單回路控制系統(tǒng)

過(guò)程控制

ProcessControl

上篇過(guò)程控制系統(tǒng)第3章單回路控制系統(tǒng)本章要點(diǎn)

單回路控制系統(tǒng)的組成

單回路控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

測(cè)控儀表的選擇

調(diào)節(jié)器參數(shù)的整定

設(shè)計(jì)應(yīng)用實(shí)例本章學(xué)習(xí)目標(biāo)

了解單回路控制系統(tǒng)的基本構(gòu)成及設(shè)計(jì)方法

理解被控過(guò)程特性對(duì)控制質(zhì)量的影響，掌握被控參數(shù)及控制參數(shù)的設(shè)計(jì)原則

掌握調(diào)節(jié)規(guī)律對(duì)控制質(zhì)量的影響及選擇方法

掌握調(diào)節(jié)器正反作用方式的選擇方法

熟悉執(zhí)行器的選擇方法及注意事項(xiàng)

理解調(diào)節(jié)器參數(shù)的工程整定方法第3章單回路控制系統(tǒng)3.1單回路控制系統(tǒng)概述3.2單回路控制系統(tǒng)方案設(shè)計(jì)3.3單回路控制系統(tǒng)的調(diào)試3.4常見(jiàn)控制系統(tǒng)分析3.5單回路控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)實(shí)例3.1單回路控制系統(tǒng)概述

第3章單回路控制系統(tǒng)3.1單回路控制系統(tǒng)概述3.1.1單回路控制系統(tǒng)的構(gòu)成3.1.2控制系統(tǒng)的工程表示

單回路控制系統(tǒng)是指只有一個(gè)測(cè)量變送器、一個(gè)調(diào)節(jié)器、一個(gè)調(diào)節(jié)閥連同被控過(guò)程，對(duì)一個(gè)被控參數(shù)進(jìn)行控制的反饋閉環(huán)控制系統(tǒng)。特點(diǎn)：結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、投資少、易于調(diào)整和投運(yùn)，能夠滿足一般工業(yè)生產(chǎn)過(guò)程的控制要求，因此應(yīng)用十分廣泛（80%以上），尤其適用于被控過(guò)程的純時(shí)延和慣性小，負(fù)荷和擾動(dòng)變化比較平緩，或者對(duì)被控質(zhì)量要求不太高的場(chǎng)合。單回路控制系統(tǒng)是復(fù)雜控制系統(tǒng)的基礎(chǔ)。3.1概述

第3章單回路控制系統(tǒng)3.1單回路控制系統(tǒng)概述

對(duì)于過(guò)程控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)和應(yīng)用來(lái)說(shuō)，控制方案的設(shè)計(jì)和調(diào)節(jié)器參數(shù)的整定是其中兩個(gè)重要內(nèi)容。如果控制方案設(shè)計(jì)不正確，僅憑調(diào)節(jié)器參數(shù)的整定是不可能獲得較好的控制質(zhì)量的；若控制方案很好，但是調(diào)節(jié)器參數(shù)整定不合適，也不能使系統(tǒng)運(yùn)行在最佳狀態(tài)。

第3章單回路控制系統(tǒng)3.1單回路控制系統(tǒng)概述3.1.1單回路控制系統(tǒng)的構(gòu)成單回路控制系統(tǒng)示例

液位控制系統(tǒng)溫度控制系統(tǒng)

壓力控制系統(tǒng)

第3章單回路控制系統(tǒng)3.1單回路控制系統(tǒng)概述3.1.2控制系統(tǒng)的工程表示工藝控制系統(tǒng)流程圖（管道儀表流程圖）：

液位控制系統(tǒng)溫度控制系統(tǒng)

壓力控制系統(tǒng)

第3章單回路控制系統(tǒng)3.1單回路控制系統(tǒng)概述帶測(cè)控點(diǎn)工藝流程圖是自控設(shè)計(jì)的文字代號(hào)、圖形符號(hào)在工藝流程圖上描述生產(chǎn)過(guò)程控制的原理圖，是控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)、施工中采用的一種圖示形式。國(guó)家行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)HG20505-92過(guò)程檢測(cè)和控制系統(tǒng)用文字代號(hào)和圖形符號(hào)

第3章單回路控制系統(tǒng)3.1單回路控制系統(tǒng)概述一些常用的圖形符號(hào)和文字代號(hào)1．圖形符號(hào)過(guò)程檢測(cè)和控制系統(tǒng)圖形符號(hào)包括測(cè)量點(diǎn)、連接線(引線、信號(hào)線)和儀表圓圈等。⑴測(cè)量點(diǎn)⑵連接線⑶儀表常規(guī)儀表圖形符號(hào)是直徑為12mm(或10mm)的細(xì)實(shí)線圓圈。⑷執(zhí)行器執(zhí)行器的圖形符號(hào)是由執(zhí)行機(jī)構(gòu)和調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)的圖形符號(hào)組合而成的。

第3章單回路控制系統(tǒng)3.1單回路控制系統(tǒng)概述2．儀表位號(hào)在檢測(cè)控制系統(tǒng)中，構(gòu)成回路的每個(gè)儀表(或元件)都用儀表位號(hào)來(lái)標(biāo)識(shí)。儀表位號(hào)由字母代號(hào)組合和回路編號(hào)兩部分組成.首字母表示被控變量，后繼字母表示儀表的功能?；芈返木幪?hào)由工序號(hào)和順序號(hào)組成，一般用3-5位阿拉伯?dāng)?shù)字表示。

第3章單回路控制系統(tǒng)3.1單回路控制系統(tǒng)概述

表3.1過(guò)程檢測(cè)和控制流程圖所用字母代號(hào)及其含義

第3章單回路控制系統(tǒng)3.2單回路控制系統(tǒng)方案設(shè)計(jì)

3.2單回路控制系統(tǒng)方案設(shè)計(jì)3.2.1被控參數(shù)的選擇3.2.2控制參數(shù)的選擇3.2.3被控參數(shù)的測(cè)量與變送3.2.4執(zhí)行器的選擇3.2.5調(diào)節(jié)器控制規(guī)律的選擇3.2.6調(diào)節(jié)器正、反作用的確定

第3章單回路控制系統(tǒng)3.2單回路控制系統(tǒng)方案設(shè)計(jì)

3.2單回路控制系統(tǒng)方案設(shè)計(jì)3.2.1被控參數(shù)的選擇根據(jù)工藝要求選擇被控參數(shù)，是系統(tǒng)設(shè)計(jì)中的重要內(nèi)容。選取被控參數(shù)的一般原則：⑴選擇對(duì)產(chǎn)品的產(chǎn)量和質(zhì)量、安全生產(chǎn)、經(jīng)濟(jì)運(yùn)行和環(huán)境保護(hù)具有決定性作用的、可直接測(cè)量的工藝參數(shù)為被控參數(shù)。⑵當(dāng)不能用直接參數(shù)作為被控參數(shù)時(shí)，應(yīng)選擇一個(gè)與直接參數(shù)有單值函數(shù)關(guān)系的間接參數(shù)作為被控參數(shù)。⑶被控參數(shù)必須具有足夠高的靈敏度。⑷被控參數(shù)的選取，還必須考慮工藝過(guò)程的合理性和國(guó)內(nèi)外儀表生產(chǎn)的現(xiàn)狀。

第3章單回路控制系統(tǒng)3.2單回路控制系統(tǒng)方案設(shè)計(jì)

3.2.2控制參數(shù)的選擇1.干擾通道特性對(duì)控制質(zhì)量的影響⑴放大倍數(shù)Kf的影響設(shè)則單位階躍擾動(dòng)干擾通道Kf越大，系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)誤差越大，被控參數(shù)偏離給定值越大。

第3章單回路控制系統(tǒng)3.2單回路控制系統(tǒng)方案設(shè)計(jì)

⑵時(shí)間常數(shù)Tf的影響為了研究問(wèn)題的方便，令各環(huán)節(jié)放大倍數(shù)均為1，則系統(tǒng)的特征方程為

干擾通道為一階慣性環(huán)節(jié)與其為放大環(huán)節(jié)相比，增加了一個(gè)附加極點(diǎn)-1/Tf。除了會(huì)影響過(guò)渡過(guò)程時(shí)間外，還會(huì)影響過(guò)渡過(guò)程的幅值，使其縮小Tf倍。這樣過(guò)渡過(guò)程的最大動(dòng)態(tài)偏差也將隨之減小，這對(duì)提高系統(tǒng)的品質(zhì)是有利的。而且，隨著Tf的增大，控制過(guò)程的品質(zhì)也會(huì)提高。

