第二章过程装备控制基础

1、教学要求与学习目标：教学要求与学习目标：教学内容教学内容: : 2.1 2.1 被控对象的特性被控对象的特性 2.2 2.2 单回路控制系统单回路控制系统 2.3 2.3 复杂控制系统复杂控制系统 开始学习开始学习返回总目录返回总目录2.1本节主要内容本节主要内容: 2.1.1 被控对象的特性及其描述方法被控对象的特性及其描述方法 2.1.2 被控对象的三大特性参数被控对象的三大特性参数放大系数放大系数K、 时间常数时间常数T、滞后时间、滞后时间本节学习要点本节学习要点本节思考题及作业本节思考题及作业影响自动控制系统控制质量的因素有：被控对象的特性 自动控制装置的特性组成的自动控制系统控制规律

2、检测仪表与传感器控制器执行器被控变量干扰作用 y给定值控制器执行器对 象f测量元件与变送器xe=xzumz偏差y被控变量m操纵变量f干扰量通道通道被控对象的输入变量至输出变量之间的信号联系信号联系控制通道：控制通道：m y干扰通道：干扰通道：f ymyf被控对象图1 对象的输入、输出量一一 通道的含义通道的含义被控对象的特性：被控对象的特性：是指被控对象输入变量输入变量与输出变量输出变量之间的关系。即被控对象的输入量发生变化时，对象的输出量随时间的变化规律。静态特性、动态特性静态特性、动态特性 为要研究被控对象的特性为要研究被控对象的特性 在生产过程中，存在各种各样的被控对象。这些对象的特性各

3、不相同。有的较易操作，工艺变量能够控制得比较平稳；有的却和很难操作，工艺变量容易产生大幅度波动，只要稍不谨慎就回超出工艺允许的范围，轻则影响生产，重则造成事故。只有充分了解和熟悉对象特性，才能使工艺生产在最佳状态下只有充分了解和熟悉对象特性，才能使工艺生产在最佳状态下运行。运行。因此，在控制系统设计时，先必须充分了解被控对象的特性，掌握它们的内在规律，才能选择合适的被控变量、操纵变量、合适的测量元件和控制器，选择合理的控制器参数，设计合乎工艺要求的控制系统。1 理论数学模型法理论数学模型法用定量地表达对象输入、输出关系的数学表达式（微分方程式、偏微分方程式、状态方程等）来表达。2 实验输出曲线

4、或数据表格实验输出曲线或数据表格用对象在一定形式输入作用下的输出曲线或数据表格来表示。根据输入形式的不同，有阶跃反应曲线、脉冲反应曲线、矩形脉冲反应曲线、频率特性曲线等。返回首页1 机理建模机理建模 是通过对对象内部的运动机理分析，根据对象中物理或化学变是通过对对象内部的运动机理分析，根据对象中物理或化学变化规律（如化规律（如质量守恒定律、能量守恒定律等质量守恒定律、能量守恒定律等），在忽略一些次要因素），在忽略一些次要因素或做出一些近似处理后推导出的对象特性方程。通过这种方法得到的或做出一些近似处理后推导出的对象特性方程。通过这种方法得到的数学模型叫机理模型。机理模型常表现为数学模型叫机理模

5、型。机理模型常表现为微分方程式、偏微分方程式、微分方程式、偏微分方程式、状态方程等）。状态方程等）。 下面以一阶对象、二阶对象、积分对象为例讨论机理建模的方法下面以一阶对象、二阶对象、积分对象为例讨论机理建模的方法：HQ1Q2列平衡方程列平衡方程单位时间内单位时间内流入流入对象的物料（能对象的物料（能量）量）单位时间内单位时间内流出流出对象的物料对象的物料（能量）（能量）=对象中储存量的变化率对象中储存量的变化率dtdhAQQ21（1）一阶对象（有自衡特性）一阶对象（有自衡特性）-对象在受到干扰时，自身能重新对象在受到干扰时，自身能重新 恢复平衡的特性。恢复平衡的特性。A面积图2-1 有自衡单

6、容液位对象 把输入变量放在右边，输出变量放在左边，写成方程的形式把输入变量放在右边，输出变量放在左边，写成方程的形式）（解得：式一阶微分方程的一般形放大系数时间常数令TttSSssseKxyKxydtdyTKQhdtdhTRKARTQRhdtdhARQRhdtdhA)(1101找出中间变量，消去中间变量，找出输入与输出变量之间的关系找出中间变量，消去中间变量，找出输入与输出变量之间的关系Q2 中间变量中间变量R s出口阀的阻力系数出口阀的阻力系数s2RhQ(2) 二阶对象二阶对象h1Q1R1Q12h2R2Q2图2-5 串联水槽对象经过以上步骤的推导：Pg19二阶常微分方程式整个对象的放大系数第

7、二只贮槽的时间常数第一只贮槽的时间常数或2221121222112221222211222122221)()()(RKARTARTKxydtdyTTdtydTTKQhdtdhTTdthdTTKQhdtdhARARdthdARAR机理建模的优点：机理建模的优点：理论逻辑性强缺点：缺点：对于复杂的对象，机理分析法很困难；另外，由于作了假设，有时理论与实际不相符。 是在所要研究的对象上，人为施加一定的输入作用，然后、用是在所要研究的对象上，人为施加一定的输入作用，然后、用仪表测取并记录表征对象特性的物理量随时间变化规律，即得到一仪表测取并记录表征对象特性的物理量随时间变化规律，即得到一系列实验数据或

8、实验曲线。然后对这些实验数据或曲线进行必要的系列实验数据或实验曲线。然后对这些实验数据或曲线进行必要的数据处理，求取对象的特性参数，进而得到对象的数学模型数据处理，求取对象的特性参数，进而得到对象的数学模型。（1） 阶跃反应曲线法阶跃反应曲线法 是当对象处于稳定状态时，在对象是当对象处于稳定状态时，在对象 的输入端施加一个幅值已知的输入端施加一个幅值已知的阶跃扰动，然后测量和记录输出变量的阶跃扰动，然后测量和记录输出变量 的数值，就可以画出输出变的数值，就可以画出输出变量随时间变化的曲线。经过一定的处理，就可以量随时间变化的曲线。经过一定的处理，就可以得到描述对象特性得到描述对象特性的几个参数

