单回路控制系统(改)

1、 单回路控制系统单回路控制系统本章主要内容7.1 单回路控制系统的组成及应用范围单回路控制系统的组成及应用范围7.2 单回路控制系统方案设计单回路控制系统方案设计7.3 控制器的参数整定方法控制器的参数整定方法 7.1 单回路控制系统的组成及应用范围单回路控制系统的组成及应用范围 单回路控制系统的组成单回路控制系统的组成 单回路控制系统的应用范围单回路控制系统的应用范围7.1.1 7.1.1 单回路控制系统的组成单回路控制系统的组成图图7.1 液位调节系统液位调节系统由一个测量元件、变送器、一个控制器、一个执由一个测量元件、变送器、一个控制器、一个执行器、一个被控对象所构成的单闭环控制系统，行

2、器、一个被控对象所构成的单闭环控制系统，它是生产过程中应用广泛的基本控制系统。它是生产过程中应用广泛的基本控制系统。典型单回路控制系统图解典型单回路控制系统图解1)1)有原料不断流入或流出储槽中；有原料不断流入或流出储槽中；2)2)流入量流入量( (或流出量或流出量) )的变化会引起槽内液位的波动，的变化会引起槽内液位的波动，严重时会出现溢出或抽干；于是，槽内液位就成严重时会出现溢出或抽干；于是，槽内液位就成为被控量，整个贮槽为被控对象；为被控量，整个贮槽为被控对象；3)3)液位经检测和变送后，送到液位控制器与工艺要液位经检测和变送后，送到液位控制器与工艺要求的液位高度即设定值进行比较，按预定

3、的运算求的液位高度即设定值进行比较，按预定的运算规律算出结果；规律算出结果；4)4)控制器输出调节信号至执行器，执行器按此信号控制器输出调节信号至执行器，执行器按此信号自动地开大或关小阀门，以保持槽内液位在设定自动地开大或关小阀门，以保持槽内液位在设定要求上。要求上。图图7.2 单回路系统方框图单回路系统方框图7.1.2 7.1.2 单回路控制系统的应用范围单回路控制系统的应用范围（1 1）工艺对被控量的控制质量要求不高；）工艺对被控量的控制质量要求不高；（2 2）过程中的负荷及其它干扰变化比较平缓；）过程中的负荷及其它干扰变化比较平缓；（3）被控过程的纯滞后及容量滞后不十分明显；）被控过程的

4、纯滞后及容量滞后不十分明显； 在上述情况下，综合考虑系统成本因素，则适合在上述情况下，综合考虑系统成本因素，则适合于选择单回路于选择单回路控制系统实现控制目标。控制系统实现控制目标。1 1、安全性、安全性2 2、稳定性、稳定性3 3、经济性、经济性1 1、建立被控过程的数学模型、建立被控过程的数学模型2 2、选择控制方案、选择控制方案3 3、选择控制设备型号规格、选择控制设备型号规格4 4、实验（与仿真）、实验（与仿真）二、二、过程控制系统设计的要求过程控制系统设计的要求过程控制系统的设计步骤过程控制系统的设计步骤 包括仪表（微机）选型、控制室和仪表盘包括仪表（微机）选型、控制室和仪表盘设计、

5、供水供电供气设计、信号系统设计、设计、供水供电供气设计、信号系统设计、安全防暴设计等。安全防暴设计等。3 3、工程安装、仪表调试、工程安装、仪表调试 4 4、控制器的参数整定、控制器的参数整定2 2、控制系统的工程设计、控制系统的工程设计 1 1、自动控制系统的方案设计、自动控制系统的方案设计v控制系统的工程考虑控制系统的工程考虑 被控量的选择被控量的选择 操纵量的选择操纵量的选择 执行器的选择执行器的选择 控制器的选择控制器的选择7.2 单回路控制系统方案设计单回路控制系统方案设计7.2.1 被控量的选择被控量的选择1、选择被控量重要性和基本要求、选择被控量重要性和基本要求2、选择被控变量的

6、基本原则、选择被控变量的基本原则3、举例、举例1、选择被控量重要性和基本要求、选择被控量重要性和基本要求a.对产量、质量及安全都具有重要意义；对产量、质量及安全都具有重要意义；b.能很好地反映工艺生产状态的变化；能很好地反映工艺生产状态的变化；c.能测能控，且对控制作用的反应具有足够的能测能控，且对控制作用的反应具有足够的灵敏度；灵敏度；d.满足生产实际要求。满足生产实际要求。2、选择被控变量的基本原则、选择被控变量的基本原则1)直接将工艺确定的需要控制的过程变量选为被控直接将工艺确定的需要控制的过程变量选为被控量。量。2)若表示质量指标的参数有多个，可选符合工艺要若表示质量指标的参数有多个，

7、可选符合工艺要求、独立可控的参数作为被控量。求、独立可控的参数作为被控量。3)若工艺确定的被控量无法直接测量或信号微弱或若工艺确定的被控量无法直接测量或信号微弱或测量滞后太大，可选择与直接参数有单值对应关测量滞后太大，可选择与直接参数有单值对应关系的、系的、且有足够测量信号的间接参数作为被控量且有足够测量信号的间接参数作为被控量。3、举例（被控量选择）、举例（被控量选择）v在控制锅炉蒸汽质量的生产过程中，可供选择在控制锅炉蒸汽质量的生产过程中，可供选择的被控量有如下三种方案：的被控量有如下三种方案： 1）压力）压力p和温度和温度t皆为被控变量；皆为被控变量； 2）温度）温度t为被控变量；为被控

8、变量； 3）压力）压力p为被控变量。为被控变量。v相关工艺的专业知识：相关工艺的专业知识： 物理化学中的相律关系，其自由度的表达式为：物理化学中的相律关系，其自由度的表达式为： f=c-p+2 式中，式中，f为自由度；为自由度；c为组分数；为组分数；p为相数。为相数。 被控对象分析：被控对象分析：1)饱和蒸汽：其实质上存在气液两相（饱和蒸汽：其实质上存在气液两相（p=2），），而组分皆为水（而组分皆为水（ c=1），故自由度），故自由度f=1，即独，即独立变量只有一个，所以被控变量只能选择压力立变量只有一个，所以被控变量只能选择压力或温度中之一。或温度中之一。2)过热蒸气：蒸气在过热状态下只存

