过程装备控制第2章

1、12 2 过程装备控制基础过程装备控制基础 2.1 2.1 被控对象的特性被控对象的特性定义：定义：就是当被控对象的输入变量发生变化时，其输出变量随时间的变化就是当被控对象的输入变量发生变化时，其输出变量随时间的变化 规律（包括变化的大小和速度等）。规律（包括变化的大小和速度等）。通道：通道：被控对象输入变量与输出变量之间的联系。被控对象输入变量与输出变量之间的联系。 控制通道控制通道操纵变量与被控变量之间的联系操纵变量与被控变量之间的联系 干扰通道干扰通道干扰作用与被控变量之间的联系干扰作用与被控变量之间的联系调节器调节器执行器执行器被控过程被控过程测量元件及变送器测量元件及变送器sy)(设

2、定点参比信号e偏差u控制信号m操纵变量f干扰变量y被控变量my22.1.1 2.1.1 被控对象的数学描述（过程建模）被控对象的数学描述（过程建模） 工业过程的数学模型分为工业过程的数学模型分为动态数学模型动态数学模型和和静态静态(稳态稳态)数学模型数学模型 过程建模方法有过程建模方法有机理法建模机理法建模和和测试法建模测试法建模(见见2.1.2章节章节) 机理法建模机理法建模就是根据工业生产过程的机理，写出各种有关的平衡方就是根据工业生产过程的机理，写出各种有关的平衡方程如：物质守恒方程；能量守恒方程；动量平衡方程；相平衡方程以及程如：物质守恒方程；能量守恒方程；动量平衡方程；相平衡方程以及

3、反映流体流动、传热、传质、化学反应等基本规律的运动方程，物性参反映流体流动、传热、传质、化学反应等基本规律的运动方程，物性参数方程和某些设备的特性方程等，从中获得所需要的数学模型。数方程和某些设备的特性方程等，从中获得所需要的数学模型。 测试法建模测试法建模就是根据工业过程的输入输出的实测数据进行某些数学就是根据工业过程的输入输出的实测数据进行某些数学处理处理(如回归处理等如回归处理等)而得到的模型。而得到的模型。3 所谓所谓被控对象的数学描述被控对象的数学描述是由物料平衡和能量平衡是由物料平衡和能量平衡关系推导出来的微分方程式。关系推导出来的微分方程式。 1.在静态条件下：在静态条件下： 单

4、位时间流入对象的物料或能量单位时间流入对象的物料或能量=从系统中流出得从系统中流出得物料或能量。物料或能量。 2.在动态条件下：在动态条件下： 单位时间流入对象的物料或能量与从系统中流出单位时间流入对象的物料或能量与从系统中流出的物料或能量之差等于系统内物料或能量贮存量的变化的物料或能量之差等于系统内物料或能量贮存量的变化率。率。2.1.1 被控对象的数学描述（过程建模）被控对象的数学描述（过程建模）4(1)(1)有自衡特性有自衡特性的单容对象的单容对象1qvsR2qv图图2-1 有自衡单容对象有自衡单容对象 a. 输出变量为液位输出变量为液位H； b. 水槽的流入量水槽的流入量qv1由管路上

5、的阀由管路上的阀1来调节；来调节； c. 水槽的流出量水槽的流出量qv2决定于管道上阀决定于管道上阀2得开度。得开度。5图图2-2 单容自衡特性曲线单容自衡特性曲线 a.平衡时，平衡时，qv1=qv2，液面，液面稳定在一个数值；稳定在一个数值； b.在在t0时刻，流入量有一时刻，流入量有一阶跃变化量阶跃变化量qv1,则由（则由（2-5）可求出液位变化量可求出液位变化量 c.初始阶段，由于初始阶段，由于qv1突然突然增加而流量增加而流量qv2没有变化，液没有变化，液面变化很快；面变化很快； d.随着液位的上升，出口静随着液位的上升，出口静压力增大，压力增大，qv2随之增加，液随之增加，液位上升速

6、度减慢；位上升速度减慢； e.当当t时，时， K和和qv1均为常数，液均为常数，液面重新回到平衡位置。面重新回到平衡位置。6自衡特性自衡特性 当输入变量发生当输入变量发生变化，破坏了被控对变化，破坏了被控对象的平衡，引起输出象的平衡，引起输出变量变化时，在没有变量变化时，在没有人为干预的情况下，人为干预的情况下，被控对象自身能重新被控对象自身能重新恢复平衡的特性。恢复平衡的特性。1qvsR2qv7(2)(2)无自衡特性无自衡特性的单容液体储罐的动态模型的单容液体储罐的动态模型1qv2qv a. 输出变量为液位输出变量为液位H； b. 水槽的流入量水槽的流入量qv1由管路上的阀由管路上的阀1来调

7、节；来调节； c. 水槽的流出量水槽的流出量qv2没有被控制调节。没有被控制调节。8 a.在在t0时刻之前，被控对时刻之前，被控对象处于平衡状态，象处于平衡状态， qv1=qv2 ； b.在在t0时刻，水槽时刻，水槽 流入量流入量有一阶跃变化量有一阶跃变化量qv1, 液位液位变化量为：变化量为：无自衡特性无自衡特性 指系统受到扰动后，被控指系统受到扰动后，被控对象自身不能重新恢复平衡对象自身不能重新恢复平衡的特性。的特性。 本例中，由于水槽流出量本例中，由于水槽流出量不变，所以当流入量有阶跃不变，所以当流入量有阶跃变化时，液位将随着时间的变化时，液位将随着时间的推移恒速上升，不会重新稳推移恒速

