單回路控制系統(tǒng)

第三章單回路控制系統(tǒng)2023最新整理收集do

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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(jì)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3.1單回路控制系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)與組成

簡(jiǎn)單控制系統(tǒng)是指由一個(gè)測(cè)量元件、變送器、一個(gè)控制器、一個(gè)控制閥、一個(gè)被控對(duì)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)。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(shí)現(xiàn)的？3.1單回路控制系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)與組成LTLC通過這個(gè)例子，我們可以總結(jié)什么？如果要測(cè)量壓力、流量等信號(hào)，應(yīng)該做什么？對(duì)不同的過程，可以做什么？如果選擇不同的閥，應(yīng)該做什么？閉環(huán)系統(tǒng)模型3.1單回路控制系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)與組成傳遞函數(shù)Gc(s)：控制器Gv(s)：閥Gp(s)：反饋過程Gs(s)：傳感器Gd(s)：擾動(dòng)過程變量CV(s)：被控變量CVm(s)：CV(s)的測(cè)量值D(s)：擾動(dòng)E(s)：偏差MV(s)：控制變量（操縱變量）SP(s)：設(shè)定值閉環(huán)系統(tǒng)模型3.1單回路控制系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)與組成

在模型中哪里是信號(hào)傳輸？那里是信號(hào)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？怎樣能夠測(cè)量圖中紅色圓圈處的變量？哪些變量是有人來監(jiān)測(cè)，哪些是由計(jì)算機(jī)來監(jiān)測(cè)？思考？閉環(huán)系統(tǒng)模型3.1單回路控制系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)與組成設(shè)定值響應(yīng)擾動(dòng)響應(yīng)哪些因素影響控制系統(tǒng)的穩(wěn)定性？哪些影響控制系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)性？閉環(huán)系統(tǒng)模型3.1單回路控制系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)與組成設(shè)定值變化閉環(huán)系統(tǒng)模型3.1單回路控制系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)與組成擾動(dòng)響應(yīng)閉環(huán)系統(tǒng)模型3.1單回路控制系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)與組成擾動(dòng)響應(yīng)通常過程會(huì)受到許多或大或小的擾動(dòng)和測(cè)量噪聲的影響，測(cè)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)偏差或方差閉環(huán)系統(tǒng)模型3.1單回路控制系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)與組成我們可以通過許多方法實(shí)現(xiàn)反饋無控制：系統(tǒng)響應(yīng)所有的輸入，任意“漂移”手動(dòng)控制：依靠人觀察測(cè)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(dòng)控制：通過對(duì)被控變量與期望值的偏差的自動(dòng)調(diào)整實(shí)現(xiàn)控制。緊急控制：當(dāng)緊急狀態(tài)發(fā)生時(shí)，將執(zhí)行極端的作用（停機(jī)）。閉環(huán)系統(tǒng)模型3.1單回路控制系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)與組成概念

通過過程和裝置的示意圖可以得到傳感器的位置、測(cè)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。3.1單回路控制系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)與組成

在過程系統(tǒng)中有許多因素影響安全、可靠、精確、動(dòng)態(tài)性和成本。工程設(shè)計(jì)者必須要明確這些細(xì)節(jié)。實(shí)際3.1單回路控制系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)與組成計(jì)算機(jī)對(duì)過程有什么影響？試想一下沒有反饋控制的情況。思考3.1單回路控制系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)與組成

做為工程師必須要明確在過程控制系統(tǒng)中需要測(cè)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3.1單回路控制系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)與組成

做為工程師必須要明確在過程控制系統(tǒng)中需要測(cè)量哪些量？調(diào)節(jié)哪些閥？提供什么設(shè)備用于控制決策？考慮被控對(duì)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(rùn)優(yōu)化？？？？？？（7）監(jiān)測(cè)和診斷？？？？？？3.1單回路控制系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)與組成

當(dāng)系統(tǒng)受到外界擾動(dòng)的影響時(shí)為使被控變量（液位）與設(shè)定值保持一致；檢測(cè)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(duì)偏差運(yùn)算；輸出信號(hào)驅(qū)動(dòng)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(cè)液位?？刂破鲗?duì)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3.1單回路控制系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)與組成

當(dāng)系統(tǒng)受到外界擾動(dòng)的影響時(shí)為使被控變量（壓力）與設(shè)定值保持一致；檢測(cè)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(duì)偏差運(yùn)算。輸出信號(hào)驅(qū)動(dòng)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(cè)壓力控制器對(duì)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3.1單回路控制系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)與組成

當(dāng)系統(tǒng)受到外界擾動(dòng)的影響時(shí)為使被控變量（溫度）與設(shè)定值保持一致；檢測(cè)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(duì)偏差運(yùn)算。輸出信號(hào)驅(qū)動(dòng)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(cè)溫度。控制器對(duì)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3.1單回路控制系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)與組成控制系統(tǒng)的有關(guān)術(shù)語

被控對(duì)象（Process或Object）：被控制的設(shè)備或裝置；被控變量（ControlledVariable）：需要對(duì)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(dòng)影響的變量；擾動(dòng)（Disturbance）：影響被控變量的各種干擾作用；檢測(cè)變送（Sensor，Transmitter）：把被控變量檢測(cè)出來，并轉(zhuǎn)換成標(biāo)準(zhǔn)信號(hào)，送控制器；控制器（Controller）：根據(jù)設(shè)定值與測(cè)量值間的偏差，按控制規(guī)律輸出信號(hào)的設(shè)備；執(zhí)行器（ControlValve）：接受控制器輸出信號(hào)，控制操縱變量的設(shè)備。3.1單回路控制系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)與組成

框圖中的各個(gè)信號(hào)是增量。箭頭表示信號(hào)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(shí)，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(duì)象和檢測(cè)變送環(huán)節(jié)組成廣義對(duì)象，用G0(s)表示。該環(huán)節(jié)增益除以該物理量基準(zhǔn)值表示為無量綱描述。控制器輸入和輸出采用標(biāo)準(zhǔn)信號(hào)時(shí)，廣義對(duì)象增益是無量綱的?？刂葡到y(tǒng)的有關(guān)術(shù)語3.1單回路控制系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)與組成

控制通道：操縱變量到被控變量的通道。擾動(dòng)通道：擾動(dòng)變量到被控變量的通道。擾動(dòng)影響被控變量或設(shè)定值變化時(shí)，通過控制通道調(diào)節(jié)。改變操縱變量，克服擾動(dòng)對(duì)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(dòng)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(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)。常將檢測(cè)變送環(huán)節(jié)表示為1，檢測(cè)變送與被控對(duì)象合并考慮。盡可能選擇直接被控變量，少用間接被控變量?？刂葡到y(tǒng)的有關(guān)術(shù)語3.1單回路控制系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)與組成

穩(wěn)定性：控制系統(tǒng)閉環(huán)極點(diǎn)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。快速性：控制系統(tǒng)存在偏差的時(shí)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(shí)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(dòng)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)。恢復(fù)時(shí)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)。3.1單回路控制系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)與組成綜合性控制指標(biāo)（積分鑒定指標(biāo)）常用積分鑒定指標(biāo)的形式是：（1）平方誤差積分準(zhǔn)則ISE（IntegralofSquaredErrorCriterion）：（2）絕對(duì)誤差積分準(zhǔn)則IAE（IntegralofAbsoluteValueofErrorCriterion）：（3）時(shí)間乘絕對(duì)誤差積分準(zhǔn)則ITAE（IntegralofTimeMultipliedbyTheValueofErrorCriterion）：對(duì)存在余差的系統(tǒng)，采用作為誤差項(xiàng)代入。采用不同積分指標(biāo)，所獲得的過渡過程的性能要求也不同。例如，ISE最小的系統(tǒng)著重于抑制過渡過程中的大誤差，但衰減比很大；

