單回路控制系統(tǒng)(改)

1、 單回路控制系統(tǒng)單回路控制系統(tǒng)本章主要內(nèi)容7.1 單回路控制系統(tǒng)的組成及應(yīng)用范圍單回路控制系統(tǒng)的組成及應(yīng)用范圍7.2 單回路控制系統(tǒng)方案設(shè)計(jì)單回路控制系統(tǒng)方案設(shè)計(jì)7.3 控制器的參數(shù)整定方法控制器的參數(shù)整定方法 7.1 單回路控制系統(tǒng)的組成及應(yīng)用范圍單回路控制系統(tǒng)的組成及應(yīng)用范圍 單回路控制系統(tǒng)的組成單回路控制系統(tǒng)的組成 單回路控制系統(tǒng)的應(yīng)用范圍單回路控制系統(tǒng)的應(yīng)用范圍7.1.1 7.1.1 單回路控制系統(tǒng)的組成單回路控制系統(tǒng)的組成圖圖7.1 液位調(diào)節(jié)系統(tǒng)液位調(diào)節(jié)系統(tǒng)由一個(gè)測(cè)量元件、變送器、一個(gè)控制器、一個(gè)執(zhí)由一個(gè)測(cè)量元件、變送器、一個(gè)控制器、一個(gè)執(zhí)行器、一個(gè)被控對(duì)象所構(gòu)成的單閉環(huán)控制系統(tǒng)，行

2、器、一個(gè)被控對(duì)象所構(gòu)成的單閉環(huán)控制系統(tǒng)，它是生產(chǎn)過程中應(yīng)用廣泛的基本控制系統(tǒng)。它是生產(chǎn)過程中應(yīng)用廣泛的基本控制系統(tǒng)。典型單回路控制系統(tǒng)圖解典型單回路控制系統(tǒng)圖解1)1)有原料不斷流入或流出儲(chǔ)槽中；有原料不斷流入或流出儲(chǔ)槽中；2)2)流入量流入量( (或流出量或流出量) )的變化會(huì)引起槽內(nèi)液位的波動(dòng)，的變化會(huì)引起槽內(nèi)液位的波動(dòng)，嚴(yán)重時(shí)會(huì)出現(xiàn)溢出或抽干；于是，槽內(nèi)液位就成嚴(yán)重時(shí)會(huì)出現(xiàn)溢出或抽干；于是，槽內(nèi)液位就成為被控量，整個(gè)貯槽為被控對(duì)象；為被控量，整個(gè)貯槽為被控對(duì)象；3)3)液位經(jīng)檢測(cè)和變送后，送到液位控制器與工藝要液位經(jīng)檢測(cè)和變送后，送到液位控制器與工藝要求的液位高度即設(shè)定值進(jìn)行比較，按預(yù)定

3、的運(yùn)算求的液位高度即設(shè)定值進(jìn)行比較，按預(yù)定的運(yùn)算規(guī)律算出結(jié)果；規(guī)律算出結(jié)果；4)4)控制器輸出調(diào)節(jié)信號(hào)至執(zhí)行器，執(zhí)行器按此信號(hào)控制器輸出調(diào)節(jié)信號(hào)至執(zhí)行器，執(zhí)行器按此信號(hào)自動(dòng)地開大或關(guān)小閥門，以保持槽內(nèi)液位在設(shè)定自動(dòng)地開大或關(guān)小閥門，以保持槽內(nèi)液位在設(shè)定要求上。要求上。圖圖7.2 單回路系統(tǒng)方框圖單回路系統(tǒng)方框圖7.1.2 7.1.2 單回路控制系統(tǒng)的應(yīng)用范圍單回路控制系統(tǒng)的應(yīng)用范圍（1 1）工藝對(duì)被控量的控制質(zhì)量要求不高；）工藝對(duì)被控量的控制質(zhì)量要求不高；（2 2）過程中的負(fù)荷及其它干擾變化比較平緩；）過程中的負(fù)荷及其它干擾變化比較平緩；（3）被控過程的純滯后及容量滯后不十分明顯；）被控過程的

4、純滯后及容量滯后不十分明顯； 在上述情況下，綜合考慮系統(tǒng)成本因素，則適合在上述情況下，綜合考慮系統(tǒng)成本因素，則適合于選擇單回路于選擇單回路控制系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)控制目標(biāo)?？刂葡到y(tǒng)實(shí)現(xiàn)控制目標(biāo)。1 1、安全性、安全性2 2、穩(wěn)定性、穩(wěn)定性3 3、經(jīng)濟(jì)性、經(jīng)濟(jì)性1 1、建立被控過程的數(shù)學(xué)模型、建立被控過程的數(shù)學(xué)模型2 2、選擇控制方案、選擇控制方案3 3、選擇控制設(shè)備型號(hào)規(guī)格、選擇控制設(shè)備型號(hào)規(guī)格4 4、實(shí)驗(yàn)（與仿真）、實(shí)驗(yàn)（與仿真）二、二、過程控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)的要求過程控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)的要求過程控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)步驟過程控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)步驟 包括儀表（微機(jī)）選型、控制室和儀表盤包括儀表（微機(jī)）選型、控制室和儀表盤設(shè)計(jì)、

5、供水供電供氣設(shè)計(jì)、信號(hào)系統(tǒng)設(shè)計(jì)、設(shè)計(jì)、供水供電供氣設(shè)計(jì)、信號(hào)系統(tǒng)設(shè)計(jì)、安全防暴設(shè)計(jì)等。安全防暴設(shè)計(jì)等。3 3、工程安裝、儀表調(diào)試、工程安裝、儀表調(diào)試 4 4、控制器的參數(shù)整定、控制器的參數(shù)整定2 2、控制系統(tǒng)的工程設(shè)計(jì)、控制系統(tǒng)的工程設(shè)計(jì) 1 1、自動(dòng)控制系統(tǒng)的方案設(shè)計(jì)、自動(dòng)控制系統(tǒng)的方案設(shè)計(jì)v控制系統(tǒng)的工程考慮控制系統(tǒng)的工程考慮 被控量的選擇被控量的選擇 操縱量的選擇操縱量的選擇 執(zhí)行器的選擇執(zhí)行器的選擇 控制器的選擇控制器的選擇7.2 單回路控制系統(tǒng)方案設(shè)計(jì)單回路控制系統(tǒng)方案設(shè)計(jì)7.2.1 被控量的選擇被控量的選擇1、選擇被控量重要性和基本要求、選擇被控量重要性和基本要求2、選擇被控變量的

6、基本原則、選擇被控變量的基本原則3、舉例、舉例1、選擇被控量重要性和基本要求、選擇被控量重要性和基本要求a.對(duì)產(chǎn)量、質(zhì)量及安全都具有重要意義；對(duì)產(chǎn)量、質(zhì)量及安全都具有重要意義；b.能很好地反映工藝生產(chǎn)狀態(tài)的變化；能很好地反映工藝生產(chǎn)狀態(tài)的變化；c.能測(cè)能控，且對(duì)控制作用的反應(yīng)具有足夠的能測(cè)能控，且對(duì)控制作用的反應(yīng)具有足夠的靈敏度；靈敏度；d.滿足生產(chǎn)實(shí)際要求。滿足生產(chǎn)實(shí)際要求。2、選擇被控變量的基本原則、選擇被控變量的基本原則1)直接將工藝確定的需要控制的過程變量選為被控直接將工藝確定的需要控制的過程變量選為被控量。量。2)若表示質(zhì)量指標(biāo)的參數(shù)有多個(gè)，可選符合工藝要若表示質(zhì)量指標(biāo)的參數(shù)有多個(gè)，

7、可選符合工藝要求、獨(dú)立可控的參數(shù)作為被控量。求、獨(dú)立可控的參數(shù)作為被控量。3)若工藝確定的被控量無(wú)法直接測(cè)量或信號(hào)微弱或若工藝確定的被控量無(wú)法直接測(cè)量或信號(hào)微弱或測(cè)量滯后太大，可選擇與直接參數(shù)有單值對(duì)應(yīng)關(guān)測(cè)量滯后太大，可選擇與直接參數(shù)有單值對(duì)應(yīng)關(guān)系的、系的、且有足夠測(cè)量信號(hào)的間接參數(shù)作為被控量且有足夠測(cè)量信號(hào)的間接參數(shù)作為被控量。3、舉例（被控量選擇）、舉例（被控量選擇）v在控制鍋爐蒸汽質(zhì)量的生產(chǎn)過程中，可供選擇在控制鍋爐蒸汽質(zhì)量的生產(chǎn)過程中，可供選擇的被控量有如下三種方案：的被控量有如下三種方案： 1）壓力）壓力p和溫度和溫度t皆為被控變量；皆為被控變量； 2）溫度）溫度t為被控變量；為被控

