第二章过程装备控制基础1

1、安徽工程大学过程装备控制技术及应用院系：机械与汽车工程学院院系：机械与汽车工程学院专业：过程装备与控制工程专业：过程装备与控制工程授课教师：何慧娟授课教师：何慧娟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 简单控制系统简单控制系统 2.3 2.3 复杂控制系统复杂控制系统 教学目的与要求：教学目的与要求：1 1 了解被控对象特性的意义和重要性；了解被控对象特性的意义和重要性； 2 2 掌握对象动态特性及通道的含义掌握对象动态特性及通道的含义 3 3 了解被控对象特性的数学建模；了解被控对象特性的数学建模； 4 4

2、 掌握被控对象特性的实验测定方法（系统辨识）；掌握被控对象特性的实验测定方法（系统辨识）； 5 5 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 K、时间常、时间常数数T T、滞后时间、滞后时间的物理意义及其对控制质量的影响的物理意义及其对控制质量的影响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思考题：本节思考题：Pg57：1、2、3、4；作业：作业：1 训练求取被控对象的特性训练求取被控对象

3、的特性参数参数 Pg57：5 2 训练由实验反应曲线求训练由实验反应曲线求对象特性的三大参数对象特性的三大参数，进而求出被控对，进而求出被控对象的特性方程式：补充题象的特性方程式：补充题2提问：提问： 1 影响自动控制系统控制质量的因素影响自动控制系统控制质量的因素有哪些？有哪些？2 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？ 1 影响自动控制系统控制质量的因素有哪些？影响自动控制系统控制质量的因素有哪些？ 1 被控对象的特性被控对象的特性 2 组成的自动控制系统组成的自动控制系统 3 自动控制装置的特性自动控制装置的特性 检测仪表与变送器检测仪表与变送器控制器控制器执行器执行器

4、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 ys umym偏差偏差控制信号控制信号操纵变量操纵变量4 控制规律及控制器参数的设定控制规律及控制器参数的设定 在生产过程中，存在各种各样的被控对象。这些对在生产过程中，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；有的却和很难操作，工艺变量容易产制得比较平稳；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生大幅度波动，只要稍不谨慎就回超

5、出工艺允许的范围，轻则影响生产，重则造成事故。围，轻则影响生产，重则造成事故。只有充分了解和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。熟悉对象特性，才能使工艺生产在最佳状态下运行。因此，在控制系统设计时，先必须充分了解被控对象因此，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。理的控制器参数，设计合乎工艺要求的控制系统。2 为什么要研究被控对象的特性？为什么

6、要研究被控对象的特性？ 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，对象的输出量随时间的变化规律。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、动态特性思考题思

7、考题P57：3 什么什么是被控对象的控制是被控对象的控制通道？什么是干扰通道？什么是干扰通道？通道？ 思考题思考题P57：1什么是什么是被控对象的特征？被控对象的特征？ 1 理论数学模型法理论数学模型法用定量地表达对象用定量地表达对象输入、输出关系的数学表达式（微分方程输入、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。式、偏微分方程式、状态方程等）来表达。2 实验输出曲线或数据表格实验输出曲线或数据表格用对象在用对象在一定形式输入作用下的输出曲线或数据表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，有阶跃格来表示。根据输入形式的不同，有阶跃反应曲线、

8、脉冲反应曲线、矩形脉冲反应反应曲线、脉冲反应曲线、矩形脉冲反应曲线等。曲线等。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（如对象中物理或化学变化规律（如质量守恒定质量守恒定律、能量守恒定律等律、能量守恒定律等），在忽略一些次要因），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数学模型叫机理方程。通过这种方法得到的数学模型叫机理模型。机理模型常表现为模型。机理模型常表现为微分方程式、偏微微分方程式、偏微分方程式、状态方程等）。分方程式、状态方程等）。 下

