《過(guò)程裝備控制技術(shù)及應(yīng)用》第二章-2

1第2章第2章過(guò)程裝備控制基礎(chǔ)§2-1被控對(duì)象的特性§2-2單回路控制系統(tǒng)§2-3復(fù)雜控制系統(tǒng)2.2

單回路控制系統(tǒng)簡(jiǎn)單控制系統(tǒng)是最基本的、應(yīng)用最廣泛的系統(tǒng)，同時(shí)，

簡(jiǎn)單控制系統(tǒng)是復(fù)雜控制系統(tǒng)的基礎(chǔ)，學(xué)會(huì)了簡(jiǎn)單控制系統(tǒng)

的分析，將會(huì)給復(fù)雜控制系統(tǒng)的分析和研究提供很大的方便。單回路控制系統(tǒng)（簡(jiǎn)單控制系統(tǒng)）：一個(gè)被控對(duì)象；一個(gè)檢測(cè)元件及變送器;一個(gè)調(diào)節(jié)器；一個(gè)執(zhí)行器.單回路控制系統(tǒng)方框圖煉一個(gè)被控對(duì)象；煉一個(gè)檢測(cè)元件及變送器；煉一個(gè)調(diào)節(jié)器；煉一個(gè)執(zhí)行器；一．單回路控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

設(shè)計(jì)控制系統(tǒng)前，應(yīng)全面了解被控對(duì)象。工藝過(guò)程、生產(chǎn)設(shè)備；被控對(duì)象的動(dòng)、靜態(tài)特性。

確定正確的控制方案，包括：選擇被控變量與操縱變量，選擇檢測(cè)變送元件及檢測(cè)位置，選用執(zhí)行器、調(diào)節(jié)器和控制規(guī)律。

將調(diào)節(jié)器的參數(shù)整定到最佳值。1．被控變量的選擇被控變量：生產(chǎn)過(guò)程中希望保持在定值的過(guò)程參數(shù)。作為被控變量，應(yīng)是對(duì)提高產(chǎn)品質(zhì)量和產(chǎn)量、促進(jìn)安

全生產(chǎn)、提高勞動(dòng)生產(chǎn)率、節(jié)能等具有決定作用的工藝變量。被控變量選擇不當(dāng)，不管組成什么形式的控制系統(tǒng)，也不管配上多么精密先進(jìn)的工業(yè)自動(dòng)化裝置，都不能達(dá)到預(yù)期的控制效果。蒸餾過(guò)程是利用被分離物各組分的揮發(fā)度不同，把混合物中的各組分進(jìn)行分離。工藝質(zhì)量指標(biāo)—精餾塔的操作是要使塔頂(或塔底)餾出物達(dá)到規(guī)定的純度。笨—甲苯精餾過(guò)程的示意圖塔頂餾出物的組分JD被控變量塔底餾出物的組分JW結(jié)論：檢測(cè)J

D或J

W滯后太大或有困難，不能直接以J

D(J

W)作為被控變量。選擇與J

D(J

W)有關(guān)的變量作為被控變量，進(jìn)行間接指標(biāo)控制。在二元系統(tǒng)的精餾中，當(dāng)氣液兩相并存時(shí)，塔頂易揮組分苯的百分含量XD、塔頂溫度TD、壓力p三者之間有一定的關(guān)系。當(dāng)壓力恒定時(shí)，組分XD和溫度TD之間存在有單值對(duì)應(yīng)的關(guān)系；當(dāng)溫度TD恒定時(shí)，組分

XD和壓力p之間也存在著單值對(duì)應(yīng)關(guān)系。在組分、溫度、壓力三個(gè)變量中，只要固定溫度或壓力中的一個(gè)，另一個(gè)變量即可作為被控變量。從工藝合理性考慮—選擇溫度作為被控變量在精餾塔操作中，壓力需要固定。塔只有在規(guī)定的壓力下，才能保證塔的分離純度、效率和經(jīng)濟(jì)性。如塔壓波動(dòng)，會(huì)破壞原來(lái)的氣液平衡，影響相對(duì)揮發(fā)度，使塔處于不良工況。同時(shí)，隨著塔壓的變化，往往還會(huì)引起與之相關(guān)的其他物料量的變化，影響塔的物料平衡，引起負(fù)荷的波動(dòng)。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(duì)應(yīng)關(guān)系。結(jié)論：固定壓力，選擇溫度作為被控變量是合理的。選擇被控變量的基本原則：(1)工藝過(guò)程中重要的變量。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)。(2)可以頻繁調(diào)節(jié)的變量。在工藝操作過(guò)程中經(jīng)常要受到一些干擾影響而變化。為維持被控變量的恒定，需要進(jìn)行頻繁的調(diào)節(jié)。(3)采用直接指標(biāo)作為被控變量。當(dāng)無(wú)法獲得直接指標(biāo)信號(hào)，或其測(cè)量和變送信號(hào)滯后很大時(shí)，可選擇與直接指標(biāo)有單值

