第二章 简单控制系统

第二章简单控制系统第1页，共94页，2023年，2月20日，星期三1、过程控制系统设计步骤控制系统设计概述首先，要求自动控制系统设计人员在掌握较为全面的自动化专业知识的同时，也要尽可能多地熟悉所要控制的工艺装置对象；其次，要求自动化专业技术人员与工艺专业技术人员进行必要的交流，共同讨论确定自动化方案；第三，自动化技术人员要切忌盲目追求控制系统的先进性和所用仪表及装置的先进性。工艺人员要进一步建立对自动化技术的信心，特别是一些复杂对象和大系统的综合自动化，要注意倾听自动化专业技术人员的建议；第四，设计一定要遵守有关的标准﹑行规，按科学合理的程序进行。第2页，共94页，2023年，2月20日，星期三1、过程控制系统设计步骤确定控制方案

调研，论证包括被控变量的选择与确认﹑操纵变量的选择与确认﹑检测点的初步选择、绘制出带控制点的工艺流程图和编写初步控制方案设计说明书等等。仪表及装置的选型

要考虑到供货方的信誉﹑产品的质量﹑价格﹑可靠性﹑精度﹑供货方便程度﹑技术支持﹑维护等因素。相关工程内容的设计包括控制室设计﹑供电和供气系统设计﹑仪表配管和配线设计和联锁保护系统设计等等，提供相关的图表。第3页，共94页，2023年，2月20日，星期三1、过程控制系统设计步骤初步设计初步设计的主要目的是上报审批，并为定货做准备。施工图设计是在项目和方案获批后，为工程施工提供有关内容详细的设计资料。设计文件和责任签字包括设计﹑校核﹑审核﹑审定﹑各相关专业负责人员的会签等，以严格把关，明确责任，保持协调。参与施工和试车设计代表应该到现场配合施工，并参加试车和考核。设计回访在生产装置正常运行一段时间后，应去现场了解情况，听取意见，总结经验。第4页，共94页，2023年，2月20日，星期三2023年5月3日

北京石油化工学院自动化系1、过程控制系统设计步骤以加热炉的控制为例ORC：氧气流量控制器TRC：温度控制器

PC：燃料压力控制器◆确定控制目标⑴在安全运行条件下，保证热油出口温度稳定；⑵在安全运行条件下，保证热油出口温度稳定、烟气含氧量稳定；⑶在安全运行条件下，保证热油出口温度稳定，而且加热炉热效率最高；第5页，共94页，2023年，2月20日，星期三1、过程控制系统设计步骤◆选择测量参数（被控量）ORC：氧气流量控制器TRC：温度控制器

PC：燃料压力控制器对于目标⑴：对于目标⑵：对于目标⑶：

热油出口温度

热油出口温度、烟气含氧量

热油出口温度、加热炉热效率（烟气含氧量、排烟温度、一氧化碳含量等综合计算）第6页，共94页，2023年，2月20日，星期三1、过程控制系统设计步骤◆操作量的选择ORC：氧气流量控制器TRC：温度控制器

PC：燃料压力控制器对于目标⑴：对于目标⑵：对于目标⑶：

燃油流量

或

热油流量

燃油流量

或

热油流量、

氧气流量（烟道挡板、送风挡板）

燃油流量

或

热油流量、

氧气流量（烟道挡板、送风挡板）第7页，共94页，2023年，2月20日，星期三◆控制方案的确定ORC：氧气流量控制器TRC：温度控制器

PC：燃料压力控制器对于目标⑴：对于目标⑵：对于目标⑶：a:温度单回路控制系统b:温度流量串级控制系统a:

温度单回路和烟气含氧量单回路控制系统b:将系统看作MIMO进行建模

与目标⑵中a方案类似，但烟气含氧量的控制属于随动系统1、过程控制系统设计步骤第8页，共94页，2023年，2月20日，星期三◆选择控制算法PID、内模控制、推理控制、预算控制、解耦控制等等◆执行器的选择◆设计报警和联锁保护系统根据工艺介质等要求选择调节阀的气开、气关方式，流量特性等◆控制系统的调试和投运控制参数整定等1、过程控制系统设计步骤第9页，共94页，2023年，2月20日，星期三一个简单控制系统方案的分析设计，需考虑的问题：首先，应分析生产过程中各个变量的性质及其相应关系，分析被控对象的特点；然后，根据工艺的要求选择被控变量、操纵变量，合理选择控制系统中的测量变送装置、控制器和执行器，建立一个较为合理的控制系统。对有多个控制系统的生产过程，还要考虑各个控制系统之间的相互关联和影响，并按可能使每个控制系统对其它控制系统的影响为最小的原则来建立各个控制系统。为了使一个简单控制系统能够正常的运行，还要考虑控制系统的参数整定及投运等问题。第10页，共94页，2023年，2月20日，星期三●控制系统的设计目标

2被控变量的选择即，要控制什么基于工艺要求，选择的结果直接影响生产（产品产量、质量、生产安全）第11页，共94页，2023年，2月20日，星期三●分类2被控变量的选择直接控制

最基本的热工参数，一般是可以直接进行测量和控制的参数温度、压力、液位、流量间接控制

质量指标，以及一些特殊的参数成份、物性参数等，在一般条件下，无法直接测量和控制应根据工艺参数的关系，用可测的参数，间接进行控制第12页，共94页，2023年，2月20日，星期三2被控变量的选择例1：

质量指标是最重要的控制参数如塔顶产品的纯度xD但xD目前无法直接测量，因此，只能用间接控制参数进行控制。根据精馏原理，xD=f(TD,p),即与温度和压力成非线性函数关系。理论上，固定一项，就可用另一项控制xD。一般的，实际中都采用恒定p，通过控制塔顶温度来控制塔顶成分。

苯、甲苯二元精馏系统第13页，共94页，2023年，2月20日，星期三2被控变量的选择选择原则：（1）

测量滞后P（2）

工艺合理性T工艺合理性：①规定塔压稳定，保证分离度，保证效率②各块塔板压力恒定，XD与T有对应关系∴选择XD=F（T）050100%苯、甲苯百分含量（%）050100%TP一定T一定P第14页，共94页，2023年，2月20日，星期三2被控变量的选择●选择被控变量的原则（1）尽可能选择直接质量指标参数；（2）必须选择间接量指标参数时，选择对目标参数影响最显著的可控参数，单值对应关系最好；（3）灵敏度好，反映产品质量变化，易于控制；（4）考虑工艺的合理性、测量仪表的选择。操纵变量的选择：（1）一般选系统中可以调整的物料量或能量参数，多是流量；（2）不止一个，重要因素第15页，共94页，2023年，2月20日，星期三3对象特性对控制质量的影响及操纵变量的选择●对象特性分析精馏塔:

影响塔顶成分的有,温度、压力、进料流量、进料成分等

对于实际过程，影响输出的因素一般不只一个，因此，实际上都是多输入系统（MIMO)F1F2FnY第16页，共94页，2023年，2月20日，星期三3对象特性对控制质量的影响及操纵变量的选择设计单回路控制系统:

必须从影响被控量的诸多影响参数中选择一个，作为操纵变量其它影响量则只能视作干扰量了控制：用操纵量克服干扰量对被控变量的影响F1(s)F2(s)U(s)Y(s)Y(s)=GPC(s)U(s)+GPD1(s)F1(s)+GPD2(s)F2(s)第17页，共94页，2023年，2月20日，星期三3对象特性对控制质量的影响及操纵变量的选择操纵量—输出：控制通道干扰量—输出：干扰通道干扰作用与控制作用相互对立而存在问题：如何选择一个良好的操纵变量。分析通道特性通道的概念：通道就是某个参数影响另外一个参数的通路第18页，共94页，2023年，2月20日，星期三3对象特性对控制质量的影响及操纵变量的选择●

干扰通道特性分析Gc(s)GPC(s)GPD(s)R(s)E(s)F(s)Y(s)=GPD(s)1+Gc(s)

GPC(s)Y(s)F(s)干扰作用下的闭环传递函数为：第19页，共94页，2023年，2月20日，星期三1.对象特性对控制质量的影响及操纵变量的选择（1）放大倍数Kf的影响结论：

Kf越大，系统的余差也越大，控制质量越差Y()=Kf1+KCKo分析过程：Y(s)=GPD(s)1+Gc(s)

GPC(s)F(s)第20页，共94页，2023年，2月20日，星期三3对象特性对控制质量的影响及操纵变量的选择（2）时间常数Tf的影响

结论：Tf越大，个数越多，干扰对被控变量的影响越小，系统的动态偏差越小，控制质量提高

干扰进入系统的位置：越离被控变量近的干扰，对被控变量的影响也越大第21页，共94页，2023年，2月20日，星期三3对象特性对控制质量的影响及操纵变量的选择（3）纯滞后τf的影响

结论：

干扰通道的纯滞后对控制系统质量没有影响，只是滞后了干扰对控制的影响Y(s)=GPD(s)e-τs1+Gc(s)

GPC(s)F(s)第22页，共94页，2023年，2月20日，星期三3对象特性对控制质量的影响及操纵变量的选择●

控制通道特性分析Gc(s)GPC(s)GPD(s)R(s)E(s)F(s)第23页，共94页，2023年，2月20日，星期三3对象特性对控制质量的影响及操纵变量的选择（1）放大倍数K0的影响静态：控制通道放大倍数K0大，控制系统稳态余差小，见式（1-7）动态：控制系统衰减比ξ与Kc与K0的乘积有关，见式（1-18），且KcK0越大，ξ越小，稳定性差，因此，要保证KcK0=常数。在KcK0=常数情况下，控制系统稳态余差不变。从控制角度看，K0大些，说明控制通道对系统的影响大，易于调节，因此，一般希望K0大些好第24页，共94页，2023年，2月20日，星期三3对象特性对控制质量的影响及操纵变量的选择（2）时间常数T0的影响从控制系统传递函数推导进行分析

结论：控制通道的时间常数大，经过的容量数多，系统的工作频率低，控制不及时、系统控制质量差，如温度系统。一般希望控制通道时间常数小些好。但控制通道时间常数过小，将使得系统过于灵敏，也会使稳定性变差，如流量系统第25页，共94页，2023年，2月20日，星期三3对象特性对控制质量的影响及操纵变量的选择（3）纯滞后τ0的影响

结论：纯滞后τ0的存在，使得控制不及时，增加动态偏差，降低稳定性。

控制通道纯滞后是控制系统非常不利的因素，会严重影响控制系统品质，以至于使控制系统发散，造成严重后果，因此，实际工程中，必须重视。

第26页，共94页，2023年，2月20日，星期三3对象特性对控制质量的影响及操纵变量的选择●操纵变量的选择

兼顾考虑工艺的合理性，工艺上不易频繁改变的量也不宜作为操纵变量。

实质上是决定了控制通道的选择。原则：（1）

操纵变量必须可控（2）

选择通道放大倍数相对大的（3）选择通道时间常数相对小的（干扰通道时间常数大些）（4）选择通道的纯滞后尽量小（5）选择使干扰点远离被控变量而靠近控制阀第27页，共94页，2023年，2月20日，星期三4控制阀的选择控制系统的执行部件接受控制器的命令执行控制任务。选择内容：口径大小、开闭形式、流量特性、结构形式第28页，共94页，2023年，2月20日，星期三口径大小●●直接决定介质流过的能力1.4控制阀的选择通过计算阀的流通能力，并且保证具有一定的余量，具有较宽的可控范围。

口径过大，正常流量时阀门处于小的开度，阀的特性不好；

口径过小，正常流量时阀门处于大的开度，阀的特性也不好。第29页，共94页，2023年，2月20日，星期三开闭形式●●气动控制阀：1.4控制阀的选择●电动控制阀：一般均为电开式（电机带动阀门）气开式—输入气压信号（来自控制器）增大，阀的开度增大；气闭式—输入气压信号（来自控制器）增大，阀的开度减小；第30页，共94页，2023年，2月20日，星期三控制阀的气开、闭形式的选择原则：●4控制阀的选择（1）安全角度：即当出现意外事故时，如气源中断，或电源中断，此时输入控制阀的气压信号最小，这时，考虑到工艺设备的安全性，必须使阀门全闭（气开式）或阀门全开（气闭式）如：锅炉燃气控制阀——气开式

（2）质量角度：出现以外事故，考虑产品质量（3）消耗角度：原料、成品及动力消耗（4）介质特点：特殊介质，考虑气结晶、蒸发等因素具体工艺过程，对控制阀开闭有要求的场合，要区分主次因素（安全第一），对控制阀开闭没有要求时，可以任选第31页，共94页，2023年，2月20日，星期三1.4控制阀的选择流量特性●流量特性：指流体通过阀门的相对流量和阀门相对开度之间的关系Q/Qmax=f(L/Lmax)Q/Qmax相对流量f(L/Lmax)相对开度第32页，共94页，2023年，2月20日，星期三1.4控制阀的选择流量特性●目前控制阀的特性有三种：

线性特性、对数特性（等百分比特性）、快开特性

L/LmaxF/Fmax第33页，共94页，2023年，2月20日，星期三一般的，生产负荷变化→对象特性发生变化如，热交换器：负荷（被加热的流体）增大：通过热交换器的时间缩短，纯滞后减小；特性改变流速增大，传热效果变好控制系统投运时，已经整定好了PID参数，一旦对象特性发生变化时，原来好的PID参数就变得不好了1.4控制阀的选择流量特性●●什么时候选择非线性特性？第34页，共94页，2023年，2月20日，星期三（1）选择自整定调节器，代价大（2）通过控制阀的特性选择进行弥补

K∝1/K0G0如对象负荷静态部分K0与控制阀流量F成反比，对象负荷动态部分G0与控制阀流量F成正比，控制阀特性取线性；P15表1-1控制阀流量特性的选择课本P15分析的例子P16表1-2控制阀流量特性经验选择4控制阀的选择流量特性●解决办法：第35页，共94页，2023年，2月20日，星期三4控制阀的选择结构形式●直通单座、直通双座、角阀、高压阀、蝶阀、隔膜阀、三通阀适用于不同工艺场合表1-4

ABC第36页，共94页，2023年，2月20日，星期三4控制阀的选择阀门定位器●

控制阀的辅助装置

接受控制器信号，输出控制控制阀

作用：

提高控制阀控制精度，准确定位；功率放大；可改变控制阀流量特性；可实现分程控制

第37页，共94页，2023年，2月20日，星期三5测量及传送滞后的影响及消除方法第38页，共94页，2023年，2月20日，星期三检测变送环节的性能检测元件和变送器的基本要求是准确、迅速和可靠。按照生产过程的工艺要求，首先确定传感器与变送器合适的测量范围（量程）与精度等级。

选择检测元件时应考虑该元件能否适应工业生产过程环境；能否长期稳定运行；测量仪表反应慢，会造成测量失真。应尽可能选择时间常数小的传感器、变送器，考虑精确度和响应的快速性等。还应考虑检测元件和变送器的线性特性等。第39页，共94页，2023年，2月20日，星期三仪表的精确度影响检测变送环节的准确性。应合理选择仪表的精确度，以满足工艺检测和控制要求为原则。检测变送仪表的量程应满足读数误差的精确度要求，同时应尽量选用线性特性,仪表量程大Km小，而仪表量程小则Km大。检测元件和变送器增益Km的线性度与整个闭环控制系统输入输出的线性度有关，当控制回路的前向增益足够大时，整个闭环控制系统输入输出的增益是Km的倒数。例如，采用孔板和差压变送器检测变送流体的流量时，由于差压与流量之间的非线性，造成流量控制回路呈现非线性，并使整个控制系统开环增益非线性。第40页，共94页，2023年，2月20日，星期三相对于过程的时间常数，大多数检测变送环节的时间常数是较小的。但成分检测变送环节的时间常数和时滞会很大；气动仪表的时间常数较电动仪表要大；采用保护套管温度计检测温度要比直接与被测介质接触检测温度有更大的时间常数。此外，应考虑时间常数随过程运行而变化的影响。例如，由于保护套管结垢，造成时间常数增大，保护套管磨损，造成时间常数减小等。对检测变送环节时间常数的考虑主要应根据检测变送、被控对象和执行器三者时间常数的匹配，即增大最大时间常数与次大时间常数之间的比值。第41页，共94页，2023年，2月20日，星期三对检测变送信号的处理检测变送信号的数据处理包括信号补偿、线性化、信号滤波、数学运算、信号报警和数学变换等。42/49第42页，共94页，2023年，2月20日，星期三信号补偿热电偶检测温度时，由于产生的热电势不仅与热端温度有关，也与冷端温度有关，因此需要进行冷端温度补偿；热电阻到检测变送仪表之间的距离不同，所用连接导线的类型和规格不同，线路电阻不同，因此需要进行线路电阻补偿；气体流量检测时，若检测点温度、压力与设计值不一致，因此需要进行温度和压力的补偿；精馏塔内介质成分与温度、塔压有关，正常操作时，塔压保持恒定，可直接用温度进行控制，当塔压变化时，需要用塔压对温度进行补偿等。43/49第43页，共94页，2023年，2月20日，星期三线性化

检测变送环节是根据有关的物理化学规律检测被控变量的，它们有些存在非线性，例如，热电势与温度、差压与流量等，这些非线性会造成控制系统的非线性，因此，应对检测变送信号进行线性化处理。可以采用硬件组成非线性环节实现，例如，采用开方器对差压进行开方运算，也可用软件实现线性化处理。44/49第44页，共94页，2023年，2月20日，星期三信号滤波由于存在环境噪声，例如，泵出口压力的脉动，储罐液位的波动等，它们使检测变送信号波动并影响控制系统的稳定运行，因此，需要对信号进行滤波。信号滤波有硬件滤波和软件滤波，有高频滤波、低频滤波、带通、带阻滤波等。硬件滤波通常采用阻容滤波环节，可以用电阻电容组成低通滤波，也可用气阻和气容组成滤波环节。可以组成有源滤波、也可组成无源滤波等。软件滤波采用计算方法，用程序编制各种数字滤波器实现信号滤波，具有投资少，应用灵活等特点。在智能仪表、DCS等装置中通常采用软件滤波。过程控制中常用的数学滤波算法有下列几种：一阶低通滤波；一阶高通滤波；递推平均滤波；程序判别滤波。45/49第45页，共94页，2023年，2月20日，星期三数学运算、信号报警和数学变换当检测信号与被控变量之间有一定的函数关系时，需要进行数学运算获得实际的被控变量数值。节流装置测得的差压数据应进行开方运算；根据测得瞬时流量进行积分运算获得累积流量等。对检测的信号要进行一些复合的数学运算，例如，对气体流量的温度和压力补偿运算就包含加、乘和除的运算。信号的数字变换也常常被应用于检测变送信号的处理。快速富里埃变换、小波变换等。在计算机控制系统中，模数转换和数模转换。如果检测变送信号超出工艺过程的允许范围，就要进行信号报警和联锁处理。同样，在计算机控制系统中如果检测到检测元件处于异常状态时，也需要为操作人员提供相关报警信息。46/49第46页，共94页，2023年，2月20日，星期三5测量及传送滞后的影响及消除方法测量滞后的影响●●容量滞后：由于测量元件具有一定的时间常数，一阶惯性环节理论上讲，只有当过渡时间无限长时，输出才能达到稳态（等于工艺参数值）。因此，测量变送的输出一般小于工艺参数实际值，不利于系统控制测量变送装置的容量滞后对控制系统不利。第47页，共94页，2023年，2月20日，星期三5测量及传送滞后的影响及消除方法测量滞后的影响●●纯滞后：参数变化信号传递到测量点需要一定的时间

使得广义对象中含有纯滞后环节，不利于控制，要尽量克服第48页，共94页，2023年，2月20日，星期三5测量及传送滞后的影响及消除方法传递滞后的影响●

测量信号传送滞后：变送器→控制室控制信号传送滞后：控制室→控制阀

生产现场与控制室有较长的一段距离，对于气动信号的传递，就会产生信号的传送滞后。一般比较小，对于电信号，可以忽略。

第49页，共94页，2023年，2月20日，星期三5测量及传送滞后的影响及消除方法克服滞后的办法●●测量滞后：

选择快速反应的测量元件，以减小时间常数选择合适的测量点，以减小纯滞后使用微分单元，以克服容量滞后

微分环节起到超前作用，参考书上的推导，在分子上多了一个零点，对给定值的变化起到快速跟踪作用。但是，微分环节会使得系统稳定性变差，因此，要合理使用。

第50页，共94页，2023年，2月20日，星期三5测量及传送滞后的影响及消除方法克服滞后的办法●●传送滞后：一般，气动仪表容易产生传送滞后，在气动管线比较长时，可考虑加入气动继动装置。第51页，共94页，2023年，2月20日，星期三6控制器参数对系统控制质量的影响及控制规律的选择控制质量：系统的稳定性系统的静态误差系统的动态误差PID三作用控制器PID：ProportionalIntegralDerivativePID控制：对偏差信号(t)进行比例、积分和微分运算变换后形成的一种控制规律。第52页，共94页，2023年，2月20日，星期三其中：Kpe

(t)——

比例控制项，Kp为比例系数

——

积分控制项，Ti为积分时间常数；

——微分控制项，d为微分时间常数；6控制器参数对系统控制质量的影响及控制规律的选择

PID控制器，3个可调整的参数：比例度δ（P）、积分时间Ti（I）、微分时间Td（D）

PID控制的传递函数：第53页，共94页，2023年，2月20日，星期三1.6控制器参数对系统控制质量的影响及控制规律的选择●PID控制是控制工程中技术成熟、理论完善、应用最为广泛的一种控制策略，经过长期的工程实践，已形成了一套完整的控制方法和典型结构。●在很多情形下，PID控制并不一定需要全部的三项控制作用，而是可以方便灵活地改变控制策略，实施P、PI、PD或PID控制。显然，比例控制部分是必不可少的。

。●PID不仅适用于数学模型已知的控制系统，而且对大多数数学模型难以确定的工业过程也可应用。●PID控制参数整定方便，结构灵活，在众多工业过程控制中取得了满意的应用效果。第54页，共94页，2023年，2月20日，星期三6.1控制器参数对系统静态误差的影响R(s)E(s)Gc(s)Go(s)F(s)F(s)Go(s)E(s)Gc(s)Y（S）第55页，共94页，2023年，2月20日，星期三终值定理：1.6.1控制器参数对系统静态误差的影响结论：

当控制器为纯比例作用时，系统余差与放大倍数成反比，即与比例度成正比，比例度δ越大，余差越大；当控制器引入积分作用时，可消除余差；微分作用对余差没有影响。

第56页，共94页，2023年，2月20日，星期三6.2对系统动态误差的影响（1）比例放大倍数K的影响：

Kc0，相当于开路

Kc

控制精度提高（余差减小），——矛盾

系统稳定性变差，只有原系统稳定裕量充分大时才采用纯比例控制。0ty(t)

Kc增大比例控制器：第57页，共94页，2023年，2月20日，星期三（2）Ti的影响：比例作用基础上叠加对偏差的积分输出

—消除余差

Ti小，积分作用强，消除余差的能力强，但是，系统振荡加剧，衰减比变小；Ti大，积分作用弱，消除余差的能力弱。

6.2对系统动态误差的影响

PI控制器：

0ty(t)

Ti减小第58页，共94页，2023年，2月20日，星期三（3）微分时间Td：

也是和比例作用配合，P、PI、PD、PID微分输出与偏差变化速度成正比，——“超前”调节作用Td大，微分作用大，控制系统灵敏，但稳定性变差P、I、D三参数相互配合——控制器参数整定

PD控制器：

6.2对系统动态误差的影响第59页，共94页，2023年，2月20日，星期三6.3控制规律的选择（1）对控制要求不高的参数，可只采用比例控制器；（2）对控制要求不高，且惯性较大的参数，可采用比例-微分控制器；（3）对于精度要求高的，要加入积分规律，PI；（4）较重要，控制精度要求比较高，希望动态偏差小，被控对象的时间滞后比较大的，PID控制规律选择原则：工业常见控制器有：P、PI、PD、PID第60页，共94页，2023年，2月20日，星期三常规控制器的控制规律及其选择P控制器（比例控制器）特点：能比较迅速地克服扰动影响，亦能较快地稳定下来。使用场合：适用于干扰变化幅度小，自平衡能力强，对象滞后（指）较小，控制质量要 求不高，且系统允许有一定范围余差的场合。对系统各项性能指标的影响：使K增加，控制作用增强，其结果是余差减小，最大偏差减小， 工作频率提高；周期缩短，振荡倾向增加，稳定性下降。第61页，共94页，2023年，2月20日，星期三常规控制器的控制规律及其选择PI控制器（比例积分控制器）特点：由于引入积分作用，系统具有消除余差的能力。使用场合：工艺要求静态无余差，控制对象容量滞后较小，负荷变化幅值较大，但变化过程又较缓慢的场合。对系统各项性能指标的影响：越小，积分作用越强，系统的稳定性也相应地下降，消除余差能力增强。在某些系统中会出现积分饱和现象，应考虑采取抗积分饱和措施。第62页，共94页，2023年，2月20日，星期三常规控制器的控制规律及其选择PD控制器（比例微分控制器）特点：由于引入微分作用，使系统具有超前控制功能，减小了动态偏差。使用场合：适用于控制对象较大的场合（尤其是简单控制系统）。对系统各项性能指标的影响：只要微分时间设置得当，系统的动态品质、稳定性都会有所提 高，过渡过程时间也会相应缩短。对于滞后很小，测量信号有噪音或周期性干扰的系统，不能采用微分作用。第63页，共94页，2023年，2月20日，星期三常规控制器的控制规律及其选择PID控制器（比例积分微分控制器）使用场合：适用于负荷变化和对象容量滞后都较大，时滞不太大，且控制质量要求又较高，被控变量变化缓慢的场合。第64页，共94页，2023年，2月20日，星期三控制器正、反作用的确定

具体地讲，当测量值增加，要求控制器输出相应增加时，应选正作用控制器，反之应选反作用控制器。由于系统与仪表制造对偏差定义上的差别，所以在系统中选用正作用控制器时，对应的放大倍数kc符号应为负。若选反作用方式，对应的kc应为正。确定控制器作用方式的一般步骤：

1）从安全、介质特性、减少经济损失方面考虑，首先确定控制阀的气开、气关形式；

2）判断控制回路各环节的符号特性；

3）选配满足系统各环节符号乘积为正的控制器作用方式；

4）检验控制过程的正确性。第65页，共94页，2023年，2月20日，星期三7系统的关联及其消除方法（自学）7.1系统的关联及其影响

如同一条水管安装有多个水龙头，各个龙头的流量相互影响所谓关联，就是系统之间彼此相互有影响TCLC提馏段温度与塔底液位控制系统家中煤气供量，高峰期互相影响

第66页，共94页，2023年，2月20日，星期三由此可见，这两套控制系统存在着相互关联。系统的关联在很大程度上影响控制系统的性能，要非常注意7.1系统的关联及其影响关联蒸汽阀开大，蒸汽量增加，温度上升，但同时由于蒸发量增大，塔釜液位会下降；同样，液位阀开大，采出量增加，液位下降，同时由于被加热的液体减少，温度会增加。第67页，共94页，2023年，2月20日，星期三7.2分析系统关联的方法相对增益方法Gc1(s)Gcn(s)R1(s)nnRn(s)Y1(s)Yn(s)u1(s)un(s)ji第68页，共94页，2023年，2月20日，星期三相对增益的计算：j–i通道第一次计算只有第j个操纵变量变化，其它各操纵变量均维持不变的增益：第二次计算其它各操纵变量都变化（处于闭环控制）的增益：于是，j–i通道的相对增益为：

相对增益定义：相互关联程度7.2分析系统关联的方法第69页，共94页，2023年，2月20日，星期三（5）λij<0，其它回路闭合时，本回路将变成不稳定（条件稳定回路）（1）λij=1，其它回路闭合与否对本通道没有影响，即，该通道的控制回路与其它系统没有关联；（2）λij>1，其它回路闭合对本通道有影响，即，该通道的控制回路与其它系统有关联，这种关联使得本回路增益变小，负关联。（λij越大关联越大）（3）λij<1，其它回路闭合对本通道有影响，即，该通道的控制回路与其它系统有关联，这种关联使得本回路增益变大，正关联。（λij越小关联越大）（4）λij=0，其它回路开环时，ui对yi没有影响，j–i通道的控制回路不能构成7.2分析系统关联的方法第70页，共94页，2023年，2月20日，星期三相对增益矩阵A–布里斯托尔阵列7.2分析系统关联的方法（6）=∞，只有在其它回路开环时，才能用ui控制yi，即此通道的控制回路才能成立。

可见，可根据λij对1的偏离程度大小判断关联程度λij偏离1越大，系统间相互关联越厉害●

每行（列）相对增益之和为1。●

已知各通道的开环增益K第71页，共94页，2023年，2月20日，星期三7.3削弱或消除系统间关联的方法关键：深入仔细分析关联的产生方法：通过工艺分析，找出关联，并提出解决关联的方法若能计算相对增益（矩阵），可进行量化分析（1）按照变量配对，若λ均在1的附近，说明关联不大，此时，可采用控制系统参数整定的方法，即拉开工作频率范围，可以削弱关联的影响；（2）若相对增益都离1较远，说明彼此关联较厉害，必须从控制系统设计入手解决，如采用解耦控制方案；（3）相对增益有些离1远，有些在1附近，可采用重新变量配对，再进行处理。第72页，共94页，2023年，2月20日，星期三例子：离心泵输出管线上的流量和压力控制控制系统PCFC流量和压力控制系统存在关联，可采用控制器参数整定的方法，拉开各自的工作频率。若流量控制重要，可使流量控制器敏感些（减小比例度，减小微分时间），这样，系统出现扰动，流量系统快速调整，然后，压力系统再缓慢控制。反之亦然。

7.3削弱或消除系统间关联的方法第73页，共94页，2023年，2月20日，星期三

原则：系统开环总放大倍数必须为负值（保证负反馈）8单回路系统投运和整定控制器正反作用的确定Gc(s)Gv(s)Go(s)Gm(s)R(s)E(s)Y(s)根据：对象Go(s)、控制阀Gv(s)、测量变送器Gm(s)的正反作用，保证：总符号为负，确定：控制器Gc(s)的符号。第74页，共94页，2023年，2月20日，星期三控制系统中各环节的正、负符号作如下规定：调节阀：气开式取“+”气关式取“-”；被控对象：若控制变量（通过控制阀的物料或能量）增加时，被控参数随之增加取“+”；反之，则取“-”；变送器：输出信号随被测量增加而增大，取“+”；反之取“-”；调节器：测量输入增加，调节器输出增大（正作用）时取“+”；测量输入增加，调节器输出减小（反作用）时取“-”。75/49第75页，共94页，2023年，2月20日，星期三调节器正反作用选择原则：整个单回路构成负反馈系统。

调节器符号（“+”或“－”）×执行器符号（“+”或“－”）×变送器符号（“+”或“－”）×被控过程符号（“+”或“－”）=“－”76/49第76页，共94页，2023年，2月20日，星期三例1加热炉温度控制系统

调节阀：气开式，取“+”；被控对象：控制变量（通过调节阀的物料或能量）增加时，被控参数随之增加，取“+”；变送器：取“+”；调节器符号（“+”或“－”）×执行器符号（“+”）×变送器符号（“+”）×被控过程符号（“+”）=“－”调节器符号为“－”，系统构成负反馈，即：调节器为反作用。77/49第77页，共94页，2023年，2月20日，星期三例2液位控制系统

调节阀：气开式，取“+”；被控对象：控制变量（通过调节阀的物料或能量）增加时，被控参数随之减少，取“－”；变送器：取“+”；调节器符号（“+”或“－”）×执行器符号（“+”）×变送器符号（“+”）×被控过程符号（“－”）=“－”调节器符号为“＋”，系统构成负反馈，即：调节器为正作用作用。78/49第78页，共94页，2023年，2月20日，星期三一般，对于仪表控制器，都带有正反作用开关，对于计算机控制，可以通过程序设置

8单回路系统投运和整定8.1控制系统投运

●关键是自动和手动的切换要求，必须保证是无扰动切换手动：通过控制器，手动给出控制器的输出，手动输出自动：控制器根据偏差，自动计算给出控制器的输出，自动输出无扰动切换第79页，共94页，2023年，2月20日，星期三手动时，自动输出跟踪手动输出自动时，手动输出跟踪自动输出8.1控制系统投运双向平衡无扰动切换●

电动III型、I系列、EK系列●电动II型

一般，仪表控制器带有自动/手动切换开关，计算机控制时，也必须设置这样的开关第80页，共94页，2023年，2月20日，星期三8.2控制系统整定目前基本控制器一般均为PID控制器（比例、积分、微分控制器）PID控制器整定，调节P、I、D参数，使得控制系统的控制性能指标达到满意。一旦控制控制系统安装到位，控制系统的品质就取决于控制器的参数设置●整定的目的对象特性、控制方案、干扰的形式和大小、控制器参数整定选择什么样的控制系统性能指标常见的，如4：1衰减等，根据不同的实际情况，有所不同。

第81页，共94页，2023年，2月20日，星期三●整定方法两类：理论计算和工程整定方法8.2控制系统整定●理论整定方法基于控制原理的计算方法（时域法、频域法、根轨迹法等）例子：已知一广义对象传递函数为：采用纯比列控制器，过渡过程4:1衰减，求。第82页，共94页，2023年，2月20日，星期三●工程整定方法理论整定方法，必须要求已知各个环节的传递函数，对于一般的实际问题，难于满足。另外，理论计算也比较烦琐，工程上一般不采用。工程整定方法，直接在闭合的控制回路中对控制器参数进行整定。经验方法，简单、方便，易于掌握，工程实际中广泛采用。1.8.2控制系统整定第83页，共94页，2023年，2月20日，星期三（1）临界比例度法步骤：

●系统闭环

●TI最大、TD最小（没有积分、微分作用）

●比例度δ放到100%（K=1），由大往小逐渐改变，每改变一次，通过设定值的改变给控制系统施加阶跃干扰，观察输出Y的变化