第三章 单回路控制系统-2012

1、第三章 单回路反馈控制系统 简称：单回路控制系统、简单控制系统 在所有反馈控制系统中，单回路反馈控制系统是最基本、结构最简单的一种。 在生产过程控制中应用得最为广泛的、并能解决大量控制问题的系统（70%）。 研究单回路系统的分析和设计方法，是研究复杂控制系统的基础。1 单回路系统的结构组成2 被控变量的选择3 对象特性对控制质量的影响及操纵变量的选择4 控制阀的选择5 测量、传送滞后对控制质量的影响及其克服的方法6 控制器参数对控制质量的影响及控制规律的选择7 单回路系统的整定本章内容第一节 单回路系统的结构组成举例举例 ： 如图所示的水槽，流入量 F1、流出量F2，为了控制水槽的液位L不变，

2、择相应的测量变送器、控制器、控制阀，并按左图组成单回反馈控制系统。一、系统的组成F1F2图1-1 水槽图1-2 水槽液位控制系统LTLCF2F1sp“反作用”注： LC表示液位控制器， sp代表控制器的给定值。 假定控制阀为气闭，控制器为反作用。 偏差：测量信号与给定值之差。 当测量值大于给定值时，偏差为正，反之为负。LTLCF2F1sp“反作用”第一种情况（初始状态：平衡状态F1=F2）入口阀突然开大 F1F2 L 正偏差 输出减小 控制阀 F2 LF1=F2 系统达到新的平衡LTLCF2F1sp“反作用”入口阀突然开小 F1F1L 负偏差 输出增大 控制阀F2 L F1=F2系统达到新的平

3、衡出口阀突然关小 F1F2 L 正偏差 输出减小 控制阀 F2 L F1=F2系统达到新的平衡LTLCF2F1sp“反作用”变送器控制器控制阀控制对象+-给定测量干扰液位偏差单回路控制系统方框图Gc(s)Gm(s)Gv(s)Go(s)Gf(s)+-+R(S)E(S)U(S)Q(S)Y(S)F(S)X(S)Gc(s)Gm(s)Gv(s)Go(s)Gf(s)+-+R(S)E(S)U(S)Q(S)Y(S)F(S)X(S)Gc(S)：控制器传递函数Gv(S)：控制阀传递函数Gm(S) 变送器传递函数Go(S)：对象控制通道的传函Gf(S)：对象扰动通道的传函R(S)：给定值的拉氏变换式X(S)：测量值

4、的拉氏变换式E(S)：偏差的拉氏变换式U(S)：控制信号的拉氏变换式Q(S)：操纵变量的拉氏变换式Y(S)：被控变量的拉氏变换式F(S)：扰动信号的拉氏变换式几点说明：n 图中的各个信号值都是增量初始状态为零；图中箭头表示的是信号流向，而不是物料或能量的流向。n 各环节的增益有正、负之别： 控制器：正作用时增益为“负” 反作用时增益为“正” 控制阀：气开阀增益为“正” 气闭阀增益为“负” 变送器：一般为“正” 控制对象：根据操纵变量Q(S)的变化引起被控变量 Y(S)的变化来确定 Q(S) Y(S) 增益为“正”,反之为“负”上例中当控制阀装在出口处时，对象增益为上例中当控制阀装在出口处时，对

5、象增益为“负负”； 当控制阀装在入口处时，对象增益为当控制阀装在入口处时，对象增益为“正正” 整个系统必须是一个负反馈系统，因此自整个系统必须是一个负反馈系统，因此自R(S)至至X(S)的各个环节增益的各个环节增益的乘积必须是正值。的乘积必须是正值。n在方框图中，各环节在方框图中，各环节Gc(S)除外，其它环节合并成一个环节称为广义对象除外，其它环节合并成一个环节称为广义对象Gp(S)，它是由，它是由Gv(S)、 Go(S)、Gm(S)的乘积，所以整个系统就有控制器的乘积，所以整个系统就有控制器 Gc(S)和广义对象和广义对象Gp(S)所构成。所构成。(4)根据单回路控制系统方框图，可知闭环系

6、统的输入与输出关系式是：Y(S)=1+GC(S)GV(S)Go(S)GM(S)1+GC(S)GV(S)GP(S)GM(S)GC(S)GV(S)Go(S)R(S)+GF(S)F(S)GF(S)GM(S)1+GC(S)GV(S)Go(S)GM(S)1+GC(S)GV(S)Go(S)GM(S)GC(S)GV(S)Go(S)GM(S)F(S)R(S)+X(S)=当R(S)=0时称为定值控制系统（给定值不变）Gc(s)Gm(s)Gv(s)Go(s)Gf(s)+-+R(S)E(S)U(S)Q(S)Y(S)F(S)X(S) (5) 单回路系统的分类： 按被控变量的类型分： 温度控制系统 压力控制系统 流量控

