簡單控制系統(tǒng)課件

第16章簡單控制系統(tǒng)16.1簡單控制系統(tǒng)的構(gòu)成

16.2簡單控制系統(tǒng)的設(shè)計

16.3簡單控制系統(tǒng)的投運

16.4控制器參數(shù)的工程整定第16章簡單控制系統(tǒng)16.1簡單控制系統(tǒng)的構(gòu)成16.1簡單控制系統(tǒng)的構(gòu)成

簡單控制系統(tǒng)通常是指由一個測量變送元件、一個控制器、一個執(zhí)行機(jī)構(gòu)和一個被控對象所構(gòu)成的單閉環(huán)控制系統(tǒng)。圖16-1簡單液位控制系統(tǒng)圖16-2簡單溫度控制系統(tǒng)16.1簡單控制系統(tǒng)的構(gòu)成簡單控制系統(tǒng)通常是指圖16-3簡單控制系統(tǒng)方塊圖從圖中可知簡單控制系統(tǒng)由四個基本環(huán)節(jié)組成，即被控對象測量變送裝置、控制器和執(zhí)行器。在該系統(tǒng)中有著一條從系統(tǒng)的輸出端引向輸入端的反饋路線，也就是說該系統(tǒng)中的控制器是根據(jù)被控變量的測量值與給定值的偏差來進(jìn)行控制的。圖16-3簡單控制系統(tǒng)方塊圖從圖中可知簡單控制系統(tǒng)由四個16.2簡單控制系統(tǒng)的設(shè)計一個控制系統(tǒng)的工作情況，取決于其設(shè)計的好壞。控制系統(tǒng)的設(shè)計應(yīng)該考慮被控變量的選擇、操縱變量的選擇、測量元件特性的影響等因素。16.2簡單控制系統(tǒng)的設(shè)計一個控制系統(tǒng)的工作情況

16.2.1被控變量的選擇被控變量的分類（按照與生產(chǎn)過程的關(guān)系）直接參數(shù)；間接參數(shù)。如果被控變量本身就是需要控制的工藝參數(shù)，則稱為直接參數(shù)控制。當(dāng)選擇直接參數(shù)作為被控變量比較困難或不可能時，可以選擇一種間接參數(shù)代替直接參數(shù)作為被控變量。

16.2.1被控變量的選擇被控變量的分類（按照與生產(chǎn)過程圖16-4精餾過程示意圖圖16-5苯、甲苯的-關(guān)系—圖16-6苯、甲苯的關(guān)系-p舉例圖16-4精餾過程示意圖圖16-5苯、甲苯的-6從工藝合理性考慮，常常選擇溫度作為被控變量。原因在精餾塔操作中，壓力往往需要固定。只有將塔操作在規(guī)定的壓力下，才易于保證塔的分離純度，保證塔的效率和經(jīng)濟(jì)性。在塔壓固定的情況下，精餾塔各層塔板上的壓力基本上是不變的，這樣各層塔板上的溫度與組分之間就有一定的單值對應(yīng)關(guān)系。所選變量有足夠的靈敏度。從工藝合理性考慮，常常選擇溫度作為被控變量。原因在精餾塔操作選擇被控變量的原則（1）盡可能選擇那些可以直接反映產(chǎn)品質(zhì)量的變量作為被控變量。（2）當(dāng)直接指標(biāo)難于測量，或滯后太大，或信號微弱，可選擇間接指標(biāo)作為被控變量。值得注意的是間接指標(biāo)與直接指標(biāo)成單值關(guān)系，最好是線性的。如果是非線性時，要注意出現(xiàn)正反饋造成系統(tǒng)不穩(wěn)定的情況。（3）被控變量要求有足夠的靈敏度，易于測量，否則不能保證控制精度。

選擇被控變量的原則（1）盡可能選擇那些可以直接反映產(chǎn)品質(zhì)量的（4）選擇被控制變量時需考慮到工藝的合理性和國內(nèi)外儀表生產(chǎn)的現(xiàn)狀。（5）作為被控變量，必須是獨立可控的。變量的數(shù)目一般可以用物理化學(xué)中的相律關(guān)系來確定。（4）選擇被控制變量時需考慮到工藝的合理性和國內(nèi)16.2.2操縱變量的選擇

一般選擇系統(tǒng)中可以調(diào)節(jié)的物料量或能量參數(shù)作為操縱變量。最常見的操縱變量則是物料流或能量流，即流量參數(shù)。

操作變量系統(tǒng)的干擾通過工藝分析確定16.2.2操縱變量的選擇一般選擇系統(tǒng)中可以13圖16-7干擾通道與控制通道的關(guān)系

干擾變量由干擾通道施加在對象上，起著破壞作用，使被控變量偏離給定值；

操縱變量由控制通道施加到對象上，使被控變量回復(fù)到給定值，起著校正作用。

對象特性對控制質(zhì)量的影響

設(shè)控制通道、干擾通道的傳遞函數(shù)分別為13圖16-7干擾通道與控制通道的關(guān)系干擾變量由干擾通道16（2）干擾通道時間常數(shù)的影響

干擾通道的時間常數(shù)Tf越大，表示干擾對被控變量的影響越緩慢，越有利于控制。干擾通道特性對控制質(zhì)量的影響對象干擾通道的放大系數(shù)Kf小些,表示干擾對被控變量的影響不大，過渡過程的超調(diào)量不大。（1）干擾通道放大系數(shù)的影響

