過(guò)程控制第六1講：?jiǎn)位芈废到y(tǒng)設(shè)計(jì)(lyz)

1、第六講：?jiǎn)位芈废到y(tǒng)設(shè)計(jì)Process Control System8/12/20221重點(diǎn)內(nèi)容單回路系統(tǒng)=對(duì)象+執(zhí)行器+調(diào)節(jié)器+變送器內(nèi)容：系統(tǒng)分析控制方案系統(tǒng)整定系統(tǒng)投運(yùn)8/12/20222一、系統(tǒng)分析1、系統(tǒng)目標(biāo)：在工業(yè)過(guò)程自動(dòng)化中，過(guò)程控制是不可缺少的重要組成部分。為了克服外界擾動(dòng)，穩(wěn)定生產(chǎn)，使其工況最優(yōu)，提高產(chǎn)品的質(zhì)量和產(chǎn)量；為了提高勞動(dòng)生產(chǎn)率，降低生產(chǎn)成本，節(jié)約能源，提高經(jīng)濟(jì)效益；為了安全生產(chǎn)、改善勞動(dòng)條件，保護(hù)環(huán)境衛(wèi)生等，需在生產(chǎn)過(guò)程中對(duì)溫度、壓力、流量、液位、成分、PH、粘度、濕度等過(guò)程參數(shù)實(shí)行自動(dòng)控制。 2、設(shè)計(jì)目標(biāo)：系統(tǒng)穩(wěn)定穩(wěn)定裕量靜態(tài)動(dòng)態(tài)性能（時(shí)間短、超調(diào)量小、無(wú)震蕩、余差

2、?。?/12/20223一、系統(tǒng)分析3控制方案 （1）總體設(shè)計(jì)與系統(tǒng)布局關(guān)系 ： 隨著現(xiàn)代化工業(yè)生產(chǎn)迅速發(fā)展，各生產(chǎn)工藝設(shè)備相互間緊密地聯(lián)系著，各設(shè)備的生產(chǎn)操作也是相互聯(lián)系、相互影響的，所以首先必須明確局部生產(chǎn)過(guò)程自動(dòng)化和全局過(guò)程自動(dòng)化間的關(guān)系。在進(jìn)行總體設(shè)計(jì)和系統(tǒng)布局時(shí)，應(yīng)該全面地考慮生產(chǎn)設(shè)備之間的相互聯(lián)系，綜合各個(gè)生產(chǎn)操作之間的相互影響，合理設(shè)計(jì)各個(gè)控制系統(tǒng)。要從生產(chǎn)過(guò)程去全面地分析問(wèn)題和解決問(wèn)題，從物料平衡和工藝流程去設(shè)計(jì)各個(gè)過(guò)程控制系統(tǒng)，即要從整個(gè)生產(chǎn)工藝過(guò)程的自動(dòng)化考慮所設(shè)計(jì)的過(guò)程控制系統(tǒng)應(yīng)該包含產(chǎn)品質(zhì)量控制、物料或能量控制、限制條件控制等，以全局的設(shè)計(jì)方法來(lái)正確處理整個(gè)系統(tǒng)的布局，

3、統(tǒng)籌兼顧。8/12/20224一、系統(tǒng)分析3控制方案 （2）過(guò)程特性：過(guò)程控制系統(tǒng)的品質(zhì)是由組成系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)和各個(gè)環(huán)節(jié)的特性所決定的。其中過(guò)程檢測(cè)控制儀表的特性在設(shè)計(jì)制造時(shí)就已人為確定，調(diào)節(jié)器的特性可隨意調(diào)整，以滿(mǎn)足不同被控過(guò)程和控制的要求，而被控過(guò)程的類(lèi)型及其特性比較復(fù)雜，在設(shè)計(jì)過(guò)程控制系統(tǒng)時(shí)必須加以深入研究。由于過(guò)程特性不同，過(guò)程控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)應(yīng)適應(yīng)這些不同特點(diǎn)，以確定控制方案與調(diào)節(jié)器的設(shè)計(jì)或選型，以及調(diào)節(jié)器參數(shù)的整定，這些都是以過(guò)程特性為依據(jù)的。要想完全通過(guò)理論計(jì)算進(jìn)行過(guò)程控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)和調(diào)節(jié)器參數(shù)整定是不可能的。所以，必須深入了解生產(chǎn)工藝情況，結(jié)合控制要求，根據(jù)過(guò)程特性、擾動(dòng)情況以及限制條件

4、等運(yùn)用控制理論和控制技術(shù)才能設(shè)計(jì)一個(gè)工藝上合理的正確控制方案。8/12/20225一、系統(tǒng)分析3基本方法過(guò)程控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)方法很多，例如對(duì)數(shù)頻率法、根軌跡法、系統(tǒng)參數(shù)優(yōu)化設(shè)計(jì)法等。根據(jù)被控過(guò)程特性與技術(shù)要求設(shè)計(jì)過(guò)程控制系統(tǒng)時(shí)，需要進(jìn)行大量的調(diào)查研究和分析計(jì)算，考慮的問(wèn)題是多方面的。設(shè)計(jì)工作既要運(yùn)用控制理論和控制技術(shù)，也要重視實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)，還要配合許多局部和整體的系統(tǒng)仿真。過(guò)程控制系統(tǒng)是由被控過(guò)程和執(zhí)行器、控制器、變送器等部分組成，所以系統(tǒng)設(shè)計(jì)時(shí)必須從整體出發(fā)進(jìn)行考慮。在很多場(chǎng)合，先給定被控過(guò)程，然后再進(jìn)行系統(tǒng)其它部分設(shè)計(jì)，即過(guò)程模型是已知的，要求設(shè)計(jì)系統(tǒng)的其他部分。系統(tǒng)控制方案的設(shè)計(jì)和調(diào)節(jié)器參數(shù)的

