第二章過程裝備控制基礎(chǔ)

第2章過程裝備控制工程基礎(chǔ)

教學(xué)要求與學(xué)習(xí)目標(biāo)：1掌握被控對象的數(shù)學(xué)建摸和特性參數(shù)。2掌握單回路控制系統(tǒng)控制方案的設(shè)計。3掌握控制器常用的控制規(guī)律4掌握控制器控制參數(shù)的工程整定。5能根據(jù)系統(tǒng)的特殊要求，設(shè)計合適的復(fù)雜控制系統(tǒng)教學(xué)內(nèi)容:●§2.1被控對象的特性▲§2.2單回路控制系統(tǒng)▲§2.3復(fù)雜控制系統(tǒng)

開始學(xué)習(xí)返回總目錄§2.1被控對象的特性本節(jié)主要內(nèi)容:●§2.1.1被控對象的特性及其描述方法▲§2.1.2被控對象的三大特性參數(shù)——放大系數(shù)K、時間常數(shù)T、滯后時間τ●本節(jié)學(xué)習(xí)要點●本節(jié)思考題及作業(yè)引言▲影響自動控制系統(tǒng)控制質(zhì)量的因素有：⒈被控對象的特性

⒉自動控制裝置的特性⒊組成的自動控制系統(tǒng)⒋控制規(guī)律檢測儀表與傳感器控制器執(zhí)行器被控變量干擾作用y給定值控制器執(zhí)行器對象f測量元件與變送器xe=x－zumz偏差§2.1.1被控對象的特性及其描述方法y—被控變量m—操縱變量f—干擾量◆通道——被控對象的輸入變量至輸出變量之間的信號聯(lián)系◆控制通道：my◆干擾通道：fymyf被控對象圖1對象的輸入、輸出量一通道的含義◆被控對象的特性：是指被控對象輸入變量與輸出變量之間的關(guān)系。即被控對象的輸入量發(fā)生變化時，對象的輸出量隨時間的變化規(guī)律。◆靜態(tài)特性、動態(tài)特性

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

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

（1）一階對象（有自衡特性）------對象在受到干擾時，自身能重新恢復(fù)平衡的特性。A——面積圖2-1有自衡單容液位對象③把輸入變量放在右邊，輸出變量放在左邊，寫成方程的形式②找出中間變量，消去中間變量，找出輸入與輸出變量之間的關(guān)系Q2——

中間變量Rs—出口閥的阻力系數(shù)(2)二階對象h1Q1R1Q12h2R2Q2圖2-5串聯(lián)水槽對象經(jīng)過以上步驟的推導(dǎo)：Pg19◆機理建模的優(yōu)點：理論邏輯性強缺點：對于復(fù)雜的對象，機理分析法很困難；另外，由于作了假設(shè)，有時理論與實際不相符。2實驗測取法（黑匣子法）是在所要研究的對象上，人為施加一定的輸入作用，然后、用儀表測取并記錄表征對象特性的物理量隨時間變化規(guī)律，即得到一系列實驗數(shù)據(jù)或?qū)嶒炃€。然后對這些實驗數(shù)據(jù)或曲線進行必要的數(shù)據(jù)處理，求取對象的特性參數(shù)，進而得到對象的數(shù)學(xué)模型。（1）階躍反應(yīng)曲線法

是當(dāng)對象處于穩(wěn)定狀態(tài)時，在對象的輸入端施加一個幅值已知的階躍擾動，然后測量和記錄輸出變量的數(shù)值，就可以畫出輸出變量隨時間變化的曲線。經(jīng)過一定的處理，就可以得到描述對象特性的幾個參數(shù)（放大倍數(shù)K、時間常數(shù)T、滯后時間）。hQ1Q2Q1tt0Att0h圖2-9水槽的階躍反應(yīng)曲線優(yōu)點：簡單缺點：精度較差（2）矩形脈沖法

是當(dāng)對象處于穩(wěn)定狀態(tài)時，在時間t0突然加一個幅值為A的階躍擾動，到時間t1時突然除去，這時測得輸出變量隨時間變化的曲線為矩形脈沖法曲線。圖2-10矩形脈沖特性曲線優(yōu)點：由于加在對象上的干擾經(jīng)過一段時間后除去，所以干擾的幅值可以取得較大，故精度較高。最常用。xtt0Att0yt1▲§2.1.2被控對象的特性參數(shù)

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

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

②不同通道的放大系數(shù)對控制系統(tǒng)的影響對于控制通道：K大，控制作用強，控制靈敏；K小，控制作用弱。一般希望控制通道K大一些好，但K不能太大，否則會使系統(tǒng)的穩(wěn)定性下降。對于干擾通道：K大對控制不利。一般希望干擾通道K小一些好，◆

