第二章 过程装备控制基础

1、第第2 2章章 过程装备控制基础过程装备控制基础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（简单）控制系统单回路（简单）控制系统 2.3 2.3 复杂控制系统复杂控制系统 2.1 被控对象的特性被控对象的特性为什么要研究被控对象的特性？为什么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。这些对象的特性各不相在生产过程中，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；有的却很难操同。有的较易操作，工艺变量能够控制得比较平稳；有的却很难操作，工艺变量容

2、易产生大幅度波动，只要稍不谨慎就会超出工艺允作，工艺变量容易产生大幅度波动，只要稍不谨慎就会超出工艺允许的范围，轻则影响生产，重则造成事故。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。象特性，才能使工艺生产在最佳状态下运行。因此，在控制系统设因此，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

3、求的控制系统。择合理的控制器参数，设计合乎工艺要求的控制系统。2.1 被控对象的特性被控对象的特性y被控变量被控变量m操纵变量操纵变量f干扰量干扰量通道通道被控对象的输入变量至输出变量之间的被控对象的输入变量至输出变量之间的信信号联系号联系干扰通道：干扰通道：f y 破坏作用破坏作用控制通道：控制通道：m y 调节作用调节作用myf被控对象被控对象图图1 对象的输入、输出量对象的输入、输出量通道的含义通道的含义被控对象的特性：被控对象的特性：是指被控对象是指被控对象输入变量输入变量与与输出变输出变量量之间的关系。即被控对象的输入量发生变化时，对之间的关系。即被控对象的输入量发生变化时，对象的输

4、出量随时间的变化规律。象的输出量随时间的变化规律。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（能量）对象的物料（能量）单位时间单位时间内内流出流出对象的物料（能量）对象的物料（能量）=对象中储存量的变化对象中储存量的变化率率（1）一阶对象）一阶对象:有自衡特性有自衡特性对象在受到干扰后，自身能重新对象在受到干扰后，自身能重新恢复平衡的特性。恢复平衡的特性。无自衡特性无自衡特性：对象在受到干扰时，：对象在受到干扰时，不能不能重新恢复平衡的特性。重新恢复平衡的特性。(2) 双容液位对象双容液位对象H1Q1R1Q12H2R2Q2图图2-5 串联水槽对象串联水槽对象经过推导：经过推导：

5、P15222121222122221 21221221 212211222()()()d HdHAR ARARARHRQdtdtd HdHTTTTHKQdtdtd ydyTTTTyKxdtdtTARTARKR或第一只贮槽的时间常数第二只贮槽的时间常数整个对象的放大系数二阶常微分方程式双容液位对象双容液位对象H1Q1R1Q12H2R2Q2图图2-5 串联水槽对象串联水槽对象2.1.2 被控对象的特性参数被控对象的特性参数特性参数特性参数 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 1 放大系数放大系数K（静态增益）（静态增益） 概念：概念：数值上等于对象处于稳定状态时数值上等于

6、对象处于稳定状态时输出的变化输出的变化量量与与输入的变化量之比。即：输入的变化量之比。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 输入之间的输入之间的关系，所以放大系数关系，所以放大系数K是描述对象是描述对象静态特性的参数静态特性的参数。 有量纲有量纲思考题思考题P57：1 什么是被控对什么是被控对象的特征？表征被控对象特性象的特征？表征被控对象特性的参数有哪些？它们的物理意的参数有哪些？它们的物理意义是什么？义是什么？ 被控对象的特性：被控对象的特性：是指被控对象是指被控对象输入变量输入变量与与输出变量输出变量

7、之之间的关系。即被控对象的输入量发生变化时，对象的输出间的关系。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。量随时间的变化规律。思考题思考题P57：2 为什么说放大系数是对象的静态特征，而时间常为什么说放大系数是对象的静态特征，而时间常数和滞后时间是动态特征？数和滞后时间是动态特征？2.1.2 被控对象的特性参数被控对象的特性参数特性参数特性参数 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 1 放大系数放大系数K（静态增益）（静态增益） 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 控制通道：控制通道：K大，控制作用强，控制灵敏；大，控

