#第十三章自动控制系统

1、第十三章自动控制系统第一节概述自动控制系统的组成、控制器自动控制系统在化工生产过程中经常用到，它一般由被控对象、检测元件（包括变送器）和调节阀四部分组成。方块图如下：扰动f设定x十”偏差e设定x十”偏差e*调节阀操纵变量对象被控变量z测量(1)(2)(3)(4)(5)(6)被控对象被控变量操纵变量变送器*需要实现控制的设备或生产过程，称为被控对象。被控对象内要求保持设定值的物理量称为被控变量。受控制器操作，用以使被控变量保持设定值的物料量称为操纵变量。干扰（扰动）：除操纵变量外，作用于对象，并能引起被控变量变化的因素称为干扰（扰动）设定值：被控变量的目标值称为设定值。偏差：偏差是指被测变量的设

2、定值与实际值之差，但是在实际生产过程中能够直接获取的是被控变量的测量值信号，而不是实际值，因此通常把给定值与测量值之差称为偏差。控制系统的分类控制系统的分类方法很多，若按被控参数的名称来分，有温度、压力、流量、液位、成份等控制系统。按系统完成的功能来分，有比值、均匀、分程和选择性控制系统。按被控变量的多少来分，有单变量和多变量控制系统。但是最基本的分类方法有下列几种：（一）按系统的结构特点来分1、反馈控制系统（闭环控制系统）反馈控制系统是指系统的输出（被控变量）通过变送器环节，又返回到系统的输入端，与给定信号相比较，以偏差的形式进入控制器，对系统起控制作用。由于整个系统构成了一个封闭的反馈回路

3、，所以该系统也称为闭环控制系统。该系统是根据被控变量与给定值的偏差进行工作的。偏差是控制的依据，最后要达到减小或消除偏差的目的。它是控制系统中一种最基本的形式。2、前馈控制系统（开环控制系统）控制系统的输出信号（被控变量）不反馈到输入端，因而也不对控制作用产生影响的系统称为前馈控制系统，也称为开环控制系统。前馈控制系统是根据扰动量的大小进行工作的,扰动是控制的依据。由于前馈控制系统最终无法检查控制的效果，因而在实际生产过程中是不能单独采用的。3、复合控制系统（前馈-反馈控制系统）在反馈控制系统中引入前馈控制，构成复合控制系统，从而可以提高控制质量。（二）按给定信号的特点来分1、定值控制系统：所

4、谓定值控制系统是指这类控制系统的给定值是恒定的。该系统的基本任务是克服扰动对被控变量的影响，即在扰动作用下仍能使被控变量保持在设定值（给定值）或在允许范围内。2、随动控制系统：随动控制系统是一种被控变量的给定值随时间任意变化的控制系统。它的主要作用是克服一切扰动，使被控变量随时跟踪给定值。在化工生产过程中，有些比值控制系统就属于此类。3、顺序控制系统：顺序控制系统是被控量的给定值按预定的时间程序来变化的控制系统。三、控制系统的过渡过程及品质指标（一）控制系统的过渡过程一个处于平衡状态的自动控制系统在受到扰动作用后，被控变量发生变化；与此同时控制系统的控制作用将被控变量重新稳定下来，并力图使其回

5、到设定值或设定值附近。一个控制系统在外界干扰或给定干扰作用下，从原有的稳定状态过渡到新的稳定状态的过程称为控制系统的过渡过程。控制系统的过渡过程有以下几种形式：1、发散振荡过程：控制系统受到干扰作用后，非但不能使被控变量回到设定值，反而使它越来越剧烈地振荡起来。2、等幅振荡过程：系统受到干扰后，被调参数做振幅恒定的振荡而不能稳定下来。3、衰减振荡过程：被控变量经过一段时间的衰减振荡后，最终能够重新稳定下来。4、非周期衰减过程：被控变量最终也能稳定下来，但过程缓慢，而且被控变量长期偏离设定值一边。也称为单调过程。（二）、过渡过程品质指标一个合格的、稳定的控制系统，当受到外界干扰后，被控变量的变化

6、应是一条衰减的曲线。常采用以下几个指标来衡量一个过渡过程：1、衰减比：它是表征系统受到干扰后，被控变量衰减程度的指标。其值为该衰减曲线上前后两个相邻峰值之比，一般希望在4:1至10:1之间。2、余差：它是指控制系统受到干扰后，过渡过程结束时被控变量的残余偏差，即被控变量在扰动后的稳态值与设定值之差。余差要满足要求。3、最大偏差：它表示被控变量偏离给定值的最大程度。4、过渡过程时间：也称调节时间，它是指干扰产生后，直至被控变量建立新的平衡状态为止的这段时间。过渡过程时间愈短愈好。5、振荡周期：被控变量两个相邻波峰之间的时间叫振荡周期，一般也希望振荡周期越短越好。第二节简单控制系统一、简单控制系统

7、的组成简单控制系统又称单回路反馈控制系统，是指由一个被控对象，一个测量变送器，一个控制器和一台调节阀组成的单回路闭合控制系统。简单控制系统常用被控变量来划分，最常见的是温度、压力、流量、液位、成分等五种控制系统。1、选择被控变量被控变量选择是十分重要的，应该从生产过程对自动控制的要求出发，合理地选择被控变量。被控变量的选择原则为：（1）选用质量指标作为被控变量，它最直接也最有效。（2）当不能用质量指标作为被控变量时，应选择一个与产品质量有单值对应关系的参数作为被控变量。（3）当被表征的质量指标变化时，被控变量必须有足够的灵敏度和足够大小的信号。（4）选择被控变量时，必须考虑到工艺过程的合理性、