第3章單回路控制系統(tǒng)3.2單回路控制系統(tǒng)方案設(shè)計(jì)

當(dāng)干擾通道為一階慣性環(huán)節(jié)時(shí)，相當(dāng)于一個(gè)低通濾波器，其轉(zhuǎn)折頻率為1/Tf。Tf越大，轉(zhuǎn)折頻率越小，該環(huán)節(jié)所起的濾波作用越強(qiáng)。由于干擾作用在影響被控參數(shù)時(shí)，受到自身通道的濾波作用，其對(duì)被控參數(shù)的影響程度就大為縮小，因而系統(tǒng)的質(zhì)量會(huì)提高，且隨著時(shí)間常數(shù)Tf的增大，所起的濾波作用越強(qiáng)，系統(tǒng)的質(zhì)量越高。一階慣性環(huán)節(jié)的頻率特性分析：

第3章單回路控制系統(tǒng)3.2單回路控制系統(tǒng)方案設(shè)計(jì)

干擾通道時(shí)間常數(shù)越大，個(gè)數(shù)越多，或者說(shuō)干擾進(jìn)入系統(tǒng)的位置越遠(yuǎn)離被控參數(shù)而靠近調(diào)節(jié)閥，干擾對(duì)被控參數(shù)的影響就越小，系統(tǒng)的控制質(zhì)量就越高.干擾進(jìn)入系統(tǒng)的位置不同，對(duì)被控參數(shù)的影響也不同。

第3章單回路控制系統(tǒng)3.2單回路控制系統(tǒng)方案設(shè)計(jì)⑶純滯后τf的影響當(dāng)干擾通道無(wú)純滯后時(shí)

干擾通道的純滯后τf，使干擾對(duì)被控參數(shù)的影響推遲了時(shí)間τf，因而控制作用也推遲了時(shí)間τf，使整個(gè)過(guò)渡過(guò)程曲線推遲了時(shí)間τf。只要控制通道不存在純滯后，就不會(huì)影響控制質(zhì)量。則當(dāng)干擾通道有純滯后τf時(shí)

滯后定理

第3章單回路控制系統(tǒng)3.2單回路控制系統(tǒng)方案設(shè)計(jì)

2.控制通道特性對(duì)控制質(zhì)量的影響⑴放大倍數(shù)K0的影響即對(duì)于線性系統(tǒng)，在一定穩(wěn)定性前提下，系統(tǒng)的控制質(zhì)量與控制通道放大倍數(shù)無(wú)關(guān)。放大倍數(shù)對(duì)控制質(zhì)量的影響要從靜態(tài)和動(dòng)態(tài)兩個(gè)方面進(jìn)行分析。靜態(tài)分析在一定的穩(wěn)定程度（即一定的衰減比）情況下，系統(tǒng)的開(kāi)環(huán)放大倍數(shù)是一個(gè)常數(shù)。

第3章單回路控制系統(tǒng)3.2單回路控制系統(tǒng)方案設(shè)計(jì)

從控制角度分析K0越大，則表明控制參數(shù)對(duì)被控參數(shù)的影響越大，克服干擾影響更為有效。在相同衰減比情況下，K0Kp=常數(shù)，當(dāng)K0越大時(shí)，Kp則越小，而Kp小則比例度δ大。在調(diào)節(jié)器參數(shù)整定時(shí)，δ大比較容易調(diào)整，反之則不易調(diào)整。從控制的有效性及調(diào)節(jié)器參數(shù)易調(diào)整性來(lái)考慮，希望控制通道放大倍數(shù)K0越大越好。但是，如果K0過(guò)大，會(huì)引起控制通道過(guò)于靈敏，使控制系統(tǒng)不穩(wěn)定。

第3章單回路控制系統(tǒng)3.2單回路控制系統(tǒng)方案設(shè)計(jì)

⑵時(shí)間常數(shù)T0的影響

T0越大，系統(tǒng)的控制質(zhì)量越差，太小則穩(wěn)定性下降，系統(tǒng)質(zhì)量也變差。大小應(yīng)該適中。調(diào)節(jié)器的控制作用，是通過(guò)控制通道施加于被控對(duì)象去影響被控參數(shù)的。控制通道時(shí)間常數(shù)T0的大小反映了控制作用的強(qiáng)弱，反映了調(diào)節(jié)器的校正作用克服擾動(dòng)對(duì)被控參數(shù)影響的快慢。

第3章單回路控制系統(tǒng)3.2單回路控制系統(tǒng)方案設(shè)計(jì)

⑶純滯后τ0和容量滯后τc的影響

控制通道的純滯后會(huì)使系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)偏差增大，超調(diào)量增加，最終導(dǎo)致控制質(zhì)量下降。控制通道純滯后τ0產(chǎn)生的原因信號(hào)傳輸滯后信號(hào)的測(cè)量變送滯后執(zhí)行器的動(dòng)作滯后A、B——調(diào)節(jié)器校正作用；D、E——被控參數(shù)變化曲線；C——干擾變化曲線.純滯后的影響示意圖在選擇控制參數(shù)時(shí)，應(yīng)使對(duì)象控制通道的純滯后τ0盡可能小。

第3章單回路控制系統(tǒng)3.2單回路控制系統(tǒng)方案設(shè)計(jì)

當(dāng)τ0/T0≤0.3時(shí)，系統(tǒng)比較容易控制；當(dāng)τ0/T0＞0.5時(shí)，系統(tǒng)則較難控制，需要采取特殊措施，如當(dāng)τ0難以減小時(shí)，可設(shè)法增加T0以減小τ0/T0的比值，否則很難收到良好的控制效果。在過(guò)程控制中，通常用τ0/T0的大小作為反映過(guò)程控制難易程度的一種指標(biāo)。一般認(rèn)為控制通道的容量滯后τc同樣會(huì)造成控制作用不及時(shí)，使控制質(zhì)量下降。但是τc的影響比純滯后τ0對(duì)系統(tǒng)的影響緩和。另外，若引入微分作用，可克服τc對(duì)控制質(zhì)量的影響。

第3章單回路控制系統(tǒng)3.2單回路控制系統(tǒng)方案設(shè)計(jì)

⑷控制通道時(shí)間常數(shù)匹配的影響

時(shí)間常數(shù)相差越大，臨界穩(wěn)定增益越大，系統(tǒng)開(kāi)環(huán)增益就允許增大得越多，因而對(duì)系統(tǒng)的控制質(zhì)量就越有利。所以，選擇控制參數(shù)時(shí)，應(yīng)將時(shí)間常數(shù)盡量錯(cuò)開(kāi)。在實(shí)際生產(chǎn)過(guò)程中，廣義被控對(duì)象可近似看成由多個(gè)一階慣性環(huán)節(jié)串聯(lián)而成，假設(shè)廣義對(duì)象的傳遞函數(shù)為則相應(yīng)的臨界穩(wěn)定增益KK為

第3章單回路控制系統(tǒng)3.2單回路控制系統(tǒng)方案設(shè)計(jì)

選擇控制參數(shù)的一般原則：⑴所選的控制參數(shù)必須是可控的。⑵控制通道的放大倍數(shù)K0要適當(dāng)大一些；時(shí)間常數(shù)T0要適當(dāng)小，但不宜過(guò)??；純滯后τ0越小越好，在有純滯后τ0的情況下，τ0/T0一般應(yīng)小于0.3，若其比值過(guò)大，則不利于控制。⑶干擾通道的放大倍數(shù)Kf應(yīng)盡可能?。粫r(shí)間常數(shù)Tf應(yīng)盡可能大，容量數(shù)盡可能多；干擾進(jìn)入系統(tǒng)的位置盡可能遠(yuǎn)離被控參數(shù)而靠近調(diào)節(jié)閥。⑷廣義被控對(duì)象由幾個(gè)一階慣性環(huán)節(jié)組成，應(yīng)盡量設(shè)法把幾個(gè)時(shí)間常數(shù)錯(cuò)開(kāi)，使其中一個(gè)時(shí)間常數(shù)比其他時(shí)間常數(shù)大得多，以便盡可能提高系統(tǒng)的可控性。⑸在選擇控制參數(shù)時(shí)還需考慮到工藝的合理性、經(jīng)濟(jì)性。一般來(lái)說(shuō)，生產(chǎn)負(fù)荷直接關(guān)系到產(chǎn)品的產(chǎn)量，不宜經(jīng)常變動(dòng)，在不是十分必要的情況下，不宜選擇生產(chǎn)負(fù)荷作為控制參數(shù)。

第3章單回路控制系統(tǒng)3.2單回路控制系統(tǒng)方案設(shè)計(jì)