7、制系统 液位控制系统 成分控制系统 二、特点1、它由一个测量变送装置、一个控制器、一个控制阀和相应的被控对象所组成。2、控制器是根据被控变量与给定值的偏差来进行控制的。3、系统结构简单，所需自动化技术工具少（仪表少），投资比较低，操作维护也比较方便，一般情况下都能满足控制质量的要求。因此在生产过程中70%以上的控制系统是单回路控制系统。三、如何设计好单回路控制系统三、如何设计好单回路控制系统前提：充分了解具体的生产工艺、生产过程和控制前提：充分了解具体的生产工艺、生产过程和控制要求要求 正确选择正确选择被控变量和操作变量被控变量和操作变量 正确选择正确选择控制阀控制阀的开闭型式及其流量特性的开

8、闭型式及其流量特性 正确选择正确选择控制器控制器的类型及其正反作用的类型及其正反作用 正确选择正确选择测量变送测量变送装置装置 深入研究其特性对系统控制质量的影响情况深入研究其特性对系统控制质量的影响情况的重要性的重要性第二节 被控变量的选择 3.2.1 被控变量的选择是控制系统设计 的核心问题 被控变量的选择直接关系到： 生产的稳定操作；产品产量和质量的提高；生产安全与劳动条件的改善3.2.2 被控变量的选择：1、直接指标控制直接指标控制 对于以温度、压力、流量、液位为操作指标的生产过程，就选择温度、压力、流量、液位为被控变量。2、简接指标控制简接指标控制 对于选择质量指标作为被控变量，若存

9、在仪表无法测量产品成分或物性参数（密度、粘度等）时，可选择一种间接的指标间接的指标、作为被控变量。该间接指标必须与直接指标存在单值的对应关系，并具有一定的变化灵敏度。举例：苯、甲苯二元系统的精馏 假定该精馏塔的操作是要使塔顶假定该精馏塔的操作是要使塔顶(或塔底或塔底)馏出物达到馏出物达到规定的纯度规定的纯度后后，塔顶，塔顶(或塔底或塔底)馏出物的为馏出物的为组分组分xD(或或xW)，这里，这里XD应作为被控变应作为被控变量量，因为它就是工艺上的质量指标。，因为它就是工艺上的质量指标。塔顶馏出物的塔顶馏出物的组分组分xD检测存在检测存在困难：困难： 滞后太大滞后太大，可靠性不够。，可靠性不够。

10、不能直接以不能直接以xD(或或xW)作为被控变量作为被控变量进行直接指标控制。这时可以在与进行直接指标控制。这时可以在与xD有关的参数中找出合适的变量作为被有关的参数中找出合适的变量作为被控变量，进行间接指标控制。控变量，进行间接指标控制。 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浓度xD、塔顶温度、塔顶温度TD、压力、压力p三者之间有一定的关系。三者之间有一定的关系。 当压力恒定时，组分当压力恒定时，组分xD和温度和温度TD之间存在有单值对应的关系。之间存在有单值对应的关系。 P一定时：xD = f ( TD ) 组分与

11、温度成单值对应关系, TD越高, xD越低。n 温度一定时：xD = f ( p) 组分与压力成单值对应关系, p越高, xD越大。TD, p中固定一个变量，选择另一个作为间接指标代替质量指标成为被控变量？ 从工艺合理性考虑，常常选择温度作为被控变量。 这是因为： 第一，第一，在精馏塔操作中，压力往往需要固定。只有将塔操作在规定的压力下，才易于保证塔的分离纯度，保证塔的效率和经济性。如塔压波动，就会破坏原来的汽液平衡，影响相对挥发度，使塔处于不良工况。同时、随着塔压的变化，往往还会引起与之相关的其他物料量的变化，影响塔的物料平衡，引起负荷的波动。 第二，第二，在塔压固定的情况下，精馏塔各层塔板

12、上的压力基本上是不变的，这样各层塔板上的温度与组分之间就有一定的单值对应关系。 由此可见，固定压力，选择温度作为被控变量是可能的，也是合理的。在情况的许可时，应选择质量指标参数作为被控变量。当不能选择质量指标作为被控变量时，可选择一个与产品质量指标有单值对应关系的间接指标参数作为被控变量。所选的间接指标参数必须有足够大的变化灵敏度，以便反映产品质量的变化。在被控变量选择时还需考虑到工艺的合理性和国内、外仪表生产的现状 。被控变量的选择的原则：第三节第三节 操纵变量（控制参数）的选择操纵变量（控制参数）的选择3.3.1 控制参数选择的意义控制参数选择的意义扰动作用：扰动作用： 由扰动通道对过程的

13、被控参数产生影响，力图使被控参数偏离给定值。由扰动通道对过程的被控参数产生影响，力图使被控参数偏离给定值。控制作用：控制作用： 由控制通道对过程的被控参数起主导影响，抵消扰动影响，使被控参数尽力维由控制通道对过程的被控参数起主导影响，抵消扰动影响，使被控参数尽力维持在给定值。持在给定值。操纵变量：操纵变量：用来克服干扰对被控变量的影响，实现控制作用的变量。用来克服干扰对被控变量的影响，实现控制作用的变量。 应把对被控变量影响显著的可控因素作为操纵变量。应把对被控变量影响显著的可控因素作为操纵变量。3.3.2 控制通道的静态特性分析控制通道的静态特性分析000( )1KW sT s( )1fff