9、（放大倍数的几个参数（放大倍数K、时间常数、时间常数T、滞后时间、滞后时间 ） 。hQ1Q2Q1tt0Att0h图2-9 水槽的阶跃反应曲线优点：优点：简单简单缺点：缺点：精度较差精度较差 是当对象处于稳定状态时，在时间是当对象处于稳定状态时，在时间t0突然加一个幅值为突然加一个幅值为A的阶的阶跃扰动，到时间跃扰动，到时间t1时突然除去，这时测得输出变量随时间变化的曲时突然除去，这时测得输出变量随时间变化的曲线为矩形脉冲法曲线。线为矩形脉冲法曲线。图2-10 矩形脉冲特性曲线矩形脉冲特性曲线优点：优点：由于加在对象上的干扰经过一段由于加在对象上的干扰经过一段时间后除去，所以干扰的幅值可以取得时

10、间后除去，所以干扰的幅值可以取得较大，较大，故精度较高。最常用。故精度较高。最常用。xtt0Att0yt1 对象的特性可通过数学模型来描述，也可通过以下三个物理量对象的特性可通过数学模型来描述，也可通过以下三个物理量来描述来描述：放大系数放大系数K 、时间常数、时间常数T、滞后时间滞后时间 1 放大系数放大系数K（静态增益）（静态增益） 数值上等于对象处于稳定状态时数值上等于对象处于稳定状态时输出的变化量输出的变化量与与输入的变化输入的变化量之比。即：量之比。即：K=输出变化量输出变化量输入变化量输入变化量=hQ1反映的是对象处于稳定状态下输出和反映的是对象处于稳定状态下输出和 输入之间的关系

11、，所以放输入之间的关系，所以放大系数大系数K是描述对象静态特性的参数。是描述对象静态特性的参数。 不同通道的放大系数对控制系统的影响不同通道的放大系数对控制系统的影响 对于控制通道：对于控制通道：K大，控制作用强，控制灵敏；大，控制作用强，控制灵敏；K小，控制作用弱。小，控制作用弱。一般希望控制通道一般希望控制通道K大一些好，大一些好，但但K不能太大，否则会使系统的稳不能太大，否则会使系统的稳定性下降。定性下降。对于干扰通道：对于干扰通道：K大对控制不利。大对控制不利。一般希望干扰通道一般希望干扰通道K小一些好，小一些好， 当对象受到阶跃输入作用后，被控变量如果保持初始速度变化，当对象受到阶跃

12、输入作用后，被控变量如果保持初始速度变化，达到新的稳态值所需的时间。或当对象受到阶跃输入作用后被控变量达到新的稳态值所需的时间。或当对象受到阶跃输入作用后被控变量达到新的稳态值的达到新的稳态值的63.2%所需的时间。所需的时间。是反映被控变量变化快慢的参数，因此是反映被控变量变化快慢的参数，因此T是反映对象动态特性的是反映对象动态特性的参数。参数。 th（）T1 T2 T3 T4 0.632h（）0图2-7 不同 时间常数的比较对于控制通道：对于控制通道：T大，被控变量大，被控变量的变化比较缓慢，对象比较平稳，的变化比较缓慢，对象比较平稳，容易进行控制，但过渡时间长；容易进行控制，但过渡时间长

13、；T小，被控变量的变化快，不易控制。小，被控变量的变化快，不易控制。T太大、太小都不利太大、太小都不利对于干扰通道：对于干扰通道：T大、扰动作用比较平缓，被控变量变化较平稳，对象容易控制。一般希望干扰通道一般希望干扰通道T大一些好，大一些好，时间常数的实验求法：如图时间常数的实验求法：如图2-7（ = 0 + C）传递时间传递时间 0：是输出变量的变化落后于输入变量变化的时间。一是输出变量的变化落后于输入变量变化的时间。一般由介质的输送或热的传递需要一段时间引起的。例如图般由介质的输送或热的传递需要一段时间引起的。例如图2-8的溶的溶解糟。解糟。容量滞后容量滞后 C 是因为物料或能量的传递需要

14、通过一定的阻力引起是因为物料或能量的传递需要通过一定的阻力引起的。的。yy（t）y （t）xt图图 2-8 有、无纯滞后的一阶阶跃响应曲线有、无纯滞后的一阶阶跃响应曲线对于控制通道：对于控制通道：应尽量减小 对于干扰通道：对于干扰通道： 大对控制有利t0yt图图 2-6 具有容量滞后对象的反应曲线具有容量滞后对象的反应曲线 C1 了解化工对象的特点及其描述方法了解化工对象的特点及其描述方法2 掌握对象动态特性的通道含义掌握对象动态特性的通道含义3了解对象数学模型的建立了解对象数学模型的建立4 掌握表征被控对象特性的三大参数掌握表征被控对象特性的三大参数放大系数放大系数K、时间常数时间常数T、滞

15、后时间、滞后时间的物理意义及其对控制质量的的物理意义及其对控制质量的影响影响5 掌握被控对象特性的实验测定方法掌握被控对象特性的实验测定方法本节思考题：本节思考题：Pg63：5本节作业：补充题本节作业：补充题2 为了测定某重油预热炉的对象特性，在某瞬间（假定为了测定某重油预热炉的对象特性，在某瞬间（假定t0=0）突）突然将燃气量从然将燃气量从2.5t/h增加到增加到3.0 t/h，重油出口温度记录仪得到的阶跃，重油出口温度记录仪得到的阶跃反映曲线如图所示。假定对象为一阶对象，试描述该重油预热炉特反映曲线如图所示。假定对象为一阶对象，试描述该重油预热炉特性方程式（分别以温度变化量与燃气变化量为输