8、安全性以及国内外仪表生产现状等。2、选择操纵变量操纵变量的选择要根据对象控制通道和扰动通道特性对控制质量的影响合理地选择操纵变量。选择操纵变量时，必须考虑以下几个原则：（1）首先从工艺考虑，它应允许在一定范围内变化。（2）选择操纵变量时，应使扰动通道的时间常数大些；从而使控制通道的时间常数适当小些。控制通道的纯滞后时间越小越好。（3）被选的操纵变量的控制通道放大系数要大。这样对克服扰动有利。（4）应尽量使扰动作用点靠近调节阀处。（5）被选的操纵变量应对装置中其它控制系统的影响和关联少，不会对其它控制系统的运行产生较大的扰动。另外，要组成一个好的控制系统，除了正确选择被控变量和操纵变量外，还应注

9、意以下问题：（1）纯滞后：纯滞后使测量信号不能及时反映被控变量的实际值。（2）测量滞后：是指由检测元件时间常数引起的动态误差（3）传递滞后。以上三项要尽量克服、减少这三方面的滞后对控制系统的影响。（4）要选择适当的控制规律：对滞后较大的控制回路（如温度、成分等）可选用带微分作用的调节器。对滞后特别大的系统（特别是纯滞后存在），可采用串级控制系统，一般的压力、流量、液位等简单控制系统可采用比例积分作用即可。二、调节器的选择及调节规律由控制理论可知，为了使系统正常运行，必须保证系统是负反馈，在控制系统设计时，负反馈的实现是靠确定调节器的正反作用来保证的1、常用调节器的调节规律及选用原则：（1）比例

10、控制规律（P）比例控制规律是最基本的调节规律，它能较快地克服扰动的影响，使系统稳定下来。它是依据偏差的大小来动作，它的输出与偏差的大小形成比例。比例调节及时、有力，但有余差。它用比例度3来表示其作用的强弱，3越小，调节作用越强，但比例作用太强时，会引起振荡。它适用于控制通道滞后较小、负荷变化不大、控制要求不高、被控参数允许在一定范围内有余差的场合。（2）比例积分控制规律（PI）在工程上，PI规律是应用最广泛的一种控制规律，积分调节是依据“偏差是否存在”来动作的。它的输出与偏差对时间的积分成比例，其作用是消除余差，当余差消失时，积分作用才会停止。但积分作用使最大动偏差增大，延长了调节时间。它用积

11、分作用时间Ti来表示其作用的强弱，Ti越小，作用越强，但积分作用太强时，也会引起振荡。它适用于控制通道滞后较小、负荷变化不大、被控参数不允许有余差的场合。（3）比例微分控制规律（PD）微分调节依据“偏差变化速度”来动作。它的输出与输入偏差变化的速度成比例，其效果是阻止被调参数的一切变化，有超前调节作用，对滞后大的对象有很好的效果。它使调节过程偏差减小，时间缩短，余差也减小（但不能消除）。它用微分时间Td来表示其作用的强弱，Td越大，作用越强，但Td太大，也会引起振荡。它适用于控制通道的时间常数或容量滞后较大的场合。（4）比例积分微分控制规律（PID）PID控制规律是一种最理想的控制规律，它在比

12、例的基础上加入积分，可以消除余差，再加入微分作用，又能提高系统的稳定性。它适用于过程控制通道时间常数或容量滞后较大的场合。2、确定调节器的正反作用调节器有正作用和反作用调节器两种。调节器正反作用的选择同被控过程的特性及调节阀的气开、气关形式有关。被控过程也分正反两种。当被控过程的输入量（通过调节阀的物料或能量）增加（或减小）时，其输出（被控参数）亦增加（或减小），此时称其被控过程为正作用；反之，当被控过程的输入量增加时，其输出却减小，称其过程为反作用。一个控制系统能够正常工作，则其组成的各个环节的极性（可用其静态放大系数表示）相乘必须为正。由于变送器的静态放大系数Km通常为正极性，故只需调节器

13、静态放大系数Kc,调节阀静态放大系数Kv和过程的静态放大系数Ko极性相乘必须为正即可。对于控制系统各环节的极性是这样规定的：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Kc取负；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Kc取正。气开阀Kv取正,气闭阀Kv取负。正作用被控过程,其Ko取正,反作用被控过程,其Ko取负。确定调节器的正反作用次序为：首先根据工艺安全等原则确定调节阀的气开、气闭形式,然后根据被控过程特性,确定其正反作用；最后根据上述组成该系统的各环节的静态放大系数极性相乘必须为正的原则来确定调节器的正反作用形式。三、简单控制系统的投运控制系统的投运是指

14、当系统设计、安装就绪或者经过停车检修之后，使控制系统投入使用的过程。投运步骤如下：1、现场工艺手动操作，并将检测系统投入运行，待工况稳定后，可以转入手动遥控调节。2、手动遥控：逐渐改变调节阀的开度，使被控量基本不变，待工况稳定后，即被控变量等于或接近设定值后，可由手动遥控切换到自动控制。3、系统投运：完成以上两步后，就满足了工艺开车的需要，待回路工况稳定后可投入自动。为此，首先检查调节器的正反作用是否正确，然后把调节器PID参数设置合适位置，当其偏差接近零时，即将调节器由手动切换到自动。再观察系统过渡过程曲线，若还不够理想，则继续调整调节器参数，直到满意为止。四、调节器参数整定调节器参数整定是

