第二章过程装备控制基础演示文稿

第二章过程装备控制基础演示文稿当前1页，总共88页。优选第二章过程装备控制基础当前2页，总共88页。引言▲影响自动控制系统控制质量的因素有：⒈被控对象的特性

⒉自动控制装置的特性⒊组成的自动控制系统⒋控制规律检测仪表与传感器控制器执行器被控变量干扰作用y给定值控制器执行器对象f测量元件与变送器xe=x－zumz偏差当前3页，总共88页。§2.1.1被控对象的特性及其描述方法y—被控变量m—操纵变量f—干扰量◆通道——被控对象的输入变量至输出变量之间的信号联系◆控制通道：my◆干扰通道：fymyf被控对象图1对象的输入、输出量一通道的含义◆被控对象的特性：是指被控对象输入变量与输出变量之间的关系。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。◆静态特性、动态特性当前4页，总共88页。

◆为要研究被控对象的特性

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围，轻则影响生产，重则造成事故。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。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。当前5页，总共88页。二被控对象特性的描述方法1理论数学模型法——用定量地表达对象输入、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。2实验输出曲线或数据表格——用对象在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，有阶跃反应曲线、脉冲反应曲线、矩形脉冲反应曲线、频率特性曲线等。返回首页当前6页，总共88页。1机理建模

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（如质量守恒定律、能量守恒定律等），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。机理模型常表现为微分方程式、偏微分方程式、状态方程等）。下面以一阶对象、二阶对象、积分对象为例讨论机理建模的方法：HQ1Q2①列平衡方程单位时间内流入对象的物料（能量）—单位时间内流出对象的物料（能量）=对象中储存量的变化率

（1）一阶对象（有自衡特性）------对象在受到干扰时，自身能重新恢复平衡的特性。A——面积图2-1有自衡单容液位对象当前7页，总共88页。③把输入变量放在右边，输出变量放在左边，写成方程的形式②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Q2——

中间变量Rs—出口阀的阻力系数当前8页，总共88页。(2)二阶对象h1Q1R1Q12h2R2Q2图2-5串联水槽对象经过以上步骤的推导：Pg19◆机理建模的优点：理论逻辑性强缺点：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。当前9页，总共88页。2实验测取法（黑匣子法）

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。（1）阶跃反应曲线法

是当对象处于稳定状态时，在对象的输入端施加一个幅值已知的阶跃扰动，然后测量和记录输出变量的数值，就可以画出输出变量随时间变化的曲线。经过一定的处理，就可以得到描述对象特性的几个参数（放大倍数K、时间常数T、滞后时间）。hQ1Q2Q1tt0Att0h图2-9水槽的阶跃反应曲线优点：简单缺点：精度较差当前10页，总共88页。（2）矩形脉冲法

是当对象处于稳定状态时，在时间t0突然加一个幅值为A的阶跃扰动，到时间t1时突然除去，这时测得输出变量随时间变化的曲线为矩形脉冲法曲线。图2-10矩形脉冲特性曲线优点：由于加在对象上的干扰经过一段时间后除去，所以干扰的幅值可以取得较大，故精度较高。最常用。xtt0Att0yt1当前11页，总共88页。▲§2.1.2被控对象的特性参数

对象的特性可通过数学模型来描述，也可通过以下三个物理量来描述：放大系数K、时间常数T、滞后时间1放大系数K（静态增益）①

数值上等于对象处于稳定状态时输出的变化量与输入的变化量之比。即：K=输出变化量输入变化量=△h△Q1——反映的是对象处于稳定状态下输出和输入之间的关系，所以放大系数K是描述对象静态特性的参数。

②

不同通道的放大系数对控制系统的影响对于控制通道：K大，控制作用强，控制灵敏；K小，控制作用弱。一般希望控制通道K大一些好，但K不能太大，否则会使系统的稳定性下降。对于干扰通道：K大对控制不利。一般希望干扰通道K小一些好，当前12页，总共88页。◆

当对象受到阶跃输入作用后，被控变量如果保持初始速度变化，达到新的稳态值所需的时间。或当对象受到阶跃输入作用后被控变量达到新的稳态值的63.2%所需的时间。——是反映被控变量变化快慢的参数，因此T是反映对象动态特性的参数。