3.2.3被控參數(shù)的測(cè)量與變送1.檢測(cè)儀表性能的影響⑴放大倍數(shù)Km的影響測(cè)量變送環(huán)節(jié)的特性通?？捎靡浑A慣性時(shí)延環(huán)節(jié)來(lái)描述

Km與變送器的量程有關(guān)，量程小則Km大。作為廣義對(duì)象的一部分，

Km本身不影響控制系統(tǒng)的性能指標(biāo)。然而．當(dāng)變送器精度等級(jí)一定時(shí)，量程小，有利于減小顯示誤差。

第3章單回路控制系統(tǒng)3.2單回路控制系統(tǒng)方案設(shè)計(jì)

⑵時(shí)間常數(shù)Tm的影響

若Tm較大，則會(huì)使被控參數(shù)的測(cè)量值與實(shí)際值之間產(chǎn)生較大的動(dòng)態(tài)誤差，從而對(duì)系統(tǒng)的控制質(zhì)量產(chǎn)生不利的影響。流量、壓力、液位——Tm較?。粶囟取猅m較大。測(cè)量滯后的補(bǔ)償

第3章單回路控制系統(tǒng)3.2單回路控制系統(tǒng)方案設(shè)計(jì)⑶滯后時(shí)間τm的影響

測(cè)量變送環(huán)節(jié)是廣義對(duì)象的一部分，其純滯后τm對(duì)控制質(zhì)量的影響與控制通道純滯后對(duì)控制質(zhì)量的影響相同，減小它對(duì)控制系統(tǒng)有利。τm的產(chǎn)生的原因檢測(cè)儀表本身不連續(xù)輸出安裝位置不合適溫度和物性參數(shù)的測(cè)量很容易引入純滯后，而且一般都比較大。流量參數(shù)的測(cè)量純滯后一般都比較小。純滯后的補(bǔ)償措施補(bǔ)償環(huán)節(jié)的特性為注意：微分作用對(duì)于克服純滯后無(wú)能為力。

第3章單回路控制系統(tǒng)3.2單回路控制系統(tǒng)方案設(shè)計(jì)

2.測(cè)量信號(hào)的處理⑴測(cè)量信號(hào)的濾波

實(shí)際應(yīng)用中通常需要對(duì)含有噪聲的測(cè)量信號(hào)進(jìn)行濾波處理。通?？刹捎媚M濾波，如用RC電路。對(duì)于計(jì)算機(jī)控制，可采用數(shù)字濾波。采用高通濾波器可濾除低頻干擾信號(hào)；采用低通濾波器可濾除高頻干擾信號(hào)；對(duì)于跳變脈沖干擾信號(hào)，應(yīng)采用剔除跳變信號(hào)的措施等。⑵測(cè)量信號(hào)的線性化當(dāng)變送器輸出信號(hào)與工藝控制指標(biāo)之間成非線性關(guān)系時(shí)，為了使廣義對(duì)象具有一定的線性，需要對(duì)測(cè)量參數(shù)作線性化處理。如：節(jié)流式流量計(jì)——；熱電偶——

第3章單回路控制系統(tǒng)3.2單回路控制系統(tǒng)方案設(shè)計(jì)

3.安裝使用條件

安裝條件必須符合相應(yīng)檢測(cè)儀表的具體要求。例如：流量測(cè)量?jī)x表通常有對(duì)前后管道的直管段的要求、節(jié)流裝置流向的要求；測(cè)溫元件在被測(cè)介質(zhì)中對(duì)插入深度的要求；差壓變送器導(dǎo)壓管內(nèi)液體高度應(yīng)該相等的要求等。

實(shí)際使用時(shí)，儀表的工作參數(shù)應(yīng)該符合儀表的設(shè)計(jì)參數(shù)。例如，氣體流量測(cè)量時(shí)的實(shí)際工作溫度和壓力應(yīng)該與設(shè)計(jì)值相等，如果偏離較大將產(chǎn)生較大的附加誤差，必要時(shí)需要進(jìn)行校正。

第3章單回路控制系統(tǒng)3.2單回路控制系統(tǒng)方案設(shè)計(jì)

3.2.4執(zhí)行器的選擇1.調(diào)節(jié)閥結(jié)構(gòu)形式的選擇調(diào)節(jié)閥有直通單座、直通雙座、角形、高壓、三通、蝶閥和隔膜閥等不同結(jié)構(gòu)形式，各有特點(diǎn)，要根據(jù)生產(chǎn)過(guò)程的不同需要和控制系統(tǒng)的不同特點(diǎn)來(lái)進(jìn)行選擇。

在選用時(shí)，要注意：⑴工藝介質(zhì)的種類，腐蝕性和粘性。⑵流體介質(zhì)的溫度、壓力、比重。⑶流經(jīng)閥的最大、最小流量，正常流量以及正常流量時(shí)閥上的壓降。

第3章單回路控制系統(tǒng)3.2單回路控制系統(tǒng)方案設(shè)計(jì)

2.調(diào)節(jié)閥口徑大小的選擇調(diào)節(jié)閥口徑大小決定著控制介質(zhì)流過(guò)它的能力，它直接影響工藝生產(chǎn)的正常進(jìn)行、控制質(zhì)量以及生產(chǎn)的經(jīng)濟(jì)效益。

調(diào)節(jié)閥口徑的具體大小通過(guò)計(jì)算調(diào)節(jié)閥流通能力的大小來(lái)決定。調(diào)節(jié)閥流通能力必須滿足生產(chǎn)控制的要求并留有一定的余地。調(diào)節(jié)閥口徑的選擇應(yīng)大小適中，并留有一定余地，以適應(yīng)增加生產(chǎn)的需要。在正常工況下一般要求調(diào)節(jié)閥開(kāi)度處于15~85%之間。

第3章單回路控制系統(tǒng)3.2單回路控制系統(tǒng)方案設(shè)計(jì)

3.調(diào)節(jié)閥氣開(kāi)、氣關(guān)形式的選擇氣開(kāi)閥——當(dāng)無(wú)壓力信號(hào)時(shí)閥全關(guān)，隨著膜頭輸入壓力信號(hào)的增大，閥門逐漸開(kāi)大。氣關(guān)閥——當(dāng)無(wú)壓力信號(hào)時(shí)閥全開(kāi)，隨著膜頭輸入壓力信號(hào)的增大，閥門逐漸關(guān)小。

對(duì)于一個(gè)具體的控制系統(tǒng)來(lái)說(shuō)，究竟選氣開(kāi)閥還是氣關(guān)閥，要由具體的生產(chǎn)工藝來(lái)決定。(a)氣關(guān)式(b)氣開(kāi)式(c)氣開(kāi)式(d)氣關(guān)式

第3章單回路控制系統(tǒng)3.2單回路控制系統(tǒng)方案設(shè)計(jì)

調(diào)節(jié)閥氣開(kāi)、氣關(guān)形式的選擇原則：

⑴首先要從生產(chǎn)安全出發(fā)。⑵從保證產(chǎn)品質(zhì)量出發(fā)。⑶從降低原料、成品、動(dòng)力損耗來(lái)考慮。⑷從介質(zhì)的特點(diǎn)考慮。由于工藝要求不一，對(duì)于同一個(gè)調(diào)節(jié)閥可能有兩種不同的選擇結(jié)果。在這種情況下就要分清主要矛盾和次要矛盾，權(quán)衡利敝，按主要矛盾來(lái)進(jìn)行選擇。某些生產(chǎn)工藝對(duì)調(diào)節(jié)閥的開(kāi)閉形式的選擇沒(méi)有嚴(yán)格的要求。在這種情況下，可以根據(jù)操作習(xí)慣和方便、統(tǒng)一的原則來(lái)選擇調(diào)節(jié)閥的氣開(kāi)、氣關(guān)形式。

第3章單回路控制系統(tǒng)3.2單回路控制系統(tǒng)方案設(shè)計(jì)

4.調(diào)節(jié)閥流量特性的選擇

國(guó)產(chǎn)調(diào)節(jié)閥流量特性直線特性——常用等百分比（或?qū)?shù)）特性——常用快開(kāi)特性——適于雙位和程序控制

調(diào)節(jié)閥流量特性——流過(guò)調(diào)節(jié)閥的流體的相對(duì)流量與調(diào)節(jié)閥相對(duì)開(kāi)度之間的關(guān)系，即1——直線2——等百分比3——快開(kāi)4——拋物線01001003.3l/L(%)Q/Qmax(%)1234①直線流量特性

