过程控制工程课设置的目的和任务

绪论

一、过程控制工程课设置的目的和任务

Processcontrol（过程控制）课，是培养从事过程控制系统的方案设计，及其在工程上

予以实施的能力。

控制方案的形成有两个来源：一是来自控制原理的进展，讨论的核心问题是在保证系统

稳定的基础上，如何提高系统的品质；而另一来源是为了满足工艺的特殊要求而开发出来的

控制方案。

木课的基础涉及到化工原理、控制原理和仪表计算机技术等学科知识。

二、过程控制的发展简史

1、硬件

第一阶段：30-40年代，基地式仪表，就地控制

第二阶段：40-50年代，电气动单元组合仪表，车间、工段或全厂集中控制

第三阶段：60年代后，由于计算机的出现，全厂性、企管性控制

2、过程控制手段

40年代初：“黑箱子”时期

50年代末：“灰箱子”时期，用反馈控制理论于生产过程

5（）年代初、中：①对生产过程的模型的建立导致化工动态学的发展②用实验方法

来探讨模型、系统辩识

60年代：现代控制理论发展，我国75年后计算机控制较普遍，发展快

三、过程控制设计

1、从局部的设计到总体的设计，从单回路到多回路再到大系统

2、从定值控制到浮动控制

3、事故出现硬停车到软保护控制

4、从离散控制（模拟仪表）到计算机控制

四、学习方法及基本要求

本课程上小专业的一门只要专业课，要求学生能综合运用所学的基础课、专业基砒课及

其他专'也课知识，进一步掌握过程控制工程理论和实践知识，培养学生具有解决过程控制

系统的分析、设计及投运的能力。

本课程包括课堂教训、实验教学、课程设计、生产实习四个环节。学习本课程应注意自

己的工程实际能力的培养,

五、参考文献

1、《化工过程控制工程》祝和运（浙江大学）化学工业出版社

2、《过程控制系统及工程》翁维勤化学工业出版社

3、《过程控制工程》庄兴稼华中理工大学出版社

4、《过程控制系统》F.G.shinskeg方崇智译化工出版社

5、《化工过程控制理论与工程》stephanopoluosG.关惕华译化学工业出版社

六、学时安排

课堂教学40学时；实验教学8学时。总计48学时

第1章简单控制系统

简单控制系统是指单回路控制系统，是最基本、结构最简单的一种，具有相当广泛的适

应性。在计算机控制已占主流地位的今天，这类控制仍占控制70%以上。

简单控制系统虽然结构简单，却能解决生产过程中的大量控制问题，同时也是复杂控

制系统的基础。掌握了单回路系统的分析和设计方法，将会给复杂控制系统的分析和研究

提供很大的方便。

1.1简单控制系统结构组成及控制指标

1.1.1简单控制系统结构组成

简单控制系统由四个基本环节组成，即被控对象（笥称对象）、测量变送装置、控制器

和控制阀。有时为了分析问题方便起见，把控制阀、被控对象和测量变送装置和在一起，

称为广义对象。

如图1.1-1所示的水槽，控制要求是维持水槽液位L不变。为了控制液位，选择相应

的变送器、控制器和控制阀，组成液位控制系统（即简单控制系统）。

液位控制系统的工作过程：在平衡状态下=。0）,

如果输入流量端存有干扰/,使输入总流量（Q,.+/）

增大，于是液位L上升，随着的L上升，控制器将感

受到偏差（给定与测量的比较值），从而控制器输出将

控制阀关小，使输入流量2减小，液位L将下降回到

给定值，达到新的平衡。图1.1/液位控制系统

对于图1.1-1所示的液位控制系统可以画出它的方块图，如图1.1-2所示

图1.1-2液位控制系统方框图

从以上的液位控制系统工作过程可看出：在该系统中存在着一条从系统输出端引向输

入端的反馈线，也就是说该系统中的控制器是根据被控变量的测量值与给定值的偏差来进

行控制的。控制作用是纠正偏差的，所以负反馈是简单控制系统的一个特点。

简单控制系统根据其被控变量的不同，可以分为温度控制系统、压力控制系统、流量

控制系统、液位控制系统等。虽然这些控制系统名称不同，但是它们都具有相同的方块图

和结构组成。由于此类控制系统从组成方块图上看，由一个测量变送装置、一个控制器、

一个控制阀和相应的被控对象组成，并组成一个负反馈回路，因此简单控制系统也常称为

单问路控制系统。

1.1.2简单控制系统的控制指标

对每一个控制回路来说，在设定值发生变化或系统受到扰动作用后，被控变量应该

平稳、迅速和准确地趋近或回亚到设定值。因此，通常在稳定性、快速性和准确性三个方

