1、過程控制系統與儀表過程控制系統與儀表 第第6章章第第6章章 簡單控制系統的設計與參數整定簡單控制系統的設計與參數整定6.1簡單控制系統的結構與組成簡單控制系統的結構與組成6.2簡單控制系統設計簡單控制系統設計6.3調節規律對控制品質的影響與調節規律選擇調節規律對控制品質的影響與調節規律選擇6.4調節器參數的工程整定方法調節器參數的工程整定方法6.5 簡單控制系統設計實例簡單控制系統設計實例過程控制系統與儀表過程控制系統與儀表 第第6章章簡單控制系簡單控制系統的結構統的結構 四個環節組成四個環節組成被控變量的選擇被控變量的選擇控制變量的選擇控制變量的選擇控制參數的整定控制參數的整定簡單控制系簡單

2、控制系統的設計統的設計 閉環負反饋閉環負反饋控制規律的選擇控制規律的選擇給定值給定值測量變送器測量變送器控制器控制器執行器執行器對象對象操作量操作量被控變量被控變量干擾干擾過程控制系統與儀表過程控制系統與儀表 第第6章章6.1簡單控制系統的結構與組成簡單控制系統的結構與組成指由一個測量變送器、一個控制器、一個控制指由一個測量變送器、一個控制器、一個控制閥和一個對象所構成的閥和一個對象所構成的單閉環控制系統單閉環控制系統。 第第6 6章章 簡單控制系統簡單控制系統的設計與參數整定的設計與參數整定TC206后續字母表示儀表功能后續字母表示儀表功能第第1位數字表示工段號位數字表示工段號后續數字表示儀

3、表序號后續數字表示儀表序號第第1位字母表示被控參數位字母表示被控參數 LC TT儀表符號標準儀表符號標準過程控制系統與儀表過程控制系統與儀表 第第6章章控制系統原理方框圖控制系統原理方框圖給定值給定值測量變送器測量變送器控制器控制器執行器執行器對象對象操作量操作量被控變量被控變量干擾干擾熱物料熱物料載熱介質載熱介質冷物料冷物料熱交換器熱交換器 TT TC控制系統工藝流程圖控制系統工藝流程圖過程控制系統與儀表過程控制系統與儀表 第第6章章 Gc(s) Gf(s) Go(s)X(s)Y(s)F(s) 控制系統原理方框圖（傳遞函數）被控變量被控變量影響變量影響變量過程控制系統與儀表過程控制系統與儀表

4、 第第6章章6.2簡單控制系統設計簡單控制系統設計1. 1. 過程控制系統方案設計的基本要求過程控制系統方案設計的基本要求 生產過程對過程控制系統的要求可簡要歸納為生產過程對過程控制系統的要求可簡要歸納為安全性、穩定性和經濟性安全性、穩定性和經濟性三個方面。三個方面。 2. 過程控制系統設計的主要內容過程控制系統設計的主要內容 過程控制系統設計包括過程控制系統設計包括控制系統方案設計、工控制系統方案設計、工程設計、工程安裝和儀表調校、調節器參數整定程設計、工程安裝和儀表調校、調節器參數整定等等四個主要內容。四個主要內容。 其中其中控制方案設計控制方案設計是控制系統設計的核心。是控制系統設計的核

5、心。過程控制系統與儀表過程控制系統與儀表 第第6章章3. 過程控制系統設計的步驟過程控制系統設計的步驟1）掌握生產工藝對控制系統的技術要求）掌握生產工藝對控制系統的技術要求2）建立被控過程的數學模型）建立被控過程的數學模型3）確定控制方案）確定控制方案 包括控制方式和系統組成結構的確定，是過程包括控制方式和系統組成結構的確定，是過程控制系統設計的關鍵步驟?？刂葡到y設計的關鍵步驟。 4）控制設備選型）控制設備選型5）實驗（或仿真）驗證）實驗（或仿真）驗證 其中最關鍵的設計是：其中最關鍵的設計是：被控參數與控制變量的選擇被控參數與控制變量的選擇過程控制系統與儀表過程控制系統與儀表 第第6章章6.2

6、.2被控參數與控制變量的選擇被控參數與控制變量的選擇6.2.2.1被控參數的選擇被控參數的選擇被控變量被控變量生產過程中希望借助自動控制保生產過程中希望借助自動控制保持恒定值（或按一定規律變化）的變量。持恒定值（或按一定規律變化）的變量。合理選擇被控變量，關系到生產工藝能否達合理選擇被控變量，關系到生產工藝能否達到穩定操作、保證質量、保證安全等目的。到穩定操作、保證質量、保證安全等目的。被控變量的選擇依據：被控變量的選擇依據：1 1、根據生產工藝的要求，找出影響生產的關、根據生產工藝的要求，找出影響生產的關鍵變量作為被控變量鍵變量作為被控變量過程控制系統與儀表過程控制系統與儀表 第第6章章例例

7、1 儲槽液位控制系統儲槽液位控制系統工藝要求儲槽液位穩定。那么設計的控制系統工藝要求儲槽液位穩定。那么設計的控制系統就應以儲槽液位為被控變量。就應以儲槽液位為被控變量。 LC TTh過程控制系統與儀表過程控制系統與儀表 第第6章章例例2 換熱器出口溫度控制系統換熱器出口溫度控制系統工藝要求出口溫度為定值。那么設計的控制系工藝要求出口溫度為定值。那么設計的控制系統就應以出口溫度為被控變量。統就應以出口溫度為被控變量。熱物料熱物料載熱介質載熱介質冷物料冷物料熱交換器熱交換器 TT TC過程控制系統與儀表過程控制系統與儀表 第第6章章2、當不能用直接、當不能用直接工藝工藝參數作為被控變量時，參數作為