8、變量； 3）壓力）壓力p為被控變量。為被控變量。v相關(guān)工藝的專業(yè)知識(shí)：相關(guān)工藝的專業(yè)知識(shí)： 物理化學(xué)中的相律關(guān)系，其自由度的表達(dá)式為：物理化學(xué)中的相律關(guān)系，其自由度的表達(dá)式為： f=c-p+2 式中，式中，f為自由度；為自由度；c為組分?jǐn)?shù)；為組分?jǐn)?shù)；p為相數(shù)。為相數(shù)。 被控對(duì)象分析：被控對(duì)象分析：1)飽和蒸汽：其實(shí)質(zhì)上存在氣液兩相（飽和蒸汽：其實(shí)質(zhì)上存在氣液兩相（p=2），），而組分皆為水（而組分皆為水（ c=1），故自由度），故自由度f(wàn)=1，即獨(dú)，即獨(dú)立變量只有一個(gè)，所以被控變量只能選擇壓力立變量只有一個(gè)，所以被控變量只能選擇壓力或溫度中之一?；驕囟戎兄?。2)過熱蒸氣：蒸氣在過熱狀態(tài)下只存

9、在一個(gè)氣相過熱蒸氣：蒸氣在過熱狀態(tài)下只存在一個(gè)氣相（p=1），故自由度），故自由度f(wàn)=2，因此可以把壓力，因此可以把壓力p和和溫度溫度t都選為被控變量。都選為被控變量。 確定被控量確定被控量1)控制飽和蒸汽的供汽質(zhì)量：選飽和蒸汽壓力為被控制飽和蒸汽的供汽質(zhì)量：選飽和蒸汽壓力為被控量。其與燃料量構(gòu)成的控制系統(tǒng)解決蒸汽負(fù)荷控量。其與燃料量構(gòu)成的控制系統(tǒng)解決蒸汽負(fù)荷變化與燃料波動(dòng)對(duì)蒸汽質(zhì)量的影響。變化與燃料波動(dòng)對(duì)蒸汽質(zhì)量的影響。2)控制過熱蒸氣的供汽質(zhì)量：選過熱蒸氣壓力及過控制過熱蒸氣的供汽質(zhì)量：選過熱蒸氣壓力及過熱蒸氣溫度作為被控量。熱蒸氣溫度作為被控量。3)必要性：過熱蒸氣溫度過高，過熱器易損壞

10、，汽必要性：過熱蒸氣溫度過高，過熱器易損壞，汽輪機(jī)內(nèi)部過度的熱膨脹，影響運(yùn)行安全；過熱蒸輪機(jī)內(nèi)部過度的熱膨脹，影響運(yùn)行安全；過熱蒸氣溫度過低，設(shè)備效率降低，汽輪機(jī)后級(jí)蒸汽濕氣溫度過低，設(shè)備效率降低，汽輪機(jī)后級(jí)蒸汽濕度增加，引起葉片磨損。蒸氣壓力控制是克服蒸度增加，引起葉片磨損。蒸氣壓力控制是克服蒸氣負(fù)荷或燃料狀況波動(dòng)影響過熱蒸氣溫度穩(wěn)定的氣負(fù)荷或燃料狀況波動(dòng)影響過熱蒸氣溫度穩(wěn)定的有效手段。有效手段。4)可行性：過熱蒸氣溫度可測(cè)，且可以通過控制減可行性：過熱蒸氣溫度可測(cè)，且可以通過控制減溫器的噴水量，控制過熱蒸汽溫度。過熱蒸氣壓溫器的噴水量，控制過熱蒸汽溫度。過熱蒸氣壓力可測(cè)，且可以通過控制鍋爐

11、燃料量或汽輪機(jī)進(jìn)力可測(cè)，且可以通過控制鍋爐燃料量或汽輪機(jī)進(jìn)汽閥開度，控制過熱蒸汽壓力。汽閥開度，控制過熱蒸汽壓力。 被控量的選擇被控量的選擇 操縱量的選擇操縱量的選擇 執(zhí)行器的選擇執(zhí)行器的選擇 控制器的選擇控制器的選擇7.2 單回路控制系統(tǒng)方案設(shè)計(jì)單回路控制系統(tǒng)方案設(shè)計(jì)選擇操縱量選擇操縱量(控制參數(shù)控制參數(shù))的基本要求的基本要求1)1) 控制通道的抗擾動(dòng)能力要強(qiáng)，動(dòng)態(tài)響應(yīng)比控制通道的抗擾動(dòng)能力要強(qiáng)，動(dòng)態(tài)響應(yīng)比擾動(dòng)通道快。擾動(dòng)通道快。2)2) 根據(jù)控制和擾動(dòng)通道的過程參數(shù)根據(jù)控制和擾動(dòng)通道的過程參數(shù)(k(k、t t、 ）對(duì)系統(tǒng)品質(zhì)的影響，選擇控制參數(shù)。對(duì)系統(tǒng)品質(zhì)的影響，選擇控制參數(shù)。 7.2.2

12、 操縱量的選擇操縱量的選擇v(1) 放大系數(shù)對(duì)控制質(zhì)量的影響放大系數(shù)對(duì)控制質(zhì)量的影響v(2) 干擾通道動(dòng)態(tài)特性對(duì)控制質(zhì)量的影響干擾通道動(dòng)態(tài)特性對(duì)控制質(zhì)量的影響v(3) 控制通道動(dòng)態(tài)特征對(duì)控制質(zhì)量的影響控制通道動(dòng)態(tài)特征對(duì)控制質(zhì)量的影響 7.2.2 操縱量的選擇操縱量的選擇v(1) 放大系數(shù)對(duì)控制質(zhì)量的影響放大系數(shù)對(duì)控制質(zhì)量的影響v(2) 干擾通道動(dòng)態(tài)特性對(duì)控制質(zhì)量的影響干擾通道動(dòng)態(tài)特性對(duì)控制質(zhì)量的影響v(3) 控制通道動(dòng)態(tài)特征對(duì)控制質(zhì)量的影響控制通道動(dòng)態(tài)特征對(duì)控制質(zhì)量的影響圖圖7.3 單回路控制系統(tǒng)簡(jiǎn)化方框圖單回路控制系統(tǒng)簡(jiǎn)化方框圖v控制系統(tǒng)的偏差為控制系統(tǒng)的偏差為v因系統(tǒng)是穩(wěn)定的，可應(yīng)用終值定

13、理求的控制因系統(tǒng)是穩(wěn)定的，可應(yīng)用終值定理求的控制系統(tǒng)的余差為系統(tǒng)的余差為v擾動(dòng)通道的閉環(huán)傳遞函數(shù)為擾動(dòng)通道的閉環(huán)傳遞函數(shù)為v設(shè)設(shè)d(s)為單位階躍干擾函數(shù)，并將為單位階躍干擾函數(shù)，并將wc (s)、w0(s)、wd (s)、d(s)的表達(dá)式代入上式，的表達(dá)式代入上式，可求得系統(tǒng)的余差為：可求得系統(tǒng)的余差為：v結(jié)論結(jié)論擾動(dòng)通道的靜態(tài)放系數(shù)擾動(dòng)通道的靜態(tài)放系數(shù) 越大，系統(tǒng)余差越大越大，系統(tǒng)余差越大控制通道的放大系數(shù)控制通道的放大系數(shù) 越大，系統(tǒng)余差越小，克越大，系統(tǒng)余差越小，克服擾動(dòng)通道的效果越好服擾動(dòng)通道的效果越好由于由于 ，則控制器增益和控制對(duì)象的增益有，則控制器增益和控制對(duì)象的增益有一定的關(guān)

14、系一定的關(guān)系0kckkk0dk 7.2.2 操縱量的選擇操縱量的選擇v(1) 放大系數(shù)對(duì)控制質(zhì)量的影響放大系數(shù)對(duì)控制質(zhì)量的影響v(2) 干擾通道動(dòng)態(tài)特性對(duì)控制質(zhì)量的影響干擾通道動(dòng)態(tài)特性對(duì)控制質(zhì)量的影響v(3) 控制通道動(dòng)態(tài)特征對(duì)控制質(zhì)量的影響控制通道動(dòng)態(tài)特征對(duì)控制質(zhì)量的影響系統(tǒng)的特征方程為：系統(tǒng)的特征方程為：圖圖7.4 根平面上的附加極點(diǎn)根平面上的附加極點(diǎn) (2)干擾通道動(dòng)態(tài)特性對(duì)控制質(zhì)量的影響干擾通道動(dòng)態(tài)特性對(duì)控制質(zhì)量的影響1）時(shí)間常數(shù)對(duì)控制質(zhì)量的影響）時(shí)間常數(shù)對(duì)控制質(zhì)量的影響結(jié)論結(jié)論v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)點(diǎn) ，系統(tǒng)的

