过程控制第三章

主编倪志莲龚素文机械工业出版社过程控制与自动化仪表1过程控制与自动化仪表第三章控制规律掌握典型的控制规律及其特点。掌握Simulink仿真辅助分析设计系统的方法。3掌握系统校正的概念。122过程控制与自动化仪表3.1控制系统的校正3.1.1校正的概念在原有的系统中有目的地增添一些装置和元件，人为地改变系统的结构和性能，使之满足所要求的性能指标，我们把这种方法称为系统校正。增添的装置和元件称为校正装置和校正元件。3过程控制与自动化仪表3.1.2校正的方式１.串联校正如果校正装置Gc(s)串联在系统固有部分的前向通道中，则称为串联校正。4过程控制与自动化仪表2.反馈校正将校正装置Gc(s)与需要校正的环节进行反馈连接，形成局部反馈回路，称为反馈校正。3.1.2校正的方式5过程控制与自动化仪表3.复合校正复合校正是在反馈控制的基础上，引入输入补偿构成的校正方式，通常可以分为两种：一种是引入给定输入信号补偿；另一种是引入扰动输入信号补偿。3.1.2校正的方式6过程控制与自动化仪表3.1.3常用校正装置１.无源校正装置无源校正装置通常是由一些电阻和电容组成的二端口网络。无源校正装置7过程控制与自动化仪表2.有源校正装置有源校正装置是由运算放大器组成的调节器。有源校正装置3.1.3常用校正装置8过程控制与自动化仪表3.1.4校正应用举例

有一随动系统，框图如下。图中G1(s)为随动系统的固有部分。现对其进行串联校正，串联一个比例校正装置，比例系数Kc=0.5。具有校正环节的系统框图举例9过程控制与自动化仪表3.1.4校正应用举例校正前、后系统的伯德图10过程控制与自动化仪表3.1.4校正应用举例校正前、后系统的阶跃响应曲线11过程控制与自动化仪表3.1.4校正应用举例结论：加入串联校正装置，降低系统增益后：１）系统的相对稳定性得到改善，超调量下降，振荡次数减少。２）增益降低为原来的１/２，系统的稳态精度变差。12过程控制与自动化仪表3.2位式控制１.理想的双位控制理想双位控制规律的数学表达式为当e＞0时，u(t)=umax；当e＜0时，u(t)=umin。理想双位控制输出特性温度双位控制系统示意图13过程控制与自动化仪表2.实际的双位控制实际双位控制输出特性实际双位控制的过程曲线3.2位式控制14过程控制与自动化仪表双位控制器结构简单，容易实现控制，且价格便宜，适用于单容对象且对象时间常数较大、负荷变化较小、过程时滞小、工艺允许被控变量在一定范围内波动的场合，如压缩空气的压力控制，恒温箱、管式炉的温度控制以及贮槽的液位控制等。在实际使用中，只要选用带上、下限触头的检测仪表、双位控制器，再配上继电器、电磁阀、执行器等即可构成双位控制系统。3.2位式控制15过程控制与自动化仪表3.3比例控制3.3.1比例控制规律及其特点

阶跃偏差作用下比例控制器的开环输出特性Δu是控制器输出变化量；Kc是控制器的放大倍数，即比例增益；e是控制器的输入，即偏差。16过程控制与自动化仪表3.3.2比例度比例度δ，就是指控制器输入的相对变化量与相应的输出相对变化量之比的百分数。e为控制器输入信号的变化量，即偏差信号；Δu为控制器输出信号的变化量，即控制命令；（Zmax－Zmin）为控制器输入信号的变化范围，即量程；（Zmax－Zmin

