第三章 单回路控制系统设计(二)(最终)

第三章

单回路控制系统设计（二）(简单控制系统)3-1、3-2、3-3、3-4、3-5、3-6本章主要内容：§3.1单回路控制系统概述§3.2被控参数和控制参数的选择§3.3检测变送环节§3.4控制阀的选择4123765§3.5控制器的控制算法与选择§3.6控制系统的投运与参数整定本章小结2一、概述二、气动薄膜控制阀的结构三、控制阀的流量系数四、控制阀的流量特性主要内容：§3-4控制阀的选择六、气动控制阀的选型3五、阀门定位器的选择§3-4控制阀的选择

在自动控制系统中，接受控制器的指令；

经执行机构将其转换为相应的角位移或直线位移；

去操纵控制机构，改变被控对象进、出能量或物料。1.作用2.组成4一、概述阀体执行机构5§3-4控制阀的选择3.类型

(从动力源分)执行机构6§3-4控制阀的选择本节的重点：

气动控制阀的结构原理、阀的流量特性、口径选择、阀门定位器和选型阀体：把直线或角位移转换为流通面积的变化，从而改变操纵变量。类型：直通阀（单座、双座）、角阀、三通阀、球形阀、隔膜阀、蝶阀等。7§3-4控制阀的选择(一)、气动薄膜执行机构1、结构组成由膜片、推杆、弹簧等组成。

薄膜式的特点：结构简单、价廉；但行程短活塞式：长行程、价昂、特殊用8§3-4控制阀的选择二、气动薄膜控制阀的结构气动薄膜控制阀结构简图9§3-4控制阀的选择阀门定位器19123456789171615181410111213p1p2执行机构阀1.波纹膜片2.压缩弹簧3.推杆4.控制件5.阀杆6.压板；7.上阀盖8.阀体9.下阀盖10.阀座11.阀芯12.填料；13.反馈连杆14.反馈凸轮15.气动放大器16.托板17.波纹管18.喷嘴19.挡板图中PP•Ae=k•ll=Ae•P/k3、作用方式11§3-4控制阀的选择2、作用原理薄膜式正作用——ZMA,P↑→推杆下移反作用——ZMB，P↑→推杆上移信号压力信号压力气动薄膜执行机构的正反作用可以改装a)正作用执行机构b)反作用执行机构12§3-4控制阀的选择(二)、控制阀体

1、作用：是一个局部阻力可以变化的节流元件。2、结构：直通阀（单座、双座）、角阀、三通阀、球形阀、隔膜阀、蝶阀等a)直通单座型

b)直通双座型

13§3-4控制阀的选择d)蝶阀

常见控制阀的结构图e)三通阀14§3-4控制阀的选择c)角形阀f)隔膜阀流体对阀芯的作用方向：流开式、流闭式b（流闭阀）a(流开阀）c（流闭阀）d（流开阀）15§3-4控制阀的选择控制阀的正装反装可反向16§3-4控制阀的选择正装阀：当阀杆下移时，阀开度变小反装时：当阀杆下移时，阀开度变大阀座阀芯阀杆a)b)a)正装阀b)反装阀执行机构的正、反作用+阀芯的正装、反装——气开、气关控制阀气开控制阀——P↑→阀门开度↑，失气时，阀全关FC(falseclose)。气关控制阀——P↑→阀门开度↓，失气时，阀全开FO(falseopen)。17§3-4控制阀的选择c)d)a)b)正正反反气开气关控制阀组合方式a)d)气关式。b）c)气开式(三)、常见控制阀的动态演示18§3-4控制阀的选择气动薄膜控制阀直通单座阀直通双座阀碟阀三角阀球阀隔膜阀三通阀套筒阀V型阀凸轮挠曲阀二位二通电磁阀二位三通电磁阀膜头侧装的增力型控制阀管道联系式电磁阀§3-4控制阀的选择三、控制阀的流量系数1、流量系数的定义及其物理意义

在给定的行程下，阀两端压差为0.1MPa，水的密度为1g/cm3时,流经控制阀的水流量，以m3/h表示。C100——全开时流量系数——额定流量系数——表示阀的流通能力的参数。它作为每种控制阀的基本参数由阀门制造厂提供给用户。2、流量方程