當(dāng)對象受到階躍輸入作用后，被控變量如果保持初始速度變化，達到新的穩(wěn)態(tài)值所需的時間?；虍?dāng)對象受到階躍輸入作用后被控變量達到新的穩(wěn)態(tài)值的63.2%所需的時間?！欠从潮豢刈兞孔兓炻膮?shù)，因此T是反映對象動態(tài)特性的參數(shù)。

2時間常數(shù)T

th（∞）T1T2T3T4

0.632h（∞）0圖2-7不同時間常數(shù)的比較◆對于控制通道：T大，被控變量的變化比較緩慢，對象比較平穩(wěn)，容易進行控制，但過渡時間長；T小，被控變量的變化快，不易控制。T太大、太小都不利對于干擾通道：T大、擾動作用比較平緩，被控變量變化較平穩(wěn)，對象容易控制。一般希望干擾通道T大一些好，◆時間常數(shù)的實驗求法：如圖2-7（=0+C）◆傳遞時間0：是輸出變量的變化落后于輸入變量變化的時間。一般由介質(zhì)的輸送或熱的傳遞需要一段時間引起的。例如圖2-8的溶解糟。◆容量滯后C是因為物料或能量的傳遞需要通過一定的阻力引起的。3滯后時間yy（t）y（t）xt圖2-8有、無純滯后的一階階躍響應(yīng)曲線◆對于控制通道：應(yīng)盡量減小

對于干擾通道：

大對控制有利t0yt圖2-6具有容量滯后對象的反應(yīng)曲線C本節(jié)學(xué)習(xí)要點1了解化工對象的特點及其描述方法2掌握對象動態(tài)特性的通道含義3了解對象數(shù)學(xué)模型的建立4掌握表征被控對象特性的三大參數(shù)——放大系數(shù)K、時間常數(shù)T、滯后時間τ的物理意義及其對控制質(zhì)量的影響5掌握被控對象特性的實驗測定方法本節(jié)思考題：Pg63：5本節(jié)作業(yè)：補充題2

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

是指由一個被控對象、一個檢測元件及變送器、一個控制器和一個執(zhí)行器所構(gòu)成的單閉環(huán)控制系統(tǒng)。2單回路控制系統(tǒng)如何表示？用帶控制點的工藝流程圖表示。如圖用方塊圖來表示。

3單回路控制系統(tǒng)的設(shè)計思路

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

給定值xx0偏差e控制器執(zhí)行器對象干擾檢測變送裝置被控變量y－z控制信號u操縱變量m1被控變量:生產(chǎn)過程中希望借助控制系統(tǒng)保持恒定值的工藝參數(shù)。

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

（一）被控變量y如何選擇？例如：塔設(shè)備的精餾過程控制目標(biāo)：使塔頂（塔底）餾出物達到規(guī)定純度被控變量的選擇方案：①組分是工藝上的質(zhì)量指標(biāo)，直接選餾出物的組分。②選間接指標(biāo)：x（組分濃度）、T（溫度）、P（壓力）三者之間有一定的關(guān)系，從工藝的合理性考慮，選溫度作為被控變量，另外從靈敏度方面考慮，溫度的變化靈敏。④被控變量應(yīng)能被測量出來，并具有足夠大的靈敏度.⑤被控變量應(yīng)是獨立可控的。⑥應(yīng)考慮工藝合理性和國內(nèi)儀表產(chǎn)品現(xiàn)狀。2被控變量選擇原則①被控變量應(yīng)能代表一定的工藝操作指標(biāo)或能反映工藝操作狀態(tài),一般都是工藝過程中比較重要的變量.②被控變量在工藝操作過程中經(jīng)常要受到一些干擾影響而變化，因而需要頻繁加以控制的變量。③盡量采用直接指標(biāo)作為被控變量，當(dāng)無法獲得直接控制指標(biāo)信號，或其測量、傳送滯后很大時，可選擇與直接控制指標(biāo)有單值對應(yīng)關(guān)系的間接控制變量。1操縱變量：把用來克服干擾對被控變量的影響，實現(xiàn)控制作用的變量稱為操縱變量（一般為介質(zhì)的流量）.補充圖影響提餾段溫度的各種因素示意圖可控因素不可控因素

