第五章单回路控制系统设计

1、第五章第五章 单回路控制系统设计单回路控制系统设计第一节第一节 控制系统设计概述控制系统设计概述第二节第二节 单回路控制系统方案设计单回路控制系统方案设计 第一节第一节 过程控制系统设计概述过程控制系统设计概述单回路控制系统是指只有一个测量变送器、一个调节器、一单回路控制系统是指只有一个测量变送器、一个调节器、一个调节阀连同被控过程，对一个被控参数进行控制的反馈闭个调节阀连同被控过程，对一个被控参数进行控制的反馈闭环控制系统，如图环控制系统，如图51所示。所示。W(s)Wv(s)W0(s)Wm(s)F(s)Y(s)Z(s)X(s) W(s)调节器的传递函数调节器的传递函数 WV(s)调节阀的传

2、递函数调节阀的传递函数 Wo(s)被控过程的传递函数被控过程的传递函数 Wm(s)测量变送器的传递函数测量变送器的传递函数一、对过程控制系统设计的一般要求一、对过程控制系统设计的一般要求基本要求：过程控制系统必须是稳定的。系统还必须具有适基本要求：过程控制系统必须是稳定的。系统还必须具有适当的稳定裕量。当的稳定裕量。其次：系统应是一个衰减振荡过程（特殊生产要求例外），其次：系统应是一个衰减振荡过程（特殊生产要求例外），但过渡过程时间要短，余差（稳态误差）要小等。但过渡过程时间要短，余差（稳态误差）要小等。 二、总体设计与系统布局的关系二、总体设计与系统布局的关系从整个生产工艺过程的自动化考虑，

3、所设置的过程控制系统从整个生产工艺过程的自动化考虑，所设置的过程控制系统应该包含产品质量控制，物料或能量控制，限制条件控制等，应该包含产品质量控制，物料或能量控制，限制条件控制等，以全局的设计方法来正确处理整个系统的布局，统筹兼顾。以全局的设计方法来正确处理整个系统的布局，统筹兼顾。过程控制系统设计和应用的两个重要内容：过程控制系统设计和应用的两个重要内容： 控制方案的设计和调节器整定参数值的确定。控制方案的设计和调节器整定参数值的确定。三、过程特性，工艺要求与控制方案三、过程特性，工艺要求与控制方案 过程控制系统的品质是由组成系统的结构和各个环过程控制系统的品质是由组成系统的结构和各个环节的

4、特性所决定的。其中过程检测控制仪表的特性在其节的特性所决定的。其中过程检测控制仪表的特性在其设计制造时就已人为确定，调节器的特性可随意调整，设计制造时就已人为确定，调节器的特性可随意调整，以满足不同被控过程和控制的要求，而以满足不同被控过程和控制的要求，而比较复杂，在设计过程控制系统时必须加以深比较复杂，在设计过程控制系统时必须加以深入研究。入研究。 由于过程特性不同，过程控制系统设计在于适应这由于过程特性不同，过程控制系统设计在于适应这些不同特点，以确定控制方案与调节器的设计或选型，些不同特点，以确定控制方案与调节器的设计或选型，以及调节器整定参数的计算确定，这些都是以过程特性以及调节器整定

5、参数的计算确定，这些都是以过程特性为依据的。根据过程特性、扰动情况以及限制条件等运为依据的。根据过程特性、扰动情况以及限制条件等运用控制理论和控制技术才能设计一个工艺上合理的正确用控制理论和控制技术才能设计一个工艺上合理的正确控制方案。控制方案。四、过程控制系统设计的基本方法四、过程控制系统设计的基本方法过程控制系统是由被控过程和过程检测控制仪表组成。过程控制系统是由被控过程和过程检测控制仪表组成。1）在很多场合，先给定被控过程，然后再进行系统设）在很多场合，先给定被控过程，然后再进行系统设计。即过程模型是已知的，要求设计系统的其他部分。计。即过程模型是已知的，要求设计系统的其他部分。2）正确

6、选择过程检测控制仪表，保证过程控制系统的）正确选择过程检测控制仪表，保证过程控制系统的品质指标。品质指标。3）由用户或被控过程的设计制造单位提出系统的性能）由用户或被控过程的设计制造单位提出系统的性能指标。性能指标的提出要有根据，决不能脱离实际。指标。性能指标的提出要有根据，决不能脱离实际。4）系统控制方案的设计和调节参数的整定是过程控制）系统控制方案的设计和调节参数的整定是过程控制系统设计的两个最重要内容。通常采用反馈控制和复合系统设计的两个最重要内容。通常采用反馈控制和复合控制。控制。5）组成上述控制系统后，还需进行综合校正，即参数）组成上述控制系统后，还需进行综合校正，即参数整定。整定。

7、五、过程控制系统设计步骤五、过程控制系统设计步骤大体需要经过以下几个步骤：大体需要经过以下几个步骤： 1建立被控过程的数学模型建立被控过程的数学模型 2 选择控制方案选择控制方案 3 建立系统方框图建立系统方框图 4进行系统静态、动态特性分析计算进行系统静态、动态特性分析计算 5实验和仿真实验和仿真六、过程控制系统设计的主要内容六、过程控制系统设计的主要内容1.1.系统的方案设计：如反馈控制、复合控制等系统的方案设计：如反馈控制、复合控制等2.2.工程设计：仪表选型、控制室和仪表盘设计、仪表供电供工程设计：仪表选型、控制室和仪表盘设计、仪表供电供气系统设计、信号及联锁保护系统设计等。气系统设计

