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1、计算机控制技术与系统河北理工大学计算机与自动控制学院张湧涛计算机控制技术与系统第一章 过程控制系统的基础知识第二章 过程控制对象的特性第三章 常规过程控制系统的基本类型第三章 计算机控制系统的基本概念第四章 过程计算机输入输出技术第五章 过程计算机常规控制技术第六章 过程计算机抗干扰技术过程控制系统：针对工业生产过程的控制系统自动控制系统运动控制系统（拖动系统）：电机传动控制工业生产过程：连续的或者按照一定周期运行的工业生产对象。如石油、化工、电力、冶金、轻工、建材、制药等。特征生产的连续性：时间上：连续运行 工艺上：一道工序接着另一道工序主要参数：温度、流量、压力、物位、成分等热工参数常规过

2、程控制系统：采用常规仪表的控制系统过程控制系统计算机过程控制系统：采用计算机的控制系统过程控制系统教学用书及参考书n过程控制系统n1 朱麟章 主编 过程控制系统及设计 机械工业出版社n2 邵裕森 主编 过程控制工程 第二版 机械工业出版社 n3 金以惠 主编 过程控制 清华大学出版社n4 蒋慰孙、俞金寿 编著 过程控制工程 中国石化出版社n计算机控制技术与系统n1 王锦标 编著 过程计算机控制 清华大学出版社n2 王慧 主编 计算机控制系统 化学工业出版社n3 王锦标 编著 计算机控制系统 清华大学出版社n4 李华、范多旺 等编 计算机控制系统 机械工业出版社n5 杨天怡、黄勤 等编 微型计算

3、机控制技术 重庆大学出版社第一章 过程控制系统的基础知识n本章主要内容1-1 过程控制系统的特点1-2 过程控制系统的发展概况1-3过程控制系统的组成与类别1-3过程控制系统的品质指标 1-1 过程控制系统的特点 n过程控制系统的特点取决于被控对象的特点n被控对象复杂多样；n生产过程大多比较复杂、规模差异大、机理不同n对被控对象的辨识比较困难。n多数对象存在纯滞后；n设备庞大，存在容量、惯性和阻力，难以控制。n对象特性的非线性；n对象的输入与输出之间的关系通常是非线性的，实际控制系统只能在一定范围内做线性处理，控制质量受到影响。n控制系统比较复杂；n控制系统考虑的因素很多，系统变得庞大。1-2

4、 过程控制系统的发展概况n过程控制的目的：n保证生产安全、稳定、可靠、改善劳动条件。n提高产品产量、质量。n节能、降耗、高效。n随着控制理论、检测技术、电子技术、计算机技术的发 展，过程控制系统的发展可分为三个阶段：n初级阶段（40年代前后）：手工控制、基地仪表n仪表化阶段（50-60年代）：单元组合仪表n综合自动化阶段（70年代后）：计算机控制技术1-3 过程控制系统的组成与类别一 过程控制系统的组成液体储槽液位控制系统眼 睛大脑手1-3 过程控制系统的组成与类别液体储罐调节阀液位测量仪表调节器图1-1 过程控制系统组成示意图图1-2 液位控制系统原理方框图差压变送器差压变送器e调节器调节器

5、u储罐液位储罐液位Hym设定值设定值r+-q调节阀调节阀液体储罐液体储罐1-3 过程控制系统的组成与类别被控对象：控制系统所控制的生产设备或装置。被控参数（被控量）：控制系统中需要控制的参数控制参数（操纵量）：控制系统中起调节作用的参数检测、变送器：控制系统中的反馈装置。执行器：（执行机构+调节机构）：控制动作的执行者。图1-3 过程控制系统原理方框图检测、变送器检测、变送器eu被控参数被控参数 yym设定值设定值r+-q执行器执行器被控对象被控对象d控制器（调节器）控制器（调节器）1-3 过程控制系统的组成与类别控制器（调节器）：控制系统中的分析、决策装置。控制器输入（e）：偏差=设定值r-

6、测量值ym控制器输出（u）：控制作用，是控制器的决策结果。扰动（干扰 d）：引起被控参数变化的所有因素。内扰：经过控制通道的扰动。外扰：系统外部干扰因素设定值（给定值）：希望被控参数保持的值图1-3 过程控制系统原理方框图检测、变送器检测、变送器eu被控参数被控参数 yym设定值设定值r+-q执行器执行器被控对象被控对象d控制器（调节器）控制器（调节器）1-3 过程控制系统的组成与类别n课堂问题n画出控制系统的方框图n指出：被控对象、被控参数、控制参数、主要扰动流量控制系统示意图1-3 过程控制系统的组成与类别根据控制设备的不同分类：n常规仪表控制系统：控制器（调节器）采用常规仪表n计算机控制