16、出量与输入量），性方程式（分别以温度变化量与燃气变化量为输出量与输入量），并解出燃料量变化量为单位阶跃变化量时温度变化量的函数表达式。并解出燃料量变化量为单位阶跃变化量时温度变化量的函数表达式。燃料量（t/h）t/min3.02.5温度/min重油预热炉的阶跃反应曲线本节主要内容本节主要内容:2.2.1 单回路控制系统控制方案的设计单回路控制系统控制方案的设计一一 被控变量的选择被控变量的选择 二二 操纵变量的选择操纵变量的选择三三 测量元件的选择测量元件的选择 四四 执行器的选择执行器的选择 五五 控制器的选择控制器的选择2.2.2 控制器的控制规律及正、反方向控制

17、器的控制规律及正、反方向2.2.3 控制器控制参数的工程整定控制器控制参数的工程整定1 何为单回路控制系统何为单回路控制系统？一一 单回路（简单）控制系统的结构组成与设计思路单回路（简单）控制系统的结构组成与设计思路给定值xx0偏差e控制器执行器对象干扰检测变送装置被控变量yz控制信号u操纵变量m图1-2 简单控制系统的方块图 是指由是指由一个一个被控对象、被控对象、一个一个检测元件及变送器、检测元件及变送器、一个一个控制器控制器和和一个一个执行器所构成的单闭环控制系统。执行器所构成的单闭环控制系统。2 单回路控制系统如何表示？单回路控制系统如何表示？ 用带控制点的工艺流程图表示。如图用方块图

18、来表示 。 被控变量的选择被控变量的选择 操纵变量的选择操纵变量的选择 检测变送元件及检测位置检测变送元件及检测位置的选择的选择 执行器的选择执行器的选择 控制器及控制规律的选择控制器及控制规律的选择对控制器的参数进行工程整定对控制器的参数进行工程整定给给定值定值xx0偏差偏差e控制器控制器执行器执行器对象对象干扰干扰检测变送装置检测变送装置被控变量被控变量yz控制信号控制信号u操纵变量操纵变量m1 被控变量被控变量: 生产过程中希望借助控制系统生产过程中希望借助控制系统保持恒定值的工艺参数。保持恒定值的工艺参数。 被控变量的正确选择是关系到被控系统能否达到预期控制效果被控变量的正确选择是关系

19、到被控系统能否达到预期控制效果的重要因素。影响生产过程的因素很多，的重要因素。影响生产过程的因素很多，只有影响生产的关键变量只有影响生产的关键变量才能作为被控变量。所谓才能作为被控变量。所谓“关键关键”变量：变量：就是它们对产品质量以及就是它们对产品质量以及安全具有决定性的作用，而人工操作又难以满足要求的；或者人工安全具有决定性的作用，而人工操作又难以满足要求的；或者人工操作虽然可以满足要求，但是这种操作是既紧张而又频繁的。操作虽然可以满足要求，但是这种操作是既紧张而又频繁的。例如：塔设备的精馏过程例如：塔设备的精馏过程控制目标：控制目标：使塔顶（塔底）馏出物达到规定纯度使塔顶（塔底）馏出物达

20、到规定纯度被控变量的选择方案：被控变量的选择方案：组分是工艺上的质量指标，直接选馏出物的组分。组分是工艺上的质量指标，直接选馏出物的组分。选间接指标：选间接指标：x（组分浓度）、（组分浓度）、T（温度）、（温度）、P（压（压力）三者之间有力）三者之间有一定的关系一定的关系，从工艺的合理性考虑，从工艺的合理性考虑，选温度作为被控变量选温度作为被控变量 ，另外从灵敏度方面考虑，温度，另外从灵敏度方面考虑，温度的变化灵敏。的变化灵敏。 被控变量应能被测量出来，并具有足够大的灵敏度被控变量应能被测量出来，并具有足够大的灵敏度. 被控变量应是独立可控的。被控变量应是独立可控的。 应考虑工艺合理性和国内仪

21、表产品现状。应考虑工艺合理性和国内仪表产品现状。2 被控变量选择原则被控变量选择原则 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,一一般都是工艺过程中比较重要的变量般都是工艺过程中比较重要的变量. 被控变量在工艺操作过程中经常要受到一些干扰影响而变化，因被控变量在工艺操作过程中经常要受到一些干扰影响而变化，因而需要频繁加以控制的变量。而需要频繁加以控制的变量。 尽量采用直接指标作为被控变量，当无法获得直接控制指标信号，尽量采用直接指标作为被控变量，当无法获得直接控制指标信号，或其测量、传送或其测量、传送 滞后很大时，可选择与直接

22、控制指标有单值对应关滞后很大时，可选择与直接控制指标有单值对应关系的间接控制变量。系的间接控制变量。1 操纵变量：操纵变量：把用来克服干扰对被控变量的影响，实现控制作用的把用来克服干扰对被控变量的影响，实现控制作用的 变量变量 称为操纵变量（称为操纵变量（一般为介质的流量）一般为介质的流量）.补充图补充图 影响提馏段温度的各种因素示意图影响提馏段温度的各种因素示意图可控可控因素因素不可控不可控因素因素 可控因素中可控因素中Q蒸蒸比比Q回回 对提馏段温对提馏段温度的影响更及时、更显著；另外，从度的影响更及时、更显著；另外，从节能的角度方面，控制节能的角度方面，控制Q蒸蒸比控制比控制Q回回消耗的能