当口径F和差压(P1-P2)一定时，流量Q仅随阻尼

v的变化而变化。改变阀门的开启程度，可改变流通阻力而控制介质流量。3、控制原理20§3-4控制阀的选择伯努利方程方程单位制换算常数§3-4控制阀的选择4、流量系数或21式中Z为距离基准面的高度;p为静压力;u为流体速度;ρ为流体密度;g为重力加速度。方程中的每一项均为单位质量流体所具有的机械能，其单位为N·m/kg，式中左侧三项，依次称为位能项、静压能项和动能项。方程表明三种能量可以相互转换，但总和不变。当流体在水平管道中流动时Z不变，上式可简化为：

22§3-4控制阀的选择返回5、流量系数的计算（自学）有计算机程序，可查相关资料流体阻塞流判别式计算公式国际单位制（SI)工程单位（MKS)液体蒸汽气体23§3-4控制阀的选择式中：QL——液体体积，m3/hP1,P2——阀前后绝压，kPa(SI),kgf/cm2pv——阀入口温度下液体饱和蒸汽压力；ρL——液体密度g/cm3FL——压力恢复系数；

FF——液体临界压力比系数H——气体密度：273K,0.1Mpa,kg/m3Qg——标准气体体积流量，m3/hT——阀入口流体温度Kx——压差比（p1-p2）/p1

γ——膨胀系数Z——气体压缩系数

k——气体绝热指数Fk——比热比系数

xT——临界差压比Ws——蒸汽质量流量，kg/hρs——阀入口压力、温度下蒸汽密度，kg/m324§3-4控制阀的选择（1）阻塞流对流量系数的影响阻塞流——阀前压力p1保持恒定而逐步降低阀后压力p2时，流经控制阀的流量会增加到一个最大极限值，若再继续降低P2流量也不会再增加，此极限流量成为阻塞流。25§3-4控制阀的选择例：空气：对一给定的控制阀，产生阻塞流的压差比是一固定常数——临界压差比XT其他可压缩流体，产生阻塞流的临界条件XT*FK。FK——可压缩流体绝热指数k与空气绝热指数kair(=1.4)之比。XT——只取决于控制阀的结构，即流路形式。

（见参考书1的P73表4.3）（2）低雷诺数修正（3）气体流量系数的修正

（4）管件形状修正Red>3500时_湍流，Red<2300时_层流流体的惯性力与粘性力的比值26§3-4控制阀的选择控制阀的静特性：气开阀“+”气关阀“-”控制阀的动特性：控制阀的流量特性（相对量）——27§3-4控制阀的选择四、控制阀的流量特性执行机构阀管道ulqf1、流量特性的定义理想(固有)流量特性——假定阀前后差压不变。工作(实际)流量特性——实际工作条件下的特性。控制阀一旦制成，结构特性不变了，流量特性会随着发的开度、前后压差、管路系统而变化。流体流过阀门的流量与阀杆行程之间的关系28§3-4控制阀的选择即Qmax和Lmax分别为阀全开时的最大流量和阀杆的最大行程。阀前后的压差固定情况下的流量特性，取决于阀芯曲面的形状。(1)、理想流量特性表明：阀的流量系数与节流面积呈线性，理想流量=特性结构特性。常见的有线性(直线)、等百分比（对数）、快开、抛物线等。29§3-4控制阀的选择2、流量特性的种类阀芯曲面形状控制阀结构特性30§3-4控制阀的选择a)快开b)线性c)抛物线d)等百分比L×10020608010003.32060801004040f×10012341.线性2.等百分比3.快开4.抛物线§3-4控制阀的选择◆线性(直线)流量特性定义：控制阀的相对流量与相对开度成线性关系，即

定义控制阀的可调比当L=0时，Q=Qmin；当L=Lmax(或L100)时，Q=Qmax(或Q100)。特性方程

特点：增益是常数，小流量太灵敏，易振荡；大开度时控制又不够灵敏，控制作用弱，控制缓慢。适于在较大开度下使用。(注：国产阀，可控比R=30)32§3-4控制阀的选择§3-4控制阀的选择◆等百分比（对数）流量特性特点：流量的对数与行程成正比，小流量时，控制作用平缓；大流量时，控制作用灵敏有效，克服了线性特性的不足。

◆抛物线特性特点：单位相对开度的变化所引起的相对流量变化与此点的相对流量值的平方根成正比，其特性介于线性及对数型之间，弥补了线性特性小开度时控制性能差的缺点。34§3-4控制阀的选择◆快开特性特点：增益与流量的倒数成正比，小开度时流量较大，并随开度的增大很快达到最大，此后再增大开度流量变化很小，失去控制作用。其有效位移一般为阀座直径的四分之一。适于要求快速开、闭的控制系统。

