簡(jiǎn)單控制系統(tǒng)課件

第16章簡(jiǎn)單控制系統(tǒng)16.1簡(jiǎn)單控制系統(tǒng)的構(gòu)成

16.2簡(jiǎn)單控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

16.3簡(jiǎn)單控制系統(tǒng)的投運(yùn)

16.4控制器參數(shù)的工程整定第16章簡(jiǎn)單控制系統(tǒng)16.1簡(jiǎn)單控制系統(tǒng)的構(gòu)成16.1簡(jiǎn)單控制系統(tǒng)的構(gòu)成

簡(jiǎn)單控制系統(tǒng)通常是指由一個(gè)測(cè)量變送元件、一個(gè)控制器、一個(gè)執(zhí)行機(jī)構(gòu)和一個(gè)被控對(duì)象所構(gòu)成的單閉環(huán)控制系統(tǒng)。圖16-1簡(jiǎn)單液位控制系統(tǒng)圖16-2簡(jiǎn)單溫度控制系統(tǒng)16.1簡(jiǎn)單控制系統(tǒng)的構(gòu)成簡(jiǎn)單控制系統(tǒng)通常是指圖16-3簡(jiǎn)單控制系統(tǒng)方塊圖從圖中可知簡(jiǎn)單控制系統(tǒng)由四個(gè)基本環(huán)節(jié)組成，即被控對(duì)象測(cè)量變送裝置、控制器和執(zhí)行器。在該系統(tǒng)中有著一條從系統(tǒng)的輸出端引向輸入端的反饋路線，也就是說該系統(tǒng)中的控制器是根據(jù)被控變量的測(cè)量值與給定值的偏差來進(jìn)行控制的。圖16-3簡(jiǎn)單控制系統(tǒng)方塊圖從圖中可知簡(jiǎn)單控制系統(tǒng)由四個(gè)16.2簡(jiǎn)單控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)一個(gè)控制系統(tǒng)的工作情況，取決于其設(shè)計(jì)的好壞?？刂葡到y(tǒng)的設(shè)計(jì)應(yīng)該考慮被控變量的選擇、操縱變量的選擇、測(cè)量元件特性的影響等因素。16.2簡(jiǎn)單控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)一個(gè)控制系統(tǒng)的工作情況

16.2.1被控變量的選擇被控變量的分類（按照與生產(chǎn)過程的關(guān)系）直接參數(shù)；間接參數(shù)。如果被控變量本身就是需要控制的工藝參數(shù)，則稱為直接參數(shù)控制。當(dāng)選擇直接參數(shù)作為被控變量比較困難或不可能時(shí)，可以選擇一種間接參數(shù)代替直接參數(shù)作為被控變量。

16.2.1被控變量的選擇被控變量的分類（按照與生產(chǎn)過程圖16-4精餾過程示意圖圖16-5苯、甲苯的-關(guān)系—圖16-6苯、甲苯的關(guān)系-p舉例圖16-4精餾過程示意圖圖16-5苯、甲苯的-6從工藝合理性考慮，常常選擇溫度作為被控變量。原因在精餾塔操作中，壓力往往需要固定。只有將塔操作在規(guī)定的壓力下，才易于保證塔的分離純度，保證塔的效率和經(jīng)濟(jì)性。在塔壓固定的情況下，精餾塔各層塔板上的壓力基本上是不變的，這樣各層塔板上的溫度與組分之間就有一定的單值對(duì)應(yīng)關(guān)系。所選變量有足夠的靈敏度。從工藝合理性考慮，常常選擇溫度作為被控變量。原因在精餾塔操作選擇被控變量的原則（1）盡可能選擇那些可以直接反映產(chǎn)品質(zhì)量的變量作為被控變量。（2）當(dāng)直接指標(biāo)難于測(cè)量，或滯后太大，或信號(hào)微弱，可選擇間接指標(biāo)作為被控變量。值得注意的是間接指標(biāo)與直接指標(biāo)成單值關(guān)系，最好是線性的。如果是非線性時(shí)，要注意出現(xiàn)正反饋造成系統(tǒng)不穩(wěn)定的情況。（3）被控變量要求有足夠的靈敏度，易于測(cè)量，否則不能保證控制精度。

選擇被控變量的原則（1）盡可能選擇那些可以直接反映產(chǎn)品質(zhì)量的（4）選擇被控制變量時(shí)需考慮到工藝的合理性和國內(nèi)外儀表生產(chǎn)的現(xiàn)狀。（5）作為被控變量，必須是獨(dú)立可控的。變量的數(shù)目一般可以用物理化學(xué)中的相律關(guān)系來確定。（4）選擇被控制變量時(shí)需考慮到工藝的合理性和國內(nèi)16.2.2操縱變量的選擇

一般選擇系統(tǒng)中可以調(diào)節(jié)的物料量或能量參數(shù)作為操縱變量。最常見的操縱變量則是物料流或能量流，即流量參數(shù)。

操作變量系統(tǒng)的干擾通過工藝分析確定16.2.2操縱變量的選擇一般選擇系統(tǒng)中可以13圖16-7干擾通道與控制通道的關(guān)系

干擾變量由干擾通道施加在對(duì)象上，起著破壞作用，使被控變量偏離給定值；

操縱變量由控制通道施加到對(duì)象上，使被控變量回復(fù)到給定值，起著校正作用。

對(duì)象特性對(duì)控制質(zhì)量的影響

設(shè)控制通道、干擾通道的傳遞函數(shù)分別為13圖16-7干擾通道與控制通道的關(guān)系干擾變量由干擾通道16（2）干擾通道時(shí)間常數(shù)的影響

干擾通道的時(shí)間常數(shù)Tf越大，表示干擾對(duì)被控變量的影響越緩慢，越有利于控制。干擾通道特性對(duì)控制質(zhì)量的影響對(duì)象干擾通道的放大系數(shù)Kf小些,表示干擾對(duì)被控變量的影響不大，過渡過程的超調(diào)量不大。（1）干擾通道放大系數(shù)的影響