可控因素中Q蒸比Q回

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

①

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

小對控制有利。對于干擾通道：

大對控制有利參數(shù)yz(a)tyzt(b)yz(c)t若被控變量y作階躍變化時,測量值z慢慢靠近y,顯然,前一段兩者差距很大若y作遞增變化,而z則一直跟不上去,總存在著偏差若y作周期性變化,z的振蕩幅值將比y減小,而且落后一個相位給定值x0偏差e控制器執(zhí)行器對象干擾f檢測變送裝置被控變量y－z控制信號u操縱變量m1要考慮測量元件時間常數(shù)的影響：T大，對控制不利

（三）檢測變送元件及檢測位置如何選擇？∴①要選T小的測量元件，最好選惰性小的快速測量元件②在控制器中引入微分作用，進行超前補償來克服測量滯后?！鴾y量、變送裝置的作用：是控制系統(tǒng)中獲取信息和傳遞信息的裝置，也是系統(tǒng)進行控制的依據(jù)。要求：準(zhǔn)確、及時反映被控變量的狀況。2要注意測量元件的安裝，盡量減少測量元件純滯后的影響

電極所測得的信號與中和槽內(nèi)溶液的pH值在時間上就延遲了一段時間0,主管道內(nèi)流體的流速副管道內(nèi)流體的流速主管道長度副管道長度圖2-14中和罐內(nèi)PH值的控制系統(tǒng)例:酸槽LCACl2電極l1中和槽ATPH3要盡量減少測量信號和控制信號的傳送滯后●測量信號傳送滯后：是指由現(xiàn)場測量變送裝置的信號傳送到控制室的控制器所引起的滯后。電信號可忽略，氣信號則滯后較大，∴一般氣壓信號管路≤300m，直徑≥6mm。否則，要改為電信號?！窨刂菩盘杺魉蜏螅菏侵赣煽刂剖覂?nèi)控制器的輸出控制信號傳送到現(xiàn)場執(zhí)行器所引起的滯后。一般現(xiàn)場與控制室之間都采用電信號，減少傳送滯后。對于氣動薄膜控制閥，則要加電—氣轉(zhuǎn)換器，將電信號轉(zhuǎn)換信號，以控制氣動控制閥。給定值x0偏差e控制器執(zhí)行器對象干擾f檢測變送裝置被控變量y－z控制信號u操縱變量m小結(jié)：測量元件要正確選用、合理安裝、及時維修，以保證測量元件有足夠的測量精度、較小的時間常數(shù)、盡量減小純滯后和信號傳遞滯后測量信號傳送滯后控制信號傳送滯后（四）執(zhí)行器的選擇給定值x0偏差e控制器執(zhí)行器對象干擾f檢測變送裝置被控變量y－z控制信號u操縱變量m▲執(zhí)行器（控制閥）的作用：接受控制器送來的信號，自動地改變閥門的開度（即改變操縱變量），克服擾動的影響，從而實現(xiàn)生產(chǎn)過程的自動控制。常見的有：氣動薄膜，電動、液動執(zhí)行器▲執(zhí)行器如何選擇？①按照生產(chǎn)過程的特點、安全運行和推動力等選擇閥的類型：氣動薄膜，電動、液動執(zhí)行器②根據(jù)被控變量的大小選擇閥的流通能力；③從生產(chǎn)安全的角度選擇閥的氣開或氣關(guān)形式；④從被控對象的特性、負(fù)荷的變化情況等選擇閥的流量特性。（五）控制器如何選擇？

給定值x0偏差e控制器執(zhí)行器對象干擾f檢測變送裝置被控變量y－z控制信號u操縱變量m▲控制（調(diào)節(jié)）器的作用：將檢測變送信號與工藝上需要保持的設(shè)定值進行比較，得出偏差的大小，根據(jù)偏差的大小及變化趨勢，按照預(yù)先設(shè)定好的控制規(guī)律進行運算后，將運算結(jié)果用特定的信號發(fā)送給執(zhí)行器（控制閥），實現(xiàn)對生產(chǎn)過程的自動控制。控制器的選擇包括兩方面的內(nèi)容：1控制規(guī)律的選擇2正、反作用的確定即：u=f(e)=f（z－x）●常見的控制規(guī)律有：

●控制規(guī)律——指的是控制器的輸出信號（u）與輸入信號（e=z－x）之間的關(guān)系位式比例（P）proportion積分（I）integral微分（D）differential組合（PI、PD、PID）§2.2控制規(guī)律和正、反作用的選擇§2.2.1控制規(guī)律的選擇∴要根據(jù)廣義對象的特性和工藝要求來決定廣義對象給定值x0偏差e控制器執(zhí)行器對象干擾f檢測變送裝置被控變量y－z控制信號u操縱變量m控制器廣義對象干擾－給定值簡單控制系統(tǒng)簡化方塊圖被控變量測量值一位式控制——就是控制器的輸出只有數(shù)個特定的數(shù)值，或它的執(zhí)行機構(gòu)只有數(shù)個特定的位置

