第一章單回路反饋控制系統(tǒng)

1、 單回路反饋控制系統(tǒng)單回路反饋控制系統(tǒng) 工作過程：工作過程：A.CA.C 控制器控制器控制閥控制閥被控被控對(duì)象對(duì)象測(cè)量測(cè)量變送變送偏差偏差給定給定 測(cè)量測(cè)量 液位液位給定量位于系統(tǒng)的輸入端，稱為給定量位于系統(tǒng)的輸入端，稱為系統(tǒng)輸入量系統(tǒng)輸入量。也稱為參考輸入量（信號(hào)）。也稱為參考輸入量（信號(hào)）。被控制量位于系統(tǒng)的輸出端，稱為被控制量位于系統(tǒng)的輸出端，稱為系統(tǒng)輸出量系統(tǒng)輸出量。 輸出量（全部或一部分）通過測(cè)量裝置返回系輸出量（全部或一部分）通過測(cè)量裝置返回系 統(tǒng)的輸入端，使之與輸入統(tǒng)的輸入端，使之與輸入量進(jìn)行比較，產(chǎn)生量進(jìn)行比較，產(chǎn)生偏差偏差（給定信號(hào)與返回的輸出信號(hào)之差）信號(hào)。輸出量的（給定信

2、號(hào)與返回的輸出信號(hào)之差）信號(hào)。輸出量的返回過程稱為返回過程稱為反饋反饋。返回的全部或部分輸出信號(hào)稱為。返回的全部或部分輸出信號(hào)稱為反饋信號(hào)反饋信號(hào)。 維持被控參數(shù)保持在設(shè)定值上，偏差越小越好維持被控參數(shù)保持在設(shè)定值上，偏差越小越好偏差控制：糾正偏差偏差控制：糾正偏差 過程工業(yè)中，此類系統(tǒng)占大多數(shù)過程工業(yè)中，此類系統(tǒng)占大多數(shù)按被控參數(shù)分類：按被控參數(shù)分類： 溫度控制回路、壓力控制回路、溫度控制回路、壓力控制回路、 流量控制回路、物位（液位）控制回路流量控制回路、物位（液位）控制回路單回路控制系統(tǒng)的特點(diǎn)單回路控制系統(tǒng)的特點(diǎn)v一個(gè)單回路控制系統(tǒng)是由一個(gè)測(cè)量變送裝置、一個(gè)控制器、一個(gè)控制閥和相應(yīng)的被控

3、對(duì)象所組成v系統(tǒng)中存在著一條從系統(tǒng)的輸出端引向輸入端的反饋路線，即控制器是根據(jù)被控量的測(cè)量值與給定值的偏差來進(jìn)行控制的。單回路控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)比較簡(jiǎn)單，所需自動(dòng)化控制工具少，投資單回路控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)比較簡(jiǎn)單，所需自動(dòng)化控制工具少，投資比較低，操作維護(hù)比較方便，一般情況下都能滿足控制質(zhì)量的比較低，操作維護(hù)比較方便，一般情況下都能滿足控制質(zhì)量的要求，因此被廣泛應(yīng)用。要求，因此被廣泛應(yīng)用。單回路控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)單回路控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)v正確的選擇被控變量和選擇變量v正確的選擇控制閥的開閉形式及流量特性v正確的選擇控制器的類型及其正反作用v正確的選擇測(cè)量變送裝置為了設(shè)計(jì)好一個(gè)單回路控制系統(tǒng)，并使該系統(tǒng)在運(yùn)為了設(shè)計(jì)

4、好一個(gè)單回路控制系統(tǒng)，并使該系統(tǒng)在運(yùn)行時(shí)達(dá)到規(guī)定的質(zhì)量指標(biāo)要求，就要很好的行時(shí)達(dá)到規(guī)定的質(zhì)量指標(biāo)要求，就要很好的了解具體的了解具體的生產(chǎn)工藝生產(chǎn)工藝，掌握生產(chǎn)過程的規(guī)律性掌握生產(chǎn)過程的規(guī)律性，以便確定合理的控，以便確定合理的控制方案制方案單回路反饋控制系統(tǒng)單回路反饋控制系統(tǒng)1.1 單回路系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)組成單回路系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)組成1.2 被控變量的選擇被控變量的選擇1.3 對(duì)象特性對(duì)控制質(zhì)量的影響及操縱變量的選擇對(duì)象特性對(duì)控制質(zhì)量的影響及操縱變量的選擇1.4 控制閥的選擇控制閥的選擇1.5 測(cè)量、傳送滯后對(duì)控制質(zhì)量的影響及其克服辦法測(cè)量、傳送滯后對(duì)控制質(zhì)量的影響及其克服辦法1.6 控制器參數(shù)對(duì)系統(tǒng)控制質(zhì)

5、量的影響及控制規(guī)律的選擇控制器參數(shù)對(duì)系統(tǒng)控制質(zhì)量的影響及控制規(guī)律的選擇1.7 系統(tǒng)的關(guān)聯(lián)及其消除方法系統(tǒng)的關(guān)聯(lián)及其消除方法1.8 單回路系統(tǒng)的投運(yùn)和整定單回路系統(tǒng)的投運(yùn)和整定控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)目標(biāo)控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)目標(biāo) 1.2 被控變量的選擇被控變量的選擇即，要控制什么即，要控制什么 基于工藝要求，選擇的結(jié)果直接影響基于工藝要求，選擇的結(jié)果直接影響生產(chǎn)（產(chǎn)品產(chǎn)量、質(zhì)量、生產(chǎn)安全）生產(chǎn)（產(chǎn)品產(chǎn)量、質(zhì)量、生產(chǎn)安全）1.2 被控變量的選擇被控變量的選擇 最基本的熱工參數(shù)，一般是可以直最基本的熱工參數(shù)，一般是可以直接進(jìn)行測(cè)量和控制的參數(shù)接進(jìn)行測(cè)量和控制的參數(shù) 溫度、壓力、液位、流量溫度、壓力、液位、流量 質(zhì)量