8、制作用强，控制灵敏；K小，控小，控制作用弱。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不能不能太大，否则会使系统的稳定性下降。太大，否则会使系统的稳定性下降。干扰通道：干扰通道：K大对控制不利。大对控制不利。希望干扰通道希望干扰通道K小好。小好。思考题思考题P57：4 在控制系统中，对象的放大系数、在控制系统中，对象的放大系数、时间常数、滞后时间对控制有什么影响？时间常数、滞后时间对控制有什么影响？ 概念：概念： 当对象受到阶跃输入作用后，被控变量如果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，达到新的稳态值所需的时间。或当保持初始速度变化，达到新的稳态

9、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对象受到阶跃输入作用后被控变量达到新的稳态值的63.2%所需的时间。所需的时间。2 时间常数时间常数Tth（）T1 T2 T3 T4 0.632h（）0图图2-7 不同不同 时间常数的比较时间常数的比较是反映被控对象受到输入作用后，输出变量（被控是反映被控对象受到输入作用后，输出变量（被控变量）达到新稳定值的快慢，它确定整个动态过程的长变量）达到新稳定值的快慢，它确定整个动态过程的长短，由于它是反映被控变量变化快慢的参数，所以短，由于它是反映被控变量变化快慢的参数，所以T是是反映对象反映对象动态特性的参数动态特性的参数。实验中如何

10、根据单容实验中如何根据单容对象的响应曲线，确对象的响应曲线，确定时间常数定时间常数T？ 不同通道的时间常数对控制系统的影响不同通道的时间常数对控制系统的影响控制通道：控制通道：T大，被控变量的变化比较大，被控变量的变化比较缓慢，对象比较平稳，容易进行控制，但缓慢，对象比较平稳，容易进行控制，但过渡时间长；过渡时间长；T小，被控变量的变化快，小，被控变量的变化快，不易控制。不易控制。T太大、太小都不利太大、太小都不利 干扰通道：干扰通道：T大、扰动作用比较平缓，大、扰动作用比较平缓，被控变量变化较平稳，对象容易控制。被控变量变化较平稳，对象容易控制。一一般希望干扰通道般希望干扰通道T大一些好大一

11、些好思考题思考题P57：4 在控制系统中，对象的放大系数、在控制系统中，对象的放大系数、时间常数、滞后时间对控制有什么影响？时间常数、滞后时间对控制有什么影响？ （ = 0 + C） 概念：概念：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。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2-8的溶解糟。的溶解糟。3 滞后时间滞后时间 yy（t）y （t） 0 xt图图 2-8 有、无纯滞后的一有、无纯滞后的一阶阶跃响应曲线阶阶跃响应曲线容量滞后容量滞后 C 是因为物料或能量的传

12、递需要通过一定的阻力引起的。是因为物料或能量的传递需要通过一定的阻力引起的。例如图例如图2-6的双容液位对象。的双容液位对象。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 C 不同通道的不同通道的（ = 0 + C）对控对控制系统的影响制系统的影响对于控制通道：对于控制通道：应尽量减小应尽量减小 对于干扰通道：对于干扰通道： 大对控制有利大对控制有利思考题思考题P57：4 在控制系统中，对象的放大系数、在控制系统中，对象的放大系数、时间常数、滞后时间对控制有什么影响？时间常数、滞后时间对控制有什么影响？ 2.1.3 对象特性的实验测定对象特性的实验测定 2 实验测

13、取法（黑匣子法）实验测取法（黑匣子法）是在所要研究的对象上，人为施加一定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，即得到一系列实验数据或实验曲线。然后对这些实验间变化规律，即得到一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。对象的数学模型。1.机理建模的优点：机理建模的优点：理论逻辑性强理论逻辑性强缺点：缺点：对于复杂的对象，机理分析法很困难；另外，由

14、于对于复杂的对象，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。作了假设，有时理论与实际不相符。2 实验测取法（黑匣子法）实验测取法（黑匣子法）（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 的输入端的输入端施加一个幅值已知的阶跃扰动，然后测量和记录施加一个幅值已知的阶跃扰动，然后测量和记录输出变量输出变量 的数值，就可以画出输出变量随时间变的数值，就可以画出输出变量随时间变化的曲线。经过一定的处理，就可以化的曲线。经过一定的处理，就可以得到描述对得到描述对象特性的几个参数（放大倍数象特性的几个参数（放大倍数K、时间常数、时间常