對(duì)應(yīng)關(guān)系的間接指標(biāo)作為被控變量。(4)被控變量應(yīng)能被測(cè)量出來(lái)，并具有足夠大的靈敏度。(5)考慮工藝合理性以及是否滿(mǎn)足國(guó)內(nèi)儀表產(chǎn)品現(xiàn)狀。(6)被控變量應(yīng)是獨(dú)立可控的。2．操縱變量的選擇操縱變量：在控制系統(tǒng)中，用來(lái)克服干擾對(duì)被控變量的影響，實(shí)現(xiàn)控制作用的變量。在化工和煉油生產(chǎn)過(guò)程中，最常見(jiàn)的操縱變量有流量，壓力、轉(zhuǎn)速等。選擇操縱變量時(shí)應(yīng)考慮以下問(wèn)題：⑴工藝的合理性⑵被控對(duì)象的特性被控變量被加熱介質(zhì)的溫度載熱體流量操縱變量被加熱介質(zhì)的流量選擇載熱體流量作為操縱變量⑴考慮工藝的合理性選擇稀釋水的流量作為操縱變量，應(yīng)盡量避免選用主物料流量作為操縱變量。物料濃度控制系統(tǒng)稀釋水的流量物料的流量⑵考慮被控對(duì)象的特性被控變量：提餾段靈敏板的溫度選擇操縱變量：控制系統(tǒng)的任務(wù)是維持靈敏板溫度的恒定，使塔底產(chǎn)品的成分滿(mǎn)足工藝要求。靈敏板1一精餾塔；2一蒸汽加熱器影響提餾段靈敏板溫度的因素：煉塔壓P煉進(jìn)料流量qv1煉進(jìn)料成分X煉進(jìn)料溫度T1煉回流流量qv2煉回流溫度T2煉冷凝器冷卻水溫度t煉加熱蒸汽流量qv3qv1,x,T1靈敏板

qv2,T2qv31一精餾塔；2一蒸汽加熱器tp根據(jù)工藝要求，除了回流量和加熱蒸汽量外，其他參數(shù)都不允許作為操縱變量?；亓髁縬v2操縱變量加熱蒸汽量qv3qv2,T2qv3tpqv1,x,T1靈敏板結(jié)論：選擇加熱蒸汽量qv3理由：加熱蒸汽量qv3與提留段靈敏板之間的控制通道時(shí)間常數(shù)小，滯后小，構(gòu)成的控制系統(tǒng)克服干擾能力強(qiáng)，能獲得良好的控制質(zhì)量。操縱變量選擇原則：①操縱變量應(yīng)是可控的，即工藝上允許調(diào)節(jié)的變量。②操縱變量一般應(yīng)比其他干擾對(duì)被控變量的影響更加靈敏。使控制通道的放大系數(shù)適當(dāng)大、時(shí)間常數(shù)適當(dāng)小、純滯后時(shí)間盡量小。為使其他干擾對(duì)被控變量的影響減小，應(yīng)使干擾通道的放大系數(shù)盡可能小、時(shí)間常數(shù)盡可能大。③考慮工藝的合理性與生產(chǎn)的經(jīng)濟(jì)性。不宜選擇生產(chǎn)負(fù)荷作為操縱變量，因?yàn)樯a(chǎn)負(fù)荷直接關(guān)系到產(chǎn)品的產(chǎn)量，是不宜經(jīng)常波動(dòng)的。另外，從經(jīng)濟(jì)性考慮，應(yīng)盡可能地降低物料與能量的消耗。3.

檢測(cè)變送環(huán)節(jié)的影響檢測(cè)變送環(huán)節(jié)作用：獲取信息和傳送信息一個(gè)控制系統(tǒng)如果不能正確及時(shí)地獲取被控變量變化的信息，并把這一信息及時(shí)地傳送給調(diào)節(jié)器，就不可能及時(shí)有效地克服干擾對(duì)被控變量的影響；若不能及時(shí)獲取信息和傳送信息會(huì)產(chǎn)生誤調(diào)、失調(diào)等危及生產(chǎn)安全的問(wèn)題。①純滯后的影響：純滯后—檢測(cè)元件安裝位置不適當(dāng)而產(chǎn)生純滯后。

0由于檢測(cè)電極不能放置在流速較大的主管道，只能安裝在流速較小的支管道上，使得pH的測(cè)量引入純滯后。液位控制PH值控制L1

L2u1

u2

0

式中：L1

,L2

----主管道、支管道的長(zhǎng)度u1

,u2

----主管道、支管道內(nèi)流體的速度蒸汽控制水溫的系統(tǒng)蒸汽量的路程長(zhǎng)度為L(zhǎng)，蒸汽量變化要經(jīng)過(guò)L后才能反映出來(lái)。原因：由于蒸汽作用點(diǎn)與被控變量的測(cè)量點(diǎn)相隔一定距離。如果水的流速為V，蒸汽量變化引起的溫度變化需經(jīng)過(guò)一端時(shí)間：L

