自动化仪表与过程控制第六章概述

1、YXSH自动化仪表与过程控制自动化仪表与过程控制第第6 6章章 单回路调节系统设计单回路调节系统设计及调节器参数整定方法及调节器参数整定方法 单回路调节系统，一般指在一个调节对象上用一单回路调节系统，一般指在一个调节对象上用一个调节器来保持一个参数恒定，而调节器只接收一个个调节器来保持一个参数恒定，而调节器只接收一个测量信号，其输出也只控制一个执行机构。测量信号，其输出也只控制一个执行机构。YXSH自动化仪表与过程控制自动化仪表与过程控制6.1.1 单回路调节系统的结构单回路调节系统的结构液位调节系统液位调节系统贮槽是被控对象贮槽是被控对象LT为为液位变送器液位变送器，反映液位高低反映液位高低

2、L C 为 液为 液位调节器位调节器控制阀为控制阀为执行器执行器液位是被调参数液位是被调参数YXSH自动化仪表与过程控制自动化仪表与过程控制温度调节系统温度调节系统图示的温度调节系统，图示的温度调节系统，是通过改变进入换热器是通过改变进入换热器的载热体流量，以维持的载热体流量，以维持换热器出口物料的温度换热器出口物料的温度在工艺规定的数值上。在工艺规定的数值上。YXSH自动化仪表与过程控制自动化仪表与过程控制6.1.2 单回路调节系统的组成单回路调节系统的组成下图单回路调节系统的典型框图。对于不同对象下图单回路调节系统的典型框图。对于不同对象的单回路调节系统，尽管其具体装置与变量不相同，的单回

3、路调节系统，尽管其具体装置与变量不相同，但都可以用相同的框图来表示，以便于对它们的共性但都可以用相同的框图来表示，以便于对它们的共性进行研究。进行研究。 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GC(s)GV(s)G0(s)GH(s)X(s)Y(s)F(s)YXSH自动化仪表与过程控制自动化仪表与过程控制过程控制实验室过程控制实验室控制装置控制装置YXSH自动化仪表与过程控制自动化仪表与过程控制 613 过程控制系统的性能指标过程控制系统的性能指标人们在实践中发现，一个闭环调节系统的动态过人们在实践中发现，一个闭环调节系统的动态过程和一个二阶振荡

4、环节十分相似。在研究一个自动调程和一个二阶振荡环节十分相似。在研究一个自动调节系统时，主要考虑干扰作用下的过程特性。能够直节系统时，主要考虑干扰作用下的过程特性。能够直观地反映调节的效果，是我们最希望知道的过渡过程。观地反映调节的效果，是我们最希望知道的过渡过程。评价一个调节系统的工作质量，除了用静态指标外，评价一个调节系统的工作质量，除了用静态指标外，还需用动态过程的性能指标来衡量。还需用动态过程的性能指标来衡量。 YXSH自动化仪表与过程控制自动化仪表与过程控制 1 稳态指标稳态指标 稳态误差稳态误差y，是指干扰是指干扰引起的过渡过程结束后，被引起的过渡过程结束后，被调量新的稳态值调量新的

5、稳态值y()。v 从抑制干扰的角度出发，从抑制干扰的角度出发，希望希望y 0，从调节的角度从调节的角度出发，希望出发，希望y与设定值与设定值r之差之差 0。 图图6-0 控制系统的阶跃响应控制系统的阶跃响应oty(t)yrYXSH自动化仪表与过程控制自动化仪表与过程控制 等于两个相邻的同相波等于两个相邻的同相波峰值之比。波动幅度衰峰值之比。波动幅度衰减的百分数称为减的百分数称为衰减率：衰减率： 图图6-0 控制系统的阶跃响应控制系统的阶跃响应oty(t)y 衡量一个振荡过程衡量一个振荡过程的衰减程度的指标。的衰减程度的指标。1 13 3yy yyy 1 11 13 31 12 衰减比指标衰减比

6、指标衰减比衰减比 y1y3YXSH自动化仪表与过程控制自动化仪表与过程控制%1001001 1 yy yyMDt3 超调指标超调指标最大动态偏差最大动态偏差y1 图图6-0 控制系统的阶跃响应控制系统的阶跃响应oty(t)yy1y3超调量超调量：最大动态偏差占被：最大动态偏差占被调量稳态变化幅度的百分数调量稳态变化幅度的百分数称为超调量。称为超调量。超调度超调度：过渡过程开始后：过渡过程开始后第一个波峰值与其新稳态第一个波峰值与其新稳态值之比。值之比。yDYXSH自动化仪表与过程控制自动化仪表与过程控制4 调节快速性指标调节快速性指标调节时间：调节时间：是从扰动开是从扰动开始到被调量进入新稳态

7、始到被调量进入新稳态值的值的5%范围内的这段范围内的这段时间时间ts。振荡频率：振荡频率：Z也可以作也可以作为衡量控制系统快速性为衡量控制系统快速性的指标，这里的指标，这里Z=2/TZ。 图图6-0 控制系统的阶跃响应控制系统的阶跃响应oty(t)yy1y3yDtstst1t3TZYXSH自动化仪表与过程控制自动化仪表与过程控制v最佳调节过程的标准：在阶跃扰动作用下，保最佳调节过程的标准：在阶跃扰动作用下，保证调节过程波动的衰减率证调节过程波动的衰减率=0.75（或更高）的前提下，或更高）的前提下，使过程的最大动态偏差、静态误差和调节时间最小。使过程的最大动态偏差、静态误差和调节时间最小。5