面提出各种单项控制指标，把它们适当地组合起来，也可提出综合性指标。

1.控制系统过渡过程单项指标

控制系统按其输入方式不同可分为随动系统与定值系统，随动系统与定值系统控制要

求有相同的一面，也有不同的一面。例如，系统同样必须稳定，但定值系统的衰减比可以

低一些，随动系统的衰减比应该更高一些，随动系统的重点在于跟踪，要跟得稳、跟得快、

跟得准；定值系统的关键在一个定字，要定得又稳又快又准。

主要时域指标包括衰减比、超调量（最大偏差）、余差、调节时间和振荡频率。这些指

标可从控制系统的过渡过程曲线上求取。

图1.1-3单位阶跃响应曲线

1）衰减比〃

在欠阻尼振荡中，两个相邻的同方向幅值之比称为衰减比，前一幅值作为分子，后一

幅值作为分母。如图1.1-3中的B/B'。

衰减比〃是衡量稳定性的指标，〃Wl:l振荡，不能容许。为保持足够的稳定性，定值

系统的〃=4:1为宜。对随动系统〃=10:1为宜，或采用过阻尼6'=。的形式。

2）超调量。与最大偏差A

在随动系统中，是一个反映超调情况，也是衡量稳定程度的指标。设被控变量的最

终稳定值为。，最大瞬态偏差为8,则超调量。的表达公式为：

B—c

CT=--100%

C

在定值控制系统中，最终稳态值是0或是很小的数值，仍用。作为指标来衡量系统

的超调不合适了，通常改用最大偏差A作为指标反映系统超调量的大小。

3）余差c

余差石（8）是系统的最终稳态偏差。因为E（8）=A—C（oo）=R—C,在定值情况下，

R=。，因此E（8）=—C,余差c是反映控制精度的一个稳态指标。

4）回复时间（和振荡频率7

过渡过程要绝对地达到新的稳态，需要无限长的时间，然而要进入稳态值附近±5%或

/(e,r)=|e|r,J=£/,(/)刈->min

对于存在余差的系统，e不会最终趋于零，有e(8)存在，上面三种形式的积分鉴定值

J都将成为无穷大，无从进行比较。此时可用e(t)-e(8)=-[c(/)-c(s)]作为误差项代入。

一般地说，ITAE为最小值的系统往往衰减比很大，ISE为最小值的系统回复时间很短,

但过渡过程的振荡比较剧烈。如下图所示：

图1.1-6应用不同偏差积分性能指标下的闭环响应

在工作中，具体选何种指标，应根据控制系统性能及工艺要求而定。

1.2典型受控过程

本节主要介绍几种常见简单环节特性，然后列出由它们组成的一些实际过程。

1.2.1纯滞后过程

纯滞后：指在输入量变化后，看不到系统对其响应的这段时间。

当物质或能量沿着一条特定的路径传输时，就会出现纯滞后。路径的长度和运动速度是

决定纯滞后大小的两个因素。因此纯滞后也称为传输滞后。纯滞后一般不单独出现，同时不

存在纯滞后的生产过程也很少。任何对控制系统设计有关的技术都会涉及纯滞后问题。图

1-7所示一个传送纯滞后例子：

图1.2-1纯滞后过程示意图

传递函数：G(s)=&fr=L/V,L指距离，V指速度

频率特性：G(Jw)=e-jwr

纯滞后环节幅频特性对系统无影响，相频特性对系统的影响大且随频率增加纯滞后影口讥

1.2.2单容过程

容积：指储存物质或能量的地方，其作用就象流入量和流出量之间缓冲器。

1.无自衡

困1-11无自衡单容过程

基本方程：①输入流量一输出流量;单位时间容枳的累积量变化

②液位差/流阻=流出流量

推导传递函数：

Ji。

•・•V=A（截面积）以液而）4丁0-。。

拉氏变换式As"（s）=Qi（s）—Q〃（s）•・•Qo⑺为常量其增量为0,即2。=0,则

Qo（s）=O,则G（s）="其中A为积分时间常数。

Q,（s）As

写成一般形式：6（5）=—,丁为积分时间常数,

Is

频率特性：G(jco)=——=——

jT(1)Teo

特点：无自衡过程在没有刍动控制系统情况下，不允许长

时间没人看管，应设置自动控制系统。

2.有自衡

传递函数的推导：•••〃与。。的静态特性为非线性关系

2）=。而，。为比例系数（与手动阀开度有关）

假定调节系统为定值控制（线性化）：

图1.2-2有自衡单容过程

AQo=r=M（力。为设定值，R为液阻）

2瓜

_a

则~~=CoQ,*丫="，设[—=—

出R

A—=a-RAhA—=Q、-Rbh

dh乂dh丫入

取拉氏变换sAH(s)^Q-RH(s)G(s)="9=——

QOARs+1

写成一般形式：G(5)=(一阶惯性环节)，

n+i

R=k(放大系数)：AR=T(时间常数)