23、量要小消耗的能量要小 ，所以选所以选Q蒸蒸为操纵变为操纵变量量被控变量被控变量.Q入入T入入x入入Q蒸蒸Q回回T灵灵被控对象被控对象图图2-13 精馏过程示意图精馏过程示意图干扰变量干扰变量f操纵变量操纵变量m被控变量被控变量干扰通道（干扰通道（ K0小小、 T大、大、 大大对对 控制有利）控制有利）控制通道（控制通道（ K0大、大、 T小、小、 小对控制有利）小对控制有利）干扰变量干扰变量f由干扰通道干扰通道施加在对象上，起着破坏作用破坏作用，使被控变量偏离给定值偏离给定值；操纵变量操纵变量m由控制通道控制通道施加在对象上，起着校正作用校正作用，使被控变量回复到给定值回复到给定值；干扰变量干

24、扰变量f、操纵变量、操纵变量m对被控变量对被控变量y的影响规律与对象的特性有关的影响规律与对象的特性有关2 对象特性对操纵变量选择的影响对象特性对操纵变量选择的影响 放大系数放大系数K对于控制通道：对于控制通道：K0大，控制作用克服干扰的能力强；K小，控制作用弱。一般希望控制通道一般希望控制通道K0大一些好大一些好，但K不能太大，否则会使系统的稳定性下降。对于干扰通道：对于干扰通道：K f大对控制不利。一般希望干扰通道一般希望干扰通道K f小一些好小一些好 操纵变量应是可控的，即工艺上允许调节的变量。操纵变量应是可控的，即工艺上允许调节的变量。 操纵变量一般应比其他干扰对被控变量的影响更加灵敏

25、。操纵变量一般应比其他干扰对被控变量的影响更加灵敏。 在选择操纵变量时，除了从自动化角度考虑外，还要考虑工艺的在选择操纵变量时，除了从自动化角度考虑外，还要考虑工艺的合理性与生产的经济性。合理性与生产的经济性。 时间常数的影响时间常数的影响对于控制通道：希望时间常数对于控制通道：希望时间常数T小一些好，控制及时。小一些好，控制及时。对于干扰通道：一般希望干扰通道对于干扰通道：一般希望干扰通道T大一些好，大一些好， T大表示干扰对被控变量的影响缓慢，有利于控制。 滞后时间滞后时间的影响的影响对于控制通道：对于控制通道： 小对控制有利。小对控制有利。对于干扰通道：对于干扰通道： 大对控制有利大对控

26、制有利参数yz(a)tyzt(b)yz(c)t若被控变量若被控变量y作阶跃变化作阶跃变化时时,测量值测量值z慢慢靠近慢慢靠近y,显显然然,前一段两者差距很大前一段两者差距很大若若y作递增变化作递增变化,而而z则一直跟不上去则一直跟不上去,总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的的振荡幅值将比振荡幅值将比y减小减小,而且落后一个相位而且落后一个相位给定值给定值x0偏差偏差e控制器控制器执行器执行器对象对象干扰干扰f检测变送装置检测变送装置被控变量被控变量yz控制信号控制信号u操纵变量操纵变量m1 要考虑测量元件时间常数的影响：要考虑测量元件时间常数的影响：T大，对控制不利大，

27、对控制不利 （三）检测变送元件及检测位置如何选择？（三）检测变送元件及检测位置如何选择？ 要选要选T小的测量元件，最好选惰性小的快速测量元件小的测量元件，最好选惰性小的快速测量元件 在控制器中引入微分作用，进行超前补偿来克服测量滞后。在控制器中引入微分作用，进行超前补偿来克服测量滞后。测量、变送装置的作用：测量、变送装置的作用：是控制系统中获取信息和传递信息的装置，也是系是控制系统中获取信息和传递信息的装置，也是系统进行控制的依统进行控制的依 据。据。要求：要求：准确、及时反映被控变量的状况。准确、及时反映被控变量的状况。2 要注意测量元件的安装，尽量减少测量元件纯滞后的影响要注意测量元件的安

28、装，尽量减少测量元件纯滞后的影响 电极所测得的信号与中和槽内溶液的电极所测得的信号与中和槽内溶液的pH值在时间上就延迟了值在时间上就延迟了一段时间一段时间 0,主管道内流体的流速副管道内流体的流速22110vlvl主管道长度副管道长度图2-14 中和罐内PH值的控制系统例:酸槽LCACl2电极l1中和槽ATPH3 要尽量减少测量信号和控制信号的传送滞后要尽量减少测量信号和控制信号的传送滞后测量信号传送滞后：测量信号传送滞后：是指由现场测量变送装置的信号传送到控制是指由现场测量变送装置的信号传送到控制室的控制器所引起的滞后。电信号可忽略，气信号则滞后较大，室的控制器所引起的滞后。电信号可忽略，气

29、信号则滞后较大，一般气压信号管路一般气压信号管路300 m，直径，直径6mm。否则，要改为电信号。否则，要改为电信号。控制信号传送滞后控制信号传送滞后：是指由控制室内控制器的输出控制信号传送是指由控制室内控制器的输出控制信号传送到现场执行器所引起的滞后。一般现场与控制室之间都采用电信号，到现场执行器所引起的滞后。一般现场与控制室之间都采用电信号，减少传送滞后。对于气动薄膜控制阀，则要加电减少传送滞后。对于气动薄膜控制阀，则要加电气转换器，将电气转换器，将电信号转换信号，以控制气动控制阀。信号转换信号，以控制气动控制阀。给定值给定值x0偏差偏差e控制器控制器执行器执行器对象对象干扰干扰f检测变送

30、装置检测变送装置被控变量被控变量yz控制信号控制信号u操纵变量操纵变量m小结：小结：测量元件要正确选用、合理安装、及时维修，以保证测量元测量元件要正确选用、合理安装、及时维修，以保证测量元件有足够的测量精度、较小的时间常数、尽量减小纯滞后和信号传件有足够的测量精度、较小的时间常数、尽量减小纯滞后和信号传递滞后递滞后测量信测量信号传送号传送滞后滞后控制信号传送滞后控制信号传送滞后给定值给定值x0偏差偏差e控制器控制器执行器执行器对象对象干扰干扰f检测变送装置检测变送装置被控变量被控变量yz控制信号控制信号u操纵变量操纵变量m执行器（控制阀）的作用：执行器（控制阀）的作用：接受控制器送来的信号，自

