自動化儀表與過程控制第六章概述

1、YXSH自動化儀表與過程控制自動化儀表與過程控制第第6 6章章 單回路調(diào)節(jié)系統(tǒng)設(shè)計單回路調(diào)節(jié)系統(tǒng)設(shè)計及調(diào)節(jié)器參數(shù)整定方法及調(diào)節(jié)器參數(shù)整定方法 單回路調(diào)節(jié)系統(tǒng)，一般指在一個調(diào)節(jié)對象上用一單回路調(diào)節(jié)系統(tǒng)，一般指在一個調(diào)節(jié)對象上用一個調(diào)節(jié)器來保持一個參數(shù)恒定，而調(diào)節(jié)器只接收一個個調(diào)節(jié)器來保持一個參數(shù)恒定，而調(diào)節(jié)器只接收一個測量信號，其輸出也只控制一個執(zhí)行機(jī)構(gòu)。測量信號，其輸出也只控制一個執(zhí)行機(jī)構(gòu)。YXSH自動化儀表與過程控制自動化儀表與過程控制6.1.1 單回路調(diào)節(jié)系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)單回路調(diào)節(jié)系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)液位調(diào)節(jié)系統(tǒng)液位調(diào)節(jié)系統(tǒng)貯槽是被控對象貯槽是被控對象LT為為液位變送器液位變送器，反映液位高低反映液位高低

2、L C 為 液為 液位調(diào)節(jié)器位調(diào)節(jié)器控制閥為控制閥為執(zhí)行器執(zhí)行器液位是被調(diào)參數(shù)液位是被調(diào)參數(shù)YXSH自動化儀表與過程控制自動化儀表與過程控制溫度調(diào)節(jié)系統(tǒng)溫度調(diào)節(jié)系統(tǒng)圖示的溫度調(diào)節(jié)系統(tǒng)，圖示的溫度調(diào)節(jié)系統(tǒng)，是通過改變進(jìn)入換熱器是通過改變進(jìn)入換熱器的載熱體流量，以維持的載熱體流量，以維持換熱器出口物料的溫度換熱器出口物料的溫度在工藝規(guī)定的數(shù)值上。在工藝規(guī)定的數(shù)值上。YXSH自動化儀表與過程控制自動化儀表與過程控制6.1.2 單回路調(diào)節(jié)系統(tǒng)的組成單回路調(diào)節(jié)系統(tǒng)的組成下圖單回路調(diào)節(jié)系統(tǒng)的典型框圖。對于不同對象下圖單回路調(diào)節(jié)系統(tǒng)的典型框圖。對于不同對象的單回路調(diào)節(jié)系統(tǒng)，盡管其具體裝置與變量不相同，的單回

3、路調(diào)節(jié)系統(tǒng)，盡管其具體裝置與變量不相同，但都可以用相同的框圖來表示，以便于對它們的共性但都可以用相同的框圖來表示，以便于對它們的共性進(jìn)行研究。進(jìn)行研究。 偏差偏差控制器控制器執(zhí)行器執(zhí)行器對象對象變送器變送器給定值給定值被調(diào)參數(shù)被調(diào)參數(shù)干擾干擾GC(s)GV(s)G0(s)GH(s)X(s)Y(s)F(s)YXSH自動化儀表與過程控制自動化儀表與過程控制過程控制實驗室過程控制實驗室控制裝置控制裝置YXSH自動化儀表與過程控制自動化儀表與過程控制 613 過程控制系統(tǒng)的性能指標(biāo)過程控制系統(tǒng)的性能指標(biāo)人們在實踐中發(fā)現(xiàn)，一個閉環(huán)調(diào)節(jié)系統(tǒng)的動態(tài)過人們在實踐中發(fā)現(xiàn)，一個閉環(huán)調(diào)節(jié)系統(tǒng)的動態(tài)過程和一個二階振蕩

4、環(huán)節(jié)十分相似。在研究一個自動調(diào)程和一個二階振蕩環(huán)節(jié)十分相似。在研究一個自動調(diào)節(jié)系統(tǒng)時，主要考慮干擾作用下的過程特性。能夠直節(jié)系統(tǒng)時，主要考慮干擾作用下的過程特性。能夠直觀地反映調(diào)節(jié)的效果，是我們最希望知道的過渡過程。觀地反映調(diào)節(jié)的效果，是我們最希望知道的過渡過程。評價一個調(diào)節(jié)系統(tǒng)的工作質(zhì)量，除了用靜態(tài)指標(biāo)外，評價一個調(diào)節(jié)系統(tǒng)的工作質(zhì)量，除了用靜態(tài)指標(biāo)外，還需用動態(tài)過程的性能指標(biāo)來衡量。還需用動態(tài)過程的性能指標(biāo)來衡量。 YXSH自動化儀表與過程控制自動化儀表與過程控制 1 穩(wěn)態(tài)指標(biāo)穩(wěn)態(tài)指標(biāo) 穩(wěn)態(tài)誤差穩(wěn)態(tài)誤差y，是指干擾是指干擾引起的過渡過程結(jié)束后，被引起的過渡過程結(jié)束后，被調(diào)量新的穩(wěn)態(tài)值調(diào)量新的

5、穩(wěn)態(tài)值y()。v 從抑制干擾的角度出發(fā)，從抑制干擾的角度出發(fā)，希望希望y 0，從調(diào)節(jié)的角度從調(diào)節(jié)的角度出發(fā)，希望出發(fā)，希望y與設(shè)定值與設(shè)定值r之差之差 0。 圖圖6-0 控制系統(tǒng)的階躍響應(yīng)控制系統(tǒng)的階躍響應(yīng)oty(t)yrYXSH自動化儀表與過程控制自動化儀表與過程控制 等于兩個相鄰的同相波等于兩個相鄰的同相波峰值之比。波動幅度衰峰值之比。波動幅度衰減的百分?jǐn)?shù)稱為減的百分?jǐn)?shù)稱為衰減率：衰減率： 圖圖6-0 控制系統(tǒng)的階躍響應(yīng)控制系統(tǒng)的階躍響應(yīng)oty(t)y 衡量一個振蕩過程衡量一個振蕩過程的衰減程度的指標(biāo)。的衰減程度的指標(biāo)。1 13 3yy yyy 1 11 13 31 12 衰減比指標(biāo)衰減比

6、指標(biāo)衰減比衰減比 y1y3YXSH自動化儀表與過程控制自動化儀表與過程控制%1001001 1 yy yyMDt3 超調(diào)指標(biāo)超調(diào)指標(biāo)最大動態(tài)偏差最大動態(tài)偏差y1 圖圖6-0 控制系統(tǒng)的階躍響應(yīng)控制系統(tǒng)的階躍響應(yīng)oty(t)yy1y3超調(diào)量超調(diào)量：最大動態(tài)偏差占被：最大動態(tài)偏差占被調(diào)量穩(wěn)態(tài)變化幅度的百分?jǐn)?shù)調(diào)量穩(wěn)態(tài)變化幅度的百分?jǐn)?shù)稱為超調(diào)量。稱為超調(diào)量。超調(diào)度超調(diào)度：過渡過程開始后：過渡過程開始后第一個波峰值與其新穩(wěn)態(tài)第一個波峰值與其新穩(wěn)態(tài)值之比。值之比。yDYXSH自動化儀表與過程控制自動化儀表與過程控制4 調(diào)節(jié)快速性指標(biāo)調(diào)節(jié)快速性指標(biāo)調(diào)節(jié)時間：調(diào)節(jié)時間：是從擾動開是從擾動開始到被調(diào)量進(jìn)入新穩(wěn)態(tài)

