单回路控制系统设计

1、第第 5 章章简单控制系统的设计简单控制系统的设计单回路控制系统方框图单回路控制系统方框图给定给定测量测量值值控制信号控制信号被控量被控量控制控制量量扰动扰动偏差偏差最简单、最基本；应用最广泛、最成熟。最简单、最基本；应用最广泛、最成熟。是各种复杂控制系统设计和参数整定的基础。是各种复杂控制系统设计和参数整定的基础。适用于被控对象滞后时间较小，负载和干扰不大，控制质量适用于被控对象滞后时间较小，负载和干扰不大，控制质量要求不很高的场合。要求不很高的场合。单回路控制系统特点单回路控制系统特点5.1 过程控制系统设计过程控制系统设计概述概述5.1 过程控制系统设计概述过程控制系统设计概述要求要求安

2、全性在整个生产过程中，确保人员设备的安全。通常采用参数越限报警、事故报警、连锁保护等措施加以保证。稳定性系统在一定的外界扰动下，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。准确性:系统被控量的实际运行状况与希望状况之间的偏差要小，使系统具有足够的控制精度。快速性:系统从一种工作状态向另一种工作状态过渡的时间要短。经济性高产品质量、产量的同时，降耗节能，提高经济效益与社会效益。5.1 过程控制系统设计概述过程控制系统设计概述步骤步骤1.熟悉系统的技术要求或性能指标2.建立被控过程的数学模型 3.确定控制方案 4.根据系统的动态和静态特性进行理论分析与综合 5.实验验证 6.工程设

3、计 7.工程安装 8.控制器的参数整定 5.2 控制方案的确定控制方案的确定控制系统方案设计的一个至关重要的问题。控制系统方案设计的一个至关重要的问题。恰当的选择对于稳定生产、提高产品产量和质量、改善劳动条恰当的选择对于稳定生产、提高产品产量和质量、改善劳动条件有很大的作用。件有很大的作用。若选择不当，则不论组成什么样的控制系统，选择多么先进的若选择不当，则不论组成什么样的控制系统，选择多么先进的过程检测控制仪表，都不能达到良好的控制效果过程检测控制仪表，都不能达到良好的控制效果。5.2.1 被控参数的选择被控参数的选择意义意义5.2.1 被控参数的选择被控参数的选择一般原则一般原则尽量选用对

4、产品的产量和质量、安全稳定生产、经济运行等具有决定性作用、并且可以直接检测的工艺参数作为被控变量（直接变量）。被控变量要兼顾工艺上的合理性和检测仪表的可行性、可靠性。当直接变量难以获得，或检测滞后较大时，应选取与直接变量具有单值函数关系的间接变量作为被控变量。间接变量对直接变量应具有较高的控制灵敏度。当直接变量不可测量时，往往可以采用推断控制获得实际取值。寻找与直接变量存在一定函数关系、可靠、容易测量的辅助变量。5.2 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当生产过程中有多个因素能影响被控参数(量量)变化时，应分析变化时，应分析过程扰动通道特性与控制通道特性对控制质量

5、的影响，正确地过程扰动通道特性与控制通道特性对控制质量的影响，正确地选择可控性良好的变量作为操纵选择可控性良好的变量作为操纵(控制控制)量。量。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。道快。两条通道的过程参数不一定两条通道的过程参数不一定相同，其对系统的影响也不相同，其对系统的影响也不一样。一样。 干扰通道干扰通道控制通道控制通道5.2 控制参数的选择控制参数的选择Gc(s)Go(s)Gf(s)F(s)R(s)Y(s)单回路系统方框图单回路系统方框图5.2.1 控制参数的选择控制参数的选择控制通道和扰动通道增益对性能的控

6、制通道和扰动通道增益对性能的影响影响1)(1)()(sTKsGsTKsGKsGfffooocc设：)1()1)(1()1(111)()(1)()()(sTKKsTsTsTKsTKKsTKsGsGsGsFsYfocfoofoocffocfcofsstKKKsFsFsYsssYtyy1)()()()()()(limlimlim005.2.1控制参数的选择控制参数的选择控制通道和扰动通道增益对性能的影控制通道和扰动通道增益对性能的影响响过程静态特性对控制质量好坏有很大的影响，是选择控制参数过程静态特性对控制质量好坏有很大的影响，是选择控制参数的一个重要依据。的一个重要依据。扰动通道静态放大系数越大，

7、则系统的稳态误差也越大，这表扰动通道静态放大系数越大，则系统的稳态误差也越大，这表示在相同的阶跃扰动作用下，将使被控参数偏离给定值越大，示在相同的阶跃扰动作用下，将使被控参数偏离给定值越大，显著地降低控制质量。显著地降低控制质量。控制通道的静态放大系数越大，表示控制作用越灵敏，克服扰控制通道的静态放大系数越大，表示控制作用越灵敏，克服扰动的能力越强，控制效果越显著。因此，确定控制参数时，使动的能力越强，控制效果越显著。因此，确定控制参数时，使控制通道的放大系数控制通道的放大系数Ko大于扰动通道的放大系数大于扰动通道的放大系数Kf是合理的。是合理的。当这一要求不能满足时，可通过调节控制器的放大当

