過程控制儀表教案課件

過程控制儀表第章過程控制儀表第章16.2簡單控制系統(tǒng)設計1.過程控制系統(tǒng)方案設計的基本要求生產(chǎn)過程對過程控制系統(tǒng)的要求可簡要歸納為安全性、穩(wěn)定性和經(jīng)濟性三個方面。2.過程控制系統(tǒng)設計的主要內(nèi)容過程控制系統(tǒng)設計包括控制系統(tǒng)方案設計、工程設計、工程安裝和儀表調(diào)校、調(diào)節(jié)器參數(shù)整定等四個主要內(nèi)容。其中控制方案設計是控制系統(tǒng)設計的核心。第1頁/共87頁6.2簡單控制系統(tǒng)設計第1頁/共87頁23.過程控制系統(tǒng)設計的步驟1）掌握生產(chǎn)工藝對控制系統(tǒng)的技術要求2）建立被控過程的數(shù)學模型3）確定控制方案包括控制方式和系統(tǒng)組成結(jié)構(gòu)的確定，是過程控制系統(tǒng)設計的關鍵步驟。

4）控制設備選型5）實驗（或仿真）驗證

第2頁/共87頁3.過程控制系統(tǒng)設計的步驟第2頁/共87頁3被控參數(shù)與控制變量的選擇被控參數(shù)的選擇被控變量—生產(chǎn)過程中希望借助自動控制保持恒定值（或按一定規(guī)律變化）的變量。合理選擇被控變量，關系到生產(chǎn)工藝能否達到穩(wěn)定操作、保證質(zhì)量、保證安全等目的。被控變量的選擇依據(jù)：1、根據(jù)生產(chǎn)工藝的要求，找出影響生產(chǎn)的關鍵變量作為被控變量第3頁/共87頁被控參數(shù)與控制變量的選擇被控變量—生產(chǎn)過程中希望借助自動控制4例1儲槽液位控制系統(tǒng)工藝要求儲槽液位穩(wěn)定。那么設計的控制系統(tǒng)就應以儲槽液位為被控變量。LCLTh第4頁/共87頁例1儲槽液位控制系統(tǒng)LCLTh第4頁/共87頁5例2換熱器出口溫度控制系統(tǒng)工藝要求出口溫度為定值。那么設計的控制系統(tǒng)就應以出口溫度為被控變量。熱物料載熱介質(zhì)冷物料熱交換器TTTC第5頁/共87頁例2換熱器出口溫度控制系統(tǒng)熱物料載熱介質(zhì)冷物料熱交換器62、當不能用直接工藝參數(shù)作為被控變量時，應選擇與直接工藝參數(shù)有單值函數(shù)關系的間接工藝參數(shù)作為被控變量。例3化工的精餾物純度控制系統(tǒng)精餾工藝是利用被分離物中各組分的揮發(fā)溫度不同，將各組分分離。如圖將苯—甲苯混合液進行分離。苯—甲苯苯甲苯

第6頁/共87頁2、當不能用直接工藝參數(shù)作為被控變量時，應選擇與直接工藝參數(shù)7該精餾塔的工藝要求是要使塔頂（或塔底）餾出物達到規(guī)定的純度。按照被控變量的選擇原則1，塔頂（或塔底）餾出物的組分應作為被控變量。但是，沒有合適的儀表在線檢測餾出物的純度，則不能直接作為被控變量。苯甲苯

苯—甲苯第7頁/共87頁該精餾塔的工藝要求是要使塔頂（或塔底）餾出物達到規(guī)定的純8只好在與餾出物的純度有單值關系的工藝參數(shù)中，找出合適的變量作為被控變量，進行間接參數(shù)控制。經(jīng)工藝分析發(fā)現(xiàn)，塔內(nèi)壓力和塔內(nèi)溫度都對餾出物純度有影響。需要對二者進行比較試驗，選出一個合適的變量。苯甲苯

苯—甲苯第8頁/共87頁只好在與餾出物的純度有單值關系的工藝參數(shù)中，找出合適的變量作9間接控制參數(shù)的確定經(jīng)試驗得出，塔頂餾出物苯的濃度分別與壓力和溫度有單值對應關系。（塔底餾出物甲苯也一樣）從工藝合理性考慮，選擇溫度作為被控變量。

第9頁/共87頁間接控制參數(shù)的確定第103、被控變量必須有足夠大的靈敏度被控變量必須靈敏，容易被測量。4、選擇被控變量時，必須考慮工藝合理性上例中，選擇塔內(nèi)溫度作被控變量，就是考慮了工藝上，塔內(nèi)溫度是最佳分離效率控制系統(tǒng)的被控變量。上例中，若塔頂、塔底的產(chǎn)品純度都分別設置溫控系統(tǒng)，會相互干擾，存在關聯(lián)。因此，若采用簡單控制系統(tǒng)，只能設置一個溫控系統(tǒng)，保證塔頂或塔底一端的產(chǎn)品質(zhì)量。第10頁/共87頁3、被控變量必須有足夠大的靈敏度第10頁/共87頁11控制變量選擇把用來克服干擾對被控變量的影響，實現(xiàn)控制作用的變量稱為控制變量或操縱變量。最常見的操縱變量是介質(zhì)的流量，也有以轉(zhuǎn)速、電壓等作為操縱變量的。LCLTh第11頁/共87頁控制變量選擇LCLTh第11頁/共87頁12控制變量的確定被控變量選定以后，應對工藝進行分析，找出所有影響被控變量的因素。在這些變量中，有些是可控的，有些是不可控的。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制的變量，作為控制變量；其它未被選中的因素則視為系統(tǒng)的干擾。被控變量影響變量第12頁/共87頁控制變量的確定被控變量影響變量第12頁/共87頁13對象特性對控制品質(zhì)影響的分析：1．過程（通道）靜態(tài)特性對控制品質(zhì)的影響如圖所示為單回路控制系統(tǒng)的等效框圖。Gc(s)—控制器的傳遞函數(shù)；Go(s)—廣義控制通道（包括執(zhí)行器和變送器）的傳遞函數(shù)；Gf(s)—擾動通道的傳遞函數(shù)。Gc(s)Gf(s)Go(s)X(s)Y(s)＋F(s)＋＋－第13頁/共87頁對象特性對控制品質(zhì)影響的分析：Gc(s)—控制器的傳遞函數(shù)14被控參數(shù)y(t)受到設定信號x(t)和干擾信號f(t)的共同影響：干擾通道控制通道Gc(s)Gf(s)Go(s)X(s)Y(s)＋F(s)＋＋－第14頁/共87頁被控參數(shù)y(t)受到設定信號x(t)和干擾信號f(t15代入系統(tǒng)偏差公式中：將可見，控制通道偏差和干擾通道偏差的傳函分母是一樣的。將Gc(s)、Go(s)代入：第15頁/共87頁代入系統(tǒng)偏差公式中：將可見，控制通道偏差和干擾通道16K0越大，控制作用越強，穩(wěn)態(tài)誤差越?。籏0越大，被調(diào)參數(shù)對控制作用的反應越靈敏，系統(tǒng)的閉環(huán)穩(wěn)定性越低。Kf越大，干擾作用越強，穩(wěn)態(tài)誤差越大。故應選放大系數(shù)大的變量作為控制變量。第16頁/共87頁K0越大，控制作用越強，穩(wěn)態(tài)誤差越小；第16頁/共87頁172．過程（通道）動態(tài)特性對控制品質(zhì)的影響1）干擾通道動態(tài)特性對控制品質(zhì)的影響

干擾通道的慣性因子（Tfs+1）使干擾作用的影響緩慢。Tf越大，干擾對被控變量的影響越緩慢，越有利于控制。

干擾進入系統(tǒng)的位置離被控變量檢測點越遠，則Tf越大，控制時最大偏差越小。第17頁/共87頁2．過程（通道）動態(tài)特性對控制品質(zhì)的影響干擾通道的慣性因子（18例：某控制系統(tǒng)中，干擾f1、f2、f3分別在三個位置進入系統(tǒng)。干擾離被控變量檢測點越遠，則干擾通道的時間常數(shù)越大，對被控變量的影響越慢。第18頁/共87頁例：某控制系統(tǒng)中，干擾f1、f2、f3分別在三個位置進入系統(tǒng)19f1(t)通道慣性小，受干擾后被調(diào)參數(shù)變化速度快；當控制作用見效時，被調(diào)參數(shù)已經(jīng)變化較大——造成動態(tài)偏差較大。所以擾動進入系統(tǒng)的位置離被控參數(shù)檢測點越遠，干擾對被控參數(shù)影響越小。y(t)yk(t)tyyk(t)yy(t)tyk(t)yy(t)t第19頁/共87頁f1(t)通道慣性小，受干擾后被調(diào)參數(shù)變化20因為，τf使干擾對被控變量的影響推遲了τf時間，則控制作用也推遲τf時間，整個過渡過程曲線也推遲時間τf

