简单过程控制系统--单回路控制系统的工程设计PPT课件

1、2021/3/91第三章第三章 简单过程控制系统简单过程控制系统- 单回路控制系统的工程设计单回路控制系统的工程设计 过程控制系统工程设计概述过程控制系统工程设计概述 控制方案设计控制方案设计 检测、变送器选择检测、变送器选择 执行器执行器(调节阀调节阀)选择选择 控制器控制器(调节器调节器)选择选择 过程计算机控制系统的设计过程计算机控制系统的设计 过程控制系统的投运和控制器参数整定过程控制系统的投运和控制器参数整定单回路控制系统的设计举例单回路控制系统的设计举例2021/3/92 单回路过程控制系统单回路过程控制系统亦称亦称单回路调节系单回路调节系统，统，简称简称单回路系统单回路系统，一般

2、是指针对，一般是指针对一一个个被控过程被控过程(调节对象调节对象)，采用，采用一个一个测量变测量变送器监测被控过程，采用送器监测被控过程，采用一个一个控制控制(调节调节)器来保持器来保持一个一个被控参数恒定被控参数恒定(或在很小范或在很小范围内变化围内变化)，其输出也只控制，其输出也只控制一个一个执行机执行机构构(调节阀调节阀)。Single-Loop control system2021/3/93 特点特点：结构简单，投资少，易于调整和投：结构简单，投资少，易于调整和投运，尤其适用于运，尤其适用于被控过程的纯滞后和惯性被控过程的纯滞后和惯性小、负荷和扰动变化比较平缓小、负荷和扰动变化比较平缓

3、，或者，或者对被对被控变量要求不高控变量要求不高的场合，约占目前工业控的场合，约占目前工业控制系统的制系统的80%以上。以上。 其分析、设计方法是其它各种复杂过程控其分析、设计方法是其它各种复杂过程控制系统分析、设计的基础。制系统分析、设计的基础。2021/3/94第一节第一节 过程控制系统工程设计概述过程控制系统工程设计概述 要分析、设计和应用好一个过程控制系统：要分析、设计和应用好一个过程控制系统： 首先首先应对被控过程做全面了解，对工应对被控过程做全面了解，对工艺过程、设备等做深入的分析；艺过程、设备等做深入的分析； 然后然后应用自动控制原理与技术，拟定应用自动控制原理与技术，拟定一个合

4、理正确的一个合理正确的控制方案控制方案，选择合适的检，选择合适的检测变送器、控制测变送器、控制(调节调节)器、执行器，从而器、执行器，从而达到保证产品质量、提高产品产量、降耗达到保证产品质量、提高产品产量、降耗节能、保护环境和提高管理水平等目的。节能、保护环境和提高管理水平等目的。 本节介绍过程控制系统设计中的一些共性本节介绍过程控制系统设计中的一些共性的原则。的原则。2021/3/95一、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 安全性：安全性：最重要也是最基本的要求。最重要也是最基本的要求。通常采用参数越限报警、事故报警、联通常采用参数越限报警、事故报警、联锁保护等措施

5、加以保证。锁保护等措施加以保证。 稳定性：稳定性：绝对稳定、稳定裕量、良绝对稳定、稳定裕量、良好的动态响应特性好的动态响应特性(过渡过程时间短，稳过渡过程时间短，稳态误差小等态误差小等)。 经济性：经济性：提高产品质量、产量的同提高产品质量、产量的同时，降耗节能，提高经济效益与社会效时，降耗节能，提高经济效益与社会效益。采用先进的控制手段，优化控制。益。采用先进的控制手段，优化控制。 在工程上，以上要求往往相互矛盾。在工程上，以上要求往往相互矛盾。因此在设计时，应根据实际情况，分清因此在设计时，应根据实际情况，分清主次，以保证满足最重要的质量、指标主次，以保证满足最重要的质量、指标要求并留有余

6、地。要求并留有余地。2021/3/96 过程控制系统的品质过程控制系统的品质由由组成系统的结构组成系统的结构和和各个环节的特性各个环节的特性所决定。因此对于过所决定。因此对于过程控制系统设计者来说除了掌握程控制系统设计者来说除了掌握自动控自动控制理论、计算机、仪器、仪表制理论、计算机、仪器、仪表知识外，知识外，还要十分熟悉还要十分熟悉生产过程的工艺流程生产过程的工艺流程，从，从控制的角度控制的角度理解它的理解它的静态与动态特性静态与动态特性，并能针对不同被控过程、不同的生产工并能针对不同被控过程、不同的生产工艺控制要求，设计不同的控制系统。艺控制要求，设计不同的控制系统。 例：例：热交换过程：

7、热交换过程：过程特性复杂，时延明显过程特性复杂，时延明显 液位过程：液位过程：时间常数有大有小时间常数有大有小 燃烧过程：燃烧过程：燃料不一（煤、油、气等）燃料不一（煤、油、气等）2021/3/97二、过程控制系统设计步骤二、过程控制系统设计步骤 过程控制系统的设计，从任务的提过程控制系统的设计，从任务的提出到系统投入运行，是一个从理论设计出到系统投入运行，是一个从理论设计到实践，再从实践到理论设计的多次反到实践，再从实践到理论设计的多次反复的过程，往往要多次用试探法和综合复的过程，往往要多次用试探法和综合法并借助计算机来模拟仿真。法并借助计算机来模拟仿真。1建立被控过程的数学模型建立被控过程