/V

-----純滯后時(shí)間。結(jié)論：純滯后使測(cè)量信號(hào)不能及時(shí)地反映被控變量的實(shí)際值，從而降低了控制系統(tǒng)的控制質(zhì)量。由檢測(cè)元件安裝位置所引入的純滯后是不可避免的，在設(shè)計(jì)控制系統(tǒng)時(shí)，要盡可能地減小純滯后時(shí)間。方法：正確選擇安裝檢測(cè)點(diǎn)位置，使檢測(cè)元件不要安裝在死角或容易結(jié)焦的地方。當(dāng)純滯后時(shí)間太長(zhǎng)時(shí)，就必須考慮使用復(fù)雜控制方案。②測(cè)量滯后----測(cè)量元件本身特性所引起的動(dòng)態(tài)誤差。當(dāng)測(cè)量元件感受被控變量的變化時(shí)，要經(jīng)過(guò)一個(gè)變化過(guò)程，才能反映被控變量的實(shí)際值，這時(shí)測(cè)量元件本身就構(gòu)成了一個(gè)具有一定時(shí)間常數(shù)的慣性環(huán)節(jié)。例：測(cè)溫元件測(cè)量溫度。由于存在傳熱阻力和熱容，元件本身具有一定的時(shí)間常數(shù)Tm，因而測(cè)溫元件的輸出總是滯后于被控變量的變化。如果把這種測(cè)量元件用于控制系統(tǒng)，調(diào)節(jié)器接受的是一個(gè)失真的信號(hào)，不能發(fā)揮正確的作用，因而影響控制質(zhì)量?？朔y(cè)量滯后的方法：選用快速測(cè)量元件，以測(cè)量元件的時(shí)間常數(shù)為被控對(duì)象的時(shí)間常數(shù)的十分之一以下為宜；在調(diào)節(jié)器中加入微分控制作用，使調(diào)節(jié)器在偏差產(chǎn)生的初期，就根據(jù)偏差的變化趨勢(shì)發(fā)出控制信號(hào)。采用超前補(bǔ)償來(lái)克服測(cè)量滯后。注：微分作用對(duì)克服純滯后是無(wú)能為力的。③傳遞滯后（信號(hào)傳輸滯后）-----氣壓信號(hào)在管路傳送過(guò)程中引起的滯后(電信號(hào)的傳遞滯后可以忽略不計(jì))。采用氣動(dòng)儀表實(shí)現(xiàn)集中控制的場(chǎng)合，調(diào)節(jié)器和顯示器集中安裝在中心控制室，檢測(cè)變送器和執(zhí)行器則安裝在現(xiàn)場(chǎng)。在測(cè)量變送器至調(diào)節(jié)器，調(diào)節(jié)器至執(zhí)行器的信號(hào)傳遞中，由于管線(xiàn)過(guò)長(zhǎng)就形成了傳遞滯后。由于傳遞滯后的存在，調(diào)節(jié)器不能及時(shí)地接受測(cè)量信號(hào)，也不能將控制信號(hào)及時(shí)地送到執(zhí)行器上，因而降低控制系統(tǒng)

的控制質(zhì)量?？朔鬟f滯后的方法：

盡量縮短氣壓信號(hào)管線(xiàn)的長(zhǎng)度；

改用電信號(hào)傳遞；在氣壓管線(xiàn)上加氣動(dòng)繼動(dòng)器，或在執(zhí)行器上加氣動(dòng)閥門(mén)定位器，增大輸出功率，減少傳遞滯后的影響；按實(shí)際情況采用基地式儀表，消除信號(hào)傳遞上的誤差。4.執(zhí)行器的影響執(zhí)行器----接受調(diào)節(jié)器送來(lái)的控制信號(hào)，調(diào)節(jié)管道中介質(zhì)的流量(改變操縱變量)，從而實(shí)現(xiàn)生產(chǎn)過(guò)程的自動(dòng)控制。執(zhí)行器通常為調(diào)節(jié)閥，包括執(zhí)行機(jī)構(gòu)和閥兩個(gè)部分。如果執(zhí)行器選擇不當(dāng)會(huì)使系統(tǒng)不能可靠工作。二．調(diào)節(jié)器的調(diào)節(jié)規(guī)律調(diào)節(jié)規(guī)律---調(diào)節(jié)器的輸出信號(hào)隨輸入信號(hào)變化的規(guī)律。作用：將測(cè)量信號(hào)與給定值相比較產(chǎn)生偏差信號(hào)，再按一定的運(yùn)算規(guī)律產(chǎn)生輸出信號(hào)，驅(qū)動(dòng)執(zhí)行器，實(shí)現(xiàn)對(duì)生產(chǎn)過(guò)程的自動(dòng)控制。調(diào)節(jié)形式（規(guī)律）：斷續(xù)調(diào)節(jié)連續(xù)調(diào)節(jié)位式比例積分微分1．位式調(diào)節(jié)規(guī)律（1）二位調(diào)節(jié)系統(tǒng)理想的二位調(diào)節(jié)規(guī)律的數(shù)學(xué)表達(dá)式為：