7、系统：控制器采用计算机常规仪表控制系统 按照给定值形式分类:n定值控制系统：控制过程中给定值保持不变的系统。n随动控制系统：控制过程中给定值是变化的但变化 的规律是未知的。n程序控制系统：控制过程中给定值是变化的但变化 的规律是已知的。二 过程控制系统的类型1-4 过程控制系统品质指标一 控制系统的静态、动态与过渡过程t tr ry yt ty yt ty yt ty yt t 二 典型输入与过渡过程形式n 静态：被控量保持不变的状态称为系统的静态。静态是系统的相对稳定状态，也称稳态。n 动态：被控量处于变化的状态称为系统的动态。动态是控制系统的调节状态。n 过渡过程：控制系统克服干扰的调节过

8、程。n 单调衰减：无超调、调节过程缓慢n 衰减振荡：具有一定的快速性和稳定性n 等幅震荡：临界稳定状态n 发散震荡：振幅发散，直至系统破坏1-4 过程控制系统品质指标三 品质指标1 衰减比：nB1/B2衰减比衡量过渡过程的快慢程度和稳定裕量。一般取n4:1-10:12 最大动态偏差：B1 或 A过渡过程开始后，被控量的最大值与新稳态值或设定值之差。超调量：最大动态偏差与稳态值之比。3 调整时间（过渡过程时间ts）：从过渡过程开始直到被控量达到新稳态值的5(2)所经历的时间。4 静态偏差（余差）：C过渡过程结束时被控量与设定值之差。第二章 过程控制对象的特性n本章主要内容2-1 概述2-2 有自

9、平衡能力对象的动态特性2-3 无自平衡能力对象的动态特性2-4 时域法辨识对象的动态特性2-5 频域法辨识对象的动态特性2-1 概述其意义可归纳为以下几点：n制定控制系统设计方案n进行控制系统调试和参数整定 n设计工业过程的故障检测与诊断系统 n设计工业过程运行人员培训系统 n指导设计生产工艺设备从生产工艺角度考虑设备的结构一 对象特性对象特性：被控对象在输入的作用下，输出变化的状态和特征。描述对象输入与输出关系的数学模型。二 研究对象特性的意义2-1 概述两种方法相结合：通过机理分析获得模型的结构 利用试验数据确定参数大小。三 建立对象数学模型的基本方法:机理分析法:根据生产过程实际发生的变

10、化机理，写出有关的平衡方程，从而获得所需的数学模型。特点：简单对象比较准确，复杂对象很难精确表达，往往需要近似处理。实验辨识法:用实验的方法测试出对象在输入作用下输出变化的全过程，根据过程的特性估计参数。特点：不需要深入了解过程的机理。但必须设计合 理的试验，以获得对象所含的最大信息量。2-1 概述 四 对象数学模型的分类：n按照是否线性划分：线性系统模型和非线性系统模型。n按照对象的连续性划分：连续系统模型和离散系统模型。n按照模型的结构划分：输入输出模型 和状态空间模型。输入输出模型：多输入单输出：多输入多输出xyd1d2dnx1x2xnd1d2dny11y2yn)()(.)()()()(

11、)()()(2211sDsWsDsWsDsWsXsWsYndndd)()()()()(sDsWsXsWsYdr为控制通道传递矩阵 为干扰通道传递矩阵)(sWr)(sWd2-1 概述五 对象的自平衡能力 对象受到扰动后平衡状态被破坏，无需外加任何控制作用，依靠对象本身自动趋向平衡的特性，能自动达到新的平衡状态的性质，称为对象的自平衡能力。R1R2Q1Q2hxthtt0T2T3T4TxTh在很小范围变化时可认为 h与Q2 成近似线性关系。令2-2 有自平衡能力对象的动态特性一 无纯滞后单容对象的动态特性 采用物料平衡方程建立对象的数学模型：稳态下：Q10Q20 hh0 进出物料平衡，液位保持不变。

12、阀门R1开度突然增大X，则 Q1Q10Q1同时流出量Q2随着液位的升高逐渐增大 Q2Q20Q2根据物料平衡关系可得：流入量 流出量 稳态点处微分 联立几式并整理可得：dthdAdtdVQQ21hkQ 2xKQx1RhhhkQ022Rhk120 xRhdthdxkAR1RQ1Q2h2-2 有自平衡能力对象的动态特性写成通用表达式为：式中 T 对象的时间常数 TRC R 对象的液阻，在此与阀门R2的开度相对应，与稳态点有关。C 对象的液容，CA 对应水箱的截面积 K 对象的放大系数 对微分方程求拉式变换可得传递函数：当输入为阶跃时解微分方程可得：放大系数K：当 t 时 可得出：K 与变化过程无关，