16（2）干擾通道時(shí)間常數(shù)的影響干擾通道的時(shí)間常（3）干擾通道純滯后τf的影響

如果干擾通道存在純滯后τf，控制作用也推遲了時(shí)間τf，使整個(gè)過渡過程曲線推遲了時(shí)間τf，要控制通道不存在純滯后，通常是不會(huì)影響控制質(zhì)量的，如圖16-8所示。圖16-8干擾通道純滯后τf的影響（3）干擾通道純滯后τf的影響如果干擾通道存在

一般希望控制通道的放大系數(shù)KO要大些，KO越大表示控制作用對(duì)被控變量影響越顯著，使控制作用更為有效。

（2）控制通道時(shí)間常數(shù)的影響

控制通道的時(shí)間常數(shù)不能過大，否則會(huì)使操縱變量的校正作用遲緩、超調(diào)量大、過渡時(shí)間長。要求對(duì)象控制通道的時(shí)間常數(shù)To小一些，從而獲得良好的控制質(zhì)量。14控制通道特性對(duì)控制質(zhì)量的影響（1）控制通道放大系數(shù)的影響

一般希望控制通道的放大系數(shù)KO要大些，KO越大表示控15（3）控制通道純滯后τ0的影響

控制通道的物料輸送或能量傳遞都需要一定的時(shí)間。這樣造成的純滯后τ0對(duì)控制質(zhì)量是有影響的。圖16-9所示為純滯后對(duì)控制質(zhì)量影響的示意圖。圖16-9純滯后τ0對(duì)控制質(zhì)量的影響

在選擇操縱變量構(gòu)成控制系統(tǒng)時(shí)，應(yīng)使對(duì)象控制通道的純滯后時(shí)間τ0盡量小。15（3）控制通道純滯后τ0的影響控制通道的物料輸17①

選擇對(duì)被控變量有較大影響的輸入作為操縱變量。②

選擇能夠快速影響被控變量的輸入作為操縱變量。③

選擇具有相當(dāng)大調(diào)整范圍的輸入作為操縱變量。操縱變量的選擇原則

④使盡量小。17①選擇對(duì)被控變量有較大影響的輸入作為操縱變量。②選擇16.2.3測(cè)量元件特性的影響

測(cè)量變送環(huán)節(jié)的任務(wù)是對(duì)工業(yè)生產(chǎn)過程的參數(shù)進(jìn)行測(cè)量，并將它轉(zhuǎn)換成統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)信號(hào)，如0.02~0.1Mpa的氣壓信號(hào)，或4~20mA的電流信號(hào)等。它是系統(tǒng)進(jìn)行控制的根據(jù)。因此，要求測(cè)量變送環(huán)節(jié)準(zhǔn)確、迅速和可靠。測(cè)量變送環(huán)節(jié)經(jīng)線性處理后，一般可表示為一階慣性加純滯后特性，即16.2.3測(cè)量元件特性的影響測(cè)量變送18圖16-10測(cè)量元件時(shí)間常數(shù)的影響

測(cè)量元件，特別是測(cè)溫元件，由于存在熱阻和熱容，它本身具有一定的時(shí)間常數(shù)，易造成測(cè)量滯后。測(cè)量滯后的影響測(cè)量滯后包括測(cè)量環(huán)節(jié)的容量滯后和信號(hào)測(cè)量環(huán)節(jié)的純滯后。（1）測(cè)量環(huán)節(jié)容量滯后的影響

18圖16-10測(cè)量元件時(shí)間常數(shù)的影響19

測(cè)量元件的時(shí)間常數(shù)越大，測(cè)量滯后現(xiàn)象愈加顯著。控制系統(tǒng)中的測(cè)量元件時(shí)間常數(shù)不能太大，最好選用惰性小的快速測(cè)量元件。當(dāng)測(cè)量元件的時(shí)間常數(shù)Tm小于對(duì)象時(shí)間常數(shù)的1／10時(shí)，對(duì)系統(tǒng)的控制質(zhì)量影響不大。測(cè)量元件安裝是否正確，維護(hù)是否得當(dāng)，也會(huì)影響測(cè)量與控制。

結(jié)論19測(cè)量元件的時(shí)間常數(shù)越大，測(cè)量滯后現(xiàn)象20當(dāng)測(cè)量存在純滯后時(shí)，會(huì)嚴(yán)重地影響控制質(zhì)量。圖16-11

pH值控制系統(tǒng)示意圖有時(shí)，測(cè)量的純滯后是由于測(cè)量元件安裝位置引起的。延遲時(shí)間τm

這一純滯后使測(cè)量信號(hào)不能及時(shí)反映中和槽內(nèi)溶液pH值的變化，因而降低了控制質(zhì)量。（2）測(cè)量環(huán)節(jié)純滯后的影響

20當(dāng)測(cè)量存在純滯后時(shí)，會(huì)嚴(yán)重地影響控制質(zhì)量。圖16-11

信號(hào)傳送滯后包括測(cè)量信號(hào)傳送滯后和控制信號(hào)傳送滯后兩部分。測(cè)量信號(hào)傳送滯后由現(xiàn)場(chǎng)測(cè)量變送裝置的信號(hào)傳送到控制室的控制器所引起的滯后?？刂菩盘?hào)傳送滯后由控制室內(nèi)控制器的輸出控制信號(hào)傳送到現(xiàn)場(chǎng)執(zhí)行器所引起的滯后。

信號(hào)的傳送滯后，應(yīng)盡量減小。信號(hào)傳送滯后的影響

信號(hào)傳送滯后包括測(cè)量信號(hào)傳送滯后和控制信號(hào)傳16.2.4控制器控制規(guī)律的選擇

在控制系統(tǒng)中，儀表選型確定以后，對(duì)象的特性是固定的、不可改變；測(cè)量元件及變送器的特性比較簡(jiǎn)單，一般也是不可以改變的；執(zhí)行器加上閥門定位器可有一定程度的調(diào)整，但靈活性不大；主要可以改變的就是控制器的參數(shù)。16.2.4控制器控制規(guī)律的選擇在控制系22圖16-12簡(jiǎn)單控制系統(tǒng)簡(jiǎn)化方塊圖控制器的控制規(guī)律所謂控制器的控制規(guī)律就是指u與e之間的函數(shù)關(guān)系，即