①位式控制規(guī)律（開關(guān)控制）：其輸出只有兩個數(shù)值（最大或最?。鄳?yīng)的控制機構(gòu)只有開和關(guān)兩個極限位置。umaxuminue圖2-16理想的雙位控制規(guī)律u（t）=umaxe≥0或e＜0umine＜0或e≥0●理想的雙位控制器控制規(guī)律表達式：例P29：圖2-17：利用雙位控制器控制爐溫。溫度＞T0時，繼電器斷開溫度＜T0時，繼電器合上優(yōu)點：結(jié)構(gòu)簡單、成本較低、使用方便。缺點：執(zhí)行器不斷地開、關(guān)，不實用●實際的雙位控制器特點：①具有開關(guān)特性，工作狀態(tài)只有開、關(guān)兩種狀態(tài)。②其控制作用不是連續(xù)變化，是斷、續(xù)控制。被控變量的變化是一個等幅震蕩過程

偏差在某一中間區(qū)域時，控制機構(gòu)不動作。如：家用冰箱、電飯鍋（雙金屬溫度計既是測溫元件又是控制元件）。uttyyHyL圖2-19具有中間區(qū)的雙位控制過程③結(jié)構(gòu)簡單，成本低廉，易于實現(xiàn)。圖2-18實際的雙位控制規(guī)律開關(guān)umaxemaxeminumin二比例控制規(guī)律（Proportion）——指控制器的輸出信號變化量u與輸入偏差信號變化量e之間成比例關(guān)系。

圖2-20

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

Kp大，比例控制作用強Kp小，比例控制作用弱二比例控制規(guī)律（Proportion）②比例度δ：工業(yè)中常用比例度來表示比例控制作用的強弱?！缚刂破鬏斎氲淖兓鄬χ蹬c相應(yīng)的輸出變化相對值之比的百分?jǐn)?shù)。無量綱?！癖壤扰c比例放大系數(shù)的關(guān)系：

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

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

開始為0，隨tu緩慢即當(dāng)e剛進入時，uI幾乎為零，積分作用太微弱，控制不及時，即有滯后。四比例積分控制（PI）①定義：在比例控制的基礎(chǔ)上，再加上積分控制作用，便構(gòu)成比例積分控制規(guī)律?？刂萍燃皶r，又能消除余差。數(shù)學(xué)表達式：②如何求取比例放大系數(shù)KP及積分時間常數(shù)TI（實驗）利用當(dāng)t=TI時，uPI=2KPA這一關(guān)系。具體操作：給比例積分控制器輸入一個幅值為A的階躍變化，立即記下輸出的躍變值并開動秒表記時，當(dāng)uPI=2KPA時，此時的時間為TI；躍變值KPA除以階躍輸入幅值A(chǔ)就是KPteutAKPA2KPA圖2-24比例積分的開環(huán)特性TI③積分時間TI對過渡過程的影響如

TI，，KI

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

TI，KI

積分作用，積分速度，準(zhǔn)確性，但系統(tǒng)的穩(wěn)定性五比例微分控制規(guī)律（PD）（differential)1理想微分控制規(guī)律（D）①定義：是指控制器的輸出變化量u與輸入偏差e的變化速度成正比。表達式：u=TDde/dtTD——為微分時間，表示微分作用的強弱。de/dt——為偏差信號變化速度。②響應(yīng)曲線：③特點：這種控制器用在系統(tǒng)中，即使偏差很小，只要出現(xiàn)變化趨勢，馬上就進行控制，故有超前控制之稱，這就它的優(yōu)點，但它的輸出不能反映偏差的大小，假如偏差固定，即使數(shù)值很大，微分作用也沒有輸出，因而控制結(jié)果不能消除偏差，不能單獨使用。teutt0圖2-26理想微分控制器特性t0∞02比例微分控制規(guī)律（PD）

