第二章過程裝備控制基礎(chǔ)

§2.1被控對(duì)象的特性本節(jié)主要內(nèi)容:●§2.1.1被控對(duì)象的特性及其描述方法▲§2.1.2被控對(duì)象的三大特性參數(shù)——放大系數(shù)K、時(shí)間常數(shù)T、滯后時(shí)間τ●本節(jié)學(xué)習(xí)要點(diǎn)●本節(jié)思考題及作業(yè)當(dāng)前第1頁(yè)\共有89頁(yè)\編于星期三\8點(diǎn)引言▲影響自動(dòng)控制系統(tǒng)控制質(zhì)量的因素有：⒈被控對(duì)象的特性

⒉自動(dòng)控制裝置的特性⒊組成的自動(dòng)控制系統(tǒng)⒋控制規(guī)律檢測(cè)儀表與傳感器控制器執(zhí)行器被控變量干擾作用y給定值控制器執(zhí)行器對(duì)象f測(cè)量元件與變送器xe=x－zumz偏差當(dāng)前第2頁(yè)\共有89頁(yè)\編于星期三\8點(diǎn)§2.1.1被控對(duì)象的特性及其描述方法y—被控變量m—操縱變量f—干擾量◆通道——被控對(duì)象的輸入變量至輸出變量之間的信號(hào)聯(lián)系◆控制通道：my◆干擾通道：fymyf被控對(duì)象圖1對(duì)象的輸入、輸出量一通道的含義◆被控對(duì)象的特性：是指被控對(duì)象輸入變量與輸出變量之間的關(guān)系。即被控對(duì)象的輸入量發(fā)生變化時(shí)，對(duì)象的輸出量隨時(shí)間的變化規(guī)律?！綮o態(tài)特性、動(dòng)態(tài)特性當(dāng)前第3頁(yè)\共有89頁(yè)\編于星期三\8點(diǎn)

◆為要研究被控對(duì)象的特性在生產(chǎn)過程中，存在各種各樣的被控對(duì)象。這些對(duì)象的特性各不相同。有的較易操作，工藝變量能夠控制得比較平穩(wěn)；有的卻和很難操作，工藝變量容易產(chǎn)生大幅度波動(dòng)，只要稍不謹(jǐn)慎就回超出工藝允許的范圍，輕則影響生產(chǎn)，重則造成事故。只有充分了解和熟悉對(duì)象特性，才能使工藝生產(chǎn)在最佳狀態(tài)下運(yùn)行。因此，在控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)時(shí)，先必須充分了解被控對(duì)象的特性，掌握它們的內(nèi)在規(guī)律，才能選擇合適的被控變量、操縱變量、合適的測(cè)量元件和控制器，選擇合理的控制器參數(shù)，設(shè)計(jì)合乎工藝要求的控制系統(tǒng)。當(dāng)前第4頁(yè)\共有89頁(yè)\編于星期三\8點(diǎn)二被控對(duì)象特性的描述方法1理論數(shù)學(xué)模型法——用定量地表達(dá)對(duì)象輸入、輸出關(guān)系的數(shù)學(xué)表達(dá)式（微分方程式、偏微分方程式、狀態(tài)方程等）來表達(dá)。2實(shí)驗(yàn)輸出曲線或數(shù)據(jù)表格——用對(duì)象在一定形式輸入作用下的輸出曲線或數(shù)據(jù)表格來表示。根據(jù)輸入形式的不同，有階躍反應(yīng)曲線、脈沖反應(yīng)曲線、矩形脈沖反應(yīng)曲線、頻率特性曲線等。返回首頁(yè)當(dāng)前第5頁(yè)\共有89頁(yè)\編于星期三\8點(diǎn)1機(jī)理建模

是通過對(duì)對(duì)象內(nèi)部的運(yùn)動(dòng)機(jī)理分析，根據(jù)對(duì)象中物理或化學(xué)變化規(guī)律（如質(zhì)量守恒定律、能量守恒定律等），在忽略一些次要因素或做出一些近似處理后推導(dǎo)出的對(duì)象特性方程。通過這種方法得到的數(shù)學(xué)模型叫機(jī)理模型。機(jī)理模型常表現(xiàn)為微分方程式、偏微分方程式、狀態(tài)方程等）。下面以一階對(duì)象、二階對(duì)象、積分對(duì)象為例討論機(jī)理建模的方法：HQ1Q2①列平衡方程單位時(shí)間內(nèi)流入對(duì)象的物料（能量）—單位時(shí)間內(nèi)流出對(duì)象的物料（能量）=對(duì)象中儲(chǔ)存量的變化率

（1）一階對(duì)象（有自衡特性）------對(duì)象在受到干擾時(shí)，自身能重新恢復(fù)平衡的特性。A——面積圖2-1有自衡單容液位對(duì)象當(dāng)前第6頁(yè)\共有89頁(yè)\編于星期三\8點(diǎn)③把輸入變量放在右邊，輸出變量放在左邊，寫成方程的形式②找出中間變量，消去中間變量，找出輸入與輸出變量之間的關(guān)系Q2——

中間變量Rs—出口閥的阻力系數(shù)當(dāng)前第7頁(yè)\共有89頁(yè)\編于星期三\8點(diǎn)(2)二階對(duì)象h1Q1R1Q12h2R2Q2圖2-5串聯(lián)水槽對(duì)象經(jīng)過以上步驟的推導(dǎo)：Pg19◆機(jī)理建模的優(yōu)點(diǎn)：理論邏輯性強(qiáng)缺點(diǎn)：對(duì)于復(fù)雜的對(duì)象，機(jī)理分析法很困難；另外，由于作了假設(shè)，有時(shí)理論與實(shí)際不相符。當(dāng)前第8頁(yè)\共有89頁(yè)\編于星期三\8點(diǎn)2實(shí)驗(yàn)測(cè)取法（黑匣子法）是在所要研究的對(duì)象上，人為施加一定的輸入作用，然后、用儀表測(cè)取并記錄表征對(duì)象特性的物理量隨時(shí)間變化規(guī)律，即得到一系列實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)或?qū)嶒?yàn)曲線。然后對(duì)這些實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)或曲線進(jìn)行必要的數(shù)據(jù)處理，求取對(duì)象的特性參數(shù)，進(jìn)而得到對(duì)象的數(shù)學(xué)模型。（1）階躍反應(yīng)曲線法

是當(dāng)對(duì)象處于穩(wěn)定狀態(tài)時(shí)，在對(duì)象的輸入端施加一個(gè)幅值已知的階躍擾動(dòng)，然后測(cè)量和記錄輸出變量的數(shù)值，就可以畫出輸出變量隨時(shí)間變化的曲線。經(jīng)過一定的處理，就可以得到描述對(duì)象特性的幾個(gè)參數(shù)（放大倍數(shù)K、時(shí)間常數(shù)T、滯后時(shí)間）。hQ1Q2Q1tt0Att0h圖2-9水槽的階躍反應(yīng)曲線優(yōu)點(diǎn)：簡(jiǎn)單缺點(diǎn)：精度較差當(dāng)前第9頁(yè)\共有89頁(yè)\編于星期三\8點(diǎn)（2）矩形脈沖法

是當(dāng)對(duì)象處于穩(wěn)定狀態(tài)時(shí)，在時(shí)間t0突然加一個(gè)幅值為A的階躍擾動(dòng)，到時(shí)間t1時(shí)突然除去，這時(shí)測(cè)得輸出變量隨時(shí)間變化的曲線為矩形脈沖法曲線。圖2-10矩形脈沖特性曲線優(yōu)點(diǎn)：由于加在對(duì)象上的干擾經(jīng)過一段時(shí)間后除去，所以干擾的幅值可以取得較大，故精度較高。最常用。xtt0Att0yt1當(dāng)前第10頁(yè)\共有89頁(yè)\編于星期三\8點(diǎn)▲§2.1.2被控對(duì)象的特性參數(shù)