ITAE最小的系統(tǒng)著重于懲罰過渡過程時(shí)間過長(zhǎng)，但過渡過程振蕩激烈。誤差積分指標(biāo)不能都保證控制系統(tǒng)具有合適的衰減比。3.1單回路控制系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)與組成控制系統(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(dòng)或設(shè)定變化時(shí)，控制系統(tǒng)各環(huán)節(jié)增益之積恒定。即，控制系統(tǒng)動(dòng)態(tài)運(yùn)行條件是擾動(dòng)或設(shè)定變化時(shí)，控制系統(tǒng)總開環(huán)傳遞函數(shù)的模恒定。即3.1單回路控制系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)與組成控制對(duì)象的動(dòng)態(tài)特性：是指其輸入信號(hào)變化時(shí)，輸出隨時(shí)間變化的規(guī)律被調(diào)量干擾作用被控對(duì)象G0λ（s）W0μ（s）干擾通道控制通道輸入控制作用控制通道干擾通道3.2被控變量的選擇控制作用被調(diào)量干擾作用熱工對(duì)象W0λ（s）W0μ（s）干擾通道控制通道

控制質(zhì)量是用衰減率

或衰減比n、動(dòng)態(tài)偏差ym（

）、靜態(tài)偏差y（

）或e（

）、控制時(shí)間ts等

。

描述對(duì)象特性的特征參數(shù)是放大系數(shù)K

、時(shí)間常數(shù)To（T）、遲延時(shí)間τ（n）。

3.2被控變量的選擇

被控變量：生產(chǎn)過程中借助自動(dòng)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(duì)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。選擇被控變量時(shí)，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(hào)，可選擇與直接指標(biāo)有單值對(duì)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(cè)量出來，并具有足夠大的靈敏度。（5）選擇被控變量時(shí)，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(dú)立可控的。3.2.1被控變量的選擇原則3.3操縱變量的選擇

操縱變量：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。

應(yīng)把對(duì)被控變量影響較顯著的可控因素作為操縱變量。選擇操縱變量時(shí)，應(yīng)盡量考慮：（1）與被控變量的因果關(guān)系。（2）有利于實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化控制。（3）具有快速的動(dòng)態(tài)響應(yīng)性能。（4）對(duì)較大的擾動(dòng)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)。3.3.1操縱變量的選擇原則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(huì)引起被控變量T靈的變化。3.3.2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?？煽匾蛩匕ǎ夯亓髁颗c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?yàn)檫M(jìn)料量的波動(dòng)意味著生產(chǎn)負(fù)荷的波動(dòng)，塔壓的波動(dòng)意味著塔的工作不穩(wěn)定。）

在回流量與蒸汽流量?jī)蓚€(gè)可控因素中，蒸汽流量對(duì)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。3.3.2操縱變量的選擇3.4控制參數(shù)的選擇

過程靜態(tài)特性對(duì)控制質(zhì)量的影響是指過程的靜態(tài)放大系數(shù)K0對(duì)控制質(zhì)量的影響。3.4.1過程靜態(tài)特性對(duì)控制質(zhì)量的影響-+

確定控制通道和擾動(dòng)通道靜態(tài)放大倍數(shù)的關(guān)系（一階慣性）3.4.1過程靜態(tài)特性對(duì)控制質(zhì)量的影響-+

系統(tǒng)余差3.4.1過程靜態(tài)特性對(duì)控制質(zhì)量的影響-+放大系數(shù)K0對(duì)控制質(zhì)量的影響

控制通道的放大系數(shù)Kc·K0是一種互補(bǔ)關(guān)系，如果Kc保持不變，K0增大時(shí)控制系統(tǒng)的穩(wěn)定性裕度下降，被調(diào)量的動(dòng)態(tài)偏差增大，控制系統(tǒng)的過渡過程的時(shí)間將加長(zhǎng)。

結(jié)論擾動(dòng)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(dòng)通道的效果越好；由于，則控制器增益和控制對(duì)象的增益有一定的關(guān)系。3.4.1過程靜態(tài)特性對(duì)控制質(zhì)量的影響

過程的動(dòng)態(tài)特性包括過程擾動(dòng)通道和控制通道1.擾動(dòng)通道特性的影響（1）擾動(dòng)通道的影響3.4.2過程動(dòng)態(tài)特性對(duì)控制質(zhì)量的影響

結(jié)論擾動(dòng)通道的時(shí)間常數(shù)使系統(tǒng)特征方程式增加了一個(gè)極點(diǎn)

愈大，則擾動(dòng)通道對(duì)系統(tǒng)的影響愈小。干擾通道的特征參數(shù)對(duì)控制質(zhì)量的影響（2）滯后時(shí)間常數(shù)的影響結(jié)論擾動(dòng)滯后時(shí)間常數(shù)使整個(gè)過程推遲一個(gè)滯后時(shí)間常數(shù)，所以存在擾動(dòng)滯后對(duì)系統(tǒng)有利。（3）擾動(dòng)點(diǎn)位置的影響

結(jié)論當(dāng)擾動(dòng)F的幅值和形式相同時(shí)：進(jìn)入系統(tǒng)的位置越遠(yuǎn)離被控變量或越靠近操縱變量，擾動(dòng)對(duì)控制系統(tǒng)被控變量的影響越小。因擾動(dòng)進(jìn)入位置越遠(yuǎn)離被控變量，相當(dāng)于等效時(shí)間常數(shù)越大或擾動(dòng)通道的濾波環(huán)節(jié)越多，擾動(dòng)對(duì)被控變量的影響越小。當(dāng)?shù)刃_動(dòng)通道增益Kf增大時(shí)，應(yīng)根據(jù)KfF確定擾動(dòng)的影響。擾動(dòng)進(jìn)入系統(tǒng)的位置離輸出(被調(diào)量)越遠(yuǎn),對(duì)系統(tǒng)控制質(zhì)量影響就越小。

2.控制通道動(dòng)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(gè)因素的基本因素是系統(tǒng)的最大增益和臨界頻率?？煽匦灾笜?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

的變動(dòng)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(dòng)將同時(shí)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，太大則使之過慢，太小則變化過于急劇。

控制通道的滯后。包括純滯后和容量滯后。(書上147-148頁)（3）過程的時(shí)間常數(shù)匹配設(shè)廣義被控對(duì)象的傳遞函數(shù)為：控制通道的影響參數(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(gè)以上的時(shí)間常數(shù)，則最大的時(shí)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(jì)與檢測(cè)組件時(shí)是很值得考慮的。過程的時(shí)間常數(shù)匹配時(shí)間常數(shù)、遲延時(shí)間對(duì)控制質(zhì)量的影響

（1）n階慣性對(duì)象對(duì)控制質(zhì)量的影響討論時(shí)間常數(shù)T和階次n

控制通道的時(shí)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(shí)間將加長(zhǎng)，減小控制通道的時(shí)間常數(shù)，能提高控制系統(tǒng)的控制質(zhì)量。

慣性對(duì)象階次n越大對(duì)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(dòng)態(tài)偏差、控制過程的時(shí)間增大，穩(wěn)定性裕度減小。

