过程控制工程课件

第1章緒論緒論

過程控制是自動控制的一個重要分支。它涉及到許多工業部門，諸如石油、化工、電力、冶金、輕工、紡織等等，因而過程控制在國民經濟中佔有極其重要的地位。為了系統深入地學好《過程控制工程》課程，首先學習掌握有關的基本概念、系統組成，瞭解過程控制的任務、特點及發展是非常必要的。第1章緒論1.1過程控制介紹自動控制：在沒有人的直接參與下，利用控制裝置操縱生產機器、設備或生產過程，使表徵其工作狀態的物理變數(狀態變數）盡可能接近人們所期望值(即設定值）的過程，稱為自動控制。過程控制：當上述物理變數為溫度、壓力、流量、液位、PH值(氫離子濃度）、成分、濕度、厚度等時的自動控制，稱為過程控制。過程控制系統：為了實現過程控制，以控制理論和生產要求為依據，採用模擬儀錶、數字儀錶或電腦等構成的總體，稱為過程控制系統。第1章緒論過程控制的任務和要求希望的產量和品質；能接受的產品價格；能接受的原材料消耗。在以安全的方式生產，給環境造成最小危害的條件下達到以下目標就是過程控制的任務和要求。圖1-2鍋爐氣包水位控制系統（a）控制系統流程圖第1章緒論（b）控制系統框圖

在生產過程中，當蒸汽用量與給水量相等，其水位在規定數值上時，系統處於穩定狀態，控制器輸出保持不變，控制閥開度保持不變，當蒸汽用量或給水量發生變化時，其汽包水位也將發生變化，液位測量變送器將其變化信號傳送給控制器，控制器將把該信號與預先設定的期望水位信號進行比較，按其偏差的大小和方向經一定規律運算後向控制閥（執行器)發出控制命令，去改變控制閥的開度，從而改變給水量以使水位重新回到期望值附近。第1章緒論1.2過程控制系統的組成及其分類1.2.1過程控制系統的組成

1、被控對象2、測量、變送單元3、控制器4、執行機構輸入量控制器被控對象輸出量測量元件+_調節閥控制器執行單元測量變送被控對象第1章緒論系統輸出：當要保持在期望值的關鍵變數被實施控制時，該過程變數就為該系統的輸出，即受控變數。受控過程的輸入：凡是能引起系統輸出變化的變數均稱為該受控過程的輸入。有關名詞術語操縱變數：由控制器發出控制信號通過執行器改變的變數，也常稱為內部擾動或基本擾動。受控過程：受控過程也叫受控對象或被控對象，簡稱過程或對象。第1章緒論外部擾動：外部擾動簡稱擾動或干擾。相對於操縱量而言，所有以其他任何形式影響受控變數的變數均稱為干擾。廣義過程:按照受控過程的定義,廣義過程可定義為影響控制變數與測量值之間關係的硬體和軟體的集合。第1章緒論1.2.2過程控制系統的分類（1）按工藝參數分類：

有溫度控制系統、壓力控制系統、流量控制系統、成分控制系統、液位控制系統等。（2）按系統的任務分類：有比例控制、均勻控制、前饋控制等。有常規控制系統、電腦控制系統。（3）按自動化裝置的不同分類：（4）按控制器的動作分類：P、PI、PID（5）按是否形成閉合回路分類：開環、閉環第1章緒論

是工業生產過程中應用最大的一種過程控制系統。在運行時，系統被控量的給定值是不變的。有時根據生產工藝要求，被控量的給定值保持在規定的小範圍附近波動。定值控制系統（6）按設定值形式分類隨動控制系統

是一種被控量的給定值隨時間任意變化的控制系統。它的主要作用是克服一切擾動，使被控量隨時跟蹤給定值。第1章緒論程式控制系統

其給定值按預定的時間程式來變化。如數控車床，按照預先設定的程式對工件進行切削。家用電器中應用定值控制系統的也很多，如全自動洗衣機、電飯煲等。第1章緒論1.3過程控制系統的發展

生產過程自動化的發展是與控制手段的提高、控制理論的發展以及生產過程自身的發展密切相關的，這三者相互促進共同提高，使控制從簡單到複雜,從局部自動化到全局自動化，從低級智能到高級智能。綜觀整個發展過程，我們可以把它劃分為四個發展階段。第1章緒論1.生產過程自動化的初級階段圖1-6

基地式儀錶構成的系統第1章緒論2.單元組合儀錶自動化階段第1章緒論3.電腦控制的初級階段圖1-7電腦監督控制系統圖1-8電腦直接數字控制系統第1章緒論4.綜合自動化階段圖1-9分佈式電腦控制系統第1章緒論圖1-10現場匯流排控制系統第1章緒論過程的數學模型，是指過程在各種輸入量的作用下，與相應的輸出量變化的函數關係的數學運算式。如微分方程、微分方程組、傳遞函數運算式或頻率特性運算式等。被控過程數學模型——指被控過程輸入量發生變化時，過程輸出量的變化規律。通道——被控過程的輸入量與輸出量之間的信號聯繫控制通道——操縱變數至被控變數的信號聯繫擾動通道——擾動變數至操縱變數的信號聯繫擾動變數（輸入量）操縱變數（輸入量）

被控變數（輸出量）2.1數學模型第2章過程建模2.2機理建模例1：單容水槽其中：水流入量Qi由調節閥開度

加以控制，流出量Qo由用戶根據需要通過負載閥R來改變。被調量為水位H，它反映水的流入與流出量之間的平衡關係。R

QiFQo物料平衡式:第2章過程建模R

Q1F以增量形式表示為：對兩邊求導，可得則第2章過程建模凡是可以用一階微分方程描述的系統稱為一階系統。微分方程為

傳遞函數為

(s)H(s)第2章過程建模例2：單容積分水槽該水槽與單容水槽的區別：在其流出側裝有一只排水泵。水泵的排水量可用負載閥R來改變，但排水量並不隨水位的高低而變化。當負載閥開度固定不變時，水槽的流出量也不變，即

Qo=0。積分環節第2章過程建模2．傳遞函數

積分時間越大，被調量(輸出)的變化越慢，輸出對輸入的反應越慢。

第2章過程建模單容被控對象：是指只有一個貯存物質或能量的容積。這種對象用一階微分方程式來描述。單容被控對象可分為有自平衡單容對象和無自平衡單容對象兩大類。第2章過程建模

多容對象指有二個或更多貯存能量或物質的容積，有幾個容積就需用幾階微分方程式描述。可分為有自平衡多容對象和無自平衡多容對象兩大類。多容被控對象：第2章過程建模例3：雙容水槽實際工業過程中往往是由兩個或多個容積組成的如果以水槽1的流量Qi為輸入參數（變數），水槽2的水位h2為輸出變數，則研究雙容對象的動態特性即是研究當流量Qi變化時水位h2的變化情況。由於二者不存在相互影響，對於任何一個對象特性仍然可採用單容對象的研究方法，無非水槽2的輸入參數即為水槽1的輸出流量。Qo控制閥中間閥流出閥前置水槽主水槽第2章過程建模代入，整理得：其中：消去H1得：二階微分方程第2章過程建模當輸入

有一階躍變化時，對上式求解，可以得出水位h2隨時間的變化規律：2.傳遞函數第2章過程建模在S形曲線的拐點P上做切線，它在時間軸上截出一段時間OA。這段時間可以近似地衡量由於多了一個容量而使飛升過程向後推遲的程度，因此稱為容量滯後，通常以τC代表之。雙容對象特性就可近似為純滯後加一階慣性的模型，其傳遞函數為第2章過程建模事實上，如果在這基礎上再增加一個或更多個的存貯容量，理論分析與實際測定都表明，它的飛升特性曲線仍然是S形，但是容量滯後τC更加大了。第2章過程建模①有自平衡能力對象單容對象：