9、在一个气相过热蒸气：蒸气在过热状态下只存在一个气相（p=1），故自由度），故自由度f=2，因此可以把压力，因此可以把压力p和和温度温度t都选为被控变量。都选为被控变量。 确定被控量确定被控量1)控制饱和蒸汽的供汽质量：选饱和蒸汽压力为被控制饱和蒸汽的供汽质量：选饱和蒸汽压力为被控量。其与燃料量构成的控制系统解决蒸汽负荷控量。其与燃料量构成的控制系统解决蒸汽负荷变化与燃料波动对蒸汽质量的影响。变化与燃料波动对蒸汽质量的影响。2)控制过热蒸气的供汽质量：选过热蒸气压力及过控制过热蒸气的供汽质量：选过热蒸气压力及过热蒸气温度作为被控量。热蒸气温度作为被控量。3)必要性：过热蒸气温度过高，过热器易损坏

10、，汽必要性：过热蒸气温度过高，过热器易损坏，汽轮机内部过度的热膨胀，影响运行安全；过热蒸轮机内部过度的热膨胀，影响运行安全；过热蒸气温度过低，设备效率降低，汽轮机后级蒸汽湿气温度过低，设备效率降低，汽轮机后级蒸汽湿度增加，引起叶片磨损。蒸气压力控制是克服蒸度增加，引起叶片磨损。蒸气压力控制是克服蒸气负荷或燃料状况波动影响过热蒸气温度稳定的气负荷或燃料状况波动影响过热蒸气温度稳定的有效手段。有效手段。4)可行性：过热蒸气温度可测，且可以通过控制减可行性：过热蒸气温度可测，且可以通过控制减温器的喷水量，控制过热蒸汽温度。过热蒸气压温器的喷水量，控制过热蒸汽温度。过热蒸气压力可测，且可以通过控制锅炉

11、燃料量或汽轮机进力可测，且可以通过控制锅炉燃料量或汽轮机进汽阀开度，控制过热蒸汽压力。汽阀开度，控制过热蒸汽压力。 被控量的选择被控量的选择 操纵量的选择操纵量的选择 执行器的选择执行器的选择 控制器的选择控制器的选择7.2 单回路控制系统方案设计单回路控制系统方案设计选择操纵量选择操纵量(控制参数控制参数)的基本要求的基本要求1)1) 控制通道的抗扰动能力要强，动态响应比控制通道的抗扰动能力要强，动态响应比扰动通道快。扰动通道快。2)2) 根据控制和扰动通道的过程参数根据控制和扰动通道的过程参数(k(k、t t、 ）对系统品质的影响，选择控制参数。对系统品质的影响，选择控制参数。 7.2.2

12、 操纵量的选择操纵量的选择v(1) 放大系数对控制质量的影响放大系数对控制质量的影响v(2) 干扰通道动态特性对控制质量的影响干扰通道动态特性对控制质量的影响v(3) 控制通道动态特征对控制质量的影响控制通道动态特征对控制质量的影响 7.2.2 操纵量的选择操纵量的选择v(1) 放大系数对控制质量的影响放大系数对控制质量的影响v(2) 干扰通道动态特性对控制质量的影响干扰通道动态特性对控制质量的影响v(3) 控制通道动态特征对控制质量的影响控制通道动态特征对控制质量的影响图图7.3 单回路控制系统简化方框图单回路控制系统简化方框图v控制系统的偏差为控制系统的偏差为v因系统是稳定的，可应用终值定

13、理求的控制因系统是稳定的，可应用终值定理求的控制系统的余差为系统的余差为v扰动通道的闭环传递函数为扰动通道的闭环传递函数为v设设d(s)为单位阶跃干扰函数，并将为单位阶跃干扰函数，并将wc (s)、w0(s)、wd (s)、d(s)的表达式代入上式，的表达式代入上式，可求得系统的余差为：可求得系统的余差为：v结论结论扰动通道的静态放系数扰动通道的静态放系数 越大，系统余差越大越大，系统余差越大控制通道的放大系数控制通道的放大系数 越大，系统余差越小，克越大，系统余差越小，克服扰动通道的效果越好服扰动通道的效果越好由于由于 ，则控制器增益和控制对象的增益有，则控制器增益和控制对象的增益有一定的关

14、系一定的关系0kckkk0dk 7.2.2 操纵量的选择操纵量的选择v(1) 放大系数对控制质量的影响放大系数对控制质量的影响v(2) 干扰通道动态特性对控制质量的影响干扰通道动态特性对控制质量的影响v(3) 控制通道动态特征对控制质量的影响控制通道动态特征对控制质量的影响系统的特征方程为：系统的特征方程为：图图7.4 根平面上的附加极点根平面上的附加极点 (2)干扰通道动态特性对控制质量的影响干扰通道动态特性对控制质量的影响1）时间常数对控制质量的影响）时间常数对控制质量的影响结论结论v扰动通道的时间常数使系统特征方程式增加了一个极扰动通道的时间常数使系统特征方程式增加了一个极点点 ，系统的

15、超调量随系统的超调量随 的增大而减少，控制质量得的增大而减少，控制质量得到提高。到提高。 愈大，则扰动通道对系统的影响愈小愈大，则扰动通道对系统的影响愈小v选择操纵量时，应使干扰通道的时间常数大些为好选择操纵量时，应使干扰通道的时间常数大些为好1dtdtdtdt2）滞后时间对控制质量的影响）滞后时间对控制质量的影响结论：扰动滞后时间常数使整个过程推迟结论：扰动滞后时间常数使整个过程推迟一个滞后时间常数，所以存在扰动滞后对一个滞后时间常数，所以存在扰动滞后对系统有利。系统有利。图图7.5 液位控制液位控制 结论结论: 扰动点离被控量愈近影响愈大扰动点离被控量愈近影响愈大3）干扰作用点位置对控制质