8、误差积分指标误差积分指标以上列举的都是单项性能指标。人们还时常用以上列举的都是单项性能指标。人们还时常用误差积分指标衡量控制系统性能的优良程度。它是过误差积分指标衡量控制系统性能的优良程度。它是过渡过程中被调量偏离其新稳态值的误差沿时间轴的积渡过程中被调量偏离其新稳态值的误差沿时间轴的积分。无论是误差幅度大或是时间拖长都会使误差积分分。无论是误差幅度大或是时间拖长都会使误差积分增大，因此它是一类综合指标。增大，因此它是一类综合指标。YXSH自动化仪表与过程控制自动化仪表与过程控制 （1 1） 误差积分误差积分（IE） 0 0dttIE)(式中，式中，(t) = y() - y(t) ，下同。下

9、同。 （2 2） 绝对误差积分绝对误差积分（IAE） dttIEA 0 0)(（3 3） 平方误差积分平方误差积分（ISE） 0 02 2dttISE)( （4 4） 时间与绝对误差乘积积分时间与绝对误差乘积积分（ITAE） dtttITAE 0 0)(YXSH自动化仪表与过程控制自动化仪表与过程控制生产过程中的复杂对象住往有多个干扰量，设生产过程中的复杂对象住往有多个干扰量，设干扰干扰f1、f2、f3分别在三个位置进入系统。如图分别在三个位置进入系统。如图6-2所所示的闭环系统。示的闭环系统。YXSH自动化仪表与过程控制自动化仪表与过程控制系统的运算式为系统的运算式为)()()()()()(

10、)()()()(sFsGsGsGsYsGsGsGsGsYcficc1 10 01 10 00 00 01 11 1 )()()()()()()()(sFsGsGsGsFsGsGsGcfcf3 30 03 30 02 20 02 20 01 11 1 3 31 10 00 00 00 01 11 1=)()()(+)(+)()()(+)()(=iicfiiccsFsGsGsGsYsGsGsGsGYXSH自动化仪表与过程控制自动化仪表与过程控制)()()(+)(+)()()(+)()(=)(=sFsGsGsGsYsGsGsGsGsYiicfiicc3 31 10 00 00 00 01 11 1控

11、制分量控制分量干扰分量干扰分量（6-1）控制系统控制系统Y (s)Fi (s)Yi (s)干扰通道干扰通道控制通道控制通道对于单回路控对于单回路控制系统，其输出为制系统，其输出为Y(s)；输入有两类：输入有两类：干扰输入干扰输入Fi (s)， 控控制输入制输入Yi (s) 。如图。如图所示。所示。YXSH自动化仪表与过程控制自动化仪表与过程控制式中式中 Gc(s) 为调节器传递函数。为调节器传递函数。 G0(s) = G01(s) G02(s) G03(s) = G0f3(s) 对象传函对象传函 G0f2(s) = G01(s) G02(s) G0f1(s) = G01(s) )()()(+)

12、(+)()()(+)()(=)(=sFsGsGsGsYsGsGsGsGsYiicfiicc3 31 10 00 00 00 01 11 1YXSH自动化仪表与过程控制自动化仪表与过程控制)()()(+)(+)()()(+)()(=)(=sFsGsGsGsYsGsGsGsGsYiicfiicc3 31 10 00 00 00 01 11 1由于给定值由于给定值yi在调节系统中一般保持不变，系统在调节系统中一般保持不变，系统的运动由（的运动由（6-1）式右边第二项决定。）式右边第二项决定。 各个干扰通道的闭环传递函数分子不同，各各个干扰通道的闭环传递函数分子不同，各干扰量对调节质量的影响也不同。干

13、扰量对调节质量的影响也不同。 621 干扰通道动特性对调节质量的影响干扰通道动特性对调节质量的影响YXSH自动化仪表与过程控制自动化仪表与过程控制v最大动态偏差及静差可能不相同最大动态偏差及静差可能不相同v调节器用了积分作用，则静差为零；若无积分调节器用了积分作用，则静差为零；若无积分作用，则存在静差作用，则存在静差)()()(+)(+)()()(+)()(=)(=sFsGsGsGsYsGsGsGsGsYiicfiicc3 31 10 00 00 00 01 11 1 各干扰通道闭环传递函数的分母是一样的，各干扰通道闭环传递函数的分母是一样的，即系统的特征方程式都一样。即系统的特征方程式都一样

14、。v不管是哪一个干扰量，系统的稳定程度、过渡不管是哪一个干扰量，系统的稳定程度、过渡过程的衰减系数、振荡周期等也一样。过程的衰减系数、振荡周期等也一样。YXSH自动化仪表与过程控制自动化仪表与过程控制1 干扰通道参数的影响干扰通道参数的影响为讨论方便，设对象串联环节都是一阶惯性环为讨论方便，设对象串联环节都是一阶惯性环节，考虑节，考虑f1作用时的情况作用时的情况sffccfesTKsGsGsGsGsGsFsY-+)()(+=)()(+)(=)()(1 11 11 11 10 00 01 11 1干扰通道的传涵干扰通道的传涵YXSH自动化仪表与过程控制自动化仪表与过程控制（1 1） 放大系数放大

15、系数Kf的的影响影响影响着干扰加在系统上的幅值。影响着干扰加在系统上的幅值。vKf愈大，系统的静差也愈大。希望愈大，系统的静差也愈大。希望Kf越小越好，越小越好，这样可使静差减小，控制精度提高。这样可使静差减小，控制精度提高。（2 2） 时间时间常数常数Tf 的影响的影响sffcesTKsGsGsFsY-+)()(+=)()(1 11 11 10 01 11 11 1+sTf是惯性环节，对干扰是惯性环节，对干扰F F( (s s) )具有一定的滤波具有一定的滤波作用，使控制过程最大偏差随着作用，使控制过程最大偏差随着Tf的增大而减小。的增大而减小。YXSH自动化仪表与过程控制自动化仪表与过程控