15、指设定调节器的比例度S、积分时间Ti和、微分时间Td的具体数值。整定的实质是通过改变调节器参数，使其特性与过程特性相匹配，以改变系统的静态特性和动态特性，取得最佳控制效果。整定调节器参数的方法很多，归纳起来分为两大类，即理论计算整定法和工程整定法。理论计算整定法通常用于科研中。下面重点介绍工程整定法。工程整定法有经验法、衰减曲线法、临界比例度法和响应曲线法。1、经验凑试法：经验法是根据参数整定的实际经验，对生产上最常见的温度、流量、压力和液位等四大控制系统进行整定。将调节器参数预先放置在常见范围(见表14-2-1)的某些数值上,然后改变设定值，观察控制系统的过渡过程曲线。如曲线不理想，则按一定

16、的顺序改变参数，这样反复凑试，直到获得满意的控制质量为止。具体整定步骤为：(1)先把调节器的积分时间Ti调至最大，微分被控变量调节器参数比例度3%积分时间Timin微分时间Tdmin温度20-603-100.53液位20-8015压力30-700.4-3流量40-1000.1-1表14-2-1各种控制系统PID参数经验表时间Td改为0;比例度S取表14-2-1中常见范围内的某一数值后，把控制系统投入自动，若过渡过程时间太长，则应减小比例度S;若振荡过于激烈，则应加大比例度S。直到取得满意的4：1过渡过程曲线为止。(2) 引入积分作用(此时应将原设的比例度3放大1.2倍),然后将积分时间Ti由大

17、到小不断地凑试，直到获得满意的过渡过程。(3) 若需引入微分作用时，则将微分时间Td按照经验或者按(微分时间约为积分时间的1/3-1/4)设置，而且比例度3放得要比纯比例作用更小些，积分时间Ti也可相应地减小些。若曲线超调量大而衰减慢，则需增大微分时间Td。若曲线振荡厉害，则应减小微分时间Td。观察曲线，适当调整比例度3和积分时间Ti，反复调试，直至获得满意的过渡过程曲线为止。关于经验法的几点说明：(1) 表14-2-1所列的各类数据是各类控制系统的参数的常见范围，但也有特殊情况。(2) 凡是比例度3太大或积分时间Ti太长时，都会使被控变量变化缓慢，不能使系统很快地达到稳定状态，这二者的区别是

18、：比例度3较大，曲线漂移较大，变化不规则；积分时间Ti过长，曲线虽然带有振荡分量，但它漂移在给定值的一边；而且逐渐地靠近给定值。(3) 凡是3过小，Ti过小或Td过大，都会使系统产生剧烈振荡，甚至是等幅振荡。它们的区别是：Ti过小时，系统振荡的周期较长，Td太大时系统振荡的周期较短；3较小时，振荡周期介于上述两者之间。(4) 等幅振荡不一定都是由于参数的设置不当引起的，一些外部因素也可能使被控变量等幅振荡。例如阀门定位器、调节器、变送器调校不良。经验法的实质是：看曲线，作分析，调参数，寻最佳。2、临界比例度法临界比例度法是目前工程应用最广泛的一种调节器的整定方法。在闭合的控制系统里将调节器置于

19、纯比例作用下，由大到小逐渐改变调节器的比例度S，得到等幅振荡的过渡过程。此时的比例度称为临界比例度Sk,相邻两个波峰间的时间间隔称为临界振荡周期Tk。通过计算即可求得调节器的整定参数，具体步骤为：(1) 将调节器的积分时间Ti置于最大，微分时间Td置零，比例度S适当，平稳操作一段时间，把系统投入自动。(2) 将比例度S逐渐减小，得到一个等幅振荡过程，记下临界比例度Sk值和临界振荡周期Tk值。(3) 根据Sk和Tk值采用表14-2-2中的经验公式，计算出调节器各个参数。表14-2-2临界振荡整定公式调节器参数控制规律'S(%)Ti(min)Td(min)P2SkPI2.2Sk0.85Tk

20、PID1.6Sk0.5Tk0.25Ti3、衰减曲线法衰减曲线法是在总结临界比例度法的基础上，经过反复实验提出来的。衰减曲线法较为简单，而且可直接求得比例度，衰减曲线法分为4:1衰减曲线法和10:1衰减曲线法两种。(1) 4:1衰减曲线法，其整定步骤如下：a先把过程控制系统中调节器参数设成纯比例作用(Ti=s,Td=O)，使系统投入运行。再把比例度S从大逐渐调小，直到出现4:1衰减过程曲线，此时的比例度为4:1衰减比例度Ss,两个相邻波峰间的时间间隔称为4:1衰减振荡周期Ts。b、据Ss和Ts,使用表14-2-3所示公式，即可计算出调节器的各个参数。C、按“先P后I最后D”的操作程序，将求得的整

21、定参数放置到调节器上，再观察整定曲线，若不太理想，还可作适当调整。(2) 10:1衰减曲线法：有的生产过程，由于采用4:1的衰减仍嫌振荡太强，则可采用10:1衰减曲线法，方法同上。只是计算公式不一样，见表2-4，其中Ss为衰减比例度，Tr为达到第一个波峰时的响应时间。表14-2-34:1衰减曲线法整定计算公式控制规律S%Ti(min)Td(min)PSsPI1.2Ss0.5TsPID0.8Ss0.3Ts0.1Ts表14-2-410:1衰减曲线法整定计算公式控制规律S%Ti(min)Td(min)PSsPI1.2Ss2TrPID0.8Ss1.2Tr0.4Tr应用衰减曲线法整定调节器参数时需注意以