7、始到被調(diào)量進(jìn)入新穩(wěn)態(tài)值的值的5%范圍內(nèi)的這段范圍內(nèi)的這段時間時間ts。振蕩頻率：振蕩頻率：Z也可以作也可以作為衡量控制系統(tǒng)快速性為衡量控制系統(tǒng)快速性的指標(biāo)，這里的指標(biāo)，這里Z=2/TZ。 圖圖6-0 控制系統(tǒng)的階躍響應(yīng)控制系統(tǒng)的階躍響應(yīng)oty(t)yy1y3yDtstst1t3TZYXSH自動化儀表與過程控制自動化儀表與過程控制v最佳調(diào)節(jié)過程的標(biāo)準(zhǔn)：在階躍擾動作用下，保最佳調(diào)節(jié)過程的標(biāo)準(zhǔn)：在階躍擾動作用下，保證調(diào)節(jié)過程波動的衰減率證調(diào)節(jié)過程波動的衰減率=0.75（或更高）的前提下，或更高）的前提下，使過程的最大動態(tài)偏差、靜態(tài)誤差和調(diào)節(jié)時間最小。使過程的最大動態(tài)偏差、靜態(tài)誤差和調(diào)節(jié)時間最小。5

8、誤差積分指標(biāo)誤差積分指標(biāo)以上列舉的都是單項性能指標(biāo)。人們還時常用以上列舉的都是單項性能指標(biāo)。人們還時常用誤差積分指標(biāo)衡量控制系統(tǒng)性能的優(yōu)良程度。它是過誤差積分指標(biāo)衡量控制系統(tǒng)性能的優(yōu)良程度。它是過渡過程中被調(diào)量偏離其新穩(wěn)態(tài)值的誤差沿時間軸的積渡過程中被調(diào)量偏離其新穩(wěn)態(tài)值的誤差沿時間軸的積分。無論是誤差幅度大或是時間拖長都會使誤差積分分。無論是誤差幅度大或是時間拖長都會使誤差積分增大，因此它是一類綜合指標(biāo)。增大，因此它是一類綜合指標(biāo)。YXSH自動化儀表與過程控制自動化儀表與過程控制 （1 1） 誤差積分誤差積分（IE） 0 0dttIE)(式中，式中，(t) = y() - y(t) ，下同。下

9、同。 （2 2） 絕對誤差積分絕對誤差積分（IAE） dttIEA 0 0)(（3 3） 平方誤差積分平方誤差積分（ISE） 0 02 2dttISE)( （4 4） 時間與絕對誤差乘積積分時間與絕對誤差乘積積分（ITAE） dtttITAE 0 0)(YXSH自動化儀表與過程控制自動化儀表與過程控制生產(chǎn)過程中的復(fù)雜對象住往有多個干擾量，設(shè)生產(chǎn)過程中的復(fù)雜對象住往有多個干擾量，設(shè)干擾干擾f1、f2、f3分別在三個位置進(jìn)入系統(tǒng)。如圖分別在三個位置進(jìn)入系統(tǒng)。如圖6-2所所示的閉環(huán)系統(tǒng)。示的閉環(huán)系統(tǒng)。YXSH自動化儀表與過程控制自動化儀表與過程控制系統(tǒng)的運(yùn)算式為系統(tǒng)的運(yùn)算式為)()()()()()(

10、)()()()(sFsGsGsGsYsGsGsGsGsYcficc1 10 01 10 00 00 01 11 1 )()()()()()()()(sFsGsGsGsFsGsGsGcfcf3 30 03 30 02 20 02 20 01 11 1 3 31 10 00 00 00 01 11 1=)()()(+)(+)()()(+)()(=iicfiiccsFsGsGsGsYsGsGsGsGYXSH自動化儀表與過程控制自動化儀表與過程控制)()()(+)(+)()()(+)()(=)(=sFsGsGsGsYsGsGsGsGsYiicfiicc3 31 10 00 00 00 01 11 1控

11、制分量控制分量干擾分量干擾分量（6-1）控制系統(tǒng)控制系統(tǒng)Y (s)Fi (s)Yi (s)干擾通道干擾通道控制通道控制通道對于單回路控對于單回路控制系統(tǒng)，其輸出為制系統(tǒng)，其輸出為Y(s)；輸入有兩類：輸入有兩類：干擾輸入干擾輸入Fi (s)， 控控制輸入制輸入Yi (s) 。如圖。如圖所示。所示。YXSH自動化儀表與過程控制自動化儀表與過程控制式中式中 Gc(s) 為調(diào)節(jié)器傳遞函數(shù)。為調(diào)節(jié)器傳遞函數(shù)。 G0(s) = G01(s) G02(s) G03(s) = G0f3(s) 對象傳函對象傳函 G0f2(s) = G01(s) G02(s) G0f1(s) = G01(s) )()()(+)

12、(+)()()(+)()(=)(=sFsGsGsGsYsGsGsGsGsYiicfiicc3 31 10 00 00 00 01 11 1YXSH自動化儀表與過程控制自動化儀表與過程控制)()()(+)(+)()()(+)()(=)(=sFsGsGsGsYsGsGsGsGsYiicfiicc3 31 10 00 00 00 01 11 1由于給定值由于給定值yi在調(diào)節(jié)系統(tǒng)中一般保持不變，系統(tǒng)在調(diào)節(jié)系統(tǒng)中一般保持不變，系統(tǒng)的運(yùn)動由（的運(yùn)動由（6-1）式右邊第二項決定。）式右邊第二項決定。 各個干擾通道的閉環(huán)傳遞函數(shù)分子不同，各各個干擾通道的閉環(huán)傳遞函數(shù)分子不同，各干擾量對調(diào)節(jié)質(zhì)量的影響也不同。干

13、擾量對調(diào)節(jié)質(zhì)量的影響也不同。 621 干擾通道動特性對調(diào)節(jié)質(zhì)量的影響干擾通道動特性對調(diào)節(jié)質(zhì)量的影響YXSH自動化儀表與過程控制自動化儀表與過程控制v最大動態(tài)偏差及靜差可能不相同最大動態(tài)偏差及靜差可能不相同v調(diào)節(jié)器用了積分作用，則靜差為零；若無積分調(diào)節(jié)器用了積分作用，則靜差為零；若無積分作用，則存在靜差作用，則存在靜差)()()(+)(+)()()(+)()(=)(=sFsGsGsGsYsGsGsGsGsYiicfiicc3 31 10 00 00 00 01 11 1 各干擾通道閉環(huán)傳遞函數(shù)的分母是一樣的，各干擾通道閉環(huán)傳遞函數(shù)的分母是一樣的，即系統(tǒng)的特征方程式都一樣。即系統(tǒng)的特征方程式都一樣

14、。v不管是哪一個干擾量，系統(tǒng)的穩(wěn)定程度、過渡不管是哪一個干擾量，系統(tǒng)的穩(wěn)定程度、過渡過程的衰減系數(shù)、振蕩周期等也一樣。過程的衰減系數(shù)、振蕩周期等也一樣。YXSH自動化儀表與過程控制自動化儀表與過程控制1 干擾通道參數(shù)的影響干擾通道參數(shù)的影響為討論方便，設(shè)對象串聯(lián)環(huán)節(jié)都是一階慣性環(huán)為討論方便，設(shè)對象串聯(lián)環(huán)節(jié)都是一階慣性環(huán)節(jié)，考慮節(jié)，考慮f1作用時的情況作用時的情況sffccfesTKsGsGsGsGsGsFsY-+)()(+=)()(+)(=)()(1 11 11 11 10 00 01 11 1干擾通道的傳涵干擾通道的傳涵YXSH自動化儀表與過程控制自動化儀表與過程控制（1 1） 放大系數(shù)放大

15、系數(shù)Kf的的影響影響影響著干擾加在系統(tǒng)上的幅值。影響著干擾加在系統(tǒng)上的幅值。vKf愈大，系統(tǒng)的靜差也愈大。希望愈大，系統(tǒng)的靜差也愈大。希望Kf越小越好，越小越好，這樣可使靜差減小，控制精度提高。這樣可使靜差減小，控制精度提高。（2 2） 時間時間常數(shù)常數(shù)Tf 的影響的影響sffcesTKsGsGsFsY-+)()(+=)()(1 11 11 10 01 11 11 1+sTf是慣性環(huán)節(jié)，對干擾是慣性環(huán)節(jié)，對干擾F F( (s s) )具有一定的濾波具有一定的濾波作用，使控制過程最大偏差隨著作用，使控制過程最大偏差隨著Tf的增大而減小。的增大而減小。YXSH自動化儀表與過程控制自動化儀表與過程控

