第七章单回路控制系统

1、第第7章章 单回路控制系统的设计单回路控制系统的设计过程控制系统从结构形式可以分为单回路系统和多回路系统过程控制系统从结构形式可以分为单回路系统和多回路系统（串级）。单回路控制系统包含一个测量变送器、一个调节器（串级）。单回路控制系统包含一个测量变送器、一个调节器、一个执行器和对象，对对象的某一个被控制参数进行闭环负、一个执行器和对象，对对象的某一个被控制参数进行闭环负反馈控制。反馈控制。结构简单、投资少、易于调整和投运，能够满足一般工业结构简单、投资少、易于调整和投运，能够满足一般工业生产过程的控制要求，因此应用十分广泛（生产过程的控制要求，因此应用十分广泛（70%以上以上），尤），尤其适用

2、于被控过程的纯时延和惯性小，负荷和扰动变化比较其适用于被控过程的纯时延和惯性小，负荷和扰动变化比较平缓，或者对被控质量要求不太高的场合。平缓，或者对被控质量要求不太高的场合。在系统分析、设计和整定中，单回路系统设计方法是最在系统分析、设计和整定中，单回路系统设计方法是最基本基本的方法，适用于其他各类复杂控制系统的分析、设计、整定和的方法，适用于其他各类复杂控制系统的分析、设计、整定和投运。投运。 例例 液位控制系统液位控制系统流入量流入量流出量流出量液位设定值液位设定值液位变送器液位变送器液位调节器液位调节器图图7.1 液位控制系统液位控制系统 控制原理控制原理：液位液位是被控参数是被控参数，

3、液位变送器，液位变送器LT 将将反映液位高低的检测信号送往液位反映液位高低的检测信号送往液位控制器控制器 LC；控制器根据实际检测值；控制器根据实际检测值与液位设定值的与液位设定值的偏差偏差情况，输出控情况，输出控制信号给制信号给执行器执行器（调节阀），改变（调节阀），改变调节阀的调节阀的开度开度，来调节水箱输出，来调节水箱输出流流量量，以维持，以维持液位液位稳定。稳定。 图图7.2 单回路控制系统框图单回路控制系统框图调节器调节器调节阀调节阀被控过程被控过程测量变送器测量变送器自动控制系统的自动控制系统的一般要求一般要求：1过程控制系统必须是过程控制系统必须是稳定稳定的；的； 2系统必须具有

4、适当的系统必须具有适当的稳定裕量稳定裕量 ；3系统应是一个系统应是一个衰减振荡过程衰减振荡过程（特殊生产要求例（特殊生产要求例 外），但过渡过程时间要外），但过渡过程时间要短短，余差要，余差要小。小。 对过程控制系统设计的一般要求对过程控制系统设计的一般要求对过程控制系统设计的一般要求对过程控制系统设计的一般要求在工程上这些要求往往是在工程上这些要求往往是相互矛盾相互矛盾的，因此在设计的，因此在设计过程控制系统时，应根据实际情况，分清主次，以过程控制系统时，应根据实际情况，分清主次，以保证满足最重要的质量指标要求。保证满足最重要的质量指标要求。 稳定性稳定性: 过程控制系统必须是过程控制系统必

5、须是稳定稳定的，的， 而且必须具有适当的而且必须具有适当的稳定裕量稳定裕量；准确性准确性: 最大动态偏差、超调量、余差要小；最大动态偏差、超调量、余差要小；快速性快速性: 过渡过程时间要短。过渡过程时间要短。设计步骤设计步骤熟悉系统的技术要求或熟悉系统的技术要求或性能指标性能指标，如：超调量，稳定误差，如：超调量，稳定误差，调节时间，上升时间，衰减比等；调节时间，上升时间，衰减比等；了解工艺过程，建立对象的了解工艺过程，建立对象的数学模型数学模型 ；依据过程的数学模型，确定依据过程的数学模型，确定控制方案控制方案。即确定被控参数及其。即确定被控参数及其测量和变送的方法；确定操作变量和相关的执行

6、器（控制方测量和变送的方法；确定操作变量和相关的执行器（控制方法）。建立系统方法）。建立系统方框图框图 ；依据调节规律和系统的动、静态特性进行依据调节规律和系统的动、静态特性进行理论分析和综合；理论分析和综合；实验和实验和仿真；仿真；工程设计、工程安装；工程设计、工程安装；系统系统投运投运 。过程控制系统设计包括过程控制系统设计包括方案设计、工程设计、工程安方案设计、工程设计、工程安装和仪表调校、调节器参数整定装和仪表调校、调节器参数整定等四个主要内容。等四个主要内容。1. 方案设计：方案设计：系统设计的系统设计的核心核心 2. 工程设计：工程设计：仪表选型、控制室和仪表盘设计，仪表供电仪表选

7、型、控制室和仪表盘设计，仪表供电 供气系统设计、信号及联锁保护系统设计等供气系统设计、信号及联锁保护系统设计等 3. 工程安装和仪表调校：工程安装和仪表调校：每台仪表单校；每个控制回路联校等每台仪表单校；每个控制回路联校等 4. 调节器参数整定调节器参数整定 ：是系统运行在最佳状态的是系统运行在最佳状态的重要保证重要保证 设计主要内容设计主要内容7.2.1 被控量（参数）的选择被控量（参数）的选择被控参数被控参数：生产中希望借助控制系统保持：生产中希望借助控制系统保持恒定值恒定值（或按一定（或按一定 规律变化）的参数被称为规律变化）的参数被称为被控变量被控变量，也称为，也称为被控被控 参数参数

