單回路控制系統(tǒng)

單回路控制系統(tǒng)第1頁，共156頁，2023年，2月20日，星期四通過這章的學(xué)習(xí)，我們可以得到以下收獲：單回路控制系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)與組成控制、被控變量及控制參數(shù)的選擇控制系統(tǒng)執(zhí)行、傳感與變送機(jī)構(gòu)控制器設(shè)計與控制規(guī)律的選擇單回路控制系統(tǒng)的調(diào)試與參數(shù)整定應(yīng)用舉例第2頁，共156頁，2023年，2月20日，星期四3.1單回路控制系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)與組成簡單控制系統(tǒng)是指由一個測量元件、變送器、一個控制器、一個控制閥、一個被控對象所構(gòu)成的單閉環(huán)控制系統(tǒng)，因此也稱為單回路控制系統(tǒng)。第3頁，共156頁，2023年，2月20日，星期四閉環(huán)系統(tǒng)模型首先我們需要了解什么是閉環(huán)系統(tǒng)？了解綜合系統(tǒng)的生產(chǎn)和控制過程是怎樣實現(xiàn)的？傳熱設(shè)備蓄水漕加熱器第4頁，共156頁，2023年，2月20日，星期四閉環(huán)系統(tǒng)模型通過這個例子，我們可以總結(jié)什么？如果要測量壓力、流量等信號，應(yīng)該做什么？如果選擇不同的閥，應(yīng)該做什么？第5頁，共156頁，2023年，2月20日，星期四閉環(huán)系統(tǒng)模型傳遞函數(shù)Gc(s)：控制器Gv(s)：閥Gp(s)：反饋過程Gs(s)：傳感器Gd(s)：擾動過程變量CV(s)：被控變量CVm(s)：CV(s)的測量值D(s)：擾動E(s)：偏差MV(s)：控制變量（操縱變量）SP(s)：設(shè)定值第6頁，共156頁，2023年，2月20日，星期四閉環(huán)系統(tǒng)模型在模型中哪里是信號傳輸？那里是信號轉(zhuǎn)換？在CV(s)和CVm(s)間有何不同？在Gp(s)和Gd(s)間有何不同？思考？第7頁，共156頁，2023年，2月20日，星期四閉環(huán)系統(tǒng)模型設(shè)定值響應(yīng)擾動響應(yīng)哪些因素影響控制系統(tǒng)的穩(wěn)定性？哪些影響動控制系統(tǒng)的態(tài)性？第8頁，共156頁，2023年，2月20日，星期四閉環(huán)系統(tǒng)模型設(shè)定值變化第9頁，共156頁，2023年，2月20日，星期四閉環(huán)系統(tǒng)模型擾動響應(yīng)第10頁，共156頁，2023年，2月20日，星期四閉環(huán)系統(tǒng)模型擾動響應(yīng)通常過程會受到許多或大或小的擾動和測量噪聲的影響，測量的性能可以表征這種變異性。CV的標(biāo)準(zhǔn)偏差或方差MV的標(biāo)準(zhǔn)偏差或方差第11頁，共156頁，2023年，2月20日，星期四閉環(huán)系統(tǒng)模型我們可以通過許多方法實現(xiàn)反饋無控制：系統(tǒng)響應(yīng)所有的輸入，任意“漂移”手動控制：依靠人觀察測量值，并引入補(bǔ)償，系統(tǒng)的調(diào)節(jié)依賴于人。開關(guān)控制：控制（操縱）變量只有兩種狀態(tài)，結(jié)果可能導(dǎo)致系統(tǒng)的振蕩。連續(xù)自動控制：通過對被控變量與期望值的偏差的自動調(diào)整實現(xiàn)控制。緊急控制：當(dāng)緊急狀態(tài)發(fā)生時，將執(zhí)行極端的作用（停機(jī)）。第12頁，共156頁，2023年，2月20日，星期四概念通過過程和裝置的示意圖可以得到傳感器的位置、測量的變量、相關(guān)的執(zhí)行機(jī)構(gòu)（如：閥）和執(zhí)行機(jī)構(gòu)的位置。第13頁，共156頁，2023年，2月20日，星期四在過程系統(tǒng)中有許多因素影響安全、可靠、精確、動態(tài)性和成本。工程設(shè)計者必須要明確這些細(xì)節(jié)。實際第14頁，共156頁，2023年，2月20日，星期四思考第15頁，共156頁，2023年，2月20日，星期四做為工程師必須要明確在過程控制系統(tǒng)中需要測量哪些量？調(diào)節(jié)哪些閥？提供什么設(shè)備用于控制決策？思考第16頁，共156頁，2023年，2月20日，星期四考慮被控對象，主要有七類目標(biāo)：控制目標(biāo)控制目標(biāo)過程變量傳感器（1）安全性？？？？？？（2）環(huán)境保護(hù)？？？？？？（3）設(shè)備保護(hù)？？？？？？（4）裝置的平穩(wěn)運(yùn)行和產(chǎn)量？？？？？？（5）產(chǎn)品質(zhì)量？？？？？？（6）利潤優(yōu)化？？？？？？（7）監(jiān)測和診斷？？？？？？第17頁，共156頁，2023年，2月20日，星期四當(dāng)系統(tǒng)受到外界擾動的影響時為使被控變量（液位）與設(shè)定值保持一致；檢測被控變量，并與設(shè)定值比較得到偏差；按一定控制規(guī)律對偏差運(yùn)算；輸出信號驅(qū)動操縱變量（流量）；最終使被控變量恢復(fù)到設(shè)定值；變送器檢測液位。控制器對偏差運(yùn)算。執(zhí)行器改變操縱變量。液位控制系統(tǒng)的示例第18頁，共156頁，2023年，2月20日，星期四當(dāng)系統(tǒng)受到外界擾動的影響時為使被控變量（壓力）與設(shè)定值保持一致；檢測被控變量，并與設(shè)定值比較得到偏差；按一定控制規(guī)律對偏差運(yùn)算。輸出信號驅(qū)動操縱變量（流量）。最終使被控變量恢復(fù)到設(shè)定值。變送器檢測壓力控制器對偏差運(yùn)算。執(zhí)行器改變操縱變量。壓力控制系統(tǒng)的示例第19頁，共156頁，2023年，2月20日，星期四當(dāng)系統(tǒng)受到外界擾動的影響時為使被控變量（溫度）與設(shè)定值保持一致；檢測被控變量，并與設(shè)定值比較得到偏差；按一定控制規(guī)律對偏差運(yùn)算。輸出信號驅(qū)動操縱變量（流量）。最終使被控變量恢復(fù)到設(shè)定值。變送器檢測溫度。控制器對偏差運(yùn)算。執(zhí)行器改變操縱變量。溫度控制系統(tǒng)的示例第20頁，共156頁，2023年，2月20日，星期四箭頭表示信號流向，不是物流和能量流。各環(huán)節(jié)增益的正負(fù)根據(jù)穩(wěn)態(tài)條件下輸出增量與輸入增量之比確定。該環(huán)節(jié)輸入增加時，輸出增加，增益為正；輸出減少，增益為負(fù)。常用執(zhí)行器、被控對象和檢測變送環(huán)節(jié)組成廣義對象，用G0(s)表示。控制系統(tǒng)的有關(guān)術(shù)語第21頁，共156頁，2023年，2月20日，星期四控制系統(tǒng)的有關(guān)術(shù)語被控對象（Process或Object）：被控制的設(shè)備或裝置；被控變量（ControlledVariable）：需要對其進(jìn)行控制的工藝變量；操縱變量（ManipulatedVariable）：受執(zhí)行機(jī)構(gòu)操縱，用于克服擾動影響的變量；擾動（Disturbance）：影響被控變量的各種干擾作用；檢測變送（Sensor，Transmitter）：把被控變量檢測出來，并轉(zhuǎn)換成表轉(zhuǎn)信號，送控制器；控制器（Controller）：根據(jù)設(shè)定值與測量值間的偏差，按控制規(guī)律輸出信號的設(shè)備；執(zhí)行器（ControlValve）：接受控制器輸出信號，控制操縱變量的設(shè)備。第22頁，共156頁，2023年，2月20日，星期四控制通道：操縱變量到被控變量的通道。擾動通道：擾動變量到被控變量的通道。擾動影響被控變量或設(shè)定變化時，通過控制通道調(diào)節(jié)。改變操縱變量，克服擾動對被控變量的影響或跟隨設(shè)定變化。定值控制系統(tǒng)：設(shè)定值固定的控制系統(tǒng)。隨動控制系統(tǒng)：被控變量跟隨設(shè)定值變化的控制系統(tǒng)。采樣控制系統(tǒng)：包含采樣開關(guān)的控制系統(tǒng)。如，計算機(jī)控制系統(tǒng)。常將檢測變送環(huán)節(jié)表示為1，檢測變送與被控對象合并考慮。盡可能選擇直接被控變量，少用間接被控變量。控制系統(tǒng)的有關(guān)術(shù)語第23頁，共156頁，2023年，2月20日，星期四穩(wěn)定性：控制系統(tǒng)閉環(huán)極點位于s左半平面。準(zhǔn)確性：控制系統(tǒng)被控變量與設(shè)定（參比變量）之間的偏差盡量小?？焖傩裕嚎刂葡到y(tǒng)存在偏差的時間盡量短。偏離度：控制系統(tǒng)被控變量偏離設(shè)定（參比變量）的離散度盡量小。時域控制性能指標(biāo)衰減比n：系統(tǒng)穩(wěn)定性指標(biāo)。超調(diào)量和最大動態(tài)偏差：系統(tǒng)穩(wěn)定性指標(biāo)。余差：系統(tǒng)準(zhǔn)確性指標(biāo)?；貜?fù)時間和振蕩頻率：系統(tǒng)快速性指標(biāo)。偏離度：系統(tǒng)綜合性指標(biāo)。第24頁，共156頁，2023年，2月20日，星期四控制系統(tǒng)運(yùn)行的重要準(zhǔn)則（1）負(fù)反饋準(zhǔn)則控制系統(tǒng)成為負(fù)反饋的條件是該系統(tǒng)各開環(huán)增益之積為正。即，（2）穩(wěn)定運(yùn)行準(zhǔn)則控制系統(tǒng)靜態(tài)運(yùn)行條件是擾動或設(shè)定變化時，控制系統(tǒng)各環(huán)節(jié)增益之積恒定。即，控制系統(tǒng)動態(tài)運(yùn)行條件是擾動或設(shè)定變化時，控制系統(tǒng)總開環(huán)傳遞函數(shù)的模恒定。即第25頁，共156頁，2023年，2月20日，星期四被控變量：生產(chǎn)過程中借助自動控制來保持恒定值的變量。