8、这一要求不能满足时，可通过调节控制器的放大Kc系数来补系数来补偿，使偿，使KcKo的值远大于的值远大于Kf。 5.2.1控制参数的选择控制参数的选择控制通道和扰动通道增益对性能的影控制通道和扰动通道增益对性能的影响响控制通道的时间常数反映了控制作用的强弱，即控制器的校正控制通道的时间常数反映了控制作用的强弱，即控制器的校正作用克服扰动对被控参数影响的快慢。作用克服扰动对被控参数影响的快慢。则控制作用太弱，被控参数变化缓则控制作用太弱，被控参数变化缓慢，控制不能及时，系统过渡过程时间长，控制质量下降；慢，控制不能及时，系统过渡过程时间长，控制质量下降；虽控制作用强，控制及时，克服扰虽控制作用强，

9、控制及时，克服扰动影响快，过渡过程时间短，但易引起系统振荡，使系统稳定动影响快，过渡过程时间短，但易引起系统振荡，使系统稳定性下降，亦不能保证控制质量。性下降，亦不能保证控制质量。所以在系统设计时，要求控制通道时间常数适当小一些，使其所以在系统设计时，要求控制通道时间常数适当小一些，使其校正及时，又能获得较好的控制质量。校正及时，又能获得较好的控制质量。5.2.1 控制参数的选择控制参数的选择控制通道时间常数控制通道时间常数To对性能的影对性能的影响响分析一个一阶惯性环节的阶跃响应曲线，可以发现，惯性环节分析一个一阶惯性环节的阶跃响应曲线，可以发现，惯性环节相当于一个滤波环节。相当于一个滤波环

10、节。因此，扰动通道为一个惯性环节，它对扰动起着滤波作用，抑因此，扰动通道为一个惯性环节，它对扰动起着滤波作用，抑制扰动对被控参数的影响。所以，扰动通道的时间常数制扰动对被控参数的影响。所以，扰动通道的时间常数Tf越大，越大，容积越多，则扰动对被控参数的影响也越小，控制质量也越好。容积越多，则扰动对被控参数的影响也越小，控制质量也越好。 5.2.1控制参数的选择控制参数的选择扰动通道时间常数扰动通道时间常数Tf对性能的影对性能的影响响时滞时滞 o的存在使控制系统的频率特性变化。的存在使控制系统的频率特性变化。当检测变送环节存在时滞时，被控变量的变化不能及时传送到当检测变送环节存在时滞时，被控变量

11、的变化不能及时传送到控制器；控制器；当被控对象存在时滞时，控制作用不能及时使被控变量变化；当被控对象存在时滞时，控制作用不能及时使被控变量变化；当执行器存在时滞时，控制器的信号不能及时引起操纵变量的当执行器存在时滞时，控制器的信号不能及时引起操纵变量的变化。变化。因此，开环传递函数存在时滞，使控制不及时，超调增大，并因此，开环传递函数存在时滞，使控制不及时，超调增大，并引起系统不稳定。引起系统不稳定。5.2.1控制参数的选择控制参数的选择控制通道纯滞后时间控制通道纯滞后时间 o的影响的影响定值控制系统，在阶跃扰动下，当定值控制系统，在阶跃扰动下，当 o =0.5，1，2，3，4时的响应时的响应

12、 o增大增大5.2.1 控制参数的选择控制参数的选择控制通道纯滞后时间控制通道纯滞后时间 o的影响的影响用用 o/To反映时滞的相对影响。反映时滞的相对影响。当当 o/To 0.3时，系统尚可用简单控制系统进行控制；时，系统尚可用简单控制系统进行控制；当当 o/To0.3时，应采用其他控制方案对该类过程进行控制。时，应采用其他控制方案对该类过程进行控制。在设计和应用时应尽量减小时滞，有时可增大时间常数以减在设计和应用时应尽量减小时滞，有时可增大时间常数以减小时滞的影响。小时滞的影响。5.2.1控制参数的选择控制参数的选择控制通道纯滞后时间控制通道纯滞后时间 o的影响的影响当扰动通道有纯时间滞后

13、时，系统对扰动的闭环传递函数为：当扰动通道有纯时间滞后时，系统对扰动的闭环传递函数为： )()(1)()()(sWsWesWsFsYocsff根据拉氏变换的平移定理，在单位阶跃干扰作用下，被控量的根据拉氏变换的平移定理，在单位阶跃干扰作用下，被控量的时间响应时间响应 )()(tyty由此可见，干扰通道存在时间滞后时，理论上不影响控制质量，由此可见，干扰通道存在时间滞后时，理论上不影响控制质量，仅使被控参数对干扰的响应在时间上比无滞后存在时推迟了仅使被控参数对干扰的响应在时间上比无滞后存在时推迟了 f值。值。5.2.1控制参数的选择控制参数的选择扰动通道纯滞后时间扰动通道纯滞后时间 f的影响的影

