过程控制技术基础

1、1第二章第二章 过程装备控制基础过程装备控制基础 设计一个控制系统，首先应对被控对象作全设计一个控制系统，首先应对被控对象作全面的了解，下一步则是解决控制方案和调节器参面的了解，下一步则是解决控制方案和调节器参数的整定，最后是系统的调试和运行。数的整定，最后是系统的调试和运行。本章主要讲述一些工业常用控制系统的结构、特点及应用。本章主要讲述一些工业常用控制系统的结构、特点及应用。被控对象选硬选硬件件确定控确定控制方案制方案参数参数整定整定系统系统调试调试2第二章第二章 过程装备控制基础过程装备控制基础2.1 2.1 被控对象的特性被控对象的特性 设计一个控制系统，控制质量的优劣是最关键的问题，

2、它主要取决于自动控制系统的结构及其各个环节的特性。其中，被控对象的特性由生产工艺过程和工艺设备决定，在控制系统的设计中是无法改变的。因此，因此，必须深刻了解被控对象的特性，才必须深刻了解被控对象的特性，才能设计出合适的控制方案，取得良好的效果。能设计出合适的控制方案，取得良好的效果。 所谓被控对象的特性，就是当被控对象的输入变所谓被控对象的特性，就是当被控对象的输入变量发生变化时，其输出变量随时间的变化规律（包量发生变化时，其输出变量随时间的变化规律（包括变化的大小、速度等）。括变化的大小、速度等）。1 被控对象的特性被控对象的特性3第二章第二章 过程装备控制基础过程装备控制基础1 被控对象的

3、特性被控对象的特性 对一个被控对象来说，其输出变量就是控制系对一个被控对象来说，其输出变量就是控制系统的被控变量，而其输入变量则是控制系统的操统的被控变量，而其输入变量则是控制系统的操纵变量和干扰作用。被控对象输入变量与输出变纵变量和干扰作用。被控对象输入变量与输出变量之间的联系称为通道。通常所讲的对象特性是量之间的联系称为通道。通常所讲的对象特性是指控制通道（调节通道）的对象特性。指控制通道（调节通道）的对象特性。4第二章第二章 过程装备控制基础过程装备控制基础1 被控对象的特性被控对象的特性 2.1.1 被控对象的数学描述被控对象的数学描述 在不同的生产部门中被控对象千差万别。在在不同的生

4、产部门中被控对象千差万别。在连续生产过程中，最基本的关系是物料平衡和能连续生产过程中，最基本的关系是物料平衡和能量平衡。量平衡。 在静态条件下，在静态条件下，单位时间流入对象单位时间流入对象的物料（或能量）的物料（或能量）等于从系统中流出等于从系统中流出的物料的物料( (或能量或能量););5第二章第二章 过程装备控制基础过程装备控制基础1 被控对象的特性被控对象的特性 在动态条件下，在动态条件下，单位时间流入对象的单位时间流入对象的物料物料( (或能量或能量) )与单位与单位时间从系统中流出的时间从系统中流出的物料物料( (或能量或能量) )之差等之差等于系统内物料于系统内物料( (或能或能

5、量量) )贮存量的变化率。贮存量的变化率。 被控对象的数学描述就是由这两种关系推导被控对象的数学描述就是由这两种关系推导出来的微分方程式。出来的微分方程式。6第二章第二章 过程装备控制基础过程装备控制基础1 被控对象的特性被控对象的特性 （1 1） 单容液位对象单容液位对象 有自衡特性的单容对象有自衡特性的单容对象 被控对象：水被控对象：水 槽槽 被控被控变量：液位变量：液位 H Htvqqv2v1dd 令令V=AHdtdHAv2v1qq7第二章第二章 过程装备控制基础过程装备控制基础1 被控对象的特性被控对象的特性1qvRsHdtdHRsA1qvKHdtdHT令令q qv2v2=H/Rs=H

6、/Rs得到：得到：T时间常数时间常数K放大系数放大系数令令T=ARsT=ARs、K KRsRs得到：得到：dtdHAv2v1qqdtdHARsHqv18第二章第二章 过程装备控制基础过程装备控制基础1 被控对象的特性被控对象的特性 在初始平衡状态时，流入水在初始平衡状态时，流入水槽的流量槽的流量qv1等于流出水槽的流等于流出水槽的流量量qv2。因此，液位稳定在某一。因此，液位稳定在某一数值数值H0上，处于平衡状态。在上，处于平衡状态。在t0时刻，若流入量时刻，若流入量qv1突然有一阶突然有一阶跃变化量跃变化量qv1，则液位变化量，则液位变化量H=KH=K qv qv1 1（1 1e e-(t-

7、t-(t-t0 0)T)T）当当t时，时， H=KH=K q qv1v1qv1 qv2，达到了新的平衡。，达到了新的平衡。9第二章第二章 过程装备控制基础过程装备控制基础1 被控对象的特性被控对象的特性无自衡特性的单容对象无自衡特性的单容对象 由于泵的出口流量不受入由于泵的出口流量不受入口处压力的影响，所以：口处压力的影响，所以：H = H = （t tt t0 0） q qv1v1A A当流入量突然增加当流入量突然增加 q qv1v1时。液位时。液位H将随时间将随时间t的推移恒速上升，直至的推移恒速上升，直至水槽顶部滋出。无自衡特性的被控水槽顶部滋出。无自衡特性的被控对象在受到扰动作用后不能