16、量的影响）干扰作用点位置对控制质量的影响 扰动点离被控量愈近影响愈大扰动点离被控量愈近影响愈大4）干扰幅值对控制质量的影响）干扰幅值对控制质量的影响5）周期性干扰对控制质量的影响）周期性干扰对控制质量的影响 7.2.2 操纵量的选择操纵量的选择v(1) 放大系数对控制质量的影响放大系数对控制质量的影响v(2) 干扰通道动态特性对控制质量的影响干扰通道动态特性对控制质量的影响v(3) 控制通道动态特征对控制质量的影响控制通道动态特征对控制质量的影响v（3）控制通道动态特征对控制质量的影响）控制通道动态特征对控制质量的影响 1）时间常数）时间常数t对控制质量的影响对控制质量的影响( (1).t1)

17、.t太大太大 特点：使控制作用变弱，控制质量变坏。特点：使控制作用变弱，控制质量变坏。 措施：合理选择执行器位置；采用前馈或复杂措施：合理选择执行器位置；采用前馈或复杂控制控制. . 2）滞后时间对控制质量的影响）滞后时间对控制质量的影响图图7.6 具有纯滞后具有纯滞后0的系统的系统v设控制器为纯比例作用，放大系数为设控制器为纯比例作用，放大系数为kc，当对象不存在纯滞后当对象不存在纯滞后0时，开环传递函数为时，开环传递函数为v若对象存在纯滞后若对象存在纯滞后0 ，对象的传递函数为，对象的传递函数为图图7.7 频率特性频率特性 由于由于 o的存在，使相角滞后增加而幅值不变。其频率特性求法的存在

18、，使相角滞后增加而幅值不变。其频率特性求法如下：在如下：在 o=0时的曲线时的曲线w(j )上上 1、 2、 3 各点分别对应的幅各点分别对应的幅值是值是a、b、c。当。当 o 0时，时，如点如点a处，频率为处，频率为 1，取，取 w(j 1) 的幅值的幅值a ，但相角滞后，但相角滞后 1 o增加了增加了 1 o弧度，从而定出新的点弧度，从而定出新的点a 。同理可得出。同理可得出 2、 3 时各相应点时各相应点b、c ，将，将a、b、c、各点连接起来即为各点连接起来即为w(j )的幅相频率特性。由此曲线可的幅相频率特性。由此曲线可见，当见，当 o 0时，随着时，随着kcko的增大，的增大， w

19、(j )有可能包围有可能包围(-1，j0 )点，点， o值愈大，这种可能性愈大，即值愈大，这种可能性愈大，即系统的稳定性愈差系统的稳定性愈差。v一般一般 o/t0 0.3的对象较易控制，而的对象较易控制，而 o/t0 （0.5 0.6）的对象较难控制。）的对象较难控制。v在选控制参数（操纵量）时，要设法减小在选控制参数（操纵量）时，要设法减小 o/t0 的比值。减少信号传输距离或提高信号传输速的比值。减少信号传输距离或提高信号传输速度等都是常用方法。另外，有时增大度等都是常用方法。另外，有时增大t0 值也收值也收到较好效果。到较好效果。结论结论图图7.8 具有三个时间常数的控制系统具有三个时间

20、常数的控制系统3）时间常数匹配对控制质量的影响）时间常数匹配对控制质量的影响结论结论v如果有两个以上的时间常数，则最大的时如果有两个以上的时间常数，则最大的时间常数决定过程的快慢，而间常数决定过程的快慢，而t2/t1等因素只等因素只影响系统易控的程度影响系统易控的程度,t2与与t1 1拉得愈开，即拉得愈开，即t2/t1 愈小，则愈接近一阶环节，系统愈易愈小，则愈接近一阶环节，系统愈易稳定。设法减小稳定。设法减小t2/t1往往是提高系统调节往往是提高系统调节品质的一条可行性途径，这在选择设备设品质的一条可行性途径，这在选择设备设计与检测组件时是很值得考虑的。计与检测组件时是很值得考虑的。通过以上

21、干扰通道和控制通道特性对控制质通过以上干扰通道和控制通道特性对控制质量影响的分析，可得出量影响的分析，可得出操纵量选择时应遵循操纵量选择时应遵循的一般原则：的一般原则：操纵量应具有可控性、工艺操作的合理性、操纵量应具有可控性、工艺操作的合理性、经济性。经济性。控制通道的放大系数控制通道的放大系数k0要适当大一些，时要适当大一些，时间常数间常数t0要适当小一些，纯滞后时间要适当小一些，纯滞后时间0愈小愈小愈好。愈好。 干扰通道的放大系数干扰通道的放大系数kd 应尽可能小，时应尽可能小，时间常数间常数td 要大一些，容量滞后要大一些，容量滞后c 愈大，则愈大，则有利于控制；干扰作用点位置要远离被控

22、有利于控制；干扰作用点位置要远离被控量的检测点，即向执行器靠近为好；干扰量的检测点，即向执行器靠近为好；干扰的频率与系统工作频率要相差的频率与系统工作频率要相差3倍以上；当倍以上；当出现幅值太大的干扰时，应考虑设计一个出现幅值太大的干扰时，应考虑设计一个单独的控制系统予以克服，或采取其他措单独的控制系统予以克服，或采取其他措施尽量地减小它的幅值。施尽量地减小它的幅值。当广义对象具有几个时间常数时，应尽当广义对象具有几个时间常数时，应尽量地设法使它们越错开越好。量地设法使它们越错开越好。 被控量的选择被控量的选择 操纵量的选择操纵量的选择 执行器的选择执行器的选择 控制器的选择控制器的选择7.2

