第七章單回路控制系統(tǒng)

1、第第7章章 單回路控制系統(tǒng)的設(shè)計單回路控制系統(tǒng)的設(shè)計過程控制系統(tǒng)從結(jié)構(gòu)形式可以分為單回路系統(tǒng)和多回路系統(tǒng)過程控制系統(tǒng)從結(jié)構(gòu)形式可以分為單回路系統(tǒng)和多回路系統(tǒng)（串級）。單回路控制系統(tǒng)包含一個測量變送器、一個調(diào)節(jié)器（串級）。單回路控制系統(tǒng)包含一個測量變送器、一個調(diào)節(jié)器、一個執(zhí)行器和對象，對對象的某一個被控制參數(shù)進行閉環(huán)負、一個執(zhí)行器和對象，對對象的某一個被控制參數(shù)進行閉環(huán)負反饋控制。反饋控制。結(jié)構(gòu)簡單、投資少、易于調(diào)整和投運，能夠滿足一般工業(yè)結(jié)構(gòu)簡單、投資少、易于調(diào)整和投運，能夠滿足一般工業(yè)生產(chǎn)過程的控制要求，因此應(yīng)用十分廣泛（生產(chǎn)過程的控制要求，因此應(yīng)用十分廣泛（70%以上以上），尤），尤其適用

2、于被控過程的純時延和慣性小，負荷和擾動變化比較其適用于被控過程的純時延和慣性小，負荷和擾動變化比較平緩，或者對被控質(zhì)量要求不太高的場合。平緩，或者對被控質(zhì)量要求不太高的場合。在系統(tǒng)分析、設(shè)計和整定中，單回路系統(tǒng)設(shè)計方法是最在系統(tǒng)分析、設(shè)計和整定中，單回路系統(tǒng)設(shè)計方法是最基本基本的方法，適用于其他各類復(fù)雜控制系統(tǒng)的分析、設(shè)計、整定和的方法，適用于其他各類復(fù)雜控制系統(tǒng)的分析、設(shè)計、整定和投運。投運。 例例 液位控制系統(tǒng)液位控制系統(tǒng)流入量流入量流出量流出量液位設(shè)定值液位設(shè)定值液位變送器液位變送器液位調(diào)節(jié)器液位調(diào)節(jié)器圖圖7.1 液位控制系統(tǒng)液位控制系統(tǒng) 控制原理控制原理：液位液位是被控參數(shù)是被控參數(shù)，

3、液位變送器，液位變送器LT 將將反映液位高低的檢測信號送往液位反映液位高低的檢測信號送往液位控制器控制器 LC；控制器根據(jù)實際檢測值；控制器根據(jù)實際檢測值與液位設(shè)定值的與液位設(shè)定值的偏差偏差情況，輸出控情況，輸出控制信號給制信號給執(zhí)行器執(zhí)行器（調(diào)節(jié)閥），改變（調(diào)節(jié)閥），改變調(diào)節(jié)閥的調(diào)節(jié)閥的開度開度，來調(diào)節(jié)水箱輸出，來調(diào)節(jié)水箱輸出流流量量，以維持，以維持液位液位穩(wěn)定。穩(wěn)定。 圖圖7.2 單回路控制系統(tǒng)框圖單回路控制系統(tǒng)框圖調(diào)節(jié)器調(diào)節(jié)器調(diào)節(jié)閥調(diào)節(jié)閥被控過程被控過程測量變送器測量變送器自動控制系統(tǒng)的自動控制系統(tǒng)的一般要求一般要求：1過程控制系統(tǒng)必須是過程控制系統(tǒng)必須是穩(wěn)定穩(wěn)定的；的； 2系統(tǒng)必須具有

4、適當(dāng)?shù)南到y(tǒng)必須具有適當(dāng)?shù)姆€(wěn)定裕量穩(wěn)定裕量 ；3系統(tǒng)應(yīng)是一個系統(tǒng)應(yīng)是一個衰減振蕩過程衰減振蕩過程（特殊生產(chǎn)要求例（特殊生產(chǎn)要求例 外），但過渡過程時間要外），但過渡過程時間要短短，余差要，余差要小。小。 對過程控制系統(tǒng)設(shè)計的一般要求對過程控制系統(tǒng)設(shè)計的一般要求對過程控制系統(tǒng)設(shè)計的一般要求對過程控制系統(tǒng)設(shè)計的一般要求在工程上這些要求往往是在工程上這些要求往往是相互矛盾相互矛盾的，因此在設(shè)計的，因此在設(shè)計過程控制系統(tǒng)時，應(yīng)根據(jù)實際情況，分清主次，以過程控制系統(tǒng)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)要求。保證滿足最重要的質(zhì)量指標(biāo)要求。 穩(wěn)定性穩(wěn)定性: 過程控制系統(tǒng)必須是過程控制系統(tǒng)必

5、須是穩(wěn)定穩(wěn)定的，的， 而且必須具有適當(dāng)?shù)亩冶仨毦哂羞m當(dāng)?shù)姆€(wěn)定裕量穩(wěn)定裕量；準(zhǔn)確性準(zhǔn)確性: 最大動態(tài)偏差、超調(diào)量、余差要小；最大動態(tài)偏差、超調(diào)量、余差要小；快速性快速性: 過渡過程時間要短。過渡過程時間要短。設(shè)計步驟設(shè)計步驟熟悉系統(tǒng)的技術(shù)要求或熟悉系統(tǒng)的技術(shù)要求或性能指標(biāo)性能指標(biāo)，如：超調(diào)量，穩(wěn)定誤差，如：超調(diào)量，穩(wěn)定誤差，調(diào)節(jié)時間，上升時間，衰減比等；調(diào)節(jié)時間，上升時間，衰減比等；了解工藝過程，建立對象的了解工藝過程，建立對象的數(shù)學(xué)模型數(shù)學(xué)模型 ；依據(jù)過程的數(shù)學(xué)模型，確定依據(jù)過程的數(shù)學(xué)模型，確定控制方案控制方案。即確定被控參數(shù)及其。即確定被控參數(shù)及其測量和變送的方法；確定操作變量和相關(guān)的執(zhí)行

6、器（控制方測量和變送的方法；確定操作變量和相關(guān)的執(zhí)行器（控制方法）。建立系統(tǒng)方法）。建立系統(tǒng)方框圖框圖 ；依據(jù)調(diào)節(jié)規(guī)律和系統(tǒng)的動、靜態(tài)特性進行依據(jù)調(diào)節(jié)規(guī)律和系統(tǒng)的動、靜態(tài)特性進行理論分析和綜合；理論分析和綜合；實驗和實驗和仿真；仿真；工程設(shè)計、工程安裝；工程設(shè)計、工程安裝；系統(tǒng)系統(tǒng)投運投運 。過程控制系統(tǒng)設(shè)計包括過程控制系統(tǒng)設(shè)計包括方案設(shè)計、工程設(shè)計、工程安方案設(shè)計、工程設(shè)計、工程安裝和儀表調(diào)校、調(diào)節(jié)器參數(shù)整定裝和儀表調(diào)校、調(diào)節(jié)器參數(shù)整定等四個主要內(nèi)容。等四個主要內(nèi)容。1. 方案設(shè)計：方案設(shè)計：系統(tǒng)設(shè)計的系統(tǒng)設(shè)計的核心核心 2. 工程設(shè)計：工程設(shè)計：儀表選型、控制室和儀表盤設(shè)計，儀表供電儀表選