8、重新恢对象在受到扰动作用后不能重新恢复平衡，因此控制要求较高。通常复平衡，因此控制要求较高。通常需要设自动报警装置。需要设自动报警装置。10第二章第二章 过程装备控制基础过程装备控制基础（2 2）双容液位对象）双容液位对象dtdhvv1A12q-1qdtdhvv2A23q-2qdtdhdtdhvv2A21A13q-1q1 被控对象的特性被控对象的特性11第二章第二章 过程装备控制基础过程装备控制基础令令T1A1Rs1、 T2A2Rs2、K=Rs2得得1qKh)TT(TT222122221vdtdhdthd1 被控对象的特性被控对象的特性12第二章第二章 过程装备控制基础过程装备控制基础 以上介

9、绍了液位被控对象的数学模型的建立。以上介绍了液位被控对象的数学模型的建立。对于其他比较简单的被控对象，如压力容器的压力对于其他比较简单的被控对象，如压力容器的压力被控对象、热交换器的温度被控对象等等，都可以被控对象、热交换器的温度被控对象等等，都可以用这种方法建立其数学模型。数学模型除了用方程用这种方法建立其数学模型。数学模型除了用方程式表示外，还可以用图形、表格等形式来表示。式表示外，还可以用图形、表格等形式来表示。 对于复杂的被控对象，直接用数学方法来建对于复杂的被控对象，直接用数学方法来建立模型是比较困难的。常常采用实验测试法。立模型是比较困难的。常常采用实验测试法。1 被控对象的特性被

10、控对象的特性13第二章第二章 过程装备控制基础过程装备控制基础 2.1.2 被控对象的特性参数：被控对象的特性参数： 被控对象特性主要参数有：被控对象特性主要参数有：放大系数放大系数 K K时间常数时间常数 T T滞后时间滞后时间例例1 例例2 1 被控对象的特性被控对象的特性14第二章第二章 过程装备控制基础过程装备控制基础（1）放大系数）放大系数 K K：是被控对象受扰动后重新达到是被控对象受扰动后重新达到平衡状态时的输出变化量与输入变化量之比。平衡状态时的输出变化量与输入变化量之比。 放大系数放大系数K K表达了被控对象在干扰作用下重新表达了被控对象在干扰作用下重新达到平衡状态的性能，是

11、不随时间变化的参数。所达到平衡状态的性能，是不随时间变化的参数。所以以K K是被控对象的静态特性参数。是被控对象的静态特性参数。 在相同的输入变化量作用下，被控对象的在相同的输入变化量作用下，被控对象的K越越大，输出变化量就越大，即输大，输出变化量就越大，即输入入对输出的影响越大，对输出的影响越大，被控对象的自身稳定性越差。被控对象的自身稳定性越差。 K K在任何输入变化情况下都是常数的被控对象在任何输入变化情况下都是常数的被控对象称为线性对象。输入不同的变化量其放大系数不为称为线性对象。输入不同的变化量其放大系数不为常数的被控对象，称为非线性对象。常数的被控对象，称为非线性对象。举例：举例：

12、1 被控对象的特性被控对象的特性15第二章第二章 过程装备控制基础过程装备控制基础放大系数放大系数K K对控制质量的影响分析：对控制质量的影响分析： （1）对控制通道：如果）对控制通道：如果K K值大，操纵变量对被值大，操纵变量对被控变量的影响会很大，控制系统对扰动的控制很灵控变量的影响会很大，控制系统对扰动的控制很灵敏。但缺点是容易造成被控变量波动较大，不易稳敏。但缺点是容易造成被控变量波动较大，不易稳定。反之，定。反之，K小，控制系统对扰动的控制作用不够小，控制系统对扰动的控制作用不够显著，会使被控变量变化迟缓。显著，会使被控变量变化迟缓。 （2）对干扰通道：如果）对干扰通道：如果K K较

13、小，即使干扰幅度较小，即使干扰幅度很大，也不会对被控变量产生很大的影响。若很大，也不会对被控变量产生很大的影响。若K K很很大，则当干扰幅度较大而又频繁出现时，系统就很大，则当干扰幅度较大而又频繁出现时，系统就很难稳定，除非设法排除干扰或者采用较为复杂的控难稳定，除非设法排除干扰或者采用较为复杂的控制系统，否则很难保证控制质量。制系统，否则很难保证控制质量。1 被控对象的特性被控对象的特性16第二章第二章 过程装备控制基础过程装备控制基础 （2）时间常数）时间常数T T：它反映了被控对象的输入变量改它反映了被控对象的输入变量改变以后，输出变量达到新稳态值的快慢，它决定了变以后，输出变量达到新稳

14、态值的快慢，它决定了整个动态过程的长短。因此，它是被控对象的动态整个动态过程的长短。因此，它是被控对象的动态特性参数。特性参数。 时间常数对控制系统的影响分析：时间常数对控制系统的影响分析： 若时间常数若时间常数T T大，则被控变量的变化比较缓和，大，则被控变量的变化比较缓和，一般来讲，这种对象比较稳定，容易控制，但缺点一般来讲，这种对象比较稳定，容易控制，但缺点是控制过于缓慢；若时间常数是控制过于缓慢；若时间常数T T小，则被控变量的变小，则被控变量的变化速度快，不易控制。因此，时间常数太大或太小，化速度快，不易控制。因此，时间常数太大或太小，对过程控制都不利。对过程控制都不利。举例：气水混