對(duì)象的特性可通過數(shù)學(xué)模型來描述，也可通過以下三個(gè)物理量來描述：放大系數(shù)K、時(shí)間常數(shù)T、滯后時(shí)間1放大系數(shù)K（靜態(tài)增益）①

數(shù)值上等于對(duì)象處于穩(wěn)定狀態(tài)時(shí)輸出的變化量與輸入的變化量之比。即：K=輸出變化量輸入變化量=△h△Q1——反映的是對(duì)象處于穩(wěn)定狀態(tài)下輸出和輸入之間的關(guān)系，所以放大系數(shù)K是描述對(duì)象靜態(tài)特性的參數(shù)。

②不同通道的放大系數(shù)對(duì)控制系統(tǒng)的影響對(duì)于控制通道：K大，控制作用強(qiáng)，控制靈敏；K小，控制作用弱。一般希望控制通道K大一些好，但K不能太大，否則會(huì)使系統(tǒng)的穩(wěn)定性下降。對(duì)于干擾通道：K大對(duì)控制不利。一般希望干擾通道K小一些好，當(dāng)前第11頁(yè)\共有89頁(yè)\編于星期三\8點(diǎn)◆

當(dāng)對(duì)象受到階躍輸入作用后，被控變量如果保持初始速度變化，達(dá)到新的穩(wěn)態(tài)值所需的時(shí)間?；虍?dāng)對(duì)象受到階躍輸入作用后被控變量達(dá)到新的穩(wěn)態(tài)值的63.2%所需的時(shí)間。——是反映被控變量變化快慢的參數(shù)，因此T是反映對(duì)象動(dòng)態(tài)特性的參數(shù)。

2時(shí)間常數(shù)T

th（∞）T1T2T3T4

0.632h（∞）0圖2-7不同時(shí)間常數(shù)的比較◆對(duì)于控制通道：T大，被控變量的變化比較緩慢，對(duì)象比較平穩(wěn)，容易進(jìn)行控制，但過渡時(shí)間長(zhǎng)；T小，被控變量的變化快，不易控制。T太大、太小都不利對(duì)于干擾通道：T大、擾動(dòng)作用比較平緩，被控變量變化較平穩(wěn)，對(duì)象容易控制。一般希望干擾通道T大一些好，◆時(shí)間常數(shù)的實(shí)驗(yàn)求法：如圖2-7當(dāng)前第12頁(yè)\共有89頁(yè)\編于星期三\8點(diǎn)（=0+C）◆傳遞時(shí)間0：是輸出變量的變化落后于輸入變量變化的時(shí)間。一般由介質(zhì)的輸送或熱的傳遞需要一段時(shí)間引起的。例如圖2-8的溶解糟?！羧萘繙驝是因?yàn)槲锪匣蚰芰康膫鬟f需要通過一定的阻力引起的。3滯后時(shí)間yy（t）y（t）xt圖2-8有、無純滯后的一階階躍響應(yīng)曲線◆對(duì)于控制通道：應(yīng)盡量減小

對(duì)于干擾通道：

大對(duì)控制有利t0yt圖2-6具有容量滯后對(duì)象的反應(yīng)曲線C當(dāng)前第13頁(yè)\共有89頁(yè)\編于星期三\8點(diǎn)本節(jié)學(xué)習(xí)要點(diǎn)1了解化工對(duì)象的特點(diǎn)及其描述方法2掌握對(duì)象動(dòng)態(tài)特性的通道含義3了解對(duì)象數(shù)學(xué)模型的建立4掌握表征被控對(duì)象特性的三大參數(shù)——放大系數(shù)K、時(shí)間常數(shù)T、滯后時(shí)間τ的物理意義及其對(duì)控制質(zhì)量的影響5掌握被控對(duì)象特性的實(shí)驗(yàn)測(cè)定方法本節(jié)思考題：Pg63：5本節(jié)作業(yè)：補(bǔ)充題2

當(dāng)前第14頁(yè)\共有89頁(yè)\編于星期三\8點(diǎn)補(bǔ)充作業(yè)題2：為了測(cè)定某重油預(yù)熱爐的對(duì)象特性，在某瞬間（假定t0=0）突然將燃?xì)饬繌?.5t/h增加到3.0t/h，重油出口溫度記錄儀得到的階躍反映曲線如圖所示。假定對(duì)象為一階對(duì)象，試描述該重油預(yù)熱爐特性方程式（分別以溫度變化量與燃?xì)庾兓繛檩敵隽颗c輸入量），并解出燃料量變化量為單位階躍變化量時(shí)溫度變化量的函數(shù)表達(dá)式。燃料量（t/h）t/min3.02.5溫度//min重油預(yù)熱爐的階躍反應(yīng)曲線當(dāng)前第15頁(yè)\共有89頁(yè)\編于星期三\8點(diǎn)§2.2單回路（簡(jiǎn)單）控制系統(tǒng)本節(jié)主要內(nèi)容:§2.2.1單回路控制系統(tǒng)控制方案的設(shè)計(jì)▲§一被控變量的選擇▲二操縱變量的選擇●§三測(cè)量元件的選擇▲四執(zhí)行器的選擇五控制器的選擇§2.2.2控制器的控制規(guī)律及正、反方向§2.2.3控制器控制參數(shù)的工程整定當(dāng)前第16頁(yè)\共有89頁(yè)\編于星期三\8點(diǎn)1何為單回路控制系統(tǒng)？一單回路（簡(jiǎn)單）控制系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)組成與設(shè)計(jì)思路給定值xx0偏差e控制器執(zhí)行器對(duì)象干擾檢測(cè)變送裝置被控變量y－z控制信號(hào)u操縱變量m圖1-2簡(jiǎn)單控制系統(tǒng)的方塊圖

是指由一個(gè)被控對(duì)象、一個(gè)檢測(cè)元件及變送器、一個(gè)控制器和一個(gè)執(zhí)行器所構(gòu)成的單閉環(huán)控制系統(tǒng)。2單回路控制系統(tǒng)如何表示？用帶控制點(diǎn)的工藝流程圖表示。如圖用方塊圖來表示。當(dāng)前第17頁(yè)\共有89頁(yè)\編于星期三\8點(diǎn)

3單回路控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)思路

①被控變量的選擇②操縱變量的選擇③檢測(cè)變送元件及檢測(cè)位置的選擇④執(zhí)行器的選擇⑤控制器及控制規(guī)律的選擇對(duì)控制器的參數(shù)進(jìn)行工程整定了解被控對(duì)象確定控制方案

給定值xx0偏差e控制器執(zhí)行器對(duì)象干擾檢測(cè)變送裝置被控變量y－z控制信號(hào)u操縱變量m當(dāng)前第18頁(yè)\共有89頁(yè)\編于星期三\8點(diǎn)1被控變量:生產(chǎn)過程中希望借助控制系統(tǒng)保持恒定值的工藝參數(shù)。

被控變量的正確選擇是關(guān)系到被控系統(tǒng)能否達(dá)到預(yù)期控制效果的重要因素。影響生產(chǎn)過程的因素很多，只有影響生產(chǎn)的關(guān)鍵變量才能作為被控變量。所謂“關(guān)鍵”變量：就是它們對(duì)產(chǎn)品質(zhì)量以及安全具有決定性的作用，而人工操作又難以滿足要求的；或者人工操作雖然可以滿足要求，但是這種操作是既緊張而又頻繁的。二單回路控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