調(diào)節(jié)閥的相對(duì)流量與相對(duì)開(kāi)度成線性關(guān)系，即特點(diǎn)：直線流量特性調(diào)節(jié)閥在小開(kāi)度工作時(shí)，其相對(duì)流量的變化大，靈敏度高，控制作用強(qiáng)，易引起超調(diào)，產(chǎn)生振蕩；而在大開(kāi)度工作時(shí)，其相對(duì)流量的變化小，靈敏度低，控制作用弱，會(huì)造成控制作用不夠及時(shí)。因而不宜用于負(fù)荷變化大的過(guò)程。第3章單回路控制系統(tǒng)3.2單回路控制系統(tǒng)方案設(shè)計(jì)②對(duì)數(shù)（等百分比）流量特性

特點(diǎn)：等百分比流量特性的調(diào)節(jié)閥，其放大系數(shù)隨行程增大而增大。在小流量時(shí)，流量變化的絕對(duì)值??；在大流量時(shí)，流量變化的絕對(duì)值大。所以它在小流量時(shí)工作較平穩(wěn)，在大流量時(shí)工作較靈敏，適用于負(fù)荷變化較大的過(guò)程。調(diào)節(jié)閥單位相對(duì)行程的變化所引起的相對(duì)流量變化與該點(diǎn)的相對(duì)流量值成正比，或者說(shuō)調(diào)節(jié)閥桿的行程增加同樣值時(shí)，流量特性按等百分比增加，即

第3章單回路控制系統(tǒng)3.2單回路控制系統(tǒng)方案設(shè)計(jì)在行程比較小時(shí)流量比較大，隨著行程的增加，流量很快就達(dá)到最大，因而稱為快開(kāi)特性。其數(shù)學(xué)表達(dá)式為

特點(diǎn)：快開(kāi)流量特性的調(diào)節(jié)閥主要用于位式控制。

③快開(kāi)流量特性第3章單回路控制系統(tǒng)3.2單回路控制系統(tǒng)方案設(shè)計(jì)

特點(diǎn)：它介于直線流量特性與等百分比流量特性的曲線之間，通常可用等百分比流量特性來(lái)代替。

④拋物線流量特性調(diào)節(jié)閥單位相對(duì)行程的變化所引起的相對(duì)流量變化與該點(diǎn)的相對(duì)流量值的平方根成正比，其數(shù)學(xué)表達(dá)式為第3章單回路控制系統(tǒng)3.2單回路控制系統(tǒng)方案設(shè)計(jì)流量特性的選擇方法：數(shù)學(xué)分析法；經(jīng)驗(yàn)法①?gòu)母纳葡到y(tǒng)控制質(zhì)量考慮

常數(shù)

當(dāng)對(duì)象的Ko為線性時(shí)，應(yīng)選擇直線特性的調(diào)節(jié)閥，否則就選擇等百分比特性的調(diào)節(jié)閥。1230輸入輸出1——對(duì)象靜特性2——調(diào)節(jié)閥流量特性3——補(bǔ)償后的特性第3章單回路控制系統(tǒng)3.2單回路控制系統(tǒng)方案設(shè)計(jì)②從配管狀況（S值大?。┛紤]

首先應(yīng)根據(jù)系統(tǒng)的特點(diǎn)來(lái)選擇工作流量特性，然后再考慮工藝配管狀況來(lái)選擇相應(yīng)的理想流量特性。第3章單回路控制系統(tǒng)3.2單回路控制系統(tǒng)方案設(shè)計(jì)表3.2配管狀況與閥工作流量特性關(guān)系表3.3調(diào)節(jié)閥理想流量特性選擇原則

③綜合考慮其他因素當(dāng)所選用的調(diào)節(jié)閥有可能經(jīng)常在小開(kāi)度下工作時(shí)，為使調(diào)節(jié)過(guò)程平穩(wěn)宜選用等百分比理想流量特性。因?yàn)橹本€特性調(diào)節(jié)閥在小開(kāi)度情況下，流量變化率很大，不宜進(jìn)行微調(diào)。當(dāng)控制系統(tǒng)預(yù)計(jì)到負(fù)荷變化幅度較大時(shí)，宜選用等百分比理想流量特性。這是因?yàn)榈劝俜直日{(diào)節(jié)閥的放大系數(shù)是隨閥芯位移的變化而變化的，其流量變化率恒定，所以能適應(yīng)負(fù)荷的變化。當(dāng)流體介質(zhì)中含有較多固體懸浮物時(shí)，可以考慮選用直線理想流量特性，因?yàn)檫@種流量特性的閥，它的閥芯曲面形狀相對(duì)較瘦，在調(diào)節(jié)閥小開(kāi)度工作時(shí)，閥芯不易被卡死。第3章單回路控制系統(tǒng)3.2單回路控制系統(tǒng)方案設(shè)計(jì)

第3章單回路控制系統(tǒng)3.2單回路控制系統(tǒng)方案設(shè)計(jì)

5.閥門定位器的選用

閥門定位器的主要作用：閥門定位器是調(diào)節(jié)閥的一種輔加裝置，與調(diào)節(jié)閥配套使用，有電氣閥門定位器和氣動(dòng)閥門定位器之分。⑴實(shí)現(xiàn)準(zhǔn)確定位⑵改善調(diào)節(jié)閥的動(dòng)態(tài)特性⑶改變調(diào)節(jié)閥的流量特性⑷實(shí)現(xiàn)分程控制注意:在一些反應(yīng)迅速的過(guò)程中，例如流量和液體壓力控制系統(tǒng)中，使用閥門定位器容易引起振蕩，因而在這些場(chǎng)合不宜采用。

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3.2.5調(diào)節(jié)器控制規(guī)律的選擇調(diào)節(jié)器的控制規(guī)律也稱調(diào)節(jié)規(guī)律，是指調(diào)節(jié)器的輸出信號(hào)u與輸入信號(hào)e之間隨時(shí)間變化的規(guī)律。其基本控制規(guī)律有位式、比例（P）、積分（I）、微分（D）及其組合。在工程實(shí)際中，應(yīng)用最為廣泛的調(diào)節(jié)器控制規(guī)律為比例、積分和微分控制規(guī)律，簡(jiǎn)稱PID。PID的優(yōu)點(diǎn)：原理簡(jiǎn)單使用方便魯棒性強(qiáng)（對(duì)過(guò)程變化不敏感）適應(yīng)性廣（應(yīng)用面寬）

第3章單回路控制系統(tǒng)3.2單回路控制系統(tǒng)方案設(shè)計(jì)

1.雙位控制目前所采用的調(diào)節(jié)器中，最古老、最簡(jiǎn)單的控制規(guī)律就是雙位控制，即調(diào)節(jié)器的輸出只有兩個(gè)值。

當(dāng)測(cè)量值大于（或小于）給定值，即偏差信號(hào)e大于零（或小于零）時(shí)，調(diào)節(jié)器的輸出信號(hào)為最大值；反之，調(diào)節(jié)器的輸出信號(hào)為最小值。相應(yīng)的調(diào)節(jié)閥也只有全開(kāi)或全關(guān)兩個(gè)極限位置。理想雙位控制的數(shù)學(xué)表達(dá)式為

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溫度雙位控制系統(tǒng)

理想的雙位輸出特性實(shí)際的雙位輸出特性執(zhí)行器（如繼電器、電磁閥等）的動(dòng)作過(guò)于頻繁，磨損嚴(yán)重，易于損壞。輸出特性有一個(gè)滯環(huán)，可避免控制器和執(zhí)行器的頻繁動(dòng)作。

第3章單回路控制系統(tǒng)3.2單回路控制系統(tǒng)方案設(shè)計(jì)

實(shí)際溫度雙位控制的過(guò)渡過(guò)程

斷續(xù)控制作用下的等幅振蕩過(guò)程.品質(zhì)指標(biāo)：振幅—θmax-θmin周期—T

一般設(shè)計(jì)原則：滿足振幅在允許范圍內(nèi)的條件下，盡可能使周期最長(zhǎng)。對(duì)象有純滯后時(shí)的雙位控制過(guò)程曲線雙位調(diào)節(jié)器結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，價(jià)格低廉，容易實(shí)現(xiàn)。適用于時(shí)間常數(shù)較大、負(fù)荷變化較小、純滯后較小的單容對(duì)象，且工藝允許被控參數(shù)在一定范圍內(nèi)波動(dòng)的場(chǎng)合。

