单回路控制系统

过程控制

ProcessControl

上篇过程控制系统第3章单回路控制系统本章要点

单回路控制系统的组成

单回路控制系统的设计

测控仪表的选择

调节器参数的整定

设计应用实例本章学习目标

了解单回路控制系统的基本构成及设计方法

理解被控过程特性对控制质量的影响，掌握被控参数及控制参数的设计原则

掌握调节规律对控制质量的影响及选择方法

掌握调节器正反作用方式的选择方法

熟悉执行器的选择方法及注意事项

理解调节器参数的工程整定方法第3章单回路控制系统3.1单回路控制系统概述3.2单回路控制系统方案设计3.3单回路控制系统的调试3.4常见控制系统分析3.5单回路控制系统设计实例3.1单回路控制系统概述

第3章单回路控制系统3.1单回路控制系统概述3.1.1单回路控制系统的构成3.1.2控制系统的工程表示

单回路控制系统是指只有一个测量变送器、一个调节器、一个调节阀连同被控过程，对一个被控参数进行控制的反馈闭环控制系统。特点：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（80%以上），尤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。单回路控制系统是复杂控制系统的基础。3.1概述

第3章单回路控制系统3.1单回路控制系统概述

对于过程控制系统设计和应用来说，控制方案的设计和调节器参数的整定是其中两个重要内容。如果控制方案设计不正确，仅凭调节器参数的整定是不可能获得较好的控制质量的；若控制方案很好，但是调节器参数整定不合适，也不能使系统运行在最佳状态。

第3章单回路控制系统3.1单回路控制系统概述3.1.1单回路控制系统的构成单回路控制系统示例

液位控制系统温度控制系统

压力控制系统

第3章单回路控制系统3.1单回路控制系统概述3.1.2控制系统的工程表示工艺控制系统流程图（管道仪表流程图）：

液位控制系统温度控制系统

压力控制系统

第3章单回路控制系统3.1单回路控制系统概述带测控点工艺流程图是自控设计的文字代号、图形符号在工艺流程图上描述生产过程控制的原理图，是控制系统设计、施工中采用的一种图示形式。国家行业标准HG20505-92过程检测和控制系统用文字代号和图形符号

第3章单回路控制系统3.1单回路控制系统概述一些常用的图形符号和文字代号1．图形符号过程检测和控制系统图形符号包括测量点、连接线(引线、信号线)和仪表圆圈等。⑴测量点⑵连接线⑶仪表常规仪表图形符号是直径为12mm(或10mm)的细实线圆圈。⑷执行器执行器的图形符号是由执行机构和调节机构的图形符号组合而成的。

第3章单回路控制系统3.1单回路控制系统概述2．仪表位号在检测控制系统中，构成回路的每个仪表(或元件)都用仪表位号来标识。仪表位号由字母代号组合和回路编号两部分组成.首字母表示被控变量，后继字母表示仪表的功能。回路的编号由工序号和顺序号组成，一般用3-5位阿拉伯数字表示。

第3章单回路控制系统3.1单回路控制系统概述

表3.1过程检测和控制流程图所用字母代号及其含义

第3章单回路控制系统3.2单回路控制系统方案设计

3.2单回路控制系统方案设计3.2.1被控参数的选择3.2.2控制参数的选择3.2.3被控参数的测量与变送3.2.4执行器的选择3.2.5调节器控制规律的选择3.2.6调节器正、反作用的确定

第3章单回路控制系统3.2单回路控制系统方案设计

3.2单回路控制系统方案设计3.2.1被控参数的选择根据工艺要求选择被控参数，是系统设计中的重要内容。选取被控参数的一般原则：⑴选择对产品的产量和质量、安全生产、经济运行和环境保护具有决定性作用的、可直接测量的工艺参数为被控参数。⑵当不能用直接参数作为被控参数时，应选择一个与直接参数有单值函数关系的间接参数作为被控参数。⑶被控参数必须具有足够高的灵敏度。⑷被控参数的选取，还必须考虑工艺过程的合理性和国内外仪表生产的现状。

第3章单回路控制系统3.2单回路控制系统方案设计

3.2.2控制参数的选择1.干扰通道特性对控制质量的影响⑴放大倍数Kf的影响设则单位阶跃扰动干扰通道Kf越大，系统的稳态误差越大，被控参数偏离给定值越大。

第3章单回路控制系统3.2单回路控制系统方案设计

⑵时间常数Tf的影响为了研究问题的方便，令各环节放大倍数均为1，则系统的特征方程为

干扰通道为一阶惯性环节与其为放大环节相比，增加了一个附加极点-1/Tf。除了会影响过渡过程时间外，还会影响过渡过程的幅值，使其缩小Tf倍。这样过渡过程的最大动态偏差也将随之减小，这对提高系统的品质是有利的。而且，随着Tf的增大，控制过程的品质也会提高。