14、KWsT s( )cW sKl 控制作用与干扰作用同时影响被控变量，其影响是相反的。l 控制作用与干扰作用是相互对立而存在。根据控制通道和扰动通道特性，及对根据控制通道和扰动通道特性，及对控制质量控制质量有影响选择控制参数。有影响选择控制参数。000(1)( )( )(1)(1)(1)ffcfT sKY sF sT sT sK K T s被控量Y(s)对F(s)的闭环控制传递为：00000(1)( )lim ( )lim(1)(1)(1)1ftsfcffcT sKCee tss T sT sK K T sKK K 000(1)( )( )( )( )( )(1)(1)(1)ffcfT sKE

15、sR sY sR sF sT sT sK K T s 根据终值定理，在阶跃干扰函数的下，系统的余差为控制系统的偏差为：对于定值控制系统，R(s)=0，因而000(1)( )( )(1)(1)(1)ffcfT sKE sF sT sT sK K T s 控制通道的放大系数控制通道的放大系数K0要大些要大些，这是因为K0的大小表征了操纵变量对被控变量的影响程度。当然，有时K0过大，会引起过于灵敏，使控制系统不稳定，这也是要引起注意的。 干扰通道的放大系数干扰通道的放大系数Kf，则越小越好，则越小越好。Kf小，表示干扰对被控变量的影响不大，过渡过程的超调量不大，故确定控制系统时，也要考虑干扰通道的静

16、态特性。 00000(1)( )lim ( )lim(1)(1)(1)1ftsfcffcT sKCee tss T sT sK K T sKK K 3.3.2 控制通道的动态特性分析控制通道的动态特性分析(1)过程扰动通道动态特性影响过程扰动通道动态特性影响 000111111111ffffWsT sY sF sW s WsWs WsTWs WssT设Kf=1,且扰动通道为一阶惯性环节 扰动通道的时间常数扰动通道的时间常数越大越好越大越好,这样可使系统的稳定性裕度提高，动态偏差这样可使系统的稳定性裕度提高，动态偏差减小。减小。1( )(1)nWsT s若：n增加增加,使闭环系统的动态偏差减小使

17、闭环系统的动态偏差减小f( )fsfWs e( )fYs 当扰动通道存在迟延时,则相当于一阶惯性环节串联了一个迟延环节 0( )1fsfWsY sF seW s Ws 扰动通道迟延时间扰动通道迟延时间的存在仅使被调量在时间轴上平的存在仅使被调量在时间轴上平移了一个移了一个值即过渡过程增加了一个值即过渡过程增加了一个时间。并不影响系统时间。并不影响系统的控制质量。的控制质量。 对上式进行拉氏反变换，系统在单位阶跃干扰作用下，被控量的时间响应 0()dy ty tfKnfT因此，选择控制参数时，应力求使干扰信号远离被控量的检测点。因此，选择控制参数时，应力求使干扰信号远离被控量的检测点。(2)过程

18、控制通道动态特性影响过程控制通道动态特性影响 控制通道的放大系数控制通道的放大系数KoKo似乎越大，余差越小。但是，由于最佳控制过程的似乎越大，余差越小。但是，由于最佳控制过程的KoKo和和KcKc的乘积为一常数，而控制器的放大系数的乘积为一常数，而控制器的放大系数KcKc是可调的，因而即使是可调的，因而即使KoKo很小，也很小，也通过调整通过调整KcKc来补偿。因而选择变量时可以不考虑来补偿。因而选择变量时可以不考虑KoKo。但是。但是KcKc存在一定的范围，存在一定的范围，当当KoKo过大超过过大超过KcKc的补偿范围，的补偿范围，KoKo对余差的影响显示出来。对余差的影响显示出来。 =

19、r ( ) - y ( ) r (t) = u (t)蓝线：超调量过大，过渡时间长蓝线：超调量过大，过渡时间长棕线：合适的响应曲线棕线：合适的响应曲线系统给定系统给定绿线：有静差绿线：有静差ts最最大大超超调调量量p p静态误差静态误差KcKc1Kc2Kc3Kc1Kc2Kc300000(1)( )lim ( )lim(1)(1)(1)1ftsfcffcT sKCee tss T sT sK K T sKK K 因此，选择控制参数时，对控制通道的放大系数适当考虑，希望因此，选择控制参数时，对控制通道的放大系数适当考虑，希望Ko要大一些，要大一些，以加强控制作用，但也要以满足工艺生的合理性为前提。

20、以加强控制作用，但也要以满足工艺生的合理性为前提。 控制通道时间常数的大小反映了控制作用的强弱，或者说反映了克服干扰影响的快慢。 时间常数太大，将使控制作用太弱，反映迟钝，过渡过程时间加长，控制质量下降。 时间常数过小，控制作用强，克服干扰影响快，过渡过程时间缩短。但过小时，容易引起过渡过程的多次振荡，使被控量难于稳定下来，系统的稳定性受到影响。不论纯滞后或是容量滞后对控制质量都有不好的影响。不论纯滞后或是容量滞后对控制质量都有不好的影响。 当纯滞后当纯滞后 存在时，控制器感受偏差信号发出控制信号时，被控参数在存在时，控制器感受偏差信号发出控制信号时，被控参数在 时间内没有反应，即在此时间段内