時(shí)間常數(shù)、遲延時(shí)間對(duì)控制質(zhì)量的影響

n階慣性對(duì)象對(duì)控制質(zhì)量的影響時(shí)間常數(shù)、遲延時(shí)間對(duì)控制質(zhì)量的影響（2）有遲延對(duì)象對(duì)控制質(zhì)量的影響討論時(shí)間常數(shù)T0和遲延時(shí)間為τ0

當(dāng)控制通道有遲延時(shí),遲延時(shí)間對(duì)調(diào)節(jié)是不利的，控制質(zhì)量主要取決于遲延和時(shí)間常數(shù)的比值τo/To,比值越大則控制質(zhì)量越差。

時(shí)間常數(shù)越大,動(dòng)態(tài)偏差、控制過程的時(shí)間減小，穩(wěn)定性裕度增大，時(shí)間常數(shù)To增大能提高系統(tǒng)的控制質(zhì)量。時(shí)間常數(shù)、遲延時(shí)間對(duì)控制質(zhì)量的影響

（2）有遲延對(duì)象對(duì)控制質(zhì)量的影響3.4.3結(jié)論

選擇過程控制通道的放大系數(shù)要適當(dāng)大。時(shí)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(dòng)通道的放大系數(shù)Kf

應(yīng)盡可能??；時(shí)間常數(shù)Tf要大；擾動(dòng)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(gè)一階環(huán)節(jié)組成,在選擇控制參數(shù)時(shí)應(yīng)盡量把幾個(gè)時(shí)間常數(shù)錯(cuò)開。注意工藝操作的合理性和經(jīng)濟(jì)性。調(diào)節(jié)通道的增益對(duì)控制品質(zhì)的影響（1）增益K0增加時(shí)，余差減小，最大偏差減小，控制作用增強(qiáng)。（2）增益K0增加時(shí)，系統(tǒng)穩(wěn)定性變差。（3）增益K0增加時(shí)穩(wěn)態(tài)特性，應(yīng)在不同負(fù)荷、不同工作點(diǎn)保持恒定。（4）K0變化，不改變閉環(huán)特征根位置。因此，響應(yīng)曲線形狀不變。（5）閉環(huán)總放大倍數(shù)的穩(wěn)定性是控制系統(tǒng)穩(wěn)定的前提。因此，K0Kc的乘積應(yīng)保持恒定。（6）選擇操作變量時(shí)，應(yīng)考慮選K0：大、穩(wěn)。擾動(dòng)通道的增益對(duì)控制品質(zhì)的影響（1）增益Kf常與干擾幅值F的乘積一起考慮。結(jié)論調(diào)節(jié)通道的時(shí)間常數(shù)對(duì)控制品質(zhì)的影響（1）常采用時(shí)滯與時(shí)間常數(shù)之比來判別。（2）當(dāng)小時(shí)，系統(tǒng)的控制品質(zhì)較好。（3）當(dāng)固定，如的比值固定，則有：大。系統(tǒng)的臨界振蕩頻率小，回復(fù)時(shí)間長(zhǎng)，動(dòng)態(tài)特性差。（4）當(dāng)?shù)谋戎倒潭〞r(shí)，對(duì)系統(tǒng)的穩(wěn)定性無影響。（5）當(dāng)?shù)谋戎倒潭〞r(shí)，影響系統(tǒng)響應(yīng)的快慢。（6）減小中間時(shí)間常數(shù)，可使系統(tǒng)響應(yīng)加快，品質(zhì)變好。擾動(dòng)通道的時(shí)間常數(shù)對(duì)控制品質(zhì)的影響（1）大，則擾動(dòng)對(duì)輸出的影響慢，有利于克服擾動(dòng)的影響。（2），擾動(dòng)對(duì)輸出有微分作用，控制品質(zhì)變差。（3）應(yīng)選擇操作變量，盡量使擾動(dòng)作用點(diǎn)向控制閥移動(dòng)。結(jié)論調(diào)節(jié)通道的時(shí)滯對(duì)控制品質(zhì)的影響（1）常采用時(shí)滯與時(shí)間常數(shù)之比來判別。（2）當(dāng)小時(shí)，系統(tǒng)的控制品質(zhì)較好。（3）當(dāng)固定，如的比值固定，則有：大。系統(tǒng)的臨界振蕩頻率小，回復(fù)時(shí)間長(zhǎng)，動(dòng)態(tài)特性差。（4）當(dāng)增加時(shí)，系統(tǒng)的穩(wěn)定性會(huì)變差。（5）當(dāng)時(shí)，尚可用簡(jiǎn)單控制系統(tǒng)進(jìn)行控制。（6）當(dāng)時(shí)，需用其它復(fù)雜控制系統(tǒng)或控制算法。擾動(dòng)通道的時(shí)滯對(duì)控制品質(zhì)的影響（1）的數(shù)值不影響閉環(huán)極點(diǎn)位置。因此不影響系統(tǒng)穩(wěn)定性。（2）的數(shù)值只影響擾動(dòng)到達(dá)系統(tǒng)的時(shí)間，不影響控制品質(zhì)。結(jié)論3.5執(zhí)行器

執(zhí)行器代替手動(dòng)操作，是構(gòu)成自動(dòng)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(hào)，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(hào)轉(zhuǎn)換為位移信號(hào)。

調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)：把位移信號(hào)轉(zhuǎn)換成流通截面積的變化。執(zhí)行機(jī)構(gòu)有氣動(dòng)、電動(dòng)和液動(dòng)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。3.5.1執(zhí)行器基本概念（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(jì)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(shí)關(guān)閉。