16（2）干擾通道時間常數(shù)的影響干擾通道的時間常（3）干擾通道純滯后τf的影響

如果干擾通道存在純滯后τf，控制作用也推遲了時間τf，使整個過渡過程曲線推遲了時間τf，要控制通道不存在純滯后，通常是不會影響控制質(zhì)量的，如圖16-8所示。圖16-8干擾通道純滯后τf的影響（3）干擾通道純滯后τf的影響如果干擾通道存在

一般希望控制通道的放大系數(shù)KO要大些，KO越大表示控制作用對被控變量影響越顯著，使控制作用更為有效。

（2）控制通道時間常數(shù)的影響

控制通道的時間常數(shù)不能過大，否則會使操縱變量的校正作用遲緩、超調(diào)量大、過渡時間長。要求對象控制通道的時間常數(shù)To小一些，從而獲得良好的控制質(zhì)量。14控制通道特性對控制質(zhì)量的影響（1）控制通道放大系數(shù)的影響

一般希望控制通道的放大系數(shù)KO要大些，KO越大表示控15（3）控制通道純滯后τ0的影響

控制通道的物料輸送或能量傳遞都需要一定的時間。這樣造成的純滯后τ0對控制質(zhì)量是有影響的。圖16-9所示為純滯后對控制質(zhì)量影響的示意圖。圖16-9純滯后τ0對控制質(zhì)量的影響

在選擇操縱變量構(gòu)成控制系統(tǒng)時，應(yīng)使對象控制通道的純滯后時間τ0盡量小。15（3）控制通道純滯后τ0的影響控制通道的物料輸17①

選擇對被控變量有較大影響的輸入作為操縱變量。②

選擇能夠快速影響被控變量的輸入作為操縱變量。③

選擇具有相當(dāng)大調(diào)整范圍的輸入作為操縱變量。操縱變量的選擇原則

④使盡量小。17①選擇對被控變量有較大影響的輸入作為操縱變量。②選擇16.2.3測量元件特性的影響

測量變送環(huán)節(jié)的任務(wù)是對工業(yè)生產(chǎn)過程的參數(shù)進(jìn)行測量，并將它轉(zhuǎn)換成統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)信號，如0.02~0.1Mpa的氣壓信號，或4~20mA的電流信號等。它是系統(tǒng)進(jìn)行控制的根據(jù)。因此，要求測量變送環(huán)節(jié)準(zhǔn)確、迅速和可靠。測量變送環(huán)節(jié)經(jīng)線性處理后，一般可表示為一階慣性加純滯后特性，即16.2.3測量元件特性的影響測量變送18圖16-10測量元件時間常數(shù)的影響

測量元件，特別是測溫元件，由于存在熱阻和熱容，它本身具有一定的時間常數(shù)，易造成測量滯后。測量滯后的影響測量滯后包括測量環(huán)節(jié)的容量滯后和信號測量環(huán)節(jié)的純滯后。（1）測量環(huán)節(jié)容量滯后的影響

18圖16-10測量元件時間常數(shù)的影響19

測量元件的時間常數(shù)越大，測量滯后現(xiàn)象愈加顯著。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。當(dāng)測量元件的時間常數(shù)Tm小于對象時間常數(shù)的1／10時，對系統(tǒng)的控制質(zhì)量影響不大。測量元件安裝是否正確，維護(hù)是否得當(dāng)，也會影響測量與控制。

結(jié)論19測量元件的時間常數(shù)越大，測量滯后現(xiàn)象20當(dāng)測量存在純滯后時，會嚴(yán)重地影響控制質(zhì)量。圖16-11

pH值控制系統(tǒng)示意圖有時，測量的純滯后是由于測量元件安裝位置引起的。延遲時間τm

這一純滯后使測量信號不能及時反映中和槽內(nèi)溶液pH值的變化，因而降低了控制質(zhì)量。（2）測量環(huán)節(jié)純滯后的影響

20當(dāng)測量存在純滯后時，會嚴(yán)重地影響控制質(zhì)量。圖16-11

信號傳送滯后包括測量信號傳送滯后和控制信號傳送滯后兩部分。測量信號傳送滯后由現(xiàn)場測量變送裝置的信號傳送到控制室的控制器所引起的滯后?？刂菩盘杺魉蜏笥煽刂剖覂?nèi)控制器的輸出控制信號傳送到現(xiàn)場執(zhí)行器所引起的滯后。

信號的傳送滯后，應(yīng)盡量減小。信號傳送滯后的影響

信號傳送滯后包括測量信號傳送滯后和控制信號傳16.2.4控制器控制規(guī)律的選擇

在控制系統(tǒng)中，儀表選型確定以后，對象的特性是固定的、不可改變；測量元件及變送器的特性比較簡單，一般也是不可以改變的；執(zhí)行器加上閥門定位器可有一定程度的調(diào)整，但靈活性不大；主要可以改變的就是控制器的參數(shù)。16.2.4控制器控制規(guī)律的選擇在控制系22圖16-12簡單控制系統(tǒng)簡化方塊圖控制器的控制規(guī)律所謂控制器的控制規(guī)律就是指u與e之間的函數(shù)關(guān)系，即