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

圖2-29微分時間對系統(tǒng)過渡過程的影響

utt0KpA圖2-28比例微分控制器特性TD是表示微分控制作用強弱的一個參數(shù)。TD大，微分控制作用越強。增加微分時間TD，能克服系統(tǒng)的滯后，改善系統(tǒng)的控制質(zhì)量，提高系統(tǒng)的穩(wěn)定性。但微分時間不能太大，否則會使系統(tǒng)出現(xiàn)高頻振蕩。即TD，微分作用，穩(wěn)定性。TD，過度靈敏，會出現(xiàn)高頻震蕩。③優(yōu)缺點：響應(yīng)快、偏差小、能增加系統(tǒng)的穩(wěn)定性；有超前控制作用，可以克服對象的慣性；控制結(jié)果有余差。②微分時間對系統(tǒng)過渡過程的影響六比例積分微分控制規(guī)律（PID）②優(yōu)缺點：控制質(zhì)量高；無余差；參數(shù)整定較麻煩。③適應(yīng)場合：對象滯后大；負(fù)荷變化較大，但變化不頻繁；對控制質(zhì)量要求高。①數(shù)學(xué)表達式：比例（P）、比例積分（PI）、比例積分微分（PID）的比較控制規(guī)律數(shù)學(xué)表達式可調(diào)參數(shù)優(yōu)缺點適應(yīng)場合

比例（P）比例積分（PI）比例積分微分（PID）u=KpeKp,（）控制及時、過渡時間短、克服干擾能力強。但控制結(jié)果有余差適用于控制通道滯后較小，負(fù)荷變化較小，工藝上沒有提出余差要求的系統(tǒng).如：液位Kp，T1用于控制通道滯后較小，負(fù)荷變化較小，工藝參數(shù)不允許有余差的系統(tǒng).如：壓力、流量等能消除余差。但積分控制作用比較緩慢、控制不及時，系統(tǒng)穩(wěn)定性下降Kp,T1,TD用于容量滯后較大，負(fù)荷變化大，控制質(zhì)量要求較高的系統(tǒng)。如溫度、成分控制質(zhì)量高，積分作用可消除余差，微分作用可提高系統(tǒng)的穩(wěn)定性但參數(shù)整定較麻煩?！?.2.2控制器正、反方向的確定●執(zhí)行器的正、反作用方向的規(guī)定：由它的氣開、氣關(guān)型式來確定。

氣開閥為“正作用”，氣關(guān)閥為“反作用”?！鴼忾_閥：有氣壓信號時閥開、無氣壓信號時閥關(guān)的氣動執(zhí)行器?！鴼怅P(guān)閥：有氣壓信號時閥關(guān)、無氣壓信號時閥開的氣動執(zhí)行器。

▲“正”方向：當(dāng)執(zhí)行器的輸入信號增加時，氣開閥的開度增加。因而流過閥的流體流量也增加，故氣開閥是“正”方向▲“反”方向：當(dāng)執(zhí)行器的輸入信號增加時，氣關(guān)閥的開度減小。因而流過閥的流體流量也減小，故氣關(guān)閥是“反”方向1各環(huán)節(jié)的正、反作用方向的規(guī)定●被控對象規(guī)定：操縱變量m，被控變量y，為“正作用”操縱變量m，被控變量y，為“反作用”●測量元件：輸入增加，輸出也增加，一般都為“正方向”?！窨刂破饕?guī)定：當(dāng)控制器的偏差(e=y0-ym）增加時，輸出u也增加，稱為“正作用”當(dāng)控制器的偏差(e=ym-y0）增加時，輸出u減小，稱為“反作用”

控制器的正，反作用可以通過改變控制器上的正，反作用開關(guān)自行選擇，一臺正作用的控制器，只要將其測量值與給定值的輸入線互換一下，就成了反作用的控制器.控制器P測P給u出正，反作用開關(guān)P測P給控制器正,反作用開關(guān)示意圖2為什么要考慮控制器的正、反方向？如何選擇？

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

§2.2.3控制器參數(shù)的整定

理論計算工程整定法

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

經(jīng)驗公式計算出各參數(shù)的整定值特點：簡單、易于掌握和判斷，適合一般的控制系統(tǒng)；不適合臨界比例度很小和不允許產(chǎn)生等幅振蕩的系統(tǒng)。臨界比例度δK和臨界周期TK試驗表2-2臨界比例度法經(jīng)驗計算公式表Pg41控制作用比例(P)比例積分(PI)比例度/%2k2.2

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

k0.5Tk0.1Tk0.13Tk——是在純比例運行下，通過使系統(tǒng)產(chǎn)生4：1或10：1的衰減振蕩，得到衰減比例度S和衰減周期Ts（或上升時間T升），然后根據(jù)經(jīng)驗總結(jié)出來的關(guān)系求出控制器各參數(shù)。（Pg41）2衰減曲線法Ts