，但控制品質(zhì)未變。干擾通道純滯后τf不影響控制質(zhì)量。含有e–τfs第20頁/共87頁因為，τf使干擾對被控變量的影響推遲了τ21

2）控制通道動態(tài)特性對控制品質(zhì)的影響tGCGVGO2GFGmfreGO1y控制通道G01的時間常數(shù)T01增大，使控制速度變慢，最大偏差增大。G02是控制、干擾共用通道，T02不影響最大偏差y2(t)yk(t)yy1(t)第21頁/共87頁2）控制通道動態(tài)特性對控制品質(zhì)的影響tGCGVGO2GFG22y2(t)yk(t)tyy1(t)τ01控制通道G01的純滯后

，使控制作用滯后τ01到達，造成控制偏差增大。G02是控制、干擾共用通道，干擾作用滯后τ02產(chǎn)生，但控制作用再滯后τ02到達，同樣造成控制偏差增大。y2(t)yk(t)tyy1(t)2τ02τ02GCGVGO2GFGmfreGO1y第22頁/共87頁y2(t)yk(t)tyy1(t)τ01控制通道G01的純滯23因此，控制通道時間常數(shù)T0小一些好。表明控制變量對被控變量的影響迅速，有利于控制。控制通道純滯后τ0越小越好。τ0會使控制時間延長、最大偏差增大。

控制變量的選擇原則：1、控制通道應當放大系數(shù)大、時間常數(shù)小、純滯后越小越好。2、控制變量應是工藝上允許控制的變量，并且要考慮工藝的合理性與生產(chǎn)的經(jīng)濟性。

第23頁/共87頁因此，控制通道時間常數(shù)T0小一些好。表明24例1中，影響儲槽液位的主要因素有：液體流入量和流出量。這兩個變量影響力相當，顯然，液體流出量可控。故選液體流出量作為控制變量。LCTThQiQo第24頁/共87頁例1中，影響儲槽液位的主要因素有：液體流入量和流出量。這兩個25例2中，影響出口溫度的主要因素有：載熱介質(zhì)溫度、載熱介質(zhì)流量、冷物料溫度、冷物料流量等。顯然，載熱介質(zhì)流量影響力最大且可控。故選載熱介質(zhì)流量作為控制變量。熱物料載熱介質(zhì)冷物料熱交換器TTTCQrQiTiTr第25頁/共87頁例2中，影響出口溫度的主要因素有：載熱介質(zhì)溫度、載熱介質(zhì)流量26例3中，若選擇提餾段某塊塔板（靈敏板）的溫度作為被控變量。那么，影響靈敏板溫度T靈的因素主要有：

TT進料的流量（Q入）、進料的成分（x入）、進料的溫度（T入），回流的流量（Q回）、回流的溫度（T回），加熱蒸汽流量（Q蒸）、冷凝器冷卻溫度等。第26頁/共87頁例3中，若選擇提餾段某塊塔板（靈敏板）的溫度作為被控變量。那27

這些影響因素分為可控的和不可控的兩大類：回流量和蒸汽流量為可控因素其它基本為不可控因素

TT第27頁/共87頁這些影響因素分為可控的和不可控的兩大類281、蒸汽流量對提餾段溫度影響比回流量對提餾段溫度影響更迅速、更顯著。2、從節(jié)能角度來講，控制蒸汽流量比控制回流量消耗的能量要小。在兩個可控因素中，選蒸汽流量為操縱變量。因為：

TT第28頁/共87頁1、蒸汽流量對提餾段溫度影響比回流量對提餾段溫度影響更迅速、29檢測環(huán)節(jié)、執(zhí)行器及調(diào)節(jié)器正負作用選擇傳感器、變送器選擇1．按照生產(chǎn)過程的工藝要求，首先確定傳感器與變送器合適的測量范圍（量程）與精度等級。2．測量儀表反應慢，會造成測量失真。應盡可能選擇時間常數(shù)小的傳感器、變送器。OtOtTmTmx(t)y(t)x(t)y(t)第29頁/共87頁檢測環(huán)節(jié)、執(zhí)行器及調(diào)節(jié)器正負作用選擇1．按照生產(chǎn)過程的303．合理選擇檢測點，避免測量造成對象純滯后τ0圖6.15pH值控制系統(tǒng)圖pHTLTLCpHC中和槽貯酸槽l04．測量信號的處理測量信號的校正與補償、測量噪聲的抑制、測量信號的線性化處理。第30頁/共87頁3．合理選擇檢測點，避免測量造成對象純滯后τ0圖6.1531

執(zhí)行器的選擇1．調(diào)節(jié)閥工作區(qū)間的選擇正常工況下，調(diào)節(jié)閥的開度應在15%～85%區(qū)間。據(jù)此原則計算、確定控制閥的口徑尺寸。2．調(diào)節(jié)閥的流量特性選擇按補償對象特性的原則選取。3．調(diào)節(jié)閥的氣開、氣關作用方式選擇按控制信號中斷時，保證生產(chǎn)設備安全的原則確定。第31頁/共87頁執(zhí)行器的選擇第31頁/共87頁32調(diào)節(jié)器正反作用的選擇負反饋控制系統(tǒng)的控制作用對被控變量的影響應與干擾作用對被控變量的影響相反，才能使被控變量值回復到給定值。為了保證負反饋，必須正確選擇調(diào)節(jié)器的正反作用。給定值＋－測量變送器控制器執(zhí)行器對象操作量被控變量干擾第32頁/共87頁調(diào)節(jié)器正反作用的選擇給定值＋－測量變送器控制器執(zhí)行器對象操作33為了說明選擇方法，先定義作用方向：當某個環(huán)節(jié)的輸入增加時，其輸出也增加，稱該環(huán)節(jié)為“正作用”；反之，稱為“反作用”。按此定義：變送器都是正作用氣開閥是正作用，氣關閥是反作用被控對象有的正作用，有的反作用控制器作用方向以測量輸入與輸出的關系定義：正作用：測量值–給定值反作用：給定值–測量值

第33頁/共87頁為了說明選擇方法，先定義作用方向：正作用：測量值–給定值第334控制系統(tǒng)中，各個環(huán)節(jié)的作用方向組合不當?shù)脑?，會使系統(tǒng)構(gòu)成正反饋，不但不能起控制作用，反而會破壞生產(chǎn)過程的穩(wěn)定。因為執(zhí)行器和對象有正、反作用，為了保證控制系統(tǒng)負反饋，調(diào)節(jié)器必須有正、反作用之調(diào)整。偏差控制器執(zhí)行器對象變送器給定值被調(diào)參數(shù)干擾—測量值正作用反作用正作用正作用＋第34頁/共87頁控制系統(tǒng)中，各個環(huán)節(jié)的作用方向組合不當?shù)脑?，會使系統(tǒng)構(gòu)成正反35調(diào)節(jié)器正反作用的確定原則：保證系統(tǒng)構(gòu)成負反饋簡單的判定方法：閉合回路中有奇數(shù)個反作用環(huán)節(jié)。偏差控制器執(zhí)行器對象變送器給定值被調(diào)參數(shù)干擾－測量值反作用正作用正作用正作用＋第35頁/共87頁調(diào)節(jié)器正反作用的確定原則：保證系統(tǒng)構(gòu)成負反饋36例1：加熱爐出口溫度控制系統(tǒng)負反饋驗證：設某時刻燃料壓力↑→燃料流量↑→爐溫↑→出料溫度↑→TC輸入↑→TC輸出↓→閥關小→爐溫↓→出料溫度↓TTTC反正正正燃料出料第36頁/共87頁例1：加熱爐出口溫度控制系統(tǒng)負反饋驗證：TTTC反正正正燃料37例2：儲槽液位控制系統(tǒng)LTLCM正正正反出料負反饋驗證：設某時刻進料量↑→液位↑→LC輸入↑→LC輸出↑→閥開大→出料量↑→液位↓第37頁/共87頁例2：儲槽液位控制系統(tǒng)LTLCM正正正反出料負反饋驗證：第3386.3調(diào)節(jié)規(guī)律對控制品質(zhì)的影響與調(diào)節(jié)規(guī)律選擇確定調(diào)節(jié)系統(tǒng)的方案時，要根據(jù)對象的特性和工藝要求，選擇合適的調(diào)節(jié)規(guī)律，使組成的調(diào)節(jié)系統(tǒng)滿足預期的品質(zhì)指標。調(diào)節(jié)器的調(diào)節(jié)規(guī)律，即它的輸出量與輸入量（偏差值）之間的函數(shù)關系。P=f(e)調(diào)節(jié)器的作用是根據(jù)偏差，按規(guī)定的調(diào)節(jié)規(guī)律產(chǎn)生輸出信號，推動執(zhí)行機構(gòu)，對生產(chǎn)過程進行調(diào)節(jié)。第38頁/共87頁6.3調(diào)節(jié)規(guī)律對控制品質(zhì)的影響與調(diào)節(jié)規(guī)律選擇P=f(39調(diào)節(jié)規(guī)律對控制品質(zhì)影響的分析要正確地選擇調(diào)節(jié)規(guī)律，首先必須理解各種調(diào)節(jié)規(guī)律對控制品質(zhì)的影響。最簡單的調(diào)節(jié)規(guī)律是位式調(diào)節(jié)規(guī)律。根據(jù)偏差e的正、負，調(diào)節(jié)器輸出只有兩個位置：0或100%。0e100%調(diào)節(jié)器輸出兩位式調(diào)節(jié)的特性位式調(diào)節(jié)下，被控參數(shù)不能穩(wěn)定在給定值上。要獲得平穩(wěn)的高精度的調(diào)節(jié)，必須采用連續(xù)調(diào)節(jié)規(guī)律。第39頁/共87頁調(diào)節(jié)規(guī)律對控制品質(zhì)影響的分析040要使控制過程平穩(wěn)準確，必須使用輸出值能連續(xù)變化的調(diào)節(jié)器，采用比例，微分、積分等算法進行調(diào)節(jié)。比例（P）調(diào)節(jié)對系統(tǒng)控制品質(zhì)的影響比例調(diào)節(jié)器輸出變化u(t)隨輸入偏差e(t)成比例關系：