9、面以一阶对象、二阶对象为例讨论机理下面以一阶对象、二阶对象为例讨论机理建模的方法：建模的方法：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对象的物料（能量）（能量）单位时间内单位时间内流出流出对象的物料（能量）对象的物料（能量）=对象对象中储存量的变化率中储存量的变化率dtdHAQQ21（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，自身对象在受到干扰后，自身能重新恢复平衡的特性。能重新恢复平衡的特性。A面积面积图图2-1 有自衡单容液位对象有自衡单容液位对象HQ1Q2找出中间变量，消去中间变量，找出输入找出中间变量，消去中间变量，找出输入与输出变量之间的关系与输

10、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2sHQR1sHdHQARdt 把输入变量放在右边，输出变量放在把输入变量放在右边，输出变量放在左边，写成方程的形式左边，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TtteKxyKxydtdyTeQKHKQHdtdHTRKARTQRHdtdHARQRHdtdHATttSSsss)0(01)72(1)(1111QQ1Q11sHdHQARdt)102()(01121ttAQHdtHdAQdtdHAQQ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

11、特性。QQ1Q1Q1Q2(2) 二阶对象二阶对象H1Q1R1Q12H2R2Q2图图2-5 串联水槽对象串联水槽对象经过以上步骤的推导：经过以上步骤的推导：Pg15222121222122221 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(2) 二阶对象二阶对象H1Q1R1Q12H2R2Q2图图2-5 串联水槽对象串联水槽对象机理建模的优点：机理建模的优点：理论逻辑性强理论逻辑性强缺点：缺点：对

12、于复杂的对象，机理分析法很困难；另对于复杂的对象，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。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。的特性参数，进而得到对象的数学模型。

13、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 什么是被什么是被控对象的特控对象的特性性？表征被？表征被控对象特

14、性的参数有哪控对象特性的参数有哪些？它们的物理意义是些？它们的物理意义是什么？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？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

15、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 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？ 控制通道：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。 概念：概念： 当对象受到阶跃输入作用

16、后被控变量达到新当对象受到阶跃输入作用后被控变量达到新的稳态值的的稳态值的63.2%所需的时间。所需的时间。T1 T2 T30.632h（）th（）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

17、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？ 控制通道：控制通道：T大，被控变量的变化比较缓大，被控变量的变化比较缓慢，对象比较平稳，容易进行控制，但过渡慢，对象比较平稳，容易进行控制，但过渡时间长；时间长；T小，被控变量的变化快，不易控小，被控变量的变化快，不易控制。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，被大、扰动作用比较平缓，被控变量变化较平稳，

18、对象容易控制。控变量变化较平稳，对象容易控制。一般希一般希望干扰通道望干扰通道T大一些好大一些好（ = 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。间。一般由介质的输送或热的传递需要一段时间引起的。例如图例如图2-8的溶解糟。的溶解糟。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

19、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？ 补充作业题补充作业题2-1： 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

20、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。 （温度测量仪表的测量范围为（温度测量仪表的测量范围为0200；流量测量仪表的测量范围；流量测量仪表的测量范围为为05t/h。）。）燃料

21、量燃料量（t/h）t/min3.02.5温度温度/min重油预热炉的阶跃反应曲线重油预热炉的阶跃反应曲线教学目的与要求：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及其方块图和带控制点工艺 流程图；流程图； 2 掌握设计简单控制系统时，被控变量、操纵变量选择掌握设计简单控制系统时，被控变量、操纵变量选择 的原则；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的掌握设计简单控制系统时，控制阀的气开气关形式的 选择

22、；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；过程的影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；行调节，从而使过渡曲线满足要求；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 2.2.2 控制器的控制规律及正、反方向控制器的控制规律及正、反方向 2.2.3 控制器控制参数的工程