6、指標(biāo)，以及一些特殊的參數(shù)質(zhì)量指標(biāo)，以及一些特殊的參數(shù)成份、物性參數(shù)等，在一般條件下，成份、物性參數(shù)等，在一般條件下，無法直接測(cè)量和控制無法直接測(cè)量和控制 應(yīng)根據(jù)工藝參數(shù)的關(guān)系，用可應(yīng)根據(jù)工藝參數(shù)的關(guān)系，用可測(cè)的參數(shù)，間接進(jìn)行控制測(cè)的參數(shù)，間接進(jìn)行控制1.2 被控變量的選擇被控變量的選擇苯、甲苯二元精餾系統(tǒng)苯、甲苯二元精餾系統(tǒng) 質(zhì)量指標(biāo)是最重要的控制參數(shù)質(zhì)量指標(biāo)是最重要的控制參數(shù) 如塔頂產(chǎn)品的純度如塔頂產(chǎn)品的純度 x xD D 但但 x xD D 目前無法直接測(cè)量，因此，只能用間接控制參數(shù)進(jìn)行控制。目前無法直接測(cè)量，因此，只能用間接控制參數(shù)進(jìn)行控制。 根據(jù)精餾原理，根據(jù)精餾原理，x xD D =

7、 f (T = f (TD D, p), , p), 即與溫度和壓力成非線性函數(shù)即與溫度和壓力成非線性函數(shù)關(guān)系。關(guān)系。 理論上，固定一項(xiàng)，就可用另一項(xiàng)控制理論上，固定一項(xiàng)，就可用另一項(xiàng)控制x xD D 。 一般的，實(shí)際中都采用恒定一般的，實(shí)際中都采用恒定p p，通過控制塔頂溫度來控制塔頂成分，通過控制塔頂溫度來控制塔頂成分。 1.2 被控變量的選擇被控變量的選擇選擇原則：選擇原則： （1 1） 測(cè)量滯后測(cè)量滯后 P P （2 2） 工藝合理性工藝合理性 T T工藝合理性：工藝合理性：規(guī)定塔壓穩(wěn)定，保證分離度，保證效率規(guī)定塔壓穩(wěn)定，保證分離度，保證效率 各塊塔板壓力恒定，各塊塔板壓力恒定，X X

8、D D與與T T有對(duì)應(yīng)關(guān)系有對(duì)應(yīng)關(guān)系選擇選擇X XD D=F=F（T T）PTfXD,0 50 100%0 50 100%DXP一定T一定一定DX1.2 被控變量的選擇被控變量的選擇1.3 對(duì)象特性對(duì)控制質(zhì)量的影響及操縱變量的選擇對(duì)象特性對(duì)控制質(zhì)量的影響及操縱變量的選擇精餾塔精餾塔: : F1F2FnY1.3 對(duì)象特性對(duì)控制質(zhì)量的影響及操縱變量的選擇對(duì)象特性對(duì)控制質(zhì)量的影響及操縱變量的選擇 必須從影響被控量的諸多影響參數(shù)中必須從影響被控量的諸多影響參數(shù)中 選擇一個(gè)，作為選擇一個(gè)，作為操縱變量操縱變量 其它影響量則只能視作其它影響量則只能視作干擾量干擾量了了用操縱量克服干擾量對(duì)被控變量的影響用操

9、縱量克服干擾量對(duì)被控變量的影響F F1 1(s)(s)F F2 2(s)(s)U(s)U(s)Y(s)Y(s)Y(s)=GPC(s)U(s)+GPD1(s) F1(s) +GPD2(s) F2 (s)1.3 對(duì)象特性對(duì)控制質(zhì)量的影響及操縱變量的選擇對(duì)象特性對(duì)控制質(zhì)量的影響及操縱變量的選擇對(duì)象物料蓄存量的變化率對(duì)象物料蓄存量的變化率單位時(shí)間流入對(duì)象的物料單位時(shí)間流出對(duì)象的物單位時(shí)間流入對(duì)象的物料單位時(shí)間流出對(duì)象的物料料1.2.1有自平衡能力對(duì)象有自平衡能力對(duì)象（1 1）動(dòng)態(tài)特性：）動(dòng)態(tài)特性：（以單容水槽為例）sRhQ 2可以近似認(rèn)為Q2與h 成正比將上式代入（1-1）式，移項(xiàng)1QRhdtdhAR

10、ssssRKART,1KQhdtdhT令令則則AdhdtQQ21（1-1）時(shí)間常數(shù)放大系數(shù)水槽面積閥門阻力1.2.1有自平衡能力對(duì)象有自平衡能力對(duì)象v放大系數(shù)放大系數(shù)K 對(duì)于前面介紹的水槽對(duì)象，當(dāng)流入流量Q1有一定的階躍變化后，液位h也會(huì)有相應(yīng)的變化，但最后會(huì)穩(wěn)定在某一數(shù)值上。如果我們將流量Q1的變化Q1看作對(duì)象的輸入，而液位h的變化h看作對(duì)象的輸出，那么在穩(wěn)定狀態(tài)時(shí)，對(duì)象一定的輸入就對(duì)應(yīng)著一定的輸出，這種特性稱為對(duì)象的靜態(tài)特性。 （2 2）描述對(duì)象特性的參數(shù)）描述對(duì)象特性的參數(shù)圖1-10 水槽液位的變化曲線1QhKs1QKhs或K在數(shù)值數(shù)值上等于對(duì)象重新穩(wěn)定后的輸出變化量與輸入變化量之比。K