31、动地改变阀门的开度接受控制器送来的信号，自动地改变阀门的开度（即改变操纵变量），克服扰动的影响，从而实现生产过程的自动控制。常见（即改变操纵变量），克服扰动的影响，从而实现生产过程的自动控制。常见的有：的有：气动薄膜，电动、液动执行器气动薄膜，电动、液动执行器执行器如何选择？执行器如何选择？ 按照按照生产过程的特点、安全运行和推动力生产过程的特点、安全运行和推动力等选择阀的类型：气等选择阀的类型：气动薄膜，电动、液动执行器动薄膜，电动、液动执行器 根据根据被控变量的大小被控变量的大小选择阀的流通能力；选择阀的流通能力； 从生产从生产安全的角度安全的角度选择阀的气开或气关形式；选择阀的气开或气关

32、形式； 从从被控对象的特性、负荷的变化情况被控对象的特性、负荷的变化情况等选择阀的流量特性。等选择阀的流量特性。给定值给定值x0偏差偏差e控制器控制器执行器执行器对象对象干扰干扰f检测变送装置检测变送装置被控变量被控变量yz控制信号控制信号u操纵变量操纵变量m控制（调节）器的作用：控制（调节）器的作用：将检测变送信号与工艺上需要保持的将检测变送信号与工艺上需要保持的设定值进行比较，得出偏差的大小，根据偏差的大小及变化趋势，设定值进行比较，得出偏差的大小，根据偏差的大小及变化趋势，按照预先设定好的控制规律进行运算后，将运算结果用特定的信按照预先设定好的控制规律进行运算后，将运算结果用特定的信号发

33、送给执行器（控制阀），实现对生产过程的自动控制。号发送给执行器（控制阀），实现对生产过程的自动控制。l控制器的选择包括两方面的内容：控制器的选择包括两方面的内容：1 控制规律的选择控制规律的选择2 正、反作用的确定正、反作用的确定即：即： u= f(e)=f（ zx）常见的控制规律有常见的控制规律有：控制规律控制规律指的是控制器的输出信号（指的是控制器的输出信号（u）与输入信号（）与输入信号（e=zx）之间的）之间的关系关系位式位式比例（比例（P）proportion积分（积分（I） integral微分（微分（D）differential组合（组合（PI、PD、PID）2.2 控制规律和正、

34、反作用的选择控制规律和正、反作用的选择2.2.1 控制规律的选择控制规律的选择 要根据要根据广义对象广义对象的特性和工艺要求来决定的特性和工艺要求来决定广义对象广义对象给定给定值值x0偏差偏差e控制器控制器执行器执行器对象对象干扰干扰f检测变送装置检测变送装置被控变量被控变量yz控制信号控制信号u 操纵变量操纵变量m控制器控制器广义对象广义对象干扰干扰给定值给定值 简单控制系统简化方块图简单控制系统简化方块图被控变量测量值被控变量测量值就是控制器的输出只有数个特定的数值，或它的执行机构只有就是控制器的输出只有数个特定的数值，或它的执行机构只有数个特定的位置数个特定的位置 位式控制规律（开关控制

35、）：位式控制规律（开关控制）：其输出只有两个数值（最大或最其输出只有两个数值（最大或最小），相应的控制机构只有开和关两个极限位置。小），相应的控制机构只有开和关两个极限位置。u maxu minue图图2-16 理想的双理想的双位控制规律位控制规律u（t）=u max e0或或 e0u min e0 或或e0理想的双位控制器理想的双位控制器 控制规律表达式：控制规律表达式：例例P29：图：图2-17： 利用双位控制器控制炉温。利用双位控制器控制炉温。温度T0时，继电器断开温度T0时，继电器合上优点：优点：结构简单、成本较低、使用方便。结构简单、成本较低、使用方便。缺点缺点：执行器不断地开、关，

36、不实用执行器不断地开、关，不实用 特点：特点： 具有开关特性，工作状态只有开、关两种状态。具有开关特性，工作状态只有开、关两种状态。 其控制作用不是连续变化，是断、续控制。被控变量的变化是其控制作用不是连续变化，是断、续控制。被控变量的变化是一个等幅震荡过程一个等幅震荡过程 偏差在某一中间区域时，控制机构不动作。偏差在某一中间区域时，控制机构不动作。如：家用冰箱、如：家用冰箱、电饭锅电饭锅（双金属温度计既是测温元件又是控制元件）。（双金属温度计既是测温元件又是控制元件）。uttyy Hy L图图2-19 具有中间区的双位控制过程具有中间区的双位控制过程 结构简单，成本低廉，易于实现。结构简单，

37、成本低廉，易于实现。图图2-18 实际的双位控制规律实际的双位控制规律开 关umaxemaxeminumin指控制器的输出信号变化量指控制器的输出信号变化量u与输入偏差信号变化量与输入偏差信号变化量e之间成比例关系。之间成比例关系。 图图2-20 即：即：u（t） = K p e（t） 比例放大系数比例放大系数K p （ K p= u / e），有量纲。，有量纲。反映比例反映比例控制作用的强弱。控制作用的强弱。 K p 大，比例控制作用强大，比例控制作用强 K p 小，比例控制作用弱小，比例控制作用弱.%100()(minmaxminmaxminmaxminmax控制器的输出变化范围输出的最大