15、合器举例：气水混合器1 被控对象的特性被控对象的特性17第二章第二章 过程装备控制基础过程装备控制基础 （3）滞后时间）滞后时间 ：有不少化工对象，在受到干扰作有不少化工对象，在受到干扰作用后，其被控变量并不立即发生变化，而是过一段时用后，其被控变量并不立即发生变化，而是过一段时间才发生变化，这种现象称为滞后现象。滞后时间是间才发生变化，这种现象称为滞后现象。滞后时间是描述对象滞后现象的动态参数。描述对象滞后现象的动态参数。 滞后又分为传递滞后和容量滞后。滞后又分为传递滞后和容量滞后。传递滞后传递滞后 0 0：又叫纯滞后，是：又叫纯滞后，是由于信号的传输、介质的输送由于信号的传输、介质的输送或

16、热的传递要经过一段时间而或热的传递要经过一段时间而造成的。造成的。1 被控对象的特性被控对象的特性18第二章第二章 过程装备控制基础过程装备控制基础容量滞后容量滞后 c：一般是由于：一般是由于物料或能量的传递过程中物料或能量的传递过程中受到一定的阻力而造成的。受到一定的阻力而造成的。它是多容过程所固有的特它是多容过程所固有的特性。性。 从原理上讲，传递滞后和容量滞后的本质是不同从原理上讲，传递滞后和容量滞后的本质是不同的，但实际上很难严格区分。当两者同时存在时，的，但实际上很难严格区分。当两者同时存在时，通常把这两种滞后时间加在一起，统称为滞后时间，通常把这两种滞后时间加在一起，统称为滞后时间

17、，用用 来表示，即来表示，即 = 。+ c c1 被控对象的特性被控对象的特性19第二章第二章 过程装备控制基础过程装备控制基础滞后时间对控制系统的影响分析：滞后时间对控制系统的影响分析： 对控制通道来讲：滞后的存在会使控制不够及对控制通道来讲：滞后的存在会使控制不够及时，在干扰出现后不能迅速调节，严重影响控制质时，在干扰出现后不能迅速调节，严重影响控制质量。因此，应尽量减少滞后时间。量。因此，应尽量减少滞后时间。 对干扰通道来讲：纯滞后只是推迟了干扰作用对干扰通道来讲：纯滞后只是推迟了干扰作用进入系统的时间，因此对控制质量没有影响；而容进入系统的时间，因此对控制质量没有影响；而容量滞后的存在

18、则可以缓和阶跃干扰对被控变量的影量滞后的存在则可以缓和阶跃干扰对被控变量的影响，因而对控制系统是有利的。响，因而对控制系统是有利的。1 被控对象的特性被控对象的特性20第二章第二章 过程装备控制基础过程装备控制基础2.1.3 对象特性的实验测定对象特性的实验测定 前面所讲对象特性的求取方法是从工艺过程的变前面所讲对象特性的求取方法是从工艺过程的变化机理出发，写出各种有关的平衡方程（如物料平衡化机理出发，写出各种有关的平衡方程（如物料平衡方程、能量平衡方程等），进而推导出被控对象的数方程、能量平衡方程等），进而推导出被控对象的数学模型，得出其特性参数。但现实情况是：学模型，得出其特性参数。但现实

19、情况是： 对象的动态特性虽可运用流动、蒸发、反应、传热、吸收对象的动态特性虽可运用流动、蒸发、反应、传热、吸收等物理化学基础理论来推导求解，但由于具体对象往往非常等物理化学基础理论来推导求解，但由于具体对象往往非常复杂，在数学推导过程中必须作许多假设和简化，致使推导复杂，在数学推导过程中必须作许多假设和简化，致使推导的结果偏离实际；的结果偏离实际； 许多实际工业对象的机理很复杂，有许多实际工业对象的机理很复杂，有时甚至很难用数学方法推导；时甚至很难用数学方法推导； 有许多被控对象的特性在有许多被控对象的特性在运行过程中会随工况变化而改变，或随其他因素而改变，为运行过程中会随工况变化而改变，或随

20、其他因素而改变，为了提高控制质量，这种系统就非得在运行过程中用实验的方了提高控制质量，这种系统就非得在运行过程中用实验的方法测定对象的动态特性不可。法测定对象的动态特性不可。1 被控对象的特性被控对象的特性21第二章第二章 过程装备控制基础过程装备控制基础 鉴于上述原因，许多工业被控对象难以用数学鉴于上述原因，许多工业被控对象难以用数学的方法求出其特性参数，必须得对具体的对象通过的方法求出其特性参数，必须得对具体的对象通过实验测试，得到一系列数据和运行曲线，由此分析实验测试，得到一系列数据和运行曲线，由此分析归纳出被控对象的动态特性归纳出被控对象的动态特性实验测定法。实验测定法。 方法一：时域

21、分析法方法一：时域分析法 时域分析法就是用实验的方法测定对象在输入突时域分析法就是用实验的方法测定对象在输入突然改变后，其输出量随然改变后，其输出量随时间的变化规律。时间的变化规律。 以单容水槽液位对象以单容水槽液位对象 在阶跃输入时的动态在阶跃输入时的动态 特性为例特性为例1 被控对象的特性被控对象的特性22第二章第二章 过程装备控制基础过程装备控制基础 求纯滞后时间求纯滞后时间:从从t0时刻起到时刻起到输出开始变化的这段时间，即输出开始变化的这段时间，即输入变化而输出不发生变化的输入变化而输出不发生变化的这段时间为纯滞后时间。这段时间为纯滞后时间。求静态放大倍数求静态放大倍数: K= K=