第3章单回路控制系统3.2单回路控制系统方案设计

当干扰通道为一阶惯性环节时，相当于一个低通滤波器，其转折频率为1/Tf。Tf越大，转折频率越小，该环节所起的滤波作用越强。由于干扰作用在影响被控参数时，受到自身通道的滤波作用，其对被控参数的影响程度就大为缩小，因而系统的质量会提高，且随着时间常数Tf的增大，所起的滤波作用越强，系统的质量越高。一阶惯性环节的频率特性分析：

第3章单回路控制系统3.2单回路控制系统方案设计

干扰通道时间常数越大，个数越多，或者说干扰进入系统的位置越远离被控参数而靠近调节阀，干扰对被控参数的影响就越小，系统的控制质量就越高.干扰进入系统的位置不同，对被控参数的影响也不同。

第3章单回路控制系统3.2单回路控制系统方案设计⑶纯滞后τf的影响当干扰通道无纯滞后时

干扰通道的纯滞后τf，使干扰对被控参数的影响推迟了时间τf，因而控制作用也推迟了时间τf，使整个过渡过程曲线推迟了时间τf。只要控制通道不存在纯滞后，就不会影响控制质量。则当干扰通道有纯滞后τf时

滞后定理

第3章单回路控制系统3.2单回路控制系统方案设计

2.控制通道特性对控制质量的影响⑴放大倍数K0的影响即对于线性系统，在一定稳定性前提下，系统的控制质量与控制通道放大倍数无关。放大倍数对控制质量的影响要从静态和动态两个方面进行分析。静态分析在一定的稳定程度（即一定的衰减比）情况下，系统的开环放大倍数是一个常数。

第3章单回路控制系统3.2单回路控制系统方案设计

从控制角度分析K0越大，则表明控制参数对被控参数的影响越大，克服干扰影响更为有效。在相同衰减比情况下，K0Kp=常数，当K0越大时，Kp则越小，而Kp小则比例度δ大。在调节器参数整定时，δ大比较容易调整，反之则不易调整。从控制的有效性及调节器参数易调整性来考虑，希望控制通道放大倍数K0越大越好。但是，如果K0过大，会引起控制通道过于灵敏，使控制系统不稳定。

第3章单回路控制系统3.2单回路控制系统方案设计

⑵时间常数T0的影响

T0越大，系统的控制质量越差，太小则稳定性下降，系统质量也变差。大小应该适中。调节器的控制作用，是通过控制通道施加于被控对象去影响被控参数的。控制通道时间常数T0的大小反映了控制作用的强弱，反映了调节器的校正作用克服扰动对被控参数影响的快慢。

第3章单回路控制系统3.2单回路控制系统方案设计

⑶纯滞后τ0和容量滞后τc的影响

控制通道的纯滞后会使系统的动态偏差增大，超调量增加，最终导致控制质量下降。控制通道纯滞后τ0产生的原因信号传输滞后信号的测量变送滞后执行器的动作滞后A、B——调节器校正作用；D、E——被控参数变化曲线；C——干扰变化曲线.纯滞后的影响示意图在选择控制参数时，应使对象控制通道的纯滞后τ0尽可能小。

第3章单回路控制系统3.2单回路控制系统方案设计

当τ0/T0≤0.3时，系统比较容易控制；当τ0/T0＞0.5时，系统则较难控制，需要采取特殊措施，如当τ0难以减小时，可设法增加T0以减小τ0/T0的比值，否则很难收到良好的控制效果。在过程控制中，通常用τ0/T0的大小作为反映过程控制难易程度的一种指标。一般认为控制通道的容量滞后τc同样会造成控制作用不及时，使控制质量下降。但是τc的影响比纯滞后τ0对系统的影响缓和。另外，若引入微分作用，可克服τc对控制质量的影响。

第3章单回路控制系统3.2单回路控制系统方案设计

⑷控制通道时间常数匹配的影响

时间常数相差越大，临界稳定增益越大，系统开环增益就允许增大得越多，因而对系统的控制质量就越有利。所以，选择控制参数时，应将时间常数尽量错开。在实际生产过程中，广义被控对象可近似看成由多个一阶惯性环节串联而成，假设广义对象的传递函数为则相应的临界稳定增益KK为

第3章单回路控制系统3.2单回路控制系统方案设计

选择控制参数的一般原则：⑴所选的控制参数必须是可控的。⑵控制通道的放大倍数K0要适当大一些；时间常数T0要适当小，但不宜过小；纯滞后τ0越小越好，在有纯滞后τ0的情况下，τ0/T0一般应小于0.3，若其比值过大，则不利于控制。⑶干扰通道的放大倍数Kf应尽可能小；时间常数Tf应尽可能大，容量数尽可能多；干扰进入系统的位置尽可能远离被控参数而靠近调节阀。⑷广义被控对象由几个一阶惯性环节组成，应尽量设法把几个时间常数错开，使其中一个时间常数比其他时间常数大得多，以便尽可能提高系统的可控性。⑸在选择控制参数时还需考虑到工艺的合理性、经济性。一般来说，生产负荷直接关系到产品的产量，不宜经常变动，在不是十分必要的情况下，不宜选择生产负荷作为控制参数。