8、。被控参数选择方法被控参数选择方法：直接直接参数法和参数法和间接间接参数法。参数法。直接参数法直接参数法：选择能：选择能直接直接反映生产过程中产品产量和质量，反映生产过程中产品产量和质量， 又又易于测量易于测量的参数作为被控参数。的参数作为被控参数。间接参数法间接参数法：选择与质量指标有：选择与质量指标有单值对应单值对应关系、关系、易于测量易于测量的的 变量作为被控参数，变量作为被控参数，间接间接反映产品质量、生产反映产品质量、生产 过程的实际情况。过程的实际情况。例：例：间接间接被控参数选择被控参数选择图图 二元二元精馏精馏过程示意图过程示意图精馏精馏是利用被分离物组分是利用被分离物组分挥发

9、挥发温度温度不同，实现组分不同，实现组分分离分离。该精馏塔的该精馏塔的工艺要求工艺要求是要使塔是要使塔顶（或塔底）馏出物达到规定顶（或塔底）馏出物达到规定的的纯度纯度。直接参数直接参数：馏出物组分的：馏出物组分的浓度浓度。但是，但是，在线检测在线检测馏出物的纯度馏出物的纯度比较困难。比较困难。因此因此.苯苯甲苯甲苯苯苯苯苯甲苯甲苯苯苯甲苯甲苯7.2.1 被控量（参数）的选择被控量（参数）的选择间接参数间接参数：在与馏出物的纯度：在与馏出物的纯度有单值关系的工艺参数中，找有单值关系的工艺参数中，找出合适的变量作为被控变量，出合适的变量作为被控变量，进行进行间接参数控制间接参数控制。工艺分析发现，

10、工艺分析发现，塔内温度塔内温度对馏对馏出物出物纯度纯度有重要影响。有重要影响。精馏是利用被分离物组分精馏是利用被分离物组分挥发温度不同，实现组分分离挥发温度不同，实现组分分离。例：例：间接间接被控参数选择被控参数选择图图 二元二元精馏精馏过程示意图过程示意图苯苯甲苯甲苯苯苯苯苯甲苯甲苯苯苯甲苯甲苯7.2.1 被控量（参数）的选择被控量（参数）的选择间接参数选择间接参数选择：图图 苯苯-甲苯的甲苯的Td-x d 以以气相温度气相温度Td作被控参数作被控参数例：例：间接间接被控参数选择被控参数选择图图 二元二元精馏精馏过程示意图过程示意图苯苯甲苯甲苯苯苯苯苯甲苯甲苯苯苯甲苯甲苯7.2.1 被控量（

11、参数）的选择被控量（参数）的选择选取被控参数的选取被控参数的一般原则一般原则为：为： 选择对产品的产量和质量、安全生产、经济运行和选择对产品的产量和质量、安全生产、经济运行和环境保护环境保护具有决定性具有决定性作用的、可作用的、可直接测量直接测量的工艺参数的工艺参数为被控参数。为被控参数。当不能用直接参数作为被控参数时，应该选择一个当不能用直接参数作为被控参数时，应该选择一个与直接参数有与直接参数有单值函数关系单值函数关系的的间接参数间接参数作为被控参数。作为被控参数。被控参数必须具有被控参数必须具有足够大的灵敏度足够大的灵敏度，便于测量。，便于测量。被控参数的选取，必须考虑工艺过程的被控参数

12、的选取，必须考虑工艺过程的合理性合理性和所和所用仪表的用仪表的性能性能。 7.2.1 被控量（参数）的选择被控量（参数）的选择7.2 单回路控制系统单回路控制系统方案设计方案设计控制变量控制变量：在控制系统中，把用来：在控制系统中，把用来克服干扰克服干扰对被控参数的影对被控参数的影响，实现响，实现控制作用控制作用的变量称为的变量称为控制变量控制变量（也称（也称操纵变量操纵变量）。）。选择的原则选择的原则：在考虑生产过程特点和产品特点的情况下，要：在考虑生产过程特点和产品特点的情况下，要从所有从所有允许控制允许控制的变量中尽可能地选择一个对被控参数的变量中尽可能地选择一个对被控参数影响影响显著、

13、控制性能好显著、控制性能好的的输入变量输入变量作为控制变量。作为控制变量。7.2.2 操纵量操纵量（控制参数）控制参数）的选择的选择控制通道控制通道：控制变量控制变量对被控参数作用的通道。对被控参数作用的通道。扰动通道扰动通道：扰动量扰动量对被控参数作用的通道。对被控参数作用的通道。在诸多影响被控变量的因素中选择在诸多影响被控变量的因素中选择 一个对被控变量影响显著且便于控一个对被控变量影响显著且便于控 制的变量，作为制的变量，作为控制变量控制变量；未被选中的因素则视为系统的未被选中的因素则视为系统的干扰干扰。通道的特性决定系统性能！通道的特性决定系统性能！7.2.2 操纵量操纵量（控制参数）

14、控制参数）的选择的选择1. 过程过程静态特性静态特性的分析：的分析： 单回路控制系统的框图见图单回路控制系统的框图见图7.1 图图7.1 过程控制系统框图过程控制系统框图 广义控制通道广义控制通道Ko，Kf7.2.2 操纵量操纵量（控制参数）控制参数）的选择的选择 设设 被控量被控量Y(s)对扰动对扰动F(s)的的闭环传递函数闭环传递函数为为 由于系统是由于系统是稳定稳定的，在的，在阶跃扰动阶跃扰动 作用下，系作用下，系统统稳态值稳态值可应用可应用终值定理终值定理求得：求得：) 1() 1)(1() 1()()(1)()()(0000sTKKsTsTKsTsWsWsWsFsYfcfffssF1

15、)(1. 过程过程静态特性静态特性的分析：的分析：Ko，Kf1. 过程（通道）静态特性对控制品质的影响过程（通道）静态特性对控制品质的影响 11)()(1)(0sTsGKsGsTKsGffccoo（1）设：设：被控参数被控参数y (t)受到给定信号受到给定信号x (t)和和干扰信号干扰信号f (t)的的共同影响共同影响，其拉氏，其拉氏变换变换Y (s) 式：式：)()()(1)()()()(1)()()(000sFsGsGsGsXsGsGsGsGsYcfcc（2）广义控制通道广义控制通道7.2.2 操纵量操纵量（控制参数）控制参数）的选择的选择)()()(1)()()()(1)()()(000

