吉林大学过程控制-9简单控制课件

过程控制及仪表吉林大学通信学院1过程控制及仪表吉林大学通简单控制系统设计概述简单控制系统是只对一个被控参数进行控制的单回路闭环控制系统。是最基本的过程控制系统。是构成复杂过程控制系统的基础。典型结构框图如下：2简单控制系统设计概述简单控制系统是只对一个被控参数控制系统设计的任务及其开发步骤简单过程控制系统主要由被控过程、过程检测和控制仪表组成过程控制系统设计的主要任务就在于如何确定合理的控制方案、选择正确的参数检测方法与检测仪表以及过程控制仪表的选型和调节器的参数整定等等过程控制系统开发的主要步骤叙述如下：

1．熟悉控制系统的技术要求或性能指标2．建立控制系统的数学模型3．确定控制方案4．根据系统的动态和静态特性进行分析与综合5．系统仿真与实验研究

6．工程化设计7．工程安装

8．控制器的参数调整

3控制系统设计的任务及其开发步骤简单过程控制系统主要由被控过一个简单控制系统开发设计的全过程如右图所示4一个简单控制系统开发设计的全过程如右图所示4设计中需要注意的有关问题

1．认真熟悉过程特性

2．明确各生产环节之间的约束关系

3．重视对测量信号的预处理

4．注意系统的安全保护

总之，控制系统的设计是一件细致而又复杂的工作，对具体的过程控制系统设计者而言，只有通过认真调查研究，熟悉各个生产工艺过程，具体问题具体分析，才能获得预期的效果。5设计中需要注意的有关问题1．认真熟悉过程特性2．明确各控制方案的确定控制方案的确定主要包括系统被控参数的选择、测量信息的获取及变送、控制参数的选择、调节规律的选取、调节阀（执行器）的选择和调节器正、反作用的确定等内容。

被控参数的选取

被控参数的选取对于提高产品质量、安全生产以及生产过程的经济运行等都具有决定性的意义。这里给出被控参数选取的一般性原则：1）对于具体的生产过程，应尽可能选取对产品质量和产量、安全生产、经济运行以及环境保护等具有决定性作用的、可直接参数作为被控参数。6控制方案的确定控制方案的确定主要包括系统被控参2）当难以用直接参数作为被控参数时，应选取与直接参数有单值函数关系的所谓间接参数作为被控参数。3）当采用间接参数时，该参数对产品质量应具有足够高的控制灵敏度，否则难以保证对产品质量的控制效果。4）被控参数的选取还应考虑工艺上的合理性和所用测量仪表的性能、价格、售后服务等因素。对于一个已经运行的生产过程，被控参数往往是由工艺要求事先确定的。72）当难以用直接参数作为被控参数时，应选取与直接3）当采用间控制参数的选择

过程特性对控制质量的影响1.干扰通道特性对控制质量的影响对于简单过程控制系统，可求得系统输出与干扰之间的传递函数为假设为一单容过程，其传递函数为则：则：(式1)(式2)若单容过程具有纯时延时间(式3)8控制参数的选择过程特性对控制质量的影响1.干扰通道特(2)干扰通道的影响由式2可知，为惯性环节，对干扰具有“滤波”作用，越大，“滤波”效果越明显，因此干扰通道的时间常数越大，干扰对被控参数的动态影响就越小，因而越有利于系统控制质量的提高。(3)干扰通道的影响由式3可知，的存在，仅仅使干扰引起的输出推迟了一段时间因此，的存在并不影响系统的控制质量。(1)干扰通道的影响

越大干扰输出越大。9(2)干扰通道的影响由式2可知，为惯性环节，对干扰将式4与式2相比，多了一个滤波项。这表明干扰多经过一次滤波才对被控参数产生动态影响。从动态看，这对提高系统的抗干扰性能是有利的。因此干扰进入系统的位置越远离被控参数，对系统的动态控制质量越有利。但从静态看，这会使干扰引起被控参数偏离给定值的偏差相对增大，这对系统的控制品质又是不利的。因此需要权衡它们的利弊。假定不是在之后，而是在之前进入系统，则有(4)干扰进入系统位置的影响(式4)10将式4与式2相比，多了一个滤波项。这表明干扰多经过一次滤波才2.控制通道特性对控制质量的影响112.控制通道特性对控制质量的影响112.控制通道特性对控制质量的影响(1)控制通道的影响在调节器增益一定的条件下，当控制通道静态增益越大时，则控制作用越强，克服干扰的能力也越强，系统的稳态误差就越小；与此同时，当，被控参数对控制作用的反应就越灵敏，响应越迅速。但是，当调节器静态增越大益一定越大时，系统的开环增益也越大，这对系统的闭环稳定性是不利的。因此，在系统设计时，应综合考虑系统的稳定性、快速性和稳态误差三方面的要求。(2)控制通道的影响如果控制通道的时间常数太大，则调节器对被控参数变化的调节作用就不够及时，系统的过渡过程时间就会延长，最终导致控制质量下降；但当太小，则调节过程又过于灵敏，容易引起振荡，同样难以保证控制质量。在系统设计时，应使控制通道的时间常数既不能太大也不能太小。122.控制通道特性对控制质量的影响(1)控制通道的影(3)控制通道纯滞后时间