其频率特性：G(s)=,卜=*

71+(Ta))2

0=-argfg73,具有低通滤波器的作用。

1.2.3多容过程

1.没有相互影响的双容过程(如图1-12所示)

徒者借1

徜憎2

图12-3没有相互影响双容过程

传递函数的推导:

”2（S）Q（S）/（5）=1勺

(相当于两个二阶环节串联)

Q,（s）0（s）Q/s）A%s+1A2R2S+1

A|、A2表示储槽的横截面积，R]、R2表示储槽的液阻。

令4Ri二4，A2/?2=T2,R2=k,

则G(s)=尊=-------------=—---------

2

Q<s)(聿+l)(/s+1)TJ2S+(T]+T,)5+1

两个极点-,负实极点、非震荡自衡过程。

工T2

2.具有相互影响的双容过程

图1.2-4有相互影响双容过程

/7,（5）=T2/?,54-（/?,+/?,）

2

~Q^）~TJ2s+（T}+7；+A/?2）^+l

〃2（s）=_________&_________

Qi（s）（4/+5+/+AR?）s+1

结论：①液位储对输入流量2的响应不再是一阶过程，而是二阶过程。

②"2对流量Qi的响应s项多了4R2项，可理解为相互影响因子。

讨论：以上传递函数的二个极点/.区隹+A固土也隹+4凡）2-45

1,227；7；

1）当（1+（＞4（，，则＜,2为两个不同的实根，表明两个相互影响的容枳

可等效为两个不相互影响的容积。不过是时间常数需校正，过程总是呈过阻尼状态

（＜＞1）o

2）假定两个储槽具有相同的时间常数（T-）,

.一（2T+A&）+J（Aj/V+46K）＜]

p2-（2T+-&）+JA2c2?+4g个

因此相互影响是改变了两个储槽的等效时间常数比例。一个储槽的反应变的快，而另一个反

应变的慢。由于时间响应主要受慢作用的牵制，所以存在相互影响的时间响应要比无相互影

响时显得缓慢（如图1-14所示）。

图1.2-5液位储槽的阶跃响应（1一相互无影响，2—相互有影响）

3.多容过程

1）没有相互影响的多容过程变化特点，是可表示为由N个一阶环节组成（串联）的系

统，如图所示：

Q1(S)——Q2(S)|---------|Q3(S)I…、|QN(S)

-----►Gi*)------►G2(S)GR6)一

--------5一181----------

图1.2-6没有相互影响的多容过程信号框图

设图中:

Q?（S）

G]（5）=

川+1-e2o)

设4二八=…二八一整个过程的传递函数为:

I1

GG)=GGAG2(S)・・,GNG)=

7^5+11r)s+lTN5+1

图1.2-7无相互影响的多容过程阶跃响应图

特点：①当T相同、V相等而又相互影响的若干个一阶环节组成的过程，随着N增加，它的

影响接近一阶环节加滞后的过程G（s）=幺:。

Zv+l

②若干个T相同、V相等而又相互影响的环节，可分解为一个较大时间常数、其余较小，

较大起主导作用，较小组成一个纯滞后。

结论：有无相互影响的多容过程均可作用G（s）=E—来近似。这就是工业过程基本都可

於+1

用G（s）=-^―了表示传递过程的原因。

75+1

注意：有无相互影响的土之比有很大差别，如n=10,无相互影响±=1,而相互影响二=0.1

TTT

因此有相互影响的系统更易控制些。

1.2.4具有反向响应的过程

反向响应：指其阶跃响应在初始情况与最终情况方向相反。

典型例子：锅炉汽包水位h受蒸汽量干扰是的变化过程。

图1.2-8锅炉汽包水位对给水的阶跃时间响应曲线图

在加入冷水过程中：）"）=%"）+为⑺

1）汽包内水泡受冷后收缩，水面下降丝?=G（s）=三与

Q（s）（S+1

2）当燃料量不变时，汽包内水位〃应随冷上加入量而增大型生=G2（S]=—

。⑸$

3）两种变化的迭加总特性为幺Q=G（s）=&h_(k2T1-)5+k2

Q（s）s4+1$(4+1)

结论：①当时，在响应初期，二^一占主导，过程呈反向，如:7；>匕时,

~11聿+]