16、制同理，如果干擾通道增加為兩個慣性環(huán)節(jié)，則同理，如果干擾通道增加為兩個慣性環(huán)節(jié)，則干擾的動態(tài)分量經(jīng)過兩級濾波將更大地減小。干擾的動態(tài)分量經(jīng)過兩級濾波將更大地減小。v干擾通道的時間常數(shù)干擾通道的時間常數(shù)Tf 的增加，可以使最大動的增加，可以使最大動態(tài)偏差減小，這也是希望的。態(tài)偏差減小，這也是希望的。sffcesTKsGsGsFsY-+)()(+=)()(1 11 11 10 01 1（3 3）純滯后的影響）純滯后的影響當(dāng)干擾通道存在純滯后當(dāng)干擾通道存在純滯后時，調(diào)節(jié)系統(tǒng)的被調(diào)參時，調(diào)節(jié)系統(tǒng)的被調(diào)參數(shù)為數(shù)為YXSH自動化儀表與過程控制自動化儀表與過程控制 y(t) = y(t -)僅僅使調(diào)節(jié)過程沿

17、著時間軸平移了一個僅僅使調(diào)節(jié)過程沿著時間軸平移了一個的距離。的距離。v干擾通道出現(xiàn)純滯后并不影響調(diào)節(jié)質(zhì)量。干擾通道出現(xiàn)純滯后并不影響調(diào)節(jié)質(zhì)量。2 干擾進(jìn)入位置的影響干擾進(jìn)入位置的影響對于對于f1、f2、f3這三個干擾分別發(fā)生階躍變化所引這三個干擾分別發(fā)生階躍變化所引起的被調(diào)參數(shù)的反應(yīng)曲線（開環(huán)），可分別用圖起的被調(diào)參數(shù)的反應(yīng)曲線（開環(huán)），可分別用圖6-3的的a1、a2、a3表示。表示。YXSH自動化儀表與過程控制自動化儀表與過程控制由圖由圖6-3比較三種情況可知：比較三種情況可知： 當(dāng)干擾作用點(diǎn)的位置離測量點(diǎn)近，則動差大當(dāng)干擾作用點(diǎn)的位置離測量點(diǎn)近，則動差大設(shè)這里用位式調(diào)節(jié)器設(shè)這里用位式調(diào)節(jié)器

18、yx為調(diào)節(jié)器的靈敏限為調(diào)節(jié)器的靈敏限b表示調(diào)節(jié)器所產(chǎn)生的反饋校正作用，以反向畫出表示調(diào)節(jié)器所產(chǎn)生的反饋校正作用，以反向畫出當(dāng)被調(diào)參量上升到當(dāng)被調(diào)參量上升到y(tǒng)x時時被調(diào)參數(shù)在調(diào)節(jié)作用影響下沿著曲線被調(diào)參數(shù)在調(diào)節(jié)作用影響下沿著曲線C變化變化信號為調(diào)節(jié)器所感受，調(diào)節(jié)器發(fā)出控制信號信號為調(diào)節(jié)器所感受，調(diào)節(jié)器發(fā)出控制信號YXSH自動化儀表與過程控制自動化儀表與過程控制由于各干擾量和被調(diào)節(jié)量通道間傳遞函數(shù)不同引由于各干擾量和被調(diào)節(jié)量通道間傳遞函數(shù)不同引起的，即起的，即f1通道的慣性小，受干擾后被調(diào)參數(shù)變化速通道的慣性小，受干擾后被調(diào)參數(shù)變化速度快；度快；而調(diào)節(jié)器作用的通道慣性大，要經(jīng)過三個環(huán)節(jié)，而調(diào)節(jié)器作

19、用的通道慣性大，要經(jīng)過三個環(huán)節(jié)，控制被調(diào)參數(shù)的變化速度要慢得多，當(dāng)調(diào)節(jié)作用見控制被調(diào)參數(shù)的變化速度要慢得多，當(dāng)調(diào)節(jié)作用見效時，被調(diào)參數(shù)已經(jīng)變化不少了。效時，被調(diào)參數(shù)已經(jīng)變化不少了。YXSH自動化儀表與過程控制自動化儀表與過程控制若干擾直接從測量點(diǎn)進(jìn)入系統(tǒng)，那么調(diào)節(jié)過程若干擾直接從測量點(diǎn)進(jìn)入系統(tǒng)，那么調(diào)節(jié)過程的超調(diào)量與沒有調(diào)節(jié)時完全一樣，調(diào)節(jié)器不能及時起的超調(diào)量與沒有調(diào)節(jié)時完全一樣，調(diào)節(jié)器不能及時起克服干擾的作用?？朔蓴_的作用。 干擾作用點(diǎn)向離開測量點(diǎn)方向移動，干擾通干擾作用點(diǎn)向離開測量點(diǎn)方向移動，干擾通道的容量滯后增加，調(diào)節(jié)質(zhì)量變好。從這個意義上說，道的容量滯后增加，調(diào)節(jié)質(zhì)量變好。從這個意義

20、上說，如果干擾和調(diào)節(jié)作用一道進(jìn)入系統(tǒng)，系統(tǒng)調(diào)節(jié)質(zhì)量最如果干擾和調(diào)節(jié)作用一道進(jìn)入系統(tǒng)，系統(tǒng)調(diào)節(jié)質(zhì)量最好。好。 YXSH自動化儀表與過程控制自動化儀表與過程控制622 調(diào)節(jié)通道動特性對調(diào)節(jié)質(zhì)量的影響調(diào)節(jié)通道動特性對調(diào)節(jié)質(zhì)量的影響)()()(+)(+)()()(+)()(=)(=sFsGsGsGsYsGsGsGsGsYiicfiicc3 31 10 00 00 00 01 11 1調(diào)節(jié)通道包括調(diào)節(jié)器、執(zhí)行器、被控對象、變調(diào)節(jié)通道包括調(diào)節(jié)器、執(zhí)行器、被控對象、變送器，調(diào)節(jié)器的影響在下一節(jié)介紹，變送器的影響送器，調(diào)節(jié)器的影響在下一節(jié)介紹，變送器的影響稍后介紹，這里僅介紹對象（含執(zhí)行器）特性對調(diào)稍后介紹，

21、這里僅介紹對象（含執(zhí)行器）特性對調(diào)節(jié)質(zhì)量的影響。節(jié)質(zhì)量的影響。1 對象參數(shù)的影響對象參數(shù)的影響（1 1） 放大系數(shù)放大系數(shù)K0的的影響影響YXSH自動化儀表與過程控制自動化儀表與過程控制)()()(+)(+)()()(+)()(=)(=sFsGsGsGsYsGsGsGsGsYiicfiicc3 31 10 00 00 00 01 11 1在調(diào)節(jié)器放大系數(shù)在調(diào)節(jié)器放大系數(shù)Kc一定的條件下：一定的條件下：vK0越大，控制作用越強(qiáng)，克服擾動的能力也越越大，控制作用越強(qiáng)，克服擾動的能力也越強(qiáng)，系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)誤差就越??；強(qiáng)，系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)誤差就越??；vK0越大，被調(diào)參數(shù)對控制作用的反應(yīng)越靈敏，越大，被調(diào)參數(shù)對控

22、制作用的反應(yīng)越靈敏，相約迅速；相約迅速；v但但K0越大，對系統(tǒng)的閉環(huán)穩(wěn)定性越不利。越大，對系統(tǒng)的閉環(huán)穩(wěn)定性越不利。YXSH自動化儀表與過程控制自動化儀表與過程控制yi（2 2）純滯后的影響）純滯后的影響v使超調(diào)量將會增加，調(diào)節(jié)質(zhì)量變壞使超調(diào)量將會增加，調(diào)節(jié)質(zhì)量變壞如圖如圖6-5所示，設(shè)曲線所示，設(shè)曲線1為對象的飛升特性。為對象的飛升特性。y變化到變化到A點(diǎn)，沿點(diǎn)，沿C1曲線下降曲線下降yi =(t) y滯后滯后1 y() 調(diào)節(jié)器開始作調(diào)節(jié)器開始作用用又又經(jīng)過經(jīng)過1 11YXSH自動化儀表與過程控制自動化儀表與過程控制因此，不論調(diào)節(jié)作因此，不論調(diào)節(jié)作用如何強(qiáng)烈，調(diào)節(jié)過程用如何強(qiáng)烈，調(diào)節(jié)過程中的最