23、 单回路控制系统方案设计单回路控制系统方案设计7.2.3 执行器的选择执行器的选择v（1）控制阀的流量特性选择控制阀的流量特性选择v（2） 控制阀气控制阀气开、气关方式选择开、气关方式选择v（3） 控制阀的口径选择控制阀的口径选择控制阀的流量特性基本概念：控制阀的流量特性基本概念：1)理想流量特性：阀两端压力恒定时的流量特性，理想流量特性：阀两端压力恒定时的流量特性，即制造厂提供的阀特性；即制造厂提供的阀特性；理想流量特性有直线、理想流量特性有直线、对数、抛物线和快开四种。对数、抛物线和快开四种。2)工作流量特性：阀两端压力变化时的流量特性；工作流量特性：阀两端压力变化时的流量特性；由过程特性

24、决定由过程特性决定阀门工作流量特性。阀门工作流量特性。3)流量系数：阀全开时阀两端压力流量系数：阀全开时阀两端压力 / 管道系统的总管道系统的总压差；以此压差；以此衡量控制阀实际工作流量特性相对衡量控制阀实际工作流量特性相对于理想流量特性的变化程度。于理想流量特性的变化程度。（1）控制阀的流量特性选择控制阀的流量特性选择控制阀的工作流量特性（串联管道）控制阀的工作流量特性（串联管道）a.控制阀与管道设备串联工作时，若总压差控制阀与管道设备串联工作时，若总压差一定，随着控制阀开度增大，流量增加，一定，随着控制阀开度增大，流量增加，管道设备上的压力降增大，控制阀前后的管道设备上的压力降增大，控制阀

25、前后的压差将逐渐减小，结果控制阀的流量特性压差将逐渐减小，结果控制阀的流量特性将发生变化。将发生变化。b.对线性阀来说，其理想流量特性是一条直对线性阀来说，其理想流量特性是一条直线，由于串联阻力的影响，其实际的工作线，由于串联阻力的影响，其实际的工作流量特性变成为对数阀工作流量特性。流量特性变成为对数阀工作流量特性。流量系数流量系数sa.a.衡量控制阀实际工作流量特性相对于理想流量特衡量控制阀实际工作流量特性相对于理想流量特性的变化程度；性的变化程度；b.b. 式中式中 vmin、控制阀全控制阀全开时阀门前后的压差、系统总压差；开时阀门前后的压差、系统总压差；c.当当s=1时，控制阀前后的压差

26、等于系统的总压差，时，控制阀前后的压差等于系统的总压差，工作流量特性即为理想流量特性；工作流量特性即为理想流量特性；d.当当s1时，受串联管道设备阻力影响，流量特性时，受串联管道设备阻力影响，流量特性发生两个变化：控制阀全开时流量减小，即控制发生两个变化：控制阀全开时流量减小，即控制阀可调范围变小；流量特性曲线畸变阀可调范围变小；流量特性曲线畸变 ，s值越小，值越小，畸变越严重，对控制越不利。所以，在实际使用畸变越严重，对控制越不利。所以，在实际使用中要求中要求s不低于不低于0.30.30.50.5。ppsvmin控制阀工作流量特性（并联管道）控制阀工作流量特性（并联管道）a.控制阀除了与管道

27、设备串联工作外，在现场使控制阀除了与管道设备串联工作外，在现场使用中，为了便于手动操作和维护，控制阀还与用中，为了便于手动操作和维护，控制阀还与管道设备并联工作。管道设备并联工作。b.当关闭旁路时，即当关闭旁路时，即s=1时，工作流量特性与理时，工作流量特性与理想流量特性是一致的。想流量特性是一致的。c.随着旁路阀逐渐打开，其旁路流量逐步增加，随着旁路阀逐渐打开，其旁路流量逐步增加，s逐渐减小，控制阀可调范围大大下降；同时逐渐减小，控制阀可调范围大大下降；同时总存在串联管道阻力的影响，这将使控制阀所总存在串联管道阻力的影响，这将使控制阀所能控制的流量变化很小，甚至不起控制作用。能控制的流量变化

28、很小，甚至不起控制作用。d.根据现场使用经验，旁路流量只能为总流量的根据现场使用经验，旁路流量只能为总流量的百分之十几，百分之十几，s值不能低于值不能低于0.80.8。1 1、目标、目标 用控制阀的流量特性来补偿被控过程特性的用控制阀的流量特性来补偿被控过程特性的变化，使系统总的放大系数保持或近似不变。变化，使系统总的放大系数保持或近似不变。2 2、方法、方法 根据阀门的工作流量特性和根据阀门的工作流量特性和s值，选定阀门值，选定阀门特性；通常特性；通常采用经验法。采用经验法。控制阀的流量特性选择控制阀的流量特性选择控制阀选择控制阀选择根据根据控制质量要求控制质量要求a.a. 在变负荷情况下要

29、使系统保持预定的品质指标，在变负荷情况下要使系统保持预定的品质指标，则要求系统总的放大系数在整个操作范围内保则要求系统总的放大系数在整个操作范围内保持不变。持不变。b.b. 合理选择控制阀的流量特性来补偿被控过程特合理选择控制阀的流量特性来补偿被控过程特性的变化，使系统总的放大系数保持或近似不性的变化，使系统总的放大系数保持或近似不变。变。控制阀选择控制阀选择根据根据负荷变化情况负荷变化情况 由于对数特性控制阀的放大系数是变化的，因由于对数特性控制阀的放大系数是变化的，因此能适应负荷变化大的场合，同时亦能适用于此能适应负荷变化大的场合，同时亦能适用于控制阀经常工作在小开度的情况，所以用对数控制

30、阀经常工作在小开度的情况，所以用对数控制阀的使用较为广泛。控制阀的使用较为广泛。（2） 控制阀气控制阀气开、气关方式选择开、气关方式选择u气气开开阀阀、气关、气关阀阀的定义：的定义：气开式阀气开式阀：随着控制信号的增大而开度加大，：随着控制信号的增大而开度加大，当无压力控制信号时，阀处于全关闭状态；当无压力控制信号时，阀处于全关闭状态；气关式阀气关式阀：随着控制信号的增大阀逐渐关闭，：随着控制信号的增大阀逐渐关闭，当无压力控制信号时，阀处于全开状态。当无压力控制信号时，阀处于全开状态。u控制系统中究竟控制系统中究竟控制阀控制阀选择选择气气开还是气关开还是气关方式完全是由生产工艺的要求决定。方式

