1、第三章 單回路反饋控制系統 簡稱：單回路控制系統、簡單控制系統 在所有反饋控制系統中，單回路反饋控制系統是最基本、結構最簡單的一種。 在生產過程控制中應用得最為廣泛的、并能解決大量控制問題的系統（70%）。 研究單回路系統的分析和設計方法，是研究復雜控制系統的基礎。1 單回路系統的結構組成2 被控變量的選擇3 對象特性對控制質量的影響及操縱變量的選擇4 控制閥的選擇5 測量、傳送滯后對控制質量的影響及其克服的方法6 控制器參數對控制質量的影響及控制規律的選擇7 單回路系統的整定本章內容第一節 單回路系統的結構組成舉例舉例 ： 如圖所示的水槽，流入量 F1、流出量F2，為了控制水槽的液位L不變，

2、擇相應的測量變送器、控制器、控制閥，并按左圖組成單回反饋控制系統。一、系統的組成F1F2圖1-1 水槽圖1-2 水槽液位控制系統LTLCF2F1sp“反作用”注： LC表示液位控制器， sp代表控制器的給定值。 假定控制閥為氣閉，控制器為反作用。 偏差：測量信號與給定值之差。 當測量值大于給定值時，偏差為正，反之為負。LTLCF2F1sp“反作用”第一種情況（初始狀態：平衡狀態F1=F2）入口閥突然開大 F1F2 L 正偏差 輸出減小 控制閥 F2 LF1=F2 系統達到新的平衡LTLCF2F1sp“反作用”入口閥突然開小 F1F1L 負偏差 輸出增大 控制閥F2 L F1=F2系統達到新的平

3、衡出口閥突然關小 F1F2 L 正偏差 輸出減小 控制閥 F2 L F1=F2系統達到新的平衡LTLCF2F1sp“反作用”變送器控制器控制閥控制對象+-給定測量干擾液位偏差單回路控制系統方框圖Gc(s)Gm(s)Gv(s)Go(s)Gf(s)+-+R(S)E(S)U(S)Q(S)Y(S)F(S)X(S)Gc(s)Gm(s)Gv(s)Go(s)Gf(s)+-+R(S)E(S)U(S)Q(S)Y(S)F(S)X(S)Gc(S)：控制器傳遞函數Gv(S)：控制閥傳遞函數Gm(S) 變送器傳遞函數Go(S)：對象控制通道的傳函Gf(S)：對象擾動通道的傳函R(S)：給定值的拉氏變換式X(S)：測量值

4、的拉氏變換式E(S)：偏差的拉氏變換式U(S)：控制信號的拉氏變換式Q(S)：操縱變量的拉氏變換式Y(S)：被控變量的拉氏變換式F(S)：擾動信號的拉氏變換式幾點說明：n 圖中的各個信號值都是增量初始狀態為零；圖中箭頭表示的是信號流向，而不是物料或能量的流向。n 各環節的增益有正、負之別： 控制器：正作用時增益為“負” 反作用時增益為“正” 控制閥：氣開閥增益為“正” 氣閉閥增益為“負” 變送器：一般為“正” 控制對象：根據操縱變量Q(S)的變化引起被控變量 Y(S)的變化來確定 Q(S) Y(S) 增益為“正”,反之為“負”上例中當控制閥裝在出口處時，對象增益為上例中當控制閥裝在出口處時，對

5、象增益為“負負”； 當控制閥裝在入口處時，對象增益為當控制閥裝在入口處時，對象增益為“正正” 整個系統必須是一個負反饋系統，因此自整個系統必須是一個負反饋系統，因此自R(S)至至X(S)的各個環節增益的各個環節增益的乘積必須是正值。的乘積必須是正值。n在方框圖中，各環節在方框圖中，各環節Gc(S)除外，其它環節合并成一個環節稱為廣義對象除外，其它環節合并成一個環節稱為廣義對象Gp(S)，它是由，它是由Gv(S)、 Go(S)、Gm(S)的乘積，所以整個系統就有控制器的乘積，所以整個系統就有控制器 Gc(S)和廣義對象和廣義對象Gp(S)所構成。所構成。(4)根據單回路控制系統方框圖，可知閉環系

6、統的輸入與輸出關系式是：Y(S)=1+GC(S)GV(S)Go(S)GM(S)1+GC(S)GV(S)GP(S)GM(S)GC(S)GV(S)Go(S)R(S)+GF(S)F(S)GF(S)GM(S)1+GC(S)GV(S)Go(S)GM(S)1+GC(S)GV(S)Go(S)GM(S)GC(S)GV(S)Go(S)GM(S)F(S)R(S)+X(S)=當R(S)=0時稱為定值控制系統（給定值不變）Gc(s)Gm(s)Gv(s)Go(s)Gf(s)+-+R(S)E(S)U(S)Q(S)Y(S)F(S)X(S) (5) 單回路系統的分類： 按被控變量的類型分： 溫度控制系統 壓力控制系統 流量控