23、大偏差不可能再中的最大偏差不可能再比比A點(diǎn)的點(diǎn)的y值更小。這個值更小。這個值是由對象的這種純滯值是由對象的這種純滯后所造成的。后所造成的。若對象的其它參量若對象的其它參量不變，純滯后增大為不變，純滯后增大為2，如圖中曲線如圖中曲線2。B點(diǎn)的值點(diǎn)的值高于高于A點(diǎn)。點(diǎn)。yiYXSH自動化儀表與過程控制自動化儀表與過程控制（3 3）時間常數(shù)的影響）時間常數(shù)的影響圖圖6-5中曲線中曲線3純滯后為純滯后為2（與曲線與曲線2相同），而相同），而曲線曲線3時間常數(shù)大，曲線的斜率小。其最大偏差時間常數(shù)大，曲線的斜率小。其最大偏差C點(diǎn)點(diǎn)的的y值要比值要比B點(diǎn)小。點(diǎn)小。v 一般來說，時間常數(shù)大，一般來說，時間常數(shù)

24、大，反應(yīng)速度慢，需較長的過渡反應(yīng)速度慢，需較長的過渡過程時間，但過程平穩(wěn)，時過程時間，但過程平穩(wěn)，時間常數(shù)小，反應(yīng)快，過渡過間常數(shù)小，反應(yīng)快，過渡過程時間相應(yīng)減小。時間常數(shù)程時間相應(yīng)減小。時間常數(shù)過小，易引起振蕩和超調(diào)。過小，易引起振蕩和超調(diào)。 yiYXSH自動化儀表與過程控制自動化儀表與過程控制2 對象的自平衡特性與控制性能的關(guān)系對象的自平衡特性與控制性能的關(guān)系（1 1） 自衡對象的控制性能更佳自衡對象的控制性能更佳控制的難易稱為對象的控制性能。有自平衡特性控制的難易稱為對象的控制性能。有自平衡特性的對象，在其內(nèi)部物料或能量的平衡被破壞后能自己的對象，在其內(nèi)部物料或能量的平衡被破壞后能自己穩(wěn)

25、定在一個新的平衡點(diǎn)，穩(wěn)定在一個新的平衡點(diǎn)，所以這種對象的控制性能所以這種對象的控制性能更佳。如圖更佳。如圖6-4所示的水槽所示的水槽水位的變化。水位的變化。YXSH自動化儀表與過程控制自動化儀表與過程控制（2 2） 無自衡特性對象的控制性能差無自衡特性對象的控制性能差無自平衡特性的對象，當(dāng)輸入或輸出的平衡破無自平衡特性的對象，當(dāng)輸入或輸出的平衡破壞后，被調(diào)量就一直變化下去，例如，鍋爐汽包水位壞后，被調(diào)量就一直變化下去，例如，鍋爐汽包水位調(diào)節(jié)可以看作沒有自平衡的對象。調(diào)節(jié)可以看作沒有自平衡的對象。無自平衡特性的對象控制性能就差些，而且有無自平衡特性的對象控制性能就差些，而且有些調(diào)節(jié)器（如積分調(diào)節(jié)

26、器）就不能采用，因為系統(tǒng)不些調(diào)節(jié)器（如積分調(diào)節(jié)器）就不能采用，因為系統(tǒng)不穩(wěn)定。穩(wěn)定。YXSH自動化儀表與過程控制自動化儀表與過程控制（3 3）負(fù)自衡對象的控制性能更差）負(fù)自衡對象的控制性能更差有時也會通到具有負(fù)自平衡的對象。例如，內(nèi)有時也會通到具有負(fù)自平衡的對象。例如，內(nèi)燃機(jī)和磨煤機(jī)的負(fù)荷控制中，因為在對象內(nèi)部發(fā)生了燃機(jī)和磨煤機(jī)的負(fù)荷控制中，因為在對象內(nèi)部發(fā)生了正反饋，對象輸出增大時引起對象輸入進(jìn)一步增加。正反饋，對象輸出增大時引起對象輸入進(jìn)一步增加。對這樣的工作情況來說，沒有一個穩(wěn)定點(diǎn)，被調(diào)量將對這樣的工作情況來說，沒有一個穩(wěn)定點(diǎn)，被調(diào)量將一直變化到極限值。顯然，這種具有負(fù)自平衡特性的一直變

27、化到極限值。顯然，這種具有負(fù)自平衡特性的對象的控制性能就更差了。對象的控制性能就更差了。 YXSH自動化儀表與過程控制自動化儀表與過程控制3 測量元件特性的影響測量元件特性的影響（1 1） 時間常數(shù)的影響時間常數(shù)的影響測量元件，特別是測溫元件，由于存在熱阻和熱測量元件，特別是測溫元件，由于存在熱阻和熱容，它本身具有一定的時間常數(shù)，因而造成測量滯后。容，它本身具有一定的時間常數(shù)，因而造成測量滯后。若被調(diào)量若被調(diào)量y作階躍變作階躍變化時，測量值化時，測量值z慢慢慢慢靠近靠近y ，顯然，前一，顯然，前一段兩者差距很大段兩者差距很大若若y作遞增變作遞增變化，而化，而z則一則一直跟不上去，直跟不上去，總

28、存在著偏差總存在著偏差若若y作周期性變化，作周期性變化，z的振蕩幅值將比的振蕩幅值將比y減小，而且落后減小，而且落后一個相位一個相位YXSH自動化儀表與過程控制自動化儀表與過程控制v控制系統(tǒng)中的測量元件時間常數(shù)不能太大，最好控制系統(tǒng)中的測量元件時間常數(shù)不能太大，最好選用惰性小的快速測量元件。選用惰性小的快速測量元件。（2）純滯后的影響）純滯后的影響v當(dāng)測量存在純滯后時，也和對象控制通道存在純當(dāng)測量存在純滯后時，也和對象控制通道存在純滯后一樣，會嚴(yán)重地影響控制質(zhì)量。滯后一樣，會嚴(yán)重地影響控制質(zhì)量。測量的純滯后有時是由于測量元件安裝位置引起測量的純滯后有時是由于測量元件安裝位置引起的。例如下圖的的

29、。例如下圖的pH值控制系統(tǒng)。值控制系統(tǒng)。YXSH自動化儀表與過程控制自動化儀表與過程控制22110vlvl被測變量是被測變量是中和槽出口中和槽出口處的處的PH值值測量電極卻測量電極卻安裝在遠(yuǎn)離安裝在遠(yuǎn)離中和槽的管中和槽的管道出口處道出口處造成的純滯后為：造成的純滯后為：YXSH自動化儀表與過程控制自動化儀表與過程控制6.2.3 調(diào)節(jié)方案的確定調(diào)節(jié)方案的確定1 選擇測量參數(shù)（被調(diào)量）選擇測量參數(shù)（被調(diào)量）（1） 選擇依據(jù)選擇依據(jù)q充分考慮生產(chǎn)工藝的要求充分考慮生產(chǎn)工藝的要求q找出影響生產(chǎn)的關(guān)鍵變量作為被調(diào)量找出影響生產(chǎn)的關(guān)鍵變量作為被調(diào)量 影響一個生產(chǎn)過程正常操作的因素是很多，必影響一個生產(chǎn)過程

30、正常操作的因素是很多，必須找出影響生產(chǎn)的關(guān)鍵變量作為被調(diào)量。須找出影響生產(chǎn)的關(guān)鍵變量作為被調(diào)量。所謂所謂“關(guān)鍵關(guān)鍵”變量，是指這些變量對產(chǎn)品的產(chǎn)變量，是指這些變量對產(chǎn)品的產(chǎn)量、質(zhì)量以及安全具有決定性的作用。量、質(zhì)量以及安全具有決定性的作用。YXSH自動化儀表與過程控制自動化儀表與過程控制（2）控制型式的考慮控制型式的考慮q直接指標(biāo)控制直接指標(biāo)控制 被調(diào)量本身就是需要控制的工藝指標(biāo)（溫度、壓被調(diào)量本身就是需要控制的工藝指標(biāo)（溫度、壓力、流量、液位、成分等）。力、流量、液位、成分等）。q間接指標(biāo)控制間接指標(biāo)控制 如果工藝是按質(zhì)量指標(biāo)進(jìn)行控制的，但有時缺乏如果工藝是按質(zhì)量指標(biāo)進(jìn)行控制的，但有時缺乏各