8、被控變量時，應選擇與直接應選擇與直接工藝工藝參數有單值函數關系的間接參數有單值函數關系的間接工藝工藝參數作為被控變量。參數作為被控變量。例例3 化工的精餾物純化工的精餾物純度控制系統度控制系統精餾工藝是利用被分精餾工藝是利用被分離物中各組分的揮發溫度離物中各組分的揮發溫度不同，將各組分分離。不同，將各組分分離。如圖將苯如圖將苯甲苯混合甲苯混合液進行分離。液進行分離。苯苯甲苯甲苯苯苯甲苯甲苯 過程控制系統與儀表過程控制系統與儀表 第第6章章 該精餾塔的工藝該精餾塔的工藝要求是要使要求是要使塔頂（或塔塔頂（或塔底）餾出物達到規定的底）餾出物達到規定的純度純度。按照被控變量的。按照被控變量的選擇原則

9、選擇原則1，塔頂（或，塔頂（或塔底）塔底）餾出物的組分餾出物的組分應應作為作為被控變量被控變量。但是，但是，沒有合適沒有合適的儀表的儀表在線檢測餾出物在線檢測餾出物的純度，則不能直接作的純度，則不能直接作為被控變量。為被控變量。苯苯甲苯甲苯 苯苯甲苯甲苯過程控制系統與儀表過程控制系統與儀表 第第6章章只好在與餾出物的只好在與餾出物的純度有單值關系的工藝純度有單值關系的工藝參數中，找出合適的變參數中，找出合適的變量作為被控變量，進行量作為被控變量，進行間接參數控制。間接參數控制。經工藝分析發現，經工藝分析發現，塔內壓力和塔內溫度塔內壓力和塔內溫度都都對餾出物純度有影響。對餾出物純度有影響。需要對

10、二者進行比較試需要對二者進行比較試驗，選出一個合適的變驗，選出一個合適的變量。量。苯苯甲苯甲苯 苯苯甲苯甲苯過程控制系統與儀表過程控制系統與儀表 第第6章章間接控制參數的確定間接控制參數的確定經經試驗試驗得出，塔頂餾出物苯的得出，塔頂餾出物苯的濃度分別與壓力和溫度濃度分別與壓力和溫度有單值對應關系有單值對應關系。（塔底餾出物甲苯也一樣）從。（塔底餾出物甲苯也一樣）從工藝合理性工藝合理性考慮，選擇溫度作為被控變量考慮，選擇溫度作為被控變量(工藝要求塔工藝要求塔壓力要穩定壓力要穩定)。 過程控制系統與儀表過程控制系統與儀表 第第6章章3 3、被控變量必須有足夠大的靈敏度、被控變量必須有足夠大的靈敏

11、度被控變量必須靈敏，容易被測量。被控變量必須靈敏，容易被測量。4、選擇被控變量時，必須考慮工藝合理性選擇被控變量時，必須考慮工藝合理性上例中，選擇上例中，選擇塔內溫度作被控變量塔內溫度作被控變量，就是考，就是考慮了工藝上，塔內壓力要固定。慮了工藝上，塔內壓力要固定。上例中，若塔頂、塔底的產品純度都分別設上例中，若塔頂、塔底的產品純度都分別設置溫控系統，會相互干擾，存在置溫控系統，會相互干擾，存在關聯關聯。因此，若采。因此，若采用簡單控制系統，只能設置一個用簡單控制系統，只能設置一個溫控系統溫控系統，保證塔，保證塔頂或塔底一端的產品質量。頂或塔底一端的產品質量。6.2.2.2控制變量選擇控制變量

12、選擇把用來把用來克服干擾對被控變量克服干擾對被控變量的影響，實現控制作用的的影響，實現控制作用的變量稱為變量稱為控制變量控制變量或或操縱變量操縱變量。最常見的操縱變量是。最常見的操縱變量是介質的介質的流量流量，也有以，也有以轉速、電壓轉速、電壓等作為操縱變量的。等作為操縱變量的。 LC TTh給定值給定值測量變送器測量變送器控制器控制器執行器執行器對象對象操縱量操縱量被控變量被控變量干擾干擾過程控制系統與儀表過程控制系統與儀表 第第6章章控制變量的確定控制變量的確定被控變量選定以后，應對被控變量選定以后，應對工藝進行分析，找出工藝進行分析，找出所有影響被控變量的因素所有影響被控變量的因素。在這

13、些變量中，有些是。在這些變量中，有些是可控可控的，有些是的，有些是不可控不可控的。的。q在諸多影響被控變量的因素中在諸多影響被控變量的因素中選擇一個對被控選擇一個對被控變量影響顯著且便于控制的變量變量影響顯著且便于控制的變量，作為控制變量；，作為控制變量；q其它未被選中的因素則視為其它未被選中的因素則視為系統的干擾系統的干擾。被控變量被控變量影響變量影響變量過程控制系統與儀表過程控制系統與儀表 第第6章章1過程（通道）靜態特性過程（通道）靜態特性K對控制品質影響的分析對控制品質影響的分析 確定控制變量要考慮：確定控制變量要考慮： 2過程（通道）動態特性過程（通道）動態特性T對控制品質的影響對控

14、制品質的影響被控變量被控變量影響變量影響變量過程控制系統與儀表過程控制系統與儀表 第第6章章1過程（通道）過程（通道）靜態特性靜態特性對控制品質的影響對控制品質的影響如圖所示為單回路控制系統的等效框圖。如圖所示為單回路控制系統的等效框圖。Gc(s) 控制器的傳遞函數；控制器的傳遞函數；Go(s) 廣義控制通道（包括執行器和變送器）的傳遞函數；廣義控制通道（包括執行器和變送器）的傳遞函數；Gf(s) 擾動通道的傳遞函數。擾動通道的傳遞函數。 Gc(s) Gf(s) Go(s)X(s)Y(s)F(s) 過程控制系統與儀表過程控制系統與儀表 第第6章章 被控參數被控參數y(t)受到受到設定信號設定信

15、號x(t)和干擾信號和干擾信號f(t)的的共同影響：共同影響：000( )( )( )( )X( )( )1( )( )1( )( )fcccGsGs GsY ssF sGs GsGs Gs干擾通道干擾通道控制通道控制通道 Gc(s) Gf(s) Go(s)X(s)Y(s)F(s) 代入系統偏差公式中：代入系統偏差公式中：)()()(sYsXsE將將 可見，控制通道偏差和干擾通道偏差的可見，控制通道偏差和干擾通道偏差的傳函傳函分母分母是一樣的。將是一樣的。將Gc(s)、 Go(s)代入：代入：11sTK)s(GK)s(GsTK)s(Gfffccooo)()()()()(1)()()()(11)