8、上升，不会重新稳定下来，直至水槽顶部溢出。定下来，直至水槽顶部溢出。1qv2qv9(3)(3)串联串联液体储罐的动态模型液体储罐的动态模型 a. 两串联水槽之间的连通管道有阻力，故两者的水两串联水槽之间的连通管道有阻力，故两者的水位不同；位不同； b. 流入量由阀流入量由阀1控制，流出量由阀控制，流出量由阀2控制，被控变量控制，被控变量为水槽为水槽2的液位的液位h2。10 对上述二阶微分方程求解，对上述二阶微分方程求解，可得左图。可得左图。11(4)(4)夹套式搅拌器的动态模型夹套式搅拌器的动态模型AiiCTF，cTciTACTF，ACTV，cT12(5) (5) 套管式换热器的动态模型套管式

9、换热器的动态模型Z2TZZT2T1TZ液体蒸汽蒸汽132.1.2 被控对象的特性参数被控对象的特性参数 1.放大系数放大系数K 定义：又称静态增益，是被控对象重新达到平衡状态时的输出变定义：又称静态增益，是被控对象重新达到平衡状态时的输出变 化量与输入变化量之比。它不随时间变化，是被控对象的化量与输入变化量之比。它不随时间变化，是被控对象的 静态特性参数。静态特性参数。 如左图如左图单容自衡特性单容自衡特性曲线所示，水槽液位在阶跃曲线所示，水槽液位在阶跃干扰作用下产生变化，当重干扰作用下产生变化，当重新达到平衡状态时，液位稳新达到平衡状态时，液位稳定在一个新的数值上，此时定在一个新的数值上，此

10、时有如下对应关系：有如下对应关系：K放大系数放大系数14结论：结论：（1）放大系数表达了被控对象在干扰作用下重新达到平衡）放大系数表达了被控对象在干扰作用下重新达到平衡状态的性能，是不随时间变化的参数。是被控对象的静态特状态的性能，是不随时间变化的参数。是被控对象的静态特性参数。性参数。（2）在相同的输入变化量作用下，）在相同的输入变化量作用下，K越大，输出变化量也越大，输出变化量也越大，即输入对输出的影响越大，被控对象的自身稳定性越越大，即输入对输出的影响越大，被控对象的自身稳定性越差。反之，差。反之，K越小，稳定性越好。越小，稳定性越好。 K为常数的被控对象称为为常数的被控对象称为线性对象

11、线性对象；输入不同的变化；输入不同的变化量其放大系数不为常数的被控对象称为量其放大系数不为常数的被控对象称为非线性对象非线性对象。15影影 响：响：（1）对于控制通道）对于控制通道如果如果K值大，控制灵敏，控制作用值大，控制灵敏，控制作用的变化应缓和一些。的变化应缓和一些。K小，会使被控变量变化迟缓。小，会使被控变量变化迟缓。（2）对于干扰通道）对于干扰通道K小，则影响很小；小，则影响很小；K大，当干扰幅大，当干扰幅度较大而又频繁出现时，系统很难稳定。度较大而又频繁出现时，系统很难稳定。调节器调节器执行器执行器被控过程被控过程测量元件及变送器测量元件及变送器sy)(设定点参比信号e偏差u控制信

12、号m操纵变量f干扰变量y被控变量my162. 时间常数时间常数T 定义：时间常数反映了被控对象受到输入作用后，输出变量达到定义：时间常数反映了被控对象受到输入作用后，输出变量达到 新稳态值的快慢，它决定了整个动态过程长短。它是被对新稳态值的快慢，它决定了整个动态过程长短。它是被对 象的动态特性参数。象的动态特性参数。 如左图如左图随着时随着时间常数的增加，输出间常数的增加，输出量达到新稳态值的时量达到新稳态值的时间变长。间变长。17影影 响：响：（1）对于控制通道对于控制通道若时间常数大，则被控变量的变化若时间常数大，则被控变量的变化比较缓和，容易控制，但过于缓慢费时间；若时间常数小，比较缓和

13、，容易控制，但过于缓慢费时间；若时间常数小，被控变量变化速度快，不易控制。被控变量变化速度快，不易控制。对控制都不利。对控制都不利。（2）对于干扰通道对于干扰通道时间常数大，阶跃干扰对系统的影时间常数大，阶跃干扰对系统的影响比较缓和，被控变量变化平稳，响比较缓和，被控变量变化平稳，对控制有利对控制有利。调节器调节器执行器执行器被控过程被控过程测量元件及变送器测量元件及变送器sy)(设定点参比信号e偏差u控制信号m操纵变量f干扰变量y被控变量my183.滞后时间滞后时间定义：滞后时间是描绘滞后现象的动态参数。根据滞后性质的不同可定义：滞后时间是描绘滞后现象的动态参数。根据滞后性质的不同可 分为分

14、为传递滞后传递滞后和和容量滞后容量滞后两种。两种。传递滞后传递滞后 又称纯滞后，是由于信号的传输，介质的输送或热的传递要经过又称纯滞后，是由于信号的传输，介质的输送或热的传递要经过一段时间而且产生的。一段时间而且产生的。0输入对象输入对象料斗的加料量料斗的加料量输出对象输出对象溶液浓度溶液浓度19 定义定义： 一般是由于物料或能量的传递过程中受到一定的阻力而且一般是由于物料或能量的传递过程中受到一定的阻力而且 引起的，或者说是由于容量数目多而产生的。引起的，或者说是由于容量数目多而产生的。 主要特征主要特征：当输入阶跃作用后，被控对象的输出变量开始变化很：当输入阶跃作用后，被控对象的输出变量开

15、始变化很 慢，后逐渐加快，接着又变慢，直至逐渐接近稳定值。慢，后逐渐加快，接着又变慢，直至逐渐接近稳定值。c容量滞后容量滞后20 求法：求法： 在响应曲线的拐点处作切线，在响应曲线的拐点处作切线，切线与时间轴的交点与被控变切线与时间轴的交点与被控变量开始变化的起点之间的时间量开始变化的起点之间的时间间隔。间隔。c21滞后时间滞后时间 通常将两种之后时间加在一起，统称为滞后时间，即：通常将两种之后时间加在一起，统称为滞后时间，即：22影影 响：响：（1）对于控制通道对于控制通道滞后的存在，滞后的存在，不利于控制。不利于控制。（2）对于干扰通道对于干扰通道纯滞后只是推迟了干扰作用的时纯滞后只是推迟