第3章單回路控制系統(tǒng)3.2單回路控制系統(tǒng)方案設(shè)計(jì)2.比例（P）控制調(diào)節(jié)器的輸出信號(hào)u與輸入偏差信號(hào)e成比例關(guān)系⑴比例調(diào)節(jié)的動(dòng)作規(guī)律傳遞函數(shù)P調(diào)節(jié)的階躍響應(yīng)曲線比例增益KP+反作用-正作用—工作點(diǎn)工業(yè)調(diào)節(jié)器中，比例作用習(xí)慣使用比例度（或稱比例帶）來(lái)刻度。比例度——調(diào)節(jié)器輸入的相對(duì)變化量與輸出的相對(duì)變化量之比的百分?jǐn)?shù)，其表達(dá)式為

第3章單回路控制系統(tǒng)3.2單回路控制系統(tǒng)方案設(shè)計(jì)若調(diào)節(jié)器的輸出、輸入信號(hào)范圍相同，則比例度δ與放大倍數(shù)Kp的關(guān)系為δ代表使調(diào)節(jié)閥開(kāi)度改變100%即從全關(guān)到全開(kāi)時(shí)所需要的被控參數(shù)的變化范圍。只有當(dāng)被控參數(shù)處在這個(gè)范圍以內(nèi)，調(diào)節(jié)閥的開(kāi)度變化才與偏差成比例。超出這個(gè)范圍，調(diào)節(jié)閥處于全開(kāi)或全關(guān)狀態(tài)，此時(shí)，調(diào)節(jié)器就失去了控制作用。

則比例度δ的物理意義：

第3章單回路控制系統(tǒng)3.2單回路控制系統(tǒng)方案設(shè)計(jì)①比例調(diào)節(jié)動(dòng)作快，克服干擾能力強(qiáng)。②比例調(diào)節(jié)是一種有差調(diào)節(jié)。③比例調(diào)節(jié)系統(tǒng)的靜差隨比例度的增大而增大。④減小比例度δ，不僅可以減小系統(tǒng)的靜差，而且還可以降低系統(tǒng)的慣性，加快系統(tǒng)的響應(yīng)速度。⑵比例調(diào)節(jié)的特點(diǎn)

第3章單回路控制系統(tǒng)3.2單回路控制系統(tǒng)方案設(shè)計(jì)⑶比例度對(duì)調(diào)節(jié)過(guò)程的影響在基本控制規(guī)律中，比例作用是最基本、最主要也是應(yīng)用最普遍的控制規(guī)律。它適用于負(fù)荷變化小，對(duì)象純滯后不大，時(shí)間常數(shù)較大而又允許有靜差的控制系統(tǒng)中，常用在塔和儲(chǔ)罐的液位控制以及一些要求不高的壓力控制中。比例度的參考選取范圍：溫度控制系統(tǒng)為20%～60%壓力控制系統(tǒng)為30%～70%流量控制系統(tǒng)為40%～100%液位控制系統(tǒng)為20%～80%

第3章單回路控制系統(tǒng)3.2單回路控制系統(tǒng)方案設(shè)計(jì)3.積分（I）控制調(diào)節(jié)器輸出信號(hào)的變化量與偏差信號(hào)e隨時(shí)間的積分成正比（1）積分調(diào)節(jié)的動(dòng)作規(guī)律傳遞函數(shù)積分調(diào)節(jié)器的動(dòng)態(tài)特性—工作點(diǎn)—積分時(shí)間

I——浮動(dòng)調(diào)節(jié)

第3章單回路控制系統(tǒng)3.2單回路控制系統(tǒng)方案設(shè)計(jì)①積分調(diào)節(jié)是一種無(wú)差調(diào)節(jié)。采用積分調(diào)節(jié)可以提高系統(tǒng)的無(wú)差度，也即提高系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)控制精度。②與P調(diào)節(jié)相比，積分調(diào)節(jié)的過(guò)渡過(guò)程比較緩慢，系統(tǒng)的穩(wěn)定性變差，這是積分調(diào)節(jié)的最大缺陷。③減小積分時(shí)間，雖然在一定程度上可以提高系統(tǒng)的響應(yīng)速度，但卻會(huì)加劇系統(tǒng)的不穩(wěn)定程度。（2）積分調(diào)節(jié)的特點(diǎn)

第3章單回路控制系統(tǒng)3.2單回路控制系統(tǒng)方案設(shè)計(jì)（3）積分時(shí)間Ti對(duì)調(diào)節(jié)過(guò)程的影響

Ti對(duì)I調(diào)節(jié)過(guò)程的影響衰減率Ψ=0.75P與I調(diào)節(jié)過(guò)程的比較積分調(diào)節(jié)雖然可以提高系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)控制精度，但對(duì)系統(tǒng)動(dòng)態(tài)品質(zhì)的不利影響居多。因此，在工程實(shí)際中，一般很少單獨(dú)采用積分調(diào)節(jié)規(guī)律，往往將I調(diào)節(jié)和P調(diào)節(jié)結(jié)合起來(lái)，構(gòu)成比例積分（PI）調(diào)節(jié)。

第3章單回路控制系統(tǒng)3.2單回路控制系統(tǒng)方案設(shè)計(jì)4.比例積分（PI）控制（1）比例積分調(diào)節(jié)的動(dòng)作規(guī)律傳遞函數(shù)或PI調(diào)節(jié)綜合了P、I兩種調(diào)節(jié)的優(yōu)點(diǎn)，利用P調(diào)節(jié)快速抵消干擾的影響，同時(shí)利用I調(diào)節(jié)消除靜差。PI調(diào)節(jié)器P---主導(dǎo)作用I---輔助作用

第3章單回路控制系統(tǒng)3.2單回路控制系統(tǒng)方案設(shè)計(jì)（2）比例積分調(diào)節(jié)的特點(diǎn)①無(wú)差調(diào)節(jié)。②PI調(diào)節(jié)是在P調(diào)節(jié)的基礎(chǔ)上引入I，雖可消除靜差，但卻降低原有系統(tǒng)的穩(wěn)定性。因此，為了保持控制系統(tǒng)原來(lái)的衰減率，PI調(diào)節(jié)器比例度必須適當(dāng)加大.③只要偏差存在，積分作用就一直進(jìn)行，對(duì)于時(shí)間滯后大的對(duì)象，會(huì)出現(xiàn)積分飽和現(xiàn)象。④PI調(diào)節(jié)器適用于對(duì)象純滯后不大，時(shí)間常數(shù)也不大，而又不允許被控參數(shù)有靜差的場(chǎng)合。Ti對(duì)PI調(diào)節(jié)過(guò)程的影響

第3章單回路控制系統(tǒng)3.2單回路控制系統(tǒng)方案設(shè)計(jì)比例積分調(diào)節(jié)的適用場(chǎng)合及參數(shù)選擇由于比例積分調(diào)節(jié)器既有比例調(diào)節(jié)器響應(yīng)及時(shí)的優(yōu)點(diǎn)，又能消除靜差，因此適用范圍比較廣，大多數(shù)控制系統(tǒng)都能使用。積分時(shí)間應(yīng)該根據(jù)不同的對(duì)象特性加以選擇，一般情況下，Ti的取值范圍如下：溫度控制系統(tǒng)：3～10min壓力控制系統(tǒng)：0.4～3min；流量控制系統(tǒng)：0.1～1min；液位控制系統(tǒng)：一般不需積分作用。

第3章單回路控制系統(tǒng)3.2單回路控制系統(tǒng)方案設(shè)計(jì)⑶積分飽和現(xiàn)象與抗積分飽和的措施具有積分作用的調(diào)節(jié)器，只要被控參數(shù)與給定值之間有偏差，其輸出就會(huì)不停地變化。如果由于某種原因（如閥門關(guān)閉、泵故障等），偏差一時(shí)無(wú)法消除，然而調(diào)節(jié)器還是要試圖校正這個(gè)偏差，結(jié)果經(jīng)過(guò)一段時(shí)間后，調(diào)節(jié)器輸出將進(jìn)入深度飽和狀態(tài)，這種現(xiàn)象稱為積分飽和。進(jìn)入深度積分飽和的調(diào)節(jié)器，要等偏差反向以后才慢慢從飽和狀態(tài)中退出來(lái)，重新恢復(fù)控制作用。

積分飽和現(xiàn)象：

第3章單回路控制系統(tǒng)3.2單回路控制系統(tǒng)方案設(shè)計(jì)抗積分飽和現(xiàn)象的措施：①將PI調(diào)節(jié)器的輸出限制在規(guī)定范圍，但這樣有可能在正常操作中不能消除系統(tǒng)的靜差。②采用積分分離法，即人為設(shè)定一個(gè)限值，在PI調(diào)節(jié)器的輸入偏差超過(guò)限值時(shí)，改用純比例調(diào)節(jié)進(jìn)行控制。這樣既不會(huì)出現(xiàn)積分飽和又能在偏差較小時(shí)有效利用積分作用消除靜差。③遇限削弱積分法，這種方法同樣人為設(shè)一限值，當(dāng)控制輸出大于該限值時(shí)，只累加負(fù)偏差，反之亦然，這種做法可避免控制量長(zhǎng)時(shí)間停留在飽和區(qū)。