氣關(guān)：輸入氣壓增加，閥門開度減小。失氣時(shí)全開。控制閥氣開、氣關(guān)特性的選擇。3.5執(zhí)行器3.5.1執(zhí)行器基本概念（5）電—?dú)廪D(zhuǎn)換在自動(dòng)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——?dú)鈴?fù)合控制系統(tǒng)，即可以通過電——?dú)廪D(zhuǎn)換器或閥門定位器等進(jìn)行電——?dú)庑盘?hào)的轉(zhuǎn)換。3.5執(zhí)行器3.5.1執(zhí)行器基本概念（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(hào)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(hào)轉(zhuǎn)換為流通面積的變化，改變操縱變量的數(shù)值。3.5執(zhí)行器3.5.1執(zhí)行器基本概念3.5.2氣動(dòng)執(zhí)行器1.氣動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)（1）執(zhí)行機(jī)構(gòu)分類主要有薄膜式和活塞式兩種。①薄膜式執(zhí)行機(jī)構(gòu)氣動(dòng)薄膜執(zhí)行機(jī)構(gòu)有“正作用”和“反作用”兩種型式。當(dāng)來自控制器或閥門定位器的信號(hào)壓力增大時(shí)，推閥桿向下移動(dòng)則稱為“正作用”執(zhí)行機(jī)構(gòu)；當(dāng)信號(hào)壓力增大時(shí)，推閥桿向上移動(dòng)則稱為“反作用”執(zhí)行機(jī)構(gòu)?！罢饔谩眻?zhí)行機(jī)構(gòu)的壓力信號(hào)是通過波紋膜片上方的薄膜氣室；“反作用”執(zhí)行機(jī)構(gòu)的壓力信號(hào)是通過波紋膜片下方的薄膜氣室。通過更換個(gè)別零件，兩者可以互相改裝。3.5執(zhí)行器1-上蓋2—膜片3一平衡彈簧4一閥桿5－閥體6－閥座7－閥芯薄膜式執(zhí)行機(jī)構(gòu)1.氣動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)3.5.2氣動(dòng)執(zhí)行器薄膜式執(zhí)行機(jī)構(gòu)1.氣動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)3.5.2氣動(dòng)執(zhí)行器②活塞式執(zhí)行機(jī)構(gòu)活塞式執(zhí)行機(jī)構(gòu)在結(jié)構(gòu)上是無彈簧氣缸活塞式，允許操作壓力為0.5MPa，由于沒有彈簧來抵消推力，所以具有很大的輸出力。適用于大口徑、高壓差控制閥或蝶閥的推動(dòng)裝置。③長(zhǎng)行程執(zhí)行機(jī)構(gòu)除了薄膜式和活塞式兩種執(zhí)行機(jī)構(gòu)之外，還有長(zhǎng)行程執(zhí)行機(jī)構(gòu)。它采用了力矩平衡原理和杠桿放大機(jī)構(gòu)，因此提高力精度和靈敏度。它的行程長(zhǎng)、轉(zhuǎn)矩大，適用于大轉(zhuǎn)矩的蝶閥、風(fēng)門、擋板等場(chǎng)合。④滾筒膜片執(zhí)行機(jī)構(gòu)3.5.2氣動(dòng)執(zhí)行器3.5執(zhí)行器1.氣動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)（2）執(zhí)行機(jī)構(gòu)的分析氣動(dòng)薄膜執(zhí)行機(jī)構(gòu)的分析F：執(zhí)行機(jī)構(gòu)輸出力（N）。向下為正，向上為負(fù)。Ac：膜片有效面積（cm2）。P：操作壓力（kPa）。Pi：彈簧初始?jí)毫Γ╧Pa）。Pr：彈簧范圍（kPa）。增益的考慮增大增益方法：加大操作壓力，增大有效面積，減小彈簧初始力等。時(shí)間常數(shù)的考慮減小時(shí)間常數(shù)的方法：增大管徑，縮短管線長(zhǎng)度等。死區(qū)執(zhí)行器輸入變化不能使流過執(zhí)行器的流量發(fā)生變化時(shí)，執(zhí)行器輸入的變化范圍。當(dāng)控制器輸出反向時(shí)，摩擦力與原合力方向相反，造成回差；由于回差，閥桿不能及時(shí)響應(yīng)控制器的輸出，使控制不及時(shí)；

增益變化時(shí)，造成偏離度增大，使控制系統(tǒng)不穩(wěn)定。1.氣動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)3.5.2氣動(dòng)執(zhí)行器2.調(diào)節(jié)（控制）機(jī)構(gòu)[即：調(diào)節(jié)（控制）閥]

控制機(jī)構(gòu)是一個(gè)局部阻力可以改變的節(jié)流元件。其結(jié)構(gòu)上是：通過閥桿上部與執(zhí)行機(jī)構(gòu)相連，閥桿下部與閥芯相連。由于閥芯在閥體內(nèi)移動(dòng)，改變了閥芯與閥座之間的流通面積，即改變了閥的阻力系數(shù)。根據(jù)不同的使用要求，調(diào)節(jié)閥的結(jié)構(gòu)型式有多種：（1）直通單座控制閥；（2）直通雙座控制閥；（3）角型控制閥；（4）三通控制閥；（5）隔膜控制閥；（6）蝶閥；（7）球閥；（8）凸輪撓曲閥；（9）籠式閥3.5.2氣動(dòng)執(zhí)行器（1）直通單座閥流體對(duì)閥芯的不平衡作用力大。一般用在小口徑、低壓差的場(chǎng)合。結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、泄漏量小。調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)就是閥門，是一個(gè)局部阻力可以改變的節(jié)流元件。根據(jù)不同的使用要求，閥門的結(jié)構(gòu)型式很多。正裝閥閥芯下移時(shí)，閥芯與閥座間的流通截面積增大閥門中的柱式閥芯可以正裝，也可以反裝。反裝閥閥芯下移時(shí)，閥芯與閥座間的流通截面積減小（2）直通雙座閥閥體內(nèi)有兩個(gè)閥芯和閥座。流體流過時(shí)，作用在上、下兩個(gè)閥芯上的推力方向相反且大小相近，可以互相抵消，所以不平衡力小。但是，由于加工的限制，上下兩個(gè)閥芯閥座不易保證同時(shí)密閉，因此泄漏量較大。（3）角形控制閥兩個(gè)接管呈直角形，一般為底進(jìn)側(cè)出，這種閥的流路簡(jiǎn)單、對(duì)流體的阻力較小。適用于現(xiàn)場(chǎng)管道要求直角連接，介質(zhì)為高粘度、高壓差和含有少量懸浮物和固體顆粒狀的場(chǎng)合。（4）三通控制閥有三個(gè)出入口與工藝管道連接。流通方式有合流型（兩種介質(zhì)混合成一路）和分流型（一種介質(zhì)分成兩路）兩種。適用于配比控制與旁路控制。（5）隔膜控制閥采用耐腐蝕材料作隔膜，將閥芯與流體隔開。結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、流阻小、流通能力比同口徑的其他種類的閥要大。由于介質(zhì)用隔膜與外界隔離，故無填料，介質(zhì)也不會(huì)泄漏。耐腐蝕能力強(qiáng)，適用于強(qiáng)酸、強(qiáng)堿、強(qiáng)腐蝕性介質(zhì)的控制，也能用于高粘度及懸浮顆粒狀介質(zhì)的控制。適用于大口徑、大流量、低壓差的場(chǎng)合，也可以用于含少量纖維或懸浮顆粒狀介質(zhì)的控制。（6）蝶閥又名翻板閥。結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、重量輕、流阻極小，但泄漏量大。

氣動(dòng)薄膜調(diào)節(jié)閥是一種典型常用的氣動(dòng)執(zhí)行器。氣動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)接受控制器（或轉(zhuǎn)換器）的輸出氣壓信號(hào)（0.02—0.1MPa），氣壓信號(hào)由上部引入，作用于薄膜上，在閥桿被推動(dòng)的作用下，使閥門產(chǎn)生一定的位移，改變閥芯與閥座之間的流通面積，從而達(dá)到了控制流量的目的。氣動(dòng)薄膜調(diào)節(jié)閥3.5.2氣動(dòng)執(zhí)行器3.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(duì)流量與閥門的相對(duì)開度（相對(duì)位移）之間的關(guān)系，即：Q/Qmax：相對(duì)流量，即控制閥某一開度流量與全開時(shí)流量之比；l/L：相對(duì)開度，即控制閥某一開度行程與全開時(shí)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(shí)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(shí)，還會(huì)引起閥前后壓差變化，而壓差的變化又會(huì)引起流量的變化。所以在分析控制閥流量特性時(shí)，有理想特性與工作特性之分。3.5.2氣動(dòng)執(zhí)行器

（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(shí)得到的流量特性稱為理想流量特性?？刂崎y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(duì)數(shù)）、快開及拋物線等幾種。

3.控制閥（調(diào)節(jié)閥）的流量特性3.5.2氣動(dòng)執(zhí)行器

直線流量特性

線性特性：

移項(xiàng)后，得：，兩邊積分，得：

帶入邊界條件：時(shí)，，得到：

時(shí)，，

線性流量特性：

放大系數(shù)：

放大系數(shù)K是常數(shù)，不隨的變化而變化；

稱為可調(diào)比，國(guó)產(chǎn)閥的可調(diào)比為30。3.控制閥（調(diào)節(jié)閥）的流量特性3.5.2氣動(dòng)執(zhí)行器K是執(zhí)行器的放大系數(shù)。