22、下情况:(1) 加给定干扰时，干扰不能太大，要根据工艺操作要求来定，一般为5%左右(全量程)必须在工况稳定的情况下才能加设定干扰，否则得不到正确的Ss、Ts和Tr值。(2) 对于快速反应的系统，如流量、压力等控制系统，想在记录纸上得到理想的4:1曲线是不可能的。此时，通常一被控变量来回波动两次而达到稳定时，就近似地认为是4:1的衰减过程。(3) 对于扰动频繁或控制过程不规则的系统，不允许用这种方法第三节串级控制系统。控制系统一般分为简单控制系统和复杂控制系统。凡是多参数、具有两个以上变送器、两个以上控制器或两个以上调节阀组成的多回路的自动调节系统称为复杂控制系统。复杂控制系统有串级、比值、分程

23、、前馈-反馈、选择性、三冲量等系统，串级是其中的一种、一串级系统的结构串级系统是应用最早、效果最好、使用最广泛的一种复杂控制系统。它的特点是两个控制器相串接，主控制器的输出作为副控制器的设定，适用于时间常数及纯滞后较大的控制对象。1、串级系统的基本概念与方块图图14-3-1所示为加热炉原油出口温度控制系统。若采用简单温度控制，当负荷发生变化时，由温度变送器、控制器和调节阀组成一个单回路控制系统，去克服由于负荷变化而引起的原油出口温度的波动，以保持出口温度在设定值上，但是，当燃料气压力波动大且频繁时，由于加热炉滞后很大，将引起原油出口温度t的大幅度波动。为此，先构成一个燃料气压力(或流量)的控制

24、系统(回路n),首先稳定燃料气压力的输出，作为压力调节器pc的设定值，形成回路I，使压力调节器随着原油出口温度控制器的需要而动作，这样就构成了如图中所示的温度一压力串级控制系统。燃料串级控制PC图14-3-1系统的方块图x1z1主调TCTT原料加热炉出口温度与燃料气压14-3-2。副调级控制系主对象兰执行器丁副对象副变图14-3-22、串级控制系统的名词术语为了便于分析问题，下面介绍串级控制系统常用的名词术语。主被控参数在串级控制系统中起主导作用的那个被控参数。副被控参数一一串级控制系统中为了稳定主参数而引入的中间辅助参数。主被控过程一一由主被控参数表征其特性的生产过程，其输入量为副被控参数。

25、副被控过程一一由副被控参数为输出的生产过程，其输入量为控制参数。主调节器一一按主被控参数的测量值与给定值的偏差进行工作的调节器，其输出作为副调节器的给定值。副调节器一一按副被控参数的测量与主调节器输出的偏差进行工作的调节器，其输出直接控制调节阀动作。主回路由主回路调节器、调节阀、主副被控过程、主测量变送器组成的闭合回路。副回路一一由副调节器、副被控过程和副测量变送器组成的闭合回路。一次扰动一一不包括在副回路内的扰动。二次扰动包括在副回路内的扰动。二、串级控制系统的特点从总体上看，串级控制系统仍是定值控制系统。因此，主被控变量在扰动作用下的过渡过程和单回路定值控制系统的过渡过程具有相同的品质指标

26、和类似的形式，但是，串级控制系统在结构上增加了一个随动的副回路，因此，与单回路相比较有以下几个特点：1、对进入副回路的扰动具有较迅速、较强的克服能力；2、可以改善对象特性，提高工作频率；3、可消除调节阀等非线性特性的影响；4、串级控制系统具有一定的自适应能力。三、主副调节器、调节规律的选择及主副调节器正反作用的确定在串级控制中，主调节器起定值控制作用，一般选PI或PID规律，副调节器起随动控制作用，一般选P或PI规律。对于串级控制系统来说，主副调节器正反作用的选择原则是使整个系统构成负反馈，即其主通道各环节放大系数乘积必须为正。四、串级控制系统的投运串级控制系统的投运同简单控制系统的投运一样。

27、要求投运过程保证做到无扰动切换，一般投运方法为：先把副控制器投入自动，然后在整个系统比较稳定的情况下，再把主控制投入自动，实现串级控制。五串级控制系统的参数整定串级控制系统主、副控制器的参数整定方法主要有下列两种。1、两步整定法：先整定副控制器参数，后整定主控制器参数的方法叫做两步整定法。整定过程如下：A、在稳定工况，主、副控制器都在纯比例作用下运行，将主控制器的比例度固定在100%刻度上，逐渐减小副控制器的比例度，求取副回路在4：1或10：1的衰减过渡过程的比例度S2s和操作周期T2s；B、在副控制器比例度等于S2s的条件下，逐渐减小主控制器的比例度，直至也得到4:1或10:1,衰减比下的过

28、度曲线，记下此时主控制器的比例度Sis和操作周期T1sC、根据上面得到的Sis、Tis和S2s、T2S,按表14-2-3或14-2-4的经验公式,算出主副控制器的比例度，积分时间，和微分时间D、按“先副后主”“先比例后积分再加微分”的规律,将计算出的控制器参数加到控制器上.E、观察被控变量的过程曲线，适当调整，直到获得满意的过渡过程.2一步整定法:所谓一步整定法，就是副控制器的参数按经验法放置，主控制器的参数按单回路控制系统进行整定.副控制器的经验参数可参照单回路控制器参数的经验数值，见表14-2-4整定步骤如下:A在生产正常，系统为纯比例运行的条件下.按照表14-2-1经验数值，把副控制器的