§3-4控制阀的选择L×10020608010003.32060801004040q×10012341.直线2.等百分比3.快开4.抛物线§3-4控制阀的选择说明：对气开型控制阀，控制阀的最小流量Qmin（Q0,F0,C0）是膜头气压为0.02Mpa时，流过控制阀的流量；控制阀的最大流量Qmax（Q100,F100,C100）是膜头气压为0.1Mpa时，流过控制阀的流量；泄漏量是控制阀的膜头气压为0Mpa时，流过控制阀的流量。气关型阀也能依此类推。名称流量特性算式特点线性等百分比快开抛物线Kv=常数Kv

由小到大Kv由大到小Kv由小至大,等百分比缓慢37§3-4控制阀的选择(2)、工作流量特性

(a)、阀上的差压：如图所示。●串联管道中的特性当总压降一定时，阀门开度的增加，管道流量增加，控制阀上的压降减小，在相同的阀芯位移下，流量比控制阀上压降保持不变的理想情况要小。38§3-4控制阀的选择pTpvpppppvpTpQ0阀串联于管道中压差变化情况(b)、流量特性阀全开时，称为全开阀阻比S100：S=(控制阀全开时两端的压差/系统恒定总压差串联管系中阀的相对流量39§3-4控制阀的选择结论：

相同的阀位移，流量比理想状况小。S不应小于0.3-0.5，否则阀的流量特性发生畸变。可调比变小（国产阀R=30）。l×100l×100(b)等百分比结构特性100100q×100q×1000.750.50.20.10.050.10.20.650.8S100=1S100=1(a)直线结构特性串联管系中控制阀工作流量特性40§3-4控制阀的选择

(a)、并联的目的：冗余措施；增大产量(流量)(b)、可调比：在下图中

Q--控制阀流量；Qe--旁路阀流量;

QΣ--总管流量;●并联管道的流量特性阀并联管道41§3-4控制阀的选择△pQ1QΣQe结论：流量特性

打开旁路，控制阀的控制效果变差。实际使用时S’100不应小于0.8。否则阀的流量特性发生畸变。——控制阀全开流量比并联管系可调比设其中Ce为管道系统流量系数42§3-4控制阀的选择43§3-4控制阀的选择1001000等百分比（对数）1000100Q/Qmax线性（直线）并联管道的工作流量图10.80.5S’100=0.210.80.5S’100=0.2l×100l×100其数值等于安装流量特性曲线上的某工作点的斜率。S值减小后，线性阀的增益不是线性的，开度增加，它增加。等百分比阀，增益近似为恒定值——等百分比的由来。44§3-4控制阀的选择控制阀增益Kv使阀的开度处于精确位置，消除非线性。执行机构输入输出特性存在有滞环非线性。不利于实时控制。45§3-4控制阀的选择五、阀门定位器的选择1、目的与种类风压P阀杆位移l阀的实际特性:运动部件之间间隙阀杆与填料之间的摩擦同一位置输入气压却不同（造成控制器的输出与阀杆的位置不是一一对应关系）种类：◆气动阀门定位器◆电气阀门定位器§3-4控制阀的选择2、阀门定位器的工作原理气动阀门定位器原理演示电气阀门定位器原理演示电器转换器原理演示波纹管及杠杆气动放大器凸轮等阀体+-ueplQ执行机构lp

加入阀门定位器后，控制器输出与阀杆行程之间存在有一个反馈回路，由控制理论的知识可知，当反馈回路的前向通道增益足够大时，系统的输入输出关系只与反馈环节的特性有关，与前向通道无关。在前向通道中由于有气动放大器，其增益很大，执行机构中的滞环特性，不会反映到u~l的关系中。

u~l的关系可以通过改变凸轮的形状来改变。47§3-4控制阀的选择3、阀门定位器的功能

改善控制阀的动、静态特性；

●在干磨擦较大的场合能减小回差；高压差下补偿不平衡力的效应；阀杆移动时具有较大阻力的场合，确保阀门良好工作；把气体传输管线与膜头分隔为两个环节，总的滞后时间比两者直接连接小得多。