第3章單回路控制系統(tǒng)3.2單回路控制系統(tǒng)方案設(shè)計(jì)5.微分（D）及比例微分（PD）控制（1）微分調(diào)節(jié)的特點(diǎn)微分調(diào)節(jié)的輸出變化量與輸入偏差的變化速度成正比

理想微分因此微分調(diào)節(jié)不能單獨(dú)使用，只能起輔助的調(diào)節(jié)作用，它可與比例結(jié)合成PD調(diào)節(jié)。具有快速超前作用（2）比例微分調(diào)節(jié)規(guī)律傳遞函數(shù)理想PD

第3章單回路控制系統(tǒng)3.2單回路控制系統(tǒng)方案設(shè)計(jì)

實(shí)際PD傳遞函數(shù)

Kd——微分增益。工業(yè)調(diào)節(jié)器的微分增益一般在5～10范圍內(nèi)。單位階躍響應(yīng)為

PD調(diào)節(jié)器的單位階躍響應(yīng)PD調(diào)節(jié)器的斜坡響應(yīng)PPDPD調(diào)節(jié)器有超前作用，超前時(shí)間為微分時(shí)間Td。

第3章單回路控制系統(tǒng)3.2單回路控制系統(tǒng)方案設(shè)計(jì)（3）比例微分調(diào)節(jié)的特點(diǎn)在負(fù)荷變化劇烈、擾動(dòng)幅度較大或過(guò)程容量滯后較大的過(guò)程中，適當(dāng)引入微分作用，可在一定程度上提高系統(tǒng)的控制質(zhì)量。加入微分調(diào)節(jié)可提高控制系統(tǒng)的穩(wěn)定性PD調(diào)節(jié)的抗干擾能力很差,只能應(yīng)用于被控參數(shù)變化非常平穩(wěn)的過(guò)程。微分調(diào)節(jié)具有快速超前作用，但對(duì)于純滯后過(guò)程無(wú)效。PD調(diào)節(jié)是有差調(diào)節(jié)。PD調(diào)節(jié)器P---主導(dǎo)作用D---輔助作用

第3章單回路控制系統(tǒng)3.2單回路控制系統(tǒng)方案設(shè)計(jì)

P與PD調(diào)節(jié)過(guò)程的比較Td對(duì)PD調(diào)節(jié)過(guò)程的影響Td↑→微分調(diào)節(jié)作用增強(qiáng)；有差調(diào)節(jié)，靜差比P調(diào)節(jié)?。怀罢{(diào)節(jié),適當(dāng)?shù)奈⒎挚梢詼p小超調(diào)量,也能減少振蕩傾向.

第3章單回路控制系統(tǒng)3.2單回路控制系統(tǒng)方案設(shè)計(jì)理想PID6.比例積分微分（PID）控制理想PID傳遞函數(shù)

實(shí)際PID傳遞函數(shù)

第3章單回路控制系統(tǒng)3.2單回路控制系統(tǒng)方案設(shè)計(jì)

PID調(diào)節(jié)器兼有PI、PD調(diào)節(jié)器兩者的優(yōu)點(diǎn)，克服干擾能力強(qiáng)，使系統(tǒng)的穩(wěn)定性提高。對(duì)于容量滯后較大，純滯后不太大，不允許有靜差的過(guò)程，采用PID調(diào)節(jié)可以全面改善控制品質(zhì),因此，被大多數(shù)的溫度、成分控制系統(tǒng)所選用。

PID調(diào)節(jié)器的特點(diǎn)及適用場(chǎng)合

第3章單回路控制系統(tǒng)3.2單回路控制系統(tǒng)方案設(shè)計(jì)

PID的調(diào)節(jié)效果最好（從超調(diào)量、過(guò)渡過(guò)程時(shí)間、穩(wěn)態(tài)誤差看）PI其次，PD次之（有差），P再次之，I調(diào)節(jié)最差調(diào)節(jié)器不同調(diào)節(jié)規(guī)律響應(yīng)過(guò)程比較

第3章單回路控制系統(tǒng)3.2單回路控制系統(tǒng)方案設(shè)計(jì)

注意

雖然PID的調(diào)節(jié)效果最好，并不意味著所有的系統(tǒng)都是合理的，但這并不意味著，在任何情況下采用三作用調(diào)節(jié)器都是合理的。何況三作用調(diào)節(jié)器有三個(gè)需要整定的參數(shù)，分別是比例度δ、積分時(shí)間Ti和微分時(shí)間Td，如果這些參數(shù)整定不合適，則不僅不能發(fā)揮各種調(diào)節(jié)動(dòng)作應(yīng)有的作用，還會(huì)適得其反。

第3章單回路控制系統(tǒng)3.2單回路控制系統(tǒng)方案設(shè)計(jì)一般原則：

7.

PID控制規(guī)律的選擇①?gòu)V義對(duì)象控制通道時(shí)間常數(shù)較大或容積遲延較大時(shí)，應(yīng)引入微分作用。如工藝容許有靜差，可選用PD調(diào)節(jié)；如工藝要求無(wú)靜差，則選用PID調(diào)節(jié)。如溫度、成分、PH值控制等。②當(dāng)廣義對(duì)象控制通道時(shí)間常數(shù)較小，負(fù)荷變化也不大，而工藝要求無(wú)靜差時(shí)，可選擇PI調(diào)節(jié)。如管道壓力和流量的控制。③廣義對(duì)象控制通道時(shí)間常數(shù)較小，負(fù)荷變化較小，工藝要求不高時(shí)，可選擇P調(diào)節(jié)，如貯罐壓力、液位的控制。④當(dāng)廣義對(duì)象控制通道時(shí)間常數(shù)或容積遲延很大，負(fù)荷變化也劇烈時(shí)，簡(jiǎn)單控制系統(tǒng)已不能滿足要求，應(yīng)設(shè)計(jì)復(fù)雜控制系統(tǒng)。⑤若廣義被控對(duì)象的傳遞函數(shù)為當(dāng)τ/T＜0.2時(shí)，選擇P或PI調(diào)節(jié)；當(dāng)0.2＜τ/T≤1.0時(shí)，選擇PD或PID調(diào)節(jié)；當(dāng)τ/T＞1.0時(shí)，應(yīng)選用復(fù)雜控制系統(tǒng)。

第3章單回路控制系統(tǒng)3.2單回路控制系統(tǒng)方案設(shè)計(jì)

3.2.6調(diào)節(jié)器正、反作用的確定調(diào)節(jié)器偏差的定義按儀表制造業(yè)的規(guī)定：?jiǎn)位芈房刂葡到y(tǒng)要能正常工作，則組成該系統(tǒng)的各個(gè)環(huán)節(jié)（包括變送器、調(diào)節(jié)器、調(diào)節(jié)閥及被控過(guò)程）的極性相乘必須為正。控制系統(tǒng)偏差的定義：PID廣義被控對(duì)象給定值r被調(diào)量yeu控制器（調(diào)節(jié)器）

第3章單回路控制系統(tǒng)3.2單回路控制系統(tǒng)方案設(shè)計(jì)

⑴調(diào)節(jié)器放大系數(shù)Kp的正負(fù)號(hào)正作用方式：y↑→u↑,Kp為“-”；反作用方式:y↑→u↓,

Kp為“+”。⑵調(diào)節(jié)閥放大系數(shù)的正負(fù)號(hào)氣開(kāi)式調(diào)節(jié)閥Kv為“+”;氣關(guān)式調(diào)節(jié)閥Kv為“-”。⑶被控過(guò)程放大系數(shù)的正負(fù)號(hào)正作用μ↑→y↑,被控過(guò)程的靜態(tài)放大系數(shù)Ko為“+”；反作用μ↑→y↓,被控過(guò)程的Ko為“-”。⑷變送器的放大系數(shù)Km為正號(hào)靜態(tài)放大系數(shù)正負(fù)號(hào)的規(guī)定：

第3章單回路控制系統(tǒng)3.2單回路控制系統(tǒng)方案設(shè)計(jì)