8、、信号及联锁保护系统设计等。3.3.工程安装和仪表调校：每台仪表的单校、每个控制回路进工程安装和仪表调校：每台仪表的单校、每个控制回路进行联校。行联校。4.4.调节器参数整定：调节器参数整定： 在控制方案设计正确的前提下，保证系在控制方案设计正确的前提下，保证系统运行在最佳状态。统运行在最佳状态。七、系统设计中的若干问题七、系统设计中的若干问题1、测量信号校正：保证测量精度。例：发电厂过热蒸汽流、测量信号校正：保证测量精度。例：发电厂过热蒸汽流量测量中进行信号压力和温度校正（补偿）。量测量中进行信号压力和温度校正（补偿）。2、测量信号噪声（扰动）的抑制：某些参数常具有随机波、测量信号噪声（扰动

9、）的抑制：某些参数常具有随机波动特性，若测量元件变送器的阻尼较小时，其噪声会叠加动特性，若测量元件变送器的阻尼较小时，其噪声会叠加在测量信号中。例：测量流量要加阻尼器来抑制噪声。在测量信号中。例：测量流量要加阻尼器来抑制噪声。3、对测量信号进行线性化处理：通常在仪表内考虑。、对测量信号进行线性化处理：通常在仪表内考虑。4、系统安全保护对策。、系统安全保护对策。八、微机过程控制系统设计应用中的有关问题八、微机过程控制系统设计应用中的有关问题对于微机过程控制系统的设计应用，除了注意上述问题外，还需对于微机过程控制系统的设计应用，除了注意上述问题外，还需注意输入信号的数字滤波、采样周期的选取等问题注

10、意输入信号的数字滤波、采样周期的选取等问题 第二节第二节 单回路控制系统方案设计单回路控制系统方案设计基本原则：包括合理选择被控参数和控制参数，信息的基本原则：包括合理选择被控参数和控制参数，信息的获取和变送、调节阀的选择、调节器控制规律及其正、获取和变送、调节阀的选择、调节器控制规律及其正、反作用方式的确定等。反作用方式的确定等。 一、被控参数的选择一、被控参数的选择选取被控参数的一般原则为：选取被控参数的一般原则为：选择对产品的产量和质量、安全生产、经济运行和环境保选择对产品的产量和质量、安全生产、经济运行和环境保护具有决定性作用的、可直接测量的工艺参数为被控参数。护具有决定性作用的、可直

11、接测量的工艺参数为被控参数。当不能用直接参数作为被控参数时，应该选择一个与直接当不能用直接参数作为被控参数时，应该选择一个与直接参数有单值函数关系的间接参数作为被控参数。例：精馏塔参数有单值函数关系的间接参数作为被控参数。例：精馏塔被控参数必须具有足够大的灵敏度。被控参数必须具有足够大的灵敏度。被控参数的选取，必须考虑工艺过程的合理性和所用仪表被控参数的选取，必须考虑工艺过程的合理性和所用仪表的性能。的性能。二、控制参数的选择二、控制参数的选择即正确地选择控制通道：要求控制通道克服扰动的校正能即正确地选择控制通道：要求控制通道克服扰动的校正能力要强，动态响应比扰动通道快。力要强，动态响应比扰动

12、通道快。设单回路控制系统的框图如图设单回路控制系统的框图如图5-2所示。所示。Wf(s)W(s)Wo(s)F(s)Y(s)X(s)Wf(s)W(s)Wo(s)F(s) Y(s)图中图中W(s)为调节器的传递函数；为调节器的传递函数；W0(s)为控制通道的传递为控制通道的传递函数；函数；Wf(s)为扰动通道的传递函数。并设：为扰动通道的传递函数。并设： 1)(1)()(000sTKsWsTKsWKsWfffC被控量被控量Y(s)对扰动对扰动F(s)的闭环传递函数为的闭环传递函数为) 1() 1)(1() 1()()(000sTKKsTsTKsTsFsYfCff由于系统是稳定的，在阶跃扰动作用下，

13、系统稳态由于系统是稳定的，在阶跃扰动作用下，系统稳态值可应用终值定理求得值可应用终值定理求得CffCofofstKKKsTKKsTsTssTKstYY0001)1() 1)(1() 1(lim)(lim)(可见可见: :(1)(1)扰动通道静态放大系数扰动通道静态放大系数K Kf f愈大，则系统的稳态误差也愈大；愈大，则系统的稳态误差也愈大；(2)(2) 控制通道的静态放大系数控制通道的静态放大系数Ko愈大，则控制作用愈灵敏，愈大，则控制作用愈灵敏，克服扰动的能力愈强。但克服扰动的能力愈强。但Ko与与KC的乘积应为常数，的乘积应为常数， Ko的大的大小可以通过调节小可以通过调节KC来补偿。总之

14、，应使来补偿。总之，应使Ko Kf.)()(1)()()(0sWsWsWsFsYf设设Wf(s)为一个单容过程，其传递函数为为一个单容过程，其传递函数为 1)(sTKsWfff则上式可写成则上式可写成)()(1)1(1)()(0sWsWTsTKsFsYfff过程扰动通道动态特性的影响过程扰动通道动态特性的影响 时间常数时间常数Tf 的影响。图的影响。图5-2所示的单回路控制系所示的单回路控制系统，当统，当X(s) = 0时，则系统的闭环传递函数为时，则系统的闭环传递函数为系统的特征方程为系统的特征方程为0)()(1)1(0sWsWTsf由上式可见，系统特征方程增加了一个闭环极点由上式可见，系统

15、特征方程增加了一个闭环极点,且且Tf愈大，则该极点愈靠近虚轴，使整个过渡过愈大，则该极点愈靠近虚轴，使整个过渡过程的幅值减小程的幅值减小Tf倍，超调量随之减小。倍，超调量随之减小。扰动通道扰动通道的时间常数的时间常数Tf愈大，容积愈多，则扰动对被控参愈大，容积愈多，则扰动对被控参数的影响也愈小，控制质量也愈好。数的影响也愈小，控制质量也愈好。 sffesW)(W(s)W0(s)X(s)Yp(s)Y(s)时延时延f的影响的影响: :图图54所示所示在给定信号在给定信号X(s)作用下，系统闭环传递数为作用下，系统闭环传递数为 )()(1)()()()(00sWsWsWsWsXsY闭环系统特征方程为