7、制系統 液位控制系統 成分控制系統 二、特點1、它由一個測量變送裝置、一個控制器、一個控制閥和相應的被控對象所組成。2、控制器是根據被控變量與給定值的偏差來進行控制的。3、系統結構簡單，所需自動化技術工具少（儀表少），投資比較低，操作維護也比較方便，一般情況下都能滿足控制質量的要求。因此在生產過程中70%以上的控制系統是單回路控制系統。三、如何設計好單回路控制系統三、如何設計好單回路控制系統前提：充分了解具體的生產工藝、生產過程和控制前提：充分了解具體的生產工藝、生產過程和控制要求要求 正確選擇正確選擇被控變量和操作變量被控變量和操作變量 正確選擇正確選擇控制閥控制閥的開閉型式及其流量特性的開

8、閉型式及其流量特性 正確選擇正確選擇控制器控制器的類型及其正反作用的類型及其正反作用 正確選擇正確選擇測量變送測量變送裝置裝置 深入研究其特性對系統控制質量的影響情況深入研究其特性對系統控制質量的影響情況的重要性的重要性第二節 被控變量的選擇 3.2.1 被控變量的選擇是控制系統設計 的核心問題 被控變量的選擇直接關系到： 生產的穩定操作；產品產量和質量的提高；生產安全與勞動條件的改善3.2.2 被控變量的選擇：1、直接指標控制直接指標控制 對于以溫度、壓力、流量、液位為操作指標的生產過程，就選擇溫度、壓力、流量、液位為被控變量。2、簡接指標控制簡接指標控制 對于選擇質量指標作為被控變量，若存

9、在儀表無法測量產品成分或物性參數（密度、粘度等）時，可選擇一種間接的指標間接的指標、作為被控變量。該間接指標必須與直接指標存在單值的對應關系，并具有一定的變化靈敏度。舉例：苯、甲苯二元系統的精餾 假定該精餾塔的操作是要使塔頂假定該精餾塔的操作是要使塔頂(或塔底或塔底)餾出物達到餾出物達到規定的純度規定的純度后后，塔頂，塔頂(或塔底或塔底)餾出物的為餾出物的為組分組分xD(或或xW)，這里，這里XD應作為被控變應作為被控變量量，因為它就是工藝上的質量指標。，因為它就是工藝上的質量指標。塔頂餾出物的塔頂餾出物的組分組分xD檢測存在檢測存在困難：困難： 滯后太大滯后太大，可靠性不夠。，可靠性不夠。

10、不能直接以不能直接以xD(或或xW)作為被控變量作為被控變量進行直接指標控制。這時可以在與進行直接指標控制。這時可以在與xD有關的參數中找出合適的變量作為被有關的參數中找出合適的變量作為被控變量，進行間接指標控制。控變量，進行間接指標控制。 在二元系統的精餾中，當氣液兩相并存時，塔頂易揮發組分的在二元系統的精餾中，當氣液兩相并存時，塔頂易揮發組分的濃度濃度xD、塔頂溫度、塔頂溫度TD、壓力、壓力p三者之間有一定的關系。三者之間有一定的關系。 當壓力恒定時，組分當壓力恒定時，組分xD和溫度和溫度TD之間存在有單值對應的關系。之間存在有單值對應的關系。 P一定時：xD = f ( TD ) 組分與

11、溫度成單值對應關系, TD越高, xD越低。n 溫度一定時：xD = f ( p) 組分與壓力成單值對應關系, p越高, xD越大。TD, p中固定一個變量，選擇另一個作為間接指標代替質量指標成為被控變量？ 從工藝合理性考慮，常常選擇溫度作為被控變量。 這是因為： 第一，第一，在精餾塔操作中，壓力往往需要固定。只有將塔操作在規定的壓力下，才易于保證塔的分離純度，保證塔的效率和經濟性。如塔壓波動，就會破壞原來的汽液平衡，影響相對揮發度，使塔處于不良工況。同時、隨著塔壓的變化，往往還會引起與之相關的其他物料量的變化，影響塔的物料平衡，引起負荷的波動。 第二，第二，在塔壓固定的情況下，精餾塔各層塔板

12、上的壓力基本上是不變的，這樣各層塔板上的溫度與組分之間就有一定的單值對應關系。 由此可見，固定壓力，選擇溫度作為被控變量是可能的，也是合理的。在情況的許可時，應選擇質量指標參數作為被控變量。當不能選擇質量指標作為被控變量時，可選擇一個與產品質量指標有單值對應關系的間接指標參數作為被控變量。所選的間接指標參數必須有足夠大的變化靈敏度，以便反映產品質量的變化。在被控變量選擇時還需考慮到工藝的合理性和國內、外儀表生產的現狀 。被控變量的選擇的原則：第三節第三節 操縱變量（控制參數）的選擇操縱變量（控制參數）的選擇3.3.1 控制參數選擇的意義控制參數選擇的意義擾動作用：擾動作用： 由擾動通道對過程的

13、被控參數產生影響，力圖使被控參數偏離給定值。由擾動通道對過程的被控參數產生影響，力圖使被控參數偏離給定值。控制作用：控制作用： 由控制通道對過程的被控參數起主導影響，抵消擾動影響，使被控參數盡力維由控制通道對過程的被控參數起主導影響，抵消擾動影響，使被控參數盡力維持在給定值。持在給定值。操縱變量：操縱變量：用來克服干擾對被控變量的影響，實現控制作用的變量。用來克服干擾對被控變量的影響，實現控制作用的變量。 應把對被控變量影響顯著的可控因素作為操縱變量。應把對被控變量影響顯著的可控因素作為操縱變量。3.3.2 控制通道的靜態特性分析控制通道的靜態特性分析000( )1KW sT s( )1fff

