过程控制系统教学课件

1、 凡是采用数字或模拟控制方式对生产过程的某一或凡是采用数字或模拟控制方式对生产过程的某一或某些物理参数进行的自动控制通称为过程控制。某些物理参数进行的自动控制通称为过程控制。( (另有运另有运动控制方向动控制方向) ) 生产过程自动化是保持生产稳定、降低消耗、生产过程自动化是保持生产稳定、降低消耗、减少成本、改善劳动条件、保证安全和提高劳动生减少成本、改善劳动条件、保证安全和提高劳动生产率重要手段，一直起着极其重要的作用。其发展产率重要手段，一直起着极其重要的作用。其发展经历了以下几个方面经历了以下几个方面 过程控制系统在控制结构上经历了三个发展阶段过程控制系统在控制结构上经历了三个发展阶段：

2、分散控制阶段分散控制阶段, , 集中控制阶段和集散控制阶段。集中控制阶段和集散控制阶段。 从过程控制采用的理论与技术手段来看，可以粗略地把它划为三个从过程控制采用的理论与技术手段来看，可以粗略地把它划为三个阶段：阶段：第一阶段第一阶段 70 70 年代之前年代之前 初级阶段，包括人工控制，以古典控制理论为主要基初级阶段，包括人工控制，以古典控制理论为主要基础，采用常规气动、液动和电动仪表，对生产过程础，采用常规气动、液动和电动仪表，对生产过程中的温度、流量、压力和液位进行控制，在诸多控中的温度、流量、压力和液位进行控制，在诸多控制系统中，以单回路结构、制系统中，以单回路结构、PID PID 策

3、略为主，同时针策略为主，同时针对不同的对象与要求，创造了一些专门的控制系统，对不同的对象与要求，创造了一些专门的控制系统，如：使物料按比例配制的比值控制，克服大滞后的如：使物料按比例配制的比值控制，克服大滞后的Smith Smith 预估器，克服干扰的前馈控制和串级控制等预估器，克服干扰的前馈控制和串级控制等等，这阶段的主要任务是稳定系统，实现定值控制。等，这阶段的主要任务是稳定系统，实现定值控制。这与当时生产水平是相适应的。这与当时生产水平是相适应的。第二阶段（第二阶段（70 70 年代年代90 90 年代初）年代初） 发展阶段，以现代控制理论为主要基础，以微型计算机和高档仪发展阶段，以现代

4、控制理论为主要基础，以微型计算机和高档仪表为工具，对较复杂的工业过程进行控制。这阶段的建模理论、表为工具，对较复杂的工业过程进行控制。这阶段的建模理论、在线辨识和实时控制已突破前期的形式，继而涌现了大量的先在线辨识和实时控制已突破前期的形式，继而涌现了大量的先进控制系统和高级控制策略，如克服对象特性时变和环境干扰进控制系统和高级控制策略，如克服对象特性时变和环境干扰等不确定影响的等不确定影响的自适应控制自适应控制，消除因模型失配而产生不良影响，消除因模型失配而产生不良影响的的预测控制预测控制等。这阶段的主要任务是克服干扰和模型变化，满等。这阶段的主要任务是克服干扰和模型变化，满足复杂的工艺要求

5、，提高控制质量。足复杂的工艺要求，提高控制质量。1975 1975 年，世界上第一台分年，世界上第一台分散控制系统在美国散控制系统在美国HoneywellHoneywell公司问世，从而揭开了过程控制崭公司问世，从而揭开了过程控制崭新的一页。分散控制系统也叫新的一页。分散控制系统也叫集散控制系统集散控制系统，它综合了计算机，它综合了计算机技术、控制技术、通信技术和显示技术，采用多层分级的结构技术、控制技术、通信技术和显示技术，采用多层分级的结构形式形式, ,按总体分散、管理集中的原则，完成对工业过程的操作、按总体分散、管理集中的原则，完成对工业过程的操作、监视、控制。由于采用了分散的结构和冗余

6、等技术，使系统的监视、控制。由于采用了分散的结构和冗余等技术，使系统的可靠性极高，再加上硬件方面的开放式框架和软件方面的模块可靠性极高，再加上硬件方面的开放式框架和软件方面的模块化形式，使得它组态、扩展极为方便，还有众多的控制算法化形式，使得它组态、扩展极为方便，还有众多的控制算法( (几几十至上百种十至上百种) ) 、较好的人、较好的人机界面和故障检测报告功能。经过机界面和故障检测报告功能。经过20 20 多年的发展，它已日臻完善，在众多的控制系统中，显示出出多年的发展，它已日臻完善，在众多的控制系统中，显示出出类拔萃的风范，因此，可以毫不夸张地说，分散控制系统是过类拔萃的风范，因此，可以毫

7、不夸张地说，分散控制系统是过程控制发展史上的一个里程碑。程控制发展史上的一个里程碑。第三阶段第三阶段 90 90 年代后。年代后。 高级阶段。目前，过程控制正朝高级阶段走来，不论是高级阶段。目前，过程控制正朝高级阶段走来，不论是从过程控制的历史和现状看，还是从过程控制发展的必要从过程控制的历史和现状看，还是从过程控制发展的必要性、可能性来看，过程控制是朝综合化、智能化方向发展，性、可能性来看，过程控制是朝综合化、智能化方向发展，以智能控制理论为基础，以计算机及网络为主要手段，对以智能控制理论为基础，以计算机及网络为主要手段，对企业的经营、计划、调度、管理和控制全面综合，实现从企业的经营、计划、