P—比例度。

第40頁/共87頁要使控制過程平穩(wěn)準確，必須使用輸出值能連續(xù)變化的調(diào)節(jié)器，采用41例自力式水位比例控制系統(tǒng)浮球為水位傳感器，杠桿為控制器，活塞閥為執(zhí)行器。如果某時刻Q2加大，造成水位下降，則浮球帶動活塞提高，使Q1加大阻止水位下降。杠桿a、b之比例關系，決定調(diào)節(jié)作用強弱。如果e=0，則活塞無法提高，Q1無法加大，調(diào)節(jié)無法進行。u第41頁/共87頁例自力式水位比例控制系統(tǒng)如果e=42比例帶的物理意義：比例帶P是放大倍數(shù)KC的倒數(shù)，其大小決定比例控制作用的強弱。P越小，控制作用越強、系統(tǒng)調(diào)節(jié)越快、系統(tǒng)穩(wěn)定性越小。P越小，控制余差越小。比例帶P對控制過程的影響第42頁/共87頁比例帶的物理意義：比例帶P對控制過程的影響第42頁/共87頁43

振蕩逐漸加劇PPPPPuuuuu

P越小，控制過程曲線越振蕩，周期縮短。

P越大，控制過程曲線越平穩(wěn)，但控制過程時間越長，余差也越大。出現(xiàn)等幅振蕩，這時的比例度稱為臨界比例度Pmin，振蕩頻率稱為臨界振蕩頻率ωM第43頁/共87頁振蕩逐漸加劇PPPPPuuuuuP越小，控44

系統(tǒng)調(diào)節(jié)性能指標（又稱可控性指標）調(diào)節(jié)過程的概貌主要由四個品質(zhì)指標來衡量：衰減率：反映系統(tǒng)的穩(wěn)定性振蕩頻率：反映調(diào)節(jié)速度余差：反映穩(wěn)態(tài)精度最大動態(tài)偏差：反映動態(tài)精度上述指標的提高是有限度的，受制于控制系統(tǒng)的臨界比例度Pmin

和臨界振蕩頻率ωM而被控對象的特性決定了控制系統(tǒng)Pmin

和ωM的大小。第44頁/共87頁系統(tǒng)調(diào)節(jié)性能指標（又稱可控性指標）第44頁45臨界比例度Pmin的倒數(shù)是臨界放大倍數(shù)KmaxKmax與ωM的乘積Kmax?ωM在一定程度上代表了被控過程的控制性能。Kmax?ωM越大，意味著：控制器放大系數(shù)Kc的可選上限越大（P的下限越小），則系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)誤差越小?？刂葡到y(tǒng)可選的工作頻率ωc越大，則過渡過程越快。因此，Kmax?ωM作為調(diào)節(jié)性能指標，越大表明系統(tǒng)的控制性能越好?？捎糜诠こ躺系暮啽闩袛?。第45頁/共87頁臨界比例度Pmin的倒數(shù)是臨界放大倍數(shù)Kmax第45頁/共846

比例控制的特點控制及時、適當。只要有偏差，輸出立刻成比例地變化，偏差越大，輸出的控制作用越強。控制結(jié)果存在余差。如果被調(diào)量偏差為零，調(diào)節(jié)器的輸出也就為零u=e/P即調(diào)節(jié)作用是以偏差存在為前提條件，不可能做到無靜差調(diào)節(jié)。第46頁/共87頁比例控制的特點控制結(jié)果存在余差。如果被調(diào)量偏差為零，調(diào)節(jié)47積分（I）調(diào)節(jié)與比例積分（PI）調(diào)節(jié)對系統(tǒng)控制質(zhì)量的影響1

積分控制（I）輸出變化量p與輸入偏差e的積分成正比當輸入偏差e是幅值為?e的階躍時：TI—積分時間tu第47頁/共87頁積分（I）調(diào)節(jié)與比例積分（PI）調(diào)節(jié)對系統(tǒng)控制質(zhì)量的影響當輸48

2比例積分控制（PI）

將比例與積分組合起來，這樣既控制及時，又能消除余差，可以用于控制精度要求高的場合。若偏差是幅值為?e

的階躍干擾e?ettu第48頁/共87頁2比例積分控制（PI）若偏差是幅值為?e的階躍干擾e49積分時間的物理意義：若偏差是幅值為?e的階躍:當t=TI時:積分時間TI對控制過程的影響?e

?e/P2?e/PuttTIe第49頁/共87頁積分時間的物理意義：若偏差是幅值為?e的階躍:當t=T50TI越大，積分作用越弱，TI

=∞，積分作用為零。TI減小，積分作用增強，系統(tǒng)振蕩加劇，穩(wěn)定性下降。因此，加積分后，比例帶要適當加大。如果T1適當，系統(tǒng)能很快消除余差。

積分時間TI對過渡過程的影響uuuu第50頁/共87頁TI越大，積分作用越弱，TI=∞，積分作用為零。TI減51積分控制可以消除余差。

積分控制的特點有偏差時，積分輸出隨時間增大（或減?。?；當偏差消失時，輸出保持在某一值上。e?ettu積分輸出信號是隨時間逐漸增強的，控制作用緩慢，故一般積分作用不單獨使用。第51頁/共87頁積分控制可以消除余差。積分控制的特點有偏差時，積分輸出隨時52

比例微分（PD）調(diào)節(jié)對系統(tǒng)控制品質(zhì)的影響對于慣性較大的對象，常常希望能加快控制速度，此時可增加微分作用。式中：TD—微分時間—偏差變化速度理想微分1微分控制（D）e?ettu第52頁/共87頁比例微分（PD）調(diào)節(jié)對系統(tǒng)控制品質(zhì)的影響式中：TD—微53微分控制能在偏差出現(xiàn)或變化的瞬間，立即根據(jù)變化的趨勢，產(chǎn)生強烈的調(diào)節(jié)作用，使偏差盡快地消除于萌芽狀態(tài)之中。當偏差存在，但不變化時，微分輸出為零，對靜態(tài)偏差毫無抑制能力。因此不能單獨使用，總要和比例或比例積分調(diào)節(jié)規(guī)律結(jié)合起來，組成PD調(diào)節(jié)器或PID調(diào)節(jié)器。

微分控制的特點e?ettu第53頁/共87頁微分控制能在偏差出現(xiàn)或變化的瞬間，立即根據(jù)變化的趨542比例微分控制（PD）理想的比例微分控制e?ettutu理想的微分作用持續(xù)時間太短，執(zhí)行器來不及響應。一般使用實際的比例微分作用。第54頁/共87頁2比例微分控制（PD）e?ettutu理55微分時間的物理意義若偏差是系數(shù)為a的斜坡信號:當t=TD時:微分時間TD對控制過程的影響euttTD2aTD/PaTD/Pa第55頁/共87頁微分時間的物理意義若偏差是系數(shù)為a的斜坡信號:56uuutttut