过程没有反向特性。

②呈反向特性时，传递函数总具有一个正的零点Z==^>0,传递函数存在正

5-卜

实部零点的过程属于非最小相位过程，较难控制，应考虑特殊方法（如后面讲多冲量控制系

统）。

1.2.5不稳定过程

工业过程中，还存在具有不稳定特性的过程，主要在化学反应中，如吸热反应的反应温

度T是稳定的，反应器内部存在负反馈。当T受干扰增大时，

吸热量Q也相应增大，从而使反应温度T减小，恢复到给定值;

而对于放热反应的反应温度T的变化，由于反应器内部存在正

反馈因而反应温度是不稳定的。当T受干扰增大时，放热品。

也相应增大，从而使反应温度T更大，从而不能恢复到给定值。

\k\

G（s）=T^为开环不稳定系统。图1.2-9不稳定过程的阶跃响风曲线

|小-1

1.3被控变量与操纵变量的选择

1.3.1被控变量的选择

被控变量的选择是控制系统设计的核心问题，选择得正确与否，会直接关系到生产的

稳定操作，产品产量和质量的提高以及生产安全与劳动条件的改善等。如果被控变量选择不

当，不论采用何种控制仪表，组成什么样的控制系统，都不能达到预期的控制效果，满足

不了生产的控制要求。为此，自控设计人员必须深入生产实际，进行调查研究，只有在熟

悉生产工艺的基础上才能正确的选择出被控变量。

对于以温度、压力、流量、液位为操作指标的生产过程，就选择温度、压力、流量、

液位作为被控变最，这是很容易理解的，也无需多加讨论。

质量指标是产品质量的直接反映，因此，选择质量指标作为被控变量应是首先要进行

考虑的。

采用质量指标作为被控变量，必然要设计到产品成分或物性参数（如密度，粘度等）

的测量问题，这就需要用到成分分析仪表和物性参数测量仪表。有关成分和物理参数的测

量问题，目前国内外尚未得到很好的解决。一来因为产品品种类型很不齐全，致使有些成

分或物性参数H前尚无法实现在线测量和变送：二来这些仪表，特别是成分分析仪表具有

较严重的测量滞后，不能及时地反映产品质量变化的情况。

当直接选择质量指标作为被控变量比较困难或不可能时，可以选择一种间接的指标作

为被控变量。但是必须注意，所选用的间接指标必须与直接指标有单值的对应关系，并且

还需具有一定变化灵敏度，即随着产品质量的变化，间接指标必须有足够大的变化。

以苯、甲苯二元系统的精储为例。在气、液两相并存时，

塔顶易挥发组分的浓度/、温度和压力P三者之间有着如下TdjP,VaA

函数关系：

4=/'（，，尸）（1.3-1）

精.…

这里吃）是直接反映塔顶产品纯度的，是直接的质量指标。

如果成分分析仪表可以解决，那么，就可以选择塔顶易挥发组分

的浓度X。作为被控变量，组成成分控制系统。如果成分分析仪

表不好解决，或因成分测量滞后太大，控制效果差，达不到质量

要求，则可以考虑选择一间接指标参数：塔顶温度或者压产作B,XB

为被控变量，组成相应的控制系统。图1.3-1简单精储过程示意图

在考虑选择7；或P其中之一作为被控变量时是有条件的。由式（1.3-1）可看出，它

是一个二元函数关系，即〜与（1及P都有关。只有当0或P有一个不变时，式（1.3-1）

才可简化成一元函数关系。

即当P一定时：

（1.3-2）

当「一定时：

*D=于2U）（1.3-3）

总之，对于某个给定的工艺过程，应选择哪几个工艺函数为受控变量

①采用直接参数法

即以工艺参数为受控变量（最好为温度T、压力P、流量R液位L四大参数）

②间接参数法

原选定的受控变局受检测仪表的约束，要寻找与受控变量•有单一的线性函数关系的间接

参数来作为受控变量。如蒸佣塔组分工。的检测控制，一般用温度代替，但压力（塔压）必

须恒定，即小=/（7）。

③一个设备多个受控变量应以自由度分析，找出独立变量

F=C-P+2

C一组分数P一相数

［例1.3-1］饱和蒸汽C=l,P=2,则自由度尸=l-l+2=l

蒸汽质量受控变量选一个（7或P）

过热蒸汽C=l,P=l,则自由度产=1-1+2=2

受控变量则选2个（7、尸）

1.3.2操纵变量的选择

为了正确地选择操纵变量。首先要研究对象的特征。

我们知道被控变量是被控对象的一个输出。影响被控的外部因素则是被控对象的输入。

现在的任务是在影响被控变量的诸多输入中。选择其中某一个可控性良好的输入量作为操

纵变量。而其它未被选中的其他愉入量，则称为系统的干扰。因此对操纵变量的选择应注