15、超調(diào)量隨系統(tǒng)的超調(diào)量隨 的增大而減少，控制質(zhì)量得的增大而減少，控制質(zhì)量得到提高。到提高。 愈大，則擾動(dòng)通道對(duì)系統(tǒng)的影響愈小愈大，則擾動(dòng)通道對(duì)系統(tǒng)的影響愈小v選擇操縱量時(shí)，應(yīng)使干擾通道的時(shí)間常數(shù)大些為好選擇操縱量時(shí)，應(yīng)使干擾通道的時(shí)間常數(shù)大些為好1dtdtdtdt2）滯后時(shí)間對(duì)控制質(zhì)量的影響）滯后時(shí)間對(duì)控制質(zhì)量的影響結(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)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。系統(tǒng)有利。圖圖7.5 液位控制液位控制 結(jié)論結(jié)論: 擾動(dòng)點(diǎn)離被控量愈近影響愈大擾動(dòng)點(diǎn)離被控量愈近影響愈大3）干擾作用點(diǎn)位置對(duì)控制質(zhì)

16、量的影響）干擾作用點(diǎn)位置對(duì)控制質(zhì)量的影響 擾動(dòng)點(diǎn)離被控量愈近影響愈大擾動(dòng)點(diǎn)離被控量愈近影響愈大4）干擾幅值對(duì)控制質(zhì)量的影響）干擾幅值對(duì)控制質(zhì)量的影響5）周期性干擾對(duì)控制質(zhì)量的影響）周期性干擾對(duì)控制質(zhì)量的影響 7.2.2 操縱量的選擇操縱量的選擇v(1) 放大系數(shù)對(duì)控制質(zhì)量的影響放大系數(shù)對(duì)控制質(zhì)量的影響v(2) 干擾通道動(dòng)態(tài)特性對(duì)控制質(zhì)量的影響干擾通道動(dòng)態(tài)特性對(duì)控制質(zhì)量的影響v(3) 控制通道動(dòng)態(tài)特征對(duì)控制質(zhì)量的影響控制通道動(dòng)態(tài)特征對(duì)控制質(zhì)量的影響v（3）控制通道動(dòng)態(tài)特征對(duì)控制質(zhì)量的影響）控制通道動(dòng)態(tài)特征對(duì)控制質(zhì)量的影響 1）時(shí)間常數(shù)）時(shí)間常數(shù)t對(duì)控制質(zhì)量的影響對(duì)控制質(zhì)量的影響( (1).t1)

17、.t太大太大 特點(diǎn)：使控制作用變?nèi)酰刂瀑|(zhì)量變壞。特點(diǎn)：使控制作用變?nèi)?，控制質(zhì)量變壞。 措施：合理選擇執(zhí)行器位置；采用前饋或復(fù)雜措施：合理選擇執(zhí)行器位置；采用前饋或復(fù)雜控制控制. . 2）滯后時(shí)間對(duì)控制質(zhì)量的影響）滯后時(shí)間對(duì)控制質(zhì)量的影響圖圖7.6 具有純滯后具有純滯后0的系統(tǒng)的系統(tǒng)v設(shè)控制器為純比例作用，放大系數(shù)為設(shè)控制器為純比例作用，放大系數(shù)為kc，當(dāng)對(duì)象不存在純滯后當(dāng)對(duì)象不存在純滯后0時(shí)，開環(huán)傳遞函數(shù)為時(shí)，開環(huán)傳遞函數(shù)為v若對(duì)象存在純滯后若對(duì)象存在純滯后0 ，對(duì)象的傳遞函數(shù)為，對(duì)象的傳遞函數(shù)為圖圖7.7 頻率特性頻率特性 由于由于 o的存在，使相角滯后增加而幅值不變。其頻率特性求法的存在

18、，使相角滯后增加而幅值不變。其頻率特性求法如下：在如下：在 o=0時(shí)的曲線時(shí)的曲線w(j )上上 1、 2、 3 各點(diǎn)分別對(duì)應(yīng)的幅各點(diǎn)分別對(duì)應(yīng)的幅值是值是a、b、c。當(dāng)。當(dāng) o 0時(shí)，時(shí)，如點(diǎn)如點(diǎn)a處，頻率為處，頻率為 1，取，取 w(j 1) 的幅值的幅值a ，但相角滯后，但相角滯后 1 o增加了增加了 1 o弧度，從而定出新的點(diǎn)弧度，從而定出新的點(diǎn)a 。同理可得出。同理可得出 2、 3 時(shí)各相應(yīng)點(diǎn)時(shí)各相應(yīng)點(diǎn)b、c ，將，將a、b、c、各點(diǎn)連接起來(lái)即為各點(diǎn)連接起來(lái)即為w(j )的幅相頻率特性。由此曲線可的幅相頻率特性。由此曲線可見，當(dāng)見，當(dāng) o 0時(shí)，隨著時(shí)，隨著kcko的增大，的增大， w

19、(j )有可能包圍有可能包圍(-1，j0 )點(diǎn)，點(diǎn)， o值愈大，這種可能性愈大，即值愈大，這種可能性愈大，即系統(tǒng)的穩(wěn)定性愈差系統(tǒng)的穩(wěn)定性愈差。v一般一般 o/t0 0.3的對(duì)象較易控制，而的對(duì)象較易控制，而 o/t0 （0.5 0.6）的對(duì)象較難控制。）的對(duì)象較難控制。v在選控制參數(shù)（操縱量）時(shí)，要設(shè)法減小在選控制參數(shù)（操縱量）時(shí)，要設(shè)法減小 o/t0 的比值。減少信號(hào)傳輸距離或提高信號(hào)傳輸速的比值。減少信號(hào)傳輸距離或提高信號(hào)傳輸速度等都是常用方法。另外，有時(shí)增大度等都是常用方法。另外，有時(shí)增大t0 值也收值也收到較好效果。到較好效果。結(jié)論結(jié)論圖圖7.8 具有三個(gè)時(shí)間常數(shù)的控制系統(tǒng)具有三個(gè)時(shí)間

20、常數(shù)的控制系統(tǒng)3）時(shí)間常數(shù)匹配對(duì)控制質(zhì)量的影響）時(shí)間常數(shù)匹配對(duì)控制質(zhì)量的影響結(jié)論結(jié)論v如果有兩個(gè)以上的時(shí)間常數(shù)，則最大的時(shí)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，而間常數(shù)決定過程的快慢，而t2/t1等因素只等因素只影響系統(tǒng)易控的程度影響系統(tǒng)易控的程度,t2與與t1 1拉得愈開，即拉得愈開，即t2/t1 愈小，則愈接近一階環(huán)節(jié)，系統(tǒng)愈易愈小，則愈接近一階環(huán)節(jié)，系統(tǒng)愈易穩(wěn)定。設(shè)法減小穩(wěn)定。設(shè)法減小t2/t1往往是提高系統(tǒng)調(diào)節(jié)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)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。計(jì)與檢測(cè)組件時(shí)是很值得考慮的。通過以上

21、干擾通道和控制通道特性對(duì)控制質(zhì)通過以上干擾通道和控制通道特性對(duì)控制質(zhì)量影響的分析，可得出量影響的分析，可得出操縱量選擇時(shí)應(yīng)遵循操縱量選擇時(shí)應(yīng)遵循的一般原則：的一般原則：操縱量應(yīng)具有可控性、工藝操作的合理性、操縱量應(yīng)具有可控性、工藝操作的合理性、經(jīng)濟(jì)性。經(jīng)濟(jì)性?？刂仆ǖ赖姆糯笙禂?shù)控制通道的放大系數(shù)k0要適當(dāng)大一些，時(shí)要適當(dāng)大一些，時(shí)間常數(shù)間常數(shù)t0要適當(dāng)小一些，純滯后時(shí)間要適當(dāng)小一些，純滯后時(shí)間0愈小愈小愈好。愈好。 干擾通道的放大系數(shù)干擾通道的放大系數(shù)kd 應(yīng)盡可能小，時(shí)應(yīng)盡可能小，時(shí)間常數(shù)間常數(shù)td 要大一些，容量滯后要大一些，容量滯后c 愈大，則愈大，則有利于控制；干擾作用點(diǎn)位置要遠(yuǎn)離被控