對(duì)數(shù)流量特性

對(duì)數(shù)特性：

兩邊積分，得：

帶入邊界條件：時(shí)，，得到：

時(shí)，，

對(duì)數(shù)流量特性：

放大系數(shù)：

放大系數(shù)與流量成正比，隨的增加，放大系數(shù)增大；

流量的對(duì)數(shù)與行程成正比，故稱為對(duì)數(shù)特性；

行程增加相同的間隔，流量增加相同的百分比，故稱為等百分比特性。3.控制閥（調(diào)節(jié)閥）的流量特性3.5.2氣動(dòng)執(zhí)行器

快開流量特性

快開特性：

移項(xiàng)后，兩邊積分，并代入邊界條件，得到：

快開流量特性：

放大系數(shù)：

與成反比，增加，放大系數(shù)減??；

小時(shí)，放大系數(shù)大，上升快。因此，稱為快開特性；

實(shí)際工廠特性是：3.控制閥（調(diào)節(jié)閥）的流量特性3.5.2氣動(dòng)執(zhí)行器

拋物線流量特性

拋物線特性：

拋物線流量特性：

放大系數(shù)：

放大系數(shù)隨的增大而增大；

流量與放大系數(shù)的平方成正比，故稱為拋物線特性；

國(guó)內(nèi)目前尚未生產(chǎn)，其特性介于線性和對(duì)數(shù)特性之間。3.控制閥（調(diào)節(jié)閥）的流量特性3.5.2氣動(dòng)執(zhí)行器（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(shí)，△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。3.控制閥（調(diào)節(jié)閥）的流量特性3.5.2氣動(dòng)執(zhí)行器

并聯(lián)管道的工作流量特性并聯(lián)管道時(shí)，顯然這時(shí)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。（2）控制閥的工作流量特性3.控制閥（調(diào)節(jié)閥）的流量特性3.5.2氣動(dòng)執(zhí)行器（2）控制閥的工作流量特性3.控制閥（調(diào)節(jié)閥）的流量特性3.5.2氣動(dòng)執(zhí)行器以實(shí)際所能達(dá)到的最大流量為參考重新繪制的曲線

串、并聯(lián)管道的情況有如下的結(jié)論：☆串、并聯(lián)管道都會(huì)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⒉⒙?lián)管道都會(huì)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?！畲?、并聯(lián)管道會(huì)使控制閥的放大系數(shù)減小。串聯(lián)管道控制閥大開度時(shí)影響嚴(yán)重；并聯(lián)管道控制閥小開度時(shí)影響嚴(yán)重。（2）控制閥的工作流量特性3.控制閥（調(diào)節(jié)閥）的流量特性3.5.2氣動(dòng)執(zhí)行器

從改善控制系統(tǒng)控制質(zhì)量選擇彌補(bǔ)系統(tǒng)的非線性從控制系統(tǒng)的類型考慮：

隨動(dòng)控制系統(tǒng)：設(shè)定值R變化。定值控制系統(tǒng)：負(fù)荷變化；閥前后壓力變化。從工作性能考慮：

動(dòng)態(tài)性能配管狀況負(fù)荷變化（3）控制閥（調(diào)節(jié)閥）流量特性的選擇3.控制閥（調(diào)節(jié)閥）的流量特性3.5.2氣動(dòng)執(zhí)行器

隨動(dòng)控制系統(tǒng)：設(shè)定值R變化定值控制系統(tǒng)：負(fù)荷變化定值控制系統(tǒng)：閥前后壓力變化從動(dòng)態(tài)性能考慮控制閥的工作特性阻尼比無阻尼自然振蕩角頻率配管狀況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從配管狀況考慮控制閥的工作特性壓降比/阻力比控制系統(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P1、P2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控制系統(tǒng)及被控參數(shù)干擾選擇調(diào)節(jié)閥流量特性液位控制系統(tǒng)給定值直線流量直線溫度控制系統(tǒng)T3或燃料入口壓力等百分比受熱物體流量等百分比入口溫度T1直線給定值T2直線從負(fù)荷變化情況考慮控制閥的工作特性

生產(chǎn)過程的干擾有多種，應(yīng)根據(jù)主要擾動(dòng)的變化選擇控制閥特性；當(dāng)對(duì)象的輸入輸出關(guān)系能用圖形描述時(shí)，宜用圖解法選擇控制閥特性；當(dāng)對(duì)象的輸入輸出關(guān)系能用解析式描述時(shí)，宜用解析法選擇控制閥特性；對(duì)象的輸入輸出關(guān)系是增量化前的方程，否則會(huì)得到錯(cuò)誤的結(jié)果；由于對(duì)象動(dòng)態(tài)放大系數(shù)與靜態(tài)放大系數(shù)不相符，因此，對(duì)控制質(zhì)量要求高時(shí)，應(yīng)從動(dòng)態(tài)考慮和分析；選擇控制閥的特性是使系統(tǒng)總的幅頻和相頻特性保持恒定，為此，也可以通過選擇控制器、檢測(cè)變送器的特性來滿足；例如：節(jié)流裝置測(cè)流量，加開方器，采用線性特性控制閥；如不加開方器，從靜態(tài)考慮應(yīng)選擇快開特性，實(shí)際采用線性特性控制閥。選擇控制閥特性時(shí)的注意事項(xiàng)4.控制閥（調(diào)節(jié)閥）的選擇（1）氣動(dòng)執(zhí)行器有氣開與氣關(guān)兩種形式：氣開式：有壓力信號(hào)時(shí)閥開，無壓力信號(hào)時(shí)閥關(guān)；氣關(guān)式：有壓力信號(hào)時(shí)閥關(guān)，無壓力信號(hào)時(shí)閥開。由于氣動(dòng)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(dòng)執(zhí)行器的氣開與氣關(guān)即由此組合而成。3.5.2氣動(dòng)執(zhí)行器

氣開、氣關(guān)的選擇主要從工藝生產(chǎn)的安全要求出發(fā)?？紤]的原則是：信號(hào)壓力中斷時(shí)，應(yīng)保證操作人員和設(shè)備的安全。若信號(hào)壓力中斷，閥處于關(guān)閉位置時(shí)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(shí)，閥門能自動(dòng)關(guān)閉，保證安全。反之，若信號(hào)壓力中斷，閥處于打開位置時(shí)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(shí)，閥門能自動(dòng)打開，保證安全。4.控制閥（調(diào)節(jié)閥）的選擇（1）氣動(dòng)執(zhí)行器有氣開與氣關(guān)兩種形式：氣關(guān)氣開氣開氣關(guān)（2）液位控制氣開式的控制閥液位變送器為正作用4.控制閥（調(diào)節(jié)閥）的選擇（3）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(shí)際原則：

氣源或電源中斷時(shí)，

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(jí)，氣開氣關(guān)均可選時(shí)：

為使主控和串級(jí)的切換方便—

選KV與主控對(duì)象放大系數(shù)有相同符號(hào)的閥（氣開為正，氣關(guān)為負(fù)）。4.控制閥（調(diào)節(jié)閥）的選擇（4）閥門定位器