(a)(b)T升tttfyy4：1衰減曲線10：1衰減曲線采用衰減曲線法注意點：（1）加的干擾幅度值不能太大，要根據(jù)生產(chǎn)操作要求來定，一般為額定值的5%左右，也有例外的情況。（2）必須在工藝參數(shù)穩(wěn)定情況下才能施加干擾，否則得不到正確的s、Ts或‘s和T升值。（3）對于反應(yīng)快的系統(tǒng)，如流量，管道壓力和小容量的液位控制等，要在記錄曲線上嚴(yán)格得到4：1衰減曲線比較困難。一般以被控變量來回波動兩次達到穩(wěn)定，就可以近似地認(rèn)為達到4：1衰減過程了。特點：比較簡單，整定質(zhì)量高，應(yīng)用廣泛；但對于干擾頻繁、記錄曲線不規(guī)則、不斷有小擺動的系統(tǒng)不適應(yīng)。表2-1控制器參數(shù)的經(jīng)驗數(shù)據(jù)表Pg40被控對象流量對象時間常數(shù)小，參數(shù)有波動，要大；40~1000.1~1TI要短；不用微分溫度對象容量滯后較大，即參數(shù)受干擾后變20~603~100.5~3化遲緩，應(yīng)??；TI要長；一般需加微分壓力對象的容量滯后一般，不算大，一般不30~700.4~3加微分液位對象時間常數(shù)范圍較大，要求不高時，20~100

可在一定范圍內(nèi)選取，一般不用微分對象特性/%TI/minTD/min三經(jīng)驗湊試法——是根據(jù)經(jīng)驗先將控制參數(shù)置于一定數(shù)值上，然后通過不斷觀察過渡過程曲線，逐漸湊試，直到獲得滿意的控制器參數(shù)值為止。經(jīng)驗湊試法整定參數(shù)的步驟有以下兩種①先用純比例作用進行湊試，待過渡過程已基本穩(wěn)定并符合要求后，再加積分作用消除余差，最后加入微分作用是為了提高控制質(zhì)量。ytytytδ小于臨界值tyδ太大δ偏小ytδ偏大ytδ適當(dāng)δ等于臨界值圖2-22比例度對過渡過程的影響關(guān)鍵：“看曲線，調(diào)參數(shù)”ytytytTI太小TI適當(dāng)tyTI=∞TI太太ytytytTD太大TD適當(dāng)tyTD=0TD太小

圖2-29微分時間對系統(tǒng)過渡過程的影響

圖2-25積分時間I對過渡過程的影響（2）經(jīng)驗湊試法還可以按以下步驟進行：先按表中給出的范圍把TI定下來，如要引入微分作用，可取TD=(1/3~1/4)TI,,然后對進行湊試，湊試步驟與前一種方法相同。特點：方法簡單，應(yīng)用非常廣泛。特別適用于干擾頻繁、記錄曲線不規(guī)則、不斷有小擺動的控制系統(tǒng)。但參數(shù)整定費時，控制質(zhì)量因人而異。例1▲如何根據(jù)過渡曲線，憑經(jīng)驗調(diào)節(jié)參數(shù)？

①比例度過小、積分時間過小、微分時間過大都會引起過渡曲線劇烈振蕩，如何判斷？t積分時間過小，振蕩周期長比例度過小，振蕩周期較短微分時間過大，振蕩周期最短②比例度過大、積分時間過大都會使過渡過程變化緩慢，如何判斷？根據(jù)過渡曲線振蕩的周期不一樣進行判斷比例度過大，曲線波動較劇烈、不規(guī)則較大地偏離給定值積分時間過大，經(jīng)過非周期振蕩慢慢回到給定值ytty例2試分辨（a）、（b）兩過渡曲線哪一個的比例度大、那一個的比例度??？ytyt（a）（b）分析：（a）振蕩劇烈、頻率高、衰減比小、系統(tǒng)穩(wěn)定性差，說明其比例度小，因為比例度小，控制作用強，在同樣的偏差情況下，容易產(chǎn)生超調(diào)，使系統(tǒng)的穩(wěn)定性下降。（b）曲線的余差大，說明其比例度大。原因是比例度大，當(dāng)負(fù)荷變化后，要產(chǎn)生同樣的控制作用，所需的偏差要大，所以比例度越大，所產(chǎn)生的余差也越大。例3試分辨（a）、（b）兩在不同積分時的過渡曲線，哪一個的積分時間大、那一個的積分時間??？yt（b）分析：（a）曲線的積分時間小，因為積分時間小，說明其積分控制作用強，消除余差的速度快，但系統(tǒng)的穩(wěn)定性會下降。（b）曲線消除余差的速度慢，說明其積分時間大。yt（a）本節(jié)學(xué)習(xí)要點一掌握簡單控制系統(tǒng)的組成、表示方法以及各個環(huán)節(jié)的組成二掌握簡單控制系統(tǒng)被控變量、操縱變量選擇的原則三了解各種控制規(guī)律的特點、可調(diào)參數(shù)對控制系統(tǒng)過渡過程的影響規(guī)律以及應(yīng)用場合四掌握簡單控制系統(tǒng)中各個環(huán)節(jié)正、反作用確定的方法五掌握控制器參數(shù)工程整定的方法、會對過渡曲線進行分析，懂得需要對哪個控制參數(shù)進行調(diào)節(jié)，從而使過渡曲線滿足要求思考題：P63：10、11、13、14§2.3復(fù)雜控制系統(tǒng)