29、比例度调到某一数值上.B利用简单控制系统的任一参数整定方法，整定主控制器的参数.C如果出现“共振”现象，可加大主控制器或减小副控制器参数设定值.第四节比值控制系统在化工生产过程中，经常用到要求两种或两种以上的物料，按一定的比例混合后进行化学反应，工业上为保持两种或两种以上物料比值为一定的控制叫比值控制在比值控制系统中，首先要明确那种物料是主物料，另一种物料按主物料来配比系统中主物料或主流量用G1表示一般情况下，总以生产中的主要物料作为主流量另一种物料随主流量的变化而变化，称之为从物料或副流量，用G2表示.一比值控制方案常见的比值控制系统有单闭环比值、双闭环比值和串级比值三种1单闭环比值控制系统

30、单闭环控制比值系统的方框图见图14-4-1.从控制部分看，是一个随动的闭环控制回路，而主物料流量的控制部分则是开环的。主流量G经比值运算后使输出信号与输入信号成一定比例，并作为副流量控制器的给定信号值。在稳定状态时，主、副流量满足工艺要求的比值，即K=G2/G1为一常数。当主流量负荷变化时，其流量的给定经变送器到比值器，比值器则按预先设置好的比值使输出成比例地变化，即成比例地改变了副流量控制器的给定值，则G2经调节作用自动跟随Gi变化，使得在新稳态下G2'/Gi'=K保持不变。当副流量由于扰动作用而变化时，因主流量不变，即控制器的给定值不变，这样，对于副流量的扰动，闭合回路相当

31、于一个定值控制系统加以克服，使工艺要求的流量比值不变。1图14-4-1单闭环比值系统的方块图2、双闭环比值控制系统如果要求主流量也要保持定值，那么对主流量也要有个闭合的控制回路，主、畐U流量通过比值器来实现比值关系，这样就构成了双闭环比值控制系统。其图14-4-2双闭环比值控制系统的方框图双闭环比值控制系统实质上是由一个定值控制系统和一个随动控制系统所组成，它不仅能保持两个流量之间的比值关系，而且能保证总流量不变。与采用两个单回路流量控制系统相比，其优越性在于主流量一旦失调，仍能保持原定的比值。并且当主流量因扰动而发生变化时，在控制过程中仍能保持原定的比值关系。双闭环比值控制系统除了能克服单闭

32、环比值控制的缺点外，另一个优点是提降负荷比较方便，只要缓慢地改变主流量控制器的设定值，就可提、降主流量，同时副流量也就自动地跟踪主流量，并保持两者比值不变。3、串级比值控制系统以上介绍的两种控制系统，其流量比是固定不变的，故也可称定比值控制系统。然而，在某些生产过程中，却需要两种的比值按具体工况而改变，比值的大小由另一个控制器来设定，比值控制系统作为副回路，从而构成串级比值控制系统，也称变比值控制系统。其方块图见图14-4-3。、比值控制系统的实施方案在比值控制系统中，可用两种方案达到比值控制的目的。一种是相除方案。即G2/Gi=R，可把G2与Gi相除的商作为比值控制器的测量值。另一种是相乘方

33、案，由于G2=RGi,可将主流量G乘以系数R作为从流量G2控制器的设定值。、比值控制系统的投运和参数的整定比值控制系统在设计、安装好以后，就可进行系统的投运。投运的步骤大致与简单控制系统相同。系统投运前，比值系数不一定要精确设置，可以在投运过程中，逐渐进行校正，直到工艺认为比值合格为止。对于变比值控制系统，因结构上是串级控制系统，因此，主控制器可按串级控制系统的主控制器整定。双闭环比值控制系统的主物料回路可按单回路定值控制系统来整定。但对于单闭环比值控制系统和双闭环的从物料回路、变比值回路来说，它们实质上均属于随动控制系统，即主流量变化后，希望副流量能速地随主流量按一定的比例作相应的变化。因此

34、，它不应该按定值控制系统4:1最佳衰减曲线法的要求进行整定，而应该整定在振荡与不振荡的边界为好。其整定步骤大致如下：1、据工艺要求的两流量比值，进行比值系数计算。在现场整定时，根据计算的比值系数投运，在投运过程中再作适当调整，以满足工艺要求。2、Tifa,在纯比例作用下，调整比例度（使S由大到小变化），直到系统处于振荡与不振荡的临界过程为止。3、在适当放大比例度的情况下，一般放大20%，然后慢慢地减小积分时间，引入积分作用，直到出现振荡与不振荡的临界过程或微振荡过程为止。第五节选择性控制系统一般控制系统都是在正常工况下工作的。当生产不正常时，通常的处理方法有两种。一种是切入手动，进行遥控操作；

35、另一种是联锁保护紧急停车，防止事故发生，即所谓硬限控制。由于硬控制对生产和操作都不利，近年来采用了安全软限控制。所谓安全软限控制，是指当一个工艺参数将要达到危险值时，就适当降低生产要求，让它暂时维持生产，并逐渐调整生产，使之朝正常工况发展，能实现软限控制的控制系统称为选择性控制系统，又称为取代控制系统或超驰控制系统。选择性控制系统种类很多，图14-5-1是常见的选择性控制系统示意图。参数n调节器n在正常情况下，选择器选中正常控制器I,使之输出送至调节阀，实现对参数I的正常控制。这时的控制系统工作情况与一般的控制系统是一样的。但是，一旦参数n将要达到危险值，选择器就自动选中控制器n的信号，从而取