意：

①工艺的合理性

不能选工艺流程的主物料量（除非有中间储槽）为调节参数，应选辅助（侧线）物料,

如换热器，只能选载热体为调节量，而不能选物料加入量为调节参数，因后者在调节过程中

引起生产波动。

②对受控变量有明显的影响作用，即要求有放大系数k大，时间常数了快速。

1.4过程可控程度分析

过程可控程度：指对过程进行控制的难易程度。

本节介绍一种度量过程程度的指标k心

1.4.1度量过程可控程度（简称可控性）的指标心已的导出

条件：相同的控制器、最佳整定，在相同的干扰作用下进行不同过程的比较。

假定控制器为纯比例，参数整定目标〃=4：1如图1T7所示的二阶系统：

图L4-1二阶系统方块图

Y（s\kf

其传递函数为：牛=7-----v―J-------

kk

当〃二4：1时，V«1.5---=1.5^-（令k=k,k）

maxi+Mp1+攵

式中：k=kekp——开环系统总的静态增益。

OO

利用偏差绝对值积分（IAE）指标J=j\e\di

由于工作周期也是系统过程的品质指标，则引入7；(牛=3)

则上式写成漂*卷W

1+kCD

vn=4:l震荡时，工作频率/比临界频率①，约小10-30%,两者有一定的比例关系

对上式由于和相同(相同的干扰)

则!卜‘""-(1+，0n若系统没有较大的纯滞后或分布参数，一•般2值大于io,

J忖力n(1+&)㈤

这样上式中的“I”可以忽略去。

化简得芸一=q—,设心，。，都是过程在纯比例控制下，系统达到震荡时

j\e\dtnkma)cl

的参数。此式说明，J忖力于心必成反比，匕陷，.越大质量越好。

1.4.2广义对象时间常数7和纯滞后r对可控程度k血.的影响

1.以三阶过程为例，时间常数7对的影响

GH(s)=彳---------v---------v---------T令T\与一般单回路系统的广义对象传递函数

(小+1)(4+1)(岂$+1)

类似。然一可看成对象时间常数，最大；4—可看成调节阀时间常数，次之；刀一可看成

对检测变送时间常数，最小。下表为时间常数了变化对•口牝•的影响。

表1.4-1列出1、八、"不同变化下0。、心与心仪

TTr0J

20520.36819.3137.107

10520.41312.6455.222

5520.4909.8044.804

101020.33214.4314.791

10620.38812.8504.985

10220.59114.3868.491

10520.2839.0112.550

10530.34610.3733.589

10510.56619.82311.219

由表得出结论：

①7；增大，八、7；不变，心及心牝增大，质量好

②73减小，7I、72不变，、①C及口①「增大，质量好

③4存在极值点4*，当72>72*或72〈72*时，心及心”增大

利用MATLAB仿真得到不同时间常数3、7\、［搭配的过渡过程曲线，也可得到同

样的结论。

T1=1I

:T2=l13山

图1。4-2不同的时间常数T搭配产生不同的过渡过程仿真试验曲线

对I于高阶过程（四、五阶纯滞后过程）规律：

①（增大与心减小，拉开第一与第二时间常数距离，口纭增大，质量好

②八最小时间常数减小，39■增大，质量好

2.从频率特性分析，G（s）=e-\|G（0y）|=l,°=—3，纯滞后r的加入总是使必减

小，心减小，减小。（如图1.4-2所示）

I3u)I

图1。4-2用频率特性表示纯滞后的影响（1-无纯滞后7的影响；2-有纯滞后「的影响）

1.5广义对象各环节对可控程度的影响

如图示线性单回路系统

图lo5-1线性单回路控制系统

1.5.1干扰通道特性G/S）对控制质量的影响

kf

:

设G(5)=-------—e/其中的的、为三个特性指标

・f'小+1

1.放大倍数的影响

假定所研究的系统方框图如图L5T所示。

由图1.5T可直接求出在干扰作用下的闭环传递函数为:

丫⑸_G/(s)

不"l+G，.(s)G〃(s)(1.5-1)

GAs)

由式(1.5-1)可得y(s)=------L---------F(5)(1.5-2)

1+G(s)Gp(s)

令Gf(s)=占：Gp(s)=kq

；Gg=kc

1ILf(£)i$+D(%s+1)