7、型、控制室和儀表盤設(shè)計，儀表供電 供氣系統(tǒng)設(shè)計、信號及聯(lián)鎖保護系統(tǒng)設(shè)計等供氣系統(tǒng)設(shè)計、信號及聯(lián)鎖保護系統(tǒng)設(shè)計等 3. 工程安裝和儀表調(diào)校：工程安裝和儀表調(diào)校：每臺儀表單校；每個控制回路聯(lián)校等每臺儀表單校；每個控制回路聯(lián)校等 4. 調(diào)節(jié)器參數(shù)整定調(diào)節(jié)器參數(shù)整定 ：是系統(tǒng)運行在最佳狀態(tài)的是系統(tǒng)運行在最佳狀態(tài)的重要保證重要保證 設(shè)計主要內(nèi)容設(shè)計主要內(nèi)容7.2.1 被控量（參數(shù)）的選擇被控量（參數(shù)）的選擇被控參數(shù)被控參數(shù)：生產(chǎn)中希望借助控制系統(tǒng)保持：生產(chǎn)中希望借助控制系統(tǒng)保持恒定值恒定值（或按一定（或按一定 規(guī)律變化）的參數(shù)被稱為規(guī)律變化）的參數(shù)被稱為被控變量被控變量，也稱為，也稱為被控被控 參數(shù)參數(shù)

8、。被控參數(shù)選擇方法被控參數(shù)選擇方法：直接直接參數(shù)法和參數(shù)法和間接間接參數(shù)法。參數(shù)法。直接參數(shù)法直接參數(shù)法：選擇能：選擇能直接直接反映生產(chǎn)過程中產(chǎn)品產(chǎn)量和質(zhì)量，反映生產(chǎn)過程中產(chǎn)品產(chǎn)量和質(zhì)量， 又又易于測量易于測量的參數(shù)作為被控參數(shù)。的參數(shù)作為被控參數(shù)。間接參數(shù)法間接參數(shù)法：選擇與質(zhì)量指標(biāo)有：選擇與質(zhì)量指標(biāo)有單值對應(yīng)單值對應(yīng)關(guān)系、關(guān)系、易于測量易于測量的的 變量作為被控參數(shù)，變量作為被控參數(shù)，間接間接反映產(chǎn)品質(zhì)量、生產(chǎn)反映產(chǎn)品質(zhì)量、生產(chǎn) 過程的實際情況。過程的實際情況。例：例：間接間接被控參數(shù)選擇被控參數(shù)選擇圖圖 二元二元精餾精餾過程示意圖過程示意圖精餾精餾是利用被分離物組分是利用被分離物組分揮發(fā)

9、揮發(fā)溫度溫度不同，實現(xiàn)組分不同，實現(xiàn)組分分離分離。該精餾塔的該精餾塔的工藝要求工藝要求是要使塔是要使塔頂（或塔底）餾出物達到規(guī)定頂（或塔底）餾出物達到規(guī)定的的純度純度。直接參數(shù)直接參數(shù)：餾出物組分的：餾出物組分的濃度濃度。但是，但是，在線檢測在線檢測餾出物的純度餾出物的純度比較困難。比較困難。因此因此.苯苯甲苯甲苯苯苯苯苯甲苯甲苯苯苯甲苯甲苯7.2.1 被控量（參數(shù)）的選擇被控量（參數(shù)）的選擇間接參數(shù)間接參數(shù)：在與餾出物的純度：在與餾出物的純度有單值關(guān)系的工藝參數(shù)中，找有單值關(guān)系的工藝參數(shù)中，找出合適的變量作為被控變量，出合適的變量作為被控變量，進行進行間接參數(shù)控制間接參數(shù)控制。工藝分析發(fā)現(xiàn)，

10、工藝分析發(fā)現(xiàn)，塔內(nèi)溫度塔內(nèi)溫度對餾對餾出物出物純度純度有重要影響。有重要影響。精餾是利用被分離物組分精餾是利用被分離物組分揮發(fā)溫度不同，實現(xiàn)組分分離揮發(fā)溫度不同，實現(xiàn)組分分離。例：例：間接間接被控參數(shù)選擇被控參數(shù)選擇圖圖 二元二元精餾精餾過程示意圖過程示意圖苯苯甲苯甲苯苯苯苯苯甲苯甲苯苯苯甲苯甲苯7.2.1 被控量（參數(shù)）的選擇被控量（參數(shù)）的選擇間接參數(shù)選擇間接參數(shù)選擇：圖圖 苯苯-甲苯的甲苯的Td-x d 以以氣相溫度氣相溫度Td作被控參數(shù)作被控參數(shù)例：例：間接間接被控參數(shù)選擇被控參數(shù)選擇圖圖 二元二元精餾精餾過程示意圖過程示意圖苯苯甲苯甲苯苯苯苯苯甲苯甲苯苯苯甲苯甲苯7.2.1 被控量（

11、參數(shù)）的選擇被控量（參數(shù)）的選擇選取被控參數(shù)的選取被控參數(shù)的一般原則一般原則為：為： 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)境保護環(huán)境保護具有決定性具有決定性作用的、可作用的、可直接測量直接測量的工藝參數(shù)的工藝參數(shù)為被控參數(shù)。為被控參數(shù)。當(dāng)不能用直接參數(shù)作為被控參數(shù)時，應(yīng)該選擇一個當(dāng)不能用直接參數(shù)作為被控參數(shù)時，應(yīng)該選擇一個與直接參數(shù)有與直接參數(shù)有單值函數(shù)關(guān)系單值函數(shù)關(guān)系的的間接參數(shù)間接參數(shù)作為被控參數(shù)。作為被控參數(shù)。被控參數(shù)必須具有被控參數(shù)必須具有足夠大的靈敏度足夠大的靈敏度，便于測量。，便于測量。被控參數(shù)的選取，必須考慮工藝過程的被控參數(shù)

12、的選取，必須考慮工藝過程的合理性合理性和所和所用儀表的用儀表的性能性能。 7.2.1 被控量（參數(shù)）的選擇被控量（參數(shù)）的選擇7.2 單回路控制系統(tǒng)單回路控制系統(tǒng)方案設(shè)計方案設(shè)計控制變量控制變量：在控制系統(tǒng)中，把用來：在控制系統(tǒng)中，把用來克服干擾克服干擾對被控參數(shù)的影對被控參數(shù)的影響，實現(xiàn)響，實現(xiàn)控制作用控制作用的變量稱為的變量稱為控制變量控制變量（也稱（也稱操縱變量操縱變量）。）。選擇的原則選擇的原則：在考慮生產(chǎn)過程特點和產(chǎn)品特點的情況下，要：在考慮生產(chǎn)過程特點和產(chǎn)品特點的情況下，要從所有從所有允許控制允許控制的變量中盡可能地選擇一個對被控參數(shù)的變量中盡可能地選擇一個對被控參數(shù)影響影響顯著、

13、控制性能好顯著、控制性能好的的輸入變量輸入變量作為控制變量。作為控制變量。7.2.2 操縱量操縱量（控制參數(shù)）控制參數(shù)）的選擇的選擇控制通道控制通道：控制變量控制變量對被控參數(shù)作用的通道。對被控參數(shù)作用的通道。擾動通道擾動通道：擾動量擾動量對被控參數(shù)作用的通道。對被控參數(shù)作用的通道。在諸多影響被控變量的因素中選擇在諸多影響被控變量的因素中選擇 一個對被控變量影響顯著且便于控一個對被控變量影響顯著且便于控 制的變量，作為制的變量，作為控制變量控制變量；未被選中的因素則視為系統(tǒng)的未被選中的因素則視為系統(tǒng)的干擾干擾。通道的特性決定系統(tǒng)性能！通道的特性決定系統(tǒng)性能！7.2.2 操縱量操縱量（控制參數(shù)）

14、控制參數(shù)）的選擇的選擇1. 過程過程靜態(tài)特性靜態(tài)特性的分析：的分析： 單回路控制系統(tǒng)的框圖見圖單回路控制系統(tǒng)的框圖見圖7.1 圖圖7.1 過程控制系統(tǒng)框圖過程控制系統(tǒng)框圖 廣義控制通道廣義控制通道Ko，Kf7.2.2 操縱量操縱量（控制參數(shù)）控制參數(shù)）的選擇的選擇 設(shè)設(shè) 被控量被控量Y(s)對擾動對擾動F(s)的的閉環(huán)傳遞函數(shù)閉環(huán)傳遞函數(shù)為為 由于系統(tǒng)是由于系統(tǒng)是穩(wěn)定穩(wěn)定的，在的，在階躍擾動階躍擾動 作用下，系作用下，系統(tǒng)統(tǒng)穩(wěn)態(tài)值穩(wěn)態(tài)值可應(yīng)用可應(yīng)用終值定理終值定理求得：求得：) 1() 1)(1() 1()()(1)()()(0000sTKKsTsTKsTsWsWsWsFsYfcfffssF1