8、的数学模型 只有掌握了只有掌握了(深入了解了深入了解了)过程的数学过程的数学模型，才能深入分析过程的特性和选择模型，才能深入分析过程的特性和选择正确的控制方案。正确的控制方案。2选择控制方案选择控制方案 根据设计任务和技术指标要求，经过根据设计任务和技术指标要求，经过调查研究，综合考虑安全性、稳定性、调查研究，综合考虑安全性、稳定性、经济性和技求实施的可行性、简单性，经济性和技求实施的可行性、简单性，进行反复比较，选择合理的控制方案。进行反复比较，选择合理的控制方案。2021/3/98 过程方案初步确定后，应用控制理过程方案初步确定后，应用控制理论并借助计算机辅助分析进行系统静态、论并借助计算

9、机辅助分析进行系统静态、动态持性分析计算，判定系统的稳定性、动态持性分析计算，判定系统的稳定性、过渡过程等特性是否满足系统的品质指过渡过程等特性是否满足系统的品质指标要求。标要求。3.控制设备选型控制设备选型 根据控制方案和过程特性、工艺要根据控制方案和过程特性、工艺要求，选择合适的测量、变送器、控制器求，选择合适的测量、变送器、控制器(控制规律控制规律)、执行器、执行器(调节阀调节阀)等。等。4.实验实验(和仿真和仿真) 有些在系统设计过程中难以考虑的有些在系统设计过程中难以考虑的因素，可以在实验中考虑，同时通过实因素，可以在实验中考虑，同时通过实验可以检验系统设计的正确性，以及系验可以检验

10、系统设计的正确性，以及系统的性能。统的性能。2021/3/99 控制方案设计控制方案设计：系统设计的核心系统设计的核心。若控制。若控制方案设计不正确，则无论选用何种先进的方案设计不正确，则无论选用何种先进的过程控制仪表或计算机系统，其安装如何过程控制仪表或计算机系统，其安装如何细心，都不可能使系统在工业生产过程中细心，都不可能使系统在工业生产过程中发挥良好的作用，甚至系统不能运行。发挥良好的作用，甚至系统不能运行。 工程设计工程设计：包括仪表或计算机系统选型、：包括仪表或计算机系统选型、控制室操作台和仪表盘设计、供电供气系控制室操作台和仪表盘设计、供电供气系统设计、信号及联锁保护系统设计等。统

11、设计、信号及联锁保护系统设计等。 工程安装和仪表调校工程安装和仪表调校 调节器参数整定调节器参数整定三、过程系统设计的主要内容三、过程系统设计的主要内容2021/3/910四、系统设计中的若干问题四、系统设计中的若干问题1越限报警与联锁保护越限报警与联锁保护 例：加热炉热油出口温度的设定值例：加热炉热油出口温度的设定值为为300，工艺要求其高、低限分别为，工艺要求其高、低限分别为305和和295。 例：加热炉运行中出现严重故障必例：加热炉运行中出现严重故障必须紧急停止运行时，应立即先停燃油泵，须紧急停止运行时，应立即先停燃油泵，然后关掉燃油阀，经过一定时间后，停止然后关掉燃油阀，经过一定时间后

12、，停止引风机，最后再切断热油阀。引风机，最后再切断热油阀。2其它系统安全保护对策其它系统安全保护对策 危险环境条件危险环境条件(如高温、高压、易燃、如高温、高压、易燃、易爆、强腐蚀等易爆、强腐蚀等)下，还必须采取相应的下，还必须采取相应的安全保护对策，如采用系统可靠性设计，安全保护对策，如采用系统可靠性设计，选用本质安全防爆防腐、防爆结构材料选用本质安全防爆防腐、防爆结构材料)的仪器仪表及装置等。的仪器仪表及装置等。2021/3/911第二节第二节 控制方案设计控制方案设计 单回路系统单回路系统(图图31)控制方案设计包括：控制方案设计包括： 合理选择系统合理选择系统性能指标性能指标 合理选择

13、合理选择被控参数被控参数Y(s)和控制参数和控制参数Q(s) 合理设计合理设计(选择选择)控制控制(调节调节)规律规律Wc(s) 被控参数的被控参数的测量与变送测量与变送Wm(s)、执行器、执行器(调调节阀节阀)Wv(s)的选择的选择2021/3/912 被控过程总是不时受到各种外来干扰被控过程总是不时受到各种外来干扰的影响，即系统经常处于动态过渡过程，的影响，即系统经常处于动态过渡过程，因而评价一个过程控制系统的性能、质量，因而评价一个过程控制系统的性能、质量，主要看它在受到外来扰动作用或给定值发主要看它在受到外来扰动作用或给定值发生变化后，能否迅速地、准确地且平稳地生变化后，能否迅速地、准

14、确地且平稳地(而不是剧烈振荡地而不是剧烈振荡地)回复回复(或趋近或趋近)到原到原(或或新新)给定值上。给定值上。 (一一)系统阶跃响应性能指标系统阶跃响应性能指标 1余差余差(静态偏差静态偏差)C (静态指标静态指标) 指系统过渡过程终了时，指系统过渡过程终了时，给定值给定值与与稳稳态值态值之差。一般要求余差为零或不超过预之差。一般要求余差为零或不超过预定值。定值。一、过程控制系统的性能指标一、过程控制系统的性能指标2021/3/9132021/3/9142衰减率衰减率： (动态指标动态指标) 反映系统的稳定程度，应根据生产过反映系统的稳定程度，应根据生产过程的特点来确定适宜的程的特点来确定适

15、宜的值，一般取值，一般取0.750.9。（衰减比。（衰减比4:110:1）3最大偏差最大偏差A(或超调量或超调量) 定值系统的最大偏差是指被控参数第定值系统的最大偏差是指被控参数第一个波峰值与给定值的差；随动系统通常一个波峰值与给定值的差；随动系统通常采用超调量指标，即采用超调量指标，即4过渡过程时间过渡过程时间ts 指系统从受扰动作用时起，到被控参指系统从受扰动作用时起，到被控参数进入新的稳态值数进入新的稳态值5%(2%)的范围内的范围内所经历的时间。所经历的时间。(快速性指标快速性指标)2021/3/915 上述有的性能指标之间是相互矛盾的，应上述有的性能指标之间是相互矛盾的，应根据工艺生