并假定了⑺为单位阶跃干扰，则R（s）=l/s将各环节传递函数代入式（1.5-2）,并运用终值

定理可得：

kj

11+Tfskf

y（oo）=lim5-y（5）=lims-------------------------=--------（1.5-3）

'TO'TOS"%k°1+"。

'（小+1）（q5-1）

式中《攵。为控制器放大倍数与被控对象放大倍数的乘积，称之该系统的开环放大倍数。对

于定值系统，），（8）即系统的余差。由式（1.5-3）可以看出，干扰通道的放大倍数越大，系

结论:却增大，心”差，干扰影响大。

2.时间常数7；的影响

未了研究问题方便起见，令图1.5-1中的各环节放大倍数均为1,这样系统在干扰作用

下的闭环传递函数应为：

1

UE」-__!------------（1.5-4）

尸⑸l+G*s）Gp（s）〃"++Gc（s）G〃（s）］

Tf

系统的特征方程为：

（s+：）［1+G/s）Go（s）］=0（1.5-5）

Tf

由式（1.5-5）可知，当干扰通道为一阶惯性环节时，与干扰通道为放大环节相比，系

统的特征方程发生了变化，表现在根平面的负实轴上增加了一个附加极点1/7；°这个附加

极点的存在，除了会影响过渡过程时间外，还会影响到过渡过程的幅值，使其减小了7/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7；的

增大，控制过程的品质亦会提高。

如果干扰通道阶次增加，例如干扰通道传递函数为两阶的，那么，就有两个时间常数7〃

及7A。按照根平面的分析，系统将增加两个附加极点-及m这样过渡过程的

幅值将缩小丁/L丁6倍。因此控制质量将进一步获得提高（如图1.5-3所示）。

结论：7,增大，对扰动起滤波作用，增大使系统受干扰作用缓慢。

有了上面的分析基础，讨论干扰从不同位置进入系统对被控变量的影响就不困难了。

图L5-4所示公、尸2及巴从不同的位置进入系统，如果干扰的幅值和形式都是相同的，显

然，它们对控制质量的影响程度依次为匕最大，尸2次之，而“3为最小。下面用图1.5-5来

由图1.5-5可看出，入对丫的影响依次要经过G03（S）、G02（S）、G0|（s）三个环节，如果

每一个环节都是一阶惯性环节的，则对干扰信号F3进行了三次滤波，它对被控变量的影响

会削弱得多，对被控变量的实际影响就会很小。而乙只经过•个环节G0|（s）就影响到丫,

它的影响被削弱的较少，因此它对被控变量影响最大。

（s）

上G°3（S）—G02（S）-GOl

F2（S）

G02（S）-G01（s）

3

Gc（s）9Gv（s）-G03（S）—G02（S）

图1.5-5干扰进入位置图等效方框图

由上述分析可得出如下结论：干扰通道的时间常数越大，各数越多，或者说干扰进入系

统的位置越远离被控变量而靠近控制阀，干扰对被控变量的影响就越小，系统的质量则越高。

3.纯滞后和的影响

在上面的分析中干扰通道时间常数对被控变量影响时，没有考虑到干扰通道具有纯滞后

的问题，如果考虑干扰通道具有纯滞后和那么干扰通道的传递函数为：

G：（s）==Gf（s）e-c（1.5-6）

，JI1

这样将（1-4）式改写成干扰通道具有纯滞后的闭环传递函数：

匕⑸二G-⑶厂

（L5-7）

而一l+G’GM"）

求取（1-4）与（1-9）在干扰作用下的过渡过程）'“）与儿

由控制理论中的滞后定理可以得出,（）、儿（/）之间的关系为:

yT（t）=

如图1.5-6所示

图1.5F干扰通道纯滞后的影响（1-无纯滞后「的影响：2-有纯滞后?"的影响）

结论：干扰通道具有纯滞后。对系统质量无影响（指反馈系统，前馈系统吃〈品无法

实现补偿模型），只是将响应推迟一段时间。

总结干扰通道特性对控制质量的影响，如表L5T所示。

表1.5-1调节通道特性对控制质量的影响

特性参数对静态质量的影响对动态质量的影响

余差增加无影响

.增加

无影响过渡过程时间减小，震荡幅值

7/增加

减小

无影响无影响

“增加

1.5.2调节通道特性Gp(s)对控制质量的影响

设调节通道传递函数为：G(s)=―—号——^讨论Gp(s)中的心、T。、r0三

(4]$+1)(九5+1)