雙位控制雙位控制的動(dòng)作規(guī)律是當(dāng)測(cè)量值大于給定值時(shí)，控制器的輸出為最大（或最?。?，而當(dāng)測(cè)量值小于給定值時(shí)，則輸出為最?。ɑ蜃畲螅纯刂破髦挥袃蓚€(gè)輸出值，相應(yīng)的控制機(jī)構(gòu)只有開和關(guān)兩個(gè)極限位置，因此又稱開關(guān)控制。22圖16-12簡(jiǎn)單控制系統(tǒng)簡(jiǎn)化方塊圖控制器的控制規(guī)律所謂235理想的雙位控制器其輸出u與輸入偏差之e間的關(guān)系為圖16-13理想雙位控制特性圖16-14液位雙位控制系統(tǒng)示意圖5理想的雙位控制器其輸出u與輸入偏差之e間的關(guān)系為圖16-1246將上圖中的測(cè)量裝置及繼電器線路稍加改變，便可成為一個(gè)具有中間區(qū)的雙位控制器，見下圖。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，延長了控制器中運(yùn)動(dòng)部件的使用壽命。圖16-16具有中間區(qū)的雙位控制過程圖16-15實(shí)際的雙位控制規(guī)律特性6將上圖中的測(cè)量裝置及繼電器線路稍加改變，便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)論被控變量波動(dòng)的上、下限在允許范圍內(nèi)，使周期長些比較有利。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。7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)論被控變量波22

比例控制器是具有比例控制規(guī)律的控制器。比例控制器輸出與偏差成比例，它們之間的關(guān)系為對(duì)于單元組合儀表

比例控制規(guī)律（P）及其對(duì)控制過程的影響可調(diào)整參數(shù)比例放大系數(shù)KC（或比例度δ）22比例控制器是具有比例控制規(guī)律的控制器。比例27(b)實(shí)際比例控制作用特性(a)理想比例控制作用特性圖16-17比例控制器特性下圖為理想比例控制器的輸出特性與實(shí)際比例控制器的輸出特性

(b)實(shí)際比例控制作用特性(a)理想比例控制作用特性圖1圖16-18比例度對(duì)過渡過程的影響比例度對(duì)控制過程的影響如圖16-18所示

圖16-18比例度對(duì)過渡過程的影響比例度對(duì)控制過程的影響如

控制器的輸出與偏差成比例。當(dāng)負(fù)荷變化時(shí)，比例控制器克服干擾能力強(qiáng)、控制及時(shí)、過渡時(shí)間短。在常用控制規(guī)律中，比例作用是最基本的控制規(guī)律，不加比例作用的控制規(guī)律是很少采用的。純比例控制系統(tǒng)在過渡過程終了時(shí)存在余差。負(fù)荷變化越大，余差就越大。特點(diǎn)23適用于

控制通道滯后較小、負(fù)荷變化不大、工藝上沒有提出無差要求的系統(tǒng)。控制器的輸出與偏差成比例。特點(diǎn)23適用于控制通道24比例積分控制器是具有比例積分控制規(guī)律的控制器。比例-積分控制器的輸入輸出的關(guān)系為：可調(diào)整參數(shù)比例放大系數(shù)KC（或比例度δ）和積分時(shí)間TI。比例積分控制規(guī)律（PI）及其對(duì)控制過程的影響24比例積分控制器是具有比例積分控制規(guī)律的控制圖16-19積分作用對(duì)偏差e的單位階躍響應(yīng)曲線圖16-20比例積分作用對(duì)偏差e的單位階躍響應(yīng)曲線圖16-19積分作用對(duì)偏差e的單位階躍響應(yīng)曲線圖16-20圖16-21積分時(shí)間過渡過程的影響圖16-21表示在同樣比例度下積分時(shí)間對(duì)過渡過程的影響。

圖16-21積分時(shí)間過渡過程的影響圖16-21表示在同樣比例特點(diǎn)

由于在比例作用的基礎(chǔ)上加上積分作用，而積分作用的輸出是與偏差的積分成比例，只要偏差存在，控制器的輸出就會(huì)不斷變化，直至消除偏差為止。積分作用會(huì)使穩(wěn)定性降低，雖然在加積分作用的同時(shí)，可以通過加大比例度，使穩(wěn)定性基本保持不變，但超調(diào)量和振蕩周期都相應(yīng)增大，過渡過程的時(shí)間也加長。25適用于控制通道滯后較小、負(fù)荷變化不大、工藝參數(shù)不允許有余差的系統(tǒng)。

特點(diǎn)由于在比例作用的基礎(chǔ)上加上積分作用，而積分作用的輸出是比例微分控制（PD）規(guī)律及其對(duì)控制過程的影響

比例微分控制規(guī)律為：圖16-22比例微分控制器特性圖16-23微分時(shí)間對(duì)過渡過程的影響比例微分控制（PD）規(guī)律及其對(duì)控制過程的影響比例微分控制規(guī)律26

比例積分微分控制器是具有比例積分微分控制規(guī)律的控制器，常稱為三作用（PID）控制器。理想的PID控制作用是可調(diào)整參數(shù)比例放大系數(shù)Kc（或比例度δ）、積分時(shí)間TI和微分時(shí)間TD。比例積分微分控制規(guī)律（PID）及其對(duì)控制過程的影響26比例積分微分控制器是具有比例積分微分控制規(guī)律圖16-24PID三作用控制器特性當(dāng)有階躍信號(hào)輸入時(shí)，輸出為比例、積分和微分三部分輸出之和，如圖16-24所示。

圖16-24PID三作用控制器特性當(dāng)有階躍特點(diǎn)

微分作用使控制器的輸出與輸入偏差的變化速度成比例，它對(duì)克服對(duì)象的滯后有顯著的效果。在比例的基礎(chǔ)上加上微分作用能提高穩(wěn)定性，再加上積分作用可以消除余差。所以，適當(dāng)調(diào)整δ、TI、TD參數(shù)，可以使控制系統(tǒng)獲得較高的控制質(zhì)量。適用于