利用不同形状的凸轮，改善阀的流量特性；

改变气压作用范围，实现分程控制。48§3-4控制阀的选择说明：

阀门定位器是否在每个控制系统都采用，应视情况而定：

如果对象的时间常数很小，广义对象的控制品质可能主要是由阀的时间常数决定，此时不宜采用阀门定位器，例如流量回路或某些快速的压力回路。

在成分、温度等系统中，阀的时间常数一般不会成为广义对象中最大时间常数，利用阀门定位器减小其动态滞后，可改善控制质量。49§3-4控制阀的选择六、气动控制阀的选型依据：执行机构与阀体部件的配用有表可查，

教材P27，表1-5。工艺要求。

(一)、结构形式及材质的选择50§3-4控制阀的选择1、闪蒸和空化：P2↓→P2≤饱和蒸汽压PV，→气化：闪蒸

P2↑→气泡破裂

，→液化：空化2、磨损与腐蚀3、高温与低温4、高压降§3-4控制阀的选择(二)、口径大小及控制阀作用方式的选择1、阀口径大小的选择

正常工况下，阀门开度应在15~85%之间：◆口径选择过小，在大扰动时可能处于全开的非线性状态，系统失控。◆口径过大时，阀经常处于小开度，流体对阀芯和阀座的冲击严重，易因不平衡力作用，产生振荡。{按正常工况下的操作数据计算按规定全开时流量计算流通能力

控制阀口径的选择方法线性阀对数阀由产品规格去选择阀的口径

若选第一种方法，则

52§3-4控制阀的选择C

取决于流通截面积、与口径及开度有关；C100

只与口径有关。采用第二种方法：阀门全开时的流量应比最大实际上流量再大一些比例系数，在阀全开时为阀的流通能力C10053§3-4控制阀的选择阀的流量方程（计算步骤：有计算机程序,见相关参考书）

（1）确定主要计算数据：流量、压降等；

（2）控制阀的流量系数Cmax；

（3）流量系数的园整C100；（4）选定控制阀口径：根据C100确定口径Dg、dg；

（5）控制阀相对开度验算；

（6）可调比验算。

依据：选气开还是气关式，由生产工艺的要求决定。

*1、从生产的安全出发；2、从保证产品质量考虑；3、从降低原料和动力的损耗考虑；4、从介质特点考虑。

2、气开气关方式的选择

§3-4控制阀的选择气动控制阀有气开与气关两种类型：气开阀：阀的开度随输入气压的增高而增大，失气处于关闭气关阀：阀的开度随输入气压的增加而减小，失气处于全开§3-4控制阀的选择

选择原则：失气时使生产处于安全状态（根据工艺要求，已有失气保持原状态的阀）例1：中小型锅炉进水阀：气关式，气源中断，阀门全开，不致于使汽包烧干。燃料阀：气开式，气源中断，切断燃料，保证安全。

例2：油田采油厂联合站

油、水路控制阀均可为气关阀（水路——气关，油路看工艺）

§3-4控制阀的选择（三）控制阀流量特性的选择

控制系统中控制器的参数是在某一工作点下整定得到的。控制器本身是线性的，而对于具有非线性、变时间常数、变纯滞后过程，当工作点转移时，其动态特性是变化的，欲保证最佳控制效果，要重新整定控制器参数。随工作点移动整定控制器参数很麻烦，可用控制阀特性进行补偿。

流量特性的选择的目的：用阀的非线性去补偿广义对象其它环节的非线性特性。线性控制回路的总增益保持不变。1、控制阀的特性补偿原理原因：（1）流量特性的选择涉及控制工程较多的概念，有一定的理论深度；（2）本质是控制系统的非线性补偿问题，建立非线性补偿的有关概念和思路方法：推理和归纳的方法，根据系统的闭环特征方程。57§3-4控制阀的选择由控制原理可知：（1）左边表示临界频率下的开环增益；（2）开环增益为1，表示闭环系统处于等幅振荡。下式成立，表示系统有0.5的稳定裕度，相当4：1的衰减比。§3-4控制阀的选择推论：工作点转移后，下式成立，则系统的衰减比基本不变59§3-4控制阀的选择（1）（2）（-1，j0）（-0.5，j0）说明：

Kc保持不变时，当广义对象中的静特性KmKp和动特性等发生变化后，Kv则按上式变化，系统的稳定性不变，上式称为——阀特性作补偿的原理性方程。60§3-4控制阀的选择①广义对象静态增益Km，Kp的变化可用Kv的变化补偿。通过补偿，开环传递函数可保持不变。②广义对象的动态特性变化也可用阀的静态增益Kv来补偿，但只是指对动特性在临界频率下的模进行补偿。补偿后仅使环路稳定性不变，而开环传递函数并不能保持不变。③当一个环节的动特性参数(T或τ)变化后，引起系统临界频率ωc的变化，从而使其他环节动特性的模均会发生变化。所以Kv是对所有这些环节的模的乘积变化进行补偿。。