31、種合適的獲取質(zhì)量信號的檢測手段，或雖能檢測，各種合適的獲取質(zhì)量信號的檢測手段，或雖能檢測，但信號很微弱或滯后很大，這時可選取與直接質(zhì)量指但信號很微弱或滯后很大，這時可選取與直接質(zhì)量指標(biāo)有單值對應(yīng)關(guān)系而反應(yīng)又快的另一變量，作為間接標(biāo)有單值對應(yīng)關(guān)系而反應(yīng)又快的另一變量，作為間接控制指標(biāo)，進(jìn)行間接指標(biāo)控制。控制指標(biāo)，進(jìn)行間接指標(biāo)控制。YXSH自動化儀表與過程控制自動化儀表與過程控制 工作原理工作原理利用被分離物各組分利用被分離物各組分的揮發(fā)度不同，把混合物的揮發(fā)度不同，把混合物中的各組分進(jìn)行分離。中的各組分進(jìn)行分離。 直接控制指標(biāo)直接控制指標(biāo)假定該精餾塔的操作假定該精餾塔的操作是要使塔頂（或塔底）餾

32、是要使塔頂（或塔底）餾出物達(dá)到規(guī)定的純度，那出物達(dá)到規(guī)定的純度，那么塔頂（或塔底）餾出物么塔頂（或塔底）餾出物的組分的組分xD（或或xW）應(yīng)作為應(yīng)作為被調(diào)量。被調(diào)量。例例 1 下圖是精餾下圖是精餾過程的示意圖。過程的示意圖。YXSH自動化儀表與過程控制自動化儀表與過程控制 間接控制指標(biāo)間接控制指標(biāo)如果檢測塔頂餾出物如果檢測塔頂餾出物的組分的組分xD（或或xW）尚有困尚有困難，或滯后太大，那么就難，或滯后太大，那么就不能直接以不能直接以xD（或或xW）作作為被調(diào)量進(jìn)行直接指標(biāo)控為被調(diào)量進(jìn)行直接指標(biāo)控制。制?？梢栽谂c可以在與xD（或或xW）有關(guān)的參數(shù)中找出合適的有關(guān)的參數(shù)中找出合適的變量作為被調(diào)量

33、，進(jìn)行間變量作為被調(diào)量，進(jìn)行間接指標(biāo)控制。接指標(biāo)控制。YXSH自動化儀表與過程控制自動化儀表與過程控制 控制間接指標(biāo)的確定控制間接指標(biāo)的確定在二元系統(tǒng)的精餾中，當(dāng)氣液兩相并存時，塔頂在二元系統(tǒng)的精餾中，當(dāng)氣液兩相并存時，塔頂易揮發(fā)組分的濃度易揮發(fā)組分的濃度xD，在壓力恒定時，和溫度在壓力恒定時，和溫度TD之間之間存在有單值對應(yīng)的關(guān)系。存在有單值對應(yīng)的關(guān)系。q選溫度為控制間接指標(biāo)選溫度為控制間接指標(biāo)左圖所示為苯、甲苯二元左圖所示為苯、甲苯二元系統(tǒng)中易揮發(fā)組分苯的百分濃系統(tǒng)中易揮發(fā)組分苯的百分濃度與溫度之間的關(guān)系。度與溫度之間的關(guān)系?？蛇x溫度為控制指標(biāo)來間可選溫度為控制指標(biāo)來間接反映接反映苯的百分

34、濃度。苯的百分濃度。 YXSH自動化儀表與過程控制自動化儀表與過程控制q選壓力為控制間接指標(biāo)選壓力為控制間接指標(biāo)當(dāng)溫度當(dāng)溫度TD恒定時，組分恒定時，組分xD和壓力和壓力p之間也存在著單之間也存在著單值對應(yīng)關(guān)系，如右圖所示。值對應(yīng)關(guān)系，如右圖所示?？蛇x壓力可選壓力為控制指標(biāo)。為控制指標(biāo)。v在規(guī)定的壓力下，才在規(guī)定的壓力下，才易于保證塔的分離純度。從易于保證塔的分離純度。從工藝合理性考慮，常常選擇工藝合理性考慮，常常選擇溫度作為被調(diào)量。溫度作為被調(diào)量。YXSH自動化儀表與過程控制自動化儀表與過程控制（3）在選擇被控變量時，還必須使所選變量有在選擇被控變量時，還必須使所選變量有足夠的靈敏度足夠的靈敏

35、度上例中，當(dāng)上例中，當(dāng)xD變化時，溫度變化時，溫度TD的變化必須靈敏，的變化必須靈敏，有足夠大的變化，容易被測量元件所感受，且使相應(yīng)有足夠大的變化，容易被測量元件所感受，且使相應(yīng)的測量儀表比較簡單、便宜。的測量儀表比較簡單、便宜。（4） 考慮被控變量間的獨(dú)立性考慮被控變量間的獨(dú)立性上例中，若塔頂、塔底的產(chǎn)品純度都需控制在，上例中，若塔頂、塔底的產(chǎn)品純度都需控制在，可在塔頂、塔底分別設(shè)置溫控系統(tǒng)。但塔頂、塔底的可在塔頂、塔底分別設(shè)置溫控系統(tǒng)。但塔頂、塔底的溫度會相互干擾，存在關(guān)聯(lián)問題。溫度會相互干擾，存在關(guān)聯(lián)問題。v所以采用單回路控制系統(tǒng)時，通常只能保證塔頂所以采用單回路控制系統(tǒng)時，通常只能保證

36、塔頂或塔底一端的產(chǎn)品質(zhì)量?；蛩滓欢说漠a(chǎn)品質(zhì)量。YXSH自動化儀表與過程控制自動化儀表與過程控制v如果工藝要求塔頂和塔底產(chǎn)品純度都要保證，則如果工藝要求塔頂和塔底產(chǎn)品純度都要保證，則通常需要組成復(fù)雜控制系統(tǒng)，增加通常需要組成復(fù)雜控制系統(tǒng)，增加解耦解耦裝置，解決相裝置，解決相互關(guān)聯(lián)問題?；リP(guān)聯(lián)問題。（5） 選擇被控變量的一般原則選擇被控變量的一般原則q選重要變量選重要變量被控變量應(yīng)能代表一定的工藝操被控變量應(yīng)能代表一定的工藝操作指標(biāo)或能反映工藝操作狀態(tài)，是比較重要的變量。作指標(biāo)或能反映工藝操作狀態(tài)，是比較重要的變量。q選易操作變量選易操作變量被控變量經(jīng)常要受到一些干擾被控變量經(jīng)常要受到一些干擾影

37、響而變化。為維持被控變量的恒定，需要較頻繁的影響而變化。為維持被控變量的恒定，需要較頻繁的調(diào)節(jié)。調(diào)節(jié)。YXSH自動化儀表與過程控制自動化儀表與過程控制q正確選擇正確選擇控制型式控制型式盡量采用直接指標(biāo)作為盡量采用直接指標(biāo)作為被控變量。當(dāng)無法獲得直接指標(biāo)信號，或其測量和變被控變量。當(dāng)無法獲得直接指標(biāo)信號，或其測量和變送信號滯后很大時，可選擇與直接指標(biāo)有單值對應(yīng)關(guān)送信號滯后很大時，可選擇與直接指標(biāo)有單值對應(yīng)關(guān)系的間接指標(biāo)作為被控變量。系的間接指標(biāo)作為被控變量。q選靈敏度高的變量選靈敏度高的變量被控變量應(yīng)能被測量出被控變量應(yīng)能被測量出來，并具有足夠大的靈敏度。來，并具有足夠大的靈敏度。q合理性和可能