14、响定值控制系统，在阶跃扰动下，当定值控制系统，在阶跃扰动下，当 f =0.5，1，1.5，2时的响应时的响应5.2.1 控制参数的选择控制参数的选择扰动通道纯滞后时间扰动通道纯滞后时间 f的影响的影响当扰动当扰动F的幅值和形式相同时，进入系统的位置越远离被控变的幅值和形式相同时，进入系统的位置越远离被控变量或越靠近调节阀，扰动对控制系统的被控变量的影响越小。量或越靠近调节阀，扰动对控制系统的被控变量的影响越小。因进入系统的扰动位置远离被控变量，等效于扰动通道传递函因进入系统的扰动位置远离被控变量，等效于扰动通道传递函数中的时间常数增大，或扰动通道的滤波环节增加，因此，扰数中的时间常数增大，或扰

15、动通道的滤波环节增加，因此，扰动对被控变量的影响越小。动对被控变量的影响越小。但如果等效增益但如果等效增益Kf增大，则应根据增大，则应根据Kf F确定其影响。确定其影响。5.2.1控制参数的选择控制参数的选择扰动进入系统位置对性能的影扰动进入系统位置对性能的影响响当当传递函数有多个时间常数传递函数有多个时间常数 (To1 To2 To3 Tom )时，各时间常数的匹配对控制系统有影响。时，各时间常数的匹配对控制系统有影响。5.2.1控制参数的选择控制参数的选择时间常数匹配对性能的影响时间常数匹配对性能的影响由执行器、对象和检测变送环节组成由执行器、对象和检测变送环节组成控制通道的放大系数控制通

16、道的放大系数Ko要适当大一些；要适当大一些；时间常数时间常数To要适当小一些；要适当小一些；纯滞后纯滞后 o越小越好：在有纯滞后的情况下，越小越好：在有纯滞后的情况下， o和和To的比值应小的比值应小一些（小于一些（小于1），若其比值过大，则不利于控制。），若其比值过大，则不利于控制。扰动通道的放大系数应尽可能小；扰动通道的放大系数应尽可能小；时间常数要大；时间常数要大；扰动引入系统的位置（指框图中的位置）要靠近调节阀。扰动引入系统的位置（指框图中的位置）要靠近调节阀。5.2.2控制参数的选择控制参数的选择选择控制参数的原则选择控制参数的原则5.2.2控制参数的选择控制参数的选择选择控制参数的

17、原则选择控制参数的原则广义过程选择参数时，应尽量设法把几个时间常数错开，使其广义过程选择参数时，应尽量设法把几个时间常数错开，使其中一个时间常数比其它时间常数大得多，同时注意减小第二、中一个时间常数比其它时间常数大得多，同时注意减小第二、第三个时间常数。第三个时间常数。控制器、调节阀和测量变送器的时间常数应远小于被控控制器、调节阀和测量变送器的时间常数应远小于被控过程中最大的时间常数。这样，系统允许有较大的放大过程中最大的时间常数。这样，系统允许有较大的放大倍数，而仍能保证闭环系统有一定的稳定裕度。倍数，而仍能保证闭环系统有一定的稳定裕度。注意工艺操作的合理性经济性。注意工艺操作的合理性经济性

18、。5.2.3 5.2.3 被控参数的测量与变送被控参数的测量与变送 在控制系统中，测量变送环节的作用是将被控参数转换为统一在控制系统中，测量变送环节的作用是将被控参数转换为统一的标准信号的标准信号反馈给调节器。该环节的特性可近似表示为反馈给调节器。该环节的特性可近似表示为smesTKsXsYmm1)()(其中其中 为测量及变送环节的输出，为测量及变送环节的输出， 为被控参数信号为被控参数信号 )(sY)(sX分别为测量及变送环节的静态增益、时间常数和分别为测量及变送环节的静态增益、时间常数和纯时延时间。纯时延时间。 mKmTm下图是测量变送环节在阶跃信号作用和速度信号作用时的响应曲线下图是测量

19、变送环节在阶跃信号作用和速度信号作用时的响应曲线: : 从图中可以看到只要从图中可以看到只要 mTm存在，存在，动态偏差就会必然存在。动态偏差就会必然存在。 为了减小测量信号与被控参数之间的动态偏差，应尽可能为了减小测量信号与被控参数之间的动态偏差，应尽可能选择选择快速测量仪表快速测量仪表，并且注意以下几点问题：，并且注意以下几点问题：1) 1) 应尽可能做到对应尽可能做到对测量仪表的正确安装测量仪表的正确安装，这是因为安装不当，这是因为安装不当会引起不必要的测量误差，降低仪表的测量精度；会引起不必要的测量误差，降低仪表的测量精度；2) 2) 对测量信号应进行滤波和线性化处理对测量信号应进行滤