TD較小，控制速度稍有加快

TD=0，純比例控制過程TD太大，出現(xiàn)等幅振蕩

TD合適，控制速度明顯加快

微分時間TD對過渡過程的影響第56頁/共87頁uuutttutTD較小，控制速度稍有加快TD=0，純比57微分控制的優(yōu)點：能加快系統(tǒng)的控制速度。缺點：偏差存在但不變化時，無控制作用。將比例、積分、微分三種調(diào)節(jié)規(guī)律結(jié)合在一起，只要三項作用的強度配合適當，既能快速調(diào)節(jié)，又能消除余差，可得到滿意的控制效果。第57頁/共87頁微分控制的優(yōu)點：能加快系統(tǒng)的控制速度。將比例、積分58u在PID調(diào)節(jié)中，比例作用是基礎；微分作用可以加快系統(tǒng)控制速度，減小超調(diào)；積分作用可以消除靜差。但不是任何對象都是用PID控制最好。第58頁/共87頁u在PID調(diào)節(jié)中，比例作用是基礎；微分作用可以加快59對某一對象，用不同控制規(guī)律時階躍干擾過程比較被控變量t無控制作用PPDPIDPI（PID）調(diào)節(jié)對系統(tǒng)控制品質(zhì)的影響第59頁/共87頁對某一對象，用不同控制規(guī)律時階躍干擾過程比較被控變量t無控制60調(diào)節(jié)規(guī)律的選擇1、比例控制（P）適用于控制通道滯后較小、負荷變化不大、工藝上沒有提出無差要求的系統(tǒng)，2、比例積分控制（PI）適用于控制通道滯后較小、負荷變化不大、工藝參數(shù)不允許有余差的系統(tǒng)。3、比例微分控制（PD）適用于控制通道滯后較大的系統(tǒng)。例如加熱較慢的溫度控制系統(tǒng)。第60頁/共87頁調(diào)節(jié)規(guī)律的選擇1、比例控制（P）第60頁/共87頁614、比例積分微分控制（PID）適用于容量滯后較大、負荷變化大、控制質(zhì)量要求較高的系統(tǒng)，應用最普遍的是溫度控制系統(tǒng)與成分控制系統(tǒng)。

TTTC也可根據(jù)τ0/T0來選擇調(diào)節(jié)器的調(diào)節(jié)規(guī)律：

τ0/T0＜0.2，用P或PI0.2＜τ0/T0＜0.1，用PD或PID

τ0/T0＞0.1，用簡單控制系統(tǒng)效果不好。第61頁/共87頁4、比例積分微分控制（PID）TTTC62調(diào)節(jié)規(guī)律優(yōu)點缺點應用P靈敏、簡單，只有一個整定參數(shù)；存在靜差負荷變化不顯著，工藝指標要求不高的對象。PI能消除靜差，又控制靈敏對于滯后較大的對象，比例積分調(diào)節(jié)太慢，效果不好。應用于調(diào)節(jié)通道容量滯后較小、負荷變化不大、精度要求高的調(diào)節(jié)系統(tǒng)。例如，流量調(diào)節(jié)系統(tǒng)。PD增進調(diào)節(jié)系統(tǒng)的穩(wěn)定度，可調(diào)小比例度，而加快調(diào)節(jié)過程，減小動態(tài)偏差和靜差系統(tǒng)對高頻干擾特別敏感，系統(tǒng)輸出易夾雜高頻干擾。應用于調(diào)節(jié)通道容量滯后較大，但調(diào)節(jié)精度要求不高的對象。PID綜合了各類調(diào)節(jié)作用的優(yōu)點，所以有更高的調(diào)節(jié)質(zhì)量。對于滯后很大，負荷變化很大的對象，PID調(diào)節(jié)也無法滿足要求，應設計復雜調(diào)節(jié)系統(tǒng)應用于調(diào)節(jié)通道容量滯后較大、負荷變化較大、精度要求高的對象。第62頁/共87頁調(diào)節(jié)規(guī)律優(yōu)點缺點應用P靈敏、簡636.4調(diào)節(jié)器參數(shù)的工程整定方法在控制系統(tǒng)設計或安裝完畢后，被控對象、測量變送器和執(zhí)行器這三部分的特性就完全確定了，不能任意改變。只能通過控制器參數(shù)的工程整定，來調(diào)整控制系統(tǒng)的穩(wěn)定性和控制質(zhì)量?？刂破鲄?shù)的整定，就是按照已定的控制方案，求取使控制質(zhì)量最好的控制器參數(shù)值。具體來說，就是確定最合適的控制器比例度P、積分時間TI，和微分時間TD。第63頁/共87頁6.4調(diào)節(jié)器參數(shù)的工程整定方法第63頁/共87頁64控制器參數(shù)整定的方法很多，主要有兩大類，一類是理論計算的方法，另一類是工程整定法。理論計算的方法是根據(jù)已知的各環(huán)節(jié)特性及控制質(zhì)量的要求，通過理論計算出控制器的最佳參數(shù)。這種方法由于比較繁瑣、工作量大，計算結(jié)果有時與實際情況不甚符合，故在工程實踐中長期沒有得到推廣和應用。工程整定法是在已經(jīng)投運的實際控制系統(tǒng)中，通過試驗或探索，來確定控制器的最佳參數(shù)。這種方法是工藝技術人員在現(xiàn)場經(jīng)常使用的。第64頁/共87頁控制器參數(shù)整定的方法很多，主要有兩大類，一類是理論計算的方法65穩(wěn)定邊界法（臨界比例度法）

屬于閉環(huán)整定方法，根據(jù)純比例控制系統(tǒng)臨界振蕩試驗所得數(shù)據(jù)（臨界比例度Pm和振蕩周期Tm），按經(jīng)驗公式求出調(diào)節(jié)器的整定參數(shù)。（1）置調(diào)節(jié)器Ti，Td=0，比例度P較大值，將系統(tǒng)投入運行。（2）逐漸減小P，加干擾觀察，直到出現(xiàn)等幅減振蕩為止。記錄此時的臨界值Pm和Tm。y(t)Tm

系統(tǒng)臨界振蕩曲線t第65頁/共87頁穩(wěn)定邊界法（臨界比例度法）（2）逐漸減小P，加干擾觀察66經(jīng)驗公式雖然是在實驗基礎上歸納出來的，但它有一定的理論依據(jù)。就以表中PI調(diào)節(jié)器整定數(shù)值為例，可以看出PI調(diào)節(jié)器的比例度較純比例調(diào)節(jié)時增大，這是因為積分作用產(chǎn)生一滯后相位，降低了系統(tǒng)的穩(wěn)定度的緣故。根據(jù)Pm和Tm，按經(jīng)驗公式計算出控制器的參數(shù)整定值。

整定參數(shù)調(diào)節(jié)規(guī)律P（%）Ti

Td

P 2Pm ————PI 2.2Pm0.85Tm——PID1.7Pm 0.50Tm0.125Tm表6.1

穩(wěn)定邊界法整定參數(shù)計算表第66頁/共87頁經(jīng)驗公式雖然是在實驗基礎上歸納出來的，但它有一定的理論依據(jù)。67穩(wěn)定邊界方法在下面兩種情況下不宜采用：臨界比例度過小時，調(diào)節(jié)閥容易游移于全開或全關位置，對生產(chǎn)工藝不利或不容許。例如，一個用燃料油加熱的爐子，如果閥門發(fā)生全關狀態(tài)就要熄火。

工藝上的約束條件嚴格時，等幅振蕩將影響生產(chǎn)的安全。

衰減曲線法也屬于閉環(huán)整定方法，但不需要尋找等幅振蕩狀態(tài)，只需尋找最佳衰減振蕩狀態(tài)即可。第67頁/共87頁穩(wěn)定邊界方法在下面兩種情況下不宜采用：第67頁/共68方法：（1）把調(diào)節(jié)器設成比例作用（Ti=∞，Td=0），置于較大比例度，投入自動運行。（2）在穩(wěn)定狀態(tài)下，階躍改變給定值（通常以5%左右為宜），觀察調(diào)節(jié)過程曲線。（3）適當改變比例度，重復上述實驗，到出現(xiàn)滿意的衰減曲線為止。記下此時的比例度Ps及周期Ts。n=10:1時，記P’s及TsTsTr第68頁/共87頁方法：記下此時的比例度Ps及周期Ts。TsTr第68頁/共869（4）按表6-2（n=4:1）或按表6-3（n=10:1）求得各種調(diào)節(jié)規(guī)律時的整定參數(shù)。表6.2衰減比為4:1時，整定參數(shù)計算表表6.3衰減比為10:1時，整定參數(shù)計算表0.1Ts0.3Ts0.8PsPID

——0.5Ts1.2PsPI————PsPTdTiP（%）整定參數(shù)調(diào)節(jié)規(guī)律0.4Tr1.2Tr0.8P'sPID

——2Tr1.2P'sPI————P'sPTdTiP（%）整定參數(shù)調(diào)節(jié)規(guī)律第69頁/共87頁（4）按表6-2（n=4:1）或按表6-3（n=10:1）求70響應曲線法屬于開環(huán)整定方法。以被控對象控制通道的階躍響應為依據(jù)，通過經(jīng)驗公式求取調(diào)節(jié)器的最佳參數(shù)整定值。方法：不加控制作用，作控制通道特性曲線。給定值＋－測量變送器控制器執(zhí)行器對象被控變量第70頁/共87頁響應曲線法給定值＋－測量變送器控制器執(zhí)行器對象被控變量第7071根據(jù)實驗所得響應曲線，找出廣義對象的特性參數(shù)K0、T0、τ0，用表6-4的經(jīng)驗公式求整定參數(shù)。T0τ0此方法在不加控制作用的狀態(tài)下進行，對于不允許工藝失控的生產(chǎn)過程，不能使用。表6.4響應曲線法整定參數(shù)的公式0.5τ02τ0PID——3.3τ0PI————PTdTiP（%）整定參數(shù)調(diào)節(jié)規(guī)律第71頁/共87頁根據(jù)實驗所得響應曲線，找出廣義對象的特性參數(shù)K0、T0、τ072經(jīng)驗法憑經(jīng)驗湊試。其關鍵是“看曲線，調(diào)參數(shù)”。在閉環(huán)的控制系統(tǒng)中，憑經(jīng)驗先將控制器參數(shù)放在一個數(shù)值上，通過改變給定值施加干擾，在記錄儀上觀察過渡過程曲線，根據(jù)P、TI