第3章单回路控制系统3.2单回路控制系统方案设计

3.2.3被控参数的测量与变送1.检测仪表性能的影响⑴放大倍数Km的影响测量变送环节的特性通常可用一阶惯性时延环节来描述

Km与变送器的量程有关，量程小则Km大。作为广义对象的一部分，

Km本身不影响控制系统的性能指标。然而．当变送器精度等级一定时，量程小，有利于减小显示误差。

第3章单回路控制系统3.2单回路控制系统方案设计

⑵时间常数Tm的影响

若Tm较大，则会使被控参数的测量值与实际值之间产生较大的动态误差，从而对系统的控制质量产生不利的影响。流量、压力、液位——Tm较小；温度——Tm较大。测量滞后的补偿

第3章单回路控制系统3.2单回路控制系统方案设计⑶滞后时间τm的影响

测量变送环节是广义对象的一部分，其纯滞后τm对控制质量的影响与控制通道纯滞后对控制质量的影响相同，减小它对控制系统有利。τm的产生的原因检测仪表本身不连续输出安装位置不合适温度和物性参数的测量很容易引入纯滞后，而且一般都比较大。流量参数的测量纯滞后一般都比较小。纯滞后的补偿措施补偿环节的特性为注意：微分作用对于克服纯滞后无能为力。

第3章单回路控制系统3.2单回路控制系统方案设计

2.测量信号的处理⑴测量信号的滤波

实际应用中通常需要对含有噪声的测量信号进行滤波处理。通常可采用模拟滤波，如用RC电路。对于计算机控制，可采用数字滤波。采用高通滤波器可滤除低频干扰信号；采用低通滤波器可滤除高频干扰信号；对于跳变脉冲干扰信号，应采用剔除跳变信号的措施等。⑵测量信号的线性化当变送器输出信号与工艺控制指标之间成非线性关系时，为了使广义对象具有一定的线性，需要对测量参数作线性化处理。如：节流式流量计——；热电偶——

第3章单回路控制系统3.2单回路控制系统方案设计

3.安装使用条件

安装条件必须符合相应检测仪表的具体要求。例如：流量测量仪表通常有对前后管道的直管段的要求、节流装置流向的要求；测温元件在被测介质中对插入深度的要求；差压变送器导压管内液体高度应该相等的要求等。

实际使用时，仪表的工作参数应该符合仪表的设计参数。例如，气体流量测量时的实际工作温度和压力应该与设计值相等，如果偏离较大将产生较大的附加误差，必要时需要进行校正。

第3章单回路控制系统3.2单回路控制系统方案设计

3.2.4执行器的选择1.调节阀结构形式的选择调节阀有直通单座、直通双座、角形、高压、三通、蝶阀和隔膜阀等不同结构形式，各有特点，要根据生产过程的不同需要和控制系统的不同特点来进行选择。

在选用时，要注意：⑴工艺介质的种类，腐蚀性和粘性。⑵流体介质的温度、压力、比重。⑶流经阀的最大、最小流量，正常流量以及正常流量时阀上的压降。

第3章单回路控制系统3.2单回路控制系统方案设计

2.调节阀口径大小的选择调节阀口径大小决定着控制介质流过它的能力，它直接影响工艺生产的正常进行、控制质量以及生产的经济效益。

调节阀口径的具体大小通过计算调节阀流通能力的大小来决定。调节阀流通能力必须满足生产控制的要求并留有一定的余地。调节阀口径的选择应大小适中，并留有一定余地，以适应增加生产的需要。在正常工况下一般要求调节阀开度处于15~85%之间。

第3章单回路控制系统3.2单回路控制系统方案设计

3.调节阀气开、气关形式的选择气开阀——当无压力信号时阀全关，随着膜头输入压力信号的增大，阀门逐渐开大。气关阀——当无压力信号时阀全开，随着膜头输入压力信号的增大，阀门逐渐关小。

对于一个具体的控制系统来说，究竟选气开阀还是气关阀，要由具体的生产工艺来决定。(a)气关式(b)气开式(c)气开式(d)气关式

第3章单回路控制系统3.2单回路控制系统方案设计

调节阀气开、气关形式的选择原则：

⑴首先要从生产安全出发。⑵从保证产品质量出发。⑶从降低原料、成品、动力损耗来考虑。⑷从介质的特点考虑。由于工艺要求不一，对于同一个调节阀可能有两种不同的选择结果。在这种情况下就要分清主要矛盾和次要矛盾，权衡利敝，按主要矛盾来进行选择。某些生产工艺对调节阀的开闭形式的选择没有严格的要求。在这种情况下，可以根据操作习惯和方便、统一的原则来选择调节阀的气开、气关形式。

第3章单回路控制系统3.2单回路控制系统方案设计

4.调节阀流量特性的选择

国产调节阀流量特性直线特性——常用等百分比（或对数）特性——常用快开特性——适于双位和程序控制

调节阀流量特性——流过调节阀的流体的相对流量与调节阀相对开度之间的关系，即1——直线2——等百分比3——快开4——抛物线01001003.3l/L(%)Q/Qmax(%)1234①直线流量特性