20、波和线性化处理；3) 3) 对纯滞后要尽可能进行补偿对纯滞后要尽可能进行补偿； 4) 4) 对时间常数对时间常数 的影响要尽可能消除。的影响要尽可能消除。为了克服其影响，在为了克服其影响，在系统设计时，可以尽量选用快速测量仪表，也可以在测量变送系统设计时，可以尽量选用快速测量仪表，也可以在测量变送环节的输出端串联微分环节测量变送环节输出端串联微分环节环节的输出端串联微分环节测量变送环节输出端串联微分环节的示意图：的示意图： mT输出与输入关系输出与输入关系 1) 1()()(sTsTKsxsymDm若选择若选择 ，则在理论上可以完全消除，则在理论上可以完全消除 的影响的影响。在工程上，常将微分

21、环节置于调节器之后。一方面，这。在工程上，常将微分环节置于调节器之后。一方面，这对于克服对于克服 的影响，与串联在测量变送环节之后是等效的影响，与串联在测量变送环节之后是等效的；另一方面，还可以加快系统对给定值变化时的动态响的；另一方面，还可以加快系统对给定值变化时的动态响应。应。DmTTmTmT5.2.4 5.2.4 调节规律对调节质量的影响及其选择调节规律对调节质量的影响及其选择 在工程实际中，应用最为广泛的调节规律为在工程实际中，应用最为广泛的调节规律为比例、积分和微分调节规律，简称比例、积分和微分调节规律，简称PID。它。它具有原理简单、使用方便、鲁棒性强、适应具有原理简单、使用方便、

22、鲁棒性强、适应性广等许多优点。性广等许多优点。5.2.4.1 5.2.4.1 调节规律对调节质量的影响调节规律对调节质量的影响 1 1比例（比例（P P）调节规律的影响）调节规律的影响 调节器的输出信号调节器的输出信号u u与输入偏差信号与输入偏差信号e e成比例关系：成比例关系： eKuC其中，其中，u u为调节器的输出，为调节器的输出，e e为调节器的输入，为调节器的输入， CK为比例增益。为比例增益。 在电动单元组合仪表中，习惯用比例增益的倒数表示调节器输入与输出之间在电动单元组合仪表中，习惯用比例增益的倒数表示调节器输入与输出之间的比例关系的比例关系eu1其中，其中，1100%CK，称

23、为比例带，称为比例带 当被控对象为惯性特性时，单纯比例调节有如下结论：当被控对象为惯性特性时，单纯比例调节有如下结论： 1) 1) 比例调节是一种有差调节，比例调节是一种有差调节，即当调节器采用即当调节器采用比例调节规律时，不可避免地会使系统存在稳态比例调节规律时，不可避免地会使系统存在稳态误差。这是因为比例调节器是利用偏差实现控制误差。这是因为比例调节器是利用偏差实现控制的，它只能使系统输出近似跟踪给定值。的，它只能使系统输出近似跟踪给定值。2) 2) 比例调节系统的稳态误差随比例带的增大而比例调节系统的稳态误差随比例带的增大而增大，增大，若要减小误差，则要减小比例带，即需若要减小误差，则要

24、减小比例带，即需要增大调节器的放大倍数这样往往会降低系统要增大调节器的放大倍数这样往往会降低系统稳定性稳定性 CK其控制效果图如下：其控制效果图如下：3) 对于惯性过程，当给定值不变时，采用比例调节，对于惯性过程，当给定值不变时，采用比例调节，只能使被控参数对给定值实现有差跟踪；当给定只能使被控参数对给定值实现有差跟踪；当给定值随时间变化时，其跟误差将会随时间的增大值随时间变化时，其跟误差将会随时间的增大而增大。因此，比例调节不适用于给定值随时间而增大。因此，比例调节不适用于给定值随时间变化的系统。变化的系统。 4) 增大比例调节的增益增大比例调节的增益 CK不仅可以减小系统的不仅可以减小系统

25、的稳态误差，而且还可以加快系统的响应速度。稳态误差，而且还可以加快系统的响应速度。对下图的比例调节作用于一阶惯性过程进行分析：对下图的比例调节作用于一阶惯性过程进行分析：111)1 ()()(0000TsKsKKTKKKKsRsCCCC系统传函系统传函CCCKKTTKKKKK00001,1这里这里T与与0T相比，减小了相比，减小了 0(1)CK K倍，倍， CK越大，越大，减小得越多，说明过程的惯性越小，因而响应速度加快。但减小得越多，说明过程的惯性越小，因而响应速度加快。但 的增大则的增大则CK会使系统的稳定性下降。会使系统的稳定性下降。其控制效果图如下：其控制效果图如下：3) 3) 对于惯

