1、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指由一個一個測量變送器、測量變送器、一個一個控制器、控制器、一個一個控制控制閥和閥和一個一個對象所構成的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過程控制系統與儀表過程控制系統與儀表 第第6章章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 LC LTTC206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表序號后

2、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Gc(s)Gm(s)Go(s)Gv(s)fixyu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、穩定性和經濟性三個方面。安全性、穩

3、定性和經濟性三個方面。 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控制系統方案設計、工過程控制系統設計包括控制系統方案設計、工程設計、工程安裝和儀表調校、調節器參數整定等程設計、工程安裝和儀表調校、調節器參數整定等四個主要內容。四個主要內容。 其中控制方案設計是控制系統設計的核心。其中控制方案設計是控制系統設計的核心。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

4、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。控制系統設計的關鍵步驟。 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6.2.2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、

5、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 LTh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

6、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

7、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塔頂（或塔要求是要使塔頂（或塔底）餾出物達到規定的底）餾出物達到規定的純度。按照被控變量的純度。按照被控變量的選擇原則選擇原則1，塔頂（或，塔頂（或塔底）餾出物的組分應塔底）餾出物的組分應作為被控變量。作為被控變量。但是，沒有合適但是，沒有合適的儀表在線檢測餾出物的儀表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

8、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都塔內壓力和塔內溫度都對餾出物純度有影響。對餾出物純度有影響。需要對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試驗得出，塔頂餾出物苯的濃度分別與壓力經試驗得出，塔頂餾出物苯的濃度分別與壓力和溫度有單值對應關系。（塔底餾出物甲苯也一樣）和溫度有單值對應

9、關系。（塔底餾出物甲苯也一樣）從工藝合理性考慮，選擇溫度作為被控變量。從工藝合理性考慮，選擇溫度作為被控變量。 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，選擇塔內溫度作被控變量，就是考上例中，選擇塔內溫度作被控變量，就是考慮了工藝上，塔內壓力是最佳分離效率控制系統的慮了工藝上，塔內壓力是最佳分離效率控制系統的被控變量。被控變量。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

10、的產品純度都分別設置溫控系統，會相互干擾，存在關聯。因此，若采置溫控系統，會相互干擾，存在關聯。因此，若采用簡單控制系統，只能設置一個溫控系統，保證塔用簡單控制系統，只能設置一個溫控系統，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。過程控制系統與儀表過程控制系統與儀表 第第6章章6.2.2.2控制變量選擇控制變量選擇把用來克服干擾對被控變量的影響，實現控制把用來克服干擾對被控變量的影響，實現控制作用的變量稱為作用的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。最常見的操縱變量是介質的流量，也有以轉速、電壓等作為操縱變量是介質的流量，也有以轉速、電壓等作為操縱變量的。縱變量

11、的。 LC TTh過程控制系統與儀表過程控制系統與儀表 第第6章章控制變量的確定控制變量的確定被控變量選定以后，應對工藝進行分析，找出被控變量選定以后，應對工藝進行分析，找出所有影響被控變量的因素。在這些變量中，有些是所有影響被控變量的因素。在這些變量中，有些是可控的，有些是不可控的。可控的，有些是不可控的。q在諸多影響被控變量的因素中選擇一個對被控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量，作為控制變量；變量影響顯著且便于控制的變量，作為控制變量；q其它未被選中的因素則視為系統的干擾。其它未被選中的因素則視為系統的干擾。被控變量被控變量影響變量影響變量過程控制系統與

12、儀表過程控制系統與儀表 第第6章章對象特性對控制品質影響的分析：對象特性對控制品質影響的分析：1過程（通道）靜態特性對控制品質的影響過程（通道）靜態特性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) 1)()(1)(sTKsGKsGsTKsGfffccooo過程控制系統與儀表過程控制系統與儀表

13、 第第6章章 被控參數被控參數y(t)受到設定信號受到設定信號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 ssFsGs 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) 過程控制系統與儀表過程控制系統與儀表 第第6章章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傳函可見，控制通道偏差和干擾通道偏差的傳函分母是一樣的。將分母是一樣的。將Gc(s)、 Go(s)代入：代