8、调度、管理和控制全面综合，实现从原料进库到产品出厂的自动化、整个生产系统信息管理的原料进库到产品出厂的自动化、整个生产系统信息管理的最优化。它表现的最大特征是最优化。它表现的最大特征是仿人脑功能仿人脑功能，这一点在某种，这一点在某种程度上是回复到初级阶段的人工控制，但更多的是在人工程度上是回复到初级阶段的人工控制，但更多的是在人工控制基础上的进步与飞跃。控制基础上的进步与飞跃。1-11-1典型单回路控制系统典型单回路控制系统液位变送器液位控制器执行器2 2、系统方块图、系统方块图3 3、主要组成部分、主要组成部分生产过程中被控制的工艺设备或装置。生产过程中被控制的工艺设备或装置。仪表课中已做介

9、绍。仪表课中已做介绍。实时地对被控系统施加控制作用。实时地对被控系统施加控制作用。 将控制信号进行放大以驱动控制阀。常见的将控制信号进行放大以驱动控制阀。常见的有气动和电动两种。有气动和电动两种。 控制进料量。有气开式和气关式之别。控制进料量。有气开式和气关式之别。1 1、被控对象被控对象 ( (简称对象或过程简称对象或过程) )：前已述及。：前已述及。2 2、被控参数：被控参数：按照生产过程要求，某些变量应该维持在按照生产过程要求，某些变量应该维持在稳定的变化范围内，如果对其施加控制作用，就称稳定的变化范围内，如果对其施加控制作用，就称其为被控参其为被控参数。如温度、压力、流量、液位、成分等

10、。数。如温度、压力、流量、液位、成分等。凡是影响被控量的各种作用均叫做干扰或扰动。分内凡是影响被控量的各种作用均叫做干扰或扰动。分内干扰和外干扰。干扰和外干扰。( (内干扰如原料成分变化等。内干扰如原料成分变化等。) )即调节介质。如储水槽液位控制系统的给水量。即调节介质。如储水槽液位控制系统的给水量。被控变量经检测变送后即是测量值。被控变量经检测变送后即是测量值。：即被控变量的设定值。：即被控变量的设定值。准确地说，应是被控量的给定值与实际值之差。准确地说，应是被控量的给定值与实际值之差。但能够直接得到的信号是被控量的测量值，故通常把测量值与但能够直接得到的信号是被控量的测量值，故通常把测量

11、值与给定值之差称作为偏差。给定值之差称作为偏差。 对于控制系统而言，外部输入为给定值，故偏差定义为：对于控制系统而言，外部输入为给定值，故偏差定义为： 对于控制器而言，外部输入为测量值，故偏差定义为：对于控制器而言，外部输入为测量值，故偏差定义为： 根据偏差值、经一定算法得到的输出值。调节根据偏差值、经一定算法得到的输出值。调节器输出亦称控制作用。器输出亦称控制作用。 是工业生产过程中应用最大的一种过程控制系统。是工业生产过程中应用最大的一种过程控制系统。在运行时，系统被控量的给定值是不变的。有时根据生在运行时，系统被控量的给定值是不变的。有时根据生产工艺要求，被控量的给定值保持在规定的小范围

12、附近产工艺要求，被控量的给定值保持在规定的小范围附近波动。波动。 2 2、随动控制系统、随动控制系统 其给定值按预定的时间程序来变化。如机械工业其给定值按预定的时间程序来变化。如机械工业中的退火炉的温度控制系统，其给定值是按升温、中的退火炉的温度控制系统，其给定值是按升温、 保温、保温、 逐次降温等程序变化的。家用电器中应用定逐次降温等程序变化的。家用电器中应用定值控制系统的也很多，如电脑控制的洗衣机、电饭煲值控制系统的也很多，如电脑控制的洗衣机、电饭煲等。等。 21BBn n/11BB1BBB21121 为被控量偏离稳定值或设定值的最大偏差值。为被控量偏离稳定值或设定值的最大偏差值。其它课程

13、已做介绍，不再详述。其它课程已做介绍，不再详述。 超调量上升时间调节时间过程演示 讨论：讨论：(1)(1)、静态时，、静态时，q q1 1=q=q2 2=dh/dt=0 ; =dh/dt=0 ; (2) (2)、当当q q1 1变化时变化时h h变化变化 q q2 2变化。变化。 经线性化处理，有经线性化处理，有1212.(25).(26)dhqqAdtdVdhqqAdtdt 22.(27)hqR1212()()().( )hdhqARd tHsQsA s HsR 拉 普 拉 斯 变 换212( )( ).(28)( )11OOOKRH SGsQ sAR sT s 种类：有电容、热容、气容、液

14、容等等。种类：有电容、热容、气容、液容等等。( (二二) )、具有纯滞后单容过程的数学模型、具有纯滞后单容过程的数学模型 1 1、纯滞后的概念、纯滞后的概念 纯滞后是普遍存在的，如下页图所示。纯滞后是普遍存在的，如下页图所示。 000 10010()(2 9)( )( )( )1sd hThK q tdtKH sG seQ sT s 纯滞后单容过程及其响应曲线无纯滞后有纯滞后( (三三) )、多容过程的数学模型、多容过程的数学模型2-5h1h22 2、三容过程的微分方程模型、三容过程的微分方程模型 11111121222223233333(21 0 )dhqqCd thqRdhqqCd thq

15、RdhqqCd thqR 3 3、三容过程的方框图、三容过程的方框图由式由式(2-10)(2-10)的拉氏变换，可得图的拉氏变换，可得图2-62-6。由图由图2-62-6，应用自控理论即可获得其模型。，应用自控理论即可获得其模型。 无自衡过程的概念：如下图。无自衡过程的概念：如下图。( (一一) )、单容过程的数学模型、单容过程的数学模型 12dhqqCd t 1dhCqd t0000101( ).(2 15).( )1( ).(2 16)( )sG sT sH sG seQ sT s或第一章第一章 单回路控制系统单回路控制系统液位变送器液位控制器执行器气闭 2 2、系统方框图、系统方框图3