16、了干扰作用的时 间，对控制质量间，对控制质量没有影响没有影响；而容；而容 量滞后则可以缓和干扰对被控变量滞后则可以缓和干扰对被控变 量的影响，量的影响，对控制系统是有利的对控制系统是有利的。232.1.3 2.1.3 被控对象的实验测定被控对象的实验测定 1.数学方法数学方法 从工艺过程的变化机理出发，写出各种关系的平衡方程，进而推从工艺过程的变化机理出发，写出各种关系的平衡方程，进而推 到处被控对象的数学模型，得出其特性参数，再结合实际进行理到处被控对象的数学模型，得出其特性参数，再结合实际进行理 论分析。论分析。 2.实验测试法实验测试法 就是给所要研究的对象人为地输入就是给所要研究的对象

17、人为地输入 一个扰动信号，然后测取被一个扰动信号，然后测取被 控对象输出变量随时间的变化规律，得出一系列的实验数据或控对象输出变量随时间的变化规律，得出一系列的实验数据或 曲线，这些数数据和曲线就表征了一定的被控对象特性。曲线，这些数数据和曲线就表征了一定的被控对象特性。对象特性的两种求取方法：对象特性的两种求取方法：24结论：结论：工程中常采用实验测试法工程中常采用实验测试法 采用原因：采用原因： （1）由于数学推导过程中必须作出许多假设和简化，）由于数学推导过程中必须作出许多假设和简化，推导的结果尚需实验来验证。推导的结果尚需实验来验证。 （2）实际工业对象的机理很复杂，有时甚至很难用）实

18、际工业对象的机理很复杂，有时甚至很难用数学方法推导。数学方法推导。 （3）为了提高控制系统的品质，有时甚至采用自整定）为了提高控制系统的品质，有时甚至采用自整定控制或自适应控制。控制或自适应控制。两种常见实验测定方法两种常见实验测定方法响应曲线法响应曲线法脉冲响应法脉冲响应法25响应曲线法响应曲线法1.定义：定义： 用实验的方法测定对象在阶跃输入作用下，其输用实验的方法测定对象在阶跃输入作用下，其输出量随时间变化的规律。出量随时间变化的规律。 26（1）求纯滞后时间）求纯滞后时间输入变输入变 化而输出不变的这段时间。化而输出不变的这段时间。（2）求静态放大系数）求静态放大系数K：（3）求时间常

19、数）求时间常数T在反映在反映 曲线上找到输出量变化至曲线上找到输出量变化至 终值终值63.2%时的坐标点，时的坐标点， 它所对应的时刻与输出量它所对应的时刻与输出量 开始变化时的时刻之差就开始变化时的时刻之差就 是时间常数是时间常数T。 2. 步步 骤：骤：27脉冲响应法脉冲响应法1.定义：定义： 用实验的方法测定对象在用实验的方法测定对象在矩形脉冲输入信号矩形脉冲输入信号作用作用下，其输出量随时间变化的规律。下，其输出量随时间变化的规律。2.合成曲线法合成曲线法 可将矩形脉冲看作是可将矩形脉冲看作是t0时刻的正阶跃信号时刻的正阶跃信号x0与与t1时时刻的反响应阶跃信号刻的反响应阶跃信号-x0

20、的组合信号，则其响应曲线也的组合信号，则其响应曲线也就是这两条阶跃响应曲线的合成曲线。就是这两条阶跃响应曲线的合成曲线。 282.2 2.2 单回路控制系统单回路控制系统由四个基本环节组成：被控对象由四个基本环节组成：被控对象、变送器、调节器和执行器、变送器、调节器和执行器调节器调节器执行器执行器被控过程被控过程测量元件及变送器测量元件及变送器sy)(设定点参比信号e偏差u控制信号m操纵变量f干扰变量y被控变量my292.2.1 单回路控制系统的设计单回路控制系统的设计 设计目标设计目标: 即要控制什么？选择的结果直接影响生产结果和质量。即要控制什么？选择的结果直接影响生产结果和质量。 设计步

21、骤设计步骤:1.了解被控对象；了解被控对象；2.了解被控对象的静态特性、工艺过程、设备等；了解被控对象的静态特性、工艺过程、设备等；3. 确定正确的控制方案，包括被控变量与操纵变量、检测元确定正确的控制方案，包括被控变量与操纵变量、检测元 件及检测位置、执行器、调节器及其控制规律的选择；件及检测位置、执行器、调节器及其控制规律的选择；4. 整定调节器参数。整定调节器参数。30被控变量的选择原则被控变量的选择原则 定义：定义： 生产过程中希望保持在定值的过程参数。生产过程中希望保持在定值的过程参数。 原则：原则： 尽可能选择直接控制参数。尽可能选择直接控制参数。 若被控变量信号无法直接获取，尽量

22、选择与之有单值若被控变量信号无法直接获取，尽量选择与之有单值 函数关系的间接参数作为被控变量。函数关系的间接参数作为被控变量。 被控变量一般应该是独立可控的。被控变量一般应该是独立可控的。 考虑仪表性能，灵敏度好，易于控制。考虑仪表性能，灵敏度好，易于控制。31例子：苯、甲苯二元精馏系统（选择间接被控变量）例子：苯、甲苯二元精馏系统（选择间接被控变量） 质量指标是最重要的控制参数，如塔质量指标是最重要的控制参数，如塔顶产品的纯度顶产品的纯度 。 但目前无法直接测量，因此，只能用但目前无法直接测量，因此，只能用间接控制参数间接控制参数 进行控制。进行控制。 根据精馏原理，根据精馏原理， ，即与温