21、，被控参数只受干扰作用的影响。时间内没有反应，即在此时间段内，被控参数只受干扰作用的影响。 容量滞后对控制质量的影响要比纯滞后的影响缓和一下，在滞后的时间容量滞后对控制质量的影响要比纯滞后的影响缓和一下，在滞后的时间段内，被控量有一定的变化，但会拖延控制作用，是控制作用不及时，控制段内，被控量有一定的变化，但会拖延控制作用，是控制作用不及时，控制质量下降。质量下降。 003.3.3 控制参数的选择控制参数的选择(1) (1) 控制通道控制通道 控制参数一般应比其他干扰对被控变量的影响更加灵敏。为此，控制参数一般应比其他干扰对被控变量的影响更加灵敏。为此，应通过合理选择操纵变量，使应通过合理选择

22、操纵变量，使控制通道的放大系数适当大控制通道的放大系数适当大、时间常时间常数适当小数适当小( (但不宜过小，否则易引起振荡但不宜过小，否则易引起振荡) )、纯滞后时间尽量小纯滞后时间尽量小。为。为使其他干扰对被控变量的影响减小，应使干扰通道的放大系数尽可使其他干扰对被控变量的影响减小，应使干扰通道的放大系数尽可能小、时间常数尽可能大。能小、时间常数尽可能大。(2) (2) 扰动通道扰动通道 扰动通道的放大系数要近可能的小；时间常数要大，扰动引入扰动通道的放大系数要近可能的小；时间常数要大，扰动引入系统的位置要远离控制过程（靠近调节阀）；容量时延愈大，则有系统的位置要远离控制过程（靠近调节阀）；

23、容量时延愈大，则有利于控制。利于控制。 (3)(3) 控制参数应是可控的，即工艺上允许调节的变量。控制参数应是可控的，即工艺上允许调节的变量。 (4)(4) 助于工艺操作的合理性、经济性。助于工艺操作的合理性、经济性。 控制参数的选择原则控制参数的选择原则第四节第四节 测量变送问题测量变送问题 测量、变送装置测量、变送装置是控制系统中获取信息的装置，也是系统进行控制的依是控制系统中获取信息的装置，也是系统进行控制的依据。所以，要求它能正确地、及时地反映被控变量的状况。假如测量不准确，据。所以，要求它能正确地、及时地反映被控变量的状况。假如测量不准确，使操作人员把不正常工况误认为是正常的，或把正

24、常工况认为不正常，形成使操作人员把不正常工况误认为是正常的，或把正常工况认为不正常，形成混乱，甚至会处理错误造成事故。测量不准确或不及时，会产生失调或误调，混乱，甚至会处理错误造成事故。测量不准确或不及时，会产生失调或误调，影响之大不容忽视。影响之大不容忽视。3.4.1.测量元件的时间常数测量元件的时间常数 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。常数，因而造成测量滞后。 测量元件时间常数对测量的影响，如图所示。测量元件时间常数对测量的影响，如图所示。 测量元件的时间常数越大，以

25、上现象愈加显著。假如将一个时间常数大的测测量元件的时间常数越大，以上现象愈加显著。假如将一个时间常数大的测量元件用于控制系统，那么，当被控变量变化的时候，由于测量值不等于被控变量元件用于控制系统，那么，当被控变量变化的时候，由于测量值不等于被控变量的真实值，所以控制器接收到的是一个失真信号，它不能发挥正确的校正作用，量的真实值，所以控制器接收到的是一个失真信号，它不能发挥正确的校正作用，控制质量无法达到要求。控制质量无法达到要求。 因此，控制系统中的因此，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量元件，例如用快速热电偶代

26、替工业用普通热电偶。必要时也可以在测量元件之，例如用快速热电偶代替工业用普通热电偶。必要时也可以在测量元件之后引入微分作用。利用它的超前作用来补偿测量元件引起的动态误差。后引入微分作用。利用它的超前作用来补偿测量元件引起的动态误差。 当测量元件的时间常数当测量元件的时间常数T Tm m小于对象时间常数的小于对象时间常数的1 11010时，对系时，对系统的控制质量影响不大。这时就没有必要盲目追求小时间常数的测统的控制质量影响不大。这时就没有必要盲目追求小时间常数的测量元件。量元件。 有时，测量元件安装是否正确，维护是否得当，也会影响测量有时，测量元件安装是否正确，维护是否得当，也会影响测量与控制