38、变化量，即仪表的量程输入的最大变化量，即输出变化量输入变化量）uueeueuuueee 比例度比例度 ：工业中常用比例度来表示比例控制作用的强工业中常用比例度来表示比例控制作用的强弱。弱。指控制器指控制器输入的变化相对值输入的变化相对值与相应的与相应的输出变化相对值输出变化相对值之比之比的百分数。无量纲。的百分数。无量纲。都表示比例控制器控制作用的强弱。都表示比例控制器控制作用的强弱。%1001%100()(minmaxminmaxminmaxminmaxeeuukuuueeep）比例度的物理意义比例度的物理意义：要使控制器的输出变化全量程时，相应的：要使控制器的输出变化全量程时，相应的 输输

39、入变化量占仪表量程的百分数。入变化量占仪表量程的百分数。例：例：DDZ型比例作用温型比例作用温度控制器，温度刻度范围为度控制器，温度刻度范围为400800，控制器的输出，控制器的输出工作范围为工作范围为0 10mA。当指。当指示指针从示指针从600移到移到700，控制器相应的输出从控制器相应的输出从4mA变变为为9mA，其比例度，其比例度 %50%100) 010() 49 ()400800()600700(从上式可看出从上式可看出：与与KP成反比，成反比， K p 比例控制作用比例控制作用 ，K p 比例控制作用比例控制作用 而而 比例控制作用比例控制作用 ， 比例控制作用比例控制作用u m

40、inu max0100% =50% =100% =200%e/（e maxe min）a) 有余差。例如：有余差。例如：杠杆浮球构成的比例液位控制系统：杠杆浮球构成的比例液位控制系统：为什么？为什么？当当Q1 =Q2 时；杠杆为水平位置时；杠杆为水平位置当当Q2突然突然 增加时，阀增加时，阀1必须增大，使必须增大，使Q1 =Q2 时，才能建时，才能建立新的平衡，此时阀杆上移，浮球下移，浮球达到新的平立新的平衡，此时阀杆上移，浮球下移，浮球达到新的平衡位置比原来的平衡位置（给定值）低，其差值就是余差。衡位置比原来的平衡位置（给定值）低，其差值就是余差。b) K p 大，比例控制作用强大，比例控制

41、作用强 ；K p 小小 ，比例控制作用弱，比例控制作用弱 即即小，小， 比例控制作用强；比例控制作用强；大，比例控制作用弱，大，比例控制作用弱， K p太太大，太小对控制都不利，大，太小对控制都不利， K p太大，稳定性下降；太小，过太大，稳定性下降；太小，过渡平稳，渡平稳，但余差大。但余差大。如图如图2-22下的过渡过程下的过渡过程ytytyt小于临界值ty太大 偏小yt 偏大yt 适当 等于临界值 比例控制规律优缺点比例控制规律优缺点干扰少、扰动幅度小、负荷变化不大、滞后较小，控制要干扰少、扰动幅度小、负荷变化不大、滞后较小，控制要求不高、允许有余差存在。例如：塔釜的液位、贮槽的液求不高、

42、允许有余差存在。例如：塔釜的液位、贮槽的液位、冷凝器的液位等。位、冷凝器的液位等。结构简单、控制及时、参数整定方便。结构简单、控制及时、参数整定方便。控制结果控制结果有余差有余差。适应场合：适应场合：定义定义：是指控制器的输出变化量：是指控制器的输出变化量u与输入偏差与输入偏差e的积分成正比。的积分成正比。 即即 ：阶跃响应曲线阶跃响应曲线当有偏差时，输出信号将随时间增大。当有偏差时，输出信号将随时间增大。当偏差为零时，输出停止变化而稳定在当偏差为零时，输出停止变化而稳定在某一值上，因而用积分控制器组成控制系某一值上，因而用积分控制器组成控制系统可以达到无余差。统可以达到无余差。teutATI

43、图2-23 积分调节的开环特性)1)edtTedtKuIIIKI积分速度积分速度 TI积分时间常数积分时间常数积分作用为什么不单独使用？积分作用为什么不单独使用？ 开始为开始为0，随，随t u缓慢缓慢 即当即当e刚进入时，刚进入时， uI几乎为零，积分作用太微弱，控制不及时，几乎为零，积分作用太微弱，控制不及时，即有滞后。即有滞后。定义定义：在比例控制的基础上，再加上积分控制作用，便构成比例：在比例控制的基础上，再加上积分控制作用，便构成比例积分控制规律。积分控制规律。控制既及时，又能消除余差。控制既及时，又能消除余差。数学表达式：数学表达式：AtTKAKedtTekedtKekuIPPIpI

44、pPI)1()( 如何求取比例放大系数如何求取比例放大系数KP及及积分时间常数积分时间常数TI（实验）（实验）利用利用当当t= TI 时，时，uPI=2KPA这一关系。这一关系。具体操作：具体操作：给比例积分控制器输入一个幅值给比例积分控制器输入一个幅值 为为A 的的阶跃变化，立即记下输出的跃变值并开阶跃变化，立即记下输出的跃变值并开动秒表记时，当动秒表记时，当uPI=2KPA时，此时的时时，此时的时间为间为TI；跃变值；跃变值KPA除以阶跃输入幅值除以阶跃输入幅值A就是就是KPteutAKP A2KPA图图2-24 比例积分的开环特性比例积分的开环特性TI如 TI ，KI 积分作用，积分作用

45、， 积分速度积分速度准确性准确性 ， C 0，但系统的稳定性，但系统的稳定性ytytytTI太小TI适当tyTI=TI太太图图2-25 积分时间积分时间I对过渡过程的影响对过渡过程的影响 比例积分控制的优缺点比例积分控制的优缺点 既控制及时、又能消除余差。既控制及时、又能消除余差。 但但TI过小过小，会使系统的稳定性下降。会使系统的稳定性下降。适应场合：适应场合：广泛应于广泛应于压力、流量、液位和那些没有压力、流量、液位和那些没有大的时间滞后的具体对象大的时间滞后的具体对象。如如 TI ，KI 积分作用积分作用 ，积分速度，积分速度 ， 准确性准确性 ，但系统的稳定性，但系统的稳定性1 理想微