本節(jié)主要內(nèi)容：

§2.2.1串級控制系統(tǒng)

§2.3.2前饋控制系統(tǒng)

§2.3.3比值控制系統(tǒng)

§2.3.4選擇性控制系統(tǒng)

§2.3.5均勻控制系統(tǒng)

前言

隨著生產(chǎn)過程向大型化,連續(xù)化和強化方向發(fā)展，對操作條件要求更加嚴(yán)格，參數(shù)間相互關(guān)系更加復(fù)雜，對控制系統(tǒng)的精度和功能提出了許多新的要求。因此在簡單的單回路控制的基礎(chǔ)上，設(shè)計和開發(fā)了另一類復(fù)雜控制系統(tǒng)，以滿足生產(chǎn)過程控制的要求。 復(fù)雜控制系統(tǒng)，根據(jù)其開發(fā)目的的差異，分為兩大類。 1．為提高響應(yīng)曲線的性能指標(biāo)而開發(fā)的控制系統(tǒng)，可獲得比單回路PID控制更優(yōu)越的過渡過程質(zhì)量，如串級、前饋控制系統(tǒng)等。 2．按某些特殊目的而開發(fā)的控制系統(tǒng)，為滿足不同的化工生產(chǎn)工藝、操作方式等的控制性能指標(biāo)而開發(fā)的控制系統(tǒng)，如比值、選擇性、均勻等控制系統(tǒng)?！?.2.1串級控制系統(tǒng)

一串極控制的基本原理1定義：它是由兩個被控對象、兩套檢測元件及變送器、兩個控制器和一個執(zhí)行器所構(gòu)成的兩回路控制系統(tǒng)。其中主、副兩個控制器是串級工作的，主控制器的輸出作為副控制器的給定值，副控制器的輸出去操縱控制閥，以實現(xiàn)對主變量的定值控制。2串級控制系統(tǒng)的通用方塊圖圖2-20串級控制系統(tǒng)方塊圖主被控變量給定主控制器控制閥主對象一次干擾主檢測變送器u1me1－副控制器副對象副檢測變送器－e2u2二次干擾副被控變量3串級控制系統(tǒng)中的常用名詞和術(shù)語?！裰髯兞俊枪に嚨闹苯涌刂浦笜?biāo)，使它保持平穩(wěn)是控制的主要目標(biāo)。●副變量——是工藝的間接控制指標(biāo)，它是為了穩(wěn)定主變量而引出的中間變量?！窀睂ο蟆筛弊兞勘碚髌涮卣鞯纳a(chǎn)設(shè)備?！裰鲗ο蟆芍髯兞勘碚髌涮卣鞯纳a(chǎn)設(shè)備?！窀笨刂破鳌邮芨弊兞康钠睿漭敵鋈タ刂崎y門。●主控制器——接受主變量的偏差，其輸出去改變副控制器的設(shè)定值?！窀被芈贰幱诖壙刂葡到y(tǒng)內(nèi)部的，由副變量檢測變送器、副控制器、調(diào)節(jié)閥、副對象組成的回路?！裰骰芈贰魧⒏被芈房闯梢粋€以主控制器輸出為輸入，以副變量為輸出的等效環(huán)節(jié)，則串級系統(tǒng)轉(zhuǎn)化為一個單回路，稱為主回路。尤其必須注意，主回路并不是指將副變量測量變送環(huán)節(jié)前（或后）斷開后而形成的回路。二串級控制的典型實例例1：管式加熱爐出口溫度串級控制系統(tǒng)。1）畫出該控制系統(tǒng)的方塊圖；2）指出該系統(tǒng)中主、副對象、主、副變量、操縱變量、主、副擾動變量、主、副調(diào)節(jié)器各是什么？3）當(dāng)燃料油負(fù)荷突然增加，試分析該系統(tǒng)是如何實現(xiàn)自動控制的。圖2-34加熱爐出口溫度簡單控制系統(tǒng)圖2-35加熱爐出口溫度串級控制系統(tǒng)圖2-36解：（1）加熱爐出口溫度串級控制系統(tǒng)的方塊圖2）主對象：加熱爐內(nèi)加熱管的管壁；副對象：加熱爐的爐膛主變量：加熱爐油料的出口溫度T1；副變量：爐膛內(nèi)的溫度T2；操縱變量：燃料油的流量；主擾動量f1：被加熱油料的進口的溫度、壓力、流量副擾動量f2：燃料油的壓力、流量、溫度；霧化燃料油用的過熱蒸汽的壓力、流量；燃燒器的配風(fēng)、爐膛的漏風(fēng)以及環(huán)境溫度等3）在穩(wěn)定工況下，原料油出口溫度和爐膛溫度處于相對穩(wěn)定狀態(tài)，控制燃料油的閥門保持在一定的開度。當(dāng)燃料油負(fù)荷突然增加，這個干擾會使?fàn)t膛的溫度T2升高，副控制器T2C會根據(jù)輸入偏差的大小，減少操縱變量燃料油的加入量，從而使?fàn)t膛的溫度下降。與此同時，由于爐膛溫度的升高，會使原料油的出口溫度T1升高，T1的變化通過主控制器T1C去減小副控制器的T2C的給定值。兩個控制器協(xié)調(diào)工作，使油料油的出口溫度重新穩(wěn)定在給定值。T1T2例2：反應(yīng)器的溫度串級控制Pg44：圖2-37（自己分析）