必須找出影響生產(chǎn)的關(guān)鍵變量作為被控變量。關(guān)鍵變量：是指對產(chǎn)品的產(chǎn)量、質(zhì)量及安全具有決定性作用，而人工操作又難以滿足要求的變量。被控變量的選擇第26頁，共156頁，2023年，2月20日，星期四選擇被控變量時，一般要遵循下列原則：（1）被控變量應(yīng)能代表一定的工藝操作指標(biāo)，或能反映工藝操作狀態(tài)，一般都是工藝過程中比較重要的變量。（2）被控變量在工藝操作中經(jīng)常要遇到一些干擾影響而變化。維持被控變量的恒穩(wěn)，所選取的被控變量應(yīng)能較頻繁的調(diào)節(jié)。（3）盡量選直接控制指標(biāo)作為被控變量。若無法獲取直接指標(biāo)信號，可選擇與直接指標(biāo)有單值對應(yīng)關(guān)系的間接指標(biāo)為被控變量。（4）被控變量應(yīng)能被測量出來，并具有足夠大的靈敏度。（5）選擇被控變量時，必須考慮工藝合理性和儀表產(chǎn)品現(xiàn)狀。（6）被控變量應(yīng)該是獨立可控的。被控變量的選擇原則第27頁，共156頁，2023年，2月20日，星期四操縱變量的選擇操縱變量：用來克服干擾對被被控變量的影響，實現(xiàn)控制作用的變量。

應(yīng)把對被控變量影響較顯著的可控因素作為操縱變量。精餾塔第28頁，共156頁，2023年，2月20日，星期四操縱變量的選擇影響提餾段靈敏板溫度T靈的因素主要有：☆進(jìn)料的流量（Q入）；☆進(jìn)料的成分（X入）；☆進(jìn)料的溫度（T入）；☆回流的流量（Q回）；☆回流液的溫度（T回）；☆加熱蒸汽的流量（Q蒸）☆冷卻器冷卻溫度及塔壓等。以上因素都會引起被控變量T靈的變化。第29頁，共156頁，2023年，2月20日，星期四操縱變量的選擇原則選擇操縱變量時，應(yīng)盡量考慮：（1）與被控變量的因果關(guān)系。（2）有利于實現(xiàn)自動化控制。（3）具有快速的動態(tài)響應(yīng)性能。（4）對較大的擾動具有補(bǔ)償作用。（5）能夠?qū)^程性能的不利影響進(jìn)行快速的調(diào)節(jié)。第30頁，共156頁，2023年，2月20日，星期四操縱變量的選擇把影響提餾段靈敏板溫度T靈的因素分為兩類：可控因素和不可控因素。可控因素包括：回流量與蒸汽流量。其余都是不可控因素。在不可控因素中，有些也是可以調(diào)節(jié)的，例如進(jìn)料量、塔壓等，但工藝上不允許用調(diào)節(jié)這些變量來控制塔的溫度。（因為進(jìn)料量的波動意味著生產(chǎn)負(fù)荷的波動，塔壓的波動意味著塔的工作不穩(wěn)定。）

在回流量與蒸汽流量兩個可控因素中，蒸汽流量對提餾段溫度影響更顯著，更節(jié)能。所以選蒸汽流量為操縱變量。第31頁，共156頁，2023年，2月20日，星期四過程靜態(tài)特性對控制質(zhì)量的影響是指過程的靜態(tài)放大系數(shù)對控制質(zhì)量的影響。過程靜態(tài)特性對控制質(zhì)量的影響第32頁，共156頁，2023年，2月20日，星期四確定控制通道和擾動通道靜態(tài)放大倍數(shù)的關(guān)系靜態(tài)特性對控制質(zhì)量的影響第33頁，共156頁，2023年，2月20日，星期四系統(tǒng)余差靜態(tài)特性對控制質(zhì)量的影響第34頁，共156頁，2023年，2月20日，星期四結(jié)論擾動通道的靜態(tài)放系數(shù)越大，系統(tǒng)余差越大；控制通道的放大系數(shù)越大，系統(tǒng)余差越小，克服擾動通道的效果越好；靜態(tài)特性對控制質(zhì)量的影響第35頁，共156頁，2023年，2月20日，星期四過程的動態(tài)特性包括過程擾動通道和控制通道1.擾動通道特性的影響（1）擾動通道的影響過程動態(tài)特性對控制質(zhì)量的影響結(jié)論擾動通道的時間常數(shù)使系統(tǒng)特征方程式增加了一個極點愈大，則擾動通道對系統(tǒng)的影響愈小第36頁，共156頁，2023年，2月20日，星期四干擾通道的特征參數(shù)對控制質(zhì)量的影響第37頁，共156頁，2023年，2月20日，星期四（2）滯后時間常數(shù)的影響結(jié)論擾動滯后時間常數(shù)使整個過程推遲一個滯后時間常數(shù)，所以存在擾動滯后對系統(tǒng)有利。第38頁，共156頁，2023年，2月20日，星期四（3）擾動點位置的影響結(jié)論當(dāng)擾動F的幅值和形式相同時：進(jìn)入系統(tǒng)的位置越遠(yuǎn)離被控變量活躍靠近操縱變量，擾動對控制系統(tǒng)被控變量的影響越小。因擾動進(jìn)入位置越遠(yuǎn)離被控變量，相當(dāng)于等效時間常數(shù)越大或擾動通道的濾波環(huán)節(jié)越多，擾動對被控變量的影響越小。

第39頁，共156頁，2023年，2月20日，星期四擾動進(jìn)入系統(tǒng)的位置離輸出(被調(diào)量)越遠(yuǎn),對系統(tǒng)控制質(zhì)量影響就越小。

第40頁，共156頁，2023年，2月20日，星期四2.控制通道動態(tài)特性的影響（1）可控性指標(biāo)決定系統(tǒng)控制特性的因素為系統(tǒng)增益和振蕩頻率；決定上述兩個因素的基本因素是系統(tǒng)的最大增益和臨界頻率。可控性指標(biāo)。（2）控制通道的影響被控過程7.9423.1987.9422.5121.720.730.350.913.662.3342.782.26第41頁，共156頁，2023年，2月20日，星期四的變動主要影響調(diào)節(jié)過程的快慢，越大則過渡過程越慢。的變動將同時影響系統(tǒng)的穩(wěn)定性，越大，系統(tǒng)越易穩(wěn)定，過程越是平穩(wěn)。一般地說，太大則失之過慢，太小則變化過于急劇?？刂仆ǖ赖挠绊懙?2頁，共156頁，2023年，2月20日，星期四（3）時間常數(shù)、遲延時間對控制質(zhì)量的影響n階慣性對象對控制質(zhì)量的影響