31、完全是由生产工艺的要求决定。选择选择气气开开阀阀、气关、气关阀阀的原则：的原则：1)保证安全生产：保证安全生产：当过程控制系统发生故障（如气当过程控制系统发生故障（如气源供气中断、控制器与控制阀损坏等）时出现，源供气中断、控制器与控制阀损坏等）时出现，控制阀所处状态应能确保工艺设备的安全，不致控制阀所处状态应能确保工艺设备的安全，不致发生事故。如锅炉供水控制阀，为了保证发生上发生事故。如锅炉供水控制阀，为了保证发生上述情况时不致把锅炉烧坏，就应选择气关阀。述情况时不致把锅炉烧坏，就应选择气关阀。2)保证产品质量：保证产品质量：当控制阀不能正常工作时，阀所当控制阀不能正常工作时，阀所处的状态不应

32、造成产品的质量下降。如精馏塔回处的状态不应造成产品的质量下降。如精馏塔回流量控制系统通常选用气关阀，这样，一旦发生流量控制系统通常选用气关阀，这样，一旦发生故障阀门全开，使生产处于全回流状态，这就防故障阀门全开，使生产处于全回流状态，这就防止出现不合格产品，从而保证了塔顶产品的质量。止出现不合格产品，从而保证了塔顶产品的质量。3)降低原料和动力的损耗降低原料和动力的损耗：如控制精馏塔进料的控：如控制精馏塔进料的控制阀常采用气开式。这样一旦出现故障，阀门是制阀常采用气开式。这样一旦出现故障，阀门是处于关闭状态的，不再给塔投料，从而减少浪费。处于关闭状态的，不再给塔投料，从而减少浪费。4)从介质特

33、点考虑从介质特点考虑：如精馏塔釜加热蒸汽控制阀一：如精馏塔釜加热蒸汽控制阀一般选用气开式，以保证发生故障时不浪费蒸汽。般选用气开式，以保证发生故障时不浪费蒸汽。但是，有些生产装置内是易结晶、易凝结的物料但是，有些生产装置内是易结晶、易凝结的物料时，则应考虑选用气关式控制阀。这样，在事故时，则应考虑选用气关式控制阀。这样，在事故状态下控制阀全开以防止由于停止了蒸汽的供给状态下控制阀全开以防止由于停止了蒸汽的供给而导致釜内液体的结晶或凝聚毁坏设备。而导致釜内液体的结晶或凝聚毁坏设备。5)在确定了控制阀的开、关后，还要在确定了控制阀的开、关后，还要对其配套的执对其配套的执行机构的正、反作用方式进行选

34、择。行机构的正、反作用方式进行选择。（3） 控制阀的口径选择控制阀的口径选择1)控制阀口径大小直接决定着控制介质流过它的控制阀口径大小直接决定着控制介质流过它的能力；能力；2)控制阀口径选得过大，超过了正常控制所需的控制阀口径选得过大，超过了正常控制所需的介质流量，控制阀将经常处于小开度下工作，介质流量，控制阀将经常处于小开度下工作，阀的特性将会发生畸变，阀性能就较差；阀的特性将会发生畸变，阀性能就较差；3)如果控制阀口径选得太小，在正常情况下都在如果控制阀口径选得太小，在正常情况下都在大开度下工作，阀的特性也不好。此外，控制大开度下工作，阀的特性也不好。此外，控制阀口径选得过小也不适应生产发

35、展的需要。因阀口径选得过小也不适应生产发展的需要。因此，控制阀口径的选择应留有一定的余地。此，控制阀口径的选择应留有一定的余地。4)正常情况下，阀开度处于正常情况下，阀开度处于15%85%之间；之间；5)5)控制阀口径大小是通过计算控制阀流通能力的控制阀口径大小是通过计算控制阀流通能力的大小来决定的，控制阀流通能力必须满足生产大小来决定的，控制阀流通能力必须满足生产控制的要求并留有一定的余地；控制的要求并留有一定的余地；6)6)一般流通能力要根据控制阀所在管线的最大流一般流通能力要根据控制阀所在管线的最大流量以及控制阀两端的压降来进行计算，并且为量以及控制阀两端的压降来进行计算，并且为了保证控

36、制阀具有一定的可控范围；了保证控制阀具有一定的可控范围；7)7)必须使控制阀两端的压降在整个管线的总压降必须使控制阀两端的压降在整个管线的总压降中占有较大的比例。所占的比例愈大，控制阀中占有较大的比例。所占的比例愈大，控制阀的可控范围愈宽。如果控制阀两端压降在整个的可控范围愈宽。如果控制阀两端压降在整个管线总压降中所占的比例小，可控范围就变窄，管线总压降中所占的比例小，可控范围就变窄，将会导致控制阀特性的畸变，使控制效果变差。将会导致控制阀特性的畸变，使控制效果变差。 被控量的选择被控量的选择 操纵量的选择操纵量的选择 执行器的选择执行器的选择 控制器的选择控制器的选择7.2 单回路控制系统方

37、案设计单回路控制系统方案设计7.2.4 控制器的选择控制器的选择v(1)控制器类型的选择控制器类型的选择1）p控制器的选择控制器的选择2）pi控制器的选择控制器的选择3）pid控制器的选择控制器的选择v(2)控制器正、反作用方式的选择控制器正、反作用方式的选择0)(uteku(t)c三类常规控制器简介三类常规控制器简介（1）比例控制器：）比例控制器： 比例控制器输出与偏差成比例比例控制器输出与偏差成比例式中，式中，u(t)为控制其输出信号，为控制其输出信号，e(t)为设定值与测量为设定值与测量信号之差，信号之差，kc为比例增益。为比例增益。u0是是t=0瞬间偏差为零时瞬间偏差为零时的控制器输出