5、整定是過(guò)程控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)的兩個(gè)重要內(nèi)容。工程設(shè)計(jì)者應(yīng)根據(jù)被控過(guò)程的特性和對(duì)過(guò)程控制系統(tǒng)的各項(xiàng)技術(shù)分析，從全局出發(fā)選擇合理的控制方案，通常采用反饋控制和復(fù)合控制；然后確定系統(tǒng)各部分的控制參數(shù)大??；最后進(jìn)行調(diào)節(jié)器參數(shù)整定。在系統(tǒng)設(shè)計(jì)中，通常包括綜合法和試探法，在開(kāi)始進(jìn)行設(shè)計(jì)階段，首先應(yīng)熟悉技術(shù)要求或性能指標(biāo)，了解被控過(guò)程和過(guò)程檢測(cè)控制儀表的動(dòng)態(tài)性能，應(yīng)用綜合方法建立系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型；一旦設(shè)計(jì)問(wèn)題可用數(shù)學(xué)模型表示，就可進(jìn)行仿真，并應(yīng)用最佳控制理論得出系統(tǒng)性能指標(biāo)的上限；最后，對(duì)設(shè)計(jì)出來(lái)的系統(tǒng)在各種信號(hào)和擾動(dòng)作用下進(jìn)行響應(yīng)測(cè)試，若系統(tǒng)性能指標(biāo)不能令人滿(mǎn)意，則必須進(jìn)行再設(shè)計(jì)，直到獲得滿(mǎn)意的性能指標(biāo)為止。這樣

6、，一個(gè)物理系統(tǒng)就產(chǎn)生了。此外，還需進(jìn)行反復(fù)試探測(cè)試實(shí)驗(yàn)，直到獲得滿(mǎn)意的性能指標(biāo)要求為止。 8/12/20226一、系統(tǒng)分析4設(shè)計(jì)步驟過(guò)程控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)，從設(shè)計(jì)任務(wù)提出到系統(tǒng)投入運(yùn)行，是一個(gè)從理論設(shè)計(jì)到實(shí)踐，再?gòu)膶?shí)踐到理論設(shè)計(jì)的多次反復(fù)過(guò)程，必須的幾個(gè)步驟：（1）建立對(duì)象的數(shù)學(xué)模型被控過(guò)程的數(shù)學(xué)模型是控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)，在過(guò)程控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)中，首先要解決如何用恰當(dāng)?shù)臄?shù)學(xué)關(guān)系式（或方程式）即所謂數(shù)學(xué)模型來(lái)描述被控過(guò)程的特性。只有掌握了過(guò)程的數(shù)學(xué)模型（或深入了解過(guò)程特性），才能深入分析過(guò)程的特性和精確設(shè)計(jì)控制器。（2）選擇控制方案根據(jù)設(shè)計(jì)任務(wù)和技術(shù)指標(biāo)要求，經(jīng)過(guò)調(diào)查研究，考慮經(jīng)濟(jì)效益和技術(shù)實(shí)施的可行性，

7、選擇合理的控制方案。（3）建立系統(tǒng)方框圖根據(jù)系統(tǒng)的內(nèi)在機(jī)理，畫(huà)出系統(tǒng)方框圖。（4）進(jìn)行系統(tǒng)靜態(tài)、動(dòng)態(tài)特性分析計(jì)算過(guò)程控制系統(tǒng)方案確定后，根據(jù)系統(tǒng)的質(zhì)量指標(biāo)，應(yīng)用控制理論進(jìn)行系統(tǒng)靜態(tài)、動(dòng)態(tài)特性分析計(jì)算，判定系統(tǒng)的穩(wěn)定性、過(guò)渡特性等。（5）實(shí)驗(yàn)和仿真實(shí)驗(yàn)和仿真是檢驗(yàn)系統(tǒng)設(shè)計(jì)正確與否的重要手段。有些在系統(tǒng)設(shè)計(jì)過(guò)程中難以考慮的因素，可以在實(shí)驗(yàn)中考慮，同時(shí)通過(guò)實(shí)驗(yàn)可以檢驗(yàn)系統(tǒng)設(shè)計(jì)的正確性，以及系統(tǒng)的性能。（6）系統(tǒng)投運(yùn)根據(jù)設(shè)計(jì)所選定的控制器的相關(guān)參數(shù)，使整個(gè)系統(tǒng)投入運(yùn)行，觀察其運(yùn)行狀況。8/12/20227一、系統(tǒng)分析5主要內(nèi)容過(guò)程控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)包括方案設(shè)計(jì)、工程設(shè)計(jì)、工程安裝和儀表調(diào)校、調(diào)節(jié)器參數(shù)整定等