27、。特别是流量测量元件和温度测量元件，例如工业用的孔板、与控制。特别是流量测量元件和温度测量元件，例如工业用的孔板、热电偶和热电阻元件等。热电偶和热电阻元件等。 3.4.23.4.2、测量元件的纯滞后、测量元件的纯滞后 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。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的，例如图的测量的纯滞后有时是由于测量元件安装位置引起的，例如图的pHpH值控制系统。值控制系统。测量元件的安装位置 目前，以物性作为被控变量时往往都有类似问题，这时引入微分作用是徒劳目前，

28、以物性作为被控变量时往往都有类似问题，这时引入微分作用是徒劳的、加得不好，反而会导致系统不稳定。所以在测量元件的安装上，一定要注意的、加得不好，反而会导致系统不稳定。所以在测量元件的安装上，一定要注意尽量减小纯滞后。对于大纯滞后的系统，简单控制系统往往是无法满足控制要求尽量减小纯滞后。对于大纯滞后的系统，简单控制系统往往是无法满足控制要求的，须采用复杂控制系统。的，须采用复杂控制系统。3.4.3 3.4.3 信号的传送滞后信号的传送滞后 信号传送滞后通常包括信号传送滞后通常包括测量信号传送滞后测量信号传送滞后和和控制信号传送滞后控制信号传送滞后两部分。两部分。 测量信号传送滞后测量信号传送滞后

29、是指由现场测量变送装置的信号传送到控制器所引起的滞是指由现场测量变送装置的信号传送到控制器所引起的滞后。后。 对于电信号来说，可以忽略不计，但对于气信号来说，由于气动信号管线具对于电信号来说，可以忽略不计，但对于气信号来说，由于气动信号管线具有一定的容量，所以，会存在一定的传送滞后。有一定的容量，所以，会存在一定的传送滞后。 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到现场执行器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。所引起的滞后。 对于气动薄膜控制阀来说、出于膜头空间具有较大的容量，所以控制器的输对于气动薄膜控制阀来说、出于膜头空间具有较大

30、的容量，所以控制器的输出变化到引起控制阀开度变化，往往具有较大的容量滞后，这样就会使得控制不出变化到引起控制阀开度变化，往往具有较大的容量滞后，这样就会使得控制不及时，控制效果变差。及时，控制效果变差。 信号的传送滞后对控制系统的影响基本上与对象控制通道的滞信号的传送滞后对控制系统的影响基本上与对象控制通道的滞后相同，应尽量减小。气压信号管路一般不超过后相同，应尽量减小。气压信号管路一般不超过300m300m，直径不小于，直径不小于6mm6mm，或者用阀门定位器、，或者用阀门定位器、气动继动器气动继动器增大输出功率，以减小传送增大输出功率，以减小传送滞后。在可能的情况下，现场与控制室之间的信号

31、尽量采用电信号滞后。在可能的情况下，现场与控制室之间的信号尽量采用电信号传递。传递。克服信号传送滞后的办法：克服信号传送滞后的办法：n 尽可能采用电信号进行传输；尽可能采用电信号进行传输；n 减小气动信号传送距离，传输距离较长时，加装气动继动器，减小气动信号传送距离，传输距离较长时，加装气动继动器，以加大传输功率；以加大传输功率；n 控制阀膜头较大时，安装阀门定位器。控制阀膜头较大时，安装阀门定位器。第五节 执行器的选择执行器的选择内容： 口径大小 开闭形式 流量特性 结构型式3.5.1 控制阀口径大小的选择 控制阀口径大小直接决定着控制介质流过的能力。控制阀口径大小直接决定着控制介质流过的能

32、力。 原则：原则：控制阀口径不宜选的太大，也不宜选的太小，留有余地。 口径过小：受到大干扰时易失控。若通过旁路阀辅助调节，会使特性畸变； 口径过大：常处于小开度状态，浪费、易造成流体对阀芯和阀座的频繁冲蚀， 阀失灵。控制阀口径大小通过计算控制阀流通能力的大小来决定， 控制阀流通能力必须满足生产控制的要求并留有一定的余地。以通过阀的最大流量时阀的开度90%来验证。3.5.2 控制阀开、闭形式的选择控制阀开、闭形式的选择气开阀：气开阀：控制阀接受的是气压信号，当膜头压力增大，控控制阀接受的是气压信号，当膜头压力增大，控制阀的开度也增大。制阀的开度也增大。“有气则开，无气则关。有气则开，无气则关。”

33、气闭阀：气闭阀：当膜头压力增大，而控制阀的开度反而减小。当膜头压力增大，而控制阀的开度反而减小。 “有气则关，无气则开。有气则关，无气则开。”气开阀：气开阀：能源中断时，阀全闭。能源中断时，阀全闭。FC(False Close)气闭阀：气闭阀：能源中断时，阀全开。能源中断时，阀全开。FO(False Open)abcd执行机构 正正反反调节阀正反正反执行器气关气开气开气关1、首先要从安全生产出发。、首先要从安全生产出发。 例如：锅炉供水控制阀，为了保证出现故障时（阀芯出现无能源状态）例如：锅炉供水控制阀，为了保证出现故障时（阀芯出现无能源状态）不把锅炉烧坏，选择气闭阀（无气全开）。不把锅炉烧坏