控制通道的時間常數(shù)T如果增大,系統(tǒng)的反應(yīng)速度慢,工作頻率將下降,系統(tǒng)的過渡過程的時間將加長，減小控制通道的時間常數(shù)，能提高控制系統(tǒng)的控制質(zhì)量。

慣性對象階次n越大對被調(diào)量的影響越慢，調(diào)節(jié)的也越慢，使控制系統(tǒng)的動態(tài)偏差、控制過程的時間增大，穩(wěn)定性裕度減小。

第43頁，共156頁，2023年，2月20日，星期四第44頁，共156頁，2023年，2月20日，星期四有遲延對象對控制質(zhì)量的影響當(dāng)控制通道有遲延時,遲延時間對調(diào)節(jié)是不利的，控制質(zhì)量主要取決于遲延和時間常數(shù)的比值τo/To,比值越大則控制質(zhì)量越差。

（3）過程的時間常數(shù)匹配設(shè)廣義被控對象的傳遞函數(shù)為：第45頁，共156頁，2023年，2月20日，星期四過程的時間常數(shù)匹配參數(shù)變化T1T2T3原始數(shù)據(jù)105212.60.415.2減小T15529.80.494.8減小T2102.5213.50.547.3減小T3105119.80.5711.2增大T1205219.20.377.1減小T2T3102.5119.30.7414.2結(jié)論如果有兩個以上的時間常數(shù)，則最大的時間常數(shù)決定過程的快慢，而T2/T1等因素只影響系統(tǒng)易控的程度，T2與T1拉得愈開，即T2/T1愈小，則愈接近一階環(huán)節(jié)，系統(tǒng)愈易穩(wěn)定。設(shè)法減小T2/T1往往是提高系統(tǒng)調(diào)節(jié)品質(zhì)的一條可行性途徑，這在選擇設(shè)備設(shè)計與檢測組件時是很值得考慮的。第46頁，共156頁，2023年，2月20日，星期四結(jié)論選擇過程控制通道的放大系數(shù)要適當(dāng)大。時間常數(shù)T0要小。純滯后愈小愈好。在有的情況下,應(yīng)該小。選擇過程擾動通道的放大系數(shù)Kf應(yīng)盡可能小；時間常數(shù)Tf要大；擾動引入系統(tǒng)的位置要遠(yuǎn)離控制過程；容量滯后愈大愈有利于控制。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)盡量把幾個時間常數(shù)錯開。注意工藝操作的合理性和經(jīng)濟(jì)性。第47頁，共156頁，2023年，2月20日，星期四執(zhí)行器執(zhí)行器代替手動操作，是構(gòu)成自動控制系統(tǒng)不可缺少的重要部分。執(zhí)行器在系統(tǒng)中作用是接受控制器的輸出信號，直接控制被控介質(zhì)的的輸送量，達(dá)到控制溫度、壓力、流量、液位等工藝參數(shù)的目的，從而將被控變量維持在工藝指標(biāo)要求的數(shù)值上。（1）結(jié)構(gòu)類型執(zhí)行機(jī)構(gòu)：把控制器的輸出信號轉(zhuǎn)換為位移信號。調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)：把位移信號轉(zhuǎn)換成流通截面積的變化。執(zhí)行機(jī)構(gòu)有氣動、電動和液動之分。調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)有單座、雙座、偏心旋轉(zhuǎn)、套筒、蝶閥等。執(zhí)行器基本概念第48頁，共156頁，2023年，2月20日，星期四執(zhí)行器（2）材質(zhì)閥芯：不銹鋼、特殊合金、表面涂層閥芯等。閥體：鑄鋼、鑄鐵、青銅、高分子材料、復(fù)合材料等。（3）口徑流通能力C：根據(jù)流量、閥兩端差壓和介質(zhì)重度確定。流通能力計算方法。（4）氣開和氣關(guān)氣開：輸入氣壓增加，閥門開度增大。失氣時關(guān)閉。氣關(guān)：輸入氣壓增加，閥門開度減小。失氣時全開?？刂崎y氣開氣關(guān)特性的選擇。第49頁，共156頁，2023年，2月20日，星期四執(zhí)行器（5）電——氣轉(zhuǎn)換在自動化生產(chǎn)過程中為了適應(yīng)不同環(huán)境的需要，往往采用電——氣復(fù)合控制系統(tǒng)，即可以通過電——氣轉(zhuǎn)換器或閥門定位器等進(jìn)行電——氣信號的轉(zhuǎn)換。第50頁，共156頁，2023年，2月20日，星期四執(zhí)行器（6）執(zhí)行器傳遞函數(shù)描述執(zhí)行器由執(zhí)行機(jī)構(gòu)和調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)兩部分組成。執(zhí)行機(jī)構(gòu)可分解為兩部分：控制器輸出信號轉(zhuǎn)換為控制閥的推力或力矩的部件稱為力或力矩轉(zhuǎn)換部件；推力或力矩轉(zhuǎn)換為直線或角位移的部件稱為轉(zhuǎn)換部件。調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)將位移信號轉(zhuǎn)換為流通面積的變化，改變操縱變量的數(shù)值。第51頁，共156頁，2023年，2月20日，星期四氣動執(zhí)行機(jī)構(gòu)活塞式執(zhí)行機(jī)構(gòu)第52頁，共156頁，2023年，2月20日，星期四考慮控制閥（調(diào)節(jié)閥）的流量特性控制閥的流量特性是指被控介質(zhì)流過閥門的相對流量與閥門的相對開度（相對位移）之間的關(guān)系，即：Q/Qmax：相對流量，即控制閥某一開度流量與全開時流量之比；l/L：相對開度，即控制閥某一開度行程與全開時行程之比。流過控制閥的流量主要取決于執(zhí)行機(jī)構(gòu)的行程。也就是說，取決于閥芯與閥座之間的節(jié)流面積。但是實際上，還要受多種因素的影響，比如在節(jié)流面積改變的同時，還會引起閥前后壓差變化，而壓差的變化又會引起流量的變化。所以在分析控制閥流量特性時，有理想特性與工作特性之分。第53頁，共156頁，2023年，2月20日，星期四（1）控制閥的理想流量特性不考慮控制閥前后壓差的變化時得到的流量特性稱為理想流量特性。控制閥的理想流量特性取決于閥芯的形狀，主要有直線、等百分比（對數(shù)）、快開及拋物線等幾種。

第54頁，共156頁，2023年，2月20日，星期四（2）控制閥的工作流量特性串聯(lián)管道的工作流量特性當(dāng)控制閥串聯(lián)在管道系統(tǒng)時，△P1表示控制閥前后的壓差；△P2表示管道系統(tǒng)的壓差；△P表示系統(tǒng)的總壓差；△P＝△P1+△P2。第55頁，共156頁，2023年，2月20日，星期四并聯(lián)管道的工作流量特性并聯(lián)管道時，顯然這時管路的總流量Q等于控制閥流量Q1與旁路閥流量Q2之和。即，Q＝Q1+Q2