、TD對過渡過程的影響為指導，對比例度P

、積分時間TI和微分時間TD逐個整定，直到獲得滿意的曲線為止。經(jīng)驗法的方法簡單，但必須清楚控制器參數(shù)變化對過渡過程曲線的影響關系。在缺乏實際經(jīng)驗或過渡過程本身較慢時，往往較為費時。第72頁/共87頁經(jīng)驗法經(jīng)驗法的方法簡單，但必須清楚控制器參數(shù)變化73控制器參數(shù)對控制過程的影響：比例度逐漸減小→積分時間逐漸減小→微分時間逐漸增大→第73頁/共87頁控制器參數(shù)對控制過程的影響：比例度逐漸減小→積分時間逐漸減小74幾種整定方法的比較整定方法優(yōu)點缺點反應曲線法方法簡單系統(tǒng)開環(huán)，被調(diào)量變化較大，影響生產(chǎn)穩(wěn)定邊界法系統(tǒng)閉環(huán)會出現(xiàn)被調(diào)量等幅振蕩衰減曲線法系統(tǒng)閉環(huán)，安全實驗費時經(jīng)驗法系統(tǒng)閉環(huán)，不需計算需要經(jīng)驗第74頁/共87頁幾種整定方法的比較整定方法優(yōu)點缺點反應曲75注意：同一個系統(tǒng)，最佳整定參數(shù)可能不是唯一的。不同的PID參數(shù)組合，有時會得到極為相近的控制結(jié)果。例如某初餾塔塔頂溫度控制系統(tǒng)，控制器采用以下兩組參數(shù)時：

P

＝15％TI

＝7.5min

P＝35％TI＝3min系統(tǒng)都得到10:1的衰減曲線，超調(diào)量和過渡時間基本相同。第75頁/共87頁注意：第75頁/共87頁766.5簡單控制系統(tǒng)設計實例

如圖是奶粉生產(chǎn)工藝中的噴霧式干燥設備。此工藝要求保證奶粉含水量在2%~2.5%。生產(chǎn)過程概述已濃縮的奶液從儲槽流下，經(jīng)過濾后從干燥器頂部噴出。干燥空氣被加熱后經(jīng)風管吹入干燥器。滴狀奶液在熱風中干燥成奶粉，并被氣流帶出干燥器。第76頁/共87頁6.5簡單控制系統(tǒng)設計實例已濃縮的奶液從儲槽流下，經(jīng)77控制方案設計被控參數(shù)選擇按工藝要求應首選奶粉含水量為被控變量，但此類在線測量儀表精度低、速度慢。試驗發(fā)現(xiàn)，奶粉含水量與干燥器出口溫度之間存在單值關系。出口溫度穩(wěn)定在150±2℃，則奶粉含水量符合2%~2.5%。因此選干燥器出口流體溫度為被控變量。第77頁/共87頁控制方案設計試驗發(fā)現(xiàn)，奶粉含水量與干燥器出口溫度之間存在單值78控制變量選擇影響干燥器出口奶粉流體溫度的主要可控因素有：乳液流量變化f1

旁路空氣流量變化f2

加熱蒸汽流量變化f3

若分別以這三個變量為控制變量，可以得到三個不同的控制方案。

f2

f1

f3

第78頁/共87頁控制變量選擇乳液流量變化f1f2f1f3第79影響量作用的位置不同：f3蒸氣流量f2旁路冷風流量f1乳液流量熱交換器T=100,T=100送風管道

τ=3干燥器

Go

f2

f1

f3

乳液流量變化f1的作用通道最短；旁路空氣流量變化f2的作用通道增加了3秒的滯后；加熱蒸汽流量變化f3的作用通道又增加了兩個100秒的雙容滯后。第79頁/共87頁影響量作用的位置不同：f3蒸氣流量f2旁路冷風流量f1乳液流80調(diào)節(jié)方案：方案1：取乳液流量為控制變量（調(diào)節(jié)閥1）控制通道最短f3f2f1熱交換器送風管道干燥器調(diào)節(jié)閥1調(diào)節(jié)器變送器－ry第80頁/共87頁調(diào)節(jié)方案：控制通道最短f3f2f1熱交換器送風管道干燥器81方案2：取旁通冷風流量為控制變量（調(diào)節(jié)閥2）由于有送風管路的傳遞滯后存在，較方案1多一個純滯后環(huán)節(jié)τ=3sf3f2f1熱交換器風管干燥器調(diào)節(jié)閥2調(diào)節(jié)器變送器－ry第81頁/共87頁方案2：取旁通冷風流量為控制變量（調(diào)節(jié)閥2）由于有送風管路的82熱交換器為雙容特性，因而調(diào)節(jié)通道又多了兩個容量滯后，時間常數(shù)都是T=100秒。

方案3：取蒸汽流量為控制變量（調(diào)節(jié)閥3）f3f2f1加熱器風管干燥器調(diào)節(jié)閥3調(diào)節(jié)器變送器－ry第82頁/共87頁熱交換器為雙容特性，因而調(diào)節(jié)通道又多了兩個容量滯后，時間常數(shù)83控制方案的判別：從控制效果考慮，方案1的調(diào)節(jié)通道最短，控制性能最佳；方案2次之，方案3最差。但從工藝合理性考慮，方案1并不合適。因為乳液量應按該裝置的最大生產(chǎn)能力控制，且在濃縮乳液管道上裝調(diào)節(jié)閥，容易使調(diào)節(jié)閥堵塞而影響控制效果。因此，選擇方案2比較合適。即：將調(diào)節(jié)閥裝在旁通冷風管道上。第83頁/共87頁控制方案的判別：因為乳液量應按該裝置的最大生產(chǎn)能力控制，且84檢測儀表、調(diào)節(jié)閥及調(diào)節(jié)器調(diào)節(jié)規(guī)律選擇①溫度傳感器及變送器選用熱電阻溫度傳感器。為了減少測量滯后，溫度傳感器應安裝在干燥器出口附近。②調(diào)節(jié)閥選擇氣關型調(diào)節(jié)風閥。其流量特性近似線性。③調(diào)節(jié)器可選模擬式或數(shù)字式調(diào)節(jié)器。根據(jù)控制精度要求（偏差≤±2℃），采用PI或PID調(diào)節(jié)規(guī)律；根據(jù)構(gòu)成控制系統(tǒng)負反饋的原則，采用正作用方式。第84頁/共87頁檢測儀表、調(diào)節(jié)閥及調(diào)節(jié)器調(diào)節(jié)規(guī)律選擇第84頁/共87頁85調(diào)節(jié)閥熱交換器鼓風機產(chǎn)品干燥器蒸汽乳液TCTT繪制控制系統(tǒng)圖第85頁/共87頁調(diào)節(jié)閥熱交換器鼓風機產(chǎn)品干燥器蒸汽乳液TCTT繪制控制系統(tǒng)圖86本章小結(jié)簡單控制系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)

四個環(huán)節(jié)組成被控變量的選擇控制變量的選擇控制參數(shù)的整定簡單控制系統(tǒng)的設計

閉環(huán)負反饋控制規(guī)律的選擇第86頁/共87頁本章小結(jié)簡單控制系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)四個環(huán)節(jié)組成被控變量的選擇控制87感謝您的觀看。第87頁/共87頁感謝您的觀看。第87頁/共87頁88過程控制儀表第章過程控制儀表第章896.2簡單控制系統(tǒng)設計1.過程控制系統(tǒng)方案設計的基本要求生產(chǎn)過程對過程控制系統(tǒng)的要求可簡要歸納為安全性、穩(wěn)定性和經(jīng)濟性三個方面。2.過程控制系統(tǒng)設計的主要內(nèi)容過程控制系統(tǒng)設計包括控制系統(tǒng)方案設計、工程設計、工程安裝和儀表調(diào)校、調(diào)節(jié)器參數(shù)整定等四個主要內(nèi)容。其中控制方案設計是控制系統(tǒng)設計的核心。第1頁/共87頁6.2簡單控制系統(tǒng)設計第1頁/共87頁903.過程控制系統(tǒng)設計的步驟1）掌握生產(chǎn)工藝對控制系統(tǒng)的技術要求2）建立被控過程的數(shù)學模型3）確定控制方案包括控制方式和系統(tǒng)組成結(jié)構(gòu)的確定，是過程控制系統(tǒng)設計的關鍵步驟。