16、制同理，如果干扰通道增加为两个惯性环节，则同理，如果干扰通道增加为两个惯性环节，则干扰的动态分量经过两级滤波将更大地减小。干扰的动态分量经过两级滤波将更大地减小。v干扰通道的时间常数干扰通道的时间常数Tf 的增加，可以使最大动的增加，可以使最大动态偏差减小，这也是希望的。态偏差减小，这也是希望的。sffcesTKsGsGsFsY-+)()(+=)()(1 11 11 10 01 1（3 3）纯滞后的影响）纯滞后的影响当干扰通道存在纯滞后当干扰通道存在纯滞后时，调节系统的被调参时，调节系统的被调参数为数为YXSH自动化仪表与过程控制自动化仪表与过程控制 y(t) = y(t -)仅仅使调节过程沿

17、着时间轴平移了一个仅仅使调节过程沿着时间轴平移了一个的距离。的距离。v干扰通道出现纯滞后并不影响调节质量。干扰通道出现纯滞后并不影响调节质量。2 干扰进入位置的影响干扰进入位置的影响对于对于f1、f2、f3这三个干扰分别发生阶跃变化所引这三个干扰分别发生阶跃变化所引起的被调参数的反应曲线（开环），可分别用图起的被调参数的反应曲线（开环），可分别用图6-3的的a1、a2、a3表示。表示。YXSH自动化仪表与过程控制自动化仪表与过程控制由图由图6-3比较三种情况可知：比较三种情况可知： 当干扰作用点的位置离测量点近，则动差大当干扰作用点的位置离测量点近，则动差大设这里用位式调节器设这里用位式调节器

18、yx为调节器的灵敏限为调节器的灵敏限b表示调节器所产生的反馈校正作用，以反向画出表示调节器所产生的反馈校正作用，以反向画出当被调参量上升到当被调参量上升到yx时时被调参数在调节作用影响下沿着曲线被调参数在调节作用影响下沿着曲线C变化变化信号为调节器所感受，调节器发出控制信号信号为调节器所感受，调节器发出控制信号YXSH自动化仪表与过程控制自动化仪表与过程控制由于各干扰量和被调节量通道间传递函数不同引由于各干扰量和被调节量通道间传递函数不同引起的，即起的，即f1通道的惯性小，受干扰后被调参数变化速通道的惯性小，受干扰后被调参数变化速度快；度快；而调节器作用的通道惯性大，要经过三个环节，而调节器作

19、用的通道惯性大，要经过三个环节，控制被调参数的变化速度要慢得多，当调节作用见控制被调参数的变化速度要慢得多，当调节作用见效时，被调参数已经变化不少了。效时，被调参数已经变化不少了。YXSH自动化仪表与过程控制自动化仪表与过程控制若干扰直接从测量点进入系统，那么调节过程若干扰直接从测量点进入系统，那么调节过程的超调量与没有调节时完全一样，调节器不能及时起的超调量与没有调节时完全一样，调节器不能及时起克服干扰的作用。克服干扰的作用。 干扰作用点向离开测量点方向移动，干扰通干扰作用点向离开测量点方向移动，干扰通道的容量滞后增加，调节质量变好。从这个意义上说，道的容量滞后增加，调节质量变好。从这个意义

20、上说，如果干扰和调节作用一道进入系统，系统调节质量最如果干扰和调节作用一道进入系统，系统调节质量最好。好。 YXSH自动化仪表与过程控制自动化仪表与过程控制622 调节通道动特性对调节质量的影响调节通道动特性对调节质量的影响)()()(+)(+)()()(+)()(=)(=sFsGsGsGsYsGsGsGsGsYiicfiicc3 31 10 00 00 00 01 11 1调节通道包括调节器、执行器、被控对象、变调节通道包括调节器、执行器、被控对象、变送器，调节器的影响在下一节介绍，变送器的影响送器，调节器的影响在下一节介绍，变送器的影响稍后介绍，这里仅介绍对象（含执行器）特性对调稍后介绍，

21、这里仅介绍对象（含执行器）特性对调节质量的影响。节质量的影响。1 对象参数的影响对象参数的影响（1 1） 放大系数放大系数K0的的影响影响YXSH自动化仪表与过程控制自动化仪表与过程控制)()()(+)(+)()()(+)()(=)(=sFsGsGsGsYsGsGsGsGsYiicfiicc3 31 10 00 00 00 01 11 1在调节器放大系数在调节器放大系数Kc一定的条件下：一定的条件下：vK0越大，控制作用越强，克服扰动的能力也越越大，控制作用越强，克服扰动的能力也越强，系统的稳态误差就越小；强，系统的稳态误差就越小；vK0越大，被调参数对控制作用的反应越灵敏，越大，被调参数对控

22、制作用的反应越灵敏，相约迅速；相约迅速；v但但K0越大，对系统的闭环稳定性越不利。越大，对系统的闭环稳定性越不利。YXSH自动化仪表与过程控制自动化仪表与过程控制yi（2 2）纯滞后的影响）纯滞后的影响v使超调量将会增加，调节质量变坏使超调量将会增加，调节质量变坏如图如图6-5所示，设曲线所示，设曲线1为对象的飞升特性。为对象的飞升特性。y变化到变化到A点，沿点，沿C1曲线下降曲线下降yi =(t) y滞后滞后1 y() 调节器开始作调节器开始作用用又又经过经过1 11YXSH自动化仪表与过程控制自动化仪表与过程控制因此，不论调节作因此，不论调节作用如何强烈，调节过程用如何强烈，调节过程中的最

23、大偏差不可能再中的最大偏差不可能再比比A点的点的y值更小。这个值更小。这个值是由对象的这种纯滞值是由对象的这种纯滞后所造成的。后所造成的。若对象的其它参量若对象的其它参量不变，纯滞后增大为不变，纯滞后增大为2，如图中曲线如图中曲线2。B点的值点的值高于高于A点。点。yiYXSH自动化仪表与过程控制自动化仪表与过程控制（3 3）时间常数的影响）时间常数的影响图图6-5中曲线中曲线3纯滞后为纯滞后为2（与曲线与曲线2相同），而相同），而曲线曲线3时间常数大，曲线的斜率小。其最大偏差时间常数大，曲线的斜率小。其最大偏差C点点的的y值要比值要比B点小。点小。v 一般来说，时间常数大，一般来说，时间常数

