《过程装备控制技术及应用》第二章-2

1第2章第2章过程装备控制基础§2-1被控对象的特性§2-2单回路控制系统§2-3复杂控制系统2.2

单回路控制系统简单控制系统是最基本的、应用最广泛的系统，同时，

简单控制系统是复杂控制系统的基础，学会了简单控制系统

的分析，将会给复杂控制系统的分析和研究提供很大的方便。单回路控制系统（简单控制系统）：一个被控对象；一个检测元件及变送器;一个调节器；一个执行器.单回路控制系统方框图煉一个被控对象；煉一个检测元件及变送器；煉一个调节器；煉一个执行器；一．单回路控制系统的设计

设计控制系统前，应全面了解被控对象。工艺过程、生产设备；被控对象的动、静态特性。

确定正确的控制方案，包括：选择被控变量与操纵变量，选择检测变送元件及检测位置，选用执行器、调节器和控制规律。

将调节器的参数整定到最佳值。1．被控变量的选择被控变量：生产过程中希望保持在定值的过程参数。作为被控变量，应是对提高产品质量和产量、促进安

全生产、提高劳动生产率、节能等具有决定作用的工艺变量。被控变量选择不当，不管组成什么形式的控制系统，也不管配上多么精密先进的工业自动化装置，都不能达到预期的控制效果。蒸馏过程是利用被分离物各组分的挥发度不同，把混合物中的各组分进行分离。工艺质量指标—精馏塔的操作是要使塔顶(或塔底)馏出物达到规定的纯度。笨—甲苯精馏过程的示意图塔顶馏出物的组分JD被控变量塔底馏出物的组分JW结论：检测J

D或J

W滞后太大或有困难，不能直接以J

D(J

W)作为被控变量。选择与J

D(J

W)有关的变量作为被控变量，进行间接指标控制。在二元系统的精馏中，当气液两相并存时，塔顶易挥组分苯的百分含量XD、塔顶温度TD、压力p三者之间有一定的关系。当压力恒定时，组分XD和温度TD之间存在有单值对应的关系；当温度TD恒定时，组分

XD和压力p之间也存在着单值对应关系。在组分、温度、压力三个变量中，只要固定温度或压力中的一个，另一个变量即可作为被控变量。从工艺合理性考虑—选择温度作为被控变量在精馏塔操作中，压力需要固定。塔只有在规定的压力下，才能保证塔的分离纯度、效率和经济性。如塔压波动，会破坏原来的气液平衡，影响相对挥发度，使塔处于不良工况。同时，随着塔压的变化，往往还会引起与之相关的其他物料量的变化，影响塔的物料平衡，引起负荷的波动。在塔压固定的情况下，精馏塔各层塔板上的压力基本上是不变的，这样各层塔板上的温度与组分之间就有一定的单值对应关系。结论：固定压力，选择温度作为被控变量是合理的。选择被控变量的基本原则：(1)工艺过程中重要的变量。被控变量应能代表一定的工艺操作指标或能反映工艺操作状态。(2)可以频繁调节的变量。在工艺操作过程中经常要受到一些干扰影响而变化。为维持被控变量的恒定，需要进行频繁的调节。(3)采用直接指标作为被控变量。当无法获得直接指标信号，或其测量和变送信号滞后很大时，可选择与直接指标有单值

对应关系的间接指标作为被控变量。(4)被控变量应能被测量出来，并具有足够大的灵敏度。(5)考虑工艺合理性以及是否满足国内仪表产品现状。(6)被控变量应是独立可控的。2．操纵变量的选择操纵变量：在控制系统中，用来克服干扰对被控变量的影响，实现控制作用的变量。在化工和炼油生产过程中，最常见的操纵变量有流量，压力、转速等。选择操纵变量时应考虑以下问题：⑴工艺的合理性⑵被控对象的特性被控变量被加热介质的温度载热体流量操纵变量被加热介质的流量选择载热体流量作为操纵变量⑴考虑工艺的合理性选择稀释水的流量作为操纵变量，应尽量避免选用主物料流量作为操纵变量。物料浓度控制系统稀释水的流量物料的流量⑵考虑被控对象的特性被控变量：提馏段灵敏板的温度选择操纵变量：控制系统的任务是维持灵敏板温度的恒定，使塔底产品的成分满足工艺要求。灵敏板1一精馏塔；2一蒸汽加热器影响提馏段灵敏板温度的因素：煉塔压P煉进料流量qv1煉进料成分X煉进料温度T1煉回流流量qv2煉回流温度T2煉冷凝器冷却水温度t煉加热蒸汽流量qv3qv1,x,T1灵敏板