15、)(1. 過程過程靜態(tài)特性靜態(tài)特性的分析：的分析：Ko，Kf1. 過程（通道）靜態(tài)特性對控制品質(zhì)的影響過程（通道）靜態(tài)特性對控制品質(zhì)的影響 11)()(1)(0sTsGKsGsTKsGffccoo（1）設(shè)：設(shè)：被控參數(shù)被控參數(shù)y (t)受到給定信號受到給定信號x (t)和和干擾信號干擾信號f (t)的的共同影響共同影響，其拉氏，其拉氏變換變換Y (s) 式：式：)()()(1)()()()(1)()()(000sFsGsGsGsXsGsGsGsGsYcfcc（2）廣義控制通道廣義控制通道7.2.2 操縱量操縱量（控制參數(shù)）控制參數(shù)）的選擇的選擇)()()(1)()()()(1)()()(000

16、sFsGsGsGsXsGsGsGsGsYcfcc（3）（2）系統(tǒng)的偏差為系統(tǒng)的偏差為：拉氏變換為拉氏變換為：（2）代入（）代入（3）可得：）可得：)()()()()(1)()()()(11)(sEsEsFsGsGsGsXsGsGsEfxOCfOC（4）)()()(11)(sXsGsGsEOCx式中式中： ,)()()(1)()(sFsGsGsGsEOCff)()()(tytxte)()()(sYsXsE1. 過程（通道）靜態(tài)特性對控制品質(zhì)的影響過程（通道）靜態(tài)特性對控制品質(zhì)的影響 7.2.2 操縱量操縱量（控制參數(shù)）控制參數(shù)）的選擇的選擇（5）)()()()()(1)()()()(11)(sE

17、sEsFsGsGsGsXsGsGsEfxOCfOC（4）)() 1(1)()()(11)(000SXKKsTsTsXsGsGsEcocx（1）代入（）代入（4）式中）式中：)() 1() 1)(1() 1()()()(1)()(000sFsTKKsTsTsTKsFsGsGsGsEfcffocff（6）11)()(1)(0sTsGKsGsTKsGffccoo（1）1. 過程（通道）靜態(tài)特性對控制品質(zhì)的影響過程（通道）靜態(tài)特性對控制品質(zhì)的影響 7.2.2 操縱量操縱量（控制參數(shù)）控制參數(shù)）的選擇的選擇sKKsTsTsEsEcx1) 1(1)()(000分析分析：當(dāng)：當(dāng)t時，給定值時，給定值x x(

18、 (t t) )和干擾和干擾f f( (t t) )對系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)偏差的影響。對系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)偏差的影響。ccsxstKKsKKsTsTsssEsee000000111) 1(1lim)(lim)(lim)(結(jié)論：結(jié)論：設(shè)定值設(shè)定值x x( (t t) )作階躍變化作階躍變化時，控制通道的靜態(tài)時，控制通道的靜態(tài)放大系數(shù)放大系數(shù)K K0 0越大越大，控制系統(tǒng)的，控制系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)偏差穩(wěn)態(tài)偏差越小越小，控制精度越高控制精度越高。 （5）)() 1(1)()()(11)(000SXKKsTsTsXsGsGsEcocx)() 1() 1)(1() 1()()()(1)()(000sFsTKKsTsTsTKsFsGs

19、GsGsEfcffocff（6）（1）當(dāng)）當(dāng)f (t)0、x(t)作作單位階躍變化單位階躍變化 時，時，ssX1)(1. 過程（通道）靜態(tài)特性對控制品質(zhì)的影響過程（通道）靜態(tài)特性對控制品質(zhì)的影響 7.2.2 操縱量操縱量（控制參數(shù)）控制參數(shù)）的選擇的選擇ssTKKsTsTsTKsEsEfcfff1) 1() 1)(1() 1()()(000cffcffsfstKKKssTKKsTsTsTKsssEsee00000011) 1() 1)(1() 1(lim)(lim)(lim)(（2）當(dāng)）當(dāng)x (t)0、 f (t)作作單位階躍變化單位階躍變化 時時 結(jié)論：結(jié)論：擾動擾動f (t)作階躍變化作階

20、躍變化時，擾動通道的時，擾動通道的靜態(tài)放大靜態(tài)放大系數(shù)系數(shù)Kf 越小，越小，K0越大，越大，外外部擾動對被控參數(shù)的影響部擾動對被控參數(shù)的影響程度程度越小越小，控制精度越高。，控制精度越高。 ssF1)(分析分析：當(dāng)：當(dāng)t時，設(shè)定值時，設(shè)定值x x( (t t) )和干擾和干擾f f( (t t) )對系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)偏差的影響。對系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)偏差的影響。（5）)() 1(1)()()(11)(000SXKKsTsTsXsGsGsEcocx)() 1() 1)(1() 1()()()(1)()(000sFsTKKsTsTsTKsFsGsGsGsEfcffocff（6）1. 過程（通道）靜態(tài)特性對控制品質(zhì)的影

21、響過程（通道）靜態(tài)特性對控制品質(zhì)的影響 7.2.2 操縱量操縱量（控制參數(shù)）控制參數(shù)）的選擇的選擇2. 過程過程動態(tài)特性動態(tài)特性的分析的分析 （1）過程）過程擾動通道擾動通道動態(tài)特性的影響動態(tài)特性的影響 1）時間常數(shù)）時間常數(shù)Tf的影響的影響 圖圖7.3所示的單回路控制系統(tǒng)，當(dāng)所示的單回路控制系統(tǒng)，當(dāng)x(s)=0時，則系統(tǒng)的閉時，則系統(tǒng)的閉 環(huán)環(huán)傳遞函數(shù)傳遞函數(shù)為：為： 設(shè)設(shè) 為一個為一個單容單容過程，其過程，其傳遞函數(shù)傳遞函數(shù)為：為： Tf ,f7.2.2 操縱量操縱量（控制參數(shù)）控制參數(shù)）的選擇的選擇系統(tǒng)的系統(tǒng)的特征方程特征方程為：為： 其其復(fù)平面復(fù)平面如圖：如圖：結(jié)論結(jié)論：擾動通道的時間

22、常數(shù)：擾動通道的時間常數(shù) 愈大愈大，容積容積愈多，則愈多，則外部擾動外部擾動對被控參數(shù)的影響也對被控參數(shù)的影響也愈小愈小，控，控制質(zhì)量也愈好。制質(zhì)量也愈好。 一階慣性環(huán)節(jié)一階慣性環(huán)節(jié)由式可知，當(dāng)干擾通道為由式可知，當(dāng)干擾通道為一階慣性環(huán)一階慣性環(huán)節(jié)節(jié)時，與干擾通道為放大環(huán)節(jié)相比，時，與干擾通道為放大環(huán)節(jié)相比，系統(tǒng)的特征方程發(fā)生了變化，表現(xiàn)在系統(tǒng)的特征方程發(fā)生了變化，表現(xiàn)在根平面的負實軸上增加了一個根平面的負實軸上增加了一個附加極附加極點點1/ Tf。這個附加極點的存在，除了。這個附加極點的存在，除了會影響會影響過渡過程時間過渡過程時間外。還會影響到外。還會影響到過渡過程的過渡過程的幅值幅值，使