22、有利于控制；干擾作用點(diǎn)位置要遠(yuǎn)離被控量的檢測(cè)點(diǎn)，即向執(zhí)行器靠近為好；干擾量的檢測(cè)點(diǎn)，即向執(zhí)行器靠近為好；干擾的頻率與系統(tǒng)工作頻率要相差的頻率與系統(tǒng)工作頻率要相差3倍以上；當(dāng)倍以上；當(dāng)出現(xiàn)幅值太大的干擾時(shí)，應(yīng)考慮設(shè)計(jì)一個(gè)出現(xiàn)幅值太大的干擾時(shí)，應(yīng)考慮設(shè)計(jì)一個(gè)單獨(dú)的控制系統(tǒng)予以克服，或采取其他措單獨(dú)的控制系統(tǒng)予以克服，或采取其他措施盡量地減小它的幅值。施盡量地減小它的幅值。當(dāng)廣義對(duì)象具有幾個(gè)時(shí)間常數(shù)時(shí)，應(yīng)盡當(dāng)廣義對(duì)象具有幾個(gè)時(shí)間常數(shù)時(shí)，應(yīng)盡量地設(shè)法使它們?cè)藉e(cuò)開越好。量地設(shè)法使它們?cè)藉e(cuò)開越好。 被控量的選擇被控量的選擇 操縱量的選擇操縱量的選擇 執(zhí)行器的選擇執(zhí)行器的選擇 控制器的選擇控制器的選擇7.2

23、 單回路控制系統(tǒng)方案設(shè)計(jì)單回路控制系統(tǒng)方案設(shè)計(jì)7.2.3 執(zhí)行器的選擇執(zhí)行器的選擇v（1）控制閥的流量特性選擇控制閥的流量特性選擇v（2） 控制閥氣控制閥氣開、氣關(guān)方式選擇開、氣關(guān)方式選擇v（3） 控制閥的口徑選擇控制閥的口徑選擇控制閥的流量特性基本概念：控制閥的流量特性基本概念：1)理想流量特性：閥兩端壓力恒定時(shí)的流量特性，理想流量特性：閥兩端壓力恒定時(shí)的流量特性，即制造廠提供的閥特性；即制造廠提供的閥特性；理想流量特性有直線、理想流量特性有直線、對(duì)數(shù)、拋物線和快開四種。對(duì)數(shù)、拋物線和快開四種。2)工作流量特性：閥兩端壓力變化時(shí)的流量特性；工作流量特性：閥兩端壓力變化時(shí)的流量特性；由過程特性

24、決定由過程特性決定閥門工作流量特性。閥門工作流量特性。3)流量系數(shù)：閥全開時(shí)閥兩端壓力流量系數(shù)：閥全開時(shí)閥兩端壓力 / 管道系統(tǒng)的總管道系統(tǒng)的總壓差；以此壓差；以此衡量控制閥實(shí)際工作流量特性相對(duì)衡量控制閥實(shí)際工作流量特性相對(duì)于理想流量特性的變化程度。于理想流量特性的變化程度。（1）控制閥的流量特性選擇控制閥的流量特性選擇控制閥的工作流量特性（串聯(lián)管道）控制閥的工作流量特性（串聯(lián)管道）a.控制閥與管道設(shè)備串聯(lián)工作時(shí)，若總壓差控制閥與管道設(shè)備串聯(lián)工作時(shí)，若總壓差一定，隨著控制閥開度增大，流量增加，一定，隨著控制閥開度增大，流量增加，管道設(shè)備上的壓力降增大，控制閥前后的管道設(shè)備上的壓力降增大，控制閥

25、前后的壓差將逐漸減小，結(jié)果控制閥的流量特性壓差將逐漸減小，結(jié)果控制閥的流量特性將發(fā)生變化。將發(fā)生變化。b.對(duì)線性閥來(lái)說(shuō)，其理想流量特性是一條直對(duì)線性閥來(lái)說(shuō)，其理想流量特性是一條直線，由于串聯(lián)阻力的影響，其實(shí)際的工作線，由于串聯(lián)阻力的影響，其實(shí)際的工作流量特性變成為對(duì)數(shù)閥工作流量特性。流量特性變成為對(duì)數(shù)閥工作流量特性。流量系數(shù)流量系數(shù)sa.a.衡量控制閥實(shí)際工作流量特性相對(duì)于理想流量特衡量控制閥實(shí)際工作流量特性相對(duì)于理想流量特性的變化程度；性的變化程度；b.b. 式中式中 vmin、控制閥全控制閥全開時(shí)閥門前后的壓差、系統(tǒng)總壓差；開時(shí)閥門前后的壓差、系統(tǒng)總壓差；c.當(dāng)當(dāng)s=1時(shí)，控制閥前后的壓差

26、等于系統(tǒng)的總壓差，時(shí)，控制閥前后的壓差等于系統(tǒng)的總壓差，工作流量特性即為理想流量特性；工作流量特性即為理想流量特性；d.當(dāng)當(dāng)s1時(shí)，受串聯(lián)管道設(shè)備阻力影響，流量特性時(shí)，受串聯(lián)管道設(shè)備阻力影響，流量特性發(fā)生兩個(gè)變化：控制閥全開時(shí)流量減小，即控制發(fā)生兩個(gè)變化：控制閥全開時(shí)流量減小，即控制閥可調(diào)范圍變??；流量特性曲線畸變閥可調(diào)范圍變??；流量特性曲線畸變 ，s值越小，值越小，畸變?cè)絿?yán)重，對(duì)控制越不利。所以，在實(shí)際使用畸變?cè)絿?yán)重，對(duì)控制越不利。所以，在實(shí)際使用中要求中要求s不低于不低于0.30.30.50.5。ppsvmin控制閥工作流量特性（并聯(lián)管道）控制閥工作流量特性（并聯(lián)管道）a.控制閥除了與管道

27、設(shè)備串聯(lián)工作外，在現(xiàn)場(chǎng)使控制閥除了與管道設(shè)備串聯(lián)工作外，在現(xiàn)場(chǎng)使用中，為了便于手動(dòng)操作和維護(hù)，控制閥還與用中，為了便于手動(dòng)操作和維護(hù)，控制閥還與管道設(shè)備并聯(lián)工作。管道設(shè)備并聯(lián)工作。b.當(dāng)關(guān)閉旁路時(shí)，即當(dāng)關(guān)閉旁路時(shí)，即s=1時(shí)，工作流量特性與理時(shí)，工作流量特性與理想流量特性是一致的。想流量特性是一致的。c.隨著旁路閥逐漸打開，其旁路流量逐步增加，隨著旁路閥逐漸打開，其旁路流量逐步增加，s逐漸減小，控制閥可調(diào)范圍大大下降；同時(shí)逐漸減小，控制閥可調(diào)范圍大大下降；同時(shí)總存在串聯(lián)管道阻力的影響，這將使控制閥所總存在串聯(lián)管道阻力的影響，這將使控制閥所能控制的流量變化很小，甚至不起控制作用。能控制的流量變化

28、很小，甚至不起控制作用。d.根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)使用經(jīng)驗(yàn)，旁路流量只能為總流量的根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)使用經(jīng)驗(yàn)，旁路流量只能為總流量的百分之十幾，百分之十幾，s值不能低于值不能低于0.80.8。1 1、目標(biāo)、目標(biāo) 用控制閥的流量特性來(lái)補(bǔ)償被控過程特性的用控制閥的流量特性來(lái)補(bǔ)償被控過程特性的變化，使系統(tǒng)總的放大系數(shù)保持或近似不變。變化，使系統(tǒng)總的放大系數(shù)保持或近似不變。2 2、方法、方法 根據(jù)閥門的工作流量特性和根據(jù)閥門的工作流量特性和s值，選定閥門值，選定閥門特性；通常特性；通常采用經(jīng)驗(yàn)法。采用經(jīng)驗(yàn)法?？刂崎y的流量特性選擇控制閥的流量特性選擇控制閥選擇控制閥選擇根據(jù)根據(jù)控制質(zhì)量要求控制質(zhì)量要求a.a. 在變負(fù)荷情況下要

29、使系統(tǒng)保持預(yù)定的品質(zhì)指標(biāo)，在變負(fù)荷情況下要使系統(tǒng)保持預(yù)定的品質(zhì)指標(biāo)，則要求系統(tǒng)總的放大系數(shù)在整個(gè)操作范圍內(nèi)保則要求系統(tǒng)總的放大系數(shù)在整個(gè)操作范圍內(nèi)保持不變。持不變。b.b. 合理選擇控制閥的流量特性來(lái)補(bǔ)償被控過程特合理選擇控制閥的流量特性來(lái)補(bǔ)償被控過程特性的變化，使系統(tǒng)總的放大系數(shù)保持或近似不性的變化，使系統(tǒng)總的放大系數(shù)保持或近似不變。變?？刂崎y選擇控制閥選擇根據(jù)根據(jù)負(fù)荷變化情況負(fù)荷變化情況 由于對(duì)數(shù)特性控制閥的放大系數(shù)是變化的，因由于對(duì)數(shù)特性控制閥的放大系數(shù)是變化的，因此能適應(yīng)負(fù)荷變化大的場(chǎng)合，同時(shí)亦能適用于此能適應(yīng)負(fù)荷變化大的場(chǎng)合，同時(shí)亦能適用于控制閥經(jīng)常工作在小開度的情況，所以用對(duì)數(shù)控制