閥門定位器的功能

在干摩擦較大的場(chǎng)合，用于減小回差；

在高壓差下補(bǔ)償不平衡力，使閥桿不受不平衡力的影響；

在閥桿移動(dòng)有較大阻力時(shí)，使閥能良好工作；

改變凸輪的形狀來改變閥的流量特性和氣開、氣關(guān)特性；

改變氣壓作用范圍，例如，用于分程控制；

改善氣動(dòng)傳輸管線和閥的動(dòng)態(tài)特性；

對(duì)流量和壓力控制回路，因時(shí)間常數(shù)接近，不宜采用。4.控制閥（調(diào)節(jié)閥）的選擇彈簧初始?jí)毫Γ╧Pa）3.5.3電動(dòng)執(zhí)行器

電動(dòng)執(zhí)行器有角行程、直行程和多轉(zhuǎn)式等類型。電動(dòng)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(hào)，并將其轉(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(shí)現(xiàn)自動(dòng)控制。電動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)主要由伺服放大器、伺服電動(dòng)機(jī)、減速器、位置發(fā)送器和操縱器組成，如圖所示。電動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)不僅可以與控制器配合實(shí)現(xiàn)自動(dòng)控制，還可以通過操縱器實(shí)現(xiàn)控制系統(tǒng)的自動(dòng)和手動(dòng)控制的相互切換。

執(zhí)行電動(dòng)機(jī)的特點(diǎn)

可控性：能夠?qū)⒖刂菩盘?hào)對(duì)應(yīng)的轉(zhuǎn)變?yōu)闄C(jī)械運(yùn)動(dòng)。

快速性：能滿足控制系統(tǒng)快速信號(hào)變化要求，及時(shí)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(dòng)機(jī)分類

按電動(dòng)機(jī)原理可分為直流電動(dòng)機(jī)，步進(jìn)電動(dòng)機(jī)，交流同步電動(dòng)機(jī)，交流異步電動(dòng)機(jī)，開關(guān)磁阻電動(dòng)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(dòng)執(zhí)行器的選擇原則3.5.3電動(dòng)執(zhí)行器執(zhí)行電動(dòng)機(jī)負(fù)載特性：是穩(wěn)態(tài)時(shí)執(zhí)行電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)矩T與轉(zhuǎn)速n的關(guān)系。機(jī)械負(fù)載特性：有恒轉(zhuǎn)矩、變轉(zhuǎn)矩、恒功率和加速運(yùn)動(dòng)機(jī)械負(fù)載特性。執(zhí)行電動(dòng)機(jī)的負(fù)載特性與機(jī)械的負(fù)載特性相交于工作點(diǎn)P。電動(dòng)執(zhí)行器的選擇原則3.5.3電動(dòng)執(zhí)行器直流電動(dòng)機(jī)的特點(diǎn)直流電動(dòng)機(jī)的特點(diǎn)

步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的特點(diǎn)

步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的特點(diǎn)交流電動(dòng)機(jī)的變頻調(diào)速交流電動(dòng)機(jī)的變頻調(diào)速3.6控制系統(tǒng)傳感與變送典型的檢測(cè)變送器1.檢測(cè)變送器的一般結(jié)構(gòu)

一般包含一個(gè)傳感器及一個(gè)激勵(lì)元件（轉(zhuǎn)換器）。2.檢測(cè)（傳感與變送）儀表分類（1）按儀表使用的能源分類：電動(dòng)儀表、氣動(dòng)儀表。（2）按信號(hào)的處理過程分類：檢測(cè)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(cè)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。3.檢測(cè)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(cè)、轉(zhuǎn)換單元轉(zhuǎn)換成標(biāo)準(zhǔn)的電或氣信號(hào)。變送器輸出是被控變量的測(cè)量值，它被送到顯示和控制裝置，用于顯示和控制。4.檢測(cè)變送器的基本要求正確性：正確反映被控變量，誤差小。快速性：及時(shí)反映被控變量的變化?？煽啃裕洪L(zhǎng)期穩(wěn)定運(yùn)行。檢測(cè)變送器5.檢測(cè)變送器的選用原則在環(huán)境工況條件下應(yīng)能長(zhǎng)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(cè)要求。儀表測(cè)量誤差：儀表本身誤差、環(huán)境工況引入的誤差和動(dòng)態(tài)誤差。量程選擇：量程的改變會(huì)引起最大讀數(shù)誤差變化和增益的變化。被測(cè)對(duì)象或介質(zhì)的特性。如，氣、液、固，腐蝕性等。檢測(cè)采用的形式要求。如，侵入或非侵入。被測(cè)信號(hào)的性質(zhì)及頻率范圍。儀表的構(gòu)造材料，安裝結(jié)構(gòu)；對(duì)環(huán)境、安全的保證；成本等。檢測(cè)變送器6.檢測(cè)變送器的基本問題檢測(cè)零點(diǎn)與量程

工程單位轉(zhuǎn)換檢測(cè)變送器

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)誤差檢測(cè)變送器

測(cè)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?。犭娕嫉奈恢煤筒牧希?。

氣動(dòng)傳輸線：通常在實(shí)驗(yàn)測(cè)量時(shí)有純時(shí)間滯后，（電信號(hào)沒有時(shí)間滯后）；在目前沒有電傳輸應(yīng)用廣泛。檢測(cè)變送器

對(duì)檢測(cè)滯后時(shí)間Tm的考慮：作為廣義對(duì)象的組成部分，應(yīng)與被控過程時(shí)間Tp和執(zhí)行機(jī)構(gòu)滯后時(shí)間Tv一起考慮時(shí)間常數(shù)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(cè)元件；縮短氣動(dòng)管線的長(zhǎng)度和減小直徑；正確使用微分環(huán)節(jié)；選用繼電器或放大器。對(duì)

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(cè)點(diǎn)到變送器間距離l；加大信號(hào)傳送速度w。檢測(cè)變送器7.測(cè)量信號(hào)的處理檢測(cè)變送器數(shù)字濾波算法檢測(cè)變送器檢測(cè)變送器數(shù)字濾波算法檢測(cè)變送器

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(hào)與輸入信號(hào)之間的關(guān)系?？刂破饕步凶稣{(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(shí)，也像分析系統(tǒng)的過渡過程一樣，把輸入信號(hào)e視為階躍信號(hào)，研究控制器的輸出信號(hào)p隨時(shí)間變化的規(guī)律。3.7控制器設(shè)計(jì)3.7.1控制器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)?！畋壤刂疲≒）；或稱比例調(diào)節(jié)。☆積分控制（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)。3.7控制器設(shè)計(jì)3.7.1控制器3.7.2常用控制器特性的概述1.開關(guān)控制：價(jià)格便宜；非常簡(jiǎn)單。2.比例控制:(P)

設(shè)計(jì)簡(jiǎn)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:(PI)

抑制偏差；與單一設(shè)置相比具有更好地動(dòng)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：(PD)

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:(PID)

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。3.7.3開關(guān)（位式）控制☆開關(guān)控制的規(guī)律當(dāng)測(cè)量值大于給定值時(shí)，控制器的輸出為最大（或最?。?；當(dāng)測(cè)量值小于給定值時(shí)，控制器的輸出為最?。ɑ蜃畲螅?。

理想的開關(guān)控制器的輸出信號(hào)P與輸入信號(hào)e（誤差信號(hào)=設(shè)定值-測(cè)量值）之間的關(guān)系為：

P=Pmaxe＞0（或e＜0）時(shí)

P=Pmine＜0（或e＞0）時(shí)即控制器只有“開”“關(guān)”兩個(gè)輸出狀態(tài)。也稱為：雙位（Two-Position）或“Bang-Bang”

控制。☆開關(guān)控制的實(shí)際應(yīng)用

死區(qū)問題由于實(shí)際應(yīng)用中的雙位控制具有一個(gè)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）3.7.3開關(guān)（位式）控制