qv2,T2qv31一精馏塔；2一蒸汽加热器tp根据工艺要求，除了回流量和加热蒸汽量外，其他参数都不允许作为操纵变量。回流量qv2操纵变量加热蒸汽量qv3qv2,T2qv3tpqv1,x,T1灵敏板结论：选择加热蒸汽量qv3理由：加热蒸汽量qv3与提留段灵敏板之间的控制通道时间常数小，滞后小，构成的控制系统克服干扰能力强，能获得良好的控制质量。操纵变量选择原则：①操纵变量应是可控的，即工艺上允许调节的变量。②操纵变量一般应比其他干扰对被控变量的影响更加灵敏。使控制通道的放大系数适当大、时间常数适当小、纯滞后时间尽量小。为使其他干扰对被控变量的影响减小，应使干扰通道的放大系数尽可能小、时间常数尽可能大。③考虑工艺的合理性与生产的经济性。不宜选择生产负荷作为操纵变量，因为生产负荷直接关系到产品的产量，是不宜经常波动的。另外，从经济性考虑，应尽可能地降低物料与能量的消耗。3.

检测变送环节的影响检测变送环节作用：获取信息和传送信息一个控制系统如果不能正确及时地获取被控变量变化的信息，并把这一信息及时地传送给调节器，就不可能及时有效地克服干扰对被控变量的影响；若不能及时获取信息和传送信息会产生误调、失调等危及生产安全的问题。①纯滞后的影响：纯滞后—检测元件安装位置不适当而产生纯滞后。

0由于检测电极不能放置在流速较大的主管道，只能安装在流速较小的支管道上，使得pH的测量引入纯滞后。液位控制PH值控制L1

L2u1

u2

0

式中：L1

,L2

----主管道、支管道的长度u1

,u2

----主管道、支管道内流体的速度蒸汽控制水温的系统蒸汽量的路程长度为L，蒸汽量变化要经过L后才能反映出来。原因：由于蒸汽作用点与被控变量的测量点相隔一定距离。如果水的流速为V，蒸汽量变化引起的温度变化需经过一端时间：L

/V

-----纯滞后时间。结论：纯滞后使测量信号不能及时地反映被控变量的实际值，从而降低了控制系统的控制质量。由检测元件安装位置所引入的纯滞后是不可避免的，在设计控制系统时，要尽可能地减小纯滞后时间。方法：正确选择安装检测点位置，使检测元件不要安装在死角或容易结焦的地方。当纯滞后时间太长时，就必须考虑使用复杂控制方案。②测量滞后----测量元件本身特性所引起的动态误差。当测量元件感受被控变量的变化时，要经过一个变化过程，才能反映被控变量的实际值，这时测量元件本身就构成了一个具有一定时间常数的惯性环节。例：测温元件测量温度。由于存在传热阻力和热容，元件本身具有一定的时间常数Tm，因而测温元件的输出总是滞后于被控变量的变化。如果把这种测量元件用于控制系统，调节器接受的是一个失真的信号，不能发挥正确的作用，因而影响控制质量。克服测量滞后的方法：选用快速测量元件，以测量元件的时间常数为被控对象的时间常数的十分之一以下为宜；在调节器中加入微分控制作用，使调节器在偏差产生的初期，就根据偏差的变化趋势发出控制信号。采用超前补偿来克服测量滞后。注：微分作用对克服纯滞后是无能为力的。③传递滞后（信号传输滞后）-----气压信号在管路传送过程中引起的滞后(电信号的传递滞后可以忽略不计)。采用气动仪表实现集中控制的场合，调节器和显示器集中安装在中心控制室，检测变送器和执行器则安装在现场。在测量变送器至调节器，调节器至执行器的信号传递中，由于管线过长就形成了传递滞后。由于传递滞后的存在，调节器不能及时地接受测量信号，也不能将控制信号及时地送到执行器上，因而降低控制系统