36、代控制器I操纵调节阀。这时对参数I来说可能控制质量不高，但生产仍在继续进行，并通过控制器n的调节，使生产逐渐趋于正常，待到恢复正常后，控制器I又取代控制器n的工作。这样，就保证在参数n达到越限前就自动采取新的控制手段，不必硬性停车。一、选择性控制系统的类型选择性控制系统在结构上的特点是使用了选择器。选择器可以接在两个或两个以上的调节器的输出端，也可接在几个变送器的输出端，对测量信号进行选择，以适应不同工况的需要。1、选择器装在控制器与调节阀之间这类选择性控制系统的特点是几个控制器公用一个调节阀。通常是两个控制器合用一只调节阀，其中一个控制器在正常工况下工作，另一个处于待命备用状态，遇到工艺生产

37、不正常时，就由它取而代之，直到工况恢复正常，再由原来的控制器进行控制。2、选择器装在变送器与控制器之间这种类型的选择性控制系统的特点是，几个变送器合用一只控制器。选择的目的有两种：(1) 选出最高或最低测量值。(2) 选取可靠测量值。以上两种选择都可提高系统运行的可靠性。3、操纵变量选择性控制系统若一个被控变量有几种操纵变量可供选择，也可用选择性控制系统按不同工况选择不同的操纵变量。二、积分饱和及其防止措施对于具有积分作用的控制器，若处于开环状态，由于偏差存在，控制器的输出随着时间增加，会达到最大或最小极限值，这就是控制器的积分饱和现象。在选择性控制系统(被控变量选择性控制系统)中，两个控制器

38、中总有一个是处于开环状态，不论哪个控制器，只要有积分作用存在，都有可能产生积分饱和现象。常用的防积分饱和现象有三种：1、限幅法采用高值或低值限幅器，使控制器的输出信号不超过工作信号的最高值或最低值。2、积分切除法所谓积分切除法，即当控制器具有PI作用时，一旦处于开环状态，立即切除积分功能，只具有比例控制规律。3、积分外反馈法控制器在开环状态下不选用控制器自身的输出值作反馈，而是借用其他相应的信号用外反馈的方法作为控制器的反馈信号，这样可以防止控制器积分饱和的现象的产生。三、选择性控制系统的选型1、选择器的选型选择器分为高值选择器和低值选择器两类。前者允许较大的信号通过，后者允许较小信号通过。选

39、型时可按照使系统脱离“危险”区域的手段，以及调节阀的开、关形式来选。如有可能，应尽量选用低值选择器，这样更加安全可靠。因为对调节阀气开、气关的选择，考虑的是在没有气压信号输入阀门的情况，阀门处在全开的位置安全，还是全关的位置安全，所以，当选择器送出低信号时，往往较为安全，万一发生故障，危害性较小。2、控制器的选型对于正常工况下运行的正常控制器，选型与简单控制系统的选型一样，采用PI或PID控制规律。对于不正常工况下运行的取代控制器的选型，则要求取代时动作迅速可靠，为此，一般常选用狭比例控制器，或采用双位控制器。第六节分程控制系统简单控制系统是一个控制器的输出带动一个调节阀动作，而分程控制系统的

40、特点是一个控制器的输出同时控制几个工作范围不同的调节阀。例如一个调节阀在2060kPa范围内工作，另一个调节阀在60100kPa的范围内工作。其方块图如图14-6-1所示。图14-6-1分程控制系统方块图分程是靠阀门定位器或电气阀门定位器来实现的。如果控制器的输出信号范围是0.020.1MPa气信号，要控制A、B两只调节阀，那么只要在A、B调节阀上分别装上气动阀门定位器，A阀上的定位器调整为：当输入0.020.06MPa时，输出为0.020.1MPa，而B阀上的定位器调整为：当输入为0.060.1MPa时，输出为0.020.1MPa。即当控制器输出在0.020.06MPa时，A调节阀动作，而控

41、制器输出在0.060.1MPa时，B调节阀动作，从而达到了分程的目的。一、分程控制的应用1、采用几种根本不同的控制手段2、扩大调节阀的可调范围在某些场合，调节手段虽然只有一种，但要求操纵变量的流量有很大的可调范围，例如大于100以上。而国产统一设计的调节阀的可调范围最大只有30,满足了大流量就不能满足小流量，反之亦然。为此，可采用两个大小阀并联使用，在小流量时用小阀，大流量时用大阀，这样就大大地扩大了可调范围。二、分程控制系统对调节阀的要求1、关于流量特性的问题因为在两只调节阀的分程点上，调节阀的流量特性会产生突变，这在大、小阀并联时更为突出。如果两只调节阀都是线性特性，情况更严重。解决办法有

42、两个：（1）采用两只对数特性调节阀，这样从小阀向大阀过渡时，调节阀的流量特性相对要平滑些，（2）采用分程信号重叠的方法。如两个信号段可分为0.020.065MPa和0.0550.1MPa,即不等小阀全开时，大阀已经小开了，这样流量特性会改善。2、根据工艺要求选择同向或异向规律的调节阀在分程控制系统中，调节阀的开关形式可分为两类。一类称为同向规律调节阀，即随着调节阀输入信号的增加，两个阀门都开大或关小，另一类称为异向规律的调节阀，即随着调节阀输入信号的增加，一个阀门关闭，而另一个阀门开大，或者相反。3、泄漏量问题分程控制系统中，尽量应使两只调节阀都无泄漏，特别是对大、小并联使用时，如果大阀的泄漏

43、量过大，小阀将不能正常发挥作用，调节阀的流量可调范围仍然得不到增加。4、控制器参数整定问题当分程控制系统中两只调节阀分别控制两个操纵变量时，这两只阀所对应的通道特性可能差异很大，即广义对象特性差异很大。这时，控制器参数整定必须注意，需要兼顾两种情况，选取一组合适的控制器参数。第七节前馈控制系统简单控制系统属于反馈控制，它的特点是按被控变量的偏差进行控制，因此只有在偏差产生后，控制器才对操纵变量进行控制，以补偿扰动变量对被控变量的影响，若扰动已经产生，而被控变量尚未变化，控制作用是不会产生的，所以，这种控制作用总是落后于扰动作用的，是不及时的控制。对于滞后大的被控对象，或扰动幅度大而频繁时，采用