23、整定控制器控制参数的工程整定 本节思考题：本节思考题：Pg57Pg57：6 6、7 7、8 8、9 9、1010、1111、1212、1414、 本节作业：本节作业：1 1 强化简单控制系统设计有关基本概念的理解：强化简单控制系统设计有关基本概念的理解： Pg57 Pg57 ：1313、 1515、 16162 2 训练简单控制系统的设计：补充题训练简单控制系统的设计：补充题3 3、4 4 一一 单回路（简单）控制系统的组成与设计单回路（简单）控制系统的组成与设计思路思路 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计1 何为单回路控制系统？何为单回路控制系统？ 一个一个

24、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 一个一个执行器执行器 所构成的单闭环控制系统。所构成的单闭环控制系统。 2 单回路控制系统工程上如何表达？单回路控制系统工程上如何表达？ （1）用带控制点的工艺流程图表示）用带控制点的工艺流程图表示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（2）用方块图来表示）用方块图来表示2 单回路控制系统工程上如何表达？单回路控制系统工程上如何表达？(1)用带控制点的工艺流程图表示用带控制点的工艺流程图表示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LTLC冷水冷水蒸汽蒸汽汽

25、汽包包加加热热室室扬子芳烃厂扬子芳烃厂10单元带控制点的流程图单元带控制点的流程图2 单回路控制系统工程上如何表达？单回路控制系统工程上如何表达？ （2）用方块图来表示）用方块图来表示 。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 检测变送元件的选择检测变送元件的选择 执行器的选择执

26、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 被控变量的正确选择是关系到被控系统能否达到预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。影响生产过程的因素很多，期控制效果的重要因素。影响生产过程的因素很多，只只有有影响

27、生产的关键变量才能作为被控变量影响生产的关键变量才能作为被控变量。所谓。所谓“关键关键”变量：变量：就是它们对就是它们对产品质量产品质量以及以及安全安全具有决定性的作用，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。满足要求，但是这种操作是既紧张而又频繁的。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 单回路控制系统的组成与设计思路单回路控制系统的组成与设计思路 (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持恒定值保持恒

28、定值的工艺参数。的工艺参数。塔设备塔设备工程案例工程案例1：精馏塔被控：精馏塔被控变量的选择变量的选择工程案例工程案例1：精馏塔被控变量的选择：精馏塔被控变量的选择被控变量的选择方案：被控变量的选择方案：选直接指标：选直接指标：组分是工艺上的质组分是工艺上的质量指标，直接选馏出物的组分。量指标，直接选馏出物的组分。选间接指标：选间接指标：提馏段灵敏板的温度。提馏段灵敏板的温度。X(组分浓度）、组分浓度）、T（温度）、（温度）、P（压（压力）力）三者之间有一定的关系三者之间有一定的关系X =f(T,P)，从工艺的合理性考虑，选，从工艺的合理性考虑，选温度作为被控变量温度作为被控变量 .控制目标：

29、控制目标：使塔底（塔顶）馏出物使塔底（塔顶）馏出物达到规定纯度。达到规定纯度。（3）被控变量选择原则）被控变量选择原则P23 被控变量应能代表一定的工艺操作指标或能反映工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艺操作状态,一般都是工艺过程中比较一般都是工艺过程中比较重要的变量重要的变量。 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，因而响而变化，因而需要频繁加以控制的变量需要频繁加以控制的变量。 尽量采用尽量采用直接指标直接指标作为被控变量，当无法获得直接作为被控变量，当无法获得直接控制指标信号，或其测量、传送控制指标信号，或

30、其测量、传送 滞后很大时，可选择滞后很大时，可选择与直接控制指标有与直接控制指标有单值对应关系的间接控制变量单值对应关系的间接控制变量。 被控变量应能被测量出来，并具有足够大的被控变量应能被测量出来，并具有足够大的灵敏度灵敏度。 被控变量应是被控变量应是独立变量独立变量。 应考虑工艺合理性和国内仪表产品现状。应考虑工艺合理性和国内仪表产品现状。（3） 被控变量选择原则被控变量选择原则其他典型设备：换热器、反应器的被控变量如何选其他典型设备：换热器、反应器的被控变量如何选择？择？工程案例工程案例2：换热器温度的控制：换热器温度的控制控制目标控制目标：使管程被加热使管程被加热物料的温度达到工艺值。