30、閥經(jīng)常工作在小開度的情況，所以用對(duì)數(shù)控制閥的使用較為廣泛?？刂崎y的使用較為廣泛。（2） 控制閥氣控制閥氣開、氣關(guān)方式選擇開、氣關(guān)方式選擇u氣氣開開閥閥、氣關(guān)、氣關(guān)閥閥的定義：的定義：氣開式閥氣開式閥：隨著控制信號(hào)的增大而開度加大，：隨著控制信號(hào)的增大而開度加大，當(dāng)無(wú)壓力控制信號(hào)時(shí)，閥處于全關(guān)閉狀態(tài)；當(dāng)無(wú)壓力控制信號(hào)時(shí)，閥處于全關(guān)閉狀態(tài)；氣關(guān)式閥氣關(guān)式閥：隨著控制信號(hào)的增大閥逐漸關(guān)閉，：隨著控制信號(hào)的增大閥逐漸關(guān)閉，當(dāng)無(wú)壓力控制信號(hào)時(shí)，閥處于全開狀態(tài)。當(dāng)無(wú)壓力控制信號(hào)時(shí)，閥處于全開狀態(tài)。u控制系統(tǒng)中究竟控制系統(tǒng)中究竟控制閥控制閥選擇選擇氣氣開還是氣關(guān)開還是氣關(guān)方式完全是由生產(chǎn)工藝的要求決定。方式

31、完全是由生產(chǎn)工藝的要求決定。選擇選擇氣氣開開閥閥、氣關(guān)、氣關(guān)閥閥的原則：的原則：1)保證安全生產(chǎn)：保證安全生產(chǎn)：當(dāng)過程控制系統(tǒng)發(fā)生故障（如氣當(dāng)過程控制系統(tǒng)發(fā)生故障（如氣源供氣中斷、控制器與控制閥損壞等）時(shí)出現(xiàn)，源供氣中斷、控制器與控制閥損壞等）時(shí)出現(xiàn)，控制閥所處狀態(tài)應(yīng)能確保工藝設(shè)備的安全，不致控制閥所處狀態(tài)應(yīng)能確保工藝設(shè)備的安全，不致發(fā)生事故。如鍋爐供水控制閥，為了保證發(fā)生上發(fā)生事故。如鍋爐供水控制閥，為了保證發(fā)生上述情況時(shí)不致把鍋爐燒壞，就應(yīng)選擇氣關(guān)閥。述情況時(shí)不致把鍋爐燒壞，就應(yīng)選擇氣關(guān)閥。2)保證產(chǎn)品質(zhì)量：保證產(chǎn)品質(zhì)量：當(dāng)控制閥不能正常工作時(shí)，閥所當(dāng)控制閥不能正常工作時(shí)，閥所處的狀態(tài)不應(yīng)

32、造成產(chǎn)品的質(zhì)量下降。如精餾塔回處的狀態(tài)不應(yīng)造成產(chǎn)品的質(zhì)量下降。如精餾塔回流量控制系統(tǒng)通常選用氣關(guān)閥，這樣，一旦發(fā)生流量控制系統(tǒng)通常選用氣關(guān)閥，這樣，一旦發(fā)生故障閥門全開，使生產(chǎn)處于全回流狀態(tài)，這就防故障閥門全開，使生產(chǎn)處于全回流狀態(tài)，這就防止出現(xiàn)不合格產(chǎn)品，從而保證了塔頂產(chǎn)品的質(zhì)量。止出現(xiàn)不合格產(chǎn)品，從而保證了塔頂產(chǎn)品的質(zhì)量。3)降低原料和動(dòng)力的損耗降低原料和動(dòng)力的損耗：如控制精餾塔進(jìn)料的控：如控制精餾塔進(jìn)料的控制閥常采用氣開式。這樣一旦出現(xiàn)故障，閥門是制閥常采用氣開式。這樣一旦出現(xiàn)故障，閥門是處于關(guān)閉狀態(tài)的，不再給塔投料，從而減少浪費(fèi)。處于關(guān)閉狀態(tài)的，不再給塔投料，從而減少浪費(fèi)。4)從介質(zhì)特

33、點(diǎn)考慮從介質(zhì)特點(diǎn)考慮：如精餾塔釜加熱蒸汽控制閥一：如精餾塔釜加熱蒸汽控制閥一般選用氣開式，以保證發(fā)生故障時(shí)不浪費(fèi)蒸汽。般選用氣開式，以保證發(fā)生故障時(shí)不浪費(fèi)蒸汽。但是，有些生產(chǎn)裝置內(nèi)是易結(jié)晶、易凝結(jié)的物料但是，有些生產(chǎn)裝置內(nèi)是易結(jié)晶、易凝結(jié)的物料時(shí)，則應(yīng)考慮選用氣關(guān)式控制閥。這樣，在事故時(shí)，則應(yīng)考慮選用氣關(guān)式控制閥。這樣，在事故狀態(tài)下控制閥全開以防止由于停止了蒸汽的供給狀態(tài)下控制閥全開以防止由于停止了蒸汽的供給而導(dǎo)致釜內(nèi)液體的結(jié)晶或凝聚毀壞設(shè)備。而導(dǎo)致釜內(nèi)液體的結(jié)晶或凝聚毀壞設(shè)備。5)在確定了控制閥的開、關(guān)后，還要在確定了控制閥的開、關(guān)后，還要對(duì)其配套的執(zhí)對(duì)其配套的執(zhí)行機(jī)構(gòu)的正、反作用方式進(jìn)行選

34、擇。行機(jī)構(gòu)的正、反作用方式進(jìn)行選擇。（3） 控制閥的口徑選擇控制閥的口徑選擇1)控制閥口徑大小直接決定著控制介質(zhì)流過它的控制閥口徑大小直接決定著控制介質(zhì)流過它的能力；能力；2)控制閥口徑選得過大，超過了正?？刂扑璧目刂崎y口徑選得過大，超過了正?？刂扑璧慕橘|(zhì)流量，控制閥將經(jīng)常處于小開度下工作，介質(zhì)流量，控制閥將經(jīng)常處于小開度下工作，閥的特性將會(huì)發(fā)生畸變，閥性能就較差；閥的特性將會(huì)發(fā)生畸變，閥性能就較差；3)如果控制閥口徑選得太小，在正常情況下都在如果控制閥口徑選得太小，在正常情況下都在大開度下工作，閥的特性也不好。此外，控制大開度下工作，閥的特性也不好。此外，控制閥口徑選得過小也不適應(yīng)生產(chǎn)發(fā)

35、展的需要。因閥口徑選得過小也不適應(yīng)生產(chǎn)發(fā)展的需要。因此，控制閥口徑的選擇應(yīng)留有一定的余地。此，控制閥口徑的選擇應(yīng)留有一定的余地。4)正常情況下，閥開度處于正常情況下，閥開度處于15%85%之間；之間；5)5)控制閥口徑大小是通過計(jì)算控制閥流通能力的控制閥口徑大小是通過計(jì)算控制閥流通能力的大小來(lái)決定的，控制閥流通能力必須滿足生產(chǎn)大小來(lái)決定的，控制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；控制的要求并留有一定的余地；6)6)一般流通能力要根據(jù)控制閥所在管線的最大流一般流通能力要根據(jù)控制閥所在管線的最大流量以及控制閥兩端的壓降來(lái)進(jìn)行計(jì)算，并且為量以及控制閥兩端的壓降來(lái)進(jìn)行計(jì)算，并且為了保證控

36、制閥具有一定的可控范圍；了保證控制閥具有一定的可控范圍；7)7)必須使控制閥兩端的壓降在整個(gè)管線的總壓降必須使控制閥兩端的壓降在整個(gè)管線的總壓降中占有較大的比例。所占的比例愈大，控制閥中占有較大的比例。所占的比例愈大，控制閥的可控范圍愈寬。如果控制閥兩端壓降在整個(gè)的可控范圍愈寬。如果控制閥兩端壓降在整個(gè)管線總壓降中所占的比例小，可控范圍就變窄，管線總壓降中所占的比例小，可控范圍就變窄，將會(huì)導(dǎo)致控制閥特性的畸變，使控制效果變差。將會(huì)導(dǎo)致控制閥特性的畸變，使控制效果變差。 被控量的選擇被控量的選擇 操縱量的選擇操縱量的選擇 執(zhí)行器的選擇執(zhí)行器的選擇 控制器的選擇控制器的選擇7.2 單回路控制系統(tǒng)方