16、sFsGsGsGsXsGsGsGsGsYcfcc（3）（2）系统的偏差为系统的偏差为：拉氏变换为拉氏变换为：（2）代入（）代入（3）可得：）可得：)()()()()(1)()()()(11)(sEsEsFsGsGsGsXsGsGsEfxOCfOC（4）)()()(11)(sXsGsGsEOCx式中式中： ,)()()(1)()(sFsGsGsGsEOCff)()()(tytxte)()()(sYsXsE1. 过程（通道）静态特性对控制品质的影响过程（通道）静态特性对控制品质的影响 7.2.2 操纵量操纵量（控制参数）控制参数）的选择的选择（5）)()()()()(1)()()()(11)(sE

17、sEsFsGsGsGsXsGsGsEfxOCfOC（4）)() 1(1)()()(11)(000SXKKsTsTsXsGsGsEcocx（1）代入（）代入（4）式中）式中：)() 1() 1)(1() 1()()()(1)()(000sFsTKKsTsTsTKsFsGsGsGsEfcffocff（6）11)()(1)(0sTsGKsGsTKsGffccoo（1）1. 过程（通道）静态特性对控制品质的影响过程（通道）静态特性对控制品质的影响 7.2.2 操纵量操纵量（控制参数）控制参数）的选择的选择sKKsTsTsEsEcx1) 1(1)()(000分析分析：当：当t时，给定值时，给定值x x(

18、 (t t) )和干扰和干扰f f( (t t) )对系统稳态偏差的影响。对系统稳态偏差的影响。ccsxstKKsKKsTsTsssEsee000000111) 1(1lim)(lim)(lim)(结论：结论：设定值设定值x x( (t t) )作阶跃变化作阶跃变化时，控制通道的静态时，控制通道的静态放大系数放大系数K K0 0越大越大，控制系统的，控制系统的稳态偏差稳态偏差越小越小，控制精度越高控制精度越高。 （5）)() 1(1)()()(11)(000SXKKsTsTsXsGsGsEcocx)() 1() 1)(1() 1()()()(1)()(000sFsTKKsTsTsTKsFsGs

19、GsGsEfcffocff（6）（1）当）当f (t)0、x(t)作作单位阶跃变化单位阶跃变化 时，时，ssX1)(1. 过程（通道）静态特性对控制品质的影响过程（通道）静态特性对控制品质的影响 7.2.2 操纵量操纵量（控制参数）控制参数）的选择的选择ssTKKsTsTsTKsEsEfcfff1) 1() 1)(1() 1()()(000cffcffsfstKKKssTKKsTsTsTKsssEsee00000011) 1() 1)(1() 1(lim)(lim)(lim)(（2）当）当x (t)0、 f (t)作作单位阶跃变化单位阶跃变化 时时 结论：结论：扰动扰动f (t)作阶跃变化作阶

20、跃变化时，扰动通道的时，扰动通道的静态放大静态放大系数系数Kf 越小，越小，K0越大，越大，外外部扰动对被控参数的影响部扰动对被控参数的影响程度程度越小越小，控制精度越高。，控制精度越高。 ssF1)(分析分析：当：当t时，设定值时，设定值x x( (t t) )和干扰和干扰f f( (t t) )对系统稳态偏差的影响。对系统稳态偏差的影响。（5）)() 1(1)()()(11)(000SXKKsTsTsXsGsGsEcocx)() 1() 1)(1() 1()()()(1)()(000sFsTKKsTsTsTKsFsGsGsGsEfcffocff（6）1. 过程（通道）静态特性对控制品质的影

21、响过程（通道）静态特性对控制品质的影响 7.2.2 操纵量操纵量（控制参数）控制参数）的选择的选择2. 过程过程动态特性动态特性的分析的分析 （1）过程）过程扰动通道扰动通道动态特性的影响动态特性的影响 1）时间常数）时间常数Tf的影响的影响 图图7.3所示的单回路控制系统，当所示的单回路控制系统，当x(s)=0时，则系统的闭时，则系统的闭 环环传递函数传递函数为：为： 设设 为一个为一个单容单容过程，其过程，其传递函数传递函数为：为： Tf ,f7.2.2 操纵量操纵量（控制参数）控制参数）的选择的选择系统的系统的特征方程特征方程为：为： 其其复平面复平面如图：如图：结论结论：扰动通道的时间

22、常数：扰动通道的时间常数 愈大愈大，容积容积愈多，则愈多，则外部扰动外部扰动对被控参数的影响也对被控参数的影响也愈小愈小，控，控制质量也愈好。制质量也愈好。 一阶惯性环节一阶惯性环节由式可知，当干扰通道为由式可知，当干扰通道为一阶惯性环一阶惯性环节节时，与干扰通道为放大环节相比，时，与干扰通道为放大环节相比，系统的特征方程发生了变化，表现在系统的特征方程发生了变化，表现在根平面的负实轴上增加了一个根平面的负实轴上增加了一个附加极附加极点点1/ Tf。这个附加极点的存在，除了。这个附加极点的存在，除了会影响会影响过渡过程时间过渡过程时间外。还会影响到外。还会影响到过渡过程的过渡过程的幅值幅值，使

23、其，使其缩小缩小了了Tf 倍。倍。这样过渡过程的最大这样过渡过程的最大动态偏差也将随动态偏差也将随之减小之减小。这对提高系统的品质是有利。这对提高系统的品质是有利的。而且，的。而且，随着随着Tf 的增大，控制过程的增大，控制过程的品质亦会提高。的品质亦会提高。 1）时间常数）时间常数Tf的影响的影响2）纯时延纯时延 的影响：的影响：当扰动通道有纯时延当扰动通道有纯时延 时，在时，在扰动扰动作用下系统的作用下系统的闭环传闭环传递函数递函数为：为： fsffesWsWsWsFsY)()(1)()()(0f)(tYf分析：扰动通道的时延分析：扰动通道的时延 ，不影响系统的不影响系统的控制质量控制质量