11、越大越大，就表示對(duì)象的輸入量有一定變化時(shí)，對(duì)輸出量的影響越大，即被控變量對(duì)這個(gè)量的變化越越靈敏靈敏。舉例舉例以合成氨的轉(zhuǎn)換爐為例，說明各個(gè)量的變化對(duì)被以合成氨的轉(zhuǎn)換爐為例，說明各個(gè)量的變化對(duì)被控變量的影響控變量的影響 生產(chǎn)過程要求一氧化碳的轉(zhuǎn)化率要高，蒸汽消耗量要少，觸媒壽命要長(zhǎng)。通常用變換爐一段反應(yīng)溫度作為被控變量，來間接地控制轉(zhuǎn)換率和其他指標(biāo)。 一氧化碳變換過程示意圖不同輸入作用時(shí)的被控變量變化曲線 影響變換爐一段反應(yīng)溫度的因素主要有冷激流量、蒸汽流量和半水煤氣流量。改變閥門1、2、3的開度就可以分別改變冷激量、蒸汽量和半水煤氣量的大小。從右上圖看出，冷激量對(duì)溫度的相對(duì)放大系數(shù)最大；蒸汽量

12、對(duì)溫度的相對(duì)放大系數(shù)次之；半水煤氣量對(duì)溫度的相對(duì)放大系數(shù)最小。 一氧化碳變換過程示意圖不同輸入作用時(shí)的被控變量變化曲線冷激量蒸汽煤氣v時(shí)間常數(shù)時(shí)間常數(shù)T 從大量的生產(chǎn)實(shí)踐中發(fā)現(xiàn)，有的對(duì)象受到干擾后，被控變量變化很快，較迅速地達(dá)到了穩(wěn)定值；有的對(duì)象在受到干擾后，慣性很大，被控變量要經(jīng)過很長(zhǎng)時(shí)間才能達(dá)到新的穩(wěn)態(tài)值。 圖圖1-11 不同時(shí)間常數(shù)對(duì)象的反應(yīng)曲線不同時(shí)間常數(shù)對(duì)象的反應(yīng)曲線如何定量地表示對(duì)象受如何定量地表示對(duì)象受干擾后的這種特性呢？干擾后的這種特性呢？ 在自動(dòng)化領(lǐng)域中，往往用時(shí)間常數(shù)T來表示。時(shí)間常數(shù)越大，表示對(duì)象受到干擾作用后，被控變量變化得越慢，到達(dá)新的穩(wěn)定值所需的時(shí)間越長(zhǎng)。 舉例舉例

13、簡(jiǎn)單水槽為例簡(jiǎn)單水槽為例1KQhdtdhT由前面的推導(dǎo)可知由前面的推導(dǎo)可知 TteKQth11假定假定Q1 1為階躍作用，為階躍作用，t000或或t=0=0時(shí)時(shí)Q1 1為一常數(shù)，如左圖。為一常數(shù)，如左圖。則函數(shù)表達(dá)式為則函數(shù)表達(dá)式為（1-9）反應(yīng)曲線 對(duì)于簡(jiǎn)單水槽對(duì)象，對(duì)于簡(jiǎn)單水槽對(duì)象，K= =RS，即放大系數(shù)只與出水閥的阻，即放大系數(shù)只與出水閥的阻力有關(guān)，當(dāng)閥的開度一定時(shí)，放大系數(shù)就是一個(gè)常數(shù)。力有關(guān)，當(dāng)閥的開度一定時(shí)，放大系數(shù)就是一個(gè)常數(shù)。 1KQh 1QhK 從上頁圖反應(yīng)曲線可以看出，對(duì)象受到階躍作用后，被控變量就發(fā)生變化，當(dāng)t時(shí)，被控變量不再變化而達(dá)到了新的穩(wěn)態(tài)值h（），這時(shí)上式可得：

14、 或或（1-10） 111632.01KQeKQTh將 t=T 代入式（1-9），得（1-11） hTh632.0將式（1-10）代入式（1-11），得（1-12） 當(dāng)對(duì)象受到階躍輸入后，被控變量達(dá)到新的穩(wěn)態(tài)值的63.2所需的時(shí)間，就是時(shí)間常數(shù)T，實(shí)際工作中，常用這種方法求取時(shí)間常數(shù)。顯然，時(shí)間常數(shù)越大，被控變量的變化也越慢，達(dá)到新的穩(wěn)定值所需的時(shí)間也越大。 不同時(shí)間常數(shù)對(duì)象的反應(yīng)曲線不同時(shí)間常數(shù)對(duì)象的反應(yīng)曲線T1T2T3T4時(shí)間常數(shù)大的對(duì)象（如時(shí)間常數(shù)大的對(duì)象（如T4)對(duì)輸入的反應(yīng)較慢，對(duì)輸入的反應(yīng)較慢，一般認(rèn)為慣性較大。一般認(rèn)為慣性較大。v滯后時(shí)間滯后時(shí)間分類定義 對(duì)象在受到輸入作用后，被

15、控變量卻不能立即而迅速地變化，這種現(xiàn)象稱為滯后現(xiàn)象。滯后性質(zhì)傳遞滯后（時(shí)滯）容量滯后 時(shí)滯又叫純滯后，一般用0表示。0的產(chǎn)生一般是由于介質(zhì)的輸送需要一段時(shí)間而引起的。 對(duì)象在受到階躍輸入作用x后，被控變量y開始變化很慢，后來才逐漸加快，最后又變慢直至逐漸接近穩(wěn)定值。 1. 1.傳遞滯后傳遞滯后 有的對(duì)象或過程有的對(duì)象或過程, ,在受到輸入作用后在受到輸入作用后, ,輸出變量要輸出變量要隔上一段時(shí)間才有響應(yīng)隔上一段時(shí)間才有響應(yīng), ,這種對(duì)象稱為具有時(shí)滯特性的這種對(duì)象稱為具有時(shí)滯特性的對(duì)象對(duì)象, ,而這段時(shí)間就稱為時(shí)滯而這段時(shí)間就稱為時(shí)滯0 0 ( (或純滯后或純滯后) )。 時(shí)滯的產(chǎn)生一般是由于