22、y(y()-y(0)-y(0)x(x()-x(0)-x(0)求时间常数求时间常数T T：在反应曲线上找到输出量变化至终：在反应曲线上找到输出量变化至终值值63.2%时的坐标点，它所对应的时刻与输出量开时的坐标点，它所对应的时刻与输出量开始变化时的时刻之差就是时间常数始变化时的时刻之差就是时间常数T T。1 被控对象的特性被控对象的特性63.2%63.2%23第二章第二章 过程装备控制基础过程装备控制基础 讨论：讨论：此法是一种比较简单的对象特性实验测此法是一种比较简单的对象特性实验测定方法，但由于实际生产过程中的干扰因素较多，定方法，但由于实际生产过程中的干扰因素较多，而且一般不允许输入量变化

23、太大，通常为额定值的而且一般不允许输入量变化太大，通常为额定值的5%10%，因此这种方法的精度较差、应用受限。，因此这种方法的精度较差、应用受限。实际常用矩形脉冲实际常用矩形脉冲，矩形矩形脉冲脉冲输入信号作用下，测输入信号作用下，测其输出量随时间的变化规其输出量随时间的变化规律。律。1 被控对象的特性被控对象的特性24第二章第二章 过程装备控制基础过程装备控制基础讨论：讨论：用矩形脉冲干扰来测用矩形脉冲干扰来测取对象特性时，由于加在对取对象特性时，由于加在对象上的干扰经过一段时间即象上的干扰经过一段时间即被除去，因此干扰的幅度可被除去，因此干扰的幅度可取的较大，以提高实验的精取的较大，以提高实

24、验的精度度;同时，对象输出量又不至同时，对象输出量又不至于长时间地偏离给定值，因于长时间地偏离给定值，因而对正常生产影响较小。所而对正常生产影响较小。所以，这种方法是测定对象特以，这种方法是测定对象特性常用的方法之一。性常用的方法之一。1 被控对象的特性被控对象的特性25第二章第二章 过程装备控制基础过程装备控制基础1 被控对象的特性被控对象的特性另外，还有频域测定法、统计分析法等。另外，还有频域测定法、统计分析法等。26第二章第二章 过程装备控制基础过程装备控制基础 对象特性时域测定注意事项：对象特性时域测定注意事项：a.测试时采取一切措施防止其他干扰发生；测试时采取一切措施防止其他干扰发生

25、；b.必须在对象平稳后加入激励；必须在对象平稳后加入激励；c.必须注意过渡过程起始阶段的测量和记录；必须注意过渡过程起始阶段的测量和记录；d.每次测量应进行到被测参数足够稳定时为止；每次测量应进行到被测参数足够稳定时为止；e.阶跃值不能太大、也不宜太小，通常取正常生产阶跃值不能太大、也不宜太小，通常取正常生产值的值的515%。对于更大的激励，应采用矩形脉冲法。对于更大的激励，应采用矩形脉冲法;f.最好在同一工况下，通过重复测试，剔除偶然误差最好在同一工况下，通过重复测试，剔除偶然误差g.一般应在对象工作范围内，选取多个工况，进行一般应在对象工作范围内，选取多个工况，进行多次测试，求取多组特性参

26、数再进一步加以处理。多次测试，求取多组特性参数再进一步加以处理。1 被控对象的特性被控对象的特性27第二章第二章 过程装备控制基础过程装备控制基础2 单回路控制系统单回路控制系统2.2 2.2 单回路控制系统单回路控制系统 单回路控制系统又称简单控制系统，是指由一单回路控制系统又称简单控制系统，是指由一个被控对象、一个检测元件及变送器、一个调节器个被控对象、一个检测元件及变送器、一个调节器和一个执行器所构成的闭合系统。和一个执行器所构成的闭合系统。 单回路控制系统结构简单，便于施工，并能满单回路控制系统结构简单，便于施工，并能满足一般生产过程的控制要求，应用广泛。足一般生产过程的控制要求，应用

27、广泛。28第二章第二章 过程装备控制基础过程装备控制基础2 单回路控制系统单回路控制系统2.2.1 2.2.1 单回路控制系统的设计单回路控制系统的设计 设计一个控制系统，首先应对被控对象做全面设计一个控制系统，首先应对被控对象做全面的了解。除被控对象的动静态特性外，对于工艺过的了解。除被控对象的动静态特性外，对于工艺过程、设备等也需要做比较深入的了解；在此基础上，程、设备等也需要做比较深入的了解；在此基础上，确定正确的控制方案，包括合理地选择确定正确的控制方案，包括合理地选择被控变量与被控变量与操纵变量操纵变量，选择合适的，选择合适的检测变送元件及检测位置，检测变送元件及检测位置，选用恰当的

28、执行器、调节器以及调节器控制规律选用恰当的执行器、调节器以及调节器控制规律等等;最后最后将调节器的参数整定到最佳值将调节器的参数整定到最佳值。29第二章第二章 过程装备控制基础过程装备控制基础2 单回路控制系统单回路控制系统 （1 1）被控变量的选择）被控变量的选择 被控变量是生产过程中希望保持在定值的过程被控变量是生产过程中希望保持在定值的过程参数。影响一个生产过程正常操作的因素很多，但参数。影响一个生产过程正常操作的因素很多，但不可能全部都加以控制。作为被控变量，它应是对不可能全部都加以控制。作为被控变量，它应是对提高产品质量和产量、保证安全生产、节约能源等提高产品质量和产量、保证安全生产