（一）被控變量y如何選擇？例如：塔設(shè)備的精餾過程控制目標(biāo)：使塔頂（塔底）餾出物達(dá)到規(guī)定純度被控變量的選擇方案：①組分是工藝上的質(zhì)量指標(biāo)，直接選餾出物的組分。②選間接指標(biāo)：x（組分濃度）、T（溫度）、P（壓力）三者之間有一定的關(guān)系，從工藝的合理性考慮，選溫度作為被控變量，另外從靈敏度方面考慮，溫度的變化靈敏。當(dāng)前第19頁(yè)\共有89頁(yè)\編于星期三\8點(diǎn)當(dāng)前第20頁(yè)\共有89頁(yè)\編于星期三\8點(diǎn)④被控變量應(yīng)能被測(cè)量出來，并具有足夠大的靈敏度.⑤被控變量應(yīng)是獨(dú)立可控的。⑥應(yīng)考慮工藝合理性和國(guó)內(nèi)儀表產(chǎn)品現(xiàn)狀。2被控變量選擇原則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過程中經(jīng)常要受到一些干擾影響而變化，因而需要頻繁加以控制的變量。③盡量采用直接指標(biāo)作為被控變量，當(dāng)無法獲得直接控制指標(biāo)信號(hào)，或其測(cè)量、傳送滯后很大時(shí)，可選擇與直接控制指標(biāo)有單值對(duì)應(yīng)關(guān)系的間接控制變量。當(dāng)前第21頁(yè)\共有89頁(yè)\編于星期三\8點(diǎn)1操縱變量：把用來克服干擾對(duì)被控變量的影響，實(shí)現(xiàn)控制作用的變量稱為操縱變量（一般為介質(zhì)的流量）.補(bǔ)充圖影響提餾段溫度的各種因素示意圖可控因素不可控因素

可控因素中Q蒸比Q回

對(duì)提餾段溫度的影響更及時(shí)、更顯著；另外，從節(jié)能的角度方面，控制Q蒸比控制Q回消耗的能量要小，所以選Q蒸為操縱變量（二）操縱變量m如何選擇？被控變量….Q入T入x入Q蒸Q回T靈被控對(duì)象圖2-13精餾過程示意圖當(dāng)前第22頁(yè)\共有89頁(yè)\編于星期三\8點(diǎn)干擾變量f操縱變量m被控變量干擾通道（K0小、T大、大對(duì)控制有利）控制通道（K0大、T小、小對(duì)控制有利）干擾變量f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m由控制通道施加在對(duì)象上，起著校正作用，使被控變量回復(fù)到給定值；干擾變量f、操縱變量m對(duì)被控變量y的影響規(guī)律與對(duì)象的特性有關(guān)2對(duì)象特性對(duì)操縱變量選擇的影響①放大系數(shù)K對(duì)于控制通道：K0大，控制作用克服干擾的能力強(qiáng)；K小，控制作用弱。一般希望控制通道K0大一些好，但K不能太大，否則會(huì)使系統(tǒng)的穩(wěn)定性下降。對(duì)于干擾通道：Kf大對(duì)控制不利。一般希望干擾通道Kf小一些好當(dāng)前第23頁(yè)\共有89頁(yè)\編于星期三\8點(diǎn)3操縱變量的選擇原則

①

操縱變量應(yīng)是可控的，即工藝上允許調(diào)節(jié)的變量。②操縱變量一般應(yīng)比其他干擾對(duì)被控變量的影響更加靈敏。③在選擇操縱變量時(shí)，除了從自動(dòng)化角度考慮外，還要考慮工藝的合理性與生產(chǎn)的經(jīng)濟(jì)性。②時(shí)間常數(shù)的影響對(duì)于控制通道：希望時(shí)間常數(shù)T小一些好，控制及時(shí)。對(duì)于干擾通道：一般希望干擾通道T大一些好，T大表示干擾對(duì)被控變量的影響緩慢，有利于控制。③滯后時(shí)間的影響對(duì)于控制通道：

小對(duì)控制有利。對(duì)于干擾通道：

大對(duì)控制有利當(dāng)前第24頁(yè)\共有89頁(yè)\編于星期三\8點(diǎn)參數(shù)yz(a)tyzt(b)yz(c)t若被控變量y作階躍變化時(shí),測(cè)量值z(mì)慢慢靠近y,顯然,前一段兩者差距很大若y作遞增變化,而z則一直跟不上去,總存在著偏差若y作周期性變化,z的振蕩幅值將比y減小,而且落后一個(gè)相位給定值x0偏差e控制器執(zhí)行器對(duì)象干擾f檢測(cè)變送裝置被控變量y－z控制信號(hào)u操縱變量m1要考慮測(cè)量元件時(shí)間常數(shù)的影響：T大，對(duì)控制不利

（三）檢測(cè)變送元件及檢測(cè)位置如何選擇？∴①要選T小的測(cè)量元件，最好選惰性小的快速測(cè)量元件②在控制器中引入微分作用，進(jìn)行超前補(bǔ)償來克服測(cè)量滯后。▲測(cè)量、變送裝置的作用：是控制系統(tǒng)中獲取信息和傳遞信息的裝置，也是系統(tǒng)進(jìn)行控制的依據(jù)。要求：準(zhǔn)確、及時(shí)反映被控變量的狀況。當(dāng)前第25頁(yè)\共有89頁(yè)\編于星期三\8點(diǎn)2要注意測(cè)量元件的安裝，盡量減少測(cè)量元件純滯后的影響

電極所測(cè)得的信號(hào)與中和槽內(nèi)溶液的pH值在時(shí)間上就延遲了一段時(shí)間0,主管道內(nèi)流體的流速副管道內(nèi)流體的流速主管道長(zhǎng)度副管道長(zhǎng)度圖2-14中和罐內(nèi)PH值的控制系統(tǒng)例:酸槽LCACl2電極l1中和槽ATPH當(dāng)前第26頁(yè)\共有89頁(yè)\編于星期三\8點(diǎn)3要盡量減少測(cè)量信號(hào)和控制信號(hào)的傳送滯后●測(cè)量信號(hào)傳送滯后：是指由現(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。電信號(hào)可忽略，氣信號(hào)則滯后較大，∴一般氣壓信號(hào)管路≤300m，直徑≥6mm。否則，要改為電信號(hào)?！窨刂菩盘?hào)傳送滯后：是指由控制室內(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。一般現(xiàn)場(chǎng)與控制室之間都采用電信號(hào)，減少傳送滯后。對(duì)于氣動(dòng)薄膜控制閥，則要加電—?dú)廪D(zhuǎn)換器，將電信號(hào)轉(zhuǎn)換信號(hào)，以控制氣動(dòng)控制閥。給定值x0偏差e控制器執(zhí)行器對(duì)象干擾f檢測(cè)變送裝置被控變量y－z控制信號(hào)u操縱變量m小結(jié)：測(cè)量元件要正確選用、合理安裝、及時(shí)維修，以保證測(cè)量元件有足夠的測(cè)量精度、較小的時(shí)間常數(shù)、盡量減小純滯后和信號(hào)傳遞滯后測(cè)量信號(hào)傳送滯后控制信號(hào)傳送滯后當(dāng)前第27頁(yè)\共有89頁(yè)\編于星期三\8點(diǎn)（四）執(zhí)行器的選擇給定值x0偏差e控制器執(zhí)行器對(duì)象干擾f檢測(cè)變送裝置被控變量y－z控制信號(hào)u操縱變量m▲執(zhí)行器（控制閥）的作用：接受控制器送來的信號(hào)，自動(dòng)地改變閥門的開度（即改變操縱變量），克服擾動(dòng)的影響，從而實(shí)現(xiàn)生產(chǎn)過程的自動(dòng)控制。常見的有：氣動(dòng)薄膜，電動(dòng)、液動(dòng)執(zhí)行器▲執(zhí)行器如何選擇？①按照生產(chǎn)過程的特點(diǎn)、安全運(yùn)行和推動(dòng)力等選擇閥的類型：氣動(dòng)薄膜，電動(dòng)、液動(dòng)執(zhí)行器②根據(jù)被控變量的大小選擇閥的流通能力；③從生產(chǎn)安全的角度選擇閥的氣開或氣關(guān)形式；④從被控對(duì)象的特性、負(fù)荷的變化情況等選擇閥的流量特性。當(dāng)前第28頁(yè)\共有89頁(yè)\編于星期三\8點(diǎn)（五）控制器如何選擇？