23、，即与温度和压力成非线性函数关系。度和压力成非线性函数关系。 理论上，固定一项，就可用另一项控理论上，固定一项，就可用另一项控制制 。一般的，实际中都采用恒定。一般的，实际中都采用恒定 ，通过控制塔顶温度来控制塔顶成分。通过控制塔顶温度来控制塔顶成分。 DXDX),(PTfXDDDXP32操纵变量的选择原则操纵变量的选择原则 1.定义：定义： 控制系统中用来克服干扰对被控变量的影响，控制系统中用来克服干扰对被控变量的影响，实现控制作用的变量。实现控制作用的变量。 2.原则：原则： 操纵变量必须可控。操纵变量必须可控。 使被控对象控制通道的放大系数较大，时间常数较使被控对象控制通道的放大系数较大

24、，时间常数较 小，纯滞后时间越小越好。小，纯滞后时间越小越好。 使被控对象干扰通道放大系数尽可能小，时间常数使被控对象干扰通道放大系数尽可能小，时间常数 越大越好。越大越好。 选择通道的纯滞后尽量小，使干扰点远离控制阀。选择通道的纯滞后尽量小，使干扰点远离控制阀。 常间的操纵变量：流量、常间的操纵变量：流量、电压、转速等。电压、转速等。 本换热器中，载热体流量本换热器中，载热体流量和被加热介质流量可作为操和被加热介质流量可作为操纵变量。纵变量。333.举例举例（1）考虑工艺合理性）考虑工艺合理性 选择载热体流量作为操纵变量，理由如下：选择载热体流量作为操纵变量，理由如下：被加热介质一般被加热介

25、质一般 为生产中需要使用的物料，作为为生产中需要使用的物料，作为 操纵变量会影响工艺工程中的负荷，甚至影响正常操纵变量会影响工艺工程中的负荷，甚至影响正常 的生产。的生产。载热体是用来加热介质的，不影响生产所需的物料。载热体是用来加热介质的，不影响生产所需的物料。34 此物料浓度控制系统中，应选择此物料浓度控制系统中，应选择稀释水的流量作稀释水的流量作为操纵变量为操纵变量，而应尽量避免选用主物料流量作为操作，而应尽量避免选用主物料流量作为操作变量。变量。35检测输送环节对控制系统的影响检测输送环节对控制系统的影响 纯滞后纯滞后 测量滞后测量滞后 传递滞后传递滞后 纯滞后纯滞后 定义：定义： 过

26、程控制中，检测元件安装位置不合适产生的。过程控制中，检测元件安装位置不合适产生的。 图中图中PH控制系统中，由于检测电极不能放在流速较控制系统中，由于检测电极不能放在流速较大的主管道，只能装在支管道上，引入了纯滞后。大的主管道，只能装在支管道上，引入了纯滞后。纯滞后公式纯滞后公式u1主管路速度主管路速度U2支管路速度支管路速度36蒸汽直接加热系统蒸汽直接加热系统 由于蒸汽作用点与被控由于蒸汽作用点与被控变量的测点之间相隔一定距变量的测点之间相隔一定距离故蒸汽的变化量要经过长离故蒸汽的变化量要经过长度度L才能反映出来。才能反映出来。 影响：影响： 使测量信号不能及时地使测量信号不能及时地反映被控

27、变量的实际值，从反映被控变量的实际值，从而降低了控制质量，通常是而降低了控制质量，通常是不可避免的。不可避免的。 措施：措施： 正确选择安装检测点位正确选择安装检测点位置，如果太大时，必须考虑置，如果太大时，必须考虑使用复杂控制方案。使用复杂控制方案。 结论结论37测量滞后测量滞后 a.定义：定义： 只有测量元件本身特性所引起的动态误差。只有测量元件本身特性所引起的动态误差。 b.影响：影响： 产生失真的信号，使调节器不能正常工作。产生失真的信号，使调节器不能正常工作。 c.措施：措施： （1）尽可能选用快速测量元件。）尽可能选用快速测量元件。 （2）在测量元件后引入微分作用。）在测量元件后引

28、入微分作用。传递滞后传递滞后 a.定义：定义： 信号传输滞后，是由于气压信号在管路传送过程信号传输滞后，是由于气压信号在管路传送过程中引起的滞后。中引起的滞后。 b.原因：原因： 在测量变送器和调节器至执行器的信号传递中，在测量变送器和调节器至执行器的信号传递中，由于管线过长造成的。由于管线过长造成的。 c.措施（见课本）措施（见课本） 38执行器对控制系统的影响执行器对控制系统的影响 a.作用：作用： 接受调节器送来接受调节器送来的控制信号，调节管道的控制信号，调节管道中介质流量（改变操作中介质流量（改变操作变量），从而实现自动变量），从而实现自动控制。控制。 b.结构：结构： 通常为调节阀

29、，通常为调节阀，包括执行机构和阀两部包括执行机构和阀两部分。分。 c.工作环境：工作环境： 直接与介质接触，直接与介质接触，可在高温、高压、深冷、可在高温、高压、深冷、强腐蚀、高粘度、易结强腐蚀、高粘度、易结晶、气蚀等条件下工作。晶、气蚀等条件下工作。39执行器的选择原则：执行器的选择原则：按照生产过程的特点、安全运行和推动力等来选按照生产过程的特点、安全运行和推动力等来选用气动、液动或电动执行器；用气动、液动或电动执行器；根据被控变量的大小选择调节阀的流通能力；根据被控变量的大小选择调节阀的流通能力；从生产安全的角度选调节阀的气开或气关形式；从生产安全的角度选调节阀的气开或气关形式；从被控对

30、象的特性、负荷的变化情况等选择调节从被控对象的特性、负荷的变化情况等选择调节阀的流量特性。阀的流量特性。402.2.2 2.2.2 调节器的调节规律调节器的调节规律概念：概念：调节器的输出信号随输入信号变化的规律。调节器的输出信号随输入信号变化的规律。作用：作用：是将测量变送信号与给予定值相比较产生偏差信号，是将测量变送信号与给予定值相比较产生偏差信号， 然后按一定运算规律产生输出信号，推动执行器，然后按一定运算规律产生输出信号，推动执行器， 实现对生产过程的自动控制。实现对生产过程的自动控制。分类：分类：断续调节规律断续调节规律位式位式连续调节规律连续调节规律 比例比例 积分积分 微分微分4