16、产的具体要求，分清主次，统筹兼根据工艺生产的具体要求，分清主次，统筹兼顾。顾。(二二)偏差积分性能指标偏差积分性能指标 以目标函数形式表示，属于综合指标。以目标函数形式表示，属于综合指标。 1.偏差绝对值积分偏差绝对值积分(IAE-Integral of Absolute Error) 适用于衰减和无静差系统。适用于衰减和无静差系统。 2.偏差绝对值与时间乘积的积分偏差绝对值与时间乘积的积分(ITAE)2021/3/9163偏差平方值积分偏差平方值积分(ISE)4时间乘偏差平方积分时间乘偏差平方积分(ITSE) 不同的积分性能指标对动态过渡过程不同的积分性能指标对动态过渡过程的要求侧重点不同。

17、例如的要求侧重点不同。例如ISE着重于抑制过着重于抑制过渡过程中的大误差，而渡过程中的大误差，而ITAE和和ITSE则着重则着重惩罚过渡过程时间拖得太长，被广泛应用惩罚过渡过程时间拖得太长，被广泛应用于最优化分析和设计中，其中于最优化分析和设计中，其中ITSE兼顾抑兼顾抑制过程中的大误差。制过程中的大误差。2021/3/917二、被控参数二、被控参数(被控变量、被控量被控变量、被控量)的选择的选择 对于一个生产过程，影响操作的因对于一个生产过程，影响操作的因素很多，但并非对所有影响因素都需加素很多，但并非对所有影响因素都需加以控制。而必须根据工艺要求，深入分以控制。而必须根据工艺要求，深入分析

18、工艺过程，找出析工艺过程，找出对产品的产量和质量、对产品的产量和质量、安全生产、经济运行、环境保护等具有安全生产、经济运行、环境保护等具有决定性作用，能较好反映工艺生产状态决定性作用，能较好反映工艺生产状态变化的参数变化的参数(这些参数又是人工控制难以这些参数又是人工控制难以满足要求，或操作十分紧张、劳动强度满足要求，或操作十分紧张、劳动强度很大，客观上要求进行自动控制的参数很大，客观上要求进行自动控制的参数)作为被控参数。作为被控参数。2021/3/918 当选择当选择直接参数直接参数有困难时有困难时(如直接如直接参数检测很困难或根本无法进行检测参数检测很困难或根本无法进行检测)，可以选择可

19、以选择间接参数间接参数(能间接反映产品产能间接反映产品产量和质量，与直接参数有单值对应关量和质量，与直接参数有单值对应关系，易于测量系，易于测量)。 例如，例如，精馏塔精馏塔：塔顶馏出物塔顶馏出物(或塔或塔底残液底残液)的浓度的浓度应选作被控参数，因为应选作被控参数，因为它最直接地反映产品的质量。但目前它最直接地反映产品的质量。但目前对成分的测量尚有一定的困难，于是对成分的测量尚有一定的困难，于是一般采用一般采用塔顶塔顶(或塔底或塔底)温度温度代替浓度作代替浓度作为被控参数。为被控参数。2021/3/919 注意：间接参数必须与直接参数有注意：间接参数必须与直接参数有单值函数关系单值函数关系，

20、而且要有，而且要有足够的灵敏度足够的灵敏度，同时还应考虑到同时还应考虑到工艺的合理性工艺的合理性等。等。 直接参数或间接参数的选择并不是直接参数或间接参数的选择并不是唯一的唯一的(更不是随意的更不是随意的)，要通过对过程，要通过对过程特性的深入分析，才能作出正确的选择。特性的深入分析，才能作出正确的选择。2021/3/920 归纳：选取被控参数的一般原则归纳：选取被控参数的一般原则 1)选择对产品的产量和质量、安全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为被控作用的、可直接测量的工艺参数为被控参数。参数。 2)

21、当不能用直接参数时，应选择一当不能用直接参数时，应选择一个与直接参数有个与直接参数有单值函数关系单值函数关系的参数作的参数作为被控参数。为被控参数。 3) 必须具有足够高的灵敏度。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必须考虑工艺过程的合理性和所用仪表的性能。用仪表的性能。2021/3/921三、控制参数三、控制参数(控制变量控制变量)的选择的选择 在有的生产过程中，控制参数的选择在有的生产过程中，控制参数的选择是很明显的是很明显的(唯一确定的唯一确定的)，如锅炉水位控，如锅炉水位控制系统，控制参数只能选给水量。制系统，控制参数只能选给水量。 但是在有的生产过程中，可能有几

22、个但是在有的生产过程中，可能有几个控制参数可供选择，这就要通过控制参数可供选择，这就要通过分析比较分析比较不同的控制通道和不同的扰动通道对控制不同的控制通道和不同的扰动通道对控制质量的影响质量的影响而作出合理的选择。所以正确而作出合理的选择。所以正确选择控制参数，就是正确选择控制通道的选择控制参数，就是正确选择控制通道的问题。问题。 讨论选择控制参数的一般原则，可从讨论选择控制参数的一般原则，可从过程特性对控制质量的影响过程特性对控制质量的影响入手。入手。2021/3/922()过程静态特性的分析过程静态特性的分析 设单回路控制系统如图设单回路控制系统如图34a。 Wc(s)为控制为控制(调节