16、介質(zhì)的輸送需要一段時(shí)時(shí)滯的產(chǎn)生一般是由于介質(zhì)的輸送需要一段時(shí)間而引起的。間而引起的。 顯然顯然，純滯后時(shí)間0與皮帶輸送機(jī)的傳送速度v和傳送距離L有如下關(guān)系： vL0（1-13）溶解槽及其反應(yīng)曲線純滯后時(shí)間舉例舉例 1. 1.傳遞滯后傳遞滯后從測(cè)量方面來說，由于測(cè)量點(diǎn)選擇不當(dāng)、測(cè)量元件安裝不合適等原因也會(huì)造成傳遞滯后。圖1-15 蒸汽直接加熱器 當(dāng)加熱蒸汽量增大時(shí)，槽內(nèi)溫度升高，然而槽內(nèi)溶液流到管道測(cè)溫點(diǎn)處還要經(jīng)過一段時(shí)間0。所以，相對(duì)于蒸汽流量變化的時(shí)刻，實(shí)際測(cè)得的溶液溫度T要經(jīng)過時(shí)間0后才開始變化。 安裝成分分析儀器時(shí)，取樣管線太長(zhǎng)，取樣點(diǎn)安裝離設(shè)安裝成分分析儀器時(shí)，取樣管線太長(zhǎng)，取樣點(diǎn)安裝

17、離設(shè)備太遠(yuǎn)，都會(huì)引起較大的純滯后時(shí)間，工作中要盡量避免。備太遠(yuǎn)，都會(huì)引起較大的純滯后時(shí)間，工作中要盡量避免。 2.2.容量滯后容量滯后 具有容量滯后對(duì)象串聯(lián)水槽的反應(yīng)曲線圖解近似方法串聯(lián)水槽 在容量滯后與純滯后同時(shí)存在時(shí)，常常把兩者合起來統(tǒng)稱滯后時(shí)間，即0h。 自動(dòng)控制系統(tǒng)中，滯后的存在是不利于控制的。所以，在設(shè)計(jì)和安裝控制系統(tǒng)時(shí)，都應(yīng)當(dāng)盡量把滯后時(shí)間減到最小。 結(jié)論圖1-18 滯后時(shí)間示意圖1.3 對(duì)象特性對(duì)控制質(zhì)量的影響及操縱變量的選擇對(duì)象特性對(duì)控制質(zhì)量的影響及操縱變量的選擇結(jié)論：結(jié)論： 越大，系統(tǒng)的余差也越大，越大，系統(tǒng)的余差也越大， 控制質(zhì)量越差控制質(zhì)量越差分析過程：分析過程：1.3

18、對(duì)象特性對(duì)控制質(zhì)量的影響及操縱變量的選擇對(duì)象特性對(duì)控制質(zhì)量的影響及操縱變量的選擇 結(jié)論：結(jié)論：越大，個(gè)數(shù)越多，干擾對(duì)被控變量的影響越小，系統(tǒng)越大，個(gè)數(shù)越多，干擾對(duì)被控變量的影響越小，系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)偏差越小，的動(dòng)態(tài)偏差越小， 控制質(zhì)量提高控制質(zhì)量提高 干擾進(jìn)入系統(tǒng)的位置：越離被控變量近的干擾，對(duì)被控變干擾進(jìn)入系統(tǒng)的位置：越離被控變量近的干擾，對(duì)被控變量的影響也越大量的影響也越大 1.3 對(duì)象特性對(duì)控制質(zhì)量的影響及操縱變量的選擇對(duì)象特性對(duì)控制質(zhì)量的影響及操縱變量的選擇( )()y ty t1.3 對(duì)象特性對(duì)控制質(zhì)量的影響及操縱變量的選擇對(duì)象特性對(duì)控制質(zhì)量的影響及操縱變量的選擇干擾通道特性對(duì)控制質(zhì)量的影

19、響特性參數(shù)靜態(tài)質(zhì)量的影響動(dòng)態(tài)質(zhì)量的影響Kf增加余差增加無影響Tf增加無影響過渡過程時(shí)間減小，振蕩幅值減小f增加無影響無影響1.3 對(duì)象特性對(duì)控制質(zhì)量的影響及操縱變量的選擇對(duì)象特性對(duì)控制質(zhì)量的影響及操縱變量的選擇1.3 對(duì)象特性對(duì)控制質(zhì)量的影響及操縱變量的選擇對(duì)象特性對(duì)控制質(zhì)量的影響及操縱變量的選擇靜態(tài)靜態(tài)：控制通道放大倍數(shù)控制通道放大倍數(shù)K K0 0大，控制系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)余差小，見式（大，控制系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)余差小，見式（1-71-7）動(dòng)態(tài)動(dòng)態(tài)：控制系統(tǒng)衰減比控制系統(tǒng)衰減比與與KcKc 與與K K0 0的乘積有關(guān)，見式（的乘積有關(guān)，見式（1-181-18），且），且 KcKc K K0 0越大，越大，越小，

20、穩(wěn)定性差，因此，要保證越小，穩(wěn)定性差，因此，要保證KcKc K K0 0= =常數(shù)。常數(shù)。在在KcKc K K0 0= =常數(shù)情況下，控制系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)余差不變。常數(shù)情況下，控制系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)余差不變。從控制角度看，從控制角度看，K K0 0大些，說明控制通道對(duì)系統(tǒng)的影響大，易于調(diào)節(jié)，大些，說明控制通道對(duì)系統(tǒng)的影響大，易于調(diào)節(jié)，因此，一般希望因此，一般希望K K0 0大些好大些好1.3 對(duì)象特性對(duì)控制質(zhì)量的影響及操縱變量的選擇對(duì)象特性對(duì)控制質(zhì)量的影響及操縱變量的選擇從控制系統(tǒng)傳遞函數(shù)推導(dǎo)進(jìn)行分析從控制系統(tǒng)傳遞函數(shù)推導(dǎo)進(jìn)行分析 結(jié)論：結(jié)論：控制通道的時(shí)間常數(shù)大，經(jīng)過的容量數(shù)多，系統(tǒng)的工作控制通道的時(shí)間常數(shù)大