24、，仅使，仅使系统响应曲线系统响应曲线 推迟了一个推迟了一个时延时延 。所以所以应尽可能将纯应尽可能将纯滞后时间长的环节置于滞后时间长的环节置于干扰通道干扰通道。2. 过程过程动态特性动态特性的分析的分析Tf ,f（1）过程）过程扰动通道扰动通道动态特性的影响动态特性的影响3）扰动）扰动作用点位置作用点位置结论：结论：干扰通道时干扰通道时间常数间常数愈大愈大，个数，个数愈多愈多，或者说干扰，或者说干扰进入系统的位置愈进入系统的位置愈远离远离被控变量而被控变量而靠靠近近调节阀，干扰对调节阀，干扰对被控变量的影响就被控变量的影响就愈小愈小，系统的质量，系统的质量则则愈高愈高。2. 过程过程动态特性动

25、态特性的分析的分析Tf ,f（1）过程）过程扰动通道扰动通道动态特性的影响动态特性的影响干扰通道干扰通道特性对控制质量的影响特性对控制质量的影响特性参数特性参数对对静态质量静态质量的的影响影响对对动态质量动态质量的影响的影响Kf增加增加余差增加余差增加无影响无影响Tf增加增加（作用点作用点）无影响无影响过渡过程时间减小，振荡幅过渡过程时间减小，振荡幅值减小值减小 增加增加无影响无影响无影响无影响f2. 过程过程动态特性动态特性的分析的分析（2）过程）过程控制通道动态特性控制通道动态特性对控制品质的影响对控制品质的影响 1）系统可控性指标）系统可控性指标MMKKmaxmax：临界放大系数：临界放

26、大系数：临界振荡频率：临界振荡频率：被控过程的控制性能；：被控过程的控制性能； 其值其值越大越大，表明系统的控制性能，表明系统的控制性能越好越好。K max 越大，控制器静态放大系数越大，控制器静态放大系数K c可选范围的上限越大。可选范围的上限越大。K c 越大越大（从而使（从而使K c K o越大），则系统越大），则系统稳态误差稳态误差越小。越小。 M 越大越大，控制系统可选的工作频率，控制系统可选的工作频率 c 越大，越大，过渡过程越快过渡过程越快。因此，因此，K max M越大越大，表明系统的，表明系统的控制性能控制性能越好；越好；反之，表明系统的控制性能越差。反之，表明系统的控制性能

27、越差。cfKKKe01)(2. 过程过程动态特性动态特性的分析的分析T0 ,02）控制通道的影响）控制通道的影响 利用对数频率特性方法，可求出下表所示的不同被控过程动态利用对数频率特性方法，可求出下表所示的不同被控过程动态特性的特性的可控性指标可控性指标。 结论：结论：在选择控制参数时，应在选择控制参数时，应选择时间常数较小、反应选择时间常数较小、反应灵敏的、纯时延小灵敏的、纯时延小的通道作为的通道作为控制通道控制通道。 2. 过程过程动态特性动态特性的分析的分析放大倍数放大倍数Ko 的影响的影响 放大倍数放大倍数KoKo对控制质量的影响要从对控制质量的影响要从静态和动态静态和动态两个方面两个

28、方面进行分析。从静态方面分析，由上式似乎可以得出当进行分析。从静态方面分析，由上式似乎可以得出当K Kf f、K Kc c不变时控制通道放大倍数不变时控制通道放大倍数KoKo越大越大，系统的，系统的余差越小余差越小的结论。的结论。然而这是然而这是不对不对 的。的。 对一个控制系统来说，在一定的对一个控制系统来说，在一定的稳定程度稳定程度( (即一定的即一定的衰衰减比减比) )情况下，情况下，系统的开环放大倍数是一个常数系统的开环放大倍数是一个常数( (KcKoKcKo= =常常数数) ) ，这里系统开环放大倍数即是控制器放大倍数这里系统开环放大倍数即是控制器放大倍数KcKc与与广义广义对象对象

29、控制通道放大倍数控制通道放大倍数KoKo的乘积。即在系统衰减比一定的情的乘积。即在系统衰减比一定的情况下，当况下，当KoKo减小时，减小时，KcKc必须增大，而必须增大，而KoKo增大时，增大时，KcKc必须减小，必须减小，这样这样才能维持才能维持系统具有相同的稳定程度。系统具有相同的稳定程度。OCfsKKKssYy1)(lim)(02）控制通道的影响）控制通道的影响 2. 过程过程动态特性动态特性的分析的分析由此可以得出如下由此可以得出如下结论结论： 稳定稳定系统的余差与控制通道放大倍数系统的余差与控制通道放大倍数Ko无关无关。也就是说，。也就是说，在在一定稳定性前提下，线性系统的控制质量与

30、一定稳定性前提下，线性系统的控制质量与控制通道放大倍数控制通道放大倍数无无关关。 然而，从控制角度看，然而，从控制角度看，Ko愈大愈大，则，则 1. 1.表示控制变量对被控变量的影响愈大；表示控制变量对被控变量的影响愈大； 2. 2.在相同衰减比情况下，在相同衰减比情况下，KoKo与与KcKc的乘积为一常数，当的乘积为一常数，当KoKo愈大愈大时时KcKc则愈小，而则愈小，而KcKc小则小则大。大。大比较容易调整大比较容易调整。 因此因此，从控制的，从控制的有效性有效性及调节器参数及调节器参数易调整性易调整性来考虑则希来考虑则希望控制通道放大倍数望控制通道放大倍数Ko尽量大一些尽量大一些，尤其