38、性合理性和可能性選擇被控變量時，必須考選擇被控變量時，必須考慮工藝合理性和國內(nèi)儀表產(chǎn)品現(xiàn)狀。慮工藝合理性和國內(nèi)儀表產(chǎn)品現(xiàn)狀。q獨(dú)立性獨(dú)立性被控變量應(yīng)是獨(dú)立可控的。被控變量應(yīng)是獨(dú)立可控的。YXSH自動化儀表與過程控制自動化儀表與過程控制2 選擇調(diào)節(jié)量（控制介質(zhì)）選擇調(diào)節(jié)量（控制介質(zhì)）用來克服干擾對被控變量的影響，實現(xiàn)控制作用用來克服干擾對被控變量的影響，實現(xiàn)控制作用的變量稱為的變量稱為調(diào)節(jié)量調(diào)節(jié)量。最常見的調(diào)節(jié)量是介質(zhì)的流量。最常見的調(diào)節(jié)量是介質(zhì)的流量。此外，也有以轉(zhuǎn)速、電壓等作為調(diào)節(jié)量的。此外，也有以轉(zhuǎn)速、電壓等作為調(diào)節(jié)量的。熱載體的流量熱載體的流量出口流體的流量出口流體的流量YXSH自動化儀

39、表與過程控制自動化儀表與過程控制（1） 調(diào)節(jié)量的確定調(diào)節(jié)量的確定被控變量選定以后，應(yīng)對工藝進(jìn)行分析，找出有被控變量選定以后，應(yīng)對工藝進(jìn)行分析，找出有哪些因素會影響被調(diào)量的變化。一般來說，影響被調(diào)哪些因素會影響被調(diào)量的變化。一般來說，影響被調(diào)量的外部輸入往往有若干個而不是一個，在這些輸入量的外部輸入往往有若干個而不是一個，在這些輸入中，有些是可控（可以調(diào)節(jié)）的，有些是不可控的。中，有些是可控（可以調(diào)節(jié)）的，有些是不可控的。q諸多影響被控變量的輸入中選擇一個對被調(diào)量影諸多影響被控變量的輸入中選擇一個對被調(diào)量影響顯著且可控的，作為調(diào)節(jié)量；響顯著且可控的，作為調(diào)節(jié)量；q其它未被選中的所有輸入量則視為系

40、統(tǒng)的干擾。其它未被選中的所有輸入量則視為系統(tǒng)的干擾。YXSH自動化儀表與過程控制自動化儀表與過程控制q根據(jù)工藝要求，根據(jù)工藝要求，選擇提餾段某塊塔板選擇提餾段某塊塔板（靈敏板）的溫度作（靈敏板）的溫度作為被調(diào)量。那么，自為被調(diào)量。那么，自動控制系統(tǒng)的任務(wù)就動控制系統(tǒng)的任務(wù)就是通過維持靈敏板上是通過維持靈敏板上溫度恒定，來保證塔溫度恒定，來保證塔底產(chǎn)品的成分滿足工底產(chǎn)品的成分滿足工藝要求。藝要求。例例2 左圖是常見左圖是常見的精餾設(shè)備。的精餾設(shè)備。YXSH自動化儀表與過程控制自動化儀表與過程控制q影響提餾段靈敏板溫度影響提餾段靈敏板溫度T靈靈的因素主要有：的因素主要有：進(jìn)料的流量（進(jìn)料的流量（Q

41、入入）成分（成分（ x入入）溫度（溫度（T入入）回流的流量（回流的流量（Q回回）回流液溫度（回流液溫度（T回回）加熱蒸汽流量（加熱蒸汽流量（Q蒸蒸）冷凝器冷卻溫度及塔壓等等。冷凝器冷卻溫度及塔壓等等。YXSH自動化儀表與過程控制自動化儀表與過程控制q先將這些影響因素分為可控的和不可控的兩大類：先將這些影響因素分為可控的和不可控的兩大類：只有回流量和蒸汽流量為可控因素只有回流量和蒸汽流量為可控因素其它一般為不可控因素其它一般為不可控因素當(dāng)然，在不可控因素中，有些也是可以調(diào)節(jié)的，當(dāng)然，在不可控因素中，有些也是可以調(diào)節(jié)的，例如例如Q入入、塔壓等，只是工藝上一般不允許用這些變、塔壓等，只是工藝上一般不

42、允許用這些變量去控制塔的溫度（量去控制塔的溫度（因為因為Q入入的波動意味著生產(chǎn)負(fù)荷的波動意味著生產(chǎn)負(fù)荷的波動；塔壓的波動意味著塔的工況不穩(wěn)定，并會破的波動；塔壓的波動意味著塔的工況不穩(wěn)定，并會破壞溫度與成分的單值對應(yīng)關(guān)系，這些都是不允許的）。壞溫度與成分的單值對應(yīng)關(guān)系，這些都是不允許的）。YXSH自動化儀表與過程控制自動化儀表與過程控制q通常應(yīng)選擇蒸汽流量作為調(diào)節(jié)量通常應(yīng)選擇蒸汽流量作為調(diào)節(jié)量在兩個可控因素中，在兩個可控因素中，蒸汽流量對提餾段溫度蒸汽流量對提餾段溫度影響比起回流量對提餾影響比起回流量對提餾段溫度影響來說更及時、段溫度影響來說更及時、更顯著。更顯著。從節(jié)能角度來講，從節(jié)能角度來

43、講，控制蒸汽流量比控制回控制蒸汽流量比控制回流量消耗的能量要小。流量消耗的能量要小。YXSH自動化儀表與過程控制自動化儀表與過程控制例例3 圖圖6-6是噴霧式干燥設(shè)備。是噴霧式干燥設(shè)備。q選被調(diào)量：干燥器出口的氣體溫度選被調(diào)量：干燥器出口的氣體溫度T q干擾量：干擾量： f1 乳液流量變化；乳液流量變化；f2 熱交換器散熱熱交換器散熱及溫度變化；及溫度變化；f3 蒸汽壓力變化。蒸汽壓力變化。YXSH自動化儀表與過程控制自動化儀表與過程控制q調(diào)節(jié)方案：調(diào)節(jié)方案：方案方案，取乳液流，取乳液流量為調(diào)節(jié)參量，來達(dá)到量為調(diào)節(jié)參量，來達(dá)到調(diào)節(jié)溫度的目的（調(diào)節(jié)調(diào)節(jié)溫度的目的（調(diào)節(jié)閥閥1）。）。 v干擾作用點(diǎn)

44、與對象的干擾作用點(diǎn)與對象的輸入重合輸入重合YXSH自動化儀表與過程控制自動化儀表與過程控制方案方案，取旁通冷風(fēng)，取旁通冷風(fēng)為調(diào)節(jié)參量（調(diào)節(jié)閥為調(diào)節(jié)參量（調(diào)節(jié)閥2）。）。v調(diào)節(jié)器作用到旁路管路，由于有管路的傳遞純調(diào)節(jié)器作用到旁路管路，由于有管路的傳遞純滯后存在，故較第滯后存在，故較第方案多一個純滯后環(huán)節(jié)方案多一個純滯后環(huán)節(jié)=3s（對對本例而言）。本例而言）。x2為熱交換器后熱風(fēng)溫度的變化。為熱交換器后熱風(fēng)溫度的變化。YXSH自動化儀表與過程控制自動化儀表與過程控制v調(diào)節(jié)器調(diào)節(jié)熱交換器的蒸汽流量，熱交換器本調(diào)節(jié)器調(diào)節(jié)熱交換器的蒸汽流量，熱交換器本身為一雙容積對象，因而又多了兩個容積。這里每個身為一

45、雙容積對象，因而又多了兩個容積。這里每個容積的時間常數(shù)容積的時間常數(shù)T = 100秒。秒。x3為送入熱交換器的蒸汽為送入熱交換器的蒸汽流量的變化。流量的變化。 方案方案，取蒸汽為，取蒸汽為調(diào)節(jié)參量（調(diào)節(jié)閥調(diào)節(jié)參量（調(diào)節(jié)閥3）。）。YXSH自動化儀表與過程控制自動化儀表與過程控制q 控制性能的判別：控制性能的判別： 考慮各方案中干擾作用點(diǎn)的分布情況，方案考慮各方案中干擾作用點(diǎn)的分布情況，方案的干擾作用點(diǎn)與對象的輸入重合，因而其控制性能最的干擾作用點(diǎn)與對象的輸入重合，因而其控制性能最佳，方案佳，方案次之，方案次之，方案最差。最差。 從工藝角度來考慮，方案從工藝角度來考慮，方案并不是最有利的。并不是