24、大，反应速度慢，需较长的过渡反应速度慢，需较长的过渡过程时间，但过程平稳，时过程时间，但过程平稳，时间常数小，反应快，过渡过间常数小，反应快，过渡过程时间相应减小。时间常数程时间相应减小。时间常数过小，易引起振荡和超调。过小，易引起振荡和超调。 yiYXSH自动化仪表与过程控制自动化仪表与过程控制2 对象的自平衡特性与控制性能的关系对象的自平衡特性与控制性能的关系（1 1） 自衡对象的控制性能更佳自衡对象的控制性能更佳控制的难易称为对象的控制性能。有自平衡特性控制的难易称为对象的控制性能。有自平衡特性的对象，在其内部物料或能量的平衡被破坏后能自己的对象，在其内部物料或能量的平衡被破坏后能自己稳

25、定在一个新的平衡点，稳定在一个新的平衡点，所以这种对象的控制性能所以这种对象的控制性能更佳。如图更佳。如图6-4所示的水槽所示的水槽水位的变化。水位的变化。YXSH自动化仪表与过程控制自动化仪表与过程控制（2 2） 无自衡特性对象的控制性能差无自衡特性对象的控制性能差无自平衡特性的对象，当输入或输出的平衡破无自平衡特性的对象，当输入或输出的平衡破坏后，被调量就一直变化下去，例如，锅炉汽包水位坏后，被调量就一直变化下去，例如，锅炉汽包水位调节可以看作没有自平衡的对象。调节可以看作没有自平衡的对象。无自平衡特性的对象控制性能就差些，而且有无自平衡特性的对象控制性能就差些，而且有些调节器（如积分调节

26、器）就不能采用，因为系统不些调节器（如积分调节器）就不能采用，因为系统不稳定。稳定。YXSH自动化仪表与过程控制自动化仪表与过程控制（3 3）负自衡对象的控制性能更差）负自衡对象的控制性能更差有时也会通到具有负自平衡的对象。例如，内有时也会通到具有负自平衡的对象。例如，内燃机和磨煤机的负荷控制中，因为在对象内部发生了燃机和磨煤机的负荷控制中，因为在对象内部发生了正反馈，对象输出增大时引起对象输入进一步增加。正反馈，对象输出增大时引起对象输入进一步增加。对这样的工作情况来说，没有一个稳定点，被调量将对这样的工作情况来说，没有一个稳定点，被调量将一直变化到极限值。显然，这种具有负自平衡特性的一直变

27、化到极限值。显然，这种具有负自平衡特性的对象的控制性能就更差了。对象的控制性能就更差了。 YXSH自动化仪表与过程控制自动化仪表与过程控制3 测量元件特性的影响测量元件特性的影响（1 1） 时间常数的影响时间常数的影响测量元件，特别是测温元件，由于存在热阻和热测量元件，特别是测温元件，由于存在热阻和热容，它本身具有一定的时间常数，因而造成测量滞后。容，它本身具有一定的时间常数，因而造成测量滞后。若被调量若被调量y作阶跃变作阶跃变化时，测量值化时，测量值z慢慢慢慢靠近靠近y ，显然，前一，显然，前一段两者差距很大段两者差距很大若若y作递增变作递增变化，而化，而z则一则一直跟不上去，直跟不上去，总

28、存在着偏差总存在着偏差若若y作周期性变化，作周期性变化，z的振荡幅值将比的振荡幅值将比y减小，而且落后减小，而且落后一个相位一个相位YXSH自动化仪表与过程控制自动化仪表与过程控制v控制系统中的测量元件时间常数不能太大，最好控制系统中的测量元件时间常数不能太大，最好选用惰性小的快速测量元件。选用惰性小的快速测量元件。（2）纯滞后的影响）纯滞后的影响v当测量存在纯滞后时，也和对象控制通道存在纯当测量存在纯滞后时，也和对象控制通道存在纯滞后一样，会严重地影响控制质量。滞后一样，会严重地影响控制质量。测量的纯滞后有时是由于测量元件安装位置引起测量的纯滞后有时是由于测量元件安装位置引起的。例如下图的的

29、。例如下图的pH值控制系统。值控制系统。YXSH自动化仪表与过程控制自动化仪表与过程控制22110vlvl被测变量是被测变量是中和槽出口中和槽出口处的处的PH值值测量电极却测量电极却安装在远离安装在远离中和槽的管中和槽的管道出口处道出口处造成的纯滞后为：造成的纯滞后为：YXSH自动化仪表与过程控制自动化仪表与过程控制6.2.3 调节方案的确定调节方案的确定1 选择测量参数（被调量）选择测量参数（被调量）（1） 选择依据选择依据q充分考虑生产工艺的要求充分考虑生产工艺的要求q找出影响生产的关键变量作为被调量找出影响生产的关键变量作为被调量 影响一个生产过程正常操作的因素是很多，必影响一个生产过程

30、正常操作的因素是很多，必须找出影响生产的关键变量作为被调量。须找出影响生产的关键变量作为被调量。所谓所谓“关键关键”变量，是指这些变量对产品的产变量，是指这些变量对产品的产量、质量以及安全具有决定性的作用。量、质量以及安全具有决定性的作用。YXSH自动化仪表与过程控制自动化仪表与过程控制（2）控制型式的考虑控制型式的考虑q直接指标控制直接指标控制 被调量本身就是需要控制的工艺指标（温度、压被调量本身就是需要控制的工艺指标（温度、压力、流量、液位、成分等）。力、流量、液位、成分等）。q间接指标控制间接指标控制 如果工艺是按质量指标进行控制的，但有时缺乏如果工艺是按质量指标进行控制的，但有时缺乏各