44、简单控制往往不能满足工艺生产的要求，若引入前馈控制，实现前馈-反馈控制就能获得显著的控制效果。前馈控制是按照干扰作用的大小来进行控制的。当扰动一出现，就能根据扰动的测量信号控制操纵变量，及时补偿扰动对被控变量的影响，控制是及时的，如果补偿作用完善，可以使被控变量不产生偏差。图14-7-1所示为一个浓度比的简单控制系统和前馈控制系统方块图。Gc(s)Gv(s)Go(s)IHm(s)Gc(s)Gv(s)Go(s)IHm(s)反馈(b)前馈图14-7-1前馈控制与反馈控制从两者的方块图可以看出，信号的传递方式有不同。对于简单控制系统，浓度信号从系统的输出端返回到输入端，因此是反馈，并且它有一个闭合的

45、回路。而对于前馈控制见图14-7-1(b)，水流量信号却是一直向系统的输出送，因此它是前馈，而且是开环的。从方块图中还可看出，前馈控制规律不采用PID形式，它的控制规律由前馈通道和扰动通道的传递函数得到，其极性恰好相反，即Gf(s)=-Gf(s)/Go(s)由此可见，前馈装置的输出是根据具体对象来确定的，如果Gff(s)严格地满足上式关系，就能完全补偿扰动作用。但是，若对象的传递函数略有偏差，或Gff(s)达不到上式的功能，那么就不能完全补偿扰动的影响，被控变量也无法再回到原来的数值上。前馈控制只能克服可测扰动，即扰动可以是不可控的，但必须是可测量的。对于不可测的扰动，前馈控制不能采用。前馈控

46、制坚扰动的补偿是一一对应的，所以，当有几个扰动存在时，要同时测量几个扰动才行。另外，由于Gff(s)不宜太复杂，而且Gf(s)和Go(s)也不易测准，因此前馈补偿是不可能得到完全补偿的。同时，扰动也不止一个，两个，因此，在实际使用中往往采用前馈与反馈复合在一起的控制系统，被称为前馈-反馈控制系统，有时简称前馈控制系统，利用前馈控制系统克服主要干扰，用反馈控制消除其他干扰。一、前馈控制系统的结构形式作为一个完整的前馈控制，不但要考虑最终补偿的结果能否使前馈控制作用恰好与扰动作用进行相互补偿(抵消)，使被控变量不产生偏差，而且还应考虑在补偿过程中它们的动态响应要保持一致。前者不考虑动态响应，扰动和

47、校正之间与时间变量无关，这种称为静态前馈；后者则考虑到对象两条通道的动态响应和时间因素，故称为动态前馈。1、态前馈控制系统静态前馈是在扰动作用下，前馈校正作用只能在补偿过程最终使被控变量回到给定值，而不考虑补偿过程中的偏差大小。其校正作用(前馈装置)的大小，可以通过系统的物料量和能量的平衡关系来得到。2、态前馈系统动态前馈不仅在静态放大系数上进行补偿，而且在时间上亦考虑进行补偿，使其补偿过程比较合拍。动态前馈补偿装置的控制规律由式(14-7-1)决定。如果对象特性是一阶的，其控制通道和扰动通道的传递函数分别为：Go(s)=Ko/(ToS+1)(其中包括调节阀)Gf(s)=Kf/(TfS+1)则

48、动态前馈装置(也称前馈调节器)的传递函数)：GH(s)=-Gf(s)/Go(s)=-Kf(Tos+1)/Ko(TfS+1)=-Kh(s+1)/(T2S+1)(14-7-1)若时间常数T°>Tf,即扰动通道比控制通道反应快，则取前馈调节器的>T2,就是在前馈校正通道上增加一些正微分作用，使校正作用与扰动作用对被控变量的影响在时间上恰好合拍，而使扰动作用完全抵消。反之，若T°vTf时，则可取VT2,使前馈装置起一个滞后的作用(亦称反微分作用)，在时间上使校正作用与扰动作用合拍而相互抵消。当两条通道的时间常数很接近，即T严Tf时，则可取T仔T2,这时，就相当于静态前馈

49、补偿。3、前馈-反馈控制系统综上所述，前馈控制是开环控制的结构形式，对补偿作用有检验的手段，因此，无法知道被控变量是否存在偏差，也就无法作进一步的校正。而且实际对象中常有多个扰动存在，有的扰动还不可测量，因此，单独采用前馈控制是很难满足工艺要求的。所以在实际应用中，往往用前馈-反馈相结合的控制方案，这样主要干扰用前馈来迅速克服，其他干扰仍由反馈控制系统来克服，从而大大提高了控制系统的调节质量，满足工艺生产要求。二、前馈控制系统的应用1、前馈控制调节器控制规律的选择当ToVVTf时，由于控制通道很灵敏，克服干扰能力强，简单回路控制就能达到满意的控制质量，此时，不必采用前馈控制。 当To=Tf时，