23、调节)器与执行机构的传递函器与执行机构的传递函数；数；Wo(s)为控制通道的传递函数；为控制通道的传递函数；Wf(s)为扰为扰动通道的传递函数。并设动通道的传递函数。并设2021/3/923 被控量被控量Y(s)对扰动对扰动F(s)的闭环传递函数为的闭环传递函数为 单位阶跃扰动作用下系统稳态值可用终值定理求得单位阶跃扰动作用下系统稳态值可用终值定理求得 可见，可见，扰动通道静态放大系数扰动通道静态放大系数Kf愈大，则愈大，则系统的稳态误差也愈大。系统的稳态误差也愈大。控制通道的静态放大控制通道的静态放大系数系数Ko愈大，表示控制作用愈灵敏，克服扰动愈大，表示控制作用愈灵敏，克服扰动的能力愈强，

24、控制效果愈显著。因此，确定控的能力愈强，控制效果愈显著。因此，确定控制参数时，应使制参数时，应使Ko大于大于Kf。当这一要求不能满。当这一要求不能满足时，可通过调节足时，可通过调节Kc来补偿，使来补偿，使KcKo远大于远大于Kf 。2021/3/924(二二)过程动态特性的分析过程动态特性的分析1.扰动通道动态特性对控制质量的影响扰动通道动态特性对控制质量的影响 (1)扰动通道时间常数扰动通道时间常数Tf的影响的影响 图图34所示单回路控制系统所示单回路控制系统: ，设，设 系统特征方程式系统特征方程式中增加了一个极点（中增加了一个极点（-1/Tf）。）。2021/3/925 如图如图35。随

25、着时间常数。随着时间常数Tf的增大，极点的增大，极点a将向将向jw轴靠近，从而轴靠近，从而过渡过程时间加长（作用较过渡过程时间加长（作用较平缓）。平缓）。由于过渡过程乘了一个由于过渡过程乘了一个1/Tf (见式见式(3-11)，使整个过渡过程的幅值减小使整个过渡过程的幅值减小Tf倍，从而使其倍，从而使其超调超调量随着量随着Tf的增大而减小的增大而减小。 因为因为Wf(s)为惯性环节，为惯性环节，它对扰动它对扰动F(s)起着滤波作用，起着滤波作用，抑制扰动对被控参数的影响。抑制扰动对被控参数的影响。所以所以扰动通道的时间常数扰动通道的时间常数Tf愈大，容积愈多，则扰动对愈大，容积愈多，则扰动对被

26、控参数的影响也愈小，控被控参数的影响也愈小，控制质量也愈好。制质量也愈好。2021/3/926(2)扰动通道时延扰动通道时延(纯滞后纯滞后)f的影响的影响 如图如图36，当，当扰动通道有纯滞后时，系统对扰动的闭环传递扰动通道有纯滞后时，系统对扰动的闭环传递函数为函数为 根据拉氏变换的平移定理，可得到图根据拉氏变换的平移定理，可得到图3-4与与图图3-6系统在单位阶跃干扰作用下，被控量的时系统在单位阶跃干扰作用下，被控量的时间响应间响应y(t)与与y(t)间的关系为间的关系为 y(t) y(t -) ( )( )( )1( )( )ffcoseWsY sF sW s W s2021/3/927

27、可见，可见，干扰通道存在纯时间滞后时，干扰通道存在纯时间滞后时，理论上不影响控制质量，仅使被控参数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对干扰的响应在时间上比无滞后存在时推迟了推迟了f值。值。(3)扰动作用点位置扰动作用点位置 扰动引入系统的位置不同，对被控扰动引入系统的位置不同，对被控参数的影响也不同参数的影响也不同(图图37)。 设三只水箱均为一阶惯性环节，它设三只水箱均为一阶惯性环节，它对扰动对扰动f起着滤波作用，所以起着滤波作用，所以当扰动引入当扰动引入系统的位置离被控参数愈近时，则对其系统的位置离被控参数愈近时，则对其影响愈大；相反，当扰动离被控参数愈影

28、响愈大；相反，当扰动离被控参数愈远远(如如f1要通过要通过3个串联的一阶惯性环节个串联的一阶惯性环节)时，则对其影响愈小。时，则对其影响愈小。2021/3/928图图3-7 扰动引入系统的位置对被控参数的影响扰动引入系统的位置对被控参数的影响2021/3/929 2控制通道动态特性对控制系统的影响控制通道动态特性对控制系统的影响 设控制系统的设控制系统的临界放大系数临界放大系数为为Kmax，临界振荡频率临界振荡频率为为c。Kmax与与c以及以及Kmaxc 一定程度上代表了被控过程的控制性能一定程度上代表了被控过程的控制性能(Kmax越大，可选放大系数越大，可选放大系数K越大，系统稳越大，系统稳

29、态误差越小；态误差越小；c越大，可选系统工作频率越大，可选系统工作频率越大，过渡过程越快越大，过渡过程越快)，并为研究控制通，并为研究控制通道动态特性道动态特性(即时间常数和时延即时间常数和时延)对系统控对系统控制质量的影响提供了方便。制质量的影响提供了方便。 2021/3/930 由表由表3-l可知，控制通道中时间常数大、阶数可知，控制通道中时间常数大、阶数高、有纯滞后环节都将使过程的高、有纯滞后环节都将使过程的Kmax与与c值变小，值变小，从而使控制性能变差。可见从而使控制性能变差。可见应选择时间常数较小、应选择时间常数较小、纯滞后小的通道作为控制通道纯滞后小的通道作为控制通道。2021/

30、3/931(1)时间常数时间常数T0的影响的影响 控制通道时间常数控制通道时间常数T0的大小反映了控制作的大小反映了控制作用的强弱，反映了控制器的校正作用克服扰动用的强弱，反映了控制器的校正作用克服扰动对被控参数影响的快慢。对被控参数影响的快慢。 若若T0太大太大，则控制作用太弱，被控参数变，则控制作用太弱，被控参数变化缓慢，控制不及时，系统过渡过程时间长，化缓慢，控制不及时，系统过渡过程时间长，控制质量下降。控制质量下降。 若若T0太小太小，虽然控制作用强，控制及时，虽然控制作用强，控制及时，克服扰动影响快，过渡过程时间短，但易引起克服扰动影响快，过渡过程时间短，但易引起系统振荡，使系统稳定