雙容對象：

多容對象：

若近似認為，T1=

T2=…

=Tｎ=T

，則或過程特性的類型第2章過程建模②無自平衡能力對象單容對象：

雙容對象：

多容對象：

若近似認為，T1=

T2=…

=Tｎ=T

，則或第2章過程建模③對象具有純遲延無純遲延時其傳遞函數為W1(s)第2章過程建模2.3實驗建模在需要建立數學模型的被控過程上，人為的施加一個擾動作用，然後用儀錶測量並紀錄被控變數隨時間變化的曲線，這條曲線既是被控過程的特性曲線。將曲線進行分析、處理，就可得到描述過程特性的數學運算式。常用的測試方法：1.階躍回應法

2.脈衝回應法第2章過程建模1、階躍回應法

h

Q1

Q2

ttt0t0ΔQ1

Δh(∞)

h

Q1

特點：是一種簡單、易行的方法。被控變數的變化可通過原設備上的儀錶進行測量、記錄，且測量工作量不大，數據處理也較方便。該方法施加的擾動形式是階躍信號。階躍回應法非常簡單，只要有遙控閥和被控變數紀錄儀錶就可以進行。先使工況保持平穩一段時間，然後使閥門作階躍式的變化（通常在10％以內），在此同時把被控變數的變化過程記錄下來，得到廣義對象的階躍回應曲線。第2章過程建模有自平衡能力有遲延一階對象：第一步：確定增益K

兩點法第2章過程建模第二步：

把y(t)轉換成它的無量綱形式y*(t)，即：y*(t)＝y(t)/y(∞)選取兩個時刻t1和t2，t2>t1

第2章過程建模上式聯立，解出T和

第2章過程建模脈衝回應法對被控過程施加的擾動信號是矩形脈衝信號。2.脈衝回應法ttt0t1t0t1Axy特點脈衝回應法形式較簡單，易實現，且由於信號加入的時間短，允許加大的擾動量的幅值大，所以測試結果具有較高的精度，但數據處理較為複雜，需要進行相應的轉換。第2章過程建模將矩形脈衝看成正負兩個等幅的階躍信號，據此而得到輸出的階躍回應。即其中：第2章過程建模最小二乘法最小二乘法的基本出發點是在獲得過程或系統的輸入、輸出數據後，希望求得最佳的參數值，以使系統方程在最小方差意義上與輸入、輸出數據相擬合，採用實際觀察值代替模型的輸出。第2章過程建模測量誤差

所謂測量誤差是指測量結果與被測變數的真值(實際值)之差。測量誤差反映了測量結果的可靠程度。(1)絕對誤差：絕對誤差是指儀錶指示值與被測變數的真值之差。在工程上，通常把高一等級的標準儀器所測得的量值作為真值(實際值)。此時，絕對誤差是指用標準儀錶(準確度較高)與測量儀錶(準確度較低)同時對同一量進行測量所得兩個測量結果之差。第3章過程參數的檢測與變送(2)相對誤差：相對誤差是指絕對誤差與被測變數的真值之比的百分數。它比絕對誤差更能說明測量結果的精確程度。實際相對誤差標稱相對誤差

引用相對誤差

第3章過程參數的檢測與變送測量誤差根據其性質及產生的原因可分為：系統誤差隨機誤差疏忽誤差測量誤差根據形成機理及用途可分為：基本誤差附加誤差允許誤差第3章過程參數的檢測與變送自動化儀錶的性能指標1.靜態指標2.動態指標指在靜態測量中，儀錶指標系統的輸出－輸入特性。指儀錶系統動態測量時的輸出－輸入特性指標。例如：精度等級、靈敏度與靈敏限、變差（遲滯）、穩定性、時漂、溫漂例如：回應時間、峰值時間、超調量第3章過程參數的檢測與變送第3章過程參數的檢測與變送自動化儀錶的選用一般應結合生產過程特點，滿足用戶要求，根據工藝過程的實際需要來選用儀錶的控制、報警、記錄、指示積算等功能。對於受工藝過程影響較大，需隨時進行監控的變數，宜選控制型儀錶；對可能影響生產或安全的變數宜選用報警型儀錶；對需要經常瞭解其變化趨勢的變數宜選用記錄型儀錶；對於受工藝過程影響不大，但需要經常監視的變數宜選用指示型儀錶；對要求計量或經濟核算的變數宜選用具有積算功能的儀錶。第3章過程參數的檢測與變送自動化儀錶的精度等級應根據工藝要求、產品品質指標、變數的重要程度等要求來合理選用。因為儀錶精度愈高，其誤差愈小，但是儀錶的使用維護要求亦愈高，價格亦愈貴，所以不能片面追求其高精度。一般應該在滿足上述要求的前提下，同時考慮經濟性原則來合理選取。通常構成控制回路的各種儀錶的精度要相配。記錄儀錶的精度不應低於1.0級，指示儀錶精度不應低於1.5級。第3章過程參數的檢測與變送自動化儀錶的量程是根據過程參數測量範圍和正常生產條件來確定的。選用儀錶量程還應考慮開車、停車、過程變數在生產事故時變動的範圍等情況。第3章過程參數的檢測與變送過程控制儀錶按使用能源不同可分為：按結構形式不同可分為：按信號類型不同可分為：氣動儀錶、電動儀錶基地式儀錶、單元組合式儀錶、組裝式儀錶、集散控制裝置模擬式儀錶、數字式儀錶第4章過程控制儀錶4.2DDZ-Ⅲ型控制器

DDZ-Ⅲ型控制器是Ⅲ型電動單元組合儀錶中的一個重要單元。它接受變送器或轉換器的DC1～5V或DC4～20mA測量信號為輸入信號，與DC1～5V或DC4～20mA給定信號進行比較，並對其偏差進行PID運算，輸出DC4～20mA標準統一信號。第4章過程控制儀錶圖4-1Ⅲ型控制器框圖第4章過程控制儀錶控制單元包括輸入電路、比例微分電路、比例積分電路、輸出電路、軟手動與硬手動操作電路。指示單元包括輸入信號指示電路和給定信號指示電路。Ⅲ型控制器的輸入信號與內給定信號都是以零伏為基準的DC1～5V信號；外給定為DC4～20mA電流流過輸入電路內的250