雙位控制雙位控制的動作規(guī)律是當(dāng)測量值大于給定值時，控制器的輸出為最大（或最?。?，而當(dāng)測量值小于給定值時，則輸出為最小（或最大），即控制器只有兩個輸出值，相應(yīng)的控制機(jī)構(gòu)只有開和關(guān)兩個極限位置，因此又稱開關(guān)控制。22圖16-12簡單控制系統(tǒng)簡化方塊圖控制器的控制規(guī)律所謂235理想的雙位控制器其輸出u與輸入偏差之e間的關(guān)系為圖16-13理想雙位控制特性圖16-14液位雙位控制系統(tǒng)示意圖5理想的雙位控制器其輸出u與輸入偏差之e間的關(guān)系為圖16-1246將上圖中的測量裝置及繼電器線路稍加改變，便可成為一個具有中間區(qū)的雙位控制器，見下圖。由于設(shè)置了中間區(qū)，當(dāng)偏差在中間區(qū)內(nèi)變化時，控制機(jī)構(gòu)不會動作，因此可以使控制機(jī)構(gòu)開關(guān)的頻繁程度大為降低，延長了控制器中運動部件的使用壽命。圖16-16具有中間區(qū)的雙位控制過程圖16-15實際的雙位控制規(guī)律特性6將上圖中的測量裝置及繼電器線路稍加改變，便雙位控制過程中一般采用振幅與周期作為品質(zhì)指標(biāo)結(jié)論被控變量波動的上、下限在允許范圍內(nèi)，使周期長些比較有利。雙位控制器結(jié)構(gòu)簡單、成本較低、易于實現(xiàn)，因而應(yīng)用很普遍。7雙位控制過程中一般采用振幅與周期作為品質(zhì)指標(biāo)結(jié)論被控變量波22

比例控制器是具有比例控制規(guī)律的控制器。比例控制器輸出與偏差成比例，它們之間的關(guān)系為對于單元組合儀表

比例控制規(guī)律（P）及其對控制過程的影響可調(diào)整參數(shù)比例放大系數(shù)KC（或比例度δ）22比例控制器是具有比例控制規(guī)律的控制器。比例27(b)實際比例控制作用特性(a)理想比例控制作用特性圖16-17比例控制器特性下圖為理想比例控制器的輸出特性與實際比例控制器的輸出特性

(b)實際比例控制作用特性(a)理想比例控制作用特性圖1圖16-18比例度對過渡過程的影響比例度對控制過程的影響如圖16-18所示

圖16-18比例度對過渡過程的影響比例度對控制過程的影響如

控制器的輸出與偏差成比例。當(dāng)負(fù)荷變化時，比例控制器克服干擾能力強(qiáng)、控制及時、過渡時間短。在常用控制規(guī)律中，比例作用是最基本的控制規(guī)律，不加比例作用的控制規(guī)律是很少采用的。純比例控制系統(tǒng)在過渡過程終了時存在余差。負(fù)荷變化越大，余差就越大。特點23適用于

控制通道滯后較小、負(fù)荷變化不大、工藝上沒有提出無差要求的系統(tǒng)。控制器的輸出與偏差成比例。特點23適用于控制通道24比例積分控制器是具有比例積分控制規(guī)律的控制器。比例-積分控制器的輸入輸出的關(guān)系為：可調(diào)整參數(shù)比例放大系數(shù)KC（或比例度δ）和積分時間TI。比例積分控制規(guī)律（PI）及其對控制過程的影響24比例積分控制器是具有比例積分控制規(guī)律的控制圖16-19積分作用對偏差e的單位階躍響應(yīng)曲線圖16-20比例積分作用對偏差e的單位階躍響應(yīng)曲線圖16-19積分作用對偏差e的單位階躍響應(yīng)曲線圖16-20圖16-21積分時間過渡過程的影響圖16-21表示在同樣比例度下積分時間對過渡過程的影響。

圖16-21積分時間過渡過程的影響圖16-21表示在同樣比例特點

由于在比例作用的基礎(chǔ)上加上積分作用，而積分作用的輸出是與偏差的積分成比例，只要偏差存在，控制器的輸出就會不斷變化，直至消除偏差為止。積分作用會使穩(wěn)定性降低，雖然在加積分作用的同時，可以通過加大比例度，使穩(wěn)定性基本保持不變，但超調(diào)量和振蕩周期都相應(yīng)增大，過渡過程的時間也加長。25適用于控制通道滯后較小、負(fù)荷變化不大、工藝參數(shù)不允許有余差的系統(tǒng)。

特點由于在比例作用的基礎(chǔ)上加上積分作用，而積分作用的輸出是比例微分控制（PD）規(guī)律及其對控制過程的影響

比例微分控制規(guī)律為：圖16-22比例微分控制器特性圖16-23微分時間對過渡過程的影響比例微分控制（PD）規(guī)律及其對控制過程的影響比例微分控制規(guī)律26

比例積分微分控制器是具有比例積分微分控制規(guī)律的控制器，常稱為三作用（PID）控制器。理想的PID控制作用是可調(diào)整參數(shù)比例放大系數(shù)Kc（或比例度δ）、積分時間TI和微分時間TD。比例積分微分控制規(guī)律（PID）及其對控制過程的影響26比例積分微分控制器是具有比例積分微分控制規(guī)律圖16-24PID三作用控制器特性當(dāng)有階躍信號輸入時，輸出為比例、積分和微分三部分輸出之和，如圖16-24所示。

圖16-24PID三作用控制器特性當(dāng)有階躍特點

微分作用使控制器的輸出與輸入偏差的變化速度成比例，它對克服對象的滯后有顯著的效果。在比例的基礎(chǔ)上加上微分作用能提高穩(wěn)定性，再加上積分作用可以消除余差。所以，適當(dāng)調(diào)整δ、TI、TD參數(shù)，可以使控制系統(tǒng)獲得較高的控制質(zhì)量。適用于

