1、第二章第二章 過程裝備控制基礎過程裝備控制基礎| 簡單過程控制系統的設計。簡單過程控制系統的設計。| 工業常用復雜控制系統的結構、工業常用復雜控制系統的結構、特點及應用。特點及應用。 它們中的多數系統仍只有一個它們中的多數系統仍只有一個( (或一個主要的或一個主要的) )被控變量，仍被控變量，仍參照簡單控制系統的基本原理參照簡單控制系統的基本原理來分析和設計，仍是經典控制來分析和設計，仍是經典控制理論發展的產物。理論發展的產物。|對被控對象作全面了解。對被控對象作全面了解。|解決控制方案和調節器參數的解決控制方案和調節器參數的整定。整定。|系統投運。系統投運。| 控制系統控制質量的優劣控制系統

2、控制質量的優劣過程控制中最重要的問題，取過程控制中最重要的問題，取決于決于自動控制系統的結構自動控制系統的結構及其及其各個環節的特性各個環節的特性。| 被控對象的特性被控對象的特性由由生產工生產工藝過程藝過程和和工藝設備工藝設備決定，在控決定，在控制系統的設計中無法改變。只制系統的設計中無法改變。只有深刻了解被控對象的特性，有深刻了解被控對象的特性，才能得到良好的控制質量。才能得到良好的控制質量。|被控對象的特性：被控對象的特性：是指當被控對是指當被控對象的輸入變量發生變化時，其輸象的輸入變量發生變化時，其輸出變量隨時間的變化規律出變量隨時間的變化規律( (包括變包括變化的大小、速度等化的大小

3、、速度等) )。通常所講的。通常所講的對象特性是對象特性是指控制通道的對象特指控制通道的對象特性性。 對一個被控對象來說，其輸對一個被控對象來說，其輸出變量就是控制系統的被控變量，出變量就是控制系統的被控變量，而其輸入變量則是控制系統的操而其輸入變量則是控制系統的操縱變量和干擾作用。縱變量和干擾作用。|通道：通道：被控對象輸入變量與輸被控對象輸入變量與輸出變量之間的聯系。出變量之間的聯系。|控制通道：控制通道：操縱變量與被控變操縱變量與被控變量之間的聯系。量之間的聯系。|干擾通道：干擾通道：干擾作用與被控變干擾作用與被控變量之間的聯系。量之間的聯系。| 以工業過程中最簡單的以工業過程中最簡單的

4、水槽液水槽液位對象位對象為例分析推導。為例分析推導。 在連續生產過程中，最基在連續生產過程中，最基本的關系是物料平衡和能量本的關系是物料平衡和能量平衡。平衡。 在靜態條件在靜態條件下，單位時間流入下，單位時間流入對象的物料對象的物料( (或能量或能量) )等于從系統中等于從系統中流出的物料流出的物料( (或能量或能量) )；在；在動態條件動態條件下，單位時間流入對象的物料下，單位時間流入對象的物料( (或或能量能量) )與單位時間從系統中流出的與單位時間從系統中流出的物料物料( (或能量或能量) )之差等于系統內物料之差等于系統內物料( (或能量或能量) )貯存量的變化率。貯存量的變化率。 被

5、控對象的數學描述就是由這被控對象的數學描述就是由這兩種關系推導出來的微分方程式。兩種關系推導出來的微分方程式。水槽液位對象水槽液位對象：（1 1）單容液位對象）單容液位對象l有自衡特性的單容對象有自衡特性的單容對象l無自衡特性的單容對象無自衡特性的單容對象（2 2）雙容液位對象）雙容液位對象圖圖2-1 2-1 有自衡單容液位對象有自衡單容液位對象H H：液位，輸出變量：液位，輸出變量qv1qv1，qv2qv2：體積流量：體積流量R Rs s1 1，R Rs s2 2：閥門：閥門 顯然，在任何時刻水位的變化均顯然，在任何時刻水位的變化均滿足下面的物料平衡關系：滿足下面的物料平衡關系： （2-12

6、-1） V水槽內液體的貯存量水槽內液體的貯存量(液體體積液體體積)； t時間；時間； dV/dt貯存量的變化率。貯存量的變化率。 設水槽的橫截面積為設水槽的橫截面積為A，是一，是一個常數，則因為個常數，則因為 （2-2） 所以所以 （2-3） 靜態情況時：靜態情況時： dV/dt = 0dV/dt = 0 qv1 = qv2 qv1 = qv2qv1qv1變化變化 液位液位H H變化變化 水槽出水槽出口處靜壓液變化口處靜壓液變化 qv2 qv2變化。變化。 假設假設qv1qv1變化量很小，可近似變化量很小，可近似認為流出量取認為流出量取qv2qv2與液位與液位H H成正比關成正比關系，與出水閥

7、的水阻系，與出水閥的水阻R Rs s成反比關系，成反比關系，即即(2-4)(2-4) 在討論被控對象的特性時，所在討論被控對象的特性時，所研究的是未受任何人為控制的被控研究的是未受任何人為控制的被控對象，因而出水閥的開度不變，阻對象，因而出水閥的開度不變，阻力力R Rs s為常數。為常數。 將式將式(2-2)(2-2)和式和式(2-3)(2-3)代入式代入式(2-1)(2-1)，整理得，整理得(2-5)(2-5) 令令T=ART=ARs s，K=RK=Rs s，代入，代入(2-5)(2-5)，得，得(2-6)(2-6) 式式(2-6)(2-6)是用來描述單容水槽是用來描述單容水槽被控對象的微分

8、方程式，它是一個被控對象的微分方程式，它是一個一階常系數微分方程式一階常系數微分方程式。因此，通。因此，通常將這樣的被控對象叫做常將這樣的被控對象叫做一階被控一階被控對象對象。式。式(2-6)(2-6)中的中的T T稱為稱為時間常數時間常數，K K稱為被控對象的稱為被控對象的放大系數放大系數，它們，它們反映了被控對象的特性反映了被控對象的特性( (將在下一將在下一節中詳述節中詳述) )。 圖圖2-l2-l所示的水槽液位被控對所示的水槽液位被控對象象, ,在初始平衡狀態時，流入水槽在初始平衡狀態時，流入水槽的流量的流量qv1qv1等于流出水槽的流量等于流出水槽的流量qv2qv2，因此，液位穩定在