23、其，使其縮小縮小了了Tf 倍。倍。這樣過渡過程的最大這樣過渡過程的最大動態(tài)偏差也將隨動態(tài)偏差也將隨之減小之減小。這對提高系統(tǒng)的品質(zhì)是有利。這對提高系統(tǒng)的品質(zhì)是有利的。而且，的。而且，隨著隨著Tf 的增大，控制過程的增大，控制過程的品質(zhì)亦會提高。的品質(zhì)亦會提高。 1）時間常數(shù)）時間常數(shù)Tf的影響的影響2）純時延純時延 的影響：的影響：當(dāng)擾動通道有純時延當(dāng)擾動通道有純時延 時，在時，在擾動擾動作用下系統(tǒng)的作用下系統(tǒng)的閉環(huán)傳閉環(huán)傳遞函數(shù)遞函數(shù)為：為： fsffesWsWsWsFsY)()(1)()()(0f)(tYf分析：擾動通道的時延分析：擾動通道的時延 ，不影響系統(tǒng)的不影響系統(tǒng)的控制質(zhì)量控制質(zhì)量

24、，僅使，僅使系統(tǒng)響應(yīng)曲線系統(tǒng)響應(yīng)曲線 推遲了一個推遲了一個時延時延 。所以所以應(yīng)盡可能將純應(yīng)盡可能將純滯后時間長的環(huán)節(jié)置于滯后時間長的環(huán)節(jié)置于干擾通道干擾通道。2. 過程過程動態(tài)特性動態(tài)特性的分析的分析Tf ,f（1）過程）過程擾動通道擾動通道動態(tài)特性的影響動態(tài)特性的影響3）擾動）擾動作用點位置作用點位置結(jié)論：結(jié)論：干擾通道時干擾通道時間常數(shù)間常數(shù)愈大愈大，個數(shù)，個數(shù)愈多愈多，或者說干擾，或者說干擾進入系統(tǒng)的位置愈進入系統(tǒng)的位置愈遠離遠離被控變量而被控變量而靠靠近近調(diào)節(jié)閥，干擾對調(diào)節(jié)閥，干擾對被控變量的影響就被控變量的影響就愈小愈小，系統(tǒng)的質(zhì)量，系統(tǒng)的質(zhì)量則則愈高愈高。2. 過程過程動態(tài)特性動

25、態(tài)特性的分析的分析Tf ,f（1）過程）過程擾動通道擾動通道動態(tài)特性的影響動態(tài)特性的影響干擾通道干擾通道特性對控制質(zhì)量的影響特性對控制質(zhì)量的影響特性參數(shù)特性參數(shù)對對靜態(tài)質(zhì)量靜態(tài)質(zhì)量的的影響影響對對動態(tài)質(zhì)量動態(tài)質(zhì)量的影響的影響Kf增加增加余差增加余差增加無影響無影響Tf增加增加（作用點作用點）無影響無影響過渡過程時間減小，振蕩幅過渡過程時間減小，振蕩幅值減小值減小 增加增加無影響無影響無影響無影響f2. 過程過程動態(tài)特性動態(tài)特性的分析的分析（2）過程）過程控制通道動態(tài)特性控制通道動態(tài)特性對控制品質(zhì)的影響對控制品質(zhì)的影響 1）系統(tǒng)可控性指標(biāo)）系統(tǒng)可控性指標(biāo)MMKKmaxmax：臨界放大系數(shù)：臨界放

26、大系數(shù)：臨界振蕩頻率：臨界振蕩頻率：被控過程的控制性能；：被控過程的控制性能； 其值其值越大越大，表明系統(tǒng)的控制性能，表明系統(tǒng)的控制性能越好越好。K max 越大，控制器靜態(tài)放大系數(shù)越大，控制器靜態(tài)放大系數(shù)K c可選范圍的上限越大?？蛇x范圍的上限越大。K c 越大越大（從而使（從而使K c K o越大），則系統(tǒng)越大），則系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)誤差穩(wěn)態(tài)誤差越小。越小。 M 越大越大，控制系統(tǒng)可選的工作頻率，控制系統(tǒng)可選的工作頻率 c 越大，越大，過渡過程越快過渡過程越快。因此，因此，K max M越大越大，表明系統(tǒng)的，表明系統(tǒng)的控制性能控制性能越好；越好；反之，表明系統(tǒng)的控制性能越差。反之，表明系統(tǒng)的控制性能

27、越差。cfKKKe01)(2. 過程過程動態(tài)特性動態(tài)特性的分析的分析T0 ,02）控制通道的影響）控制通道的影響 利用對數(shù)頻率特性方法，可求出下表所示的不同被控過程動態(tài)利用對數(shù)頻率特性方法，可求出下表所示的不同被控過程動態(tài)特性的特性的可控性指標(biāo)可控性指標(biāo)。 結(jié)論：結(jié)論：在選擇控制參數(shù)時，應(yīng)在選擇控制參數(shù)時，應(yīng)選擇時間常數(shù)較小、反應(yīng)選擇時間常數(shù)較小、反應(yīng)靈敏的、純時延小靈敏的、純時延小的通道作為的通道作為控制通道控制通道。 2. 過程過程動態(tài)特性動態(tài)特性的分析的分析放大倍數(shù)放大倍數(shù)Ko 的影響的影響 放大倍數(shù)放大倍數(shù)KoKo對控制質(zhì)量的影響要從對控制質(zhì)量的影響要從靜態(tài)和動態(tài)靜態(tài)和動態(tài)兩個方面兩個

28、方面進行分析。從靜態(tài)方面分析，由上式似乎可以得出當(dāng)進行分析。從靜態(tài)方面分析，由上式似乎可以得出當(dāng)K Kf f、K Kc c不變時控制通道放大倍數(shù)不變時控制通道放大倍數(shù)KoKo越大越大，系統(tǒng)的，系統(tǒng)的余差越小余差越小的結(jié)論。的結(jié)論。然而這是然而這是不對不對 的。的。 對一個控制系統(tǒng)來說，在一定的對一個控制系統(tǒng)來說，在一定的穩(wěn)定程度穩(wěn)定程度( (即一定的即一定的衰衰減比減比) )情況下，情況下，系統(tǒng)的開環(huán)放大倍數(shù)是一個常數(shù)系統(tǒng)的開環(huán)放大倍數(shù)是一個常數(shù)( (KcKoKcKo= =常常數(shù)數(shù)) ) ，這里系統(tǒng)開環(huán)放大倍數(shù)即是控制器放大倍數(shù)這里系統(tǒng)開環(huán)放大倍數(shù)即是控制器放大倍數(shù)KcKc與與廣義廣義對象對象

29、控制通道放大倍數(shù)控制通道放大倍數(shù)KoKo的乘積。即在系統(tǒng)衰減比一定的情的乘積。即在系統(tǒng)衰減比一定的情況下，當(dāng)況下，當(dāng)KoKo減小時，減小時，KcKc必須增大，而必須增大，而KoKo增大時，增大時，KcKc必須減小，必須減小，這樣這樣才能維持才能維持系統(tǒng)具有相同的穩(wěn)定程度。系統(tǒng)具有相同的穩(wěn)定程度。OCfsKKKssYy1)(lim)(02）控制通道的影響）控制通道的影響 2. 過程過程動態(tài)特性動態(tài)特性的分析的分析由此可以得出如下由此可以得出如下結(jié)論結(jié)論： 穩(wěn)定穩(wěn)定系統(tǒng)的余差與控制通道放大倍數(shù)系統(tǒng)的余差與控制通道放大倍數(shù)Ko無關(guān)無關(guān)。也就是說，。也就是說，在在一定穩(wěn)定性前提下，線性系統(tǒng)的控制質(zhì)量與

30、一定穩(wěn)定性前提下，線性系統(tǒng)的控制質(zhì)量與控制通道放大倍數(shù)控制通道放大倍數(shù)無無關(guān)關(guān)。 然而，從控制角度看，然而，從控制角度看，Ko愈大愈大，則，則 1. 1.表示控制變量對被控變量的影響愈大；表示控制變量對被控變量的影響愈大； 2. 2.在相同衰減比情況下，在相同衰減比情況下，KoKo與與KcKc的乘積為一常數(shù)，當(dāng)?shù)某朔e為一常數(shù)，當(dāng)KoKo愈大愈大時時KcKc則愈小，而則愈小，而KcKc小則小則大。大。大比較容易調(diào)整大比較容易調(diào)整。 因此因此，從控制的，從控制的有效性有效性及調(diào)節(jié)器參數(shù)及調(diào)節(jié)器參數(shù)易調(diào)整性易調(diào)整性來考慮則希來考慮則希望控制通道放大倍數(shù)望控制通道放大倍數(shù)Ko盡量大一些盡量大一些，尤其