4）控制設備選型5）實驗（或仿真）驗證

第2頁/共87頁3.過程控制系統(tǒng)設計的步驟第2頁/共87頁91被控參數(shù)與控制變量的選擇被控參數(shù)的選擇被控變量—生產(chǎn)過程中希望借助自動控制保持恒定值（或按一定規(guī)律變化）的變量。合理選擇被控變量，關系到生產(chǎn)工藝能否達到穩(wěn)定操作、保證質(zhì)量、保證安全等目的。被控變量的選擇依據(jù)：1、根據(jù)生產(chǎn)工藝的要求，找出影響生產(chǎn)的關鍵變量作為被控變量第3頁/共87頁被控參數(shù)與控制變量的選擇被控變量—生產(chǎn)過程中希望借助自動控制92例1儲槽液位控制系統(tǒng)工藝要求儲槽液位穩(wěn)定。那么設計的控制系統(tǒng)就應以儲槽液位為被控變量。LCLTh第4頁/共87頁例1儲槽液位控制系統(tǒng)LCLTh第4頁/共87頁93例2換熱器出口溫度控制系統(tǒng)工藝要求出口溫度為定值。那么設計的控制系統(tǒng)就應以出口溫度為被控變量。熱物料載熱介質(zhì)冷物料熱交換器TTTC第5頁/共87頁例2換熱器出口溫度控制系統(tǒng)熱物料載熱介質(zhì)冷物料熱交換器942、當不能用直接工藝參數(shù)作為被控變量時，應選擇與直接工藝參數(shù)有單值函數(shù)關系的間接工藝參數(shù)作為被控變量。例3化工的精餾物純度控制系統(tǒng)精餾工藝是利用被分離物中各組分的揮發(fā)溫度不同，將各組分分離。如圖將苯—甲苯混合液進行分離。苯—甲苯苯甲苯

第6頁/共87頁2、當不能用直接工藝參數(shù)作為被控變量時，應選擇與直接工藝參數(shù)95該精餾塔的工藝要求是要使塔頂（或塔底）餾出物達到規(guī)定的純度。按照被控變量的選擇原則1，塔頂（或塔底）餾出物的組分應作為被控變量。但是，沒有合適的儀表在線檢測餾出物的純度，則不能直接作為被控變量。苯甲苯

苯—甲苯第7頁/共87頁該精餾塔的工藝要求是要使塔頂（或塔底）餾出物達到規(guī)定的純96只好在與餾出物的純度有單值關系的工藝參數(shù)中，找出合適的變量作為被控變量，進行間接參數(shù)控制。經(jīng)工藝分析發(fā)現(xiàn)，塔內(nèi)壓力和塔內(nèi)溫度都對餾出物純度有影響。需要對二者進行比較試驗，選出一個合適的變量。苯甲苯

苯—甲苯第8頁/共87頁只好在與餾出物的純度有單值關系的工藝參數(shù)中，找出合適的變量作97間接控制參數(shù)的確定經(jīng)試驗得出，塔頂餾出物苯的濃度分別與壓力和溫度有單值對應關系。（塔底餾出物甲苯也一樣）從工藝合理性考慮，選擇溫度作為被控變量。

第9頁/共87頁間接控制參數(shù)的確定第983、被控變量必須有足夠大的靈敏度被控變量必須靈敏，容易被測量。4、選擇被控變量時，必須考慮工藝合理性上例中，選擇塔內(nèi)溫度作被控變量，就是考慮了工藝上，塔內(nèi)溫度是最佳分離效率控制系統(tǒng)的被控變量。上例中，若塔頂、塔底的產(chǎn)品純度都分別設置溫控系統(tǒng)，會相互干擾，存在關聯(lián)。因此，若采用簡單控制系統(tǒng)，只能設置一個溫控系統(tǒng)，保證塔頂或塔底一端的產(chǎn)品質(zhì)量。第10頁/共87頁3、被控變量必須有足夠大的靈敏度第10頁/共87頁99控制變量選擇把用來克服干擾對被控變量的影響，實現(xiàn)控制作用的變量稱為控制變量或操縱變量。最常見的操縱變量是介質(zhì)的流量，也有以轉(zhuǎn)速、電壓等作為操縱變量的。LCLTh第11頁/共87頁控制變量選擇LCLTh第11頁/共87頁100控制變量的確定被控變量選定以后，應對工藝進行分析，找出所有影響被控變量的因素。在這些變量中，有些是可控的，有些是不可控的。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制的變量，作為控制變量；其它未被選中的因素則視為系統(tǒng)的干擾。被控變量影響變量第12頁/共87頁控制變量的確定被控變量影響變量第12頁/共87頁101對象特性對控制品質(zhì)影響的分析：1．過程（通道）靜態(tài)特性對控制品質(zhì)的影響如圖所示為單回路控制系統(tǒng)的等效框圖。Gc(s)—控制器的傳遞函數(shù)；Go(s)—廣義控制通道（包括執(zhí)行器和變送器）的傳遞函數(shù)；Gf(s)—擾動通道的傳遞函數(shù)。Gc(s)Gf(s)Go(s)X(s)Y(s)＋F(s)＋＋－第13頁/共87頁對象特性對控制品質(zhì)影響的分析：Gc(s)—控制器的傳遞函數(shù)102被控參數(shù)y(t)受到設定信號x(t)和干擾信號f(t)的共同影響：干擾通道控制通道Gc(s)Gf(s)Go(s)X(s)Y(s)＋F(s)＋＋－第14頁/共87頁被控參數(shù)y(t)受到設定信號x(t)和干擾信號f(t103代入系統(tǒng)偏差公式中：將可見，控制通道偏差和干擾通道偏差的傳函分母是一樣的。將Gc(s)、Go(s)代入：第15頁/共87頁代入系統(tǒng)偏差公式中：將可見，控制通道偏差和干擾通道104K0越大，控制作用越強，穩(wěn)態(tài)誤差越??；K0越大，被調(diào)參數(shù)對控制作用的反應越靈敏，系統(tǒng)的閉環(huán)穩(wěn)定性越低。Kf越大，干擾作用越強，穩(wěn)態(tài)誤差越大。故應選放大系數(shù)大的變量作為控制變量。第16頁/共87頁K0越大，控制作用越強，穩(wěn)態(tài)誤差越??；第16頁/共87頁1052．過程（通道）動態(tài)特性對控制品質(zhì)的影響1）干擾通道動態(tài)特性對控制品質(zhì)的影響

干擾通道的慣性因子（Tfs+1）使干擾作用的影響緩慢。Tf越大，干擾對被控變量的影響越緩慢，越有利于控制。

干擾進入系統(tǒng)的位置離被控變量檢測點越遠，則Tf越大，控制時最大偏差越小。第17頁/共87頁2．過程（通道）動態(tài)特性對控制品質(zhì)的影響干擾通道的慣性因子（106例：某控制系統(tǒng)中，干擾f1、f2、f3分別在三個位置進入系統(tǒng)。干擾離被控變量檢測點越遠，則干擾通道的時間常數(shù)越大，對被控變量的影響越慢。第18頁/共87頁例：某控制系統(tǒng)中，干擾f1、f2、f3分別在三個位置進入系統(tǒng)107f1(t)通道慣性小，受干擾后被調(diào)參數(shù)變化速度快；當控制作用見效時，被調(diào)參數(shù)已經(jīng)變化較大——造成動態(tài)偏差較大。所以擾動進入系統(tǒng)的位置離被控參數(shù)檢測點越遠，干擾對被控參數(shù)影響越小。y(t)yk(t)tyyk(t)yy(t)tyk(t)yy(t)t第19頁/共87頁f1(t)通道慣性小，受干擾后被調(diào)參數(shù)變化108因為，τf使干擾對被控變量的影響推遲了τf時間，則控制作用也推遲τf時間，整個過渡過程曲線也推遲時間τf

，但控制品質(zhì)未變。干擾通道純滯后τf不影響控制質(zhì)量。含有e–τfs第20頁/共87頁因為，τf使干擾對被控變量的影響推遲了τ109

2）控制通道動態(tài)特性對控制品質(zhì)的影響tGCGVGO2GFGmfreGO1y控制通道G01的時間常數(shù)T01增大，使控制速度變慢，最大偏差增大。G02是控制、干擾共用通道，T02不影響最大偏差y2(t)yk(t)yy1(t)第21頁/共87頁2）控制通道動態(tài)特性對控制品質(zhì)的影響tGCGVGO2GFG110y2(t)yk(t)tyy1(t)τ01控制通道G01的純滯后

，使控制作用滯后τ01到達，造成控制偏差增大。G02是控制、干擾共用通道，干擾作用滯后τ02產(chǎn)生，但控制作用再滯后τ02到達，同樣造成控制偏差增大。y2(t)yk(t)tyy1(t)2τ02τ02GCGVGO2GFGmfreGO1y第22頁/共87頁y2(t)yk(t)tyy1(t)τ01控制通道G01的純滯111因此，控制通道時間常數(shù)T0小一些好。表明控制變量對被控變量的影響迅速，有利于控制?？刂仆ǖ兰儨螃?越小越好。τ0會使控制時間延長、最大偏差增大。