37、案設(shè)計(jì)單回路控制系統(tǒng)方案設(shè)計(jì)7.2.4 控制器的選擇控制器的選擇v(1)控制器類型的選擇控制器類型的選擇1）p控制器的選擇控制器的選擇2）pi控制器的選擇控制器的選擇3）pid控制器的選擇控制器的選擇v(2)控制器正、反作用方式的選擇控制器正、反作用方式的選擇0)(uteku(t)c三類常規(guī)控制器簡(jiǎn)介三類常規(guī)控制器簡(jiǎn)介（1）比例控制器：）比例控制器： 比例控制器輸出與偏差成比例比例控制器輸出與偏差成比例式中，式中，u(t)為控制其輸出信號(hào)，為控制其輸出信號(hào)，e(t)為設(shè)定值與測(cè)量為設(shè)定值與測(cè)量信號(hào)之差，信號(hào)之差，kc為比例增益。為比例增益。u0是是t=0瞬間偏差為零時(shí)瞬間偏差為零時(shí)的控制器輸出

38、的控制器輸出。v控制器類型的選擇控制器類型的選擇（2）比例積分控制器：）比例積分控制器：ticuedtteku00)1( )0ite t 式中， 為積分時(shí)間?？刂破鬏敵鲂盘?hào)的大小不僅與偏差信號(hào)的大小有關(guān)，而且還與偏差存在的時(shí)間長(zhǎng)短有關(guān)。只有時(shí)，控制器的輸出才能穩(wěn)定；即消除偏差是積分控制作用的主要特性。（3）比例積分微分控制器）比例積分微分控制器001()tcdipiddeuk eedttutdt控制作用是引入微分的目的是改善控制系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)品質(zhì)。根據(jù)偏差變化率（趨勢(shì)）調(diào)整控制器輸出，為解決系統(tǒng)動(dòng)態(tài)響應(yīng)方面的問題提供了一種方法。選擇控制器選擇控制器-未知過程模型時(shí)未知過程模型時(shí)1)1)要求滯后小、

39、可有余差；選比例（要求滯后小、可有余差；選比例（p p）控制器；）控制器；2)2)要求無(wú)靜差，可選比例積分（要求無(wú)靜差，可選比例積分（pipi）控制器；）控制器；3)3)要求克服容量滯后、且測(cè)量信號(hào)無(wú)高頻噪聲或周要求克服容量滯后、且測(cè)量信號(hào)無(wú)高頻噪聲或周期性擾動(dòng)，允許有靜差，可選用比例微分（期性擾動(dòng)，允許有靜差，可選用比例微分（pdpd）控制器；控制器；4)4)在上述在上述 1 1）、）、2 2）、）、3 3）均無(wú)效時(shí)，可考慮采用）均無(wú)效時(shí)，可考慮采用pidpid控制器，此時(shí)參數(shù)整定是關(guān)鍵；控制器，此時(shí)參數(shù)整定是關(guān)鍵；5)5)若若pidpid控制律仍不滿足控制要求，則考慮其他復(fù)雜控制律仍不滿足

40、控制要求，則考慮其他復(fù)雜的控制算法。的控制算法。選擇控制器選擇控制器-已知過程模型時(shí)已知過程模型時(shí)若過程的數(shù)學(xué)模型可近似表示為：若過程的數(shù)學(xué)模型可近似表示為：l根據(jù)根據(jù) o o/t/to o比值選擇控制器。比值選擇控制器。 a.a. o o/t/to o0.20.2時(shí)，選時(shí)，選p p或或pipi控制器；控制器； b. b. 0.20.2 o o/t/to o1.0 1.0 時(shí)，選時(shí)，選pipi或或pidpid控制器；控制器； c. c. 1.01.0 o o/t/to o 時(shí)，選時(shí)，選其他復(fù)雜的控制方案。其他復(fù)雜的控制方案。2)2)根據(jù)過程特性和工藝要求，選擇模型控制算法或根據(jù)過程特性和工藝要

41、求，選擇模型控制算法或其他控制方案。其他控制方案。（2）控制器正、反作用方式的選擇）控制器正、反作用方式的選擇1）控制器正控制器正/反作用的定義：反作用的定義：控制器正作用：當(dāng)系統(tǒng)的測(cè)量值增加時(shí)，控制器控制器正作用：當(dāng)系統(tǒng)的測(cè)量值增加時(shí)，控制器 的輸出亦增加；的輸出亦增加；控制器反作用：當(dāng)系統(tǒng)的測(cè)量值增加時(shí)，控制器控制器反作用：當(dāng)系統(tǒng)的測(cè)量值增加時(shí)，控制器 的輸出亦減小。的輸出亦減小。2）控制器正、反作用方式的選擇）控制器正、反作用方式的選擇控制閥氣開式取控制閥氣開式取“+ +”號(hào)，氣關(guān)式取號(hào)，氣關(guān)式取“- -”號(hào)；號(hào)；控制器正作用取控制器正作用取“+ +”，反作用取，反作用取“- -”號(hào)；號(hào)

42、；對(duì)象當(dāng)通過控制閥的物料或能量增加時(shí)，按工藝對(duì)象當(dāng)通過控制閥的物料或能量增加時(shí)，按工藝機(jī)理分析，若被控量隨之增加則取機(jī)理分析，若被控量隨之增加則取“+ +”號(hào)，隨之號(hào)，隨之降低取降低取“- -”號(hào)；號(hào)；變送器一般視為正環(huán)節(jié)。變送器一般視為正環(huán)節(jié)?？刂破髡?、反作用方式選擇判別式為控制器正、反作用方式選擇判別式為：v例例 加熱爐的簡(jiǎn)單控制系統(tǒng)加熱爐的簡(jiǎn)單控制系統(tǒng)。 各環(huán)節(jié)作用方向?yàn)椋焊鳝h(huán)節(jié)作用方向?yàn)椋嚎刂崎y：控制閥： 氣開閥。氣開閥。從工藝安全條件出發(fā)，應(yīng)選擇控制閥為氣開閥，以防當(dāng)氣源突然中斷時(shí)，控制閥反而大開燒毀爐子。被控對(duì)象：被控對(duì)象：正對(duì)象。正對(duì)象。（因?yàn)楫?dāng)操縱變量燃料氣流量增加時(shí)，出口溫度

43、也增加。）控制器：控制器：反作用反作用。（因?yàn)楫?dāng)出口溫度增加時(shí)，控制器的輸出減小，關(guān)小燃料氣的閥門。）被控對(duì)象：被控對(duì)象：加熱爐；被控變量：被控變量：出口溫度；操縱變量：操縱變量：燃料氣流量。v例例 液位的簡(jiǎn)單控制系統(tǒng)。液位的簡(jiǎn)單控制系統(tǒng)。被控對(duì)象：被控對(duì)象：貯液罐；被控變量：被控變量：液位；操縱變量：操縱變量：流出物料量； 各環(huán)節(jié)作用方向?yàn)椋焊鳝h(huán)節(jié)作用方向?yàn)椋嚎刂崎y控制閥：氣開閥。（氣開閥。（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(shí)，控制閥關(guān)閉，以免物料流失。）被控對(duì)象被控對(duì)象：反對(duì)象。反對(duì)象。（因?yàn)楫?dāng)流出物料量增加時(shí)，液位下降。）控制器：控制器：正作用正作用。（因?yàn)楫?dāng)

44、液位下降使變送器的輸出減小時(shí)，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(shí)，控制器的輸出也增加，才能開大出口閥門使液位下降。）單回路控制系統(tǒng)的投運(yùn)單回路控制系統(tǒng)的投運(yùn)三、位式控制（位式調(diào)節(jié)）三、位式控制（位式調(diào)節(jié)） 雙位控制的規(guī)律是雙位控制的規(guī)律是：當(dāng)測(cè)量值大于給定值時(shí)，控制器的輸出位最大當(dāng)測(cè)量值大于給定值時(shí)，控制器的輸出位最大（或最?。?；（或最?。?；當(dāng)測(cè)量值小于給定值時(shí)，控制器的輸出位最小當(dāng)測(cè)量值小于給定值時(shí)，控制器的輸出位最?。ɑ蜃畲螅?。（或最大）。 理想的雙位控制器的輸出信號(hào)理想的雙位控制器的輸出信號(hào)p與輸入信號(hào)與輸入信號(hào)e之間的關(guān)系為：之間的關(guān)

45、系為：即控制器只有即控制器只有“開開”“”“關(guān)關(guān)”兩個(gè)輸出狀兩個(gè)輸出狀態(tài)。態(tài)。 p=pmax e0（或（或e0）時(shí)）時(shí) p=pmin e0（或或e e0 0）時(shí)）時(shí) 圖圖7-4 pid控制系統(tǒng)輸出響控制系統(tǒng)輸出響應(yīng)應(yīng)p、i、d環(huán)節(jié)的作用環(huán)節(jié)的作用p、i、d環(huán)節(jié)的作用環(huán)節(jié)的作用比例的作用是減小誤差、提高動(dòng)態(tài)響應(yīng)速度比例的作用是減小誤差、提高動(dòng)態(tài)響應(yīng)速度積分的作用是消除穩(wěn)態(tài)誤差、但會(huì)有較大超調(diào)、調(diào)節(jié)時(shí)間積分的作用是消除穩(wěn)態(tài)誤差、但會(huì)有較大超調(diào)、調(diào)節(jié)時(shí)間加長(zhǎng)加長(zhǎng)微分的作用是預(yù)測(cè)偏差、產(chǎn)生超前校正作用、改善系統(tǒng)動(dòng)態(tài)微分的作用是預(yù)測(cè)偏差、產(chǎn)生超前校正作用、改善系統(tǒng)動(dòng)態(tài)性能性能（1）比例作用定量分析）比例