15、数T、滞、滞后时间后时间 ） 。hQ1Q2Q1tt0Att0h补充图补充图 水槽的阶跃反应曲线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（2）矩形脉冲反应曲线法）矩形脉冲反应曲线法 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突然突然加一个幅值为加一个幅值为A的阶跃扰动，到时间的阶跃扰动，到时间t1时突然时突然除去，这时测得输出变量随时间变化的曲线除去，这时测得输出变量随时间变化的曲线为矩形脉冲法曲线。为矩形脉冲法曲线。补充图补充图 矩形脉冲特性曲线矩形脉冲特性曲线优点：优点：由于加在对象上由于加在对象上的干扰经过一段时间后的干扰经过一段时间后除去，

16、所以干扰的幅值除去，所以干扰的幅值可以取得较大，可以取得较大，故精度故精度较高。最常用。较高。最常用。xtt0Att0yt12.2 2.2 单回路（简单）控制系统单回路（简单）控制系统教学目的与要求：教学目的与要求： 1 1 掌握简单控制系统的组成掌握简单控制系统的组成及其方块图和带控制点工艺流程图；及其方块图和带控制点工艺流程图； 2 掌握设计简单控制系统时，被控变量、操纵变量选择的原则；掌握设计简单控制系统时，被控变量、操纵变量选择的原则； 3 掌握简单控制系统中各个环节正、反作用确定的方法；掌握简单控制系统中各个环节正、反作用确定的方法； 4 掌握设计简单控制系统时，控制阀的气开气关形式

17、的选择；掌握设计简单控制系统时，控制阀的气开气关形式的选择； 5 掌握各种控制规律的特点，可调参数对控制系统过渡过程的影掌握各种控制规律的特点，可调参数对控制系统过渡过程的影响规律以及应用场合；响规律以及应用场合； 6 掌握控制器参数工程整定的方法原理；掌握控制器参数工程整定的方法原理； 7 会对过渡曲线进行分析，懂得需要对哪个控制参数进行调节，会对过渡曲线进行分析，懂得需要对哪个控制参数进行调节，从而使过渡曲线满足要求；从而使过渡曲线满足要求；一一 单回路（简单）控制系统的组成与设计思路单回路（简单）控制系统的组成与设计思路 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

18、计1 何为单回路控制系统？何为单回路控制系统？ 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 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。 单回路控制系统方块图单回路控制系统方块图被控变量被控变量干扰作用干扰作用 y给定值给定值控制器控制器执行器执行器被控对象被控对象f测量元件与变送器测量元件与变送器yse= ym ysumym偏差偏差控制信号控制信号操纵变量操纵变量 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

19、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单回路控制系统方块图单回路控制系统方块图被控变量被控变量干扰作用干扰作用 y给定值给定值控制器控制器执行器执行器被控对象被控对象f测量元件与变送器测量元件与变送器yse= ym ysumym偏差偏差控制信号控制信号操纵变量操纵变量1 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保持恒定值的工艺参数。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的重要因素。影响生产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，过程

20、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：就就是它们对产品质量以及安全具有决定性的作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。既紧张而又频繁的。（一）被控变量（一）被控变量y如何选择如何选择？被控变量选择原则被控变量选择原则1 操纵变量：操纵变量：把用来克服干扰对被控变量的影响，把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操纵变量（实现控制

21、作用的变量称为操纵变量（一般为介质一般为介质的流量）。的流量）。 （二）操纵变量（二）操纵变量m如何选择如何选择？考虑工艺的合理性考虑工艺的合理性案例：换热器（案例：换热器（ 载热载热体流量？被加热介质？）体流量？被加热介质？）2操纵变量的选择案例：操纵变量的选择案例：考虑被控对象特性考虑被控对象特性可控可控因素因素不可控不可控因素因素Q蒸蒸比比Q回回 对提馏段温度的对提馏段温度的影响更及时、更显著影响更及时、更显著（K大，大，T小、小、 小）小）；节能角度节能角度：控制控制Q蒸蒸比控制比控制Q回回消耗的能量要小消耗的能量要小。所以选所以选Q蒸蒸为操纵变量为操纵变量（二）操纵变量（二）操纵变量

22、m如何选择如何选择？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灵敏板灵敏板P117化化工原理工原理考虑被控对象特性考虑被控对象特性干扰变量干扰变量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、 大大对控制有利）对控制有利）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由由干扰通道干扰通道施加在对象上，起着施加在对象上，起着破坏破坏作用作用，使被控变量，使被控变量偏离给定值偏离给定值；操纵变量操纵变量m由由控制通道控制通道施加在对象上，起着施加在对象上，起着校校正作用正作用，使被控变量，