31、性下降，亦不能保证控系统振荡，使系统稳定性下降，亦不能保证控制质量。制质量。 所以在系统设计时，要求所以在系统设计时，要求控制通道时间常控制通道时间常数数T0适当小一点适当小一点，使其校正及时，又能获得较，使其校正及时，又能获得较好的控制质量。好的控制质量。2021/3/932(2)时间滞后的影响时间滞后的影响 控制通道的时间滞后包括控制通道的时间滞后包括纯纯滞后滞后o和和容量滞后容量滞后c两种。它们对控制质量的两种。它们对控制质量的影响不利，尤其是影响不利，尤其是o影响最坏。影响最坏。 无纯滞后时系统开环传递函数：无纯滞后时系统开环传递函数： 有纯滞后时系统开环传递函数：有纯滞后时系统开环传

32、递函数：()1COKOK KWjwT So o- - s se e( )( )( )1COKCOOK KWsWs WsT S2021/3/933 由于存在由于存在o ，将使相角滞后增加，将使相角滞后增加o 弧度弧度 (图图39)。由图可知，当。由图可知，当o0时，随时，随KcKo的增大，的增大， 有可能包围有可能包围(-1，j0)点。当点。当o值愈大时，这种可能值愈大时，这种可能将愈大。可见，纯滞后将愈大。可见，纯滞后o的存在将降低系统的稳的存在将降低系统的稳定性。定性。()kWjw 当控制通道存在当控制通道存在纯滞后时，控制器的纯滞后时，控制器的校正作用将要滞后一校正作用将要滞后一个时间个时

33、间o ，从而使超，从而使超调量增加，使被控参调量增加，使被控参数的最大偏差增大，数的最大偏差增大，引起系统动态指标下引起系统动态指标下降。降。2021/3/934 控制通道的容量滞后控制通道的容量滞后c同样会造成控制作同样会造成控制作用不及时，使控制质量下降。但是用不及时，使控制质量下降。但是c的影响比的影响比纯滞后纯滞后o对系统的影响缓和。另外，若引入微对系统的影响缓和。另外，若引入微分作用，对于克服分作用，对于克服c对控制质量的影响有显著对控制质量的影响有显著的效果。的效果。(3)时间常数分配的影响时间常数分配的影响 如某系统如某系统(图图3l)开环传递函数：开环传递函数： 其中其中T11

34、0s，T2=5s，T32s。若每次改。若每次改变其中一个或两个时间常数，可求得一组变其中一个或两个时间常数，可求得一组Kmax，c和和Kmaxc值，如表值，如表32所示。所示。2021/3/9352021/3/936 由表由表32可知，减小过程中最大的时可知，减小过程中最大的时间常数间常数T1，反而引起控制质量下降；相反，反而引起控制质量下降；相反增大最大时间常数增大最大时间常数T1，虽，虽c略有下降，但略有下降，但Kmax增长，有助于提高控制指标；而减小增长，有助于提高控制指标；而减小T2或或T3都能提高控制性能指标，若同时减都能提高控制性能指标，若同时减小小T2、T3，则提高性能指标的效果

35、更好。，则提高性能指标的效果更好。 因此，在选择控制通道以及选择调节因此，在选择控制通道以及选择调节阀、测量变送器和设计控制阀、测量变送器和设计控制(调节调节)器时，器时，使使开环传递函数中开环传递函数中(包括控制器、调节阀、被包括控制器、调节阀、被控过程以及测量变送器控过程以及测量变送器)的几个时间常数数的几个时间常数数值错开，减小中间的时间常数，值错开，减小中间的时间常数，可提高系可提高系统的工作频率，减小过渡过程时间和最大统的工作频率，减小过渡过程时间和最大偏差等，改善控制质量。偏差等，改善控制质量。2021/3/937 在实际生产过程中，若过程本身存在在实际生产过程中，若过程本身存在多

36、个时间常数，则最大的时间常数往往涉多个时间常数，则最大的时间常数往往涉及生产设备的核心，不能轻易改动，但减及生产设备的核心，不能轻易改动，但减小第二、三个时间常数较易实现。小第二、三个时间常数较易实现。 (三三)根据过程特性选择控制参数的一般原则根据过程特性选择控制参数的一般原则1)控制通道的放大系数控制通道的放大系数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愈小愈小愈好，在有纯滞后愈好，在有纯滞后o的情况下，的情况下，o和和To之之比应小一些比应小一些(小于小于1)，若其比值过大，则，若其比值过大，则不利于控制。不利于控制。2021/3/9

37、38 2)扰动通道的放大系数扰动通道的放大系数Kf应尽可能小；应尽可能小；时间常数时间常数Tf要大；要大；扰动引入系统的位置扰动引入系统的位置(指框图中的位置指框图中的位置)要靠近调节阀。要靠近调节阀。 3)当过程本身存在多个时间常数，在当过程本身存在多个时间常数，在选择控制参数时，应尽量设法把几个时间选择控制参数时，应尽量设法把几个时间常数错开，常数错开，使其中一个时间常数比其它时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、第三间常数大得多，同时注意减小第二、第三个时间常数。个时间常数。 这一原则同样适用于这一原则同样适用于控制控制(调节调节)器、器、调节阀和测量变送器调节阀和