打開旁路的控制方案是很不好的，一般情況下旁路流量最多只能是總流量的百分之十幾?？刂崎y的流量特性第56頁，共156頁，2023年，2月20日，星期四控制閥的流量特性第57頁，共156頁，2023年，2月20日，星期四串、并聯(lián)管道的情況有如下的結(jié)論：☆串、并聯(lián)管道都會使控制閥的理想流量特性發(fā)生畸變，串聯(lián)管道的影響尤為嚴(yán)重?！畲?、并聯(lián)管道都會使控制閥的可調(diào)范圍降低，并聯(lián)管道尤為嚴(yán)重?！畲?lián)管道使系統(tǒng)總流量減少；并聯(lián)管道使系統(tǒng)總流量增加。☆串、并聯(lián)管道會時控制閥的放大系數(shù)減小。串聯(lián)管道控制閥大開度時影響嚴(yán)重；并聯(lián)管道控制閥小開度時影響嚴(yán)重?？刂崎y的流量特性第58頁，共156頁，2023年，2月20日，星期四從改善控制系統(tǒng)控制質(zhì)量選擇彌補(bǔ)系統(tǒng)的非線性（3）控制閥（調(diào)節(jié)閥）流量特性的選擇第59頁，共156頁，2023年，2月20日，星期四從改善控制質(zhì)量考慮控制閥的工作特性第60頁，共156頁，2023年，2月20日，星期四從配管狀況考慮控制閥的工作特性配管狀況S=1—0.6S=0.6—0.3S=0.3—0閥工作流量特性直線等百分比直線等百分比不適宜控制閥理想流量特性直線等百分比等百分比等百分比第61頁，共156頁，2023年，2月20日，星期四控制系統(tǒng)及被控參數(shù)干擾選擇調(diào)節(jié)閥流量特性流量控制系統(tǒng)壓力P1P2等百分比給定值直線壓力控制系統(tǒng)P2等百分比P3直線給定值P1直線液位控制系統(tǒng)流量直線給定值等百分比從負(fù)荷變化情況考慮控制閥的工作特性第62頁，共156頁，2023年，2月20日，星期四控制閥形式的選擇（1）氣動執(zhí)行器有氣開與氣關(guān)兩種形式：氣開式：有壓力信號時閥開，無壓力信號時閥關(guān)；氣關(guān)式：有壓力信號時閥關(guān)，無壓力信號時閥開。由于氣動薄膜控制閥的執(zhí)行機(jī)構(gòu)和控制機(jī)構(gòu)（具有雙導(dǎo)向閥芯的直通式雙座閥）都有正、反作用形式，因此氣動執(zhí)行器的氣開與氣關(guān)即由此組合而成。第63頁，共156頁，2023年，2月20日，星期四氣開、氣關(guān)的選擇主要從工藝生產(chǎn)的安全要求出發(fā)。考慮的原則是：信號壓力中斷時，應(yīng)保證操作人員和設(shè)備的安全。若信號壓力中斷，閥處于關(guān)閉位置時危害性小，則應(yīng)選用氣開式，以使當(dāng)氣源系統(tǒng)發(fā)生故障導(dǎo)致氣源中斷時，閥門能自動關(guān)閉，保證安全。反之，若信號壓力中斷，閥處于打開位置時危害性小，則應(yīng)選用氣關(guān)式，以使當(dāng)氣源系統(tǒng)發(fā)生故障導(dǎo)致氣源中斷時，閥門能自動打開，保證安全。第64頁，共156頁，2023年，2月20日，星期四（2）執(zhí)行器氣開、氣關(guān)的選擇原則

基本原則：根據(jù)安全生產(chǎn)的要求選擇控制閥的氣開氣關(guān)特性。

實際原則：

氣源或電源中斷時，

進(jìn)入裝置的原料、熱源應(yīng)切斷進(jìn)料閥選氣開；

切斷裝置向外輸出產(chǎn)品———出料閥選氣開；

精餾塔回流應(yīng)打開—————回流閥選氣關(guān)。

如系統(tǒng)為串級，氣開氣關(guān)均可選時：

為使主控和串級的切換方便—選KV與主控對象放大系數(shù)有相同

符號的閥（氣開為正，氣關(guān)為負(fù)）。第65頁，共156頁，2023年，2月20日，星期四電動執(zhí)行器電動執(zhí)行器有角行程、直行程和多轉(zhuǎn)式等類型。電動執(zhí)行器接收來自控制器（或轉(zhuǎn)換器）輸出的0—10mA或4—20mA標(biāo)準(zhǔn)電信號，并將器轉(zhuǎn)換成相應(yīng)的角位移或直行程位移，去操作閥門、擋板、等控制機(jī)構(gòu)，以實現(xiàn)自動控制。電動執(zhí)行機(jī)構(gòu)主要由伺服放大器、伺服電動機(jī)、減速器、位置發(fā)送器和操縱器組成，如圖所示。電動執(zhí)行機(jī)構(gòu)不僅可以與控制器配合實現(xiàn)自動控制，還可以通過操縱器實現(xiàn)控制系統(tǒng)的自動和手動控制的相互切換。第66頁，共156頁，2023年，2月20日，星期四

執(zhí)行電動機(jī)的特點

可控性：能夠?qū)⒖刂菩盘枌?yīng)的轉(zhuǎn)變?yōu)闄C(jī)械運(yùn)動。

快速性：能滿足控制系統(tǒng)快速信號變化要求，及時作出響應(yīng)。

精確性：能精確將機(jī)械定位在所需位置，滿足控制系統(tǒng)要求。

適應(yīng)性：能夠適應(yīng)環(huán)境變化，克服溫度、濕度等變化影響。

執(zhí)行電動機(jī)分類

按電動機(jī)原理可分為直流電動機(jī)，步進(jìn)電動機(jī)，交流同步電動機(jī)，交流異步電動機(jī)，開關(guān)磁阻電動機(jī)等。

按控制方式可分為調(diào)壓調(diào)速、變頻調(diào)速和電磁調(diào)速等。電動執(zhí)行器的選擇原則第67頁，共156頁，2023年，2月20日，星期四控制系統(tǒng)傳感與變送典型的檢測變送器1.檢測變送器的一般結(jié)構(gòu)

一般包含一個傳感器及一個激勵元件（轉(zhuǎn)換器）。2.檢測（傳感與變送）儀表分類（1）按儀表使用的能源分類：電動儀表、氣動儀表。（2）按信號的處理過程分類：檢測表、顯示表、控制表、執(zhí)行器。（3）按儀表的組成形式分類：基地式儀表、單元組合儀表。（4）按被測量的參數(shù)分類：溫度表、流量表、壓力表、物位表。（5）按具體顯示形式分類：指針式儀表、數(shù)字式儀表、記錄打印型儀表。第68頁，共156頁，2023年，2月20日，星期四3.檢測變送器的作用把工藝生產(chǎn)過程的變量（流量、壓力、溫度、液位和成分等）及檢測、轉(zhuǎn)換單元轉(zhuǎn)換成標(biāo)準(zhǔn)的電或氣信號。變送器輸出是被控變量的測量值，它被送到顯示和控制裝置，用于顯示和控制。4.檢測變送器的基本要求正確性：正確反映被控變量，誤差小?？焖傩裕杭皶r反映被控變量的變化?？煽啃裕洪L期穩(wěn)定運(yùn)行。第69頁，共156頁，2023年，2月20日，星期四5.檢測變送器的選用原則在環(huán)境工況條件下應(yīng)能長期穩(wěn)定運(yùn)行。儀表精度和量程的選擇：選用儀表的精度要合適：應(yīng)符合工藝檢測要求。儀表測量誤差：儀表本身誤差、環(huán)境工況引入的誤差和動態(tài)誤差。量程選擇：量程的改變會引起最大讀書誤差變化和增益的變化。被測對象或介質(zhì)的特性。如，氣、液、固，腐蝕性等。檢測采用的形式要求。如，侵入或非侵入被測信號的性質(zhì)及頻率范圍。儀表的構(gòu)造材料，安裝結(jié)構(gòu)；對環(huán)境、安全的保證；成本等。第70頁，共156頁，2023年，2月20日，星期四6.檢測變送器的基本問題檢測零點與量程工程單位轉(zhuǎn)換第71頁，共156頁，2023年，2月20日，星期四非線性（用分段直線近似）標(biāo)度誤差，死區(qū)，靈敏度閾值（斜率不能改變）重復(fù)性與滯環(huán)誤差第72頁，共156頁，2023年，2月20日，星期四測量/傳送滯后如：溫度傳感器：具有大純滯后特性，應(yīng)使盡可能得小（熱電偶的位置和材料）。

氣動傳輸線：通常在實驗測量時有純時間滯后，（電信號沒有時間滯后）；在目前沒有電傳輸應(yīng)用廣泛。第73頁，共156頁，2023年，2月20日，星期四

對檢測滯后時間Tm的考慮：作為廣義對象的組成部分，考慮與被控過程時間Tp的匹配。一般情況下與Tp比較，Tm不大，因此，它的影響也不大。減小Tm的途徑：選用快速響應(yīng)的檢測元件；正確使用微分環(huán)節(jié)；選用繼電器或放大器。