容量滯后較大、負(fù)荷變化大、控制質(zhì)量要求較高的系統(tǒng)，應(yīng)用最普遍的是溫度、成分控制系統(tǒng)。27特點微分作用使控制器的輸出與輸入偏差的變化速度成28

目前生產(chǎn)的模擬式控制器一般都同時具有比例、積分、微分三種作用。只要將其中的微分時間TD置于０，就成了比例積分控制器，如果同時將積分時間TI置于無窮大，便成了比例控制器。注意！28目前生產(chǎn)的模擬式控制器一般都同時具有16.2.5控制器正反作用的確定

控制器的正反作用是關(guān)系到控制系統(tǒng)能否正常運行與安全操作的重要問題。要通過改變控制器的正、反作用，以保證整個控制系統(tǒng)是一個具有負(fù)反饋的閉環(huán)系統(tǒng)。16.2.5控制器正反作用的確定控制器的正反作用的定義：正作用：當(dāng)被控變量的測量值增大時，控制器的輸出也增大則該控制器為“正作用”；反作用：當(dāng)測量值增大時，控制器輸出反而減少，則該控制器為“反作用”。正反作用的確定：①單回路系統(tǒng)結(jié)合對象和控制閥使偏差向減小的方向調(diào)節(jié)。②先確定控制閥氣開、氣關(guān)方式，再確定控制器正反作用。正反作用的定義：控制器的作用方向選擇：

回路判別法回路判別法的要點：（1）反饋回路中負(fù)增益環(huán)節(jié)（包括比較器）數(shù)為奇數(shù)；（2）對控制器而言，“正作用”是指Tm↑→u↑。圖16-25加熱爐出口溫度控制系統(tǒng)方框圖控制器的作用方向選擇：

回路判別法回路判別法的要點：圖16-31

在一個安裝好的控制系統(tǒng)中，對象的作用方向由工藝機(jī)理可以確定，執(zhí)行器的作用方向由工藝安全條件可以選定，而控制器的作用方向要根據(jù)對象及執(zhí)行器的作用方向來確定，以使整個控制系統(tǒng)構(gòu)成負(fù)反饋的閉環(huán)系統(tǒng)。結(jié)論31在一個安裝好的控制系統(tǒng)中，對象的作16.3簡單控制系統(tǒng)的投運投運前的準(zhǔn)備工作(1)對投運過程中可能出現(xiàn)的意外情況有所估計。(2)各個儀表環(huán)節(jié)校驗準(zhǔn)確。(3)充分了解控制意圖。投運(1)控制儀表置手動狀態(tài)，設(shè)置好初始參數(shù)PID，正反(2)各儀表加電，手操控制器的輸出，使被控制變量達(dá)到設(shè)定值。(3)置手動狀態(tài)至自動狀態(tài)。投運原則：無擾動切換16.3簡單控制系統(tǒng)的投運投運前的準(zhǔn)備工作16.4控制器參數(shù)的工程整定

所謂控制系統(tǒng)的整定，就是對于一個已經(jīng)設(shè)計并安裝就續(xù)的系統(tǒng)，對控制器的參數(shù)進(jìn)行調(diào)整，使得系統(tǒng)的過渡過程達(dá)到最為滿意的質(zhì)量指標(biāo)要求。方法:理論計算的方法和工程整定法。工程上大量采用工程整定法。16.4控制器參數(shù)的工程整定所謂控經(jīng)驗整定法

這種方法實質(zhì)上是一種經(jīng)驗湊試法，是工程技術(shù)人員在長期生產(chǎn)實踐中總結(jié)出來的。它不需要進(jìn)行事先的計算和實驗，而是根據(jù)運行經(jīng)驗，先確定一組控制器參數(shù)經(jīng)驗數(shù)據(jù)，并將系統(tǒng)投入運行，通過觀察人為加入干擾后的過渡過程曲線，根據(jù)各種控制作用對過渡過程的不同影響來改變相應(yīng)的控制參數(shù)值，進(jìn)行反復(fù)湊試，直到獲得滿意的控制品質(zhì)為止。

經(jīng)驗整定法這種方法實質(zhì)上是一種經(jīng)驗湊試法，整定的途徑有兩種（1）先用純比例作用進(jìn)行湊試，待過渡過程已基本穩(wěn)定并符合要求后，再加積分作用消除余差，最后加入微分作用是為了提高控制質(zhì)量。（2）先根據(jù)表16-1選取積分時間和微分時間，然后對比例度進(jìn)行反復(fù)湊試，直至得到滿意的結(jié)果。

整定的途徑有兩種（1）先用純比例作用進(jìn)行湊試，待過渡過程已基被控變量規(guī)律的選擇比例度δ/%積分時間TI/min

微分時間

TD/min流量對象時間常數(shù)小，參數(shù)有波動，δ要大；TI要短；不用微分40~1000.3~1-溫度對象容量滯后較大，即參數(shù)受干擾后變化遲緩，δ應(yīng)?。籘I要長；一般需加微分20~603~100.5~3壓力對象的容量滯后不算大，一般不加微分30~700.4~3-液位對象時間常數(shù)范圍較大，要求不高時，δ可在一定范圍內(nèi)選取，一般不用微分20~80--表16-1控制器參數(shù)經(jīng)驗數(shù)據(jù)被控變量規(guī)律的選擇比例度δ/%積分時間微分時間流量對象時48臨界比例度法方法：控制器先取純比例作用。改變δ值，找到臨界狀態(tài)。