16、(sEsEsFsGsGsGsXsGsGsEfxocfoc+=+=11sTK)s(GK)s(GsTK)s(Gfffccooo000( )( )( )( )X ( )( )1( )( )1( )( )fcccGsGs GsYssFsGs GsGs Gs Gc(s) Gf(s) Go(s)X(s)Y(s)F(s) 11sTK)s(GK)s(GsTK)s(Gfffccooo過程控制系統與儀表過程控制系統與儀表 第第6章章)()1(1)()()(11)(sXKKsTsTsXsGsGsEcoooocx+=+=)() 1() 1)(1() 1()()()(1)()(sFsTKKsTsTsTKsFsGsGsG

17、sEfcofoofocff+=+=vK0越大，控制作用越強，穩態誤差越小；越大，控制作用越強，穩態誤差越??；vK0越大，被調參數對控制作用的反應越靈敏，系統的越大，被調參數對控制作用的反應越靈敏，系統的閉環穩定性越低。閉環穩定性越低。vKf越大，越大，干擾作用干擾作用越強，穩態誤差越大。越強，穩態誤差越大。故應選放大系數大的變量作為控制變量。故應選放大系數大的變量作為控制變量。)()()()()(1)()()()(11)(sEsEsFsGsGsGsXsGsGsEfxocfoc+=+=11sTK)s(GK)s(GsTK)s(Gfffccooo11sTK)s(GK)s(GsTK)s(Gfffcco

18、oo11sTK)s(GK)s(GsTK)s(Gfffccooo過程控制系統與儀表過程控制系統與儀表 第第6章章 Gc(s) Gf(s) Go(s)X(s)Y(s)F(s) )()1(1)()()(11)(sXKKsTsTsXsGsGsEcoooocx+=+=)() 1() 1)(1() 1()()()(1)()(sFsTKKsTsTsTKsFsGsGsGsEfcofoofocff+=+=vK0越大，控制作用越強，穩態誤差越小；越大，控制作用越強，穩態誤差越??；vK0越大，被調參數對控制作用的反應越靈敏，系統的越大，被調參數對控制作用的反應越靈敏，系統的閉環穩定性越低。閉環穩定性越低。vKf越大

19、，越大，干擾作用干擾作用越強，穩態誤差越大。越強，穩態誤差越大。故對于控制通道，應選放大系數大的變量作為控制變故對于控制通道，應選放大系數大的變量作為控制變量量對于控制通道，對于控制通道，Kf越小越好越小越好 。過程控制系統與儀表過程控制系統與儀表 第第6章章2過程（通道）動態特性對控制品質的影響過程（通道）動態特性對控制品質的影響l1）干擾通道動態特性對控制品質的影響 2）控制通道動態特性對控制品質的影響）控制通道動態特性對控制品質的影響GCGVGO2GFGmfreGO1y2過程（通道）動態特性對控制品質的影響過程（通道）動態特性對控制品質的影響1）干擾通道動態特性干擾通道動態特性對控制品質

20、的影響對控制品質的影響 f( )(1)Y (s)( )( )1( )( )(1)(1)(1)ffocoofocfG sK T sF sF sG s G sT sT sK K T s干擾通道的干擾通道的慣性因子（慣性因子（Tf s+1）使干擾作用使干擾作用的影響緩慢。的影響緩慢。vTf 越大，干擾對被控變量的影響越緩慢，越有利于控制。越大，干擾對被控變量的影響越緩慢，越有利于控制。 Gc(s) Gf(s) Go(s)X(s)Y(s)F(s) 過程控制系統與儀表過程控制系統與儀表 第第6章章 因為，因為， f 使干擾對被使干擾對被控變量的影響推遲了控變量的影響推遲了f 時間時間，則控制作用也推遲則

21、控制作用也推遲f 時間時間 ，整個過渡過程曲線也推遲整個過渡過程曲線也推遲時間時間f ，但控制品質未變。但控制品質未變。v干擾通道純滯后干擾通道純滯后f不影響控制質量。不影響控制質量。f()( 1 )Y ( s )()()1 () ()( 1 ) ( 1 )( 1 )ff ocoofo c fGsKT sFsFsGsGsT s Ts K KTs 含有含有e f s例：例：某控制系統中，干擾某控制系統中，干擾f1、f2、f3分別在三個位置進入分別在三個位置進入系統。干擾離被控變量檢測點越遠，則干擾通道的時間常數系統。干擾離被控變量檢測點越遠，則干擾通道的時間常數越大，對被控變量的影響越慢。越大，

22、對被控變量的影響越慢。010203f30G(s)G(s)G(s)Y ( )( )1( )( )csF sGs Gs0201012100G( )G(s)( )( )( )1( )( )1( )( )ccsGsFsF sGs GsGs Gs v干擾進入系統的位置離被控變量檢測點越遠，則干擾進入系統的位置離被控變量檢測點越遠，則Tf 越大，越大，控制時最大偏差越小?？刂茣r最大偏差越小。過程控制系統與儀表過程控制系統與儀表 第第6章章 f1(t)通道慣性小，受干擾后被調參數變化速度通道慣性小，受干擾后被調參數變化速度快；當控制作用見效時，被調參數已經變化較大快；當控制作用見效時，被調參數已經變化較大造

23、成造成動態偏差較大動態偏差較大。 所以擾動進入系統的位置離被控參數檢測點越所以擾動進入系統的位置離被控參數檢測點越遠，干擾對被控參數影響越小。遠，干擾對被控參數影響越小。 y(t)yk(t)tyyk(t)yy(t)tyk(t)yy(t)t過程控制系統與儀表過程控制系統與儀表 第第6章章 2）控制通道動態特性控制通道動態特性對控制品質的影響對控制品質的影響tGCGVGO2GFGmfreGO1yv控制通道控制通道G01的時間常的時間常數數T01增大，使控制速度變增大，使控制速度變慢，最大偏差增大。慢，最大偏差增大。vG02是控制、干擾共用是控制、干擾共用通道，通道，T02不影響最大偏差不影響最大偏