給定值x0偏差e控制器執(zhí)行器對(duì)象干擾f檢測(cè)變送裝置被控變量y－z控制信號(hào)u操縱變量m▲控制（調(diào)節(jié)）器的作用：將檢測(cè)變送信號(hào)與工藝上需要保持的設(shè)定值進(jìn)行比較，得出偏差的大小，根據(jù)偏差的大小及變化趨勢(shì)，按照預(yù)先設(shè)定好的控制規(guī)律進(jìn)行運(yùn)算后，將運(yùn)算結(jié)果用特定的信號(hào)發(fā)送給執(zhí)行器（控制閥），實(shí)現(xiàn)對(duì)生產(chǎn)過程的自動(dòng)控制?？刂破鞯倪x擇包括兩方面的內(nèi)容：1控制規(guī)律的選擇2正、反作用的確定當(dāng)前第29頁(yè)\共有89頁(yè)\編于星期三\8點(diǎn)即：u=f(e)=f（z－x）●常見的控制規(guī)律有：

●控制規(guī)律——指的是控制器的輸出信號(hào)（u）與輸入信號(hào)（e=z－x）之間的關(guān)系位式比例（P）proportion積分（I）integral微分（D）differential組合（PI、PD、PID）§2.2控制規(guī)律和正、反作用的選擇§2.2.1控制規(guī)律的選擇∴要根據(jù)廣義對(duì)象的特性和工藝要求來決定當(dāng)前第30頁(yè)\共有89頁(yè)\編于星期三\8點(diǎn)廣義對(duì)象給定值x0偏差e控制器執(zhí)行器對(duì)象干擾f檢測(cè)變送裝置被控變量y－z控制信號(hào)u操縱變量m控制器廣義對(duì)象干擾－給定值簡(jiǎn)單控制系統(tǒng)簡(jiǎn)化方塊圖被控變量測(cè)量值當(dāng)前第31頁(yè)\共有89頁(yè)\編于星期三\8點(diǎn)一位式控制——就是控制器的輸出只有數(shù)個(gè)特定的數(shù)值，或它的執(zhí)行機(jī)構(gòu)只有數(shù)個(gè)特定的位置

①位式控制規(guī)律（開關(guān)控制）：其輸出只有兩個(gè)數(shù)值（最大或最小），相應(yīng)的控制機(jī)構(gòu)只有開和關(guān)兩個(gè)極限位置。umaxuminue圖2-16理想的雙位控制規(guī)律u（t）=umaxe≥0或e＜0umine＜0或e≥0●理想的雙位控制器控制規(guī)律表達(dá)式：例P29：圖2-17：利用雙位控制器控制爐溫。溫度＞T0時(shí)，繼電器斷開溫度＜T0時(shí)，繼電器合上優(yōu)點(diǎn)：結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、成本較低、使用方便。缺點(diǎn)：執(zhí)行器不斷地開、關(guān)，不實(shí)用當(dāng)前第32頁(yè)\共有89頁(yè)\編于星期三\8點(diǎn)●實(shí)際的雙位控制器特點(diǎn)：①具有開關(guān)特性，工作狀態(tài)只有開、關(guān)兩種狀態(tài)。②其控制作用不是連續(xù)變化，是斷、續(xù)控制。被控變量的變化是一個(gè)等幅震蕩過程

偏差在某一中間區(qū)域時(shí)，控制機(jī)構(gòu)不動(dòng)作。如：家用冰箱、電飯鍋（雙金屬溫度計(jì)既是測(cè)溫元件又是控制元件）。uttyyHyL圖2-19具有中間區(qū)的雙位控制過程③結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，成本低廉，易于實(shí)現(xiàn)。圖2-18實(shí)際的雙位控制規(guī)律開關(guān)umaxemaxeminumin當(dāng)前第33頁(yè)\共有89頁(yè)\編于星期三\8點(diǎn)二比例控制規(guī)律（Proportion）——指控制器的輸出信號(hào)變化量u與輸入偏差信號(hào)變化量e之間成比例關(guān)系。

圖2-20

即：△u（t）=Kp·e（t）①比例放大系數(shù)Kp（Kp=u/e），有量綱。反映比例控制作用的強(qiáng)弱。

Kp大，比例控制作用強(qiáng)Kp小，比例控制作用弱當(dāng)前第34頁(yè)\共有89頁(yè)\編于星期三\8點(diǎn)二比例控制規(guī)律（Proportion）②比例度δ：工業(yè)中常用比例度來表示比例控制作用的強(qiáng)弱。——指控制器輸入的變化相對(duì)值與相應(yīng)的輸出變化相對(duì)值之比的百分?jǐn)?shù)。無量綱。當(dāng)前第35頁(yè)\共有89頁(yè)\編于星期三\8點(diǎn)●比例度與比例放大系數(shù)的關(guān)系：

都表示比例控制器控制作用的強(qiáng)弱?！癖壤鹊奈锢硪饬x：要使控制器的輸出變化全量程時(shí)，相應(yīng)的輸入變化量占儀表量程的百分?jǐn)?shù)。例：DDZ—Ⅱ型比例作用溫度控制器，溫度刻度范圍為400～800℃，控制器的輸出工作范圍為0～10mA。當(dāng)指示指針從600℃移到700℃，控制器相應(yīng)的輸出從4mA變?yōu)?mA，其比例度

從上式可看出：δ與KP成反比，Kp比例控制作用，Kp比例控制作用而δ比例控制作用，δ比例控制作用uminumax0100%δ=50%δ=100%δ=200%e/（emax－emin）當(dāng)前第36頁(yè)\共有89頁(yè)\編于星期三\8點(diǎn)③比例控制規(guī)律對(duì)系統(tǒng)過渡過程的影響a)有余差。例如：杠桿浮球構(gòu)成的比例液位控制系統(tǒng)：為什么？當(dāng)Q1=Q2時(shí)；杠桿為水平位置當(dāng)Q2突然增加時(shí)，閥1必須增大，使Q1=Q2時(shí)，才能建立新的平衡，此時(shí)閥桿上移，浮球下移，浮球達(dá)到新的平衡位置比原來的平衡位置（給定值）低，其差值就是余差。b)Kp大，比例控制作用強(qiáng)；Kp小，比例控制作用弱即δ小，比例控制作用強(qiáng)；δ大，比例控制作用弱，Kp太大，太小對(duì)控制都不利，Kp太大，穩(wěn)定性下降；太小，過渡平穩(wěn)，但余差大。如圖2-22當(dāng)前第37頁(yè)\共有89頁(yè)\編于星期三\8點(diǎn)圖2-22不同δ下的過渡過程ytytytδ小于臨界值tyδ太大δ偏小ytδ偏大ytδ適當(dāng)δ等于臨界值當(dāng)前第38頁(yè)\共有89頁(yè)\編于星期三\8點(diǎn)④比例控制規(guī)律優(yōu)缺點(diǎn)干擾少、擾動(dòng)幅度小、負(fù)荷變化不大、滯后較小，控制要求不高、允許有余差存在。例如：塔釜的液位、貯槽的液位、冷凝器的液位等。●結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、控制及時(shí)、參數(shù)整定方便?！窨刂平Y(jié)果有余差。適應(yīng)場(chǎng)合：當(dāng)前第39頁(yè)\共有89頁(yè)\編于星期三\8點(diǎn)三積分控制規(guī)律（I）(integral)①定義：是指控制器的輸出變化量u與輸入偏差e的積分成正比。即：②階躍響應(yīng)曲線●當(dāng)有偏差時(shí)，輸出信號(hào)將隨時(shí)間增大?！癞?dāng)偏差為零時(shí)，輸出停止變化而穩(wěn)定在某一值上，因而用積分控制器組成控制系統(tǒng)可以達(dá)到無余差。teutATI圖2-23積分調(diào)節(jié)的開環(huán)特性KI——積分速度TI——積分時(shí)間常數(shù)③積分作用為什么不單獨(dú)使用？