34、，选择气闭阀（无气全开）。2、其次保证产品质量出发、其次保证产品质量出发 例如：精馏塔回流量控制系统选用气闭阀。一旦发生故障时例如：精馏塔回流量控制系统选用气闭阀。一旦发生故障时（无气），（无气），阀门全开，使生产处于全回流状态，这防止了不合格产品被征服，从而保阀门全开，使生产处于全回流状态，这防止了不合格产品被征服，从而保证了塔顶产品的质量。证了塔顶产品的质量。3、还要考虑减少经济损失。、还要考虑减少经济损失。 例如：控制精馏塔进料的控制阀采用气开式，一旦出现故障例如：控制精馏塔进料的控制阀采用气开式，一旦出现故障（无气），（无气），阀门处于全闭状态，不再给塔供料，从而减少浪费。阀门处于全闭

35、状态，不再给塔供料，从而减少浪费。4、考虑介质的特性。考虑介质的特性。 例如：精馏塔釜加热蒸汽控制阀选用气开式，以保证不浪费蒸汽。如果例如：精馏塔釜加热蒸汽控制阀选用气开式，以保证不浪费蒸汽。如果塔釜是易结晶、易聚合、易凝结的液体时，则考虑气闭阀，以防止在事故塔釜是易结晶、易聚合、易凝结的液体时，则考虑气闭阀，以防止在事故状态下由于停止了蒸汽的供给而导致塔釜内液体的结晶或凝聚。状态下由于停止了蒸汽的供给而导致塔釜内液体的结晶或凝聚。控制阀开、闭形式的选择原则：3.5.3 控制阀流量特性的选择控制阀特性分为: 1.线性特性 2.对数特性（等百分比） 3.快开特性 4.抛物线 01001003.3

36、3412FFmax100%LLmax100%3.5.4 控制阀结构形式的选择 阀结构形式阀结构形式 特点及使用场合特点及使用场合 直通单座阀前后压降低，适用于要求泄露量小的场合 直通双座阀前后压降大，适用于要求泄露量较大的场合 角阀适用于高压，高粘度的，含悬浮物或颗粒状物质的场合 高压阀适用于高压控制的特殊场合 蝶阀适用于有悬浮物的液体、大流量气体、压差低、允许泄露量大的场合 隔膜阀适用于有腐蚀介质的场合 三通阀适用于分流或合流的控制场合第六节第六节 控制器参数对控制质量的影响控制器参数对控制质量的影响及控制规律的选择及控制规律的选择 当构成一个控制系统的被控对象、测量变送环节和控制阀都确定之

37、后，控制器参数是决定控制系统控制质量的唯一因素。 工业控制器通常是PID三作用控制器，其理想的传递函数为：PID三作用控制器的数学表达式为：)11()(STSTKSGIDPC)(1)()()(dtteTdttdeTteKtyIDP 目前工业上常用的控制器主要有三种控制规律；比例控制规律、比例积分控制规律和比例积分微分控制规律，分别简写为P、PI和PID。 选择哪种控制规律主要是根据广义对象的特性和工艺的要求来决定的。下面分别说明各种控制规律的特点及应用场合。3.6.1 控制规律的选择 1位式控制位式控制 控制规律：当测量值大于设定值时，调节器的输出为最大（或最小）；控制规律：当测量值大于设定值

38、时，调节器的输出为最大（或最小）；当测量值当测量值小于设定值时，调节器的输出为最小（或最大）。小于设定值时，调节器的输出为最小（或最大）。偏差偏差e与输出与输出p间的关系：间的关系：maxmin,0(e0),0(e0)peppe或或 双位控制只有两个输出状态，相应的执行机构也有两个极限位置，双位控制只有两个输出状态，相应的执行机构也有两个极限位置，“开开”或或“关关”。从一个为位置到另一个位置动作极其迅速，没有中间过程，称为。从一个为位置到另一个位置动作极其迅速，没有中间过程，称为继电器特继电器特性性。（1）双位控制双位控制图 理想的双位控制特性图 双位控制示例 例1：右图为电极式液位计控制电

39、磁阀的开启与关闭，使储槽液位维持在设定值上下很小的一个范围内波动。 液体导电，外壳接地。 过程如下：过程如下： 液位设定值H0时，流体与电极接触，继电器闭合，电磁阀全关，液位不再升。 缺点：缺点： 电磁阀只有全开、全关两个极限位置，动作频繁，易损坏。（2）具有中间区的）具有中间区的双位控制双位控制 实际生产中，被控变量与给定值之间总是允许存在一定的偏差，实际生产中，被控变量与给定值之间总是允许存在一定的偏差，应用双位调节器时存在一个中间区。应用双位调节器时存在一个中间区。 控制规律如下：控制规律如下： 当被控变量上升时，必须在测量值高于设定值某一数值后，阀门当被控变量上升时，必须在测量值高于设