24、差y2(t)yk(t)yy1(t)過程控制系統與儀表過程控制系統與儀表 第第6章章y2(t)yk(t)tyy1(t)01v控制通道控制通道G01的純滯后的純滯后 ，使控制作用滯后使控制作用滯后01到達，造到達，造成控制偏差增大。成控制偏差增大。vG02是控制、干擾共用通道，是控制、干擾共用通道， 干擾作用滯后干擾作用滯后02產生，但控產生，但控制作用再滯后制作用再滯后02到達，同樣造到達，同樣造成控制偏差增大。成控制偏差增大。y2(t)yk(t)tyy1(t)220202GCGVGO2GFGmfreGO1y過程控制系統與儀表過程控制系統與儀表 第第6章章 因此，控制通道因此，控制通道時間常數時

25、間常數T0 小一些好小一些好。表明控。表明控制變量對被控變量的影響迅速，有利于控制。制變量對被控變量的影響迅速，有利于控制。 控制通道控制通道純滯后純滯后0越小越好越小越好。 0會使控制時間會使控制時間延長、最大偏差增大。延長、最大偏差增大。 控制變量的選擇原則：控制變量的選擇原則： 1、控制通道應當放大系數大、時間常數小、純、控制通道應當放大系數大、時間常數小、純滯后越小越好。滯后越小越好。 2、控制變量應是工藝上允許控制的變量，并且、控制變量應是工藝上允許控制的變量，并且要考慮工藝的合理性與生產的經濟性。要考慮工藝的合理性與生產的經濟性。 過程控制系統與儀表過程控制系統與儀表 第第6章章例

26、例1中，影響儲槽液位的主要因素有：液體流中，影響儲槽液位的主要因素有：液體流入量和液體流出量。這兩個變量影響力相當，顯然，入量和液體流出量。這兩個變量影響力相當，顯然，液體流出量可控。故選液體流出量作為控制變量。液體流出量可控。故選液體流出量作為控制變量。 LC TThQiQo過程控制系統與儀表過程控制系統與儀表 第第6章章例例2中，影響出口中，影響出口溫度溫度的主要因素有：載熱介的主要因素有：載熱介質溫度、載熱介質流量、冷物料溫度、冷物料流量質溫度、載熱介質流量、冷物料溫度、冷物料流量等等。顯然，。顯然，載熱介質流量影響力最大且可控。故選載熱介質流量影響力最大且可控。故選載熱介質流量作為控制

27、變量。載熱介質流量作為控制變量。熱物料熱物料載熱介質載熱介質冷物料冷物料熱交換器熱交換器 TT TCQrQiTiTr過程控制系統與儀表過程控制系統與儀表 第第6章章例例3中，若選擇提餾段某塊塔板（靈敏板）的中，若選擇提餾段某塊塔板（靈敏板）的溫度作為被控變量。那么，影響靈敏板溫度溫度作為被控變量。那么，影響靈敏板溫度T靈靈的因的因素主要有：素主要有： TT進料的流量（進料的流量（Q入入）、）、進料的成分（進料的成分（ x入入）、）、進料的溫度（進料的溫度（T入入），），回流的流量（回流的流量（Q回回）、）、回流的溫度（回流的溫度（T回回），），加熱蒸汽流量（加熱蒸汽流量（Q蒸蒸）、）、冷凝器冷

28、卻溫度等。冷凝器冷卻溫度等。過程控制系統與儀表過程控制系統與儀表 第第6章章 這些影響因素分為可控的和不可控的兩大類：這些影響因素分為可控的和不可控的兩大類：回流量和蒸汽流量為可控因素回流量和蒸汽流量為可控因素其它基本為不可控因素其它基本為不可控因素 TT過程控制系統與儀表過程控制系統與儀表 第第6章章1、蒸汽流量對提餾、蒸汽流量對提餾段溫度影響比回流量段溫度影響比回流量對提餾段溫度影響更對提餾段溫度影響更迅速、更顯著。迅速、更顯著。2、從節能角度來講，、從節能角度來講，控制蒸汽流量比控制控制蒸汽流量比控制回流量消耗的能量要回流量消耗的能量要小。小。 在兩個可控因素中，選蒸汽流量為操縱變量。在

29、兩個可控因素中，選蒸汽流量為操縱變量。因為：因為： TT過程控制系統與儀表過程控制系統與儀表 第第6章章上節教學內容上節教學內容(15)第第5章章 被控過程的數學模型被控過程的數學模型5.4測試法建模測試法建模給定值給定值被控量被控量干擾干擾f 控制器控制器 變送器變送器執行器執行器被控對象被控對象+e實測值實測值第第6章章 簡單控制系統的設計與參數整定簡單控制系統的設計與參數整定6.1簡單控制系統的結構與組成簡單控制系統的結構與組成6.2簡單控制系統設計簡單控制系統設計過程控制系統與儀表過程控制系統與儀表 第第6章章簡單控制系簡單控制系統的結構統的結構 四個環節組成四個環節組成被控變量的選擇

30、被控變量的選擇控制變量的選擇控制變量的選擇控制參數的整定控制參數的整定簡單控制系簡單控制系統的設計統的設計 閉環負反饋閉環負反饋控制規律的選擇控制規律的選擇給定值給定值被控量被控量干擾干擾f 控制器控制器 變送器變送器執行器執行器被控對象被控對象+e實測值實測值被控變量的選擇依據：被控變量的選擇依據：1、根據生產工藝的要求，找出影響生產的關鍵變量作為被控變量、根據生產工藝的要求，找出影響生產的關鍵變量作為被控變量2、當不能用直接工藝參數作為被控變量時，應選擇與直接工藝參數有、當不能用直接工藝參數作為被控變量時，應選擇與直接工藝參數有單值函數關系的間接工藝參數作為被控變量。單值函數關系的間接工藝