14、入：11sTK)s(GK)s(GsTK)s(Gfffccooo)()()()()(1)()()()(11)(sEsEsFsGsGsGsXsGsGsEfxocfoc+=+=11sTK)s(GK)s(GsTK)s(Gfffccooo000( )( )( )( )X ( )( )1( )( )1( )( )fcccGsGs GsY ssFsGs GsGs Gs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)()(sFsTKKsTsTsTKsFsGsGsGsEfcof

15、oofocff+=+=vK0越大，控制作用越強，穩態誤差越小；越大，控制作用越強，穩態誤差越小；vK0越大，被調參數對控制作用的反應越靈敏，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。系統的閉環穩定性越低。vKf越大，干擾作用越強，穩態誤差越大。越大，干擾作用越強，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。cffcxKKKeKKe001)(;11)(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1）干擾通道動態特性對控制品質的影響）干擾通道動態特性對控制品質的

16、影響 f( )(1)Y (s)( )( )1( )( )(1)(1)(1)ffocoofocfG sK T sF sF sG s G sT sT sK K T s干擾通道的慣性因子（干擾通道的慣性因子（Tf s+1）使干擾作用）使干擾作用的的影響緩慢。影響緩慢。vTf 越大，干擾對被控變量的影響越緩慢，越有越大，干擾對被控變量的影響越緩慢，越有利于控制。利于控制。 v干擾進入系統的位置離被控變量檢測點越遠，干擾進入系統的位置離被控變量檢測點越遠，則則Tf 越大，控制時最大偏差越小。越大，控制時最大偏差越小。f( )(1)Y (s)( )( )1( )( )(1)(1)(1)ffocoofocf

17、G sK T sF sF sG s G sT sT sK K T s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：某控制系統中，干擾某控制系統中，干擾f1、f2、f3分別在三個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越大，對被控變量的影響越慢。擾通道的時間常數越大，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過程控制系統與

18、儀表過程控制系統與儀表 第第6章章y(t)yk(t)tyy(t)ybt1+tt1yk(t) 開環響應曲線開環響應曲線y(t) 閉環響應曲線；閉環響應曲線；y(t) 控制器對偏差校正曲線控制器對偏差校正曲線yb 控制器的靈敏限控制器的靈敏限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成動態偏差較大。造成動態偏差較大。 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。

19、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 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)ffocoofocfG sK T sF sF sG s G sT sT sK K T s含有含有

20、e 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 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t系統控制性能的評價系統控制性能的評價cffcxKKKeKKe001)(;11)(mmaxK控制通道時間常數控制通道時間常數T0對控制品質的影響對控制品質的影響T0大大控制影響緩慢控制影響緩慢控制品質差控制品質差多個時間常數時，時間常數應錯開多個時間常數時，時間常數應錯開控制通道滯后控制通道滯后0對控制品質的影響對控制品質的影響包含控制器通道，臨界放大系數和臨界震蕩頻率包含控制器通道，臨界放大系數和臨界震蕩頻率過程控制系統與儀表過程控制系統與儀表 第第6章章2022

21、-3-2026單回路控制系統閉環傳遞函數單回路控制系統閉環傳遞函數ssesGsDesGsDsRsYs)()(1)()()()()(系統的特征方程為系統的特征方程為0)()(1 sesGsD 特征方程特征方程包含有包含有純滯后純滯后環節，使系統的穩定性下降，環節，使系統的穩定性下降，尤其當尤其當 較大時，系統就會較大時，系統就會不穩定不穩定。 圖圖18 18 帶純滯后環節的控制系統帶純滯后環節的控制系統 分析分析：過程控制系統與儀表過程控制系統與儀表 第第6章章GCGVGO2GFGmfreGO1yv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

22、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差ty2(t)yk(t)yy1(t)y1(t)y2(t)12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)22

23、0202GCGVGO2GFGmfreGO1y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，控制通道時間常數因此，控制通道時間常數T0 小一些好。表明控小一些好。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。 控制通道純滯后控制通道純滯后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。 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

24、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 控制變量的選擇原則：控制變量的選擇原則：1、控制變量可控；、控制變量可控；2、應比其他干擾對被控參數影響靈敏；控制通道應、應比其他干擾對被控參數影響靈敏；控制通道應當放大系數大、時間常數小、純滯后越小越好。當放大系數大、時間常數小、純滯后越小越好。3、應使干擾對被控參數影響減小；、應使干擾對被控參數影響減小；Kf，Tf，擾動位，擾動位置置4、當被控過程存在多個時間常數時，應使時間常數、當被控過程存在多個時間常數時，應使時間常數錯開，且其中一個時間常數比其他常數大很多錯開，且其中一個時間常數比其他常數大很