控制變量的選擇原則：1、控制通道應當放大系數(shù)大、時間常數(shù)小、純滯后越小越好。2、控制變量應是工藝上允許控制的變量，并且要考慮工藝的合理性與生產(chǎn)的經(jīng)濟性。

第23頁/共87頁因此，控制通道時間常數(shù)T0小一些好。表明112例1中，影響儲槽液位的主要因素有：液體流入量和流出量。這兩個變量影響力相當，顯然，液體流出量可控。故選液體流出量作為控制變量。LCTThQiQo第24頁/共87頁例1中，影響儲槽液位的主要因素有：液體流入量和流出量。這兩個113例2中，影響出口溫度的主要因素有：載熱介質(zhì)溫度、載熱介質(zhì)流量、冷物料溫度、冷物料流量等。顯然，載熱介質(zhì)流量影響力最大且可控。故選載熱介質(zhì)流量作為控制變量。熱物料載熱介質(zhì)冷物料熱交換器TTTCQrQiTiTr第25頁/共87頁例2中，影響出口溫度的主要因素有：載熱介質(zhì)溫度、載熱介質(zhì)流量114例3中，若選擇提餾段某塊塔板（靈敏板）的溫度作為被控變量。那么，影響靈敏板溫度T靈的因素主要有：

TT進料的流量（Q入）、進料的成分（x入）、進料的溫度（T入），回流的流量（Q回）、回流的溫度（T回），加熱蒸汽流量（Q蒸）、冷凝器冷卻溫度等。第26頁/共87頁例3中，若選擇提餾段某塊塔板（靈敏板）的溫度作為被控變量。那115

這些影響因素分為可控的和不可控的兩大類：回流量和蒸汽流量為可控因素其它基本為不可控因素

TT第27頁/共87頁這些影響因素分為可控的和不可控的兩大類1161、蒸汽流量對提餾段溫度影響比回流量對提餾段溫度影響更迅速、更顯著。2、從節(jié)能角度來講，控制蒸汽流量比控制回流量消耗的能量要小。在兩個可控因素中，選蒸汽流量為操縱變量。因為：

TT第28頁/共87頁1、蒸汽流量對提餾段溫度影響比回流量對提餾段溫度影響更迅速、117檢測環(huán)節(jié)、執(zhí)行器及調(diào)節(jié)器正負作用選擇傳感器、變送器選擇1．按照生產(chǎn)過程的工藝要求，首先確定傳感器與變送器合適的測量范圍（量程）與精度等級。2．測量儀表反應慢，會造成測量失真。應盡可能選擇時間常數(shù)小的傳感器、變送器。OtOtTmTmx(t)y(t)x(t)y(t)第29頁/共87頁檢測環(huán)節(jié)、執(zhí)行器及調(diào)節(jié)器正負作用選擇1．按照生產(chǎn)過程的1183．合理選擇檢測點，避免測量造成對象純滯后τ0圖6.15pH值控制系統(tǒng)圖pHTLTLCpHC中和槽貯酸槽l04．測量信號的處理測量信號的校正與補償、測量噪聲的抑制、測量信號的線性化處理。第30頁/共87頁3．合理選擇檢測點，避免測量造成對象純滯后τ0圖6.15119

執(zhí)行器的選擇1．調(diào)節(jié)閥工作區(qū)間的選擇正常工況下，調(diào)節(jié)閥的開度應在15%～85%區(qū)間。據(jù)此原則計算、確定控制閥的口徑尺寸。2．調(diào)節(jié)閥的流量特性選擇按補償對象特性的原則選取。3．調(diào)節(jié)閥的氣開、氣關作用方式選擇按控制信號中斷時，保證生產(chǎn)設備安全的原則確定。第31頁/共87頁執(zhí)行器的選擇第31頁/共87頁120調(diào)節(jié)器正反作用的選擇負反饋控制系統(tǒng)的控制作用對被控變量的影響應與干擾作用對被控變量的影響相反，才能使被控變量值回復到給定值。為了保證負反饋，必須正確選擇調(diào)節(jié)器的正反作用。給定值＋－測量變送器控制器執(zhí)行器對象操作量被控變量干擾第32頁/共87頁調(diào)節(jié)器正反作用的選擇給定值＋－測量變送器控制器執(zhí)行器對象操作121為了說明選擇方法，先定義作用方向：當某個環(huán)節(jié)的輸入增加時，其輸出也增加，稱該環(huán)節(jié)為“正作用”；反之，稱為“反作用”。按此定義：變送器都是正作用氣開閥是正作用，氣關閥是反作用被控對象有的正作用，有的反作用控制器作用方向以測量輸入與輸出的關系定義：正作用：測量值–給定值反作用：給定值–測量值

第33頁/共87頁為了說明選擇方法，先定義作用方向：正作用：測量值–給定值第3122控制系統(tǒng)中，各個環(huán)節(jié)的作用方向組合不當?shù)脑?，會使系統(tǒng)構(gòu)成正反饋，不但不能起控制作用，反而會破壞生產(chǎn)過程的穩(wěn)定。因為執(zhí)行器和對象有正、反作用，為了保證控制系統(tǒng)負反饋，調(diào)節(jié)器必須有正、反作用之調(diào)整。偏差控制器執(zhí)行器對象變送器給定值被調(diào)參數(shù)干擾—測量值正作用反作用正作用正作用＋第34頁/共87頁控制系統(tǒng)中，各個環(huán)節(jié)的作用方向組合不當?shù)脑挘瑫瓜到y(tǒng)構(gòu)成正反123調(diào)節(jié)器正反作用的確定原則：保證系統(tǒng)構(gòu)成負反饋簡單的判定方法：閉合回路中有奇數(shù)個反作用環(huán)節(jié)。偏差控制器執(zhí)行器對象變送器給定值被調(diào)參數(shù)干擾－測量值反作用正作用正作用正作用＋第35頁/共87頁調(diào)節(jié)器正反作用的確定原則：保證系統(tǒng)構(gòu)成負反饋124例1：加熱爐出口溫度控制系統(tǒng)負反饋驗證：設某時刻燃料壓力↑→燃料流量↑→爐溫↑→出料溫度↑→TC輸入↑→TC輸出↓→閥關小→爐溫↓→出料溫度↓TTTC反正正正燃料出料第36頁/共87頁例1：加熱爐出口溫度控制系統(tǒng)負反饋驗證：TTTC反正正正燃料125例2：儲槽液位控制系統(tǒng)LTLCM正正正反出料負反饋驗證：設某時刻進料量↑→液位↑→LC輸入↑→LC輸出↑→閥開大→出料量↑→液位↓第37頁/共87頁例2：儲槽液位控制系統(tǒng)LTLCM正正正反出料負反饋驗證：第31266.3調(diào)節(jié)規(guī)律對控制品質(zhì)的影響與調(diào)節(jié)規(guī)律選擇確定調(diào)節(jié)系統(tǒng)的方案時，要根據(jù)對象的特性和工藝要求，選擇合適的調(diào)節(jié)規(guī)律，使組成的調(diào)節(jié)系統(tǒng)滿足預期的品質(zhì)指標。調(diào)節(jié)器的調(diào)節(jié)規(guī)律，即它的輸出量與輸入量（偏差值）之間的函數(shù)關系。P=f(e)調(diào)節(jié)器的作用是根據(jù)偏差，按規(guī)定的調(diào)節(jié)規(guī)律產(chǎn)生輸出信號，推動執(zhí)行機構(gòu)，對生產(chǎn)過程進行調(diào)節(jié)。第38頁/共87頁6.3調(diào)節(jié)規(guī)律對控制品質(zhì)的影響與調(diào)節(jié)規(guī)律選擇P=f(127調(diào)節(jié)規(guī)律對控制品質(zhì)影響的分析要正確地選擇調(diào)節(jié)規(guī)律，首先必須理解各種調(diào)節(jié)規(guī)律對控制品質(zhì)的影響。最簡單的調(diào)節(jié)規(guī)律是位式調(diào)節(jié)規(guī)律。根據(jù)偏差e的正、負，調(diào)節(jié)器輸出只有兩個位置：0或100%。0e100%調(diào)節(jié)器輸出兩位式調(diào)節(jié)的特性位式調(diào)節(jié)下，被控參數(shù)不能穩(wěn)定在給定值上。要獲得平穩(wěn)的高精度的調(diào)節(jié)，必須采用連續(xù)調(diào)節(jié)規(guī)律。第39頁/共87頁調(diào)節(jié)規(guī)律對控制品質(zhì)影響的分析0128要使控制過程平穩(wěn)準確，必須使用輸出值能連續(xù)變化的調(diào)節(jié)器，采用比例，微分、積分等算法進行調(diào)節(jié)。比例（P）調(diào)節(jié)對系統(tǒng)控制品質(zhì)的影響比例調(diào)節(jié)器輸出變化u(t)隨輸入偏差e(t)成比例關系：