16、3、特点、特点 最简单、最基本；应用最广泛、最成熟。最简单、最基本；应用最广泛、最成熟。 是各种复杂控制系统设计和参数整定的基础。是各种复杂控制系统设计和参数整定的基础。 适用于被控对象滞后时间较小，负载和干扰不适用于被控对象滞后时间较小，负载和干扰不 大，控制质量要求不很高的场合。大，控制质量要求不很高的场合。1 1、安全性、安全性2 2、稳定性、稳定性3 3、经济性、经济性1 1、建立被控过程的数学模型、建立被控过程的数学模型2 2、选择控制方案、选择控制方案3 3、选择控制设备型号规格、选择控制设备型号规格4 4、实验（与仿真）、实验（与仿真） 包括仪表（微机）选型、控制室和仪表盘设计、

17、供水包括仪表（微机）选型、控制室和仪表盘设计、供水供电供气设计、信号系统设计、安全防暴设计等。供电供气设计、信号系统设计、安全防暴设计等。3 3、工程安装、工程安装4 4、仪表调试、仪表调试5 5、参数整定、参数整定2 2、工程设计、工程设计 1 1、方案设计、方案设计1.1.选择的意义选择的意义2. 2. 选择方法选择方法3. 3. 选间接参数的原则选间接参数的原则 必须考虑工艺生产的合理性和仪表的现状。必须考虑工艺生产的合理性和仪表的现状。 间接参数应与直接参数有某种单值函数关系。间接参数应与直接参数有某种单值函数关系。 间接参数要有足够的灵敏度。间接参数要有足够的灵敏度。 (, )DDX

18、f Tp 当生产过程中有多个因素能影响被控变量变化时，应分析过程扰动通道当生产过程中有多个因素能影响被控变量变化时，应分析过程扰动通道特性与控制通道特性对控制质量的影响，正确地选择可控性良好的变量作为特性与控制通道特性对控制质量的影响，正确地选择可控性良好的变量作为操纵操纵( (控制控制) )量。量。 一般希望控制通道克服扰动的能力要强，动态响应应比扰动通道快。一般希望控制通道克服扰动的能力要强，动态响应应比扰动通道快。通道的概念：通道的概念：某个参数影响另一个参数的通路。某个参数影响另一个参数的通路。 F1Fn为系统的输入，在为系统的输入，在F1Fn中选取某一个作为操纵变量，那么其中选取某一

19、个作为操纵变量，那么其他的则称为干扰。他的则称为干扰。11( )( )( )( )( )( )( )PCPDPDnnY sGs U sGs FsGs Fs1 1.3.1 .3.1 干扰通道特性干扰通道特性对控制质量的影响对控制质量的影响突出干扰作用突出干扰作用: :( )ccGsK( )1fPDfKGsT s00102( )11PCKGsT sT s 00 10 21( )( )( )1( )( )111ffP DCP CCKTsGsYsKFsGs GsKTsTs1( )F ss(1)(1)干扰通道放大倍数干扰通道放大倍数Kf的的影响影响运用终值定理运用终值定理0( )lim ( )lim(s

20、)tsyy tsY 01fCKK KKC控制器放大倍数控制器放大倍数K0被控对象放大倍数被控对象放大倍数( )y 即系统残差，越小即系统残差，越小Kf越小越小(2)(2)干扰通道时间常数干扰通道时间常数Tf的影响的影响11( )( )( )( )( )1( )( )1( )( )fP DCP CCP CTsGsYsYsFsFsGs GsGs Gs1fK 1CK 01K 结论：结论： Tf越大，信号被衰减的越多，即滤波作用越大，信号被衰减的越多，即滤波作用越强，那么干扰信号对被控变量的影响越弱越强，那么干扰信号对被控变量的影响越弱结论：干扰通道结论：干扰通道时间常数越大时间常数越大，个数越多个数

21、越多，或者，或者说干扰进入系统的位置说干扰进入系统的位置越远离被控变量而靠近控越远离被控变量而靠近控制阀制阀，干扰对被控变量的影响越小，系统的质量，干扰对被控变量的影响越小，系统的质量越高。越高。(2-1)(2-1)干扰进入位置的影响干扰进入位置的影响(3)(3)干扰通道纯滞后的影响干扰通道纯滞后的影响结论：结论：( )( )( )( )()1( )( )fsPDCPCGs eYsF sy ty tGs Gs控制通道动态特性对控制质量的影响控制通道动态特性对控制质量的影响(1)(1)控制通道控制通道放大倍数放大倍数K0的影响的影响( )ccGsK1( )1PDfGsT s00102( )11P

22、CKGsT sT s 0 10 20 10 20( )( )( )1( )( )11111P DCP CfCGsYsFsGs GsTsTsTsTsTsKK010201110fCT sT sT sK K特征方程：0102011=0CT sT sK K振荡环节（第2项）：20102001 0201 0210CTTK KssT TT T0102001 0220001 0221CTTT TK KT T有：010201 0202(1)CTTT TK K一定时，必有一定时，必有KCK0=常数。即常数。即K0越大则需要调整越大则需要调整KC越小越小。整体系统由干扰产生的误差也不改变。整体系统由干扰产生的误差