開始為0，隨tu緩慢即當(dāng)e剛進(jìn)入時(shí)，uI幾乎為零，積分作用太微弱，控制不及時(shí)，即有滯后。當(dāng)前第40頁(yè)\共有89頁(yè)\編于星期三\8點(diǎn)四比例積分控制（PI）①定義：在比例控制的基礎(chǔ)上，再加上積分控制作用，便構(gòu)成比例積分控制規(guī)律。控制既及時(shí)，又能消除余差。數(shù)學(xué)表達(dá)式：②如何求取比例放大系數(shù)KP及積分時(shí)間常數(shù)TI（實(shí)驗(yàn)）利用當(dāng)t=TI時(shí)，uPI=2KPA這一關(guān)系。具體操作：給比例積分控制器輸入一個(gè)幅值為A的階躍變化，立即記下輸出的躍變值并開動(dòng)秒表記時(shí)，當(dāng)uPI=2KPA時(shí)，此時(shí)的時(shí)間為TI；躍變值KPA除以階躍輸入幅值A(chǔ)就是KPteutAKPA2KPA圖2-24比例積分的開環(huán)特性TI當(dāng)前第41頁(yè)\共有89頁(yè)\編于星期三\8點(diǎn)③積分時(shí)間TI對(duì)過渡過程的影響如

TI，，KI

積分作用，積分速度準(zhǔn)確性，C0，但系統(tǒng)的穩(wěn)定性ytytytTI太小TI適當(dāng)tyTI=∞TI太太圖2-25積分時(shí)間I對(duì)過渡過程的影響④比例積分控制的優(yōu)缺點(diǎn)●既控制及時(shí)、又能消除余差?！竦玊I過小，會(huì)使系統(tǒng)的穩(wěn)定性下降。適應(yīng)場(chǎng)合：廣泛應(yīng)于壓力、流量、液位和那些沒有大的時(shí)間滯后的具體對(duì)象。如

TI，KI

積分作用，積分速度，準(zhǔn)確性，但系統(tǒng)的穩(wěn)定性當(dāng)前第42頁(yè)\共有89頁(yè)\編于星期三\8點(diǎn)五比例微分控制規(guī)律（PD）（differential)1理想微分控制規(guī)律（D）①定義：是指控制器的輸出變化量u與輸入偏差e的變化速度成正比。表達(dá)式：u=TDde/dtTD——為微分時(shí)間，表示微分作用的強(qiáng)弱。de/dt——為偏差信號(hào)變化速度。②響應(yīng)曲線：③特點(diǎn)：這種控制器用在系統(tǒng)中，即使偏差很小，只要出現(xiàn)變化趨勢(shì)，馬上就進(jìn)行控制，故有超前控制之稱，這就它的優(yōu)點(diǎn)，但它的輸出不能反映偏差的大小，假如偏差固定，即使數(shù)值很大，微分作用也沒有輸出，因而控制結(jié)果不能消除偏差，不能單獨(dú)使用。teutt0圖2-26理想微分控制器特性t0∞0當(dāng)前第43頁(yè)\共有89頁(yè)\編于星期三\8點(diǎn)2比例微分控制規(guī)律（PD）

①數(shù)學(xué)表達(dá)式：ytytytTD太大TD適當(dāng)tyTD=0TD太小

圖2-29微分時(shí)間對(duì)系統(tǒng)過渡過程的影響

utt0KpA圖2-28比例微分控制器特性TD是表示微分控制作用強(qiáng)弱的一個(gè)參數(shù)。TD大，微分控制作用越強(qiáng)。增加微分時(shí)間TD，能克服系統(tǒng)的滯后，改善系統(tǒng)的控制質(zhì)量，提高系統(tǒng)的穩(wěn)定性。但微分時(shí)間不能太大，否則會(huì)使系統(tǒng)出現(xiàn)高頻振蕩。即TD，微分作用，穩(wěn)定性。TD，過度靈敏，會(huì)出現(xiàn)高頻震蕩。③優(yōu)缺點(diǎn)：響應(yīng)快、偏差小、能增加系統(tǒng)的穩(wěn)定性；有超前控制作用，可以克服對(duì)象的慣性；控制結(jié)果有余差。②微分時(shí)間對(duì)系統(tǒng)過渡過程的影響當(dāng)前第44頁(yè)\共有89頁(yè)\編于星期三\8點(diǎn)六比例積分微分控制規(guī)律（PID）②優(yōu)缺點(diǎn)：控制質(zhì)量高；無余差；參數(shù)整定較麻煩。③適應(yīng)場(chǎng)合：對(duì)象滯后大；負(fù)荷變化較大，但變化不頻繁；對(duì)控制質(zhì)量要求高。①數(shù)學(xué)表達(dá)式：當(dāng)前第45頁(yè)\共有89頁(yè)\編于星期三\8點(diǎn)比例（P）、比例積分（PI）、比例積分微分（PID）的比較控制規(guī)律數(shù)學(xué)表達(dá)式可調(diào)參數(shù)優(yōu)缺點(diǎn)適應(yīng)場(chǎng)合

比例（P）比例積分（PI）比例積分微分（PID）u=KpeKp,（）控制及時(shí)、過渡時(shí)間短、克服干擾能力強(qiáng)。但控制結(jié)果有余差適用于控制通道滯后較小，負(fù)荷變化較小，工藝上沒有提出余差要求的系統(tǒng).如：液位Kp，T1用于控制通道滯后較小，負(fù)荷變化較小，工藝參數(shù)不允許有余差的系統(tǒng).如：壓力、流量等能消除余差。但積分控制作用比較緩慢、控制不及時(shí)，系統(tǒng)穩(wěn)定性下降Kp,T1,TD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)。如溫度、成分控制質(zhì)量高，積分作用可消除余差，微分作用可提高系統(tǒng)的穩(wěn)定性但參數(shù)整定較麻煩。當(dāng)前第46頁(yè)\共有89頁(yè)\編于星期三\8點(diǎn)§2.2.2控制器正、反方向的確定●執(zhí)行器的正、反作用方向的規(guī)定：由它的氣開、氣關(guān)型式來確定。

氣開閥為“正作用”，氣關(guān)閥為“反作用”。▲氣開閥：有氣壓信號(hào)時(shí)閥開、無氣壓信號(hào)時(shí)閥關(guān)的氣動(dòng)執(zhí)行器。▲氣關(guān)閥：有氣壓信號(hào)時(shí)閥關(guān)、無氣壓信號(hào)時(shí)閥開的氣動(dòng)執(zhí)行器。

▲“正”方向：當(dāng)執(zhí)行器的輸入信號(hào)增加時(shí)，氣開閥的開度增加。因而流過閥的流體流量也增加，故氣開閥是“正”方向▲“反”方向：當(dāng)執(zhí)行器的輸入信號(hào)增加時(shí)，氣關(guān)閥的開度減小。因而流過閥的流體流量也減小，故氣關(guān)閥是“反”方向1各環(huán)節(jié)的正、反作用方向的規(guī)定●被控對(duì)象規(guī)定：操縱變量m，被控變量y，為“正作用”操縱變量m，被控變量y，為“反作用”●測(cè)量元件：輸入增加，輸出也增加，一般都為“正方向”。當(dāng)前第47頁(yè)\共有89頁(yè)\編于星期三\8點(diǎn)●控制器規(guī)定：當(dāng)控制器的偏差(e=y0-ym）增加時(shí)，輸出u也增加，稱為“正作用”當(dāng)控制器的偏差(e=ym-y0）增加時(shí)，輸出u減小，稱為“反作用”

控制器的正，反作用可以通過改變控制器上的正，反作用開關(guān)自行選擇，一臺(tái)正作用的控制器，只要將其測(cè)量值與給定值的輸入線互換一下，就成了反作用的控制器.控制器P測(cè)P給u出正，反作用開關(guān)P測(cè)P給控制器正,反作用開關(guān)示意圖當(dāng)前第48頁(yè)\共有89頁(yè)\編于星期三\8點(diǎn)2為什么要考慮控制器的正、反方向？如何選擇？