26、性过程，当给定值不变时，对于惯性过程，当给定值不变时，采用比例调节，只能使被控参数对给定采用比例调节，只能使被控参数对给定值实现有差跟踪；当给定值随时间变化值实现有差跟踪；当给定值随时间变化时，其跟误差将会随时间的增大而增大。时，其跟误差将会随时间的增大而增大。因此，因此，比例调节不适用于给定值随时间比例调节不适用于给定值随时间变化的系统。变化的系统。 4) 4) 增大比例调节的增益增大比例调节的增益 不仅可以减小系统的稳态误差，不仅可以减小系统的稳态误差，而且还可以加快系统的响应速度。而且还可以加快系统的响应速度。CK2.2.积分（积分（I I）调节规律的影响）调节规律的影响在积分调节（简称

27、在积分调节（简称I I调节）中，调节器的输出信号调节）中，调节器的输出信号u u与输入偏与输入偏差信号差信号e e的积分成正比关系的积分成正比关系: :tIedtSu0当被控系统在负载扰动下的调节过程结束后，系统的静差虽然当被控系统在负载扰动下的调节过程结束后，系统的静差虽然已不存在，已不存在，但调节阀却会停留在新的开度上不变。但调节阀却会停留在新的开度上不变。 积分调节是牺牲了动态品质而使稳态性能得到改善的。积分调节是牺牲了动态品质而使稳态性能得到改善的。 积分调节可得如下结论：积分调节可得如下结论： 1) 1) 采用积分调节可以提高系统的无差度，也即提高系统的稳态采用积分调节可以提高系统的

28、无差度，也即提高系统的稳态控制精度。控制精度。 2) 2) 与比例调节相比，积分调节的过渡过程变化相对缓慢，系统与比例调节相比，积分调节的过渡过程变化相对缓慢，系统的稳定性变差。的稳定性变差。实际应用中，通常将积分调节和比例调节二者结合起来，实际应用中，通常将积分调节和比例调节二者结合起来，组成所谓的组成所谓的PIPI调节器，调节器，PIPI调节器的输入调节器的输入/ /输出关系为：输出关系为： )1(100tItICCedtTeedtTKeKu其中其中CK1IT为积分时间。为积分时间。PIPI调节器的传递函数为调节器的传递函数为 )11 (1)()()(sTsEsUsGICPIPI调节器的阶

29、跃响应曲线如右图调节器的阶跃响应曲线如右图3.3.微分（微分（D D）调节规律的影响）调节规律的影响微分调节可以预测偏差的变化趋势，微分调节微分调节可以预测偏差的变化趋势，微分调节器的输入器的输入/ /输出关系为输出关系为 dtdeSuD微分调节器的输出与系统被调量微分调节器的输出与系统被调量偏差的变化率偏差的变化率成正比。成正比。由于由于变化率能反映系统被调量的变化趋势变化率能反映系统被调量的变化趋势，因此，微，因此，微分调节不是等被调量出现偏差之后才动作，而是根据分调节不是等被调量出现偏差之后才动作，而是根据变化趋势提前动作。变化趋势提前动作。 但微分时间的选择，对系统质量的影响具有两面性

30、。但微分时间的选择，对系统质量的影响具有两面性。 当当微分时间较小时微分时间较小时，增加微分时间可以减小偏差，缩短，增加微分时间可以减小偏差，缩短响应时间，减小振荡程度，从而能改善系统的质量；响应时间，减小振荡程度，从而能改善系统的质量； 当当微分时间较大微分时间较大时，一方面有可能将测量噪声放大，另一方时，一方面有可能将测量噪声放大，另一方面也可能使系统响应产生振荡。面也可能使系统响应产生振荡。 4. PD4. PD调节规律的影响调节规律的影响 PDPD调节器的调节规律为调节器的调节规律为: : )1(1dtdeTuD其中其中CK1DT为微分时间为微分时间运用控制理论的知识分析运用控制理论的

31、知识分析PDPD调节规律，可以得出以下结论：调节规律，可以得出以下结论： 1 1） PDPD调节也是有差调节。调节也是有差调节。这是因为在稳态情况下，这是因为在稳态情况下， 为零，为零，微分部分不起作用，微分部分不起作用，PDPD调节变成了调节变成了P P调节。调节。dtde2 2） PDPD调节能提高系统的稳定性、抑制过渡过程的动态偏差调节能提高系统的稳定性、抑制过渡过程的动态偏差（或超调）。（或超调）。 3 3） PDPD调节有利于减小系统静差（稳态误差）、提高系统的响调节有利于减小系统静差（稳态误差）、提高系统的响应速度。应速度。 4 4） PDPD调节的调节的不足：首不足：首先，先，P

32、DPD调节一般只适用于时间常数较大调节一般只适用于时间常数较大或多容过程；不适用于流量、压力等一些变化剧烈的过程。其或多容过程；不适用于流量、压力等一些变化剧烈的过程。其次，当微分作用太强较大时，会导致系统中调节阀的频繁开启，次，当微分作用太强较大时，会导致系统中调节阀的频繁开启，容易造成系统振荡。容易造成系统振荡。 5. PID5. PID调节规律的影响调节规律的影响 PIDPID调节器的调节规律为调节器的调节规律为: :011()tDIdeueedt TTdt其相应的传递函数为其相应的传递函数为: :)11 (1)(sTsTsGDICITDT的意义分别与的意义分别与PIPI、PDPD调节器