容量滯后較大、負(fù)荷變化大、控制質(zhì)量要求較高的系統(tǒng)，應(yīng)用最普遍的是溫度、成分控制系統(tǒng)。27特點(diǎn)微分作用使控制器的輸出與輸入偏差的變化速度成28

目前生產(chǎn)的模擬式控制器一般都同時(shí)具有比例、積分、微分三種作用。只要將其中的微分時(shí)間TD置于０，就成了比例積分控制器，如果同時(shí)將積分時(shí)間TI置于無窮大，便成了比例控制器。注意！28目前生產(chǎn)的模擬式控制器一般都同時(shí)具有16.2.5控制器正反作用的確定

控制器的正反作用是關(guān)系到控制系統(tǒng)能否正常運(yùn)行與安全操作的重要問題。要通過改變控制器的正、反作用，以保證整個(gè)控制系統(tǒng)是一個(gè)具有負(fù)反饋的閉環(huán)系統(tǒng)。16.2.5控制器正反作用的確定控制器的正反作用的定義：正作用：當(dāng)被控變量的測(cè)量值增大時(shí)，控制器的輸出也增大則該控制器為“正作用”；反作用：當(dāng)測(cè)量值增大時(shí)，控制器輸出反而減少，則該控制器為“反作用”。正反作用的確定：①單回路系統(tǒng)結(jié)合對(duì)象和控制閥使偏差向減小的方向調(diào)節(jié)。②先確定控制閥氣開、氣關(guān)方式，再確定控制器正反作用。正反作用的定義：控制器的作用方向選擇：

回路判別法回路判別法的要點(diǎn)：（1）反饋回路中負(fù)增益環(huán)節(jié)（包括比較器）數(shù)為奇數(shù)；（2）對(duì)控制器而言，“正作用”是指Tm↑→u↑。圖16-25加熱爐出口溫度控制系統(tǒng)方框圖控制器的作用方向選擇：

回路判別法回路判別法的要點(diǎn)：圖16-31

在一個(gè)安裝好的控制系統(tǒng)中，對(duì)象的作用方向由工藝機(jī)理可以確定，執(zhí)行器的作用方向由工藝安全條件可以選定，而控制器的作用方向要根據(jù)對(duì)象及執(zhí)行器的作用方向來確定，以使整個(gè)控制系統(tǒng)構(gòu)成負(fù)反饋的閉環(huán)系統(tǒng)。結(jié)論31在一個(gè)安裝好的控制系統(tǒng)中，對(duì)象的作16.3簡(jiǎn)單控制系統(tǒng)的投運(yùn)投運(yùn)前的準(zhǔn)備工作(1)對(duì)投運(yùn)過程中可能出現(xiàn)的意外情況有所估計(jì)。(2)各個(gè)儀表環(huán)節(jié)校驗(yàn)準(zhǔn)確。(3)充分了解控制意圖。投運(yùn)(1)控制儀表置手動(dòng)狀態(tài)，設(shè)置好初始參數(shù)PID，正反(2)各儀表加電，手操控制器的輸出，使被控制變量達(dá)到設(shè)定值。(3)置手動(dòng)狀態(tài)至自動(dòng)狀態(tài)。投運(yùn)原則：無擾動(dòng)切換16.3簡(jiǎn)單控制系統(tǒng)的投運(yùn)投運(yùn)前的準(zhǔn)備工作16.4控制器參數(shù)的工程整定

所謂控制系統(tǒng)的整定，就是對(duì)于一個(gè)已經(jīng)設(shè)計(jì)并安裝就續(xù)的系統(tǒng)，對(duì)控制器的參數(shù)進(jìn)行調(diào)整，使得系統(tǒng)的過渡過程達(dá)到最為滿意的質(zhì)量指標(biāo)要求。方法:理論計(jì)算的方法和工程整定法。工程上大量采用工程整定法。16.4控制器參數(shù)的工程整定所謂控經(jīng)驗(yàn)整定法

這種方法實(shí)質(zhì)上是一種經(jīng)驗(yàn)湊試法，是工程技術(shù)人員在長期生產(chǎn)實(shí)踐中總結(jié)出來的。它不需要進(jìn)行事先的計(jì)算和實(shí)驗(yàn)，而是根據(jù)運(yùn)行經(jīng)驗(yàn)，先確定一組控制器參數(shù)經(jīng)驗(yàn)數(shù)據(jù)，并將系統(tǒng)投入運(yùn)行，通過觀察人為加入干擾后的過渡過程曲線，根據(jù)各種控制作用對(duì)過渡過程的不同影響來改變相應(yīng)的控制參數(shù)值，進(jìn)行反復(fù)湊試，直到獲得滿意的控制品質(zhì)為止。

經(jīng)驗(yàn)整定法這種方法實(shí)質(zhì)上是一種經(jīng)驗(yàn)湊試法，整定的途徑有兩種（1）先用純比例作用進(jìn)行湊試，待過渡過程已基本穩(wěn)定并符合要求后，再加積分作用消除余差，最后加入微分作用是為了提高控制質(zhì)量。（2）先根據(jù)表16-1選取積分時(shí)間和微分時(shí)間，然后對(duì)比例度進(jìn)行反復(fù)湊試，直至得到滿意的結(jié)果。

整定的途徑有兩種（1）先用純比例作用進(jìn)行湊試，待過渡過程已基被控變量規(guī)律的選擇比例度δ/%積分時(shí)間TI/min

微分時(shí)間

TD/min流量對(duì)象時(shí)間常數(shù)小，參數(shù)有波動(dòng)，δ要大；TI要短；不用微分40~1000.3~1-溫度對(duì)象容量滯后較大，即參數(shù)受干擾后變化遲緩，δ應(yīng)??；TI要長；一般需加微分20~603~100.5~3壓力對(duì)象的容量滯后不算大，一般不加微分30~700.4~3-液位對(duì)象時(shí)間常數(shù)范圍較大，要求不高時(shí)，δ可在一定范圍內(nèi)選取，一般不用微分20~80--表16-1控制器參數(shù)經(jīng)驗(yàn)數(shù)據(jù)被控變量規(guī)律的選擇比例度δ/%積分時(shí)間微分時(shí)間流量對(duì)象時(shí)48臨界比例度法方法：控制器先取純比例作用。改變?chǔ)闹担业脚R界狀態(tài)。