maxue0umin

e0u

式中:u

---調(diào)節(jié)器輸出信號(hào)；e---偏差

maxue0umin

e0u

設(shè)定值斷通（a）二位調(diào)節(jié)器的輸出特性曲線(xiàn)（b）在調(diào)節(jié)器內(nèi)部繼電器有兩個(gè)工作狀態(tài)：當(dāng)測(cè)量值小于設(shè)定值時(shí)，調(diào)節(jié)器內(nèi)的繼電器吸合，觸點(diǎn)呈導(dǎo)通狀態(tài)；當(dāng)測(cè)量值等于或大于設(shè)定值時(shí)，調(diào)節(jié)器內(nèi)的繼電器釋放，觸點(diǎn)呈關(guān)斷狀態(tài)。e

=ys

-

ym設(shè)定值斷e

<0e

>0通二位爐溫自動(dòng)控制系統(tǒng)1-

-

-

加熱爐 被控對(duì)象--熱電偶為檢測(cè)元件；--二位調(diào)節(jié)器；--繼電器為執(zhí)行機(jī)構(gòu)；--電熱器為加熱裝置。被控變量操縱變量爐溫

電熱器

當(dāng)測(cè)量值低于給定值e＞0時(shí)，調(diào)節(jié)器輸出的極限狀態(tài)，使繼電器閉合，觸點(diǎn)導(dǎo)通給加熱器供電，被控溫度上升；

當(dāng)測(cè)量值高于給定值e＜0時(shí)，調(diào)節(jié)器輸出另一極限狀態(tài)，使繼電器觸點(diǎn)斷開(kāi)，加熱器停止供電，被控溫度下降。如此反復(fù)進(jìn)行，使溫度維持在給定值附近很小的范圍內(nèi)波動(dòng)?；夭睿何皇秸{(diào)節(jié)器有一個(gè)中間區(qū)域，稱(chēng)為回差。特征：當(dāng)偏差達(dá)到一定數(shù)值時(shí)，調(diào)節(jié)器的輸出才變化，在中間區(qū)內(nèi)調(diào)節(jié)器的輸出將取決于它原來(lái)所處的狀態(tài)。理想的雙位控制系統(tǒng)調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)（繼電器）的啟停過(guò)于頻繁，繼電器觸頭容易損壞。實(shí)際應(yīng)用的雙位調(diào)節(jié)器都有一個(gè)中間區(qū)域，實(shí)際的調(diào)節(jié)規(guī)律如下圖：振幅：θ

UP

-θs周期：T振幅小、周期長(zhǎng)，控制品質(zhì)就高。在位式調(diào)節(jié)系統(tǒng)，回差是固定的，控制變量的振幅大小與控制對(duì)象的滯后時(shí)間有關(guān)，滯后時(shí)間越大則振幅也越大。雙位控制的品質(zhì)指標(biāo)：具有回差的雙位調(diào)節(jié)器的過(guò)渡過(guò)程是等幅振蕩過(guò)程。（2）三位調(diào)節(jié)系統(tǒng)煉三位調(diào)節(jié)器具有上限和下限兩個(gè)設(shè)定點(diǎn)，煉調(diào)節(jié)器內(nèi)部具有兩個(gè)繼電器。通斷設(shè)定值1（下限值）設(shè)定值2（上限值）斷通位式調(diào)節(jié)的特點(diǎn)：

優(yōu)點(diǎn)：結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、成本較低、使用方便，通常采用電磁閥、電加熱器等作為執(zhí)行器。

缺點(diǎn)：被控變量總在波動(dòng)，控制質(zhì)量不高。當(dāng)被控對(duì)象純滯后較大時(shí)，被控變量波動(dòng)幅度較大。因此，在控制要求稍高的場(chǎng)合，不宜使用。2．比例調(diào)節(jié)規(guī)律（P）（1）比例放大倍數(shù)(K)在比例調(diào)節(jié)中，調(diào)節(jié)器的輸出信號(hào)變化量

與輸入信號(hào)成比例關(guān)系:u(t)e(t)u(t)

Kp

e(t)式中:---比例增益或比例放大倍數(shù)KP比例增益或比例放大倍數(shù)在調(diào)節(jié)器中是可以調(diào)整的。在階躍激勵(lì)作用下，比例調(diào)節(jié)規(guī)律的開(kāi)環(huán)輸出特性：例：水槽液位比例控制系統(tǒng)被控變量：水槽液位操縱變量：進(jìn)水流量測(cè)量元件：浮球；