的影响控制通道的纯滞后，都会使系统的动态偏差增大，超调量增加，最终导致控制质量下降。从系统的频率特性分析，控制通道纯滞后的存在，会增加开环频率特性的相角滞后，导致系统的稳定性降低。因此，应减小控制通道的纯滞后，以利于提高系统的控制质量。造成系统滞后的主要原因有：被测对象滞后：测量点不能及时反映参数的变化。存在容积滞后和/或传递滞后。检测元件滞后：因热容、热阻等惯性因素的影响，导致检测仪表的输出不能及时反映参数的变化。信号传递滞后：主要是气动信号传递较慢导致系统反映滞后。13(3)控制通道纯滞后时间的影响控制通道的纯滞后，都会使系(4)控制通道时间常数匹配的影响实际生产过程中，广义被控过程可近似看成由几个一阶惯性环节串联而成。以三阶为例相应的临界稳定增益为的大小完全取决于三个时间常数的相对比值可以证明：时间常数相差越大，临界稳定的增益则越大，这对系统的稳定性是有利的。

也就是说：在保持稳定性相同的情况下，时间常数错开得越多，系统开环增益就允许增大得越多，因而对系统的控制质量就越有利。系统传函为：14(4)控制通道时间常数匹配的影响实际生产过程中，广义被控控制参数的确定简单控制系统控制参数选择的一般性原则如下：1)选择结果应使控制通道的静态增益

尽可能大，时间常数选择适当。2)控制通道的纯时延时间

应尽可能小,和的比值一般应小于0.3。3)干扰通道的静态增益

应尽可能小；时间常数应尽可能大，其个数尽可能多；扰动进入系统的位置应尽可能远离被控参数而靠近调节阀。这样选择对抑制扰动对被控参数的影响均有利。4)当广义被控过程由几个一阶惯性环节串联而成时，应尽量设法使几个时间常数中的最大与最小的比值尽可能大，以便尽可能提高系统的可控性。5)在确定控制参数时，还应考虑工艺操作的合理性、可行性与经济性等因素15控制参数的确定简单控制系统控制参数选择的一般性原则如下：调节规律对调节质量的影响及其选择

16调节规律对调节质量的影响及其选择16调节规律对调节质量的影响及其选择

调节规律对调节质量的影响

1．比例（P）调节规律的影响调节器的输出信号u与输入偏差信号e成比例关系：其中，u为调节器的输出，e为调节器的输入，为比例增益。

在电动单元组合仪表中，习惯用比例增益的倒数表示调节器输入与输出之间的比例关系称比例带

当被控对象为惯性特性时，单纯比例调节有如下结论：

1)比例调节是一种有差调节。2)比例调节系统的稳态误差随比例带的增大而增大，若要减小误差，则要减小比例带，即需要增大调节器的放大倍数这样往往会降低系统稳定性。17调节规律对调节质量的影响及其选择调节规律对调节质量的影3)对于惯性过程，当给定值不变时，采用比例调节，只能使被控参数对给定值实现有差跟踪；当给定值随时间变化时，其跟误差将会随时间的增大而增大。因此，比例调节不适用于给定值随时间变化的系统。4)增大比例调节的增益不仅可以减小系统稳态误差，而且还可以加快系统的响应速度对下图的比例调节作用于一阶惯性过程进行分析：比例（P）调节规律的影响183)对于惯性过程，对下图的比例调节作用于一阶惯性过程进行分系统传函这里与相比，减小了倍，越大，减小得越多，说明过程的惯性越小，因而响应速度加快。但的增大则会使系统的稳定性下降。19系统传函这里与相比，减小了倍，越大，减小得越多，说明过程2.积分（I）调节规律的影响在积分调节中，调节器的输出信号u与输入偏差信号e的积分成正比关系:积分调节可得如下结论：

1)采用积分调节可以提高系统的无差度，也即提高系统的稳态控制精度。2)与比例调节相比，积分调节的过渡过程变化相对缓慢，系统的稳定性变差。实际应用中，通常将积分调节和比例调节二者结合起来，组成所谓的PI调节器。PI调节器的传递函数为PI调节器的阶跃响应曲线如右图202.积分（I）调节规律的影响在积分调节中，调节器的输出信号u

PI调节是将比例调节的快速反应与积分调节的消除稳态误差功能相结合，从而能收到比较好的控制效果。由于PI调节给系统增加了相位滞后，与单纯比例调节相比，PI调节的稳定性相对变差。另外一个缺点，即只要偏差不为零，调节器就会不停地积分使输出增加（或减小），从而导致调节器输出进入深度饱和，调节器失去调节作用。因此，采用积分规律的调节器一定要防止积分饱和。

3.微分（D）调节规律的影响微分调节可以预测偏差的变化趋势，微分调节器的输入/输出关系为21PI调节是将比例调节的快速反应与积分调节的但微分时间的选择，对系统质量的影响具有两面性。

当微分时间较小时，增加微分时间可以减小偏差，缩短响应时间，减小振荡程度，从而能改善系统的质量；当微分时间较大时，一方面有可能将测量噪声放大，另一方面也可能使系统响应产生振荡。还要说明的是：单纯的微分调节器是不能工作的。

微分调节器的输出与系统被调量偏差的变化率成正比。由于变化率能反映系统被调量的变化趋势，因此，微分调节不是等被调量出现偏差之后才动作，而是根据变化趋势提前动作。

22但微分时间的选择，对系统质量的影响具有两面性。4.PD调节规律的影响

PD调节器的调节规律为:微分时间运用控制理论的知识分析PD调节规律，可以得出以下结论：1）PD调节也是有差调节。这是因为在稳态情况下，为零，微分部分不起作用，PD调节变成了P调节。2）PD调节能提高系统的稳定性、抑制过渡过程的动态偏差（或超调）。3）PD调节有利于减小系统静差（稳态误差）、提高系统的响应速度。4）PD调节的不足：首先，PD调节一般只适用于时间常数较大或多容过程；不适用于流量、压力等一些变化剧烈的过程。其次，当微分作用太强较大时，会导致系统中调节阀的频繁开启，容易造成系统振荡。234.PD调节规律的影响PD调节器的调节规律为:微分时间5.PID调节规律的影响PID调节器的调节规律为:其相应的传递函数为:PID是比例、积分、微分调节规律的线性组合，它吸取了比例调节的快速反应功能、积分调节的消除误差功能以及微分调节的预测功能等优点而弥补了三者的足，是一种比较理想的复合调节规律。从控制理论的观点分析可知，与PD相比，PID提高了系统的无差度；与PI相比，PID多了一个零点，为动态性能的改善提供了可能。因此，PID兼顾了静态和动态两方面的控制要求，因而能取得较为满意的调节效果。245.PID调节规律的影响PID调节器的调节规律为:其相应控制系统在不同调节作用下的典型响应如下：