2时间常数T

th（∞）T1T2T3T4

0.632h（∞）0图2-7不同时间常数的比较◆对于控制通道：T大，被控变量的变化比较缓慢，对象比较平稳，容易进行控制，但过渡时间长；T小，被控变量的变化快，不易控制。T太大、太小都不利对于干扰通道：T大、扰动作用比较平缓，被控变量变化较平稳，对象容易控制。一般希望干扰通道T大一些好，◆时间常数的实验求法：如图2-7当前13页，总共88页。（=0+C）◆传递时间0：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。例如图2-8的溶解糟。◆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。3滞后时间yy（t）y

（t）xt图2-8有、无纯滞后的一阶阶跃响应曲线◆对于控制通道：应尽量减小

对于干扰通道：

大对控制有利t0yt图2-6具有容量滞后对象的反应曲线C当前14页，总共88页。本节学习要点1了解化工对象的特点及其描述方法2掌握对象动态特性的通道含义3了解对象数学模型的建立4

掌握表征被控对象特性的三大参数——放大系数K、时间常数T、滞后时间τ的物理意义及其对控制质量的影响5掌握被控对象特性的实验测定方法本节思考题：Pg63：5本节作业：补充题2

当前15页，总共88页。补充作业题2：

为了测定某重油预热炉的对象特性，在某瞬间（假定t0=0）突然将燃气量从2.5t/h增加到3.0t/h，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。燃料量（t/h）t/min3.02.5温度//min重油预热炉的阶跃反应曲线当前16页，总共88页。§2.2单回路（简单）控制系统本节主要内容:§2.2.1单回路控制系统控制方案的设计▲§一被控变量的选择▲二操纵变量的选择●§三测量元件的选择▲四执行器的选择五控制器的选择§2.2.2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整定当前17页，总共88页。1何为单回路控制系统？一单回路（简单）控制系统的结构组成与设计思路给定值xx0偏差e控制器执行器对象干扰检测变送装置被控变量y－z控制信号u操纵变量m图1-2简单控制系统的方块图

是指由一个被控对象、一个检测元件及变送器、一个控制器和一个执行器所构成的单闭环控制系统。2单回路控制系统如何表示？

用带控制点的工艺流程图表示。如图用方块图来表示。当前18页，总共88页。

3单回路控制系统的设计思路

①被控变量的选择②操纵变量的选择③检测变送元件及检测位置的选择④执行器的选择⑤控制器及控制规律的选择对控制器的参数进行工程整定了解被控对象确定控制方案

给定值xx0偏差e控制器执行器对象干扰检测变送装置被控变量y－z控制信号u操纵变量m当前19页，总共88页。1被控变量:生产过程中希望借助控制系统保持恒定值的工艺参数。

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，只有影响生产的关键变量才能作为被控变量。所谓“关键”变量：就是它们对产品质量以及安全具有决定性的作用，而人工操作又难以满足要求的；或者人工操作虽然可以满足要求，但是这种操作是既紧张而又频繁的。二单回路控制系统的设计

（一）被控变量y如何选择？例如：塔设备的精馏过程控制目标：使塔顶（塔底）馏出物达到规定纯度被控变量的选择方案：①组分是工艺上的质量指标，直接选馏出物的组分。②选间接指标：x（组分浓度）、T（温度）、P（压力）三者之间有一定的关系，从工艺的合理性考虑，选温度作为被控变量，另外从灵敏度方面考虑，温度的变化灵敏。当前20页，总共88页。当前21页，总共88页。④被控变量应能被测量出来，并具有足够大的灵敏度.⑤被控变量应是独立可控的。⑥应考虑工艺合理性和国内仪表产品现状。2被控变量选择原则①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,一般都是工艺过程中比较重要的变量.②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，因而需要频繁加以控制的变量。③尽量采用直接指标作为被控变量，当无法获得直接控制指标信号，或其测量、传送滞后很大时，可选择与直接控制指标有单值对应关系的间接控制变量。当前22页，总共88页。1操纵变量：把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操纵变量（一般为介质的流量）.补充图影响提馏段温度的各种因素示意图可控因素不可控因素

可控因素中Q蒸比Q回

对提馏段温度的影响更及时、更显著；另外，从节能的角度方面，控制Q蒸比控制Q回消耗的能量要小，所以选Q蒸为操纵变量（二）操纵变量m如何选择？被控变量….Q入T入x入Q蒸Q回T灵被控对象图2-13精馏过程示意图当前23页，总共88页。干扰变量f操纵变量m被控变量干扰通道（K0小、T大、大对控制有利）控制通道（K0大、T小、小对控制有利）干扰变量f由干扰通道施加在对象上，起着破坏作用，使被控变量偏离给定值；操纵变量m由控制通道施加在对象上，起着校正作用，使被控变量回复到给定值；干扰变量f、操纵变量m对被控变量y的影响规律与对象的特性有关2对象特性对操纵变量选择的影响①放大系数K对于控制通道：K0大，控制作用克服干扰的能力强；K小，控制作用弱。一般希望控制通道K0大一些好，但K不能太大，否则会使系统的稳定性下降。对于干扰通道：Kf大对控制不利。一般希望干扰通道Kf小一些好当前24页，总共88页。3操纵变量的选择原则