调节阀的相对流量与相对开度成线性关系，即特点：直线流量特性调节阀在小开度工作时，其相对流量的变化大，灵敏度高，控制作用强，易引起超调，产生振荡；而在大开度工作时，其相对流量的变化小，灵敏度低，控制作用弱，会造成控制作用不够及时。因而不宜用于负荷变化大的过程。第3章单回路控制系统3.2单回路控制系统方案设计②对数（等百分比）流量特性

特点：等百分比流量特性的调节阀，其放大系数随行程增大而增大。在小流量时，流量变化的绝对值小；在大流量时，流量变化的绝对值大。所以它在小流量时工作较平稳，在大流量时工作较灵敏，适用于负荷变化较大的过程。调节阀单位相对行程的变化所引起的相对流量变化与该点的相对流量值成正比，或者说调节阀杆的行程增加同样值时，流量特性按等百分比增加，即

第3章单回路控制系统3.2单回路控制系统方案设计在行程比较小时流量比较大，随着行程的增加，流量很快就达到最大，因而称为快开特性。其数学表达式为

特点：快开流量特性的调节阀主要用于位式控制。

③快开流量特性第3章单回路控制系统3.2单回路控制系统方案设计

特点：它介于直线流量特性与等百分比流量特性的曲线之间，通常可用等百分比流量特性来代替。

④抛物线流量特性调节阀单位相对行程的变化所引起的相对流量变化与该点的相对流量值的平方根成正比，其数学表达式为第3章单回路控制系统3.2单回路控制系统方案设计流量特性的选择方法：数学分析法；经验法①从改善系统控制质量考虑

常数

当对象的Ko为线性时，应选择直线特性的调节阀，否则就选择等百分比特性的调节阀。1230输入输出1——对象静特性2——调节阀流量特性3——补偿后的特性第3章单回路控制系统3.2单回路控制系统方案设计②从配管状况（S值大小）考虑

首先应根据系统的特点来选择工作流量特性，然后再考虑工艺配管状况来选择相应的理想流量特性。第3章单回路控制系统3.2单回路控制系统方案设计表3.2配管状况与阀工作流量特性关系表3.3调节阀理想流量特性选择原则

③综合考虑其他因素当所选用的调节阀有可能经常在小开度下工作时，为使调节过程平稳宜选用等百分比理想流量特性。因为直线特性调节阀在小开度情况下，流量变化率很大，不宜进行微调。当控制系统预计到负荷变化幅度较大时，宜选用等百分比理想流量特性。这是因为等百分比调节阀的放大系数是随阀芯位移的变化而变化的，其流量变化率恒定，所以能适应负荷的变化。当流体介质中含有较多固体悬浮物时，可以考虑选用直线理想流量特性，因为这种流量特性的阀，它的阀芯曲面形状相对较瘦，在调节阀小开度工作时，阀芯不易被卡死。第3章单回路控制系统3.2单回路控制系统方案设计

第3章单回路控制系统3.2单回路控制系统方案设计

5.阀门定位器的选用

阀门定位器的主要作用：阀门定位器是调节阀的一种辅加装置，与调节阀配套使用，有电气阀门定位器和气动阀门定位器之分。⑴实现准确定位⑵改善调节阀的动态特性⑶改变调节阀的流量特性⑷实现分程控制注意:在一些反应迅速的过程中，例如流量和液体压力控制系统中，使用阀门定位器容易引起振荡，因而在这些场合不宜采用。

第3章单回路控制系统3.2单回路控制系统方案设计

3.2.5调节器控制规律的选择调节器的控制规律也称调节规律，是指调节器的输出信号u与输入信号e之间随时间变化的规律。其基本控制规律有位式、比例（P）、积分（I）、微分（D）及其组合。在工程实际中，应用最为广泛的调节器控制规律为比例、积分和微分控制规律，简称PID。PID的优点：原理简单使用方便鲁棒性强（对过程变化不敏感）适应性广（应用面宽）

第3章单回路控制系统3.2单回路控制系统方案设计

1.双位控制目前所采用的调节器中，最古老、最简单的控制规律就是双位控制，即调节器的输出只有两个值。

当测量值大于（或小于）给定值，即偏差信号e大于零（或小于零）时，调节器的输出信号为最大值；反之，调节器的输出信号为最小值。相应的调节阀也只有全开或全关两个极限位置。理想双位控制的数学表达式为

第3章单回路控制系统3.2单回路控制系统方案设计

温度双位控制系统

理想的双位输出特性实际的双位输出特性执行器（如继电器、电磁阀等）的动作过于频繁，磨损严重，易于损坏。输出特性有一个滞环，可避免控制器和执行器的频繁动作。

第3章单回路控制系统3.2单回路控制系统方案设计

实际温度双位控制的过渡过程

断续控制作用下的等幅振荡过程.品质指标：振幅—θmax-θmin周期—T

一般设计原则：满足振幅在允许范围内的条件下，尽可能使周期最长。对象有纯滞后时的双位控制过程曲线双位调节器结构简单，价格低廉，容易实现。适用于时间常数较大、负荷变化较小、纯滞后较小的单容对象，且工艺允许被控参数在一定范围内波动的场合。