23、也不改变。结论：系统余差结论：系统余差y()与与K0无关，但无关，但K0大表示操纵量对控大表示操纵量对控制变量的影响大，更为有效。制变量的影响大，更为有效。当该通道不选做控制通道（不选择此干扰为操纵量），当该通道不选做控制通道（不选择此干扰为操纵量），则该通道为干扰通道，此干扰对被控变量影响大，对系则该通道为干扰通道，此干扰对被控变量影响大，对系统不利。统不利。(2)(2)控制通道时间常数控制通道时间常数T0的影响的影响200102001 0201 0201,2(1)CCK KTTT TT TK K由于201 系统工作频率：不变的情况下，不变的情况下， T01或者或者T02的增大导致的增大导致

24、的下降，的下降，会导致系统控制速度变慢。会导致系统控制速度变慢。但是但是T01或者或者T02的增大势必导致的增大势必导致的改变。调节速的改变。调节速度和稳定性不可兼得。度和稳定性不可兼得。(3) (3) 控制通道纯滞后的影响控制通道纯滞后的影响C：无控制作用时的反应曲线：无控制作用时的反应曲线A：控制及时控制作用曲线：控制及时控制作用曲线D：控制及时反应曲线：控制及时反应曲线B：控制不及时控制作用曲线：控制不及时控制作用曲线E：控制不及时反应曲线：控制不及时反应曲线纯滞后的存在会使控制不及时，动态偏差纯滞后的存在会使控制不及时，动态偏差（超调量）增大，稳定性下降（超调量）增大，稳定性下降1.3

25、.3 1.3.3 操纵变量的选择操纵变量的选择1 1、所选的操纵变量必须是可控的；、所选的操纵变量必须是可控的；2 2、所选的操纵变量应是通道放大倍数比较大者，最好大于、所选的操纵变量应是通道放大倍数比较大者，最好大于扰动通道的放大倍数；扰动通道的放大倍数；3 3、所选的操纵变量应使扰动通道时间常数越大越好，而控、所选的操纵变量应使扰动通道时间常数越大越好，而控制通道时间常数应适当小一些为好，但不宜过小；制通道时间常数应适当小一些为好，但不宜过小；4 4、所选的操纵变量其通道纯滞后时间应越小越好；、所选的操纵变量其通道纯滞后时间应越小越好；5 5、所选的操纵变量应尽量使干扰点远离被控变量而靠近

26、控、所选的操纵变量应尽量使干扰点远离被控变量而靠近控制阀；制阀；6 6、注意注意1.1.控制通道控制通道2.2.扰动通道扰动通道3.3.注意注意实例讨论实例讨论例例1 1：喷雾式乳粉干燥设备的控制。：喷雾式乳粉干燥设备的控制。 1.1.工艺流程：工艺流程：以乳化物的干燥过程为例来设计干燥器。以乳化物的干燥过程为例来设计干燥器。由于乳化物属于胶体物质，激烈搅拌易固化，也不能用泵由于乳化物属于胶体物质，激烈搅拌易固化，也不能用泵抽送，因而采用高位槽的办法。抽送，因而采用高位槽的办法。浓缩的乳液由高位槽流经过滤器浓缩的乳液由高位槽流经过滤器A A或或B B，虑去凝结块和其他，虑去凝结块和其他杂质，并

27、从干燥器顶部由喷嘴喷下。有鼓风机将一部分空杂质，并从干燥器顶部由喷嘴喷下。有鼓风机将一部分空气送至换热器，用蒸汽进行加热，并将与来自鼓风机的另气送至换热器，用蒸汽进行加热，并将与来自鼓风机的另一部分空气混合，经风管送往干燥器，由下而上吹，以便一部分空气混合，经风管送往干燥器，由下而上吹，以便蒸发掉乳液中的水分，使之成为粉状物，并随湿空气一起蒸发掉乳液中的水分，使之成为粉状物，并随湿空气一起由底部送出进行分离。生产工艺对干燥后的产品质量要求由底部送出进行分离。生产工艺对干燥后的产品质量要求很高，水分含量不能波动太大，因而需要对干燥的温度进很高，水分含量不能波动太大，因而需要对干燥的温度进行严格控

28、制。行严格控制。2 2. .被控参数选择被控参数选择： 3 3. .控制控制参数参数的选择的选择 乳液流量乳液流量f1；空气流量；空气流量f2；蒸汽流量；蒸汽流量f31 1、图、图a a 乳液直接进入干燥器，控制通道的滞后最小，对被控温度的乳液直接进入干燥器，控制通道的滞后最小，对被控温度的校正作用最灵敏，而且干扰进入系统的位置远离被控量，所以将乳液校正作用最灵敏，而且干扰进入系统的位置远离被控量，所以将乳液流量作为控制参数应该是最佳的控制方案；但是，由于乳液流量是生流量作为控制参数应该是最佳的控制方案；但是，由于乳液流量是生产负荷，工艺要求必须稳定，若作为控制参数则很难满足工艺要求。产负荷，

29、工艺要求必须稳定，若作为控制参数则很难满足工艺要求。所以，将乳液流量作为控制参数的控制方案应尽可能避免。所以，将乳液流量作为控制参数的控制方案应尽可能避免。2 2、旁路空气量与热风量混合，经风管进入干燥器，它与图、旁路空气量与热风量混合，经风管进入干燥器，它与图b b控制方控制方案相比，控制通道存在一定的纯滞后，对干燥温度校正作用的灵敏案相比，控制通道存在一定的纯滞后，对干燥温度校正作用的灵敏度虽然差一些，但可通过缩短传输管道的长度而减小纯滞后时间。度虽然差一些，但可通过缩短传输管道的长度而减小纯滞后时间。3 3、对图、对图c c所示的控制方案分析可知，蒸汽需经过换热器的热交换，所示的控制方案