精密電阻器轉換成的以零伏為基準的DCl～5V電壓信號。內、外給定值信號由開關S6選定，外給定時，安裝在面板上的外給定指示燈亮。第4章過程控制儀錶圖4.2-2全刻度指示控制器線路示意圖第4章過程控制儀錶Ⅲ型控制器有“自動”、“保持”、“軟手動”、“硬手動”四種工作狀態，並由聯動開關S1、S2進行切換。當開關S1、S2處於軟手動狀態時，扳動軟手動操作鍵S4，控制器輸出積分可以根據需要按快、慢兩種速度線性上升或下降。當S4處於中間位置時，則控制器的輸出值保持在手指離開S4前瞬間的數值上。當控制器處於硬手動操作狀態時，移動硬手動操作杆，使控制器的輸出很快轉換到所需要的數值，操作杆不動，其輸出值保持不變。為了滿足過程控制工程的需求，Ⅲ型控制器還設有正、反作用選擇開關S7。第4章過程控制儀錶4.3運算器(運算單元)運算單元是構成儀錶複雜過程控制系統(如比值控制、前饋一回饋控制等)時的不可缺少的重要單元。採用運算器可對一個或幾個輸入信號進行加、減、乘、除、平方、開方及其複合運算等，用以實現各種不同的控制方案。第4章過程控制儀錶1、加減器DDZ-Ⅲ型加減器可以對2～4個DC1～5V的輸入信號進行加減運算，其輸出(DC1～5V)正比於各輸入信號的代數和。通過選擇輸入通道和選擇運算符號可實現多種加減運算。輸出信號輸入信號運算係數偏置電壓第4章過程控制儀錶圖4-16加減器原理框圖第4章過程控制儀錶2、乘除器DDZ-Ⅲ型乘除器可以對2個或3個DC1～5V信號進行下列四種運算，並以DC1～5V或DC4～20mA輸出。乘除運算乘後開方乘法運算除法運算第4章過程控制儀錶圖4-17DDZ-Ⅲ型乘除器原理框圖第4章過程控制儀錶4.4可編程調節器可編程調節器作為80年代問世的一種新型數字式控制儀錶。當時從國外引進或組裝的產品有：DK系列的KMM、YS-80系列的SLPC、FC系列的PMK和VI系列的VI87MA-E等。由於上述產品均控制一個回路，因此習慣上又稱之為單回路調節器。今天雖然大多數場合被可編程控制器（PLC）替代，但是作為至今仍然在中小企業使用的智能控制儀錶的基礎，對其學習仍然具有代表性。

第4章過程控制儀錶KMM可編程調節器的主要特點相容性好運算、控制功能豐富安全、可靠性高通用性強，使用維護方便系統設計簡便第4章過程控制儀錶KMM可編程調節器的主要性能指標(1)模擬量輸入

DC1～5V，5點。(2)模擬量輸出

DC1～5V，3點；DC4～20mA，1點(3)數字量輸入

可編程，4個；外部聯鎖，1點(只有控制器有此信號OFF時為聯鎖)。(4)數字量輸出

可編程，3點；準備狀態輸出，1點。(5)運算週期100～500ms。(6)運算式(模組)種類

45種。(7)可編程模組

30個。(8)自診斷功能

可對ROM，RAM、掃描週期、A/D轉換、D/A轉換進行診斷等。(9)保護功能

若自診斷中發生故障，可自動切換到緊急手動狀態(後備手動操作器開始工作)。(10)電源(11)環境溫度、濕度 0～50℃，10%～90%RH(相對濕度)。第4章過程控制儀錶KMM可編程調節器的主要功能可歸納為：輸入處理功能運算處理功能輸出處理功能自動平衡功能自診斷功能和通信功能第4章過程控制儀錶4.5執行器執行器作用：接收控制器輸出的控制信號，改變操縱變數，使生產過程按預定要求正常進行。第4章過程控制儀錶調節閥氣動調節閥電動調節閥液動調節閥第4章過程控制儀錶執行器組成：執行機構和調節機構

執行機構：執行機構是指根據控制器控制信號產生推力或位移的裝置。

調節機構：調節機構是根據執行機構輸出信號去改變能量或物料輸送量的裝置，通常指控制閥。現場有時就將執行器稱為控制閥。第4章過程控制儀錶執行機構執行機構的功能就是把控制器輸出的控制信號轉換為角位移或直線位移。第4章過程控制儀錶氣動薄膜調節閥的內部結構1－薄膜2－平衡彈簧3－閥杆4－閥芯5－閥體6－閥座PO123456氣動執行機構氣動執行機構主要分為兩大類：薄膜式與活塞式1、氣動薄膜式執行機構當信號壓力通入薄膜氣室時，在膜片上產生一個推力，壓縮平衡彈簧，當彈簧的反作用力與信號壓力在膜片上產生的推力相平衡時，推杆穩定在一個新的位置，推杆的位移（行程）即為執行機構的輸出。氣動薄膜執行機構的行程規格有10、16、25、40、60、100mm等。薄膜有效面積有200、280、400、630、1000、1600cm2等六種規格。有效面積越大，執行機構的位移和推力也越大。第4章過程控制儀錶P1P2基本部件：活塞和氣缸活塞在氣缸內隨活塞兩側壓差而移動兩側可以分別輸入一個固定信號和一個變動信號，或兩側都輸入變動信號。它的輸出特性有比例式及兩位式兩種。※兩位式是根據輸入執行活塞兩側的操作壓力的大小，活塞從高壓側推向低壓側，使推杆從一個位置移到另一極端位置※比例式是在兩位式基礎上加有閥門定位器後，使推杆位移與信號壓力成比例關係。氣動活塞式執行機構第4章過程控制儀錶調節機構（閥）調節閥又稱調節機構，它在執行機構推力的作用下，調節閥的閥芯產生一定的位移或轉角，從而直接調節流體的流量，從而達到調節工藝變數、實現自動調節的目的。閥的分類按結構形式分為：普通閥、角形閥、蝶閥、三通閥、隔膜閥等。按閥座數目分為：單座閥、雙座閥。第4章過程控制儀錶由於氣動執行機構有正、反兩種作用方式，而閥也有正裝和反裝兩種方式，因此，實現氣動調節閥的氣開、氣關就有四種組合方式。氣關反反d氣開正反c氣開反正b氣關正正a氣動執行器閥執行機構序號第4章過程控制儀錶閥門定位器閥門定位器是氣動執行器的一種輔助裝置，根據調節器來的氣動信號控制氣動調節閥的閥門部件，使閥開度處於精確位置。閥門定位器接受調節器的輸出信號後，去控制氣動執行器；當氣動執行器動作時，閥杆的位移又通過機械裝置負回饋到閥門定位器，因此定位器和執行器組成了一個閉環回路。第4章過程控制儀錶

閥門定位器的主要功能和作用：（1）提高調節閥的定為精度和可靠性；（2）改善調節閥的動態特性；（3）克服流體對閥芯的不平衡例，減小行程誤差；（4）克服時滯；（5）克服閥杆移動阻力；（6）改善調節閥的流量特性；（7）實現分程式控制制。第4章過程控制儀錶1.理想流量特性（固有流量特性）

控制閥的理想流量特性主要有快開、直線、拋物線、等百分比（對數）等四種形式。直線等百分比快開拋物線第4章過程控制儀錶控制閥理想流量特性曲線1—直線2—等百分比3—快開4一拋物線直線流量特性的相對流量與相對位移間呈直線關係，兩者之比為常數；對數流量特性的相對流量與相對位移之比隨開度增大而增大；而快開流量特性閥的兩者之比則隨開度增大而減小,其閥芯的有效行程很短，一般很少使用；拋物線流量特性處於直線流量特性與對數流量特性之間。可調比，國產閥一般為30第4章過程控制儀錶2.工作流量特性

串聯管系調節閥的工作流量特性在相同閥芯位移即相同流通截面積下實際流過控制閥的流量將比理想時減小,實際的流量特性將偏離理想的流量特性，我們把這種偏差稱為畸變。畸變後的特性總是在理想特性的下方。第4章過程控制儀錶畸變係數S值得定義為：由於控制閥全開時兩端的壓差等於系統恒定的總壓差減去全開時管線及設備壓力總損失，因此值越小，說明損失越大，畸變程度就越嚴重，畸變後向下偏離理想曲線就越遠，控制閥的實際可調比就越小。實際可調比第4章過程控制儀錶圖4-45