21、，經(jīng)過的容量數(shù)多，系統(tǒng)的工作 頻率低，控制不及時(shí)、系統(tǒng)控制質(zhì)量差，如溫度系統(tǒng)。頻率低，控制不及時(shí)、系統(tǒng)控制質(zhì)量差，如溫度系統(tǒng)。 一般希望控制通道時(shí)間常數(shù)小些好。一般希望控制通道時(shí)間常數(shù)小些好。 但控制通道時(shí)間常數(shù)過小，將使得系統(tǒng)過于靈敏，也會(huì)使穩(wěn)定性但控制通道時(shí)間常數(shù)過小，將使得系統(tǒng)過于靈敏，也會(huì)使穩(wěn)定性變差，如流量系統(tǒng)變差，如流量系統(tǒng) 1.3 對(duì)象特性對(duì)控制質(zhì)量的影響及操縱變量的選擇對(duì)象特性對(duì)控制質(zhì)量的影響及操縱變量的選擇 結(jié)論：結(jié)論：純滯后純滯后 的存在，使得控制不及時(shí)，增加動(dòng)態(tài)偏差，的存在，使得控制不及時(shí)，增加動(dòng)態(tài)偏差， 降低穩(wěn)定性。降低穩(wěn)定性。 控制通道純滯后是控制系統(tǒng)非常不利的因素，

22、會(huì)嚴(yán)重影響控控制通道純滯后是控制系統(tǒng)非常不利的因素，會(huì)嚴(yán)重影響控制系統(tǒng)品質(zhì)，以至于使控制系統(tǒng)發(fā)散，造成嚴(yán)重后果，因此，制系統(tǒng)品質(zhì)，以至于使控制系統(tǒng)發(fā)散，造成嚴(yán)重后果，因此，實(shí)際工程中，必須重視。實(shí)際工程中，必須重視。 1.3 對(duì)象特性對(duì)控制質(zhì)量的影響及操縱變量的選擇對(duì)象特性對(duì)控制質(zhì)量的影響及操縱變量的選擇 兼顧考慮工藝的合理性，工藝上不易頻繁改變的量也兼顧考慮工藝的合理性，工藝上不易頻繁改變的量也不宜作為操縱變量。不宜作為操縱變量。 實(shí)質(zhì)上是決定了控制通道的選擇。實(shí)質(zhì)上是決定了控制通道的選擇。原則：原則：（1 1） 操縱變量必須可控操縱變量必須可控（2 2） 選擇通道放大倍數(shù)相對(duì)大的選擇通道放

23、大倍數(shù)相對(duì)大的（3 3）選擇通道時(shí)間常數(shù)相對(duì)小的（干擾通道）選擇通道時(shí)間常數(shù)相對(duì)小的（干擾通道時(shí)間常數(shù)大些）時(shí)間常數(shù)大些）（4 4）選擇通道的純滯后盡量?。┻x擇通道的純滯后盡量小（5 5）選擇使干擾點(diǎn)遠(yuǎn)離被控變量而靠近控制閥）選擇使干擾點(diǎn)遠(yuǎn)離被控變量而靠近控制閥1.3 對(duì)象特性對(duì)控制質(zhì)量的影響及操縱變量的選擇對(duì)象特性對(duì)控制質(zhì)量的影響及操縱變量的選擇控制通道特性對(duì)控制質(zhì)量的影響特性參數(shù)對(duì)靜態(tài)質(zhì)量的影響對(duì)動(dòng)態(tài)質(zhì)量的影響K0增加余差減?。ǚ€(wěn)定前提下）系統(tǒng)趨向于振蕩T0增加無影響過渡過程時(shí)間增加，系統(tǒng)頻率變慢0增加無影響穩(wěn)定程度大大降低 是指被控介質(zhì)流過閥門的相對(duì)是指被控介質(zhì)流過閥門的相對(duì)流量與閥門的

24、相對(duì)開度（相對(duì)位移）間的關(guān)系，即流量與閥門的相對(duì)開度（相對(duì)位移）間的關(guān)系，即 LlfQQmax通過控制閥的流量大小不僅與閥的開度有關(guān)，還和通過控制閥的流量大小不僅與閥的開度有關(guān)，還和閥前后閥前后的壓差的壓差高低有關(guān)。高低有關(guān)。 為分析方便，在研究閥的特性時(shí)，先把閥前后壓差固定為恒為分析方便，在研究閥的特性時(shí)，先把閥前后壓差固定為恒值進(jìn)行研究，然后再考慮閥在管路中的實(shí)際情況進(jìn)行分析。值進(jìn)行研究，然后再考慮閥在管路中的實(shí)際情況進(jìn)行分析。 在不考慮控制閥前后壓差變化時(shí)在不考慮控制閥前后壓差變化時(shí)得到的流量特性稱為理想流量特性。得到的流量特性稱為理想流量特性。它取決于閥芯的形狀它取決于閥芯的形狀 圖5

25、 控制閥的理想流量特性 1直線；2等百分比(對(duì)數(shù)) ；3快開 ； 4拋物線在目前常用的控制閥中，有三種典型的在目前常用的控制閥中，有三種典型的理想流量特性理想流量特性 串聯(lián)管道的情形 在實(shí)際生產(chǎn)中，控制閥前后壓差總是變化的，這時(shí)的在實(shí)際生產(chǎn)中，控制閥前后壓差總是變化的，這時(shí)的流量特性稱為流量特性稱為工作流量特性。工作流量特性。管道串聯(lián)時(shí)控制閥的工作流量特性 一般的，生產(chǎn)負(fù)荷變化一般的，生產(chǎn)負(fù)荷變化對(duì)象特性發(fā)生變化對(duì)象特性發(fā)生變化 如，熱交換器：如，熱交換器： 負(fù)荷（被加熱的流體）增大：負(fù)荷（被加熱的流體）增大： 通過熱交換器的時(shí)間縮短，通過熱交換器的時(shí)間縮短， 純滯后減小；純滯后減??； 特性改