步驟：

(1)將控制器的積分時間放在最大值，微分時間放在最小值，比例度放在較大值后，讓系統(tǒng)投入運行。

(2)修正δ，直到等幅振蕩。記下，振蕩時的δk和

Tk。(3)利用δk和Tk，按表16-2修改參數(shù)，可得到4：1的衰減過渡過程。(4)過渡過程與4：1衰減還有一定差距，可適當(dāng)調(diào)整δ值，直到過渡過程滿足要求。

臨界比例度法方法：控制器先取純比例作用。改變δ值，找到臨界狀控制規(guī)律δ/%TI/minTD/minP2δk--PI2.2δk0.85Tk-PID1.7δk0.5Tk0.12Tk表16-2臨界比例度法整定參數(shù)圖16-26臨界比例度法示意圖P2δk--PI2.2δk0.85Tk-PID1.7δ衰減曲線法

控制器純比例，δ由大變小，加干擾，看曲線。找4：1過程。到4：1時，記下δs和Ts，按下表修改參數(shù)，得4：1過程。圖16-274:1衰減曲線法示意圖衰減曲線法控制器純比例，δ由大變小，加干擾，看控制規(guī)律δ/%TI/minTD/minPδs--PI1.2δs0.5TS-PID0.8δs0.3TS0.1TS表16-3衰減振蕩法整定參數(shù)控制規(guī)律P--PI1.2δs0.5TS-PID0.8δs0一般對象可近似為

響應(yīng)曲線法方法①調(diào)節(jié)器“手動”，人為使控制器輸出階躍變化，記錄過程的響應(yīng)曲線，并得到，一般對象可近似為響應(yīng)曲線法方法圖16-28響應(yīng)曲線法示意圖圖16-28響應(yīng)曲線法示意圖②按下表的規(guī)律修改參數(shù)，得到4:1過渡過程?？刂埔?guī)律δ/%Kc

Ti/minTD/minP--PI3.3-PID20.5表16-4響應(yīng)曲線法整定參數(shù)②按下表的規(guī)律修改參數(shù)，得到4:1過渡過程?？刂埔?guī)律δ/%第16章簡單控制系統(tǒng)16.1簡單控制系統(tǒng)的構(gòu)成

16.2簡單控制系統(tǒng)的設(shè)計

16.3簡單控制系統(tǒng)的投運

16.4控制器參數(shù)的工程整定第16章簡單控制系統(tǒng)16.1簡單控制系統(tǒng)的構(gòu)成16.1簡單控制系統(tǒng)的構(gòu)成

簡單控制系統(tǒng)通常是指由一個測量變送元件、一個控制器、一個執(zhí)行機(jī)構(gòu)和一個被控對象所構(gòu)成的單閉環(huán)控制系統(tǒng)。圖16-1簡單液位控制系統(tǒng)圖16-2簡單溫度控制系統(tǒng)16.1簡單控制系統(tǒng)的構(gòu)成簡單控制系統(tǒng)通常是指圖16-3簡單控制系統(tǒng)方塊圖從圖中可知簡單控制系統(tǒng)由四個基本環(huán)節(jié)組成，即被控對象測量變送裝置、控制器和執(zhí)行器。在該系統(tǒng)中有著一條從系統(tǒng)的輸出端引向輸入端的反饋路線，也就是說該系統(tǒng)中的控制器是根據(jù)被控變量的測量值與給定值的偏差來進(jìn)行控制的。圖16-3簡單控制系統(tǒng)方塊圖從圖中可知簡單控制系統(tǒng)由四個16.2簡單控制系統(tǒng)的設(shè)計一個控制系統(tǒng)的工作情況，取決于其設(shè)計的好壞?？刂葡到y(tǒng)的設(shè)計應(yīng)該考慮被控變量的選擇、操縱變量的選擇、測量元件特性的影響等因素。16.2簡單控制系統(tǒng)的設(shè)計一個控制系統(tǒng)的工作情況

16.2.1被控變量的選擇被控變量的分類（按照與生產(chǎn)過程的關(guān)系）直接參數(shù)；間接參數(shù)。如果被控變量本身就是需要控制的工藝參數(shù)，則稱為直接參數(shù)控制。當(dāng)選擇直接參數(shù)作為被控變量比較困難或不可能時，可以選擇一種間接參數(shù)代替直接參數(shù)作為被控變量。

16.2.1被控變量的選擇被控變量的分類（按照與生產(chǎn)過程圖16-4精餾過程示意圖圖16-5苯、甲苯的-關(guān)系—圖16-6苯、甲苯的關(guān)系-p舉例圖16-4精餾過程示意圖圖16-5苯、甲苯的-61從工藝合理性考慮，常常選擇溫度作為被控變量。原因在精餾塔操作中，壓力往往需要固定。只有將塔操作在規(guī)定的壓力下，才易于保證塔的分離純度，保證塔的效率和經(jīng)濟(jì)性。在塔壓固定的情況下，精餾塔各層塔板上的壓力基本上是不變的，這樣各層塔板上的溫度與組分之間就有一定的單值對應(yīng)關(guān)系。所選變量有足夠的靈敏度。從工藝合理性考慮，常常選擇溫度作為被控變量。原因在精餾塔操作選擇被控變量的原則（1）盡可能選擇那些可以直接反映產(chǎn)品質(zhì)量的變量作為被控變量。（2）當(dāng)直接指標(biāo)難于測量，或滯后太大，或信號微弱，可選擇間接指標(biāo)作為被控變量。值得注意的是間接指標(biāo)與直接指標(biāo)成單值關(guān)系，最好是線性的。如果是非線性時，要注意出現(xiàn)正反饋造成系統(tǒng)不穩(wěn)定的情況。（3）被控變量要求有足夠的靈敏度，易于測量，否則不能保證控制精度。