38、测量变送器时间常数的选择，控时间常数的选择，控制器、调节阀和测量变送器制器、调节阀和测量变送器(均为系统开均为系统开环传递函数中的环节环传递函数中的环节)的时间常数应远小的时间常数应远小于于被控过程被控过程中最大的时间常数。中最大的时间常数。2021/3/939第三节第三节 检测、变送器选择检测、变送器选择 对被控参数迅速、准确地测量对被控参数迅速、准确地测量(准准确地反映实际变化情况确地反映实际变化情况)是是实现高实现高性能控制的重要前提性能控制的重要前提。 检测与变送设备主要根据检测与变送设备主要根据被检测参被检测参数的性质数的性质与与系统设计的总体考虑系统设计的总体考虑来来决定。决定。2

39、021/3/9401尽可能选择测量误差小的测量元件尽可能选择测量误差小的测量元件 设控制器与执行机构设控制器与执行机构 ，过程，过程 测量变送器测量变送器 ，则，则 当当Kc很大时，很大时，( )( )( )( )1( )( )( )1COCOCOOCOWs WsK KY sX sWs Ws Wm sT sK K Km( )1( )Y sX sKm2021/3/941 当当Kc很大时，很大时， 可见，对单回路定值控制系统这样的可见，对单回路定值控制系统这样的定值闭环反馈控制系统，当定值闭环反馈控制系统，当控制器放大倍控制器放大倍数数Kc较大较大(或含有积分因子或含有积分因子)时，其时，其稳态误

40、稳态误差差(设扰动不变设扰动不变)取决于反馈通道误差即测取决于反馈通道误差即测量误差的大小。量误差的大小。 当 存 在 测 量 误 差 ， 即 当当 存 在 测 量 误 差 ， 即 当 K m Km0+Km (Km0为测量元件的标称放大为测量元件的标称放大系数系数)时，被控参数与给定值间不再只有固时，被控参数与给定值间不再只有固定的对应关系定的对应关系(差一个系数差一个系数)，而将随测量，而将随测量误差误差Km的值而变动。的值而变动。 高质量的控制离不开高质量的测量。高质量的控制离不开高质量的测量。( )1( )Y sX sKm2021/3/9422.尽可能选择快速响应的测量元件与变送设备尽可

41、能选择快速响应的测量元件与变送设备 检测与变送器都有一定的时间常数，检测与变送器都有一定的时间常数，造成所谓的造成所谓的测量滞后测量滞后与与信号传送滞后信号传送滞后。 如热电偶温度检测需要建立热平衡，如热电偶温度检测需要建立热平衡，因而响应较慢产生测量滞后；又如气动组因而响应较慢产生测量滞后；又如气动组合仪表中，现场测量元件与控制室调节器合仪表中，现场测量元件与控制室调节器间的信号通过管道传输则产生传送滞后。间的信号通过管道传输则产生传送滞后。 为克服其不良影响，在系统设计中，为克服其不良影响，在系统设计中，应尽可能选用快速测量元件并尽量减小信应尽可能选用快速测量元件并尽量减小信号传送时间号传

42、送时间(如缩短气动传输管道如缩短气动传输管道)，一般选一般选其时间常数为控制通道时间常数的其时间常数为控制通道时间常数的l10以以下为宜。下为宜。2021/3/9433.正确采用微分超前补偿正确采用微分超前补偿 当系统中存在较大的测量滞后当系统中存在较大的测量滞后(如温度与如温度与蒸汽压力测量，存在相当大的容量滞后蒸汽压力测量，存在相当大的容量滞后)，为，为了获得真实的参数值，可在变送器输出端串一了获得真实的参数值，可在变送器输出端串一微分环节微分环节(图图311)：输出与输入间的关系为输出与输入间的关系为若能使若能使TD= Tm，则，则P(s)=KmT(s)，输出与输入呈简单，输出与输入呈简

43、单的正比关系，消除了测量滞后产生的动态误差。的正比关系，消除了测量滞后产生的动态误差。2021/3/944 但微分超前控制的使用要慎重，因但微分超前控制的使用要慎重，因为为 （1）要使）要使TD= Tm极为困难。极为困难。 （2）微分作用将放大测量、变送）微分作用将放大测量、变送回路中的高频噪声干扰，使系统变回路中的高频噪声干扰，使系统变得不稳定。得不稳定。 （3）微分作用对于纯滞后是无能）微分作用对于纯滞后是无能为力的。为力的。2021/3/9454合理选择测量点位置并正确安装合理选择测量点位置并正确安装 测量点位置的选择，主要着眼于尽可能减小测量点位置的选择，主要着眼于尽可能减小参数测量滞

44、后与传送滞后，同时也要考虑安参数测量滞后与传送滞后，同时也要考虑安装方便。装方便。 (1)测量信号校正测量信号校正 在检测某些过程参数时，在检测某些过程参数时，测量值往往要受到其它一些参数的影响，例测量值往往要受到其它一些参数的影响，例如发电厂过热蒸汽流量测量，通常用标准节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，这种节流装流元件。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，置的测量精度较高，当参数偏离给定值时，测量误差较大，其主要原因是蒸汽密度受压测量误差较大，其主要原因是蒸汽密度受压力和温度的影响较大。为此，必须对其测量力和温度的影响较大。为

45、此，必须对其测量信号进行压力和温度校正信号进行压力和温度校正(补偿补偿)。5. 对测量信号作必要的处理对测量信号作必要的处理2021/3/946(2)测量信号噪声测量信号噪声(扰动扰动)的抑制的抑制 在测量某些参数时，由于其物理或化在测量某些参数时，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。若测量变送器的阻尼较小，其噪程噪声。若测量变送器的阻尼较小，其噪声会叠加于测量信号之中影响系统的控制声会叠加于测量信号之中影响系统的控制质量，所以应考虑对其加以抑制。例如测质量，所以应考虑对其加以抑制。例如测量流量时，常伴有噪声，故常常引入量流量时，常伴有