46、最有利的。因為若以乳液量作為調(diào)節(jié)參數(shù)，則它就不可能始終在因為若以乳液量作為調(diào)節(jié)參數(shù)，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(chǎn)能力。另外最大值上工作，也就限制了該裝置的生產(chǎn)能力。另外在乳液管線上裝了調(diào)節(jié)閥，容易使?jié)饪s乳液結(jié)塊，降在乳液管線上裝了調(diào)節(jié)閥，容易使?jié)饪s乳液結(jié)塊，降低產(chǎn)量和質(zhì)量。因此，綜合上述分析比較，選擇方案低產(chǎn)量和質(zhì)量。因此，綜合上述分析比較，選擇方案是比較好的。是比較好的。YXSH自動化儀表與過程控制自動化儀表與過程控制調(diào)節(jié)量和被調(diào)量選定之后，調(diào)節(jié)對象也就確定調(diào)節(jié)量和被調(diào)量選定之后，調(diào)節(jié)對象也就確定了。根據(jù)對象的特性，以及工藝上對調(diào)節(jié)質(zhì)量的要求，了。根據(jù)對象的特性，以

47、及工藝上對調(diào)節(jié)質(zhì)量的要求，從生產(chǎn)廠成批生產(chǎn)的調(diào)節(jié)器中，選擇合適的調(diào)節(jié)規(guī)律從生產(chǎn)廠成批生產(chǎn)的調(diào)節(jié)器中，選擇合適的調(diào)節(jié)規(guī)律整定其參數(shù)，使組成的調(diào)節(jié)系統(tǒng)滿足預(yù)期的品質(zhì)指標(biāo)。整定其參數(shù)，使組成的調(diào)節(jié)系統(tǒng)滿足預(yù)期的品質(zhì)指標(biāo)。要正確地選擇調(diào)節(jié)規(guī)律，首先就必須對比例、要正確地選擇調(diào)節(jié)規(guī)律，首先就必須對比例、積分、微分作用對系統(tǒng)動態(tài)品質(zhì)的影響，有一正確的積分、微分作用對系統(tǒng)動態(tài)品質(zhì)的影響，有一正確的理解。理解。YXSH自動化儀表與過程控制自動化儀表與過程控制 631 在干在干擾作用下雙容對象擾作用下雙容對象的比例調(diào)節(jié)的比例調(diào)節(jié) 圖圖6-8所示是雙容對象的比例調(diào)節(jié)系統(tǒng)方塊圖，所示是雙容對象的比例調(diào)節(jié)系統(tǒng)方塊圖，

48、先研究擾動先研究擾動F1作用下系統(tǒng)的響應(yīng)。寫出系統(tǒng)對擾動作用下系統(tǒng)的響應(yīng)。寫出系統(tǒng)對擾動F1的傳遞函數(shù)的傳遞函數(shù)2 21 12 21 12 21 11 11 11 1KKKsTsTKKsFsYc )()()(1 11 11 11 11 12 21 12 22 21 12 21 1 sKTTsKTTKKK（6-2）YXSH自動化儀表與過程控制自動化儀表與過程控制式中，式中，Kc 調(diào)節(jié)器的比例系數(shù)；調(diào)節(jié)器的比例系數(shù)； K = Kc K1 K2 開環(huán)系統(tǒng)放大系數(shù)。開環(huán)系統(tǒng)放大系數(shù)。為了使式為了使式(6-2)化為標(biāo)準(zhǔn)形式，引進(jìn)下列參數(shù)化為標(biāo)準(zhǔn)形式，引進(jìn)下列參數(shù)二階系統(tǒng)的自然頻率二階系統(tǒng)的自然頻率 2

49、21 10 01 1TTK （6-3）阻尼系數(shù)阻尼系數(shù) )(1 12 22 21 12 21 1 KTTTT（6-4）則式則式(6-2)化為化為 2 20 00 02 22 20 02 21 11 12 21 1ssKKKsFsYs )()()(（6-5）YXSH自動化儀表與過程控制自動化儀表與過程控制現(xiàn)在研究系統(tǒng)在現(xiàn)在研究系統(tǒng)在F1為單位階躍作用下的過渡過程，為單位階躍作用下的過渡過程，從中可以得出某些工程實踐上的重要關(guān)系和結(jié)論。從中可以得出某些工程實踐上的重要關(guān)系和結(jié)論。1 單位階躍擾動作用下二階系統(tǒng)的輸出單位階躍擾動作用下二階系統(tǒng)的輸出)()()()(2 20 00 02 22 21 1

50、2 20 01 11 12 21 1sssKKKLssLty （6-6）當(dāng)當(dāng)1時，上式解得時，上式解得)sin()(teKKKtyt 0 02 22 22 21 11 11 11 11 10 0（6-7）YXSH自動化儀表與過程控制自動化儀表與過程控制式中，式中，tg2 21 11 1 圖圖6-9是是(6-7)式過渡過程曲線。從這里可得出以下式過渡過程曲線。從這里可得出以下幾個指標(biāo)和系統(tǒng)參數(shù)的關(guān)系。幾個指標(biāo)和系統(tǒng)參數(shù)的關(guān)系。 （1 1）穩(wěn)態(tài)誤差）穩(wěn)態(tài)誤差KKKy 1 12 21 1)(（6-8） （2 2）過渡過程振蕩頻）過渡過程振蕩頻率、振蕩周期率、振蕩周期 2 20 01 1Z （6-9）

51、YXSH自動化儀表與過程控制自動化儀表與過程控制2 20 01 12 2TZ （6-10）（3 3）超調(diào)度）超調(diào)度Mt 過渡過程的超調(diào)度可以過渡過程的超調(diào)度可以從從(6-7)式算出來。根據(jù)該式式算出來。根據(jù)該式的分析可知，波動過程的第的分析可知，波動過程的第一個波峰一個波峰yD出現(xiàn)在階躍擾動干擾開始后再經(jīng)過半個波出現(xiàn)在階躍擾動干擾開始后再經(jīng)過半個波動周期，即動周期，即 2 20 01 11 15 50 0TtZ .（6-11）YXSH自動化儀表與過程控制自動化儀表與過程控制把把t1值代入值代入(6-7)式得到式得到第一個波峰高度為第一個波峰高度為 )(2 21 12 21 11 11 1DeK

52、KKy （6-12）因此超調(diào)度因此超調(diào)度 2 21 11 1DteyyM （6-13）當(dāng)當(dāng)0時，超調(diào)度達(dá)到其最大值時，超調(diào)度達(dá)到其最大值Mt = 2。也就是也就是說，系統(tǒng)的最大動態(tài)誤差等于其穩(wěn)態(tài)值的一倍。說，系統(tǒng)的最大動態(tài)誤差等于其穩(wěn)態(tài)值的一倍。 YXSH自動化儀表與過程控制自動化儀表與過程控制（4 4）衰減率）衰減率1 13 31 1yyy 第二個波峰比第一個波第二個波峰比第一個波峰要遲一個振蕩周期，那么，峰要遲一個振蕩周期，那么，第二個波峰的時間第二個波峰的時間t3為為2 20 02 20 02 20 01 13 31 13 31 12 21 1TttZ （6-14）YXSH自動化儀表與過

53、程控制自動化儀表與過程控制)(2 21 13 32 21 11 11 1eKKK （6-15）由由(6-7)和和(6-15)兩式可知，兩式可知，第一和第二兩峰的振幅分別為第一和第二兩峰的振幅分別為 2 21 12 21 11 11 1eKKKy 2 21 13 32 21 13 31 1eKKKy 由此可得出衰減比由此可得出衰減比 2 21 12 21 13 3eyy （6-16）第二個波峰高度為第二個波峰高度為衰減率衰減率2 21 12 21 11 1e （6-17）YXSH自動化儀表與過程控制自動化儀表與過程控制v 由以上分析可以看到，阻尼系數(shù)由以上分析可以看到，阻尼系數(shù)是二階系統(tǒng)重是二階