根據(jù)生產(chǎn)工藝安全等原則確定調(diào)節(jié)閥的氣開(kāi)、氣關(guān)形式；按被控過(guò)程特性，確定其正、反作用；根據(jù)組成系統(tǒng)的開(kāi)環(huán)傳遞函數(shù)各環(huán)節(jié)的靜態(tài)放大系數(shù)極性相乘必須為正的原則，確定調(diào)節(jié)器的正、反作用方式。確定調(diào)節(jié)器正、反作用的順序：調(diào)節(jié)器的正、反作用舉例第3章單回路控制系統(tǒng)3.2單回路控制系統(tǒng)方案設(shè)計(jì)第3章單回路控制系統(tǒng)3.3單回路控制系統(tǒng)的調(diào)試3.3單回路控制系統(tǒng)的調(diào)試3.3.1控制系統(tǒng)的投運(yùn)3.3.2調(diào)節(jié)器參數(shù)的工程整定第3章單回路控制系統(tǒng)3.3單回路控制系統(tǒng)的調(diào)試3.3.1控制系統(tǒng)的投運(yùn)3.3單回路控制系統(tǒng)的調(diào)試一旦控制系統(tǒng)按設(shè)計(jì)的要求連好，線路經(jīng)過(guò)檢查正確無(wú)誤，所有儀表經(jīng)過(guò)檢查符合精度要求并已運(yùn)行正常，即可著手進(jìn)行控制系統(tǒng)的調(diào)試，包括控制系統(tǒng)的投運(yùn)和調(diào)節(jié)器參數(shù)的整定。

在單回路控制系統(tǒng)方案設(shè)計(jì)、儀表正確選型、安裝調(diào)校就緒后，或者裝置經(jīng)過(guò)停車全面檢修之后，再將系統(tǒng)投入生產(chǎn)使用的過(guò)程稱為系統(tǒng)的投運(yùn)。也就是將系統(tǒng)由手動(dòng)工作狀態(tài)切換到自動(dòng)工作狀態(tài)。這一過(guò)程是通過(guò)調(diào)節(jié)器上的手動(dòng)-自動(dòng)切換開(kāi)關(guān)從手前位置切換到自動(dòng)位置來(lái)完成的，但是這種切換必須保證無(wú)擾動(dòng)地進(jìn)行。第3章單回路控制系統(tǒng)3.3單回路控制系統(tǒng)的調(diào)試手動(dòng)-自動(dòng)切換的一般程序:1.準(zhǔn)備工作⑴熟悉生產(chǎn)工藝過(guò)程⑵熟悉控制方案⑶全面檢查過(guò)程檢測(cè)控制儀表⑷進(jìn)行儀表聯(lián)調(diào)試驗(yàn)2.系統(tǒng)投運(yùn)⑴檢測(cè)系統(tǒng)投入運(yùn)行⑵調(diào)節(jié)閥手動(dòng)遙控⑶調(diào)節(jié)器投運(yùn)(手動(dòng)→自動(dòng))系統(tǒng)由自動(dòng)控制切換到手動(dòng)操作的程序：①系統(tǒng)先由自動(dòng)控制轉(zhuǎn)入手動(dòng)遙控；②再進(jìn)行手動(dòng)操作。整定的任務(wù)：根據(jù)被控過(guò)程的特性，確定PID調(diào)節(jié)器的比例度、積分時(shí)間以及微分時(shí)間的大小。

在簡(jiǎn)單過(guò)程控制系統(tǒng)中，調(diào)節(jié)器的參數(shù)整定通常以系統(tǒng)瞬態(tài)響應(yīng)的衰減率為主要指標(biāo),以保證系統(tǒng)具有一定的穩(wěn)定裕量。另外還應(yīng)滿足系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)誤差、最大動(dòng)態(tài)偏差（或超調(diào)量）和過(guò)渡過(guò)程時(shí)間等其它指標(biāo)。第3章單回路控制系統(tǒng)3.3單回路控制系統(tǒng)的調(diào)試3.3.2調(diào)節(jié)器參數(shù)的工程整定整定的實(shí)質(zhì)就是通過(guò)調(diào)整調(diào)節(jié)器的參數(shù)，使其特性與被控對(duì)象特性相匹配，來(lái)改善系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)和靜態(tài)特性，以達(dá)到最佳的控制效果。理論計(jì)算整定法——要求已知過(guò)程的數(shù)學(xué)模型

工程整定方法——一般不要求知道對(duì)象特性

整定方法1.臨界比例度法(閉環(huán)整定）具體步驟：1.首先將調(diào)節(jié)器的積分時(shí)間置于最大，微分時(shí)間置零，比例度置為較大的數(shù)值2.等系統(tǒng)運(yùn)行穩(wěn)定后，對(duì)設(shè)定值施加一個(gè)階躍變化，并減小直到出現(xiàn)等幅振蕩曲線為止。記錄下此時(shí)的臨界比例度和等幅振蕩周期3.按表3.5的經(jīng)驗(yàn)公式計(jì)算出調(diào)節(jié)器的參數(shù)第3章單回路控制系統(tǒng)3.3單回路控制系統(tǒng)的調(diào)試2.衰減曲線法(閉環(huán)整定）

衰減曲線法與臨界比例法類似。觀察衰減比；記錄；按經(jīng)驗(yàn)公式計(jì)算第3章單回路控制系統(tǒng)3.3單回路控制系統(tǒng)的調(diào)試3.反應(yīng)曲線法（動(dòng)態(tài)特性參數(shù)法）

反應(yīng)曲線法是利用系統(tǒng)廣義過(guò)程的階躍響應(yīng)曲線對(duì)調(diào)節(jié)器參數(shù)進(jìn)行整定，是一種開(kāi)環(huán)整定方法。第3章單回路控制系統(tǒng)3.3單回路控制系統(tǒng)的調(diào)試有自衡能力的廣義被控過(guò)程階躍響應(yīng)曲線第3章單回路控制系統(tǒng)3.3單回路控制系統(tǒng)的調(diào)試ε=K/T