46、作用定量分析數(shù)字?jǐn)?shù)字pid控制器的參數(shù)整定控制器的參數(shù)整定比例系數(shù)比例系數(shù)kp對(duì)系統(tǒng)性能的影響對(duì)系統(tǒng)性能的影響（1）對(duì)穩(wěn)態(tài)特性的影響）對(duì)穩(wěn)態(tài)特性的影響 加大比例控制加大比例控制kp，在系統(tǒng)穩(wěn)定的，在系統(tǒng)穩(wěn)定的情況下，可以減小穩(wěn)態(tài)誤差，提情況下，可以減小穩(wěn)態(tài)誤差，提高控制精度，但不能完全消除穩(wěn)高控制精度，但不能完全消除穩(wěn)態(tài)誤差。態(tài)誤差。（2）對(duì)動(dòng)態(tài)特性的影響）對(duì)動(dòng)態(tài)特性的影響 pkp加大使系統(tǒng)的動(dòng)作靈敏，速度加大使系統(tǒng)的動(dòng)作靈敏，速度加快；加快；pkp偏大，振蕩次數(shù)加多，調(diào)節(jié)時(shí)偏大，振蕩次數(shù)加多，調(diào)節(jié)時(shí)間加長(zhǎng)；間加長(zhǎng)；pkp太大時(shí)，系統(tǒng)會(huì)趨于不穩(wěn)定；太大時(shí)，系統(tǒng)會(huì)趨于不穩(wěn)定；pkp太小，又會(huì)使系

47、統(tǒng)的動(dòng)作緩慢。太小，又會(huì)使系統(tǒng)的動(dòng)作緩慢。（2）積分作用定量分析）積分作用定量分析數(shù)字?jǐn)?shù)字pid控制器的參數(shù)整定控制器的參數(shù)整定ti對(duì)系統(tǒng)性能的影響對(duì)系統(tǒng)性能的影響（1）對(duì)穩(wěn)態(tài)特性的影響）對(duì)穩(wěn)態(tài)特性的影響p 可以消除穩(wěn)態(tài)誤差，提高系統(tǒng)的可以消除穩(wěn)態(tài)誤差，提高系統(tǒng)的控制精度；但是若控制精度；但是若ti太大，積分作太大，積分作用太弱，以致不能減小穩(wěn)態(tài)誤差。用太弱，以致不能減小穩(wěn)態(tài)誤差。（2）對(duì)動(dòng)態(tài)特性的影響）對(duì)動(dòng)態(tài)特性的影響p 會(huì)使系統(tǒng)的穩(wěn)定性下降；會(huì)使系統(tǒng)的穩(wěn)定性下降；p ti太小會(huì)使系統(tǒng)不穩(wěn)定；太小會(huì)使系統(tǒng)不穩(wěn)定；p ti偏小會(huì)使振蕩次數(shù)較多偏小會(huì)使振蕩次數(shù)較多;p ti太大對(duì)系統(tǒng)性能的影響減

48、少；太大對(duì)系統(tǒng)性能的影響減少；p ti合適時(shí)，過渡特性比較理想。合適時(shí)，過渡特性比較理想。（3）微分作用定量分析）微分作用定量分析數(shù)字?jǐn)?shù)字pid控制器的參數(shù)整定控制器的參數(shù)整定td對(duì)系統(tǒng)性能的影響對(duì)系統(tǒng)性能的影響p 微分作用可以改善控制系統(tǒng)微分作用可以改善控制系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)特性；的動(dòng)態(tài)特性；p td加大時(shí)，超調(diào)量較大，調(diào)加大時(shí)，超調(diào)量較大，調(diào)節(jié)時(shí)間較長(zhǎng)；節(jié)時(shí)間較長(zhǎng)；p td合適時(shí)，才能使超調(diào)量偏合適時(shí)，才能使超調(diào)量偏小，減短調(diào)節(jié)時(shí)間。小，減短調(diào)節(jié)時(shí)間。7.3 控制器的參數(shù)整定控制器的參數(shù)整定v有關(guān)單回路控制系統(tǒng)整定的概述有關(guān)單回路控制系統(tǒng)整定的概述系統(tǒng)整定系統(tǒng)整定-指選擇控制器的比例度、積分時(shí)間和

49、微分時(shí)間的具體數(shù)值。系統(tǒng)整定的實(shí)質(zhì)，就是通過改變控制參數(shù)使控制器特性和被控過程特性配合好，來(lái)改善系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)和靜態(tài)特性，求得最佳的控制效果。系統(tǒng)的良好控制效果一般要求系統(tǒng)的良好控制效果一般要求：瞬時(shí)響應(yīng)的衰減率（以保證系統(tǒng)具有一定的穩(wěn)定性儲(chǔ)備），盡量減小穩(wěn)態(tài)偏差(余差)、最大偏差和過渡過程時(shí)間。注意注意：只有系統(tǒng)設(shè)計(jì)正確，儀表選擇正確，且經(jīng)過調(diào)校和正確安裝之后，控制器參數(shù)的整定才是有意義的。 比例度比例度 在實(shí)際的比例控制器中，習(xí)慣上用比例度在實(shí)際的比例控制器中，習(xí)慣上用比例度來(lái)表示比例作用來(lái)表示比例作用的強(qiáng)弱的強(qiáng)弱，而不用放大倍數(shù)kp。式中 e-控制器的輸入變化量； p-相應(yīng)的控制器的輸出變化

50、量；xmaxxmin-輸入的最大變化量，即控制儀表的量程； pmaxpmin-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)。對(duì)應(yīng)指示刻度的百分?jǐn)?shù)。 例如，一只比例作用的ddz-電動(dòng)溫度控制器，其量程（刻度范圍）為400800c，控制器輸出為010ma。當(dāng)儀表指針從600c移到700c，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： 50% 這說(shuō)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200c），這臺(tái)控制器的輸出就可以從0ma變化到10ma。在此范圍

51、內(nèi)，溫度輸入的變化e和控制器的輸出p是成比例的。 v比例度的示意圖 ： 分別說(shuō)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)樽畲髉max的所需要的輸入變化區(qū)間。 比例度越小，使輸出變比例度越小，使輸出變化全量程范圍所需的輸化全量程范圍所需的輸入變化區(qū)間就越小。入變化區(qū)間就越小。比例作用的強(qiáng)弱的表示v 比例度與放大倍數(shù)kp都可以用來(lái)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)；而越大，表示控制作用越弱。v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)，則比例度與放大倍數(shù)kp互為倒數(shù)關(guān)系，即v控制器參數(shù)的整定方法：控制器參數(shù)的整定

52、方法：理論計(jì)算整定法理論計(jì)算整定法：根軌跡法、頻率特性法根軌跡法、頻率特性法等。這等。這類整定方法要求已知過程的數(shù)學(xué)模型。其計(jì)算繁類整定方法要求已知過程的數(shù)學(xué)模型。其計(jì)算繁瑣，工作量很大，而且最后得到的數(shù)據(jù)一般精度瑣，工作量很大，而且最后得到的數(shù)據(jù)一般精度又不高，所以目前在工程上較少采用。又不高，所以目前在工程上較少采用。工程整定方法工程整定方法：經(jīng)驗(yàn)湊試法、臨界比例度法、衰經(jīng)驗(yàn)湊試法、臨界比例度法、衰減曲線法、響應(yīng)曲線法減曲線法、響應(yīng)曲線法等。它直接在過程控制系等。它直接在過程控制系統(tǒng)中進(jìn)行。其方法簡(jiǎn)單，計(jì)算簡(jiǎn)便，而且容易掌統(tǒng)中進(jìn)行。其方法簡(jiǎn)單，計(jì)算簡(jiǎn)便，而且容易掌握，所得參數(shù)雖然不一定為理