33、相同调节器相同由传递函数可知，由传递函数可知，PIDPID是比例、积分、微分调节规律的线性组是比例、积分、微分调节规律的线性组合，合，它吸取了它吸取了比例调节的快速反应比例调节的快速反应功能、功能、积分调节的消除误差积分调节的消除误差功能以及功能以及微分调节的预测功能微分调节的预测功能等优点而弥补了三者的不足，是等优点而弥补了三者的不足，是一种比较理想的复合调节规律。从控制理论的观点分析可知，一种比较理想的复合调节规律。从控制理论的观点分析可知，与与PDPD相比，相比，PIDPID提高了系统的无差度；与提高了系统的无差度；与PIPI相比，相比，PIDPID多了一个多了一个零点，为动态性能的改善

34、提供了可能。零点，为动态性能的改善提供了可能。控制系统在不同调节作用下的典型响应如下：控制系统在不同调节作用下的典型响应如下： 虽然虽然PIDPID调节器的调节效果比较理想，但是调节器的调节效果比较理想，但是PIDPID调节器要整定调节器要整定 三个参数三个参数 才能使系统整定得最佳。才能使系统整定得最佳。ITDT5.2.4.2 控制规律选择的原则控制规律选择的原则1）广义过程控制通道时间常数较大或容量滞后较大，引入）广义过程控制通道时间常数较大或容量滞后较大，引入D调节；调节；工艺容许有静差时，选用工艺容许有静差时，选用PD调节；工艺要求无静差时，选用调节；工艺要求无静差时，选用PID调调节

35、。节。2）控制通道时间常数小、负荷变化不大且要求允许有静差，选）控制通道时间常数小、负荷变化不大且要求允许有静差，选用用P调节。调节。3）控制通道时间常数较小、负荷变化不大，工艺要求无静差，）控制通道时间常数较小、负荷变化不大，工艺要求无静差，选用选用PI调节。调节。4）控制通道时间常数很大且纯滞后时间较大、负荷变化剧烈，）控制通道时间常数很大且纯滞后时间较大、负荷变化剧烈，简单控制系统难以满足工艺要求，应采用复杂控制系统或其他控制简单控制系统难以满足工艺要求，应采用复杂控制系统或其他控制方案。方案。sesTKsGo1)(oooo/To0.2，选用，选用P或或PI调节规律；调节规律； 0.2o

36、/To1.0，简单控制系统一般难以满足要求，需要采用其，简单控制系统一般难以满足要求，需要采用其他控制方式。他控制方式。 5）若广义过程的传递函数具有以下形式：）若广义过程的传递函数具有以下形式：5.2.4.2 5.2.4.2 控制规律选择的原则控制规律选择的原则 调节阀的选择调节阀的选择 在过程控制系统设计中，调节阀的口径必须很好地选择，在正在过程控制系统设计中，调节阀的口径必须很好地选择，在正常工况下要求调节阀开度处于常工况下要求调节阀开度处于1585%之间。之间。 选择合适的流量特性选择合适的流量特性 选择合适的调节阀开、关形式选择合适的调节阀开、关形式 5.2.5 调节阀的选择调节阀的

37、选择 调节阀尺寸的选择调节阀尺寸的选择Gc(s)Gv(s)Gp(s)Gm(s)R(s)E(s)U(s)Q(s)Y(s)Ym(s)+开环总增益（各组成环节的增益之积）为正开环总增益（各组成环节的增益之积）为正5.2.65.2.6调节阀正、反作用形式的选择调节阀正、反作用形式的选择 负反馈系统负反馈系统负反馈准则负反馈准则环节的增益为正：当环节的输入增加，输出增加环节的增益为正：当环节的输入增加，输出增加环节的增益为负：当环节的输入增加，输出减小环节的增益为负：当环节的输入增加，输出减小 当被控过程的输入（通过调节阀的物料和能量）增加（和当被控过程的输入（通过调节阀的物料和能量）增加（和减小）时，

38、其输出（被控参数）也增加（和减小），此时称此减小）时，其输出（被控参数）也增加（和减小），此时称此被控过程为正作用，其静态放大系数取正；被控过程为正作用，其静态放大系数取正； 反之为反作用，其静态放大系数取负。反之为反作用，其静态放大系数取负。被控过程正反作用特性被控过程正反作用特性环节增益正负的定义环节增益正负的定义5.2.65.2.6调节阀正、反作用形式的选择调节阀正、反作用形式的选择 正作用调节器，即当系统的测量值增加时，调节器的输出正作用调节器，即当系统的测量值增加时，调节器的输出亦增加，其静态放大系数取负；亦增加，其静态放大系数取负； 反作用调节器，即当系统的测量值增加时，调节器的输