的控制质量。克服传递滞后的方法：

尽量缩短气压信号管线的长度；

改用电信号传递；在气压管线上加气动继动器，或在执行器上加气动阀门定位器，增大输出功率，减少传递滞后的影响；按实际情况采用基地式仪表，消除信号传递上的误差。4.执行器的影响执行器----接受调节器送来的控制信号，调节管道中介质的流量(改变操纵变量)，从而实现生产过程的自动控制。执行器通常为调节阀，包括执行机构和阀两个部分。如果执行器选择不当会使系统不能可靠工作。二．调节器的调节规律调节规律---调节器的输出信号随输入信号变化的规律。作用：将测量信号与给定值相比较产生偏差信号，再按一定的运算规律产生输出信号，驱动执行器，实现对生产过程的自动控制。调节形式（规律）：断续调节连续调节位式比例积分微分1．位式调节规律（1）二位调节系统理想的二位调节规律的数学表达式为：

maxue0umin

e0u

式中:u

---调节器输出信号；e---偏差

maxue0umin

e0u

设定值断通（a）二位调节器的输出特性曲线（b）在调节器内部继电器有两个工作状态：当测量值小于设定值时，调节器内的继电器吸合，触点呈导通状态；当测量值等于或大于设定值时，调节器内的继电器释放，触点呈关断状态。e

=ys

-

ym设定值断e

<0e

>0通二位炉温自动控制系统1-

-

-

加热炉 被控对象--热电偶为检测元件；--二位调节器；--继电器为执行机构；--电热器为加热装置。被控变量操纵变量炉温

电热器

当测量值低于给定值e＞0时，调节器输出的极限状态，使继电器闭合，触点导通给加热器供电，被控温度上升；

当测量值高于给定值e＜0时，调节器输出另一极限状态，使继电器触点断开，加热器停止供电，被控温度下降。如此反复进行，使温度维持在给定值附近很小的范围内波动。回差：位式调节器有一个中间区域，称为回差。特征：当偏差达到一定数值时，调节器的输出才变化，在中间区内调节器的输出将取决于它原来所处的状态。理想的双位控制系统调节机构（继电器）的启停过于频繁，继电器触头容易损坏。实际应用的双位调节器都有一个中间区域，实际的调节规律如下图：振幅：θ

UP

-θs周期：T振幅小、周期长，控制品质就高。在位式调节系统，回差是固定的，控制变量的振幅大小与控制对象的滞后时间有关，滞后时间越大则振幅也越大。双位控制的品质指标：具有回差的双位调节器的过渡过程是等幅振荡过程。（2）三位调节系统煉三位调节器具有上限和下限两个设定点，煉调节器内部具有两个继电器。通断设定值1（下限值）设定值2（上限值）断通位式调节的特点：

优点：结构简单、成本较低、使用方便，通常采用电磁阀、电加热器等作为执行器。

缺点：被控变量总在波动，控制质量不高。当被控对象纯滞后较大时，被控变量波动幅度较大。因此，在控制要求稍高的场合，不宜使用。2．比例调节规律（P）（1）比例放大倍数(K)在比例调节中，调节器的输出信号变化量

与输入信号成比例关系:u(t)e(t)u(t)

Kp

e(t)式中:---比例增益或比例放大倍数KP比例增益或比例放大倍数在调节器中是可以调整的。在阶跃激励作用下，比例调节规律的开环输出特性：例：水槽液位比例控制系统被控变量：水槽液位操纵变量：进水流量测量元件：浮球；