①

操纵变量应是可控的，即工艺上允许调节的变量。②操纵变量一般应比其他干扰对被控变量的影响更加灵敏。③在选择操纵变量时，除了从自动化角度考虑外，还要考虑工艺的合理性与生产的经济性。②时间常数的影响对于控制通道：希望时间常数T小一些好，控制及时。对于干扰通道：一般希望干扰通道T大一些好，T大表示干扰对被控变量的影响缓慢，有利于控制。③滞后时间的影响对于控制通道：

小对控制有利。对于干扰通道：

大对控制有利当前25页，总共88页。参数yz(a)tyzt(b)yz(c)t若被控变量y作阶跃变化时,测量值z慢慢靠近y,显然,前一段两者差距很大若y作递增变化,而z则一直跟不上去,总存在着偏差若y作周期性变化,z的振荡幅值将比y减小,而且落后一个相位给定值x0偏差e控制器执行器对象干扰f检测变送装置被控变量y－z控制信号u操纵变量m1要考虑测量元件时间常数的影响：T大，对控制不利

（三）检测变送元件及检测位置如何选择？∴①要选T小的测量元件，最好选惰性小的快速测量元件②在控制器中引入微分作用，进行超前补偿来克服测量滞后。▲测量、变送装置的作用：是控制系统中获取信息和传递信息的装置，也是系统进行控制的依据。要求：准确、及时反映被控变量的状况。当前26页，总共88页。2要注意测量元件的安装，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pH值在时间上就延迟了一段时间0,主管道内流体的流速副管道内流体的流速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当前27页，总共88页。3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：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。电信号可忽略，气信号则滞后较大，∴一般气压信号管路≤300m，直径≥6mm。否则，要改为电信号。●控制信号传送滞后：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。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，则要加电—气转换器，将电信号转换信号，以控制气动控制阀。给定值x0偏差e控制器执行器对象干扰f检测变送装置被控变量y－z控制信号u操纵变量m小结：测量元件要正确选用、合理安装、及时维修，以保证测量元件有足够的测量精度、较小的时间常数、尽量减小纯滞后和信号传递滞后测量信号传送滞后控制信号传送滞后当前28页，总共88页。（四）执行器的选择给定值x0偏差e控制器执行器对象干扰f检测变送装置被控变量y－z控制信号u操纵变量m▲执行器（控制阀）的作用：接受控制器送来的信号，自动地改变阀门的开度（即改变操纵变量），克服扰动的影响，从而实现生产过程的自动控制。常见的有：气动薄膜，电动、液动执行器▲执行器如何选择？①按照生产过程的特点、安全运行和推动力等选择阀的类型：气动薄膜，电动、液动执行器②根据被控变量的大小选择阀的流通能力；③从生产安全的角度选择阀的气开或气关形式；④从被控对象的特性、负荷的变化情况等选择阀的流量特性。当前29页，总共88页。（五）控制器如何选择？

给定值x0偏差e控制器执行器对象干扰f检测变送装置被控变量y－z控制信号u操纵变量m▲控制（调节）器的作用：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，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。控制器的选择包括两方面的内容：1控制规律的选择2正、反作用的确定当前30页，总共88页。即：u=f(e)=f（z－x）●常见的控制规律有：

●控制规律——指的是控制器的输出信号（u）与输入信号（e=z－x）之间的关系位式比例（P）proportion积分（I）integral微分（D）differential组合（PI、PD、PID）§2.2控制规律和正、反作用的选择§2.2.1控制规律的选择∴要根据广义对象的特性和工艺要求来决定当前31页，总共88页。广义对象给定值x0偏差e控制器执行器对象干扰f检测变送装置被控变量y－z控制信号u操纵变量m控制器广义对象干扰－给定值