▲目的：是為了使系統(tǒng)中的被控對(duì)象、控制器、執(zhí)行器三個(gè)環(huán)節(jié)組合起來，構(gòu)成“負(fù)反饋”▲選擇步驟：先確定被控對(duì)象的作用方向再由工藝安全條件確定執(zhí)行器的氣開、氣關(guān)型式，進(jìn)而確定其作用方向最后確定控制器的方向，以使控制系統(tǒng)構(gòu)成負(fù)反饋當(dāng)前第49頁(yè)\共有89頁(yè)\編于星期三\8點(diǎn)3例題：下圖是鍋爐的壓力和液位的控制系統(tǒng)圖，試分別確定兩個(gè)控制系統(tǒng)中各個(gè)環(huán)節(jié)的正、反作用方向以及控制閥的氣開、氣關(guān)形式。LC給水PC燃料燃燒室解：①單回路液位控制系統(tǒng)：對(duì)象：供水量增加時(shí)，液位升高，故是“+”方向執(zhí)行器：從鍋爐安全的角度來看，應(yīng)選“氣關(guān)閥”即“－”方向，以便當(dāng)氣源中斷時(shí)，能繼續(xù)供水。PC控制器：應(yīng)為“+”方向②單回路壓力控制系統(tǒng)：對(duì)象：燃料增加時(shí)，蒸汽壓力增加，故是“+”方向控制閥：從鍋爐安全的角度來看，應(yīng)選“氣開閥”即“+”方向，以保證當(dāng)氣源中斷時(shí)，能停止燃料供給，防止鍋爐燒壞。PC控制器：應(yīng)為“－”方向當(dāng)前第50頁(yè)\共有89頁(yè)\編于星期三\8點(diǎn)

§2.2.3控制器參數(shù)的整定

理論計(jì)算工程整定法

臨界比例度法衰減曲線法經(jīng)驗(yàn)湊試法●控制器參數(shù)整定方法●任務(wù)：根據(jù)已確定的控制方案，確定控制器的最佳參數(shù)值（δ、TI、TD），以使控制系統(tǒng)獲得最佳的控制質(zhì)量。Tkyftt1臨界比例度法方法：在閉環(huán)的控制系統(tǒng)中，先將控制器變?yōu)榧儽壤饔?，即將T1放大“”位置上，TD放在“0”位置上，在干擾作用下，從大到小地逐漸改變控制器的比例度，直至系統(tǒng)產(chǎn)生等幅度振蕩，記下此時(shí)的δK、TK

經(jīng)驗(yàn)公式計(jì)算出各參數(shù)的整定值特點(diǎn)：簡(jiǎn)單、易于掌握和判斷，適合一般的控制系統(tǒng)；不適合臨界比例度很小和不允許產(chǎn)生等幅振蕩的系統(tǒng)。臨界比例度δK和臨界周期TK試驗(yàn)當(dāng)前第51頁(yè)\共有89頁(yè)\編于星期三\8點(diǎn)表2-2臨界比例度法經(jīng)驗(yàn)計(jì)算公式表Pg41控制作用比例(P)比例積分(PI)比例度/%2k2.2

k積分時(shí)間TI/min0.85Tk微分時(shí)間TD比例+微分(PD)比例+積分+微分(PID)1.8k1.7

k0.5Tk0.1Tk0.13Tk當(dāng)前第52頁(yè)\共有89頁(yè)\編于星期三\8點(diǎn)——是在純比例運(yùn)行下，通過使系統(tǒng)產(chǎn)生4：1或10：1的衰減振蕩，得到衰減比例度S和衰減周期Ts（或上升時(shí)間T升），然后根據(jù)經(jīng)驗(yàn)總結(jié)出來的關(guān)系求出控制器各參數(shù)。（Pg41）2衰減曲線法Ts

(a)(b)T升tttfyy4：1衰減曲線10：1衰減曲線當(dāng)前第53頁(yè)\共有89頁(yè)\編于星期三\8點(diǎn)采用衰減曲線法注意點(diǎn)：（1）加的干擾幅度值不能太大，要根據(jù)生產(chǎn)操作要求來定，一般為額定值的5%左右，也有例外的情況。（2）必須在工藝參數(shù)穩(wěn)定情況下才能施加干擾，否則得不到正確的s、Ts或‘s和T升值。（3）對(duì)于反應(yīng)快的系統(tǒng)，如流量，管道壓力和小容量的液位控制等，要在記錄曲線上嚴(yán)格得到4：1衰減曲線比較困難。一般以被控變量來回波動(dòng)兩次達(dá)到穩(wěn)定，就可以近似地認(rèn)為達(dá)到4：1衰減過程了。特點(diǎn)：比較簡(jiǎn)單，整定質(zhì)量高，應(yīng)用廣泛；但對(duì)于干擾頻繁、記錄曲線不規(guī)則、不斷有小擺動(dòng)的系統(tǒng)不適應(yīng)。當(dāng)前第54頁(yè)\共有89頁(yè)\編于星期三\8點(diǎn)表2-1控制器參數(shù)的經(jīng)驗(yàn)數(shù)據(jù)表Pg40被控對(duì)象流量對(duì)象時(shí)間常數(shù)小，參數(shù)有波動(dòng)，要大；40~1000.1~1TI要短；不用微分溫度對(duì)象容量滯后較大，即參數(shù)受干擾后變20~603~100.5~3化遲緩，應(yīng)??；TI要長(zhǎng)；一般需加微分壓力對(duì)象的容量滯后一般，不算大，一般不30~700.4~3加微分液位對(duì)象時(shí)間常數(shù)范圍較大，要求不高時(shí)，20~100

可在一定范圍內(nèi)選取，一般不用微分對(duì)象特性/%TI/minTD/min三經(jīng)驗(yàn)湊試法——是根據(jù)經(jīng)驗(yàn)先將控制參數(shù)置于一定數(shù)值上，然后通過不斷觀察過渡過程曲線，逐漸湊試，直到獲得滿意的控制器參數(shù)值為止。當(dāng)前第55頁(yè)\共有89頁(yè)\編于星期三\8點(diǎn)經(jīng)驗(yàn)湊試法整定參數(shù)的步驟有以下兩種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。ytytytδ小于臨界值tyδ太大δ偏小ytδ偏大ytδ適當(dāng)δ等于臨界值圖2-22比例度對(duì)過渡過程的影響關(guān)鍵：“看曲線，調(diào)參數(shù)”ytytytTI太小TI適當(dāng)tyTI=∞TI太太ytytytTD太大TD適當(dāng)tyTD=0TD太小

圖2-29微分時(shí)間對(duì)系統(tǒng)過渡過程的影響

圖2-25積分時(shí)間I對(duì)過渡過程的影響當(dāng)前第56頁(yè)\共有89頁(yè)\編于星期三\8點(diǎn)（2）經(jīng)驗(yàn)湊試法還可以按以下步驟進(jìn)行：先按表中給出的范圍把TI定下來，如要引入微分作用，可取TD=(1/3~1/4)TI,,然后對(duì)進(jìn)行湊試，湊試步驟與前一種方法相同。特點(diǎn)：方法簡(jiǎn)單，應(yīng)用非常廣泛。特別適用于干擾頻繁、記錄曲線不規(guī)則、不斷有小擺動(dòng)的控制系統(tǒng)。但參數(shù)整定費(fèi)時(shí)，控制質(zhì)量因人而異。當(dāng)前第57頁(yè)\共有89頁(yè)\編于星期三\8點(diǎn)例1▲如何根據(jù)過渡曲線，憑經(jīng)驗(yàn)調(diào)節(jié)參數(shù)？