31、种合适的获取质量信号的检测手段，或虽能检测，各种合适的获取质量信号的检测手段，或虽能检测，但信号很微弱或滞后很大，这时可选取与直接质量指但信号很微弱或滞后很大，这时可选取与直接质量指标有单值对应关系而反应又快的另一变量，作为间接标有单值对应关系而反应又快的另一变量，作为间接控制指标，进行间接指标控制。控制指标，进行间接指标控制。YXSH自动化仪表与过程控制自动化仪表与过程控制 工作原理工作原理利用被分离物各组分利用被分离物各组分的挥发度不同，把混合物的挥发度不同，把混合物中的各组分进行分离。中的各组分进行分离。 直接控制指标直接控制指标假定该精馏塔的操作假定该精馏塔的操作是要使塔顶（或塔底）馏

32、是要使塔顶（或塔底）馏出物达到规定的纯度，那出物达到规定的纯度，那么塔顶（或塔底）馏出物么塔顶（或塔底）馏出物的组分的组分xD（或或xW）应作为应作为被调量。被调量。例例 1 下图是精馏下图是精馏过程的示意图。过程的示意图。YXSH自动化仪表与过程控制自动化仪表与过程控制 间接控制指标间接控制指标如果检测塔顶馏出物如果检测塔顶馏出物的组分的组分xD（或或xW）尚有困尚有困难，或滞后太大，那么就难，或滞后太大，那么就不能直接以不能直接以xD（或或xW）作作为被调量进行直接指标控为被调量进行直接指标控制。制。可以在与可以在与xD（或或xW）有关的参数中找出合适的有关的参数中找出合适的变量作为被调量

33、，进行间变量作为被调量，进行间接指标控制。接指标控制。YXSH自动化仪表与过程控制自动化仪表与过程控制 控制间接指标的确定控制间接指标的确定在二元系统的精馏中，当气液两相并存时，塔顶在二元系统的精馏中，当气液两相并存时，塔顶易挥发组分的浓度易挥发组分的浓度xD，在压力恒定时，和温度在压力恒定时，和温度TD之间之间存在有单值对应的关系。存在有单值对应的关系。q选温度为控制间接指标选温度为控制间接指标左图所示为苯、甲苯二元左图所示为苯、甲苯二元系统中易挥发组分苯的百分浓系统中易挥发组分苯的百分浓度与温度之间的关系。度与温度之间的关系。可选温度为控制指标来间可选温度为控制指标来间接反映接反映苯的百分

34、浓度。苯的百分浓度。 YXSH自动化仪表与过程控制自动化仪表与过程控制q选压力为控制间接指标选压力为控制间接指标当温度当温度TD恒定时，组分恒定时，组分xD和压力和压力p之间也存在着单之间也存在着单值对应关系，如右图所示。值对应关系，如右图所示。可选压力可选压力为控制指标。为控制指标。v在规定的压力下，才在规定的压力下，才易于保证塔的分离纯度。从易于保证塔的分离纯度。从工艺合理性考虑，常常选择工艺合理性考虑，常常选择温度作为被调量。温度作为被调量。YXSH自动化仪表与过程控制自动化仪表与过程控制（3）在选择被控变量时，还必须使所选变量有在选择被控变量时，还必须使所选变量有足够的灵敏度足够的灵敏

35、度上例中，当上例中，当xD变化时，温度变化时，温度TD的变化必须灵敏，的变化必须灵敏，有足够大的变化，容易被测量元件所感受，且使相应有足够大的变化，容易被测量元件所感受，且使相应的测量仪表比较简单、便宜。的测量仪表比较简单、便宜。（4） 考虑被控变量间的独立性考虑被控变量间的独立性上例中，若塔顶、塔底的产品纯度都需控制在，上例中，若塔顶、塔底的产品纯度都需控制在，可在塔顶、塔底分别设置温控系统。但塔顶、塔底的可在塔顶、塔底分别设置温控系统。但塔顶、塔底的温度会相互干扰，存在关联问题。温度会相互干扰，存在关联问题。v所以采用单回路控制系统时，通常只能保证塔顶所以采用单回路控制系统时，通常只能保证

36、塔顶或塔底一端的产品质量。或塔底一端的产品质量。YXSH自动化仪表与过程控制自动化仪表与过程控制v如果工艺要求塔顶和塔底产品纯度都要保证，则如果工艺要求塔顶和塔底产品纯度都要保证，则通常需要组成复杂控制系统，增加通常需要组成复杂控制系统，增加解耦解耦装置，解决相装置，解决相互关联问题。互关联问题。（5） 选择被控变量的一般原则选择被控变量的一般原则q选重要变量选重要变量被控变量应能代表一定的工艺操被控变量应能代表一定的工艺操作指标或能反映工艺操作状态，是比较重要的变量。作指标或能反映工艺操作状态，是比较重要的变量。q选易操作变量选易操作变量被控变量经常要受到一些干扰被控变量经常要受到一些干扰影

37、响而变化。为维持被控变量的恒定，需要较频繁的影响而变化。为维持被控变量的恒定，需要较频繁的调节。调节。YXSH自动化仪表与过程控制自动化仪表与过程控制q正确选择正确选择控制型式控制型式尽量采用直接指标作为尽量采用直接指标作为被控变量。当无法获得直接指标信号，或其测量和变被控变量。当无法获得直接指标信号，或其测量和变送信号滞后很大时，可选择与直接指标有单值对应关送信号滞后很大时，可选择与直接指标有单值对应关系的间接指标作为被控变量。系的间接指标作为被控变量。q选灵敏度高的变量选灵敏度高的变量被控变量应能被测量出被控变量应能被测量出来，并具有足够大的灵敏度。来，并具有足够大的灵敏度。q合理性和可能