9、某一數值因此，液位穩定在某一數值H H0 0上，上，處于平衡狀態。在處于平衡狀態。在t t0 0時刻，若流人時刻，若流人量量qv1qv1突然有一階躍變化量突然有一階躍變化量 qv1qv1，則可由式則可由式(2-5)(2-5)求出相應的液體變求出相應的液體變化量化量(2-7)(2-7) 根據式根據式(2-7)(2-7)畫出圖畫出圖2-l2-l水槽水槽液位被控對象在階躍輸入作用下液位被控對象在階躍輸入作用下的特性曲線如圖的特性曲線如圖2-22-2所示。所示。0/1 1t tTHKqve 圖圖2-2 2-2 單容自衡特性曲線單容自衡特性曲線 從圖從圖(2-2)(2-2)曲線可以看出，在曲線可以看出，

10、在初始階段，由于初始階段，由于qv1qv1突然增加而流突然增加而流出量出量qv2qv2還沒有變化，因此液位還沒有變化，因此液位H H上上升速度很快；隨著液位的上升，水升速度很快；隨著液位的上升，水槽出口處的靜壓增大，因此槽出口處的靜壓增大，因此qv2qv2隨隨之增加，之增加，qv1qv1與與qv2qv2之間的差值就越之間的差值就越來越小，液位來越小，液位H H的上升速度就越來的上升速度就越來越慢。越慢。(2-8)(2-8) K K為常數，若為常數，若 qv1qv1為常數，為常數，液位又液位又重新回到平衡狀態，此時重新回到平衡狀態，此時qv1 = qv2qv1 = qv2 這就是這就是被控對象的

11、自衡特性被控對象的自衡特性。 由式由式(2-7)(2-7)和圖和圖2-22-2可以看出，可以看出，當當t t時時 定義：定義：被控對象的自衡特性輸入被控對象的自衡特性輸入變量發生變化破壞了被控對象的平變量發生變化破壞了被控對象的平衡而引起輸出變量變化時，在沒有衡而引起輸出變量變化時，在沒有人為干預的情況下，被控對象自身人為干預的情況下，被控對象自身能重新恢復平衡的特性。能重新恢復平衡的特性。 自衡持性有利于控制，在某些自衡持性有利于控制，在某些情況下，使用簡單的控制系統就能情況下，使用簡單的控制系統就能得到良好的控制質量，甚至有時可得到良好的控制質量，甚至有時可以不用設置控制系統。以不用設置控

12、制系統。圖圖2-3 2-3 無自衡單容液位對象無自衡單容液位對象 在此類被控對象中，泵的出口在此類被控對象中，泵的出口流量流量qv2qv2不隨液位變化而變化，因不隨液位變化而變化，因此對象的動態方程記為此對象的動態方程記為(2-9)(2-9) 在在t t0 0時刻之前，被控對象處于時刻之前，被控對象處于平衡狀態，平衡狀態，qv1 = qv2qv1 = qv2。假定在。假定在t t0 0時刻，水槽的流入量突然有一個階時刻，水槽的流入量突然有一個階躍變化躍變化 qv1qv1，由式，由式(2-9)(2-9)可得可得(2-10)(2-10) 由于水槽的流出量不變，所以由于水槽的流出量不變，所以當流入量

13、突然增加當流入量突然增加 qv1時，液位時，液位H將隨時間將隨時間t的推移恒速上升，不會的推移恒速上升，不會重新穩定下來，直至水槽頂部溢出，重新穩定下來，直至水槽頂部溢出，這就是這就是無自衡特性無自衡特性。 無自衡特性的被控對象在受到無自衡特性的被控對象在受到擾動作用后不能重新恢復平衡，因擾動作用后不能重新恢復平衡，因此控制要求較高。對這類被控對象此控制要求較高。對這類被控對象除必須施加除必須施加控制控制外，還常常設有外，還常常設有自自動報警系統動報警系統。圖圖2-5 2-5 雙容液位對象（雙容液位對象（ 式式(2-11)(2-11)與式與式(2-12)(2-12)相加得相加得(2-13)(2

14、-13) 同理，在同理，在qv2qv2、qv3qv3變化量極變化量極小時，水流出量與液位的關系近小時，水流出量與液位的關系近似為似為(2-14)(2-14)(2-15)(2-15) 將式將式(2-14)(2-14)和式和式(2-15)(2-15)代入代入式式(2-12)(2-12)并求微分后，經整理得并求微分后，經整理得(2-16)(2-16) 再將式再將式(2-15)(2-15)和式和式(2-16)(2-16)代入式代入式(2-13)(2-13)，經整理得，經整理得(2-17)(2-17) A A1 1、A A2 2分別為水槽分別為水槽1 1、2 2的橫截面積；的橫截面積； R Rs1s1、

15、R Rs2s2分別為水槽分別為水槽1 1、2 2的出水閥的出水閥阻力系數。阻力系數。 令令 則則(2-18)(2-18) 式式(2-18)(2-18)就是描述圖就是描述圖2-52-5所示所示雙容水槽被控對象的二階微分方雙容水槽被控對象的二階微分方程式。通常，這樣的被控對象叫程式。通常，這樣的被控對象叫做做二階被控對象二階被控對象。式中的。式中的T Tl l為水槽為水槽1 1的時間常數，的時間常數， T T2 2為水槽為水槽2 2的時間的時間常數，常數，K K為被控對象的放大倍數。為被控對象的放大倍數。圖圖2-62-6顯示了雙容水槽在階躍輸入顯示了雙容水槽在階躍輸入作用下的響應曲線。作用下的響應