串聯管系中壓降分配比與工作流量特性的關係（a）直線閥

（b）對數閥第4章過程控制儀錶

並聯管系調節閥的工作流量特性圖4-46控制閥與管道並聯工作示意圖第4章過程控制儀錶圖4-47並聯管道控制閥工作流量特性在實際工作中，始終存在串聯管道阻力的影響，因此並聯管道工作的流量特性還將疊加有串聯管道的影響，這將使控制閥所能控制的流量範圍更小，嚴重時可能幾乎失去控制作用。所以，用打開旁路增加總流量的控制方案是不可取的。根據現場使用經驗，旁路流量一般為總流量的20%即並聯畸變係數值不能低於0.8。第4章過程控制儀錶4.6變頻器變頻器（VariableFrequencyDrive，簡稱VFD）是應用變頻技術與微電子技術，通過改變電機工作電源頻率方式來控制交流電動機的電力控制設備。變頻器靠內部功率半導體器件的開斷來調整輸出電源的電壓和頻率，根據電機的實際需要來提供其所需要的電源電壓，進而達到節能、調速的目的，另外，變頻器還有很多的保護功能，如過流、過壓、超載保護等等。隨著工業自動化程度的不斷提高，變頻器也得到了非常廣泛的應用。

第4章過程控制儀錶變頻器的主電路可分為兩類：

電壓型

電流型

電壓型是將電壓源的直流變換為交流的變頻器，直流回路的濾波器件是電容。電流型是將電流源的直流變換為交流的變頻器，其直流回路濾波器件是電感。第4章過程控制儀錶給定值R調節器（TC）被控對象（換熱器）被控變數（溫度T）測量元件及變送器（TT）+_執行器（氣動調節閥）偏差EPQ測量值Z干擾F載熱體冷流體換熱器第5章簡單控制系統從以上幾種過渡過程情況可知，一個合格的、穩定的控制系統，當受到外界干擾以後，被控變數的變化應是一條衰減振盪的曲線。5.1控制系統的品質指標第5章簡單控制系統（1）衰減比和衰減率衰減比是衡量一個振盪過程的衰減程度的指標，它等於兩個相鄰的同向波峰值之比。衰減比衰減率是指每經過一個週期以後，波動幅度衰減的百分數。衰減率第5章簡單控制系統（2）最大動態偏差和超調量最大動態偏差是指設定值階躍回應中，過渡過程開始後第一個波峰超過其新穩態值的幅度。超調量是指最大動態偏差占被調量穩態變化幅度的百分數。第5章簡單控制系統（3）餘差過渡過程結束後，被控量新的穩態值y(

)與新設定值r之間的差值，它是控制系統穩態準確性的衡量指標。第5章簡單控制系統（4）調節時間調節時間是從過渡過程開始到結束所需要的時間。調節時間是衡量控制系統快速性的一個指標。5.2簡單控制系統的方案設計過程控制系統的設計包括:系統的方案設計工程設計工程安裝和儀錶調校控制器參數整定第5章簡單控制系統

要設計一個好的過程控制系統，需要各方面人員的共同努力和艱苦工作。就系統方案設計這一個環節而言，也需要設計工程師深入瞭解生產工藝情況，結合控制要求根據對象特性，干擾情況及限制條件，從全局出發，運用控制理論並作大量的實驗和仿真才能設計出一個合理的過程控制方案。一個好的控制方案應是在滿足控制要求前提下的最簡單、最實用的方案。第5章簡單控制系統簡單控制系統方案設計基本步驟示意圖第5章簡單控制系統5.2.1受控變數的選擇受控變數的選擇是十分重要的，是自動控制系統設計的第一步，應該從生產過程對自動控制的要求出發，合理地選擇被控變數。1、尋求控制的原始目的從過程控制的根本任務出發，選擇受控變數就是尋求控制的原始目的。使所選的受控變數能決定產品的產量、品質、原材料消耗、安全以及給環境造成的危害等。第5章簡單控制系統2.尋求與原始目的有良好關係的參數當選擇直接參數作受控變數有困難或不合適時，尋找一個與直接參數有一一對應關係、反應靈敏、便於測量的間接參數作為受控變數。第5章簡單控制系統硫酸焙燒爐是重要的生產設備，其工藝流程圖如下：第5章簡單控制系統第5章簡單控制系統選取受控變數的一般原則：1、首先選擇對產品的產量、產品的品質、安全髙效生產、環境保護等具有決定作用的、便於測量、靈敏可靠的工藝參數作為受控變數。2、當直接參數作受控變數不合適時，應選取一個與直接參數有一一對應關係、便於測量、靈敏可靠的間接參數作為受控變數。3、若合適的間接參數也選擇不到時,可增加一些輔助控制系統，並通過一定的運算處理達到對直接參數的控制。由於電腦在過程控制中的廣泛應用，使這種方法的實現更具潛力。4、不論用何種方式選取受控變數，都必須考慮工藝的合理性和國內儀錶的現狀。第5章簡單控制系統5.2.3操縱變數的選擇選擇操縱變數（即操縱量），就是在對受控過程進行認真分析研究的基礎上，根據已選定的受控變數找出所有影響受控變數的各種變數即輸入，從中找出一個工藝合理、實施上可行並具有良好可控性的變數作為操縱量。第5章簡單控制系統在被控變數選定以後，下一步就是要選擇控制系統的操縱變數，去克服擾動對被控變數的影響。第5章簡單控制系統控制通道——操縱變數至被控變數的信號聯繫擾動通道——擾動變數至操縱變數的信號聯繫擾動變數（輸入量）操縱變數（輸入量）

被控變數（輸出量）討論：放大係數K對系統的影響控制通道

放大係數越大，操縱變數的變化對被控變數的影響就越大；反之，放大係數小，控制作用的影響不顯著，被控變數變化緩慢。但放大係數過大，會使控制作用對被控變數的影響過強，使系統穩定性下降。K的物理意義：如果有一定的輸入變化量Δ

作用於過程，通過過程後被放大了K倍，變為輸出變化量ΔW。第5章簡單控制系統擾動通道

當擾動頻繁出現且幅度較大時，放大係數大，被控變數的波動就會很大，使得最大偏差增大；放大係數小，即使擾動較大，對被控變數仍然不會產生多大影響。第5章簡單控制系統控制通道在相同的控制作用下，時間常數大，被控變數的變化比較緩慢，此時過程比較平穩，容易進行控制，但過渡過程時間較長；若時間常數小，則被控變數的變化速度快，控制過程比較靈敏，不易控制。時間常數太大或太小，對控制上都不利。擾動通道對於擾動通道，時間常數大，擾動作用比較平緩，被控變數的變化比較平穩，過程較易控制。討論：時間常數T對系統的影響第5章簡單控制系統討論：滯後時間

對系統的影響控制通道擾動通道由於存在滯後，使控制作用落後於被控變數的變化，從而使被控變數的偏差增大，控制品質下降。滯後時間越大，控制品質越差。對於擾動通道，如果存在純滯後，相當於擾動延遲了一段時間才進入系統，而擾動在什麼時間出現，本來就是無從預知的，因此，並不影響控制系統的品質。擾動通道中存在容量滯後，可使階躍擾動的影響趨於緩和，對控制系統是有利的。第5章簡單控制系統例：第5章簡單控制系統第5章簡單控制系統選擇操縱量的一般原則1、選擇操縱量也就是選擇一個可控度良好的控制通道。①控制通道的放大倍數應適當大些；②控制通道的純滯後時間應盡可能小；③控制通道的慣性時間常數要相對錯開，即相互間的相對距離要大一些(主要是指第一大和第二大時間常數）；④控制通道各慣性時間常數相對值不變的前提下，時間常數要適當小些；⑤控制通道時間常數的個數應儘量減少；⑥當通道為有純滯後的一階或二階模型時，應儘量提高時域可控性係數2、設計系統時應儘量考慮主要干擾對系統控制品質的影響。第5章簡單控制系統5.2.4執行器的選擇