39、出减反作用调节器，即当系统的测量值增加时，调节器的输出减小，其静态放大系数取正。小，其静态放大系数取正。 气开式调节阀，其静态放大系数取正气开式调节阀，其静态放大系数取正 气关式调节阀，其静态放大系数取负。气关式调节阀，其静态放大系数取负。调节器正反作用特性调节器正反作用特性气开和气关调节阀气开和气关调节阀5.2.65.2.6调节阀正、反作用形式的选择调节阀正、反作用形式的选择 首先根据生产工艺安全等原则确定调节阀的开、关形式，首先根据生产工艺安全等原则确定调节阀的开、关形式，然后按被控过程特性，确定其正、反作用，然后按被控过程特性，确定其正、反作用，最后根据负反馈的原则来确定调节器的正、反作

40、用形式。最后根据负反馈的原则来确定调节器的正、反作用形式。 调节器的正、反作用也可以借助于控制系统方框图加以确定。调节器的正、反作用也可以借助于控制系统方框图加以确定。在方框图中，各个环节的增益有正有负，负反馈要求闭环回路在方框图中，各个环节的增益有正有负，负反馈要求闭环回路上所以环节的增益乘积是正数。上所以环节的增益乘积是正数。 5.2.65.2.6调节阀正、反作用形式的选择调节阀正、反作用形式的选择 5.4 单回路控制系统工程单回路控制系统工程 设计实例设计实例 在工业生产过程中，如图所示的液体储槽，如进料罐，成品罐，在工业生产过程中，如图所示的液体储槽，如进料罐，成品罐，中间缓冲容器，水

41、箱等设备应用十分普遍，为了保证生产正常中间缓冲容器，水箱等设备应用十分普遍，为了保证生产正常进行，物料进出均需平衡，以保证过程的物料平衡。因此，工进行，物料进出均需平衡，以保证过程的物料平衡。因此，工艺要求储槽内的液位需维持在某给定值上下，或在某一小范围艺要求储槽内的液位需维持在某给定值上下，或在某一小范围内变化，并保证物料不产生溢出。内变化，并保证物料不产生溢出。q1q储槽储槽5.4.1 储槽液位控制系统设计储槽液位控制系统设计工艺过程工艺过程 根据工艺可知，储槽的液位要求维持在某给定值上下，所以直根据工艺可知，储槽的液位要求维持在某给定值上下，所以直接选取液位为被控参数（直接参数）。接选取

42、液位为被控参数（直接参数）。5.4.1 储槽液位控制系统设计储槽液位控制系统设计被控参数选择被控参数选择q1q调流入量调流入量qLTLC影响液位的量：一是流入储槽的流量，二是流出储槽的流量。影响液位的量：一是流入储槽的流量，二是流出储槽的流量。q1q调流出量调流出量q1LTLC5.4.1 储槽液位控制系统设计储槽液位控制系统设计控制参数控制参数Gc(s)Gv(s)Gp(s)Gm(s)R(s)E(s)U(s)Q(s)Y(s)Ym(s)+F(s)Gf(s)+5.4.1 储槽液位控制系统设计储槽液位控制系统设计选择控制参数选择控制参数在第一种控制方案的情况下，为保证不引起物料量的溢出，应在第一种控制

43、方案的情况下，为保证不引起物料量的溢出，应选用气开式调节阀。选用气开式调节阀。在第二种控制方案的情况下，为保证不产生溢出，选用气关式在第二种控制方案的情况下，为保证不产生溢出，选用气关式选择对数流量特性。选择对数流量特性。5.4.1 储槽液位控制系统设计储槽液位控制系统设计选择调节阀选择调节阀若储槽是为了起缓冲作用而控制液位的，则对液位控制要求不若储槽是为了起缓冲作用而控制液位的，则对液位控制要求不太高，调节器采用比例作用即可；太高，调节器采用比例作用即可；当容器作为计量槽使用时，则需精确控制液位，为了消除余差，当容器作为计量槽使用时，则需精确控制液位，为了消除余差，调节器采用比例积分作用。调

44、节器采用比例积分作用。在第一种方案中选用反作用调节器在第一种方案中选用反作用调节器第二种方案中选择反作用调节器。第二种方案中选择反作用调节器。5.4.1 储槽液位控制系统设计储槽液位控制系统设计选择控制器选择控制器5.4.2 喷雾式干燥设备设计喷雾式干燥设备设计工艺对象工艺对象对干燥后产品质量要求较高，水分含量不能波动太大,因而对干燥的温度要严格控制。温度波动小于 2 最好。由于乳化物属于胶体物质,激烈搅拌易固化, 不能用泵输送,采用高位槽的方法。除去凝结块等杂质.由于传递上存在滞后，由于传递上存在滞后，风管为纯滞后环节风管为纯滞后环节换热器为一双容环节由于产品水分含量测量十分困难（测水分精度