31、1（1）位式调节规律）位式调节规律 双位调节是位式调节规律中最简单的形式。双位调节双位调节是位式调节规律中最简单的形式。双位调节器规律是一种典型的非线性调节规律，当测量值大于或小器规律是一种典型的非线性调节规律，当测量值大于或小于给定值时，调节器的输出达到最大或最小两个极限位置。于给定值时，调节器的输出达到最大或最小两个极限位置。 理想的双位调节规律的数字表达式：理想的双位调节规律的数字表达式：424344优点：优点：位式调节结构简单，成本较低、使用位式调节结构简单，成本较低、使用 方便，对配用的调节阀无任何特殊的方便，对配用的调节阀无任何特殊的 要求。要求。缺点：缺点：被控变量总在波动，控制

32、质量不高当被控变量总在波动，控制质量不高当 被控对象纯滞后较大时被控变量波动被控对象纯滞后较大时被控变量波动 幅度较大。不宜用于控制要求稍高的幅度较大。不宜用于控制要求稍高的 场合。场合。结论结论45具有中间区域的双位调节具有中间区域的双位调节1）理想双位控制系统中，调节机构（继电器）的启动过）理想双位控制系统中，调节机构（继电器）的启动过于频繁，系统中的运动部件（继电器触头）容易损坏，很于频繁，系统中的运动部件（继电器触头）容易损坏，很难保证系统安全可靠运行。难保证系统安全可靠运行。2）执行机构都有不灵敏区。）执行机构都有不灵敏区。3）采用双位调节的系统本身的要求不高，只要求被控变）采用双位

33、调节的系统本身的要求不高，只要求被控变量量 在两个极限值之间。在两个极限值之间。46a.过程是一种断续作用下的等幅振荡过程。过程是一种断续作用下的等幅振荡过程。b.振幅振幅（ ）和周期和周期T为品质指标，且二者关系对立：为品质指标，且二者关系对立： 振幅小，周期则长；周期短则振幅大。另外，滞后时间振幅小，周期则长；周期短则振幅大。另外，滞后时间 越大则振幅也越大。越大则振幅也越大。c.合理选择中间区域，以满足振幅限制和周期较长的要求。合理选择中间区域，以满足振幅限制和周期较长的要求。下上47 （2）比例调节规律（）比例调节规律（ ）P 比例放大系数比例放大系数PK teKtuP 在比例调节中，

34、调节器的输出信号变化量在比例调节中，调节器的输出信号变化量 与输入与输入信号信号 成比例关系。即：成比例关系。即： tu tePK比例增益或比例放大倍数比例增益或比例放大倍数在阶跃输入下，比例调节规律的输出特性如图所示。在阶跃输入下，比例调节规律的输出特性如图所示。48简单比例控制系统示意图简单比例控制系统示意图a.进水量进水量出水量出水量液位升高，浮球上升，通过杠液位升高，浮球上升，通过杠 杆使进水阀关小。杆使进水阀关小。b.进水量进水量出水量出水量液位降低，浮球通过杠杆使进液位降低，浮球通过杠杆使进 水阀开大。水阀开大。c.进水量进水量=出水量出水量浮球停在某处，阀门开度不变，浮球停在某处

35、，阀门开度不变， 液位保持稳定。液位保持稳定。d.从静态看从静态看阀门开度与液位偏差成正比。阀门开度与液位偏差成正比。e.从动态看从动态看阀门动作与液位变化是同步的。阀门动作与液位变化是同步的。49比例调节规律特点：比例调节规律特点：比例控制具有控制及时、克服偏差有力的特点比例控制具有控制及时、克服偏差有力的特点 比例调节器的输出变化量与输入偏差具有一一对应的比例关系。比例调节器的输出变化量与输入偏差具有一一对应的比例关系。比例控制要有余差存在比例控制要有余差存在 在系统的平衡遭到破坏后，要建立新的平衡，这就要求调节器有输出作在系统的平衡遭到破坏后，要建立新的平衡，这就要求调节器有输出作用。而

36、要使调节器有输出，就必须要有偏差存在用。而要使调节器有输出，就必须要有偏差存在 ，因此，比例控，因此，比例控制必然有余差存在。制必然有余差存在。0)(te50 定义：指调节器的输入相对变化量与相应输出的相对变化量定义：指调节器的输入相对变化量与相应输出的相对变化量 之比的百分数。之比的百分数。 比例度比例度100maxminmaxmine ee%u uu 100maxminmaxminuue%uee 由上式可以看出：对于输入输出信号都是统一标准信由上式可以看出：对于输入输出信号都是统一标准信号的调节器，比例度与比例放大系数互为倒数关系，即调号的调节器，比例度与比例放大系数互为倒数关系，即调节器

37、的比例度越小，则比例放大系数越大，比例控制作用节器的比例度越小，则比例放大系数越大，比例控制作用越强。越强。范围调节器输出信号的变化范围调节器输入信号的变化调节器输出信号变化量调节器输入信号变化量minmaxminmaxuueeue51 要使输出信号做全范围的变化，使输入信号必须改变全量要使输出信号做全范围的变化，使输入信号必须改变全量程的百分之几，即输入与输出的比例范围。程的百分之几，即输入与输出的比例范围。例子：例子： 一个电动比例调节器，量程为一个电动比例调节器，量程为100200，输出信号是，输出信号是010mA，当输入从，当输入从140变化到变化到160，相应的调解器输出，相应的调解