23、使被控变量回复到给定值回复到给定值；操纵变量的选择原则操纵变量的选择原则 操纵变量应是操纵变量应是可控可控的，即工艺上允许调的，即工艺上允许调节的变量。节的变量。 操纵变量一般应比其他干扰对被控变量操纵变量一般应比其他干扰对被控变量的影响更加的影响更加灵敏灵敏。 在选择操纵变量时，除了从自动化角度在选择操纵变量时，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考虑外，还要考虑工艺的合理性与生产的经济性。济性。（三）检测变送环节的影响（三）检测变送环节的影响测量元件与变送器的作用：测量元件与变送器的作用：是控制系是控制系统中获取信息和传递信息的装置，也是统中获取信息和传递信息的装置，也是

24、系统进行控制的依系统进行控制的依 据。据。要求：要求：准确、及准确、及时反映被控变量的状况。时反映被控变量的状况。被控变量被控变量干扰作用干扰作用 y给定值给定值控制器控制器执行器执行器被控对象被控对象f测量元件与变送器测量元件与变送器yse= ym ysumym偏差偏差控制信号控制信号操纵变量操纵变量yym(a)tyymt(b)yym(c)t若被控变量若被控变量y作阶作阶跃变化时跃变化时,测量值测量值ym慢慢靠近慢慢靠近y,显然显然,前前一段两者差距很大一段两者差距很大若若y作递增变化作递增变化,而而ym则一直跟则一直跟不上去不上去,总存在总存在着偏差着偏差若若y作周期性变化作周期性变化,

25、ym的振荡幅值将比的振荡幅值将比y减小减小,而且落后一而且落后一个相位个相位1 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，对大，对控制不利控制不利 检测变送元件及检测位置如何选择？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在控制器中引入微分作用，进行超前补偿来克服测量滞后。滞后。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

26、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，气信号则滞后起的滞后。电信号可忽略，气信号则滞后较大。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

27、号。否则，要改为电信号。给定值给定值ys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yym控制信号控制信号u操纵变量操纵变量m测量信号测量信号传送滞后传送滞后控制信号传送滞后控制信号传送滞后3 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，号，减少传送滞后。对于

28、气动薄膜控制阀，则要加则要加电电气转换器气转换器，将电信号转换信号，将电信号转换信号，以控制气动控制阀。以控制气动控制阀。给定值给定值ys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yym控制信号控制信号u操纵变量操纵变量m测量信号测量信号传送滞后传送滞后控制信号传送滞后控制信号传送滞后（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？被控变量被控变量干扰作用干扰作用 y给定值给定值控制器控制器执行器执行器被控对象被控对象f测量元件与变送器测量元件与变送器yse= ym ysumym偏差偏差控制信号控制信号操纵变量操纵变

29、量小结：小结：测量元件要测量元件要正确选用正确选用、合理安装合理安装、及时维修及时维修，以保证测量元件有，以保证测量元件有足够的测足够的测量精度量精度、较小的时间常数较小的时间常数、尽量、尽量减小纯减小纯滞后和信号传递滞后。例如：往复压缩滞后和信号传递滞后。例如：往复压缩机气缸内的动态压力测量。机气缸内的动态压力测量。 单缸测点布置示意图及系统工作原理图单缸测点布置示意图及系统工作原理图（四）执行器的影响（四）执行器的影响P26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（即改变操纵变信号，自动地改变阀门的开度（即改变操纵变量），克

30、服扰动的影响，从而实现生产过程的自量），克服扰动的影响，从而实现生产过程的自动控制。动控制。常见的有：常见的有：气动薄膜，电动、液动执行器。气动薄膜，电动、液动执行器。被控变量被控变量干扰作用干扰作用 y给定值给定值控制器控制器执行器执行器被控对象被控对象f测量元件与变送器测量元件与变送器yse= ym ysumym偏差偏差控制信号控制信号操纵变量操纵变量（四）执行器的选择（四）执行器的选择执行器如何选择？执行器如何选择？ 按照生产过程的特点、安全运行和推动力等选按照生产过程的特点、安全运行和推动力等选择阀的类型：气动薄膜，电动、液动执行器；择阀的类型：气动薄膜，电动、液动执行器； 根据被控变