選擇被控變量的原則（1）盡可能選擇那些可以直接反映產(chǎn)品質(zhì)量的（4）選擇被控制變量時需考慮到工藝的合理性和國內(nèi)外儀表生產(chǎn)的現(xiàn)狀。（5）作為被控變量，必須是獨立可控的。變量的數(shù)目一般可以用物理化學(xué)中的相律關(guān)系來確定。（4）選擇被控制變量時需考慮到工藝的合理性和國內(nèi)16.2.2操縱變量的選擇

一般選擇系統(tǒng)中可以調(diào)節(jié)的物料量或能量參數(shù)作為操縱變量。最常見的操縱變量則是物料流或能量流，即流量參數(shù)。

操作變量系統(tǒng)的干擾通過工藝分析確定16.2.2操縱變量的選擇一般選擇系統(tǒng)中可以13圖16-7干擾通道與控制通道的關(guān)系

干擾變量由干擾通道施加在對象上，起著破壞作用，使被控變量偏離給定值；

操縱變量由控制通道施加到對象上，使被控變量回復(fù)到給定值，起著校正作用。

對象特性對控制質(zhì)量的影響

設(shè)控制通道、干擾通道的傳遞函數(shù)分別為13圖16-7干擾通道與控制通道的關(guān)系干擾變量由干擾通道16（2）干擾通道時間常數(shù)的影響

干擾通道的時間常數(shù)Tf越大，表示干擾對被控變量的影響越緩慢，越有利于控制。干擾通道特性對控制質(zhì)量的影響對象干擾通道的放大系數(shù)Kf小些,表示干擾對被控變量的影響不大，過渡過程的超調(diào)量不大。（1）干擾通道放大系數(shù)的影響

16（2）干擾通道時間常數(shù)的影響干擾通道的時間常（3）干擾通道純滯后τf的影響

如果干擾通道存在純滯后τf，控制作用也推遲了時間τf，使整個過渡過程曲線推遲了時間τf，要控制通道不存在純滯后，通常是不會影響控制質(zhì)量的，如圖16-8所示。圖16-8干擾通道純滯后τf的影響（3）干擾通道純滯后τf的影響如果干擾通道存在

一般希望控制通道的放大系數(shù)KO要大些，KO越大表示控制作用對被控變量影響越顯著，使控制作用更為有效。

（2）控制通道時間常數(shù)的影響

控制通道的時間常數(shù)不能過大，否則會使操縱變量的校正作用遲緩、超調(diào)量大、過渡時間長。要求對象控制通道的時間常數(shù)To小一些，從而獲得良好的控制質(zhì)量。14控制通道特性對控制質(zhì)量的影響（1）控制通道放大系數(shù)的影響

一般希望控制通道的放大系數(shù)KO要大些，KO越大表示控15（3）控制通道純滯后τ0的影響

控制通道的物料輸送或能量傳遞都需要一定的時間。這樣造成的純滯后τ0對控制質(zhì)量是有影響的。圖16-9所示為純滯后對控制質(zhì)量影響的示意圖。圖16-9純滯后τ0對控制質(zhì)量的影響

在選擇操縱變量構(gòu)成控制系統(tǒng)時，應(yīng)使對象控制通道的純滯后時間τ0盡量小。15（3）控制通道純滯后τ0的影響控制通道的物料輸17①

選擇對被控變量有較大影響的輸入作為操縱變量。②

選擇能夠快速影響被控變量的輸入作為操縱變量。③

選擇具有相當(dāng)大調(diào)整范圍的輸入作為操縱變量。操縱變量的選擇原則

④使盡量小。17①選擇對被控變量有較大影響的輸入作為操縱變量。②選擇16.2.3測量元件特性的影響

測量變送環(huán)節(jié)的任務(wù)是對工業(yè)生產(chǎn)過程的參數(shù)進(jìn)行測量，并將它轉(zhuǎn)換成統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)信號，如0.02~0.1Mpa的氣壓信號，或4~20mA的電流信號等。它是系統(tǒng)進(jìn)行控制的根據(jù)。因此，要求測量變送環(huán)節(jié)準(zhǔn)確、迅速和可靠。測量變送環(huán)節(jié)經(jīng)線性處理后，一般可表示為一階慣性加純滯后特性，即16.2.3測量元件特性的影響測量變送18圖16-10測量元件時間常數(shù)的影響

測量元件，特別是測溫元件，由于存在熱阻和熱容，它本身具有一定的時間常數(shù)，易造成測量滯后。測量滯后的影響測量滯后包括測量環(huán)節(jié)的容量滯后和信號測量環(huán)節(jié)的純滯后。（1）測量環(huán)節(jié)容量滯后的影響