个特性指标

1.放大倍数心的影响

放大倍数3对捽制质曷的影响要从静态和动态两个方面讲行分析。从静态方面分析，

由式(1-6)可以看出，控制系统的余差与干扰通道放大倍数成正比，与调节通道的放大倍

数成反比，因此当儿、却不变时，调节通道的放大倍数越大，调节系统的余差越小。

放大倍数心的变化不但会影响控制系统的静态控制质量，同时对系统的动态控制质量

也产生影响。对一个控制系统来说，在一定的稳定程度(即一定的衰减比)下，系统地开环

放大倍数是一个常数。系统的开环放大倍数是控制器放大倍数七.与广义对象调节通道放大

倍数是的乘积。也就是说特定的系统衰减比必须与控制器放大倍数原乘积的某特定数值对

应。在一定衰减要求之下，金减小，儿必须增大；金增大，《.必须减小。同时由于控制

器与广义对象相串联，z=匕40对系统稳定是定值，因此从系统为稳定性来讲的的大小无

影响。

2.调节通道的时间常数7。的影响

由图1-19可得出单回路控制系统的特征方程为：

i+Gc(5)Gp(5)=0(1-10)

为了便于分析起见，令G,G)=(,G(s)=———&——将G,(s)、G.G)代入

(。5+1)!几$+1)

式(1-10)得至ij：

丸+(£)[+£)2)s+1+kck()=0(1-11)

将式（1-11）化为标准二阶系统形式，得:

2

+&+几§+1+_0

^01^02

于是可得:

2T+k*

。,厂"i+九（1-12）

g二,r72M=TT

，(:l，02H02

由式（1-12）可求得:

1+&A^01+42

(1-13)

42

九(1+4欠0)

这里g为系统的自然震荡频率。根据控制原理可知，系统工作频率。尸与其自然震荡

频率6yo有如下关系:

%=8。(1-14)

由式（1-14）可看出，在《不变的情况下，g与成正比，即

(1-15)