29、、节约能源等具有决定作用的工艺参数。这就需要在了解工艺过具有决定作用的工艺参数。这就需要在了解工艺过程、控制要求的基础上，分析各变量间的关系，合程、控制要求的基础上，分析各变量间的关系，合理选择被控变量。理选择被控变量。30第二章第二章 过程装备控制基础过程装备控制基础2 单回路控制系统单回路控制系统选择被控变量的选择被控变量的基本原则基本原则：作为被控变量，其信号最好是能够直接测量获得，作为被控变量，其信号最好是能够直接测量获得，并且测量和变送环节的滞后也要比较小。并且测量和变送环节的滞后也要比较小。若被控变量信号无法直接获取，可选择与之有单若被控变量信号无法直接获取，可选择与之有单值函数关

30、系的间接参数作为被控变量。值函数关系的间接参数作为被控变量。作为被控变量，最好是独立变量。变量的数目一作为被控变量，最好是独立变量。变量的数目一般可以用物理化学中的相律关系来确定。般可以用物理化学中的相律关系来确定。作为被控变量，必须考虑工艺合理性，以及目前作为被控变量，必须考虑工艺合理性，以及目前仪表的现状能否满足要求。仪表的现状能否满足要求。31第二章第二章 过程装备控制基础过程装备控制基础2 单回路控制系统单回路控制系统（2 2）操纵变量的选择）操纵变量的选择 在控制系统中，用来克服干扰对被控变量的影在控制系统中，用来克服干扰对被控变量的影响，实现控制作用的变量就是操纵变量。在化工和响，

31、实现控制作用的变量就是操纵变量。在化工和炼油生产过程中，最常见的操纵变量是流量，也有炼油生产过程中，最常见的操纵变量是流量，也有电压、转速等。电压、转速等。？T:被控被控变量变量32第二章第二章 过程装备控制基础过程装备控制基础2 单回路控制系统单回路控制系统选择操纵变量的选择操纵变量的基本原则基本原则：使被控对象控制通道的放大系数较大，时间常数使被控对象控制通道的放大系数较大，时间常数较小，纯滞后时间越小越好较小，纯滞后时间越小越好;（灵敏、快捷）（灵敏、快捷）使被控对象干扰通道的放大系数尽可能小，时间使被控对象干扰通道的放大系数尽可能小，时间常数越大越好。（抑制效果好）常数越大越好。（抑制

32、效果好）综合考虑工艺的合理性和实现的成本。综合考虑工艺的合理性和实现的成本。33第二章第二章 过程装备控制基础过程装备控制基础2 单回路控制系统单回路控制系统控制任务控制任务使塔底产品成使塔底产品成分稳定。分稳定。被控变量？被控变量？操控变量？操控变量？可选参数：可选参数：进料量进料量进料温度进料温度回流量回流量回流温度回流温度蒸汽量蒸汽量冷凝温度冷凝温度塔内温度塔内温度34第二章第二章 过程装备控制基础过程装备控制基础2 单回路控制系统单回路控制系统 （3）检测变送环节的影响）检测变送环节的影响 检测变送环节在控制系统中起着获取信息和传送检测变送环节在控制系统中起着获取信息和传送信息的作用。

33、因此要求获取的信息及时、准确，传信息的作用。因此要求获取的信息及时、准确，传递信息快捷、完整。递信息快捷、完整。 纯滞后纯滞后：在过：在过程控制中，由于程控制中，由于检测元件安装位检测元件安装位置的不适当将会置的不适当将会产生纯滞后。产生纯滞后。22110ulul35第二章第二章 过程装备控制基础过程装备控制基础2 单回路控制系统单回路控制系统 纯滞后使测量信号不能及时地反映被控变量的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，因此，元件安装位置所引入的纯滞后是不可避免的

34、，因此，在设计时，要正确选择安装检测点位置。另外，检在设计时，要正确选择安装检测点位置。另外，检测元件不能安装在死角或容易结焦的地方。测元件不能安装在死角或容易结焦的地方。 测量滞后测量滞后 是指由测量元件本身特性所引起的动是指由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，要经态误差。当测量元件感受被控变量的变化时，要经过一定时间，才能反映出被控变量的实际值，这时过一定时间，才能反映出被控变量的实际值，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。性环节。36第二章第二章 过程装备控制基础过程装备控制基础2 单回路控制

35、系统单回路控制系统 克服测量滞后的方法通常有两种：一是尽量选用克服测量滞后的方法通常有两种：一是尽量选用快速测量元件，以测量元件的时间常数为被控对象快速测量元件，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；二是在测最元件的时间常数的十分之一以下为宜；二是在测最元件之后引入微分作用进行补偿，以改善控制质量。之后引入微分作用进行补偿，以改善控制质量。 传递滞后传递滞后 即信号传输滞后，主要是由于气压即信号传输滞后，主要是由于气压信号在管路传送过程中引起的滞后（电信号的传递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）。滞后可以忽略不计）。 在采用气动仪表实现集中控制

36、的场合，调节器在采用气动仪表实现集中控制的场合，调节器和显示器一般均集中安装在中心控制室，而检测变和显示器一般均集中安装在中心控制室，而检测变送器和执行器安装在现场。在由测量变送器至调节送器和执行器安装在现场。在由测量变送器至调节器和由调节器至执行器的信号传递中，由于管线过器和由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。长就形成了传递滞后。37第二章第二章 过程装备控制基础过程装备控制基础2 单回路控制系统单回路控制系统 传递滞后总是存在的，克服或减小信号传递滞传递滞后总是存在的，克服或减小信号传递滞后的方法：后的方法：尽量缩短气压信号管线的长度，一般尽量缩短气压信号管线的长度