输入信号：e（t

）输出信号：Δu调节器：

杠杆。e（t）

静态：阀门开度与液位偏差成正比；

动态：阀门的动作与液位的变化同步，没有时间上的迟延。e（t

）调节器输出变化量(即阀门开度)与输入变化量(即液位偏差)之间的关系，可由相似三角形的关系得到：式中:b/a---比例放大倍数bu(t)

e(t)ae

(t)结论：比例调节器的输出变化量与输入变化量的偏差具有一一对应的比例关系，因此比例控制具有控制及时、克服偏差有力的特点。在系统的平衡遭到破坏后，需靠偏差来建立新的平衡，因此比例控制始终存在余差。（2）比例度

工业上使用的调节器，采用比例度（而不是放大倍数）表示比例作用的强弱。比例度：调节器的输入相对变化量与输出的相对变化量之比的百分数：

e

/(emax

emin

)

100%u

/(umax

umin

)式中：——调节器输入信号的变化量；——调节器输出信号的变化量；——调节器输入信号的变化范围；——调节器输出信号的变化范围。

e

/(emax

emin

)

100%u

/(umax

umin

)euemax

eminumax

umin比例度：要使输出信号作全范围的变化，输入信号必须改变全量程的百分之几，即输入与输出的比例范围。例：电动比例调节器，量程：100～200℃，输出信号：

0—10

mA，当输入从140℃变化到160℃时，调节器

的输出从3

mA变化到8mA，求调节器的比例度。

(160

140)

/(200

100)

100%

80%(8

3)

/(10

0)

e

/(emax

emin

)

100%u

/(umax

umin

)由：得：比例度的表达式：emax

minumax

umin

e100%u

e对于调节器，比例度与比例放大倍数互为倒数关系。调节器的比例度越小，比例放大倍数越大，比例控制作用越强。调节器的比例度越大，比例放大倍数越小，比例控制作用越弱。（3）比例度对过渡过程的影响在比例控制系统中，调节器的比例度不同，其过渡过程的形式也不同。a.

比例度对余差的影响比例度越大，放大倍数越小，要获得同样大小的变化量所需的偏差就越大，在相同的干扰作用下，系统再次平衡时的余差就越大。比例度减小，系统的余差也随之减小。u(t)

Kpe(t)b.比例度对最大偏差、振荡周期的影响在相同干扰下，调节器的比例度越小，比例作用越强，调节器的输出越大，被控变量偏离给定值越小，被控变量被拉回到给定值所需的时间越短。比例度越小，最大偏差越小，振荡周期也越短，工作频率提高。c.比例度对系统稳定性的影响比例度越大，调节器输出变化越小，被控变量变化越缓慢，过渡过程平稳。比例度越小，调节器输出变化越大，系统的稳定程度降低，过渡过程逐渐从衰减振荡走向临界振荡直至发散振荡。在调节器的基本调节规律中，比例调节是最基本、最主要、应用最普遍的规律，它能较为迅速地克服干扰的影响，使系统很快地稳定下来。适用范围：干扰少、扰动幅度小、负荷变化不大、滞后较小或者控制精度要求不高的场合。3.比例积分调节规律(PI)

(1)积分调节规律(I)调节器输出信号的变化量与输入信号偏差的积分成正比。其数学表达式为:1ttTIu(t)

KI

0

e(t)dt

0

e(t)dt式中:--积分速度--积分时间KITI(2-27)阶跃偏差输入，将代入式(2—27)可得：e(t)

A0tIIu(t)

Ke(t)dt

K

At

(2—28)描述的是一条斜率为定值的直线，斜率正比于调节器的积分速度。积分速度KI

越大(即积分时间

TI

越小)，直线越陡峭，积分作用越强。特点：积分调节器输出信号的大小不仅与输入偏差信号的大小有关，还取决于偏差存在时间的长短。只要有偏差，调节器的输出就不断变化。偏差存在的时间越长，输出信号的变化量就越大。只有在偏差等于零时，积分调