30、分析可知，蒸汽需经过换热器的热交换，才能改变空气温度。由于换热器的时间常数较大，而且该方案的控才能改变空气温度。由于换热器的时间常数较大，而且该方案的控制通道既存在容量滞后又存在纯滞后，因而对干燥温度校正作用的制通道既存在容量滞后又存在纯滞后，因而对干燥温度校正作用的灵敏度最差。灵敏度最差。略略1 1、生产安全出发、生产安全出发2 2、保证产品质量、保证产品质量3 3、降低原料、成品、动力耗损来考虑、降低原料、成品、动力耗损来考虑4 4、介质的特点考虑。、介质的特点考虑。直线直线对数对数快开快开生产负荷生产负荷流量流量为保证衰减比为保证衰减比n=4:1n=4:1，有，有00()()0.5cvv

31、K K K Gjw Gjw 00()()()vvK K Gjw GjwC常数不变，则不变，则()vGjw假设假设001/()vKK Gjw212( )( ).(28)( )11OOOKRH SGsQsAR sT s2210101010hhhRqpghCChhhFCghCg 111111OOOT jwT wThF11OT jw212()ppdcVFHGcdt动态平衡系统：12()pFHGc静态平衡系统：生产负荷G发生变化时：22200GGG22010202010()+()pppdcVGcG cdt 两式相减：2001020()ppdcVFHG cdt负荷变化前：2102()ppdcVFHGcdt

32、负荷变化后：220210201022010()+()()()pppppdc VGcGG cdtGcGc 20G，22200GGG利用消去2020dTKGdt0020002010001111(),11 ()11/VTGGGjwG FT jwTT wKGGKF 其中0200( )( )( )( )1KsG sK G sG sT s线性阀门线性阀门测量滞后包括：测量环节的容量滞后和信号测量过程的纯滞后测量滞后包括：测量环节的容量滞后和信号测量过程的纯滞后（1 1）容量滞后）容量滞后211( )11( ),( )( )1mmYsGsYssYsT s221111( )( )111mtTmmYsy tes

33、sT ssT 21( )( )yy t 12122201111( )( )( )lim ()1msmYsyysTssT ss 当（2 2）测量环节的纯滞后）测量环节的纯滞后测量环节的纯滞后和控制通道的纯滞后的影响相同。测量环节的纯滞后和控制通道的纯滞后的影响相同。温度参数和物性参数的测量很容易引入纯滞后，且一般比较大。温度参数和物性参数的测量很容易引入纯滞后，且一般比较大。流量参数的测量滞后一般都比较小。流量参数的测量滞后一般都比较小。信号的传送滞后包括：信号的传送滞后包括： 测量信号传送滞后测量信号传送滞后 控制信号传送滞后控制信号传送滞后对于电号滞后时间常数对于电号滞后时间常数=0对于气动

34、信号对于气动信号481：纯滞后时间纯滞后时间=K1 L时间常数时间常数T=K2L（1）克服测量滞后的办法克服测量滞后的办法1 1、选择惰性小的快速测量元件，以减小时间常数。、选择惰性小的快速测量元件，以减小时间常数。2 2、选择合适的测量点，以减少纯滞后。、选择合适的测量点，以减少纯滞后。3 3、使用微分单元，以克服测量环节的容量滞后。、使用微分单元，以克服测量环节的容量滞后。1mmKT s设测量环节的传递函数为：1DT s微分环节为：通过调整使通过调整使Tm=TD就可完全克服容量滞后。就可完全克服容量滞后。微分环节加入位置分析：两种加入位置微分环节加入位置分析：两种加入位置1、克服干扰效果对

35、比、克服干扰效果对比由方框图有传递函数均为：由方框图有传递函数均为：0( )( )( )1( )( )( )( )( )PDcvmDGsY sF sGs Gs Gs Gs Gs2、设定值变化效果对比、设定值变化效果对比00( )( )( )( )( )1( )( )( )( )( )cvcvmDGs Gs GsY sR sGs Gs Gs Gs Gs1-28结构结构1-29结构结构00( )( )( )( )( )( )1( )( )( )( )( )DcvcvmDGs Gs Gs GsY sR sGs Gs Gs Gs Gs对比两种结构，后一种较前一种多了一个微分单元。对比两种结构，后一种较

36、前一种多了一个微分单元。微分单元的引入可以提高系统微分单元的引入可以提高系统调节速度调节速度，但是会对系统，但是会对系统稳定稳定性性产生影响。尤其是对设定值的改变较为敏感。因此常使用产生影响。尤其是对设定值的改变较为敏感。因此常使用不理想微分环节或者微分先行或者比利先行控制器代替不理想微分环节或者微分先行或者比利先行控制器代替。 被控对象、被控变量、操纵变量、变送装置和控制阀确被控对象、被控变量、操纵变量、变送装置和控制阀确 定之后控制其参数是决定控制系统质量唯一因素。定之后控制其参数是决定控制系统质量唯一因素。 根据对象特性和控制质量要求选择控制器的控制作用确根据对象特性和控制质量要求选择控

37、制器的控制作用确 定控制器的类型。定控制器的类型。系统稳态性能指标系统稳态性能指标= =稳态误差稳态误差= =静态误差静态误差= =余差余差00( )( )( )1( )( )cGsE sF sGs Gs( ),( )1ccGsKF ss00( )vKGss利用终值定理利用终值定理000000( )lim (t)lim( )lim( )1( )( )1tssccGsKesE ssF sGs GsK K彻底消除静差就需要引入积分环节：彻底消除静差就需要引入积分环节：1( )(1)cciGsKT s（1 1）比例放大倍数）比例放大倍数Kc111110()( )( )111tTcKY sy tesT