45、不高），而根据由于产品水分含量测量十分困难（测水分精度不高），而根据生产工艺，产品质量（水分含量）与干燥温度密切相关，因而生产工艺，产品质量（水分含量）与干燥温度密切相关，因而选干燥器的温度为被控参数（间接参数）。选干燥器的温度为被控参数（间接参数）。5.4.2 喷雾式干燥设备设计喷雾式干燥设备设计被控参数的选择被控参数的选择 5.4.2喷雾式干燥设备设计喷雾式干燥设备设计控制参数的选择控制参数的选择 乳液流量q1(t) 旁路空气量q2 (t) 加热蒸汽量q3(t)影响干燥器温度的因素选其中任一变量作为被控参选其中任一变量作为被控参数，均可构成温度控制系统数，均可构成温度控制系统5.4.2 喷

46、雾式干燥设备设计喷雾式干燥设备设计控制参数的选择控制参数的选择 控制方案1-选择乳液流量作为控制变量 乳液流量是生产负荷，一般要求能保证产量稳定，若作为控制参数，则在生产工艺上不合理,所以不宜选为控制参数5.4.2 喷雾式干燥设备设计喷雾式干燥设备设计控制参数的选择控制参数的选择 调节换热器的蒸汽流量调节换热器的蒸汽流量,以改变空气温度。以改变空气温度。由于换热器通常为一双容过程，时间常数大，此方案控制通道的由于换热器通常为一双容过程，时间常数大，此方案控制通道的容量滞后最大，对于温度的校正作用灵敏度最差。容量滞后最大，对于温度的校正作用灵敏度最差。控制方案2-选择蒸汽量作为控制变量 5.4.

47、2 喷雾式干燥设备设计喷雾式干燥设备设计控制参数的选择控制参数的选择 由于混合管道过长,存在管道传输滞后, 故控制通道滞后较大,对于干燥温度的校正的作用的灵敏度要差些。控制方案3-选择风量作为控制变量 5.4.2 喷雾式干燥设备设计喷雾式干燥设备设计调节阀的选择调节阀的选择 选气关形式的调节阀 选用对数流量特性的调节阀。 选择调节阀的公称直径和阀心直径尺寸。5.4.2 喷雾式干燥设备设计喷雾式干燥设备设计调节器的选择调节器的选择 根据过程特性与工艺要求,可选用PI或PID控制规律。 根据构成系统负反馈的原则,确定调节器正反作用反向。 测量变送器：Km 为正调节阀为气关式：Kv 为负输入空气量增

48、加,输出减小：Ko 为负选用反作用调节器：调节器Kc取正TTTC5.4.2 喷雾式干燥设备设计喷雾式干燥设备设计控制流程图控制流程图 5.3 控制器参数整定控制器参数整定 5.3 控制器参数整定控制器参数整定概念概念确定调节器的确定调节器的比例度比例度、积分时间、积分时间T TI I和和微分时间微分时间T TD D。整定的实质是通过改变调节器的整定的实质是通过改变调节器的参数参数，使其特性和过程特性，使其特性和过程特性 相匹配，以改变系统的相匹配，以改变系统的动态和静态指标动态和静态指标，争取最佳控制效果。，争取最佳控制效果。 控制指标：系统瞬态响应控制指标：系统瞬态响应=0.75-0.9=0

49、.75-0.9（衰减比（衰减比n=4:1-10:1n=4:1-10:1）5.3控制器参数整定控制器参数整定方法方法对数频率特性法对数频率特性法 根轨迹法根轨迹法理论计算整定方法理论计算整定方法经验法经验法 衰减曲线法衰减曲线法 临界比例度法临界比例度法响应曲线法响应曲线法工程整定法工程整定法需要知道数学模型需要知道数学模型不需要事先知道过程的数学模型，不需要事先知道过程的数学模型，可直接在系统中进行现场整定，比可直接在系统中进行现场整定，比较简单较简单自整定法：对运行中的系统进行整定自整定法：对运行中的系统进行整定5.3控制器参数整定控制器参数整定被控过程的特点确定控制器参数的范围被控过程的特

50、点确定控制器参数的范围项目项目时滞时滞容量数容量数周期周期噪声噪声比例带比例带积分作积分作用用微分作微分作用用流量流量液体压力液体压力无无多容量多容量1 110s10s有有100100500%500%5050200%200%重要重要不用不用气体压力气体压力无无单容量单容量0 0无无0 05%5%不必要不必要不必要不必要液位液位无无单容量单容量1 110s10s有有5 550%50%少用少用不用不用温度温度蒸汽压力蒸汽压力变动变动3 36 6minminh h无无1010100%100%用用重要重要成分成分恒定恒定1 1100100minminh h存在存在1001001000%1000%重要重要可用可用在现场应用中，调节器的参数按先比例、后积分、最后微分在现场应用中，调节器的参数按先比例、后积分、最后微分的顺序置于经验数值后，把系统闭环起来，然后再作给定值的顺序置于经验数值后，把系统闭环起来，然后再作给定值扰动，观察系统的过渡过程曲线。若系统还不够理想，则根扰动，观察系统的过渡过程曲线。若系统还不够理想，则根据下表改变调节器的参数值，进行反复试凑，直到控制质量据下表改变调节器的参数值，进行反复试凑，直到控制质量符合要求为止。符合要求为止。 Ti Td