46、噪声，故常常引入阻尼阻尼器器来加以抑制。来加以抑制。 有些测量元件本身具有一定的阻尼作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，如用用，测量信号的噪声基本上被抑制，如用热电偶或热电阻测温时，由于其本身的惯热电偶或热电阻测温时，由于其本身的惯性作用，测量信号无噪声。性作用，测量信号无噪声。2021/3/947 (3)对测量信号进行线性化处理对测量信号进行线性化处理 在检测某些过程参数时，测量信号与被在检测某些过程参数时，测量信号与被测参数之间成某种非线性关系。这种非线性测参数之间成某种非线性关系。这种非线性特性，一般由测量元件所致。特性，一般由测量元件所致。 通常线性化措施

47、在仪表内考虑或测量信通常线性化措施在仪表内考虑或测量信号送入计算机后通过数字运算来线性化。号送入计算机后通过数字运算来线性化。 如热电偶测温时，热电动势与温度是非如热电偶测温时，热电动势与温度是非线性的，当配用线性的，当配用DDZIII型温度变送器型温度变送器时，时，其输出的测量信号就已线性化了，即变送器其输出的测量信号就已线性化了，即变送器的输出电流与温度成线性关系。的输出电流与温度成线性关系。 因此是否要进行线性化处理，具体问题因此是否要进行线性化处理，具体问题要作具体分析。要作具体分析。2021/3/948第四节第四节 执行器执行器(调节阀调节阀)选择选择 在过程控制中，执行器在过程控制

48、中，执行器(亦称执行机构亦称执行机构)大多采用阀的形式，控制各种气体或液体大多采用阀的形式，控制各种气体或液体的流量与流速，其特性好坏对控制质量的的流量与流速，其特性好坏对控制质量的影响很大。影响很大。 实践证明，若调节阀特性选用不当，实践证明，若调节阀特性选用不当，阀门动作不灵活，口径大小不合适，都会阀门动作不灵活，口径大小不合适，都会严重影响控制质量。严重影响控制质量。 所以，所以，应根据生产过程的特点、被控应根据生产过程的特点、被控介质的情况介质的情况(尤其关注高温、高压、剧毒、尤其关注高温、高压、剧毒、易燃易爆、易结晶、强腐蚀、高粘度等介易燃易爆、易结晶、强腐蚀、高粘度等介质质)和安全

49、运行的需要，并从系统设计的总和安全运行的需要，并从系统设计的总体考虑，选用合适的执行器。体考虑，选用合适的执行器。2021/3/949 在过程控制中，在过程控制中，使用最多的是气动执行器使用最多的是气动执行器，其，其次是电动执行器，较少采用液动执行器。（次是电动执行器，较少采用液动执行器。（表表3-3）2021/3/9501选择合适的调节工作区间选择合适的调节工作区间 调节阀的调节阀的Dg、dg必须很好选择，在必须很好选择，在正常工况下要求调节阀开度处于正常工况下要求调节阀开度处于1585之间。之间。 若调节阀口径选得过小若调节阀口径选得过小，当系统受到，当系统受到较大扰动时，调节阀可能运行在

50、全开或接较大扰动时，调节阀可能运行在全开或接近全开的非线性饱和工作状态，使系统暂近全开的非线性饱和工作状态，使系统暂时失控；时失控； 若调节阀口径选得过大若调节阀口径选得过大，系统运行中，系统运行中阀门会经常处于小开度的工作状态，不但阀门会经常处于小开度的工作状态，不但调节不灵敏，而且易造成流体对阀芯、阀调节不灵敏，而且易造成流体对阀芯、阀座的严重冲蚀，在不平衡力作用下产生振座的严重冲蚀，在不平衡力作用下产生振荡现象，甚至引起调节阀失灵。荡现象，甚至引起调节阀失灵。2021/3/9512选择合适的流量特性选择合适的流量特性 首先首先根据过程控制系统的要求，根据过程控制系统的要求，确定工作流量特

51、性，确定工作流量特性，然后然后根据流量根据流量特性曲线的畸变程度，确定理想流特性曲线的畸变程度，确定理想流量特性。量特性。 在具体选择调节阀的流量特性在具体选择调节阀的流量特性时，根据被控过程特性来选择调节时，根据被控过程特性来选择调节阀的工作流量特性，若过程特性为阀的工作流量特性，若过程特性为线性线性时，可选用时，可选用线性线性流量特性的调流量特性的调节阀；若过程特性为节阀；若过程特性为非线性非线性，应选，应选用用对数对数流量特性的调节阀。流量特性的调节阀。2021/3/952 当阻力比当阻力比S确定后，可从工作流量确定后，可从工作流量特性出发，决定理想流量特性。特性出发，决定理想流量特性。

52、 当当S10. 6时，理想流量特时，理想流量特性与工作流量特性几乎相同；性与工作流量特性几乎相同； 当当S0.30.6时，调节阀流量时，调节阀流量特性无论是线性的或对数的，均应特性无论是线性的或对数的，均应选择对数的理想流量特性；选择对数的理想流量特性； 当当S0.3时，一般已不宜用于时，一般已不宜用于自动控制。自动控制。2021/3/953 3选择合适的调节阀气开、气关形式选择合适的调节阀气开、气关形式 主要是考虑在不同工艺条件下主要是考虑在不同工艺条件下安全生安全生产产的需要。选用气动调节阀应考虑以下情的需要。选用气动调节阀应考虑以下情况：况： 1)考虑事故状态时人身、工艺设备的安全。考虑

53、事故状态时人身、工艺设备的安全。 当过程控制系统发生故障当过程控制系统发生故障(如气源中断、如气源中断、控制器损坏或调节阀坏了控制器损坏或调节阀坏了)时，调节阀所处时，调节阀所处的状态不致影响人身和工艺设备的安全。的状态不致影响人身和工艺设备的安全。 例：例：锅炉供水调节阀锅炉供水调节阀 进加热炉的燃料气进加热炉的燃料气(油油)的调节阀的调节阀2021/3/9542)考虑事故状态下减少经济损失，保证考虑事故状态下减少经济损失，保证产品质量。产品质量。 例：例：精馏塔进料调节阀精馏塔进料调节阀 精馏塔回流量调节阀精馏塔回流量调节阀3)考虑介质的性质。考虑介质的性质。 例：例：装有易结晶、易凝固物