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(dòng)噴水滅火系統(tǒng)；循環(huán)控制。3.7.3開關(guān)（位式）控制PID控制3.7.4比例控制按照誤差的比例修正。時(shí)域表示：傳遞函數(shù)：Kc=控制器增益思考：與過程增益K0有何不同？

比例控制特性及其特點(diǎn)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(gè)放大倍數(shù)可調(diào)的放大器。3.7.4比例控制

一個(gè)簡(jiǎn)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(dòng)而升降。浮球的升降通過杠桿帶動(dòng)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。3.7.4比例控制由相似三角形的關(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(diǎn)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(diǎn)位置可改變Kp）。3.7.4比例控制1.比例度在實(shí)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(shí)，輸入偏差變化對(duì)應(yīng)指示刻度的百分?jǐn)?shù)。3.7.4比例控制ΔP＝Kpe

例如，一只比例作用的DDZ-Ⅱ電動(dòng)溫度控制器，其量程（刻度范圍）為400~800℃，控制器輸出為0~10mA。當(dāng)儀表指針從600℃移到700℃，此時(shí)控制器相應(yīng)的輸出從4mA變?yōu)?mA，這時(shí)的比例度應(yīng)該是：

這說明這臺(tái)溫度控制器，當(dāng)溫度變化全量程的50%（相當(dāng)于變化200℃），這臺(tái)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。3.7.4比例控制比例度的示意圖：分別說明了當(dāng)比例度為50%、100%、200%時(shí)，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。

3.7.4比例控制

比例度就是使控制器輸出變化滿刻度時(shí)，輸入偏差變化對(duì)應(yīng)指示刻度的百分?jǐn)?shù)。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(hào)都是統(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn)信號(hào)，則比例度δ與放大倍數(shù)Kp互為倒數(shù)關(guān)系，即3.7.4比例控制ΔP＝Kpe2.比例調(diào)節(jié)系統(tǒng)的過渡過程及余差

設(shè)在t=t0時(shí)，系統(tǒng)受到一個(gè)階躍干擾，出水量Q2突然增加一個(gè)數(shù)值。這時(shí)，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(huì)產(chǎn)生變化。當(dāng)t=t0時(shí)，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(hào)ΔP增加，使進(jìn)水量Q1增加；Q1的增加就會(huì)使液位的下降速度逐漸變慢下來經(jīng)過一段時(shí)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(gè)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”。3.7.4比例控制產(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(duì)應(yīng)的，有一個(gè)閥門開度就有一個(gè)對(duì)應(yīng)的偏差值。由圖所示的簡(jiǎn)單液位比例控制系統(tǒng)來看，在t0時(shí)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(shí)控制閥有一個(gè)特定的開度，比如說對(duì)應(yīng)于杠桿處于水平的位置。當(dāng)t=t0時(shí)，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(shí)，才能重新建立平衡，液位也才會(huì)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?yàn)楦軛U是一種剛性機(jī)構(gòu)，所以閥桿上移時(shí)浮球必然下移；這就是說達(dá)到新的平衡時(shí)浮球位置一定下移，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。3.7.4比例控制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(shí)，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。3.7.4比例控制閉環(huán)動(dòng)態(tài)系統(tǒng)的重要特征擾動(dòng)之后的穩(wěn)態(tài)值為什么不能達(dá)到與設(shè)定值一致，做到無偏差？如何改變控制器參數(shù)使他們能更接近？3.7.4比例控制3.7.4比例控制3.比例度對(duì)系統(tǒng)的影響如果干擾為階躍，幅值則3.7.4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3.7.4比例控制通過阻尼系數(shù)分析：3.7.4比例控制)阻尼比/阻尼系數(shù)無阻尼自然振蕩角頻率

對(duì)于比例控制系統(tǒng)來說，由于對(duì)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(huì)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(shí)，就會(huì)出現(xiàn)發(fā)散振蕩。

總之，比例控制特性比較簡(jiǎn)單，控制比較及時(shí)；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(duì)象滯后較小而時(shí)間常數(shù)并不太小、控制精度要求不高的場(chǎng)合。3.7.4比例控制比例增益對(duì)隨動(dòng)系統(tǒng)的影響3.7.4比例控制幅頻特性分析比例帶的影響從幅頻特性分析，常用廣義對(duì)象表示如：采用比例控制器，控制器增益增加時(shí)，控制系統(tǒng)開環(huán)頻率特性從藍(lán)色曲線開始變成紅色曲線，系統(tǒng)幅穩(wěn)定裕度和相穩(wěn)定裕度下降。因此，Kc增大系統(tǒng)穩(wěn)定性變差。對(duì)具體對(duì)象應(yīng)具體分析！3.7.4比例控制方框圖和傳遞函數(shù)3.7.4比例控制

（如）控制器增益對(duì)控制品質(zhì)的影響（對(duì)余差的影響）☆對(duì)自衡非振蕩過程：（見方框圖）隨動(dòng)控制系統(tǒng)余差：當(dāng)輸入信號(hào)是幅值為R的階躍信號(hào)，根據(jù)終值定理，有余差定值控制系統(tǒng)余差：當(dāng)干擾是幅值為F的階躍信號(hào)，余差☆對(duì)無自衡非振蕩過程：隨動(dòng)控制系統(tǒng)余差：定值控制系統(tǒng)余差：（如具有自衡特性時(shí)）3.7.4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(shí)際工作狀態(tài)的比例控制3.7.4比例控制3.7.5積分控制一種持久的模型。時(shí)域表示：傳遞函數(shù)：TI=控制器積分時(shí)間（分母）當(dāng)偏差E(t)=常數(shù)時(shí)的積分特性：當(dāng)偏差E(t)=常數(shù)時(shí)比例特性：1.積分控制特性（積分調(diào)節(jié)規(guī)律）及其特點(diǎn)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(shí)，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(hào)ΔP的大小，不僅取決于偏差信號(hào)e的大小，而且主要取決于偏差e存在的時(shí)間長(zhǎng)短；只要有偏差，即使很小，但它存在的時(shí)間越長(zhǎng)，輸出信號(hào)就變化越大。（也就是說，只要偏差存在的時(shí)間足夠長(zhǎng)，控制器的輸出也是很大的。）3.7.5積分控制積分控制作用的特性當(dāng)輸入偏差為一常量A時(shí)，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，積分控制器的輸出是隨時(shí)間增長(zhǎng)（或減小）；當(dāng)偏差e為零時(shí)，輸出ΔP才停止變化而穩(wěn)定在某一值上。對(duì)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(diǎn)是：只要偏差存在，控制器輸出就會(huì)變化，控制機(jī)構(gòu)就要?jiǎng)幼?，系統(tǒng)就不會(huì)穩(wěn)定；只有當(dāng)偏差消除時(shí)（即e＝0），輸出信號(hào)才不再變化，調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)停止動(dòng)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(shí)，偏差必然為零。3.7.5積分控制2.比例積分控制（PI調(diào)節(jié)）特性與積分時(shí)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(shí)間的積累才逐漸增強(qiáng)的，所以控制動(dòng)作緩慢（響應(yīng)慢），控制不及時(shí)，當(dāng)被控對(duì)象慣性較大時(shí)，被控變量的超調(diào)量會(huì)較大，過渡過程時(shí)間也延長(zhǎng)?？紤]到比例控制的特點(diǎn)，即輸出信號(hào)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(diǎn)，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(shí)，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：3.7.5積分控制