61§3-4控制阀的选择结论：例3

如下图所示的液位系统，罐1的液位通过溢流维持恒定，罐2的液位h由液位控制维持恒定。罐2出口管线上装有手控阀，其开度的变化成为系统的外界扰动。液位的设定值也可能变化。试选择控制阀流量特性。

A-罐2的横截面积b-手控阀的流通面积解:对罐2可列方程62§3-4控制阀的选择LC1罐1罐2Q1(s)Q2(s)液位系统流程图对象传递函数其中变换和线性化后：其中加“0”表示在工作点的值63§3-4控制阀的选择KBKH-++-++B(s)Q1(s)Q2(s)H(s)液位系统方块图64§3-4控制阀的选择（1）由设定值引起的工作点转移静态特性补偿：在设定扰动下，b0不变，所以推理过程：若h0↑Kp↑Q20↑为维持环路稳定性要求Kv↓因为Q10=Q20Q10↑,即控制阀开度↑根据流量特性选快开阀动态特性的补偿：Tp的变化，引起ωc的变化推理过程：若h0↑Tp↑Q20↑稳定性改善，为维持不变要求Kv↑因为Q10=Q20Q10↑,即控制阀开度↑据流量特性选等百分比阀综合线性阀65§3-4控制阀的选择（2）由手动阀开度引起的工作点转移静态特性补偿：h0不变，b0是变化的，所以推理过程：若b0↑Kp↓Q20↑为维持不变要求Kv↑因为Q10=Q20Q10↑,即控制阀开度↑据流量特性选等百分比阀动态特性补偿：h0不变，b0是变化的，所以综合线性阀若b0↑Tp↓Q20↑稳定性能变差为保稳定，要求Kv↓因为Q10=Q20Q10↑,即控制阀开度↑据流量特性选快开阀66§3-4控制阀的选择（1）选择阀的特性——找出引起工作点转移的主要扰动——不同的扰动引起的对象特性变化，要求补偿用的流量特性可能不一样。（2）若从定性角度需要选择快开特性，一般不易作连续控制，用线性阀代替。（3）在该例中，控制阀两端的压差是恒定的，即S=1，可直接要求选取理想特性。一般S>0.6时，特性曲线畸变不严重，安装需要什么，理想特性就选什么；S<0.6时，若从补偿的需求需要线性安装特性时，理想特性要选等百分比特性。（4）如果同时存在几个扰动，应根据经常起作用的主要扰动来选择阀的特性。结论：67§3-4控制阀的选择G,TQQTCDAB如图所示，换热器出口温度T与载热体流量Q（操纵变量）间的关系，如何选择控制阀？(1)工作点基本不变在A点附近，曲线的斜率基本不变。可选择任一特性类型的控制阀。68§3-4控制阀的选择2、制阀工作特性的选择(2)随动系统，设定值变动工作点由A变为B或C，各点的KPKm不同，KPKm随Q的增加而减小。

如采用对数阀,Kv随Q的增大而增加，KPKm与Kv的乘积大体不变。(3)定值系统负荷变化负荷增加时，增加工作点A

D，KPKm随Q的增长而下降，只能采用对数阀。69§3-4控制阀的选择

工作点不变，但Qmax变化,使阀的Q-L曲线变化。要保持同样的流量，阀门开度必须在新的位置，选择KV

不变的阀门。

(4)定值系统阀前压力扰动70§3-4控制阀的选择对数：线性：KV

与Q有关、与Qmax无关选用对数型控制阀

采用稳态方程选择工作特性时，考虑全部工作区域内KPKm与Q的关系。（不取线性化后的增量方程）

KV

随Qmax

变化

理想特性根据已选择好的工作特性和S值的大小来确定

当时理想特性与工作特性的曲线形状相近，工作特性选什么特性，理想特性也选什么特性。

当时

特性曲线发生畸变，理想特性与工作特性的对应关系如下：工作特性理想特性线性对数对数对数3、理想特性的选择71§3-4控制阀的选择一、基本知识二、比例控制（P控制）三、比例积分控制（PI控制）四、比例积分微分控制（PID控制）主要内容：六、控制器控制规律的选择§3-5控制器的控制算法与选型五、离散PID控制算法§3-5控制器的控制算法与选型73一、基本知识