13、只与稳态值有关，是描述对象静态特性的参数。K 表征了对象输出在输入作用下的灵敏程度。K 与负荷（稳态工作点）有关，在稳态工作点附近可认为是常数。kxRK 1)()(TsKsXsH)1(TtexKh xhKxKhdthdT时间响应2-2 有自平衡能力对象的动态特性 被控量保持起始变化速度不变达到新稳态值所需要的时间。时间常数反应的是对象受到扰动后，被控量变化的速度。时间常数是描述对象惯性大小的参数。它由容量和阻力决定。可用4T作为响应时间标准。阻力R:物料和能量的传递过程中都有阻力。流体传送过程中的阻力 阻力大变化过程慢，阻力小变化过程快。容量C：表征对象储存能力的大小，也叫容量系数。容量C的物

14、理意义：引起被控量单位变化时，对象储存量变化的大小。容量只反应动态过程，因此C只影响时间常数T。dQhdRnxthtt0T2T3T4TxT时间常数T:2-2 有自平衡能力对象的动态特性二 有纯滞后单容对象的动态特性 对象输入发生变化后，输出并不立即跟随变化，经过一段时间 后输出才开始变化。这种现象叫纯滞后，相应的时间叫纯滞后 时间。一般用表示纯滞后时间。物料或能量的传递过程中存在一定的传输距离；检测点与输入作用点之间存在一定的距离；具有纯滞后单容对象的微分方程可表示为：相应的传递函数为：控制通道中存在纯滞后，意味着控制作用不及时。)(0tKxhdtdhTseTsKsW01)(纯滞后：产生纯滞后

15、的原因：2-2 有自平衡能力对象的动态特性三 多容对象的动态特性 两个串连单容对象的动态特性T1：第一容积的时间常数 T2：第二容积的时间常数 K：放大系数 R1Q1Q2h1R2h2xth2tt0 xcxKhdthdTTdthdTT222122221)(2RkKx)1)(1()(21STSTKsW冷水热水蒸汽冷凝水 Tg CgR1 Tb CbR2 Tc CcR3R4 2-2 有自平衡能力对象的动态特性工业对象的一般表达形式为：用等容环节近似有：高阶对象的一阶近似处理：小结：有自平衡能力对象的特性有单容和多容的情况，容量的不同描述对象 特性的微分方程的阶次不同。多容可以认为是单容串连形成的。描述

16、有自平衡能力对象的特性，通常用K T 三个参数。三个参数 从不同的角度反映了对象的特征。高阶对象可以用一阶对象近似表示。sneSTSTSTKsW)1()1)(1()(21sneSTKsW)1()(1seSTKsW)1()(.yty()0cT 2-3 无自平衡能力对象的动态特性一 单容对象的动态特性 时间解为：令 响应速度 响应时间 则传递函数为：QoR1Qih0 xtttQihxkdthdAQxixkdthdAxxtAkhxAkx1aTxtTxtha1STsXsHsWa1)()()(saeSTsXsHsW01)()()(2-3 无自平衡能力对象的动态特性二 双容对象的动态特性 微分方程为：传递

17、函数为：若含滞后传递函数为：多容对象的传递函数：Q3R1Q1Q2h1h2xtt0h20 xTxAkdthddthdARx2222211xTdthddthdTa12222xakAT2STTSsWa111)()1()(0TSSTesWasnasTSSTesW)1()(0 2-4 时域法辨识对象的动态特性 一 阶跃扰动法n测试方法:n注意事项n输出应处于稳定状态，且应为正常工作点 n阶跃幅值要适当，一般为流过阀门最大流量的10（520%）允许的情况下大一些好。n实验要进行到被控量接近新的稳态值。n在额定负荷或平均负荷下重复进行几次，至少得到两次基本 相同的曲线。n扰动要正反方向变化，分别测出正反方向

18、的响应曲线。n要特别注意记录下响应曲线的起始部分。控 制 器 执 行 器 被控对象 记 录 仪 检测变送器RY辨识法包括经典辨识法：经典辨识法又分为时域法和频域法现代辨识法:特征是用计算机进行数据处理。2-4 时域法辨识对象的动态特性二 矩形脉冲法 n测试方法:与阶跃响应法相同，激励信号不同。n矩形脉冲响应转换为阶跃响应：设 x(t)为矩形脉冲信号 则 x(t)x1(t)x2(t)而 x2(t)x1(tt0)即 x(t)x1(t)-x1(tt0)矩形脉冲响应可认为是两个阶跃响应的叠加。设ys(t)为对应x1(t)的阶跃响应ys(t-t0)为对应x1(t-t0)的阶跃响应yp(t)为脉冲响应于是

19、有:yp(t)=ys(t)-ys(t-t0)即:ys(t)=yp(t)+ys(t-t0)xx1(t)xx2(t)xtt0 x(t)0ty.t0.2t03t04t05t06t0y1y1y2y5y3y3y4y4y5y2y6yp(t)ys(t)2-4 时域法辨识对象的动态特性三 根据阶跃响应确定对象的传递函数n切线法n计算法n图解法n切线法:通过响应曲线的拐点A作一切线。在时间轴上的交点为滞后时间，与 y()的交点对应的时间为 T，传递函数为：seTSKsW01)(XyyK)0()(2-5 频域法辨识对象的动态特性一 测试方法 针对每个每一频率正弦信号，记录下输入和输出的幅值与相位差，得到对象的幅频