對m的考慮：m=l/w與Tm一起考慮，應(yīng)使m/Tm??；通常在溫度、成分分析的被控過程中要考慮減小m的途徑：減小檢測點到變送器間距離l；加大信號傳送速度w。第74頁，共156頁，2023年，2月20日，星期四測量信號的處理第75頁，共156頁，2023年，2月20日，星期四控制規(guī)律指的是控制器本身的特性，即控制器的輸出信號與輸入信號之間的關(guān)系。控制器也叫做調(diào)節(jié)器，所以控制規(guī)律也叫做調(diào)節(jié)規(guī)律。在研究控制器的控制規(guī)律時，也像分析系統(tǒng)的過渡過程一樣，把輸入信號e視為階躍信號，研究控制器的輸出信號p隨時間變化的規(guī)律?？刂破髟O(shè)計第76頁，共156頁，2023年，2月20日，星期四控制器的基本控制規(guī)律包括：☆位式控制（常用的是雙位控制）；或稱位式調(diào)節(jié)。☆比例控制（P）；或稱比例調(diào)節(jié)?！罘e分控制（I）；或稱積分調(diào)節(jié)?！钗⒎挚刂疲―）；或稱微分調(diào)節(jié)?！畋壤e分控制（PI）；或稱比例積分調(diào)節(jié)?！畋壤⒎挚刂疲≒D）；或稱比例微分調(diào)節(jié)?！畋壤e分微分控制（PID）?；蚍Q比例積分微分調(diào)節(jié)。第77頁，共156頁，2023年，2月20日，星期四常用控制器特性的概述1.開關(guān)控制：價格便宜；非常簡單。2.比例控制：設(shè)計簡單；適當(dāng)?shù)卣{(diào)節(jié)可以使系統(tǒng)達(dá)到穩(wěn)定；容易調(diào)節(jié)； 在穩(wěn)定狀態(tài)下有偏差。（適于液位控制）3.比例－積分控制：抑制偏差；與單一設(shè)置相比具有更好地動態(tài)性能； 由于引入延遲，所以有可能出現(xiàn)不穩(wěn)定性。4.比例－微分控制： 穩(wěn)定；減少了比例控制的穩(wěn)定誤差；降低延遲。例如，具有快速性。5.比例－積分－微分控制：結(jié)構(gòu)比較復(fù)雜；快速響應(yīng)；消除穩(wěn)定誤差；如果適當(dāng)?shù)恼{(diào)節(jié)，PID控制將具有非常好的控制性能。第78頁，共156頁，2023年，2月20日，星期四開關(guān)（位式）控制☆開關(guān)控制的規(guī)律當(dāng)測量值大于給定值時，控制器的輸出位最大（或最?。?；當(dāng)測量值小于給定值時，控制器的輸出位最?。ɑ蜃畲螅?。

理想的開關(guān)控制器的輸出信號P與輸入信號e（誤差信號=設(shè)定值-測量值）之間的關(guān)系為：P=Pmaxe＞0（或e＜0）時P=Pmine＜0（或e＞0）時即控制器只有“開”“關(guān)”兩個輸出狀態(tài)。也稱為：雙位（Two-Position）或“Bang-Bang”控制。第79頁，共156頁，2023年，2月20日，星期四☆開關(guān)控制的實際應(yīng)用死區(qū)問題！由于實際應(yīng)用中的雙位控制具有一個中間區(qū)域（或稱不靈敏區(qū)域）。使得系統(tǒng)不能到達(dá)穩(wěn)定狀態(tài)！δ=tolerance（公差）第80頁，共156頁，2023年，2月20日，星期四可用于小區(qū)供熱和家用冰箱的控制中；由于被控變量連續(xù)地循環(huán)，容易已造成控制閥過度磨損，在過程控制中不經(jīng)常運(yùn)用。例如：分組過程控制(PLC=可編程邏輯控制器)；家庭加熱單元中的螺線管；自動噴水滅火系統(tǒng)；循環(huán)控制。第81頁，共156頁，2023年，2月20日，星期四PID控制第82頁，共156頁，2023年，2月20日，星期四比例控制按照誤差的比例修正。時域表示：傳遞函數(shù)：Kc=控制器增益第83頁，共156頁，2023年，2月20日，星期四比例控制特性及其特點比例控制規(guī)律可用數(shù)學(xué)式表示為：ΔP＝Kpe式中：ΔP：控制器的輸出變化量；e：控制器的輸入，即偏差；Kp：比例控制器的放大倍數(shù)；放大倍數(shù)Kp是可調(diào)的，比例控制器可以視為一個放大倍數(shù)可調(diào)的放大器。第84頁，共156頁，2023年，2月20日，星期四簡單的比例控制實例一個簡單的液位比例控制（調(diào)節(jié)）系統(tǒng)，杠桿的一端固定浮球，另一端與調(diào)節(jié)閥的閥桿連接。浮球隨液位的波動而升降。浮球的升降通過杠桿帶動閥芯。浮球升高，閥門關(guān)小，輸入流量減少；浮球下降，閥門開大，輸入流量增加。第85頁，共156頁，2023年，2月20日，星期四由相似三角形的關(guān)系可得：a/e＝b/ΔP則ΔP＝（b/a）e令Kp＝b/a所以ΔP＝Kpe式中，e：杠桿左端的位移，即液位的變化量（控制器的輸入，即偏差）；ΔP：杠桿右端的位移，即閥桿的位移量（控制器的輸出變化量）；a、b：分別為杠桿支點與兩端的距離。Kp：比例控制器的放大倍數(shù)。（由Kp＝b/a可知，改變支點位置可改變Kp）。第86頁，共156頁，2023年，2月20日，星期四1.比例度在實際的比例控制器中，習(xí)慣上用比例度δ來表示比例作用的強(qiáng)弱，而不用放大倍數(shù)Kp。式中e：控制器的輸入變化量；ΔP：相應(yīng)的控制器的輸出變化量；xmax－xmin：輸入的最大變化量，即控制儀表的量程；Pmax－Pmin：輸出的最大變化量，即控制儀表輸出的工作范圍。比例度就是使控制器輸出變化滿刻度時，輸入偏差變化對應(yīng)指示刻度的百分?jǐn)?shù)。比例控制中的一些概念第87頁，共156頁，2023年，2月20日，星期四例如，一只比例作用的DDZ-Ⅱ電動溫度控制器，其量程（刻度范圍）為400—800°C，控制器輸出為0—10mA。當(dāng)儀表指針從600°C移到700°C，此時控制器相應(yīng)的輸出從4mA變?yōu)?mA，這時的比例度應(yīng)該是：這說明這臺溫度控制器，當(dāng)溫度變化全量程的50%（相當(dāng)于變化200°C），這臺控制器的輸出就可以從0mA變化到10mA。在此范圍內(nèi)，溫度輸入的變化e和控制器的輸出ΔP是成比例的。第88頁，共156頁，2023年，2月20日，星期四比例度的示意圖：分別說明了當(dāng)比例度為50%、100%、200%時，控制器的輸出由最小Pmin變?yōu)樽畲驪max的所需要的輸入變化區(qū)間。

比例度越小，使輸出變化全量程范圍所需的輸入變化區(qū)間就越小。

比例控制第89頁，共156頁，2023年，2月20日，星期四比例控制比例作用的強(qiáng)弱的表示比例度δ與放大倍數(shù)Kp都可以用來表示比例調(diào)節(jié)作用的強(qiáng)弱。只不過放大倍數(shù)Kp越大，表示比例控制作用越強(qiáng)；而δ越大，表示控制作用越弱。在單元組合式儀表中，控制器和變送器的輸出信號都是統(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn)信號，則比例度δ與放大倍數(shù)Kp互為倒數(shù)關(guān)系，即第90頁，共156頁，2023年，2月20日，星期四2.比例調(diào)節(jié)系統(tǒng)的過渡過程及余差設(shè)在t=t0時，系統(tǒng)受到一個階躍干擾，出水量Q2突然增加一個數(shù)值。這時，系統(tǒng)中的液位h、偏差e、控制器的輸出ΔP及進(jìn)水量Q1都會產(chǎn)生變化。當(dāng)t=t0時，出水量Q2有一階躍增加之后，被控變量h（液位）開始下降，浮球也隨之下降，通過杠桿使進(jìn)水閥的閥桿上升，則作用在控制閥上的信號ΔP增加，使進(jìn)水量Q1增加；Q1的增加就會使液位的下降速度逐漸變慢下來經(jīng)過一段時間調(diào)整，進(jìn)水量Q1又重新等于出水量Q2以后，系統(tǒng)建立新的平衡，液位穩(wěn)定在一個新的數(shù)值。新的穩(wěn)態(tài)值與給定值不再相等，而是低于給定值，它們之間的差稱為“余差”。第91頁，共156頁，2023年，2月20日，星期四產(chǎn)生余差的原因

由于比例控制規(guī)律其偏差的大小與閥門的開度是一一對應(yīng)的，有一個閥門開度就有一個對應(yīng)的偏差值。由圖所示的簡單液位比例控制系統(tǒng)來看，在t0時刻之前，系統(tǒng)處于平衡狀態(tài)，進(jìn)水量與出水量是相等的，此時控制閥有一個特定的開度，比如說對應(yīng)與杠桿處于水平的位置。當(dāng)t=t0時，出水量有一階躍增加后，于是液位下降，使得進(jìn)水量增加；只有當(dāng)進(jìn)水量增加到與出水量相等時，才能重新建立平衡，液位也才會不再變化。但是要使進(jìn)水量增加，控制閥開度必須增大，即要求閥桿必須上移，因為杠桿是一種剛性機(jī)構(gòu)，所以閥桿上移時浮球必然下移；這就是說達(dá)到新的平衡時浮球位值一定下移，液位穩(wěn)定在比原來穩(wěn)態(tài)值（即給定值）要低的位置上，新穩(wěn)態(tài)值與原來穩(wěn)態(tài)值的差值就是余差。