31、不能比干擾通道的，尤其不能比干擾通道的Kf 小。小。2）控制通道的影響）控制通道的影響 2. 過程過程動態(tài)特性動態(tài)特性的分析的分析2）控制通道的影響）控制通道的影響 2. 過程過程動態(tài)特性動態(tài)特性的分析的分析由此可以得出如下由此可以得出如下結(jié)論結(jié)論： 穩(wěn)定穩(wěn)定系統(tǒng)的余差與控制通道放大倍數(shù)系統(tǒng)的余差與控制通道放大倍數(shù)Ko無關(guān)無關(guān)。也就是說，。也就是說，在在一定穩(wěn)定性前提下，線性系統(tǒng)的控制質(zhì)量與一定穩(wěn)定性前提下，線性系統(tǒng)的控制質(zhì)量與控制通道放大倍數(shù)控制通道放大倍數(shù)無無關(guān)關(guān)。 然而，從控制角度看，然而，從控制角度看，Ko愈大愈大，則表示控制變量對被控變量，則表示控制變量對被控變量的影響愈大，這表示通

32、過對它的調(diào)節(jié)來的影響愈大，這表示通過對它的調(diào)節(jié)來克服克服干擾影響更為有效。干擾影響更為有效。此外此外，在相同衰減比情況下，在相同衰減比情況下，Ko與與Kc的乘積為一常數(shù)，當(dāng)?shù)某朔e為一常數(shù)，當(dāng)Ko愈愈大時大時Kc則愈小，而則愈小，而Kc小則小則大。大。大比較容易調(diào)整大比較容易調(diào)整，如果反過來，如果反過來，小則不易調(diào)整。因為當(dāng)小則不易調(diào)整。因為當(dāng) 3% 時，控制器則相當(dāng)于一時，控制器則相當(dāng)于一個位式控個位式控制器制器，已失去作為，已失去作為連續(xù)連續(xù)控制器的作用?？刂破鞯淖饔?。 因此因此，從控制的，從控制的有效性有效性及調(diào)節(jié)器參數(shù)及調(diào)節(jié)器參數(shù)易調(diào)整性易調(diào)整性來考慮則希來考慮則希望控制通道放大倍數(shù)望控

33、制通道放大倍數(shù)Ko盡量大一些盡量大一些，尤其不能比干擾通道的，尤其不能比干擾通道的Kf 小。小。控制通道控制通道時間常數(shù)時間常數(shù)T0對控制品質(zhì)的影響對控制品質(zhì)的影響 若控制通道時間常數(shù)若控制通道時間常數(shù)T0太大太大，則控制變量的控制影響，則控制變量的控制影響緩慢，緩慢，控制頻率低控制頻率低，對被控參數(shù)的，對被控參數(shù)的偏差校正不及時偏差校正不及時，動態(tài)動態(tài)偏差大偏差大，系統(tǒng)過渡過程時間，系統(tǒng)過渡過程時間長長，控制品質(zhì)差。，控制品質(zhì)差。 因此，在控制系統(tǒng)設(shè)計時，要求控制時間常數(shù)因此，在控制系統(tǒng)設(shè)計時，要求控制時間常數(shù)T0小一小一些些，使被控參數(shù)對控制變量的反應(yīng)靈敏、控制及時，從而，使被控參數(shù)對控制

34、變量的反應(yīng)靈敏、控制及時，從而獲得良好的控制品質(zhì)。但獲得良好的控制品質(zhì)。但T0如果過小，如果過小，則控制作用太強，則控制作用太強，過于頻繁，系統(tǒng)將變得過于過于頻繁，系統(tǒng)將變得過于靈敏靈敏，容易引起系統(tǒng)，容易引起系統(tǒng)振蕩，振蕩，降降低系統(tǒng)穩(wěn)定性。低系統(tǒng)穩(wěn)定性。2）控制通道的影響）控制通道的影響 2. 過程過程動態(tài)特性動態(tài)特性的分析的分析純滯后純滯后o 的影響的影響 圖中圖中曲線曲線C是沒有控制作用時系統(tǒng)在是沒有控制作用時系統(tǒng)在干擾作用下的反應(yīng)曲線。如果干擾作用下的反應(yīng)曲線。如果Xo為為變送器的靈敏度，那么，當(dāng)控制通道變送器的靈敏度，那么，當(dāng)控制通道沒有純滯后沒有純滯后時，控制作用從時，控制作用從

35、t1時刻開時刻開始就對干擾起抑制作用，控制曲線為始就對干擾起抑制作用，控制曲線為D。如果控制通道存在有如果控制通道存在有純滯后時間純滯后時間o ，那么，控制作用要等到，那么，控制作用要等到t1+o 時刻才開始對干擾起抑制作用，而在此時間以前，系統(tǒng)由時刻才開始對干擾起抑制作用，而在此時間以前，系統(tǒng)由于得不到及時的控制，因而被控變量只能任由干擾作用影響而不于得不到及時的控制，因而被控變量只能任由干擾作用影響而不斷地上升斷地上升(或下降或下降)，其控制曲線為，其控制曲線為E。顯然，與控制通道沒有純。顯然，與控制通道沒有純滯后的情況相比，此時的滯后的情況相比，此時的動態(tài)偏差將增大動態(tài)偏差將增大，系統(tǒng)的

36、質(zhì)量將變差。，系統(tǒng)的質(zhì)量將變差。2）控制通道的影響）控制通道的影響 2. 過程過程動態(tài)特性動態(tài)特性的分析的分析由上分析可以看出：由上分析可以看出： 控制通道控制通道純滯后純滯后的存在不僅會使系統(tǒng)的存在不僅會使系統(tǒng)控制不及時，控制不及時，使動態(tài)偏差增大使動態(tài)偏差增大。而且還會使系統(tǒng)的。而且還會使系統(tǒng)的穩(wěn)定性降低穩(wěn)定性降低。 這是因為純滯后的存在，使得控制器這是因為純滯后的存在，使得控制器不能及時不能及時獲得獲得控制作用效果的反饋信息，會使控制器出現(xiàn)控制作用效果的反饋信息，會使控制器出現(xiàn)失控失控。當(dāng)需。當(dāng)需要增加控制作用時會使控制作用增加得太多，而一旦需要增加控制作用時會使控制作用增加得太多，而一

37、旦需要減少控制作用時則又會使控制作用減少得太過分，因要減少控制作用時則又會使控制作用減少得太過分，因此導(dǎo)致系統(tǒng)的振蕩使系統(tǒng)的穩(wěn)定性降低。因此，控制此導(dǎo)致系統(tǒng)的振蕩使系統(tǒng)的穩(wěn)定性降低。因此，控制通道通道純滯后純滯后的存在是系統(tǒng)的的存在是系統(tǒng)的大敵大敵，對控制質(zhì)量起著很壞，對控制質(zhì)量起著很壞的影響，會嚴重地降低控制質(zhì)量。的影響，會嚴重地降低控制質(zhì)量。2）控制通道的影響）控制通道的影響 2. 過程過程動態(tài)特性動態(tài)特性的分析的分析控制通道控制通道特性對控制質(zhì)量的影響特性對控制質(zhì)量的影響特性參數(shù)特性參數(shù)對對靜態(tài)質(zhì)量靜態(tài)質(zhì)量的影響的影響對對動態(tài)質(zhì)量動態(tài)質(zhì)量的影響的影響K0增加增加余差減小余差減小系統(tǒng)趨向振