20、特性和相频特性。二 测试注意事项1 选择合适的频率范围，频率不能过高。2 合理确定幅值，过大易产生饱和，过小易进入死区。信号发生器执行器对 象检测变送器控制器XY记录仪xtty频率特性仪转换器执行器对 象变送器第三章 过程控制系统的基本类型n本章内容3-1 单回路控制系统3-2 串级控制系统 3-3 比值控制系统3-4 前馈控制系统 3-5 均匀控制系统 3-6 选择性与分程控制系统3-1 单回路控制系统一 单回路控制系统的组成及应用范围二 控制系统的工程考虑三 被控量的选择四 操纵量的选择五 检测变送装置的选择六 终端器件（执行器）七 控制器的选型八 控制系统投运和参数整定一 单回路控制系统

21、的组成及应用范围 单回路控制系统又称简单控制系统。其组成如图所示：n组成n特点：结构最简单、应用广泛、技术成熟；是各类控制系统的基础；n应用范围：适用于对象滞后比较小，负荷变化不大，控制品质要求不太高的场合。执行器对 象检测变送器控制器R(s)Y(s)二 控制系统的工程考虑控制工程包含四个方面的内容：n控制系统的方案设计（理论设计阶段）n工程设计（仪表选型、施工图纸设计）n仪表选型n控制室和仪表盘设计n供水、供电、供气系统设计n信号系统设计n安全防爆设计n仪表安装与调校（现场安装）n控制系统投运与参数整定（系统运行）确定控制系统类型选择被控量和操纵量 对象信息的获取与变送执行器的选择控制器的选

22、择三 被控量的选择1 选择被控参数的方法直接参数：直接反应生产过程的产品产量、质量及安全性能的参数。间接参数：间接反映生产过程的产品产量、质量及安全性能的参数。2 选择被控量应遵循的原则：n被控量必须是工艺过程中比较重要的变量；n被控量在操作过程中经常受到干扰的影响，需要调节的变量；n被控量应能测量出来，而且要有一定的灵敏度。n尽量选用直接参数，选择间接参数时，最好选择与直接参数 有单值 对应关系的参数；n被控量应是独立、可调的；n选择被控量要考虑工艺的合理性和仪表产品的现状；四 操纵量（控制量）的选择 选择控制量就是从众多影响被控量的因素中选择一个作为操纵量，保证系统是一个可控性良好的控制系

23、统。（一）放大系数对控制品质的影响 设 干扰作用下的传递函数为：xyd1d2dn控制通道干扰通道Wo（S）Wd（S）Wc（S）R(s)Y(s)D(s)ccKSW)(1)(TSKSWoo)1)(1()(21STSTKSWdd )()()(1)()()()(1)()()(SDSWSWSWSYSWSWSWSDSYocdocd即四 操纵量（控制量）的选择系统的偏差为：对于定值系统：设干扰为单位阶跃：D(s)=1/S 系统的余差为：讨论：从余差角度看：干扰通道放大系数Kd越小越好；控制通道放大系数Ko越大越好；从调节作用看：Ko过小，调节作用太弱，Ko过大，调节作用太强。Kc Ko 的为一常数，Ko可适

24、当用Kc补偿结论：干扰通道放大系数Kd越小越好，控制通道放大系数Ko应适当大。)()(1)()()()()()(sWsWsDsWsRsYsRsEocd)()(1)()()()(0)(sWsWsDsWsYsEsRocdocdKKKC1四 操纵量（控制量）的选择 （二）干扰通道动态特性对控制品质的影响1 时间常数对控制品质的影响 设各环节的放大系数均为1，干扰通道的对象特性为：干扰作用下的闭环传递函数为：系统的特征方程为：讨论：特征方程增加一个负极点使过渡过程变慢，但动态分量的幅 值减 小Td倍，即干扰对被控量的影响大大减小。结论：干扰通道增加惯性环节相当于一个滤波器，使干扰对系统的影响减 小，且

25、Td越大、环节越多控制质量越好。Wo（S）Wd（S）Wc（S）R(s)Y(s)D(s)11)(STSWdd)()(1)1(11)()(1)1(1)()(1)()()(SWSWTSTsWsWSTsWsWsWsDsYocddocdocd0)()(1)1(sWsWTSocd四 操纵量（控制量）的选择2 滞后时间对控制品质的影响干扰通道存在滞后时，系统的闭环传递函数为：输入为单位阶跃时，被控量的时间响应为：结论：干扰通道存在纯滞后对控制质量没有影响，相当于干扰发生的时刻 推移了一段时间。干扰通道存在容量滞后时，使干扰变得缓和。3 干扰作用位置对控制品质的影响)()(1)()()(sWsWesWsDsY