14、KWsT s( )cW sKl 控制作用與干擾作用同時影響被控變量，其影響是相反的。l 控制作用與干擾作用是相互對立而存在。根據控制通道和擾動通道特性，及對根據控制通道和擾動通道特性，及對控制質量控制質量有影響選擇控制參數。有影響選擇控制參數。000(1)( )( )(1)(1)(1)ffcfT sKY sF sT sT sK K T s被控量Y(s)對F(s)的閉環控制傳遞為：00000(1)( )lim ( )lim(1)(1)(1)1ftsfcffcT sKCee tss T sT sK K T sKK K 000(1)( )( )( )( )( )(1)(1)(1)ffcfT sKE

15、sR sY sR sF sT sT sK K T s 根據終值定理，在階躍干擾函數的下，系統的余差為控制系統的偏差為：對于定值控制系統，R(s)=0，因而000(1)( )( )(1)(1)(1)ffcfT sKE sF sT sT sK K T s 控制通道的放大系數控制通道的放大系數K0要大些要大些，這是因為K0的大小表征了操縱變量對被控變量的影響程度。當然，有時K0過大，會引起過于靈敏，使控制系統不穩定，這也是要引起注意的。 干擾通道的放大系數干擾通道的放大系數Kf，則越小越好，則越小越好。Kf小，表示干擾對被控變量的影響不大，過渡過程的超調量不大，故確定控制系統時，也要考慮干擾通道的靜

16、態特性。 00000(1)( )lim ( )lim(1)(1)(1)1ftsfcffcT sKCee tss T sT sK K T sKK K 3.3.2 控制通道的動態特性分析控制通道的動態特性分析(1)過程擾動通道動態特性影響過程擾動通道動態特性影響 000111111111ffffWsT sY sF sW s WsWs WsTWs WssT設Kf=1,且擾動通道為一階慣性環節 擾動通道的時間常數擾動通道的時間常數越大越好越大越好,這樣可使系統的穩定性裕度提高，動態偏差這樣可使系統的穩定性裕度提高，動態偏差減小。減小。1( )(1)nWsT s若：n增加增加,使閉環系統的動態偏差減小使

17、閉環系統的動態偏差減小f( )fsfWs e( )fYs 當擾動通道存在遲延時,則相當于一階慣性環節串聯了一個遲延環節 0( )1fsfWsY sF seW s Ws 擾動通道遲延時間擾動通道遲延時間的存在僅使被調量在時間軸上平的存在僅使被調量在時間軸上平移了一個移了一個值即過渡過程增加了一個值即過渡過程增加了一個時間。并不影響系統時間。并不影響系統的控制質量。的控制質量。 對上式進行拉氏反變換，系統在單位階躍干擾作用下，被控量的時間響應 0()dy ty tfKnfT因此，選擇控制參數時，應力求使干擾信號遠離被控量的檢測點。因此，選擇控制參數時，應力求使干擾信號遠離被控量的檢測點。(2)過程

18、控制通道動態特性影響過程控制通道動態特性影響 控制通道的放大系數控制通道的放大系數KoKo似乎越大，余差越小。但是，由于最佳控制過程的似乎越大，余差越小。但是，由于最佳控制過程的KoKo和和KcKc的乘積為一常數，而控制器的放大系數的乘積為一常數，而控制器的放大系數KcKc是可調的，因而即使是可調的，因而即使KoKo很小，也很小，也通過調整通過調整KcKc來補償。因而選擇變量時可以不考慮來補償。因而選擇變量時可以不考慮KoKo。但是。但是KcKc存在一定的范圍，存在一定的范圍，當當KoKo過大超過過大超過KcKc的補償范圍，的補償范圍，KoKo對余差的影響顯示出來。對余差的影響顯示出來。 =

19、r ( ) - y ( ) r (t) = u (t)藍線：超調量過大，過渡時間長藍線：超調量過大，過渡時間長棕線：合適的響應曲線棕線：合適的響應曲線系統給定系統給定綠線：有靜差綠線：有靜差ts最最大大超超調調量量p p靜態誤差靜態誤差KcKc1Kc2Kc3Kc1Kc2Kc300000(1)( )lim ( )lim(1)(1)(1)1ftsfcffcT sKCee tss T sT sK K T sKK K 因此，選擇控制參數時，對控制通道的放大系數適當考慮，希望因此，選擇控制參數時，對控制通道的放大系數適當考慮，希望Ko要大一些，要大一些，以加強控制作用，但也要以滿足工藝生的合理性為前提。

20、以加強控制作用，但也要以滿足工藝生的合理性為前提。 控制通道時間常數的大小反映了控制作用的強弱，或者說反映了克服干擾影響的快慢。 時間常數太大，將使控制作用太弱，反映遲鈍，過渡過程時間加長，控制質量下降。 時間常數過小，控制作用強，克服干擾影響快，過渡過程時間縮短。但過小時，容易引起過渡過程的多次振蕩，使被控量難于穩定下來，系統的穩定性受到影響。不論純滯后或是容量滯后對控制質量都有不好的影響。不論純滯后或是容量滯后對控制質量都有不好的影響。 當純滯后當純滯后 存在時，控制器感受偏差信號發出控制信號時，被控參數在存在時，控制器感受偏差信號發出控制信號時，被控參數在 時間內沒有反應，即在此時間段內