31、量的大小选择阀的流通能力；根据被控变量的大小选择阀的流通能力； 从生产安全的角度选择阀的气开或气关形式；从生产安全的角度选择阀的气开或气关形式； 从被控对象的特性、负荷的变化情况等选择阀从被控对象的特性、负荷的变化情况等选择阀的流量特性。的流量特性。被控变量被控变量干扰作用干扰作用 y给定值给定值控制器控制器执行器执行器被控对象被控对象f测量元件与变送器测量元件与变送器yse= ym ysumym偏差偏差控制信号控制信号操纵变量操纵变量控制（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，上需要保持的设定值进行比较，得出

32、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号发送制规律进行运算后，将运算结果用特定的信号发送给执行器（控制阀），实现对生产过程的自动控制。给执行器（控制阀），实现对生产过程的自动控制。控制器的选择：控制器的选择：1 控制规律的选择控制规律的选择2 正、反作用的确定正、反作用的确定被控变量被控变量干扰作用干扰作用 y给定值给定值控制器控制器执行器执行器被控对象被控对象f测量元件与变送器测量元件与变送器yse= ym ysumym偏差偏差控制信号控制信号操纵变量操纵变量3 单回路控制系统的设计思路单回路

33、控制系统的设计思路 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变送元件及检测位置的选择检测位置的选择 执行器的选择执行器的选择 控制器及控制规控制器及控制规律的选择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常见控制规律常见控制规律： 1控制规律的选择控制规律的选择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=ys-ym）之间的关系。即：）之间的关系。即： u= f(e)=f（ ys-ym ）1 比例（比例（P）proportion2 积分（积分（I） integral3 微分（微分（D）di

34、fferential4 组合（组合（PI、PD、PID）2.2.2 调节器的调节规律调节器的调节规律 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被控变量被控变量干扰作用干扰作用 y给定值给定值控制器控制器执行器执行器被控对象被控对象f测量元件与变送器测量元件与变送器yse= ym ysumym偏差偏差控制信号控制信号操纵变量操纵变量广义对象广义对象（1 1） 位式调节规律位式调节规律理想的双位控制器输出与输入偏差之理想的双位控制器输出与输入偏差

35、之间的关系为：当测量值大于给定值时，间的关系为：当测量值大于给定值时，控制器的输出为最大（或最小），当控制器的输出为最大（或最小），当测量值小于给定值时，输出值为最小测量值小于给定值时，输出值为最小（或最大）。控制器只有两个输出值，（或最大）。控制器只有两个输出值，相应的执行机构只有开和关两个极限相应的执行机构只有开和关两个极限位置。位置。maxmaxminmin,0,0,0,0ueueuuueue或为了降低控制机构的开关频率，为了降低控制机构的开关频率，延长控制系统中运动部件的使用延长控制系统中运动部件的使用寿命。给双位控制系统增加了中寿命。给双位控制系统增加了中间区，当偏差在中间区内变化时

36、，间区，当偏差在中间区内变化时，控制机构不会动作。控制机构不会动作。maxmaxmaxminmaxminmin,ueeuuueeueemin保持或不变,e umin umax u(t) e(t) emin emax 实际的双位控制特性实际的双位控制特性（2）比例调节规律（）比例调节规律（Proportion）概念：概念：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与与输入偏差信号变化量输入偏差信号变化量e之间成比例关系。之间成比例关系。 即：即：u（t） = K p e（t）反映比例控制作用的强弱的参数：反映比例控制作用的强弱的参数：比例放大系数比例放大系数K p （可调节）（可调节）

37、（ K p= u / e），有量纲，如输入输出信号），有量纲，如输入输出信号均为标准信号，则无量纲。均为标准信号，则无量纲。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之比输出变化相对值之比的百分数。工业中常用比例度来的百分数。工业中常用比例度来表示比例控制作用的强弱。表示比例控制

38、作用的强弱。含义：含义：要使输出信号作全范围的变化，输入信号必须要使输出信号作全范围的变化，输入信号必须改变全量程的百分之几，即输入与输出的比例范围。改变全量程的百分之几，即输入与输出的比例范围。例如：例如：一个控制器，量程是一个控制器，量程是100200，输出信号是，输出信号是010mA，当输入从，当输入从140变化到变化到160 ，相应的输出从，相应的输出从3mA变化到变化到8 mA，求控制器的比例度。，求控制器的比例度。%40%100010()38()100200()140160(） 都表示比都表示比例控制器控制作用的强弱。例控制器控制作用的强弱。 与与KP成反比，成反比， K p 大大