16、曲線。圖圖2-6 2-6 二階對象特性曲線二階對象特性曲線 以上是液位被控對象的數學以上是液位被控對象的數學描述形式的推導，即數學模型的描述形式的推導，即數學模型的建立。對于其他類型比較簡單的建立。對于其他類型比較簡單的被控對象，如被控對象，如壓力罐的壓力被控壓力罐的壓力被控對象對象、熱交換器的溫度被控對象熱交換器的溫度被控對象等等，都可用該方法建立其數學等等，都可用該方法建立其數學模型。對于復雜的被控對象，直模型。對于復雜的被控對象，直 接用數學方法建立模型比較因難。接用數學方法建立模型比較因難。 數學模型除了用數學模型除了用方程式方程式表示表示外，還可以用外，還可以用圖形圖形、表格表格等形

17、式等形式來表示。來表示。-20246810121416-2.0-1.5-1.0-0.50.00.51.01.52.0 E / VpHHV2O5-V2O4V2O3VO43-HVO42-VO+2 VO2+V3+V2+V2O5VO12347911121314V56131324131321131315131316131322131318131319131320AB1013178TiOTiO2Ti Ti2O3Ti3+Ti2+1313261313251313281313301313341313321313271313311313330204060801004000500060007000800090001

18、0000110001200013000 (Mn,Fe)(Cr,V)2O4 SiO2 TiO2 Fe2.5Ti0.5O4 Fe2O3CountsPosition。2Theta4#3#2# 1#不同反應溫度下物相不同反應溫度下物相102030405060708090050001000015000200002500030000 2 ThetaIntensity (Counts)(001)(104)硅飽和系數硅飽和系數x混合情況混合情況時間（時間（s）30105090130200400600 由于其表觀活化能為由于其表觀活化能為11.84kJ/mol，表觀反應級數表觀反應級數0.92133。lgk與與

19、1000/T關系圖關系圖2(0.06261)0.00491 0.0008843exp0.001395rk反應速率常數與各因素的關系：反應速率常數與各因素的關系：釩渣粒度釩渣粒度反應溫度反應溫度31lg0.61839 100.64215kT 攪拌轉速攪拌轉速ln0.30459ln7.09105kR氧氣分壓氧氣分壓0ln0.92133ln9.95326kC 描述被控對象特性的參數描述被控對象特性的參數有有放大系數放大系數K K、時間常數時間常數T T、滯滯后時間后時間 。| 放大系數放大系數 式式(2-6)(2-6)以及式以及式(2-18)(2-18)中的中的K K就是對象的放大系數，又稱就是對象

20、的放大系數，又稱靜靜態增益態增益，是被控對象重新達到，是被控對象重新達到平衡狀態時的輸出變化量與輸平衡狀態時的輸出變化量與輸入變化量之比。入變化量之比。 如圖如圖2-22-2所示，水槽液位在階躍干所示，水槽液位在階躍干擾作用下產生變化，當它重新達擾作用下產生變化，當它重新達到平衡狀態時，液位到平衡狀態時，液位H H穩定在一個穩定在一個新的數值上。此時，輸出變化量新的數值上。此時，輸出變化量 H H與輸入變化量與輸入變化量 qvqv有式有式(2-8)(2-8)所所示的對應關系。示的對應關系。 由上述結果可歸納出有關放由上述結果可歸納出有關放大系數的幾個大系數的幾個一般性結論一般性結論。1)1)

21、放大系數放大系數K K表達了被控對象在干表達了被控對象在干擾作用下重新達到平衡狀態的性擾作用下重新達到平衡狀態的性能，是不隨時間變化的參數。所能，是不隨時間變化的參數。所以以K K是被控對象的靜態特性參數。是被控對象的靜態特性參數。| 在相同的輸入變化量作用下，被在相同的輸入變化量作用下，被控對象的控對象的K K越大，輸出變化量就越大，輸出變化量就越大，即輸入對輸出的影響越大，越大，即輸入對輸出的影響越大，被控對象的自身穩定性越差；反被控對象的自身穩定性越差；反之，之，K K越小，被控對象的穩定性越小，被控對象的穩定性越好。越好。線性對象線性對象：K K在任何輸入變化情況在任何輸入變化情況下都

22、是常數的被控對象。下都是常數的被控對象。非線性對象非線性對象：輸入不同的變化量其：輸入不同的變化量其放大系數不為常數的被控對象。放大系數不為常數的被控對象。非線性對象是比較難控制的。非線性對象是比較難控制的。 處于不同通道的放大系數處于不同通道的放大系數K K對對控制質量的影響是不一樣的。對控控制質量的影響是不一樣的。對控制通道而言，如果制通道而言，如果K K值大，則即使值大，則即使調節器的輸出變化不大，對被控變調節器的輸出變化不大，對被控變量的影響也會很大，控制很靈敏。量的影響也會很大，控制很靈敏。對于這種對象其控制作用的變化應對于這種對象其控制作用的變化應相應地和緩一些，否則被控變量波相應

23、地和緩一些，否則被控變量波動較大，不易穩定。動較大，不易穩定。 反之，反之，K K小，會使被控變量變化遲小，會使被控變量變化遲緩。對干擾通道而言，如果緩。對干擾通道而言，如果K K較小，較小，即使干擾幅度很大，也不會對被控即使干擾幅度很大，也不會對被控變量產生很大的影響。若變量產生很大的影響。若K K很大，很大，則當干擾幅度較大而又頻繁出現時，則當干擾幅度較大而又頻繁出現時，系統就很難穩定，除非設法排除于系統就很難穩定，除非設法排除于擾或者采用較為復雜的控制系統，擾或者采用較為復雜的控制系統，否則很難保證控制質量。否則很難保證控制質量。| 時間常數時間常數 式式(2-6)(2-6)以及式以及式

24、(2-18)(2-18)中的中的T T、T T1 1、T T2 2都叫做時間常數，它反映都叫做時間常數，它反映被控對象受到輸入作用后，輸被控對象受到輸入作用后，輸出變量達到新穩態值的快慢，出變量達到新穩態值的快慢，它決定了整個動態過程的長短。它決定了整個動態過程的長短。因此，它是被控對象的動態特因此，它是被控對象的動態特性參數。性參數。 圖圖2-72-7顯示了不同時間常數下顯示了不同時間常數下單容對象的響應曲線。隨著時間常單容對象的響應曲線。隨著時間常數數T T的增加，輸出量到達新穩態值的的增加，輸出量到達新穩態值的時間也變長。時間也變長。 處于不同通道的時間常數對控處于不同通道的時間常數對控