节器的输出信号才能相对稳定。结论：积分的控制作用----消除余差。纯积分控制的缺点：输出Δu(t)与输入e(t)不能像比例控制那样保持同步、快速，Δu(t)的变化总要滞后于e(t)的变化。不能及时有效地克服扰动的影响，其结果是加剧了被控变量的波动，使系统难以稳定下来。在工业过程控制中，不单独使用积分控制规律，而是将它与比例控制组合成比例积分控制规律来应用。（2）比例积分控制规律(PI)比例与积分两种控制规律的组合，数学表达式为：0

1Pte(t)dt]TIu(t)

K

[e(t)

（2-29）PI规律将比例控制反应快和积分控制能消除余差的优点结合在一起，因而在生产中得到了广泛应用。在幅值为A的阶跃偏差输入作用下，比例积分调节器的开环输出特性:0Pte(t)dt]TI1u(t)

K

[e(t)

开始时，比例作用使输出跳变至KpA，然后是积分作用使输出随时间线性增加。用数学式表示为：PPIKAtTu(t)

K

A（2-30）t

TI在时刻，输出:u(t)

2KP

A0积分时间定义：在阶跃偏差输入作用下，调节器的输出达到比例输出两倍时，所经历的时间称“积分时间”。积分时间表征积分作用的强弱：煉积分时间越小，积分速度越大，积分控制作用越强；煉积分时间越大，积分作用越弱。若积分时间无穷大，则表示没有积分作用，调节器特性就变成了纯比例特性。（3）积分时间对系统过渡过程的影响比例积分控制系统中，若保持调节器的比例度不变，积分时间对过渡过程的影响：积分时间对过渡过程的影响具有双重性：随着积分时间的减小，积分作用不断增强，使得：煉调节器的输出增大；煉最大偏差减小，余差消除加快；煉系统振荡加剧，稳定性下降。在比例控制系统中，加入积分作用将会使系统的稳定性有所下降，若要保持原有的稳定性，则必须根据积分时间的大小，适当地增加比例度。积分作用的引入，一方面消除了系统的余差，另一方面却降低了系统的其他品质指标。4.

比例积分微分调节规律(PI

D)（1）微分调节规律(D)对惯性较大的被控对象，如果调节器能够根据被控变量的变化趋势来采取调节措施，而不要等到被控变量已经出现较大偏差后才开始动作,即调节器具有某种程度的预见性，调节的效果会更好。微分调节规律：调节器输出信号的变化量与输入偏差的变化“速度”成正比。dtu(t)

TD

de(t)（2-31）式中：TD

---微分时间在某一时刻t

0

输入一个阶跃变化的偏差信号e(t)A，该时刻调节器的输出为无穷大，其余时间输出为零，称为理想微分作用特性。理想微分作用曲线Ddtu(t)

T

de(t)特点：微分调节器的输出只与偏差的变化速度有关，而与偏差的存在无关。微分作用对恒定不变的偏差是没有克服能力。

微分调节不能单独使用。

微分控制总是与比例控制或比例积分控制组合使用。（2）比例微分控制规律(PD)比例微分控制规律(PD)是比例与微分两种控制规律的组合：Ddtu(t)

K

e(t)

T

de(t)

P

（2-32）图2-

27理想比例微分作用Ddtu(t)

K

e(t)

T

de(t)

P

工业上实际采用的PD调节规律是比例作用与近似微分作用的组合，当输入偏差的幅值为A时，数学表达式如下：（2-33）式中：

KD

-

-

-

微分增益TD

---微分时间TD(

KD

)tu(t)

KP

AKP

A(KD

1)e工业调节器的微分增益一般在5—10范围内，当 时：t

TD

/

KDu(t)

KP

A0.368

A(KD

1)

(2—34)实际的比例微分输出特性曲线TD(

KD

)tu(t)

KP

AKP

A(KD

1)ePD调节器的输出从跃变脉冲的顶点下降微分作用部分最大值的63.2％时，令 ，则

t的KD倍就是微分时间TDt

TD

/

KD结论：微分作用总是力图阻止被控变量的变化，适当的微分作用有抑制振荡的效果。煉微分作用选择适当，将有利于提高系统的稳定性；煉微分作用过强，即微分时间过大，反而不利于系统的稳定。工业用调节器的微分时间可在一定范围内(例如