信号通道在被控参数和控制参数确定之后就定下来了。

根据对象特性和控制质量要求选择控制器的控制作用确定控制器的类型。

1、控制器的作用控制器是控制系统的核心，它将测量信号与其本身的设定值进行比较，将两者的差按一定规律进行运算输出给控制阀。

2、常规控制器的种类比例(P——proportion)

比例积分(PI——proportion&integral)

比例积分微分(PID——#&differential)3、负反馈控制的概念PID控制是一种负反馈控制，负反馈缓解对象中的不平衡。负反馈控制可以通过控制器的作用形式来保证。Gc(s)Go(s)Gf(s)rfuye-rye74§3-5控制器的控制算法与选型{

输入增加,输出增加为正作用

输入增加,输出减小为反作用控制器作用(-)(+)控制器增益KC符号的确定:控制器的输入为测量信号，含(-)；

输入增加，输出增加，正作用KC取(-)；

输入增加，输出减小，反作用KC取(+)。反作用正作用选择原则75§3-5控制器的控制算法与选型§3-5控制器的控制算法与选型二、比例控制（P控制）比例控制的器输出为：

比例增益工作点当e(t)=0时的输出信号值而在工业上，不采用增益Kc，而采用比例度

或传递函数e(t)的初始值为0，既是增量又是实际值。§3-5控制器的控制算法与选型

的物理含义：使控制阀开度改变100%即从全开到全关时所需要的被调量的变化范围。或用若当u和e都用无量纲形式时，DDZ-Ⅲ：

20-4=16mA

DDZ-Ⅱ：

10-0=10mAQDZ：

0.1-0.02=0.08MPa有量纲时78§3-5控制器的控制算法与选型

与KC成反比，但

等于KC的倒数是有条件的。从图形曲线上看，

是

u

与e成比例偏差范围。

因此，

亦称比例带或比例区域。

控制器增益KC和比例度

习惯上用绝对值表示，实际上KC是有符号的。按控制器正反作用的选择原则。79§3-5控制器的控制算法与选型工业上常见比例度的范围：压力控制系统：30%~70%流量控制系统：34%~100%液位控制系统：20%~80%温度控制系统：20%~60%80§3-5控制器的控制算法与选型广义对象的增益-+reyf++

Kc对系统过渡过程的影响：Kc增加y(0)ytr(t)(a)设定值作用下

给定值变化(b)扰动作用下tyy(0)Kc增加

扰动变化81§3-5控制器的控制算法与选型

结论：

随着控制器放大系数Kc的增大（δ减小），控制系统的稳定性降低。(与自控理论的分析一致。)

随着Kc的增大(δ减小)，余差将减少，但不能消除(有差控制)。

比例度δ↑→超调小，稳定↑，余差大，控制时间长。

比例度δ↓→波动大，余差↓。

临界比例度δcr

太大82§3-5控制器的控制算法与选型tttty(a)(b)(c)(d)(e)太大小于临界值合适太小为临界值对于比例控制过程的影响yyyyt临界比例度δcr和临界频率ωcr

，作为被控对象的动态特性的频域指标。举例1BA

OC32比例控制是有差控制Q1<Q0蒸汽D冷水Q冷凝水加热器出口水温控制系统§3-5控制器的控制算法与选型曲线1控制器静特性——即控制阀开度随水温变化的情况。水温愈高，控制阀应开度愈小。比例度愈大，直线的斜率愈大。曲线2，3，加热器的静特性——没有控制时，不同热水流量下的稳态出口水温与控制阀开度之间的关系。从流入量与流出量保持平衡来看，比例控制是有差控制。有比例控制时余差=θA-θ0

无比例控制时误差=θB-θ084§3-5控制器的控制算法与选型1、积分作用或即：控制器的输出与偏差信号的积分成正比，S0为积分速度。S0越大，控制阀的动作越快，系统的稳定性越差，但被调量是无差控制。85§3-5控制器的控制算法与选型三、比例积分控制（PI控制）例题：自力式控制阀就是一个简单积分控制器。平衡时：管道压力P(被调量)=P0（设定值）控制时：阀杆的移动速度与被调量的偏差成正比，改变针型阀R的开度就可以改变积分速度S0的大小。86§3-5控制器的控制算法与选型Sa太小Sa适当Sa太大Sa过大tttt积分速度对于控制过程的影响87§3-5控制器的控制算法与选型积分作用的特点：（1）被调量是无差控制——负荷扰动下，控制器的输出可停在任何数值上，偏差为零。88§3-5控制器的控制算法与选型yIp0tP与I控制过程的比较（2）浮动控制——控制阀的开度与被调量的数值本身没有关系。（3）稳定作用比P控制差——由乃奎斯特稳定判据可证。2、比例积分控制规律控制器输出:传递函数:Ti称积分时间89§3-5控制器的控制算法与选型90§3-5控制器的控制算法与选型积分时间的含义