第3章单回路控制系统3.2单回路控制系统方案设计2.比例（P）控制调节器的输出信号u与输入偏差信号e成比例关系⑴比例调节的动作规律传递函数P调节的阶跃响应曲线比例增益KP+反作用-正作用—工作点工业调节器中，比例作用习惯使用比例度（或称比例带）来刻度。比例度——调节器输入的相对变化量与输出的相对变化量之比的百分数，其表达式为

第3章单回路控制系统3.2单回路控制系统方案设计若调节器的输出、输入信号范围相同，则比例度δ与放大倍数Kp的关系为δ代表使调节阀开度改变100%即从全关到全开时所需要的被控参数的变化范围。只有当被控参数处在这个范围以内，调节阀的开度变化才与偏差成比例。超出这个范围，调节阀处于全开或全关状态，此时，调节器就失去了控制作用。

则比例度δ的物理意义：

第3章单回路控制系统3.2单回路控制系统方案设计①比例调节动作快，克服干扰能力强。②比例调节是一种有差调节。③比例调节系统的静差随比例度的增大而增大。④减小比例度δ，不仅可以减小系统的静差，而且还可以降低系统的惯性，加快系统的响应速度。⑵比例调节的特点

第3章单回路控制系统3.2单回路控制系统方案设计⑶比例度对调节过程的影响在基本控制规律中，比例作用是最基本、最主要也是应用最普遍的控制规律。它适用于负荷变化小，对象纯滞后不大，时间常数较大而又允许有静差的控制系统中，常用在塔和储罐的液位控制以及一些要求不高的压力控制中。比例度的参考选取范围：温度控制系统为20%～60%压力控制系统为30%～70%流量控制系统为40%～100%液位控制系统为20%～80%

第3章单回路控制系统3.2单回路控制系统方案设计3.积分（I）控制调节器输出信号的变化量与偏差信号e随时间的积分成正比（1）积分调节的动作规律传递函数积分调节器的动态特性—工作点—积分时间

I——浮动调节

第3章单回路控制系统3.2单回路控制系统方案设计①积分调节是一种无差调节。采用积分调节可以提高系统的无差度，也即提高系统的稳态控制精度。②与P调节相比，积分调节的过渡过程比较缓慢，系统的稳定性变差，这是积分调节的最大缺陷。③减小积分时间，虽然在一定程度上可以提高系统的响应速度，但却会加剧系统的不稳定程度。（2）积分调节的特点

第3章单回路控制系统3.2单回路控制系统方案设计（3）积分时间Ti对调节过程的影响

Ti对I调节过程的影响衰减率Ψ=0.75P与I调节过程的比较积分调节虽然可以提高系统的稳态控制精度，但对系统动态品质的不利影响居多。因此，在工程实际中，一般很少单独采用积分调节规律，往往将I调节和P调节结合起来，构成比例积分（PI）调节。

第3章单回路控制系统3.2单回路控制系统方案设计4.比例积分（PI）控制（1）比例积分调节的动作规律传递函数或PI调节综合了P、I两种调节的优点，利用P调节快速抵消干扰的影响，同时利用I调节消除静差。PI调节器P---主导作用I---辅助作用

第3章单回路控制系统3.2单回路控制系统方案设计（2）比例积分调节的特点①无差调节。②PI调节是在P调节的基础上引入I，虽可消除静差，但却降低原有系统的稳定性。因此，为了保持控制系统原来的衰减率，PI调节器比例度必须适当加大.③只要偏差存在，积分作用就一直进行，对于时间滞后大的对象，会出现积分饱和现象。④PI调节器适用于对象纯滞后不大，时间常数也不大，而又不允许被控参数有静差的场合。Ti对PI调节过程的影响

第3章单回路控制系统3.2单回路控制系统方案设计比例积分调节的适用场合及参数选择由于比例积分调节器既有比例调节器响应及时的优点，又能消除静差，因此适用范围比较广，大多数控制系统都能使用。积分时间应该根据不同的对象特性加以选择，一般情况下，Ti的取值范围如下：温度控制系统：3～10min压力控制系统：0.4～3min；流量控制系统：0.1～1min；液位控制系统：一般不需积分作用。

第3章单回路控制系统3.2单回路控制系统方案设计⑶积分饱和现象与抗积分饱和的措施具有积分作用的调节器，只要被控参数与给定值之间有偏差，其输出就会不停地变化。如果由于某种原因（如阀门关闭、泵故障等），偏差一时无法消除，然而调节器还是要试图校正这个偏差，结果经过一段时间后，调节器输出将进入深度饱和状态，这种现象称为积分饱和。进入深度积分饱和的调节器，要等偏差反向以后才慢慢从饱和状态中退出来，重新恢复控制作用。

积分饱和现象：

第3章单回路控制系统3.2单回路控制系统方案设计抗积分饱和现象的措施：①将PI调节器的输出限制在规定范围，但这样有可能在正常操作中不能消除系统的静差。②采用积分分离法，即人为设定一个限值，在PI调节器的输入偏差超过限值时，改用纯比例调节进行控制。这样既不会出现积分饱和又能在偏差较小时有效利用积分作用消除静差。③遇限削弱积分法，这种方法同样人为设一限值，当控制输出大于该限值时，只累加负偏差，反之亦然，这种做法可避免控制量长时间停留在饱和区。