P—比例度。

第40頁/共87頁要使控制過程平穩(wěn)準確，必須使用輸出值能連續(xù)變化的調(diào)節(jié)器，采用129例自力式水位比例控制系統(tǒng)浮球為水位傳感器，杠桿為控制器，活塞閥為執(zhí)行器。如果某時刻Q2加大，造成水位下降，則浮球帶動活塞提高，使Q1加大阻止水位下降。杠桿a、b之比例關系，決定調(diào)節(jié)作用強弱。如果e=0，則活塞無法提高，Q1無法加大，調(diào)節(jié)無法進行。u第41頁/共87頁例自力式水位比例控制系統(tǒng)如果e=130比例帶的物理意義：比例帶P是放大倍數(shù)KC的倒數(shù)，其大小決定比例控制作用的強弱。P越小，控制作用越強、系統(tǒng)調(diào)節(jié)越快、系統(tǒng)穩(wěn)定性越小。P越小，控制余差越小。比例帶P對控制過程的影響第42頁/共87頁比例帶的物理意義：比例帶P對控制過程的影響第42頁/共87頁131

振蕩逐漸加劇PPPPPuuuuu

P越小，控制過程曲線越振蕩，周期縮短。

P越大，控制過程曲線越平穩(wěn)，但控制過程時間越長，余差也越大。出現(xiàn)等幅振蕩，這時的比例度稱為臨界比例度Pmin，振蕩頻率稱為臨界振蕩頻率ωM第43頁/共87頁振蕩逐漸加劇PPPPPuuuuuP越小，控132

系統(tǒng)調(diào)節(jié)性能指標（又稱可控性指標）調(diào)節(jié)過程的概貌主要由四個品質(zhì)指標來衡量：衰減率：反映系統(tǒng)的穩(wěn)定性振蕩頻率：反映調(diào)節(jié)速度余差：反映穩(wěn)態(tài)精度最大動態(tài)偏差：反映動態(tài)精度上述指標的提高是有限度的，受制于控制系統(tǒng)的臨界比例度Pmin

和臨界振蕩頻率ωM而被控對象的特性決定了控制系統(tǒng)Pmin

和ωM的大小。第44頁/共87頁系統(tǒng)調(diào)節(jié)性能指標（又稱可控性指標）第44頁133臨界比例度Pmin的倒數(shù)是臨界放大倍數(shù)KmaxKmax與ωM的乘積Kmax?ωM在一定程度上代表了被控過程的控制性能。Kmax?ωM越大，意味著：控制器放大系數(shù)Kc的可選上限越大（P的下限越小），則系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)誤差越小?？刂葡到y(tǒng)可選的工作頻率ωc越大，則過渡過程越快。因此，Kmax?ωM作為調(diào)節(jié)性能指標，越大表明系統(tǒng)的控制性能越好?？捎糜诠こ躺系暮啽闩袛?。第45頁/共87頁臨界比例度Pmin的倒數(shù)是臨界放大倍數(shù)Kmax第45頁/共8134

比例控制的特點控制及時、適當。只要有偏差，輸出立刻成比例地變化，偏差越大，輸出的控制作用越強。控制結(jié)果存在余差。如果被調(diào)量偏差為零，調(diào)節(jié)器的輸出也就為零u=e/P即調(diào)節(jié)作用是以偏差存在為前提條件，不可能做到無靜差調(diào)節(jié)。第46頁/共87頁比例控制的特點控制結(jié)果存在余差。如果被調(diào)量偏差為零，調(diào)節(jié)135積分（I）調(diào)節(jié)與比例積分（PI）調(diào)節(jié)對系統(tǒng)控制質(zhì)量的影響1

積分控制（I）輸出變化量p與輸入偏差e的積分成正比當輸入偏差e是幅值為?e的階躍時：TI—積分時間tu第47頁/共87頁積分（I）調(diào)節(jié)與比例積分（PI）調(diào)節(jié)對系統(tǒng)控制質(zhì)量的影響當輸136

2比例積分控制（PI）

將比例與積分組合起來，這樣既控制及時，又能消除余差，可以用于控制精度要求高的場合。若偏差是幅值為?e

的階躍干擾e?ettu第48頁/共87頁2比例積分控制（PI）若偏差是幅值為?e的階躍干擾e137積分時間的物理意義：若偏差是幅值為?e的階躍:當t=TI時:積分時間TI對控制過程的影響?e

?e/P2?e/PuttTIe第49頁/共87頁積分時間的物理意義：若偏差是幅值為?e的階躍:當t=T138TI越大，積分作用越弱，TI

=∞，積分作用為零。TI減小，積分作用增強，系統(tǒng)振蕩加劇，穩(wěn)定性下降。因此，加積分后，比例帶要適當加大。如果T1適當，系統(tǒng)能很快消除余差。

積分時間TI對過渡過程的影響uuuu第50頁/共87頁TI越大，積分作用越弱，TI=∞，積分作用為零。TI減139積分控制可以消除余差。

積分控制的特點有偏差時，積分輸出隨時間增大（或減?。?；當偏差消失時，輸出保持在某一值上。e?ettu積分輸出信號是隨時間逐漸增強的，控制作用緩慢，故一般積分作用不單獨使用。第51頁/共87頁積分控制可以消除余差。積分控制的特點有偏差時，積分輸出隨時140

比例微分（PD）調(diào)節(jié)對系統(tǒng)控制品質(zhì)的影響對于慣性較大的對象，常常希望能加快控制速度，此時可增加微分作用。式中：TD—微分時間—偏差變化速度理想微分1微分控制（D）e?ettu第52頁/共87頁比例微分（PD）調(diào)節(jié)對系統(tǒng)控制品質(zhì)的影響式中：TD—微141微分控制能在偏差出現(xiàn)或變化的瞬間，立即根據(jù)變化的趨勢，產(chǎn)生強烈的調(diào)節(jié)作用，使偏差盡快地消除于萌芽狀態(tài)之中。當偏差存在，但不變化時，微分輸出為零，對靜態(tài)偏差毫無抑制能力。因此不能單獨使用，總要和比例或比例積分調(diào)節(jié)規(guī)律結(jié)合起來，組成PD調(diào)節(jié)器或PID調(diào)節(jié)器。

微分控制的特點e?ettu第53頁/共87頁微分控制能在偏差出現(xiàn)或變化的瞬間，立即根據(jù)變化的趨1422比例微分控制（PD）理想的比例微分控制e?ettutu理想的微分作用持續(xù)時間太短，執(zhí)行器來不及響應。一般使用實際的比例微分作用。第54頁/共87頁2比例微分控制（PD）e?ettutu理143微分時間的物理意義若偏差是系數(shù)為a的斜坡信號:當t=TD時:微分時間TD對控制過程的影響euttTD2aTD/PaTD/Pa第55頁/共87頁微分時間的物理意義若偏差是系數(shù)為a的斜坡信號:144uuutttut

TD較小，控制速度稍有加快

TD=0，純比例控制過程TD太大，出現(xiàn)等幅振蕩

TD合適，控制速度明顯加快

微分時間TD對過渡過程的影響第56頁/共87頁uuutttutTD較小，控制速度稍有加快TD=0，純比145微分控制的優(yōu)點：能加快系統(tǒng)的控制速度。缺點：偏差存在但不變化時，無控制作用。將比例、積分、微分三種調(diào)節(jié)規(guī)律結(jié)合在一起，只要三項作用的強度配合適當，既能快速調(diào)節(jié)，又能消除余差，可得到滿意的控制效果。第57頁/共87頁微分控制的優(yōu)點：能加快系統(tǒng)的控制速度。將比例、積分146u在PID調(diào)節(jié)中，比例作用是基礎；微分作用可以加快系統(tǒng)控制速度，減小超調(diào)；積分作用可以消除靜差。但不是任何對象都是用PID控制最好。第58頁/共87頁u在PID調(diào)節(jié)中，比例作用是基礎；微分作用可以加快147對某一對象，用不同控制規(guī)律時階躍干擾過程比較被控變量t無控制作用PPDPIDPI（PID）調(diào)節(jié)對系統(tǒng)控制品質(zhì)的影響第59頁/共87頁對某一對象，用不同控制規(guī)律時階躍干擾過程比較被控變量t無控制148調(diào)節(jié)規(guī)律的選擇1、比例控制（P）適用于控制通道滯后較小、負荷變化不大、工藝上沒有提出無差要求的系統(tǒng)，2、比例積分控制（PI）適用于控制通道滯后較小、負荷變化不大、工藝參數(shù)不允許有余差的系統(tǒng)。3、比例微分控制（PD）適用于控制通道滯后較大的系統(tǒng)。例如加熱較慢的溫度控制系統(tǒng)。第60頁/共87頁調(diào)節(jié)規(guī)律的選擇1、比例控制（P）第60頁/共87頁1494、比例積分微分控制（PID）適用于容量滯后較大、負荷變化大、控制質(zhì)量要求較高的系統(tǒng)，應用最普遍的是溫度控制系統(tǒng)與成分控制系統(tǒng)。

TTTC也可根據(jù)τ