由上式可以看出，当e=0时，

u=0当e0时，

u就变化本身相当于相位差为(-90

)的环节,导致控制器频率特性相位滞后。对同一对象，Ti减小，开环特性相位滞后增加，闭环系统振荡加强，稳定裕度下降。若要维持原有稳定性，KC必须减小，使系统的最大动态误差增加、振荡频率变慢、回复时间增长。

Ti对系统过渡过程的影响：91§3-5控制器的控制算法与选型关于Ti变化对过渡过程的影响必须注意区别两种情况：

其它参数不变，仅仅Ti变化；以系统稳定性保持不变为前提，当Ti变化后，必须相应调整。情况：Ti越小，控制作用越强，使最大偏差减小，工作频率增加，但稳定性也变差。情况：为了保持原稳定性(衰减比n不变)，相应提高(降低KC)，Ti越小，最大偏差越大，工作频率越低。92§3-5控制器的控制算法与选型积分控制作用能消除余差，但降低了系统的稳定性。

Ti愈小，积分作用越强，稳定性愈差。结论：93§3-5控制器的控制算法与选型Ti的选择应根据不同的控制对象特性：压力控制系统：0.4~3min流量控制系统：0.1~1min液位控制系统：一般不需要积分温度控制系统：3~10minTi减小y(0)yty(0)Ti减小在同样的Kc值下Ti对定值控制系统过渡过程的影响保持同样率减比n下Ti对定值控制系统过渡过程的影响94§3-5控制器的控制算法与选型3、积分饱和及其防止

实际积分作用与理想积分作用是有差别的，实际积分控制作用只在一定区域内起作用，输出达到一定值后不再继续上升或下降，即达到饱和。

积分饱和指积分过量现象。积分饱和使得控制过程动态偏差加大，甚至引起危险——要克服95§3-5控制器的控制算法与选型设定值：0.5MPa

压力上限值，正常时放空阀关闭，压力总低于设定值，偏差长期存在。考虑在气源中断时保证安全，采用气关阀。96§3-5控制器的控制算法与选型PC101PT101超压放空系统气关反作用例题：安全放空系统0.14临界值t1t2t3tttpu0.1阀位关开t0设定值控制器输出减小饱和段§3-5控制器的控制算法与选型实际压力如何防止积分饱和？限幅器不能解决根本问题，需要从PI规律中去找。方法一：接入外部积分反馈控制器的输出正常情况下，u=f98§3-5控制器的控制算法与选型§3-5控制器的控制算法与选型Kc1/TiS+1feyrbu积分动作由控制器输出通过惯性环节正反馈实现-+方法二：控制器内部实现PI→P的自动转换加一个抗积分饱和电路（参见金以慧教材）tt1tEht0EiEiE0Ei00(b)输出电压阶跃响应EK控制器抗积分饱和电路100§3-5控制器的控制算法与选型EiE0-

+＋A-

+＋AEAR1R2SRi(a)电路原理1、微分控制的特点控制器输出微分不能单独作用，起辅助作用，组成PD，PID控制动作。2、比例微分控制规律控制器输出或TD微分时间101§3-5控制器的控制算法与选型四、比例积分微分控制（PID控制）传递函数工业上常用的形式以上为理想比例微分KD微分增益102§3-5控制器的控制算法与选型TD/KDtt1PD控制器的单位阶跃响应

TD越大，微分作用越强；微分作用太强，会引起控制阀时而全开、时而全关。

PD以比例为主，有差控制。抗干扰能力差。对扰动频繁的系统，一般不采用微分控制。微分适用于时间常数较大或容积延迟较大的场合。103§3-5控制器的控制算法与选型PPDP调节系统和PD系统调节过程的比较yt