38、的控制器输出。v控制器类型的选择控制器类型的选择（2）比例积分控制器：）比例积分控制器：ticuedtteku00)1( )0ite t 式中， 为积分时间。控制器输出信号的大小不仅与偏差信号的大小有关，而且还与偏差存在的时间长短有关。只有时，控制器的输出才能稳定；即消除偏差是积分控制作用的主要特性。（3）比例积分微分控制器）比例积分微分控制器001()tcdipiddeuk eedttutdt控制作用是引入微分的目的是改善控制系统的动态品质。根据偏差变化率（趋势）调整控制器输出，为解决系统动态响应方面的问题提供了一种方法。选择控制器选择控制器-未知过程模型时未知过程模型时1)1)要求滞后小、

39、可有余差；选比例（要求滞后小、可有余差；选比例（p p）控制器；）控制器；2)2)要求无静差，可选比例积分（要求无静差，可选比例积分（pipi）控制器；）控制器；3)3)要求克服容量滞后、且测量信号无高频噪声或周要求克服容量滞后、且测量信号无高频噪声或周期性扰动，允许有静差，可选用比例微分（期性扰动，允许有静差，可选用比例微分（pdpd）控制器；控制器；4)4)在上述在上述 1 1）、）、2 2）、）、3 3）均无效时，可考虑采用）均无效时，可考虑采用pidpid控制器，此时参数整定是关键；控制器，此时参数整定是关键；5)5)若若pidpid控制律仍不满足控制要求，则考虑其他复杂控制律仍不满足

40、控制要求，则考虑其他复杂的控制算法。的控制算法。选择控制器选择控制器-已知过程模型时已知过程模型时若过程的数学模型可近似表示为：若过程的数学模型可近似表示为：l根据根据 o o/t/to o比值选择控制器。比值选择控制器。 a.a. o o/t/to o0.20.2时，选时，选p p或或pipi控制器；控制器； b. b. 0.20.2 o o/t/to o1.0 1.0 时，选时，选pipi或或pidpid控制器；控制器； c. c. 1.01.0 o o/t/to o 时，选时，选其他复杂的控制方案。其他复杂的控制方案。2)2)根据过程特性和工艺要求，选择模型控制算法或根据过程特性和工艺要

41、求，选择模型控制算法或其他控制方案。其他控制方案。（2）控制器正、反作用方式的选择）控制器正、反作用方式的选择1）控制器正控制器正/反作用的定义：反作用的定义：控制器正作用：当系统的测量值增加时，控制器控制器正作用：当系统的测量值增加时，控制器 的输出亦增加；的输出亦增加；控制器反作用：当系统的测量值增加时，控制器控制器反作用：当系统的测量值增加时，控制器 的输出亦减小。的输出亦减小。2）控制器正、反作用方式的选择）控制器正、反作用方式的选择控制阀气开式取控制阀气开式取“+ +”号，气关式取号，气关式取“- -”号；号；控制器正作用取控制器正作用取“+ +”，反作用取，反作用取“- -”号；号

42、；对象当通过控制阀的物料或能量增加时，按工艺对象当通过控制阀的物料或能量增加时，按工艺机理分析，若被控量随之增加则取机理分析，若被控量随之增加则取“+ +”号，随之号，随之降低取降低取“- -”号；号；变送器一般视为正环节。变送器一般视为正环节。控制器正、反作用方式选择判别式为控制器正、反作用方式选择判别式为：v例例 加热炉的简单控制系统加热炉的简单控制系统。 各环节作用方向为：各环节作用方向为：控制阀：控制阀： 气开阀。气开阀。从工艺安全条件出发，应选择控制阀为气开阀，以防当气源突然中断时，控制阀反而大开烧毁炉子。被控对象：被控对象：正对象。正对象。（因为当操纵变量燃料气流量增加时，出口温度

43、也增加。）控制器：控制器：反作用反作用。（因为当出口温度增加时，控制器的输出减小，关小燃料气的阀门。）被控对象：被控对象：加热炉；被控变量：被控变量：出口温度；操纵变量：操纵变量：燃料气流量。v例例 液位的简单控制系统。液位的简单控制系统。被控对象：被控对象：贮液罐；被控变量：被控变量：液位；操纵变量：操纵变量：流出物料量； 各环节作用方向为：各环节作用方向为：控制阀控制阀：气开阀。（气开阀。（从工艺安全条件出发，应选择执行器为气开阀，以防当气源突然中断时，控制阀关闭，以免物料流失。）被控对象被控对象：反对象。反对象。（因为当流出物料量增加时，液位下降。）控制器：控制器：正作用正作用。（因为当

44、液位下降使变送器的输出减小时，控制器的输出也减小，才能关小出口阀门使液位升高。相反的，当液位升高使变送器的输出增加时，控制器的输出也增加，才能开大出口阀门使液位下降。）单回路控制系统的投运单回路控制系统的投运三、位式控制（位式调节）三、位式控制（位式调节） 双位控制的规律是双位控制的规律是：当测量值大于给定值时，控制器的输出位最大当测量值大于给定值时，控制器的输出位最大（或最小）；（或最小）；当测量值小于给定值时，控制器的输出位最小当测量值小于给定值时，控制器的输出位最小（或最大）。（或最大）。 理想的双位控制器的输出信号理想的双位控制器的输出信号p与输入信号与输入信号e之间的关系为：之间的关

45、系为：即控制器只有即控制器只有“开开”“”“关关”两个输出状两个输出状态。态。 p=pmax e0（或（或e0）时）时 p=pmin e0（或或e e0 0）时）时 图图7-4 pid控制系统输出响控制系统输出响应应p、i、d环节的作用环节的作用p、i、d环节的作用环节的作用比例的作用是减小误差、提高动态响应速度比例的作用是减小误差、提高动态响应速度积分的作用是消除稳态误差、但会有较大超调、调节时间积分的作用是消除稳态误差、但会有较大超调、调节时间加长加长微分的作用是预测偏差、产生超前校正作用、改善系统动态微分的作用是预测偏差、产生超前校正作用、改善系统动态性能性能（1）比例作用定量分析）比例