38、器输出从从3mA变化到变化到8mA，则：，则：由式由式可以看出，可以看出，比例度与放大倍数互为倒数关系。比例度与放大倍数互为倒数关系。52 比例度对过渡过程的影响比例度对过渡过程的影响 a.比例度对余差的影响（成正比）：比例度对余差的影响（成正比）： 比例度越大，放大倍数越小，反之，比例度越小比例度越大，放大倍数越小，反之，比例度越小, 系统的余差也随之越小。系统的余差也随之越小。 b.比例度对最大偏差、振荡周期的影响：比例度对最大偏差、振荡周期的影响： 相同大小的干扰下，调节器的比例度越小，则比例作用越强，调节器的输相同大小的干扰下，调节器的比例度越小，则比例作用越强，调节器的输 出越大，使

39、被控变量偏离给定值越小，被控变量被拉回到给定值所需的时出越大，使被控变量偏离给定值越小，被控变量被拉回到给定值所需的时 间越短。所以，间越短。所以，比例度越小，最大偏差越小，振荡周期也越短，工作频率比例度越小，最大偏差越小，振荡周期也越短，工作频率 提高。提高。 c.比例度对系统稳定性的影响：比例度对系统稳定性的影响： 比例度越大，则调节器的输出变化越小，被控变量变化缓慢，过渡过程越比例度越大，则调节器的输出变化越小，被控变量变化缓慢，过渡过程越 平稳。随着比例度的减小，系统的稳定程度降低，其过渡过程逐渐从衰减平稳。随着比例度的减小，系统的稳定程度降低，其过渡过程逐渐从衰减 振荡走向临界振荡直

40、至发散振荡。振荡走向临界振荡直至发散振荡。图图2-22 2-22 不同比例度下的过渡过程不同比例度下的过渡过程y)0(yt小减o teKtuP531.比例调节是最基本、最主要、应用最普遍的规律，能比例调节是最基本、最主要、应用最普遍的规律，能迅速克服干扰的影响，使系统很快稳定下来。迅速克服干扰的影响，使系统很快稳定下来。2.比例控制作用适用于干扰少、扰动幅小，负荷变化不比例控制作用适用于干扰少、扰动幅小，负荷变化不大，滞后较小或控制精度要求不高的场合。大，滞后较小或控制精度要求不高的场合。3.单纯的比例控制作用不能满足工业过程的要求。单纯的比例控制作用不能满足工业过程的要求。总总 结结54（3

41、）比例积分调节规律）比例积分调节规律( ）PII 积分调节规律积分调节规律( ( ） 在积分调节规律中，调节器输出信号的变化量与输入偏差在积分调节规律中，调节器输出信号的变化量与输入偏差的积分成正比。其数学表达式为：的积分成正比。其数学表达式为： dtteTdtteKtutItI001IK式中，式中， 积分速度，积分速度， 积分时间。积分时间。IT影响输出信号的大小因素影响输出信号的大小因素偏差存在的时间长短偏差存在的时间长短输入偏差信号的大小输入偏差信号的大小551. 1.作用作用力图消除余差力图消除余差 因为只要有偏差，调节器的输出就不断变化。偏差因为只要有偏差，调节器的输出就不断变化。偏

42、差存在的时间越长，输出信号的变化量也越大。存在的时间越长，输出信号的变化量也越大。2. 2.输出特性输出特性（1）输入作用为幅值为）输入作用为幅值为A的阶跃偏差，即的阶跃偏差，即e(t)=A。（2） 该式描述的是一条斜率为定该式描述的是一条斜率为定值的直线，且斜率正比与调节器的积分速度，值的直线，且斜率正比与调节器的积分速度，KI越大，越大，直线越陡。积分作用越强。直线越陡。积分作用越强。3. 3.纯积分的特点纯积分的特点 输出变化总要滞后于偏差的变化，不能及时有效的输出变化总要滞后于偏差的变化，不能及时有效的克服扰动，其结果是加剧了被控变量的波动，使系统很克服扰动，其结果是加剧了被控变量的波

43、动，使系统很难稳定下来。难稳定下来。56比例与积分两种控制规律的组合，其数学表述式为比例与积分两种控制规律的组合，其数学表述式为: dtteTteKtutIP01比例积分控制规律（比例积分控制规律（ ） PI输入作用为幅值输入作用为幅值A的阶跃偏差。的阶跃偏差。比例作用先使输出跳变至比例作用先使输出跳变至KpA然后是积分作用使输出然后是积分作用使输出随时间线性增加，即随时间线性增加，即 当当t=TI时，时，57积分时间积分时间IT1.定义定义 指在阶跃偏差输入作用下，调节器的输出达到比例输指在阶跃偏差输入作用下，调节器的输出达到比例输出两倍所经历的时间。出两倍所经历的时间。2.积分时间表征积分

44、作用的强弱积分时间表征积分作用的强弱 TI越小越小，则积分时间无穷大，积分控制作用越强；反则积分时间无穷大，积分控制作用越强；反之，之，TI越大，积分作用越弱；越大，积分作用越弱；若积分时间无穷大，表示没若积分时间无穷大，表示没有积分作用，调节器特性变为纯比例特性。有积分作用，调节器特性变为纯比例特性。58双重性双重性积分作用的引入，一方面消除了系统的余差，而且积分作用的引入，一方面消除了系统的余差，而且 另一方面却降低了系统的其他品质指标。另一方面却降低了系统的其他品质指标。 随着积分时间的减小，积分作用不断增强，在相同的扰动随着积分时间的减小，积分作用不断增强，在相同的扰动作用下，调节器的

45、输出增大，最大偏差减小，余差消除加快，作用下，调节器的输出增大，最大偏差减小，余差消除加快，但系统的振荡加剧，稳定性下降，继续过小，还可能导致系统但系统的振荡加剧，稳定性下降，继续过小，还可能导致系统的不稳定。的不稳定。积分时间对系统过渡过程的影响积分时间对系统过渡过程的影响图图2-25 2-25 不同不同 下的过渡过程下的过渡过程y)0(yt小减ITIT59 比例积分调节规律的适用性很强，在多数场合下均可比例积分调节规律的适用性很强，在多数场合下均可采用。只是当被控对象的滞后很大时，可能采用。只是当被控对象的滞后很大时，可能PIPI调节的时间调节的时间较长；或者当负荷变化特别剧烈时，较长；或