產(chǎn)生余差的原因也可以用比例控制本身的特性來說明，由于ΔP＝Kpe，要使控制器有輸出，就必須是偏差e≠0。第92頁，共156頁，2023年，2月20日，星期四比例控制的余差液位增高，流出量增大，是自衡過程。當(dāng)偏差為零時，比例控制器輸出u0不變，流出量不變。液位設(shè)定值變化，為建立新的液位平衡，液位控制器有余差，才能使流出量增加。液位增高，流出量不變，是無自衡過程。流出量與液位高度無關(guān)。液位設(shè)定值變化，只需成比例地改變閥開度，液位因此無余差。第93頁，共156頁，2023年，2月20日，星期四3.比例度對系統(tǒng)的影響如果干擾為階躍，幅值則第94頁，共156頁，2023年，2月20日，星期四比例控制特征方程為：特征根為：當(dāng)系統(tǒng)過渡過程沒有振蕩當(dāng)系統(tǒng)過渡過程為臨界振蕩當(dāng)系統(tǒng)過渡過程為阻尼振蕩第95頁，共156頁，2023年，2月20日，星期四對于比例控制系統(tǒng)來說，由于對象特性的不同及比例控制器的比例度δ不同，得到的過渡過程形式也不同。

從圖可以看出：增大放大倍數(shù)Kc（即減小比例度δ），可以減小余差，但是會使系統(tǒng)的穩(wěn)定性變差。比例度δ越大，過渡過程曲線越平穩(wěn)，但余差就越大；比例度δ越小，過渡過程曲線越振蕩，比例度δ過小時，就會出現(xiàn)發(fā)散振蕩。

總之，比例控制特性比較簡單，控制比較及時；一旦有偏差出現(xiàn)，輸出立刻成比例的產(chǎn)生相應(yīng)的控制作用。偏差越大，控制作用越強(qiáng)。所以說比例控制特性是最基本的調(diào)節(jié)特性，適用于干擾不大、被控對象滯后較小而時間常數(shù)并不太小、控制精度要求不高的場合。第96頁，共156頁，2023年，2月20日，星期四比例控制比例增益對隨動系統(tǒng)的影響第97頁，共156頁，2023年，2月20日，星期四比例控制ISO/ISA標(biāo)準(zhǔn)：壓力：3–15psi；電流：4–20mA；電壓：0–10VDC理想狀態(tài)的比例控制（直線的斜率=Kc）實際工作狀態(tài)的比例控制第98頁，共156頁，2023年，2月20日，星期四積分控制一種持久的模型。時域表示：傳遞函數(shù)：TI=控制器積分時間（分母）當(dāng)偏差E(t)=常數(shù)時的積分特性：第99頁，共156頁，2023年，2月20日，星期四1.積分控制特性（積分調(diào)節(jié)規(guī)律）及其特點當(dāng)控制器的輸出變化量ΔP與輸入偏差e的的積分成比例時，就是積分控制特性，用字母I表示。積分控制特性的數(shù)學(xué)表達(dá)式為：式中，KI：積分比例系數(shù)，稱為積分速度（積分斜率）由積分作用表達(dá)式可以看出：

積分控制作用I輸出信號ΔP的大小，不僅取決于偏差信號e的大小，而且主要取決于偏差e存在的時間長短；只要有偏差，即使很小，但它存在的時間越長，輸出信號就變化越大。（也就是說，只要偏差存在的時間足夠長，控制器的輸出也是很大的。）第100頁，共156頁，2023年，2月20日，星期四積分控制作用的特性當(dāng)輸入偏差為一常量A時，輸出為一條直線，其斜率與KI有關(guān)，則式可以寫成：

可以看出，只要偏差存在，積分控制器的輸出使隨時間增長（或減?。?；當(dāng)偏差e為零時，輸出ΔP才停止變化而穩(wěn)定在某一值上。對上式微分，可得從上微分方程看出，積分控制器的輸出變化率與偏差成正比。這就進(jìn)一步說明了積分控制規(guī)律的特點是：只要偏差存在，控制器輸出就會變化，控制機(jī)構(gòu)就要動作，系統(tǒng)就不會穩(wěn)定；只有當(dāng)偏差消除時（即e＝0），輸出信號才不再變化，調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)停止動作，系統(tǒng)達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)。這就是說，積分控制作用在系統(tǒng)達(dá)到穩(wěn)定時，偏差必然為零。第101頁，共156頁，2023年，2月20日，星期四2.比例積分控制（PI調(diào)節(jié)）特性與積分時間

由于積分控制器的輸出變化速度與偏差e及KI成正比，而其控制作用是隨著時間的積累才逐漸增強(qiáng)的，所以控制動作緩慢（響應(yīng)慢），控制不及時，當(dāng)被控對象慣性較大時，被控變量的超調(diào)量會較大，過渡過程時間也延長。考慮到比例控制的特點，即輸出信號與輸入偏差成比例、響應(yīng)快、但有余差；而積分控制雖然作用慢，但可消除余差。因此，吸取兩者的優(yōu)點，常常將比例和積分兩種控制特性組合起來，既做到控制及時，又能消除余差，已成為生產(chǎn)上常用的控制規(guī)律，用字母PI表示，也稱為PI調(diào)節(jié)特性。

比例積分控制特性可用下式表示：第102頁，共156頁，2023年，2月20日，星期四當(dāng)輸入偏差是一幅度為A的階躍變化時，（PI調(diào)節(jié)器）的輸出是比例和積分兩部分之和，其控制特性如圖：在比例積分控制器中，經(jīng)常用積分時間TI來表示積分速度KI的大小，在數(shù)值上有：當(dāng)偏差e為一幅度為A的階躍信號時，分部寫出比例積分控制器的特性如下：因為e＝A（常數(shù)），所以：當(dāng)時間t＝TI時：第103頁，共156頁，2023年，2月20日，星期四對PI控制作用的理解把Pl控制作用理解為P控制作用和I控制作用之和；；

把PI控制作用理解為比例度變化的P控制作用隨著積分的作用，KC’不斷增加。例如，e(t)是階躍信號，e(t)作用時間到TI時，KC’已增加為2KC

把Pl控制作用理解為初始值不斷增加的P控制作用把PI控制作用理解為及時的P作用和滯后的I作用的組合頻率越高，Pl的相位滯后越小，1/TI相當(dāng)于-π/2。第104頁，共156頁，2023年，2月20日，星期四積分時間對系統(tǒng)過渡過程的影響如果干擾為階躍，幅值A(chǔ)則第105頁，共156頁，2023年，2月20日，星期四特征方程為：特征根為：當(dāng)系統(tǒng)過渡過程沒有振蕩當(dāng)系統(tǒng)過渡過程為臨界振蕩當(dāng)系統(tǒng)過渡過程為阻尼振蕩第106頁，共156頁，2023年，2月20日，星期四積分時間越短，積分速度越大，積分作用越強(qiáng)；反之，積分時間越長，積分速度越小，積分作用越弱。若積分時間為無窮大，則失去積分作用，就成為純比例的控制器了。積分時間對過渡過程的影響具有兩重性。當(dāng)縮短積分時間，加強(qiáng)積分作用時：有利的一面是克服余差的能力增加，不利的一面是使過程振蕩加劇，穩(wěn)定性降低。第107頁，共156頁，2023年，2月20日，星期四隨動系統(tǒng)定值系統(tǒng)第108頁，共156頁，2023年，2月20日，星期四積分飽和問題★積分飽和和積分過量(Windup)：實際積分作用與比例作用—樣，積分作用只在—定范國內(nèi)起作用，輸出達(dá)到一定限值后就不繼續(xù)上升或下降，這是積分作用的飽和特性；習(xí)慣上把積分過量稱為積分飽和；當(dāng)偏差存在時，由于有積分控制作用，控制器輸出可在任一位置，從而消除余差；當(dāng)偏差存在時，由于有積分控制作用，控制器輸出可在任一位置，即可達(dá)某一限值，而在偏差反向時，不能使輸出及時反向，這是積分過量造成的。因積分過量造成執(zhí)行機(jī)構(gòu)不能及時改變方向的現(xiàn)象被稱為積分飽和現(xiàn)象。第109頁，共156頁，2023年，2月20日，星期四★積分飽和的示例：安全放空系統(tǒng)當(dāng)罐壓P高于設(shè)定值，應(yīng)放空。但在P達(dá)設(shè)定值時(t2)，由于偏差反向，輸出因積分作用，未反向而一直上升到0.14MPa，但輸出下降到0.1MPa時(t3)，控制閥才開始打開，偏差反向后輸出不能及時反向造成動態(tài)偏差加大，控制品質(zhì)差。第110頁，共156頁，2023年，2月20日，星期四★積分飽和產(chǎn)生的原因外因：由于偏差長期存在，例如，閥關(guān)閉，控制器未選中等；內(nèi)因：控制規(guī)律有積分作用，使積分輸出達(dá)到某一限值。