可以看到，如果不加控制，过程将缓慢地到达一个新的稳态值；当采用比例控制后，则加快了过程的响应，并减小了稳态误差；当加入积分控制作用后，则消除了稳态误差，但却容易使过程产生振荡；在增加微分作用以后则可以减小振荡的程度和响应时间。虽然PID调节器的调节效果比较理想，但是PID调节器要整定三个参数才能使系统整定得最佳。25控制系统在不同调节作用下的典型响应如下：可以看到，如果不加调节规律的选择

1)当广义过程控制通道时间常数较大或容积迟延较大时，应引入微分调节；当工艺容许有静差时，应选用PD调节；当工艺要求无静差时，应选用PID调节；2)当广义过程控制通道时间常数较小、负荷变化不大、且工艺要求允许有静差时，应选用P调节。储罐压力，液位3)当广义过程控制通道时间常数较小，负荷变化不大，但工艺要求无静差时，应选用PI调节。管道压力和流量26调节规律的选择1)当广义过程控制通道时间常数较大或容积迟4)当广义过程控制通道时间常数很大、且纯滞后也较大、负荷变化剧烈时，简单控制系统则难以满足工艺要求，应采用其他控制方案；

5)若将广义过程的传递函数表示为时，的比值来选择调节规律：时，可选用P或PI调节规律；时，可选用PID调节规律；时，应采用其他控制方式。串级、前馈加反馈。调节规律的选择

则可根据①当②当③当274)当广义过程控制通道时间常数很大、且纯滞后也较大、负荷变执行器的选择

1.执行器的选型：使用最多的是气动执行器，其次是电动执行器2.气动执行器气开、气关的选择

气动执行器分气开、气关两种形式，它的选择首先应根据调节器输出信号为零（气源中断）时使生产处于安全状态的原则确定，同时考虑节能、操作性。如阀门在信号中断后处于打开位置，流体不中断最安全，则选用气关阀；如果阀门在信号压力中断后处于关闭位置，流体不通过最安全，则选用气开阀。例如，加热炉的燃料气或燃料油管路上的调节阀，应选用气开阀，当信号中断后，阀自动关闭，燃料被切断，以免炉温过高而发生事故；又例如锅炉进水管路上的调节阀，应选用气关阀，当信号中断后，阀自动打开，仍然向锅炉内送水，可避免锅炉烧坏。28执行器的选择1.执行器的选型：使用最多的是气动执行器，其执行器的选择

3.调节阀尺寸的选择

调节阀的尺寸主要指调节阀的开度和口径，在正常工况下一般要求调节阀开度应处于15%-85%之间。

4.调节阀流量特性的选择

通过选择调节阀的非线性流量特性来补偿被控过程的非线性特性，以达到系统总的放大倍数近似线性的目的过小：大扰动时非线性饱和，失控。过大：处于小开度，阀芯冲蚀严重；不平衡力产生振荡29执行器的选择3.调节阀尺寸的选择调节阀的尺寸主要指调节调节器正/反作用方式的选择把被控过程和调节器分为正作用与反作用两种类型名称正负正作用被控过程的静态增益正正作用调节器的静态增益

负气开式调节阀的静态增益正测量变送环节的静态增益正各类增益符号的选择：首先根据生产工艺要求及安全等原则确定调节阀的气开、气关形式，以确定调节器正反作用类型的确定方法：的正负；然后根据被控过程特性确定其属于正、反类型，确定的正负；最后根据系统开环传递函数中各环节静态增益的乘积必须为正这一原则确定调节器正负，进而确定调节器的正反作用类型。确定各调节器正负的基本原则构成系统开环传递函数静态增益的乘积必须为正为正30调节器正/反作用方式的选择把被控过程和调节器分为正作用与反作调节器的参数整定调节器参数整定的任务是根据被控过程的特性，确定PID调节器的比例度