微分作用的特点：

它按照偏差的变化趋势来控制有超前作用，但对纯滞后无效。适度引入微分控制作用后，控制质量将全面提高。抑制被调量的振荡。3、比例积分微分控制规律理想的微分作用，TDs物理上是不可实现的，一般用“超前一滞后”环节近似。传递函数104§3-5控制器的控制算法与选型控制器输出或工业上用的其中Kc=FKc；Ti*=fTi；TD*=TD/FF为相互干扰系数，Ki为积分增益105§3-5控制器的控制算法与选型106§3-5控制器的控制算法与选择特点：具有三种控制作用的优点.比例积分微分（PID）控制适用于：被控对象负荷变化大、容量滞后较大、干扰变化较强、工艺不允许有余差存在、切控制质量要求较高的场合。KCKIKCKCKDtu1te工业PID调节器单位阶跃响应各种控制动作的响应过程1-比例控制；2-积分控制；3-比例积分控制4-比例微分控制；5-比例积分微分控制0.60.40.213425107§3-5控制器的控制算法与选择§3-5控制器的控制算法与选择五、离散PID控制算法1、离散PID控制算法（1）位置式PID控制算法其中注：u(k)控制器的实际输出，模拟信号与阀门位置一一对应。防积分饱和、手自动切换。§3-5控制器的控制算法与选择（2）增量式PID控制算法其中△u(k)对应两次采样时间间隔内控制阀开度的变化量特点：方便手自动切换，不会出现积分饱和，应用较多。§3-5控制器的控制算法与选择（3）速度式PID控制算法其中v(k)为控制器输出的变化速率，表征控制阀在采样周期内的平均变化速度。特点：与速度式相同。2、离散PID控制算法的特点§3-5控制器的控制算法与选择特点：PID三种作用是独立的；离散的PID参数可在更大范围设置；采样控制，引入时滞Ts/2，品质差于连续控制——控制度；Ts选择满足香农定理，一般控制度1.2~1.5。2、离散PID控制算法的特点§3-5控制器的控制算法与选择特点：一般Ts=（1/15~1/6）TP，通常Ts=0.1TP，TP为工作周期。流量：1~5S，取1s；压力：3~10S，取5s；液位：5~8S，取5s；温度：10~20S，取15s；成分：15~30S，取20s；3、离散PID控制算法的改进§3-5控制器的控制算法与选择简介三个名词：积分分离在偏差处于较小范围内才使用积分作用，当偏差大时取消积分。当e(k)≤A时，K1=1，引入积分；否则K1=0，取消积积分。A是预定阈值3、离散PID控制算法的改进§3-5控制器的控制算法与选择简介三个名词：不完全微分用实际微分环节来代替理想微分环节其中3、离散PID控制算法的改进§3-5控制器的控制算法与选择简介三个名词：微分先行将微分环节移到测量值与设定值的比较点之前，即对测量值而不是对偏差进行微分了。这样设定值变化影响小了，被控量变化比较平缓。

广义对象控制通道时间常数大或容积较大，引入微分。工程实际中，一般对温度和成分对象采用比例微分。有差但引入微分后，设定值的改变必须平缓进行。

广义对象控制通道时间常数小，负荷变化小。采用比例积分。如管道压力和流量。工艺要求不高时，可采用比例。

广义对象控制通道时间常数大或容积延迟较大，负荷变化也很大，简单控制系统不满足要求，应设计复杂控制系统。综合考虑多种因素116§3-5控制器的控制算法与选择六、控制器控制规律的选择

(1)、特点：抗干扰能力强，过渡过程时间短，但有余差。

(2)、适用：控制通道滞后较小，负荷变化不大，允许被控量在一定范围内变化的系统。应由对象的特性和工艺要求确定

1、P控制器的选择（一）控制规律的选择117§3-5控制器的控制算法与选择

2、PI控制器的选择

(1)、特点：对克服对象的容量滞后有显著的效果。 (2)、适用：负荷变化大，容量滞后大，控制质量要求较高的系统。

(1)、特点：过渡过程结束时无余差，但系统的稳定性降低。(2)、适用：滞后较小，负荷变化不大，被控量不允许有余差的控制系统。3、PID控制器的选择118§3-5控制器的控制算法与选择§3-5控制器的控制算法与选择

负荷变化大，纯滞后大，采用PID达不到要求时采用。

4、复杂控制系统

原则：使整个单回路构成负反馈系统---乘积为正。1、控制阀：气开式为“＋”，气关式为“-”；2、控制器：正作用为“-”，反作用为“+”；3、被控对象：物料或能量增加时，被控参数随之增加为“＋”，随之减少为“-”；4、变送器：一般为“＋”；

（二）控制器正、反作用的选择120§3-5控制器的控制算法与选择§3-5