輸入信號(hào)：e（t

）輸出信號(hào)：Δu調(diào)節(jié)器：

杠桿。e（t）

靜態(tài)：閥門(mén)開(kāi)度與液位偏差成正比；

動(dòng)態(tài)：閥門(mén)的動(dòng)作與液位的變化同步，沒(méi)有時(shí)間上的遲延。e（t

）調(diào)節(jié)器輸出變化量(即閥門(mén)開(kāi)度)與輸入變化量(即液位偏差)之間的關(guān)系，可由相似三角形的關(guān)系得到：式中:b/a---比例放大倍數(shù)bu(t)

e(t)ae

(t)結(jié)論：比例調(diào)節(jié)器的輸出變化量與輸入變化量的偏差具有一一對(duì)應(yīng)的比例關(guān)系，因此比例控制具有控制及時(shí)、克服偏差有力的特點(diǎn)。在系統(tǒng)的平衡遭到破壞后，需靠偏差來(lái)建立新的平衡，因此比例控制始終存在余差。（2）比例度

工業(yè)上使用的調(diào)節(jié)器，采用比例度（而不是放大倍數(shù)）表示比例作用的強(qiáng)弱。比例度：調(diào)節(jié)器的輸入相對(duì)變化量與輸出的相對(duì)變化量之比的百分?jǐn)?shù)：

e

/(emax

emin

)

100%u

/(umax

umin

)式中：——調(diào)節(jié)器輸入信號(hào)的變化量；——調(diào)節(jié)器輸出信號(hào)的變化量；——調(diào)節(jié)器輸入信號(hào)的變化范圍；——調(diào)節(jié)器輸出信號(hào)的變化范圍。

e

/(emax

emin

)

100%u

/(umax

umin

)euemax

eminumax

umin比例度：要使輸出信號(hào)作全范圍的變化，輸入信號(hào)必須改變?nèi)砍痰陌俜种畮祝摧斎肱c輸出的比例范圍。例：電動(dòng)比例調(diào)節(jié)器，量程：100～200℃，輸出信號(hào)：

0—10

mA，當(dāng)輸入從140℃變化到160℃時(shí)，調(diào)節(jié)器

的輸出從3

mA變化到8mA，求調(diào)節(jié)器的比例度。

(160

140)

/(200

100)

100%

80%(8

3)

/(10

0)

e

/(emax

emin

)

100%u

/(umax

umin

)由：得：比例度的表達(dá)式：emax

minumax

umin

e100%u

e對(duì)于調(diào)節(jié)器，比例度與比例放大倍數(shù)互為倒數(shù)關(guān)系。調(diào)節(jié)器的比例度越小，比例放大倍數(shù)越大，比例控制作用越強(qiáng)。調(diào)節(jié)器的比例度越大，比例放大倍數(shù)越小，比例控制作用越弱。（3）比例度對(duì)過(guò)渡過(guò)程的影響在比例控制系統(tǒng)中，調(diào)節(jié)器的比例度不同，其過(guò)渡過(guò)程的形式也不同。a.

比例度對(duì)余差的影響比例度越大，放大倍數(shù)越小，要獲得同樣大小的變化量所需的偏差就越大，在相同的干擾作用下，系統(tǒng)再次平衡時(shí)的余差就越大。比例度減小，系統(tǒng)的余差也隨之減小。u(t)

Kpe(t)b.比例度對(duì)最大偏差、振蕩周期的影響在相同干擾下，調(diào)節(jié)器的比例度越小，比例作用越強(qiáng)，調(diào)節(jié)器的輸出越大，被控變量偏離給定值越小，被控變量被拉回到給定值所需的時(shí)間越短。比例度越小，最大偏差越小，振蕩周期也越短，工作頻率提高。c.比例度對(duì)系統(tǒng)穩(wěn)定性的影響比例度越大，調(diào)節(jié)器輸出變化越小，被控變量變化越緩慢，過(guò)渡過(guò)程平穩(wěn)。比例度越小，調(diào)節(jié)器輸出變化越大，系統(tǒng)的穩(wěn)定程度降低，過(guò)渡過(guò)程逐漸從衰減振蕩走向臨界振蕩直至發(fā)散振蕩。在調(diào)節(jié)器的基本調(diào)節(jié)規(guī)律中，比例調(diào)節(jié)是最基本、最主要、應(yīng)用最普遍的規(guī)律，它能較為迅速地克服干擾的影響，使系統(tǒng)很快地穩(wěn)定下來(lái)。適用范圍：干擾少、擾動(dòng)幅度小、負(fù)荷變化不大、滯后較小或者控制精度要求不高的場(chǎng)合。3.比例積分調(diào)節(jié)規(guī)律(PI)