25、制系統的影響不一樣。制系統的影響不一樣。 對于控制通道對于控制通道，若時間常數，若時間常數T T大，大，則被控變量的變化較緩和，一般來講，則被控變量的變化較緩和，一般來講，這種對象比較穩定這種對象比較穩定，容易控制容易控制，但缺，但缺點是點是控制過于緩慢控制過于緩慢；若時間常數；若時間常數T T小，小，則則被控變量的變化速度快被控變量的變化速度快，不易控制不易控制。因此，時間常數太大或太小，對過程因此，時間常數太大或太小，對過程控制都不利?？刂贫疾焕?。 而而對于干擾通道對于干擾通道，時間常，時間常數大則有明顯的好處，此時數大則有明顯的好處，此時階躍階躍干擾對系統的影響會變得比較緩干擾對系統的影

26、響會變得比較緩和和，被控變量的變化平穩被控變量的變化平穩，對象，對象容易控制容易控制。| 滯后時間滯后時間 有不少化工對象，在受到有不少化工對象，在受到輸入變量的作用后，其被控變輸入變量的作用后，其被控變量并不立即發生變化，而是過量并不立即發生變化，而是過一段時間才發生變化，這種現一段時間才發生變化，這種現象稱為象稱為滯后現象滯后現象；滯后時間滯后時間是是描述對象滯后現象的動態參數。描述對象滯后現象的動態參數。 根據滯后性質的不同，滯根據滯后性質的不同，滯后時間可分為兩種：后時間可分為兩種： 1) 1) 傳遞滯后傳遞滯后 2) 2) 容量滯后容量滯后 1) 1) 傳遞滯后傳遞滯后 0 0 又叫

27、又叫純滯后純滯后，是由于，是由于信號信號的傳輸的傳輸、介質的輸送介質的輸送或或熱的傳熱的傳遞遞要經過一段時間而產生的，要經過一段時間而產生的，常用常用 0 0來表示。如圖來表示。如圖2-8(a)2-8(a)所所示的溶解槽。示的溶解槽。圖圖2-8(a) 2-8(a) 溶解槽溶解槽 圖圖2-8(a)2-8(a)中，料斗中的固體用中，料斗中的固體用皮帶輸送機送至溶解槽。在料斗加皮帶輸送機送至溶解槽。在料斗加大送料量后大送料量后( (即階躍輸入即階躍輸入) )，固體溶，固體溶質需等輸送機將其送到加料口并落質需等輸送機將其送到加料口并落入槽中后，才會影響溶解槽內溶液入槽中后，才會影響溶解槽內溶液的濃度。

28、若以料斗的加料量作為對的濃度。若以料斗的加料量作為對象的輸入，以溶液濃度作為對象的象的輸入，以溶液濃度作為對象的輸出，則其響應曲線如圖輸出，則其響應曲線如圖2-8(b)2-8(b)。圖圖2-8(b) 2-8(b) 溶解槽的階躍響應曲線溶解槽的階躍響應曲線 顯然純滯后顯然純滯后 0 0與皮帶輸送與皮帶輸送機傳送速度機傳送速度u u和傳遞距離和傳遞距離L L有如有如下關系下關系(2-19)(2-19) 2) 2) 容量滯后容量滯后 c c 一般是由于物料或能量的傳遞一般是由于物料或能量的傳遞過程中受到一定的阻力而引起的，過程中受到一定的阻力而引起的，或者說是由于容量數目多而產生的?；蛘哒f是由于容量

29、數目多而產生的。一般用容量滯后時間一般用容量滯后時間 c c來表征其滯來表征其滯后的程度，其主要特征是當輸入階后的程度，其主要特征是當輸入階躍作用后，被控對象的輸出變量開躍作用后，被控對象的輸出變量開始變化很慢，然后逐漸加快，接著始變化很慢，然后逐漸加快，接著又變慢，直至逐漸接近穩定值。又變慢，直至逐漸接近穩定值。 如圖如圖2-52-5所示的雙容液位對象，所示的雙容液位對象，從其響應曲線圖從其響應曲線圖2-62-6可以看出上述可以看出上述變化趨勢。容量滯后時間變化趨勢。容量滯后時間 c c就是在就是在響應曲線的拐點處作切線，切線與響應曲線的拐點處作切線，切線與時間軸的交點與被控變量開始變化時間

30、軸的交點與被控變量開始變化的起點之間的時間間隔就是容量滯的起點之間的時間間隔就是容量滯后時間后時間 c c 。 從原理上講，傳遞滯后和容量從原理上講，傳遞滯后和容量滯后的本質是不向的，但實際上很滯后的本質是不向的，但實際上很難嚴格區分。當兩者同時存在時，難嚴格區分。當兩者同時存在時，通常把這兩種滯后時間加在一起，通常把這兩種滯后時間加在一起，統稱為統稱為滯后時間滯后時間，用，用 來表示，即來表示，即 = = 0 0 + + c c 在控制系統中，滯后的影響與在控制系統中，滯后的影響與其所在的通道有關。對控制通道來其所在的通道有關。對控制通道來講，滯后的存在不利于控制。例如，講，滯后的存在不利于

31、控制。例如，調節間距對象較遠，控制作用的效調節間距對象較遠，控制作用的效果要隔一段時間才能顯現出來，這果要隔一段時間才能顯現出來，這將使控制不夠及時，在干擾出現后將使控制不夠及時，在干擾出現后不能迅速調節，嚴重影響控制質量；不能迅速調節，嚴重影響控制質量； 對于干擾通道，對于干擾通道，純滯后只是推遲純滯后只是推遲了干擾作用的時間，因此對控制了干擾作用的時間，因此對控制質量沒有影響；而容量滯后則可質量沒有影響；而容量滯后則可以緩和干擾對被控變量的影響，以緩和干擾對被控變量的影響，因而對控制系統是有利的。因而對控制系統是有利的。 對象特性的求取方法通常有對象特性的求取方法通常有兩種：兩種： 1)