40、定值某一数值后，阀门才才“开开”或或“闭闭”；当被控变量下降时，必须在测量值低于设定值当被控变量下降时，必须在测量值低于设定值某一数值后，阀门才某一数值后，阀门才“开开”或或“闭闭”。中间区域阀门不动作。中间区域阀门不动作。 2比例控制器比例控制器 比例控制器是具有比例控制规律的控制器，它的输出比例控制器是具有比例控制规律的控制器，它的输出y(t)与输入与输入偏差偏差e(实际上是指它们的变化量实际上是指它们的变化量)之间的关系为：之间的关系为： 比例控制器的可调整参数是比例放大系数比例控制器的可调整参数是比例放大系数Kp或比例度或比例度，对于单，对于单元组合仪表来说。它们的关系为：元组合仪表来

41、说。它们的关系为：( )( )Py tK e t 比例控制器的特点是：控制器的输出与偏差成比例，即控制阀比例控制器的特点是：控制器的输出与偏差成比例，即控制阀门位置与偏差之间具有一一对应关系。当负荷变化时，比例控制器门位置与偏差之间具有一一对应关系。当负荷变化时，比例控制器克服干扰能力强、控制及时、过渡时间短。在常用控制规律中，比克服干扰能力强、控制及时、过渡时间短。在常用控制规律中，比例作用是最基本的控制规律，不加比例作用的控制规律是很少采用例作用是最基本的控制规律，不加比例作用的控制规律是很少采用的。的。 但是，纯比例控制系统在过渡过程终了时存在余差。负荷变化但是，纯比例控制系统在过渡过程

42、终了时存在余差。负荷变化越大，余差就越大。越大，余差就越大。 比例控制器适用于比例控制器适用于控制通道滞后较小、负荷变化不大、工艺上控制通道滞后较小、负荷变化不大、工艺上没有提出无残差没有提出无残差要求的系统，例如中间贮槽的液位、精馏塔塔釜液要求的系统，例如中间贮槽的液位、精馏塔塔釜液位以及不太重要的蒸汽压力控制系统等。位以及不太重要的蒸汽压力控制系统等。 1000PIDKKK 3 3比例积分控制器比例积分控制器 比例积分控制器是具有比例积分控制规律的控制器。它的输出y与输入偏差e的关系为： 比例积分控制器的可调整参数是比例放大系数Kp(或比例度)和积分时间TI。1040PIDKKKdtteK

43、eKdtteTteKtyIpIp)()(1)()( 比例积分控制器的持点是：由于在比例作用的基础上加上积分作用，而积分作用的输出是与偏差的积分成比例、只要偏差存在、控制器的输出就会不断变化，直至消除偏差为止。所以采用比例积分控制器，在过渡过程结束时是无余差的、这是它的显著优点。 但是，加上积分作用，会使稳定性降低，虽然在加积分作用的同时，可以通过加大比例度，使稳定性基本保持不变，但超调量和振荡周期都相应增大，过渡过程的时间也加长。dtteKeKdtteTteKtyIpIp)()(1)()(1040PIDKKK 比例积分控制器是使用最普遍的控制器。它适用于控制通道滞控制通道滞后较小、负荷变化不大

44、、工艺参数不允许有余差后较小、负荷变化不大、工艺参数不允许有余差的系统。例如流量、压力和要求严格的液位控制系统，常采用比例积分控制器。 4 4比例积分微分控制器比例积分微分控制器 比例积分微分控制器是具有比例积分微分控制规律的控制器，常称为三作用（PID）控制器。理想的三作用控制器，其输出y与输入偏差e之间具有下列关系： 比例积分微分控制器的可调整参数有三个，即比例放大系数Kp(比例度)、积分时间TI和微分时间TD。 dtteKdttdeKteKdtteTdttdeTteKtyIDpIDp)()()()(1)()()(1042PIDKKK 比例积分微分控制器的特点是：微分作用使控制器的输出比例

45、积分微分控制器的特点是：微分作用使控制器的输出与输入偏差的变化速度成比例，它对克服对象的滞后有显著的与输入偏差的变化速度成比例，它对克服对象的滞后有显著的效果。在比例的基础上加上微分作用能提高稳定性，再加上积效果。在比例的基础上加上微分作用能提高稳定性，再加上积分作用可以消除余差。所以，适当调整分作用可以消除余差。所以，适当调整、T TI I、T TD D三个参数、三个参数、可以使控制系统获得较高的控制质量。可以使控制系统获得较高的控制质量。dtteKdttdeKteKdtteTdttdeTteKtyIDpIDp)()()()(1)()()( 比例积分微分控制器适用于比例积分微分控制器适用于容

46、量滞后较大、负荷变化大、容量滞后较大、负荷变化大、控制质量要求较高控制质量要求较高的系统，应用最普遍的是温度控制系统与的系统，应用最普遍的是温度控制系统与成分控制系统。对于滞后很小或噪声严重的系统，应避免引成分控制系统。对于滞后很小或噪声严重的系统，应避免引入微分作用，否则会由于被控变量的快速变化引起控制作用入微分作用，否则会由于被控变量的快速变化引起控制作用的大幅度变化，严重时会导致控制系统不稳定。的大幅度变化，严重时会导致控制系统不稳定。 值得提出的是，目前生产的模拟式控制器一般都同时具值得提出的是，目前生产的模拟式控制器一般都同时具有比例、积分、微分三种作用。只要将其中的微分时间有比例、