46、者当负荷变化特别剧烈时，PIPI调节不够及时，在调节不够及时，在这种情况下，可再增加微分作用。这种情况下，可再增加微分作用。应用场合应用场合60（4）比例积分微分调节规律（）比例积分微分调节规律（ ） PID 对于惯性较大的被控对象，如果调节器能够根据被控变量的对于惯性较大的被控对象，如果调节器能够根据被控变量的变化趋势来采取措施，而不要等到被控变量已经出现较大偏差后变化趋势来采取措施，而不要等到被控变量已经出现较大偏差后才开始动作，那么调节的效果将会更好，等于赋予了调节器以某才开始动作，那么调节的效果将会更好，等于赋予了调节器以某一种程度的预期见性，这种调节规律就是微分调节规律。一种程度的预

47、期见性，这种调节规律就是微分调节规律。 微分调节规律（微分调节规律（ ）D 在微分调节中，调节器的输出信号的变化量与输入偏差的在微分调节中，调节器的输出信号的变化量与输入偏差的速度成正比。其数学表达式为：速度成正比。其数学表达式为： dttdeTtuD式中式中 为微分时间为微分时间DT6162比例微分控制规律（比例微分控制规律（ ） PD比例与微分两种控制规律的组合，其数学表达式为：比例与微分两种控制规律的组合，其数学表达式为： dttdeTteKtuDP工业上实际采用的工业上实际采用的PD调节规律是比例与微分的近似组合，即：调节规律是比例与微分的近似组合，即：KD微分增益，工业调节器的微分增

48、益一般为微分增益，工业调节器的微分增益一般为510。6364微分时间对过渡过程的影响微分时间对过渡过程的影响 1.微分时间增加，微分作用微分时间增加，微分作用增强，若微分时间过小，对增强，若微分时间过小，对系统的品质影响甚微，如曲系统的品质影响甚微，如曲线线1。2.当当TD适当时，控制系统的适当时，控制系统的品质将得到全面的改善，如品质将得到全面的改善，如曲线曲线2。3.微分作用太强，反而会引微分作用太强，反而会引起系统的振荡，如曲线起系统的振荡，如曲线3。 微分作用总是力图阻止被控变量的任何变化，适当的微分作用可以抑止微分作用总是力图阻止被控变量的任何变化，适当的微分作用可以抑止振荡效果，即

49、适当的微分作用有利于提高系统的稳定性，但是微分作用振荡效果，即适当的微分作用有利于提高系统的稳定性，但是微分作用过强，即微分时间过大，反而不利于系统的稳定。过强，即微分时间过大，反而不利于系统的稳定。结结 论论保持调节器的比例度不变保持调节器的比例度不变65PID理想的理想的 调节规律数学表达式为调节规律数学表达式为： dttdeTdtteTteKtuDtIP01 工业用工业用PID调节器的调节器的阶跃响应曲线，比例、阶跃响应曲线，比例、积分、微分作用取长补积分、微分作用取长补短，互相配合；适当选短，互相配合；适当选取比例度、积分时间、取比例度、积分时间、微分时间。微分时间。比例积分微分控制规

50、律比例积分微分控制规律 （ ） PID66（5 5）调节规律的的选取）调节规律的的选取 下图表示了同一对象在相同阶跃干扰下，采用不同调节规律时下图表示了同一对象在相同阶跃干扰下，采用不同调节规律时具有同样衰减比的响应曲线。具有同样衰减比的响应曲线。67 选择调节器调节规律时应根据选择调节器调节规律时应根据对象特性对象特性、负荷变化负荷变化，主要扰主要扰动动和和控制要求控制要求等具体情况，同时还应考虑系统的等具体情况，同时还应考虑系统的经济性经济性及及系统投系统投入方便入方便等。等。 关于控制规律的选取可归纳为如下几点：关于控制规律的选取可归纳为如下几点： 简单控制系统简单控制系统 适用于控制负

51、荷变化较小的被控对象，如果负荷变化较适用于控制负荷变化较小的被控对象，如果负荷变化较大，无论选择那种调节规律，简单控制系统都有很难得到满大，无论选择那种调节规律，简单控制系统都有很难得到满意的控制质量，此时应设计选取用复杂控制系统。意的控制质量，此时应设计选取用复杂控制系统。2. 在一般的控制系统在一般的控制系统 比例控制是必不可少的，当广义对象控制通道时间常数比例控制是必不可少的，当广义对象控制通道时间常数较小，负荷变化较小，而且工艺要求不高时，可选择单纯的较小，负荷变化较小，而且工艺要求不高时，可选择单纯的比例调节规律，如贮罐液位，不太重要的压力参数的控制。比例调节规律，如贮罐液位，不太重

52、要的压力参数的控制。683. 当广义对象控制通道时间常数较大或容量滞后较大时，应引当广义对象控制通道时间常数较大或容量滞后较大时，应引入微分作用。入微分作用。 如工艺允许有余差，可选取比例微分调节规律，如温度、如工艺允许有余差，可选取比例微分调节规律，如温度、成份、成份、PH值等参数的控制。值等参数的控制。 当广义对象控制通道时间常数较小，负荷变化较小，而工艺要当广义对象控制通道时间常数较小，负荷变化较小，而工艺要求无余差时。求无余差时。 可选用比例积分调节规律，如管道压力、流量等参数的控可选用比例积分调节规律，如管道压力、流量等参数的控制。制。2.2.3 2.2.3 调节器参数的工程整定调节

53、器参数的工程整定 1.整定参数整定参数 调节器的比例度、积分时间、微分时间。当一个控制系调节器的比例度、积分时间、微分时间。当一个控制系 统设计安装完成后，系统各个环节以及被控对象各通道的特统设计安装完成后，系统各个环节以及被控对象各通道的特 性就不能再改变了，而唯一能变的就是调节器参数。性就不能再改变了，而唯一能变的就是调节器参数。 2. 整定参数的目的整定参数的目的 就是按照已定的控制系统，求取控制系统质量最好的就是按照已定的控制系统，求取控制系统质量最好的 调节参数。调节参数。 调节器参数整定方法调节器参数整定方法工程整定法工程整定法理论计算整定法理论计算整定法根轨迹法根轨迹法频率响应法