38、性合理性和可能性选择被控变量时，必须考选择被控变量时，必须考虑工艺合理性和国内仪表产品现状。虑工艺合理性和国内仪表产品现状。q独立性独立性被控变量应是独立可控的。被控变量应是独立可控的。YXSH自动化仪表与过程控制自动化仪表与过程控制2 选择调节量（控制介质）选择调节量（控制介质）用来克服干扰对被控变量的影响，实现控制作用用来克服干扰对被控变量的影响，实现控制作用的变量称为的变量称为调节量调节量。最常见的调节量是介质的流量。最常见的调节量是介质的流量。此外，也有以转速、电压等作为调节量的。此外，也有以转速、电压等作为调节量的。热载体的流量热载体的流量出口流体的流量出口流体的流量YXSH自动化仪

39、表与过程控制自动化仪表与过程控制（1） 调节量的确定调节量的确定被控变量选定以后，应对工艺进行分析，找出有被控变量选定以后，应对工艺进行分析，找出有哪些因素会影响被调量的变化。一般来说，影响被调哪些因素会影响被调量的变化。一般来说，影响被调量的外部输入往往有若干个而不是一个，在这些输入量的外部输入往往有若干个而不是一个，在这些输入中，有些是可控（可以调节）的，有些是不可控的。中，有些是可控（可以调节）的，有些是不可控的。q诸多影响被控变量的输入中选择一个对被调量影诸多影响被控变量的输入中选择一个对被调量影响显著且可控的，作为调节量；响显著且可控的，作为调节量；q其它未被选中的所有输入量则视为系

40、统的干扰。其它未被选中的所有输入量则视为系统的干扰。YXSH自动化仪表与过程控制自动化仪表与过程控制q根据工艺要求，根据工艺要求，选择提馏段某块塔板选择提馏段某块塔板（灵敏板）的温度作（灵敏板）的温度作为被调量。那么，自为被调量。那么，自动控制系统的任务就动控制系统的任务就是通过维持灵敏板上是通过维持灵敏板上温度恒定，来保证塔温度恒定，来保证塔底产品的成分满足工底产品的成分满足工艺要求。艺要求。例例2 左图是常见左图是常见的精馏设备。的精馏设备。YXSH自动化仪表与过程控制自动化仪表与过程控制q影响提馏段灵敏板温度影响提馏段灵敏板温度T灵灵的因素主要有：的因素主要有：进料的流量（进料的流量（Q

41、入入）成分（成分（ x入入）温度（温度（T入入）回流的流量（回流的流量（Q回回）回流液温度（回流液温度（T回回）加热蒸汽流量（加热蒸汽流量（Q蒸蒸）冷凝器冷却温度及塔压等等。冷凝器冷却温度及塔压等等。YXSH自动化仪表与过程控制自动化仪表与过程控制q先将这些影响因素分为可控的和不可控的两大类：先将这些影响因素分为可控的和不可控的两大类：只有回流量和蒸汽流量为可控因素只有回流量和蒸汽流量为可控因素其它一般为不可控因素其它一般为不可控因素当然，在不可控因素中，有些也是可以调节的，当然，在不可控因素中，有些也是可以调节的，例如例如Q入入、塔压等，只是工艺上一般不允许用这些变、塔压等，只是工艺上一般不

42、允许用这些变量去控制塔的温度（量去控制塔的温度（因为因为Q入入的波动意味着生产负荷的波动意味着生产负荷的波动；塔压的波动意味着塔的工况不稳定，并会破的波动；塔压的波动意味着塔的工况不稳定，并会破坏温度与成分的单值对应关系，这些都是不允许的）。坏温度与成分的单值对应关系，这些都是不允许的）。YXSH自动化仪表与过程控制自动化仪表与过程控制q通常应选择蒸汽流量作为调节量通常应选择蒸汽流量作为调节量在两个可控因素中，在两个可控因素中，蒸汽流量对提馏段温度蒸汽流量对提馏段温度影响比起回流量对提馏影响比起回流量对提馏段温度影响来说更及时、段温度影响来说更及时、更显著。更显著。从节能角度来讲，从节能角度来

43、讲，控制蒸汽流量比控制回控制蒸汽流量比控制回流量消耗的能量要小。流量消耗的能量要小。YXSH自动化仪表与过程控制自动化仪表与过程控制例例3 图图6-6是喷雾式干燥设备。是喷雾式干燥设备。q选被调量：干燥器出口的气体温度选被调量：干燥器出口的气体温度T q干扰量：干扰量： f1 乳液流量变化；乳液流量变化；f2 热交换器散热热交换器散热及温度变化；及温度变化；f3 蒸汽压力变化。蒸汽压力变化。YXSH自动化仪表与过程控制自动化仪表与过程控制q调节方案：调节方案：方案方案，取乳液流，取乳液流量为调节参量，来达到量为调节参量，来达到调节温度的目的（调节调节温度的目的（调节阀阀1）。）。 v干扰作用点

44、与对象的干扰作用点与对象的输入重合输入重合YXSH自动化仪表与过程控制自动化仪表与过程控制方案方案，取旁通冷风，取旁通冷风为调节参量（调节阀为调节参量（调节阀2）。）。v调节器作用到旁路管路，由于有管路的传递纯调节器作用到旁路管路，由于有管路的传递纯滞后存在，故较第滞后存在，故较第方案多一个纯滞后环节方案多一个纯滞后环节=3s（对对本例而言）。本例而言）。x2为热交换器后热风温度的变化。为热交换器后热风温度的变化。YXSH自动化仪表与过程控制自动化仪表与过程控制v调节器调节热交换器的蒸汽流量，热交换器本调节器调节热交换器的蒸汽流量，热交换器本身为一双容积对象，因而又多了两个容积。这里每个身为一

45、双容积对象，因而又多了两个容积。这里每个容积的时间常数容积的时间常数T = 100秒。秒。x3为送入热交换器的蒸汽为送入热交换器的蒸汽流量的变化。流量的变化。 方案方案，取蒸汽为，取蒸汽为调节参量（调节阀调节参量（调节阀3）。）。YXSH自动化仪表与过程控制自动化仪表与过程控制q 控制性能的判别：控制性能的判别： 考虑各方案中干扰作用点的分布情况，方案考虑各方案中干扰作用点的分布情况，方案的干扰作用点与对象的输入重合，因而其控制性能最的干扰作用点与对象的输入重合，因而其控制性能最佳，方案佳，方案次之，方案次之，方案最差。最差。 从工艺角度来考虑，方案从工艺角度来考虑，方案并不是最有利的。并不是