39、比例控制作用比例控制作用强强，K p小小比例控制作用比例控制作用弱弱而而小小比例控制作用比例控制作用强强，大大比例控制作用比例控制作用弱弱比例控制规律对系统过渡过程（控制质量）比例控制规律对系统过渡过程（控制质量）的影响的影响 有余差。有余差。为什么？为什么？例如：例如：杠杆浮球构成的比杠杆浮球构成的比例液位控制系统：例液位控制系统：当当qV1 =qV2 时：杠杆为水平位置时：杠杆为水平位置当当qV1 qV2时：浮球下移，杠杆作用，时：浮球下移，杠杆作用， 进水阀进水阀 开大，开大， qV2增大，增大，当当qV1 =qV2 时，新的平衡。时，新的平衡。浮球：测量元件浮球：测量元件杠杆：调节器杠

40、杆：调节器 图图2-24 不同不同下的过渡过程下的过渡过程 P29ytytyt小于临界值ty太大 偏小yt 偏大yt 适当 等于临界值 K p 大：大：比例控制作用强比例控制作用强 ；K p 小：小：比例控制作用弱；比例控制作用弱；即：即：小：比例控制作用强；小：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太大，太小对控制都太大，太小对控制都不利，不利， K p太大，稳定性太大，稳定性下降；下降；太小，过渡平稳，太小，过渡平稳，但余差但余差大大。比例控制规律优缺点比例控制规律优缺点结构简单、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

41、差。适应场合：适应场合：干扰少、扰动幅度小、负荷变化不大、滞后干扰少、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。较小，控制要求不高、允许有余差存在。例如：塔釜的液位、贮槽的液位、冷凝器的例如：塔釜的液位、贮槽的液位、冷凝器的液位等。液位等。(3)积分控制规律（积分控制规律（I）( integral )p31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的的积分成正比。即积分成正比。即 ： 阶跃响应曲线阶跃响应曲线当有偏差时，输出信号将随时当有偏差时，输出信号将随时间增大。间增大。当偏差为零时，输出停止变化当偏差为零时，输出停止变化而稳

42、定在某一值上，因而用积分而稳定在某一值上，因而用积分控制器组成控制系统可以达到控制器组成控制系统可以达到无无余差。余差。teutATI图图2-25 积分调节的开环特性积分调节的开环特性AtKdtteTdtteKtuItItI00)(1)()(KI积分速度积分速度 TI积分时间积分时间teutATI图2-25 积分调节的开环特性积分作用为什么不单独使用？积分作用为什么不单独使用？ 当当e刚进入时，刚进入时， u几乎为零，积分作用太几乎为零，积分作用太微弱，控制不及时，即有滞后。微弱，控制不及时，即有滞后。(3) 比例积分控制（比例积分控制（PI）定义：在比例控制的基础上，再加上积分定义：在比例控

43、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。控制控制作用，便构成比例积分控制规律。控制既及时，又能消除余差。既及时，又能消除余差。AtTKAKdtteTtekdtteKtektuIPPIpIp)(1)()()()(teutAKP A2KPA图图2-26 比例积分的开环特性比例积分的开环特性TI如何求取比例放大系数如何求取比例放大系数KP及积分时间常数及积分时间常数TI（实验）（实验）teutAKP A2KPA图图2-26 比例积分的开环特性比例积分的开环特性TI利用当利用当t= TI 时：时：u=2KPA具体操作：具体操作：给比例积分控制器输入一个给比例积分控制器输入一个幅值幅值

44、为为A 的阶跃变化，立即记的阶跃变化，立即记下输出的跃变值并开动秒表记下输出的跃变值并开动秒表记时，当时，当u =2KPA时，此时的时，此时的时间为时间为TI；跃变值跃变值KPA除以阶跃输入幅除以阶跃输入幅值值A就是就是KPAtTKAKtuIPP)(积分时间积分时间TI对过渡过程（控制质量）的影响对过渡过程（控制质量）的影响TI 小（小（KI大），大），积分作用强，积分作用强， 积积分速度快，余差消除快，但系统分速度快，余差消除快，但系统震荡加剧，稳定性下降。太小，震荡加剧，稳定性下降。太小，系统不稳定。系统不稳定。ytytytTI太小TI适当tyTI=TI太太图图2-27 积分时间对过渡过积

45、分时间对过渡过程的影响程的影响 p31（4）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，会使系统的稳定性会使系统的稳定性下降。下降。（5）适应场合：）适应场合：应于压力、流量、液位和那些没应于压力、流量、液位和那些没有大的时间滞后的具体对象有大的时间滞后的具体对象。(4)比例微分控制规律（比例微分控制规律（PD）（）（differential)（1）理想微分控制规律（）理想微分控制规律（D） 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的变化速度成正比。的变化速度成正比。 u=TD d