21、，被控參數只受干擾作用的影響。時間內沒有反應，即在此時間段內，被控參數只受干擾作用的影響。 容量滯后對控制質量的影響要比純滯后的影響緩和一下，在滯后的時間容量滯后對控制質量的影響要比純滯后的影響緩和一下，在滯后的時間段內，被控量有一定的變化，但會拖延控制作用，是控制作用不及時，控制段內，被控量有一定的變化，但會拖延控制作用，是控制作用不及時，控制質量下降。質量下降。 003.3.3 控制參數的選擇控制參數的選擇(1) (1) 控制通道控制通道 控制參數一般應比其他干擾對被控變量的影響更加靈敏。為此，控制參數一般應比其他干擾對被控變量的影響更加靈敏。為此，應通過合理選擇操縱變量，使應通過合理選擇

22、操縱變量，使控制通道的放大系數適當大控制通道的放大系數適當大、時間常時間常數適當小數適當小( (但不宜過小，否則易引起振蕩但不宜過小，否則易引起振蕩) )、純滯后時間盡量小純滯后時間盡量小。為。為使其他干擾對被控變量的影響減小，應使干擾通道的放大系數盡可使其他干擾對被控變量的影響減小，應使干擾通道的放大系數盡可能小、時間常數盡可能大。能小、時間常數盡可能大。(2) (2) 擾動通道擾動通道 擾動通道的放大系數要近可能的小；時間常數要大，擾動引入擾動通道的放大系數要近可能的小；時間常數要大，擾動引入系統的位置要遠離控制過程（靠近調節閥）；容量時延愈大，則有系統的位置要遠離控制過程（靠近調節閥）；

23、容量時延愈大，則有利于控制。利于控制。 (3)(3) 控制參數應是可控的，即工藝上允許調節的變量。控制參數應是可控的，即工藝上允許調節的變量。 (4)(4) 助于工藝操作的合理性、經濟性。助于工藝操作的合理性、經濟性。 控制參數的選擇原則控制參數的選擇原則第四節第四節 測量變送問題測量變送問題 測量、變送裝置測量、變送裝置是控制系統中獲取信息的裝置，也是系統進行控制的依是控制系統中獲取信息的裝置，也是系統進行控制的依據。所以，要求它能正確地、及時地反映被控變量的狀況。假如測量不準確，據。所以，要求它能正確地、及時地反映被控變量的狀況。假如測量不準確，使操作人員把不正常工況誤認為是正常的，或把正

24、常工況認為不正常，形成使操作人員把不正常工況誤認為是正常的，或把正常工況認為不正常，形成混亂，甚至會處理錯誤造成事故。測量不準確或不及時，會產生失調或誤調，混亂，甚至會處理錯誤造成事故。測量不準確或不及時，會產生失調或誤調，影響之大不容忽視。影響之大不容忽視。3.4.1.測量元件的時間常數測量元件的時間常數 測量元件，特別是測溫元件，由于存在熱阻和熱容，它本身具有一定的時間測量元件，特別是測溫元件，由于存在熱阻和熱容，它本身具有一定的時間常數，因而造成測量滯后。常數，因而造成測量滯后。 測量元件時間常數對測量的影響，如圖所示。測量元件時間常數對測量的影響，如圖所示。 測量元件的時間常數越大，以

25、上現象愈加顯著。假如將一個時間常數大的測測量元件的時間常數越大，以上現象愈加顯著。假如將一個時間常數大的測量元件用于控制系統，那么，當被控變量變化的時候，由于測量值不等于被控變量元件用于控制系統，那么，當被控變量變化的時候，由于測量值不等于被控變量的真實值，所以控制器接收到的是一個失真信號，它不能發揮正確的校正作用，量的真實值，所以控制器接收到的是一個失真信號，它不能發揮正確的校正作用，控制質量無法達到要求。控制質量無法達到要求。 因此，控制系統中的因此，控制系統中的測量元件時間常數不能太大，最好選用惰性小的快速測測量元件時間常數不能太大，最好選用惰性小的快速測量元件量元件，例如用快速熱電偶代

26、替工業用普通熱電偶。必要時也可以在測量元件之，例如用快速熱電偶代替工業用普通熱電偶。必要時也可以在測量元件之后引入微分作用。利用它的超前作用來補償測量元件引起的動態誤差。后引入微分作用。利用它的超前作用來補償測量元件引起的動態誤差。 當測量元件的時間常數當測量元件的時間常數T Tm m小于對象時間常數的小于對象時間常數的1 11010時，對系時，對系統的控制質量影響不大。這時就沒有必要盲目追求小時間常數的測統的控制質量影響不大。這時就沒有必要盲目追求小時間常數的測量元件。量元件。 有時，測量元件安裝是否正確，維護是否得當，也會影響測量有時，測量元件安裝是否正確，維護是否得當，也會影響測量與控制