简单控制系统简化方块图被控变量测量值当前32页，总共88页。一位式控制——就是控制器的输出只有数个特定的数值，或它的执行机构只有数个特定的位置

①位式控制规律（开关控制）：其输出只有两个数值（最大或最小），相应的控制机构只有开和关两个极限位置。umaxuminue图2-16理想的双位控制规律u（t）=umaxe≥0或e＜0umine＜0或e≥0●理想的双位控制器控制规律表达式：例P29：图2-17：利用双位控制器控制炉温。温度＞T0时，继电器断开温度＜T0时，继电器合上优点：结构简单、成本较低、使用方便。缺点：执行器不断地开、关，不实用当前33页，总共88页。●实际的双位控制器

特点：①具有开关特性，工作状态只有开、关两种状态。②其控制作用不是连续变化，是断、续控制。被控变量的变化是一个等幅震荡过程

偏差在某一中间区域时，控制机构不动作。如：家用冰箱、电饭锅（双金属温度计既是测温元件又是控制元件）。uttyyHyL图2-19具有中间区的双位控制过程③结构简单，成本低廉，易于实现。图2-18实际的双位控制规律开

关umaxemaxeminumin当前34页，总共88页。二比例控制规律（Proportion）——指控制器的输出信号变化量u与输入偏差信号变化量e之间成比例关系。

图2-20

即：△u（t）=Kp·e（t）①比例放大系数Kp

（Kp=u/e），有量纲。反映比例控制作用的强弱。

Kp大，比例控制作用强

Kp

小，比例控制作用弱当前35页，总共88页。二比例控制规律（Proportion）②比例度δ：工业中常用比例度来表示比例控制作用的强弱。——指控制器输入的变化相对值与相应的输出变化相对值之比的百分数。无量纲。当前36页，总共88页。●比例度与比例放大系数的关系：

都表示比例控制器控制作用的强弱。●比例度的物理意义：要使控制器的输出变化全量程时，相应的输入变化量占仪表量程的百分数。例：DDZ—Ⅱ型比例作用温度控制器，温度刻度范围为400～800℃，控制器的输出工作范围为0～10mA。当指示指针从600℃移到700℃，控制器相应的输出从4mA变为9mA，其比例度

从上式可看出：δ与KP成反比，

Kp

比例控制作用，Kp

比例控制作用而δ比例控制作用，δ比例控制作用uminumax0100%δ=50%δ=100%δ=200%e/（emax－emin）当前37页，总共88页。③比例控制规律对系统过渡过程的影响a)有余差。例如：杠杆浮球构成的比例液位控制系统：为什么？当Q1=Q2时；杠杆为水平位置当Q2突然增加时，阀1必须增大，使Q1=Q2

时，才能建立新的平衡，此时阀杆上移，浮球下移，浮球达到新的平衡位置比原来的平衡位置（给定值）低，其差值就是余差。b)Kp大，比例控制作用强；Kp

小，比例控制作用弱即δ小，比例控制作用强；δ大，比例控制作用弱，Kp太大，太小对控制都不利，Kp太大，稳定性下降；太小，过渡平稳，但余差大。如图2-22当前38页，总共88页。

图2-22不同δ下的过渡过程ytytytδ小于临界值tyδ太大δ偏小ytδ偏大ytδ适当δ等于临界值当前39页，总共88页。④比例控制规律优缺点干扰少、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。例如：塔釜的液位、贮槽的液位、冷凝器的液位等。●结构简单、控制及时、参数整定方便。●控制结果有余差。适应场合：当前40页，总共88页。三积分控制规律（I）(integral)①定义：是指控制器的输出变化量u与输入偏差e的积分成正比。即：②阶跃响应曲线●当有偏差时，输出信号将随时间增大。●当偏差为零时，输出停止变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达到无余差。teutATI图2-23积分调节的开环特性KI——积分速度

TI——积分时间常数③积分作用为什么不单独使用？

开始为0，随tu缓慢即当e刚进入时，uI几乎为零，积分作用太微弱，控制不及时，即有滞后。当前41页，总共88页。四比例积分控制（PI）①定义：在比例控制的基础上，再加上积分控制作用，便构成比例积分控制规律。控制既及时，又能消除余差。数学表达式：②如何求取比例放大系数KP及积分时间常数TI（实验）利用当t=TI

时，uPI=2KPA这一关系。具体操作：给比例积分控制器输入一个幅值为A的阶跃变化，立即记下输出的跃变值并开动秒表记时，当uPI=2KPA时，此时的时间为TI；跃变值KPA除以阶跃输入幅值A就是KPteutAKPA2KPA图2-24比例积分的开环特性TI当前42页，总共88页。③积分时间TI对过渡过程的影响如