、积分时间以及微分时间

的大小。在简单过程控制系统中，调节器的参数整定通常以系统瞬态响应的衰减率

有一定的稳定裕量。另外还应满足偏差（或超调量）和过渡过程时间等其它指标。

参数整定的方法可以分为三类，即理论计算整定法、工程整定法和自整定法为主要指标，以保证系统具系统稳态误差、最大动态31调节器的参数整定调节器参数整定的任务是根据被控过程的特性，确理论计算整定法主要是依据系统的数学模型，采用控制理论中的根轨迹法、频率特性法、对数频率特性法、扩充频率特性法等，经过理论计算确定调节器参数的数值。这种方法只有理论指导意义。工程整定法主要是依靠工程经验，直接在过程控制系统的实际运行中进行。自整定法是对一个正在运行中的控制系统特别是设定值改变的控制系统,进行自动整定控制回路中的PID参数。32理论计算整定法主要是依据系统的数学模型，采用控调节器参数整定的理论基础1.控制系统的稳定性与衰减指数简单控制系统，在干扰作用下，闭环控制系统的传递函数为闭环系统特征方程一般形式为各系数由广义对象的特性和调节器的整定参数所确定。调节器参数整定的实质就是选择合适的调节器参数，使其闭环控制系统的特征方程的每一个根都能满足稳定性的要求。33调节器参数整定的理论基础1.控制系统的稳定性与衰减指数调节器参数整定的理论基础1.控制系统的稳定性与衰减指数作用下，闭环控制系统的传递函数为具体分析如下如果特征方程有一个实根()，其通解为非周期变化过程，时，其幅值越来越小，最终趋于0；时，其幅值越来越大,系统不稳定。如果特征方程有一对共轭复根()，则通解为振荡过程，当时,呈发散振荡,系统不稳定；时,呈等幅振荡。当当当34调节器参数整定的理论基础1.控制系统的稳定性与衰减指数对于稳定的振荡分量，假定在时到达第一个峰值经过一个振荡周期，时，又到达第二个峰值。由衰减率定义可知其中衰减指数ｍ为为与之比如图35对于稳定的振荡分量，假定在时到达第一个峰值经过一个振荡周其中衰减指数ｍ为与之比衰减指数与衰减率的关系如下表00.1500.3000.4500.6000.7500.9000.950……00.0260.0570.0950.1450.2210.3660.478……总之，调节器的参数整定，就是通过选择调节器的参数比例度、积分时间以及微分时间的大小，使特征方程所有实根与所有复根的实数部分均为负数，从而保证系统是稳定的；另外还要满足衰减指数m在0.221-0.366之间，以满足衰减率在0.75-0.9的要求。36其中衰减指数ｍ为与之比衰减指数与衰减率的关系如下表00.1２.控制系统的稳定裕量稳定裕量可以用衰减率或衰减指数m的大小来表征。它们和阻尼系数有一一对应的关系：通过上式可以得出以下结论：为了保证系统的过渡过程具有一定的稳定裕量，就要使闭环系统的特征根具有一定的衰减指数当复根的实部相同时，即系统到达稳定状态所需的过渡时间也相同。系统过渡过程时间为系统的最大动态偏差也与衰减指数m有关综上所述，无论是控制系统的稳定性、稳定裕量，还是控制系统的快速性、准确性均与系统的衰减率或衰减指数有关。所以，调节器参数整定的实质就是通过选择合适的调节器参数，以达到规定的衰减率或衰减指数，从而最终保证系统的控制质量。37２.控制系统的稳定裕量稳定裕量可以用衰减率或衰减指数m的调节器参数的工程整定临界比例度法

：是直接在闭环系统中进行，不需要测试过程的动态特性具体步骤：1.调节器的积分时间置最大，微分时间置零，比例度置较大数值2.等系统运行稳定后，对设定值施加一个阶跃变化，并减小直到出现下图所示的等幅振荡曲线为止。记录下此时的临界比例度和等幅振荡周期3.按下表的经验公式计算出调节器的锅炉给水系统和燃烧控制系，不允许振荡；大惯性环节不产生振荡38调节器参数的工程整定临界比例度法：是直接在闭环系统中进行2．衰减曲线法

衰减曲线法的做法与临界比例法类似。不同的是在改变比例度，观察衰减比。当衰减比为4:1的振荡过程，或10:1的振荡过程，如下图。记录下此时的及衰减振荡周期或者输出响应的上升时间。然后对比下表经验公式计算：以衰减曲线法对多数过程都适用。缺点：较难准确确定4:1（或10:1）的衰减程度。对于一些干扰比较频繁、过程变化较快的控制系统，如管道动、流量等控制系统不宜采用此法。392．衰减曲线法衰减曲线法的做法与临界比例法类似。不同的是在3．反应曲线法（动态特性参数法）反应曲线法是利用系统广义过程的阶跃响应曲线对调节器参数进行整定。具体做法先使系统处于开环状态，在输入端施加一个阶跃信号，记录下测量变送环节的输出响应曲线

1）对于无自衡能力的广义被控过程，传递函数可写为单位阶跃响应，系统中各参数的意义如右图根据阶跃响应曲线求得广义被控过程的传递函数后根据下表的经验公式计算调节器的参数。403．反应曲线法（动态特性参数法）反应曲线法是利用系统广义过２）对于有自衡能力的广义被控过程，传递函数可写为若是单位阶跃响应，系统中各参数的意义如下图根据阶跃响应曲线求得广义被控过程的传递函数后据下表经验公式计算调节器的参数。4．三种工程整定方法的比较41２）对于有自衡能力的广义被控若是单位阶跃响应，系统中各参数的单回路控制系统设计实例

干燥过程的控制系统设计

乳化物干燥过程示意图工艺要求：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由于需要蒸发掉乳液中的水分，使之成为粉状物，并随湿空气一起送出进行分离。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行严格控制。试验证明，若温度波动在±2℃以内，则产品质量符合要求。42单回路控制系统设计实例干燥过程的控制系统设计乳化物方案设计与参数整定1.被控参数与控制参数的选择1）被控参数的选择根据生产工艺，水分含量与干燥温度密切相关。选用干燥的温度为被控参数，水分与温度一一对应。将温度控制在一定数值上。2）控制参数的选择经过对装置的分析，可知影响干燥器温度的因素有乳液流量

旁路空气流量和加热蒸汽流量任选一个作控制参数，均可构成温度控制系统。43方案设计与参数整定1.被控参数与控制参数的选择1）被控旁路风量为控制参数时的系统框图：加热蒸汽流量乳液流量分析可知：旁路空气量与热风量混合，经风管进入干燥器，与选取乳液流量为控制参数相比虽然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。为三个方案中最适宜的