31、參數作為被控變量。3、被控變量必須有足夠大的靈敏度、被控變量必須有足夠大的靈敏度4、選擇被控變量時，必須考慮工藝合理性、選擇被控變量時，必須考慮工藝合理性控制變量的確定控制變量的確定被控變量選定以后，應對被控變量選定以后，應對工藝進行分析，找出所有影響被控變量的因素工藝進行分析，找出所有影響被控變量的因素。在。在這些變量中，有些是這些變量中，有些是可控可控的，有些是的，有些是不可控不可控的。的。q在諸多影響被控變量的因素中在諸多影響被控變量的因素中選擇一個對被控變量影響顯著且便于控制的變選擇一個對被控變量影響顯著且便于控制的變量量，作為控制變量；，作為控制變量；q其它未被選中的因素則視為其它未

32、被選中的因素則視為系統的干擾系統的干擾。給定值給定值被控量被控量干擾干擾f 控制器控制器 變送器變送器執行器執行器被控對象被控對象+e實測值實測值過程控制系統與儀表過程控制系統與儀表 第第6章章本節教學內容本節教學內容(16)給定值給定值被控量被控量干擾干擾f 控制器控制器 變送器變送器執行器執行器被控對象被控對象+e實測值實測值第第6章章 簡單控制系統的設計與參數整定簡單控制系統的設計與參數整定6.2簡單控制系統設計簡單控制系統設計6.3調節規律對控制品質的影響與調節規律選擇調節規律對控制品質的影響與調節規律選擇6.4調節器參數的工程整定方法調節器參數的工程整定方法6.5 簡單控制系統設計實

33、例簡單控制系統設計實例過程控制系統與儀表過程控制系統與儀表 第第6章章6.2.3檢測環節、執行器及調節器正負作用選擇 6.2.3.1傳感器、變送器選擇 6.2.3.2執行器的選擇執行器的選擇6.2.3.3調節器正反作用的選擇調節器正反作用的選擇6.2簡單控制系統設計簡單控制系統設計給定值給定值被控量被控量干擾干擾f 控制器控制器 變送器變送器執行器執行器被控對象被控對象+e實測值實測值過程控制系統與儀表過程控制系統與儀表 第第6章章6.2.3檢測環節、執行器及調節器正負作用選擇檢測環節、執行器及調節器正負作用選擇 6.2.3.1傳感器、變送器選擇傳感器、變送器選擇1按照生產過程的工藝要求，首先

34、確定傳感器與變按照生產過程的工藝要求，首先確定傳感器與變送器合適的測量范圍（量程）與精度等級。送器合適的測量范圍（量程）與精度等級。2測量儀表反應慢，會造成測量失真。應盡可能測量儀表反應慢，會造成測量失真。應盡可能選選擇時間常數小擇時間常數小的傳感器、變送器的傳感器、變送器,或引入或引入微分微分環節環節。OtOtTmTmx(t)y(t)x(t)y(t)過程控制系統與儀表過程控制系統與儀表 第第6章章l克服傳輸滯后的對策克服傳輸滯后的對策電氣轉換器電氣轉換器電信號電信號氣電轉換器氣電轉換器n引起原因引起原因n傳遞滯后傳遞滯后n即信號傳輸滯后，主要是由于氣壓信號在管即信號傳輸滯后，主要是由于氣壓信

35、號在管路傳送過程中引起的滯后路傳送過程中引起的滯后( (電信號的傳遞滯電信號的傳遞滯后可以忽略不計后可以忽略不計) )。現場現場控制中心控制中心（檢測變送器、（檢測變送器、執行器）執行器）（調節器、（調節器、顯示器）顯示器）過程控制系統與儀表過程控制系統與儀表 第第6章章3合理選擇檢測點，避免測量造成對象純滯后合理選擇檢測點，避免測量造成對象純滯后0圖圖6.15 pH值控制系統圖值控制系統圖 pHT LT LC pHC中和槽中和槽貯酸槽貯酸槽l04測量信號的處理測量信號的處理 測量信號的校正與補償、測量噪聲的抑制、測測量信號的校正與補償、測量噪聲的抑制、測量信號的線性化處理。量信號的線性化處理

36、。過程控制系統與儀表過程控制系統與儀表 第第6章章 6.2.3.2執行器的選擇執行器的選擇 1調節閥工作區間的選擇調節閥工作區間的選擇 正常工況下，調節閥的開度應在正常工況下，調節閥的開度應在15%85%區區間。據此原則計算、確定控制閥的口徑尺寸。間。據此原則計算、確定控制閥的口徑尺寸。2調節閥的流量特性選擇調節閥的流量特性選擇按補償對象特性的原則選取。按補償對象特性的原則選取。3調節閥的氣開、氣關作用方式選擇調節閥的氣開、氣關作用方式選擇 按控制信號中斷時，保證生產設備按控制信號中斷時，保證生產設備安全安全的原則的原則確定。確定。過程控制系統與儀表過程控制系統與儀表 第第6章章6.2.3.3

37、調節器正反作用的選擇調節器正反作用的選擇負反饋控制系統的控制作用對被控變量的影響負反饋控制系統的控制作用對被控變量的影響應與干擾作用對被控變量的影響相反，才能使被控應與干擾作用對被控變量的影響相反，才能使被控變量值回復到給定值。為了保證負反饋，必須正確變量值回復到給定值。為了保證負反饋，必須正確選擇選擇調節器的正反作用。調節器的正反作用。給定值給定值測量變送器測量變送器控制器控制器執行器執行器對象對象操作量操作量被控變量被控變量干擾干擾過程控制系統與儀表過程控制系統與儀表 第第6章章為了說明選擇方法，先定義作用方向：為了說明選擇方法，先定義作用方向：當某個環節的輸入增加時，其輸出也增加，稱該當

38、某個環節的輸入增加時，其輸出也增加，稱該環節為環節為“正作用正作用”；反之，稱為；反之，稱為“反作用反作用” 。按此定義：按此定義：q變送器都是變送器都是正作用正作用q氣開閥是氣開閥是正正作用，氣關閥是作用，氣關閥是反反作用作用q被控對象有的被控對象有的正作用正作用，有的，有的反作用反作用q控制器作用方向以測量輸入與輸出的關系定義：控制器作用方向以測量輸入與輸出的關系定義：正作用：測量值正作用：測量值給定值給定值反作用：給定值反作用：給定值測量值測量值 過程控制系統與儀表過程控制系統與儀表 第第6章章MPa0100%0.020.060.10A閥閥B閥閥MPa0100%0.020.060.10A