8、四個(gè)主要內(nèi)容。1）控制方案設(shè)計(jì)是系統(tǒng)設(shè)計(jì)的核心。若控制方案設(shè)計(jì)不正確，則無(wú)論選用何種先進(jìn)的過(guò)程控制儀表，其安裝如何細(xì)心，都不可能使系統(tǒng)在工業(yè)生產(chǎn)過(guò)程中發(fā)揮作用，甚至系統(tǒng)不能運(yùn)行。2）工程設(shè)計(jì)是在控制方案正確設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)上進(jìn)行的。它包括儀表選型、控制室和儀表盤(pán)設(shè)計(jì)、儀表供電供氣系統(tǒng)設(shè)計(jì)、信號(hào)及聯(lián)鎖保護(hù)系統(tǒng)設(shè)計(jì)等。3）過(guò)程控制系統(tǒng)的正確安裝是保證系統(tǒng)正常運(yùn)行的前提。系統(tǒng)安裝完，還要對(duì)每臺(tái)儀表進(jìn)行單校和每個(gè)控制回路進(jìn)行聯(lián)校。4）在控制方案設(shè)計(jì)正確的前提下，調(diào)節(jié)器參數(shù)整定是系統(tǒng)運(yùn)行在最佳狀態(tài)的重要保證，是過(guò)程控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)的重要環(huán)節(jié)之一。8/12/20228一、系統(tǒng)分析6若干問(wèn)題在進(jìn)行過(guò)程控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)時(shí)，

9、要針對(duì)工程，對(duì)下列問(wèn)題作合理考慮與正確處理。（1）測(cè)量信號(hào)校正在檢測(cè)某些過(guò)程參數(shù)時(shí)，其測(cè)量值往往要受到其他一些參數(shù)的影響，為了保證其測(cè)量精度，必須考慮測(cè)量信號(hào)的校正問(wèn)題。（2）測(cè)量信號(hào)噪聲（擾動(dòng)）的抑制 在測(cè)量某些參數(shù)時(shí)，由于其物理或化學(xué)特性，常常具有隨機(jī)波動(dòng)特性。若測(cè)量、變送器的阻尼較小時(shí)，其噪聲會(huì)疊加于測(cè)量信號(hào)之上，影響系統(tǒng)的控制質(zhì)量，所以應(yīng)考慮對(duì)其加以抑制。有些測(cè)量元件本身具有一定的阻尼作用，測(cè)量信號(hào)的噪聲基本上被抑制，如用熱電偶或熱電阻測(cè)溫時(shí)，由于其本身的慣性作用，測(cè)量信號(hào)的噪聲受到抑制。（3）對(duì)測(cè)量信號(hào)進(jìn)行線性處理在檢測(cè)某些過(guò)程參數(shù)時(shí)，測(cè)量信號(hào)與被測(cè)參數(shù)之間成非線性關(guān)系。是否要進(jìn)行線

10、性化處理，具體問(wèn)題要作具體分析。測(cè)量信號(hào)的非線性特性，一般是由測(cè)量元件所致，通常線性化措施在變送器內(nèi)考慮。如熱電偶測(cè)溫時(shí)，熱電勢(shì)與溫度是非線性的。當(dāng)熱電偶配用DDZ-型溫度變送器時(shí)，其輸出信號(hào)就已經(jīng)線性化了，即變送器的輸出電流與溫度成線性關(guān)系。（4）系統(tǒng)安全保護(hù)對(duì)策 系統(tǒng)運(yùn)行的環(huán)境條件是過(guò)程控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)時(shí)必須考慮和解決的重要問(wèn)題。在某些工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)的危險(xiǎn)環(huán)境條件下，為了提高系統(tǒng)的運(yùn)行周期，保證系統(tǒng)的正常工作，除了加強(qiáng)日常的維護(hù)措施外，進(jìn)行系統(tǒng)設(shè)計(jì)時(shí)還必須采取相應(yīng)的安全保護(hù)對(duì)策，如采用系統(tǒng)可靠性設(shè)計(jì)，選用防腐、防爆結(jié)構(gòu)材料的儀器、儀表及裝置等。8/12/20229二、單回路系統(tǒng)設(shè)計(jì)本節(jié)將根據(jù)被控過(guò)程

11、特性，應(yīng)用控制理論、控制技術(shù)和過(guò)程檢測(cè)控制儀表知識(shí)，具體對(duì)過(guò)程控制系統(tǒng)方案進(jìn)行分析和設(shè)計(jì)。對(duì)于過(guò)程控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)和應(yīng)用來(lái)說(shuō)，控制方案的設(shè)計(jì)是核心，是極其重要的。設(shè)計(jì)基本原則，包括合理選擇被控參數(shù)和控制參數(shù)、信息的獲取和變送、調(diào)節(jié)閥的選擇、調(diào)節(jié)器控制規(guī)律及其正、反作用方式的確定等。8/12/202210二、單回路系統(tǒng)設(shè)計(jì)（一）被控參數(shù)的選擇選取被控參數(shù)的一般原則為：1）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)。2）當(dāng)不能用直接參數(shù)作為被控參數(shù)時(shí)，應(yīng)該選擇一個(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)。3）被控參數(shù)必須具有足夠大的靈敏