步驟：

(1)將控制器的積分時(shí)間放在最大值，微分時(shí)間放在最小值，比例度放在較大值后，讓系統(tǒng)投入運(yùn)行。

(2)修正δ，直到等幅振蕩。記下，振蕩時(shí)的δk和

Tk。(3)利用δk和Tk，按表16-2修改參數(shù)，可得到4：1的衰減過渡過程。(4)過渡過程與4：1衰減還有一定差距，可適當(dāng)調(diào)整δ值，直到過渡過程滿足要求。

臨界比例度法方法：控制器先取純比例作用。改變?chǔ)闹?，找到臨界狀控制規(guī)律δ/%TI/minTD/minP2δk--PI2.2δk0.85Tk-PID1.7δk0.5Tk0.12Tk表16-2臨界比例度法整定參數(shù)圖16-26臨界比例度法示意圖P2δk--PI2.2δk0.85Tk-PID1.7δ衰減曲線法

控制器純比例，δ由大變小，加干擾，看曲線。找4：1過程。到4：1時(shí)，記下δs和Ts，按下表修改參數(shù)，得4：1過程。圖16-274:1衰減曲線法示意圖衰減曲線法控制器純比例，δ由大變小，加干擾，看控制規(guī)律δ/%TI/minTD/minPδs--PI1.2δs0.5TS-PID0.8δs0.3TS0.1TS表16-3衰減振蕩法整定參數(shù)控制規(guī)律P--PI1.2δs0.5TS-PID0.8δs0一般對(duì)象可近似為

響應(yīng)曲線法方法①調(diào)節(jié)器“手動(dòng)”，人為使控制器輸出階躍變化，記錄過程的響應(yīng)曲線，并得到，一般對(duì)象可近似為響應(yīng)曲線法方法圖16-28響應(yīng)曲線法示意圖圖16-28響應(yīng)曲線法示意圖②按下表的規(guī)律修改參數(shù)，得到4:1過渡過程?？刂埔?guī)律δ/%Kc

Ti/minTD/minP--PI3.3-PID20.5表16-4響應(yīng)曲線法整定參數(shù)②按下表的規(guī)律修改參數(shù)，得到4:1過渡過程。控制規(guī)律δ/%第16章簡(jiǎn)單控制系統(tǒng)16.1簡(jiǎn)單控制系統(tǒng)的構(gòu)成

16.2簡(jiǎn)單控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

16.3簡(jiǎn)單控制系統(tǒng)的投運(yùn)

16.4控制器參數(shù)的工程整定第16章簡(jiǎn)單控制系統(tǒng)16.1簡(jiǎn)單控制系統(tǒng)的構(gòu)成16.1簡(jiǎn)單控制系統(tǒng)的構(gòu)成

簡(jiǎn)單控制系統(tǒng)通常是指由一個(gè)測(cè)量變送元件、一個(gè)控制器、一個(gè)執(zhí)行機(jī)構(gòu)和一個(gè)被控對(duì)象所構(gòu)成的單閉環(huán)控制系統(tǒng)。圖16-1簡(jiǎn)單液位控制系統(tǒng)圖16-2簡(jiǎn)單溫度控制系統(tǒng)16.1簡(jiǎn)單控制系統(tǒng)的構(gòu)成簡(jiǎn)單控制系統(tǒng)通常是指圖16-3簡(jiǎn)單控制系統(tǒng)方塊圖從圖中可知簡(jiǎn)單控制系統(tǒng)由四個(gè)基本環(huán)節(jié)組成，即被控對(duì)象測(cè)量變送裝置、控制器和執(zhí)行器。在該系統(tǒng)中有著一條從系統(tǒng)的輸出端引向輸入端的反饋路線，也就是說該系統(tǒng)中的控制器是根據(jù)被控變量的測(cè)量值與給定值的偏差來進(jìn)行控制的。圖16-3簡(jiǎn)單控制系統(tǒng)方塊圖從圖中可知簡(jiǎn)單控制系統(tǒng)由四個(gè)16.2簡(jiǎn)單控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)一個(gè)控制系統(tǒng)的工作情況，取決于其設(shè)計(jì)的好壞?？刂葡到y(tǒng)的設(shè)計(jì)應(yīng)該考慮被控變量的選擇、操縱變量的選擇、測(cè)量元件特性的影響等因素。16.2簡(jiǎn)單控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)一個(gè)控制系統(tǒng)的工作情況

16.2.1被控變量的選擇被控變量的分類（按照與生產(chǎn)過程的關(guān)系）直接參數(shù)；間接參數(shù)。如果被控變量本身就是需要控制的工藝參數(shù)，則稱為直接參數(shù)控制。當(dāng)選擇直接參數(shù)作為被控變量比較困難或不可能時(shí)，可以選擇一種間接參數(shù)代替直接參數(shù)作為被控變量。

16.2.1被控變量的選擇被控變量的分類（按照與生產(chǎn)過程圖16-4精餾過程示意圖圖16-5苯、甲苯的-關(guān)系—圖16-6苯、甲苯的關(guān)系-p舉例圖16-4精餾過程示意圖圖16-5苯、甲苯的-61從工藝合理性考慮，常常選擇溫度作為被控變量。原因在精餾塔操作中，壓力往往需要固定。只有將塔操作在規(guī)定的壓力下，才易于保證塔的分離純度，保證塔的效率和經(jīng)濟(jì)性。在塔壓固定的情況下，精餾塔各層塔板上的壓力基本上是不變的，這樣各層塔板上的溫度與組分之間就有一定的單值對(duì)應(yīng)關(guān)系。所選變量有足夠的靈敏度。從工藝合理性考慮，常常選擇溫度作為被控變量。原因在精餾塔操作選擇被控變量的原則（1）盡可能選擇那些可以直接反映產(chǎn)品質(zhì)量的變量作為被控變量。（2）當(dāng)直接指標(biāo)難于測(cè)量，或滯后太大，或信號(hào)微弱，可選擇間接指標(biāo)作為被控變量。值得注意的是間接指標(biāo)與直接指標(biāo)成單值關(guān)系，最好是線性的。如果是非線性時(shí)，要注意出現(xiàn)正反饋造成系統(tǒng)不穩(wěn)定的情況。（3）被控變量要求有足夠的靈敏度，易于測(cè)量，否則不能保證控制精度。