54、料的装有易结晶、易凝固物料的装置的流量调节阀装置的流量调节阀2021/3/955第四节第四节 控制器控制器(调节器调节器)的选择的选择 在过程控制中，在过程控制中，控制器控制器常称为常称为调节调节器器(控制控制常称为常称为调节调节)。 控制器的选型与控制规律的确定是控制器的选型与控制规律的确定是系统设计中系统设计中最重要最重要的环节。的环节。 控制器的选型主要根据控制器的选型主要根据被控过程的被控过程的特性、工艺对控制品质的要求、系特性、工艺对控制品质的要求、系统的总体设计统的总体设计(包括经济性包括经济性)来综合考来综合考虑。虑。 本节讨论控制器选择中的共性问题。本节讨论控制器选择中的共性问

55、题。2021/3/9561选择控制器的控制规律选择控制器的控制规律 (1)根据根据0T0比值来选择：比值来选择： 当已知过程数学模型当已知过程数学模型 0T0 0.2时，选用时，选用P或或PI控制规律；控制规律； 0.20T0 1.0 时，单回路反馈控制系统已不能满时，单回路反馈控制系统已不能满足控制要求，应根据具体情况，采用其他控足控制要求，应根据具体情况，采用其他控制方式。制方式。( )1OOKWo sT So o- - s se e2021/3/957(2)根据过程特性选择控制规律：根据过程特性选择控制规律： 若过程的数学模型比较复杂或无法若过程的数学模型比较复杂或无法准确建模时，可根据

56、何种控制规律适用准确建模时，可根据何种控制规律适用于何种过程特性与工艺要求来选择。于何种过程特性与工艺要求来选择。1)比例比例(P) ：P控制规律能较快地克服扰动控制规律能较快地克服扰动的影响，使系统稳定下来，但有余差。的影响，使系统稳定下来，但有余差。适用于适用于控制通道滞后较小，负荷变化不控制通道滞后较小，负荷变化不大，控制要求不高，时间常数不太大，大，控制要求不高，时间常数不太大，扰动幅度较小，被控参数允许在一定范扰动幅度较小，被控参数允许在一定范围内有余差围内有余差的场合。如储槽液位控制、的场合。如储槽液位控制、压缩机储气罐的压力控制、塔釜液位控压缩机储气罐的压力控制、塔釜液位控制和不

57、太重要的蒸汽压力控制等。制和不太重要的蒸汽压力控制等。2021/3/9582)比例积分比例积分(PI) ：工程上应用最广泛。工程上应用最广泛。积分积分能消除余差，它适用于能消除余差，它适用于控制通道滞后较小、控制通道滞后较小、负荷变化不大、被控参数不允许有余差负荷变化不大、被控参数不允许有余差的的场合。如某些流量、液位要求无余差的控场合。如某些流量、液位要求无余差的控制系统。制系统。3)比例微分比例微分(PD)：微分具有：微分具有超前超前作用，对于作用，对于具有具有容量滞后容量滞后的控制通道，引入微分控制的控制通道，引入微分控制规律规律(微分时间设置得当微分时间设置得当)对于改善系统的对于改善

58、系统的动态性能指标，有显著的效果。适用于动态性能指标，有显著的效果。适用于控控制通道的时间常数或容量滞后较大制通道的时间常数或容量滞后较大的场合，的场合，如温度或成分控制。但对于如温度或成分控制。但对于纯滞后较大、纯滞后较大、测量信号有噪声或周期性扰动测量信号有噪声或周期性扰动的系统，则的系统，则不宜采用微分控制。不宜采用微分控制。2021/3/959 4)比例积分微分比例积分微分 (PlD)：是一种较理想的是一种较理想的控制规律，可消除余差，又能提高系统控制规律，可消除余差，又能提高系统的稳定性。适用于的稳定性。适用于控制通道时间常数或控制通道时间常数或容量滞后较大、控制要求较高容量滞后较大

59、、控制要求较高的场合。的场合。如某些温度控制、成分控制等。如某些温度控制、成分控制等。 控制规律要根据过程特性和工艺要求来控制规律要根据过程特性和工艺要求来选取，决不是说选取，决不是说PID控制规律具有较好的控制规律具有较好的控制性能就不分场合地选用，否则会给控制性能就不分场合地选用，否则会给其它工作增加复杂性，并带来参数整定其它工作增加复杂性，并带来参数整定的困难。的困难。 当采用当采用PID控制器还达不到工艺要求的控控制器还达不到工艺要求的控制品质时，则需要考虑其它的控制方案制品质时，则需要考虑其它的控制方案(第四章第四章)。2021/3/9602.确定控确定控制制(调节调节)器器的正、反

60、作用方式的正、反作用方式 正作用方式正作用方式-调节器的输出随着正偏差调节器的输出随着正偏差(指测量值大于设定值指测量值大于设定值)的增加而增加，即的增加而增加，即调节器的输出随测量值的增大而增大。调节器的输出随测量值的增大而增大。 反作用方式反作用方式-调节器的输出随着正偏差调节器的输出随着正偏差的增加而减小，即调节器的输出随测量值的增加而减小，即调节器的输出随测量值的增大而减小。的增大而减小。 调节器正、反作用方式的确定原则：调节器正、反作用方式的确定原则： 应根据应根据被控过程的特性被控过程的特性及及调节阀的气调节阀的气开、气关形式开、气关形式来选择，以使系统成为一个来选择，以使系统成为