39、閥閥B閥閥A、B均為正作用閥均為正作用閥A、B均為反作用閥均為反作用閥q氣開閥是氣開閥是正正作用，氣關閥是作用，氣關閥是反反作用作用過程控制系統與儀表過程控制系統與儀表 第第6章章控制系統中，各個環節的作用方向組合不當控制系統中，各個環節的作用方向組合不當的話，會使系統構成正反饋，不但不能起控制作用，的話，會使系統構成正反饋，不但不能起控制作用，反而會破壞生產過程的穩定。反而會破壞生產過程的穩定。 因為執行器和對象有正、反作用，為了保證控因為執行器和對象有正、反作用，為了保證控制系統負反饋，調節器必須有正、反作用之調整。制系統負反饋，調節器必須有正、反作用之調整。偏差偏差控制器控制器執行器執行

40、器對象對象變送器變送器給定值給定值被調參數被調參數干擾干擾測量值測量值正作用正作用反作用反作用正作用正作用正作用正作用過程控制系統與儀表過程控制系統與儀表 第第6章章 調節器正反作用的確定原調節器正反作用的確定原則：則：保證系統構成負反饋保證系統構成負反饋 簡單的判定方法：簡單的判定方法：閉合回閉合回路中有奇數個反作用環節。路中有奇數個反作用環節。偏差偏差控制器控制器執行器執行器對象對象變送器變送器給定值給定值被調參數被調參數干擾干擾測量值測量值反作用反作用正作用正作用正作用正作用正作用正作用過程控制系統與儀表過程控制系統與儀表 第第6章章例例1：加熱爐出口溫度控制系統：加熱爐出口溫度控制系統

41、負反饋驗證：負反饋驗證：設某時刻燃料壓力設某時刻燃料壓力燃料流量燃料流量爐溫爐溫出料溫度出料溫度TC輸入輸入 TC輸出輸出閥關小閥關小爐溫爐溫出料溫度出料溫度TTTC反反正正正正正正燃料燃料出料出料過程控制系統與儀表過程控制系統與儀表 第第6章章例例2：儲槽液位控制系統：儲槽液位控制系統LTLCM正正正正正正反反出料負反饋驗證：負反饋驗證：設某時刻進料量設某時刻進料量液位液位LC輸入輸入LC輸出輸出閥開大閥開大出料量出料量液位液位例題：例題： 下圖是鍋爐的液位的控制系統圖，試確定控制系統中各個下圖是鍋爐的液位的控制系統圖，試確定控制系統中各個環節的正、反作用方向以及控制閥的氣開、氣關形式。環節

42、的正、反作用方向以及控制閥的氣開、氣關形式。LC給水PC燃料燃燒室解：解： 單回路液位控制系統：單回路液位控制系統：對象對象 ：供水量增加時，液位升高，：供水量增加時，液位升高，故是故是 “+”方向方向執行器：從鍋爐安全的角度來看，執行器：從鍋爐安全的角度來看，應選應選“氣關閥氣關閥”即即“”方向，方向，以便當信號中斷時，能繼續供水。以便當信號中斷時，能繼續供水?？刂破鳎簯獮榭刂破鳎簯獮椤?”方向方向控制器控制器執行器執行器鍋爐汽包鍋爐汽包測量變送器測量變送器LsLf (干擾變量）干擾變量）Lme = Lm Lsum正負正補充題：補充題：圖為一蒸汽加熱器，利用蒸汽將物料加熱到所需溫度后排出，試

43、問：圖為一蒸汽加熱器，利用蒸汽將物料加熱到所需溫度后排出，試問： 影響物料出口溫度的主要因素有哪些？一般情況下，其中哪些為可控量，哪些影響物料出口溫度的主要因素有哪些？一般情況下，其中哪些為可控量，哪些為不可控量？為不可控量？如果要設計一溫度控制系統，一般應選擇什么量為被控變量和操縱變量？為什如果要設計一溫度控制系統，一般應選擇什么量為被控變量和操縱變量？為什么？么？如果物料溫度過高時會分解，試確定控制閥的氣開、氣關形式和控制器的正、如果物料溫度過高時會分解，試確定控制閥的氣開、氣關形式和控制器的正、反作用方向？反作用方向？ 答：答： 影響物料出口溫度的主要因素有：加熱蒸影響物料出口溫度的主要

44、因素有：加熱蒸汽的流量、壓力；被加熱物料的流量、入口溫度；汽的流量、壓力；被加熱物料的流量、入口溫度；傳熱情況等。一般情況下，可控量為加熱蒸汽流傳熱情況等。一般情況下，可控量為加熱蒸汽流量，其它量為不可控量。量，其它量為不可控量。 如果要設計一溫度控制系統，一般應選擇加如果要設計一溫度控制系統，一般應選擇加熱器內的物料溫度或物料出口溫度為被控變量，熱器內的物料溫度或物料出口溫度為被控變量，這是工藝生產中的主要直接操作指標。這是工藝生產中的主要直接操作指標。 應選擇加熱蒸汽量為操縱變量，因為它是可控量，應選擇加熱蒸汽量為操縱變量，因為它是可控量，而且對物料溫度的影響較顯著。而且對物料溫度的影響較

45、顯著。（3）應選氣開閥，反作用控制器。）應選氣開閥，反作用控制器。答：答： 影響物料出口溫度的主要因素有：加熱蒸影響物料出口溫度的主要因素有：加熱蒸汽的流量、壓力；被加熱物料的流量、入口溫度；汽的流量、壓力；被加熱物料的流量、入口溫度；傳熱情況等。一般情況下，可控量為加熱蒸汽流傳熱情況等。一般情況下，可控量為加熱蒸汽流量，其它量為不可控量。量，其它量為不可控量。 如果要設計一溫度控制系統，一般應選擇加熱如果要設計一溫度控制系統，一般應選擇加熱器內的物料溫度或物料出口溫度為被控變量，這器內的物料溫度或物料出口溫度為被控變量，這是工藝生產中的主要直接操作指標。是工藝生產中的主要直接操作指標。 應選