26、ocSdd时的时间响应为其中0)()()(dtytytyd四 操纵量（控制量）的选择（三）控制通道特性对控制品质的影响 1时间常数对控制品质的影响 时间常数T太大，控制作用缓慢，过渡过程时间加长，质量下降。时间常数T太小，控制作用过于灵敏，易产生振荡。结论：控制通道的时间常数T应适当小。2.滞后时间对控制质量的影响n对系统稳定性的影响：对象不存在纯滞后时:对象存在纯滞后时：结论：对象控制通道存在滞后，系统的稳定性下降，随KcKo或0的增大，有可能变成不稳定系统。KcR(s)Y(s)sooeTsK11)(TsKKsWock A B CD ABCDocKK(-1,j0)R()JQ()sockoeT

27、sKKsW1)(yt0四 操纵量（控制量）的选择n纯滞后对动态质量的影响定性分析有无滞后时的调节过程：结论：对象控制通道存在纯滞后，使系统 超调量增大，过渡过程时间加长，控制系统的控制质量全面下降。容量滞后也会降低控制系统的品质。3 时间常数匹配对控制质量的影响设有如下系统：y0CDABt1Mt1+0NEKcR(s)Y(s)1)(1)(1(321sTsTsTKo四 操纵量（控制量）的选择衡量控制系统性能的准品质指标：Kmk（反应系统的综合性能）Km:控制系统的临界放大系数，k：控制系统的临界振荡频率。根据稳定性判据可得：)111)(321321TTTTTTKm321321TTTTTTk 参数变

28、化情况T1T2T3KmkKm k 原始数据105212.60.415.2 减小 T15529.80.494.8 减小 T2102.5213.50.547.3 减小 T3105119.80.5711.2 加大 T1205219.20.377.1减小 T2 T3102.5119.30.7414.2结论：时间常数恰当的错开，可使控制系统的控制质量得到提高。四 操纵量（控制量）的选择n操纵量(控制量)的选择原则：n从对象特性入手，合理选择操纵量使：控制通道：放大系数 Ko 应适当大；时间常数 To 适当小；滞后时间o c 越小越好；干扰通道：放大系数 Kd 越小越好；时间常数Td 越大越好；纯滞后时间

29、d 没有关系；n应力求使干扰远离被控参数检测点，靠近执行器；n广义对象的时间常数要错开；n操纵量应具有可控性、工艺操作的合理性与经济性；五 检测变送装置的选择1 检测变送装置对控制质量的影响作用：快速准确的获取被控参数的信息。近似数学模型：目标：希望 Tm m越小越好。2 注意问题及处理方法:n选择快速检测元件；n合理选择测量点位置，减小测量滞后和纯滞后；n对测量信号要进行处理：抑制噪声、线性化等；n正确采用微分补偿 补偿后的传递函数：smmmmesTKsW1)(1)1()()(sTsTKsYsPmDm检测仪表微分补偿Y(s)P(s)T(s)六 终端器件（执行器）执行器的作用：是控制系统中的重

30、要组成部分，是完成控制作用的 执行者，执行器的性能直接影响控制系统的品质。执行器的组成与分类：n组成：执行机构：执行机构是执行器的驱动部分。调节机构：调节机构为各种阀体（改变调节参数大小）。n类型：电动执行器；气动执行器；液压执行器；（一）气动薄膜调节阀 1 气动薄膜执行机构 工作原理：设气压信号为P，膜片有效面积为A0，推杆位移为L，弹簧刚度为k 有：PA0kL（压力与位移一一对应）正反作用：正作用：压力增加，阀杆位移向下。反作用：压力增加，阀杆位移向上。六 终端器件（执行器）2 调节机构（阀体）原理：阀体可认为是局部阻力可变的节流元件，对于不可压缩流体，根 据能量守恒原理可知，阀的压力损失

31、为：2212vPPPAQv)(221PPAQP:阀前后的压差；：流体密度；：阻尼系数，随阀开度变化；V：流体的平均流速；当P恒定时，A、为常数，Q随而变，即：随开度的变化而变化。Q：流体的体积流量；A：阀的接管截面积；六 终端器件（执行器）阀的结构形式：直通单座，直通双座，角型阀，蝶阀，隔膜阀等。阀的正反作用（正装、反装）：正作用（正装）：阀芯下移流通面积减小。反作用（反装）：阀芯下移流通面积增大。阀的流开与流关：在流体作用下使阀门打开或关闭。执行器的气开与气关：气开：信号压力增加，阀门开度增大。正作用的执行机构+反作用的阀；反作用的执行机构 +正作用的阀；气关：信号压力增加，阀门开度减小。正