18圖16-10測量元件時間常數(shù)的影響19

測量元件的時間常數(shù)越大，測量滯后現(xiàn)象愈加顯著。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。當(dāng)測量元件的時間常數(shù)Tm小于對象時間常數(shù)的1／10時，對系統(tǒng)的控制質(zhì)量影響不大。測量元件安裝是否正確，維護(hù)是否得當(dāng)，也會影響測量與控制。

結(jié)論19測量元件的時間常數(shù)越大，測量滯后現(xiàn)象20當(dāng)測量存在純滯后時，會嚴(yán)重地影響控制質(zhì)量。圖16-11

pH值控制系統(tǒng)示意圖有時，測量的純滯后是由于測量元件安裝位置引起的。延遲時間τm

這一純滯后使測量信號不能及時反映中和槽內(nèi)溶液pH值的變化，因而降低了控制質(zhì)量。（2）測量環(huán)節(jié)純滯后的影響

20當(dāng)測量存在純滯后時，會嚴(yán)重地影響控制質(zhì)量。圖16-11

信號傳送滯后包括測量信號傳送滯后和控制信號傳送滯后兩部分。測量信號傳送滯后由現(xiàn)場測量變送裝置的信號傳送到控制室的控制器所引起的滯后?？刂菩盘杺魉蜏笥煽刂剖覂?nèi)控制器的輸出控制信號傳送到現(xiàn)場執(zhí)行器所引起的滯后。

信號的傳送滯后，應(yīng)盡量減小。信號傳送滯后的影響

信號傳送滯后包括測量信號傳送滯后和控制信號傳16.2.4控制器控制規(guī)律的選擇

在控制系統(tǒng)中，儀表選型確定以后，對象的特性是固定的、不可改變；測量元件及變送器的特性比較簡單，一般也是不可以改變的；執(zhí)行器加上閥門定位器可有一定程度的調(diào)整，但靈活性不大；主要可以改變的就是控制器的參數(shù)。16.2.4控制器控制規(guī)律的選擇在控制系22圖16-12簡單控制系統(tǒng)簡化方塊圖控制器的控制規(guī)律所謂控制器的控制規(guī)律就是指u與e之間的函數(shù)關(guān)系，即

雙位控制雙位控制的動作規(guī)律是當(dāng)測量值大于給定值時，控制器的輸出為最大（或最小），而當(dāng)測量值小于給定值時，則輸出為最?。ɑ蜃畲螅?，即控制器只有兩個輸出值，相應(yīng)的控制機(jī)構(gòu)只有開和關(guān)兩個極限位置，因此又稱開關(guān)控制。22圖16-12簡單控制系統(tǒng)簡化方塊圖控制器的控制規(guī)律所謂785理想的雙位控制器其輸出u與輸入偏差之e間的關(guān)系為圖16-13理想雙位控制特性圖16-14液位雙位控制系統(tǒng)示意圖5理想的雙位控制器其輸出u與輸入偏差之e間的關(guān)系為圖16-1796將上圖中的測量裝置及繼電器線路稍加改變，便可成為一個具有中間區(qū)的雙位控制器，見下圖。由于設(shè)置了中間區(qū)，當(dāng)偏差在中間區(qū)內(nèi)變化時，控制機(jī)構(gòu)不會動作，因此可以使控制機(jī)構(gòu)開關(guān)的頻繁程度大為降低，延長了控制器中運動部件的使用壽命。圖16-16具有中間區(qū)的雙位控制過程圖16-15實際的雙位控制規(guī)律特性6將上圖中的測量裝置及繼電器線路稍加改變，便雙位控制過程中一般采用振幅與周期作為品質(zhì)指標(biāo)結(jié)論被控變量波動的上、下限在允許范圍內(nèi)，使周期長些比較有利。雙位控制器結(jié)構(gòu)簡單、成本較低、易于實現(xiàn)，因而應(yīng)用很普遍。7雙位控制過程中一般采用振幅與周期作為品質(zhì)指標(biāo)結(jié)論被控變量波22

比例控制器是具有比例控制規(guī)律的控制器。比例控制器輸出與偏差成比例，它們之間的關(guān)系為對于單元組合儀表

比例控制規(guī)律（P）及其對控制過程的影響可調(diào)整參數(shù)比例放大系數(shù)KC（或比例度δ）22比例控制器是具有比例控制規(guī)律的控制器。比例82(b)實際比例控制作用特性(a)理想比例控制作用特性圖16-17比例控制器特性下圖為理想比例控制器的輸出特性與實際比例控制器的輸出特性

(b)實際比例控制作用特性(a)理想比例控制作用特性圖1圖16-18比例度對過渡過程的影響比例度對控制過程的影響如圖16-18所示

圖16-18比例度對過渡過程的影響比例度對控制過程的影響如

控制器的輸出與偏差成比例。當(dāng)負(fù)荷變化時，比例控制器克服干擾能力強(qiáng)、控制及時、過渡時間短。在常用控制規(guī)律中，比例作用是最基本的控制規(guī)律，不加比例作用的控制規(guī)律是很少采用的。純比例控制系統(tǒng)在過渡過程終了時存在余差。負(fù)荷變化越大，余差就越大。特點23適用于