46、最有利的。因为若以乳液量作为调节参数，则它就不可能始终在因为若以乳液量作为调节参数，则它就不可能始终在最大值上工作，也就限制了该装置的生产能力。另外最大值上工作，也就限制了该装置的生产能力。另外在乳液管线上装了调节阀，容易使浓缩乳液结块，降在乳液管线上装了调节阀，容易使浓缩乳液结块，降低产量和质量。因此，综合上述分析比较，选择方案低产量和质量。因此，综合上述分析比较，选择方案是比较好的。是比较好的。YXSH自动化仪表与过程控制自动化仪表与过程控制调节量和被调量选定之后，调节对象也就确定调节量和被调量选定之后，调节对象也就确定了。根据对象的特性，以及工艺上对调节质量的要求，了。根据对象的特性，以

47、及工艺上对调节质量的要求，从生产厂成批生产的调节器中，选择合适的调节规律从生产厂成批生产的调节器中，选择合适的调节规律整定其参数，使组成的调节系统满足预期的品质指标。整定其参数，使组成的调节系统满足预期的品质指标。要正确地选择调节规律，首先就必须对比例、要正确地选择调节规律，首先就必须对比例、积分、微分作用对系统动态品质的影响，有一正确的积分、微分作用对系统动态品质的影响，有一正确的理解。理解。YXSH自动化仪表与过程控制自动化仪表与过程控制 631 在干在干扰作用下双容对象扰作用下双容对象的比例调节的比例调节 图图6-8所示是双容对象的比例调节系统方块图，所示是双容对象的比例调节系统方块图，

48、先研究扰动先研究扰动F1作用下系统的响应。写出系统对扰动作用下系统的响应。写出系统对扰动F1的传递函数的传递函数2 21 12 21 12 21 11 11 11 1KKKsTsTKKsFsYc )()()(1 11 11 11 11 12 21 12 22 21 12 21 1 sKTTsKTTKKK（6-2）YXSH自动化仪表与过程控制自动化仪表与过程控制式中，式中，Kc 调节器的比例系数；调节器的比例系数； K = Kc K1 K2 开环系统放大系数。开环系统放大系数。为了使式为了使式(6-2)化为标准形式，引进下列参数化为标准形式，引进下列参数二阶系统的自然频率二阶系统的自然频率 2

49、21 10 01 1TTK （6-3）阻尼系数阻尼系数 )(1 12 22 21 12 21 1 KTTTT（6-4）则式则式(6-2)化为化为 2 20 00 02 22 20 02 21 11 12 21 1ssKKKsFsYs )()()(（6-5）YXSH自动化仪表与过程控制自动化仪表与过程控制现在研究系统在现在研究系统在F1为单位阶跃作用下的过渡过程，为单位阶跃作用下的过渡过程，从中可以得出某些工程实践上的重要关系和结论。从中可以得出某些工程实践上的重要关系和结论。1 单位阶跃扰动作用下二阶系统的输出单位阶跃扰动作用下二阶系统的输出)()()()(2 20 00 02 22 21 1

50、2 20 01 11 12 21 1sssKKKLssLty （6-6）当当1时，上式解得时，上式解得)sin()(teKKKtyt 0 02 22 22 21 11 11 11 11 10 0（6-7）YXSH自动化仪表与过程控制自动化仪表与过程控制式中，式中，tg2 21 11 1 图图6-9是是(6-7)式过渡过程曲线。从这里可得出以下式过渡过程曲线。从这里可得出以下几个指标和系统参数的关系。几个指标和系统参数的关系。 （1 1）稳态误差）稳态误差KKKy 1 12 21 1)(（6-8） （2 2）过渡过程振荡频）过渡过程振荡频率、振荡周期率、振荡周期 2 20 01 1Z （6-9）

51、YXSH自动化仪表与过程控制自动化仪表与过程控制2 20 01 12 2TZ （6-10）（3 3）超调度）超调度Mt 过渡过程的超调度可以过渡过程的超调度可以从从(6-7)式算出来。根据该式式算出来。根据该式的分析可知，波动过程的第的分析可知，波动过程的第一个波峰一个波峰yD出现在阶跃扰动干扰开始后再经过半个波出现在阶跃扰动干扰开始后再经过半个波动周期，即动周期，即 2 20 01 11 15 50 0TtZ .（6-11）YXSH自动化仪表与过程控制自动化仪表与过程控制把把t1值代入值代入(6-7)式得到式得到第一个波峰高度为第一个波峰高度为 )(2 21 12 21 11 11 1DeK

52、KKy （6-12）因此超调度因此超调度 2 21 11 1DteyyM （6-13）当当0时，超调度达到其最大值时，超调度达到其最大值Mt = 2。也就是也就是说，系统的最大动态误差等于其稳态值的一倍。说，系统的最大动态误差等于其稳态值的一倍。 YXSH自动化仪表与过程控制自动化仪表与过程控制（4 4）衰减率）衰减率1 13 31 1yyy 第二个波峰比第一个波第二个波峰比第一个波峰要迟一个振荡周期，那么，峰要迟一个振荡周期，那么，第二个波峰的时间第二个波峰的时间t3为为2 20 02 20 02 20 01 13 31 13 31 12 21 1TttZ （6-14）YXSH自动化仪表与过