32、作用的执行机构+正作用的阀 反作用的执行机构+反作用的阀 六 终端器件（执行器）（二）控制阀的流量特性阀的流量特性：流过阀门的相对流量与相对开度的关系。Q,Qmax:分别为阀某一开度和最大开度时对应的流量。l,L:分别为阀某一开度和最大开度时阀杆的位移量。理想流量特性：阀两端压力不变时的流量特性。工作流量特性：考虑阀两端压力变化时的流量特性。)(maxLlfQQ)(221PPAQ六 终端器件（执行器）1 理想流量特性（阀门两端的压力不变时的流量特性）理想流量特性取决于阀的结构特性，主要取决于阀芯的曲面形状。(1)直线流量特性：控制阀的相对流量与相对开度成直线关系。数学表达式为：积分可得：根据边

33、界条件：l0 时，QQmin lL时，QQmaxQmin：控制阀所能控制的流量下限，注意泄漏量。Qmax：控制阀所能控制的流量上限。)()(maxLldKQQdKLldQQd)()(max积分常数CCLlKQQmax（可控比）minmaxmaxmin111QQRRKRQQC六 终端器件（执行器）直线阀的流量特性方程为：直线阀的特点：小开度下调节作用太强，大开度下调节作用太弱。(2)对数流量特性：单位行程变化引起的相对流量变化与该点的相对流 量成正比。即：流量特性方程为：对数阀的特点：小开度时流量变化量小，调节作用平稳，大开度时流量 变化量大，控制作用灵敏，也就是说在不同开度下具有 同样动作灵敏

34、度。有利于控制系统的工作。)1(1 11)11(LlRRRLlRQQmac)()()(maxmaxQQKLldQQd)1(maxLlRQQ六 终端器件（执行器）(3)快开特性：单位行程变化引起的相对流量变化与该点相对流量的倒数 成正比。即：特性方程为：特点：小开度时流量就比较大，随开度的增加流量很快达到最 大。快开特性的阀门适用于快速开闭的位式控制系统。(4)抛物线特性：单位行程变化引起的相对流量变化与该点相对流量的平 方根成正比。即：特点：介于直线与对数流量特性之间。可弥补直线特性小开度时控制性能差的缺点。1maxmax)()()(QQKLldQQdmaxmax)()(QQKLldQQd21

35、2max)1(1 1LlRRQQ六 终端器件（执行器）2 工作流量特性n串连管道中的工作流量特性定义：阀阻比S值越小，分配到阀上的压降越小，流量特性畸变越大。S值不应小于0.3。n并联管道的工作流量特性阀的流量比：值越小，可控比也越小，即阀的控制能力降低。通常希望0.8。PvPgP阀门管道系统PgPvPQQvQgQPPPv全开SmaxmaxQQv六 终端器件（执行器）3 流量特性的选择n从控制系统特性、负荷变化情况和S值三个方面综合考虑。n控制系统特性：开环放大倍数为常数n负荷变化情况：变化小直线、对数均可，变化大采用对数阀。nS值：S0.3-0.6时考虑流量特性的变化。（三）控制阀的口径计算

36、（参考教材相应内容）（四）阀门的结构形式选择 选择原则：了解各种阀门的特点，考虑控制介质工艺条件、物理性质。（五）执行器气开气关形式的选择选择原则：1 安全原则：控制系统故障状态下，保证生产安全。2 质量原则：控制系统故障状态下，保证产品质量不受影响。3 节能降耗：控制系统故障状态下，有利于节能降耗。七 控制器的选型(一)控制作用对控制质量的影响 1 比例控制作用：n比例是基本控制作用，控制作用的大小与偏差成正比；n比例控制是有差控制，只能起到“粗调”的作用；n放大系数不同，调节作用强弱、系统的稳定性、余差不同；2 积分控制作用：n积分是一个滞后环节，加入积分系统的稳定性下降；n积分时间Ti越

37、小，积分作用越强，稳定性越差；n积分作用可以消除余差；3 微分作用：n微分属于超前环节，可提高系统的稳定性；n微分时间Td越大，微分作用越强；七 控制器的选型(二)控制规律选择：nP：适用于通道滞后小，负荷变化小，控制质量要求不高的场合。nPI：适用于通道滞后小，负荷变化小，控制质量要求高的场合。nPID：适用于对象容量滞后大，控制品质要求高的情况。(三)正反作用方式选择（原则：自动控制系统必须是负反馈系统）n定义：控制器偏差增大，输出增大为正作用，反之为反作用。n控制器的偏差定义为：ezr（测量给定）n方法：（控制器“”）（执行器“”）（对象“”）“”n符号确定方法：正作用为“”反作用为“”