44旁路风量为控制参数时的系统框图：加热蒸汽流量乳液流量分析可知2．仪表的选择选用DDZ-Ⅲ型仪表，具体过程如下：1）测温元件及变送器的选择 选用热电阻温度计。采用三线制接法，并配用温度变送器。2）调节阀的选择选用气关式调节阀；根据过程特性与控制要求选用对数流量特性的调节阀3）调节器的选择选用PI或PID控制规律。由于调节阀为气关式，故为负；当给被控过程输入的空气量增加时，干燥器的温度降低，故为负；测量变送器的通常为正。为使整个系统中各环节静态放大系数的乘积为正，则调节器的应为正，故选用反作用调节器。3．温度控制原理图及其系统框图4.调节器的参数整定可按前面介绍的任何一种整定方法对调节器的参数进行整定。452．仪表的选择选用DDZ-Ⅲ型仪表，具体过程如下：1）测温贮槽液位过程控制系统的设计生产工艺：要求贮槽内的液位常常需要维持在某个设定值上，或只允许在某一小范围内变化。同时，为确保生产过程的安全，还要绝对保证液体不产生溢出。液体贮槽图：方案设计与参数整定1.被控参数的选择根据工艺要求，选择贮槽的液位为直接被控参数2.控制参数的选择影响贮槽液位的参数有两个，一个是液体的流入量，一个是液体的流出量这两个参数对被控参数的影响一样，但从保证液体不产生溢出的要求考虑，选择液体的流入量作为控制参数则更为合理。3.测控仪表的选择1）测量元件及变送器的选择选用差压式传感器与DDZ-Ⅲ型差压式变送器以实现贮槽液位的测量和变送46贮槽液位过程控制系统的设计生产工艺：要求贮槽内的液位常常需2）调节阀的选择选用气开式调节阀，由于贮槽是单容特性，故选用对数流量特性的调节阀即可3）调节器的选择选用P或PI调节规律均可。当液体流入量增加时，液位输出亦增加，故为正作用过程，为正；因调节阀选为气开式，也为正；测量变送环节的都为正。因此，根据单回路系统的各部分增益乘积应为正的原则，调节器的一般应为正，即为反作用方式的调节器。液位贮槽控制系统原理图4.调节器参数整定这是一个简单的单容过程，宜采用反应曲线法进行调节器的参数整定而不宜采用临界比例度法或衰减曲线法进行参数整定。472）调节阀的选择选用气开式调节阀，由于贮槽是单容特性，故END48END48

过程控制及仪表吉林大学通信学院49过程控制及仪表吉林大学通简单控制系统设计概述简单控制系统是只对一个被控参数进行控制的单回路闭环控制系统。是最基本的过程控制系统。是构成复杂过程控制系统的基础。典型结构框图如下：50简单控制系统设计概述简单控制系统是只对一个被控参数控制系统设计的任务及其开发步骤简单过程控制系统主要由被控过程、过程检测和控制仪表组成过程控制系统设计的主要任务就在于如何确定合理的控制方案、选择正确的参数检测方法与检测仪表以及过程控制仪表的选型和调节器的参数整定等等过程控制系统开发的主要步骤叙述如下：

1．熟悉控制系统的技术要求或性能指标2．建立控制系统的数学模型3．确定控制方案4．根据系统的动态和静态特性进行分析与综合5．系统仿真与实验研究

6．工程化设计7．工程安装

8．控制器的参数调整

51控制系统设计的任务及其开发步骤简单过程控制系统主要由被控过一个简单控制系统开发设计的全过程如右图所示52一个简单控制系统开发设计的全过程如右图所示4设计中需要注意的有关问题

1．认真熟悉过程特性

2．明确各生产环节之间的约束关系

3．重视对测量信号的预处理

4．注意系统的安全保护

总之，控制系统的设计是一件细致而又复杂的工作，对具体的过程控制系统设计者而言，只有通过认真调查研究，熟悉各个生产工艺过程，具体问题具体分析，才能获得预期的效果。53设计中需要注意的有关问题1．认真熟悉过程特性2．明确各控制方案的确定控制方案的确定主要包括系统被控参数的选择、测量信息的获取及变送、控制参数的选择、调节规律的选取、调节阀（执行器）的选择和调节器正、反作用的确定等内容。

被控参数的选取

被控参数的选取对于提高产品质量、安全生产以及生产过程的经济运行等都具有决定性的意义。这里给出被控参数选取的一般性原则：1）对于具体的生产过程，应尽可能选取对产品质量和产量、安全生产、经济运行以及环境保护等具有决定性作用的、可直接参数作为被控参数。54控制方案的确定控制方案的确定主要包括系统被控参2）当难以用直接参数作为被控参数时，应选取与直接参数有单值函数关系的所谓间接参数作为被控参数。3）当采用间接参数时，该参数对产品质量应具有足够高的控制灵敏度，否则难以保证对产品质量的控制效果。4）被控参数的选取还应考虑工艺上的合理性和所用测量仪表的性能、价格、售后服务等因素。对于一个已经运行的生产过程，被控参数往往是由工艺要求事先确定的。552）当难以用直接参数作为被控参数时，应选取与直接3）当采用间控制参数的选择

过程特性对控制质量的影响1.干扰通道特性对控制质量的影响对于简单过程控制系统，可求得系统输出与干扰之间的传递函数为假设为一单容过程，其传递函数为则：则：(式1)(式2)若单容过程具有纯时延时间(式3)56控制参数的选择过程特性对控制质量的影响1.干扰通道特(2)干扰通道的影响由式2可知，为惯性环节，对干扰具有“滤波”作用，越大，“滤波”效果越明显，因此干扰通道的时间常数越大，干扰对被控参数的动态影响就越小，因而越有利于系统控制质量的提高。(3)干扰通道的影响由式3可知，的存在，仅仅使干扰引起的输出推迟了一段时间因此，的存在并不影响系统的控制质量。(1)干扰通道的影响