31、不能比干扰通道的，尤其不能比干扰通道的Kf 小。小。2）控制通道的影响）控制通道的影响 2. 过程过程动态特性动态特性的分析的分析2）控制通道的影响）控制通道的影响 2. 过程过程动态特性动态特性的分析的分析由此可以得出如下由此可以得出如下结论结论： 稳定稳定系统的余差与控制通道放大倍数系统的余差与控制通道放大倍数Ko无关无关。也就是说，。也就是说，在在一定稳定性前提下，线性系统的控制质量与一定稳定性前提下，线性系统的控制质量与控制通道放大倍数控制通道放大倍数无无关关。 然而，从控制角度看，然而，从控制角度看，Ko愈大愈大，则表示控制变量对被控变量，则表示控制变量对被控变量的影响愈大，这表示通

32、过对它的调节来的影响愈大，这表示通过对它的调节来克服克服干扰影响更为有效。干扰影响更为有效。此外此外，在相同衰减比情况下，在相同衰减比情况下，Ko与与Kc的乘积为一常数，当的乘积为一常数，当Ko愈愈大时大时Kc则愈小，而则愈小，而Kc小则小则大。大。大比较容易调整大比较容易调整，如果反过来，如果反过来，小则不易调整。因为当小则不易调整。因为当 3% 时，控制器则相当于一时，控制器则相当于一个位式控个位式控制器制器，已失去作为，已失去作为连续连续控制器的作用。控制器的作用。 因此因此，从控制的，从控制的有效性有效性及调节器参数及调节器参数易调整性易调整性来考虑则希来考虑则希望控制通道放大倍数望控

33、制通道放大倍数Ko尽量大一些尽量大一些，尤其不能比干扰通道的，尤其不能比干扰通道的Kf 小。小。控制通道控制通道时间常数时间常数T0对控制品质的影响对控制品质的影响 若控制通道时间常数若控制通道时间常数T0太大太大，则控制变量的控制影响，则控制变量的控制影响缓慢，缓慢，控制频率低控制频率低，对被控参数的，对被控参数的偏差校正不及时偏差校正不及时，动态动态偏差大偏差大，系统过渡过程时间，系统过渡过程时间长长，控制品质差。，控制品质差。 因此，在控制系统设计时，要求控制时间常数因此，在控制系统设计时，要求控制时间常数T0小一小一些些，使被控参数对控制变量的反应灵敏、控制及时，从而，使被控参数对控制

34、变量的反应灵敏、控制及时，从而获得良好的控制品质。但获得良好的控制品质。但T0如果过小，如果过小，则控制作用太强，则控制作用太强，过于频繁，系统将变得过于过于频繁，系统将变得过于灵敏灵敏，容易引起系统，容易引起系统振荡，振荡，降降低系统稳定性。低系统稳定性。2）控制通道的影响）控制通道的影响 2. 过程过程动态特性动态特性的分析的分析纯滞后纯滞后o 的影响的影响 图中图中曲线曲线C是没有控制作用时系统在是没有控制作用时系统在干扰作用下的反应曲线。如果干扰作用下的反应曲线。如果Xo为为变送器的灵敏度，那么，当控制通道变送器的灵敏度，那么，当控制通道没有纯滞后没有纯滞后时，控制作用从时，控制作用从

35、t1时刻开时刻开始就对干扰起抑制作用，控制曲线为始就对干扰起抑制作用，控制曲线为D。如果控制通道存在有如果控制通道存在有纯滞后时间纯滞后时间o ，那么，控制作用要等到，那么，控制作用要等到t1+o 时刻才开始对干扰起抑制作用，而在此时间以前，系统由时刻才开始对干扰起抑制作用，而在此时间以前，系统由于得不到及时的控制，因而被控变量只能任由干扰作用影响而不于得不到及时的控制，因而被控变量只能任由干扰作用影响而不断地上升断地上升(或下降或下降)，其控制曲线为，其控制曲线为E。显然，与控制通道没有纯。显然，与控制通道没有纯滞后的情况相比，此时的滞后的情况相比，此时的动态偏差将增大动态偏差将增大，系统的

36、质量将变差。，系统的质量将变差。2）控制通道的影响）控制通道的影响 2. 过程过程动态特性动态特性的分析的分析由上分析可以看出：由上分析可以看出： 控制通道控制通道纯滞后纯滞后的存在不仅会使系统的存在不仅会使系统控制不及时，控制不及时，使动态偏差增大使动态偏差增大。而且还会使系统的。而且还会使系统的稳定性降低稳定性降低。 这是因为纯滞后的存在，使得控制器这是因为纯滞后的存在，使得控制器不能及时不能及时获得获得控制作用效果的反馈信息，会使控制器出现控制作用效果的反馈信息，会使控制器出现失控失控。当需。当需要增加控制作用时会使控制作用增加得太多，而一旦需要增加控制作用时会使控制作用增加得太多，而一

37、旦需要减少控制作用时则又会使控制作用减少得太过分，因要减少控制作用时则又会使控制作用减少得太过分，因此导致系统的振荡使系统的稳定性降低。因此，控制此导致系统的振荡使系统的稳定性降低。因此，控制通道通道纯滞后纯滞后的存在是系统的的存在是系统的大敌大敌，对控制质量起着很坏，对控制质量起着很坏的影响，会严重地降低控制质量。的影响，会严重地降低控制质量。2）控制通道的影响）控制通道的影响 2. 过程过程动态特性动态特性的分析的分析控制通道控制通道特性对控制质量的影响特性对控制质量的影响特性参数特性参数对对静态质量静态质量的影响的影响对对动态质量动态质量的影响的影响K0增加增加余差减小余差减小系统趋向振