38、n阀门：气开为正作用，气关为反作用n对象：操纵量增加时，被控参数也增加的为正作用，反之为反作用。控制器正反作用方式确定n首先确定阀门的气开气关形式n判断对象的正反作用n确定控制器正反作用八 控制系统投运和参数整定（一）系统投运：n准备工作：熟悉工艺，了解对象；掌握系统的设计原理、方法和方案；弄清楚各种设备的性能、规格、安装地点；n线路与管路检查：检查各种线路连接、管路连接是否正确、合格；n仪表的调整与校验：对系统中的各种仪表进行调整和校验校验。n传感器与变送器：安装位置是否正确，零点与量程是否准确。n控制器：手动/自动、正/反作用 选择是否正确n执行器：行程范围、运行是否平稳、动作方向是否正确

39、。n系统投运：手动遥控使系统达到平衡后，在控制器偏差为零的情况 下，由手动切换到自动。八 控制系统投运和参数整定（二）控制器参数整定参数整定：确定使控制系统的过渡过程达到最佳所需的控制器参数。整定方法：理论计算法:根据系统特性，用理论分析法确定控制器参数。工程整定法：通过现场实验确定控制器参数。1 经验凑试法：经验参数闭环运行加干扰观察曲线调整参数 参数范围控制系统（100%）TiTd液 位2080压 力30700.43流 量401000.11温 度20603100.31八 控制系统投运和参数整定经验凑试法的两种顺序n第一种顺序：（以比例控制作用为基础）首先整定比例度，然后再加积分，最后加微分

40、。对于P控制器：首先将比例度放在较大数值，逐步减小比例度，观察过渡 过程曲线形状，直到满意为止。对于PI控制器：先将Ti，整定比例度，使之达到4：1衰减曲线。加入积分，同时将比例度放大1020，积分时间由大到小，直到获得满意曲线。对于PID控制器：先按PI整定方法整定和Ti。然后加入微分，同时减小(1020)，Ti也适当减小。Td由小到大逐步加入，观察曲线形状，直到满意为止。八 控制系统投运和参数整定n第二种顺序：（出发点：比例度与积分时间在一定范围内匹配）先预置一积分时间，然后由大到小调整比例度，得到满意的过渡过程为止。若加入微分，可使Td（1/3-1/4）Ti，然后再整定比例度。2 临界比

41、例度法：整定步骤：将Ti=Td0，根据对象特性选择一个较大的比例度，系统稳定的情况 下由手动打到自动。加扰动（给定值阶跃或外扰），观察过渡过程曲线形状，一般为衰减振 荡过程，然后减小比例度，重做扰动实验，直到出现等幅振荡为止，记 下此时的比例度k（临界比例度）和振荡周期Tk（临界震荡周期）。根据控制器类型和k，Tk 根据经验公式确定控制器所需的参数。八 控制系统投运和参数整定n临界比例度法参数计算表将计算的参数置于控制器，投入自动，不满意再作适当调整。注意事项：n不允许被控量做等幅振荡的工艺过程不能用该方法。n控制通道时间常数很大时也不适合用临界比例度法。n控制系统临界比例度很小，控制器的比例

42、度放到最小仍不能产生等幅振荡时，可把最小刻度的比例度作为临界比例度。控制参数控制作用TiTdP2 k PI2.2 k 0.85 TkPID1.7 k 0.5 Tk0.13 Tk八 控制系统投运和参数整定3 衰减曲线法n整定步骤：纯比例作用下得到4:1 或10:1衰减振荡过程曲线，记下此时的 比例度s和衰减振荡周期Tk，再按经验公式计算相关参数。4 响应曲线法：测出广义对象的响应曲线，并作一阶近似处理，得到Ko、To、o。根据广义对象特性按照经验公式确定相应的控制器参数。0.5 oTd2 o3.3 oTi（100%）PIDPIP 整定参数控制作用 oooTK1.1oooTK85.0oooTK3-

43、2 串级控制系统n一 串级控制系统的组成n二 串级控制系统的工作过程n三 串级控制系统的特点n四 串级控制系统的应用范围n五 串级控制系统的设计n六 串级控制系统的运行3-2 串级控制系统n简单控制系统（单回路控制系统）n结构简单、设备投资少；n应用广泛：占过程控制系统总数的80%左右；n是过程控制系统的基础；n难以解决复杂问题；n复杂控制系统n凡在控制系统中采用两个或两个以上检测元件和变送器，或控制器，或执行器，完成一些复杂的或特殊的控制任务，这样的系统被称为复杂控制系统。n常见的复杂控制系统：串级控制系统、比值控制系统、前馈控制系统、均匀控制系统、选择性与分程控制系统等。一 串级控制系统的