31、物料的温度达到工艺值。被控变量的选择方案：被控变量的选择方案：选直接指标：被加热选直接指标：被加热物料管程出口温度物料管程出口温度（3） 被控变量选择原则被控变量选择原则其他典型设备：换热器、反应器的被控变量如何选其他典型设备：换热器、反应器的被控变量如何选择？择？工程案例工程案例3：反应器温度的控制：反应器温度的控制控制目标控制目标：使釜内介质温使釜内介质温度达到一定的工艺值。度达到一定的工艺值。被控变量的选择方案：被控变量的选择方案：选直接指标：选直接指标：釜内介质釜内介质温度温度（1）操纵变量：）操纵变量：用来克服干扰对被控变量的影响，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

32、操纵变量（实现控制作用的变量称为操纵变量（一般为介质一般为介质的流量，也有电压，转速等）。的流量，也有电压，转速等）。 考虑工艺的合理性考虑工艺的合理性例：换热器例：换热器 被加热介质？被加热介质？载热体流量？载热体流量？ （2）操纵变量选择案例：）操纵变量选择案例：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：控制节能角度：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被控变量被控变量.Q入入T入入x入入Q蒸蒸Q回回

33、T灵灵被控对象被控对象 考虑被控对象特性考虑被控对象特性（2）操纵变量的选择案例：）操纵变量的选择案例：例：塔设备例：塔设备干扰通道干扰通道控制通道控制通道干扰变量干扰变量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，起着破坏作用破坏作用，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，起着校正作用校正作用，使被控变量使被控变量回复到给定值回复到给定值；不同通道的不同通道的K、T、 对控制系统的影响（复习）对控制系统的影响（复习）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y被控对象被控对象（ K大、大、 T小、小

34、、 小小,对控制有利）对控制有利）( K小小、 T大、大、 大大对控制有利对控制有利) 操纵变量应是操纵变量应是可控可控的，即工艺上允许调节的的，即工艺上允许调节的变量。变量。 操纵变量一般应比其他干扰对被控变量的影操纵变量一般应比其他干扰对被控变量的影响更加响更加灵敏灵敏。 在选择操纵变量时，除了从自动化角度考虑在选择操纵变量时，除了从自动化角度考虑外，还要考虑外，还要考虑工艺的合理性工艺的合理性与与生产的经济性生产的经济性。3 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？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

35、中获取信息和传递信息的装置，也是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（1）要注意测量元件的安装：）要注意测量元件的安装： 尽量减少测量元件纯滞后的影响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一段时值在时间上就延迟了一段时间间 0,主管道内流体的流速副管道内流

36、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ATPH（2）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。信号可忽略，气信号则滞后较大。一般气压信一般气压信号管路号管路300 m，直径，直径6mm。否则，要改为电信否则，要改为电信号。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

37、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（2） 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器的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。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，减少传送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，则要加滞后。对于气动薄膜控制阀，则要加电电气转换气转换器器，将电信号转换信号，以控制气动控制阀。

38、，将电信号转换信号，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3 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？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、及时及时维修维修，以保

39、证测量元件有，以保证测量元件有足够的测量精度足够的测量精度、较较小的时间常数小的时间常数、尽量、尽量减小纯滞后和信号传递滞减小纯滞后和信号传递滞后。后。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

40、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

41、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

42、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常见控制规律常见控制规律：一、一、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=ym-ys）之间的关系。）之间的关系。即：即： u= f(e)=f（ ym-ys ）1 比例（比例（P）proportion2 积分（积分（I） integral3 微分（微分（D）diffe

43、rential4 组合（组合（PI、PD、PID）2.2.2 控制规律和正、反作用的选择控制规律和正、反作用的选择 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）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