37、，一般不超过不超过300m；改用电信号传递，即先用气电转改用电信号传递，即先用气电转换器把调节器输出的气压信号变成电信号，送到现换器把调节器输出的气压信号变成电信号，送到现场后，再用电气转换器变换成气压信号送到执行器场后，再用电气转换器变换成气压信号送到执行器上上; 在气压管线上加气动继动器，或在执行器上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，以增大输出功率，减少传递滞加气动阀门定位器，以增大输出功率，减少传递滞后的影响后的影响; 如果变送器和调节器都是电动的，而如果变送器和调节器都是电动的，而执行器采用的是气动执行器，则可将电气转换器靠执行器采用的是气动执行器，则可将电气转换

38、器靠近执行器或采用电气阀门定位器近执行器或采用电气阀门定位器;如实际情况允许，如实际情况允许，采用基地式仪表，以消除信号传递上的滞后。采用基地式仪表，以消除信号传递上的滞后。38第二章第二章 过程装备控制基础过程装备控制基础2 单回路控制系统单回路控制系统（4）执行器的影响）执行器的影响 执行器是过程控制系统中的一个重要环节，其执行器是过程控制系统中的一个重要环节，其作用是接受调节器送来的控制信号，调节管道中介作用是接受调节器送来的控制信号，调节管道中介质的流量质的流量(改变操纵变量改变操纵变量)，从而实现生产过程的自，从而实现生产过程的自动控制。执行器通常为调节阀。由于调节阀直接与动控制。执

39、行器通常为调节阀。由于调节阀直接与介质接触，当在高温、高压、深冷、强腐蚀、高粘介质接触，当在高温、高压、深冷、强腐蚀、高粘度、易结晶、闪蒸、气蚀等各种恶劣条件下工作时，度、易结晶、闪蒸、气蚀等各种恶劣条件下工作时，如果执行器选择不当或维护不善，常常会使整个系如果执行器选择不当或维护不善，常常会使整个系统不能可靠工作，严重影响控制系统的质量。统不能可靠工作，严重影响控制系统的质量。39第二章第二章 过程装备控制基础过程装备控制基础2 单回路控制系统单回路控制系统2.2.2 2.2.2 调节器的调节规律调节器的调节规律 调节器是控制系统的心脏。它的作用是将测量调节器是控制系统的心脏。它的作用是将测

40、量变送信号与给定值相比较产生偏差信号，然后按一变送信号与给定值相比较产生偏差信号，然后按一定的运算规律产生输出信号，推动执行器，实现对定的运算规律产生输出信号，推动执行器，实现对生产过程的自动控制。生产过程的自动控制。 调节规律是指调节器的输出信号随输入信号变调节规律是指调节器的输出信号随输入信号变化的规律。化的规律。常用的基本调节规律有：常用的基本调节规律有：位式位式比例比例积分积分微分微分断续调节断续调节连续调节连续调节40第二章第二章 过程装备控制基础过程装备控制基础2 单回路控制系统单回路控制系统（1）位式调节规律）位式调节规律 双位调节是位式调节规律中最简单的形式。双位调节是位式调节

41、规律中最简单的形式。u u= =u umaxmax 当当e0e0（或（或e0e0）时）时u uminmin 当当e0e0e0）时）时41第二章第二章 过程装备控制基础过程装备控制基础2 单回路控制系统单回路控制系统 理想的情况是：当被控变量的测量值低于给定值理想的情况是：当被控变量的测量值低于给定值时，调节器输出的极限状态使加热器供电，被控温时，调节器输出的极限状态使加热器供电，被控温度上升；而当测量值一旦高于给定值时，调节器立度上升；而当测量值一旦高于给定值时，调节器立刻输出另一极限状态使加热器断电，被控温度下降，刻输出另一极限状态使加热器断电，被控温度下降，如此反复进行，使温度维持在给定值

42、附近很小的范如此反复进行，使温度维持在给定值附近很小的范围内波动。围内波动。 位式调节结构简单、成本较低、使用方便，一般位式调节结构简单、成本较低、使用方便，一般带有上下限发信装置的检测仪表，如电接点压力表、带有上下限发信装置的检测仪表，如电接点压力表、水银定温计、双金属片温度计、电子电位差计等都水银定温计、双金属片温度计、电子电位差计等都可以方便地实现位式调节。但其主要缺点是被控变可以方便地实现位式调节。但其主要缺点是被控变量总在波动，控制质量不高。当被控对象纯滞后较量总在波动，控制质量不高。当被控对象纯滞后较大时，被控变量波动幅度会很大。大时，被控变量波动幅度会很大。42第二章第二章 过程

43、装备控制基础过程装备控制基础2 单回路控制系统单回路控制系统 在理想的双位控制系统中，调节机构在理想的双位控制系统中，调节机构(继电器继电器)的启的启停过于频繁，系统中的运动部件停过于频繁，系统中的运动部件(继电器触头继电器触头)容易容易损坏，这样就很难保证控制系统安全可靠地运行。损坏，这样就很难保证控制系统安全可靠地运行。因此，实际应用的双位调节器都有一个中间区域。因此，实际应用的双位调节器都有一个中间区域。双位调节过程实际是一种双位调节过程实际是一种断续作用下的等幅振荡过断续作用下的等幅振荡过程。不能用连续控制作用程。不能用连续控制作用下的衰减振荡过程的性能下的衰减振荡过程的性能指标来衡量