執行器的選用是否得當，將直接影響自動調節系統的調節品質、安全性和可靠性，因此，必須根據工況特點、生產工藝及調節系統的要求等多方面因素，綜合考慮，正確選用。執行器的選擇，主要是從以下四方面考慮：（1）執行器的結構形式；（2）調節閥的口徑;（3）調節閥的氣開氣關形式；（4）調節閥的流量特性。第5章簡單控制系統在選用調節閥的結構形式和材料時應考慮的因素：

被控介質的工藝條件，如溫度、壓力、流量等。被控介質的物理、化學特性，如氣態、液態、粘性、腐蝕性等。

調節閥結構形式的選擇第5章簡單控制系統

調節閥氣開、氣關形式的選擇原則：當信號壓力中斷時，應保證工藝設備和生產的安全。當調節閥的氣開氣關形式與安全無關時，還可從以下方面進行考慮：（1）從保證產品品質角度考慮（2）從降低原料和能源的損耗並兼顧介質特點的角度考慮第5章簡單控制系統氣關閥氣開閥氣開閥/氣關閥第5章簡單控制系統例：

調節閥流量特性的選擇選擇什麼樣的流量特性要結合過程特性、干擾情況、介質性質、測量變送情況及配管情況全面考慮，但是更多的考慮是首先根據廣義過程為線性的要求確定控制閥所應具有的工作流量特性，然後根據配管情況（即S值的大小）決定所要閥的理想流量特性。第5章簡單控制系統

生產過程中常用的調節閥的理想流量特性有直線、等百分比和快開大種。快開特性主要用於二位調節及程式控制中，因此，調節閥的特性選擇實際上是指如何選擇直線和等百分比流量特性。調節閥流量特性的選擇可以通過理論計算，但所用的方法和方程都很複雜，一般可選擇等百分比流量特性，總能滿足要求。第5章簡單控制系統5.2.5測量變送環節在系統設計中的考慮正確處理測量變送問題是系統設計中的重要一環。測量方法的選擇測量元件的選用測量元件的正確安裝測量信號的處理第5章簡單控制系統5.2.6控制器的選型及應用控器控制規律的選擇和應用常規基型控制器主要有三種控制規律：比例（P）、比例積分（PI）、比例積分微分(PID)。PID控制規律的數學描述為：第5章簡單控制系統圖5-23不同控制規律作用下的階躍回應曲線1-無控制2-比例控制3-比例積分控制4-比例微分控制5比例積分微分控制第5章簡單控制系統曲線1：無控制即開環時的擾動使輸出偏離給定值的程度逐漸增大，終值為KdΔd。曲線2：純比例控制（P），他存在穩態誤差，其值為：C=KdΔd/(1+KgKc)(Kg為廣義過程的放大倍數)。曲線3：比例積分（PI）控制，它與比例控制相比，引入積分後消除了穩態誤差，但超調量增加，振盪週期加長。曲線4：比例微分（PD）控制，它與比例控制相比，由於微分的引入，減小了動態偏差，但靜態偏差仍然存在。曲線5：比例積分微分（PID）控制，他與上述控制規律相比，超調量較小，振盪週期較短，靜態偏差為零.第5章簡單控制系統

雖然PID控制是四種控制中最好的一種，但是微分作用對於干擾和測量雜訊來說是敏感的，因此除非受控過程容積滯後比較大，受控變數變化比較緩慢的過程外，一般不引入微分作用。另外，三種控制規律同時引入，也將給三種作用參數的確定帶來一定的困難。正是由於上述原因，工業控制中廣泛應用的是PI控制器。第5章簡單控制系統選擇控制器控制規律，應根據對象特性、負荷變化情況、主要干擾以及對控制品質的要求等不同情況，進行具體分析。同時，還應考慮經濟性和系統的投運方便等。具體選擇原則如下：

（1）當廣義對象控制通道時間常數較小、負荷變化不大、工藝要求不高時，可選用比例控制規律；而當廣義對象控制通道時間常數較小、負荷變化較大、工藝要求無餘差時，則應選用比例積分控制規律。

控制器調節規律的選擇第5章簡單控制系統（2）當廣義對象控制通道的時間常數大或容量滯後大時，採用微分作用有良好的效果。（3）當廣義對象控制通道的時間常數較小，而負荷變化很大時，選用微分作用和積分作用都容易引起振盪。如果時間常數很小時，可採用微分作用來降低系統的反應速度提高控制品質。（4）當廣義對象滯後很小或雜訊嚴重時，應避免引入微分作用，否則會導致系統的不穩定。第5章簡單控制系統（5）當廣義對象控制通道的時間常數很大（或存在較大的純滯後），負荷變化也很大時，單回路控制系統往往也不能滿足要求，應設計其他控制方案，根據具體情況選用前饋、串級、採樣等複雜控制系統。（6）當對象數學模型可用近似時，則可根據純滯後時間τ與時間常數T的比值τ/T來選擇控制規律，即②當0.2＜τ/T＜1.0時，選用比例積分或比例積分微分控制規律；③當τ/T＞1.0時，採用單回路控制系統往往不能滿足要求，應選用其他控制方案。①當τ/T＜0.2時，選用比例或比例積分規律；第5章簡單控制系統控制器正、反作用方式的選擇首先確定執行器的氣開、氣關形式；然後根據受控過程的輸入輸出關係確定控制器的正、反作用方式。為了保證系統為負回饋，必須滿足:控制器、執行器、受控過程三者的符號相乘為負即：(控制器±）（執行器±）(受控過程±）=“-”第5章簡單控制系統1、根據選定的執行器的氣開、氣關形式確定其正、負號；2、由過程的輸入、輸出關係確定其正、負號；3、由判別式確定控制器所應有的正、負號，4、選定其正、反作用形式。第5章簡單控制系統滿足該式的各環節符號是這樣規定的：當其輸入增加時，若輸出也隨之增加則取正號，反之取負號；其中控制器是以測量值作為輸入的。即對控制器而言：當測量值增加時若控制器輸出也隨之增加則取（+）號，反之取（-）號。也就是說正作用控制器取（+）,反作用控制器取（-）。第5章簡單控制系統對執行器而言：當輸入(壓力）信號增加時若開度增加則取“+”號，反之取“-”號。也就是說氣開閥取“+”號，氣關閥取“-”。對受控過程而言：當操縱量增加時若其輸出（受控變數）增加則取“+”，反之取“-”號。對測量變送而言：一般被測參數增加其輸出總是增加的即總為正環節，所以上式中並沒出現。

第5章簡單控制系統

簡單控制系統方案設計

被控變數的選擇操縱變數的選擇執行器的選擇調節器正反作用方式及調節規律的選擇設定值控制器被控對象被控量變送器+_調節閥干擾第5章簡單控制系統5.2.7簡單控制系統設計原則及應用實例第5章簡單控制系統圖5-30牛奶乾燥過程流程圖牛奶類乳化物乾燥過程中的噴霧式乾燥工藝設備。由於乳化物屬膠體物質，激烈攪拌易固化，不能用泵輸送，故採用高位槽的辦法。濃縮的乳液由高位槽流經篩檢程式A或B(兩個交換使用，保證連續操作），除去凝結塊等雜質，再至乾燥器頂部從噴嘴噴出。空氣由鼓風機送至換熱器(用蒸汽間接加熱)，熱空氣與鼓風機直接送來的空氣混合後，經風管進入乾燥器，以蒸發走乳液中的水分，使其成為奶粉，並隨濕空氣一起輸出，再進行分離。生產工藝對乾燥後的產品品質要求很高，水分含量不能波動太大，必須控制在規定的範圍內。第5章簡單控制系統（1）受控變數的選擇乾燥器出口的氣體溫度和產品品質有密切關係，要求維持在一定值上，因此就選作被控變數。（2）操縱量的選擇第5章簡單控制系統影響出口溫度的因素有乳液量的變化、空氣流量及蒸汽變化等。因此可以選擇三種操縱變數，組成以下三個調節方案。圖5-31乾燥過程方框圖第5章簡單控制系統