26、變特性改變 流速增大，傳熱效果變好流速增大，傳熱效果變好 控制系統(tǒng)投運(yùn)時(shí)，已經(jīng)整定好了控制系統(tǒng)投運(yùn)時(shí)，已經(jīng)整定好了PIDPID參數(shù)，一旦對(duì)象參數(shù)，一旦對(duì)象特性發(fā)生變化時(shí)，原來好的特性發(fā)生變化時(shí)，原來好的PIDPID參數(shù)就變得不好了參數(shù)就變得不好了（1 1）選擇自整定調(diào)節(jié)器，代價(jià)大）選擇自整定調(diào)節(jié)器，代價(jià)大（2 2）通過控制閥的特性選擇進(jìn)行彌補(bǔ)）通過控制閥的特性選擇進(jìn)行彌補(bǔ)P15 P15 表表1-1 1-1 控制閥流量特性的選擇控制閥流量特性的選擇 課本課本P15P15分析的例子分析的例子P16 P16 表表1-2 1-2 控制閥流量特性經(jīng)驗(yàn)選擇控制閥流量特性經(jīng)驗(yàn)選擇解決辦法：解決辦法：先按控制

27、系統(tǒng)的特點(diǎn)來選擇閥的希望流量特性，然后再考慮工藝配管情先按控制系統(tǒng)的特點(diǎn)來選擇閥的希望流量特性，然后再考慮工藝配管情況來選擇相應(yīng)的理想流量特性。況來選擇相應(yīng)的理想流量特性。直通單座、直通雙座、角閥、高壓閥、直通單座、直通雙座、角閥、高壓閥、蝶閥、蝶閥、隔膜閥、三通閥隔膜閥、三通閥適用于不同工藝場(chǎng)合適用于不同工藝場(chǎng)合 表表1-41-4 主要根據(jù)工藝條件，如溫度、壓力及介質(zhì)的物主要根據(jù)工藝條件，如溫度、壓力及介質(zhì)的物理、化學(xué)特性（如腐蝕性、黏度等）來選擇。理、化學(xué)特性（如腐蝕性、黏度等）來選擇。 控制閥的輔助裝置控制閥的輔助裝置 接受控制器信號(hào)，輸出控制控制閥接受控制器信號(hào)，輸出控制控制閥 作用：

28、作用： 提高控制閥控制精度，準(zhǔn)確定位；提高控制閥控制精度，準(zhǔn)確定位； 功率放大；功率放大； 可改變控制閥流量特性；可改變控制閥流量特性； 可實(shí)現(xiàn)分程控制可實(shí)現(xiàn)分程控制 氣動(dòng)執(zhí)行器執(zhí)行結(jié)構(gòu)執(zhí)行結(jié)構(gòu)控制閥控制閥執(zhí)行機(jī)構(gòu)的特性執(zhí)行機(jī)構(gòu)的特性屬于屬于比例式比例式，即平衡，即平衡時(shí)推桿的位移與輸入氣壓大小成比例時(shí)推桿的位移與輸入氣壓大小成比例 當(dāng)當(dāng)20kPa20kPal00kPa l00kPa 的標(biāo)準(zhǔn)氣壓信的標(biāo)準(zhǔn)氣壓信號(hào)號(hào)P P 進(jìn)入薄膜氣室時(shí)，在膜片上進(jìn)入薄膜氣室時(shí)，在膜片上產(chǎn)生向下的推力，克服彈簧反力，產(chǎn)生向下的推力，克服彈簧反力，使推桿產(chǎn)生位移，直到彈簧的反使推桿產(chǎn)生位移，直到彈簧的反作用力與薄膜

29、上的推力平衡為止。作用力與薄膜上的推力平衡為止。 氣動(dòng)執(zhí)行器的結(jié)構(gòu)氣動(dòng)執(zhí)行器的結(jié)構(gòu)v氣動(dòng)閥門定位器氣動(dòng)閥門定位器 氣動(dòng)閥門定位器與氣動(dòng)控制閥配套使用氣動(dòng)閥門定位器與氣動(dòng)控制閥配套使用, ,組成閉環(huán)系組成閉環(huán)系統(tǒng)統(tǒng), ,利用反饋原理來改善控制閥的定位精度和提高靈敏度利用反饋原理來改善控制閥的定位精度和提高靈敏度, ,并能以較大功率克服閥桿的摩擦力、介質(zhì)的不平衡力等影并能以較大功率克服閥桿的摩擦力、介質(zhì)的不平衡力等影響響, ,從而使控制閥門位置能按控制儀表來的控制信號(hào)實(shí)現(xiàn)從而使控制閥門位置能按控制儀表來的控制信號(hào)實(shí)現(xiàn)正確定位。正確定位。組成及作用組成及作用v電-氣閥門定位器 采用電-氣閥門定位器后

30、，可用電動(dòng)控制器輸出的010 mA 或420 mA DC電流信號(hào)去操縱氣動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)；把上述的電-氣轉(zhuǎn)換器與氣動(dòng)閥門定位器結(jié)合成一體，組成電-氣閥門定位器。 使用微分控制作用，以克服測(cè)量環(huán)節(jié)的容量滯后。使用微分控制作用，以克服測(cè)量環(huán)節(jié)的容量滯后。但是，微分器對(duì)于克服純滯后是無能為力的。因?yàn)榈?，微分器?duì)于克服純滯后是無能為力的。因?yàn)樵诩儨髸r(shí)間里，參數(shù)變化速度等于零，因而微分在純滯后時(shí)間里，參數(shù)變化速度等于零，因而微分器輸出也等于零，微分器起不到超前作用。器輸出也等于零，微分器起不到超前作用。 1 1）克服測(cè)量信號(hào)傳送滯后的辦法）克服測(cè)量信號(hào)傳送滯后的辦法 當(dāng)變送器為電動(dòng)儀表而控制器為氣動(dòng)儀表時(shí)