16、闭环系统特征方程为0)()(10sWsW当扰动通道有时延时，在扰动作用下系统的闭环传递当扰动通道有时延时，在扰动作用下系统的闭环传递函数为函数为)()(1)()()(0sWsWesWsFsYsff可见其闭环传递函数的分母（即特征方程）与式（可见其闭环传递函数的分母（即特征方程）与式（5-8） 相同。所以说扰动通道的时延不影响系统的控制质量，相同。所以说扰动通道的时延不影响系统的控制质量，仅使系统的响应曲线仅使系统的响应曲线Y（t）推迟了个时延）推迟了个时延 f。扰动作用点位置：一阶惯性环节对扰动扰动作用点位置：一阶惯性环节对扰动f f起着滤波作起着滤波作用，所以当扰动引入系统的位置离被控参数愈

17、近时，则用，所以当扰动引入系统的位置离被控参数愈近时，则对其影响愈大；相反，当扰动离被控参数愈远（即离调对其影响愈大；相反，当扰动离被控参数愈远（即离调节阀愈近）时，则对其影响愈小。节阀愈近）时，则对其影响愈小。 可控性指标。可控性指标。 衡量被控过程进行控制的难易程度的指标：最大增益衡量被控过程进行控制的难易程度的指标：最大增益Kmax和临界频率和临界频率c(即在纯比例作用时，系统处于稳定边即在纯比例作用时，系统处于稳定边界下的增益和振荡频率界下的增益和振荡频率)。由自动控制理论可知，产生临界振荡需要两个条件：由自动控制理论可知，产生临界振荡需要两个条件： 系统开环对数幅频特性的振幅比为系统

18、开环对数幅频特性的振幅比为1 系统开环对数相频特性的相角为系统开环对数相频特性的相角为180。 控制通道的影响控制通道的影响根据被控过程的可控性指标，只要确定过程的根据被控过程的可控性指标，只要确定过程的Kmax、c就可以判断它对系统的影响。教材表就可以判断它对系统的影响。教材表5 51 1结论：结论：应选择时间常数较小、反应灵敏、纯时延小的通道应选择时间常数较小、反应灵敏、纯时延小的通道为控制通道。为控制通道。控制通道的时延：纯时延控制通道的时延：纯时延0和容量时延和容量时延c。它们对控。它们对控制质量的影响不利。尤其是制质量的影响不利。尤其是0的影响最坏。的影响最坏。W(s)W0(s)Y(

19、s)X(s) ReIm在图在图5-6所示系统中，设所示系统中，设W(s) = KC ，(即被控过程时延即被控过程时延0=0时时)，则系统开环传递函数为，则系统开环传递函数为1)(000sTKsW1)()()(000sTKKsWsWsWCK 根据奈氏判据，无论系统开环放大系数根据奈氏判据，无论系统开环放大系数KCK0为多大，闭为多大，闭环系统总是稳定的，其频率特性可由图环系统总是稳定的，其频率特性可由图5-7所示。所示。若上述系统中，若上述系统中，W(s)=KC ， 则系统开环传递则系统开环传递函数为函数为sesTKsW01)(000sCKesTKKsW01)(00 过程的时间常数匹配过程的时间

20、常数匹配设广义过程的传递函数为设广义过程的传递函数为) 1)(1)(1(1)(321sTsTsTsWo时间常数时间常数T T1 1TT2 2TT3 3，并设，并设T T1 1=10,T=10,T2 2=5,T=5,T3 3=2=2。改变其中一个或两个时间常数可求得一组改变其中一个或两个时间常数可求得一组KmaxKmax、w wc c、K Kmaxmaxw wc c值，见表值，见表5 52 2。结论：结论：减小过程中最大的时间常数减小过程中最大的时间常数T T1 1，不但无益，反而，不但无益，反而使使K Kmaxmaxw wc c数值比原始数据小，引起控制质量下降。数值比原始数据小，引起控制质量

21、下降。减小减小T T2 2或或T T3 3都能提高控制性能指标，若同时减小都能提高控制性能指标，若同时减小T T2 2、T T3 3 ，则提高性能指标的效果更好，则提高性能指标的效果更好增大最大时间常数增大最大时间常数T T1 1，使，使w wc c略有下降，但略有下降，但K Kmaxmax增增大，有助于提高控制指标。大，有助于提高控制指标。在选择控制通道时，使广义过程特性中的几个时在选择控制通道时，使广义过程特性中的几个时间常数数值错开，减小中间的时间常数，可提高间常数数值错开，减小中间的时间常数，可提高系统的工作频率；减小过渡过程时间和最大偏差系统的工作频率；减小过渡过程时间和最大偏差等，

22、以提高可控性指标，改善控制质量。等，以提高可控性指标，改善控制质量。（1） 选择过程控制通道的放大系数选择过程控制通道的放大系数K0要适当大一些；时要适当大一些；时间常数间常数T0要适当小一些，纯时延要适当小一些，纯时延0愈小愈好，在有纯时延愈小愈好，在有纯时延0的情况下，的情况下，0与与T0之比应小一些（小于之比应小一些（小于1），若其比值过），若其比值过大，则不利于控制。大，则不利于控制。（2） 选择过程扰动通道的放大系数选择过程扰动通道的放大系数Kf应尽可能小；时间应尽可能小；时间常数常数Tf要大；扰动引入系统的位置要远离控制过程（即靠要大；扰动引入系统的位置要远离控制过程（即靠近调节阀