38、蕩系統(tǒng)趨向振蕩T0增加增加無影響無影響過渡過程時間過渡過程時間增加增加，系統(tǒng)，系統(tǒng)控制頻率控制頻率減小減小 o增加增加無影響無影響動態(tài)偏差動態(tài)偏差增大增大，穩(wěn)定程度，穩(wěn)定程度大大降低大大降低 控制通道的控制通道的容量滯后容量滯后c對系統(tǒng)的影響比對系統(tǒng)的影響比純滯后純滯后對系統(tǒng)的影對系統(tǒng)的影響響緩和緩和。通過控制器的。通過控制器的微分微分作用可以得到改善。作用可以得到改善。2. 過程過程動態(tài)特性動態(tài)特性的分析的分析3）過程的時間常數(shù)）過程的時間常數(shù)匹配匹配 設(shè)廣義過程的傳遞函數(shù)為：設(shè)廣義過程的傳遞函數(shù)為： cmaxKcKmax1T3T2T1T1T3T2T3T2T參數(shù)變化情況原始數(shù)據(jù)減小增大減小減

39、小減小、12.652222111010105201052.5552.59.813.519.819.219.30.410.490.545.24.87.30.570.570.7411.27.114.2表6-2 不同時間常數(shù)對控制質(zhì)量的影響2. 過程過程動態(tài)特性動態(tài)特性的分析的分析分析：減小過程中最大的時間常數(shù)1T，不但無益，反而使cKmax數(shù)值比原始數(shù)據(jù)小，引起控制質(zhì)量下降。 減小2T或3T都能提高控制性能指標(biāo)，若同時減小2T、3T，則提高性能指標(biāo)的效果更好，cKmax值達到 14.2。 增大最大時間常數(shù)1T，使c略有下降，但maxK增長，有助于提高控制指標(biāo)。 結(jié)論結(jié)論：在選擇控制通道時，使：在選

40、擇控制通道時，使廣義過程廣義過程特性中的幾個時間常數(shù)特性中的幾個時間常數(shù)數(shù)值數(shù)值錯開錯開，減小減小中間的時間常數(shù)，可提高系統(tǒng)的工作頻率；減中間的時間常數(shù)，可提高系統(tǒng)的工作頻率；減小過渡過程時間和最大偏差等，以提高可控性指標(biāo)，改善控制小過渡過程時間和最大偏差等，以提高可控性指標(biāo)，改善控制質(zhì)量。質(zhì)量。 3根據(jù)過程特性選擇控制參數(shù)的根據(jù)過程特性選擇控制參數(shù)的一般原則一般原則 所選的控制變量必須是所選的控制變量必須是可控可控的，即工藝上允許調(diào)節(jié)的變量。的，即工藝上允許調(diào)節(jié)的變量。選擇選擇過程控制通道過程控制通道的的放大系數(shù)放大系數(shù) 要適當(dāng)要適當(dāng)大大一些；一些；時間常數(shù)時間常數(shù) 要要適當(dāng)適當(dāng)小小一些；一

41、些；純時延純時延 愈小愈好愈小愈好，在有純時延，在有純時延 的情況下，的情況下， 與與 之比應(yīng)小一些（小于之比應(yīng)小一些（小于1），若其比值過大，則不利于控制。），若其比值過大，則不利于控制。 選擇選擇過程擾動通道過程擾動通道的的放大系數(shù)放大系數(shù) 要盡可能要盡可能小??；時間常數(shù)時間常數(shù) 要要大大；擾動引入系統(tǒng)的擾動引入系統(tǒng)的位置位置要要遠離遠離控制過程（即靠近調(diào)節(jié)閥）；控制過程（即靠近調(diào)節(jié)閥）；容量時延容量時延愈大愈大，則有利于控制。，則有利于控制。 廣義過程由幾個一階環(huán)節(jié)組成，在選擇控制參數(shù)時，應(yīng)盡量設(shè)法廣義過程由幾個一階環(huán)節(jié)組成，在選擇控制參數(shù)時，應(yīng)盡量設(shè)法把幾個把幾個時間常數(shù)錯開時間常數(shù)錯

42、開，使其中一個時間常數(shù)比其他時間常數(shù)，使其中一個時間常數(shù)比其他時間常數(shù)大得多大得多，同時注意減小第二、第三個時間常數(shù)。同時注意減小第二、第三個時間常數(shù)。 注意工藝操作的注意工藝操作的合理性、經(jīng)濟性合理性、經(jīng)濟性。一般不宜選擇一般不宜選擇生產(chǎn)負荷生產(chǎn)負荷作為控制變量；從經(jīng)濟性考慮，應(yīng)盡可能作為控制變量；從經(jīng)濟性考慮，應(yīng)盡可能地降低物料與能量的消耗地降低物料與能量的消耗。fKfT 在系統(tǒng)設(shè)計時，應(yīng)根據(jù)在系統(tǒng)設(shè)計時，應(yīng)根據(jù)生產(chǎn)過程的特點生產(chǎn)過程的特點、被控介質(zhì)、被控介質(zhì)的情況（如高溫、高壓、劇毒、易燃易爆、易結(jié)晶的情況（如高溫、高壓、劇毒、易燃易爆、易結(jié)晶、強腐蝕、高粘度等）、安全運行和推力等，選用

43、、強腐蝕、高粘度等）、安全運行和推力等，選用氣動執(zhí)行器和電動執(zhí)行器氣動執(zhí)行器和電動執(zhí)行器。在過程控制中，使用最在過程控制中，使用最多的是多的是氣動氣動執(zhí)行器，其次是執(zhí)行器，其次是電動電動執(zhí)行器。執(zhí)行器。 流量特性：直線或?qū)?shù)。流量特性：直線或?qū)?shù)。 按生產(chǎn)按生產(chǎn)安全安全原則，選取原則，選取氣開或氣關(guān)氣開或氣關(guān)式。根據(jù)被控過式。根據(jù)被控過程的特性、負荷變化的情況以及調(diào)節(jié)閥在管道中的程的特性、負荷變化的情況以及調(diào)節(jié)閥在管道中的安裝方式等，選擇適當(dāng)?shù)陌惭b方式等，選擇適當(dāng)?shù)牧髁刻匦粤髁刻匦浴?口徑選擇：公稱直徑，閥座直徑。口徑選擇：公稱直徑，閥座直徑。7.2.3 執(zhí)行器執(zhí)行器的選擇的選擇7.2.4 控

44、制器控制器的選擇的選擇1. 調(diào)節(jié)器的控制規(guī)律的調(diào)節(jié)器的控制規(guī)律的適用范圍適用范圍比例控制規(guī)律比例控制規(guī)律P特點：能特點：能較快較快地克服擾動的影響，使系統(tǒng)穩(wěn)定下來，但是地克服擾動的影響，使系統(tǒng)穩(wěn)定下來，但是有有 余差余差。適用場合：控制通道容量適用場合：控制通道容量較大較大，純滯后，純滯后較小較小，負荷變化不，負荷變化不 大，控制要求不高、被控參數(shù)允許在一定范圍大，控制要求不高、被控參數(shù)允許在一定范圍 內(nèi)內(nèi)有余差有余差的場合。的場合。例如例如：儲槽液位控制：儲槽液位控制比例積分控制規(guī)律比例積分控制規(guī)律PI特點：積分能特點：積分能消除余差消除余差。適用場合：控制通道純滯后適用場合：控制通道純滯后

45、較小較小、負荷變化不太大、被控參數(shù)、負荷變化不太大、被控參數(shù)不允許有余差不允許有余差的場合。的場合。例如例如：流量控制：流量控制比例微分控制規(guī)律比例微分控制規(guī)律PD特點：具有特點：具有超前超前作用，對于具有作用，對于具有容量滯后較大容量滯后較大的控制通道，的控制通道， 引入比例微分控制規(guī)律引入比例微分控制規(guī)律PD對于改善系統(tǒng)的對于改善系統(tǒng)的動態(tài)性能動態(tài)性能 指標(biāo)，有顯著效果。指標(biāo)，有顯著效果。適用場合：控制通道的時間常數(shù)或適用場合：控制通道的時間常數(shù)或容量滯后較大容量滯后較大的場合。的場合。不適用場合：純滯后不適用場合：純滯后較大較大，測量信號有，測量信號有噪聲或周期性噪聲或周期性擾動的擾動的