根據干擾作用點對調節品質影響的分析，主要干擾施加點越靠近調節閥，控制品質相對較高的原則，方案Ⅰ的干擾作用點與對象的輸入重合，調節作用最迅速，因此其控制性能最佳，方案Ⅱ次之，方案Ⅲ最差。從控制的品質這方面考慮，應該選擇方案Ⅰ，即選擇乳液流量作為操作變數。但是，在選擇調節方案時，還得從工藝角度來考慮，方案Ⅰ並不是最有利的。因為若以乳液量作為操縱變數，則它就不可能始終在最大值上工作，也就限制了該裝置的生產能力。另外在乳液管線上裝了調節閥，容易使濃縮乳液結塊，降低產量和品質。因此，綜合以上分析比較，選擇方案Ⅱ是最為合適的。第5章簡單控制系統（3）執行器的選擇根據安全原則、介質特點、工藝要求考慮應選氣關式控制閥，以防故障(對閥芯的作用力為零）時中斷加熱蒸汽至使乳液直接流入出口使管道堵塞和產生劣質產品。選用對數流量特性的控制閥。根據生產時對操縱量流量的要求選擇控制閥的公稱直徑和閥芯直徑的尺寸。第5章簡單控制系統（4）測量、變送的考慮Pt100熱電阻溫度計，三線制接法（5）控制器選型選用PID控制規律（6）控制器正反作用方式的選擇反作用方式第5章簡單控制系統圖5-32控制原理示意圖第5章簡單控制系統5.3簡單控制系統的參數整定系統整定的實質：通過調整調節器的相關參數使其特性與被控對象特性相匹配，以達到最佳的控制效果。理論計算整定法工程整定法基於被控對象數學模型（如傳遞函數、頻率特性），通過計算方法直接求得調節器的整定參數，如根軌跡法、頻率特性法等。基於被控對象的階躍回應曲線，或直接在閉環系統中進行，方法簡單，易於掌握。第5章簡單控制系統

工程整定法一、經驗試湊法（長期的生產實踐中總結出來的一種整定方法）

(%)TI（min)TD（min)溫度20～603～100.3～1流量40～1000.1～1壓力30～700.4～3液位20～80方法：根據經驗先將控制器參數放在某些數值上，直接在閉合的控制系統中通過改變給定值以施加干擾，看輸出曲線的形狀，以δ%、TI、TD，對控制過程的規律為指導，調整相應的參數進行湊試，直到合適為止。第5章簡單控制系統二、臨界比例度法穩定邊界法是應用較廣的一種整定調節器參數的方法，特點是不需要求得被控對象的特性，而直接在閉環情況下進行參數整定。整定方法：（1）取TI=∞，TD=0，比例度取較大數值（一般可取100%以上），系統按純比例投入運行，穩定後，逐步地減小比例度，在外界輸入作用下（給定或干擾的變化）下，觀察過程變化情況，直至系統出現等幅振盪為止，記下此時比例度δcr(臨界比例度)和振盪週期Tcr(臨界振盪週期)。Tcr第5章簡單控制系統（2）根據δcr和Tcr

，按表中所列的經驗算式，分別求出3種不同情況下的控制器最佳參數值。（3）將比例度放到計算值略大一些的刻度上，然後TI由大而小將積分作用加入；TD由小而大將微分作用加入。（4）將比例度調到計算值上，觀察運行，適當調整，使過渡過程達到指標要求。穩定邊界法參數整定計算公式

TITDP2

crPI2.2

cr0.85Tcr

PID1.67

cr0.50Tcr

0.125Tcr

第5章簡單控制系統注意：此法簡單明瞭，容易判斷整定品質，因而在生產上應用較多，但是工藝上被控變數不允許等幅振盪時不宜採用。第5章簡單控制系統三、衰減曲線法穩定邊界法是要使系統產生等幅振盪，還要多次試湊，而用衰減曲線法較為簡單，且可直接求得調節器比例度。衰減曲線法分為4︰1和10︰1兩種。4︰1衰減曲線法整定方法4︰1衰減曲線法整定方法（1）取TI=∞，TD=0，比例度取較大數值（一般可取100%以上），在純比例作用下，將系統投入。待系統穩定後，作設定值擾動，觀察過渡過程波動情況，直到衰減比為4︰1時為止，記下此時的比例度δs和它的衰減週期Ts。ty0Ts

=75%第5章簡單控制系統（2）根據δs和Ts值，按下表的經驗公式確定3種不同規律控制下的控制器的最佳參數值。（3）將比例度放到計算值略大一些的刻度上，逐漸引入積分作用和微分作用。（4）將比例度調到計算值上，觀察運行，適當調整，使過渡過程達到指標要求。

TITDP

sPI1.2

s0.5TsPID0.8

s0.3Ts

0.1Ts

衰減曲線法整定計算公式(4:1)第5章簡單控制系統10︰1衰減曲線法整定方法

有的生產過程，由於採用4︰1的衰減仍嫌振盪太強，則可採用10︰1衰減曲線法。方法同上，使被控變數記錄曲線得到10︰1的衰減時，記下這時的比例度δs和上升時間Tr

。然後再按下表的經驗公式來確定控制器的最佳參數值。

TITDP

sPI1.2

s2TrPID0.8

s1.2

0.4Tr

衰減曲線法整定計算公式(10:1)ty0Ts

=90%第5章簡單控制系統四、回應曲線法

TITDP

PI1.1

3.3

PID0.85

2.0

0.5

——回應速度，K/T——遲延時間第5章簡單控制系統飽和蒸汽鍋爐的單衝量控制系統為例（一）工藝上要求的技術指標

(1) 鍋爐運行的最高工作壓力為1.6MPa(2) 最大允許負荷隨時變化為10-12t/h(3) 蒸汽壓力波動小於10%第5章簡單控制系統（二）鍋爐汽泡水位的單衝量控制系統第5章簡單控制系統（三）控制器的參數整定用回應曲線法整定控制器參數，首先作水位擾動試驗，再根據結果確定的回應曲線如下圖。第5章簡單控制系統6.1從常規控制到電腦控制