①比例度過小、積分時(shí)間過小、微分時(shí)間過大都會(huì)引起過渡曲線劇烈振蕩，如何判斷？t積分時(shí)間過小，振蕩周期長(zhǎng)比例度過小，振蕩周期較短微分時(shí)間過大，振蕩周期最短②比例度過大、積分時(shí)間過大都會(huì)使過渡過程變化緩慢，如何判斷？根據(jù)過渡曲線振蕩的周期不一樣進(jìn)行判斷比例度過大，曲線波動(dòng)較劇烈、不規(guī)則較大地偏離給定值積分時(shí)間過大，經(jīng)過非周期振蕩慢慢回到給定值ytty當(dāng)前第58頁(yè)\共有89頁(yè)\編于星期三\8點(diǎn)例2試分辨（a）、（b）兩過渡曲線哪一個(gè)的比例度大、那一個(gè)的比例度??？ytyt（a）（b）分析：（a）振蕩劇烈、頻率高、衰減比小、系統(tǒng)穩(wěn)定性差，說明其比例度小，因?yàn)楸壤刃。刂谱饔脧?qiáng)，在同樣的偏差情況下，容易產(chǎn)生超調(diào)，使系統(tǒng)的穩(wěn)定性下降。（b）曲線的余差大，說明其比例度大。原因是比例度大，當(dāng)負(fù)荷變化后，要產(chǎn)生同樣的控制作用，所需的偏差要大，所以比例度越大，所產(chǎn)生的余差也越大。當(dāng)前第59頁(yè)\共有89頁(yè)\編于星期三\8點(diǎn)例3試分辨（a）、（b）兩在不同積分時(shí)的過渡曲線，哪一個(gè)的積分時(shí)間大、那一個(gè)的積分時(shí)間?。縴t（b）分析：（a）曲線的積分時(shí)間小，因?yàn)榉e分時(shí)間小，說明其積分控制作用強(qiáng)，消除余差的速度快，但系統(tǒng)的穩(wěn)定性會(huì)下降。（b）曲線消除余差的速度慢，說明其積分時(shí)間大。yt（a）當(dāng)前第60頁(yè)\共有89頁(yè)\編于星期三\8點(diǎn)本節(jié)學(xué)習(xí)要點(diǎn)一掌握簡(jiǎn)單控制系統(tǒng)的組成、表示方法以及各個(gè)環(huán)節(jié)的組成二掌握簡(jiǎn)單控制系統(tǒng)被控變量、操縱變量選擇的原則三了解各種控制規(guī)律的特點(diǎn)、可調(diào)參數(shù)對(duì)控制系統(tǒng)過渡過程的影響規(guī)律以及應(yīng)用場(chǎng)合四掌握簡(jiǎn)單控制系統(tǒng)中各個(gè)環(huán)節(jié)正、反作用確定的方法五掌握控制器參數(shù)工程整定的方法、會(huì)對(duì)過渡曲線進(jìn)行分析，懂得需要對(duì)哪個(gè)控制參數(shù)進(jìn)行調(diào)節(jié)，從而使過渡曲線滿足要求思考題：P63：10、11、13、14當(dāng)前第61頁(yè)\共有89頁(yè)\編于星期三\8點(diǎn)§2.3復(fù)雜控制系統(tǒng)

本節(jié)主要內(nèi)容：

§2.2.1串級(jí)控制系統(tǒng)

§2.3.2前饋控制系統(tǒng)

§2.3.3比值控制系統(tǒng)

§2.3.4選擇性控制系統(tǒng)

§2.3.5均勻控制系統(tǒng)

當(dāng)前第62頁(yè)\共有89頁(yè)\編于星期三\8點(diǎn)前言

隨著生產(chǎn)過程向大型化,連續(xù)化和強(qiáng)化方向發(fā)展，對(duì)操作條件要求更加嚴(yán)格，參數(shù)間相互關(guān)系更加復(fù)雜，對(duì)控制系統(tǒng)的精度和功能提出了許多新的要求。因此在簡(jiǎn)單的單回路控制的基礎(chǔ)上，設(shè)計(jì)和開發(fā)了另一類復(fù)雜控制系統(tǒng)，以滿足生產(chǎn)過程控制的要求。 復(fù)雜控制系統(tǒng)，根據(jù)其開發(fā)目的的差異，分為兩大類。 1．為提高響應(yīng)曲線的性能指標(biāo)而開發(fā)的控制系統(tǒng)，可獲得比單回路PID控制更優(yōu)越的過渡過程質(zhì)量，如串級(jí)、前饋控制系統(tǒng)等。 2．按某些特殊目的而開發(fā)的控制系統(tǒng)，為滿足不同的化工生產(chǎn)工藝、操作方式等的控制性能指標(biāo)而開發(fā)的控制系統(tǒng)，如比值、選擇性、均勻等控制系統(tǒng)。當(dāng)前第63頁(yè)\共有89頁(yè)\編于星期三\8點(diǎn)§2.2.1串級(jí)控制系統(tǒng)

一串極控制的基本原理1定義：它是由兩個(gè)被控對(duì)象、兩套檢測(cè)元件及變送器、兩個(gè)控制器和一個(gè)執(zhí)行器所構(gòu)成的兩回路控制系統(tǒng)。其中主、副兩個(gè)控制器是串級(jí)工作的，主控制器的輸出作為副控制器的給定值，副控制器的輸出去操縱控制閥，以實(shí)現(xiàn)對(duì)主變量的定值控制。2串級(jí)控制系統(tǒng)的通用方塊圖圖2-20串級(jí)控制系統(tǒng)方塊圖主被控變量給定主控制器控制閥主對(duì)象一次干擾主檢測(cè)變送器u1me1－副控制器副對(duì)象副檢測(cè)變送器－e2u2二次干擾副被控變量當(dāng)前第64頁(yè)\共有89頁(yè)\編于星期三\8點(diǎn)3串級(jí)控制系統(tǒng)中的常用名詞和術(shù)語(yǔ)?！裰髯兞俊枪に嚨闹苯涌刂浦笜?biāo)，使它保持平穩(wěn)是控制的主要目標(biāo)?！窀弊兞俊枪に嚨拈g接控制指標(biāo)，它是為了穩(wěn)定主變量而引出的中間變量?！窀睂?duì)象——由副變量表征其特征的生產(chǎn)設(shè)備?！裰鲗?duì)象——由主變量表征其特征的生產(chǎn)設(shè)備?！窀笨刂破鳌邮芨弊兞康钠?，其輸出去控制閥門?！裰骺刂破鳌邮苤髯兞康钠睿漭敵鋈ジ淖兏笨刂破鞯脑O(shè)定值。●副回路——處于串級(jí)控制系統(tǒng)內(nèi)部的，由副變量檢測(cè)變送器、副控制器、調(diào)節(jié)閥、副對(duì)象組成的回路。●主回路——若將副回路看成一個(gè)以主控制器輸出為輸入，以副變量為輸出的等效環(huán)節(jié)，則串級(jí)系統(tǒng)轉(zhuǎn)化為一個(gè)單回路，稱為主回路。尤其必須注意，主回路并不是指將副變量測(cè)量變送環(huán)節(jié)前（或后）斷開后而形成的回路。當(dāng)前第65頁(yè)\共有89頁(yè)\編于星期三\8點(diǎn)二串級(jí)控制的典型實(shí)例例1：管式加熱爐出口溫度串級(jí)控制系統(tǒng)。1）畫出該控制系統(tǒng)的方塊圖；2）指出該系統(tǒng)中主、副對(duì)象、主、副變量、操縱變量、主、副擾動(dòng)變量、主、副調(diào)節(jié)器各是什么？3）當(dāng)燃料油負(fù)荷突然增加，試分析該系統(tǒng)是如何實(shí)現(xiàn)自動(dòng)控制的。圖2-34加熱爐出口溫度簡(jiǎn)單控制系統(tǒng)圖2-35加熱爐出口溫度串級(jí)控制系統(tǒng)圖2-36當(dāng)前第66頁(yè)\共有89頁(yè)\編于星期三\8點(diǎn)解：（1）加熱爐出口溫度串級(jí)控制系統(tǒng)的方塊圖2）主對(duì)象：加熱爐內(nèi)加熱管的管壁；副對(duì)象：加熱爐的爐膛主變量：加熱爐油料的出口溫度T1；副變量：爐膛內(nèi)的溫度T2；操縱變量：燃料油的流量；主擾動(dòng)量f1：被加熱油料的進(jìn)口的溫度、壓力、流量副擾動(dòng)量f2：燃料油的壓力、流量、溫度；霧化燃料油用的過熱蒸汽的壓力、流量；燃燒器的配風(fēng)、爐膛的漏風(fēng)以及環(huán)境溫度等3）在穩(wěn)定工況下，原料油出口溫度和爐膛溫度處于相對(duì)穩(wěn)定狀態(tài)，控制燃料油的閥門保持在一定的開度。當(dāng)燃料油負(fù)荷突然增加，這個(gè)干擾會(huì)使?fàn)t膛的溫度T2升高，副控制器T2C會(huì)根據(jù)輸入偏差的大小，減少操縱變量燃料油的加入量，從而使?fàn)t膛的溫度下降。與此同時(shí)，由于爐膛溫度的升高，會(huì)使原料油的出口溫度T1升高，T1的變化通過主控制器T1C去減小副控制器的T2C的給定值。兩個(gè)控制器協(xié)調(diào)工作，使油料油的出口溫度重新穩(wěn)定在給定值。T1T2當(dāng)前第67頁(yè)\共有89頁(yè)\編于星期三\8點(diǎn)例2：反應(yīng)器的溫度串級(jí)控制Pg44：圖2-37（自己分析）