第3章单回路控制系统3.2单回路控制系统方案设计5.微分（D）及比例微分（PD）控制（1）微分调节的特点微分调节的输出变化量与输入偏差的变化速度成正比

理想微分因此微分调节不能单独使用，只能起辅助的调节作用，它可与比例结合成PD调节。具有快速超前作用（2）比例微分调节规律传递函数理想PD

第3章单回路控制系统3.2单回路控制系统方案设计

实际PD传递函数

Kd——微分增益。工业调节器的微分增益一般在5～10范围内。单位阶跃响应为

PD调节器的单位阶跃响应PD调节器的斜坡响应PPDPD调节器有超前作用，超前时间为微分时间Td。

第3章单回路控制系统3.2单回路控制系统方案设计（3）比例微分调节的特点在负荷变化剧烈、扰动幅度较大或过程容量滞后较大的过程中，适当引入微分作用，可在一定程度上提高系统的控制质量。加入微分调节可提高控制系统的稳定性PD调节的抗干扰能力很差,只能应用于被控参数变化非常平稳的过程。微分调节具有快速超前作用，但对于纯滞后过程无效。PD调节是有差调节。PD调节器P---主导作用D---辅助作用

第3章单回路控制系统3.2单回路控制系统方案设计

P与PD调节过程的比较Td对PD调节过程的影响Td↑→微分调节作用增强；有差调节，静差比P调节小；超前调节,适当的微分可以减小超调量,也能减少振荡倾向.

第3章单回路控制系统3.2单回路控制系统方案设计理想PID6.比例积分微分（PID）控制理想PID传递函数

实际PID传递函数

第3章单回路控制系统3.2单回路控制系统方案设计

PID调节器兼有PI、PD调节器两者的优点，克服干扰能力强，使系统的稳定性提高。对于容量滞后较大，纯滞后不太大，不允许有静差的过程，采用PID调节可以全面改善控制品质,因此，被大多数的温度、成分控制系统所选用。

PID调节器的特点及适用场合

第3章单回路控制系统3.2单回路控制系统方案设计

PID的调节效果最好（从超调量、过渡过程时间、稳态误差看）PI其次，PD次之（有差），P再次之，I调节最差调节器不同调节规律响应过程比较

第3章单回路控制系统3.2单回路控制系统方案设计

注意

虽然PID的调节效果最好，并不意味着所有的系统都是合理的，但这并不意味着，在任何情况下采用三作用调节器都是合理的。何况三作用调节器有三个需要整定的参数，分别是比例度δ、积分时间Ti和微分时间Td，如果这些参数整定不合适，则不仅不能发挥各种调节动作应有的作用，还会适得其反。

第3章单回路控制系统3.2单回路控制系统方案设计一般原则：

7.

PID控制规律的选择①广义对象控制通道时间常数较大或容积迟延较大时，应引入微分作用。如工艺容许有静差，可选用PD调节；如工艺要求无静差，则选用PID调节。如温度、成分、PH值控制等。②当广义对象控制通道时间常数较小，负荷变化也不大，而工艺要求无静差时，可选择PI调节。如管道压力和流量的控制。③广义对象控制通道时间常数较小，负荷变化较小，工艺要求不高时，可选择P调节，如贮罐压力、液位的控制。④当广义对象控制通道时间常数或容积迟延很大，负荷变化也剧烈时，简单控制系统已不能满足要求，应设计复杂控制系统。⑤若广义被控对象的传递函数为当τ/T＜0.2时，选择P或PI调节；当0.2＜τ/T≤1.0时，选择PD或PID调节；当τ/T＞1.0时，应选用复杂控制系统。

第3章单回路控制系统3.2单回路控制系统方案设计

3.2.6调节器正、反作用的确定调节器偏差的定义按仪表制造业的规定：单回路控制系统要能正常工作，则组成该系统的各个环节（包括变送器、调节器、调节阀及被控过程）的极性相乘必须为正。控制系统偏差的定义：PID广义被控对象给定值r被调量yeu控制器（调节器）

第3章单回路控制系统3.2单回路控制系统方案设计

⑴调节器放大系数Kp的正负号正作用方式：y↑→u↑,Kp为“-”；反作用方式:y↑→u↓,

Kp为“+”。⑵调节阀放大系数的正负号气开式调节阀Kv为“+”;气关式调节阀Kv为“-”。⑶被控过程放大系数的正负号正作用μ↑→y↑,被控过程的静态放大系数Ko为“+”；反作用μ↑→y↓,被控过程的Ko为“-”。⑷变送器的放大系数Km为正号静态放大系数正负号的规定：