12、度。4）被控參數(shù)的選取，必須考慮工藝過(guò)程的合理性和所用儀表的性能。8/12/202211二、單回路系統(tǒng)設(shè)計(jì)（二）控制參數(shù)的選擇控制作用是由控制通道對(duì)過(guò)程的被控參數(shù)起主導(dǎo)影響，抵消擾動(dòng)影響，以使被控參數(shù)盡力維持在給定值。擾動(dòng)作用是由擾動(dòng)通道對(duì)過(guò)程的被控參數(shù)產(chǎn)生影響，力圖使被控參數(shù)偏離給定值。在分析與設(shè)計(jì)控制回路時(shí)，要深入研究過(guò)程的特性，認(rèn)真分析各種擾動(dòng)，正確選擇控制參數(shù)。被控制參數(shù)=多個(gè)控制參數(shù)一般希望控制通道克服擾動(dòng)的校正能力要強(qiáng)，動(dòng)態(tài)響應(yīng)應(yīng)比擾動(dòng)通道快。通過(guò)正確選擇控制參數(shù)，構(gòu)成一個(gè)控制性能良好的過(guò)程控制系統(tǒng)，可有效的克服擾動(dòng)的影響。因此，下面就從研究過(guò)程特性對(duì)控制質(zhì)量的影響入手，討論選擇控

13、制參數(shù)的一般原則。在正確選擇控制參數(shù)后，就要決定構(gòu)成一個(gè)什么樣的控制回路。因此，還要正確選擇調(diào)節(jié)規(guī)律和調(diào)節(jié)閥的特性。正確確定控制通道的問(wèn)題。8/12/202212二、單回路系統(tǒng)設(shè)計(jì)（二）控制參數(shù)的選擇1過(guò)程靜態(tài)特性分析（擾動(dòng)） 設(shè)：被控量Y(s)對(duì)擾動(dòng)F(s)的閉環(huán)傳遞函數(shù)為由于系統(tǒng)是穩(wěn)定的，階躍擾動(dòng)作用下，系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)值可應(yīng)用終值定理求得 結(jié)論：Y()=越小越好KfKo8/12/202213二、單回路系統(tǒng)設(shè)計(jì)（二）控制參數(shù)的選擇1過(guò)程動(dòng)態(tài)特性分析（擾動(dòng)）Tf 時(shí)間常數(shù)的影響：當(dāng)x(s)=0時(shí)，則系統(tǒng)的閉環(huán)傳遞函數(shù)為： 設(shè)wf(s)為一個(gè)單容過(guò)程，其傳遞函數(shù)為：特征方程為：8/12/202214二

14、、單回路系統(tǒng)設(shè)計(jì)（二）控制參數(shù)的選擇1過(guò)程動(dòng)態(tài)特性分析（擾動(dòng)）Tf 時(shí)間常數(shù)的影響：討論：系統(tǒng)特征方程式中增加了一個(gè)極點(diǎn)（-1/Tf）隨著時(shí)間常數(shù)Tf的增大，極點(diǎn)將向jw軸靠近,使整個(gè)過(guò)渡過(guò)程的幅值減小Tf倍，從而使其超調(diào)量隨著的增大而減小，提高了系統(tǒng)的控制質(zhì)量。擾動(dòng)通道的時(shí)間常數(shù)愈大，容積愈多，則擾動(dòng)對(duì)被控參數(shù)的影響也愈小，控制質(zhì)量也愈好。 8/12/202215二、單回路系統(tǒng)設(shè)計(jì)（二）控制參數(shù)的選擇1過(guò)程動(dòng)態(tài)特性分析（擾動(dòng)）時(shí)延的影響 ：當(dāng)擾動(dòng)通道有時(shí)延時(shí)，在擾動(dòng)作用下系統(tǒng)的閉環(huán)傳遞函數(shù)為:特征方程為：與原方程相同，所以說(shuō)擾動(dòng)通道的時(shí)延不影響系統(tǒng)的控制質(zhì)量，僅使系統(tǒng)響應(yīng)曲線推遲了一個(gè)時(shí)延

15、。討論： 對(duì)系統(tǒng)不影響 8/12/202216二、單回路系統(tǒng)設(shè)計(jì)（二）控制參數(shù)的選擇1過(guò)程動(dòng)態(tài)特性分析（擾動(dòng)）擾動(dòng)作用點(diǎn)位置 ：擾動(dòng)引入系統(tǒng)位置不同，則對(duì)被控參數(shù)影響也不同。設(shè)：擾動(dòng)f1、f2、f3由三處分別引入系統(tǒng) 設(shè)三只水箱均為一階慣性環(huán)節(jié)，它對(duì)擾動(dòng) 起著濾波作用，所以當(dāng)擾動(dòng)引入系統(tǒng)的位置離被控參數(shù)愈近時(shí)，則對(duì)其影響愈大；相反，當(dāng)擾動(dòng)離被控參數(shù)愈遠(yuǎn)（即離調(diào)節(jié)閥愈近）時(shí)，則對(duì)其影響愈小。 8/12/202217二、單回路系統(tǒng)設(shè)計(jì)（二）控制參數(shù)的選擇（2）過(guò)程通道動(dòng)態(tài)特性(控制) 可控性指標(biāo)：一個(gè)被控參數(shù)幾個(gè)控制參數(shù)各種通道各種控制方案。在過(guò)程控制中有各種簡(jiǎn)單和復(fù)雜的控制方案，除控制精度不同外