54、系統(tǒng)重要參數(shù)，系統(tǒng)的超調(diào)度要參數(shù)，系統(tǒng)的超調(diào)度Mt和衰減率和衰減率都是阻尼系數(shù)都是阻尼系數(shù)的的單值函數(shù)。當(dāng)單值函數(shù)。當(dāng)在在01之間變化時，可以繪出之間變化時，可以繪出Mt和和的的曲線來，如圖曲線來，如圖6-10所示。所示。 上述關(guān)系是十分重要的，上述關(guān)系是十分重要的，它定量地揭示了二階系統(tǒng)過它定量地揭示了二階系統(tǒng)過渡過程與其參數(shù)之間的聯(lián)系，渡過程與其參數(shù)之間的聯(lián)系，而這種聯(lián)系同樣近似地適用而這種聯(lián)系同樣近似地適用于一個閉環(huán)系統(tǒng)。于一個閉環(huán)系統(tǒng)。YXSH自動化儀表與過程控制自動化儀表與過程控制當(dāng)二階對象當(dāng)二階對象T2 = 0.25 T1時，時，作出圖作出圖6-8系統(tǒng)對單位系統(tǒng)對單位階躍擾動階躍擾

55、動F1的響應(yīng)曲線，的響應(yīng)曲線，如圖如圖6-11所示。所示。v在擾動作用下過渡過程穩(wěn)態(tài)終值，就是擾動引起在擾動作用下過渡過程穩(wěn)態(tài)終值，就是擾動引起的穩(wěn)態(tài)誤差。超調(diào)度的穩(wěn)態(tài)誤差。超調(diào)度Mt.是指最大動態(tài)誤差與穩(wěn)態(tài)誤差是指最大動態(tài)誤差與穩(wěn)態(tài)誤差之比。之比。F1擾動作用在對象的輸入端，這時，擾動作用在對象的輸入端，這時，Mt.不大于不大于2。 2 調(diào)節(jié)器放大系數(shù)調(diào)節(jié)器放大系數(shù)對二階對象的調(diào)節(jié)性能對二階對象的調(diào)節(jié)性能的影響的影響YXSH自動化儀表與過程控制自動化儀表與過程控制 穩(wěn)定性下降穩(wěn)定性下降，振蕩加劇振蕩加劇Z 調(diào)節(jié)過程加快調(diào)節(jié)過程加快KcKy 穩(wěn)態(tài)誤差減小穩(wěn)態(tài)誤差減小yD 最大動態(tài)偏差下降最大動

56、態(tài)偏差下降總的說來，增大調(diào)節(jié)器的放大倍數(shù)，在一定程度總的說來，增大調(diào)節(jié)器的放大倍數(shù)，在一定程度上提高了系統(tǒng)的準(zhǔn)確度，減小了偏差，使調(diào)節(jié)過程加上提高了系統(tǒng)的準(zhǔn)確度，減小了偏差，使調(diào)節(jié)過程加快，但惡化了系統(tǒng)的穩(wěn)定性，這是有矛盾的。所以，快，但惡化了系統(tǒng)的穩(wěn)定性，這是有矛盾的。所以，在單純比例調(diào)節(jié)的情況下只好選擇折衷的方案。在單純比例調(diào)節(jié)的情況下只好選擇折衷的方案。YXSH自動化儀表與過程控制自動化儀表與過程控制3 擾動擾動F2作用下的響應(yīng)作用下的響應(yīng)這里擾動這里擾動F2作用在對象的兩個單容環(huán)節(jié)之間。當(dāng)作用在對象的兩個單容環(huán)節(jié)之間。當(dāng)擾動擾動F2為單位階躍作用時，進(jìn)行與前類似的一些變換為單位階躍作用

57、時，進(jìn)行與前類似的一些變換后得后得)()()(2 20 00 02 22 20 01 12 22 21 11 1ssssTKKsY （6-18）當(dāng)當(dāng) 0 1時，其相應(yīng)時間特性為時，其相應(yīng)時間特性為 )sin()(teTKKtyt 0 02 22 22 21 12 20 01 10 02 21 11 12 21 11 11 10 0（6-19）YXSH自動化儀表與過程控制自動化儀表與過程控制式中，式中， tgTTtg2 21 11 10 02 21 10 01 11 11 11 1 圖圖6-12畫出系統(tǒng)畫出系統(tǒng)K和和為為各種值時，對象各種值時，對象T2 = 0.25 T1時時的響應(yīng)曲線。將這些曲

58、線與的響應(yīng)曲線。將這些曲線與前面分析的擾動前面分析的擾動F1作用下的作用下的情況相比較，可以發(fā)現(xiàn)式（情況相比較，可以發(fā)現(xiàn)式（6-19）和圖）和圖6-12的最大特點(diǎn)：的最大特點(diǎn)： YXSH自動化儀表與過程控制自動化儀表與過程控制（1 1）其超調(diào)度其超調(diào)度Mt可以遠(yuǎn)大于可以遠(yuǎn)大于2（2 2）超調(diào)峰值大小與阻尼系數(shù)超調(diào)峰值大小與阻尼系數(shù)和對象時間常數(shù)和對象時間常數(shù)比值比值T2/T1有關(guān)，比值有關(guān)，比值T2/T1愈小，則超調(diào)值愈大。因愈小，則超調(diào)值愈大。因為，為，F(xiàn)2擾動作用經(jīng)過慣性擾動作用經(jīng)過慣性T2較小環(huán)節(jié)比較快地影響到較小環(huán)節(jié)比較快地影響到輸出端，而調(diào)節(jié)作用則必須再經(jīng)過一時間常數(shù)輸出端，而調(diào)節(jié)作

59、用則必須再經(jīng)過一時間常數(shù)T1很很大的環(huán)節(jié)才顯示出來，也就大的環(huán)節(jié)才顯示出來，也就是調(diào)節(jié)器的校正作用被推遲是調(diào)節(jié)器的校正作用被推遲了。這里的分析進(jìn)一步證實了。這里的分析進(jìn)一步證實了了6 . 2節(jié)所研究的結(jié)論。節(jié)所研究的結(jié)論。YXSH自動化儀表與過程控制自動化儀表與過程控制以上對單純比例調(diào)節(jié)的二階系統(tǒng)作了初步分析，以上對單純比例調(diào)節(jié)的二階系統(tǒng)作了初步分析，闡明了調(diào)節(jié)器的參數(shù)對系統(tǒng)性性能的影響。但實際調(diào)闡明了調(diào)節(jié)器的參數(shù)對系統(tǒng)性性能的影響。但實際調(diào)節(jié)對象要比簡化的二階系統(tǒng)復(fù)雜，而調(diào)節(jié)器常是比例、節(jié)對象要比簡化的二階系統(tǒng)復(fù)雜，而調(diào)節(jié)器常是比例、積分、微分幾種調(diào)節(jié)規(guī)律的組合，要用以上方法分析積分、微分幾

60、種調(diào)節(jié)規(guī)律的組合，要用以上方法分析更復(fù)雜調(diào)節(jié)規(guī)律對系統(tǒng)動態(tài)品質(zhì)的影響比較困難。如更復(fù)雜調(diào)節(jié)規(guī)律對系統(tǒng)動態(tài)品質(zhì)的影響比較困難。如果能借助于系統(tǒng)中容易獲得的某些數(shù)據(jù)，確立一個判果能借助于系統(tǒng)中容易獲得的某些數(shù)據(jù)，確立一個判定系統(tǒng)調(diào)節(jié)性能的準(zhǔn)則，用它來衡量調(diào)節(jié)器對系統(tǒng)性定系統(tǒng)調(diào)節(jié)性能的準(zhǔn)則，用它來衡量調(diào)節(jié)器對系統(tǒng)性能的影響，將使這項工作大為簡化。能的影響，將使這項工作大為簡化。 YXSH自動化儀表與過程控制自動化儀表與過程控制 1 系統(tǒng)調(diào)節(jié)性能指標(biāo)（又稱可控性指標(biāo)）系統(tǒng)調(diào)節(jié)性能指標(biāo)（又稱可控性指標(biāo)） 通常，調(diào)節(jié)過程的進(jìn)行情況可以用四個品質(zhì)指標(biāo)通常，調(diào)節(jié)過程的進(jìn)行情況可以用四個品質(zhì)指標(biāo)來衡量。來衡量。