將孔板測量的壓差轉換成標準信號，流量控制器將此信號與設定值作比較，如果有偏差存在，控制器把偏差按一定的控制演算法（如PI演算法）運算後，輸出一個控制信號至控制閥，以改變流量Q，最後消除餘差。第6章直接數字控制系統圖6-3a電腦控制系統原理示意圖量變送器將孔板測量的壓差轉換成電信號，經採樣後由A/D轉換器將其變成數字量送給電腦，電腦把該數字量與設定數字量比較，對偏差進行PI運算後輸出數字控制信號並經D/A轉換器變成模擬量去控制控制閥,最後使流量調回到設定流量上來。第6章直接數字控制系統圖6-3電腦控制系統（b）系統方框圖第6章直接數字控制系統第6章直接數字控制系統6.2過程通道所謂過程通道就是指在電腦介面和受控過程間傳遞和交換資訊的連接通道（不包含傳感器、變送器和執行器）。過程通道是電腦控制系統設計的重要內容，它的好壞將直接影響控制系統功能的實現情況。按信號傳遞方向來分，過程通道可分為輸入通道和輸出通道兩類；按所傳遞信號形式分，可分為模擬量輸入/輸出通道和數字量輸入/輸出通道。第6章直接數字控制系統1、模擬量輸入輸出通道模擬量輸入通道的任務是將變送器或檢測元件送來的電信號，以系統所允許的誤差轉換成數字信號，並在程式支持下將變換結果送入電腦。第6章直接數字控制系統模擬量輸出通道的任務是將電腦輸出的數字量轉換成模擬量。模擬量輸出通道一般有兩種結構形式，一種是一個D/A轉換器對應一路輸出，另一種是一個D/A轉換器對應於多路輸出，兩種結構形式各有其優缺點。第6章直接數字控制系統2、數字量輸入輸出通道數字量I/O通道，相對模擬量I/O通道要簡單，因為這些量都具有二進位形式，易於被電腦所接收。但是這種量大多直接與現場相連，為了提高電腦的可靠性，一定要考慮隔離問題。另外，當輸入電平與電腦電平不符時，必須加電平轉換電路。第6章直接數字控制系統圖6-10數字量輸入通道圖6-12數字量輸出通道第6章直接數字控制系統6.3信號採集、數字濾波及數據處理經調理電路獲得的隨時間連續變化的模擬信號經過採樣器將它轉換為一連串不連續的脈衝信號，這種變換過程稱為採樣過程或離散化過程。第6章直接數字控制系統香農採樣定理給我們選擇最小採樣頻率提供了依據。事實上採樣頻率越高，控制越及時，控制品質就越好(大純滯後的特殊過程除外），如果採樣頻率接近於無限，那麼，離散系統的性能會接近於同等條件下的連續控制系統。第6章直接數字控制系統表6-2採樣週期選擇表第6章直接數字控制系統受控變數採樣週期T/s備註成分15～20溫度15～20或取純滯後時間；對串級系統，液位5～8壓力3～10優先選用5～8s流量1～5優先選用1～2s轉速0.01～0.02速度控制系統外閉環電流或電壓0.001～0.002速度控制系統內閉環

數字濾波

所謂數字濾波就是通過一定的電腦程式對採樣信號進行一定的計算，以提高有用（或真實）信號，消除或削弱各種週期性的、脈衝性的干擾和雜訊，因此也稱為程式濾波。數字濾波有許多優點：不需要增加硬體設備數字濾波穩定性高適應性強第6章直接數字控制系統

目前數字濾波技術發展很快，常用的幾種數字濾波方法：

滑動平均值濾波加權平均值濾波中值法濾波（中值濾波）程式判斷濾波略第6章直接數字控制系統

數據處理

1、數據讀入2、有效性檢查3、數字濾波4、線性化處理5、工程量化6、電腦處理7、上下限檢查8、數據存儲第6章直接數字控制系統6.4DDC系統的PID算式比例、積分、微分（簡稱PID）控制是模擬控制中普遍採用的控制方法。雖然在採用了電腦控制技術之後，使許多過去難以實現的非線性、多變量、自適應和最優化等控制演算法得以實現，但是PID控制演算法仍是最受人們歡迎的控制方式。第6章直接數字控制系統

基本PID控制算式

電腦控制中的PID算式是由模擬PID算式經離散化得來的，由於大多數工業過程參數變化是相當緩慢的，只要選擇合適的採樣週期，離散控制形式就趨近於連續控制形式。基本PID分為：位式算式型、增量算式型兩種。第6章直接數字控制系統1.位式算式2.增量算式第6章直接數字控制系統

對基本PID控制算式的改進1.採用不完全微分的PID算式2.微分先行的PID算式第6章直接數字控制系統3.積分分離的PID算式第6章直接數字控制系統7.1串級控制系統

加熱爐是工業生產中常用的設備之一。加熱爐出口溫度——爐膛溫度串級控制系統：7.1.1概述第7章改善控制品質的複雜控制(1)當出口溫度偏差為零，T1C輸出不變時，應對爐膛溫度實施定值控制，以克服干擾通過爐膛對出口溫度的影響。(2)當出口溫度偏離給定值，T1C輸出開始變化時，爐膛溫度應按T1C的要求進行變化，以使出口溫度向給定值靠近。按照這樣的要求，人們把出口溫度控制器T1C的輸出不是直接去操縱控制閥，而是作為爐膛溫度控制器T2C的設定值構成兩個控制器串聯工作的系統，這種系統就叫串級控制系統。第7章改善控制品質的複雜控制圖7-4加熱爐出口溫度一爐膛溫度串級控制系統方框圖第7章改善控制品質的複雜控制圖7-5通用串級控制系統方框圖第7章改善控制品質的複雜控制串級控制系統的工作過程

串級控制系統從結構上看比相應的單回路控制系統多了一個副回路，因此具有許多特點，通過工作過程的分析可以初步瞭解一些與單回路系統不同之處。當生產過程處於穩定工況時，各干擾均不存在，主副受控變數均處於相對平衡狀態，控制器保持某一固定輸出，控制閥保持某一固定開度，此時主受控變數穩定在給定值附近不變。

一旦有擾動出現，平衡將被打破，串級控制系統便進入了動態控制過程，以克服干擾的影響，使主受控變數向給定值靠擾。第7章改善控制品質的複雜控制根據干擾來源不同，可分三種情況：（1）當只有二次干擾作用時（即來自燃料壓力、流量、熱值的變化和煙囪抽力變化等）（2）當只有一次干擾作用時(即被加熱物料的流量和初始溫度變化等）（3）當一次干擾和二次干擾同時作用第7章改善控制品質的複雜控制7.1.2串級控制系統的特點與分析

串級控制系統從結構上看比單回路系統多了一個副回路，因此具有以下四個方面的特點。1.由於副回路的存在改善了受控過程的動態特性2.由於副回路的存在提高了系統的工作頻率3.由於副回路的存在大大提高了抗二次干擾的能力4.由於副回路的存在，使系統對副過程的變化不再敏感第7章改善控制品質的複雜控制

串級控制系統與單回路控制系統相比由於多了一個副回路，因而具有以下特點：(1)由於副回路的作用，減小了過程的時間常數，縮短了副回路的控制通道，因而提高了系統的工作頻率，加快了控制速度，克服干擾更加及時。(2)由於副回路的快速和超前作用，對於作用於副回路的干擾(即二次干擾)在影響主變數之前即可由副控制器加以克服，從而大大提高了抗二次干擾的能力。而對於抗一次干擾的能力也因控制通道的縮短和工作頻率的提高而有所提高。(3)由於隨動副回路的存在，使串級系統對副過程及執行器特性的變化不再敏感，從而提高了系統的魯棒性。(4)由於副回路的存在，可以使操縱量更加準確快速地按主控制器控制要求變化。

第7章改善控制品質的複雜控制7.1.3串級控制系統的工業應用1.當過程存在變化劇烈、幅值大的干擾時應考慮使用串級控制圖7-16加熱爐溫度---流量串級控制系統由於副回路的快速控制作用，對因燃料油壓力波動而引起的流量變化的抑制作用極強，可使出口溫度幾乎不受其影響。第7章改善控制品質的複雜控制2.當受控過程容量滯後較大時應考慮使用串級控制選取火道溫度為副受控變數構成串級控制系統副回路，它對於油壓、燃料油粘度、助燃風量的變化等擾動所引起的火道溫度變化都能快速進行控制。當窯道溫度變化、產品移動速度變化、窯內冷風溫度變化等擾動而引起變化時，由於主回路的控制作用能使窯道溫度穩定在預先設定的數值上。採用串級控制，提高了產品品質，滿足了生產要求。