32、1) 數學方法數學方法 2) 2) 實驗測定法實驗測定法數學方法：數學方法：從工藝過程的變化從工藝過程的變化機理出發，寫出各種有關的平機理出發，寫出各種有關的平衡方程衡方程( (如物料平衡方程、能量如物料平衡方程、能量平衡方程等平衡方程等) )，進而推導出被控，進而推導出被控對象的數學模型，得出其特性對象的數學模型，得出其特性參數，再結合實際進行理論分參數，再結合實際進行理論分析。析。| 實驗測定法實驗測定法：是通過對被控對：是通過對被控對象的實驗測試求出其特性參數。象的實驗測試求出其特性參數。 在工程上常常用在工程上常常用實驗方法實驗方法測定對象的動態特性，原因有測定對象的動態特性，原因有三

33、：三： 對象的動態特性雖可運用流動、對象的動態特性雖可運用流動、蒸發、化學反應、傳熱、吸收蒸發、化學反應、傳熱、吸收等物理化學基礎理論來推導求等物理化學基礎理論來推導求解，但由于具體對象的物理化解，但由于具體對象的物理化學過程是復雜的，在數學推導學過程是復雜的，在數學推導過程中必須作許多假設和簡化，過程中必須作許多假設和簡化，推導的結果尚需實驗測試來驗推導的結果尚需實驗測試來驗證；證； 實際工業對象的機理很復雜，實際工業對象的機理很復雜，有時甚至很難用數學方法推導，有時甚至很難用數學方法推導，這時只能用實驗方法來測定；這時只能用實驗方法來測定； 有許多被控對象的特性在運行有許多被控對象的特性在

34、運行過程中會隨工況變化而改變，過程中會隨工況變化而改變，或隨其他因素而改變，為了提或隨其他因素而改變，為了提高控制系統的品質，有時需要高控制系統的品質，有時需要采用自整定控制或自適應控制，采用自整定控制或自適應控制，這種系統就非得在運行過程中這種系統就非得在運行過程中用實驗方法測定對象的動態特用實驗方法測定對象的動態特性不可。性不可。 被控對象的實驗測定法被控對象的實驗測定法，就，就是給所要研究的對象人為地輸入是給所要研究的對象人為地輸入一個擾動信號，然后測取被控對一個擾動信號，然后測取被控對象輸出變量隨時間的變化規律，象輸出變量隨時間的變化規律，得出一系列的實驗數據或曲線，得出一系列的實驗數

35、據或曲線，這些數據和曲線就表征了一定的這些數據和曲線就表征了一定的被控對象特性。被控對象特性。 被控對象的實驗測定方法有多被控對象的實驗測定方法有多種，它們種，它們主要區別于所加入的輸入主要區別于所加入的輸入變量的信號形式變量的信號形式。下面介紹兩種常。下面介紹兩種常用的方法。用的方法。 1) 1) 響應曲線法響應曲線法 2) 2) 脈沖響應法脈沖響應法響應曲線法：響應曲線法：是用實驗的方法是用實驗的方法測定對象在階躍輸入作用下，測定對象在階躍輸入作用下，其輸出量隨時間的變化規律。其輸出量隨時間的變化規律。例如要測定圖例如要測定圖2-l2-l所示的單容水所示的單容水槽液位對象的動態特性，具體槽

36、液位對象的動態特性，具體做法是：假定在時間做法是：假定在時間t=tt=t0 0前，前，對象處于穩定狀態，流入水槽對象處于穩定狀態，流入水槽 的流量等于流出水槽的流量，即的流量等于流出水槽的流量，即qv1=qv2=qv0qv1=qv2=qv0，液位，液位H H保持不變；在保持不變；在t t0 0時刻，突然開大進水聞時刻，突然開大進水聞l l，使對，使對象的輸入量象的輸入量qv1qv1增加增加 qv1qv1并一直保并一直保持不變，即加入一階躍輸入；測出持不變，即加入一階躍輸入；測出對象輸出量對象輸出量H H從從t t0 0時刻起隨時間時刻起隨時間t t的的變化規律，就得到水槽液位對象的變化規律，就

37、得到水槽液位對象的特性曲線，如圖特性曲線，如圖2-92-9所示。所示。圖圖2-9 2-9 響應曲線法響應曲線法 將測得的反應曲線轉化成近將測得的反應曲線轉化成近似的數學表達式有三個步驟。似的數學表達式有三個步驟。 求純滯后時間求純滯后時間：從：從t t0 0時刻起到時刻起到輸出開始變化的這段時間，即輸輸出開始變化的這段時間，即輸入變化而輸出不發生變化的這段入變化而輸出不發生變化的這段時間為純滯后時間。時間為純滯后時間。 求靜態放大倍數求靜態放大倍數：(2-20)(2-20) 求時間常數求時間常數T T：在反應曲線上找：在反應曲線上找到輸出量變化至終值到輸出量變化至終值63.263.2時的坐時的

38、坐標點，它所對應的時刻與輸出量開標點，它所對應的時刻與輸出量開始變化時的時刻之差就是時間常數始變化時的時刻之差就是時間常數T T。 響應曲線法是一種比較簡單的響應曲線法是一種比較簡單的對象特性實驗測定方法，但由于實對象特性實驗測定方法，但由于實際生產過程中的干擾因素較多，而際生產過程中的干擾因素較多，而且一般不允許輸入量變化太大，通且一般不允許輸入量變化太大，通常為額定值的常為額定值的5 5-10-10，因此這種，因此這種方法的方法的精度較差精度較差。脈沖響應法：脈沖響應法：是用實驗的方法是用實驗的方法測取對象在矩形脈沖輸入信號測取對象在矩形脈沖輸入信號作用下，其輸出量隨時間的變作用下，其輸出