(1)積分調(diào)節(jié)規(guī)律(I)調(diào)節(jié)器輸出信號(hào)的變化量與輸入信號(hào)偏差的積分成正比。其數(shù)學(xué)表達(dá)式為:1ttTIu(t)

KI

0

e(t)dt

0

e(t)dt式中:--積分速度--積分時(shí)間KITI(2-27)階躍偏差輸入，將代入式(2—27)可得：e(t)

A0tIIu(t)

Ke(t)dt

K

At

(2—28)描述的是一條斜率為定值的直線(xiàn)，斜率正比于調(diào)節(jié)器的積分速度。積分速度KI

越大(即積分時(shí)間

TI

越小)，直線(xiàn)越陡峭，積分作用越強(qiáng)。特點(diǎn)：積分調(diào)節(jié)器輸出信號(hào)的大小不僅與輸入偏差信號(hào)的大小有關(guān)，還取決于偏差存在時(shí)間的長(zhǎng)短。只要有偏差，調(diào)節(jié)器的輸出就不斷變化。偏差存在的時(shí)間越長(zhǎng)，輸出信號(hào)的變化量就越大。只有在偏差等于零時(shí)，積分調(diào)

節(jié)器的輸出信號(hào)才能相對(duì)穩(wěn)定。結(jié)論：積分的控制作用----消除余差。純積分控制的缺點(diǎn)：輸出Δu(t)與輸入e(t)不能像比例控制那樣保持同步、快速，Δu(t)的變化總要滯后于e(t)的變化。不能及時(shí)有效地克服擾動(dòng)的影響，其結(jié)果是加劇了被控變量的波動(dòng)，使系統(tǒng)難以穩(wěn)定下來(lái)。在工業(yè)過(guò)程控制中，不單獨(dú)使用積分控制規(guī)律，而是將它與比例控制組合成比例積分控制規(guī)律來(lái)應(yīng)用。（2）比例積分控制規(guī)律(PI)比例與積分兩種控制規(guī)律的組合，數(shù)學(xué)表達(dá)式為：0

1Pte(t)dt]TIu(t)

K

[e(t)

（2-29）PI規(guī)律將比例控制反應(yīng)快和積分控制能消除余差的優(yōu)點(diǎn)結(jié)合在一起，因而在生產(chǎn)中得到了廣泛應(yīng)用。在幅值為A的階躍偏差輸入作用下，比例積分調(diào)節(jié)器的開(kāi)環(huán)輸出特性:0Pte(t)dt]TI1u(t)

K

[e(t)

開(kāi)始時(shí)，比例作用使輸出跳變至KpA，然后是積分作用使輸出隨時(shí)間線(xiàn)性增加。用數(shù)學(xué)式表示為：PPIKAtTu(t)

K

A（2-30）t

TI在時(shí)刻，輸出:u(t)

2KP

A0積分時(shí)間定義：在階躍偏差輸入作用下，調(diào)節(jié)器的輸出達(dá)到比例輸出兩倍時(shí)，所經(jīng)歷的時(shí)間稱(chēng)“積分時(shí)間”。積分時(shí)間表征積分作用的強(qiáng)弱：煉積分時(shí)間越小，積分速度越大，積分控制作用越強(qiáng)；煉積分時(shí)間越大，積分作用越弱。若積分時(shí)間無(wú)窮大，則表示沒(méi)有積分作用，調(diào)節(jié)器特性就變成了純比例特性。（3）積分時(shí)間對(duì)系統(tǒng)過(guò)渡過(guò)程的影響比例積分控制系統(tǒng)中，若保持調(diào)節(jié)器的比例度不變，積分時(shí)間對(duì)過(guò)渡過(guò)程的影響：積分時(shí)間對(duì)過(guò)渡過(guò)程的影響具有雙重性：隨著積分時(shí)間的減小，積分作用不斷增強(qiáng)，使得：煉調(diào)節(jié)器的輸出增大；煉最大偏差減小，余差消除加快；煉系統(tǒng)振蕩加劇，穩(wěn)定性下降。在比例控制系統(tǒng)中，加入積分作用將會(huì)使系統(tǒng)的穩(wěn)定性有所下降，若要保持原有的穩(wěn)定性，則必須根據(jù)積分時(shí)間的大小，適當(dāng)?shù)卦黾颖壤取７e分作用的引入，一方面消除了系統(tǒng)的余差，另一方面卻降低了系統(tǒng)的其他品質(zhì)指標(biāo)。4.