TI，，KI

积分作用，积分速度准确性，C0，但系统的稳定性ytytytTI太小TI适当tyTI=∞TI太太图2-25积分时间I对过渡过程的影响④比例积分控制的优缺点●既控制及时、又能消除余差。●但TI过小，会使系统的稳定性下降。适应场合：广泛应于压力、流量、液位和那些没有大的时间滞后的具体对象。如

TI，KI

积分作用，积分速度，准确性，但系统的稳定性当前43页，总共88页。五比例微分控制规律（PD）（differential)1理想微分控制规律（D）①定义：是指控制器的输出变化量u与输入偏差e的变化速度成正比。表达式：u=TDde/dtTD——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。②响应曲线：③特点：这种控制器用在系统中，即使偏差很小，只要出现变化趋势，马上就进行控制，故有超前控制之称，这就它的优点，但它的输出不能反映偏差的大小，假如偏差固定，即使数值很大，微分作用也没有输出，因而控制结果不能消除偏差，不能单独使用。teutt0图2-26理想微分控制器特性t0∞0当前44页，总共88页。2比例微分控制规律（PD）

①数学表达式：ytytytTD太大TD适当tyTD=0TD太小

图2-29微分时间对系统过渡过程的影响

utt0KpA图2-28比例微分控制器特性TD是表示微分控制作用强弱的一个参数。TD

大，微分控制作用越强。增加微分时间TD

，能克服系统的滞后，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，否则会使系统出现高频振荡。即TD

，微分作用，稳定性。

TD，过度灵敏，会出现高频震荡。③优缺点：响应快、偏差小、能增加系统的稳定性；有超前控制作用，可以克服对象的惯性；控制结果有余差。②微分时间对系统过渡过程的影响当前45页，总共88页。六比例积分微分控制规律（PID）②优缺点：控制质量高；无余差；参数整定较麻烦。③适应场合：对象滞后大；负荷变化较大，但变化不频繁；对控制质量要求高。①数学表达式：当前46页，总共88页。比例（P）、比例积分（PI）、比例积分微分（PID）的比较控制规律数学表达式可调参数优缺点适应场合

比例（P）比例积分（PI）比例积分微分（PID）u=KpeKp,（）控制及时、过渡时间短、克服干扰能力强。但控制结果有余差适用于控制通道滞后较小，负荷变化较小，工艺上没有提出余差要求的系统.如：液位Kp，T1用于控制通道滞后较小，负荷变化较小，工艺参数不允许有余差的系统.如：压力、流量等能消除余差。但积分控制作用比较缓慢、控制不及时，系统稳定性下降Kp,T1,TD用于容量滞后较大，负荷变化大，控制质量要求较高的系统。如温度、成分控制质量高，积分作用可消除余差，微分作用可提高系统的稳定性但参数整定较麻烦。当前47页，总共88页。§2.2.2控制器正、反方向的确定●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。

气开阀为“正作用”，气关阀为“反作用”。▲气开阀：有气压信号时阀开、无气压信号时阀关的气动执行器。▲气关阀：有气压信号时阀关、无气压信号时阀开的气动执行器。

▲“正”方向：当执行器的输入信号增加时，气开阀的开度增加。因而流过阀的流体流量也增加，故气开阀是“正”方向▲“反”方向：当执行器的输入信号增加时，气关阀的开度减小。因而流过阀的流体流量也减小，故气关阀是“反”方向1各环节的正、反作用方向的规定●被控对象规定：操纵变量m，被控变量y，为“正作用”操纵变量m，被控变量y，为“反作用”●测量元件：输入增加，输出也增加，一般都为“正方向”。当前48页，总共88页。●控制器规定：当控制器的偏差(e=y0-ym）增加时，输出u也增加，称为“正作用”当控制器的偏差(e=ym-y0

）增加时，输出u减小，称为“反作用”

控制器的正，反作用可以通过改变控制器上的正，反作用开关自行选择，一台正作用的控制器，只要将其测量值与给定值的输入线互换一下，就成了反作用的控制器.控制器P测P给u出正，反作用开关P测P给控制器正,反作用开关示意图当前49页，总共88页。2为什么要考虑控制器的正、反方向？如何选择？