27、。特別是流量測量元件和溫度測量元件，例如工業用的孔板、與控制。特別是流量測量元件和溫度測量元件，例如工業用的孔板、熱電偶和熱電阻元件等。熱電偶和熱電阻元件等。 3.4.23.4.2、測量元件的純滯后、測量元件的純滯后 當測量存在純滯后時，也和對象控制通道存在純滯后一樣，會當測量存在純滯后時，也和對象控制通道存在純滯后一樣，會嚴重地影響控制質量。嚴重地影響控制質量。 測量的純滯后有時是由于測量元件安裝位置引起的，例如圖的測量的純滯后有時是由于測量元件安裝位置引起的，例如圖的pHpH值控制系統。值控制系統。測量元件的安裝位置 目前，以物性作為被控變量時往往都有類似問題，這時引入微分作用是徒勞目前，

28、以物性作為被控變量時往往都有類似問題，這時引入微分作用是徒勞的、加得不好，反而會導致系統不穩定。所以在測量元件的安裝上，一定要注意的、加得不好，反而會導致系統不穩定。所以在測量元件的安裝上，一定要注意盡量減小純滯后。對于大純滯后的系統，簡單控制系統往往是無法滿足控制要求盡量減小純滯后。對于大純滯后的系統，簡單控制系統往往是無法滿足控制要求的，須采用復雜控制系統。的，須采用復雜控制系統。3.4.3 3.4.3 信號的傳送滯后信號的傳送滯后 信號傳送滯后通常包括信號傳送滯后通常包括測量信號傳送滯后測量信號傳送滯后和和控制信號傳送滯后控制信號傳送滯后兩部分。兩部分。 測量信號傳送滯后測量信號傳送滯后

29、是指由現場測量變送裝置的信號傳送到控制器所引起的滯是指由現場測量變送裝置的信號傳送到控制器所引起的滯后。后。 對于電信號來說，可以忽略不計，但對于氣信號來說，由于氣動信號管線具對于電信號來說，可以忽略不計，但對于氣信號來說，由于氣動信號管線具有一定的容量，所以，會存在一定的傳送滯后。有一定的容量，所以，會存在一定的傳送滯后。 控制信號傳送滯后控制信號傳送滯后是指由控制室內控制器的輸出控制信號傳送到現場執行器是指由控制室內控制器的輸出控制信號傳送到現場執行器所引起的滯后。所引起的滯后。 對于氣動薄膜控制閥來說、出于膜頭空間具有較大的容量，所以控制器的輸對于氣動薄膜控制閥來說、出于膜頭空間具有較大

30、的容量，所以控制器的輸出變化到引起控制閥開度變化，往往具有較大的容量滯后，這樣就會使得控制不出變化到引起控制閥開度變化，往往具有較大的容量滯后，這樣就會使得控制不及時，控制效果變差。及時，控制效果變差。 信號的傳送滯后對控制系統的影響基本上與對象控制通道的滯信號的傳送滯后對控制系統的影響基本上與對象控制通道的滯后相同，應盡量減小。氣壓信號管路一般不超過后相同，應盡量減小。氣壓信號管路一般不超過300m300m，直徑不小于，直徑不小于6mm6mm，或者用閥門定位器、，或者用閥門定位器、氣動繼動器氣動繼動器增大輸出功率，以減小傳送增大輸出功率，以減小傳送滯后。在可能的情況下，現場與控制室之間的信號

31、盡量采用電信號滯后。在可能的情況下，現場與控制室之間的信號盡量采用電信號傳遞。傳遞。克服信號傳送滯后的辦法：克服信號傳送滯后的辦法：n 盡可能采用電信號進行傳輸；盡可能采用電信號進行傳輸；n 減小氣動信號傳送距離，傳輸距離較長時，加裝氣動繼動器，減小氣動信號傳送距離，傳輸距離較長時，加裝氣動繼動器，以加大傳輸功率；以加大傳輸功率；n 控制閥膜頭較大時，安裝閥門定位器。控制閥膜頭較大時，安裝閥門定位器。第五節 執行器的選擇執行器的選擇內容： 口徑大小 開閉形式 流量特性 結構型式3.5.1 控制閥口徑大小的選擇 控制閥口徑大小直接決定著控制介質流過的能力。控制閥口徑大小直接決定著控制介質流過的能

32、力。 原則：原則：控制閥口徑不宜選的太大，也不宜選的太小，留有余地。 口徑過小：受到大干擾時易失控。若通過旁路閥輔助調節，會使特性畸變； 口徑過大：常處于小開度狀態，浪費、易造成流體對閥芯和閥座的頻繁沖蝕， 閥失靈。控制閥口徑大小通過計算控制閥流通能力的大小來決定， 控制閥流通能力必須滿足生產控制的要求并留有一定的余地。以通過閥的最大流量時閥的開度90%來驗證。3.5.2 控制閥開、閉形式的選擇控制閥開、閉形式的選擇氣開閥：氣開閥：控制閥接受的是氣壓信號，當膜頭壓力增大，控控制閥接受的是氣壓信號，當膜頭壓力增大，控制閥的開度也增大。制閥的開度也增大。“有氣則開，無氣則關。有氣則開，無氣則關。”