38、荡系统趋向振荡T0增加增加无影响无影响过渡过程时间过渡过程时间增加增加，系统，系统控制频率控制频率减小减小 o增加增加无影响无影响动态偏差动态偏差增大增大，稳定程度，稳定程度大大降低大大降低 控制通道的控制通道的容量滞后容量滞后c对系统的影响比对系统的影响比纯滞后纯滞后对系统的影对系统的影响响缓和缓和。通过控制器的。通过控制器的微分微分作用可以得到改善。作用可以得到改善。2. 过程过程动态特性动态特性的分析的分析3）过程的时间常数）过程的时间常数匹配匹配 设广义过程的传递函数为：设广义过程的传递函数为： cmaxKcKmax1T3T2T1T1T3T2T3T2T参数变化情况原始数据减小增大减小减

39、小减小、12.652222111010105201052.5552.59.813.519.819.219.30.410.490.545.24.87.30.570.570.7411.27.114.2表6-2 不同时间常数对控制质量的影响2. 过程过程动态特性动态特性的分析的分析分析：减小过程中最大的时间常数1T，不但无益，反而使cKmax数值比原始数据小，引起控制质量下降。 减小2T或3T都能提高控制性能指标，若同时减小2T、3T，则提高性能指标的效果更好，cKmax值达到 14.2。 增大最大时间常数1T，使c略有下降，但maxK增长，有助于提高控制指标。 结论结论：在选择控制通道时，使：在选

40、择控制通道时，使广义过程广义过程特性中的几个时间常数特性中的几个时间常数数值数值错开错开，减小减小中间的时间常数，可提高系统的工作频率；减中间的时间常数，可提高系统的工作频率；减小过渡过程时间和最大偏差等，以提高可控性指标，改善控制小过渡过程时间和最大偏差等，以提高可控性指标，改善控制质量。质量。 3根据过程特性选择控制参数的根据过程特性选择控制参数的一般原则一般原则 所选的控制变量必须是所选的控制变量必须是可控可控的，即工艺上允许调节的变量。的，即工艺上允许调节的变量。选择选择过程控制通道过程控制通道的的放大系数放大系数 要适当要适当大大一些；一些；时间常数时间常数 要要适当适当小小一些；一

41、些；纯时延纯时延 愈小愈好愈小愈好，在有纯时延，在有纯时延 的情况下，的情况下， 与与 之比应小一些（小于之比应小一些（小于1），若其比值过大，则不利于控制。），若其比值过大，则不利于控制。 选择选择过程扰动通道过程扰动通道的的放大系数放大系数 要尽可能要尽可能小小；时间常数时间常数 要要大大；扰动引入系统的扰动引入系统的位置位置要要远离远离控制过程（即靠近调节阀）；控制过程（即靠近调节阀）；容量时延容量时延愈大愈大，则有利于控制。，则有利于控制。 广义过程由几个一阶环节组成，在选择控制参数时，应尽量设法广义过程由几个一阶环节组成，在选择控制参数时，应尽量设法把几个把几个时间常数错开时间常数错

42、开，使其中一个时间常数比其他时间常数，使其中一个时间常数比其他时间常数大得多大得多，同时注意减小第二、第三个时间常数。同时注意减小第二、第三个时间常数。 注意工艺操作的注意工艺操作的合理性、经济性合理性、经济性。一般不宜选择一般不宜选择生产负荷生产负荷作为控制变量；从经济性考虑，应尽可能作为控制变量；从经济性考虑，应尽可能地降低物料与能量的消耗地降低物料与能量的消耗。fKfT 在系统设计时，应根据在系统设计时，应根据生产过程的特点生产过程的特点、被控介质、被控介质的情况（如高温、高压、剧毒、易燃易爆、易结晶的情况（如高温、高压、剧毒、易燃易爆、易结晶、强腐蚀、高粘度等）、安全运行和推力等，选用

43、、强腐蚀、高粘度等）、安全运行和推力等，选用气动执行器和电动执行器气动执行器和电动执行器。在过程控制中，使用最在过程控制中，使用最多的是多的是气动气动执行器，其次是执行器，其次是电动电动执行器。执行器。 流量特性：直线或对数。流量特性：直线或对数。 按生产按生产安全安全原则，选取原则，选取气开或气关气开或气关式。根据被控过式。根据被控过程的特性、负荷变化的情况以及调节阀在管道中的程的特性、负荷变化的情况以及调节阀在管道中的安装方式等，选择适当的安装方式等，选择适当的流量特性流量特性。 口径选择：公称直径，阀座直径。口径选择：公称直径，阀座直径。7.2.3 执行器执行器的选择的选择7.2.4 控

44、制器控制器的选择的选择1. 调节器的控制规律的调节器的控制规律的适用范围适用范围比例控制规律比例控制规律P特点：能特点：能较快较快地克服扰动的影响，使系统稳定下来，但是地克服扰动的影响，使系统稳定下来，但是有有 余差余差。适用场合：控制通道容量适用场合：控制通道容量较大较大，纯滞后，纯滞后较小较小，负荷变化不，负荷变化不 大，控制要求不高、被控参数允许在一定范围大，控制要求不高、被控参数允许在一定范围 内内有余差有余差的场合。的场合。例如例如：储槽液位控制：储槽液位控制比例积分控制规律比例积分控制规律PI特点：积分能特点：积分能消除余差消除余差。适用场合：控制通道纯滞后适用场合：控制通道纯滞后

45、较小较小、负荷变化不太大、被控参数、负荷变化不太大、被控参数不允许有余差不允许有余差的场合。的场合。例如例如：流量控制：流量控制比例微分控制规律比例微分控制规律PD特点：具有特点：具有超前超前作用，对于具有作用，对于具有容量滞后较大容量滞后较大的控制通道，的控制通道， 引入比例微分控制规律引入比例微分控制规律PD对于改善系统的对于改善系统的动态性能动态性能 指标，有显著效果。指标，有显著效果。适用场合：控制通道的时间常数或适用场合：控制通道的时间常数或容量滞后较大容量滞后较大的场合。的场合。不适用场合：纯滞后不适用场合：纯滞后较大较大，测量信号有，测量信号有噪声或周期性噪声或周期性扰动的扰动的