▲目的：是为了使系统中的被控对象、控制器、执行器三个环节组合起来，构成“负反馈”▲选择步骤：先确定被控对象的作用方向再由工艺安全条件确定执行器的气开、气关型式，进而确定其作用方向最后确定控制器的方向，以使控制系统构成负反馈当前50页，总共88页。3例题：下图是锅炉的压力和液位的控制系统图，试分别确定两个控制系统中各个环节的正、反作用方向以及控制阀的气开、气关形式。LC给水PC燃料燃烧室解：①单回路液位控制系统：对象：供水量增加时，液位升高，故是“+”方向执行器：从锅炉安全的角度来看，应选“气关阀”即“－”方向，以便当气源中断时，能继续供水。PC控制器：应为“+”方向②单回路压力控制系统：对象：燃料增加时，蒸汽压力增加，故是“+”方向控制阀：从锅炉安全的角度来看，应选“气开阀”即“+”方向，以保证当气源中断时，能停止燃料供给，防止锅炉烧坏。PC控制器：应为“－”方向当前51页，总共88页。

§2.2.3控制器参数的整定

理论计算工程整定法

临界比例度法衰减曲线法经验凑试法●控制器参数整定方法●任务：根据已确定的控制方案，确定控制器的最佳参数值（δ、TI、TD），以使控制系统获得最佳的控制质量。Tkyftt1临界比例度法方法：在闭环的控制系统中，先将控制器变为纯比例作用，即将T1放大“”位置上，TD放在“0”位置上，在干扰作用下，从大到小地逐渐改变控制器的比例度，直至系统产生等幅度振荡，记下此时的δK、TK

经验公式计算出各参数的整定值特点：简单、易于掌握和判断，适合一般的控制系统；不适合临界比例度很小和不允许产生等幅振荡的系统。临界比例度δK和临界周期TK试验当前52页，总共88页。表2-2临界比例度法经验计算公式表Pg41控制作用比例(P)比例积分(PI)比例度/%2k2.2

k积分时间TI/min0.85Tk微分时间TD比例+微分(PD)比例+积分+微分(PID)1.8k1.7

k0.5Tk0.1Tk0.13Tk当前53页，总共88页。——是在纯比例运行下，通过使系统产生4：1或10：1的衰减振荡，得到衰减比例度S和衰减周期Ts

（或上升时间T升），然后根据经验总结出来的关系求出控制器各参数。（Pg41）2衰减曲线法Ts

(a)(b)T升tttfyy4：1衰减曲线10：1衰减曲线当前54页，总共88页。采用衰减曲线法注意点：（1）加的干扰幅度值不能太大，要根据生产操作要求来定，一般为额定值的5%左右，也有例外的情况。（2）必须在工艺参数稳定情况下才能施加干扰，否则得不到正确的s、Ts或‘s和T升值。（3）对于反应快的系统，如流量，管道压力和小容量的液位控制等，要在记录曲线上严格得到4：1衰减曲线比较困难。一般以被控变量来回波动两次达到稳定，就可以近似地认为达到4：1衰减过程了。特点：比较简单，整定质量高，应用广泛；但对于干扰频繁、记录曲线不规则、不断有小摆动的系统不适应。当前55页，总共88页。表2-1控制器参数的经验数据表Pg40被控对象

流量对象时间常数小，参数有波动，要大；40~1000.1~1TI要短；不用微分温度对象容量滞后较大，即参数受干扰后变20~603~100.5~3

化迟缓，应小；TI要长；一般需加微分压力对象的容量滞后一般，不算大，一般不30~700.4~3

加微分液位对象时间常数范围较大，要求不高时，20~100

可在一定范围内选取，一般不用微分对象特性/%TI/minTD/min三经验凑试法——是根据经验先将控制参数置于一定数值上，然后通过不断观察过渡过程曲线，逐渐凑试，直到获得满意的控制器参数值为止。当前56页，总共88页。经验凑试法整定参数的步骤有以下两种①先用纯比例作用进行凑试，待过渡过程已基本稳定并符合要求后，再加积分作用消除余差，最后加入微分作用是为了提高控制质量。ytytytδ小于临界值tyδ太大δ偏小ytδ偏大ytδ适当δ等于临界值图2-22比例度对过渡过程的影响关键：“看曲线，调参数”ytytytTI太小TI适当tyTI=∞TI太太ytytytTD太大TD适当tyTD=0TD太小

图2-29微分时间对系统过渡过程的影响

图2-25积分时间I对过渡过程的影响当前57页，总共88页。（2）经验凑试法还可以按以下步骤进行：先按表中给出的范围把TI定下来，如要引入微分作用，可取TD=(1/3~1/4)TI,,然后对进行凑试，凑试步骤与前一种方法相同。特点：方法简单，应用非常广泛。特别适用于干扰频繁、记录曲线不规则、不断有小摆动的控制系统。但参数整定费时，控制质量因人而异。当前58页，总共88页。例1▲如何根据过渡曲线，凭经验调节参数？