33、氣閉閥：氣閉閥：當膜頭壓力增大，而控制閥的開度反而減小。當膜頭壓力增大，而控制閥的開度反而減小。 “有氣則關，無氣則開。有氣則關，無氣則開。”氣開閥：氣開閥：能源中斷時，閥全閉。能源中斷時，閥全閉。FC(False Close)氣閉閥：氣閉閥：能源中斷時，閥全開。能源中斷時，閥全開。FO(False Open)abcd執行機構 正正反反調節閥正反正反執行器氣關氣開氣開氣關1、首先要從安全生產出發。、首先要從安全生產出發。 例如：鍋爐供水控制閥，為了保證出現故障時（閥芯出現無能源狀態）例如：鍋爐供水控制閥，為了保證出現故障時（閥芯出現無能源狀態）不把鍋爐燒壞，選擇氣閉閥（無氣全開）。不把鍋爐燒壞

34、，選擇氣閉閥（無氣全開）。2、其次保證產品質量出發、其次保證產品質量出發 例如：精餾塔回流量控制系統選用氣閉閥。一旦發生故障時例如：精餾塔回流量控制系統選用氣閉閥。一旦發生故障時（無氣），（無氣），閥門全開，使生產處于全回流狀態，這防止了不合格產品被征服，從而保閥門全開，使生產處于全回流狀態，這防止了不合格產品被征服，從而保證了塔頂產品的質量。證了塔頂產品的質量。3、還要考慮減少經濟損失。、還要考慮減少經濟損失。 例如：控制精餾塔進料的控制閥采用氣開式，一旦出現故障例如：控制精餾塔進料的控制閥采用氣開式，一旦出現故障（無氣），（無氣），閥門處于全閉狀態，不再給塔供料，從而減少浪費。閥門處于全閉

35、狀態，不再給塔供料，從而減少浪費。4、考慮介質的特性。考慮介質的特性。 例如：精餾塔釜加熱蒸汽控制閥選用氣開式，以保證不浪費蒸汽。如果例如：精餾塔釜加熱蒸汽控制閥選用氣開式，以保證不浪費蒸汽。如果塔釜是易結晶、易聚合、易凝結的液體時，則考慮氣閉閥，以防止在事故塔釜是易結晶、易聚合、易凝結的液體時，則考慮氣閉閥，以防止在事故狀態下由于停止了蒸汽的供給而導致塔釜內液體的結晶或凝聚。狀態下由于停止了蒸汽的供給而導致塔釜內液體的結晶或凝聚。控制閥開、閉形式的選擇原則：3.5.3 控制閥流量特性的選擇控制閥特性分為: 1.線性特性 2.對數特性（等百分比） 3.快開特性 4.拋物線 01001003.3

36、3412FFmax100%LLmax100%3.5.4 控制閥結構形式的選擇 閥結構形式閥結構形式 特點及使用場合特點及使用場合 直通單座閥前后壓降低，適用于要求泄露量小的場合 直通雙座閥前后壓降大，適用于要求泄露量較大的場合 角閥適用于高壓，高粘度的，含懸浮物或顆粒狀物質的場合 高壓閥適用于高壓控制的特殊場合 蝶閥適用于有懸浮物的液體、大流量氣體、壓差低、允許泄露量大的場合 隔膜閥適用于有腐蝕介質的場合 三通閥適用于分流或合流的控制場合第六節第六節 控制器參數對控制質量的影響控制器參數對控制質量的影響及控制規律的選擇及控制規律的選擇 當構成一個控制系統的被控對象、測量變送環節和控制閥都確定之

37、后，控制器參數是決定控制系統控制質量的唯一因素。 工業控制器通常是PID三作用控制器，其理想的傳遞函數為：PID三作用控制器的數學表達式為：)11()(STSTKSGIDPC)(1)()()(dtteTdttdeTteKtyIDP 目前工業上常用的控制器主要有三種控制規律；比例控制規律、比例積分控制規律和比例積分微分控制規律，分別簡寫為P、PI和PID。 選擇哪種控制規律主要是根據廣義對象的特性和工藝的要求來決定的。下面分別說明各種控制規律的特點及應用場合。3.6.1 控制規律的選擇 1位式控制位式控制 控制規律：當測量值大于設定值時，調節器的輸出為最大（或最小）；控制規律：當測量值大于設定值

38、時，調節器的輸出為最大（或最小）；當測量值當測量值小于設定值時，調節器的輸出為最小（或最大）。小于設定值時，調節器的輸出為最小（或最大）。偏差偏差e與輸出與輸出p間的關系：間的關系：maxmin,0(e0),0(e0)peppe或或 雙位控制只有兩個輸出狀態，相應的執行機構也有兩個極限位置，雙位控制只有兩個輸出狀態，相應的執行機構也有兩個極限位置，“開開”或或“關關”。從一個為位置到另一個位置動作極其迅速，沒有中間過程，稱為。從一個為位置到另一個位置動作極其迅速，沒有中間過程，稱為繼電器特繼電器特性性。（1）雙位控制雙位控制圖 理想的雙位控制特性圖 雙位控制示例 例1：右圖為電極式液位計控制電

39、磁閥的開啟與關閉，使儲槽液位維持在設定值上下很小的一個范圍內波動。 液體導電，外殼接地。 過程如下：過程如下： 液位設定值H0時，流體與電極接觸，繼電器閉合，電磁閥全關，液位不再升。 缺點：缺點： 電磁閥只有全開、全關兩個極限位置，動作頻繁，易損壞。（2）具有中間區的）具有中間區的雙位控制雙位控制 實際生產中，被控變量與給定值之間總是允許存在一定的偏差，實際生產中，被控變量與給定值之間總是允許存在一定的偏差，應用雙位調節器時存在一個中間區。應用雙位調節器時存在一個中間區。 控制規律如下：控制規律如下： 當被控變量上升時，必須在測量值高于設定值某一數值后，閥門當被控變量上升時，必須在測量值高于設