31、，應(yīng)將電氣轉(zhuǎn)當(dāng)變送器為電動(dòng)儀表而控制器為氣動(dòng)儀表時(shí)，應(yīng)將電氣轉(zhuǎn)換器盡量安置在儀表屏附近，以縮短氣信號(hào)傳送管線長(zhǎng)度；換器盡量安置在儀表屏附近，以縮短氣信號(hào)傳送管線長(zhǎng)度； 當(dāng)變送器為氣動(dòng)儀表而控制器為電動(dòng)儀表時(shí)，應(yīng)在現(xiàn)場(chǎng)安當(dāng)變送器為氣動(dòng)儀表而控制器為電動(dòng)儀表時(shí)，應(yīng)在現(xiàn)場(chǎng)安裝氣電轉(zhuǎn)換器，將氣信號(hào)轉(zhuǎn)換成電信號(hào)后進(jìn)行傳送；裝氣電轉(zhuǎn)換器，將氣信號(hào)轉(zhuǎn)換成電信號(hào)后進(jìn)行傳送； 當(dāng)變送器、控制器均為氣動(dòng)儀表時(shí)，可在信號(hào)傳送管線上當(dāng)變送器、控制器均為氣動(dòng)儀表時(shí)，可在信號(hào)傳送管線上加裝氣動(dòng)繼動(dòng)器，以提高信號(hào)傳送功率，減少滯后。加裝氣動(dòng)繼動(dòng)器，以提高信號(hào)傳送功率，減少滯后。 2 2）克服控制信號(hào)傳送滯后的辦法）克服控制

32、信號(hào)傳送滯后的辦法當(dāng)控制器為電動(dòng)儀表時(shí)，電氣轉(zhuǎn)換器應(yīng)安裝于現(xiàn)場(chǎng)控當(dāng)控制器為電動(dòng)儀表時(shí)，電氣轉(zhuǎn)換器應(yīng)安裝于現(xiàn)場(chǎng)控制閥附近，或在控制閥上安裝電氣閥門定位器；制閥附近，或在控制閥上安裝電氣閥門定位器； 當(dāng)控制器為氣動(dòng)儀表時(shí)，應(yīng)在氣動(dòng)信號(hào)傳送管線上裝當(dāng)控制器為氣動(dòng)儀表時(shí)，應(yīng)在氣動(dòng)信號(hào)傳送管線上裝設(shè)氣動(dòng)繼動(dòng)器，或者在控制閥上安裝氣動(dòng)閥門定位器，設(shè)氣動(dòng)繼動(dòng)器，或者在控制閥上安裝氣動(dòng)閥門定位器，以提高輸出功率，減少滯后以提高輸出功率，減少滯后。概論控制器的控制規(guī)律是指控制器的控制規(guī)律是指 控制器的輸出信號(hào)與輸入信號(hào)之間的關(guān)系?？刂破鞯妮敵鲂盘?hào)與輸入信號(hào)之間的關(guān)系。 xzeefp即 經(jīng)常是假定控制器的輸入信號(hào)

33、e是一個(gè)階躍信號(hào)，然后來研究控制器的輸出信號(hào)p隨時(shí)間的變化規(guī)律。 概論位式控制（其中以雙位控制比較常用）比例控制（P）積分控制（I）微分控制（D） 位式控制位式控制v雙位控制00,)0(0,minmaxeepeepp或或理想的雙位控制器其輸出理想的雙位控制器其輸出p p與輸入偏差額與輸入偏差額e e之間的關(guān)系為之間的關(guān)系為理想雙位控制特性理想雙位控制特性雙位控制示例雙位控制示例由于設(shè)置了中間區(qū)，當(dāng)偏差在中間區(qū)內(nèi)變化時(shí)，控制機(jī)構(gòu)由于設(shè)置了中間區(qū)，當(dāng)偏差在中間區(qū)內(nèi)變化時(shí)，控制機(jī)構(gòu)不會(huì)動(dòng)作，因此可以使控制機(jī)構(gòu)開關(guān)的頻繁程度大為降低，不會(huì)動(dòng)作，因此可以使控制機(jī)構(gòu)開關(guān)的頻繁程度大為降低，延長(zhǎng)了控制器中運(yùn)

34、動(dòng)部件的使用壽命。延長(zhǎng)了控制器中運(yùn)動(dòng)部件的使用壽命。 實(shí)際的雙位控制規(guī)律v具有中間區(qū)的雙位控制具有中間區(qū)的雙位控制具有中間區(qū)的雙位控制過程雙位控制過程中一般采用振幅與周期作為品質(zhì)指標(biāo) 結(jié)論結(jié)論被控變量波動(dòng)的上、下限在允許范圍內(nèi)，使周期長(zhǎng)些比較有利。 雙位控制器結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、成本較低、易于實(shí)現(xiàn)，因而應(yīng)用很普遍?？刂瀑|(zhì)量：控制質(zhì)量：系統(tǒng)的穩(wěn)定性系統(tǒng)的穩(wěn)定性系統(tǒng)的靜態(tài)誤差系統(tǒng)的靜態(tài)誤差系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)誤差系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)誤差PID 三作用控制器三作用控制器PID：Proportional Integral DerivativePID控制對(duì)偏差信號(hào)對(duì)偏差信號(hào) (t)進(jìn)行比例、積分和微分進(jìn)行比例、積分和微分運(yùn)算變換后形