46、e/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：teutt0图2-28 理想微分控制器特性t00 比例微分控制规律（比例微分控制规律（PD）（）（differential)特点：特点：这种控制器用在系统中，这种控制器用在系统中，即使偏差很小，只要出现变化即使偏差很小，只要出现变化趋势，马上就进行控制，故有趋势，马上就进行控制，故有超前控制超前控制之称，这就它的优点，之称，这就它的优点，但它的输出不能反映偏差的大但它的输出不能反映偏差的大小，假如偏差固定，即使数值小，假如偏差固定，即使数值很

47、大，微分作用也没有输出，很大，微分作用也没有输出，因而控制结果不能消除偏差因而控制结果不能消除偏差，不能单独使用。不能单独使用。teutt0图2-28 理想微分控制器特性t00（1）理想微分控制规律（）理想微分控制规律（D）比例微分控制规律（比例微分控制规律（PD） 数学表达式：数学表达式：)(dtdeTekuDpytytytTD太大TD适当tyTD=0TD太小 图图2-31 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大，微分作用强，大，微分作用强， 控制质量提高。控制质量提高。TD过大过大 ， 过度灵敏，会出

48、现高频震荡。过度灵敏，会出现高频震荡。增加微分时间增加微分时间TD ，能克服系统的滞，能克服系统的滞后，改善系统的控制质量，提高系统后，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，否的稳定性。但微分时间不能太大，否则会使系统出现高频振荡。则会使系统出现高频振荡。微分时间对系统过渡过程微分时间对系统过渡过程(控制控制质量）的影响质量）的影响P33比例微分控制规律（比例微分控制规律（PD） ytytytTD太大TD适当tyTD=0TD太小 图图2-31 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 优缺点：优缺点：响应快、偏差小、响应快、偏差小、能增加系统的稳定性；有超能

49、增加系统的稳定性；有超前控制作用，可以克服对象前控制作用，可以克服对象的惯性；控制结果有余差的惯性；控制结果有余差。比例积分微分控制规律（比例积分微分控制规律（PID）P33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。)1(dtdeTedtTekuDIp数学表达式：数学表达式： 适应场合：适应场合：对象对象 滞后大；负荷变化较大，但变化不滞后大；负荷变化较大，但变化不频繁；对控制质量要求高。频繁；对控制质量要求高。比例（比例（P）、比例积分（）、比例积分（PI）、比例积分微分（）、比例积分微分（PID）的比较）的比较控制规律控制规律 数学表达式数学表

50、达式 可调参数可调参数 优缺点优缺点 适应场合适应场合 比比 例例 （P）比例积分比例积分（PI）比例积比例积分微分分微分 （PID）u=K p e K p ,（ ）%1001pK控制及时、过渡控制及时、过渡时间短、克服干时间短、克服干扰能力强。扰能力强。但控制结果有余但控制结果有余差差适用于控制通道滞适用于控制通道滞后较小，负荷变化后较小，负荷变化较小，工艺上没有较小，工艺上没有提出余差要求的系提出余差要求的系统统.如：液位如：液位)1(1dteTeKup K p，Ti用于控制通道滞用于控制通道滞后较小，负荷变后较小，负荷变化较小，工艺参化较小，工艺参数不允许有余差数不允许有余差的系统的系统

51、.如：压力、如：压力、流量等流量等能消除余差。能消除余差。但积分控制作用但积分控制作用比较缓慢、控制比较缓慢、控制不及时，系统稳不及时，系统稳定性下降定性下降dtdeTedtTeKuDp11K p, Ti, TD用于容量滞后较用于容量滞后较大，负荷变化大，大，负荷变化大，控制质量要求较控制质量要求较高的系统。高的系统。如温如温度、成分度、成分控制质量高，积分控制质量高，积分作用可消除余差，作用可消除余差，微分作用可提高系微分作用可提高系统的稳定性统的稳定性但参数整定较麻烦。但参数整定较麻烦。(5)调节规律的选取 2.2.3 控制器参数的整定控制器参数的整定(P35)理论计算理论计算工程整定法工

52、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试凑法经验试凑法控制器参数整定方法控制器参数整定方法任务：根据已确定的控制方案，确定控制器的最佳参数值（任务：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的控制质量。），以使控制系统获得最佳的控制质量。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Pg36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 2