16、，主要是由“過(guò)程可控性”的差異引起。比較法，比較法通常采用相同模式的調(diào)節(jié)器，并分別將調(diào)節(jié)器參數(shù)整定到最佳，然后在相同擾動(dòng)作用下，比較它們的過(guò)渡過(guò)程。決定系統(tǒng)控制過(guò)程情況的因素大體可歸結(jié)為K和 ，即k愈大，則余差愈?。欢?，則過(guò)渡過(guò)程進(jìn)行得愈快。 對(duì)于同一個(gè)被控過(guò)程，如果采用不同類(lèi)型的調(diào)節(jié)器，在最佳整定的情況下， K和是不同的。但是它們的大小都主要決定于該系統(tǒng)的最大增益Kmax和臨界頻率 c（即在純比例作用時(shí)，系統(tǒng)處于穩(wěn)定邊界下的增益和振蕩頻率）。 Kmax和臨界頻率 c反映了過(guò)程的動(dòng)態(tài)特性，在一定程度上代表了被控過(guò)程的控制性能。所以， Kmax和臨界頻率 c稱(chēng)為衡量被控過(guò)程進(jìn)行控制的難易程度

17、的指標(biāo)，即可控性指標(biāo)。8/12/202218二、單回路系統(tǒng)設(shè)計(jì)（二）控制參數(shù)的選擇（2）過(guò)程通道動(dòng)態(tài)特性(控制) 可控性指標(biāo)：Kmax和臨界頻率 c計(jì)算方法產(chǎn)生臨界振蕩需要兩個(gè)條件：系統(tǒng)開(kāi)環(huán)對(duì)數(shù)幅頻特性的振幅比為1Kmax；系統(tǒng)開(kāi)環(huán)對(duì)數(shù)相頻特性的相角為-180 c 。8/12/202219二、單回路系統(tǒng)設(shè)計(jì)（二）控制參數(shù)的選擇（2）過(guò)程通道動(dòng)態(tài)特性(控制)控制通道的影響 ：討論：控制通道中時(shí)間常數(shù)大、階數(shù)高、有純時(shí)延環(huán)節(jié)都將使過(guò)程的可控性指標(biāo)大為減小。結(jié)論：在選擇控制參數(shù)時(shí)，選擇時(shí)間常數(shù)較小、反應(yīng)靈敏的、純時(shí)延小的通道作為控制通道。 8/12/202220二、單回路系統(tǒng)設(shè)計(jì)（二）控制參數(shù)的選擇

18、（2）過(guò)程通道動(dòng)態(tài)特性(控制)控制通道的影響 ：討論：在系統(tǒng)設(shè)計(jì)時(shí)，要求控制通道時(shí)間常數(shù)適當(dāng)小一點(diǎn)，使其校正及時(shí)，又能獲得較好的控制質(zhì)量?？刂仆ǖ赖臅r(shí)延包括純時(shí)延和容量時(shí)延兩種。它們對(duì)控制質(zhì)量的影響不利，尤其是的影響最壞。 8/12/202221二、單回路系統(tǒng)設(shè)計(jì)（二）控制參數(shù)的選擇（2）過(guò)程通道動(dòng)態(tài)特性(控制)過(guò)程時(shí)間常數(shù)的匹配：設(shè)廣義過(guò)程的傳遞函數(shù)為:設(shè)T110s，T2=5s，T3=2s。每次改變其中一個(gè)或兩個(gè)時(shí)間常數(shù)可求得一組Kmax、c和Kmax*c值? 8/12/202222二、單回路系統(tǒng)設(shè)計(jì)（二）控制參數(shù)的選擇（2）過(guò)程通道動(dòng)態(tài)特性(控制)過(guò)程時(shí)間常數(shù)的匹配：8/12/202223

19、二、單回路系統(tǒng)設(shè)計(jì)（二）控制參數(shù)的選擇（2）過(guò)程通道動(dòng)態(tài)特性(控制)過(guò)程時(shí)間常數(shù)的匹配：討論：在選擇控制通道時(shí)，使廣義過(guò)程特性中的幾個(gè)時(shí)間常數(shù)數(shù)值錯(cuò)開(kāi)，減小中間的時(shí)間常數(shù)，可提高系統(tǒng)的工作頻率；減小過(guò)渡過(guò)程時(shí)間和最大偏差等，以提高可控性指標(biāo)，改善控制質(zhì)量。在實(shí)際生產(chǎn)過(guò)程中，若過(guò)程存在多個(gè)時(shí)間常數(shù)，則最大的時(shí)間常數(shù)往往涉及生產(chǎn)工藝設(shè)備的核心，通常取決于產(chǎn)品生產(chǎn)規(guī)模，不能輕易改動(dòng)。但是減小第二、三個(gè)時(shí)間常數(shù)是比較容易實(shí)現(xiàn)的。例如在溫度控制系統(tǒng)中，廣義過(guò)程包括測(cè)溫元件的時(shí)間常數(shù)，有時(shí)它處于第二、三位，采用快速熱電偶，可以減小這個(gè)時(shí)間常數(shù)，提高控制質(zhì)量。所以，將幾個(gè)時(shí)間常數(shù)錯(cuò)開(kāi)原則可以指導(dǎo)選擇廣義過(guò)程