第7章改善控制品質的複雜控制3.當受控過程純滯後較大時可考慮使用串級控制在控制閥較近處選擇混合器出口溫度作為副受控變數，網前箱出口處溫度為主受控變數，這樣就把紙漿流量的波動及蒸汽壓力的波動等主要干擾包括在了純滯後極小的副回路中。當上述干擾出現時，由於副回路的快速控制，予以了提前控制，滿足了工藝生產的要求。第7章改善控制品質的複雜控制4.當過程有非線性時可考慮使用串級控制圖7-21醋酸乙炔合成反應器溫度串級控制系統控制通道中有兩個串聯的熱交換器和一個合成反應器。而換熱器具有嚴重非線性，出口溫度隨負荷增加而明顯下降，為此選擇換熱器出口溫度為副受控變數，反應器中部溫度為主受控變數構成串級控制，其中主要非線性被包括在副回路中，從而大大提高了控制品質，滿足了生產要求。第7章改善控制品質的複雜控制7.1.4串級控制系統的設計串級控制系統的設計，實質上是副回路的設計,副回路的設計關鍵是副受控過程（副受控變數）的選擇。原因之一是主受控變數、操縱量、執行器及測量變送的考慮與單回路系統設計一樣；原因之二是副回路設計的合理與否決定著串級控制系統能否發揮其特點，以實現應用串級的目的。第7章改善控制品質的複雜控制1.副受控變置量的選擇(1)因過程存在變化劇烈、幅值大的干擾，使用串級控制時，副受控變數選擇的基本原則是：在把影響系統控制品質的主要干擾納入副環(即使之成為二次干擾)的前提下，應儘量使副受控過程的時間常數小些，以提高副回路的快速性，增強抗二次干擾的能力。

(2)因受控過程容量滯後較大而使用串級控制時，副受控變數的選擇應使副回路包括盡可能多的干擾（以使更多的干擾成為二次干擾）、盡可能大的容量滯後（使過程特性有較大的改善）。第7章改善控制品質的複雜控制(3)因受控過程純滯後較大而使用串級控制時，副受控變數選擇的基本原則是：在把主要干擾納入副回路的前提下，應盡可能減小副回路的純滯後，以提高副回路抗二次干擾的能力。（4）因過程有非線性而使用串級控制時，副受控變數的選擇一定要使過程的主要非線性納入副環，並注意過程時間常數的匹配。第7章改善控制品質的複雜控制

以上四點選擇原則是根據串級控制的特點及主要應用場合提出的，其基本出發點是充分發揮串級控制的特長，以解決單回路無法解決的主要矛盾，除此之外副受控變數的選擇還有如下問題在各種應用場合下均應加以考慮：①所選副受控變數要靈敏可靠，確有代表性。因為它既是受控變數，又是主變數的操縱量。②應考慮工藝上的合理性和實現的可能性，因為控制的目的是為了滿足生產上的要求，保證生產的安全、高效和高質量，所以設計的系統應考慮並滿足生產工藝的要求。作為受控變數必須可測。③要考慮經濟性。當有多個變數可供選擇時，應從全局考慮，在滿足生產要求的前提下，應力求節約。第7章改善控制品質的複雜控制a）出口溫度—液位串級控制（b）出口溫度—蒸汽壓力串級控制愛圖7-22冷卻器串級控制系統

第7章改善控制品質的複雜控制2.主、副控制器控制規律的選擇

在一般的串級控制中，主受控變數是工藝上要求嚴格加以控制的變數，因此，主控制器的控制規律應按單回路控制中所述的原則選擇。而副受控變數則是為穩定主受控變數而引入的輔助變數，一般無嚴格指標要求,為了提高副回路的快速性一般採用純比例控制。但是在有的串級控制中，由於比例作用較弱，為了防止因同向干擾而引起的誤差積累也適當引入積分作用。對於微分作用一般是不引入的。因為一般副回路容積滯後相對較小，無須引入微分。另外，隨動系統引入微分當其給定突變時易產生過沖而使系統動作幅度過大，對系統控制不利。第7章改善控制品質的複雜控制3.主、副控制器正反作用方式的選擇執行器副過程副控制器輸入輸出關係氣開氣關形式應取符號輸入輸出關係應取符號應取符號正、反作用方式輸入輸出輸入輸出增加(或減小）增加(或減小)氣開十增加(或減小）增加(或減小）十—反作用減小(或增加）—十正作用減小(或增加）氣關—增加(或減小）增加(或減小）十十正作用減小(或增加）—反作用表7-1副控制器正、反作用方式選擇表第7章改善控制品質的複雜控制副過程主過程主控制器輸入輸出關係應取符號輸入輸出關係應取符號應取符號正、反作用方式輸入輸出輸入輸出增加(或減小）增加(或減小）十增加(或減小）增加(或減小）十—反作用減小(或增加）—十正作用減小(或增加)—增加(或減小）增加(或減小）十十正作用減小(或增加）——反作用表7–2主控制器正、反作用方式選擇表第7章改善控制品質的複雜控制7.1.5串級控制系統的投運與參數整定1.控制器參數整定串級控制系統的整定一般可按下述步驟進行：

首先使主控制器為純比例作用，比例度取100%，然後按單回路控制系統的整定方法整定副控制器，使副回路工作在最佳狀態，然後把副控制器設置為最佳整定參數，把副回路看作主回路的一個等效環節按單回路的方法整定主控制器，使之處於最佳狀態。對於一般的串級控制系統，經這兩步整定便可滿足要求，因此這種方法叫兩步整定法。如果經上述兩步整定後控制品質仍不理想，可在此基礎上再按副控制器→主控制器→…→的順序繼續整定直到滿意為止。從理論上而言每經過一個回合的整定，主、副控制器的參數應向最佳值逼近一步，所以此法又叫做逐步逼近法。第7章改善控制品質的複雜控制2.串級控制系統的投運

串級控制系統的投運亦要比單回路複雜一些。一般情況下是先投運副回路，然後把副回路看作主回路的一個等效環節，按單回路的方法再投運主回路。也有反向投運或主、副回路同時投運的。第7章改善控制品質的複雜控制7.2前饋控制

前饋控制從原理上看完全不同於回饋控制，是利用對擾動的測量直接補償擾動可能對輸出可能產生的影響的開環控制方式。在某些情況下前饋控制可以產生很好的效果，特別是自電腦參與控制以來，前饋控制越來越受到人們的重視，並獲得了廣泛應用，它是一種很有前途的控制方法。第7章改善控制品質的複雜控制7.2.1前饋與回饋

回饋控制作用總是落後於干擾，只有受控變數巳偏離給定值並產生偏差後控制器才能產生控制作用，使受控變數向給定值靠近，即減小或消除偏差，因此動態偏差的存在是不可避免的。而前饋控制則抓住了產生偏差的根源——干擾，不再是測量受控變數而是直接測量干擾，一旦干擾發生，在干擾影響輸出的同時，前饋控制器輸出也根據干擾的大小和方向按希望的規律變化，去改變操縱量，使操縱量對輸出的影響與干擾對輸出的影響相反，以補償(抵消)干擾對輸出的影響，在理想情況下可以完全抵消干擾的影響，使得干擾與輸出無關。

第7章改善控制品質的複雜控制圖7-25前饋控制系統原理圖圖7-26前饋控制方框圖第7章改善控制品質的複雜控制圖7-27階躍千擾下前餓控制補償過程曲線第7章改善控制品質的複雜控制圖7-30按平衡方程進行靜態前饋的換熱器溫度控制系統

第7章改善控制品質的複雜控制

前饋與回饋的比較（1）產生控制作用的依據不同（2）控制效果不同（3）實現的經濟性和可能性不同（4）結構不同（5）控制器控制規律不同第7章改善控制品質的複雜控制7.2.1前饋—回饋複合控制系統

既發揮前饋補償能有效克服主要矛盾的優點，又發揮回饋控制經濟、可靠、一個回路可以克服多個因素