比例積分微分調(diào)節(jié)規(guī)律(PI

D)（1）微分調(diào)節(jié)規(guī)律(D)對(duì)慣性較大的被控對(duì)象，如果調(diào)節(jié)器能夠根據(jù)被控變量的變化趨勢(shì)來(lái)采取調(diào)節(jié)措施，而不要等到被控變量已經(jīng)出現(xiàn)較大偏差后才開(kāi)始動(dòng)作,即調(diào)節(jié)器具有某種程度的預(yù)見(jiàn)性，調(diào)節(jié)的效果會(huì)更好。微分調(diào)節(jié)規(guī)律：調(diào)節(jié)器輸出信號(hào)的變化量與輸入偏差的變化“速度”成正比。dtu(t)

TD

de(t)（2-31）式中：TD

---微分時(shí)間在某一時(shí)刻t

0

輸入一個(gè)階躍變化的偏差信號(hào)e(t)A，該時(shí)刻調(diào)節(jié)器的輸出為無(wú)窮大，其余時(shí)間輸出為零，稱(chēng)為理想微分作用特性。理想微分作用曲線(xiàn)Ddtu(t)

T

de(t)特點(diǎn)：微分調(diào)節(jié)器的輸出只與偏差的變化速度有關(guān)，而與偏差的存在無(wú)關(guān)。微分作用對(duì)恒定不變的偏差是沒(méi)有克服能力。

微分調(diào)節(jié)不能單獨(dú)使用。

微分控制總是與比例控制或比例積分控制組合使用。（2）比例微分控制規(guī)律(PD)比例微分控制規(guī)律(PD)是比例與微分兩種控制規(guī)律的組合：Ddtu(t)

K

e(t)

T

de(t)

P

（2-32）圖2-

27理想比例微分作用Ddtu(t)

K

e(t)

T

de(t)

P

工業(yè)上實(shí)際采用的PD調(diào)節(jié)規(guī)律是比例作用與近似微分作用的組合，當(dāng)輸入偏差的幅值為A時(shí)，數(shù)學(xué)表達(dá)式如下：（2-33）式中：

KD

-

-

-

微分增益TD

---微分時(shí)間TD(

KD

)tu(t)

KP

AKP

A(KD

1)e工業(yè)調(diào)節(jié)器的微分增益一般在5—10范圍內(nèi)，當(dāng) 時(shí)：t

TD

/

KDu(t)

KP

A0.368

A(KD

1)

(2—34)實(shí)際的比例微分輸出特性曲線(xiàn)TD(

KD

)tu(t)

KP

AKP

A(KD

1)ePD調(diào)節(jié)器的輸出從躍變脈沖的頂點(diǎn)下降微分作用部分最大值的63.2％時(shí)，令 ，則

t的KD倍就是微分時(shí)間TDt

TD

/

KD結(jié)論：微分作用總是力圖阻止被控變量的變化，適當(dāng)?shù)奈⒎肿饔糜幸种普袷幍男Ч?。煉微分作用選擇適當(dāng)，將有利于提高系統(tǒng)的穩(wěn)定性；煉微分作用過(guò)強(qiáng)，即微分時(shí)間過(guò)大，反而不利于系統(tǒng)的穩(wěn)定。工業(yè)用調(diào)節(jié)器的微分時(shí)間可在一定范圍內(nèi)(例如

3

s

～10

mi

n)進(jìn)行調(diào)整。（3）微分時(shí)間對(duì)過(guò)渡過(guò)程的影響比例微分控制系統(tǒng)中，保持調(diào)節(jié)器的比例度不變，微分時(shí)間對(duì)過(guò)渡過(guò)程的影響如圖所示。曲線(xiàn)1：微分時(shí)間

太短，微分作用弱，對(duì)系統(tǒng)的品質(zhì)指標(biāo)影響甚微；曲線(xiàn)2：當(dāng) 適當(dāng)時(shí)，TDTD控制系統(tǒng)的品質(zhì)指標(biāo)得到全面的改善。曲線(xiàn)3：微分時(shí)間太長(zhǎng)，微分作用強(qiáng)，會(huì)引起系統(tǒng)振蕩。4．比例積分微分控制規(guī)律(PI

D)將比例調(diào)節(jié)、積分調(diào)節(jié)和微分調(diào)節(jié)組合到一起。理想的PI

D調(diào)節(jié)規(guī)律的數(shù)學(xué)表達(dá)式為：tTI

dt

u(t)

KP

e(t)

0

e(t)dt

TD1

de(t)

（2-35）由上式所描述的調(diào)節(jié)器在物理上是無(wú)法實(shí)現(xiàn)的。圖2-

32

PI

D調(diào)節(jié)器輸出特性比例、積分和微分作用取長(zhǎng)補(bǔ)短、互相配合，如果比例度、積分時(shí)間、微分時(shí)間這三個(gè)參數(shù)整定適當(dāng)，就可獲得較高的控制質(zhì)量，因此，PI