20、的控制通道。 8/12/202224二、單回路系統(tǒng)設(shè)計(jì)（二）控制參數(shù)的選擇（3）過(guò)程特性選擇控制參數(shù)原則根據(jù)過(guò)程特性來(lái)分析和設(shè)計(jì)單回路控制系統(tǒng)時(shí)，選擇控制參數(shù)的一般原則是：選擇過(guò)程控制通道的放大系數(shù)要適當(dāng)大一些；時(shí)間常數(shù)要適當(dāng)小一些；純時(shí)延0 愈小愈好，在有純時(shí)延的情況下， 0與T0之比應(yīng)小一些（小于1），若其比值過(guò)大，則不利于控制。選擇過(guò)程擾動(dòng)通道的放大系數(shù)要盡可能??；時(shí)間常數(shù)要大；擾動(dòng)引入系統(tǒng)的位置要遠(yuǎn)離控制過(guò)程（即靠近調(diào)節(jié)閥）；容量時(shí)延愈大，則有利于控制。廣義過(guò)程（包括調(diào)節(jié)閥和測(cè)量變送器）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)

21、大得多，同時(shí)注意減小第二、第三個(gè)時(shí)間常數(shù)。注意工藝操作的合理性、經(jīng)濟(jì)性。8/12/202225二、單回路系統(tǒng)設(shè)計(jì)（三）測(cè)量變送設(shè)：測(cè)量變送環(huán)節(jié)一階加時(shí)延特性來(lái)描述：討論：由于測(cè)量變送器的時(shí)間常數(shù)引起的動(dòng)態(tài)誤差是很大的。 儀表還有其本身的誤差 。Km大小對(duì)系統(tǒng)影響。一次儀表的安裝不當(dāng)亦會(huì)引入測(cè)量誤差選擇：為了提高精度，減小測(cè)量的動(dòng)態(tài)誤差應(yīng)選擇快速測(cè)量?jī)x表需注意儀表的正確安裝等 8/12/202226二、單回路系統(tǒng)設(shè)計(jì)（三）測(cè)量變送1信號(hào)濾波：在有些工業(yè)生產(chǎn)過(guò)程中，例如用差壓式流量變送器測(cè)量流量，有些容器的液位會(huì)有劇烈波動(dòng)，引起測(cè)量變送器的輸出波動(dòng)不息；又如用彈性壓力表測(cè)量脈動(dòng)壓力時(shí)，會(huì)使儀表指針

22、跳動(dòng)不停等，這些都是隨機(jī)干擾，或稱(chēng)噪音。對(duì)此必須進(jìn)行濾波。通常可采用模擬濾波，如用RC電路進(jìn)行；對(duì)于計(jì)算機(jī)控制，可用數(shù)字濾波。對(duì)于低頻干擾信號(hào)可采用高通濾波器；對(duì)于高頻干擾信號(hào)，可采用低通濾波器；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。2信號(hào)處理測(cè)量信號(hào)的處理包括線性化和開(kāi)平方等，這已在過(guò)程控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)概述一節(jié)中作了介紹，故不再贅述。8/12/202227二、單回路系統(tǒng)設(shè)計(jì)（三）測(cè)量變送3純時(shí)延問(wèn)題在過(guò)程控制中，測(cè)量溫度、成分等被控參數(shù)時(shí)，由于測(cè)量元件安裝位置不當(dāng)及測(cè)量?jī)x表本身不可避免將產(chǎn)生純時(shí)延，為消除對(duì)系統(tǒng)性能指標(biāo)的可能影響，可專(zhuān)門(mén)設(shè)計(jì)某種補(bǔ)償環(huán)節(jié)，以改善其控制品質(zhì)。8/12/2

23、02228二、單回路系統(tǒng)設(shè)計(jì)（三）測(cè)量變送3純時(shí)延問(wèn)題當(dāng)控制通道出現(xiàn)純時(shí)延時(shí)，可設(shè)計(jì)一種補(bǔ)償環(huán)節(jié)，使之具有如下特性：所以要實(shí)現(xiàn)這一純時(shí)延補(bǔ)償環(huán)節(jié)，需設(shè)計(jì)一種線路，若采用常用儀表，則只能用純時(shí)延展開(kāi)式去逼近；若采用計(jì)算機(jī)，就較為方便。8/12/202229二、單回路系統(tǒng)設(shè)計(jì)（三）測(cè)量變送4測(cè)量時(shí)延問(wèn)題測(cè)量時(shí)延主要是由測(cè)量元件本身的特性所造成的。（1）微分環(huán)節(jié)置于變送器后設(shè)：調(diào)節(jié)器Wc(s)=Kc；過(guò)程Wo(s)=Ko/(1+ToS) ；測(cè)量變送器 Wm(s)= Km/(1+TmS)則 :兩式分子不同，動(dòng)態(tài)幅值也不同.測(cè)量元件的時(shí)延將導(dǎo)致系統(tǒng)品質(zhì)惡化，為克服其不良影響，在系統(tǒng)設(shè)計(jì)中，可選用快速測(cè)量