54、频率响应法偏差积分准则偏差积分准则经验试凑法经验试凑法临界比例度法临界比例度法衰减曲线法衰减曲线法70 是工人师傅几十年操作经验的积累，它是根据生产是工人师傅几十年操作经验的积累，它是根据生产操作经验和控制过程的曲线形状，直接在闭合的控制系操作经验和控制过程的曲线形状，直接在闭合的控制系统中逐步地、反复地试凑，最后得到控制器的适合参数。统中逐步地、反复地试凑，最后得到控制器的适合参数。 （1）经验试凑法）经验试凑法步骤步骤71实实 例例 1热电阻热电阻2温度变送器温度变送器3温度调节器温度调节器4调节阀调节阀发电厂锅炉蒸汽温度控制系统发电厂锅炉蒸汽温度控制系统1.温度系统温度系统722.流量系

55、统流量系统3.压力系统压力系统在次系统中通过控制换热器的在次系统中通过控制换热器的冷剂量来影响压力。因此换热冷剂量来影响压力。因此换热器的动态滞后都会包含在压力器的动态滞后都会包含在压力系统中，从而构成了由多容对系统中，从而构成了由多容对象组成的慢速过程。象组成的慢速过程。734.液位系统液位系统74各系统的经验数据各系统的经验数据 经验试凑法简单可靠，适合于各种系统；尤其是对于外界经验试凑法简单可靠，适合于各种系统；尤其是对于外界干扰作用较频繁的系统。干扰作用较频繁的系统。 但是这种方法对于调节器参数较多的情况，不易找到最好但是这种方法对于调节器参数较多的情况，不易找到最好的整定参数。的整定

56、参数。结结 论论 （2）临界比例度法）临界比例度法步步 骤：骤：去除积分、微分作用去除积分、微分作用。（积分时间放在最大，微分时间。（积分时间放在最大，微分时间设置为零）。设置为零）。1.1.改变控制器的比例度改变控制器的比例度。先是逐步减小控制器的比例度，。先是逐步减小控制器的比例度，细心观察输出电流和控制过程的变化情况；如果控制过细心观察输出电流和控制过程的变化情况；如果控制过程是衰减的，则把比例度继续减小；如果控制过程是发程是衰减的，则把比例度继续减小；如果控制过程是发散的，则把比例度放大，直到持续散的，则把比例度放大，直到持续4 4 5 5次等幅振荡为止。次等幅振荡为止。763. 3.

57、 有了有了P PK K 和和T TK K，就可根据下表的经验公式，求出各个，就可根据下表的经验公式，求出各个 参数参数P P，T TI I，T TD D。适用条件适用条件1.工艺允许被控变量做等幅振荡。工艺允许被控变量做等幅振荡。2.在获得等幅振荡曲线时，应注意不能使控制阀出现全在获得等幅振荡曲线时，应注意不能使控制阀出现全 关、全开的的极限状态；否则，由此获得的等幅振荡关、全开的的极限状态；否则，由此获得的等幅振荡 实际上是实际上是“极限循环极限循环”。（3）衰减曲线法）衰减曲线法 1. 总结临界比例度法和其他一些方法的基础上，经过反复总结临界比例度法和其他一些方法的基础上，经过反复 试验后

58、提出的。试验后提出的。2. 与临界比例度法唯一差异是已在纯比例下获得的衰减比与临界比例度法唯一差异是已在纯比例下获得的衰减比 为为4：1衰减振荡曲线为参数整定的依据。如图所示。衰减振荡曲线为参数整定的依据。如图所示。TsOt图图 2-24 4：1衰减控制过程衰减控制过程78步步 骤：骤：熟悉工艺流程，了解操作指标，掌握控制系统的组成。熟悉工艺流程，了解操作指标，掌握控制系统的组成。把积分时间放到最大，微分时间放到零，待控制系统稳定后，逐步把积分时间放到最大，微分时间放到零，待控制系统稳定后，逐步减小比例度，观察输出电流和控制过程的波动情况，直到出现减小比例度，观察输出电流和控制过程的波动情况，

59、直到出现4：1的衰减过程为止，记下的衰减过程为止，记下4：1衰减比例度衰减比例度PS和操作周期和操作周期TS。根据根据PS和和TS，按照表，按照表2-3所列的公式，求得各个参数的相应数值。所列的公式，求得各个参数的相应数值。1.先把比例度放到一个比计算值大一点的数值上，然后放上积分时间，先把比例度放到一个比计算值大一点的数值上，然后放上积分时间，在慢慢放上微分时间，最后把比例度减小到计算值上，观察控制过在慢慢放上微分时间，最后把比例度减小到计算值上，观察控制过程，如发现记录曲线不理想，可以进行少量调整。程，如发现记录曲线不理想，可以进行少量调整。79802.3 复杂控制系统复杂控制系统 单回路

60、控制系统单回路控制系统 系统系统 中只使用了一个调节器、一个执行器、一个检测变送器。中只使用了一个调节器、一个执行器、一个检测变送器。从系统方框图来看，只有一个闭环。从系统方框图来看，只有一个闭环。2. 复杂路控制系统复杂路控制系统 系统系统 中包含了多个调节器、检测变送器或执行器，从而形成中包含了多个调节器、检测变送器或执行器，从而形成系统中有多个回路或在系统中有多个输入输出信号。系统中有多个回路或在系统中有多个输入输出信号。3. 使用复杂路控制系统的原因使用复杂路控制系统的原因 （1）被控对象很难控制且工艺对质量要求很高。）被控对象很难控制且工艺对质量要求很高。 （2）控制任务比较复杂。）