整定简单控制系统的设计与参数整定6.4调节器参数的工程整定方法调节器参数的工程整定方法6.5 简单控制系统设计实例简单控制系统设计实例第第 7 章章 复杂控制系统复杂控制系统6.3调节规律对控制品质的影响与调节规律选择调节规

57、律对控制品质的影响与调节规律选择过程控制系统与仪表过程控制系统与仪表 第第6章章6.3.2调节规律的选择调节规律的选择1、比例控制（、比例控制（P）适用于控制通道滞后较小、负荷变化不大、适用于控制通道滞后较小、负荷变化不大、工艺上没有提出无差要求的系统，工艺上没有提出无差要求的系统，2、比例积分控制（、比例积分控制（PI）适用于控制通道滞后较小、负荷变化不大、适用于控制通道滞后较小、负荷变化不大、工艺参数不允许有余差的系统。工艺参数不允许有余差的系统。3、比例微分控制（、比例微分控制（PD）适用于控制通道滞后较大的系统。例如加热适用于控制通道滞后较大的系统。例如加热较慢的温度控制系统。较慢的温

58、度控制系统。过程控制系统与仪表过程控制系统与仪表 第第6章章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/T00.2，用，用P或或PI 0.20/T00.1，用，用PD或或PID 0/T00.1，用简单控制系统效，用简单控制系统效果不好。果不好。过程控制系统与仪表过程控制系统与仪表 第第6章章调节规律调节规律

59、优优 点点缺缺 点点应应 用用P灵敏、简单，只有一灵敏、简单，只有一个整定参数；个整定参数；存在静差存在静差负荷变化不显著，工艺指标负荷变化不显著，工艺指标要求不高的对象。要求不高的对象。PI能消除静差，又控制能消除静差，又控制灵敏灵敏对于滞后较大的对象，对于滞后较大的对象，比例积分调节太慢，效比例积分调节太慢，效果不好。果不好。应用于调节通道容量滞后较应用于调节通道容量滞后较小、负荷变化不大、精度要小、负荷变化不大、精度要求高的调节系统。例如，流求高的调节系统。例如，流量调节系统。量调节系统。PD增进调节系统的稳定增进调节系统的稳定度，可调小比例度，度，可调小比例度，而加快调节过程，减而加快

60、调节过程，减小动态偏差和静差小动态偏差和静差系统对高频干扰特别敏系统对高频干扰特别敏感，系统输出易夹杂高感，系统输出易夹杂高频干扰。频干扰。应用于调节通道容量滞后较应用于调节通道容量滞后较大，但调节精度要求不高的大，但调节精度要求不高的对象。对象。PID综合了各类调节作用综合了各类调节作用的优点，所以有更高的优点，所以有更高的调节质量。的调节质量。对于滞后很大，负荷变对于滞后很大，负荷变化很大的对象，化很大的对象，PID调调节也无法满足要求，应节也无法满足要求，应设计复杂调节系统设计复杂调节系统应用于调节通道容量滞后较应用于调节通道容量滞后较大、负荷变化较大、精度要大、负荷变化较大、精度要求高