53、060 310 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， 20100 可在一定范围内选取，一般不用微分可在一定范围内选取，一般不用微分对对 象象 特特 性性 /%TI/minTD/min 经验凑试法经验凑试法是根据经验先将控制参数置于一定数值上，然后通过是根据经验先将控制参数置于一定数值上，然后通过不断观察过渡过程曲线，逐渐凑试，直到获得满意的控制不断观察过渡过程

54、曲线，逐渐凑试，直到获得满意的控制器参数值为止。器参数值为止。经验凑试法整定参数的步骤有以下两种经验凑试法整定参数的步骤有以下两种先用纯比例作用进行凑试，待过渡过程已基本稳定并符合要求后，再加积分作先用纯比例作用进行凑试，待过渡过程已基本稳定并符合要求后，再加积分作用消除余差，最后加入微分作用是为了提高控制质量。用消除余差，最后加入微分作用是为了提高控制质量。ytytyt小于临界值ty太大 偏小yt 偏大yt 适当 等于临界值图2-24 比例度对过渡过程的影响关键：关键：“看曲线，调参数看曲线，调参数”ytytytTI太小TI适当tyTI=TI太太ytytytTD太大TD适当tyTD=0TD太

55、小 图2-31 微分时间对系统微分时间对系统过渡过程的影响过渡过程的影响 图图2-27积分时间积分时间I对过渡过对过渡过程的影响程的影响)1(dtdeTedtTekpDIp（2）经验凑试法还可以按以下步骤进行：先）经验凑试法还可以按以下步骤进行：先按表中给出的范围把按表中给出的范围把TI定下来，如要引入微定下来，如要引入微分作用，可取分作用，可取TD=(1/31/4)TI,然后对然后对 进行凑进行凑试，凑试步骤与前一种方法相同。试，凑试步骤与前一种方法相同。特点：特点：方法简单，应用非常广泛。特别适用方法简单，应用非常广泛。特别适用于于干扰频繁、记录曲线不规则、不断有小摆干扰频繁、记录曲线不规

56、则、不断有小摆动的控制系统。但参数整定费时，控制质量动的控制系统。但参数整定费时，控制质量因人而异。因人而异。例例2 如何根据过渡曲线，凭经验调节参数？如何根据过渡曲线，凭经验调节参数？ 比例度过小、积分时间过小、微分时间过大都比例度过小、积分时间过小、微分时间过大都会引起过渡曲线剧烈振荡，如何判断？会引起过渡曲线剧烈振荡，如何判断？ 积分时间过小，积分时间过小，振荡周期长振荡周期长比例度过小，比例度过小，振荡周期较短振荡周期较短微分时间过大，微分时间过大，振荡周期最短振荡周期最短根据过渡曲线振荡的周期不一样进行判断根据过渡曲线振荡的周期不一样进行判断yt 比例度过大、积分时间过大都会使过渡过

57、比例度过大、积分时间过大都会使过渡过程变化缓慢，如何判断？程变化缓慢，如何判断？ 比例度过大，曲线波比例度过大，曲线波动较剧烈、不规则较动较剧烈、不规则较大地偏离给定值大地偏离给定值积分时间过大，经过积分时间过大，经过非周期振荡慢慢回到非周期振荡慢慢回到给定值给定值ty（2） 临界比例度法临界比例度法T kyftt方法：在闭环的控制系统中，先将控制器变为方法：在闭环的控制系统中，先将控制器变为纯比例作用，即将纯比例作用，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

58、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 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；不适合工艺不允许产生等幅振荡的系制系统；不适合工艺不允许产生等幅振荡的系统。统。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Pg36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

59、)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，通过是在纯比例运行下，通过使系统产生使系统产生4：1或或10：1的衰减的衰减振荡，得到衰减比例度振荡，得到衰减比例度 S和衰和衰减周期减周期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然后根据经验总结出来的关系求出控制器各参数。（求出控制器各参数。（Pg37）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4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）加的干扰幅度值不能太大

60、，要根据生产操作要求来定，一般为额定值的来定，一般为额定值的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）必须在工艺参数稳定情况下才能施加干扰，否则得不到正确的得不到正确的 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）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的液位控制等，要在记录曲线上严格得到4：1衰减曲线衰减曲线比较困难。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可以近似地认为达到4：1衰减过程了。衰