25、多5、除控制品質角度考慮外，還要考慮工藝的合理性除控制品質角度考慮外，還要考慮工藝的合理性與生產的經濟性。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 LThQiQo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、

26、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

27、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影響更迅速、對提餾段影響更迅速、更顯著。更顯

28、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。

29、應盡可能選測量儀表反應慢，會造成測量失真。應盡可能選擇時間常數小的傳感器、變送器。擇時間常數小的傳感器、變送器。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。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.

30、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，保證生產設備安全的原則按控制信號中斷時，保證生產設備安全的原則確定。確定。過程控制系統與儀表過程控制系統與儀表 第第6章章給水閥給水閥燃氣閥燃氣閥蒸汽蒸汽給水閥應選氣關式給水閥應選氣關式燃氣閥應選氣開

31、式燃氣閥應選氣開式安全原則安全原則過程控制系統與儀表過程控制系統與儀表 第第6章章回流閥應選氣關式回流閥應選氣關式產品質量原則產品質量原則進料閥應選氣開式進料閥應選氣開式減少浪費原則減少浪費原則工藝設備安全原則工藝設備安全原則易結晶、聚合物應采用氣關式易結晶、聚合物應采用氣關式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

32、復到給定值。為了保證負反饋，必須正確選擇調節器的正反作用。選擇調節器的正反作用。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變送器都是正作用變送器都是正作用q氣開閥是正作用，氣關閥是反作用氣開閥是正作用，氣關閥是反作用q被控對象有的正作用，有的反作用

33、被控對象有的正作用，有的反作用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：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器對象對象變送器

34、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負反饋驗證：負反

35、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 確定調節系統的方案時，要根據對象的特性和工確定調節

36、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。足預期的品質指標。 調節器的調節規律，即它的輸出量與輸入量（偏調節器的調節規律，即它的輸出量與輸入量（偏差值）之間的函數關系。差值）之間的函數關系。P = f ( e )-e- 測量值 給定值給定值 測量值調節器的作用是根據偏差，按規定的調節規律調節器的作用是根據偏差，按規定的調節規律產生輸出信號，推動執行機構，對生產過程進行調產生輸出信號，推動執行機構，對生產過程進行調節。節。過程控制系統與儀表過程控制系統與儀表 第第6章章6.3.1調節規律對控制品

37、質影響的分析調節規律對控制品質影響的分析 要正確地選擇調節規律，首先必須理解各要正確地選擇調節規律，首先必須理解各種調節規律對控制品質的影響。種調節規律對控制品質的影響。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位的正、負，調節器輸出只有兩個位置：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，必須采用連續調節規律。連續調節規律。過程控制系統與儀表

38、過程控制系統與儀表 第第6章章要使控制過程平穩準確，必須使用輸出值能連要使控制過程平穩準確，必須使用輸出值能連續變化的調節器，采用比例，微分、積分等算法進續變化的調節器，采用比例，微分、積分等算法進行調節。行調節。6.3.1.1比例（比例（P）調節對系統控制品質的影響）調節對系統控制品質的影響比例調節器輸出變化比例調節器輸出變化u (t) 隨輸入偏差隨輸入偏差e (t)成比成比例關系：例關系： U( )1G( )E( )PsssP比例度。比例度。 1u(t)e(t)P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 自力式水位比例控制系統自力式水位比例控制系統浮球為水位傳感器，杠桿為控制器

39、，活塞閥為浮球為水位傳感器，杠桿為控制器，活塞閥為執行器。如果某時刻執行器。如果某時刻Q2加大，造成水位下降，則浮加大，造成水位下降，則浮球帶動活塞提高，使球帶動活塞提高，使Q1加大阻止水位下降。加大阻止水位下降。杠桿杠桿a、b之比例關系，決定調節作用強弱。之比例關系，決定調節作用強弱。uabea1ueebP 如果如果e = 0，則活塞無，則活塞無法提高，法提高，Q1無法加大，調無法加大，調節無法進行。節無法進行。u過程控制系統與儀表過程控制系統與儀表 第第6章章比例帶的物理意義：比例帶的物理意義：比例帶比例帶P是放大倍數是放大倍數KC的倒數的倒數，其大小決定比例其大小決定比例控制作用的強弱。