46、擇加熱蒸汽量為操縱變量，因為它是可控量，應選擇加熱蒸汽量為操縱變量，因為它是可控量，而且對物料溫度的影響較顯著。而且對物料溫度的影響較顯著。（3）應選氣開閥，反作用控制器。）應選氣開閥，反作用控制器。干擾作用干擾作用 T給定值給定值控制器控制器執行器執行器蒸汽加熱器蒸汽加熱器f溫度測量元件與變送器溫度測量元件與變送器Tse= Tm TsumTm偏差偏差控制信號控制信號操縱變量操縱變量出口溫度出口溫度正正正正反反正正課堂測驗：課堂測驗： 補充題補充題4：有一冷卻器，以冷卻水作為冷劑，來冷卻物料有一冷卻器，以冷卻水作為冷劑，來冷卻物料溫度，現選擇冷卻水流量為操縱變量，物料出口溫度為被溫度，現選擇冷

47、卻水流量為操縱變量，物料出口溫度為被控變量。試確定在下述三種情況下的控制閥氣開、氣關型控變量。試確定在下述三種情況下的控制閥氣開、氣關型式和控制器的正反作用方向。式和控制器的正反作用方向。 被冷卻物料溫度不能太高，否則對后續生產不利；被冷卻物料溫度不能太高，否則對后續生產不利； 被冷卻物料溫度不能太低，否則易凝結；被冷卻物料溫度不能太低，否則易凝結； 冷卻器置于室外，而該地區冬季溫度最低達冷卻器置于室外，而該地區冬季溫度最低達0以下。以下。課堂測驗：課堂測驗： 補充題補充題4：有一冷卻器，以冷卻水作為冷劑，來冷卻物料有一冷卻器，以冷卻水作為冷劑，來冷卻物料溫度，現選擇冷卻水流量為操縱變量，物料

48、出口溫度為被溫度，現選擇冷卻水流量為操縱變量，物料出口溫度為被控變量。試確定在下述三種情況下的控制閥氣開、氣關型控變量。試確定在下述三種情況下的控制閥氣開、氣關型式和控制器的正反作用方向。式和控制器的正反作用方向。 被冷卻物料溫度不能太高，否則對后續生產不利；被冷卻物料溫度不能太高，否則對后續生產不利； 被冷卻物料溫度不能太低，否則易凝結；被冷卻物料溫度不能太低，否則易凝結； 冷卻器置于室外，而該地區冬季溫度最低達冷卻器置于室外，而該地區冬季溫度最低達0以下。以下。答： 氣關型，反作用氣關型，反作用 氣開型，正作用氣開型，正作用 氣關型，反作用氣關型，反作用控制器控制器執行器執行器冷卻器冷卻器

49、測量變送器測量變送器LsLf (干擾變量）干擾變量）Lme = Lm Lsum負正？正過程控制系統與儀表過程控制系統與儀表 第第6章章6.3調節規律對控制品質的影響與調節規律選擇調節規律對控制品質的影響與調節規律選擇最簡單的調節規律是位式調節規律。最簡單的調節規律是位式調節規律。根據偏差根據偏差 e 的正、負，調節器輸出只有兩個的正、負，調節器輸出只有兩個位置：位置：0或或100%。0 e100%調節器輸出調節器輸出兩位式調節的特性兩位式調節的特性位式調節下，被控參數不位式調節下，被控參數不能穩定在給定值上。要獲得平能穩定在給定值上。要獲得平穩的高精度的調節，必須采用穩的高精度的調節，必須采用

50、連續調節規律。連續調節規律。確定調節系統的方案時，要根據對象的特性和工藝要求，選確定調節系統的方案時，要根據對象的特性和工藝要求，選擇合適的調節規律，使組成的調節系統滿足預期的品質指標。擇合適的調節規律，使組成的調節系統滿足預期的品質指標。過程控制系統與儀表過程控制系統與儀表 第第6章章比例調節的特點：比例調節的特點：比例調節器對于比例調節器對于偏差是即時反應，偏差一旦產生，偏差是即時反應，偏差一旦產生，調節器立即產生控制作用使被控量調節器立即產生控制作用使被控量朝著減小偏差的方向變化，控制作朝著減小偏差的方向變化，控制作用的強弱取決于比例系數。只有當用的強弱取決于比例系數。只有當偏差發生變化

51、時，控制量才變化。偏差發生變化時，控制量才變化。是最基本，最主要，應用最普遍的是最基本，最主要，應用最普遍的規律規律 缺點：缺點：不能消除靜差；不能消除靜差； 過大，會使過大，會使動態質量變壞，引起被控量振蕩甚至動態質量變壞，引起被控量振蕩甚至導致閉環不穩定。導致閉環不穩定。 PKn適用場合適用場合: :干擾少擾動幅度小，負荷變化不大，滯后干擾少擾動幅度小，負荷變化不大，滯后少，精度不高少，精度不高6.3調節規律對控制品質的影響與調節規律選擇調節規律對控制品質的影響與調節規律選擇1u(t)e(t)Pn積分控制作用是力圖消除余差。積分控制作用是力圖消除余差。調節器的輸出與偏差存在的時間調節器的輸

52、出與偏差存在的時間有關。只要偏差不為零，輸出就有關。只要偏差不為零，輸出就會隨時間不斷增加，并減小偏差，會隨時間不斷增加，并減小偏差，直至消除偏差，控制作用不再變直至消除偏差，控制作用不再變化，系統才能達到穩態。化，系統才能達到穩態。n純積分控制的缺點是純積分控制的缺點是降低響應速度。輸出變化總是滯后于降低響應速度。輸出變化總是滯后于偏差的變化，不能夠及時有效克服擾動的影響，所以不能單偏差的變化，不能夠及時有效克服擾動的影響，所以不能單獨使用獨使用特點1）可以消除余差；2）克服干擾不及時；3）穩定性差。01ytIedtT過程控制系統與儀表過程控制系統與儀表 第第6章章微分調節的特點：微分調節的