46、分控制规律（理想微分控制规律（D） 定义：是指控制器的输出变化量定义：是指控制器的输出变化量u与输入偏差与输入偏差e的变化速度成正比。的变化速度成正比。 表达式：表达式：u=TD de/dt TD为微分时间，表示微分作用的强弱。为微分时间，表示微分作用的强弱。 de/dt 为偏差信号变化速度。为偏差信号变化速度。 响应曲线：响应曲线：特点：特点：这种控制器用在系统中，即使这种控制器用在系统中，即使偏差很小，只要出现变化趋势，马上就偏差很小，只要出现变化趋势，马上就进行控制，故有进行控制，故有超前控制超前控制之称，这就它之称，这就它的优点，但它的输出不能反映偏差的大的优点，但它的输出不能反映偏差

47、的大小，假如偏差固定，即使数值很大，微小，假如偏差固定，即使数值很大，微分作用也没有输出，分作用也没有输出，因而控制结果不能因而控制结果不能消除偏差消除偏差，不能单独使用。，不能单独使用。teutt0图2-26 理想微分控制器特性t00 数学表达式数学表达式：)(dtdeTekuDpPDytytytTD太大TD适当tyTD=0TD太小 图图2-29 微分时间对系统过微分时间对系统过渡过程的影响渡过程的影响 utt0KpA图图2-28 比例微分控制器特性比例微分控制器特性 TD是表示微分控制作用强弱的一个参数。是表示微分控制作用强弱的一个参数。TD 大大 ，微分控制作用越强。，微分控制作用越强。

48、 增加微分时间增加微分时间TD ，能克服系统的滞后，能克服系统的滞后，改善系统的控制质量，提高系统的稳定性。改善系统的控制质量，提高系统的稳定性。但微分时间不能太大，否则会使系统出现高但微分时间不能太大，否则会使系统出现高频振荡。频振荡。即即 TD ， 微分作用微分作用 ， 稳定性。稳定性。 TD ， 过度灵敏，会出现高频震荡。过度灵敏，会出现高频震荡。 优缺点优缺点：响应快、偏差小、能增加系统的响应快、偏差小、能增加系统的稳定性；有超前控制作用，可以克服对象的稳定性；有超前控制作用，可以克服对象的惯性；控制结果有余差惯性；控制结果有余差。 微分时间对系统过渡过程的影响微分时间对系统过渡过程的

49、影响 优缺点：优缺点：控制质量高；无余差；参数整定较麻烦。控制质量高；无余差；参数整定较麻烦。 适应场合适应场合：对象对象 滞后大；负荷变化较大，但变化不频繁；滞后大；负荷变化较大，但变化不频繁；对控制质量要求高。对控制质量要求高。)1(dtdeTedtTekpDIp数学表达式：数学表达式：控制规律 数学表达式 可调参数 优缺点 适应场合 比 例 （P）比例积分（PI）比例积分微分 （PID）u=K p e K p ,（）%1001pK控制及时、过渡时间短、克服干扰能力强。但控制结果有余差适用于控制通道滞后较小，负荷变化较小，工艺上没有提出余差要求的系统.如：液位)1(1dteTeKup K

50、p，T1用于控制通道滞后较小，负荷变化较小，工艺参数不允许有余差的系统.如：压力、流量等能消除余差。但积分控制作用比较缓慢、控制不及时，系统稳定性下降dtdeTedtTeKuDp11K p, T1, TD用于容量滞后较大，负荷变化大，控制质量要求较高的系统。如温度、成分控制质量高，积分作用可消除余差，微分作用可提高系统的稳定性但参数整定较麻烦。2.2.2 控制器正、反方向的确定控制器正、反方向的确定 执行器的正、反作用方向的规定：执行器的正、反作用方向的规定：由它的气开、气关型式来确定。由它的气开、气关型式来确定。 气开阀为气开阀为“正作用正作用”，气关阀为，气关阀为“反作用反作用”。气开阀：

51、气开阀：有气压信号时阀开、无气压信号时阀关的气动执行器。有气压信号时阀开、无气压信号时阀关的气动执行器。 气关阀：气关阀：有气压信号时阀关、无气压信号时阀开的气动执行器。有气压信号时阀关、无气压信号时阀开的气动执行器。“正正”方向：方向：当执行器的输入信号当执行器的输入信号增加时增加时，气开阀的开度，气开阀的开度增加增加。因而流过阀的流体流量也因而流过阀的流体流量也增加增加，故气开阀是故气开阀是“正正”方向方向“反反”方向：方向：当执行器的输入信号当执行器的输入信号增加增加时，气关阀的开度时，气关阀的开度减小减小。因而流过阀的流体流量因而流过阀的流体流量也减小也减小，故气关阀是故气关阀是“反反

52、”方向方向1 各环节的正、反作用方向的规定各环节的正、反作用方向的规定被控对象规定：被控对象规定： 操纵变量操纵变量m ，被控变量，被控变量y ，为，为“正作用正作用” 操纵变量操纵变量m ，被控变量，被控变量y ，为，为“反作用反作用”测量元件：测量元件： 输入增加，输出也增加，一般都为输入增加，输出也增加，一般都为“正方向正方向”。控制器规定：控制器规定：当控制器的偏差当控制器的偏差(e= y0 - ym）增加时增加时，输出输出u也增加也增加，称为，称为“正作用正作用”当控制器的偏差当控制器的偏差(e= ym - y0 ）增加时，输出增加时，输出u减小，减小，称为称为“反作用反作用” 控制

53、器的正，反作用可以通过改控制器的正，反作用可以通过改变控制器上的正，反作用开关自行变控制器上的正，反作用开关自行选择，一台正作用的控制器，只要选择，一台正作用的控制器，只要将其测量值与给定值的输入线互换将其测量值与给定值的输入线互换一下，就成了反作用的控制器一下，就成了反作用的控制器.控制器P测P给u出正，反作用开关P测P给控制器正,反作用开关示意图目的：目的：是为了使系统中的被控对象、控制器、执行器三个环节组是为了使系统中的被控对象、控制器、执行器三个环节组合起来，构成合起来，构成“负反馈负反馈”选择步骤：选择步骤：先确定被控对象的作用方向先确定被控对象的作用方向再由工艺安全条件确定执行器的