46、系统系统例如例如：温度控制：温度控制比例积分微分控制规律比例积分微分控制规律PID特点：特点：PID控制规律是一种较理想的控制规律，在比例基础上控制规律是一种较理想的控制规律，在比例基础上 引入积分，可以消除余差，再加入微分作用，又提高引入积分，可以消除余差，再加入微分作用，又提高 系统的稳定性。系统的稳定性。 适用场合：控制通道时间常数或容量滞后较大、控制要求较适用场合：控制通道时间常数或容量滞后较大、控制要求较 高的场合。高的场合。 例如例如：温度控制：温度控制 ，成分控制等，成分控制等7.2.4 控制器控制器的选择的选择2根据过程特性选择控制规律根据过程特性选择控制规律 被控对象被控对象

47、传递函数可近似为：传递函数可近似为： Wo(s)= 10SsTKe可根据对象的延时时间和对象自衡时间常数的比值可根据对象的延时时间和对象自衡时间常数的比值00T选择控制器的选择控制器的控制规律控制规律： 7.2.4 控制器控制器的选择的选择3控制器控制规律的选择控制器控制规律的选择 广义对象控制通道广义对象控制通道时间常数较大或容积时延较大时间常数较大或容积时延较大时，应引时，应引入入D规律。如工艺容许规律。如工艺容许有残差有残差，可选用，可选用PD规律；如工艺要规律；如工艺要求求无残差无残差时，则选用时，则选用PID规律。如温度、成分、规律。如温度、成分、PH值控制值控制等。等。 当广义对象

48、控制通道当广义对象控制通道时间常数较小，负荷变化也不大时间常数较小，负荷变化也不大，而，而工艺要求工艺要求无残差无残差时，可选择时，可选择PI规律。如管道压力和流量的规律。如管道压力和流量的控制。控制。 广义对象控制通道广义对象控制通道时间常数较小，负荷变化较小时间常数较小，负荷变化较小，工艺要，工艺要求不高时，可选择求不高时，可选择P规律，如贮罐压力、液位的控制。规律，如贮罐压力、液位的控制。 当广义对象控制通道当广义对象控制通道时间常数或容积迟延很大时间常数或容积迟延很大，负荷变化，负荷变化亦很大时，应设计亦很大时，应设计复杂控制系统复杂控制系统。 7.2.4 控制器控制器的选择的选择4广

49、义过程的正、反作用的确定广义过程的正、反作用的确定 控制器有控制器有正作用和反作用正作用和反作用两种形式，其作用形式取决于两种形式，其作用形式取决于被被控过程、执行器、变送器控过程、执行器、变送器等相关部分的作用形式。过程控制系等相关部分的作用形式。过程控制系统中相关部分的作用形式取决于各部分的统中相关部分的作用形式取决于各部分的静态放大系数静态放大系数，如图，如图所示，过程控制系统要能够正常工作，则组成系统的各个环节所示，过程控制系统要能够正常工作，则组成系统的各个环节的静态系数相乘必须为的静态系数相乘必须为负负，即形成，即形成负反馈负反馈。 图图 过程控制系统框图过程控制系统框图 7.2.

50、4 控制器控制器的选择的选择00K00K0VK0VK0cK0cK0mK（1）对象的正反作用形式）对象的正反作用形式 （以（以水箱，换热器水箱，换热器为例）为例）对象正作用：对象的对象正作用：对象的输入量输入量增加（或者减少），其增加（或者减少），其输出量输出量亦增加（或者亦增加（或者减少），减少）， 对象反作用：对象的对象反作用：对象的输入量输入量增加（或者减少），其增加（或者减少），其输出量输出量亦减少（或亦减少（或者增加），者增加），（2）执行器正反作用形式）执行器正反作用形式执行器正作用：执行器（调节阀）是执行器正作用：执行器（调节阀）是气开式气开式，执行器反作用：执行器（调节阀）是执行

51、器反作用：执行器（调节阀）是气关式气关式，（3）控制器的正反作用形式）控制器的正反作用形式控制器正作用：控制器测量值增加（或者减少），其输出量亦增加（或者控制器正作用：控制器测量值增加（或者减少），其输出量亦增加（或者减少），减少），控制器反作用：控制器测量值增加（或者减少），其输出量亦减少（或者增控制器反作用：控制器测量值增加（或者减少），其输出量亦减少（或者增加），加）， （4）变送器的作用形式）变送器的作用形式 变送器的静态放大倍数通常为变送器的静态放大倍数通常为正正，即，即4广义过程的正、反作用的确定广义过程的正、反作用的确定7.2.4 控制器控制器的选择的选择2调节器作用形式的确定调

52、节器作用形式的确定 00cvmKKKKcKVK0K（1）确定原则）确定原则 过程内部过程内部各个环节各个环节的静态的静态放大放大系数相乘为系数相乘为负负。即。即，计算，计算（2）确定步骤）确定步骤 控制器正反形式确定的控制器正反形式确定的步骤步骤：根据工艺根据工艺安全安全确定执行器（调节阀）的气开、气关形式，从确定执行器（调节阀）的气开、气关形式，从而确定而确定 ；根据根据过程特性过程特性确定对象的正反形式，确定确定对象的正反形式，确定 ；根据确定根据确定原则原则确定控制器的正、反作用形式。确定控制器的正、反作用形式。正反作用形式。正反作用形式。例例1 加热炉温度控制系统加热炉温度控制系统 调

53、节阀调节阀：气开式气开式，取，取“+” ；被控对象被控对象：控制变量控制变量（通过（通过调节调节阀阀的物料或能量）增加时，被控的物料或能量）增加时，被控参数随之增加，取参数随之增加，取“+”；变送器变送器：取：取“+”；调节器符号调节器符号（“+”或或“”）执行器符号（执行器符号（“+” ）变送变送器符号（器符号（“+” ）被控过程符号（被控过程符号（“+” ）=“”调节器符号为调节器符号为“”，系统构成，系统构成负反馈负反馈，即：，即：调节器为调节器为反反作作用用。7.2.4 控制器控制器的选择的选择例例2 液位控制系统液位控制系统 调节阀调节阀：气开式？气开式？，取，取“+” ；被控对象被