第3章单回路控制系统3.2单回路控制系统方案设计

根据生产工艺安全等原则确定调节阀的气开、气关形式；按被控过程特性，确定其正、反作用；根据组成系统的开环传递函数各环节的静态放大系数极性相乘必须为正的原则，确定调节器的正、反作用方式。确定调节器正、反作用的顺序：调节器的正、反作用举例第3章单回路控制系统3.2单回路控制系统方案设计第3章单回路控制系统3.3单回路控制系统的调试3.3单回路控制系统的调试3.3.1控制系统的投运3.3.2调节器参数的工程整定第3章单回路控制系统3.3单回路控制系统的调试3.3.1控制系统的投运3.3单回路控制系统的调试一旦控制系统按设计的要求连好，线路经过检查正确无误，所有仪表经过检查符合精度要求并已运行正常，即可着手进行控制系统的调试，包括控制系统的投运和调节器参数的整定。

在单回路控制系统方案设计、仪表正确选型、安装调校就绪后，或者装置经过停车全面检修之后，再将系统投入生产使用的过程称为系统的投运。也就是将系统由手动工作状态切换到自动工作状态。这一过程是通过调节器上的手动-自动切换开关从手前位置切换到自动位置来完成的，但是这种切换必须保证无扰动地进行。第3章单回路控制系统3.3单回路控制系统的调试手动-自动切换的一般程序:1.准备工作⑴熟悉生产工艺过程⑵熟悉控制方案⑶全面检查过程检测控制仪表⑷进行仪表联调试验2.系统投运⑴检测系统投入运行⑵调节阀手动遥控⑶调节器投运(手动→自动)系统由自动控制切换到手动操作的程序：①系统先由自动控制转入手动遥控；②再进行手动操作。整定的任务：根据被控过程的特性，确定PID调节器的比例度、积分时间以及微分时间的大小。

在简单过程控制系统中，调节器的参数整定通常以系统瞬态响应的衰减率为主要指标,以保证系统具有一定的稳定裕量。另外还应满足系统稳态误差、最大动态偏差（或超调量）和过渡过程时间等其它指标。第3章单回路控制系统3.3单回路控制系统的调试3.3.2调节器参数的工程整定整定的实质就是通过调整调节器的参数，使其特性与被控对象特性相匹配，来改善系统的动态和静态特性，以达到最佳的控制效果。理论计算整定法——要求已知过程的数学模型

工程整定方法——一般不要求知道对象特性

整定方法1.临界比例度法(闭环整定）具体步骤：1.首先将调节器的积分时间置于最大，微分时间置零，比例度置为较大的数值2.等系统运行稳定后，对设定值施加一个阶跃变化，并减小直到出现等幅振荡曲线为止。记录下此时的临界比例度和等幅振荡周期3.按表3.5的经验公式计算出调节器的参数第3章单回路控制系统3.3单回路控制系统的调试2.衰减曲线法(闭环整定）

衰减曲线法与临界比例法类似。观察衰减比；记录；按经验公式计算第3章单回路控制系统3.3单回路控制系统的调试3.反应曲线法（动态特性参数法）

反应曲线法是利用系统广义过程的阶跃响应曲线对调节器参数进行整定，是一种开环整定方法。第3章单回路控制系统3.3单回路控制系统的调试有自衡能力的广义被控过程阶跃响应曲线第3章单回路控制系统3.3单回路控制系统的调试ε=K/T