46、作用定量分析数字数字pid控制器的参数整定控制器的参数整定比例系数比例系数kp对系统性能的影响对系统性能的影响（1）对稳态特性的影响）对稳态特性的影响 加大比例控制加大比例控制kp，在系统稳定的，在系统稳定的情况下，可以减小稳态误差，提情况下，可以减小稳态误差，提高控制精度，但不能完全消除稳高控制精度，但不能完全消除稳态误差。态误差。（2）对动态特性的影响）对动态特性的影响 pkp加大使系统的动作灵敏，速度加大使系统的动作灵敏，速度加快；加快；pkp偏大，振荡次数加多，调节时偏大，振荡次数加多，调节时间加长；间加长；pkp太大时，系统会趋于不稳定；太大时，系统会趋于不稳定；pkp太小，又会使系

47、统的动作缓慢。太小，又会使系统的动作缓慢。（2）积分作用定量分析）积分作用定量分析数字数字pid控制器的参数整定控制器的参数整定ti对系统性能的影响对系统性能的影响（1）对稳态特性的影响）对稳态特性的影响p 可以消除稳态误差，提高系统的可以消除稳态误差，提高系统的控制精度；但是若控制精度；但是若ti太大，积分作太大，积分作用太弱，以致不能减小稳态误差。用太弱，以致不能减小稳态误差。（2）对动态特性的影响）对动态特性的影响p 会使系统的稳定性下降；会使系统的稳定性下降；p ti太小会使系统不稳定；太小会使系统不稳定；p ti偏小会使振荡次数较多偏小会使振荡次数较多;p ti太大对系统性能的影响减

48、少；太大对系统性能的影响减少；p ti合适时，过渡特性比较理想。合适时，过渡特性比较理想。（3）微分作用定量分析）微分作用定量分析数字数字pid控制器的参数整定控制器的参数整定td对系统性能的影响对系统性能的影响p 微分作用可以改善控制系统微分作用可以改善控制系统的动态特性；的动态特性；p td加大时，超调量较大，调加大时，超调量较大，调节时间较长；节时间较长；p td合适时，才能使超调量偏合适时，才能使超调量偏小，减短调节时间。小，减短调节时间。7.3 控制器的参数整定控制器的参数整定v有关单回路控制系统整定的概述有关单回路控制系统整定的概述系统整定系统整定-指选择控制器的比例度、积分时间和

49、微分时间的具体数值。系统整定的实质，就是通过改变控制参数使控制器特性和被控过程特性配合好，来改善系统的动态和静态特性，求得最佳的控制效果。系统的良好控制效果一般要求系统的良好控制效果一般要求：瞬时响应的衰减率（以保证系统具有一定的稳定性储备），尽量减小稳态偏差(余差)、最大偏差和过渡过程时间。注意注意：只有系统设计正确，仪表选择正确，且经过调校和正确安装之后，控制器参数的整定才是有意义的。 比例度比例度 在实际的比例控制器中，习惯上用比例度在实际的比例控制器中，习惯上用比例度来表示比例作用来表示比例作用的强弱的强弱，而不用放大倍数kp。式中 e-控制器的输入变化量； p-相应的控制器的输出变化

50、量；xmaxxmin-输入的最大变化量，即控制仪表的量程； pmaxpmin-输出的最大变化量，即控制仪表输出的 工作范围。 比例度就是使控制器输出变化满刻度时，输入偏差变化比例度就是使控制器输出变化满刻度时，输入偏差变化对应指示刻度的百分数。对应指示刻度的百分数。 例如，一只比例作用的ddz-电动温度控制器，其量程（刻度范围）为400800c，控制器输出为010ma。当仪表指针从600c移到700c，此时控制器相应的输出从4ma变为9ma，这时的比例度应该是： 50% 这说明这台温度控制器，当温度变化全量程的50%（相当于变化200c），这台控制器的输出就可以从0ma变化到10ma。在此范围

51、内，温度输入的变化e和控制器的输出p是成比例的。 v比例度的示意图 ： 分别说明了当比例度为50%、100%、200%时，控制器的输出由最小pmin变为最大pmax的所需要的输入变化区间。 比例度越小，使输出变比例度越小，使输出变化全量程范围所需的输化全量程范围所需的输入变化区间就越小。入变化区间就越小。比例作用的强弱的表示v 比例度与放大倍数kp都可以用来表示比例调节作用的强弱。只不过放大倍数kp越大，表示比例控制作用越强；而越大，表示控制作用越弱。v在单元组合式仪表中，控制器和变送器的输出信号都是统一的标准信号，则比例度与放大倍数kp互为倒数关系，即v控制器参数的整定方法：控制器参数的整定

52、方法：理论计算整定法理论计算整定法：根轨迹法、频率特性法根轨迹法、频率特性法等。这等。这类整定方法要求已知过程的数学模型。其计算繁类整定方法要求已知过程的数学模型。其计算繁琐，工作量很大，而且最后得到的数据一般精度琐，工作量很大，而且最后得到的数据一般精度又不高，所以目前在工程上较少采用。又不高，所以目前在工程上较少采用。工程整定方法工程整定方法：经验凑试法、临界比例度法、衰经验凑试法、临界比例度法、衰减曲线法、响应曲线法减曲线法、响应曲线法等。它直接在过程控制系等。它直接在过程控制系统中进行。其方法简单，计算简便，而且容易掌统中进行。其方法简单，计算简便，而且容易掌握，所得参数虽然不一定为理

53、论上的最佳参数，握，所得参数虽然不一定为理论上的最佳参数，但是相当实用，能解决一般性问题，所以在工程但是相当实用，能解决一般性问题，所以在工程上得到了广泛应用。上得到了广泛应用。7.3.1 控制器参数整定控制器参数整定理论基础理论基础v闭环控制系统的传递函数为：闭环控制系统的传递函数为：v闭环控制系统的特征方程为：闭环控制系统的特征方程为：v其一般形式为：其一般形式为：v参数整定就是确定参数整定就是确定01,na aa特征根与系统特性的关系v实部实部0，运动分量是发散的，运动分量是发散的v实部实部0，运动分量是衰减的，运动分量是衰减的v实部实部=0 ，运动分量做等幅振荡，运动分量做等幅振荡控制