35、成的一種控制規(guī)律。運(yùn)算變換后形成的一種控制規(guī)律。 01tpdidu tKe tedTe tTdt其中： Kpe (t) 比例控制項(xiàng)，比例控制項(xiàng)， Kp 為比例系數(shù)為比例系數(shù) 積分控制項(xiàng)，積分控制項(xiàng)，T Ti 為積分時(shí)間常數(shù)為積分時(shí)間常數(shù)； 01tiedT 微分控制項(xiàng)，微分控制項(xiàng)， d 為微分時(shí)間常數(shù)為微分時(shí)間常數(shù)； ddTe tdtPIDPID控制的傳遞函數(shù)：控制的傳遞函數(shù)：( )1( )1( )cpdiU sG sKT sE sTsPID控制是控制工程中技術(shù)成熟、理論完善、應(yīng)用最為廣泛的一種控制策略，經(jīng)過長(zhǎng)期的工程實(shí)踐，已形成了一套完整的控制方法和典型結(jié)構(gòu)。在很多情形下，PID 控制并不一定

36、需要全部的三項(xiàng)控制作用，而是可以方便靈活地改變控制策略，實(shí)施P、PI、PD 或PID 控制。顯然，比例控制部分是必不可少的。PID 不僅適用于數(shù)學(xué)模型已知的控制系統(tǒng)，而且對(duì)大多數(shù)數(shù)學(xué)模型難以確定的工業(yè)過程也可應(yīng)用。PID 控制參數(shù)整定方便，結(jié)構(gòu)靈活，在眾多工業(yè)過程控制中取得了滿意的應(yīng)用效果。R(s)E(s)Gc(s)Go(s)F(s)F(s)Go(s)E(s)Gc(s)2222(1)(21)( )(1)(21)okllovijjKT sT sTsG ssTsT sT s( )1/F ss001lim ( )lim( )lim( )tssce tsE sG s終值定理：1( )11ccciiiK

37、G sKTsTsTs結(jié)論結(jié)論： 當(dāng)控制器為純比例作用時(shí)，系統(tǒng)余差與放大倍當(dāng)控制器為純比例作用時(shí)，系統(tǒng)余差與放大倍數(shù)成反比，即與比例度成正比，比例度數(shù)成反比，即與比例度成正比，比例度越大，越大，余差越大；余差越大； 當(dāng)控制器引入積分作用時(shí)，可消除余差；當(dāng)控制器引入積分作用時(shí)，可消除余差； 微分作用對(duì)余差沒有影響。微分作用對(duì)余差沒有影響。 0cuK eu0ty(t)圖簡(jiǎn)單水槽的比例控制過程液位開始下降作用在控制閥上的信號(hào)進(jìn)水量增加偏差的變化曲線在t=t0時(shí)，系統(tǒng)外加一個(gè)干擾作用圖 比例度對(duì)過渡過程的影響 01ciuKeedtuT0ty(t)P P、I I、D D三參數(shù)相互配合三參數(shù)相互配合控制器參

38、數(shù)整定控制器參數(shù)整定 0cDdeuKeTudtv微分控制規(guī)律及其特點(diǎn) dddeuTdt理想微分控制器特性v實(shí)際的微分控制規(guī)律及微分時(shí)間在偏差存在但不變化時(shí),微分作用都沒有輸出。 微分控制器不能單獨(dú)使用。它常與比例或比例積分控微分控制器不能單獨(dú)使用。它常與比例或比例積分控制器組成比例微分控制或比例積分微分控制。制器組成比例微分控制或比例積分微分控制。 圖 實(shí)際微分器輸出變化曲線當(dāng)輸入是一幅值為 A的階躍信號(hào)時(shí)n比例微分控制系統(tǒng)比例微分控制系統(tǒng)( )( ) ( )pdde tu tKe tTdtn比例微分控制系統(tǒng)的過渡過程比例微分控制系統(tǒng)的過渡過程 比例微分控制器的輸出比例微分控制器的輸出u等于比

39、例作用的輸出等于比例作用的輸出uP與微分作用的輸出與微分作用的輸出uD之和。改變比例度之和。改變比例度(或或Kp) )和微分和微分時(shí)間時(shí)間 TD分別可以改變比例作用的強(qiáng)弱和微分作用的強(qiáng)弱。分別可以改變比例作用的強(qiáng)弱和微分作用的強(qiáng)弱。 說明：說明：圖 微分時(shí)間對(duì)過渡過程的影響 微分作用具有抑制振蕩的效果，可以提高系統(tǒng)的穩(wěn)定性,減少被控變量的波動(dòng)幅度,并降低余差。微分作用也不能加得過大。 微分控制具有“超前”控制作用。 v比例積分微分控制 同時(shí)具有比例、積分、微分三種控制作用的控制器稱為。1( )()pdideu tKeedtTTdt圖 PID控制器輸出特性 比例度、積分時(shí)間 TI和微分時(shí)間 TD。三個(gè)可調(diào)參數(shù)適用場(chǎng)合 對(duì)象滯后較大、負(fù)荷變化較快、不允許有余差的情況。 控制規(guī)律 比例控制、積分控制、微分控制。 提餾段溫度與塔底液位控制系統(tǒng)提餾段溫度與塔底液位控制系統(tǒng) TCLCGc1(s)Gcn(s)R1(s)nnRn(s)Y1(s)Yn(s)U1(s)Un(s)jiGc1(s)Gc2(s)R1(s)R2(s)Y1(s)Y2(s)U1(s)U2(s)Gc1(s)Gc2(s)R1(s)R2(s)Y1(s)Y2(s)U1(s)U2(s)uuy11yuy11相對(duì)增益的計(jì)算：相對(duì)增益的計(jì)算： 相互關(guān)聯(lián)程度ijijijyuuyyuijijyuuyyuijij011，ijij11，ijij=0