40、定值某一數值后，閥門才才“開開”或或“閉閉”；當被控變量下降時，必須在測量值低于設定值當被控變量下降時，必須在測量值低于設定值某一數值后，閥門才某一數值后，閥門才“開開”或或“閉閉”。中間區域閥門不動作。中間區域閥門不動作。 2比例控制器比例控制器 比例控制器是具有比例控制規律的控制器，它的輸出比例控制器是具有比例控制規律的控制器，它的輸出y(t)與輸入與輸入偏差偏差e(實際上是指它們的變化量實際上是指它們的變化量)之間的關系為：之間的關系為： 比例控制器的可調整參數是比例放大系數比例控制器的可調整參數是比例放大系數Kp或比例度或比例度，對于單，對于單元組合儀表來說。它們的關系為：元組合儀表來

41、說。它們的關系為：( )( )Py tK e t 比例控制器的特點是：控制器的輸出與偏差成比例，即控制閥比例控制器的特點是：控制器的輸出與偏差成比例，即控制閥門位置與偏差之間具有一一對應關系。當負荷變化時，比例控制器門位置與偏差之間具有一一對應關系。當負荷變化時，比例控制器克服干擾能力強、控制及時、過渡時間短。在常用控制規律中，比克服干擾能力強、控制及時、過渡時間短。在常用控制規律中，比例作用是最基本的控制規律，不加比例作用的控制規律是很少采用例作用是最基本的控制規律，不加比例作用的控制規律是很少采用的。的。 但是，純比例控制系統在過渡過程終了時存在余差。負荷變化但是，純比例控制系統在過渡過程

42、終了時存在余差。負荷變化越大，余差就越大。越大，余差就越大。 比例控制器適用于比例控制器適用于控制通道滯后較小、負荷變化不大、工藝上控制通道滯后較小、負荷變化不大、工藝上沒有提出無殘差沒有提出無殘差要求的系統，例如中間貯槽的液位、精餾塔塔釜液要求的系統，例如中間貯槽的液位、精餾塔塔釜液位以及不太重要的蒸汽壓力控制系統等。位以及不太重要的蒸汽壓力控制系統等。 1000PIDKKK 3 3比例積分控制器比例積分控制器 比例積分控制器是具有比例積分控制規律的控制器。它的輸出y與輸入偏差e的關系為： 比例積分控制器的可調整參數是比例放大系數Kp(或比例度)和積分時間TI。1040PIDKKKdtteK

43、eKdtteTteKtyIpIp)()(1)()( 比例積分控制器的持點是：由于在比例作用的基礎上加上積分作用，而積分作用的輸出是與偏差的積分成比例、只要偏差存在、控制器的輸出就會不斷變化，直至消除偏差為止。所以采用比例積分控制器，在過渡過程結束時是無余差的、這是它的顯著優點。 但是，加上積分作用，會使穩定性降低，雖然在加積分作用的同時，可以通過加大比例度，使穩定性基本保持不變，但超調量和振蕩周期都相應增大，過渡過程的時間也加長。dtteKeKdtteTteKtyIpIp)()(1)()(1040PIDKKK 比例積分控制器是使用最普遍的控制器。它適用于控制通道滯控制通道滯后較小、負荷變化不大

44、、工藝參數不允許有余差后較小、負荷變化不大、工藝參數不允許有余差的系統。例如流量、壓力和要求嚴格的液位控制系統，常采用比例積分控制器。 4 4比例積分微分控制器比例積分微分控制器 比例積分微分控制器是具有比例積分微分控制規律的控制器，常稱為三作用（PID）控制器。理想的三作用控制器，其輸出y與輸入偏差e之間具有下列關系： 比例積分微分控制器的可調整參數有三個，即比例放大系數Kp(比例度)、積分時間TI和微分時間TD。 dtteKdttdeKteKdtteTdttdeTteKtyIDpIDp)()()()(1)()()(1042PIDKKK 比例積分微分控制器的特點是：微分作用使控制器的輸出比例

45、積分微分控制器的特點是：微分作用使控制器的輸出與輸入偏差的變化速度成比例，它對克服對象的滯后有顯著的與輸入偏差的變化速度成比例，它對克服對象的滯后有顯著的效果。在比例的基礎上加上微分作用能提高穩定性，再加上積效果。在比例的基礎上加上微分作用能提高穩定性，再加上積分作用可以消除余差。所以，適當調整分作用可以消除余差。所以，適當調整、T TI I、T TD D三個參數、三個參數、可以使控制系統獲得較高的控制質量。可以使控制系統獲得較高的控制質量。dtteKdttdeKteKdtteTdttdeTteKtyIDpIDp)()()()(1)()()( 比例積分微分控制器適用于比例積分微分控制器適用于容