从式（1-15）关系可知，不论北心心哪一个增大，都将会导致系统的工作频率降低。

而系统工作频率越低，则控制速度越慢。这就是说调节通道的时间常数7；越大，系统的工

作频率越低，控制速度越慢。这样就不能及时地克服干扰的影响，因而，系统地控制质量会

变差。

但调节通道的时间常数也不是越小越好。时间常数太小，系统的工作频率过高，系统

将变得过于灵敏，反而会影响控制系统地控制品质，会使系统的稳定性下降。大多数流最控

制系统的流量记录曲线波动的都比较厉害，就是由于流量对象时间常数比较小的原因所致。

3.调节通道纯滞后人的影响

调节通道纯滞后对控制质量的影响可用图1-24加以说明。

图中的曲线C是没有控制作用时系统在干扰作用下的反应曲线。如果X。未变送器的灵敏

度，那么，当调节通道没有纯滞后时，调节作用从。时刻

开始就对干扰起抑制作用，控制曲线为。。如果调节通道

存在有纯滞后入时，调节作用从。+汇。时刻才开始对干扰

起抑制作用，而在此之前，系统由于得不到及时控制，国

而被控变量只能任由干扰作用影响而不断上升（或卜降），

其控制曲线为E。显然，与调节通道没有纯滞后的情况相

比，此时的动态偏差将增大，系统的质量将变差。图1-24纯滞后影响示意图

同时，因为纯滞后的存在，使得控制器不能及时获得控制作用效果的反馈信息，因而控

制器不能根据反馈信息来调整自己的输出，当需要增加控制作用时会使控制作用增加的太多,

而一旦需要减少控制作用时则又会使控制作用减少得太多，控制器出现失控现象，因此导致

系统的震荡，使系统的稳定性降低。因此控制系统纯滞后的存在是系统的大忌，纯滞后的存

在会大大地恶化系统的调节质量，甚至会出现不稳定情况。因此，工程实践中应当尽量避免

调节通道出现纯滞后。

总结调节通道特性对控制质量的影响，如表1-2所示。

表1-3调节通道特性对控制质量的影响

特性参数对静态质量的影响对动态质量的影响

余差减小（稳定前提下）系统趋向于震荡

痣增加

无影响过渡过程时间增加，系统频率

增加

变慢

无影响稳定程度大大降低

%增加

1.6检测变送环节

检测变送环节的仟务是•对被控变后或其它有关参数作正确测最，并将它转换成统一信号

如（4~20mA）,测量变送环节的传递函数可表示为：G„（5）=—

7>+1

一般0一（）,图较小，为简化分析，有时也假设乙一O,这样当心=1时，可将控制系统

看成单位反馈系统（控制理论中经常这样描述）。

检测变送需注意的两点：

①。二变方舞翳围，因变送器采用模拟单元组合仪表，输出范围为定值（如

4-20mA）,则心与测量范围成反比，口越大，测量范围越小，测量精度越高。

②变送器的输出值与测量值的关系：

线性变送时：P变送器输出=（测量值/测量范围）（P变送器输出最大值-P变送

器输出最小值）+产变送器输出最小值

2

非线性变送（差压法测流量）时：P变送器输出=（测量值/测量范围）<P变送器输

出最大值，变送器输出最小值〉।/变送器愉出最小值

1.6.1关于测量误差

1.仪表本身误差

心增大可减小测量发差，但调节系统稳定性受影响，应与（配合。

2.安装不当引入误差

如，流量测量中，孔板装反；直管道不够：差压计引压管线有气泡等。

3.测量的动态误差

如温度测温元件，应尽量减小丁,“、k”,,成份分析应尽量减少乙,。

1.6.2测量信号的处理

1.对呈同周期性的脉动信号需进行低通滤波

2.对测量噪声需进行滤波

3.线性化处理

1.7执行器环节

1.7.1执行器概述

执行器是过程计算机控制系统中的一个重要组成部分。它的作用是接收控制器送来的控

制信号，改变被控介质的流量，从而将被控变量维持在所要求的数值上或一定的范围内。

执行器的动作是由调节器的输出信号通过各种执行机构来实现的。执行器由执行机构与

调节机构构成，在用电信号作为控制信号的控制系统中，目前广泛应用以下三种控制方式,

如图0.1所示。

调节器

调节器

调节器

图0.1执行器的构成及控制形式

执行器有各种不同的分类方法，其分类如下：

①按动力能源分类分为气动执行器、电动执行器、液动执行器,气动执行器利用压

缩空气作为能源，其特点是结构简单、动作可靠、平稳、输出推力较大、维修方便、防火防

爆，而且价格较低；它可以方便的与气动仪表配套使用，即使是采用电动仪表或计算机控制

时，只要经过电/气转换器或电/气阀门定位器，将电信号转换为0.02~0.IMPa的标准气压信

号，仍然可用气动执行器，

②按动作极性分类分为正作用执行器和反作用执行器。

③按动作行程分类分为角行程执行器和直行程执行器。

④按动作特性分类分为比例式执行器和积分式执行器。

在自控系统中，为使执行机构的输出满足一定精度的要求，在控制原理上常采用负反馈

闭环控制系统，将执行机构的位置输出作为反馈信号，和电动调节器的输出信号作比较，将

其差值经过放大用于驱动和控制执行机构的动作，使执行机构向消除差值的方向运动，最终

达到执行机构的位置输出和电动调节器的输出信号成线性关系。

在应用气动执行机构的场合卜.，采用电/气转换器和气动执行机构配套时，由于是开环

控制系统，只能用于控制精度要求不高的场合。当需要精度较高时，一般都采用电/气阀门

定位器和气动执行机构相配套，执行机构的输出位移通过凸轮杠杆反馈到阀门定位器内，利

用负反馈的工作原理，大大提高了气动调节阀的位置精度。因此，目前在自控系统中应用的

气动调节阀大多数都与阀门定位器配套使用。

智能电动执行器将伺服放大器与操作器转换成数字电路，而智能执行器则将所有的环节

集成，信号通过现场总线由变送器或操作站发来，可以取代调节器。

由于石油、化工等过程工业中的安全问题，所以大量使用的是气动执行器。下面主要介

绍气动执行器的特性及应用。

1.7.2气动执行器

气动执行器又称为气动调节阀，由气动执行机构和调节阀（控制机构）组成。如下图所示。

执行器上有标尺，用以指示执行器的动作行程。

1.气动执行机构

常见的气动执行机构有薄膜式和活塞式两大类。其中薄膜式执行机构最为常用，它可以

用作一般控制阀的推动装置，组成气动薄膜式执行器。气动薄膜式执行机构的信号压力p

作用于膜片，使其变形，带动膜片上的推杆移动，使阀芯产生位移，从而改变阀的开度。它

的结构简单、价格便宜、维修方便，应用广泛。气动活塞执行机构使活塞在气缸中移动产生

推力。显然，活塞式的输出力度远大于薄膜式，因此，薄膜式适用于输出力较小、精度较高

的场合；活塞式适用于输出力较大的场合，如大口径、高压降控制或蝶阀的推动装置。除有

薄膜式和活塞式之外，还有一种长行程执行机构，它的行程长、转矩大，适于输出角位移和

大力矩的场合。气动执行机构接收的信号标准为0.02~0.1MPao

气动薄膜执行机构输出的位移L与信号压力p的关系为：

「A

L=丁〃（2.D

K

式中，A为波纹膜片的有效面积，K为弹簧的刚度。推杆受压移动，使弹簧受压，当弹

簧的反作用力与推杆的作用力相等时，输出的位移L

与信号压力〃成正比。执行机构的输出（即推杆输出的/]

位移）也称行程。气动薄膜执行机构的行程规格有气

动

10mm、16mm、25mm>60mm、100mm。气动薄膜执执

行

行机构的输入、输出特性是非线性的，且存在正反行机

行程标尺构