44、，而是用振幅指标来衡量，而是用振幅和周期作为其品质指标。和周期作为其品质指标。 显然，振幅小、周期长，控制质量就好。显然，振幅小、周期长，控制质量就好。43第二章第二章 过程装备控制基础过程装备控制基础2 单回路控制系统单回路控制系统（2）比例调节规律）比例调节规律（P P）比例放大倍数比例放大倍数（KpKp）: :可以人为设定。可以人为设定。 u u( (t t)=Kp )=Kp e e( (t t) ) u(t)= e(t) u(t)= e(t)b ba a 改变改变OO点位置，可点位置，可以改变放大倍数。以改变放大倍数。 比例调节器的输出变化量与输入偏差具有一比例调节器的输出变化量与输入

45、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、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。克服偏差有力的特点。44第二章第二章 过程装备控制基础过程装备控制基础2 单回路控制系统单回路控制系统 比例度比例度 工业上使用的调节器，常常采用比例度工业上使用的调节器，常常采用比例度来表示比例作用的强弱。所谓比例度是指调节器的来表示比例作用的强弱。所谓比例度是指调节器的输入相对变化量与相应输出的相对变化量之比的百输入相对变化量与相应输出的相对变化量之比的百分数。分数。 例：一个电动比例调节器，它的量程是例：一个电动比例调节器，它的量程是100200，输出信号是，输出信号是0

46、10mA，当输入从，当输入从140变化到变化到160时，相应的调节器输出从时，相应的调节器输出从3mA变化到变化到8 mA，则该调节器的比例度为，则该调节器的比例度为45第二章第二章 过程装备控制基础过程装备控制基础2 单回路控制系统单回路控制系统比例度对控制质量的影响：比例度对控制质量的影响：在相同大小的干扰下，在相同大小的干扰下，调节器的比例度越小，则比例作用越强，调节器的调节器的比例度越小，则比例作用越强，调节器的输出越大，使被控变量偏离给定值越小，被控变量输出越大，使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。但比例度太小时，被拉回到给定值所需的时间越短。但比例度太小

47、时，调节太频繁，会影响系统稳定性。调节太频繁，会影响系统稳定性。 在调节器的基本调节规律中，比例调节是最基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。比例控克服干扰的影响，使系统很快地稳定下来。比例控制作用通常适用于干扰少、扰动幅度小、负荷变化制作用通常适用于干扰少、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。不大、滞后较小或者控制精度要求不高的场合。46第二章第二章 过程装备控制基础过程装备控制基础2 单回路控制系统单回路控制系统 （3 3）比例积分调节

48、规律（）比例积分调节规律（PIPI） 积分调节规律（积分调节规律（I I）在积分调节规律中，调节器在积分调节规律中，调节器输出信号的变化量与输入偏差的积分成正比。输出信号的变化量与输入偏差的积分成正比。 积分调节器的输出信号的大小不积分调节器的输出信号的大小不仅与输入偏差信号的大小有关，而仅与输入偏差信号的大小有关，而且还取决于偏差存在时间的长短。且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只要有偏差，调节器的输出就不断变化。直到偏差等于零，积分调节变化。直到偏差等于零，积分调节器的输出信号才能稳定。器的输出信号才能稳定。47第二章第二章 过程装备控制基础过程装备控制基础2 单

49、回路控制系统单回路控制系统 纯积分控制的缺点在于纯积分控制的缺点在于:它不像比例控制那样输它不像比例控制那样输出出u u与输入与输入e保持同步、反应较快，而是其输出变保持同步、反应较快，而是其输出变化总要滞后于偏差的变化。这样就不能及时有效地化总要滞后于偏差的变化。这样就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，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。因此，在工业过程控制中，使系统难以稳定下来。因此，在工业过程控制中，通常不单独使用积分控制规律，而是将它与比例控通常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。制组合成比例积

50、分控制规律来应用。 比例积分控制规律（比例积分控制规律（PIPI）是比例与积分两种是比例与积分两种控制规律的组合，其数学表达式为控制规律的组合，其数学表达式为48第二章第二章 过程装备控制基础过程装备控制基础2 单回路控制系统单回路控制系统PIPI规律将比例控制反应快和积分控制能消除余差的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。优点结合在一起，因而在生产中得到了广泛应用。在幅度为在幅度为A A的阶跃偏差输入作用下的阶跃偏差输入作用下T TI I为积分时间为积分时间T TI I越小，积分控制作用越强；越小，积分控制作用越强；T TI I越大，积分控制

51、作用越弱，越大，积分控制作用越弱，T TI I特别大时，则只有特别大时，则只有P P调节。调节。49第二章第二章 过程装备控制基础过程装备控制基础2 单回路控制系统单回路控制系统比例调节比例调节比例积分调节比例积分调节 u(t)=K u(t)=Kp pe(t)=e(t) u(t)=Ke(t)=e(t) u(t)=Kp pA AAtAt 1 1K Kp pT TI I 比例积分调节规律的适用性很强，在多数场合比例积分调节规律的适用性很强，在多数场合下均可采用。只是当被控对象的滞后很大时，可下均可采用。只是当被控对象的滞后很大时，可能能PIPI调节的时间较长；或者当负荷变化特别剧烈调节的时间较长；

52、或者当负荷变化特别剧烈时，时，PIPI调节不够及时。调节不够及时。50第二章第二章 过程装备控制基础过程装备控制基础2 单回路控制系统单回路控制系统 （4）比例积分微分调节规律（）比例积分微分调节规律（PIDPID） 对于惯性较大的被控对象，如果调节器能够根据对于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，那么调节的控变量已经出现较大偏差后才开始动作，那么调节的效果将会更好，等于赋予了调节器以某种程度的预见效果将会更好，等于赋予了调节器以某种程度的预见性，这种调节规律就是微