選擇被控變量的原則（1）盡可能選擇那些可以直接反映產(chǎn)品質(zhì)量的（4）選擇被控制變量時(shí)需考慮到工藝的合理性和國內(nèi)外儀表生產(chǎn)的現(xiàn)狀。（5）作為被控變量，必須是獨(dú)立可控的。變量的數(shù)目一般可以用物理化學(xué)中的相律關(guān)系來確定。（4）選擇被控制變量時(shí)需考慮到工藝的合理性和國內(nèi)16.2.2操縱變量的選擇

一般選擇系統(tǒng)中可以調(diào)節(jié)的物料量或能量參數(shù)作為操縱變量。最常見的操縱變量則是物料流或能量流，即流量參數(shù)。

操作變量系統(tǒng)的干擾通過工藝分析確定16.2.2操縱變量的選擇一般選擇系統(tǒng)中可以13圖16-7干擾通道與控制通道的關(guān)系

干擾變量由干擾通道施加在對(duì)象上，起著破壞作用，使被控變量偏離給定值；

操縱變量由控制通道施加到對(duì)象上，使被控變量回復(fù)到給定值，起著校正作用。

對(duì)象特性對(duì)控制質(zhì)量的影響

設(shè)控制通道、干擾通道的傳遞函數(shù)分別為13圖16-7干擾通道與控制通道的關(guān)系干擾變量由干擾通道16（2）干擾通道時(shí)間常數(shù)的影響

干擾通道的時(shí)間常數(shù)Tf越大，表示干擾對(duì)被控變量的影響越緩慢，越有利于控制。干擾通道特性對(duì)控制質(zhì)量的影響對(duì)象干擾通道的放大系數(shù)Kf小些,表示干擾對(duì)被控變量的影響不大，過渡過程的超調(diào)量不大。（1）干擾通道放大系數(shù)的影響

16（2）干擾通道時(shí)間常數(shù)的影響干擾通道的時(shí)間常（3）干擾通道純滯后τf的影響

如果干擾通道存在純滯后τf，控制作用也推遲了時(shí)間τf，使整個(gè)過渡過程曲線推遲了時(shí)間τf，要控制通道不存在純滯后，通常是不會(huì)影響控制質(zhì)量的，如圖16-8所示。圖16-8干擾通道純滯后τf的影響（3）干擾通道純滯后τf的影響如果干擾通道存在

一般希望控制通道的放大系數(shù)KO要大些，KO越大表示控制作用對(duì)被控變量影響越顯著，使控制作用更為有效。

（2）控制通道時(shí)間常數(shù)的影響

控制通道的時(shí)間常數(shù)不能過大，否則會(huì)使操縱變量的校正作用遲緩、超調(diào)量大、過渡時(shí)間長。要求對(duì)象控制通道的時(shí)間常數(shù)To小一些，從而獲得良好的控制質(zhì)量。14控制通道特性對(duì)控制質(zhì)量的影響（1）控制通道放大系數(shù)的影響

一般希望控制通道的放大系數(shù)KO要大些，KO越大表示控15（3）控制通道純滯后τ0的影響

控制通道的物料輸送或能量傳遞都需要一定的時(shí)間。這樣造成的純滯后τ0對(duì)控制質(zhì)量是有影響的。圖16-9所示為純滯后對(duì)控制質(zhì)量影響的示意圖。圖16-9純滯后τ0對(duì)控制質(zhì)量的影響

在選擇操縱變量構(gòu)成控制系統(tǒng)時(shí)，應(yīng)使對(duì)象控制通道的純滯后時(shí)間τ0盡量小。15（3）控制通道純滯后τ0的影響控制通道的物料輸17①

選擇對(duì)被控變量有較大影響的輸入作為操縱變量。②

選擇能夠快速影響被控變量的輸入作為操縱變量。③

選擇具有相當(dāng)大調(diào)整范圍的輸入作為操縱變量。操縱變量的選擇原則

④使盡量小。17①選擇對(duì)被控變量有較大影響的輸入作為操縱變量。②選擇16.2.3測(cè)量元件特性的影響

測(cè)量變送環(huán)節(jié)的任務(wù)是對(duì)工業(yè)生產(chǎn)過程的參數(shù)進(jìn)行測(cè)量，并將它轉(zhuǎn)換成統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)信號(hào)，如0.02~0.1Mpa的氣壓信號(hào)，或4~20mA的電流信號(hào)等。它是系統(tǒng)進(jìn)行控制的根據(jù)。因此，要求測(cè)量變送環(huán)節(jié)準(zhǔn)確、迅速和可靠。測(cè)量變送環(huán)節(jié)經(jīng)線性處理后，一般可表示為一階慣性加純滯后特性，即16.2.3測(cè)量元件特性的影響測(cè)量變送18圖16-10測(cè)量元件時(shí)間常數(shù)的影響

測(cè)量元件，特別是測(cè)溫元件，由于存在熱阻和熱容，它本身具有一定的時(shí)間常數(shù)，易造成測(cè)量滯后。測(cè)量滯后的影響測(cè)量滯后包括測(cè)量環(huán)節(jié)的容量滯后和信號(hào)測(cè)量環(huán)節(jié)的純滯后。（1）測(cè)量環(huán)節(jié)容量滯后的影響