47、积分、微分三种作用。只要将其中的微分时间T TD D置置于于0 0，就成了比例积分控制器，如果同时将积分时间，就成了比例积分控制器，如果同时将积分时间T TI I置于无置于无穷大，便成了比例控制器。穷大，便成了比例控制器。总 结 PID控制器的参数整定是控制系统设计的核心内容。它是根据被控过程的特性确定PID控制器的比例系数、积分时间和微分时间的大小。 任何闭环控制系统的首要任务是要稳（稳定）、快（快速）、准（准确）的响应命令。PID调整的主要工作就是如何实现这一任务。 比例：比例：增大比例系数P将加快系统的响应，它的作用于输出值较快，但不能很好稳定在一个理想的数值，不良的结果是虽较能有效的克

48、服扰动的影响，但有余差出现，过大的比例系数会使系统有比较大的超调，并产生振荡，使稳定性变坏。 积分：积分：积分能在比例的基础上消除余差，它能对稳定后有累积误差的系统进行误差修整，减小稳态误差。 微分：微分：微分具有超前作用，对于具有容量滞后的控制通道，引入微分参与控制，在微分项设置得当的情况下，对于提高系统的动态性能指标，有着显著效果，它可以使系统超调量减小，稳定性增加，动态误差减小。 综上所述， P-比例控制系统的响应快速性，快速作用于输出，好比“现在”（现在就起作用，快）； I-积分控制系统的准确性，消除过去的累积误差，好比“过去”（清除过去积怨，回到准确轨道）； D-微分控制系统的稳定性

49、，具有超前控制作用，好比未来（放眼未来，未雨绸缪，稳定才能发展）。 3.6.2 3.6.2 控制器参数的工程整定控制器参数的工程整定 一个自动控制系统的过渡过程或者控制质量，与被控对象、干一个自动控制系统的过渡过程或者控制质量，与被控对象、干扰形式与大小、控制方案的确定及控制器参数整定有着密切的关系。扰形式与大小、控制方案的确定及控制器参数整定有着密切的关系。 在控制方案、广义对象的特性、控制规律都已确定的情况下，在控制方案、广义对象的特性、控制规律都已确定的情况下，控制质量主要就取决于控制质量主要就取决于控制器参数控制器参数的整定。的整定。 所谓控制器参数的整定，就是按照已定的控制方案，求取

50、使控所谓控制器参数的整定，就是按照已定的控制方案，求取使控制质量最好的控制器参数值。具体来说，就是制质量最好的控制器参数值。具体来说，就是确定最合适的控制器确定最合适的控制器比例度比例度、积分时间、积分时间TITI和微分时间和微分时间TDTD。 控制器参数整定的方法很多，主要有两大类，一类是控制器参数整定的方法很多，主要有两大类，一类是理论计算理论计算的方法，另一类是的方法，另一类是工程整定工程整定法。法。 理论计算的方法是根据已知的广义对象特性及控制质量的要求，理论计算的方法是根据已知的广义对象特性及控制质量的要求，通过理论计算出控制器的最佳参数。通过理论计算出控制器的最佳参数。 工程整定法

51、是在已经投运的实际控制系统中，通过试验或探索，工程整定法是在已经投运的实际控制系统中，通过试验或探索，来确定控制器的最佳参数。来确定控制器的最佳参数。 1 1 临界比例度法临界比例度法 这是目前使用较多的这是目前使用较多的种方法。它是通过大量试验得到临界比例度种方法。它是通过大量试验得到临界比例度k k和临界周和临界周期期T Tk k，然后根据经验总结出来的关系求出控制器各参数值。，然后根据经验总结出来的关系求出控制器各参数值。 临界比例度法比较简单方便，容易掌握和判断，适用于一般的控临界比例度法比较简单方便，容易掌握和判断，适用于一般的控制系统。制系统。 但是对于临界比例度很小的系统不适用。

52、因为临界比例度很小，但是对于临界比例度很小的系统不适用。因为临界比例度很小，则控制器输出的变化一定很大，被调参数容易超出允许范围，影响生则控制器输出的变化一定很大，被调参数容易超出允许范围，影响生产的正常进行。产的正常进行。 临界比例度法是要使系统达到等幅振荡后，才能找出临界比例度法是要使系统达到等幅振荡后，才能找出k k与与T Tk k，对，对于工艺上不允许产生等幅振荡的系统本方法亦不适用。于工艺上不允许产生等幅振荡的系统本方法亦不适用。2 2 衰减曲线法衰减曲线法 衰减曲线法是通过使系统产生衰减振荡来整定控制器的参数值的，衰减曲线法是通过使系统产生衰减振荡来整定控制器的参数值的，具体作法如下：具体作法如下： 采用衰减曲线法必须注意以下几点。采用衰减曲线法必须注意以下几点。 (1) (1)