越大干扰输出越大。57(2)干扰通道的影响由式2可知，为惯性环节，对干扰将式4与式2相比，多了一个滤波项。这表明干扰多经过一次滤波才对被控参数产生动态影响。从动态看，这对提高系统的抗干扰性能是有利的。因此干扰进入系统的位置越远离被控参数，对系统的动态控制质量越有利。但从静态看，这会使干扰引起被控参数偏离给定值的偏差相对增大，这对系统的控制品质又是不利的。因此需要权衡它们的利弊。假定不是在之后，而是在之前进入系统，则有(4)干扰进入系统位置的影响(式4)58将式4与式2相比，多了一个滤波项。这表明干扰多经过一次滤波才2.控制通道特性对控制质量的影响592.控制通道特性对控制质量的影响112.控制通道特性对控制质量的影响(1)控制通道的影响在调节器增益一定的条件下，当控制通道静态增益越大时，则控制作用越强，克服干扰的能力也越强，系统的稳态误差就越小；与此同时，当，被控参数对控制作用的反应就越灵敏，响应越迅速。但是，当调节器静态增越大益一定越大时，系统的开环增益也越大，这对系统的闭环稳定性是不利的。因此，在系统设计时，应综合考虑系统的稳定性、快速性和稳态误差三方面的要求。(2)控制通道的影响如果控制通道的时间常数太大，则调节器对被控参数变化的调节作用就不够及时，系统的过渡过程时间就会延长，最终导致控制质量下降；但当太小，则调节过程又过于灵敏，容易引起振荡，同样难以保证控制质量。在系统设计时，应使控制通道的时间常数既不能太大也不能太小。602.控制通道特性对控制质量的影响(1)控制通道的影(3)控制通道纯滞后时间

的影响控制通道的纯滞后，都会使系统的动态偏差增大，超调量增加，最终导致控制质量下降。从系统的频率特性分析，控制通道纯滞后的存在，会增加开环频率特性的相角滞后，导致系统的稳定性降低。因此，应减小控制通道的纯滞后，以利于提高系统的控制质量。造成系统滞后的主要原因有：被测对象滞后：测量点不能及时反映参数的变化。存在容积滞后和/或传递滞后。检测元件滞后：因热容、热阻等惯性因素的影响，导致检测仪表的输出不能及时反映参数的变化。信号传递滞后：主要是气动信号传递较慢导致系统反映滞后。61(3)控制通道纯滞后时间的影响控制通道的纯滞后，都会使系(4)控制通道时间常数匹配的影响实际生产过程中，广义被控过程可近似看成由几个一阶惯性环节串联而成。以三阶为例相应的临界稳定增益为的大小完全取决于三个时间常数的相对比值可以证明：时间常数相差越大，临界稳定的增益则越大，这对系统的稳定性是有利的。

也就是说：在保持稳定性相同的情况下，时间常数错开得越多，系统开环增益就允许增大得越多，因而对系统的控制质量就越有利。系统传函为：62(4)控制通道时间常数匹配的影响实际生产过程中，广义被控控制参数的确定简单控制系统控制参数选择的一般性原则如下：1)选择结果应使控制通道的静态增益

尽可能大，时间常数选择适当。2)控制通道的纯时延时间

应尽可能小,和的比值一般应小于0.3。3)干扰通道的静态增益

应尽可能小；时间常数应尽可能大，其个数尽可能多；扰动进入系统的位置应尽可能远离被控参数而靠近调节阀。这样选择对抑制扰动对被控参数的影响均有利。4)当广义被控过程由几个一阶惯性环节串联而成时，应尽量设法使几个时间常数中的最大与最小的比值尽可能大，以便尽可能提高系统的可控性。5)在确定控制参数时，还应考虑工艺操作的合理性、可行性与经济性等因素63控制参数的确定简单控制系统控制参数选择的一般性原则如下：调节规律对调节质量的影响及其选择

64调节规律对调节质量的影响及其选择16调节规律对调节质量的影响及其选择

调节规律对调节质量的影响

1．比例（P）调节规律的影响调节器的输出信号u与输入偏差信号e成比例关系：其中，u为调节器的输出，e为调节器的输入，为比例增益。

在电动单元组合仪表中，习惯用比例增益的倒数表示调节器输入与输出之间的比例关系称比例带

当被控对象为惯性特性时，单纯比例调节有如下结论：

1)比例调节是一种有差调节。2)比例调节系统的稳态误差随比例带的增大而增大，若要减小误差，则要减小比例带，即需要增大调节器的放大倍数这样往往会降低系统稳定性。65调节规律对调节质量的影响及其选择调节规律对调节质量的影3)对于惯性过程，当给定值不变时，采用比例调节，只能使被控参数对给定值实现有差跟踪；当给定值随时间变化时，其跟误差将会随时间的增大而增大。因此，比例调节不适用于给定值随时间变化的系统。4)增大比例调节的增益不仅可以减小系统稳态误差，而且还可以加快系统的响应速度对下图的比例调节作用于一阶惯性过程进行分析：比例（P）调节规律的影响663)对于惯性过程，对下图的比例调节作用于一阶惯性过程进行分系统传函这里与相比，减小了倍，越大，减小得越多，说明过程的惯性越小，因而响应速度加快。但的增大则会使系统的稳定性下降。67系统传函这里与相比，减小了倍，越大，减小得越多，说明过程2.积分（I）调节规律的影响在积分调节中，调节器的输出信号u与输入偏差信号e的积分成正比关系:积分调节可得如下结论：