存在積分作用，而偏差長期存在時，u0‘(t)會不斷增加，并超過某一限值，這是產(chǎn)生積分飽和的原因。★防止積分飽和的策略：在偏差e(t)為零時，使u0'(t)不超過限值。采用輸出限幅器：它只對控制器的輸出限幅，即對u(t)限幅。第111頁，共156頁，2023年，2月20日，星期四★積分外反饋積分項的輸入取自輸出U(s)。如果積分項輸入取自某一定值UB，則UB(s)=0，而積分項成為0，從而防止積分飽和。在選擇性控制、串級控制等系統(tǒng)中，常采用積分外反饋或第112頁，共156頁，2023年，2月20日，星期四★積分外反饋控制的等效控制圖示控制器結(jié)構(gòu)的傳遞函數(shù)是當(dāng)，即控制器比例增益時，有控制器穩(wěn)態(tài)增益K>>KC時，第113頁，共156頁，2023年，2月20日，星期四微分控制一種預(yù)測的模型。時域表示：傳遞函數(shù)：TD=控制器微分時間微分控制（也稱為微分調(diào)節(jié)或D調(diào)節(jié)）第114頁，共156頁，2023年，2月20日，星期四1.微分控制特性（微分調(diào)節(jié)規(guī)律）及其特點對于滯后大、慣性大的被控對象，常常希望能夠根據(jù)被控變量變化的快慢來控制。比如在人工控制溫度時，當(dāng)看到溫度上升很快，雖然這時的偏差還很小，但是估計很快就會有很大的偏差。根據(jù)經(jīng)驗，為了防止溫度迅速增加，就預(yù)先過分的改變冷卻閥門的開度降溫，這就是按照偏差的變化速度來進(jìn)行控制。在自動控制系統(tǒng)中，控制器的輸出信號按照偏差的變化速度來進(jìn)行控制的特性稱為微分控制特性（或位分調(diào)節(jié)規(guī)律）用字母D表示。也就是說，控制器的輸出信號與偏差信號的變化速度成正比。理想的微分控制器特性用下式表示為：式中TD：微分時間；

de/dt：偏差信號的變化速度。第115頁，共156頁，2023年，2月20日，星期四理想的微分控制作用與近似的微分作用

由式可以看出，偏差變化的速度越大，控制器的輸出變化也越大；即微分作用的輸出大小與偏差變化的速度成正比。對于一個固定不變（常數(shù)）的偏差，不管這個偏差值多大，微分作用的輸出總是零。

若在t＝t0輸入一個階躍信號，則在t＝t0變化的瞬間控制器輸出趨于無窮大；在此之后由于輸入不再變化，輸出立即降到零，且其余時間均為零，如圖（b）所示。

實際工作中，要實現(xiàn)圖（b）所示的控制作用是不可能的，也沒有實用價值，這只是一種理想的微分控制作用。圖（c）是一種近似的微分作用，即在階躍輸入發(fā)生時刻，輸出ΔP突然上升到一個較大的有限值（一般為輸入幅值的5倍以上），然后呈指數(shù)規(guī)律衰減直到零。第116頁，共156頁，2023年，2月20日，星期四2.實際的微分控制特性及其微分時間實際的微分控制器由兩部分組成：比例與近似微分作用，且比例度固定不變δ＝100%，即實際的微分控制器是一個比例度為100%的比例微分控制器。比例微分控制特性如圖所示，其表達(dá)式為：但是當(dāng)比例和微分作用結(jié)合使用時，就構(gòu)成了比例微分控制特性，用字母（PD）表示。此時比例作用必須能夠改變，因為它是控制作用中最基本最主要的作用比例度δ的大小對控制質(zhì)量影響很大。

比例微分控制器的輸出ΔP等于比例與微分作用的輸出之和。改變比例度δ（或）和微分時間TD分別可以比例作用的強(qiáng)弱和微分作用的強(qiáng)弱。

第117頁，共156頁，2023年，2月20日，星期四PD控制算祛★理想PD控制算法：或★微分時間TD：在斜坡外輸入信號作用下，迭到同樣輸出時，PD控制作用比單純P控制作用提前達(dá)到，提前的時間是徽分時間?！锢硐隤D控制的特點：對高頻信號的放大系數(shù)大，頻率越高，放大系數(shù)越大；對階躍輸入信號，理想PD輸出是脈沖信號，對生產(chǎn)控制無益，并且實施困難?！飳嶋HPD控制算法：；KD=5—10實際PD的階躍響應(yīng)實際PD的斜坡響應(yīng)第118頁，共156頁，2023年，2月20日，星期四理想比例微分(PD)調(diào)節(jié)器階躍響應(yīng)曲線:

(b)(a)斜坡響應(yīng)曲線:

第119頁，共156頁，2023年，2月20日，星期四實際比例微分(PD)調(diào)節(jié)器實際比例微分調(diào)節(jié)器的動態(tài)方程式為:

傳遞函數(shù)為:

慣性環(huán)節(jié)TD:PD調(diào)節(jié)器的微分慣性時間常數(shù)

第120頁，共156頁，2023年，2月20日，星期四實際PD調(diào)節(jié)器的階躍響應(yīng)曲線：

第121頁，共156頁，2023年，2月20日，星期四

微分作用具有抑制振蕩的效果。所以在控制系統(tǒng)中，適當(dāng)?shù)募尤胛⒎肿饔?，可以提高系統(tǒng)的穩(wěn)定性，減少被控變量的波動幅度，并降低余差。但是微分作用不能加的過大，否則由于控制作用太強(qiáng)，使控制器的輸出劇烈變化，不僅沒有提高穩(wěn)定性，反而使被控變量大幅振蕩。對于一些滯后較大、負(fù)荷變化較快的對象，當(dāng)較大的干擾施加之后，由于對象的慣性大，偏差在開始一段時間內(nèi)都是比較小的。如果僅采用比例控制，則對于小的偏差，其作用也小，調(diào)節(jié)就不夠及時。加入了微分作用后，就可以在偏差盡管不大，當(dāng)偏差開始劇烈變化的時刻，立即產(chǎn)生一個較大的控制作用，及時抑制了偏差的繼續(xù)增加。所以，微分作用具有一種抓住“苗頭”預(yù)先調(diào)節(jié)的性質(zhì)，這是一種“超前”性質(zhì)。微分時間對系統(tǒng)過渡過程的影響第122頁，共156頁，2023年，2月20日，星期四比例積分微分控制（PID）三種模型的疊加。比例積分微分控制規(guī)律的輸入輸出關(guān)系用下式表示為：

ΔP＝ΔPP

+ΔPI

+ΔPD可見，比例積分微分（PID）控制作用就是其三種控制作用的疊加。第123頁，共156頁，2023年，2月20日，星期四PID調(diào)節(jié)器在階躍輸入下的輸出特性如圖：