控制通道滯后較小、負(fù)荷變化不大、工藝上沒有提出無差要求的系統(tǒng)。控制器的輸出與偏差成比例。特點23適用于控制通道24比例積分控制器是具有比例積分控制規(guī)律的控制器。比例-積分控制器的輸入輸出的關(guān)系為：可調(diào)整參數(shù)比例放大系數(shù)KC（或比例度δ）和積分時間TI。比例積分控制規(guī)律（PI）及其對控制過程的影響24比例積分控制器是具有比例積分控制規(guī)律的控制圖16-19積分作用對偏差e的單位階躍響應(yīng)曲線圖16-20比例積分作用對偏差e的單位階躍響應(yīng)曲線圖16-19積分作用對偏差e的單位階躍響應(yīng)曲線圖16-20圖16-21積分時間過渡過程的影響圖16-21表示在同樣比例度下積分時間對過渡過程的影響。

圖16-21積分時間過渡過程的影響圖16-21表示在同樣比例特點

由于在比例作用的基礎(chǔ)上加上積分作用，而積分作用的輸出是與偏差的積分成比例，只要偏差存在，控制器的輸出就會不斷變化，直至消除偏差為止。積分作用會使穩(wěn)定性降低，雖然在加積分作用的同時，可以通過加大比例度，使穩(wěn)定性基本保持不變，但超調(diào)量和振蕩周期都相應(yīng)增大，過渡過程的時間也加長。25適用于控制通道滯后較小、負(fù)荷變化不大、工藝參數(shù)不允許有余差的系統(tǒng)。

特點由于在比例作用的基礎(chǔ)上加上積分作用，而積分作用的輸出是比例微分控制（PD）規(guī)律及其對控制過程的影響

比例微分控制規(guī)律為：圖16-22比例微分控制器特性圖16-23微分時間對過渡過程的影響比例微分控制（PD）規(guī)律及其對控制過程的影響比例微分控制規(guī)律26

比例積分微分控制器是具有比例積分微分控制規(guī)律的控制器，常稱為三作用（PID）控制器。理想的PID控制作用是可調(diào)整參數(shù)比例放大系數(shù)Kc（或比例度δ）、積分時間TI和微分時間TD。比例積分微分控制規(guī)律（PID）及其對控制過程的影響26比例積分微分控制器是具有比例積分微分控制規(guī)律圖16-24PID三作用控制器特性當(dāng)有階躍信號輸入時，輸出為比例、積分和微分三部分輸出之和，如圖16-24所示。

圖16-24PID三作用控制器特性當(dāng)有階躍特點

微分作用使控制器的輸出與輸入偏差的變化速度成比例，它對克服對象的滯后有顯著的效果。在比例的基礎(chǔ)上加上微分作用能提高穩(wěn)定性，再加上積分作用可以消除余差。所以，適當(dāng)調(diào)整δ、TI、TD參數(shù)，可以使控制系統(tǒng)獲得較高的控制質(zhì)量。適用于

容量滯后較大、負(fù)荷變化大、控制質(zhì)量要求較高的系統(tǒng)，應(yīng)用最普遍的是溫度、成分控制系統(tǒng)。27特點微分作用使控制器的輸出與輸入偏差的變化速度成28

目前生產(chǎn)的模擬式控制器一般都同時具有比例、積分、微分三種作用。只要將其中的微分時間TD置于０，就成了比例積分控制器，如果同時將積分時間TI置于無窮大，便成了比例控制器。注意！28目前生產(chǎn)的模擬式控制器一般都同時具有16.2.5控制器正反作用的確定

控制器的正反作用是關(guān)系到控制系統(tǒng)能否正常運行與安全操作的重要問題。要通過改變控制器的正、反作用，以保證整個控制系統(tǒng)是一個具有負(fù)反饋的閉環(huán)系統(tǒng)。16.2.5控制器正反作用的確定控制器的正反作用的定義：正作用：當(dāng)被控變量的測量值增大時，控制器的輸出也增大則該控制器為“正作用”；反作用：當(dāng)測量值增大時，控制器輸出反而減少，則該控制器為“反作用”。正反作用的確定：①單回路系統(tǒng)結(jié)合對象和控制閥使偏差向減小的方向調(diào)節(jié)。②先確定控制閥氣開、氣關(guān)方式，再確定控制器正反作用。正反作用的定義：控制器的作用方向選擇：

回路判別法回路判別法的要點：（1）反饋回路中負(fù)增益環(huán)節(jié)（包括比較器）數(shù)為奇數(shù)；（2）對控制器而言，“正作用”是指Tm↑→u↑。圖16-25加熱爐出口溫度控制系統(tǒng)方框圖控制器的作用方向選擇：

回路判別法回路判別法的要點：圖16-31

在一個安裝好的控制系統(tǒng)中，對象的作用方向由工藝機(jī)理可以確定，執(zhí)行器的作用方向由工藝安全條件可以選定，而控制器的作用方向要根據(jù)對象及執(zhí)行器的作用方向來確定，以使整個控制系統(tǒng)構(gòu)成負(fù)反饋的閉環(huán)系統(tǒng)。結(jié)論31在一個安裝好的控制系統(tǒng)中，對象的作16.3簡單控制系統(tǒng)的投運投運前的準(zhǔn)備工作(1)對投運過程中可能出現(xiàn)的意外情況有所估計。(2)各個儀表環(huán)節(jié)校驗準(zhǔn)確。(3)充分了解控制意圖。投運(1)控制儀表置手動狀態(tài)，設(shè)置好初始參數(shù)PID，正反(2)各儀表加電，手操控制器的輸出，使被控制變量達(dá)到設(shè)定值。(3)置手動狀態(tài)至自動狀態(tài)。投運原則：無擾動切換16.3簡單控制系統(tǒng)的投運投運前的準(zhǔn)備工作16.4控制器參數(shù)的