39、量隨時間的變化規律。當對象處于穩定工況化規律。當對象處于穩定工況下，在時刻下，在時刻t t0 0突然加入一階躍輸突然加入一階躍輸入量，作用一段時間后，在入量，作用一段時間后，在t t1 1時時刻再突然撤除該階躍信號，測刻再突然撤除該階躍信號，測 出輸出量從出輸出量從t t0 0時刻起隨時間的變化時刻起隨時間的變化規律，如圖規律，如圖2-102-10所示。所示。圖圖2-10 2-10 脈沖響應法脈沖響應法 矩形脈沖響應曲線與階躍響應矩形脈沖響應曲線與階躍響應曲線有著密切的關系?？梢詫⒕匦吻€有著密切的關系。可以將矩形脈沖看作是脈沖看作是t t0 0時刻的正向階躍信號時刻的正向階躍信號x x0 0

40、與與t t1 1時刻的反向階躍信號時刻的反向階躍信號-x-x0 0的組的組合信號，那么其響應曲線也就是這合信號，那么其響應曲線也就是這兩條階躍響應曲線的合成曲線，即兩條階躍響應曲線的合成曲線，即 y(t)=y y(t)=yl l(t)-y(t)-yl l(t-(t- t t) )，其中，其中 t t=t=t1 1-t-t0 0。根據這個關系，可以。根據這個關系，可以很容易地得到完整的脈沖響應曲很容易地得到完整的脈沖響應曲線，從而求得對象的特性參數。線，從而求得對象的特性參數。 用矩形脈沖干擾來測取對象特用矩形脈沖干擾來測取對象特性時，由于加在對象上的干擾經過性時，由于加在對象上的干擾經過一段時

41、間即被除去，因此一段時間即被除去，因此干擾的幅干擾的幅度可取的較大度可取的較大，以，以提高實驗的精度提高實驗的精度；同時，對象輸出量又不至于長時間同時，對象輸出量又不至于長時間地偏離給定值，因而對正常生產影地偏離給定值，因而對正常生產影響較小。所以，這種方法是測定對響較小。所以，這種方法是測定對象特性常用的方法之一。象特性常用的方法之一。 除上述方法外，還可采用不同除上述方法外，還可采用不同頻率的正弦波和矩形波信號作為對頻率的正弦波和矩形波信號作為對象的輸人信號來測取對象的動態特象的輸人信號來測取對象的動態特性，即性，即頻域方法頻域方法；或直接利用對象；或直接利用對象正常運行狀態下的數據或對象

42、在特正常運行狀態下的數據或對象在特殊信號殊信號( (如偽隨機倍導如偽隨機倍導) )作用下的響作用下的響應數據進行分析統計獲得對象的動應數據進行分析統計獲得對象的動態特性，即態特性，即統計方法統計方法。 單回路控制系統單回路控制系統：又稱：又稱簡單控制系統簡單控制系統，是，是指由一個被控對象、一個檢測元件及變送器、指由一個被控對象、一個檢測元件及變送器、一個調節器和一個執行器所構成的閉合系統，一個調節器和一個執行器所構成的閉合系統，其方框圖如圖其方框圖如圖1-21-2所示。所示。 簡單回路控制系統簡單回路控制系統結構結構簡單簡單、易于分析設計易于分析設計，投資投資少少、便于施工便于施工，并，并能

43、滿足一能滿足一般生產過程的控制要求般生產過程的控制要求，因，因此，在生產過程中得到廣泛此，在生產過程中得到廣泛應用。應用。| 首先應對被控對象做全面的了首先應對被控對象做全面的了解，包括其動靜態特性；解，包括其動靜態特性；| 對工藝過程、設備等進行深入對工藝過程、設備等進行深入了解；了解；| 確定正確的控制方案，包括合確定正確的控制方案，包括合理地選擇被控變量與操縱變量，理地選擇被控變量與操縱變量，選擇合適的檢測變送元件及檢選擇合適的檢測變送元件及檢測位置，選用恰當的執行器、測位置，選用恰當的執行器、調節器以及調節器控制規律等；調節器以及調節器控制規律等；| 將調節器的參數整定到最佳值。將調節

44、器的參數整定到最佳值。(1) (1) 被控變量的選擇被控變量的選擇 被控變量是生產過程中希望保持被控變量是生產過程中希望保持在定值的過程參數。在定值的過程參數。 影響一個生產過程正常操作的因影響一個生產過程正常操作的因素很多，但并非所有的影響因素素很多，但并非所有的影響因素都要進行控制，而且也不可能都都要進行控制，而且也不可能都加以控制。加以控制。 作為被控變量，它應是對提高產作為被控變量，它應是對提高產品質量和產量、促進安全生產、品質量和產量、促進安全生產、提高勞動生產率、節能等具有決提高勞動生產率、節能等具有決定作用的工藝變量。定作用的工藝變量。 因此，需要在了解工藝過程、控因此，需要在了

45、解工藝過程、控制要求的基礎上，分析各變量間制要求的基礎上，分析各變量間的關系，合理選擇被控變量。的關系，合理選擇被控變量。選擇被控變量的基本原則選擇被控變量的基本原則：| 作為被控變量，其信號最好能作為被控變量，其信號最好能夠直接測量獲得，并且測量和夠直接測量獲得，并且測量和變送環節的滯后也要比較小。變送環節的滯后也要比較小。1)1) 若被控變量信號無法直接獲取，若被控變量信號無法直接獲取，可選擇與之有單值函數關系的可選擇與之有單值函數關系的間接參數作為被控變量。間接參數作為被控變量。| 作為被控變量，必須是獨立變作為被控變量，必須是獨立變量。變量的數目一般可以用物量。變量的數目一般可以用物理

46、化學中的相律關系來確定。理化學中的相律關系來確定。| 作為被控變量，必須考慮工藝作為被控變量，必須考慮工藝合理性，以及目前儀表的現狀合理性，以及目前儀表的現狀能否滿足要求。能否滿足要求。 綜上所述，合理選擇被控變量綜上所述，合理選擇被控變量是單回路控制系統設計的第一步，是單回路控制系統設計的第一步，同時也是關系到控制方案成敗的關同時也是關系到控制方案成敗的關鍵。如果被控變量選擇不當，則不鍵。如果被控變量選擇不當，則不管組成什么形式的控制系統，也不管組成什么形式的控制系統，也不管配備多么精良的自動化設備，都管配備多么精良的自動化設備，都不能達到預期的控制效果。不能達到預期的控制效果。 (2) (