24、元件.一般選其時(shí)間常數(shù)為控制通道時(shí)間常數(shù)的以下為宜；也可在變送器的輸出端，串一微分環(huán)節(jié). 8/12/202230二、單回路系統(tǒng)設(shè)計(jì)（三）測(cè)量變送4測(cè)量時(shí)延問(wèn)題設(shè)：Tm=Td可以消除動(dòng)態(tài)誤差微分單元置于變送器之后時(shí)，有 8/12/202231二、單回路系統(tǒng)設(shè)計(jì)（三）測(cè)量變送4測(cè)量時(shí)延問(wèn)題（2）微分環(huán)節(jié)置于控制器后可見(jiàn)兩式完全相同。 8/12/202232二、單回路系統(tǒng)設(shè)計(jì)（三）測(cè)量變送4測(cè)量時(shí)延問(wèn)題（2）微分環(huán)節(jié)置于控制器后當(dāng)變動(dòng)給定值時(shí) ：當(dāng)微分單元置于變送器之后時(shí)，有當(dāng)微分單元置于控制器之后時(shí)，有注意：1、其分母完全相同，2、分子多了一個(gè)微分環(huán)節(jié)引入的零點(diǎn)，則起了加強(qiáng)其動(dòng)態(tài)響應(yīng)作用的效果。3

25、、在工程上，把微分單元置于調(diào)節(jié)器之后，就具有變動(dòng)給定值時(shí)加強(qiáng)其動(dòng)態(tài)響應(yīng)的作用，較快地達(dá)到跟蹤的目的。 8/12/202233二、單回路系統(tǒng)設(shè)計(jì)（三）測(cè)量變送5信號(hào)傳送時(shí)延問(wèn)題氣動(dòng)傳輸管道的特性可表示為 ：信號(hào)傳遞時(shí)延將降低控制質(zhì)量?？刹扇∫韵赂纳拼胧喝魷y(cè)量信號(hào)為電信號(hào)，可將轉(zhuǎn)換器安裝在儀表盤(pán)附近，以縮短氣壓信號(hào)的傳送距離。若調(diào)節(jié)器輸出為氣壓信號(hào)，可在5060m距離間，裝一繼動(dòng)器，提高氣壓信號(hào)的傳輸功率，以減小傳遞時(shí)間。若調(diào)節(jié)器輸出為電信號(hào)，應(yīng)將轉(zhuǎn)換器安裝在調(diào)節(jié)閥附近，或采用電氣閥門(mén)定位器。 8/12/202234二、單回路系統(tǒng)設(shè)計(jì)（四）執(zhí)行器選擇 調(diào)節(jié)閥是過(guò)程控制系統(tǒng)的一個(gè)重要組成部分，在系

26、統(tǒng)設(shè)計(jì)時(shí):應(yīng)根據(jù)生產(chǎn)過(guò)程的特點(diǎn)、被控介質(zhì)的情況（如高溫、高壓、劇毒、易燃易爆、易結(jié)晶、強(qiáng)腐蝕、高粘度等）、安全運(yùn)行和推力等，選用氣動(dòng)執(zhí)行器或電動(dòng)執(zhí)行器。按生產(chǎn)安全原則，選取氣開(kāi)或氣關(guān)式。根據(jù)被控過(guò)程的特性、負(fù)荷變化的情況以及調(diào)節(jié)閥在管道中的安裝方式等，選擇適當(dāng)?shù)牧髁刻匦浴Ｔ谶^(guò)程控制中，使用最多的是氣動(dòng)執(zhí)行器，其次是電動(dòng)執(zhí)行器。（參照第五章）8/12/202235二、單回路系統(tǒng)設(shè)計(jì)（五）控制器選擇據(jù)被控過(guò)程的特性（如自衡性、容量與時(shí)延大小、負(fù)荷變化與擾動(dòng)情況等）與生產(chǎn)工藝要求，合理選擇控制器的控制規(guī)律。1對(duì)象特征對(duì)控制規(guī)律的影響選擇控制器規(guī)律應(yīng)根據(jù)對(duì)象特性、負(fù)荷變化、主要擾動(dòng)和系統(tǒng)控制要求等，同

27、時(shí)還應(yīng)考慮系統(tǒng)的經(jīng)濟(jì)性及系統(tǒng)投入等。 廣義對(duì)象控制通道時(shí)間常數(shù)較大或容量遲延較大時(shí)，應(yīng)引入微分動(dòng)作。如工藝容許有殘差，可選用比例微分動(dòng)作；如工藝要求無(wú)殘差時(shí)，則選用比例積分微分動(dòng)作。如溫度、成分、PH值控制等。 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)殘差時(shí)，可選擇比例積分動(dòng)作。如管道壓力和流量的控制。 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)，可選擇比例動(dòng)作。如貯罐壓力、液位的控制。 當(dāng)廣義對(duì)象控制通道時(shí)間常數(shù)或容量遲延很大。負(fù)荷變化亦很大時(shí)，簡(jiǎn)單控制系統(tǒng)已不能滿(mǎn)足要求，應(yīng)設(shè)計(jì)復(fù)雜控制系統(tǒng)。 8/12/202236二、單回路系統(tǒng)設(shè)計(jì)（五）控制器選擇2控制

28、器控制規(guī)律的選擇（1）依據(jù)對(duì)象特征參數(shù)選擇設(shè)：被控對(duì)象傳遞函數(shù)近似為： 則可根據(jù)對(duì)象的延時(shí)時(shí)間和對(duì)象自衡時(shí)間常數(shù)的比值（0/T0）選擇控制器的控制規(guī)律： （0/T0） 0.2時(shí)，選擇比例或比例積分控制器； 當(dāng)0.2 1.0時(shí)，采用簡(jiǎn)單控制系統(tǒng)往往不能滿(mǎn)足控制要求，應(yīng)選用如串級(jí)、前饋、預(yù)測(cè)控制等復(fù)雜控制系統(tǒng)。= 8/12/202237二、單回路系統(tǒng)設(shè)計(jì)（五）控制器選擇2控制器控制規(guī)律的選擇（2）依據(jù)過(guò)程特性選擇 （據(jù)過(guò)程的特性和控制器的控制特征）： 比例控制器：比例控制器適用于過(guò)程通道容量較大，純延時(shí)時(shí)間較小，負(fù)荷變化不大，工藝要求不高的場(chǎng)合。一般情況下控制質(zhì)量較高，有余差的場(chǎng)合都可以使用，其適