開始時，微分作用的輸出變化最大，使總的輸出大幅度的變化，產(chǎn)生一個強(qiáng)烈的“超前”調(diào)節(jié)作用，可以將其看作“預(yù)調(diào)”。然后輸入偏差不再變化，則微分作用逐漸消失，積分作用逐漸占主導(dǎo)地位，只要偏差存在，積分作用就不斷增加，可以將其看作“細(xì)調(diào)”，一直到偏差完全消失，積分作用才有可能停止。而比例作用可以將其看作“粗調(diào)”，在PID調(diào)節(jié)器的輸出中，自始至終與偏差相對應(yīng)，它一直是最基本的調(diào)節(jié)作用。第124頁，共156頁，2023年，2月20日，星期四比例—積分—微分(PID)控制規(guī)定PID控制器是由比例、積分和微分組成的。PID控制有許多形式被應(yīng)用在實際當(dāng)中；三種最為常見的形式。PID控制的并聯(lián)形式PID控制并聯(lián)形式的運(yùn)算法則(無微分過濾器)如下：其相應(yīng)的傳遞函數(shù):第125頁，共156頁，2023年，2月20日，星期四PID控制PID控制的串聯(lián)形式過去,由于方便建造早期的控制器(其中包括電子控制和氣壓控制)，所以PI單元和PD單元常采用串聯(lián)形式。串聯(lián)形式的控制器有一個即適用于微分單元，又適用于PD單元的微分過濾器。PID控制的展開形式除了我們都知道的串聯(lián)和并聯(lián)形式以外,PID控制的展開形式也經(jīng)常被用到。實際微分環(huán)節(jié)第126頁，共156頁，2023年，2月20日，星期四實際PID控制算法理想PID控制算法：實際微分代替理想微分：用代替。氣動控制器常采用PI與PD串接：；；；。電動控制器采用更復(fù)雜的形式：，KI是積分增益；KD是微分增益。第127頁，共156頁，2023年，2月20日，星期四反饋控制系統(tǒng)中的典型響應(yīng)在連續(xù)擾動下被控系統(tǒng)的響應(yīng)。例如，擾動變量的階躍變化；y>0isoff-spec。第128頁，共156頁，2023年，2月20日，星期四比例控制：控制器增益的影響PID控制：微分時間的影響PI控制：控制器增益的影響PI控制：積分時間的影響第129頁，共156頁，2023年，2月20日，星期四比例積分微分控制（PID）小結(jié)☆比例控制

依據(jù)“偏差e的大小”來進(jìn)行控制。其輸出變化ΔP與輸入偏差e的大小成比例。控制及時，但有余差。用比例度δ表示其作用的強(qiáng)弱；比例度越小，控制作用越強(qiáng)。比例作用太強(qiáng)時，會引起系統(tǒng)振蕩甚至不穩(wěn)定?！罘e分控制

依據(jù)“偏差e是否存在”來進(jìn)行控制。其輸出變化ΔP與輸入偏差e的積分成比例。只有當(dāng)余差完全消失，積分作用才停止。所以積分作用能消除余差，但是積分作用遲緩，動態(tài)偏差大，調(diào)節(jié)時間長。用積分時間TI來表示其作用的強(qiáng)弱，積分時間越小，積分作用越強(qiáng)。積分作用太強(qiáng)時，也容易引起振蕩。☆微分控制

依據(jù)“偏差e的變化速度”來進(jìn)行控制。其輸出變化ΔP與輸入偏差e的變化速度成比例。其實質(zhì)和效果是阻止被調(diào)參數(shù)的一切變化，具有超前調(diào)節(jié)的作用。對滯后大的對象有很好的控制效果，使其調(diào)節(jié)過程動態(tài)偏差減小，時間縮短、余差減小（但不能消除）。用微分時間TD來表示其作用的強(qiáng)弱。微分時間越大，微分作用越強(qiáng)。微分時間太大時，會引起振蕩。第130頁，共156頁，2023年，2月20日，星期四PID控制作用對過渡過程的影響P作用是基本控制作用，增大KC使系統(tǒng)振蕩加??；I作用能消除余差，系統(tǒng)穩(wěn)定性變差，閉環(huán)響應(yīng)變慢；D作用使整個開環(huán)頻率特性的幅值比增大，改善系統(tǒng)穩(wěn)定性。第131頁，共156頁，2023年，2月20日，星期四☆根據(jù)系統(tǒng)特性選擇當(dāng)已知系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型為：當(dāng)時選用比例或比例積分；當(dāng)時選用比例積分或比例積分微分；當(dāng)時，單回路或比例微分積分不能滿足要求?？刂破骺刂埔?guī)律的選擇第132頁，共156頁，2023年，2月20日，星期四控制器變形

PID控制和I-PD控制PID控制方式中，ΔuI是偏差e(t)的函數(shù)；

Δup和ΔuD是偏差e(t)的函數(shù)；該控制系統(tǒng)的隨動跟蹤性能好，克服擾動影響的性能差。I-PD控制方式中，ΔuI是偏差e(t)的函數(shù)：Δup和ΔuD是測量y(t)的函數(shù)；該控制系統(tǒng)克服擾動影響的性能好，隨動跟蹤慢。PID控制方式I-PD控制方式第133頁，共156頁，2023年，2月20日，星期四兩維PlD控制方式圖示控制系統(tǒng)稱為兩維PID控制系統(tǒng)。當(dāng)α=β=0成為簡單PID控制系統(tǒng)；當(dāng)α=β=1成為l-PD控制系統(tǒng)；α和β的值可在0—1間調(diào)整，使系統(tǒng)的隨動跟蹤性和抗擾性都能較好，適用于擾動頻繁、設(shè)定經(jīng)常變化的應(yīng)用場合。兩維PID控制方式第134頁，共156頁，2023年，2月20日，星期四時間比例控制系統(tǒng)時間比例控制系統(tǒng)的輸出是開關(guān)量，開和總的時間比稱為占空比。根據(jù)占空比的不同，有不同的分類：（1）總運(yùn)行時間固定，開或關(guān)的時間與控制器輸出成比倒；（2）開的時間固定，關(guān)的時間與控制器輸出成比例；（3）關(guān)的時間固定，開的時間與控制器輸出成比倒；時間比例控制方式第135頁，共156頁，2023年，2月20日，星期四控制器正、反作用的確定☆對于測量元件及變送器，其作用一般都是“正作用”。因為當(dāng)被控變量增加時，變送器的輸出量也是增加的。所以在分析整個系統(tǒng)的作用方向時，可以不考慮測量元件及變送器的作用方向（因為它總是“正作用”）?！顚τ趫?zhí)行器，其作用方向取決于是氣開閥還是氣關(guān)閥。當(dāng)控制器輸出信號（即執(zhí)行器的輸入）增加時：氣開閥的開度增大為“正作用”；當(dāng)控制器輸出信號（即執(zhí)行器的輸入）增加時：氣關(guān)閥的開度減小為“反作用”。反之當(dāng)控制器輸出信號（即執(zhí)行器的輸入）減小時：氣開閥的開度增大為“反作用”；當(dāng)控制器輸出信號（即執(zhí)行器的輸入）減小時：氣關(guān)閥的開度減小為“正作用”?！顚τ诒豢貙ο?，隨具體對象的不同而各不相同。當(dāng)操縱變量增加時，被控變量也增加，該對象為“正作用”；反之，當(dāng)操縱變量增加時，被控變量反而減小，該對象為“反作用”?！顚τ诳刂破?，不論是“正作用”還是“反作用”，必須保證控制系統(tǒng)為負(fù)反饋閉環(huán)系統(tǒng)。第136頁，共156頁，2023年，2月20日，星期四正作用與負(fù)作用控制器：KC可以取正值或負(fù)值正作用（KC<0）：“輸出隨著輸入的增大而增大” ；負(fù)作用（KC>0）：“輸出隨著輸入的減小而增大”。第137頁，共156頁，2023年，2月20日，星期四例：加熱爐的簡單控制系統(tǒng)被控對象：加熱爐；被控變量：出口溫度；操縱變量：燃料氣流量。各環(huán)節(jié)作用方向為：執(zhí)行器：正作用。從工藝安全條件出發(fā)，應(yīng)選擇執(zhí)行器為氣開閥，以防當(dāng)氣源突然中斷時，控制閥反而大開燒毀爐子。被控對象：正作用。（因為當(dāng)操縱變量燃料氣流量增加時，出口溫度也增加。）變送器：正作用。（因為當(dāng)出口溫度增加時，變送器的輸出也增加。）控制器：反作用。（因為當(dāng)出口溫度增加時，控制器的輸出減小，關(guān)小燃料氣的閥門。）第138頁，共156頁，2023年，2月20日，星期四例液位的簡單控制系統(tǒng)被控對象：貯液罐；被控變量：液位；操縱變量：流出物料量。各環(huán)節(jié)作用方向為：執(zhí)行器：正作用。從工藝安全條件出發(fā)，應(yīng)選擇執(zhí)行器為氣開閥，以防當(dāng)氣源突然中斷時，控制閥關(guān)閉，以免物料流失。被控對象：反作用。（因為當(dāng)流出物料量增加時，液位下降。）變送器：正作用。（因為當(dāng)液位下降時，變送器的輸出也減小。）控制器：正作用。（因為當(dāng)液位下降使變送器的輸出減小時，控制器的輸出也減小，才能關(guān)小出口閥門使液位升高。相反的，當(dāng)液位升高使變送器的輸出增加時，控制器的輸出也增加，才能開大出口閥門使液位下降。）第139頁，共156頁，2023年，2月20日，星期四

基本控制規(guī)律及其對控制過程的影響

回憶：控制器作用

被控對象

測量變送控制器執(zhí)行器被控變量設(shè)定值擾動第140頁，共156頁，2023年，2月20日，