18圖16-10測(cè)量元件時(shí)間常數(shù)的影響19

測(cè)量元件的時(shí)間常數(shù)越大，測(cè)量滯后現(xiàn)象愈加顯著。控制系統(tǒng)中的測(cè)量元件時(shí)間常數(shù)不能太大，最好選用惰性小的快速測(cè)量元件。當(dāng)測(cè)量元件的時(shí)間常數(shù)Tm小于對(duì)象時(shí)間常數(shù)的1／10時(shí)，對(duì)系統(tǒng)的控制質(zhì)量影響不大。測(cè)量元件安裝是否正確，維護(hù)是否得當(dāng)，也會(huì)影響測(cè)量與控制。

結(jié)論19測(cè)量元件的時(shí)間常數(shù)越大，測(cè)量滯后現(xiàn)象20當(dāng)測(cè)量存在純滯后時(shí)，會(huì)嚴(yán)重地影響控制質(zhì)量。圖16-11

pH值控制系統(tǒng)示意圖有時(shí)，測(cè)量的純滯后是由于測(cè)量元件安裝位置引起的。延遲時(shí)間τm

這一純滯后使測(cè)量信號(hào)不能及時(shí)反映中和槽內(nèi)溶液pH值的變化，因而降低了控制質(zhì)量。（2）測(cè)量環(huán)節(jié)純滯后的影響

20當(dāng)測(cè)量存在純滯后時(shí)，會(huì)嚴(yán)重地影響控制質(zhì)量。圖16-11

信號(hào)傳送滯后包括測(cè)量信號(hào)傳送滯后和控制信號(hào)傳送滯后兩部分。測(cè)量信號(hào)傳送滯后由現(xiàn)場(chǎng)測(cè)量變送裝置的信號(hào)傳送到控制室的控制器所引起的滯后。控制信號(hào)傳送滯后由控制室內(nèi)控制器的輸出控制信號(hào)傳送到現(xiàn)場(chǎng)執(zhí)行器所引起的滯后。

信號(hào)的傳送滯后，應(yīng)盡量減小。信號(hào)傳送滯后的影響

信號(hào)傳送滯后包括測(cè)量信號(hào)傳送滯后和控制信號(hào)傳16.2.4控制器控制規(guī)律的選擇

在控制系統(tǒng)中，儀表選型確定以后，對(duì)象的特性是固定的、不可改變；測(cè)量元件及變送器的特性比較簡(jiǎn)單，一般也是不可以改變的；執(zhí)行器加上閥門定位器可有一定程度的調(diào)整，但靈活性不大；主要可以改變的就是控制器的參數(shù)。16.2.4控制器控制規(guī)律的選擇在控制系22圖16-12簡(jiǎn)單控制系統(tǒng)簡(jiǎn)化方塊圖控制器的控制規(guī)律所謂控制器的控制規(guī)律就是指u與e之間的函數(shù)關(guān)系，即

雙位控制雙位控制的動(dòng)作規(guī)律是當(dāng)測(cè)量值大于給定值時(shí)，控制器的輸出為最大（或最?。?，而當(dāng)測(cè)量值小于給定值時(shí)，則輸出為最?。ɑ蜃畲螅?，即控制器只有兩個(gè)輸出值，相應(yīng)的控制機(jī)構(gòu)只有開和關(guān)兩個(gè)極限位置，因此又稱開關(guān)控制。22圖16-12簡(jiǎn)單控制系統(tǒng)簡(jiǎn)化方塊圖控制器的控制規(guī)律所謂785理想的雙位控制器其輸出u與輸入偏差之e間的關(guān)系為圖16-13理想雙位控制特性圖16-14液位雙位控制系統(tǒng)示意圖5理想的雙位控制器其輸出u與輸入偏差之e間的關(guān)系為圖16-1796將上圖中的測(cè)量裝置及繼電器線路稍加改變，便可成為一個(gè)具有中間區(qū)的雙位控制器，見下圖。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，延長了控制器中運(yùn)動(dòng)部件的使用壽命。圖16-16具有中間區(qū)的雙位控制過程圖16-15實(shí)際的雙位控制規(guī)律特性6將上圖中的測(cè)量裝置及繼電器線路稍加改變，便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)論被控變量波動(dòng)的上、下限在允許范圍內(nèi)，使周期長些比較有利。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。7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)論被控變量波22

比例控制器是具有比例控制規(guī)律的控制器。比例控制器輸出與偏差成比例，它們之間的關(guān)系為對(duì)于單元組合儀表

比例控制規(guī)律（P）及其對(duì)控制過程的影響可調(diào)整參數(shù)比例放大系數(shù)KC（或比例度δ）22比例控制器是具有比例控制規(guī)律的控制器。比例82(b)實(shí)際比例控制作用特性(a)理想比例控制作用特性圖16-17比例控制器特性下圖為理想比例控制器的輸出特性與實(shí)際比例控制器的輸出特性

(b)實(shí)際比例控制作用特性(a)理想比例控制作用特性圖1圖16-18比例度對(duì)過渡過程的影響比例度對(duì)控制過程的影響如圖16-18所示

圖16-18比例度對(duì)過渡過程的影響比例度對(duì)控制過程的影響如

控制器的輸出與偏差成比例。當(dāng)負(fù)荷變化時(shí)，比例控制器克服干擾能力強(qiáng)、控制及時(shí)、過渡時(shí)間短。在常用控制規(guī)律中，比例作用是最基本的控制規(guī)律，不加比例作用的控制規(guī)律是很少采用的。純比例控制系統(tǒng)在過渡過程終了時(shí)存在余差。負(fù)荷變化越大，余差就越大。特點(diǎn)23適用于

控制通道滯后較小、負(fù)荷變化不大、工藝上沒有提出無差要求的系統(tǒng)?？刂破鞯妮敵雠c偏差成比例。特點(diǎn)23適用于控制通道24比例積分控制器是具有比例積分控制規(guī)律的控制器。比例-積分控制器的輸入輸出的關(guān)系為：可調(diào)整參數(shù)比例放大系數(shù)KC（或比例度δ）和積分時(shí)間TI。比例積分控制規(guī)律（PI）及其對(duì)控制過程的影響24比例積分控制器是具有比例積分控制規(guī)律的控制圖16-19積分作用對(duì)偏差e的單位階躍響應(yīng)曲線圖16-20比例積分作用對(duì)偏差e的單位階躍響應(yīng)曲線圖16-19積分作用對(duì)偏差e的單位階躍響應(yīng)曲線圖16-20圖16-21積分時(shí)間過渡過程的影響圖16-21表示在同樣比例度下積分時(shí)間對(duì)過渡過程的影響。