38、sssT 开路111111110( )1111( )(1)1ccccccKtTcKKTsKY sssKKsTsTy teK （2 2）积分时间）积分时间Ti2111( )11(1)1(1)1icicciiiTTsY ssKTKKssTsT sTTTT020(1)2ciiciKTTTKTT有：(1)2cciKTKT 积分控制作用能消除余差，但降低了系统的稳定性。积分控制作用能消除余差，但降低了系统的稳定性。 Ti愈小，稳定性愈差。愈小，稳定性愈差。（3 3）微分时间）微分时间TD 微分具有超前相角，可缩短过渡过程时间，提微分具有超前相角，可缩短过渡过程时间，提高系统的稳定性，减小动态偏差。高系统

39、的稳定性，减小动态偏差。 但微分作用过大会使系统变得敏感，系统趋于但微分作用过大会使系统变得敏感，系统趋于发散。发散。 一般用于惯性较大或容量滞后较大的对象。一般用于惯性较大或容量滞后较大的对象。(1)(1)、特点：抗干扰能力强，过渡过程时间短，但、特点：抗干扰能力强，过渡过程时间短，但 有余差。有余差。(2)(2)、适用：控制通道滞后较小，负荷变化不大，、适用：控制通道滞后较小，负荷变化不大， 允许被控量在一定范围内变化的系统。允许被控量在一定范围内变化的系统。 控制器的选型应由对象的特性和工艺要求确定。控制器的选型应由对象的特性和工艺要求确定。 1 1、P P控制器的选择控制器的选择2 2

40、、PIPI控制器的选择控制器的选择 (1) (1)、特点：过渡过程结束时无余差，但系统的稳、特点：过渡过程结束时无余差，但系统的稳定性降低。定性降低。 (2) (2)、适用：滞后较小，负荷变化不大，被控量不、适用：滞后较小，负荷变化不大，被控量不允许有余差的控制系统允许有余差的控制系统 。(1)(1)、特点：对克服对象的容量滞后有显著的效果。、特点：对克服对象的容量滞后有显著的效果。(2)(2)、适用：负荷变化大，容量滞后大，控制质量、适用：负荷变化大，容量滞后大，控制质量 要求很高的系统。要求很高的系统。 3 3、PIDPID控制器的选择控制器的选择 控制系统按照设计的要求连好后，检查线路无

41、误，所有仪控制系统按照设计的要求连好后，检查线路无误，所有仪表经过检查符合精度要求并运行正常，则可着手进行控制系统表经过检查符合精度要求并运行正常，则可着手进行控制系统的投运和控制器参数的整定工作。的投运和控制器参数的整定工作。(1)(1)方框图的方框图的“+ +”、“- -”号的判断：号的判断：a a）环节输入增加）环节输入增加输出增加，则此环节方框图为输出增加，则此环节方框图为“+ +”。b b）对于测量环节，输出总是随着测量量的增大而增加，故）对于测量环节，输出总是随着测量量的增大而增加，故测量环节一般为测量环节一般为“+ +”。c c）气开阀符号为）气开阀符号为“+ +”，气闭阀为，气

42、闭阀为“- -”。d)d)控制器正作用符号为控制器正作用符号为“+ +”，发作用为，发作用为“- -”。 原则原则： 手动手动自动状态的无扰动切换。自动状态的无扰动切换。maxmax() 100%exexmaxmax ;.eexx 式中控制器输入的测量范围输入变化量控制器输出的变化全范围输出变化量 1100%.cK 参数整定的方法参数整定的方法: : 1 1、理论整定法、理论整定法: :对数频率特性法、根轨迹法等。对数频率特性法、根轨迹法等。例例025( )(41)(201)G sss要求实现要求实现4:14:1衰减比，求衰减比，求Kp。00( )( )( )( )1( )( )ccGs Gs

43、Y sR sGs Gs01( )( )=0cGs Gs特征方程：280241250pssK 280241250pssK 21,224244 80(125)160pKsj 221( )1sin(),arccos ,11nw tddny tew tww 22( )sin()cos()011nnw tw tndddwwy tew tew t21( )tan()ddy tw tw tk12221331pdnpdntwwtww2211312nnwwee22112nwen1222lnln1nnw取对数：2ln()21nnmw衰减指数221,224412sj 2220nnsw sw1,221sm224ln4

44、24 80(125)24pK1.506pK ( (2) 2) 工程整定法：经验凑试法、临界比例度法、衰减工程整定法：经验凑试法、临界比例度法、衰减曲线法、响应曲线法等。曲线法、响应曲线法等。 经验凑试法经验凑试法整定步骤整定步骤 (1) (1)在纯比例作用下在纯比例作用下 (3)(3)若需引入微分作用若需引入微分作用kT(3)根据根据 K和和TK值，采用表值，采用表1-5中的经验公式，计算中的经验公式，计算 、TI、TD的值。的值。(1)系统在闭环情况下，纯比例作用下投入系统在闭环情况下，纯比例作用下投入(TI= ,TD=0),比例比例度度 适当适当(一般一般 =100%);(2)改变改变 观

45、察输出观察输出y，每次改变，每次改变 需要用设定值重新施加阶跃干需要用设定值重新施加阶跃干扰。若扰。若y呈现衰减振荡，则减小呈现衰减振荡，则减小 继续观察；若继续观察；若y呈现发散振呈现发散振荡，则增大荡，则增大 ；直到出现等幅振荡过程，记下临界比例度；直到出现等幅振荡过程，记下临界比例度 K和临界振荡周期和临界振荡周期TK值。值。二、稳定边界法二、稳定边界法（临界比例度法）是目前工程上应用较广泛的一种控制器参数的是目前工程上应用较广泛的一种控制器参数的整定方法。整定方法。 (4) 按按“先先P后后I最后最后D”的操作程序，将控制器整定参数调的操作程序，将控制器整定参数调整到计算值上。整到计算