46、量滯后較大、負荷變化大、容量滯后較大、負荷變化大、控制質量要求較高控制質量要求較高的系統，應用最普遍的是溫度控制系統與的系統，應用最普遍的是溫度控制系統與成分控制系統。對于滯后很小或噪聲嚴重的系統，應避免引成分控制系統。對于滯后很小或噪聲嚴重的系統，應避免引入微分作用，否則會由于被控變量的快速變化引起控制作用入微分作用，否則會由于被控變量的快速變化引起控制作用的大幅度變化，嚴重時會導致控制系統不穩定。的大幅度變化，嚴重時會導致控制系統不穩定。 值得提出的是，目前生產的模擬式控制器一般都同時具值得提出的是，目前生產的模擬式控制器一般都同時具有比例、積分、微分三種作用。只要將其中的微分時間有比例、

47、積分、微分三種作用。只要將其中的微分時間T TD D置置于于0 0，就成了比例積分控制器，如果同時將積分時間，就成了比例積分控制器，如果同時將積分時間T TI I置于無置于無窮大，便成了比例控制器。窮大，便成了比例控制器。總 結 PID控制器的參數整定是控制系統設計的核心內容。它是根據被控過程的特性確定PID控制器的比例系數、積分時間和微分時間的大小。 任何閉環控制系統的首要任務是要穩（穩定）、快（快速）、準（準確）的響應命令。PID調整的主要工作就是如何實現這一任務。 比例：比例：增大比例系數P將加快系統的響應，它的作用于輸出值較快，但不能很好穩定在一個理想的數值，不良的結果是雖較能有效的克

48、服擾動的影響，但有余差出現，過大的比例系數會使系統有比較大的超調，并產生振蕩，使穩定性變壞。 積分：積分：積分能在比例的基礎上消除余差，它能對穩定后有累積誤差的系統進行誤差修整，減小穩態誤差。 微分：微分：微分具有超前作用，對于具有容量滯后的控制通道，引入微分參與控制，在微分項設置得當的情況下，對于提高系統的動態性能指標，有著顯著效果，它可以使系統超調量減小，穩定性增加，動態誤差減小。 綜上所述， P-比例控制系統的響應快速性，快速作用于輸出，好比“現在”（現在就起作用，快）； I-積分控制系統的準確性，消除過去的累積誤差，好比“過去”（清除過去積怨，回到準確軌道）； D-微分控制系統的穩定性

49、，具有超前控制作用，好比未來（放眼未來，未雨綢繆，穩定才能發展）。 3.6.2 3.6.2 控制器參數的工程整定控制器參數的工程整定 一個自動控制系統的過渡過程或者控制質量，與被控對象、干一個自動控制系統的過渡過程或者控制質量，與被控對象、干擾形式與大小、控制方案的確定及控制器參數整定有著密切的關系。擾形式與大小、控制方案的確定及控制器參數整定有著密切的關系。 在控制方案、廣義對象的特性、控制規律都已確定的情況下，在控制方案、廣義對象的特性、控制規律都已確定的情況下，控制質量主要就取決于控制質量主要就取決于控制器參數控制器參數的整定。的整定。 所謂控制器參數的整定，就是按照已定的控制方案，求取

50、使控所謂控制器參數的整定，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。具體來說，就是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確定最合適的控制器比例度比例度、積分時間、積分時間TITI和微分時間和微分時間TDTD。 控制器參數整定的方法很多，主要有兩大類，一類是控制器參數整定的方法很多，主要有兩大類，一類是理論計算理論計算的方法，另一類是的方法，另一類是工程整定工程整定法。法。 理論計算的方法是根據已知的廣義對象特性及控制質量的要求，理論計算的方法是根據已知的廣義對象特性及控制質量的要求，通過理論計算出控制器的最佳參數。通過理論計算出控制器的最佳參數。 工程整定法

51、是在已經投運的實際控制系統中，通過試驗或探索，工程整定法是在已經投運的實際控制系統中，通過試驗或探索，來確定控制器的最佳參數。來確定控制器的最佳參數。 1 1 臨界比例度法臨界比例度法 這是目前使用較多的這是目前使用較多的種方法。它是通過大量試驗得到臨界比例度種方法。它是通過大量試驗得到臨界比例度k k和臨界周和臨界周期期T Tk k，然后根據經驗總結出來的關系求出控制器各參數值。，然后根據經驗總結出來的關系求出控制器各參數值。 臨界比例度法比較簡單方便，容易掌握和判斷，適用于一般的控臨界比例度法比較簡單方便，容易掌握和判斷，適用于一般的控制系統。制系統。 但是對于臨界比例度很小的系統不適用。

52、因為臨界比例度很小，但是對于臨界比例度很小的系統不適用。因為臨界比例度很小，則控制器輸出的變化一定很大，被調參數容易超出允許范圍，影響生則控制器輸出的變化一定很大，被調參數容易超出允許范圍，影響生產的正常進行。產的正常進行。 臨界比例度法是要使系統達到等幅振蕩后，才能找出臨界比例度法是要使系統達到等幅振蕩后，才能找出k k與與T Tk k，對，對于工藝上不允許產生等幅振蕩的系統本方法亦不適用。于工藝上不允許產生等幅振蕩的系統本方法亦不適用。2 2 衰減曲線法衰減曲線法 衰減曲線法是通過使系統產生衰減振蕩來整定控制器的參數值的，衰減曲線法是通過使系統產生衰減振蕩來整定控制器的參數值的，具體作法如下：具體作法如下： 采用衰減曲線法必須注意以下幾點。采用衰減曲線法必須注意以下幾點。 (1) (1)