29、用范圍比較廣。 比例積分控制器：比例積分控制器適用于過(guò)程容量較小，負(fù)荷變化較大，工藝要求無(wú)余差的場(chǎng)合。過(guò)程的延時(shí)時(shí)間較大時(shí)不能選擇比例積分控制器，否則容易引起系統(tǒng)震蕩。 比例微分控制器：比例微分控制器適用于過(guò)程容量較大，有延時(shí)的場(chǎng)合。對(duì)于過(guò)程擾動(dòng)頻繁的系統(tǒng)微分作用可導(dǎo)致系統(tǒng)震蕩。 比例積分微分控制器：比例積分微分控制器是一種理想的控制器，適用于不同的過(guò)程特性。當(dāng)要求控制質(zhì)量較高時(shí)，可選用比例積分微分控制器。 8/12/202238二、單回路系統(tǒng)設(shè)計(jì)（六）調(diào)節(jié)器正、反作用確定1廣義過(guò)程的正、反作用的確定控制器有正作用和反作用兩種形式，其作用形式取決于被控制過(guò)程、執(zhí)行器、變送器等相關(guān)部分的作用形式

30、。過(guò)程控制系統(tǒng)中相關(guān)部分的作用形式取決于各部分的靜態(tài)放大系數(shù)，圖8-13過(guò)程控制系統(tǒng)要能夠正常工作，則組成系統(tǒng)的各個(gè)環(huán)節(jié)的靜態(tài)系數(shù)相乘必須為負(fù)。8/12/202239二、單回路系統(tǒng)設(shè)計(jì)（六）調(diào)節(jié)器正、反作用確定1廣義過(guò)程的正、反作用的確定Kc*Km*Kv*Ko 0。（1）對(duì)象的正反作用形式對(duì)象正作用：對(duì)象的輸入量增加（或者減少），其輸出量亦增加（或者減少），Ko0；對(duì)象反作用：對(duì)象的輸入量增加（或者減少），其輸出量亦減少（或者增加）， Ko0 。執(zhí)行器反作用：執(zhí)行器（調(diào)節(jié)閥）是氣關(guān)式， Kv0 。控制器反作用：控制器測(cè)量值增加（或者減少），其輸出量亦減少（或者增加）， Kc0 。8/12/20

31、2240二、單回路系統(tǒng)設(shè)計(jì)（六）調(diào)節(jié)器正、反作用確定2控制器作用形式的確定（1）確定原則確定原則：過(guò)程內(nèi)部各個(gè)環(huán)節(jié)的靜態(tài)系數(shù)相乘為負(fù)。即Kc*Km*Kv*Ko 0計(jì)算Kc正反作用形式。（2）確定步驟控制器正反形式確定的步驟：根據(jù)工藝安全確定執(zhí)行器（調(diào)節(jié)閥）的氣開(kāi)、氣關(guān)形式，從而確定Kv；根據(jù)過(guò)程特性確定對(duì)象的正反形式，確定Ko；根據(jù)確定原則確定控制器的正、反作用形式。8/12/202241三、單回路系統(tǒng)整定系統(tǒng)整定，一般是指選擇調(diào)節(jié)器的比例度、積分時(shí)間 Ti和微分時(shí)間Td的具體數(shù)值。系統(tǒng)整定的實(shí)質(zhì)，就是通過(guò)改變控制參數(shù)，使調(diào)節(jié)器特性和被控過(guò)程特性配合好，以改善系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)和靜態(tài)特性，求得最佳的控制效果。調(diào)節(jié)器參數(shù)整定的方法很多，可分為三類(lèi)：一是理論計(jì)算整定法；二是工程整定法；三是計(jì)算機(jī)仿真尋優(yōu)整定法。理論計(jì)算整定法由于過(guò)分依賴(lài)過(guò)程的數(shù)學(xué)模型，而在建立數(shù)學(xué)模型時(shí)忽略了許多次要因素，過(guò)程模型的精確度不高，計(jì)算所得數(shù)據(jù)不可靠。而且計(jì)算繁瑣，工作量很大，因此工程上很少用。工程整定法直接在控制系統(tǒng)中進(jìn)行，且方法簡(jiǎn)單、實(shí)用，易于掌握，在工程實(shí)際中被廣泛應(yīng)用。計(jì)算機(jī)仿真尋優(yōu)整定法利用誤差積分最優(yōu)準(zhǔn)則，通過(guò)計(jì)算機(jī)仿真以求調(diào)節(jié)器的參數(shù)整定達(dá)至最優(yōu)，該整定方法的應(yīng)用越來(lái)越廣泛。8/12/202242三、單回路系統(tǒng)整定（一）、理論計(jì)算整定法根據(jù)根軌跡作圖法選擇調(diào)節(jié)器的參數(shù)，使系統(tǒng)特征方程中對(duì)瞬