44、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）（2）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）（ K p= u / e），有量纲，如输入输出信号均），有量纲，如输入输出信号均为标准信号，则无量纲。为标准信号，则无量纲。K p 大大，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.%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）uueeu

45、euuueee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

46、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 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

47、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：浮球：测量元件测量元件杠杆：杠杆：调节器调节器ytytyt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，太小对控制都不太大，太小对控制都不利，利， K p太大，稳定性下降；太大，稳定性下降；太小，过渡平稳，太小，过渡平稳，但余差大。但余差大。（4） 比例控制规律优缺点比例控制规律优缺点结构简单、

48、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。（5） 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：例如：塔釜的塔釜的液位液位、贮槽的、贮槽的液位液位、冷凝器的、冷凝器的液液位等。位等。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的积的积分成正比。即分成正比。即 ： 阶跃响应曲线阶跃响应曲线当有偏差时，输出信号将随当有偏差时，输出信号将随时间增大。时间增大。当偏差为零时，输出停止变当偏差为零

49、时，输出停止变化而稳定在某一值上，因而用化而稳定在某一值上，因而用积分控制器组成控制系统可以积分控制器组成控制系统可以达到达到无余差。无余差。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。（1）定义）定义：在比例控制的基础上，再加上积：在比例控制的基础上，再

50、加上积分控制作用，便构成比例积分控制规律。分控制作用，便构成比例积分控制规律。控控制既及时，又能消除余差。制既及时，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（2） 如何求取比例放大系数如何求取比例放大系数KP及积分时间及积分时间常数常数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利用利用当当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 为为

51、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，时，当当u =2KPA时，时，此时的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)(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。 TI 小小,余差大余差大ytytytTI太小TI适当tyTI=TI太大图图2-27 积分时间对过渡过积分时间对过渡过程的影响程的影响 p31（4）比例积分控

52、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：适应于适应于压力、流量、液位和那些压力、流量、液位和那些没有大的时间滞后的具体对象没有大的时间滞后的具体对象。（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 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。

53、 响应曲线：响应曲线：teutt0图2-28 理想微分控制器特性t00 特点：特点：这种控制器用在系统这种控制器用在系统中，即使偏差很小，只要出现中，即使偏差很小，只要出现变化趋势，马上就进行控制，变化趋势，马上就进行控制，故有故有超前控制超前控制之称，这就它的之称，这就它的优点，但它的输出不能反映偏优点，但它的输出不能反映偏差的大小，假如偏差固定，即差的大小，假如偏差固定，即使数值很大，微分作用也没有使数值很大，微分作用也没有输出，输出，因而控制结果不能消除因而控制结果不能消除偏差偏差，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

54、想微分控制规律（D） 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大大，微分作用强，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

55、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(控控制质量）的影响制质量）的影响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、能增加响应快、能增加系统的稳定性；有超前控制系统的稳定性；有超前控制作用，可以克服对象的惯性；作用，可以克服对象的惯性；控制结果有余差控制结果有余差。 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

56、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。控制规律控制规律 数学表达式数学表达式 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，T

57、1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.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, T1, 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

58、烦。但参数整定较麻烦。二二 控制器正、反方向的确定控制器正、反方向的确定 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（1）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”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 ys umym偏差偏差控制信号控制信号操纵变量操纵变量二二 控制器正、反方向的确定控制器正、反方向的确定 1 各环节的正、反作用方向的规定各环节的正、反

59、作用方向的规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 ys umym偏差偏差控制信号控制信号操纵变量操纵变量（2）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“正作正作用用”。（3）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：气开阀：有信号时阀开、无信号时阀关的气动执行器。有信号时阀开、无信号时阀关的气动执行

60、器。 气关阀：气关阀：有信号时阀关、无信号时阀开的气动执行器。有信号时阀关、无信号时阀开的气动执行器。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 ys umym偏差偏差控制信号控制信号操纵变量操纵变量“正正”方向：方向：当输入信号当输入信号u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因而流过阀的流体流量m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：当输入信号当输入信号u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