①比例度过小、积分时间过小、微分时间过大都会引起过渡曲线剧烈振荡，如何判断？t积分时间过小，振荡周期长比例度过小，振荡周期较短微分时间过大，振荡周期最短②比例度过大、积分时间过大都会使过渡过程变化缓慢，如何判断？根据过渡曲线振荡的周期不一样进行判断比例度过大，曲线波动较剧烈、不规则较大地偏离给定值积分时间过大，经过非周期振荡慢慢回到给定值ytty当前59页，总共88页。例2试分辨（a）、（b）两过渡曲线哪一个的比例度大、那一个的比例度小？ytyt（a）（b）分析：（a）振荡剧烈、频率高、衰减比小、系统稳定性差，说明其比例度小，因为比例度小，控制作用强，在同样的偏差情况下，容易产生超调，使系统的稳定性下降。（b）曲线的余差大，说明其比例度大。原因是比例度大，当负荷变化后，要产生同样的控制作用，所需的偏差要大，所以比例度越大，所产生的余差也越大。当前60页，总共88页。例3试分辨（a）、（b）两在不同积分时的过渡曲线，哪一个的积分时间大、那一个的积分时间小？yt（b）分析：（a）曲线的积分时间小，因为积分时间小，说明其积分控制作用强，消除余差的速度快，但系统的稳定性会下降。（b）曲线消除余差的速度慢，说明其积分时间大。yt（a）当前61页，总共88页。本节学习要点一掌握简单控制系统的组成、表示方法以及各个环节的组成二掌握简单控制系统被控变量、操纵变量选择的原则三了解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四掌握简单控制系统中各个环节正、反作用确定的方法五掌握控制器参数工程整定的方法、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思考题：P63：10、11、13、14当前62页，总共88页。§2.3复杂控制系统

本节主要内容：

§2.2.1串级控制系统

§2.3.2前馈控制系统

§2.3.3比值控制系统

§2.3.4选择性控制系统

§2.3.5均匀控制系统

当前63页，总共88页。前言

随着生产过程向大型化,连续化和强化方向发展，对操作条件要求更加严格，参数间相互关系更加复杂，对控制系统的精度和功能提出了许多新的要求。因此在简单的单回路控制的基础上，设计和开发了另一类复杂控制系统，以满足生产过程控制的要求。 复杂控制系统，根据其开发目的的差异，分为两大类。

1．为提高响应曲线的性能指标而开发的控制系统，可获得比单回路PID控制更优越的过渡过程质量，如串级、前馈控制系统等。

2．按某些特殊目的而开发的控制系统，为满足不同的化工生产工艺、操作方式等的控制性能指标而开发的控制系统，如比值、选择性、均匀等控制系统。当前64页，总共88页。§2.2.1串级控制系统

一串极控制的基本原理1定义：它是由两个被控对象、两套检测元件及变送器、两个控制器和一个执行器所构成的两回路控制系统。其中主、副两个控制器是串级工作的，主控制器的输出作为副控制器的给定值，副控制器的输出去操纵控制阀，以实现对主变量的定值控制。2串级控制系统的通用方块图图2-20串级控制系统方块图主被控变量给定主控制器控制阀主对象一次干扰主检测变送器u1me1－副控制器副对象副检测变送器－e2u2二次干扰副被控变量当前65页，总共88页。3串级控制系统中的常用名词和术语。●主变量——是工艺的直接控制指标，使它保持平稳是控制的主要目标。●副变量——是工艺的间接控制指标，它是为了稳定主变量而引出的中间变量。●副对象——由副变量表征其特征的生产设备。●主对象——由主变量表征其特征的生产设备。●副控制器——接受副变量的偏差，其输出去控制阀门。●主控制器——接受主变量的偏差，其输出去改变副控制器的设定值。●副回路——处于串级控制系统内部的，由副变量检测变送器、副控制器、调节阀、副对象组成的回路。●主回路——若将副回路看成一个以主控制器输出为输入，以副变量为输出的等效环节，则串级系统转化为一个单回路，称为主回路。尤其必须注意，主回路并不是指将副变量测量变送环节前（或后）断开后而形成的回路。当前66页，总共88页。二串级控制的典型实例例1：管式加热炉出口温度串级控制系统。1）画出该控制系统的方块图；2）指出该系统中主、副对象、主、副变量、操纵变量、主、副扰动变量、主、副调节器各是什么？3）当燃料油负荷突然增加，试分析该系统是如何实现自动控制的。