47、2) 操縱變量的選擇操縱變量的選擇 在控制系統中，用來克服干在控制系統中，用來克服干擾對被控變量的影響，控制作用的擾對被控變量的影響，控制作用的變量就是操縱變量。在化工和煉油變量就是操縱變量。在化工和煉油生產過程中，最常見的操縱變量是生產過程中，最常見的操縱變量是流量流量，也有，也有電壓電壓、轉速轉速等。等。 如圖如圖2-112-11所示的換熱器，已所示的換熱器，已知被控變量是被加熱介質的溫度，知被控變量是被加熱介質的溫度，那么，是選擇載熱體流量作為操縱那么，是選擇載熱體流量作為操縱變量，還是選擇被加熱介質的流量變量，還是選擇被加熱介質的流量作為操縱變量呢？這主要應從作為操縱變量呢？這主要應從

48、工藝工藝合理性合理性以及以及被控對象的特性被控對象的特性方面考方面考慮。慮。圖圖2-11 2-11 換熱器示意圖換熱器示意圖考慮工藝合理性考慮工藝合理性：對于圖：對于圖2-ll2-ll所示所示的換熱器，無論哪一個流量發的換熱器，無論哪一個流量發生變化，都會使被控變量生變化，都會使被控變量( (溫度溫度) )發生變化。從工藝合理性考慮，發生變化。從工藝合理性考慮，應選擇應選擇載熱體流量作為操縱變載熱體流量作為操縱變量量。 因為，被加熱介質一般為生產過程因為，被加熱介質一般為生產過程中需要使用的物料，用它的變化來中需要使用的物料，用它的變化來克服干擾因素的影響，達到溫度控克服干擾因素的影響，達到溫

49、度控制的目的，勢必會影響生產工藝過制的目的，勢必會影響生產工藝過程中的負荷，甚至影響正常的生產。程中的負荷，甚至影響正常的生產。而載熱體是用來加熱介質的，它不而載熱體是用來加熱介質的，它不直接影響生產所需物料量。直接影響生產所需物料量。 圖圖2-122-12所示為某物料濃度的所示為某物料濃度的控制系統。應選擇控制系統。應選擇稀釋水流量稀釋水流量作為作為操縱變量，而應盡量操縱變量，而應盡量避免避免選用主物選用主物料流量作為操縱變量。料流量作為操縱變量。圖圖2-12 2-12 濃度控制系統濃度控制系統考慮被控對象特性考慮被控對象特性：操縱變量選擇：操縱變量選擇的一般原則為：的一般原則為：(1)(1

50、) 使被控對象控制通道的放大系使被控對象控制通道的放大系數較大，時間常數較小，純滯后數較大，時間常數較小，純滯后時間越小越好；時間越小越好；(2)(2) 使被控對象干擾通道的放大系使被控對象干擾通道的放大系數盡可能小，時間常數越大越好。數盡可能小，時間常數越大越好。2-13 2-13 煉油和化工生產中最常見的煉油和化工生產中最常見的精餾過程示意圖精餾過程示意圖 根據工藝需要，選擇提餾段某根據工藝需要，選擇提餾段某板板( (一般為溫度變化最靈敏的板一般為溫度變化最靈敏的板靈敏板靈敏板) )的溫度作為被控變量，的溫度作為被控變量，那么，控制系統的任務就是維持靈那么，控制系統的任務就是維持靈敏板溫度

51、的恒定，使塔底產品的成敏板溫度的恒定，使塔底產品的成分滿足工藝要求。分滿足工藝要求。 在這個過程中，影響提餾段靈在這個過程中，影響提餾段靈敏板溫度的因素有：進料流量敏板溫度的因素有：進料流量qvqv、進料成分進料成分X X、進料溫度、進料溫度T T、回流流量、回流流量qvqv、回流溫度、回流溫度T T、加熱蒸汽流量、加熱蒸汽流量qvqv、冷凝器冷卻溫度以及塔壓冷凝器冷卻溫度以及塔壓p p等等。等等。從工藝角度分析可以知道，除回流從工藝角度分析可以知道，除回流量和加熱蒸汽量外，其他參數都不量和加熱蒸汽量外，其他參數都不允許作為操縱變量。允許作為操縱變量。 根據對象特性對控制質量的影響，根據對象特

52、性對控制質量的影響，在回流量與加熱蒸汽量兩者之間，選在回流量與加熱蒸汽量兩者之間，選擇加熱蒸汽量作為操縱變量更為恰當。擇加熱蒸汽量作為操縱變量更為恰當。因為回流量與提餾段溫度之間的控制因為回流量與提餾段溫度之間的控制通道時間常數太大，而加熱蒸汽且與通道時間常數太大，而加熱蒸汽且與提餾段溫度之間的控制通道時間常數提餾段溫度之間的控制通道時間常數小，滯后小，這樣構成的控制系統克小，滯后小，這樣構成的控制系統克服干擾能力強，可以獲得良好的控制服干擾能力強，可以獲得良好的控制質量。質量。 (3) (3) 檢測變送環節的影響檢測變送環節的影響 檢測變送環節在控制系統中起檢測變送環節在控制系統中起著著獲取

53、信息獲取信息和和傳送信息傳送信息的作用。一個的作用。一個控制系統如不能正確及時地獲取被控控制系統如不能正確及時地獲取被控變量變化的信息，并把這一信息及時變量變化的信息，并把這一信息及時傳送給調節器，就不可能及時有效地傳送給調節器，就不可能及時有效地克服干擾對被控變量的影響，甚至會克服干擾對被控變量的影響，甚至會產生誤調、失調等危及生產安全的問產生誤調、失調等危及生產安全的問題。題。z 純滯后純滯后 在過程控制中，由于檢測元件在過程控制中，由于檢測元件安裝位置的不適當將會產生純滯后。安裝位置的不適當將會產生純滯后。如圖如圖2-142-14所示為一所示為一pHpH控制系統，由控制系統，由于檢測電極