圖16-21積分時(shí)間過渡過程的影響圖16-21表示在同樣比例特點(diǎn)

由于在比例作用的基礎(chǔ)上加上積分作用，而積分作用的輸出是與偏差的積分成比例，只要偏差存在，控制器的輸出就會(huì)不斷變化，直至消除偏差為止。積分作用會(huì)使穩(wěn)定性降低，雖然在加積分作用的同時(shí)，可以通過加大比例度，使穩(wěn)定性基本保持不變，但超調(diào)量和振蕩周期都相應(yīng)增大，過渡過程的時(shí)間也加長。25適用于控制通道滯后較小、負(fù)荷變化不大、工藝參數(shù)不允許有余差的系統(tǒng)。

特點(diǎn)由于在比例作用的基礎(chǔ)上加上積分作用，而積分作用的輸出是比例微分控制（PD）規(guī)律及其對(duì)控制過程的影響

比例微分控制規(guī)律為：圖16-22比例微分控制器特性圖16-23微分時(shí)間對(duì)過渡過程的影響比例微分控制（PD）規(guī)律及其對(duì)控制過程的影響比例微分控制規(guī)律26

比例積分微分控制器是具有比例積分微分控制規(guī)律的控制器，常稱為三作用（PID）控制器。理想的PID控制作用是可調(diào)整參數(shù)比例放大系數(shù)Kc（或比例度δ）、積分時(shí)間TI和微分時(shí)間TD。比例積分微分控制規(guī)律（PID）及其對(duì)控制過程的影響26比例積分微分控制器是具有比例積分微分控制規(guī)律圖16-24PID三作用控制器特性當(dāng)有階躍信號(hào)輸入時(shí)，輸出為比例、積分和微分三部分輸出之和，如圖16-24所示。

圖16-24PID三作用控制器特性當(dāng)有階躍特點(diǎn)

微分作用使控制器的輸出與輸入偏差的變化速度成比例，它對(duì)克服對(duì)象的滯后有顯著的效果。在比例的基礎(chǔ)上加上微分作用能提高穩(wěn)定性，再加上積分作用可以消除余差。所以，適當(dāng)調(diào)整δ、TI、TD參數(shù)，可以使控制系統(tǒng)獲得較高的控制質(zhì)量。適用于

容量滯后較大、負(fù)荷變化大、控制質(zhì)量要求較高的系統(tǒng)，應(yīng)用最普遍的是溫度、成分控制系統(tǒng)。27特點(diǎn)微分作用使控制器的輸出與輸入偏差的變化速度成28

目前生產(chǎn)的模擬式控制器一般都同時(shí)具有比例、積分、微分三種作用。只要將其中的微分時(shí)間TD置于０，就成了比例積分控制器，如果同時(shí)將積分時(shí)間TI置于無窮大，便成了比例控制器。注意！28目前生產(chǎn)的模擬式控制器一般都同時(shí)具有16.2.5控制器正反作用的確定

控制器的正反作用是關(guān)系到控制系統(tǒng)能否正常運(yùn)行與安全操作的重要問題。要通過改變控制器的正、反作用，以保證整個(gè)控制系統(tǒng)是一個(gè)具有負(fù)反饋的閉環(huán)系統(tǒng)。16.2.5控制器正反作用的確定控制器的正反作用的定義：正作用：當(dāng)被控變量的測(cè)量值增大時(shí)，控制器的輸出也增大則該控制器為“正作用”；反作用：當(dāng)測(cè)量值增大時(shí)，控制器輸出反而減少，則該控制器為“反作用”。正反作用的確定：①單回路系統(tǒng)結(jié)合對(duì)象和控制閥使偏差向減小的方向調(diào)節(jié)。②先確定控制閥氣開、氣關(guān)方式，再確定控制器正反作用。正反作用的定義：控制器的作用方向選擇：

回路判別法回路判別法的要點(diǎn)：（1）反饋回路中負(fù)增益環(huán)節(jié)（包括比較器）數(shù)為奇數(shù)；（2）對(duì)控制器而言，“正作用”是指Tm↑→u↑。圖16-25加熱爐出口溫度控制系統(tǒng)方框圖控制器的作用方向選擇：

回路判別法回路判別法的要點(diǎn)：圖16-31

在一個(gè)安裝好的控制系統(tǒng)中，對(duì)象的作用方向由工藝機(jī)理可以確定，執(zhí)行器的作用方向由工藝安全條件可以選定，而控制器的作用方向要根據(jù)對(duì)象及執(zhí)行器的作用方向來確定，以使整個(gè)控制系統(tǒng)構(gòu)成負(fù)反饋的閉環(huán)系統(tǒng)。結(jié)論31在一個(gè)安裝好的控制系統(tǒng)中，對(duì)象的作16.3簡(jiǎn)單控制系統(tǒng)的投運(yùn)投運(yùn)前的準(zhǔn)備工作(1)對(duì)投運(yùn)過程中可能出現(xiàn)的意外情況有所估計(jì)。(2)各個(gè)儀表環(huán)節(jié)校驗(yàn)準(zhǔn)確。(3)充分了解控制意圖。投運(yùn)(1)控制儀表置手動(dòng)狀態(tài)，設(shè)置好初始參數(shù)PID，正反(2)各儀表加電，手操控制器的輸出，使被控制變量達(dá)到設(shè)定值。(3)置手動(dòng)狀態(tài)至自動(dòng)狀態(tài)。投運(yùn)原則：無擾動(dòng)切換16.3簡(jiǎn)單控制系統(tǒng)的投運(yùn)投運(yùn)前的準(zhǔn)備工作16.4控制器參數(shù)的