46、值上。1、只能用于、只能用于2阶以上系统或者阶以上系统或者1阶带有纯滞后的系统（能够阶带有纯滞后的系统（能够产生等幅振荡）。产生等幅振荡）。2、对于严格控制系统等幅时间等幅时间的系统无法应用。、对于严格控制系统等幅时间等幅时间的系统无法应用。 1.70.13Tk0.85Tk K=20%,(1)控制器控制器 =2 K=220%=40%(2)控制器控制器 =2.2 K=2.220%=44% TI=TK/1.2=1/1.2=0.83min(3)控制器控制器 =1.6 K=1.6 20%=32% TI=0.5TK=0.5 1=0.5min TD=0.25TI=0.25 0.5=0.125min(1)控

47、制器控制器 =2 K=220%=40%(2)控制器控制器 =2.2 K=2.220%=44% TI=TK/1.2=1/1.2=0.83min(3)控制器控制器 =1.6 K=1.6 20%=32% TI=0.5TK=0.5 1=0.5min TD=0.25TI=0.25 0.5=0.125min改变改变 观察输出观察输出y y，每次改变，每次改变 需要用设定值重新施加阶跃干扰。需要用设定值重新施加阶跃干扰。若衰减比大于若衰减比大于4:14:1，则减小，则减小 继续观察；若衰减比小于继续观察；若衰减比小于4:14:1，则，则增大增大 ；直到出现；直到出现4:14:1振荡过程，记下此时的比例振荡过

48、程，记下此时的比例 s s和振荡周和振荡周期期T Ts s值。值。根据根据 s s和和T Ts s ，使用表，使用表1 1- -6 6计算出控制器的各个整定参数值计算出控制器的各个整定参数值。1、只能用于、只能用于2阶以上系统或者阶以上系统或者1阶带有纯滞后的系统（能够产阶带有纯滞后的系统（能够产生等幅振荡）。生等幅振荡）。某温度控制系统，采用某温度控制系统，采用4：1衰减曲线法整定控制器参数，衰减曲线法整定控制器参数，得得 S=20%，TS=10min，当控制器分别为比例作用、比例积分作，当控制器分别为比例作用、比例积分作用、比例积分微分作用时，试求其整定参数值。用、比例积分微分作用时，试求

49、其整定参数值。 应用表应用表1 1- -6 6中的经验公式，可得中的经验公式，可得 (1) (1)控制器控制器 = = S S=20%=20% (2) (2)控制器控制器 =1.2=1.2 S=1.2S=1.2 20%=24%20%=24% T TI I=0.5T=0.5TS S=0.5=0.5 10=5min10=5min (3) (3)控制器控制器 =0.8=0.8 S S=0.8=0.8 20%=16%20%=16% T TI I=0.3T=0.3TS S=0.3=0.3 10=3min10=3min T TD D=0.1T=0.1TS S=0.1=0.1 10=1min10=1min

50、(1) (1) 系统处于开环稳定情况下，手动施加控制器输出一阶跃信号系统处于开环稳定情况下，手动施加控制器输出一阶跃信号p，获取对象的响应曲线，如下图所示。，获取对象的响应曲线，如下图所示。 依据对象的响应曲线依据对象的响应曲线-飞升曲线整定参数，精度更飞升曲线整定参数，精度更高。高。(2)(2)求取广义对象的放大系数求取广义对象的放大系数KoKomaxminmaxminoypKyypp式中式中 y -被控参数测量值的变化量；被控参数测量值的变化量； p -控制器输出的变化量；控制器输出的变化量； ymax-ymin-测量仪表的刻度范围；测量仪表的刻度范围； p-p-控制器输出变化范围。控制器

51、输出变化范围。解：解：2.8 500.561 101.20.560.272.5ooooKKT在某一蒸汽加热器的控制系统中，当电动单元组合控制器的输在某一蒸汽加热器的控制系统中，当电动单元组合控制器的输出从出从6mA改变到改变到7mA时，温度记录仪的指针从时，温度记录仪的指针从85升到升到87.8，从原来的稳定状态达到新的稳定状态。仪表的刻度为从原来的稳定状态达到新的稳定状态。仪表的刻度为50 100，并测出并测出 O=1.2min,TO=2.5min。如采用。如采用PI和和PID控制规律，试确定控制规律，试确定出整定参数。出整定参数。PIPI1 1、确定一阶惯性环节的参数、确定一阶惯性环节的参

52、数( )1oooKGsT s00()(0)yyKx 01oox KT0( )oyx K oT00(1)( )( )1ooxxKR sYsss T s100( )( )(1)otyTooy ty tx KeKx 100011(2)( )( )otTootooytx Keytx KTT0( )oyx K 响应。即响应。即 x(t)=xx(t)=x1 1 (t)+(t)+ x x2 2(t) (t) (见图见图2 2-11-11上上) ) = =x x1 1 (t)-(t)- x x1 1(t-a) (2-20)(t-a) (2-20)则则 y y* *(t)=y(t)-y(t-a)(t)=y(t)

53、-y(t-a)或或 y(t)= yy(t)= y* *(t)(t)y(t-a) (2-21)y(t-a) (2-21)x x2 2a ays=0.45 1.7 3.7 9 19 26.4 36 37.5 33.5 27.2 21 10.4 5.1 2.8 1.1 0.5;ys=0.45 1.7 3.7 9 19 26.4 36 37.5 33.5 27.2 21 10.4 5.1 2.8 1.1 0.5;y=0.45 1.7 3.7 9 19 26.4y=0.45 1.7 3.7 9 19 26.4 36+9 37.5+20 33.5+26.4 27.2+36+9 21+33.5+26.4 3