）为控制器输出信号的变化范围。17过程控制与自动化仪表控制器的比例度δ可理解为：要使输出信号作全范围变化，输入信号必须改变全量程的百分之几。在单元组合仪表中，控制器的输入和输出都是标准统一信号，即此时比例度可表示为式中，3.3.2比例度18过程控制与自动化仪表3.3.3比例度对过渡过程的影响１）比例控制是有余差的控制。２）比例度δ对闭环系统稳定性的影响。19过程控制与自动化仪表通常，工业上常见系统的比例度δ的参考选取范围如下：１）压力控制系统为30%～70%。２）流量控制系统为40%～100%。３）液位控制系统为20%～80%。４）温度控制系统为20%～60%。3.3.3比例度对过渡过程的影响20过程控制与自动化仪表3.4积分控制3.4.1积分控制规律及其特点积分控制是控制器的输出变化量Δu与输入偏差值e随时间的变化成正比的控制规律，亦即控制器的输出变化速度与输入偏差值成正比。KI为控制器的积分速度；TI为控制器的积分时间（TI=1/KI）。21过程控制与自动化仪表与比例控制不同的是，在输入偏差为零时，比例控制器的输出变化量Δu是零，即处在初始位置上，而积分控制器的输出却可以处在任何数值的位置上。偏差作用下的积分控制器的开环输出特性3.4.1积分控制规律及其特点22过程控制与自动化仪表虽然消除余差是积分控制的显著优点，但在工业上却很少单独使用积分控制。因为与比例控制相比，积分控制器的输出变化总是滞后于偏差的变化，控制作用不可能像比例控制那样及时，从而难以对扰动进行及时且有效的抑制。积分作用的滞后性3.4.1积分控制规律及其特点23过程控制与自动化仪表3.4.2比例积分控制规律与积分时间将比例作用与积分作用组合成比例积分（PI）控制规律来使用，既能及时控制，又能消除余差。比例积分控制器的输入与输出特性曲线24过程控制与自动化仪表积分时间TI定义为：

在阶跃偏差作用下，控制器的输出达到比例输出的两倍所经历的时间。积分时间的测定3.4.2比例积分控制规律与积分时间25过程控制与自动化仪表3.4.3积分时间对系统过渡过程的影响积分时间TI应根据不同的对象特性加以选择，一般情况下TI的大致范围如下：１）压力控制：TI

＝0.4～3min。２）流量控制：TI

＝0.1～1min。３）温度控制：TI

＝3～10min。４）液位控制：一般不需积分作用。

δ不变时ＴＩ对过渡过程的影响26过程控制与自动化仪表3.5微分控制3.5.1微分控制规律及其特点微分控制是根据偏差的变化趋势进行动作的，从而避免产生较大的偏差，还可以缩短控制时间。理想微分控制是指控制器的输出变化量Δｕ与输入偏差ｅ的变化速度成正比的控制规律理想微分控制器输出特性TD

为控制器的微分时间27过程控制与自动化仪表3.5.2比例微分控制规律及微分时间微分作用与比例作用结合，构成比例微分控制规律（PD）。比例微分控制器的输出特性曲线28过程控制与自动化仪表3.5.3比例微分控制系统的过渡过程微分时间TD

的大小对系统过渡过程的影响若TD

取得太小，则对系统的控制指标没有影响或影响甚微，如图中曲线①所示；选取适当的TD，系统的控制指标将得到全面的改善，如图中曲线②所示；但若TD

取得过大，即引入太强的微分作用，反而可能导致系统产生剧烈的振荡，如图中曲线③所示。29过程控制与自动化仪表3.6比例积分微分控制理想PID实际PID比例积分微分控制器的输出特性曲线30过程控制与自动化仪表

PID控制器各种组合控制效果图3.6比例积分微分控制31过程控制与自动化仪表各类生产过程对象常用的控制规律如下：１）液位：一般要求不高，用P或PI控制规律。２）流量：时间常数较小，测量中混有扰动，用PI或加反微分控制规律。３）压力：介质为液体的时间常数较小，介质为气体的时间常数中等，用P或PI控制规律。４）温度：容量滞后较大，用PID控制规律。3.6比例积分微分控制32过程控制与自动化仪表3.7控制系统Simulink辅助设计分析设某控制系统的传递函数利用Simulink仿真工具辅助分析在不同的控制方式下，系统的动态响应情况。系统的控制框图举例33过程控制与自动化仪表1.采用比例（P）控制2.采用比例积分（PI）控制3.7控制系统Simulink辅助设计分析34过程控制与自动化仪表3.采用比例微分（PD）控制4.采用比例积分微分（PID）控制3.7控制系统Simulink辅助设计分析35过程控制与自动化仪表采用不同的控制方式的系统单位阶跃响应曲线3.7控制系统Simulink辅助设计分析36过程控制与自动化仪表采用不同的控制方式的系统单位阶跃响应曲线3.7控制系统Simulink辅助设计分析37过程控制与自动化仪表采用不同的控制方式的系统单位阶