54、器参数整定就是选择合适的参数值，使特控制器参数整定就是选择合适的参数值，使特征方程所有实根和所有复根的实数部分的都为征方程所有实根和所有复根的实数部分的都为负实部。负实部。实际生产过程要求控制系统不仅是稳定的，而实际生产过程要求控制系统不仅是稳定的，而且要求有一定的稳定裕量。且要求有一定的稳定裕量。v由递减率的定义可得：由递减率的定义可得：v对于稳定的振荡分量，有：对于稳定的振荡分量，有：图7.10 振荡分量的递减率其中其中m m：递减指数递减指数根平面中质量合格区域根平面中质量合格区域v位于折线位于折线aobaob左面的左面的任何一对共轭复根代任何一对共轭复根代表的振荡过程都具有表的振荡过程

55、都具有比比m0m0大的递减指数或大的递减指数或递减率。递减率。v在整定控制器参数时在整定控制器参数时，要保证过渡过程具，要保证过渡过程具有一定的稳定裕量，有一定的稳定裕量，就要使闭环控制系统就要使闭环控制系统特征方程的根位于特征方程的根位于aobaob折线的左侧。折线的左侧。v实际生产过程要求控制系统不仅是稳定的，而且要实际生产过程要求控制系统不仅是稳定的，而且要求有一定的快速性。求有一定的快速性。v从快速性看，一对共轭复根代表的振荡分量的衰减从快速性看，一对共轭复根代表的振荡分量的衰减速度取决于复根的实部速度取决于复根的实部。 越大，越大， 衰减越快。衰减越快。v在整定控制器参数时，要在整定

56、控制器参数时，要保证控制系统有一定的快保证控制系统有一定的快速性，就要使闭环控制系统特征方程的根位于过点速性，就要使闭环控制系统特征方程的根位于过点0垂线的左侧。垂线的左侧。v在实际生产过程中，要求控制系统过渡过程的振荡在实际生产过程中，要求控制系统过渡过程的振荡频率不能太高。频率不能太高。v振荡频率过高，会造成调节阀的开闭过于频繁，加振荡频率过高，会造成调节阀的开闭过于频繁，加大设备的磨损。大设备的磨损。v限制一下限制一下的范围。复根的虚部的范围。复根的虚部表征了一对共轭表征了一对共轭复根的振荡分量的振荡频率。复根的振荡分量的振荡频率。图7.11 根平面中质量合格区域v7.3.2 控制器参数

57、工程整定法控制器参数工程整定法（1）经验凑试法）经验凑试法（2）临界振荡整定临界振荡整定法法（3）衰减曲线法）衰减曲线法（4）响应曲线法）响应曲线法（1）经验凑试法）经验凑试法经验凑试法经验凑试法一一具体步骤：具体步骤：a)p控制器：控制器： 将比例度由较大数值逐步减小，观察被控量的过渡过程将比例度由较大数值逐步减小，观察被控量的过渡过程曲线，直到曲线满意为止；曲线，直到曲线满意为止；b) pi控制器：控制器： 先置先置ti = ，按纯比例整定比例度，使之达到，按纯比例整定比例度，使之达到4：1衰减过衰减过程曲线；然后将放大程曲线；然后将放大(1020)%，将积分时间由大至小逐，将积分时间由大

58、至小逐步加入，直到获得步加入，直到获得4：1衰减过程；衰减过程；c)c)pidpid控制器：控制器： 先令先令td =0 =0，按，按pipi控制器控制器凑试整定，然后将比例度减低到凑试整定，然后将比例度减低到比原值小比原值小(10(1020)%20)%位置，位置，ti也适当增大之后，再把也适当增大之后，再把td由由小至大地逐步加入，观察过渡过程曲线，直到获得满意小至大地逐步加入，观察过渡过程曲线，直到获得满意的过渡过程为止。的过渡过程为止。经验凑试方法二经验凑试方法二具体步骤：具体步骤：a)根据表根据表7.6的经验数据，预先确定一个积分时的经验数据，预先确定一个积分时间数值，然后由大至小调整

59、比例度以获得满间数值，然后由大至小调整比例度以获得满意的过渡过程为止；意的过渡过程为止；b)如需加微分作用，可取如需加微分作用，可取td=（1/31/4）ti，放好放好ti 、 td之后，再调整比例度。比例度与之后，再调整比例度。比例度与积分时间在一定范围内相匹配，可以得到相积分时间在一定范围内相匹配，可以得到相同递减比的过渡过程。这样，比例度的减小同递减比的过渡过程。这样，比例度的减小可用增大积分时间来补偿，反之亦然。可用增大积分时间来补偿，反之亦然。经验凑试法经验凑试法小结小结a)a)在应用经验凑试法整定控制器参数的过程中，若在应用经验凑试法整定控制器参数的过程中，若观察到曲线振荡频繁，则

60、需减小比例作用；观察到曲线振荡频繁，则需减小比例作用；b)b)若曲线最大偏差大、且趋于非周期过程，则需增若曲线最大偏差大、且趋于非周期过程，则需增强比例作用。强比例作用。c)c)当曲线波动较大时，应减小积分作用；当曲线波动较大时，应减小积分作用；d)d)若曲线偏离设定值后长时间不能回来，则需增强若曲线偏离设定值后长时间不能回来，则需增强积分作用；积分作用；e)e)若曲线振荡得厉害，需把微分作用减到最小或者若曲线振荡得厉害，需把微分作用减到最小或者暂时不加微分作用；暂时不加微分作用；f)f)若曲线最大偏差大而衰减慢，则需增强微分作用。若曲线最大偏差大而衰减慢，则需增强微分作用。g)g)以参数对控