53、程控制自动化仪表与过程控制)(2 21 13 32 21 11 11 1eKKK （6-15）由由(6-7)和和(6-15)两式可知，两式可知，第一和第二两峰的振幅分别为第一和第二两峰的振幅分别为 2 21 12 21 11 11 1eKKKy 2 21 13 32 21 13 31 1eKKKy 由此可得出衰减比由此可得出衰减比 2 21 12 21 13 3eyy （6-16）第二个波峰高度为第二个波峰高度为衰减率衰减率2 21 12 21 11 1e （6-17）YXSH自动化仪表与过程控制自动化仪表与过程控制v 由以上分析可以看到，阻尼系数由以上分析可以看到，阻尼系数是二阶系统重是二阶

54、系统重要参数，系统的超调度要参数，系统的超调度Mt和衰减率和衰减率都是阻尼系数都是阻尼系数的的单值函数。当单值函数。当在在01之间变化时，可以绘出之间变化时，可以绘出Mt和和的的曲线来，如图曲线来，如图6-10所示。所示。 上述关系是十分重要的，上述关系是十分重要的，它定量地揭示了二阶系统过它定量地揭示了二阶系统过渡过程与其参数之间的联系，渡过程与其参数之间的联系，而这种联系同样近似地适用而这种联系同样近似地适用于一个闭环系统。于一个闭环系统。YXSH自动化仪表与过程控制自动化仪表与过程控制当二阶对象当二阶对象T2 = 0.25 T1时，时，作出图作出图6-8系统对单位系统对单位阶跃扰动阶跃扰

55、动F1的响应曲线，的响应曲线，如图如图6-11所示。所示。v在扰动作用下过渡过程稳态终值，就是扰动引起在扰动作用下过渡过程稳态终值，就是扰动引起的稳态误差。超调度的稳态误差。超调度Mt.是指最大动态误差与稳态误差是指最大动态误差与稳态误差之比。之比。F1扰动作用在对象的输入端，这时，扰动作用在对象的输入端，这时，Mt.不大于不大于2。 2 调节器放大系数调节器放大系数对二阶对象的调节性能对二阶对象的调节性能的影响的影响YXSH自动化仪表与过程控制自动化仪表与过程控制 稳定性下降稳定性下降，振荡加剧振荡加剧Z 调节过程加快调节过程加快KcKy 稳态误差减小稳态误差减小yD 最大动态偏差下降最大动

56、态偏差下降总的说来，增大调节器的放大倍数，在一定程度总的说来，增大调节器的放大倍数，在一定程度上提高了系统的准确度，减小了偏差，使调节过程加上提高了系统的准确度，减小了偏差，使调节过程加快，但恶化了系统的稳定性，这是有矛盾的。所以，快，但恶化了系统的稳定性，这是有矛盾的。所以，在单纯比例调节的情况下只好选择折衷的方案。在单纯比例调节的情况下只好选择折衷的方案。YXSH自动化仪表与过程控制自动化仪表与过程控制3 扰动扰动F2作用下的响应作用下的响应这里扰动这里扰动F2作用在对象的两个单容环节之间。当作用在对象的两个单容环节之间。当扰动扰动F2为单位阶跃作用时，进行与前类似的一些变换为单位阶跃作用

57、时，进行与前类似的一些变换后得后得)()()(2 20 00 02 22 20 01 12 22 21 11 1ssssTKKsY （6-18）当当 0 1时，其相应时间特性为时，其相应时间特性为 )sin()(teTKKtyt 0 02 22 22 21 12 20 01 10 02 21 11 12 21 11 11 10 0（6-19）YXSH自动化仪表与过程控制自动化仪表与过程控制式中，式中， tgTTtg2 21 11 10 02 21 10 01 11 11 11 1 图图6-12画出系统画出系统K和和为为各种值时，对象各种值时，对象T2 = 0.25 T1时时的响应曲线。将这些曲

58、线与的响应曲线。将这些曲线与前面分析的扰动前面分析的扰动F1作用下的作用下的情况相比较，可以发现式（情况相比较，可以发现式（6-19）和图）和图6-12的最大特点：的最大特点： YXSH自动化仪表与过程控制自动化仪表与过程控制（1 1）其超调度其超调度Mt可以远大于可以远大于2（2 2）超调峰值大小与阻尼系数超调峰值大小与阻尼系数和对象时间常数和对象时间常数比值比值T2/T1有关，比值有关，比值T2/T1愈小，则超调值愈大。因愈小，则超调值愈大。因为，为，F2扰动作用经过惯性扰动作用经过惯性T2较小环节比较快地影响到较小环节比较快地影响到输出端，而调节作用则必须再经过一时间常数输出端，而调节作

59、用则必须再经过一时间常数T1很很大的环节才显示出来，也就大的环节才显示出来，也就是调节器的校正作用被推迟是调节器的校正作用被推迟了。这里的分析进一步证实了。这里的分析进一步证实了了6 . 2节所研究的结论。节所研究的结论。YXSH自动化仪表与过程控制自动化仪表与过程控制以上对单纯比例调节的二阶系统作了初步分析，以上对单纯比例调节的二阶系统作了初步分析，阐明了调节器的参数对系统性性能的影响。但实际调阐明了调节器的参数对系统性性能的影响。但实际调节对象要比简化的二阶系统复杂，而调节器常是比例、节对象要比简化的二阶系统复杂，而调节器常是比例、积分、微分几种调节规律的组合，要用以上方法分析积分、微分几

60、种调节规律的组合，要用以上方法分析更复杂调节规律对系统动态品质的影响比较困难。如更复杂调节规律对系统动态品质的影响比较困难。如果能借助于系统中容易获得的某些数据，确立一个判果能借助于系统中容易获得的某些数据，确立一个判定系统调节性能的准则，用它来衡量调节器对系统性定系统调节性能的准则，用它来衡量调节器对系统性能的影响，将使这项工作大为简化。能的影响，将使这项工作大为简化。 YXSH自动化仪表与过程控制自动化仪表与过程控制 1 系统调节性能指标（又称可控性指标）系统调节性能指标（又称可控性指标） 通常，调节过程的进行情况可以用四个品质指标通常，调节过程的进行情况可以用四个品质指标来衡量。来衡量。