23、）；容量时延愈大，则有利于控制。近调节阀）；容量时延愈大，则有利于控制。（3） 广义过程（包括调节阀和测量变送器）由几个一阶广义过程（包括调节阀和测量变送器）由几个一阶环节组成，在选择控制参数时，应尽量设法把几个时间常环节组成，在选择控制参数时，应尽量设法把几个时间常数错开，使其中一个时间常数比其他时间常数大得多，同数错开，使其中一个时间常数比其他时间常数大得多，同时注意减小第二、第三个时间常数。时注意减小第二、第三个时间常数。（4） 注意工艺操作的合理性、经济性注意工艺操作的合理性、经济性 3根据过程特性选择控制参数的一般原则根据过程特性选择控制参数的一般原则三、系统设计中的测量变送问题三、

24、系统设计中的测量变送问题测量变送环节对被控参数作正确测量，并将它转换成标准测量变送环节对被控参数作正确测量，并将它转换成标准统一信号统一信号(0.020.1MPa或或010mADC，或，或420mADC)输出到调节器或指示记录仪。输出到调节器或指示记录仪。对于测量变送环节作线性处理后，通常可用一阶加时延特对于测量变送环节作线性处理后，通常可用一阶加时延特性来描述，即性来描述，即smmmmesTKsW1)(式中：式中：Km、Tm和和m分别为静态放大系数、时间常数和分别为静态放大系数、时间常数和时延。时延。 y zyz0t0zyy zy z0yzt(a) y阶跃变化；阶跃变化； (b) y等速变化

25、等速变化 (c) y作周期变化作周期变化减小减小Tm和和m对提高系统的控制质量有利。对提高系统的控制质量有利。从减小误差考虑，应减小测量变送环节的量程，从减小误差考虑，应减小测量变送环节的量程，即增大即增大Km，为保证系统的稳定性，为保证系统的稳定性，Km的改变可的改变可通过改变调节器的通过改变调节器的Kc来达到。来达到。仪表选择方面：快速测量仪表，注意仪表的正确仪表选择方面：快速测量仪表，注意仪表的正确安装，以克服或尽量减少系统对控制质量的影响。安装，以克服或尽量减少系统对控制质量的影响。就系统设计测量变送中的几个主要问题作点补充说明：就系统设计测量变送中的几个主要问题作点补充说明：1、信号

26、滤波、信号滤波一般问题一般问题 模拟滤波，如模拟滤波，如RC电路。电路。计算机控制计算机控制 数字滤波数字滤波低频干扰信号低频干扰信号 高通滤波器高通滤波器高频干扰信号高频干扰信号 低通滤波器低通滤波器跳变脉冲干扰信号跳变脉冲干扰信号 剔除跳变信号的措施剔除跳变信号的措施2、信号处理、信号处理测量信号的处理包括线性化和开平方等测量信号的处理包括线性化和开平方等 3、纯时延问题、纯时延问题为消除纯时延对系统性能指标的可能影响，可专门设计某为消除纯时延对系统性能指标的可能影响，可专门设计某种补偿环节，以改善其控制品质，如图种补偿环节，以改善其控制品质，如图59所示。所示。 W(s)W0(s)X(s

27、) P(s)Y(s)X(s) W(s)P(s)Wz(s)Y(s)sesW0)(0当控制通道出现纯时延时，可设计一种补偿环节当控制通道出现纯时延时，可设计一种补偿环节Wz(s)，使之具有如下特性，使之具有如下特性， )1)()()()()()()()(00000szzsesWsWsWsPesWsPsWsP4测量时延问题测量时延问题测量时延主要是由测量元件本身的特性所造成的。测量时延主要是由测量元件本身的特性所造成的。 如图如图5-10所示系统，若调节器所示系统，若调节器W(s)=KC；过程；过程 1)(000sTKsW测量变送器测量变送器 1)(sTKsWmmm则被控参数真实值则被控参数真实值Y

28、(s)对于给定值对于给定值X(s)的响应为的响应为W(s)W0(s)X(s) P(s)Y(s)Wm(s)mcmmcKKKsTsTsTKKsXsY000) 1)(1() 1()()(测量值测量值Z(s)对于给定作用对于给定作用X(s)的响应为的响应为 mcmmcKKKsTsTKKKsXsZ000) 1)(1()()(测量元件的时延将导致系统品质恶化，为克服其不良影响，在测量元件的时延将导致系统品质恶化，为克服其不良影响，在系统设计中，可选用快速测量元件，一般，选其时间常数为控系统设计中，可选用快速测量元件，一般，选其时间常数为控制通道时间常数的制通道时间常数的1/10以下为宜；也可在变送器的输出

29、端，串以下为宜；也可在变送器的输出端，串一微分环节，见图一微分环节，见图511。这时，输出与输入间的关系为。这时，输出与输入间的关系为1) 1()()(sTsTKsTsPmDm式中：式中：Km测量元件、变速器的放大系数；测量元件、变速器的放大系数； Tm、Td分别为测量元件的时间常数和微分单分别为测量元件的时间常数和微分单元的微分时间常数。元的微分时间常数。欲获得真实的测量值，可使欲获得真实的测量值，可使TD = Tm，则，则P(s)=KmT(s)从而，从而，P(t)=KmT(t)可见消除了动态误差。可见消除了动态误差。5信号传送时延问题信号传送时延问题 这主要是指气动单元组合仪表中，气压信号