40、控制作用的強弱。P越小，控制作用越強、系統調節越快、系統穩越小，控制作用越強、系統調節越快、系統穩定性越小。定性越小。P越小，控制余差越小。越小，控制余差越小。1u(t)e(t)Pq比例帶比例帶P對控制過程的影響對控制過程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 振蕩逐漸加劇振蕩逐漸加劇PPPPPuuuuu P越小，控制過程曲線越小，控制過程曲線越振蕩，周期縮短。越振蕩，周期縮短。 P越大，控制過程曲線越大，控制過程曲線越平穩，但控制過程時越平穩，但控制過程時間越長，余差也越大。間越長，余差也越大。出現等幅振蕩，這時的出現等幅振蕩，這時的比例度稱為比例度稱為臨界比例度臨界比例度P

41、min ，振蕩頻率稱為，振蕩頻率稱為臨臨界振蕩頻率界振蕩頻率M過程控制系統與儀表過程控制系統與儀表 第第6章章 q系統調節性能指標（又稱可控性指標）系統調節性能指標（又稱可控性指標）調節過程的概貌主要由四個品質指標來衡量：調節過程的概貌主要由四個品質指標來衡量： 1.1.衰減率：反映系統的穩定性衰減率：反映系統的穩定性2.2.振蕩頻率：反映調節速度振蕩頻率：反映調節速度3.3.余差：反映穩態精度余差：反映穩態精度4.4.最大動態偏差：反映動態精度最大動態偏差：反映動態精度上述指標的提高是有限度的，受制于控制系統上述指標的提高是有限度的，受制于控制系統的的臨界比例度臨界比例度Pmin 和臨界振蕩

42、頻率和臨界振蕩頻率M而被控對象的特性決定了控制系統而被控對象的特性決定了控制系統Pmin 和和M 的大小。的大小。過程控制系統與儀表過程控制系統與儀表 第第6章章臨界比例度臨界比例度Pmin的倒數是臨界放大倍數的倒數是臨界放大倍數KmaxKmax與與M的乘積的乘積KmaxM在一定程度上代表了在一定程度上代表了被控過程的控制性能。被控過程的控制性能。KmaxM越大，意味著：越大，意味著：1.控制器放大系數控制器放大系數Kc的可選上限越大（的可選上限越大（P的下限的下限越小），則系統穩態誤差越小。越小），則系統穩態誤差越小。2.控制系統可選的工作頻率控制系統可選的工作頻率c越大，則過渡過程越大，則

43、過渡過程越快。越快。因此，因此，KmaxM作為調節性能指標，作為調節性能指標，越大表明系越大表明系統的控制性能越好。統的控制性能越好。 可可用于工程上的簡便判斷。用于工程上的簡便判斷。過程控制系統與儀表過程控制系統與儀表 第第6章章v 比例控制的特點比例控制的特點q控制及時、適當。只要有偏差，輸出立刻成比控制及時、適當。只要有偏差，輸出立刻成比例地變化，偏差越大，輸出的控制作用越強。例地變化，偏差越大，輸出的控制作用越強。q控制結果控制結果存在余差。如果被調量偏差為零，調存在余差。如果被調量偏差為零，調節器的輸出也就為零節器的輸出也就為零 u = e/P即調節作用是以偏差存在為前提條件，不可能

44、即調節作用是以偏差存在為前提條件，不可能做到無靜差調節。做到無靜差調節。過程控制系統與儀表過程控制系統與儀表 第第6章章6.3.1.2積分（積分（I）調節與比例積分（）調節與比例積分（PI）調節對系）調節對系統控制質量的影響統控制質量的影響1 積分控制積分控制（I）輸出變化量輸出變化量p與輸入偏差與輸入偏差e的積分成正比的積分成正比001uSttIIedtedtT當輸入偏差當輸入偏差e是幅值為是幅值為e 的階躍時：的階躍時：01euetIIdttTTTI 積分時間積分時間tu過程控制系統與儀表過程控制系統與儀表 第第6章章 2 比例積分控制（比例積分控制（PI） 將比例與積分組合起來，這樣既控