53、分调节规律。性，这种调节规律就是微分调节规律。 微分调节规律（微分调节规律（DD）在微分调节中，调节器输出在微分调节中，调节器输出信号的变化量与输入偏差的变化速度成正比。其数学信号的变化量与输入偏差的变化速度成正比。其数学表达式为表达式为u(t) = Tu(t) = TDDde(t)de(t)dtdt51第二章第二章 过程装备控制基础过程装备控制基础2 单回路控制系统单回路控制系统若在某一时刻若在某一时刻T=TT=T0 0输入一个阶跃变化输入一个阶跃变化的偏差信号的偏差信号e(t)e(t)A A，则在该时刻调节，则在该时刻调节器的输出为无穷大，其余时间输出为器的输出为无穷大，其余时间输出为零。

54、显然这种特性没有实用价值，称零。显然这种特性没有实用价值，称为理想微分作用。为理想微分作用。 从图中可看出，微从图中可看出，微分调节器的输出只与偏差的变化速度分调节器的输出只与偏差的变化速度有关，而与偏差的存在与否无关。即有关，而与偏差的存在与否无关。即微分作用对恒定不变的偏差没有克服微分作用对恒定不变的偏差没有克服能力，必须与其它控制联合使用。能力，必须与其它控制联合使用。 比例微分控制规律（比例微分控制规律（PDPD）52第二章第二章 过程装备控制基础过程装备控制基础2 单回路控制系统单回路控制系统 理想的比例微分调节器在物理上是难以实现的，理想的比例微分调节器在物理上是难以实现的，工业上

55、实际采用的工业上实际采用的PDPD调节规律是比例作用与近似微调节规律是比例作用与近似微分作用的组合。分作用的组合。K KDD微分增益，工业上一般取微分增益，工业上一般取5 51010；T TDD微分时间，工业上一般微分时间，工业上一般3s3s10min.10min.T TDD太小太小 由于微分作用总是力图阻止被控变由于微分作用总是力图阻止被控变量的任何变化，所以适当的微分作量的任何变化，所以适当的微分作用有抑制振荡的效果。若微分作用用有抑制振荡的效果。若微分作用选择适当，将有利于提高系统的稳选择适当，将有利于提高系统的稳定性。定性。T TD D适当适当53第二章第二章 过程装备控制基础过程装备

56、控制基础2 单回路控制系统单回路控制系统比例积分微分控制规律（比例积分微分控制规律（PIDPID） 不难看出，由上式所描述的调节器在物理上也不难看出，由上式所描述的调节器在物理上也是无法实现的。工业上实际采用的是无法实现的。工业上实际采用的PIDPID调节器如调节器如DDZDDZ型调节器，其传递函数为型调节器，其传递函数为: :带量为实际值带量为实际值 K KP P F KF KP P T TI I F TF TI I T TD D T TD DF F* * * *54第二章第二章 过程装备控制基础过程装备控制基础2 单回路控制系统单回路控制系统 在在PIDPID调节器中，比例、调节器中，比例

57、、积分和微分作用取长补短、积分和微分作用取长补短、互相配合，如果比例度、互相配合，如果比例度、积分时间、微分时间这三积分时间、微分时间这三个参数整定适当，就可以个参数整定适当，就可以获得较高的控制质量。因获得较高的控制质量。因此，此，PIDPID调节器适应性较强，调节器适应性较强，应用普遍。应用普遍。（5 5）调节规律的选取）调节规律的选取 选择什么样的调节规律与具体对选择什么样的调节规律与具体对象相匹配，是一个比较复杂的问题，需要综合考虑多种因素。象相匹配，是一个比较复杂的问题，需要综合考虑多种因素。通常，选择调节器调节规律时应根据对象特性、负荷变化、通常，选择调节器调节规律时应根据对象特性

58、、负荷变化、主要扰动和控制要求等具体情况，同时还应考虑系统的经济主要扰动和控制要求等具体情况，同时还应考虑系统的经济性以及系统投入方便等。性以及系统投入方便等。55第二章第二章 过程装备控制基础过程装备控制基础2 单回路控制系统单回路控制系统11比例调节比例调节22积分调节积分调节3PI3PI调节调节4PD4PD调节调节5PID5PID调节调节 经比较，经比较，PIDPID调节的控制作用最佳，但这并不调节的控制作用最佳，但这并不意味着在任何情况下采用意味着在任何情况下采用PIDPID规律都是合理的。在规律都是合理的。在PIDPID调节器中有三个参数需要整定，如果这些参数调节器中有三个参数需要整

59、定，如果这些参数整定不合适，也不能达到理想的效果。整定不合适，也不能达到理想的效果。56第二章第二章 过程装备控制基础过程装备控制基础2 单回路控制系统单回路控制系统控制规律的选取原则：控制规律的选取原则：简单控制系统适用于控制负荷变化较小的被控对简单控制系统适用于控制负荷变化较小的被控对象，如果负荷变化较大，无论选择那种调节规律，象，如果负荷变化较大，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，此时，简单控制系统都很难得到满意的控制质量，此时，应设计选用复杂控制系统。应设计选用复杂控制系统。在一般的控制系统中，比例控制是必不可少的。在一般的控制系统中，比例控制是必不可少的。当

60、一些对象控制通道滞后较小，负荷变化较小，而当一些对象控制通道滞后较小，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。贮罐液位、不太重要的压力等参数的控制。当一些对象控制通道滞后较小，负荷变化较小，当一些对象控制通道滞后较小，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，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。如管道压力、流量等参数的控制。57第二章第二章 过程装备控制基础过程装备控制基础2 单回路控制系统单回路控制系统 当一些对象控制通道滞后较大时，应引