50、只要采用静态前馈反馈控制，就可较好地改善调节品质。 当T°>Tf时，可采用动态前馈一反馈控制改善调节品质，效果尚好。 关于纯滞后时间的补偿。当t>T时，则前馈控制规律应为：Gh（s）=-Gf（s）e-（T-Vs/Go（s）=-Kff（Tis+1）e-f/（T2S+1）但当t>t时，要求前馈调节器具有纯超前环节eTS是做不到的，所以，此时不能使用前馈控制。2、前馈控制的应用前馈控制应用于以下场合： 扰动变化频繁而且幅值较大的场合； 主要干扰可测而不可控的场合； 扰动对被控变量的影响显著，单纯的反馈控制难以达到控制要求时，可用前馈控制。三、前馈参数的整定1、先设置静态前

51、馈系数Kff通常采用闭环整定法，即先断开前馈回路而利用反馈回路来整定Kff值。在工况稳定情况下，记下扰动的稳值fi和控制器输出的稳态值5。然后，施加扰动，扰动量为f2,待系统重新稳定后，再次记下控制器的输出U2和f2。则Kff可按下式求出：Kff=（U2-ui）/（f2-fi）=Au/Af这种方法是借助反馈校正的原理来设置静态前馈系数Kff。2、再调整动态前馈参数Ti和T2整定时，可预先设置一个Ti值，逐渐改变T2,观察过渡曲线确定T2的值，然后再逐步改变Ti，观察过渡过程，直到满意为止。在实际的化工生产过程中，有时根据生产特点，也用到其它的一些复杂控制系统，如三冲量控制、双重控制、自适应控制

52、等等。由于使用的较少，这里不再一一介绍，有兴趣的同志可以参看别的参考书，了解这方面的知识。复习题一、填空题1、自动控制系统一般由（）、（）、（）、（）四部分构成。答：被控对象，检测元件（包括变送器），控制器（调节器），调节阀2、控制系统按系统的结构特点分为（）、（）、（）三类，按给定信号的特点分为（）、（）、（）三类。答：反馈控制系统（闭环控制系统），前馈控制系统（开环控制系统），复合控制系统（前馈反馈控制系统），定值控制系统，随动控制系统，顺序控制系统3、控制系统的过渡过程要有（）、（）、（）、（）四种形式。答：发散振荡过程，等幅振荡过程，衰减振荡过程，非周期衰减过程（单调过程）4、恒量一个

53、控制系统的品质指标主要有（）、（）、（）、（）、（）五个指标。答：衰减比，余差，最大偏差，过渡过程时间，振荡周期5、简单控制系统是指由一个（）、一个（）、一个（）和一台（）组成的单回路闭合控制系统。答：被控对象，测量变送器，控制器，调节阀6、简单控制系统常用被控变量来划分最常见的是（）、（）、（）、（）、（）等五种控制系统。答：温度，压力，流量，液位，成分7、调节系统中调节器的正反作用的确定依据是（）答：实现闭环回路的副反馈8、对于控制系统的各个环节的静态特性是这样规定的：正作用调节器其Kc取（）,反作用调节器其Kc取()，气开阀K取()，气闭阀Kv取()，正作用被控过程其K0取(),反作用被

54、控过程其K0取()。答：负，正，正，负，正，负9、在PID调节中，比例作用是依据()来动作的，在系统中起着()的作用，调节器比例度3越大，则放大倍数Kc()，比例调节作用就(),过渡过程曲线越()，但余差也()。答：偏差的大小，稳定被调参数，越小，越弱，平稳，越大。10、在PID调节中积分作用是依据()来动作的，在系统中起着()的作用，积分时间Ti越小，则积分速度()，积分特性曲线的斜率()，积分作用()，消除余差()。答：偏差是否存在，消除余差，越大，越大，越强，越快。11、在PID调节中，微分是依据()来动作的，在系统中起着()作用，微分时间Td越大，微分作用越()。答：偏差变化速度，超前

55、作用，越强。12、自动调节系统中常用的参数整定法有()、()、()、()。答：经验法，衰减曲线法，临界比例度法，反应曲线法。13、某调节系统采用PI调节器，在用先比例后积分的试凑法来整定调节器的参数，若比例带的数值已合适，在加入积分的过程中应()。答：适当增加比例带。14、选择串级调节系统调节器的形式主要是依据()、()和()而定，一般情况下，主回路选择()或()调节器，副回路选择()和()调节器。答：工艺要求，对象特性，干扰性质，PI，PID，P，PI。15、常见的比值控制系统有()、()、()三种。答：单闭环比值，双闭环比值，串级比值。16、单纯的前馈调节是一种能对()进行补偿的调节系统。

56、答：干扰量的变化。17、定值系统是按()进行调节的，而前馈调节是按()进行调节的，前者是()调节，后者是()调节。答：测量给定的偏差大小，扰动量大小，闭环，开环。18、在选择性调节系统中，防止积分饱和的方法有()、()、()三种。答：限幅法，积分切除法，外反馈法。19、在液位调节系统中，比例度经验值为()%，积分时间经验值为()min。答：2080，15。19、在温度调节系统中，比例度经验值为()%，积分时间为()min，微分时间为()min。答：2060，310，0.53。二、简答题1、什么是控制系统的过渡过程？答：一个控制系统在处界干扰或给定干扰作用下，从原有的稳定状态过渡到新的稳定状态的过程称为过渡过程。2、什么是比例、积分、微分调节规律？在自动调节中起什么作用？答：比例调节依据“偏差的大小”来动作，它的输出与输入偏差的大小成比例。比例调节及时、有力、，但有余差。它用比例度3来表示其作用的强弱，3愈小，调节作用愈强，比例作用太强时，会引起振荡。积分调节依据“偏差是否存在”动作，它的输出与偏差对时间的积分成比例，只有当余差消失时，积分作用才会停止，其作用是消除余差。但积分作用使最大动偏差增大，延长了调节时间。它用积分时间Ti来表示