图2-34加热炉出口温度简单控制系统图2-35加热炉出口温度串级控制系统

图2-36当前67页，总共88页。解：（1）加热炉出口温度串级控制系统的方块图2）主对象：加热炉内加热管的管壁；副对象：加热炉的炉膛主变量：加热炉油料的出口温度T1；副变量：炉膛内的温度T2；操纵变量：燃料油的流量；主扰动量f1：被加热油料的进口的温度、压力、流量副扰动量f2：燃料油的压力、流量、温度；雾化燃料油用的过热蒸汽的压力、流量；燃烧器的配风、炉膛的漏风以及环境温度等3）在稳定工况下，原料油出口温度和炉膛温度处于相对稳定状态，控制燃料油的阀门保持在一定的开度。当燃料油负荷突然增加，这个干扰会使炉膛的温度T2升高，副控制器T2C会根据输入偏差的大小，减少操纵变量燃料油的加入量，从而使炉膛的温度下降。与此同时，由于炉膛温度的升高，会使原料油的出口温度T1升高，T1的变化通过主控制器T1C去减小副控制器的T2C的给定值。两个控制器协调工作，使油料油的出口温度重新稳定在给定值。T1T2当前68页，总共88页。例2：反应器的温度串级控制Pg44：图2-37（自己分析）

1）画出该控制系统的方块图；2）指出该系统中主、副对象、主、副变量、操纵变量、主、副扰动变量、主、副调节器各是什么？3）当燃料油负荷突然增加，试分析该系统是如何实现自动控制的。

当前69页，总共88页。三串级控制系统的主要特点及应用

特点：1在系统结构上，它是由两个串级工作的控制器构成的双闭环控制系统。2系统的目的在于通过设置副变量来提高对主变量的控制质量，副回路起快速的“粗调”作用，主回路则起“细调”作用。3由于副回路的存在，对进于副回路的干扰有超前控制作用，因而减少了干扰对主变量的影响，即主回路对副对象具有“鲁棒性”，提高了系统的控制精度。“鲁棒性”又称“强壮性”——是用来描述控制系统的控制品质对对象特性变化的敏感程度。系统的控制品质对对象特征变化越不敏感，则“鲁棒性”越好。4副回路是一个随动控制系统，所以系统对负荷的改变有一定的自适应能力。应用场合：串极控制系统适合于容量滞后和时间常数很大，干扰作用强而频繁，负荷变化大，对控制质量要求高的场合。当前70页，总共88页。§2.3.2前馈控制系统

我们所熟悉的反馈控制系统在实际生产中有广泛的应用，但其也有固有的缺点。反馈控制无法将扰动克服在被控变量偏离给定值之前，调节作用不及时等，限制了其调节质量的进一步提高。故而产生了前馈控制系统。

给定值xx0偏差e控制器执行器对象干扰检测变送装置被控变量y－z控制信号u操纵变量m当前71页，总共88页。一前馈控制的基本原理及特点（扰动补偿）

1基本原理：是测量进入过程的干扰（包括外界干扰和设定值变化），并按其信号产生合适的控制作用去改变操纵变量，使被控变量维持在设定值上。●前馈控制的典型实例●前馈控制的方块图

图2-41换热器前馈控制示意图

图2-42前馈控制方块图当前72页，总共88页。●前馈控制的传递函数

2特点①前馈控制是基于不变性原理工作的，比反馈控制及时有效②前馈控制是属于“开环”控制③前馈控制使用的是一种视对象特性而定的“专用”控制器④一种前馈作用只能克服一种干扰

要实现全补偿时，则必须Y（s）=0，同时F(s)≠0

当前73页，总共88页。二前馈控制的主要结构形式

1静态前馈控制

其目标是被控变量的完全不变性。

Pg50图2-43++当前74页，总共88页。二前馈控制的主要结构形式

2前馈-反馈控制系统Pg51图2-44优点：从前馈控制角度，由于增添了反馈控制，降低了对前馈控制模型的精度要求，并能对未选作前馈信号的干扰产生校正作用。从反馈控制角度，由于前馈控制的存在，对干扰作了及时的粗调作用，大大减轻了反馈控制的负担。

给定值xx0反馈控制器执行器干扰检测变送装置被控变量y－z前馈控制器测量变送对象++当前75页，总共88页。§2.3.3比值控制系统

一概述

在化