无自衡能力的广义被控过程按表3.8中的经验公式计算出调节器的参数。4.现场实验整定法现场实验整定法，实质上是一种经验试凑法，所以也称为经验法。在现场的应用中，将各类过程控制系统调节器的整定参数按先比例、后积分、最后微分的顺序置于某些经验数值后，把系统闭合起来，然后再作给定值扰动，观察系统过渡过程曲线。若曲线还不够理想，则改变调节器的δ、Ti和Td的数值，进行反复试凑，以寻求“最佳”的整定参数，直到控制质量符合要求为止。第3章单回路控制系统3.3单回路控制系统的调试现场常出现的几种典型曲线第3章单回路控制系统3.3单回路控制系统的调试Ti过小δ过小Td过大δ过大(而其他参数适当)Ti过大(而其他参数适当)调节阀内干摩擦过大记录笔卡住仪表灵敏度过高第3章单回路控制系统3.4常见控制系统分析3.4.1温度控制系统3.4常见控制系统分析3.4.2压力控制系统3.4.3流量控制系统3.4.4液位控制系统3.4.5成分控制系统第3章单回路控制系统3.4常见控制系统分析3.4.1温度控制系统温度控制实质上是一个传热的控制问题。温度对象常常是多容的，时间常数与对象的热容与热阻的乘积成正比，它可以从几分钟到几十分钟。换热器传热面的结垢会引起热阻增大，因而对象时间常数还具有时变的特性；而且由于不均匀性，往往对象具有分布参数的性质。为了改善温度控制系统的品质，应选用时间常数小的测量元件，并尽量安装在测量纯滞后小的地方。调节器可以选用比例积分微分调节规律，积分时间可置于几分钟，微分时间相对短一些。由于温度控制对象的非线性，随着负荷增加放大系数下降，所以一般温度控制系统宜选用等百分比流量特性的调节阀。第3章单回路控制系统3.4常见控制系统分析3.4.2压力控制系统气体压力与液位相似，它是系统内进出物料不平衡程度的度量，因而气体的压力控制不是改变流入量就是改变流出量。气体压力对象基本上是单容的，具有自衡能力，它的时间常数也与容积成正比与流量成反比，一般为几秒至几分钟。除了系统附近有脉动的压力源，如往复式压缩机等，一般气体压力的测量是没有噪声的，通常选择比例积分调节器，积分时间可以设置得比流量控制时大。1．气体压力第3章单回路控制系统3.4常见控制系统分析由于液体的不可压缩性，因而液体的压力控制与流量控制非常相似，液体压力对象的时间常数仅为几秒，测量时也有明显的噪声，一般选用比例积分调节器来进行控制。当同一根工艺管线上既要控制压力又要控制流量时，两个控制系统会互相影响。2．液体压力3．蒸汽压力常见的锅炉汽包压力控制，精馏塔、蒸发器压力控制，其实质上是传热的控制，系统蒸汽的压力就表征了热平衡的状况。所以在这类控制系统中它的特性在某些方面与温度控制有相仿之处。第3章单回路控制系统3.4常见控制系统分析3.4.3流量控制系统在流量控制系统中，被控参数和调节参数均是流量，所以对象的静态放大系数为1。流量对象的时间常数很小，一般仅为几秒，对象的纯滞后时间也很小，调节过程中被控参数的振荡周期也很短。因为流量控制一般都与工艺的物料平衡有关，大多数情况下不允许有静差，因而总是选用比例积分调节器。由于对象时间常数小，反应灵敏，调节器不必有微分作用。流体湍流流动以及泵的振动所产生的流量噪声第3章单回路控制系统3.4常见控制系统分析3.4.3流量控制系统流量检测中采用孔板和差压式流量计居多，如果不设置开方器，它们呈现出明显的非线性。一般单回路的流量控制系统也可以不使用开方器；但在串级控制系统中，有时流量副回路的非线性会带来十分不利的影响，此时宜设置开方器。在不设置开方器的流量控制系统中，可以选用对数流量特性的调节阀，以补偿差压式流量计的非线性。差压式流量计的非线性第3章单回路控制系统3.4常见控制系统分析3.4.4液位控制系统⑴保持设备或储罐内的滞留量在规定的高限和低限之内，使它们具有一定的缓冲能力；⑵在每一种滞留量下，在绝大部分时间内保持入口流量和出口流量之间的平衡；⑶通过容积的缓冲来保持前后工序负荷的平衡，在需要改变流量时，希望能逐步地、平滑地调整流量。液位控制的任务：第3章单回路控制系统3.4常见控制系统分析3.4.4液位控制系统液位对象的时间常数与容器的容积成正比，与流量成反比，一般为数分钟以上。由于液体进入容器时的飞溅和扰动，液位测量与流量测量相似，也是有噪声的，在实践中，大多数情况下精确地控制液位是没有必要的，因而可以选用比例调节器。对有相变过程的设备，如再沸器、锅炉汽包、氨蒸发器等，它们的液位控制比较复杂，因为它们不仅与物料平衡有关，而且与传热有关。在这些设备中，液位常常以满量程的百分之几左右的幅度急剧波动，所以要实现良好的液位控制还需设计复杂控制系统。第3章单回路控制系统3.4常见控制系统分析3.4.5成分控制系统在生产现场，出问题最多的往往是成分控制系统。其对象是多容的，且时间常数大，纯滞后时间大；有的如pH值控制对象，则具有明显的非线性。造成成分控制系统工作不良的原因，还有分析仪器本身结构比较复杂，取样系统和样品预处理部分工作不良，纯滞后过大等多方面的原因。成分控制系统通常选用PID调节器。由于成分控制系统的惰性较大，系统可靠性不高，所以调节器的比例度一般均设置得较大。对于pH值的控制最好能使用非线性调节器；对纯滞后特别大的成分控制系统可以考虑采用采样控制。当选不到合适的成分分析仪器时，也可以采用间接的被控参数如温度、温差等，即所谓软测量技术。第3章单回路控制系统3.4常见控制系统分析表3.10各类常见控制系统的特点3.5单回路控制系统设计实例3.5.1喷雾式干燥设备控制系统设计3.5.2储槽液位控制系统设计第3章单回路控制系统3.5单回路控制系统设计实例1.生产过程概况由于乳化物属于胶体物质，激烈搅拌易固化，也不能用泵抽送，因而采用高位槽。由于需要蒸发掉乳液中的水分，使之成为粉状物，并随湿空气一起送出进行分离。生产工艺对干燥后的产品质量要求很高，水分含量不能波动太大，因而需要对干燥的温度进行严格控制。试验证明，若温度波动在±2℃以内，则产品质量符合要求。3.5.1喷雾式干燥设备控制系统设计第3章单回路控制系统3.5单回路控制系统设计实例2.控制方案设计（1）被控参数的选择

根据生产工艺，水分含量与干燥温度密切相关。选用干燥温度为被控参数，水分与温度一一对应。将温度控制在一定数值上。第3章单回路控制系统3.5单回路控制系统设计实例（2