1）畫出該控制系統(tǒng)的方塊圖；2）指出該系統(tǒng)中主、副對(duì)象、主、副變量、操縱變量、主、副擾動(dòng)變量、主、副調(diào)節(jié)器各是什么？3）當(dāng)燃料油負(fù)荷突然增加，試分析該系統(tǒng)是如何實(shí)現(xiàn)自動(dòng)控制的。

當(dāng)前第68頁(yè)\共有89頁(yè)\編于星期三\8點(diǎn)三串級(jí)控制系統(tǒng)的主要特點(diǎn)及應(yīng)用

特點(diǎn)：1在系統(tǒng)結(jié)構(gòu)上，它是由兩個(gè)串級(jí)工作的控制器構(gòu)成的雙閉環(huán)控制系統(tǒng)。2系統(tǒng)的目的在于通過設(shè)置副變量來提高對(duì)主變量的控制質(zhì)量，副回路起快速的“粗調(diào)”作用，主回路則起“細(xì)調(diào)”作用。3由于副回路的存在，對(duì)進(jìn)于副回路的干擾有超前控制作用，因而減少了干擾對(duì)主變量的影響，即主回路對(duì)副對(duì)象具有“魯棒性”，提高了系統(tǒng)的控制精度?！棒敯粜浴庇址Q“強(qiáng)壯性”——是用來描述控制系統(tǒng)的控制品質(zhì)對(duì)對(duì)象特性變化的敏感程度。系統(tǒng)的控制品質(zhì)對(duì)對(duì)象特征變化越不敏感，則“魯棒性”越好。4副回路是一個(gè)隨動(dòng)控制系統(tǒng)，所以系統(tǒng)對(duì)負(fù)荷的改變有一定的自適應(yīng)能力。應(yīng)用場(chǎng)合：串極控制系統(tǒng)適合于容量滯后和時(shí)間常數(shù)很大，干擾作用強(qiáng)而頻繁，負(fù)荷變化大，對(duì)控制質(zhì)量要求高的場(chǎng)合。當(dāng)前第69頁(yè)\共有89頁(yè)\編于星期三\8點(diǎn)§2.3.2前饋控制系統(tǒng)

我們所熟悉的反饋控制系統(tǒng)在實(shí)際生產(chǎn)中有廣泛的應(yīng)用，但其也有固有的缺點(diǎn)。反饋控制無法將擾動(dòng)克服在被控變量偏離給定值之前，調(diào)節(jié)作用不及時(shí)等，限制了其調(diào)節(jié)質(zhì)量的進(jìn)一步提高。故而產(chǎn)生了前饋控制系統(tǒng)。

給定值xx0偏差e控制器執(zhí)行器對(duì)象干擾檢測(cè)變送裝置被控變量y－z控制信號(hào)u操縱變量m當(dāng)前第70頁(yè)\共有89頁(yè)\編于星期三\8點(diǎn)一前饋控制的基本原理及特點(diǎn)（擾動(dòng)補(bǔ)償）

1基本原理：是測(cè)量進(jìn)入過程的干擾（包括外界干擾和設(shè)定值變化），并按其信號(hào)產(chǎn)生合適的控制作用去改變操縱變量，使被控變量維持在設(shè)定值上。●前饋控制的典型實(shí)例●前饋控制的方塊圖圖2-41換熱器前饋控制示意圖

圖2-42前饋控制方塊圖當(dāng)前第71頁(yè)\共有89頁(yè)\編于星期三\8點(diǎn)●前饋控制的傳遞函數(shù)

2特點(diǎn)①前饋控制是基于不變性原理工作的，比反饋控制及時(shí)有效②前饋控制是屬于“開環(huán)”控制③前饋控制使用的是一種視對(duì)象特性而定的“專用”控制器④一種前饋?zhàn)饔弥荒芸朔环N干擾

要實(shí)現(xiàn)全補(bǔ)償時(shí)，則必須Y（s）=0，同時(shí)F(s)≠0

當(dāng)前第72頁(yè)\共有89頁(yè)\編于星期三\8點(diǎn)二前饋控制的主要結(jié)構(gòu)形式

1靜態(tài)前饋控制

其目標(biāo)是被控變量的完全不變性。

Pg50圖2-43++當(dāng)前第73頁(yè)\共有89頁(yè)\編于星期三\8點(diǎn)二前饋控制的主要結(jié)構(gòu)形式

2前饋-反饋控制系統(tǒng)Pg51圖2-44優(yōu)點(diǎn)：從前饋控制角度，由于增添了反饋控制，降低了對(duì)前饋控制模型的精度要求，并能對(duì)未選作前饋信號(hào)的干擾產(chǎn)生校正作用。從反饋控制角度，由于前饋控制的存在，對(duì)干擾作了及時(shí)的粗調(diào)作用，大大減輕了反饋控制的負(fù)擔(dān)。

給定值xx0反饋控制器執(zhí)行器干擾檢測(cè)變送裝置被控變量y－z前饋控制器測(cè)量變送對(duì)象++當(dāng)前第74頁(yè)\共有89頁(yè)\編于星期三\8點(diǎn)§2.3.3比值控制系統(tǒng)

一概述

在化工，煉油生產(chǎn)中，常有將兩種物料按照一定比例混合或進(jìn)行的化學(xué)反應(yīng)。由此產(chǎn)生了比值控制系統(tǒng)。例如：Pg52：圖2-46溶液配制圖2-47廢水處理當(dāng)前第75頁(yè)\共有89頁(yè)\編于星期三\8點(diǎn)二比值控制系統(tǒng)的類型1定比值控制系統(tǒng)

控制目標(biāo)：主、副流量之比保持定值，即比例控制器的參數(shù)經(jīng)計(jì)算設(shè)置后不再變動(dòng)。①開環(huán)比值控制系統(tǒng)

例如：圖2-48RC——比例控制器（r=qv2/qv1）qv2——副流量qv1——主流量缺點(diǎn)：副流量無反饋，其干擾會(huì)使主副流量的比值很難保持定值。適合：適用于副流量平穩(wěn)且流量比值不高的場(chǎng)合。當(dāng)前第76頁(yè)\共有89頁(yè)\編于星期三\8點(diǎn)②單閉環(huán)比值控制系統(tǒng)