30、在管路中的传送这主要是指气动单元组合仪表中，气压信号在管路中的传送时延。时延。气动传输管道的特性可表示为气动传输管道的特性可表示为seTssW011)(式中：式中：T时间常数，时间常数， 0纯时延。纯时延。 可采取以下改善措施：可采取以下改善措施：（1）若测量信号为电信号，可将转换器安装在仪表盘附近。）若测量信号为电信号，可将转换器安装在仪表盘附近。以缩短气压信号的传送距离。以缩短气压信号的传送距离。（2）若调节器输出为气压信号，可在）若调节器输出为气压信号，可在5060m 距离间，装一距离间，装一继动器，提高气压信号的传输功率，以减小传递时间。继动器，提高气压信号的传输功率，以减小传递时间。

31、（3）若调节器输出为电信号，应将转换器安装在调节阀附近，）若调节器输出为电信号，应将转换器安装在调节阀附近，或采用电气阀门定位或采用电气阀门定位器。器。四、调节阀（执行器）的选择四、调节阀（执行器）的选择选择调节阀的类型，此外还应包括下面内容：选择调节阀的类型，此外还应包括下面内容：Dg、dg内的选择内的选择:在正常工况下，要求调节阀开度在在正常工况下，要求调节阀开度在1585之间。之间。2. 气开、气关的确定：调节器输出信号为零（或气源中断）气开、气关的确定：调节器输出信号为零（或气源中断）时，生产处于安全状态。时，生产处于安全状态。3. 流量特性的选择流量特性的选择 ：可达到补偿被控过程特

32、性的非线性，：可达到补偿被控过程特性的非线性，从而达到系统总放大倍数不变的目的。从而达到系统总放大倍数不变的目的。五、调节器控制规律的选择五、调节器控制规律的选择根据被控过程特性（如自衡性、容量与时延大小、负荷变化与扰根据被控过程特性（如自衡性、容量与时延大小、负荷变化与扰动情况等）与生产工艺要求，了解调节器控制规律对控制质量的动情况等）与生产工艺要求，了解调节器控制规律对控制质量的影响，合理选择调节器的控制规律，是过程控制方案设计的重要影响，合理选择调节器的控制规律，是过程控制方案设计的重要内容之一。内容之一。 （1）广义过程的时间常数较大，纯时延较小时（即）广义过程的时间常数较大，纯时延较

33、小时（即0/T0很很小），引入微分作用其效果良好。此时各类调节器控制规律小），引入微分作用其效果良好。此时各类调节器控制规律对控制质量的影响为：比例积分微分（对控制质量的影响为：比例积分微分（PID）作用最好，比例）作用最好，比例微分（微分（PD）作用较好，比例（）作用较好，比例（P）作用次之，比例积分（）作用次之，比例积分（PI）作用较差。作用较差。（2）当过程制通道时间常数较小，而负荷变化很快，引入微）当过程制通道时间常数较小，而负荷变化很快，引入微分和积分作用均要引起系统振荡，对控制质量的影响不利。分和积分作用均要引起系统振荡，对控制质量的影响不利。（3）当过程控制通道时延很大，负荷变也

34、很大时，单回路控）当过程控制通道时延很大，负荷变也很大时，单回路控制系统已不能满足工艺要求，需采用其他控制方案。制系统已不能满足工艺要求，需采用其他控制方案。 2调节器控制规律的选择调节器控制规律的选择 （1）根据）根据 比值选择控制规律。若过程的数学模型可近似比值选择控制规律。若过程的数学模型可近似表示为：表示为： 00T)1()(0000sTeKsWs 1调节器调节器PID控制规律对控制质量的影响控制规律对控制质量的影响则可根据纯时延与时间常数的比值来选取控制规律，即则可根据纯时延与时间常数的比值来选取控制规律，即 当当 0. 2时，选用比例或比例微分控制规律；时，选用比例或比例微分控制规

35、律； 当当0.2 1.0时，单回路反馈控制系统已不能满足控制要求，时，单回路反馈控制系统已不能满足控制要求，应根据具体情况，采用其他控制方式，如串级、前馈等控制应根据具体情况，采用其他控制方式，如串级、前馈等控制方式。方式。00T00T00T（2）根据过程特性选择控制规律）根据过程特性选择控制规律 P、PI、PD、PID控制规律对控制质量的影响及其适用范围控制规律对控制质量的影响及其适用范围见见P170。六、调节器正、反作用的确定六、调节器正、反作用的确定首先根据生产工艺安首先根据生产工艺安全等原则确定调节阀的气开、气关形式；然后按被控过程特性，全等原则确定调节阀的气开、气关形式；然后按被控过

36、程特性，确定其正反作用；最后根据上述组成该系统的开环传递函数各确定其正反作用；最后根据上述组成该系统的开环传递函数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、反作用方式。正、反作用方式。1.被控过程特性的正、反作用：当被控过程的输入量增加被控过程特性的正、反作用：当被控过程的输入量增加（或减小）时，其输出（被控参数）亦增加（或减小），则（或减小）时，其输出（被控参数）亦增加（或减小），则称此称此被控过程为正作用被控过程为正作用，其静态放大系数，其静态放大系数Ko取正；取正；2.正作用调节器：当系统的测量值增加时，调节器的输出

37、亦正作用调节器：当系统的测量值增加时，调节器的输出亦增加，其静态放大系数增加，其静态放大系数KC取负；反作用调节器：当系统的测取负；反作用调节器：当系统的测量值增加时，调节器的输出减小，其静态放大系数量值增加时，调节器的输出减小，其静态放大系数KC取正；取正；3.气开式调节阀，其静态放大系数气开式调节阀，其静态放大系数Kv取正；气关式的取正；气关式的Kv取负。取负。系统整定系统整定：指选择调节器的：指选择调节器的比例度比例度、积分时间、积分时间T TI I和微分时间和微分时间T Td d的具体数值。的具体数值。系统整定的实质系统整定的实质：就是通过改变控制参数，使：就是通过改变控制参数，使调节