44、组成原料油入口燃料油原料油出口炼油厂管式加热炉原料油出口温度控制一 串级控制系统的组成直接控制方案：以原料油出口温度为被控量，以燃料油流量为操纵量构成 单回路控制系统。设定值测量值TTTCT1 原料油出口温度特点：回路包括了所有干扰；控制通道控制作用不及时；一 串级控制系统的组成间接控制方案：FTFC控制燃油流量：以燃油管道出口流量为被控量，入口流量 为操纵量，构成流量控制系统。特点：快速克服燃油压力波动，但不能消除其它干扰对原油出口温度的影响。燃油流量只是手段，燃油出口温度才是最终目的。测量值设定值一 串级控制系统的组成串级控制方案：将温度控制系统与流量控制系统合二为一。FTFC流量测量值流

45、量设定值TTTC温度测量值温度设定值一 串级控制系统的组成串级控制系统方框图温度控制器流量控制器执行器流量对象温度对象流量检测仪表温度检测仪表+-D2D1R1(S)Y1(S)加热炉温度流量串级控制系统D2D1主控制器副控制器执行器副对象主对象副变送器主变送器+-R1(S)Y1(S)串级控制系统方框图一 串级控制系统的组成名词术语串级控制系统：两台控制器串联在一起控制一个执行器的系统。主变量：串级控制系统中起主导作用的那个被控量，也称主参数。副变量：为稳定主变量或因某种需要引入的辅助变量，也称副参数。主控制器：按主变量的测量值与偏差进行工作的控制器副控制器：按副变量的测量值与偏差进行工作的控制器

46、主对象：主变量所处的那部分工艺设备，其输入为副变量，输出为主变量副对象：副变量所处的那部分工艺设备，其输入为操纵量，输出为副变量主回路：串级控制系统中处于外环的回路副回路：串级控制系统中处于内环的回路一次干扰：作用于主对象上的干扰二次干扰：作用于副对象上的干扰二 串级控制系统的工作过程1 干扰作用于副回路（二次干扰）：假设干扰来自燃料油压力FTFCTTTC气开反反结论：副回路能迅速克服二次干扰，减小对主变量的影响。二 串级控制系统的工作过程2 干扰作用于主回路（一次干扰）：假设原料油流量变化FTFCTTTC气开反反 由于控制通道环节多，控制作用不及时，串级控制系统克服一次干扰的过程慢于克服二次

47、干扰的过程。二 串级控制系统的工作过程3 干扰同时作用于主、副回路（一、二次干扰同时出现）干扰使主副变量同向变化：FTFCTTTC气开反反流量控制器偏差干扰使主副变量通向变化时，串级控制系统的调节作用更强烈！二 串级控制系统的工作过程3 干扰同时作用于主、副回路（一、二次干扰同时出现）干扰使主副变量反向变化：FTFCTTTC气开反反流量控制器偏差变化小阀门开度变化小两种干扰有相互抵消的作用（“以毒攻毒”）三 串级控制系统的特点1 时间常数（等效副对象的时间常数）D2D1Wc1(S)Wc2(S)Wv(S)Wo2(S)Wo1(S)Hm2(S)Hm1(S)+-R1(S)Y1(S)将副回路看成一个等效

48、副对象，方框图简化为：D2D1Wc1(S)Wo2(S)Wo1(S)Hm1(S)+-R1(S)Y1(S)三 串级控制系统的特点)()()()(1)()()()()()(22222222SHSWSWSWSWSWSWSRSYSWmovcovco1)()()()(2222222STKSWKSHKSWKSWooommvvcc假设：等效副对象的传递函数为：将各环节传递函数代入Wo2（S）有：1)(222STKSWooo2222221movcovcoKKKKKKKK222221movcooKKKKTT一般情况下：Km2 1 所以有：Ko2 Ko2 To2 To2结论：控制通道总的时间常数变小，因此控制作用更

49、及时。Ko2 有所减小，但可通过整定Kc1弥补，有利于提高系统的抗干扰能力。三 串级控制系统的特点2 工作频率串级控制系统的特征方程为：副回路各环节仍采用上面的假定，主回路各环节假定如下：将各环节的传函代入特征方程，并整理成标准形式：即：串级系统的工作频率为：0)()()()(11121SHSWSWSWmooc1)()()(1111111STKSWKSHKSWooommcc022002SS21211212222021122221012oovoomccmovcooomovcooTTKKKKKKKKKKTTTKKKKTT21T122112222120ooomovcooTTTKKKKT串三 串级控制

50、系统的特点为便于比较，求出对应的单回路系统的工作频率：系统的特征方程为：令 Wc1(S)=Kc(仍采用纯比例控制)其他环节不变。用同样的方法可求得单回路系统的工作频率：为比较两系统的工作频率，将两系统整定成相同的衰减比，即串=单显然，串级系统的工作频率高于单回路系统的工作频率。Wc1(S)Wo2(S)Wo1(S)Hm1(S)+-R1(S)Y1(S)Wv(S)0)()()()()(11121SHSWSWSWSWmoovc单单单2122121ooooTTTT串串串21T221122221ooomovcooTTTKKKKT0)()()()()(11121SHSWSWSWSWmoovc三 串级控制系统