53、特點：在偏差出現或變化的瞬間，產生一在偏差出現或變化的瞬間，產生一個個正比于偏差變化率正比于偏差變化率的控制作用，它總是反對偏差向的控制作用，它總是反對偏差向任何方向的變化，偏差變化越快，反對作用越強。故任何方向的變化，偏差變化越快，反對作用越強。故微分作用的加入將微分作用的加入將有助于減小超調，克服振蕩，使系有助于減小超調，克服振蕩，使系統趨于穩定統趨于穩定。它加快了系統的動作速度，減小調整時。它加快了系統的動作速度，減小調整時間，從而改善了系統的動態性能。間，從而改善了系統的動態性能。 缺點：缺點： 太大，易引起系統不穩定。太大，易引起系統不穩定。 v微分控制的微分控制的優點：優點：能加快

54、系統的控制速度能加快系統的控制速度。缺點：缺點：偏偏差差存在但不變化時，無控制作用。存在但不變化時，無控制作用。yDdeTdt過程控制系統與儀表過程控制系統與儀表 第第6章章q 將將比例、積分、微分比例、積分、微分三種調節規律結合在一起三種調節規律結合在一起，只要三項作用的強度配合適當，既，只要三項作用的強度配合適當，既能快速能快速調節調節，又能消除余差，又能消除余差，可得到滿意的可得到滿意的控制控制效果。效果。011u(t)()PtDIdeeedtTTdt11G ( )(1)PDIsT sT s過程控制系統與儀表過程控制系統與儀表 第第6章章uq 在在PID調節中，調節中，比例作用是基礎；微

55、比例作用是基礎；微分作用可以加快系統分作用可以加快系統控制速度，減小超調；控制速度，減小超調；積分作用可以消除靜積分作用可以消除靜差。但不是任何對象差。但不是任何對象都是用都是用PID 控制最好?？刂谱詈谩＿^程控制系統與儀表過程控制系統與儀表 第第6章章對某一對象，用不同控制規律時階躍干擾過程比較被控變量被控變量t無控制作用無控制作用PPDPIDPI6.3.1.4 （PID）調節對系統控制品質的影響）調節對系統控制品質的影響過程控制系統與儀表過程控制系統與儀表 第第6章章上節教學內容上節教學內容(16)給定值給定值被控量被控量干擾干擾f 控制器控制器 變送器變送器執行器執行器被控對象被控對象+

56、e實測值實測值第第6章章 簡單控制系統的設計與參數整定簡單控制系統的設計與參數整定6.2簡單控制系統設計簡單控制系統設計6.3調節規律對控制品質的影響與調節規律選擇調節規律對控制品質的影響與調節規律選擇本節教學內容本節教學內容(17)給定值給定值被控量被控量干擾干擾f 控制器控制器 變送器變送器執行器執行器被控對象被控對象+e實測值實測值第第6章章 簡單控制系統的設計與參數整定簡單控制系統的設計與參數整定6.4調節器參數的工程整定方法調節器參數的工程整定方法6.5 簡單控制系統設計實例簡單控制系統設計實例第第 7 章章 復雜控制系統復雜控制系統6.3調節規律對控制品質的影響與調節規律選擇調節規

57、律對控制品質的影響與調節規律選擇過程控制系統與儀表過程控制系統與儀表 第第6章章6.3.2調節規律的選擇調節規律的選擇1、比例控制（、比例控制（P）適用于控制通道滯后較小、負荷變化不大、適用于控制通道滯后較小、負荷變化不大、工藝上沒有提出無差要求的系統，工藝上沒有提出無差要求的系統，2、比例積分控制（、比例積分控制（PI）適用于控制通道滯后較小、負荷變化不大、適用于控制通道滯后較小、負荷變化不大、工藝參數不允許有余差的系統。工藝參數不允許有余差的系統。3、比例微分控制（、比例微分控制（PD）適用于控制通道滯后較大的系統。例如加熱適用于控制通道滯后較大的系統。例如加熱較慢的溫度控制系統。較慢的溫

58、度控制系統。過程控制系統與儀表過程控制系統與儀表 第第6章章4、比例積分微分控制（、比例積分微分控制（PID）適用于容量滯后較大、負荷變化大、控制質適用于容量滯后較大、負荷變化大、控制質量要求較高的系統，應用最普遍的是溫度控制系統量要求較高的系統，應用最普遍的是溫度控制系統與成分控制系統。與成分控制系統。 TTTC 也可根據也可根據0/T0來選擇調節來選擇調節器的調節規律：器的調節規律： 0/T00.2，用，用P或或PI 0.20/T00.1，用，用PD或或PID 0/T00.1，用簡單控制系統效，用簡單控制系統效果不好。果不好。過程控制系統與儀表過程控制系統與儀表 第第6章章調節規律調節規律

59、優優 點點缺缺 點點應應 用用P靈敏、簡單，只有一靈敏、簡單，只有一個整定參數；個整定參數；存在靜差存在靜差負荷變化不顯著，工藝指標負荷變化不顯著，工藝指標要求不高的對象。要求不高的對象。PI能消除靜差，又控制能消除靜差，又控制靈敏靈敏對于滯后較大的對象，對于滯后較大的對象，比例積分調節太慢，效比例積分調節太慢，效果不好。果不好。應用于調節通道容量滯后較應用于調節通道容量滯后較小、負荷變化不大、精度要小、負荷變化不大、精度要求高的調節系統。例如，流求高的調節系統。例如，流量調節系統。量調節系統。PD增進調節系統的穩定增進調節系統的穩定度，可調小比例度，度，可調小比例度，而加快調節過程，減而加快

60、調節過程，減小動態偏差和靜差小動態偏差和靜差系統對高頻干擾特別敏系統對高頻干擾特別敏感，系統輸出易夾雜高感，系統輸出易夾雜高頻干擾。頻干擾。應用于調節通道容量滯后較應用于調節通道容量滯后較大，但調節精度要求不高的大，但調節精度要求不高的對象。對象。PID綜合了各類調節作用綜合了各類調節作用的優點，所以有更高的優點，所以有更高的調節質量。的調節質量。對于滯后很大，負荷變對于滯后很大，負荷變化很大的對象，化很大的對象，PID調調節也無法滿足要求，應節也無法滿足要求，應設計復雜調節系統設計復雜調節系統應用于調節通道容量滯后較應用于調節通道容量滯后較大、負荷變化較大、精度要大、負荷變化較大、精度要求高