45、制及時，又將比例與積分組合起來，這樣既控制及時，又能消除余差，可以用于控制精度要求高的場合。能消除余差，可以用于控制精度要求高的場合。若偏差是幅值為若偏差是幅值為e 的階躍干擾的階躍干擾e1u(1)PItTU( )11G( )(1)( )PIssE sT see ttu011u(e)PtIedtT過程控制系統與儀表過程控制系統與儀表 第第6章章積分時間的物理意義：積分時間的物理意義：t0I11u(edt)PTe11ue(1)PItT若偏差是幅值為若偏差是幅值為e的階躍的階躍:當當 t = TI 時時:I2u(T )ePq積分時間積分時間TI對控制過程的影響對控制過程的影響e e/P2e/Put

46、tTIe過程控制系統與儀表過程控制系統與儀表 第第6章章1.TI越大，積分作用越大，積分作用越弱，越弱， TI = ，積分作積分作用為零。用為零。TI減小，積分減小，積分作用增強，系統振蕩加作用增強，系統振蕩加劇，穩定性下降。因此，劇，穩定性下降。因此，加積分后，比例帶要適加積分后，比例帶要適當加大。當加大。2.如果如果T1適當，系統適當，系統能很快消除余差。能很快消除余差。 積分時間積分時間TI 對過渡過程的影響對過渡過程的影響uuuu過程控制系統與儀表過程控制系統與儀表 第第6章章q積分控制可以消除余差。積分控制可以消除余差。v 積分控制的特點積分控制的特點有偏差時，積分輸出隨時間增大（或

47、減小）；有偏差時，積分輸出隨時間增大（或減小）；當偏差消失時，輸出保持在某一值上。當偏差消失時，輸出保持在某一值上。ee ttuq積分輸出信號是隨時積分輸出信號是隨時間逐漸增強的，控制作用間逐漸增強的，控制作用緩慢，故一般積分作用不緩慢，故一般積分作用不單獨使用。單獨使用。過程控制系統與儀表過程控制系統與儀表 第第6章章 6.3.1.3比例微分（比例微分（PD）調節對系統控制品質的影響）調節對系統控制品質的影響 對于慣性較大的對象，常常希望能加快控制速度，對于慣性較大的對象，常常希望能加快控制速度，此時可增加微分作用。此時可增加微分作用。uDdeTdt式中：式中：TD 微分時間微分時間 dtd

48、e 偏差變化速度偏差變化速度 理想微分理想微分1 微分控制（微分控制（D）ee ttu過程控制系統與儀表過程控制系統與儀表 第第6章章q 微分控制能在偏差出現微分控制能在偏差出現或變化的瞬間，立即根據變或變化的瞬間，立即根據變化的趨勢，產生強烈的調節化的趨勢，產生強烈的調節作用，使偏差盡快地消除于作用，使偏差盡快地消除于萌芽狀態之中。萌芽狀態之中。q當偏差存在，但不變化時，微分輸出為零，當偏差存在，但不變化時，微分輸出為零，對對靜態偏差毫無抑制能力。因此不能單獨使用，總要靜態偏差毫無抑制能力。因此不能單獨使用，總要和比例或比例積分調節規律結合起來，組成和比例或比例積分調節規律結合起來，組成PD

49、調節調節器或器或PID調節器。調節器。v 微分控制的特點微分控制的特點eettu過程控制系統與儀表過程控制系統與儀表 第第6章章2 比例微分控制（比例微分控制（PD） 理想的比例微分控制理想的比例微分控制1u()PDdeeTdt1G( )(1)PDsT seettutu 理想的微分作用持續理想的微分作用持續時間太短，執行器來不及時間太短，執行器來不及響應。一般使用實際的比響應。一般使用實際的比例微分作用。例微分作用。過程控制系統與儀表過程控制系統與儀表 第第6章章微分時間的物理意義微分時間的物理意義1u()PDdeeTdtDau(tT )P 若偏差是系數為若偏差是系數為a的的斜坡信號斜坡信號:

50、當當 t = TD 時時:q微分時間微分時間TD對控制過程的影響對控制過程的影響DDau(T )2TPeuttTD2aTD/PaTD/Pa過程控制系統與儀表過程控制系統與儀表 第第6章章uuutttut TD較較小，控制小，控制速度稍有加快速度稍有加快 TD=0，純比，純比例控制過程例控制過程TD太大，太大，出現出現等幅振蕩等幅振蕩 TD合適合適，控制，控制速度明顯加快速度明顯加快 微分時間微分時間TD 對過渡過程的影響對過渡過程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v微分控制的微分控制的優點：優點：能加快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，