D調(diào)節(jié)器的適用性較強(qiáng)，應(yīng)用較為普遍。三、調(diào)節(jié)規(guī)律的選取1.調(diào)節(jié)規(guī)律的比較同一對(duì)象在相同階躍干擾作用下，采用不同調(diào)節(jié)規(guī)律時(shí)具有同樣衰減比的響應(yīng)曲線(xiàn)。圖2-31不同調(diào)節(jié)規(guī)律階躍響應(yīng)比較1--比例調(diào)節(jié)4一比例微分調(diào)節(jié)2-

-

積分調(diào)節(jié) 3一比例積分調(diào)節(jié)5一比例積分微分調(diào)節(jié)結(jié)論：

PI

D調(diào)節(jié)的控制作用最佳。

但不意味著任何情況下采用PI

D規(guī)律都是合理的。

在PI

D調(diào)節(jié)器中有三個(gè)參數(shù)（KP、KI

、KD）需要整定，如果這些參數(shù)整定不合適，則不僅不能發(fā)揮各種調(diào)節(jié)規(guī)律的應(yīng)有作用，反而會(huì)適得其反。2.

控制規(guī)律的確定（1）簡(jiǎn)單控制系統(tǒng)適用于控制負(fù)荷變化較小的被控對(duì)象。若負(fù)荷變化較大，無(wú)論選擇那種調(diào)節(jié)規(guī)律，簡(jiǎn)單控制系統(tǒng)都很難得到滿(mǎn)意的控制質(zhì)量，應(yīng)

選用復(fù)雜控制系統(tǒng)。（2）在一般的控制系統(tǒng)中，比例控制是必不可少的。當(dāng)對(duì)象控制通道時(shí)間常數(shù)較小，負(fù)荷變化較小，而工藝要求不高時(shí)，可選擇單純的比例調(diào)節(jié)規(guī)律。如貯罐液位、不太重要的壓力等參數(shù)的控制。（3）當(dāng)對(duì)象控制通道時(shí)間常數(shù)較小，負(fù)荷變化較小，而工藝要求無(wú)余差時(shí)，可選用比例積分調(diào)節(jié)規(guī)律，如管道壓力、流量等參數(shù)的控制。（4）當(dāng)對(duì)象控制通道時(shí)間常數(shù)較大或容量滯后較大時(shí)，應(yīng)引入微分作用。如工藝允許有余差，可選取比例微分調(diào)節(jié)規(guī)律；如工藝要求無(wú)余差時(shí)，則選用比例積分微分調(diào)節(jié)規(guī)律，如溫度、成分、pH等參數(shù)的控制。四、控制器正、反作用的確定1.控制作用(1)控制作用—控制作用對(duì)被控變量的影響與干擾作用對(duì)被控變量的影響相反，才能使被控變量值回復(fù)到給定值。(2)控制器的正反作用是關(guān)系到控制系統(tǒng)能否正常運(yùn)行與安全操作的重要問(wèn)題。2.控制器的作用方向被控變量給定值和測(cè)量值之差值e與控制器的輸出控制信號(hào)方向之間的關(guān)系?？刂破鞯淖饔梅较虻囊?guī)定：給定值不變，測(cè)量值增加，控制器的輸出增加正作用測(cè)量值不變，給定值減小，控制器的輸出增加給定值不變，測(cè)量值增加，控制器的輸出減小反作用測(cè)量值不變，給定值減小，控制器的輸出減小e減小，輸出增加e減小，輸出減小3.

作用方向的組合⑴測(cè)量元件及變送器、控制器、執(zhí)行器和被控對(duì)象都有各自的作用方向。⑵被控對(duì)象的作用方向：操縱變量增加，被控變量增加—正作用操縱變量增加，被控變量減小—反作用⑶考慮作用方向的組合：控制器、執(zhí)行器和被控對(duì)象三個(gè)環(huán)節(jié)的作用方向組合后，應(yīng)能起到負(fù)反饋的作用。負(fù)反饋閉環(huán)系統(tǒng)負(fù)反饋閉環(huán)系統(tǒng)作用—若被控變量偏高，則控制作用使被控變量降低；若被控變

量偏低，則控制作用應(yīng)使被控變量升高。例：反應(yīng)器溫度調(diào)節(jié)系統(tǒng)，設(shè)置各環(huán)節(jié)的作用方向。設(shè)置：被控過(guò)程：正作用；測(cè)量環(huán)節(jié)：正作用；執(zhí)行器：正作用；求調(diào)節(jié)器TC的作用方向。五、調(diào)節(jié)器參數(shù)的工程整定調(diào)節(jié)器參數(shù)整定的目的：為獲得較好的過(guò)渡過(guò)程和控制質(zhì)量，求取控制質(zhì)量最佳的調(diào)節(jié)器參數(shù)（比例度、積分時(shí)間，和微分時(shí)間）。理論計(jì)算法調(diào)節(jié)器參數(shù)的整定方法工程整定法1.理論計(jì)算的方法根據(jù)已知