54、不能放置在流速較大的于檢測電極不能放置在流速較大的主管道，只能安裝在流速較小的支主管道，只能安裝在流速較小的支管道上，使得管道上，使得pHpH的測量引入純滯后的測量引入純滯后 0 0。圖圖2-14 pH2-14 pH控制系統控制系統(2-21)(2-21)l1 1、l2 2主管道、支管道的長度；主管道、支管道的長度；u1 1、u2 2主管道、支管道內流體的速主管道、支管道內流體的速度。度。圖圖2-15 2-15 蒸汽直接加熱系統蒸汽直接加熱系統 圖圖2-152-15所示是一個用蒸汽來控所示是一個用蒸汽來控制水溫的系統，蒸汽量的變化一定制水溫的系統，蒸汽量的變化一定要經過長度為要經過長度為L L

55、的路程以后才能反映的路程以后才能反映出來，這是由于蒸汽作用點與被控出來，這是由于蒸汽作用點與被控變量的測量點間相隔一定距離所致。變量的測量點間相隔一定距離所致。如果水的流速為如果水的流速為V V，則蒸汽量變化引，則蒸汽量變化引起的溫度變化需經過一段時間起的溫度變化需經過一段時間 = =L/VL/V才表現出來，才表現出來， 就是純滯后時間。就是純滯后時間。 純滯后使測量信號不能及時地純滯后使測量信號不能及時地反映被控變量的實際值，從而降低反映被控變量的實際值，從而降低了控制系統的控制質量。由檢測元了控制系統的控制質量。由檢測元件安裝位置所引入的純滯后是不可件安裝位置所引入的純滯后是不可避免的，因

56、此，在設計控制系統時，避免的，因此，在設計控制系統時，只能盡可能地減小純滯后時間，唯只能盡可能地減小純滯后時間，唯 一的方法就是一的方法就是正確選擇安裝檢測點正確選擇安裝檢測點位置位置，使檢測元件不要安裝在死角使檢測元件不要安裝在死角或容易結焦的地方或容易結焦的地方。當純滯后時間。當純滯后時間太大時，就必須考慮使用太大時，就必須考慮使用復雜控制復雜控制方案方案。z 測量滯后測量滯后 是指由測量元件本身特性所引是指由測量元件本身特性所引起的動態誤差。當測量元件感受被起的動態誤差。當測量元件感受被控變量的變化時，要經過一個變化控變量的變化時，要經過一個變化過程，才能反映被控變量的實際值，過程，才能

57、反映被控變量的實際值，這時測量元件本身就構成了一個具這時測量元件本身就構成了一個具有一定時間常數的慣性環節。有一定時間常數的慣性環節。 例如，測溫元件測量溫度時，例如，測溫元件測量溫度時，由于存在傳熱阻力和熱容，元件由于存在傳熱阻力和熱容，元件本身具有一定的時間常數本身具有一定的時間常數T Tm m，因而，因而測溫元件的輸出總是滯后于被控測溫元件的輸出總是滯后于被控變量的變化。如果把這種測量元變量的變化。如果把這種測量元件用于控制系統，調節器接受的件用于控制系統，調節器接受的是一個失真的信號，不能發揮正是一個失真的信號，不能發揮正確的作用，因而影響控制質量。確的作用，因而影響控制質量。 克服測

58、量滯后的方法克服測量滯后的方法，通常有，通常有兩種：兩種： (1)(1) 盡量選用快速測量元件，以測盡量選用快速測量元件，以測量元件的時間常數為被控對象的量元件的時間常數為被控對象的時間常數的十分之一以下為宜；時間常數的十分之一以下為宜； (2)(2) 在測量元件之后引入微分作用。在測量元件之后引入微分作用。在調節器中加入微分控制作用，在調節器中加入微分控制作用，使調節器在偏差產生的初期，根使調節器在偏差產生的初期，根據偏差的變化趨勢發出相應的控據偏差的變化趨勢發出相應的控制信號。采用這種超前補償作用制信號。采用這種超前補償作用來克服測量滯后，如果應用適當，來克服測量滯后，如果應用適當，可以大

59、大改善控制質量。可以大大改善控制質量。z 傳遞滯后傳遞滯后 即即信號傳輸滯后信號傳輸滯后，主要是由于，主要是由于氣壓信號在管路傳送過程中引起的氣壓信號在管路傳送過程中引起的滯后滯后( (電信號的傳遞滯后可以忽略電信號的傳遞滯后可以忽略不計不計) )。 在采用氣動儀表實現集中控在采用氣動儀表實現集中控制的場合，調節器和顯示器均集制的場合，調節器和顯示器均集中安裝在中心控制室，而檢測變中安裝在中心控制室，而檢測變送器和執行器安裝在現場。在由送器和執行器安裝在現場。在由測量變送器至調節器和由調節器測量變送器至調節器和由調節器至執行器的信號傳遞中，由于管至執行器的信號傳遞中，由于管 線過長就形成了傳遞

60、滯后。由于傳線過長就形成了傳遞滯后。由于傳遞滯后的存在，調節器不能及時遞滯后的存在，調節器不能及時地接受測量信號，也不能將控制地接受測量信號，也不能將控制信號及時地送到執行器上，因而信號及時地送到執行器上，因而降低控制系統的控制質量。降低控制系統的控制質量。 傳遞滯后總是存在的，傳遞滯后總是存在的，克服克服或減小信號傳遞滯后的方法有或減小信號傳遞滯后的方法有： (1) (1) 盡量縮短氣壓信號管線的長盡量縮短氣壓信號管線的長度，一般不超過度，一般不超過300m300m； (2) (2) 改用電信號傳遞，即先用氣改用電信號傳遞，即先用氣電轉換器把調節器輸出的氣壓信電轉換器把調節器輸出的氣壓信號變