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

三串級控制系統(tǒng)的主要特點及應(yīng)用

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

我們所熟悉的反饋控制系統(tǒng)在實際生產(chǎn)中有廣泛的應(yīng)用，但其也有固有的缺點。反饋控制無法將擾動克服在被控變量偏離給定值之前，調(diào)節(jié)作用不及時等，限制了其調(diào)節(jié)質(zhì)量的進一步提高。故而產(chǎn)生了前饋控制系統(tǒng)。

給定值xx0偏差e控制器執(zhí)行器對象干擾檢測變送裝置被控變量y－z控制信號u操縱變量m一前饋控制的基本原理及特點（擾動補償）

1基本原理：是測量進入過程的干擾（包括外界干擾和設(shè)定值變化），并按其信號產(chǎn)生合適的控制作用去改變操縱變量，使被控變量維持在設(shè)定值上?！袂梆伩刂频牡湫蛯嵗袂梆伩刂频姆綁K圖圖2-41換熱器前饋控制示意圖

圖2-42前饋控制方塊圖●前饋控制的傳遞函數(shù)

2特點①前饋控制是基于不變性原理工作的，比反饋控制及時有效②前饋控制是屬于“開環(huán)”控制③前饋控制使用的是一種視對象特性而定的“專用”控制器④一種前饋作用只能克服一種干擾

要實現(xiàn)全補償時，則必須Y（s）=0，同時F(s)≠0

二前饋控制的主要結(jié)構(gòu)形式

1靜態(tài)前饋控制

其目標(biāo)是被控變量的完全不變性。

Pg50圖2-43++二前饋控制的主要結(jié)構(gòu)形式

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

給定值xx0反饋控制器執(zhí)行器干擾檢測變送裝置被控變量y－z前饋控制器測量變送對象++§2.3.3比值控制系統(tǒng)

一概述

在化工，煉油生產(chǎn)中，常有將兩種物料按照一定比例混合或進行的化學(xué)反應(yīng)。由此產(chǎn)生了比值控制系統(tǒng)。例如：Pg52：圖2-46溶液配制圖2-47廢水處理二比值控制系統(tǒng)的類型1定比值控制系統(tǒng)

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

例如：圖2-48RC——比例控制器（r=qv2/qv1）qv2——副流量qv1——主流量缺點：副流量無反饋，其干擾會使主副流量的比值很難保持定值。適合：適用于副流量平穩(wěn)且流量比值不高的場合。②單閉環(huán)比值控制系統(tǒng)兩種物料流量的比值控制較為精確。但主流量是可變。例如：圖2-49

③雙閉環(huán)比值控制系統(tǒng)主、副流量都比較穩(wěn)定，系統(tǒng)總負(fù)荷也穩(wěn)定。例如：圖2-50可用兩個簡單的單回路控制系統(tǒng)來替代。

2變比值控制系統(tǒng)

Pg56:圖2-51控制目標(biāo)：以成比例的兩種物料混合或反應(yīng)后，產(chǎn)品的最終質(zhì)量

是否符合要求為目標(biāo)。主流量控制回路：起前饋作用，把影響主流量的干擾先克服。副流量控制回路：能克服副流量的干擾，相當(dāng)于串級控制系統(tǒng)的副回路。優(yōu)點：是能克服生產(chǎn)中存在的除流量干擾以外的其他干擾（如溫度，壓力，成分等）。