54、控对象：控制变量（通过调节：控制变量（通过调节 阀的物料或能量）增加时，被控阀的物料或能量）增加时，被控参数随之减少，取参数随之减少，取“”；变送器变送器：取：取“+”；调节器符号调节器符号（“+”或或“”）执行器符号（执行器符号（“+” ）变送变送器符号（器符号（“+” ）被控过程符号（被控过程符号（“” ）=“”调节器符号为调节器符号为“”，系统构成负反馈，即：，系统构成负反馈，即：调节器为调节器为正正作作用。用。7.2.4 控制器控制器的选择的选择内容回顾：内容回顾：被控参数选择被控参数选择原则原则为：为： 选择对产品的产量和质量、安全生产、经济运行和环境保选择对产品的产量和质量、安全生

55、产、经济运行和环境保护护具有决定性具有决定性作用的、可作用的、可直接测量直接测量的工艺参数为被控参数。的工艺参数为被控参数。 当不能用直接参数作为被控参数时，应该选择一个与直接当不能用直接参数作为被控参数时，应该选择一个与直接参数有参数有单值函数关系单值函数关系的的间接参数间接参数作为被控参数。作为被控参数。 被控参数必须具有被控参数必须具有足够大的灵敏度足够大的灵敏度，便于测量。，便于测量。 被控参数的选取，必须考虑工艺过程的被控参数的选取，必须考虑工艺过程的合理性合理性和所用仪表和所用仪表的的性能性能。 控制参数选择控制参数选择原则原则 ：所选的控制变量必须是所选的控制变量必须是可控可控的

56、，即工艺上允许调节的变量。的，即工艺上允许调节的变量。选择选择过程控制通道过程控制通道的的放大系数放大系数 要适当要适当大大一些；一些；时间常数时间常数 要要适当适当小小一些；一些；纯时延纯时延 愈小愈好愈小愈好，在有纯时延，在有纯时延 的情况下，的情况下， 与与 之比应小一些（小于之比应小一些（小于1），若其比值过大，则不利于控制。），若其比值过大，则不利于控制。 选择选择过程扰动通道过程扰动通道的的放大系数放大系数 要尽可能要尽可能小小；时间常数时间常数 要要大大；扰动引入系统的扰动引入系统的位置位置要要远离远离控制过程（即靠近调节阀）；控制过程（即靠近调节阀）；容量时延容量时延愈大愈大，

57、则有利于控制。，则有利于控制。 广义过程由几个一阶环节组成，在选择控制参数时，应尽量设法广义过程由几个一阶环节组成，在选择控制参数时，应尽量设法把几个把几个时间常数错开时间常数错开，使其中一个时间常数比其他时间常数，使其中一个时间常数比其他时间常数大得多大得多，同时注意减小第二、第三个时间常数。同时注意减小第二、第三个时间常数。 注意工艺操作的注意工艺操作的合理性、经济性合理性、经济性。一般不宜选择一般不宜选择生产负荷生产负荷作为作为控制变量控制变量；从经济性考虑，应尽可；从经济性考虑，应尽可能地降低物料与能量的消耗。能地降低物料与能量的消耗。fKfT调节器作用形式的确定调节器作用形式的确定

58、00cvmKKKKcKVK0K（1）确定原则：过程内部）确定原则：过程内部各个环节各个环节的静态的静态放大放大系数相乘为系数相乘为负负。即。即，计算，计算（2）确定步骤）确定步骤 ：根据工艺根据工艺安全安全确定执行器（调节阀）的气开、气关形式，从确定执行器（调节阀）的气开、气关形式，从而确定而确定 ；根据根据过程特性过程特性确定对象的正反形式，确定确定对象的正反形式，确定 ；根据确定根据确定原则原则确定控制器的正、反作用形式。确定控制器的正、反作用形式。正反作用形式。正反作用形式。7.3 控制器控制器器参数整定器参数整定整定的目的整定的目的: : 所谓控制系统的所谓控制系统的参数整定参数整定，

59、就是对于一个已经，就是对于一个已经设计并安装设计并安装就就绪绪的控制系统，通过控制器的控制系统，通过控制器参数参数(比例度比例度，积分时间，积分时间Ti ，微分时，微分时间间 Td )的调整，使其特性与的调整，使其特性与过程的参数相匹配过程的参数相匹配，使系统的，使系统的过渡过过渡过程程达到最为达到最为满意的质量指标满意的质量指标要求。要求。 单回路控制系统单回路控制系统= =广义过程广义过程+ +调节器调节器对于不同的系统，整定的对于不同的系统，整定的目的目的要求可能是不一样的。要求可能是不一样的。例如例如，对于，对于定值控制系统定值控制系统一般要求过渡过程呈一般要求过渡过程呈4：1的衰减变

60、化，的衰减变化，而对于而对于比值控制系统比值控制系统则要求整定成振荡与不振荡的边界状态，则要求整定成振荡与不振荡的边界状态，对于对于均匀控制系统均匀控制系统则要求整定成幅值在一定范围内变化的缓慢变则要求整定成幅值在一定范围内变化的缓慢变化的振荡过程，这些都将在以后分别给予介绍。化的振荡过程，这些都将在以后分别给予介绍。 一、理论计算整定法一、理论计算整定法质量指标（质量指标（ ）对象的特性（对象的特性（传递函数传递函数）调节器参数整定的方法可分为调节器参数整定的方法可分为三类三类：理论计算整定法理论计算整定法工程整定法工程整定法计算机仿真寻优整定法计算机仿真寻优整定法调节器调节器最佳参数最佳参