38、器特性和被控过程特性配合好，来改善系调节器特性和被控过程特性配合好，来改善系统的动态和静态特性，求得最佳的控制效果。统的动态和静态特性，求得最佳的控制效果。n过程控制中，通常以瞬时响应的衰减率过程控制中，通常以瞬时响应的衰减率=0.750.9=0.750.9作为系统性能主要指标，以保证系作为系统性能主要指标，以保证系统具有一定的稳定储备；统具有一定的稳定储备；n一般在满足一般在满足的条件下，还要尽量减小稳态偏差、的条件下，还要尽量减小稳态偏差、最大偏差和过度时间；最大偏差和过度时间；n对大多数过程控制系统：过渡过程曲线达到对大多数过程控制系统：过渡过程曲线达到4:14:1状态时，为最佳的过程曲

39、线状态时，为最佳的过程曲线n调节器参数整定只有在系统设计正确、仪表经过调节器参数整定只有在系统设计正确、仪表经过校调和正确安装之后才有意义。校调和正确安装之后才有意义。下面讨论系统中应用不同调节器时的根轨迹作图整定方法。下面讨论系统中应用不同调节器时的根轨迹作图整定方法。基本思想基本思想：应用根轨迹作图方法的原则来选择调节器的：应用根轨迹作图方法的原则来选择调节器的参数，参数，使系统特征方程中对瞬态响应起主导作用的根满使系统特征方程中对瞬态响应起主导作用的根满足某一指定要求足某一指定要求，从而使系统的瞬态响应达到指定的性，从而使系统的瞬态响应达到指定的性能指标。能指标。当要求系统瞬态响应当要求

40、系统瞬态响应主导振荡成分的衰减率为某一定值主导振荡成分的衰减率为某一定值时，相应的一对主导复根在根平面的某一确定折线上时，相应的一对主导复根在根平面的某一确定折线上。利用根轨迹作图方法定出利用根轨迹作图方法定出开环增益和一个或两个可变开开环增益和一个或两个可变开环零点、极点的适当位置环零点、极点的适当位置，使系统特征方程的主导复根，使系统特征方程的主导复根位于根平面确定的折线上，从而求出调节器的整定参数位于根平面确定的折线上，从而求出调节器的整定参数值和主导复根。值和主导复根。1比例调节器比例调节器比例调节器只有一个待定参数，即比例调节器只有一个待定参数，即比例度比例度，其传递函数，其传递函数

41、CKsW1)(图图5-14所示的单回路控制系统的开环传递函数所示的单回路控制系统的开环传递函数)(1)(0sWsWK可见，可见，WK(s)的零点、极点也就是的零点、极点也就是W0(s)的零极点。的零极点。改变改变仅改仅改变系统的开环增益，并不影响根轨迹的形状变系统的开环增益，并不影响根轨迹的形状。所以，满足指。所以，满足指定衰减率定衰减率的主导复根的的主导复根的位置是唯一位置是唯一的，只要找出根轨迹与的，只要找出根轨迹与指定折线的交点，然后指定折线的交点，然后用模值条件，即可求出比例调节器的用模值条件，即可求出比例调节器的整定参数值整定参数值。【例例5 51 1】在单回路控制系统中，已知过程传

42、递函数为在单回路控制系统中，已知过程传递函数为调节器传递函数为调节器传递函数为W(s)=KW(s)=KC C。试用根轨迹法求出。试用根轨迹法求出0.750.75时时调节器的比例度调节器的比例度（1/KC）。）。解：系统的开环传递函数为解：系统的开环传递函数为其中，其中，K=1.2KC。)2 . 0)(5 . 0)(1(2 . 1)(ssssWo)2 . 0)(5 . 0)(1()2 . 0)(5 . 0)(1(2 . 1)(sssKsssKsWCKn作出作出 的斜线的斜线OAOA。2812221. 01tg26. 1,894. 0K1)2 . 0)(5 . 0)(1(sssK根轨迹渐近线与实轴

43、交点为根轨迹渐近线与实轴交点为0.5670.567，分离点为，分离点为0.3330.333根轨迹与虚轴交点根轨迹与虚轴交点所以所以K KC C=K/1.2=1.05=K/1.2=1.05在在b b点根据根轨迹的模值条件：点根据根轨迹的模值条件：0.5750.5750.6750.6751.05=0.408=K1.05=0.408=K所以所以KCKCK/1.2=0.34K/1.2=0.34，故，故1/KC2.94-0.5-0.5 0 0-0.2-0.2-1-1-0.567-0.567-0.333-0.333A AB Bb2 比例微分调节器比例微分调节器掌握结论掌握结论比例微分调节器有两个待定参数，

44、即比例度比例微分调节器有两个待定参数，即比例度和微分时间和微分时间Td，其传递函数为其传递函数为)()1()()1()1 (1)(0sWTsTsWTsTsTsWddKddd系统的开环传递函数为系统的开环传递函数为可见，在可见，在WK(s)中，除了被控过程中，除了被控过程W0(s)的极点、零点外，还的极点、零点外，还增增加了一个可变零点加了一个可变零点。在求调节器的整定参数时，首先要确定此在求调节器的整定参数时，首先要确定此可变零点的位置，从而求出微分时间可变零点的位置，从而求出微分时间Td值。然后，再根据模值值。然后，再根据模值条件求出比例度条件求出比例度。但是必须注意一点：。但是必须注意一点