53、論上的最佳參數(shù)，握，所得參數(shù)雖然不一定為理論上的最佳參數(shù)，但是相當(dāng)實(shí)用，能解決一般性問題，所以在工程但是相當(dāng)實(shí)用，能解決一般性問題，所以在工程上得到了廣泛應(yīng)用。上得到了廣泛應(yīng)用。7.3.1 控制器參數(shù)整定控制器參數(shù)整定理論基礎(chǔ)理論基礎(chǔ)v閉環(huán)控制系統(tǒng)的傳遞函數(shù)為：閉環(huán)控制系統(tǒng)的傳遞函數(shù)為：v閉環(huán)控制系統(tǒng)的特征方程為：閉環(huán)控制系統(tǒng)的特征方程為：v其一般形式為：其一般形式為：v參數(shù)整定就是確定參數(shù)整定就是確定01,na aa特征根與系統(tǒng)特性的關(guān)系v實(shí)部實(shí)部0，運(yùn)動(dòng)分量是發(fā)散的，運(yùn)動(dòng)分量是發(fā)散的v實(shí)部實(shí)部0，運(yùn)動(dòng)分量是衰減的，運(yùn)動(dòng)分量是衰減的v實(shí)部實(shí)部=0 ，運(yùn)動(dòng)分量做等幅振蕩，運(yùn)動(dòng)分量做等幅振蕩控制

54、器參數(shù)整定就是選擇合適的參數(shù)值，使特控制器參數(shù)整定就是選擇合適的參數(shù)值，使特征方程所有實(shí)根和所有復(fù)根的實(shí)數(shù)部分的都為征方程所有實(shí)根和所有復(fù)根的實(shí)數(shù)部分的都為負(fù)實(shí)部。負(fù)實(shí)部。實(shí)際生產(chǎn)過程要求控制系統(tǒng)不僅是穩(wěn)定的，而實(shí)際生產(chǎn)過程要求控制系統(tǒng)不僅是穩(wěn)定的，而且要求有一定的穩(wěn)定裕量。且要求有一定的穩(wěn)定裕量。v由遞減率的定義可得：由遞減率的定義可得：v對(duì)于穩(wěn)定的振蕩分量，有：對(duì)于穩(wěn)定的振蕩分量，有：圖7.10 振蕩分量的遞減率其中其中m m：遞減指數(shù)遞減指數(shù)根平面中質(zhì)量合格區(qū)域根平面中質(zhì)量合格區(qū)域v位于折線位于折線aobaob左面的左面的任何一對(duì)共軛復(fù)根代任何一對(duì)共軛復(fù)根代表的振蕩過程都具有表的振蕩過程

55、都具有比比m0m0大的遞減指數(shù)或大的遞減指數(shù)或遞減率。遞減率。v在整定控制器參數(shù)時(shí)在整定控制器參數(shù)時(shí)，要保證過渡過程具，要保證過渡過程具有一定的穩(wěn)定裕量，有一定的穩(wěn)定裕量，就要使閉環(huán)控制系統(tǒng)就要使閉環(huán)控制系統(tǒng)特征方程的根位于特征方程的根位于aobaob折線的左側(cè)。折線的左側(cè)。v實(shí)際生產(chǎn)過程要求控制系統(tǒng)不僅是穩(wěn)定的，而且要實(shí)際生產(chǎn)過程要求控制系統(tǒng)不僅是穩(wěn)定的，而且要求有一定的快速性。求有一定的快速性。v從快速性看，一對(duì)共軛復(fù)根代表的振蕩分量的衰減從快速性看，一對(duì)共軛復(fù)根代表的振蕩分量的衰減速度取決于復(fù)根的實(shí)部速度取決于復(fù)根的實(shí)部。 越大，越大， 衰減越快。衰減越快。v在整定控制器參數(shù)時(shí)，要在整定

56、控制器參數(shù)時(shí)，要保證控制系統(tǒng)有一定的快保證控制系統(tǒng)有一定的快速性，就要使閉環(huán)控制系統(tǒng)特征方程的根位于過點(diǎn)速性，就要使閉環(huán)控制系統(tǒng)特征方程的根位于過點(diǎn)0垂線的左側(cè)。垂線的左側(cè)。v在實(shí)際生產(chǎn)過程中，要求控制系統(tǒng)過渡過程的振蕩在實(shí)際生產(chǎn)過程中，要求控制系統(tǒng)過渡過程的振蕩頻率不能太高。頻率不能太高。v振蕩頻率過高，會(huì)造成調(diào)節(jié)閥的開閉過于頻繁，加振蕩頻率過高，會(huì)造成調(diào)節(jié)閥的開閉過于頻繁，加大設(shè)備的磨損。大設(shè)備的磨損。v限制一下限制一下的范圍。復(fù)根的虛部的范圍。復(fù)根的虛部表征了一對(duì)共軛表征了一對(duì)共軛復(fù)根的振蕩分量的振蕩頻率。復(fù)根的振蕩分量的振蕩頻率。圖7.11 根平面中質(zhì)量合格區(qū)域v7.3.2 控制器參數(shù)

57、工程整定法控制器參數(shù)工程整定法（1）經(jīng)驗(yàn)湊試法）經(jīng)驗(yàn)湊試法（2）臨界振蕩整定臨界振蕩整定法法（3）衰減曲線法）衰減曲線法（4）響應(yīng)曲線法）響應(yīng)曲線法（1）經(jīng)驗(yàn)湊試法）經(jīng)驗(yàn)湊試法經(jīng)驗(yàn)湊試法經(jīng)驗(yàn)湊試法一一具體步驟：具體步驟：a)p控制器：控制器： 將比例度由較大數(shù)值逐步減小，觀察被控量的過渡過程將比例度由較大數(shù)值逐步減小，觀察被控量的過渡過程曲線，直到曲線滿意為止；曲線，直到曲線滿意為止；b) pi控制器：控制器： 先置先置ti = ，按純比例整定比例度，使之達(dá)到，按純比例整定比例度，使之達(dá)到4：1衰減過衰減過程曲線；然后將放大程曲線；然后將放大(1020)%，將積分時(shí)間由大至小逐，將積分時(shí)間由大

58、至小逐步加入，直到獲得步加入，直到獲得4：1衰減過程；衰減過程；c)c)pidpid控制器：控制器： 先令先令td =0 =0，按，按pipi控制器控制器湊試整定，然后將比例度減低到湊試整定，然后將比例度減低到比原值小比原值小(10(1020)%20)%位置，位置，ti也適當(dāng)增大之后，再把也適當(dāng)增大之后，再把td由由小至大地逐步加入，觀察過渡過程曲線，直到獲得滿意小至大地逐步加入，觀察過渡過程曲線，直到獲得滿意的過渡過程為止。的過渡過程為止。經(jīng)驗(yàn)湊試方法二經(jīng)驗(yàn)湊試方法二具體步驟：具體步驟：a)根據(jù)表根據(jù)表7.6的經(jīng)驗(yàn)數(shù)據(jù)，預(yù)先確定一個(gè)積分時(shí)的經(jīng)驗(yàn)數(shù)據(jù)，預(yù)先確定一個(gè)積分時(shí)間數(shù)值，然后由大至小調(diào)整

59、比例度以獲得滿間數(shù)值，然后由大至小調(diào)整比例度以獲得滿意的過渡過程為止；意的過渡過程為止；b)如需加微分作用，可取如需加微分作用，可取td=（1/31/4）ti，放好放好ti 、 td之后，再調(diào)整比例度。比例度與之后，再調(diào)整比例度。比例度與積分時(shí)間在一定范圍內(nèi)相匹配，可以得到相積分時(shí)間在一定范圍內(nèi)相匹配，可以得到相同遞減比的過渡過程。這樣，比例度的減小同遞減比的過渡過程。這樣，比例度的減小可用增大積分時(shí)間來(lái)補(bǔ)償，反之亦然?？捎迷龃蠓e分時(shí)間來(lái)補(bǔ)償，反之亦然。經(jīng)驗(yàn)湊試法經(jīng)驗(yàn)湊試法小結(jié)小結(jié)a)a)在應(yīng)用經(jīng)驗(yàn)湊試法整定控制器參數(shù)的過程中，若在應(yīng)用經(jīng)驗(yàn)湊試法整定控制器參數(shù)的過程中，若觀察到曲線振蕩頻繁，則

60、需減小比例作用；觀察到曲線振蕩頻繁，則需減小比例作用；b)b)若曲線最大偏差大、且趨于非周期過程，則需增若曲線最大偏差大、且趨于非周期過程，則需增強(qiáng)比例作用。強(qiáng)比例作用。c)c)當(dāng)曲線波動(dòng)較大時(shí)，應(yīng)減小積分作用；當(dāng)曲線波動(dòng)較大時(shí)，應(yīng)減小積分作用；d)d)若曲線偏離設(shè)定值后長(zhǎng)時(shí)間不能回來(lái)，則需增強(qiáng)若曲線偏離設(shè)定值后長(zhǎng)時(shí)間不能回來(lái)，則需增強(qiáng)積分作用；積分作用；e)e)若曲線振蕩得厲害，需把微分作用減到最小或者若曲線振蕩得厲害，需把微分作用減到最小或者暫時(shí)不加微分作用；暫時(shí)不加微分作用；f)f)若曲線最大偏差大而衰減慢，則需增強(qiáng)微分作用。若曲線最大偏差大而衰減慢，則需增強(qiáng)微分作用。g)g)以參數(shù)對(duì)控