54、气开、气关型式，进而确定其作再由工艺安全条件确定执行器的气开、气关型式，进而确定其作用方向用方向最后确定控制器的方向，以使控制系统构成负反馈最后确定控制器的方向，以使控制系统构成负反馈LC给水PC燃料燃烧室解：解： 单回路液位控制系统：单回路液位控制系统：对象对象 ：供水量增加时，液位升高，：供水量增加时，液位升高，故是故是 “+”方向方向执行器：执行器：从锅炉安全的角度来看，从锅炉安全的角度来看，应选应选“气关阀气关阀”即即“”方向，方向，以便当气源中断时，能继续供水。以便当气源中断时，能继续供水。PC控制器控制器：应为：应为“+”方向方向单回路压力控制系统：单回路压力控制系统：对象对象 ：

55、燃料增加时，蒸汽压力增加，故是：燃料增加时，蒸汽压力增加，故是“+”方向方向控制阀控制阀：从锅炉安全的角度来看，应选：从锅炉安全的角度来看，应选“气开阀气开阀”即即“+”方向，以方向，以保证当气源中断时，能停止燃料供给，防止锅炉烧坏。保证当气源中断时，能停止燃料供给，防止锅炉烧坏。PC控制器：控制器：应为应为“”方向方向理论计算理论计算工程整定法工程整定法 临界比例度法临界比例度法衰减曲线法衰减曲线法经验凑试法经验凑试法控制器参数整定方法控制器参数整定方法任务：任务：根据已确定的控制方案，确定控制器的最佳参数值（根据已确定的控制方案，确定控制器的最佳参数值（、TI、TD），以使控制系统获得最佳

56、的控制质量。），以使控制系统获得最佳的控制质量。T kyftt1 临界比例度法临界比例度法方法：方法：在闭环的控制系统中，先将控制器变为在闭环的控制系统中，先将控制器变为纯比例作用纯比例作用，即将，即将T1放大放大“ ”位置上，位置上，TD放在放在“0”位置上，在干扰作用下，从大到小地逐渐位置上，在干扰作用下，从大到小地逐渐改变控制器的比例度，直至系统产生等幅度振改变控制器的比例度，直至系统产生等幅度振荡，记下此时的荡，记下此时的 K、 TK 经验公式经验公式计算出各计算出各参数的整定值参数的整定值 特点特点：简单、易于掌握和判断，适合一般的控简单、易于掌握和判断，适合一般的控制系统；不适合临

57、界比例度很小和不允许产生制系统；不适合临界比例度很小和不允许产生等幅振荡的系统。等幅振荡的系统。临界比例度临界比例度 K和临界周期和临界周期TK试验试验表表2-2 临界比例度法经验计算公式表临界比例度法经验计算公式表Pg41控制作用控制作用比例比例(P)比例积分比例积分(PI)比例度比例度/%2 k2.2 k积分时间积分时间TI /min0.85T k微分时间微分时间TD比例比例+微分微分(PD)比例比例+积分积分+微分微分 (PID)1.8 k 1.7 k0.5Tk0.1Tk0.13Tk是在纯比例运行下，通过使系统产是在纯比例运行下，通过使系统产生生4：1或或10：1的衰减振荡，得到衰减比的

58、衰减振荡，得到衰减比例度例度 S和衰减周期和衰减周期Ts （或上升时间（或上升时间T升升），），然后根据经验总结出来的关系求出控制然后根据经验总结出来的关系求出控制器各参数。（器各参数。（Pg41）2 衰减曲线法衰减曲线法Ts(a)(b)T升tttfyy4：1衰减曲线10：1衰减曲线采用衰减曲线法注意点：采用衰减曲线法注意点：（1）加的干扰幅度值不能太大，要根据生产操作要求来定，一般）加的干扰幅度值不能太大，要根据生产操作要求来定，一般为额定值的为额定值的5%左右，也有例外的情况。左右，也有例外的情况。（2）必须在工艺参数稳定情况下才能施加干扰，否则得不到正确）必须在工艺参数稳定情况下才能施加

59、干扰，否则得不到正确的的 s 、Ts或或 s和和T升升值。值。（3）对于反应快的系统，如流量，管道压力和小容量的液位控制）对于反应快的系统，如流量，管道压力和小容量的液位控制等，要在记录曲线上严格得到等，要在记录曲线上严格得到4：1衰减曲线比较困难。一般以被衰减曲线比较困难。一般以被控变量来回波动两次达到稳定，就可以近似地认为达到控变量来回波动两次达到稳定，就可以近似地认为达到4：1衰减衰减过程了。过程了。特点：特点：比较简单，整定质量高，应用广泛；但对于干扰频繁、记录曲线比较简单，整定质量高，应用广泛；但对于干扰频繁、记录曲线不规则、不断有小摆动的系统不适应。不规则、不断有小摆动的系统不适应

60、。表表2-1 控制器参数的经验数据表控制器参数的经验数据表Pg40被控对象被控对象 流量流量 对象时间常数小，参数有波动，对象时间常数小，参数有波动， 要大；要大； 40100 0.11 TI要短；不用微分要短；不用微分 温度温度 对象容量滞后较大，即参数受干扰后变对象容量滞后较大，即参数受干扰后变 2060 310 0.53 化迟缓，化迟缓， 应小；应小；TI要长；一般需加微分要长；一般需加微分 压力压力 对象的容量滞后一般，不算大，一般不对象的容量滞后一般，不算大，一般不 3070 0.43 加微分加微分 液位液位 对象时间常数范围较大，要求不高时，对象时间常数范围较大，要求不高时， 20