當(dāng)輸入偏差是一幅度為A的階躍變化時(shí)，（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(shí)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(hào)時(shí)，分部寫出比例積分控制器的特性如下：因?yàn)閑＝A（常數(shù)），所以：當(dāng)時(shí)間t＝TI

時(shí)：3.7.5積分控制對(duì)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(hào)，e(t)作用時(shí)間到TI時(shí)，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(shí)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。3.7.5積分控制閉環(huán)動(dòng)態(tài)系統(tǒng)的重要特征擾動(dòng)之后的穩(wěn)態(tài)值3.7.5積分控制3.積分時(shí)間對(duì)系統(tǒng)過渡過程的影響如果干擾為階躍，幅值A(chǔ)則3.7.5積分控制特征方程為：特征根為：當(dāng)系統(tǒng)過渡過程沒有振蕩（過阻尼）當(dāng)系統(tǒng)過渡過程為臨界振蕩（臨界阻尼）當(dāng)系統(tǒng)過渡過程為阻尼振蕩（欠阻尼）3.7.5積分控制

從幅頻特性分析對(duì)象和控制器表示如：；積分作用引入相位向量TI趨近于無窮，表示GC(s)趨近于KC。在KC不變時(shí)，TI下降:

積分作用越強(qiáng)，穩(wěn)定性越差。幅穩(wěn)定裕度下降。相穩(wěn)定裕度下降。振蕩頻率增加。3.7.5積分控制

積分時(shí)間越短，積分速度越大，積分作用越強(qiáng)；反之，積分時(shí)間越長(zhǎng)，積分速度越小，積分作用越弱。若積分時(shí)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(shí)間對(duì)過渡過程的影響具有兩重性。當(dāng)縮短積分時(shí)間，加強(qiáng)積分作用時(shí)：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。3.7.5積分控制隨動(dòng)系統(tǒng)定值系統(tǒng)3.7.5積分控制4.積分飽和問題★積分飽和和積分過量(Windup)：實(shí)際積分作用與比例作用一樣，積分作用只在一定范國(guó)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(shí)，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(shí)，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(shí)，不能使輸出及時(shí)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(shí)改變方向的現(xiàn)象被稱為積分飽和現(xiàn)象。3.7.5積分控制★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(shí)(t2)，偏差反向，輸出因積分作用，未反向（使閥門朝相反的方向動(dòng)作），但輸出下降到0.1MPa時(shí)(t3)，控制閥才開始打開，偏差反向后輸出不能及時(shí)反向造成動(dòng)態(tài)偏差加大，控制品質(zhì)差。3.7.5積分控制★

積分飽和產(chǎn)生的原因外因：由于偏差長(zhǎng)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(zhǎng)期存在時(shí)，u0’(t)會(huì)不斷增加，并超過某一限值，這是產(chǎn)生積分飽和的原因?！?/p>

防止積分飽和的策略：在偏差e(t)為零時(shí)，使u0'(t)不超過限值。采用輸出限幅器：它只對(duì)控制器的輸出限幅，即對(duì)u(t)限幅。采用對(duì)u0'(t)限幅：實(shí)施時(shí)，采用積分外反饋，自行切換PI—P。3.7.5積分控制★積分外反饋

積分項(xiàng)的輸入取自輸出U(s)。如果積分項(xiàng)輸入取自某一定值UB，則UB(s)=0，而積分項(xiàng)成為0，從而防止積分飽和。

在選擇性控制、串級(jí)控制等系統(tǒng)中，常采用積分外反饋?；?.7.5積分控制★比例積分控制規(guī)律的實(shí)現(xiàn)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(shí)，有控制器穩(wěn)態(tài)增益K>>KC時(shí)，3.7.5積分控制3.7.6微分控制一種預(yù)測(cè)的模型。時(shí)域表示：傳遞函數(shù)：TD=控制器微分時(shí)間微分控制（也稱為微分調(diào)節(jié)或D調(diào)節(jié)）1.微分控制特性（微分調(diào)節(jié)規(guī)律）及其特點(diǎn)

對(duì)于滯后大、慣性大的被控對(duì)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(shí)，當(dāng)看到溫度上升很快，雖然這時(shí)的偏差還很小，但是估計(jì)很快就會(huì)有很大的偏差。根據(jù)經(jīng)驗(yàn)，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(dòng)控制系統(tǒng)中，控制器的輸出信號(hào)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（或微分調(diào)節(jié)規(guī)律）用字母D表示。也就是說，控制器的輸出信號(hào)與偏差信號(hào)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(shí)間；

de/dt：偏差信號(hào)的變化速度。3.7.6微分控制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(duì)于一個(gè)固定不變（常數(shù)）的偏差，不管這個(gè)偏差值多大，微分作用的輸出總是零。

若在t＝t0輸入一個(gè)階躍信號(hào)，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(shí)間均為零，如圖（b）所示。

實(shí)際工作中，要實(shí)現(xiàn)圖（b）所示的控制作用是不可能的，也沒有實(shí)用價(jià)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(shí)刻，輸出ΔP突然上升到一個(gè)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。3.7.6微分控制2.實(shí)際的微分控制特性及其微分時(shí)間實(shí)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?chǔ)模?00%，即實(shí)際的微分控制器是一個(gè)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(shí)，就構(gòu)成了比例微分控制特性，用字母（PD）表示。此時(shí)比例作用必須能夠改變，因?yàn)樗强刂谱饔弥凶罨咀钪饕淖饔帽壤圈牡拇笮?duì)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(shí)間TD分別可以改變比例作用的強(qiáng)弱和微分作用的強(qiáng)弱。

3.7.6微分控制PD控制算法★理想PD控制算法：或★微分時(shí)間TD：在斜坡外輸入信號(hào)作用下，達(dá)到同樣輸出時(shí)，PD控制作用比單純P控制作用提前達(dá)到，提前的時(shí)間是微分時(shí)間?！锢硐隤D控制的特點(diǎn)：對(duì)高頻信號(hào)的放大系數(shù)大，頻率越高，放大系數(shù)越大；對(duì)階躍輸入信號(hào)，理想PD輸出是脈沖信號(hào)，對(duì)生產(chǎn)控制無益，并且實(shí)施困難?！飳?shí)際PD控制算法：；一般微分增益KD=5~10實(shí)際PD的階躍響應(yīng)實(shí)際PD的斜坡響應(yīng)3.7.6微分控制3.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:

3.7.6微分控制實(shí)際比例微分調(diào)節(jié)器的動(dòng)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(shí)間常數(shù)

3.比例微分(PD)調(diào)節(jié)器3.7.6微分控制實(shí)際PD調(diào)節(jié)器的階躍響應(yīng)曲線：理想PD調(diào)節(jié)器的階躍響應(yīng)曲線：

3.比例微分(PD)調(diào)節(jié)器3.7.6微分控制閉環(huán)動(dòng)態(tài)系統(tǒng)的重要特征擾動(dòng)之后的穩(wěn)態(tài)值為什么不能達(dá)到與設(shè)定值一致，做到無偏差？3.7.6微分控制3.微分時(shí)間對(duì)系統(tǒng)過渡過程的影響閉環(huán)傳遞函數(shù)：特征方程：或：3.7.6微分控制

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(dòng)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(duì)于一些滯后較大、負(fù)荷變化較快的對(duì)象，當(dāng)較大的干擾施加之后，由于對(duì)象的慣性大，偏差在開始一段時(shí)間內(nèi)都是