46、系統(tǒng)系統(tǒng)例如例如：溫度控制：溫度控制比例積分微分控制規(guī)律比例積分微分控制規(guī)律PID特點：特點：PID控制規(guī)律是一種較理想的控制規(guī)律，在比例基礎(chǔ)上控制規(guī)律是一種較理想的控制規(guī)律，在比例基礎(chǔ)上 引入積分，可以消除余差，再加入微分作用，又提高引入積分，可以消除余差，再加入微分作用，又提高 系統(tǒng)的穩(wěn)定性。系統(tǒng)的穩(wěn)定性。 適用場合：控制通道時間常數(shù)或容量滯后較大、控制要求較適用場合：控制通道時間常數(shù)或容量滯后較大、控制要求較 高的場合。高的場合。 例如例如：溫度控制：溫度控制 ，成分控制等，成分控制等7.2.4 控制器控制器的選擇的選擇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 被控對象被控對象

47、傳遞函數(shù)可近似為：傳遞函數(shù)可近似為： Wo(s)= 10SsTKe可根據(jù)對象的延時時間和對象自衡時間常數(shù)的比值可根據(jù)對象的延時時間和對象自衡時間常數(shù)的比值00T選擇控制器的選擇控制器的控制規(guī)律控制規(guī)律： 7.2.4 控制器控制器的選擇的選擇3控制器控制規(guī)律的選擇控制器控制規(guī)律的選擇 廣義對象控制通道廣義對象控制通道時間常數(shù)較大或容積時延較大時間常數(shù)較大或容積時延較大時，應(yīng)引時，應(yīng)引入入D規(guī)律。如工藝容許規(guī)律。如工藝容許有殘差有殘差，可選用，可選用PD規(guī)律；如工藝要規(guī)律；如工藝要求求無殘差無殘差時，則選用時，則選用PID規(guī)律。如溫度、成分、規(guī)律。如溫度、成分、PH值控制值控制等。等。 當(dāng)廣義對象

48、控制通道當(dāng)廣義對象控制通道時間常數(shù)較小，負荷變化也不大時間常數(shù)較小，負荷變化也不大，而，而工藝要求工藝要求無殘差無殘差時，可選擇時，可選擇PI規(guī)律。如管道壓力和流量的規(guī)律。如管道壓力和流量的控制?？刂?。 廣義對象控制通道廣義對象控制通道時間常數(shù)較小，負荷變化較小時間常數(shù)較小，負荷變化較小，工藝要，工藝要求不高時，可選擇求不高時，可選擇P規(guī)律，如貯罐壓力、液位的控制。規(guī)律，如貯罐壓力、液位的控制。 當(dāng)廣義對象控制通道當(dāng)廣義對象控制通道時間常數(shù)或容積遲延很大時間常數(shù)或容積遲延很大，負荷變化，負荷變化亦很大時，應(yīng)設(shè)計亦很大時，應(yīng)設(shè)計復(fù)雜控制系統(tǒng)復(fù)雜控制系統(tǒng)。 7.2.4 控制器控制器的選擇的選擇4廣

49、義過程的正、反作用的確定廣義過程的正、反作用的確定 控制器有控制器有正作用和反作用正作用和反作用兩種形式，其作用形式取決于兩種形式，其作用形式取決于被被控過程、執(zhí)行器、變送器控過程、執(zhí)行器、變送器等相關(guān)部分的作用形式。過程控制系等相關(guān)部分的作用形式。過程控制系統(tǒng)中相關(guān)部分的作用形式取決于各部分的統(tǒng)中相關(guān)部分的作用形式取決于各部分的靜態(tài)放大系數(shù)靜態(tài)放大系數(shù)，如圖，如圖所示，過程控制系統(tǒng)要能夠正常工作，則組成系統(tǒng)的各個環(huán)節(jié)所示，過程控制系統(tǒng)要能夠正常工作，則組成系統(tǒng)的各個環(huán)節(jié)的靜態(tài)系數(shù)相乘必須為的靜態(tài)系數(shù)相乘必須為負負，即形成，即形成負反饋負反饋。 圖圖 過程控制系統(tǒng)框圖過程控制系統(tǒng)框圖 7.2.

50、4 控制器控制器的選擇的選擇00K00K0VK0VK0cK0cK0mK（1）對象的正反作用形式）對象的正反作用形式 （以（以水箱，換熱器水箱，換熱器為例）為例）對象正作用：對象的對象正作用：對象的輸入量輸入量增加（或者減少），其增加（或者減少），其輸出量輸出量亦增加（或者亦增加（或者減少），減少）， 對象反作用：對象的對象反作用：對象的輸入量輸入量增加（或者減少），其增加（或者減少），其輸出量輸出量亦減少（或亦減少（或者增加），者增加），（2）執(zhí)行器正反作用形式）執(zhí)行器正反作用形式執(zhí)行器正作用：執(zhí)行器（調(diào)節(jié)閥）是執(zhí)行器正作用：執(zhí)行器（調(diào)節(jié)閥）是氣開式氣開式，執(zhí)行器反作用：執(zhí)行器（調(diào)節(jié)閥）是執(zhí)行

51、器反作用：執(zhí)行器（調(diào)節(jié)閥）是氣關(guān)式氣關(guān)式，（3）控制器的正反作用形式）控制器的正反作用形式控制器正作用：控制器測量值增加（或者減少），其輸出量亦增加（或者控制器正作用：控制器測量值增加（或者減少），其輸出量亦增加（或者減少），減少），控制器反作用：控制器測量值增加（或者減少），其輸出量亦減少（或者增控制器反作用：控制器測量值增加（或者減少），其輸出量亦減少（或者增加），加）， （4）變送器的作用形式）變送器的作用形式 變送器的靜態(tài)放大倍數(shù)通常為變送器的靜態(tài)放大倍數(shù)通常為正正，即，即4廣義過程的正、反作用的確定廣義過程的正、反作用的確定7.2.4 控制器控制器的選擇的選擇2調(diào)節(jié)器作用形式的確定調(diào)

52、節(jié)器作用形式的確定 00cvmKKKKcKVK0K（1）確定原則）確定原則 過程內(nèi)部過程內(nèi)部各個環(huán)節(jié)各個環(huán)節(jié)的靜態(tài)的靜態(tài)放大放大系數(shù)相乘為系數(shù)相乘為負負。即。即，計算，計算（2）確定步驟）確定步驟 控制器正反形式確定的控制器正反形式確定的步驟步驟：根據(jù)工藝根據(jù)工藝安全安全確定執(zhí)行器（調(diào)節(jié)閥）的氣開、氣關(guān)形式，從確定執(zhí)行器（調(diào)節(jié)閥）的氣開、氣關(guān)形式，從而確定而確定 ；根據(jù)根據(jù)過程特性過程特性確定對象的正反形式，確定確定對象的正反形式，確定 ；根據(jù)確定根據(jù)確定原則原則確定控制器的正、反作用形式。確定控制器的正、反作用形式。正反作用形式。正反作用形式。例例1 加熱爐溫度控制系統(tǒng)加熱爐溫度控制系統(tǒng) 調(diào)

53、節(jié)閥調(diào)節(jié)閥：氣開式氣開式，取，取“+” ；被控對象被控對象：控制變量控制變量（通過（通過調(diào)節(jié)調(diào)節(jié)閥閥的物料或能量）增加時，被控的物料或能量）增加時，被控參數(shù)隨之增加，取參數(shù)隨之增加，取“+”；變送器變送器：?。喝　?”；調(diào)節(jié)器符號調(diào)節(jié)器符號（“+”或或“”）執(zhí)行器符號（執(zhí)行器符號（“+” ）變送變送器符號（器符號（“+” ）被控過程符號（被控過程符號（“+” ）=“”調(diào)節(jié)器符號為調(diào)節(jié)器符號為“”，系統(tǒng)構(gòu)成，系統(tǒng)構(gòu)成負反饋負反饋，即：，即：調(diào)節(jié)器為調(diào)節(jié)器為反反作作用用。7.2.4 控制器控制器的選擇的選擇例例2 液位控制系統(tǒng)液位控制系統(tǒng) 調(diào)節(jié)閥調(diào)節(jié)閥：氣開式？氣開式？，取，取“+” ；被控對象被