1)采用积分调节可以提高系统的无差度，也即提高系统的稳态控制精度。2)与比例调节相比，积分调节的过渡过程变化相对缓慢，系统的稳定性变差。实际应用中，通常将积分调节和比例调节二者结合起来，组成所谓的PI调节器。PI调节器的传递函数为PI调节器的阶跃响应曲线如右图682.积分（I）调节规律的影响在积分调节中，调节器的输出信号u

PI调节是将比例调节的快速反应与积分调节的消除稳态误差功能相结合，从而能收到比较好的控制效果。由于PI调节给系统增加了相位滞后，与单纯比例调节相比，PI调节的稳定性相对变差。另外一个缺点，即只要偏差不为零，调节器就会不停地积分使输出增加（或减小），从而导致调节器输出进入深度饱和，调节器失去调节作用。因此，采用积分规律的调节器一定要防止积分饱和。

3.微分（D）调节规律的影响微分调节可以预测偏差的变化趋势，微分调节器的输入/输出关系为69PI调节是将比例调节的快速反应与积分调节的但微分时间的选择，对系统质量的影响具有两面性。

当微分时间较小时，增加微分时间可以减小偏差，缩短响应时间，减小振荡程度，从而能改善系统的质量；当微分时间较大时，一方面有可能将测量噪声放大，另一方面也可能使系统响应产生振荡。还要说明的是：单纯的微分调节器是不能工作的。

微分调节器的输出与系统被调量偏差的变化率成正比。由于变化率能反映系统被调量的变化趋势，因此，微分调节不是等被调量出现偏差之后才动作，而是根据变化趋势提前动作。

70但微分时间的选择，对系统质量的影响具有两面性。4.PD调节规律的影响

PD调节器的调节规律为:微分时间运用控制理论的知识分析PD调节规律，可以得出以下结论：1）PD调节也是有差调节。这是因为在稳态情况下，为零，微分部分不起作用，PD调节变成了P调节。2）PD调节能提高系统的稳定性、抑制过渡过程的动态偏差（或超调）。3）PD调节有利于减小系统静差（稳态误差）、提高系统的响应速度。4）PD调节的不足：首先，PD调节一般只适用于时间常数较大或多容过程；不适用于流量、压力等一些变化剧烈的过程。其次，当微分作用太强较大时，会导致系统中调节阀的频繁开启，容易造成系统振荡。714.PD调节规律的影响PD调节器的调节规律为:微分时间5.PID调节规律的影响PID调节器的调节规律为:其相应的传递函数为:PID是比例、积分、微分调节规律的线性组合，它吸取了比例调节的快速反应功能、积分调节的消除误差功能以及微分调节的预测功能等优点而弥补了三者的足，是一种比较理想的复合调节规律。从控制理论的观点分析可知，与PD相比，PID提高了系统的无差度；与PI相比，PID多了一个零点，为动态性能的改善提供了可能。因此，PID兼顾了静态和动态两方面的控制要求，因而能取得较为满意的调节效果。725.PID调节规律的影响PID调节器的调节规律为:其相应控制系统在不同调节作用下的典型响应如下：

可以看到，如果不加控制，过程将缓慢地到达一个新的稳态值；当采用比例控制后，则加快了过程的响应，并减小了稳态误差；当加入积分控制作用后，则消除了稳态误差，但却容易使过程产生振荡；在增加微分作用以后则可以减小振荡的程度和响应时间。虽然PID调节器的调节效果比较理想，但是PID调节器要整定三个参数才能使系统整定得最佳。73控制系统在不同调节作用下的典型响应如下：可以看到，如果不加调节规律的选择

1)当广义过程控制通道时间常数较大或容积迟延较大时，应引入微分调节；当工艺容许有静差时，应选用PD调节；当工艺要求无静差时，应选用PID调节；2)当广义过程控制通道时间常数较小、负荷变化不大、且工艺要求允许有静差时，应选用P调节。储罐压力，液位3)当广义过程控制通道时间常数较小，负荷变化不大，但工艺要求无静差时，应选用PI调节。管道压力和流量74调节规律的选择1)当广义过程控制通道时间常数较大或容积迟4)当广义过程控制通道时间常数很大、且纯滞后也较大、负荷变化剧烈时，简单控制系统则难以满足工艺要求，应采用其他控制方案；

5)若将广义过程的传递函数表示为时，的比值来选择调节规律：时，可选用P或PI调节规律；时，可选用PID调节规律；时，应采用其他控制方式。串级、前馈加反馈。调节规律的选择

则可根据①当②当③当754)当广义过程控制通道时间常数很大、且纯滞后也较大、负荷变执行器的选择

1.执行器的选型：使用最多的是气动执行器，其次是电动执行器2.气动执行器气开、气关的选择

气动执行器分气开、气关两种形式，它的选择首先应根据调节器输出信号为零（气源中断）时使生产处于安全状态的原则确定，同时考虑节能、操作性。如阀门在信号中断后处于打开位置，流体不中断最安全，则选用气关阀；如果阀门在信号压力中断后处于关闭位置，流体不通过最安全，则选用气开阀。例如，加热炉的燃料气或燃料油管路上的调节阀，应选用气开阀，当信号中断后，阀自动关闭，燃料被切断，以免炉温过高而发生事故；又例如锅炉进水管路上的调节阀，应选用气关阀，当信号中断后，阀自动打开，仍然向锅炉内送水，可避免锅炉烧坏。76执行器的选择1.执行器的选型：使用最多的是气动执行器，其执行器的选择