無(wú)自衡能力的廣義被控過(guò)程按表3.8中的經(jīng)驗(yàn)公式計(jì)算出調(diào)節(jié)器的參數(shù)。4.現(xiàn)場(chǎng)實(shí)驗(yàn)整定法現(xiàn)場(chǎng)實(shí)驗(yàn)整定法，實(shí)質(zhì)上是一種經(jīng)驗(yàn)試湊法，所以也稱為經(jīng)驗(yàn)法。在現(xiàn)場(chǎng)的應(yīng)用中，將各類過(guò)程控制系統(tǒng)調(diào)節(jié)器的整定參數(shù)按先比例、后積分、最后微分的順序置于某些經(jīng)驗(yàn)數(shù)值后，把系統(tǒng)閉合起來(lái)，然后再作給定值擾動(dòng)，觀察系統(tǒng)過(guò)渡過(guò)程曲線。若曲線還不夠理想，則改變調(diào)節(jié)器的δ、Ti和Td的數(shù)值，進(jìn)行反復(fù)試湊，以尋求“最佳”的整定參數(shù)，直到控制質(zhì)量符合要求為止。第3章單回路控制系統(tǒng)3.3單回路控制系統(tǒng)的調(diào)試現(xiàn)場(chǎng)常出現(xiàn)的幾種典型曲線第3章單回路控制系統(tǒng)3.3單回路控制系統(tǒng)的調(diào)試Ti過(guò)小δ過(guò)小Td過(guò)大δ過(guò)大(而其他參數(shù)適當(dāng))Ti過(guò)大(而其他參數(shù)適當(dāng))調(diào)節(jié)閥內(nèi)干摩擦過(guò)大記錄筆卡住儀表靈敏度過(guò)高第3章單回路控制系統(tǒng)3.4常見(jiàn)控制系統(tǒng)分析3.4.1溫度控制系統(tǒng)3.4常見(jiàn)控制系統(tǒng)分析3.4.2壓力控制系統(tǒng)3.4.3流量控制系統(tǒng)3.4.4液位控制系統(tǒng)3.4.5成分控制系統(tǒng)第3章單回路控制系統(tǒng)3.4常見(jiàn)控制系統(tǒng)分析3.4.1溫度控制系統(tǒng)溫度控制實(shí)質(zhì)上是一個(gè)傳熱的控制問(wèn)題。溫度對(duì)象常常是多容的，時(shí)間常數(shù)與對(duì)象的熱容與熱阻的乘積成正比，它可以從幾分鐘到幾十分鐘。換熱器傳熱面的結(jié)垢會(huì)引起熱阻增大，因而對(duì)象時(shí)間常數(shù)還具有時(shí)變的特性；而且由于不均勻性，往往對(duì)象具有分布參數(shù)的性質(zhì)。為了改善溫度控制系統(tǒng)的品質(zhì)，應(yīng)選用時(shí)間常數(shù)小的測(cè)量元件，并盡量安裝在測(cè)量純滯后小的地方。調(diào)節(jié)器可以選用比例積分微分調(diào)節(jié)規(guī)律，積分時(shí)間可置于幾分鐘，微分時(shí)間相對(duì)短一些。由于溫度控制對(duì)象的非線性，隨著負(fù)荷增加放大系數(shù)下降，所以一般溫度控制系統(tǒng)宜選用等百分比流量特性的調(diào)節(jié)閥。第3章單回路控制系統(tǒng)3.4常見(jiàn)控制系統(tǒng)分析3.4.2壓力控制系統(tǒng)氣體壓力與液位相似，它是系統(tǒng)內(nèi)進(jìn)出物料不平衡程度的度量，因而氣體的壓力控制不是改變流入量就是改變流出量。氣體壓力對(duì)象基本上是單容的，具有自衡能力，它的時(shí)間常數(shù)也與容積成正比與流量成反比，一般為幾秒至幾分鐘。除了系統(tǒng)附近有脈動(dòng)的壓力源，如往復(fù)式壓縮機(jī)等，一般氣體壓力的測(cè)量是沒(méi)有噪聲的，通常選擇比例積分調(diào)節(jié)器，積分時(shí)間可以設(shè)置得比流量控制時(shí)大。1．氣體壓力第3章單回路控制系統(tǒng)3.4常見(jiàn)控制系統(tǒng)分析由于液體的不可壓縮性，因而液體的壓力控制與流量控制非常相似，液體壓力對(duì)象的時(shí)間常數(shù)僅為幾秒，測(cè)量時(shí)也有明顯的噪聲，一般選用比例積分調(diào)節(jié)器來(lái)進(jìn)行控制。當(dāng)同一根工藝管線上既要控制壓力又要控制流量時(shí)，兩個(gè)控制系統(tǒng)會(huì)互相影響。2．液體壓力3．蒸汽壓力常見(jiàn)的鍋爐汽包壓力控制，精餾塔、蒸發(fā)器壓力控制，其實(shí)質(zhì)上是傳熱的控制，系統(tǒng)蒸汽的壓力就表征了熱平衡的狀況。所以在這類控制系統(tǒng)中它的特性在某些方面與溫度控制有相仿之處。第3章單回路控制系統(tǒng)3.4常見(jiàn)控制系統(tǒng)分析3.4.3流量控制系統(tǒng)在流量控制系統(tǒng)中，被控參數(shù)和調(diào)節(jié)參數(shù)均是流量，所以對(duì)象的靜態(tài)放大系數(shù)為1。流量對(duì)象的時(shí)間常數(shù)很小，一般僅為幾秒，對(duì)象的純滯后時(shí)間也很小，調(diào)節(jié)過(guò)程中被控參數(shù)的振蕩周期也很短。因?yàn)榱髁靠刂埔话愣寂c工藝的物料平衡有關(guān)，大多數(shù)情況下不允許有靜差，因而總是選用比例積分調(diào)節(jié)器。由于對(duì)象時(shí)間常數(shù)小，反應(yīng)靈敏，調(diào)節(jié)器不必有微分作用。流體湍流流動(dòng)以及泵的振動(dòng)所產(chǎn)生的流量噪聲第3章單回路控制系統(tǒng)3.4常見(jiàn)控制系統(tǒng)分析3.4.3流量控制系統(tǒng)流量檢測(cè)中采用孔板和差壓式流量計(jì)居多，如果不設(shè)置開(kāi)方器，它們呈現(xiàn)出明顯的非線性。一般單回路的流量控制系統(tǒng)也可以不使用開(kāi)方器；但在串級(jí)控制系統(tǒng)中，有時(shí)流量副回路的非線性會(huì)帶來(lái)十分不利的影響，此時(shí)宜設(shè)置開(kāi)方器。在不設(shè)置開(kāi)方器的流量控制系統(tǒng)中，可以選用對(duì)數(shù)流量特性的調(diào)節(jié)閥，以補(bǔ)償差壓式流量計(jì)的非線性。差壓式流量計(jì)的非線性第3章單回路控制系統(tǒng)3.4常見(jiàn)控制系統(tǒng)分析3.4.4液位控制系統(tǒng)⑴保持設(shè)備或儲(chǔ)罐內(nèi)的滯留量在規(guī)定的高限和低限之內(nèi)，使它們具有一定的緩沖能力；⑵在每一種滯留量下，在絕大部分時(shí)間內(nèi)保持入口流量和出口流量之間的平衡；⑶通過(guò)容積的緩沖來(lái)保持前后工序負(fù)荷的平衡，在需要改變流量時(shí)，希望能逐步地、平滑地調(diào)整流量。液位控制的任務(wù)：第3章單回路控制系統(tǒng)3.4常見(jiàn)控制系統(tǒng)分析3.4.4液位控制系統(tǒng)液位對(duì)象的時(shí)間常數(shù)與容器的容積成正比，與流量成反比，一般為數(shù)分鐘以上。由于液體進(jìn)入容器時(shí)的飛濺和擾動(dòng)，液位測(cè)量與流量測(cè)量相似，也是有噪聲的，在實(shí)踐中，大多數(shù)情況下精確地控制液位是沒(méi)有必要的，因而可以選用比例調(diào)節(jié)器。對(duì)有相變過(guò)程的設(shè)備，如再沸器、鍋爐汽包、氨蒸發(fā)器等，它們的液位控制比較復(fù)雜，因?yàn)樗鼈儾粌H與物料平衡有關(guān)，而且與傳熱有關(guān)。在這些設(shè)備中，液位常常以滿量程的百分之幾左右的幅度急劇波動(dòng)，所以要實(shí)現(xiàn)良好的液位控制還需設(shè)計(jì)復(fù)雜控制系統(tǒng)。第3章單回路控制系統(tǒng)3.4常見(jiàn)控制系統(tǒng)分析3.4.5成分控制系統(tǒng)在生產(chǎn)現(xiàn)場(chǎng)，出問(wèn)題最多的往往是成分控制系統(tǒng)。其對(duì)象是多容的，且時(shí)間常數(shù)大，純滯后時(shí)間大；有的如pH值控制對(duì)象，則具有明顯的非線性。造成成分控制系統(tǒng)工作不良的原因，還有分析儀器本身結(jié)構(gòu)比較復(fù)雜，取樣系統(tǒng)和樣品預(yù)處理部分工作不良，純滯后過(guò)大等多方面的原因。成分控制系統(tǒng)通常選用PID調(diào)節(jié)器。由于成分控制系統(tǒng)的惰性較大，系統(tǒng)可靠性不高，所以調(diào)節(jié)器的比例度一般均設(shè)置得較大。對(duì)于pH值的控制最好能使用非線性調(diào)節(jié)器；對(duì)純滯后特別大的成分控制系統(tǒng)可以考慮采用采樣控制。當(dāng)選不到合適的成分分析儀器時(shí)，也可以采用間接的被控參數(shù)如溫度、溫差等，即所謂軟測(cè)量技術(shù)。第3章單回路控制系統(tǒng)3.4常見(jiàn)控制系統(tǒng)分析表3.10各類常見(jiàn)控制系統(tǒng)的特點(diǎn)3.5單回路控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)實(shí)例3.5.1噴霧式干燥設(shè)備控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)3.5.2儲(chǔ)槽液位控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)第3章單回路控制系統(tǒng)3.5單回路控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)實(shí)例1.生產(chǎn)過(guò)程概況由于乳化物屬于膠體物質(zhì)，激烈攪拌易固化，也不能用泵抽送，因而采用高位槽。由于需要蒸發(fā)掉乳液中的水分，使之成為粉狀物，并隨濕空氣一起送出進(jìn)行分離。生產(chǎn)工藝對(duì)干燥后的產(chǎn)品質(zhì)量要求很高，水分含量不能波動(dòng)太大，因而需要對(duì)干燥的溫度進(jìn)行嚴(yán)格控制。試驗(yàn)證明，若溫度波動(dòng)在±2℃以內(nèi)，則產(chǎn)品質(zhì)量符合要求。3.5.1噴霧式干燥設(shè)備控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)第3章單回路控制系統(tǒng)3.5單回路控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)實(shí)例2.控制方案設(shè)計(jì)（1）被控參數(shù)的選擇

根據(jù)生產(chǎn)工藝，水分含量與干燥溫度密切相關(guān)。選用干燥溫度為被控參數(shù)，水分與溫度一一對(duì)應(yīng)。將溫度控制在一定數(shù)值上。第3章單回路控制系統(tǒng)3.5單回路控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)實(shí)例（2