45、：改变改变Td值不仅改变了值不仅改变了系统开环零点的位置，而且也改变了系统的开环增益系统开环零点的位置，而且也改变了系统的开环增益。 情况情况1: 对象开环传递函数的三个开环极点均在对象开环传递函数的三个开环极点均在(-1/T0,j0) 取取Td=T0 图图517(a)情况情况2: 对象开环传递函数中有一个极点在原点对象开环传递函数中有一个极点在原点,另外两另外两个极点在个极点在(-1/T0,j0) 取取Td适当地大于适当地大于T0 图图517(b)选择选择Td时应使负实根与虚轴的距离略大于主导复根与时应使负实根与虚轴的距离略大于主导复根与虚轴的距离虚轴的距离,至少应使主导复根的实数与负实根相

46、等至少应使主导复根的实数与负实根相等(其其绝对值大于绝对值大于1/2T0)。n例例5-2在单回路控制系统中，已知过程的传递函数为在单回路控制系统中，已知过程的传递函数为TO=10s，比例微分调节器的传递函数为，比例微分调节器的传递函数为求衰减率求衰减率0.750.75时比例微分调节器的整定参数值。时比例微分调节器的整定参数值。解：系统开环传递函数为解：系统开环传递函数为Wk(s)Wk(s)的极点在负实轴上（的极点在负实轴上（0.1,j00.1,j0），而在原点处无极点，），而在原点处无极点，所以取所以取Td=To=10sTd=To=10s4)1 (1)(sTsWoo)1 (1)(sTsWdd4

47、44)1()1()1 (1)1 (1)(ooddodKTsTTsTsTsTsWn作出0.750.75时的斜线时的斜线OAOA。过过P P点作直线与负实轴的点作直线与负实轴的夹角为夹角为p p180180。/3/36060。( (重根根轨迹重根根轨迹) )，交斜线，交斜线OAOA于于d d点，点，d d点就是系统整定后特征点就是系统整定后特征方程式的主导复根方程式的主导复根。/Pd=0.142,/Pd=0.142,特征方程式主导特征方程式主导复根为复根为-0.03+j0.135-0.03+j0.135根据模值条件，比例微分调根据模值条件，比例微分调节器的比例度为节器的比例度为-0.1PdA012

48、。28349. 0)142. 010(11)1()1(33344PdTTsTTsTooodd3比例积分调节器比例积分调节器单回路控制系统采用比例积分调节器时，调节器的单回路控制系统采用比例积分调节器时，调节器的传递函数为传递函数为 sTssTsWII)1(1)11 (1)(系统的开环传递函数为系统的开环传递函数为)()1(1)(0sWsTssWIK此时，在此时，在WK(s)中除了中除了W0(s)的极点和零点以外，的极点和零点以外，增加了一个根平增加了一个根平面原点处的固定极点和负实轴上的可变零点面原点处的固定极点和负实轴上的可变零点。情况情况1: 被控过程被控过程W0(s)在原点处没有极点时在

49、原点处没有极点时,其他极其他极点均在负实轴上点均在负实轴上,此时此时,可变零点的位置应选在极点可变零点的位置应选在极点 (-1/T0,j0)右边右边,即即TI应略大于应略大于T0的某一数值的某一数值. TI的具体数值的具体数值：可以根据特征方程式主导负实根：可以根据特征方程式主导负实根和主导复根的负实部相等的原则决定和主导复根的负实部相等的原则决定.情况情况2:被控过程被控过程W0(s)在原点处有一个固定极点在原点处有一个固定极点,其其余极点均在负实轴上余极点均在负实轴上,则则WK(s)在根平面的原点处就在根平面的原点处就有有双重极点双重极点,这时这时T1应选取比应选取比T0更大一些更大一些,

50、即使零点即使零点(-1/TI,j0)更靠近虚轴更靠近虚轴. TI的具体数值的具体数值：可以根据特征方程式主导负实根：可以根据特征方程式主导负实根和主导复根的负实部相等的原则决定和主导复根的负实部相等的原则决定.。001TIT1（a）TI=T0（b）TI=4T0)11 (1)(,)1 (1)(2sTsWsTssWIoo01T。IT10求取求取TI值的步骤值的步骤:(1)在根平面上求出在根平面上求出 时比例调节器所构成的系时比例调节器所构成的系统特征方程式的主导复根统特征方程式的主导复根(2)同样的系统改用比例积分调节器后同样的系统改用比例积分调节器后,经整定后的经整定后的主导振荡成分频率主导振荡

51、成分频率 低于低于 .通常通常m=0.221时时,(3)由由 和幅角条件定出和幅角条件定出(-1/TI,j0)零点零点,求出积分时求出积分时间间TI值值.零点零点(-1/TI,j0)确定后确定后,根据模值条件求出比例度根据模值条件求出比例度 值值.ITpppjmpIpppI)85. 075. 0(pI 例例5-3已知在单回路控制系统中的被控过程传递函数已知在单回路控制系统中的被控过程传递函数 300)1 (1)(sTsWT0=10s（秒）（秒）比例积分调节器的传递函数比例积分调节器的传递函数)11 (1)(sTsWI求求0.75时调节器的比例度时调节器的比例度和积分时间常数和积分时间常数TI。

52、 解：解： 系统开环传递函数系统开环传递函数 303030)1(11)1 (1)11 (1)(TssTsTsTsTsWIIK在图在图5-20上标出极点位置上标出极点位置(-0.1,j0)，并作出，并作出=0.75时时=1228的斜线的斜线OA。（1）当）当 T1时，根平面原点处的极点被抵消。根据幅角时，根平面原点处的极点被抵消。根据幅角条件。由点条件。由点P作与实轴成作与实轴成60的直线，并与的直线，并与OA交于交于P点，点，所以所以P=-0.029+j0.131。（2）设）设PI=0.8P=0.80.131=0.105取中间值。取中间值。从图上量得：从图上量得：103. 00,128. 0,