3.调节阀尺寸的选择

调节阀的尺寸主要指调节阀的开度和口径，在正常工况下一般要求调节阀开度应处于15%-85%之间。

4.调节阀流量特性的选择

通过选择调节阀的非线性流量特性来补偿被控过程的非线性特性，以达到系统总的放大倍数近似线性的目的过小：大扰动时非线性饱和，失控。过大：处于小开度，阀芯冲蚀严重；不平衡力产生振荡77执行器的选择3.调节阀尺寸的选择调节阀的尺寸主要指调节调节器正/反作用方式的选择把被控过程和调节器分为正作用与反作用两种类型名称正负正作用被控过程的静态增益正正作用调节器的静态增益

负气开式调节阀的静态增益正测量变送环节的静态增益正各类增益符号的选择：首先根据生产工艺要求及安全等原则确定调节阀的气开、气关形式，以确定调节器正反作用类型的确定方法：的正负；然后根据被控过程特性确定其属于正、反类型，确定的正负；最后根据系统开环传递函数中各环节静态增益的乘积必须为正这一原则确定调节器正负，进而确定调节器的正反作用类型。确定各调节器正负的基本原则构成系统开环传递函数静态增益的乘积必须为正为正78调节器正/反作用方式的选择把被控过程和调节器分为正作用与反作调节器的参数整定调节器参数整定的任务是根据被控过程的特性，确定PID调节器的比例度

、积分时间以及微分时间

的大小。在简单过程控制系统中，调节器的参数整定通常以系统瞬态响应的衰减率

有一定的稳定裕量。另外还应满足偏差（或超调量）和过渡过程时间等其它指标。

参数整定的方法可以分为三类，即理论计算整定法、工程整定法和自整定法为主要指标，以保证系统具系统稳态误差、最大动态79调节器的参数整定调节器参数整定的任务是根据被控过程的特性，确理论计算整定法主要是依据系统的数学模型，采用控制理论中的根轨迹法、频率特性法、对数频率特性法、扩充频率特性法等，经过理论计算确定调节器参数的数值。这种方法只有理论指导意义。工程整定法主要是依靠工程经验，直接在过程控制系统的实际运行中进行。自整定法是对一个正在运行中的控制系统特别是设定值改变的控制系统,进行自动整定控制回路中的PID参数。80理论计算整定法主要是依据系统的数学模型，采用控调节器参数整定的理论基础1.控制系统的稳定性与衰减指数简单控制系统，在干扰作用下，闭环控制系统的传递函数为闭环系统特征方程一般形式为各系数由广义对象的特性和调节器的整定参数所确定。调节器参数整定的实质就是选择合适的调节器参数，使其闭环控制系统的特征方程的每一个根都能满足稳定性的要求。81调节器参数整定的理论基础1.控制系统的稳定性与衰减指数调节器参数整定的理论基础1.控制系统的稳定性与衰减指数作用下，闭环控制系统的传递函数为具体分析如下如果特征方程有一个实根()，其通解为非周期变化过程，时，其幅值越来越小，最终趋于0；时，其幅值越来越大,系统不稳定。如果特征方程有一对共轭复根()，则通解为振荡过程，当时,呈发散振荡,系统不稳定；时,呈等幅振荡。当当当82调节器参数整定的理论基础1.控制系统的稳定性与衰减指数对于稳定的振荡分量，假定在时到达第一个峰值经过一个振荡周期，时，又到达第二个峰值。由衰减率定义可知其中衰减指数ｍ为为与之比如图83对于稳定的振荡分量，假定在时到达第一个峰值经过一个振荡周其中衰减指数ｍ为与之比衰减指数与衰减率的关系如下表00.1500.3000.4500.6000.7500.9000.950……00.0260.0570.0950.1450.2210.3660.478……总之，调节器的参数整定，就是通过选择调节器的参数比例度、积分时间以及微分时间的大小，使特征方程所有实根与所有复根的实数部分均为负数，从而保证系统是稳定的；另外还要满足衰减指数m在0.221-0.366之间，以满足衰减率在0.75-0.9的要求。84其中衰减指数ｍ为与之比衰减指数与衰减率的关系如下表00.1２.控制系统的稳定裕量稳定裕量可以用衰减率或衰减指数m的大小来表征。它们和阻尼系数有一一对应的关系：通过上式可以得出以下结论：为了保证系统的过渡过程具有一定的稳定裕量，就要使闭环系统的特征根具有一定的衰减指数当复根的实部相同时，即系统到达稳定状态所需的过渡时间也相同。系统过渡过程时间为系统的最大动态偏差也与衰减指数m有关综上所述，无论是控制系统的稳定性、稳定裕量，还是控制系统的快速性、准确性均与系统的衰减率或衰减指数有关。所以，调节器参数整定的实质就是通过选择合适的调节器参数，以达到规定的衰减率或衰减指数，从而最终保证系统的控制质量。85２.控制系统的稳定裕量稳定裕量可以用衰减率或衰减指数m的调节器参数的工程整定临界比例度法

：是直接在闭环系统中进行，不需要测试过程的动态特性具体步骤：1.调节器的积分时间置最大，微分时间置零，比例度置较大数值2.等系统运行稳定后，对设定值施加一个阶跃变化，并减小直到出现下图所示的等幅振荡曲线为止。记录下此时的临界比例度和等幅振荡周期3.按下表的经验公式计算出调节器的锅炉给水系统和燃烧控制系，不允许振荡；大惯性环节不产生振荡86调节器参数的工程整定临界比例度法：是直接在闭环系统中进行2．衰减曲线法

衰减曲线法的做法与临界比例法类似。不同的是在改变比例度，观察衰减比。当衰减比为4: