簡單過程控制系統(tǒng)--單回路控制系統(tǒng)的工程設(shè)計PPT課件

1、2021/3/91第三章第三章 簡單過程控制系統(tǒng)簡單過程控制系統(tǒng)- 單回路控制系統(tǒng)的工程設(shè)計單回路控制系統(tǒng)的工程設(shè)計 過程控制系統(tǒng)工程設(shè)計概述過程控制系統(tǒng)工程設(shè)計概述 控制方案設(shè)計控制方案設(shè)計 檢測、變送器選擇檢測、變送器選擇 執(zhí)行器執(zhí)行器(調(diào)節(jié)閥調(diào)節(jié)閥)選擇選擇 控制器控制器(調(diào)節(jié)器調(diào)節(jié)器)選擇選擇 過程計算機控制系統(tǒng)的設(shè)計過程計算機控制系統(tǒng)的設(shè)計 過程控制系統(tǒng)的投運和控制器參數(shù)整定過程控制系統(tǒng)的投運和控制器參數(shù)整定單回路控制系統(tǒng)的設(shè)計舉例單回路控制系統(tǒng)的設(shè)計舉例2021/3/92 單回路過程控制系統(tǒng)單回路過程控制系統(tǒng)亦稱亦稱單回路調(diào)節(jié)系單回路調(diào)節(jié)系統(tǒng)，統(tǒng)，簡稱簡稱單回路系統(tǒng)單回路系統(tǒng)，一般

2、是指針對，一般是指針對一一個個被控過程被控過程(調(diào)節(jié)對象調(diào)節(jié)對象)，采用，采用一個一個測量變測量變送器監(jiān)測被控過程，采用送器監(jiān)測被控過程，采用一個一個控制控制(調(diào)節(jié)調(diào)節(jié))器來保持器來保持一個一個被控參數(shù)恒定被控參數(shù)恒定(或在很小范或在很小范圍內(nèi)變化圍內(nèi)變化)，其輸出也只控制，其輸出也只控制一個一個執(zhí)行機執(zhí)行機構(gòu)構(gòu)(調(diào)節(jié)閥調(diào)節(jié)閥)。Single-Loop control system2021/3/93 特點特點：結(jié)構(gòu)簡單，投資少，易于調(diào)整和投：結(jié)構(gòu)簡單，投資少，易于調(diào)整和投運，尤其適用于運，尤其適用于被控過程的純滯后和慣性被控過程的純滯后和慣性小、負荷和擾動變化比較平緩小、負荷和擾動變化比較平緩

3、，或者，或者對被對被控變量要求不高控變量要求不高的場合，約占目前工業(yè)控的場合，約占目前工業(yè)控制系統(tǒng)的制系統(tǒng)的80%以上。以上。 其分析、設(shè)計方法是其它各種復(fù)雜過程控其分析、設(shè)計方法是其它各種復(fù)雜過程控制系統(tǒng)分析、設(shè)計的基礎(chǔ)。制系統(tǒng)分析、設(shè)計的基礎(chǔ)。2021/3/94第一節(jié)第一節(jié) 過程控制系統(tǒng)工程設(shè)計概述過程控制系統(tǒng)工程設(shè)計概述 要分析、設(shè)計和應(yīng)用好一個過程控制系統(tǒng)：要分析、設(shè)計和應(yīng)用好一個過程控制系統(tǒng)： 首先首先應(yīng)對被控過程做全面了解，對工應(yīng)對被控過程做全面了解，對工藝過程、設(shè)備等做深入的分析；藝過程、設(shè)備等做深入的分析； 然后然后應(yīng)用自動控制原理與技術(shù)，擬定應(yīng)用自動控制原理與技術(shù)，擬定一個合

4、理正確的一個合理正確的控制方案控制方案，選擇合適的檢，選擇合適的檢測變送器、控制測變送器、控制(調(diào)節(jié)調(diào)節(jié))器、執(zhí)行器，從而器、執(zhí)行器，從而達到保證產(chǎn)品質(zhì)量、提高產(chǎn)品產(chǎn)量、降耗達到保證產(chǎn)品質(zhì)量、提高產(chǎn)品產(chǎn)量、降耗節(jié)能、保護環(huán)境和提高管理水平等目的。節(jié)能、保護環(huán)境和提高管理水平等目的。 本節(jié)介紹過程控制系統(tǒng)設(shè)計中的一些共性本節(jié)介紹過程控制系統(tǒng)設(shè)計中的一些共性的原則。的原則。2021/3/95一、對過程控制系統(tǒng)設(shè)計的一般要求一、對過程控制系統(tǒng)設(shè)計的一般要求 安全性：安全性：最重要也是最基本的要求。最重要也是最基本的要求。通常采用參數(shù)越限報警、事故報警、聯(lián)通常采用參數(shù)越限報警、事故報警、聯(lián)鎖保護等措施

5、加以保證。鎖保護等措施加以保證。 穩(wěn)定性：穩(wěn)定性：絕對穩(wěn)定、穩(wěn)定裕量、良絕對穩(wěn)定、穩(wěn)定裕量、良好的動態(tài)響應(yīng)特性好的動態(tài)響應(yīng)特性(過渡過程時間短，穩(wěn)過渡過程時間短，穩(wěn)態(tài)誤差小等態(tài)誤差小等)。 經(jīng)濟性：經(jīng)濟性：提高產(chǎn)品質(zhì)量、產(chǎn)量的同提高產(chǎn)品質(zhì)量、產(chǎn)量的同時，降耗節(jié)能，提高經(jīng)濟效益與社會效時，降耗節(jié)能，提高經(jīng)濟效益與社會效益。采用先進的控制手段，優(yōu)化控制。益。采用先進的控制手段，優(yōu)化控制。 在工程上，以上要求往往相互矛盾。在工程上，以上要求往往相互矛盾。因此在設(shè)計時，應(yīng)根據(jù)實際情況，分清因此在設(shè)計時，應(yīng)根據(jù)實際情況，分清主次，以保證滿足最重要的質(zhì)量、指標(biāo)主次，以保證滿足最重要的質(zhì)量、指標(biāo)要求并留有余

6、地。要求并留有余地。2021/3/96 過程控制系統(tǒng)的品質(zhì)過程控制系統(tǒng)的品質(zhì)由由組成系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)組成系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)和和各個環(huán)節(jié)的特性各個環(huán)節(jié)的特性所決定。因此對于過所決定。因此對于過程控制系統(tǒng)設(shè)計者來說除了掌握程控制系統(tǒng)設(shè)計者來說除了掌握自動控自動控制理論、計算機、儀器、儀表制理論、計算機、儀器、儀表知識外，知識外，還要十分熟悉還要十分熟悉生產(chǎn)過程的工藝流程生產(chǎn)過程的工藝流程，從，從控制的角度控制的角度理解它的理解它的靜態(tài)與動態(tài)特性靜態(tài)與動態(tài)特性，并能針對不同被控過程、不同的生產(chǎn)工并能針對不同被控過程、不同的生產(chǎn)工藝控制要求，設(shè)計不同的控制系統(tǒng)。藝控制要求，設(shè)計不同的控制系統(tǒng)。 例：例：熱交換過程：

7、熱交換過程：過程特性復(fù)雜，時延明顯過程特性復(fù)雜，時延明顯 液位過程：液位過程：時間常數(shù)有大有小時間常數(shù)有大有小 燃燒過程：燃燒過程：燃料不一（煤、油、氣等）燃料不一（煤、油、氣等）2021/3/97二、過程控制系統(tǒng)設(shè)計步驟二、過程控制系統(tǒng)設(shè)計步驟 過程控制系統(tǒng)的設(shè)計，從任務(wù)的提過程控制系統(tǒng)的設(shè)計，從任務(wù)的提出到系統(tǒng)投入運行，是一個從理論設(shè)計出到系統(tǒng)投入運行，是一個從理論設(shè)計到實踐，再從實踐到理論設(shè)計的多次反到實踐，再從實踐到理論設(shè)計的多次反復(fù)的過程，往往要多次用試探法和綜合復(fù)的過程，往往要多次用試探法和綜合法并借助計算機來模擬仿真。法并借助計算機來模擬仿真。1建立被控過程的數(shù)學(xué)模型建立被控過程

8、的數(shù)學(xué)模型 只有掌握了只有掌握了(深入了解了深入了解了)過程的數(shù)學(xué)過程的數(shù)學(xué)模型，才能深入分析過程的特性和選擇模型，才能深入分析過程的特性和選擇正確的控制方案。正確的控制方案。2選擇控制方案選擇控制方案 根據(jù)設(shè)計任務(wù)和技術(shù)指標(biāo)要求，經(jīng)過根據(jù)設(shè)計任務(wù)和技術(shù)指標(biāo)要求，經(jīng)過調(diào)查研究，綜合考慮安全性、穩(wěn)定性、調(diào)查研究，綜合考慮安全性、穩(wěn)定性、經(jīng)濟性和技求實施的可行性、簡單性，經(jīng)濟性和技求實施的可行性、簡單性，進行反復(fù)比較，選擇合理的控制方案。進行反復(fù)比較，選擇合理的控制方案。2021/3/98 過程方案初步確定后，應(yīng)用控制理過程方案初步確定后，應(yīng)用控制理論并借助計算機輔助分析進行系統(tǒng)靜態(tài)、論并借助計算

9、機輔助分析進行系統(tǒng)靜態(tài)、動態(tài)持性分析計算，判定系統(tǒng)的穩(wěn)定性、動態(tài)持性分析計算，判定系統(tǒng)的穩(wěn)定性、過渡過程等特性是否滿足系統(tǒng)的品質(zhì)指過渡過程等特性是否滿足系統(tǒng)的品質(zhì)指標(biāo)要求。標(biāo)要求。3.控制設(shè)備選型控制設(shè)備選型 根據(jù)控制方案和過程特性、工藝要根據(jù)控制方案和過程特性、工藝要求，選擇合適的測量、變送器、控制器求，選擇合適的測量、變送器、控制器(控制規(guī)律控制規(guī)律)、執(zhí)行器、執(zhí)行器(調(diào)節(jié)閥調(diào)節(jié)閥)等。等。4.實驗實驗(和仿真和仿真) 有些在系統(tǒng)設(shè)計過程中難以考慮的有些在系統(tǒng)設(shè)計過程中難以考慮的因素，可以在實驗中考慮，同時通過實因素，可以在實驗中考慮，同時通過實驗可以檢驗系統(tǒng)設(shè)計的正確性，以及系驗可以檢驗

10、系統(tǒng)設(shè)計的正確性，以及系統(tǒng)的性能。統(tǒng)的性能。2021/3/99 控制方案設(shè)計控制方案設(shè)計：系統(tǒng)設(shè)計的核心系統(tǒng)設(shè)計的核心。若控制。若控制方案設(shè)計不正確，則無論選用何種先進的方案設(shè)計不正確，則無論選用何種先進的過程控制儀表或計算機系統(tǒng)，其安裝如何過程控制儀表或計算機系統(tǒng)，其安裝如何細心，都不可能使系統(tǒng)在工業(yè)生產(chǎn)過程中細心，都不可能使系統(tǒng)在工業(yè)生產(chǎn)過程中發(fā)揮良好的作用，甚至系統(tǒng)不能運行。發(fā)揮良好的作用，甚至系統(tǒng)不能運行。 工程設(shè)計工程設(shè)計：包括儀表或計算機系統(tǒng)選型、：包括儀表或計算機系統(tǒng)選型、控制室操作臺和儀表盤設(shè)計、供電供氣系控制室操作臺和儀表盤設(shè)計、供電供氣系統(tǒng)設(shè)計、信號及聯(lián)鎖保護系統(tǒng)設(shè)計等。統(tǒng)

11、設(shè)計、信號及聯(lián)鎖保護系統(tǒng)設(shè)計等。 工程安裝和儀表調(diào)校工程安裝和儀表調(diào)校 調(diào)節(jié)器參數(shù)整定調(diào)節(jié)器參數(shù)整定三、過程系統(tǒng)設(shè)計的主要內(nèi)容三、過程系統(tǒng)設(shè)計的主要內(nèi)容2021/3/910四、系統(tǒng)設(shè)計中的若干問題四、系統(tǒng)設(shè)計中的若干問題1越限報警與聯(lián)鎖保護越限報警與聯(lián)鎖保護 例：加熱爐熱油出口溫度的設(shè)定值例：加熱爐熱油出口溫度的設(shè)定值為為300，工藝要求其高、低限分別為，工藝要求其高、低限分別為305和和295。 例：加熱爐運行中出現(xiàn)嚴(yán)重故障必例：加熱爐運行中出現(xiàn)嚴(yán)重故障必須緊急停止運行時，應(yīng)立即先停燃油泵，須緊急停止運行時，應(yīng)立即先停燃油泵，然后關(guān)掉燃油閥，經(jīng)過一定時間后，停止然后關(guān)掉燃油閥，經(jīng)過一定時間后

12、，停止引風(fēng)機，最后再切斷熱油閥。引風(fēng)機，最后再切斷熱油閥。2其它系統(tǒng)安全保護對策其它系統(tǒng)安全保護對策 危險環(huán)境條件危險環(huán)境條件(如高溫、高壓、易燃、如高溫、高壓、易燃、易爆、強腐蝕等易爆、強腐蝕等)下，還必須采取相應(yīng)的下，還必須采取相應(yīng)的安全保護對策，如采用系統(tǒng)可靠性設(shè)計，安全保護對策，如采用系統(tǒng)可靠性設(shè)計，選用本質(zhì)安全防爆防腐、防爆結(jié)構(gòu)材料選用本質(zhì)安全防爆防腐、防爆結(jié)構(gòu)材料)的儀器儀表及裝置等。的儀器儀表及裝置等。2021/3/911第二節(jié)第二節(jié) 控制方案設(shè)計控制方案設(shè)計 單回路系統(tǒng)單回路系統(tǒng)(圖圖31)控制方案設(shè)計包括：控制方案設(shè)計包括： 合理選擇系統(tǒng)合理選擇系統(tǒng)性能指標(biāo)性能指標(biāo) 合理選擇

13、合理選擇被控參數(shù)被控參數(shù)Y(s)和控制參數(shù)和控制參數(shù)Q(s) 合理設(shè)計合理設(shè)計(選擇選擇)控制控制(調(diào)節(jié)調(diào)節(jié))規(guī)律規(guī)律Wc(s) 被控參數(shù)的被控參數(shù)的測量與變送測量與變送Wm(s)、執(zhí)行器、執(zhí)行器(調(diào)調(diào)節(jié)閥節(jié)閥)Wv(s)的選擇的選擇2021/3/912 被控過程總是不時受到各種外來干擾被控過程總是不時受到各種外來干擾的影響，即系統(tǒng)經(jīng)常處于動態(tài)過渡過程，的影響，即系統(tǒng)經(jīng)常處于動態(tài)過渡過程，因而評價一個過程控制系統(tǒng)的性能、質(zhì)量，因而評價一個過程控制系統(tǒng)的性能、質(zhì)量，主要看它在受到外來擾動作用或給定值發(fā)主要看它在受到外來擾動作用或給定值發(fā)生變化后，能否迅速地、準(zhǔn)確地且平穩(wěn)地生變化后，能否迅速地、準(zhǔn)

14、確地且平穩(wěn)地(而不是劇烈振蕩地而不是劇烈振蕩地)回復(fù)回復(fù)(或趨近或趨近)到原到原(或或新新)給定值上。給定值上。 (一一)系統(tǒng)階躍響應(yīng)性能指標(biāo)系統(tǒng)階躍響應(yīng)性能指標(biāo) 1余差余差(靜態(tài)偏差靜態(tài)偏差)C (靜態(tài)指標(biāo)靜態(tài)指標(biāo)) 指系統(tǒng)過渡過程終了時，指系統(tǒng)過渡過程終了時，給定值給定值與與穩(wěn)穩(wěn)態(tài)值態(tài)值之差。一般要求余差為零或不超過預(yù)之差。一般要求余差為零或不超過預(yù)定值。定值。一、過程控制系統(tǒng)的性能指標(biāo)一、過程控制系統(tǒng)的性能指標(biāo)2021/3/9132021/3/9142衰減率衰減率： (動態(tài)指標(biāo)動態(tài)指標(biāo)) 反映系統(tǒng)的穩(wěn)定程度，應(yīng)根據(jù)生產(chǎn)過反映系統(tǒng)的穩(wěn)定程度，應(yīng)根據(jù)生產(chǎn)過程的特點來確定適宜的程的特點來確定適

15、宜的值，一般取值，一般取0.750.9。（衰減比。（衰減比4:110:1）3最大偏差最大偏差A(yù)(或超調(diào)量或超調(diào)量) 定值系統(tǒng)的最大偏差是指被控參數(shù)第定值系統(tǒng)的最大偏差是指被控參數(shù)第一個波峰值與給定值的差；隨動系統(tǒng)通常一個波峰值與給定值的差；隨動系統(tǒng)通常采用超調(diào)量指標(biāo)，即采用超調(diào)量指標(biāo)，即4過渡過程時間過渡過程時間ts 指系統(tǒng)從受擾動作用時起，到被控參指系統(tǒng)從受擾動作用時起，到被控參數(shù)進入新的穩(wěn)態(tài)值數(shù)進入新的穩(wěn)態(tài)值5%(2%)的范圍內(nèi)的范圍內(nèi)所經(jīng)歷的時間。所經(jīng)歷的時間。(快速性指標(biāo)快速性指標(biāo))2021/3/915 上述有的性能指標(biāo)之間是相互矛盾的，應(yīng)上述有的性能指標(biāo)之間是相互矛盾的，應(yīng)根據(jù)工藝生

16、產(chǎn)的具體要求，分清主次，統(tǒng)籌兼根據(jù)工藝生產(chǎn)的具體要求，分清主次，統(tǒng)籌兼顧。顧。(二二)偏差積分性能指標(biāo)偏差積分性能指標(biāo) 以目標(biāo)函數(shù)形式表示，屬于綜合指標(biāo)。以目標(biāo)函數(shù)形式表示，屬于綜合指標(biāo)。 1.偏差絕對值積分偏差絕對值積分(IAE-Integral of Absolute Error) 適用于衰減和無靜差系統(tǒng)。適用于衰減和無靜差系統(tǒng)。 2.偏差絕對值與時間乘積的積分偏差絕對值與時間乘積的積分(ITAE)2021/3/9163偏差平方值積分偏差平方值積分(ISE)4時間乘偏差平方積分時間乘偏差平方積分(ITSE) 不同的積分性能指標(biāo)對動態(tài)過渡過程不同的積分性能指標(biāo)對動態(tài)過渡過程的要求側(cè)重點不同。

17、例如的要求側(cè)重點不同。例如ISE著重于抑制過著重于抑制過渡過程中的大誤差，而渡過程中的大誤差，而ITAE和和ITSE則著重則著重懲罰過渡過程時間拖得太長，被廣泛應(yīng)用懲罰過渡過程時間拖得太長，被廣泛應(yīng)用于最優(yōu)化分析和設(shè)計中，其中于最優(yōu)化分析和設(shè)計中，其中ITSE兼顧抑兼顧抑制過程中的大誤差。制過程中的大誤差。2021/3/917二、被控參數(shù)二、被控參數(shù)(被控變量、被控量被控變量、被控量)的選擇的選擇 對于一個生產(chǎn)過程，影響操作的因?qū)τ谝粋€生產(chǎn)過程，影響操作的因素很多，但并非對所有影響因素都需加素很多，但并非對所有影響因素都需加以控制。而必須根據(jù)工藝要求，深入分以控制。而必須根據(jù)工藝要求，深入分析

18、工藝過程，找出析工藝過程，找出對產(chǎn)品的產(chǎn)量和質(zhì)量、對產(chǎn)品的產(chǎn)量和質(zhì)量、安全生產(chǎn)、經(jīng)濟運行、環(huán)境保護等具有安全生產(chǎn)、經(jīng)濟運行、環(huán)境保護等具有決定性作用，能較好反映工藝生產(chǎn)狀態(tài)決定性作用，能較好反映工藝生產(chǎn)狀態(tài)變化的參數(shù)變化的參數(shù)(這些參數(shù)又是人工控制難以這些參數(shù)又是人工控制難以滿足要求，或操作十分緊張、勞動強度滿足要求，或操作十分緊張、勞動強度很大，客觀上要求進行自動控制的參數(shù)很大，客觀上要求進行自動控制的參數(shù))作為被控參數(shù)。作為被控參數(shù)。2021/3/918 當(dāng)選擇當(dāng)選擇直接參數(shù)直接參數(shù)有困難時有困難時(如直接如直接參數(shù)檢測很困難或根本無法進行檢測參數(shù)檢測很困難或根本無法進行檢測)，可以選擇可

19、以選擇間接參數(shù)間接參數(shù)(能間接反映產(chǎn)品產(chǎn)能間接反映產(chǎn)品產(chǎn)量和質(zhì)量，與直接參數(shù)有單值對應(yīng)關(guān)量和質(zhì)量，與直接參數(shù)有單值對應(yīng)關(guān)系，易于測量系，易于測量)。 例如，例如，精餾塔精餾塔：塔頂餾出物塔頂餾出物(或塔或塔底殘液底殘液)的濃度的濃度應(yīng)選作被控參數(shù)，因為應(yīng)選作被控參數(shù)，因為它最直接地反映產(chǎn)品的質(zhì)量。但目前它最直接地反映產(chǎn)品的質(zhì)量。但目前對成分的測量尚有一定的困難，于是對成分的測量尚有一定的困難，于是一般采用一般采用塔頂塔頂(或塔底或塔底)溫度溫度代替濃度作代替濃度作為被控參數(shù)。為被控參數(shù)。2021/3/919 注意：間接參數(shù)必須與直接參數(shù)有注意：間接參數(shù)必須與直接參數(shù)有單值函數(shù)關(guān)系單值函數(shù)關(guān)系，

20、而且要有，而且要有足夠的靈敏度足夠的靈敏度，同時還應(yīng)考慮到同時還應(yīng)考慮到工藝的合理性工藝的合理性等。等。 直接參數(shù)或間接參數(shù)的選擇并不是直接參數(shù)或間接參數(shù)的選擇并不是唯一的唯一的(更不是隨意的更不是隨意的)，要通過對過程，要通過對過程特性的深入分析，才能作出正確的選擇。特性的深入分析，才能作出正確的選擇。2021/3/920 歸納：選取被控參數(shù)的一般原則歸納：選取被控參數(shù)的一般原則 1)選擇對產(chǎn)品的產(chǎn)量和質(zhì)量、安全選擇對產(chǎn)品的產(chǎn)量和質(zhì)量、安全生產(chǎn)、經(jīng)濟運行和環(huán)境保護具有決定性生產(chǎn)、經(jīng)濟運行和環(huán)境保護具有決定性作用的、可直接測量的工藝參數(shù)為被控作用的、可直接測量的工藝參數(shù)為被控參數(shù)。參數(shù)。 2)

21、當(dāng)不能用直接參數(shù)時，應(yīng)選擇一當(dāng)不能用直接參數(shù)時，應(yīng)選擇一個與直接參數(shù)有個與直接參數(shù)有單值函數(shù)關(guān)系單值函數(shù)關(guān)系的參數(shù)作的參數(shù)作為被控參數(shù)。為被控參數(shù)。 3) 必須具有足夠高的靈敏度。必須具有足夠高的靈敏度。 4)必須考慮工藝過程的合理性和所必須考慮工藝過程的合理性和所用儀表的性能。用儀表的性能。2021/3/921三、控制參數(shù)三、控制參數(shù)(控制變量控制變量)的選擇的選擇 在有的生產(chǎn)過程中，控制參數(shù)的選擇在有的生產(chǎn)過程中，控制參數(shù)的選擇是很明顯的是很明顯的(唯一確定的唯一確定的)，如鍋爐水位控，如鍋爐水位控制系統(tǒng)，控制參數(shù)只能選給水量。制系統(tǒng)，控制參數(shù)只能選給水量。 但是在有的生產(chǎn)過程中，可能有幾

22、個但是在有的生產(chǎn)過程中，可能有幾個控制參數(shù)可供選擇，這就要通過控制參數(shù)可供選擇，這就要通過分析比較分析比較不同的控制通道和不同的擾動通道對控制不同的控制通道和不同的擾動通道對控制質(zhì)量的影響質(zhì)量的影響而作出合理的選擇。所以正確而作出合理的選擇。所以正確選擇控制參數(shù)，就是正確選擇控制通道的選擇控制參數(shù)，就是正確選擇控制通道的問題。問題。 討論選擇控制參數(shù)的一般原則，可從討論選擇控制參數(shù)的一般原則，可從過程特性對控制質(zhì)量的影響過程特性對控制質(zhì)量的影響入手。入手。2021/3/922()過程靜態(tài)特性的分析過程靜態(tài)特性的分析 設(shè)單回路控制系統(tǒng)如圖設(shè)單回路控制系統(tǒng)如圖34a。 Wc(s)為控制為控制(調(diào)節(jié)

23、調(diào)節(jié))器與執(zhí)行機構(gòu)的傳遞函器與執(zhí)行機構(gòu)的傳遞函數(shù)；數(shù)；Wo(s)為控制通道的傳遞函數(shù)；為控制通道的傳遞函數(shù)；Wf(s)為擾為擾動通道的傳遞函數(shù)。并設(shè)動通道的傳遞函數(shù)。并設(shè)2021/3/923 被控量被控量Y(s)對擾動對擾動F(s)的閉環(huán)傳遞函數(shù)為的閉環(huán)傳遞函數(shù)為 單位階躍擾動作用下系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)值可用終值定理求得單位階躍擾動作用下系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)值可用終值定理求得 可見，可見，擾動通道靜態(tài)放大系數(shù)擾動通道靜態(tài)放大系數(shù)Kf愈大，則愈大，則系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)誤差也愈大。系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)誤差也愈大?？刂仆ǖ赖撵o態(tài)放大控制通道的靜態(tài)放大系數(shù)系數(shù)Ko愈大，表示控制作用愈靈敏，克服擾動愈大，表示控制作用愈靈敏，克服擾動的能力愈強，

24、控制效果愈顯著。因此，確定控的能力愈強，控制效果愈顯著。因此，確定控制參數(shù)時，應(yīng)使制參數(shù)時，應(yīng)使Ko大于大于Kf。當(dāng)這一要求不能滿。當(dāng)這一要求不能滿足時，可通過調(diào)節(jié)足時，可通過調(diào)節(jié)Kc來補償，使來補償，使KcKo遠大于遠大于Kf 。2021/3/924(二二)過程動態(tài)特性的分析過程動態(tài)特性的分析1.擾動通道動態(tài)特性對控制質(zhì)量的影響擾動通道動態(tài)特性對控制質(zhì)量的影響 (1)擾動通道時間常數(shù)擾動通道時間常數(shù)Tf的影響的影響 圖圖34所示單回路控制系統(tǒng)所示單回路控制系統(tǒng): ，設(shè)，設(shè) 系統(tǒng)特征方程式系統(tǒng)特征方程式中增加了一個極點（中增加了一個極點（-1/Tf）。）。2021/3/925 如圖如圖35。隨

25、著時間常數(shù)。隨著時間常數(shù)Tf的增大，極點的增大，極點a將向?qū)⑾騤w軸靠近，從而軸靠近，從而過渡過程時間加長（作用較過渡過程時間加長（作用較平緩）。平緩）。由于過渡過程乘了一個由于過渡過程乘了一個1/Tf (見式見式(3-11)，使整個過渡過程的幅值減小使整個過渡過程的幅值減小Tf倍，從而使其倍，從而使其超調(diào)超調(diào)量隨著量隨著Tf的增大而減小的增大而減小。 因為因為Wf(s)為慣性環(huán)節(jié)，為慣性環(huán)節(jié)，它對擾動它對擾動F(s)起著濾波作用，起著濾波作用，抑制擾動對被控參數(shù)的影響。抑制擾動對被控參數(shù)的影響。所以所以擾動通道的時間常數(shù)擾動通道的時間常數(shù)Tf愈大，容積愈多，則擾動對愈大，容積愈多，則擾動對被

26、控參數(shù)的影響也愈小，控被控參數(shù)的影響也愈小，控制質(zhì)量也愈好。制質(zhì)量也愈好。2021/3/926(2)擾動通道時延擾動通道時延(純滯后純滯后)f的影響的影響 如圖如圖36，當(dāng)，當(dāng)擾動通道有純滯后時，系統(tǒng)對擾動的閉環(huán)傳遞擾動通道有純滯后時，系統(tǒng)對擾動的閉環(huán)傳遞函數(shù)為函數(shù)為 根據(jù)拉氏變換的平移定理，可得到圖根據(jù)拉氏變換的平移定理，可得到圖3-4與與圖圖3-6系統(tǒng)在單位階躍干擾作用下，被控量的時系統(tǒng)在單位階躍干擾作用下，被控量的時間響應(yīng)間響應(yīng)y(t)與與y(t)間的關(guān)系為間的關(guān)系為 y(t) y(t -) ( )( )( )1( )( )ffcoseWsY sF sW s W s2021/3/927

27、可見，可見，干擾通道存在純時間滯后時，干擾通道存在純時間滯后時，理論上不影響控制質(zhì)量，僅使被控參數(shù)理論上不影響控制質(zhì)量，僅使被控參數(shù)對干擾的響應(yīng)在時間上比無滯后存在時對干擾的響應(yīng)在時間上比無滯后存在時推遲了推遲了f值。值。(3)擾動作用點位置擾動作用點位置 擾動引入系統(tǒng)的位置不同，對被控擾動引入系統(tǒng)的位置不同，對被控參數(shù)的影響也不同參數(shù)的影響也不同(圖圖37)。 設(shè)三只水箱均為一階慣性環(huán)節(jié)，它設(shè)三只水箱均為一階慣性環(huán)節(jié)，它對擾動對擾動f起著濾波作用，所以起著濾波作用，所以當(dāng)擾動引入當(dāng)擾動引入系統(tǒng)的位置離被控參數(shù)愈近時，則對其系統(tǒng)的位置離被控參數(shù)愈近時，則對其影響愈大；相反，當(dāng)擾動離被控參數(shù)愈影

28、響愈大；相反，當(dāng)擾動離被控參數(shù)愈遠遠(如如f1要通過要通過3個串聯(lián)的一階慣性環(huán)節(jié)個串聯(lián)的一階慣性環(huán)節(jié))時，則對其影響愈小。時，則對其影響愈小。2021/3/928圖圖3-7 擾動引入系統(tǒng)的位置對被控參數(shù)的影響擾動引入系統(tǒng)的位置對被控參數(shù)的影響2021/3/929 2控制通道動態(tài)特性對控制系統(tǒng)的影響控制通道動態(tài)特性對控制系統(tǒng)的影響 設(shè)控制系統(tǒng)的設(shè)控制系統(tǒng)的臨界放大系數(shù)臨界放大系數(shù)為為Kmax，臨界振蕩頻率臨界振蕩頻率為為c。Kmax與與c以及以及Kmaxc 一定程度上代表了被控過程的控制性能一定程度上代表了被控過程的控制性能(Kmax越大，可選放大系數(shù)越大，可選放大系數(shù)K越大，系統(tǒng)穩(wěn)越大，系統(tǒng)穩(wěn)

29、態(tài)誤差越?。粦B(tài)誤差越?。籧越大，可選系統(tǒng)工作頻率越大，可選系統(tǒng)工作頻率越大，過渡過程越快越大，過渡過程越快)，并為研究控制通，并為研究控制通道動態(tài)特性道動態(tài)特性(即時間常數(shù)和時延即時間常數(shù)和時延)對系統(tǒng)控對系統(tǒng)控制質(zhì)量的影響提供了方便。制質(zhì)量的影響提供了方便。 2021/3/930 由表由表3-l可知，控制通道中時間常數(shù)大、階數(shù)可知，控制通道中時間常數(shù)大、階數(shù)高、有純滯后環(huán)節(jié)都將使過程的高、有純滯后環(huán)節(jié)都將使過程的Kmax與與c值變小，值變小，從而使控制性能變差?？梢姀亩箍刂菩阅茏儾??？梢姂?yīng)選擇時間常數(shù)較小、應(yīng)選擇時間常數(shù)較小、純滯后小的通道作為控制通道純滯后小的通道作為控制通道。2021/

30、3/931(1)時間常數(shù)時間常數(shù)T0的影響的影響 控制通道時間常數(shù)控制通道時間常數(shù)T0的大小反映了控制作的大小反映了控制作用的強弱，反映了控制器的校正作用克服擾動用的強弱，反映了控制器的校正作用克服擾動對被控參數(shù)影響的快慢。對被控參數(shù)影響的快慢。 若若T0太大太大，則控制作用太弱，被控參數(shù)變，則控制作用太弱，被控參數(shù)變化緩慢，控制不及時，系統(tǒng)過渡過程時間長，化緩慢，控制不及時，系統(tǒng)過渡過程時間長，控制質(zhì)量下降。控制質(zhì)量下降。 若若T0太小太小，雖然控制作用強，控制及時，雖然控制作用強，控制及時，克服擾動影響快，過渡過程時間短，但易引起克服擾動影響快，過渡過程時間短，但易引起系統(tǒng)振蕩，使系統(tǒng)穩(wěn)定

31、性下降，亦不能保證控系統(tǒng)振蕩，使系統(tǒng)穩(wěn)定性下降，亦不能保證控制質(zhì)量。制質(zhì)量。 所以在系統(tǒng)設(shè)計時，要求所以在系統(tǒng)設(shè)計時，要求控制通道時間?？刂仆ǖ罆r間常數(shù)數(shù)T0適當(dāng)小一點適當(dāng)小一點，使其校正及時，又能獲得較，使其校正及時，又能獲得較好的控制質(zhì)量。好的控制質(zhì)量。2021/3/932(2)時間滯后的影響時間滯后的影響 控制通道的時間滯后包括控制通道的時間滯后包括純純滯后滯后o和和容量滯后容量滯后c兩種。它們對控制質(zhì)量的兩種。它們對控制質(zhì)量的影響不利，尤其是影響不利，尤其是o影響最壞。影響最壞。 無純滯后時系統(tǒng)開環(huán)傳遞函數(shù)：無純滯后時系統(tǒng)開環(huán)傳遞函數(shù)： 有純滯后時系統(tǒng)開環(huán)傳遞函數(shù)：有純滯后時系統(tǒng)開環(huán)傳

32、遞函數(shù)：()1COKOK KWjwT So o- - s se e( )( )( )1COKCOOK KWsWs WsT S2021/3/933 由于存在由于存在o ，將使相角滯后增加，將使相角滯后增加o 弧度弧度 (圖圖39)。由圖可知，當(dāng)。由圖可知，當(dāng)o0時，隨時，隨KcKo的增大，的增大， 有可能包圍有可能包圍(-1，j0)點。當(dāng)點。當(dāng)o值愈大時，這種可能值愈大時，這種可能將愈大?？梢?，純滯后將愈大?？梢?，純滯后o的存在將降低系統(tǒng)的穩(wěn)的存在將降低系統(tǒng)的穩(wěn)定性。定性。()kWjw 當(dāng)控制通道存在當(dāng)控制通道存在純滯后時，控制器的純滯后時，控制器的校正作用將要滯后一校正作用將要滯后一個時間個時

33、間o ，從而使超，從而使超調(diào)量增加，使被控參調(diào)量增加，使被控參數(shù)的最大偏差增大，數(shù)的最大偏差增大，引起系統(tǒng)動態(tài)指標(biāo)下引起系統(tǒng)動態(tài)指標(biāo)下降。降。2021/3/934 控制通道的容量滯后控制通道的容量滯后c同樣會造成控制作同樣會造成控制作用不及時，使控制質(zhì)量下降。但是用不及時，使控制質(zhì)量下降。但是c的影響比的影響比純滯后純滯后o對系統(tǒng)的影響緩和。另外，若引入微對系統(tǒng)的影響緩和。另外，若引入微分作用，對于克服分作用，對于克服c對控制質(zhì)量的影響有顯著對控制質(zhì)量的影響有顯著的效果。的效果。(3)時間常數(shù)分配的影響時間常數(shù)分配的影響 如某系統(tǒng)如某系統(tǒng)(圖圖3l)開環(huán)傳遞函數(shù)：開環(huán)傳遞函數(shù)： 其中其中T11

34、0s，T2=5s，T32s。若每次改。若每次改變其中一個或兩個時間常數(shù)，可求得一組變其中一個或兩個時間常數(shù)，可求得一組Kmax，c和和Kmaxc值，如表值，如表32所示。所示。2021/3/9352021/3/936 由表由表32可知，減小過程中最大的時可知，減小過程中最大的時間常數(shù)間常數(shù)T1，反而引起控制質(zhì)量下降；相反，反而引起控制質(zhì)量下降；相反增大最大時間常數(shù)增大最大時間常數(shù)T1，雖，雖c略有下降，但略有下降，但Kmax增長，有助于提高控制指標(biāo)；而減小增長，有助于提高控制指標(biāo)；而減小T2或或T3都能提高控制性能指標(biāo)，若同時減都能提高控制性能指標(biāo)，若同時減小小T2、T3，則提高性能指標(biāo)的效果

35、更好。，則提高性能指標(biāo)的效果更好。 因此，在選擇控制通道以及選擇調(diào)節(jié)因此，在選擇控制通道以及選擇調(diào)節(jié)閥、測量變送器和設(shè)計控制閥、測量變送器和設(shè)計控制(調(diào)節(jié)調(diào)節(jié))器時，器時，使使開環(huán)傳遞函數(shù)中開環(huán)傳遞函數(shù)中(包括控制器、調(diào)節(jié)閥、被包括控制器、調(diào)節(jié)閥、被控過程以及測量變送器控過程以及測量變送器)的幾個時間常數(shù)數(shù)的幾個時間常數(shù)數(shù)值錯開，減小中間的時間常數(shù)，值錯開，減小中間的時間常數(shù)，可提高系可提高系統(tǒng)的工作頻率，減小過渡過程時間和最大統(tǒng)的工作頻率，減小過渡過程時間和最大偏差等，改善控制質(zhì)量。偏差等，改善控制質(zhì)量。2021/3/937 在實際生產(chǎn)過程中，若過程本身存在在實際生產(chǎn)過程中，若過程本身存在多

36、個時間常數(shù)，則最大的時間常數(shù)往往涉多個時間常數(shù)，則最大的時間常數(shù)往往涉及生產(chǎn)設(shè)備的核心，不能輕易改動，但減及生產(chǎn)設(shè)備的核心，不能輕易改動，但減小第二、三個時間常數(shù)較易實現(xiàn)。小第二、三個時間常數(shù)較易實現(xiàn)。 (三三)根據(jù)過程特性選擇控制參數(shù)的一般原則根據(jù)過程特性選擇控制參數(shù)的一般原則1)控制通道的放大系數(shù)控制通道的放大系數(shù)Ko要適當(dāng)大一些；要適當(dāng)大一些；時間常數(shù)時間常數(shù)To要適當(dāng)小一些；要適當(dāng)小一些；純滯后純滯后o愈小愈小愈好，在有純滯后愈好，在有純滯后o的情況下，的情況下，o和和To之之比應(yīng)小一些比應(yīng)小一些(小于小于1)，若其比值過大，則，若其比值過大，則不利于控制。不利于控制。2021/3/9

37、38 2)擾動通道的放大系數(shù)擾動通道的放大系數(shù)Kf應(yīng)盡可能??；應(yīng)盡可能??；時間常數(shù)時間常數(shù)Tf要大；要大；擾動引入系統(tǒng)的位置擾動引入系統(tǒng)的位置(指框圖中的位置指框圖中的位置)要靠近調(diào)節(jié)閥。要靠近調(diào)節(jié)閥。 3)當(dāng)過程本身存在多個時間常數(shù)，在當(dāng)過程本身存在多個時間常數(shù)，在選擇控制參數(shù)時，應(yīng)盡量設(shè)法把幾個時間選擇控制參數(shù)時，應(yīng)盡量設(shè)法把幾個時間常數(shù)錯開，常數(shù)錯開，使其中一個時間常數(shù)比其它時使其中一個時間常數(shù)比其它時間常數(shù)大得多，同時注意減小第二、第三間常數(shù)大得多，同時注意減小第二、第三個時間常數(shù)。個時間常數(shù)。 這一原則同樣適用于這一原則同樣適用于控制控制(調(diào)節(jié)調(diào)節(jié))器、器、調(diào)節(jié)閥和測量變送器調(diào)節(jié)閥和

38、測量變送器時間常數(shù)的選擇，控時間常數(shù)的選擇，控制器、調(diào)節(jié)閥和測量變送器制器、調(diào)節(jié)閥和測量變送器(均為系統(tǒng)開均為系統(tǒng)開環(huán)傳遞函數(shù)中的環(huán)節(jié)環(huán)傳遞函數(shù)中的環(huán)節(jié))的時間常數(shù)應(yīng)遠小的時間常數(shù)應(yīng)遠小于于被控過程被控過程中最大的時間常數(shù)。中最大的時間常數(shù)。2021/3/939第三節(jié)第三節(jié) 檢測、變送器選擇檢測、變送器選擇 對被控參數(shù)迅速、準(zhǔn)確地測量對被控參數(shù)迅速、準(zhǔn)確地測量(準(zhǔn)準(zhǔn)確地反映實際變化情況確地反映實際變化情況)是是實現(xiàn)高實現(xiàn)高性能控制的重要前提性能控制的重要前提。 檢測與變送設(shè)備主要根據(jù)檢測與變送設(shè)備主要根據(jù)被檢測參被檢測參數(shù)的性質(zhì)數(shù)的性質(zhì)與與系統(tǒng)設(shè)計的總體考慮系統(tǒng)設(shè)計的總體考慮來來決定。決定。2

39、021/3/9401盡可能選擇測量誤差小的測量元件盡可能選擇測量誤差小的測量元件 設(shè)控制器與執(zhí)行機構(gòu)設(shè)控制器與執(zhí)行機構(gòu) ，過程，過程 測量變送器測量變送器 ，則，則 當(dāng)當(dāng)Kc很大時，很大時，( )( )( )( )1( )( )( )1COCOCOOCOWs WsK KY sX sWs Ws Wm sT sK K Km( )1( )Y sX sKm2021/3/941 當(dāng)當(dāng)Kc很大時，很大時， 可見，對單回路定值控制系統(tǒng)這樣的可見，對單回路定值控制系統(tǒng)這樣的定值閉環(huán)反饋控制系統(tǒng)，當(dāng)定值閉環(huán)反饋控制系統(tǒng)，當(dāng)控制器放大倍控制器放大倍數(shù)數(shù)Kc較大較大(或含有積分因子或含有積分因子)時，其時，其穩(wěn)態(tài)誤

40、穩(wěn)態(tài)誤差差(設(shè)擾動不變設(shè)擾動不變)取決于反饋通道誤差即測取決于反饋通道誤差即測量誤差的大小。量誤差的大小。 當(dāng) 存 在 測 量 誤 差 ， 即 當(dāng)當(dāng) 存 在 測 量 誤 差 ， 即 當(dāng) K m Km0+Km (Km0為測量元件的標(biāo)稱放大為測量元件的標(biāo)稱放大系數(shù)系數(shù))時，被控參數(shù)與給定值間不再只有固時，被控參數(shù)與給定值間不再只有固定的對應(yīng)關(guān)系定的對應(yīng)關(guān)系(差一個系數(shù)差一個系數(shù))，而將隨測量，而將隨測量誤差誤差Km的值而變動。的值而變動。 高質(zhì)量的控制離不開高質(zhì)量的測量。高質(zhì)量的控制離不開高質(zhì)量的測量。( )1( )Y sX sKm2021/3/9422.盡可能選擇快速響應(yīng)的測量元件與變送設(shè)備盡可

41、能選擇快速響應(yīng)的測量元件與變送設(shè)備 檢測與變送器都有一定的時間常數(shù)，檢測與變送器都有一定的時間常數(shù)，造成所謂的造成所謂的測量滯后測量滯后與與信號傳送滯后信號傳送滯后。 如熱電偶溫度檢測需要建立熱平衡，如熱電偶溫度檢測需要建立熱平衡，因而響應(yīng)較慢產(chǎn)生測量滯后；又如氣動組因而響應(yīng)較慢產(chǎn)生測量滯后；又如氣動組合儀表中，現(xiàn)場測量元件與控制室調(diào)節(jié)器合儀表中，現(xiàn)場測量元件與控制室調(diào)節(jié)器間的信號通過管道傳輸則產(chǎn)生傳送滯后。間的信號通過管道傳輸則產(chǎn)生傳送滯后。 為克服其不良影響，在系統(tǒng)設(shè)計中，為克服其不良影響，在系統(tǒng)設(shè)計中，應(yīng)盡可能選用快速測量元件并盡量減小信應(yīng)盡可能選用快速測量元件并盡量減小信號傳送時間號傳

42、送時間(如縮短氣動傳輸管道如縮短氣動傳輸管道)，一般選一般選其時間常數(shù)為控制通道時間常數(shù)的其時間常數(shù)為控制通道時間常數(shù)的l10以以下為宜。下為宜。2021/3/9433.正確采用微分超前補償正確采用微分超前補償 當(dāng)系統(tǒng)中存在較大的測量滯后當(dāng)系統(tǒng)中存在較大的測量滯后(如溫度與如溫度與蒸汽壓力測量，存在相當(dāng)大的容量滯后蒸汽壓力測量，存在相當(dāng)大的容量滯后)，為，為了獲得真實的參數(shù)值，可在變送器輸出端串一了獲得真實的參數(shù)值，可在變送器輸出端串一微分環(huán)節(jié)微分環(huán)節(jié)(圖圖311)：輸出與輸入間的關(guān)系為輸出與輸入間的關(guān)系為若能使若能使TD= Tm，則，則P(s)=KmT(s)，輸出與輸入呈簡單，輸出與輸入呈簡

43、單的正比關(guān)系，消除了測量滯后產(chǎn)生的動態(tài)誤差。的正比關(guān)系，消除了測量滯后產(chǎn)生的動態(tài)誤差。2021/3/944 但微分超前控制的使用要慎重，因但微分超前控制的使用要慎重，因為為 （1）要使）要使TD= Tm極為困難。極為困難。 （2）微分作用將放大測量、變送）微分作用將放大測量、變送回路中的高頻噪聲干擾，使系統(tǒng)變回路中的高頻噪聲干擾，使系統(tǒng)變得不穩(wěn)定。得不穩(wěn)定。 （3）微分作用對于純滯后是無能）微分作用對于純滯后是無能為力的。為力的。2021/3/9454合理選擇測量點位置并正確安裝合理選擇測量點位置并正確安裝 測量點位置的選擇，主要著眼于盡可能減小測量點位置的選擇，主要著眼于盡可能減小參數(shù)測量滯

44、后與傳送滯后，同時也要考慮安參數(shù)測量滯后與傳送滯后，同時也要考慮安裝方便。裝方便。 (1)測量信號校正測量信號校正 在檢測某些過程參數(shù)時，在檢測某些過程參數(shù)時，測量值往往要受到其它一些參數(shù)的影響，例測量值往往要受到其它一些參數(shù)的影響，例如發(fā)電廠過熱蒸汽流量測量，通常用標(biāo)準(zhǔn)節(jié)如發(fā)電廠過熱蒸汽流量測量，通常用標(biāo)準(zhǔn)節(jié)流元件。在設(shè)計參數(shù)下運行時，這種節(jié)流裝流元件。在設(shè)計參數(shù)下運行時，這種節(jié)流裝置的測量精度較高，當(dāng)參數(shù)偏離給定值時，置的測量精度較高，當(dāng)參數(shù)偏離給定值時，測量誤差較大，其主要原因是蒸汽密度受壓測量誤差較大，其主要原因是蒸汽密度受壓力和溫度的影響較大。為此，必須對其測量力和溫度的影響較大。為

45、此，必須對其測量信號進行壓力和溫度校正信號進行壓力和溫度校正(補償補償)。5. 對測量信號作必要的處理對測量信號作必要的處理2021/3/946(2)測量信號噪聲測量信號噪聲(擾動擾動)的抑制的抑制 在測量某些參數(shù)時，由于其物理或化在測量某些參數(shù)時，由于其物理或化學(xué)特點，常常產(chǎn)生具有隨機波動特性的過學(xué)特點，常常產(chǎn)生具有隨機波動特性的過程噪聲。若測量變送器的阻尼較小，其噪程噪聲。若測量變送器的阻尼較小，其噪聲會疊加于測量信號之中影響系統(tǒng)的控制聲會疊加于測量信號之中影響系統(tǒng)的控制質(zhì)量，所以應(yīng)考慮對其加以抑制。例如測質(zhì)量，所以應(yīng)考慮對其加以抑制。例如測量流量時，常伴有噪聲，故常常引入量流量時，常伴有

46、噪聲，故常常引入阻尼阻尼器器來加以抑制。來加以抑制。 有些測量元件本身具有一定的阻尼作有些測量元件本身具有一定的阻尼作用，測量信號的噪聲基本上被抑制，如用用，測量信號的噪聲基本上被抑制，如用熱電偶或熱電阻測溫時，由于其本身的慣熱電偶或熱電阻測溫時，由于其本身的慣性作用，測量信號無噪聲。性作用，測量信號無噪聲。2021/3/947 (3)對測量信號進行線性化處理對測量信號進行線性化處理 在檢測某些過程參數(shù)時，測量信號與被在檢測某些過程參數(shù)時，測量信號與被測參數(shù)之間成某種非線性關(guān)系。這種非線性測參數(shù)之間成某種非線性關(guān)系。這種非線性特性，一般由測量元件所致。特性，一般由測量元件所致。 通常線性化措施

47、在儀表內(nèi)考慮或測量信通常線性化措施在儀表內(nèi)考慮或測量信號送入計算機后通過數(shù)字運算來線性化。號送入計算機后通過數(shù)字運算來線性化。 如熱電偶測溫時，熱電動勢與溫度是非如熱電偶測溫時，熱電動勢與溫度是非線性的，當(dāng)配用線性的，當(dāng)配用DDZIII型溫度變送器型溫度變送器時，時，其輸出的測量信號就已線性化了，即變送器其輸出的測量信號就已線性化了，即變送器的輸出電流與溫度成線性關(guān)系。的輸出電流與溫度成線性關(guān)系。 因此是否要進行線性化處理，具體問題因此是否要進行線性化處理，具體問題要作具體分析。要作具體分析。2021/3/948第四節(jié)第四節(jié) 執(zhí)行器執(zhí)行器(調(diào)節(jié)閥調(diào)節(jié)閥)選擇選擇 在過程控制中，執(zhí)行器在過程控制

48、中，執(zhí)行器(亦稱執(zhí)行機構(gòu)亦稱執(zhí)行機構(gòu))大多采用閥的形式，控制各種氣體或液體大多采用閥的形式，控制各種氣體或液體的流量與流速，其特性好壞對控制質(zhì)量的的流量與流速，其特性好壞對控制質(zhì)量的影響很大。影響很大。 實踐證明，若調(diào)節(jié)閥特性選用不當(dāng)，實踐證明，若調(diào)節(jié)閥特性選用不當(dāng)，閥門動作不靈活，口徑大小不合適，都會閥門動作不靈活，口徑大小不合適，都會嚴(yán)重影響控制質(zhì)量。嚴(yán)重影響控制質(zhì)量。 所以，所以，應(yīng)根據(jù)生產(chǎn)過程的特點、被控應(yīng)根據(jù)生產(chǎn)過程的特點、被控介質(zhì)的情況介質(zhì)的情況(尤其關(guān)注高溫、高壓、劇毒、尤其關(guān)注高溫、高壓、劇毒、易燃易爆、易結(jié)晶、強腐蝕、高粘度等介易燃易爆、易結(jié)晶、強腐蝕、高粘度等介質(zhì)質(zhì))和安全

49、運行的需要，并從系統(tǒng)設(shè)計的總和安全運行的需要，并從系統(tǒng)設(shè)計的總體考慮，選用合適的執(zhí)行器。體考慮，選用合適的執(zhí)行器。2021/3/949 在過程控制中，在過程控制中，使用最多的是氣動執(zhí)行器使用最多的是氣動執(zhí)行器，其，其次是電動執(zhí)行器，較少采用液動執(zhí)行器。（次是電動執(zhí)行器，較少采用液動執(zhí)行器。（表表3-3）2021/3/9501選擇合適的調(diào)節(jié)工作區(qū)間選擇合適的調(diào)節(jié)工作區(qū)間 調(diào)節(jié)閥的調(diào)節(jié)閥的Dg、dg必須很好選擇，在必須很好選擇，在正常工況下要求調(diào)節(jié)閥開度處于正常工況下要求調(diào)節(jié)閥開度處于1585之間。之間。 若調(diào)節(jié)閥口徑選得過小若調(diào)節(jié)閥口徑選得過小，當(dāng)系統(tǒng)受到，當(dāng)系統(tǒng)受到較大擾動時，調(diào)節(jié)閥可能運行在

50、全開或接較大擾動時，調(diào)節(jié)閥可能運行在全開或接近全開的非線性飽和工作狀態(tài)，使系統(tǒng)暫近全開的非線性飽和工作狀態(tài)，使系統(tǒng)暫時失控；時失控； 若調(diào)節(jié)閥口徑選得過大若調(diào)節(jié)閥口徑選得過大，系統(tǒng)運行中，系統(tǒng)運行中閥門會經(jīng)常處于小開度的工作狀態(tài)，不但閥門會經(jīng)常處于小開度的工作狀態(tài)，不但調(diào)節(jié)不靈敏，而且易造成流體對閥芯、閥調(diào)節(jié)不靈敏，而且易造成流體對閥芯、閥座的嚴(yán)重沖蝕，在不平衡力作用下產(chǎn)生振座的嚴(yán)重沖蝕，在不平衡力作用下產(chǎn)生振蕩現(xiàn)象，甚至引起調(diào)節(jié)閥失靈。蕩現(xiàn)象，甚至引起調(diào)節(jié)閥失靈。2021/3/9512選擇合適的流量特性選擇合適的流量特性 首先首先根據(jù)過程控制系統(tǒng)的要求，根據(jù)過程控制系統(tǒng)的要求，確定工作流量特

51、性，確定工作流量特性，然后然后根據(jù)流量根據(jù)流量特性曲線的畸變程度，確定理想流特性曲線的畸變程度，確定理想流量特性。量特性。 在具體選擇調(diào)節(jié)閥的流量特性在具體選擇調(diào)節(jié)閥的流量特性時，根據(jù)被控過程特性來選擇調(diào)節(jié)時，根據(jù)被控過程特性來選擇調(diào)節(jié)閥的工作流量特性，若過程特性為閥的工作流量特性，若過程特性為線性線性時，可選用時，可選用線性線性流量特性的調(diào)流量特性的調(diào)節(jié)閥；若過程特性為節(jié)閥；若過程特性為非線性非線性，應(yīng)選，應(yīng)選用用對數(shù)對數(shù)流量特性的調(diào)節(jié)閥。流量特性的調(diào)節(jié)閥。2021/3/952 當(dāng)阻力比當(dāng)阻力比S確定后，可從工作流量確定后，可從工作流量特性出發(fā)，決定理想流量特性。特性出發(fā)，決定理想流量特性。

52、 當(dāng)當(dāng)S10. 6時，理想流量特時，理想流量特性與工作流量特性幾乎相同；性與工作流量特性幾乎相同； 當(dāng)當(dāng)S0.30.6時，調(diào)節(jié)閥流量時，調(diào)節(jié)閥流量特性無論是線性的或?qū)?shù)的，均應(yīng)特性無論是線性的或?qū)?shù)的，均應(yīng)選擇對數(shù)的理想流量特性；選擇對數(shù)的理想流量特性； 當(dāng)當(dāng)S0.3時，一般已不宜用于時，一般已不宜用于自動控制。自動控制。2021/3/953 3選擇合適的調(diào)節(jié)閥氣開、氣關(guān)形式選擇合適的調(diào)節(jié)閥氣開、氣關(guān)形式 主要是考慮在不同工藝條件下主要是考慮在不同工藝條件下安全生安全生產(chǎn)產(chǎn)的需要。選用氣動調(diào)節(jié)閥應(yīng)考慮以下情的需要。選用氣動調(diào)節(jié)閥應(yīng)考慮以下情況：況： 1)考慮事故狀態(tài)時人身、工藝設(shè)備的安全。考慮

53、事故狀態(tài)時人身、工藝設(shè)備的安全。 當(dāng)過程控制系統(tǒng)發(fā)生故障當(dāng)過程控制系統(tǒng)發(fā)生故障(如氣源中斷、如氣源中斷、控制器損壞或調(diào)節(jié)閥壞了控制器損壞或調(diào)節(jié)閥壞了)時，調(diào)節(jié)閥所處時，調(diào)節(jié)閥所處的狀態(tài)不致影響人身和工藝設(shè)備的安全。的狀態(tài)不致影響人身和工藝設(shè)備的安全。 例：例：鍋爐供水調(diào)節(jié)閥鍋爐供水調(diào)節(jié)閥 進加熱爐的燃料氣進加熱爐的燃料氣(油油)的調(diào)節(jié)閥的調(diào)節(jié)閥2021/3/9542)考慮事故狀態(tài)下減少經(jīng)濟損失，保證考慮事故狀態(tài)下減少經(jīng)濟損失，保證產(chǎn)品質(zhì)量。產(chǎn)品質(zhì)量。 例：例：精餾塔進料調(diào)節(jié)閥精餾塔進料調(diào)節(jié)閥 精餾塔回流量調(diào)節(jié)閥精餾塔回流量調(diào)節(jié)閥3)考慮介質(zhì)的性質(zhì)?？紤]介質(zhì)的性質(zhì)。 例：例：裝有易結(jié)晶、易凝固物

54、料的裝有易結(jié)晶、易凝固物料的裝置的流量調(diào)節(jié)閥裝置的流量調(diào)節(jié)閥2021/3/955第四節(jié)第四節(jié) 控制器控制器(調(diào)節(jié)器調(diào)節(jié)器)的選擇的選擇 在過程控制中，在過程控制中，控制器控制器常稱為常稱為調(diào)節(jié)調(diào)節(jié)器器(控制控制常稱為常稱為調(diào)節(jié)調(diào)節(jié))。 控制器的選型與控制規(guī)律的確定是控制器的選型與控制規(guī)律的確定是系統(tǒng)設(shè)計中系統(tǒng)設(shè)計中最重要最重要的環(huán)節(jié)。的環(huán)節(jié)。 控制器的選型主要根據(jù)控制器的選型主要根據(jù)被控過程的被控過程的特性、工藝對控制品質(zhì)的要求、系特性、工藝對控制品質(zhì)的要求、系統(tǒng)的總體設(shè)計統(tǒng)的總體設(shè)計(包括經(jīng)濟性包括經(jīng)濟性)來綜合考來綜合考慮。慮。 本節(jié)討論控制器選擇中的共性問題。本節(jié)討論控制器選擇中的共性問

55、題。2021/3/9561選擇控制器的控制規(guī)律選擇控制器的控制規(guī)律 (1)根據(jù)根據(jù)0T0比值來選擇：比值來選擇： 當(dāng)已知過程數(shù)學(xué)模型當(dāng)已知過程數(shù)學(xué)模型 0T0 0.2時，選用時，選用P或或PI控制規(guī)律；控制規(guī)律； 0.20T0 1.0 時，單回路反饋控制系統(tǒng)已不能滿時，單回路反饋控制系統(tǒng)已不能滿足控制要求，應(yīng)根據(jù)具體情況，采用其他控足控制要求，應(yīng)根據(jù)具體情況，采用其他控制方式。制方式。( )1OOKWo sT So o- - s se e2021/3/957(2)根據(jù)過程特性選擇控制規(guī)律：根據(jù)過程特性選擇控制規(guī)律： 若過程的數(shù)學(xué)模型比較復(fù)雜或無法若過程的數(shù)學(xué)模型比較復(fù)雜或無法準(zhǔn)確建模時，可根據(jù)

56、何種控制規(guī)律適用準(zhǔn)確建模時，可根據(jù)何種控制規(guī)律適用于何種過程特性與工藝要求來選擇。于何種過程特性與工藝要求來選擇。1)比例比例(P) ：P控制規(guī)律能較快地克服擾動控制規(guī)律能較快地克服擾動的影響，使系統(tǒng)穩(wěn)定下來，但有余差。的影響，使系統(tǒng)穩(wěn)定下來，但有余差。適用于適用于控制通道滯后較小，負荷變化不控制通道滯后較小，負荷變化不大，控制要求不高，時間常數(shù)不太大，大，控制要求不高，時間常數(shù)不太大，擾動幅度較小，被控參數(shù)允許在一定范擾動幅度較小，被控參數(shù)允許在一定范圍內(nèi)有余差圍內(nèi)有余差的場合。如儲槽液位控制、的場合。如儲槽液位控制、壓縮機儲氣罐的壓力控制、塔釜液位控壓縮機儲氣罐的壓力控制、塔釜液位控制和不

57、太重要的蒸汽壓力控制等。制和不太重要的蒸汽壓力控制等。2021/3/9582)比例積分比例積分(PI) ：工程上應(yīng)用最廣泛。工程上應(yīng)用最廣泛。積分積分能消除余差，它適用于能消除余差，它適用于控制通道滯后較小、控制通道滯后較小、負荷變化不大、被控參數(shù)不允許有余差負荷變化不大、被控參數(shù)不允許有余差的的場合。如某些流量、液位要求無余差的控場合。如某些流量、液位要求無余差的控制系統(tǒng)。制系統(tǒng)。3)比例微分比例微分(PD)：微分具有：微分具有超前超前作用，對于作用，對于具有具有容量滯后容量滯后的控制通道，引入微分控制的控制通道，引入微分控制規(guī)律規(guī)律(微分時間設(shè)置得當(dāng)微分時間設(shè)置得當(dāng))對于改善系統(tǒng)的對于改善

58、系統(tǒng)的動態(tài)性能指標(biāo)，有顯著的效果。適用于動態(tài)性能指標(biāo)，有顯著的效果。適用于控控制通道的時間常數(shù)或容量滯后較大制通道的時間常數(shù)或容量滯后較大的場合，的場合，如溫度或成分控制。但對于如溫度或成分控制。但對于純滯后較大、純滯后較大、測量信號有噪聲或周期性擾動測量信號有噪聲或周期性擾動的系統(tǒng)，則的系統(tǒng)，則不宜采用微分控制。不宜采用微分控制。2021/3/959 4)比例積分微分比例積分微分 (PlD)：是一種較理想的是一種較理想的控制規(guī)律，可消除余差，又能提高系統(tǒng)控制規(guī)律，可消除余差，又能提高系統(tǒng)的穩(wěn)定性。適用于的穩(wěn)定性。適用于控制通道時間常數(shù)或控制通道時間常數(shù)或容量滯后較大、控制要求較高容量滯后較大

59、、控制要求較高的場合。的場合。如某些溫度控制、成分控制等。如某些溫度控制、成分控制等。 控制規(guī)律要根據(jù)過程特性和工藝要求來控制規(guī)律要根據(jù)過程特性和工藝要求來選取，決不是說選取，決不是說PID控制規(guī)律具有較好的控制規(guī)律具有較好的控制性能就不分場合地選用，否則會給控制性能就不分場合地選用，否則會給其它工作增加復(fù)雜性，并帶來參數(shù)整定其它工作增加復(fù)雜性，并帶來參數(shù)整定的困難。的困難。 當(dāng)采用當(dāng)采用PID控制器還達不到工藝要求的控控制器還達不到工藝要求的控制品質(zhì)時，則需要考慮其它的控制方案制品質(zhì)時，則需要考慮其它的控制方案(第四章第四章)。2021/3/9602.確定控確定控制制(調(diào)節(jié)調(diào)節(jié))器器的正、反

60、作用方式的正、反作用方式 正作用方式正作用方式-調(diào)節(jié)器的輸出隨著正偏差調(diào)節(jié)器的輸出隨著正偏差(指測量值大于設(shè)定值指測量值大于設(shè)定值)的增加而增加，即的增加而增加，即調(diào)節(jié)器的輸出隨測量值的增大而增大。調(diào)節(jié)器的輸出隨測量值的增大而增大。 反作用方式反作用方式-調(diào)節(jié)器的輸出隨著正偏差調(diào)節(jié)器的輸出隨著正偏差的增加而減小，即調(diào)節(jié)器的輸出隨測量值的增加而減小，即調(diào)節(jié)器的輸出隨測量值的增大而減小。的增大而減小。 調(diào)節(jié)器正、反作用方式的確定原則：調(diào)節(jié)器正、反作用方式的確定原則： 應(yīng)根據(jù)應(yīng)根據(jù)被控過程的特性被控過程的特性及及調(diào)節(jié)閥的氣調(diào)節(jié)閥的氣開、氣關(guān)形式開、氣關(guān)形式來選擇，以使系統(tǒng)成為一個來選擇，以使系統(tǒng)成為