54、控對象：控制變量（通過調(diào)節(jié)：控制變量（通過調(diào)節(jié) 閥的物料或能量）增加時，被控閥的物料或能量）增加時，被控參數(shù)隨之減少，取參數(shù)隨之減少，取“”；變送器變送器：?。喝　?”；調(diào)節(jié)器符號調(diào)節(jié)器符號（“+”或或“”）執(zhí)行器符號（執(zhí)行器符號（“+” ）變送變送器符號（器符號（“+” ）被控過程符號（被控過程符號（“” ）=“”調(diào)節(jié)器符號為調(diào)節(jié)器符號為“”，系統(tǒng)構(gòu)成負反饋，即：，系統(tǒng)構(gòu)成負反饋，即：調(diào)節(jié)器為調(diào)節(jié)器為正正作作用。用。7.2.4 控制器控制器的選擇的選擇內(nèi)容回顧：內(nèi)容回顧：被控參數(shù)選擇被控參數(shù)選擇原則原則為：為： 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)境保選擇對產(chǎn)品的產(chǎn)量和質(zhì)量、安全生

55、產(chǎn)、經(jīng)濟運行和環(huán)境保護護具有決定性具有決定性作用的、可作用的、可直接測量直接測量的工藝參數(shù)為被控參數(shù)。的工藝參數(shù)為被控參數(shù)。 當(dāng)不能用直接參數(shù)作為被控參數(shù)時，應(yīng)該選擇一個與直接當(dāng)不能用直接參數(shù)作為被控參數(shù)時，應(yīng)該選擇一個與直接參數(shù)有參數(shù)有單值函數(shù)關(guān)系單值函數(shù)關(guān)系的的間接參數(shù)間接參數(shù)作為被控參數(shù)。作為被控參數(shù)。 被控參數(shù)必須具有被控參數(shù)必須具有足夠大的靈敏度足夠大的靈敏度，便于測量。，便于測量。 被控參數(shù)的選取，必須考慮工藝過程的被控參數(shù)的選取，必須考慮工藝過程的合理性合理性和所用儀表和所用儀表的的性能性能。 控制參數(shù)選擇控制參數(shù)選擇原則原則 ：所選的控制變量必須是所選的控制變量必須是可控可控的

56、，即工藝上允許調(diào)節(jié)的變量。的，即工藝上允許調(diào)節(jié)的變量。選擇選擇過程控制通道過程控制通道的的放大系數(shù)放大系數(shù) 要適當(dāng)要適當(dāng)大大一些；一些；時間常數(shù)時間常數(shù) 要要適當(dāng)適當(dāng)小小一些；一些；純時延純時延 愈小愈好愈小愈好，在有純時延，在有純時延 的情況下，的情況下， 與與 之比應(yīng)小一些（小于之比應(yīng)小一些（小于1），若其比值過大，則不利于控制。），若其比值過大，則不利于控制。 選擇選擇過程擾動通道過程擾動通道的的放大系數(shù)放大系數(shù) 要盡可能要盡可能小小；時間常數(shù)時間常數(shù) 要要大大；擾動引入系統(tǒng)的擾動引入系統(tǒng)的位置位置要要遠離遠離控制過程（即靠近調(diào)節(jié)閥）；控制過程（即靠近調(diào)節(jié)閥）；容量時延容量時延愈大愈大，

57、則有利于控制。，則有利于控制。 廣義過程由幾個一階環(huán)節(jié)組成，在選擇控制參數(shù)時，應(yīng)盡量設(shè)法廣義過程由幾個一階環(huán)節(jié)組成，在選擇控制參數(shù)時，應(yīng)盡量設(shè)法把幾個把幾個時間常數(shù)錯開時間常數(shù)錯開，使其中一個時間常數(shù)比其他時間常數(shù)，使其中一個時間常數(shù)比其他時間常數(shù)大得多大得多，同時注意減小第二、第三個時間常數(shù)。同時注意減小第二、第三個時間常數(shù)。 注意工藝操作的注意工藝操作的合理性、經(jīng)濟性合理性、經(jīng)濟性。一般不宜選擇一般不宜選擇生產(chǎn)負荷生產(chǎn)負荷作為作為控制變量控制變量；從經(jīng)濟性考慮，應(yīng)盡可；從經(jīng)濟性考慮，應(yīng)盡可能地降低物料與能量的消耗。能地降低物料與能量的消耗。fKfT調(diào)節(jié)器作用形式的確定調(diào)節(jié)器作用形式的確定

58、00cvmKKKKcKVK0K（1）確定原則：過程內(nèi)部）確定原則：過程內(nèi)部各個環(huán)節(jié)各個環(huán)節(jié)的靜態(tài)的靜態(tài)放大放大系數(shù)相乘為系數(shù)相乘為負負。即。即，計算，計算（2）確定步驟）確定步驟 ：根據(jù)工藝根據(jù)工藝安全安全確定執(zhí)行器（調(diào)節(jié)閥）的氣開、氣關(guān)形式，從確定執(zhí)行器（調(diào)節(jié)閥）的氣開、氣關(guān)形式，從而確定而確定 ；根據(jù)根據(jù)過程特性過程特性確定對象的正反形式，確定確定對象的正反形式，確定 ；根據(jù)確定根據(jù)確定原則原則確定控制器的正、反作用形式。確定控制器的正、反作用形式。正反作用形式。正反作用形式。7.3 控制器控制器器參數(shù)整定器參數(shù)整定整定的目的整定的目的: : 所謂控制系統(tǒng)的所謂控制系統(tǒng)的參數(shù)整定參數(shù)整定，

59、就是對于一個已經(jīng)，就是對于一個已經(jīng)設(shè)計并安裝設(shè)計并安裝就就緒緒的控制系統(tǒng)，通過控制器的控制系統(tǒng)，通過控制器參數(shù)參數(shù)(比例度比例度，積分時間，積分時間Ti ，微分時，微分時間間 Td )的調(diào)整，使其特性與的調(diào)整，使其特性與過程的參數(shù)相匹配過程的參數(shù)相匹配，使系統(tǒng)的，使系統(tǒng)的過渡過過渡過程程達到最為達到最為滿意的質(zhì)量指標(biāo)滿意的質(zhì)量指標(biāo)要求。要求。 單回路控制系統(tǒng)單回路控制系統(tǒng)= =廣義過程廣義過程+ +調(diào)節(jié)器調(diào)節(jié)器對于不同的系統(tǒng)，整定的對于不同的系統(tǒng)，整定的目的目的要求可能是不一樣的。要求可能是不一樣的。例如例如，對于，對于定值控制系統(tǒng)定值控制系統(tǒng)一般要求過渡過程呈一般要求過渡過程呈4：1的衰減變

60、化，的衰減變化，而對于而對于比值控制系統(tǒng)比值控制系統(tǒng)則要求整定成振蕩與不振蕩的邊界狀態(tài)，則要求整定成振蕩與不振蕩的邊界狀態(tài)，對于對于均勻控制系統(tǒng)均勻控制系統(tǒng)則要求整定成幅值在一定范圍內(nèi)變化的緩慢變則要求整定成幅值在一定范圍內(nèi)變化的緩慢變化的振蕩過程，這些都將在以后分別給予介紹。化的振蕩過程，這些都將在以后分別給予介紹。 一、理論計算整定法一、理論計算整定法質(zhì)量指標(biāo)（質(zhì)量指標(biāo)（ ）對象的特性（對象的特性（傳遞函數(shù)傳遞函數(shù)）調(diào)節(jié)器參數(shù)整定的方法可分為調(diào)節(jié)器參數(shù)整定的方法可分為三類三類：理論計算整定法理論計算整定法工程整定法工程整定法計算機仿真尋優(yōu)整定法計算機仿真尋優(yōu)整定法調(diào)節(jié)器調(diào)節(jié)器最佳參數(shù)最佳參