3

s

～10

mi

n)进行调整。（3）微分时间对过渡过程的影响比例微分控制系统中，保持调节器的比例度不变，微分时间对过渡过程的影响如图所示。曲线1：微分时间

太短，微分作用弱，对系统的品质指标影响甚微；曲线2：当 适当时，TDTD控制系统的品质指标得到全面的改善。曲线3：微分时间太长，微分作用强，会引起系统振荡。4．比例积分微分控制规律(PI

D)将比例调节、积分调节和微分调节组合到一起。理想的PI

D调节规律的数学表达式为：tTI

dt

u(t)

KP

e(t)

0

e(t)dt

TD1

de(t)

（2-35）由上式所描述的调节器在物理上是无法实现的。图2-

32

PI

D调节器输出特性比例、积分和微分作用取长补短、互相配合，如果比例度、积分时间、微分时间这三个参数整定适当，就可获得较高的控制质量，因此，PI

D调节器的适用性较强，应用较为普遍。三、调节规律的选取1.调节规律的比较同一对象在相同阶跃干扰作用下，采用不同调节规律时具有同样衰减比的响应曲线。图2-31不同调节规律阶跃响应比较1--比例调节4一比例微分调节2-

-

积分调节 3一比例积分调节5一比例积分微分调节结论：

PI

D调节的控制作用最佳。

但不意味着任何情况下采用PI

D规律都是合理的。

在PI

D调节器中有三个参数（KP、KI

、KD）需要整定，如果这些参数整定不合适，则不仅不能发挥各种调节规律的应有作用，反而会适得其反。2.

控制规律的确定（1）简单控制系统适用于控制负荷变化较小的被控对象。若负荷变化较大，无论选择那种调节规律，简单控制系统都很难得到满意的控制质量，应

选用复杂控制系统。（2）在一般的控制系统中，比例控制是必不可少的。当对象控制通道时间常数较小，负荷变化较小，而工艺要求不高时，可选择单纯的比例调节规律。如贮罐液位、不太重要的压力等参数的控制。（3）当对象控制通道时间常数较小，负荷变化较小，而工艺要求无余差时，可选用比例积分调节规律，如管道压力、流量等参数的控制。（4）当对象控制通道时间常数较大或容量滞后较大时，应引入微分作用。如工艺允许有余差，可选取比例微分调节规律；如工艺要求无余差时，则选用比例积分微分调节规律，如温度、成分、pH等参数的控制。四、控制器正、反作用的确定1.控制作用(1)控制作用—控制作用对被控变量的影响与干扰作用对被控变量的影响相反，才能使被控变量值回复到给定值。(2)控制器的正反作用是关系到控制系统能否正常运行与安全操作的重要问题。2.控制器的作用方向被控变量给定值和测量值之差值e与控制器的输出控制信号方向之间的关系。控制器的作用方向的规定：给定值不变，测量值增加，控制器的输出增加正作用测量值不变，给定值减小，控制器的输出增加给定值不变，测量值增加，控制器的输出减小反作用测量值不变，给定值减小，控制器的输出减小e减小，输出增加e减小，输出减小3.

作用方向的组合⑴测量元件及变送器、控制器、执行器和被控对象都有各自的作用方向。⑵被控对象的作用方向：操纵变量增加，被控变量增加—正作用操纵变量增加，被控变量减小—反作用⑶考虑作用方向的组合：控制器、执行器和被控对象三个环节的作用方向组合后，应能起到负反馈的作用。负反馈闭环系统负反馈闭环系统作用—若被控变量偏高，则控制作用使被控变量降低；若被控变

量偏低，则控制作用应使被控变量升高。例：反应器温度调节系统，设置各环节的作用方向。设置：被控过程：正作用；测量环节：正作用；执行器：正作用；求调节器TC的作用方向。五、调节器参数的工程整定调节器参数整定的目的：为获得较好的过渡过程和控制质量，求取控制质量最佳的调节器参数（比例度、积分时间，和微分时间）。理论计算法调节器参数的整定方法工程整定法1.理论计算的方法根据已知