53、10520llPpIppIop-01Z0a1228jpIppzAplzlolP-1/TI（3）根据幅角条件，零点）根据幅角条件，零点Z至至PI的幅角的幅角58781801052328102ooooZ过过PI作与负实轴之夹角作与负实轴之夹角，于是得到了零点，于是得到了零点Z的位置，零点的位置，零点Z 的坐标为的坐标为(-0.04, j0)，所以积分时间为，所以积分时间为 sTI2504. 01（4）根据模值条件，调节器比例度）根据模值条件，调节器比例度485. 0128. 0103. 0101 . 01133303030301pZllTlTssTTs调节器的整定参数为调节器的整定参数为 =0.4

54、85 , TI =25s 4比例积分微分调节器比例积分微分调节器比例积分微分调节器的传递函数为比例积分微分调节器的传递函数为sTsTTsTsTsTsWIIdIdI*2*11)11 (1)(当当 0.25时，式时，式(5-24)有两个实数零点，因此上式可表示为有两个实数零点，因此上式可表示为*1*TTdsTsTsTsTsTsWIddId)1)(1(11)(1(1)(）式式(5-24)和式和式(5-25)中各系数之间的关系为中各系数之间的关系为IddaIITTFFTTFTTF1,*被控过程的传递函数为被控过程的传递函数为W0(s)。系统的开环传递函数为。系统的开环传递函数为 )()1)(1()(0

55、sWsTsTsTsWIddK此时，在此时，在WK(s)中除了中除了W0(s)的极点和零点外，的极点和零点外，增加了一个在根平增加了一个在根平面原点处的固定极点和两个可以改变的零点面原点处的固定极点和两个可以改变的零点 和和 。单回路控制系统中比例积分微分调节器的参数整定可按如下步骤单回路控制系统中比例积分微分调节器的参数整定可按如下步骤进行：进行：(1)用调节器用调节器W(s)中的一个零点中的一个零点 去抵消去抵消W0(s)中的一个极点。中的一个极点。(2)把减小一个极点后的把减小一个极点后的W0(s)作为被控过程，根据整定比例积分作为被控过程，根据整定比例积分调节器的方法，选择调节器调节器的

56、方法，选择调节器W(s)的另一个零点的另一个零点 ，并求出，并求出调节器调节器W(s)的比例度的比例度。(3)根据上述步骤求得的根据上述步骤求得的、TI、Td值，按式值，按式(5-26）计算调节器的）计算调节器的整定参数整定参数*、T*I、T*d值。值。)0,1(jTd)0,1(jTd)0,1(1jT)0,1(1jT 已知单回路控制系统中被控过程的传遵函数已知单回路控制系统中被控过程的传遵函数 sTsTsW10,)1 (1)(0400比例积分微分调节器的传递函数为比例积分微分调节器的传递函数为sTsTsTsTsTsWIdddI)1)(1()11 (1)(*求求=0.75时调节器的整定参数值时调

57、节器的整定参数值*、T*I、T*d。 系统的开环传递函数系统的开环传递函数 404040)1()1)(1()1(1)1)(1()(TssTsTsTTsTsTsTsTsWIdddIdK（1）令）令Td = T0 =10s（秒（秒)，上式即为，上式即为3030)1()1(1)(TsTsTsWIK式（式（5-27）等于被控过程）等于被控过程300)1 (1)(sTsW与调节器与调节器)11 (1)(sTsWI组成控制系统时的开环传递函数。组成控制系统时的开环传递函数。（2）已经求得了）已经求得了=0.75时比例积分调节器的整定参数值。即时比例积分调节器的整定参数值。即T1=25s，=0.485。（3

58、）运用式）运用式(5-26)，计算比例积分微分调节器的整定参数值，即，计算比例积分微分调节器的整定参数值，即20.035142.7142.74 .11035254 .1346.04 .1485.04 .1251011*IdddIIIdTTsFTTsFTTFTTF而而1动态特性参数法动态特性参数法 动态特性参数法动态特性参数法：就是根据系统开环广义过程：就是根据系统开环广义过程阶跃响应特性进行近似计算的方法。即如阶跃响应特性进行近似计算的方法。即如图图5-21所示在调节阀所示在调节阀WV(s)的输入端加一阶跃信号，的输入端加一阶跃信号，记录测量变送器记录测量变送器Wm(s)的输的输出响应曲线，根

59、据出响应曲线，根据该曲线求出代表广义过程的动态特性参数该曲线求出代表广义过程的动态特性参数( (过程的时延，过程的时延，T T0 0过程的时间常数，过程的时间常数， 过程响应速度过程响应速度) )，然后根据这些参数的，然后根据这些参数的数值，分别应用以下公式计算出调节器的整定数值，分别应用以下公式计算出调节器的整定参数值。参数值。W(s)WV(s)W0(s)Wm(s)X(s)Y(s)(1)广义过程无自衡能力时其阶跃响应曲线如图广义过程无自衡能力时其阶跃响应曲线如图5-22所示。所示。可用表可用表5-5中的整定计算公式。中的整定计算公式。X(t)0ty(t)tgt0调节规律 W(s) P PI

60、PID1)11(1sTI)11 (1sTsTII1 . 185. 0IT3 . 32dT5 . 0近似传递函数为近似传递函数为 snessWsnssW)()1 ()(00n3或或(2)在广义过程为有自平衡能力时，也有相应的整定公式，见在广义过程为有自平衡能力时，也有相应的整定公式，见表表56。近似传递函数近似传递函数:当有明显纯时延当有明显纯时延(包括包括 )时：时：为自平衡率, 3,)1 (1)(00nsTsWn2 . 00TsesTsW)1(1)(00n注意：表注意：表5 55 5及及5 56 6中没有中没有PDPD调节器的整定计调节器的整定计算公式，当算公式，当=0.75=0.75时，选