51、無控制作用。存在但不變化時，無控制作用。q 將比例、積分、微分三種調節規律結合在一起將比例、積分、微分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。

52、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。控制最好。過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

53、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

54、/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/T01，用，用PD或或PID 0/T01，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

55、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

56、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、精度要求高的對象。求高的對象。過程控制系統與儀表過程控制系統與儀表 第第6章章 振蕩逐漸加劇振蕩逐漸加劇PPPPPuuuuu P越小，控制過程曲線越小，控制過程曲線越振蕩，周期縮短。越振蕩，周期縮短。 P越大，控制過程曲線越大，控制過程曲線越平穩，但控制過程時越平穩，但控制過程時間越長，余差也越大。間越長，余差也越大。出現等幅振蕩，這時的出現等幅振蕩，

57、這時的比例度稱為比例度稱為臨界比例度臨界比例度Pmin ，振蕩頻率稱為，振蕩頻率稱為臨臨界振蕩頻率界振蕩頻率M過程控制系統與儀表過程控制系統與儀表 第第6章章1.TI越大，積分作用越大，積分作用越弱，越弱， TI = ，積分作積分作用為零。用為零。TI減小，積分減小，積分作用增強，系統振蕩加作用增強，系統振蕩加劇，穩定性下降。因此，劇，穩定性下降。因此，加積分后，比例帶要適加積分后，比例帶要適當加大。當加大。2.如果如果T1適當，系統適當，系統能很快消除余差。能很快消除余差。 積分時間積分時間TI 對過渡過程的影響對過渡過程的影響uuuu過程控制系統與儀表過程控制系統與儀表 第第6章章uuut

58、ttut TD較較小，控制小，控制速度稍有加快速度稍有加快 TD=0，純比，純比例控制過程例控制過程TD太大，太大，出現出現等幅振蕩等幅振蕩 TD合適合適，控制，控制速度明顯加快速度明顯加快 微分時間微分時間TD 對過渡過程的影響對過渡過程的影響 TD=0 TD較小較小 TD合適合適 TD太大太大過程控制系統與儀表過程控制系統與儀表 第第6章章過程控制系統與儀表過程控制系統與儀表 第第6章章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在控制系統設計或安裝完畢后，被控對象、在控制系統設計或安裝完畢后，被控對象、測量變送器和執行器這三部分的特性就完全確定測量變送器和執行器這三部分的特性就

59、完全確定了，不能任意改變。只能通過控制器參數的工程了，不能任意改變。只能通過控制器參數的工程整定，來調整控制系統的穩定性和控制質量。整定，來調整控制系統的穩定性和控制質量。控制器參數的整定控制器參數的整定，就是按照已定的控制方，就是按照已定的控制方案，求取使控制質量最好的控制器參數值。具體案，求取使控制質量最好的控制器參數值。具體來說，就是確定最合適的控制器比例度來說，就是確定最合適的控制器比例度P、積分時積分時間間TI，和微分時間和微分時間TD。過程控制系統與儀表過程控制系統與儀表 第第6章章就是通過一定的方法和步驟，確定系統處于就是通過一定的方法和步驟，確定系統處于最佳過渡過程最佳過渡過程

60、時，控制器比例度時，控制器比例度P、積分時間積分時間TI，和微分時間和微分時間TD。所謂的最佳就是在一定的評價標準下得到的，所謂的最佳就是在一定的評價標準下得到的，通用的標準為衰減比通用的標準為衰減比4：1，10：1。在這個前提下，。在這個前提下，盡量滿足準確性和快速性要求，即絕對誤差積分盡量滿足準確性和快速性要求，即絕對誤差積分時間最小，這時系統不僅具有適當的穩定性和快時間最小，這時系統不僅具有適當的穩定性和快速性，而且又便于人工操作和管理。習慣上把滿速性，而且又便于人工操作和管理。習慣上把滿足這一衰減過程的調節器參數稱為最佳參數足這一衰減過程的調節器參數稱為最佳參數過程控制系統與儀表過程控