54、6+9 37.5+20 33.5+26.4 27.2+36+9 21+33.5+26.4 10.4+21+33.5+26.4 5.1+10.4+21+33.5+26.4 2.8+5.1+10.4+21+33.5+26.4 10.4+21+33.5+26.4 5.1+10.4+21+33.5+26.4 2.8+5.1+10.4+21+33.5+26.4 1.1+2.8+5.1+10.4+21+33.5+26.4 0.5+1.1+2.8+5.1+10.4+21+33.5+26.4;1.1+2.8+5.1+10.4+21+33.5+26.4 0.5+1.1+2.8+5.1+10.4+21+33.5+

55、26.4;t=1:16;t=1:16;plot(t,ys,t,y,r)plot(t,ys,t,y,r)1000502oK4.3104.36.7T 第二章第二章 串级控制系统串级控制系统4-1 4-1 概述概述4.24.2 4.34.3 4.44.4 4.54.5 2 2、系统组成、系统组成 加热流量测量温度测量方框图方框图另一实例另一实例常见名词术语常见名词术语4-52 2、干扰来自原料油、干扰来自原料油 (1) (1)、使主、副变量同向变化、使主、副变量同向变化 (2) (2)、使主、副变量反向变化、使主、副变量反向变化 ：副控制器具有副控制器具有“粗调粗调”作用，主控作用，主控制器具有制器

56、具有“细调细调”作用；两者配合，控制质量必高于作用；两者配合，控制质量必高于单回路控制系统。单回路控制系统。 串级控制系统能使等效副对象的时间常数变小，串级控制系统能使等效副对象的时间常数变小，放大系数增大，从而显著提高控制质量。放大系数增大，从而显著提高控制质量。 将整个副回路看成一个副对象，则简化图如图将整个副回路看成一个副对象，则简化图如图4-54-5所示（或下张两图）。所示（或下张两图）。 设干扰从阀前进入。设干扰从阀前进入。 进一步等效进一步等效, ,图图4-64-6。 由于等效副回路时间常数的缩短，系统的工作由于等效副回路时间常数的缩短，系统的工作频率提高了（可使振荡周期缩短）。频

57、率提高了（可使振荡周期缩短）。 通过对串级和单回路控制系统特征方程的分析通过对串级和单回路控制系统特征方程的分析( (P P1811812 2) )，可知可知: :。212111KK) s (F/ ) s (Y) s (X/ ) s (Y 当被控对象纯滞后时间较长时，在离控制阀较近、当被控对象纯滞后时间较长时，在离控制阀较近、纯滞后时间较小的地方选择一个副变量，把干扰拉入副纯滞后时间较小的地方选择一个副变量，把干扰拉入副回路。回路。 利用副回路的超前作用来克服对象的纯滞后仅仅是利用副回路的超前作用来克服对象的纯滞后仅仅是对二次干扰而言的，一次干扰不直接影响副变量。对二次干扰而言的，一次干扰不直

58、接影响副变量。 例例 如下图所示：如下图所示： 容量滞后会使被控对象反应迟钝，超调大，过渡容量滞后会使被控对象反应迟钝，超调大，过渡过程长。过程长。 以温度或质量作为被控量的控制对象，其容量滞以温度或质量作为被控量的控制对象，其容量滞后往往比较大，致使控制质量变差。后往往比较大，致使控制质量变差。 对象容量滞后大、干扰复杂的情况下，串级控制对象容量滞后大、干扰复杂的情况下，串级控制系统的使用最为普遍，效果较好。系统的使用最为普遍，效果较好。 此时应选择一个滞后较小的辅助变量组成副回路。此时应选择一个滞后较小的辅助变量组成副回路。 副环的时间常数不能过大，以防共振；也不能过副环的时间常数不能过大

59、，以防共振；也不能过小，力求多包含一些干扰。小，力求多包含一些干扰。 如下张图：如下张图： 串级控制系统对二次串级控制系统对二次干扰具有很强的克服能干扰具有很强的克服能力。力。 设计时应把变化剧设计时应把变化剧烈、幅值大的干扰包含烈、幅值大的干扰包含在副回路中。在副回路中。 副回路放大系数应大副回路放大系数应大些，会使抗干扰能力大些，会使抗干扰能力大大提高。大提高。 如下如下，脱，脱气塔的压力对主控指标气塔的压力对主控指标( (液位液位) )影响很大，甚至影响很大，甚至造成溢出或打干的事故，造成溢出或打干的事故，是主干扰，串级控制后是主干扰，串级控制后效果很好。效果很好。 主变量主变量( (操

60、纵量操纵量) )的选择原则主要有：的选择原则主要有： (1) (1)、条件允许时选质量指标作为主变量。、条件允许时选质量指标作为主变量。 ( (二二) )、副回路应包括尽可能多的扰动。、副回路应包括尽可能多的扰动。 前已述及，应将变化最剧烈、幅度最大、最频前已述及，应将变化最剧烈、幅度最大、最频繁的扰动包括在副回路中。繁的扰动包括在副回路中。 研究系统的干扰来源是十分重要的。如前述的研究系统的干扰来源是十分重要的。如前述的管式加热炉，主扰动为然油压力还是然油热值，则副管式加热炉，主扰动为然油压力还是然油热值，则副回路的选择大不相同。回路的选择大不相同。( (三三) )、主、副对象的时间常数要匹