1、1 吉林大学通信学院吉林大学通信学院2 简单控制系统设计概述 简单控制系统是只对一个被控参数进行控制的单回路闭简单控制系统是只对一个被控参数进行控制的单回路闭环控制系统。是最基本的过程控制系统。是构成复杂过程控环控制系统。是最基本的过程控制系统。是构成复杂过程控制系统的基础。制系统的基础。典型结构框图典型结构框图如下：如下：3 控制系统设计的任务及其开发步骤控制系统设计的任务及其开发步骤简单过程控制系统主要由简单过程控制系统主要由被控过程、过程检测和控制仪表被控过程、过程检测和控制仪表组成组成 过程控制系统设计的过程控制系统设计的主要任务主要任务就在于如何确定合理的控制方案、就在于如何确定合理
2、的控制方案、选择正确的参数检测方法与检测仪表以及过程控制仪表的选型选择正确的参数检测方法与检测仪表以及过程控制仪表的选型和调节器的参数整定等等和调节器的参数整定等等 过程控制系统开发的主要步骤叙述如下：过程控制系统开发的主要步骤叙述如下：1 1熟悉控制系统的技术要求或性能指标熟悉控制系统的技术要求或性能指标2建立控制系统的数学模型建立控制系统的数学模型3 3确定控制方案确定控制方案 4根据系统的动态和静态特性进行分析与综合根据系统的动态和静态特性进行分析与综合 5系统仿真与实验研究系统仿真与实验研究 6工程化设计工程化设计 7工程安装工程安装 8控制器的参数调整控制器的参数调整 4一个简单控制
3、系统开发设计的全过程如右图所示一个简单控制系统开发设计的全过程如右图所示 5 设计中需要注意的有关问题设计中需要注意的有关问题 1认真熟悉过程特性认真熟悉过程特性 2明确各生产环节之间的约束关系明确各生产环节之间的约束关系 3重视对测量信号的预处理重视对测量信号的预处理 4注意系统的安全保护注意系统的安全保护 总之，控制系统的设计是一件细致而又复杂的工作，对总之，控制系统的设计是一件细致而又复杂的工作，对具体的过程控制系统设计者而言，只有通过认真调查研究，具体的过程控制系统设计者而言，只有通过认真调查研究，熟悉各个生产工艺过程，具体问题具体分析，才能获得预期熟悉各个生产工艺过程，具体问题具体分
4、析，才能获得预期的效果。的效果。6控制方案的确定 控制方案的确定主要包括控制方案的确定主要包括系统被控参数的选择、测量信系统被控参数的选择、测量信息的获取及变送、控制参数的选择、调节规律的选取、调节息的获取及变送、控制参数的选择、调节规律的选取、调节阀（执行器）的选择和调节器正、反作用的确定等内容。阀（执行器）的选择和调节器正、反作用的确定等内容。被控参数的选取被控参数的选取 被控参数的选取对于提高产品质量、安全生产以及生产被控参数的选取对于提高产品质量、安全生产以及生产过程的经济运行等都具有决定性的意义。这里给出被控参数过程的经济运行等都具有决定性的意义。这里给出被控参数选取的一般性原则：选
5、取的一般性原则：1）对于具体的生产过程，应尽可能选取对产品质量和产）对于具体的生产过程，应尽可能选取对产品质量和产量、安全生产、经济运行以及环境保护等具有决定性作用的、量、安全生产、经济运行以及环境保护等具有决定性作用的、可直接参数作为被控参数可直接参数作为被控参数。72）当难以用直接参数作为被控参数时，应选取与直接）当难以用直接参数作为被控参数时，应选取与直接参数有单值函数关系的所谓间接参数作为被控参数。参数有单值函数关系的所谓间接参数作为被控参数。3）当采用间接参数时，该参数对产品质量应具有足够）当采用间接参数时，该参数对产品质量应具有足够高的控制灵敏度，否则难以保证对产品质量的控制效果。
6、高的控制灵敏度，否则难以保证对产品质量的控制效果。4）被控参数的选取还应考虑工艺上的合理性和所用测）被控参数的选取还应考虑工艺上的合理性和所用测量仪表的性能、价格、售后服务等因素量仪表的性能、价格、售后服务等因素。对于一个已经运行的生产过程，被控参数对于一个已经运行的生产过程，被控参数往往是由工艺要求事先确定的。往往是由工艺要求事先确定的。8 控制参数的选择控制参数的选择 过程特性对控制质量的影响过程特性对控制质量的影响 1.干扰通道特性干扰通道特性对控制质量的影响对控制质量的影响对于简单过程控制系统，可求得系统输出与干扰之间的传递函数为对于简单过程控制系统，可求得系统输出与干扰之间的传递函数
7、为()()()1()()()()fcvoGsC sF sG s G s G s H s假设假设)(sGf为一单容过程，其传递函数为为一单容过程，其传递函数为 1)(sTKsGffff则：则：()()()1()()()()fsfcvoGsC seF sGs Gs Gs H s则：则：()1()1()()()()1fcvofKC sF sGs Gs Gs H sT s(式式1)(式式2)若单容过程具有纯时延时间若单容过程具有纯时延时间(式式3)9(2)(2)干扰通道干扰通道 的影响的影响fT由式由式2可知，可知，)(sGf为惯性环节，对干扰为惯性环节，对干扰)(sF具有具有“滤波滤波”作用，作用，
8、fT越大，越大，“滤波滤波”效果越明显，因此干扰通道的时间常数越大，干扰对被控参数的动态影响就越效果越明显，因此干扰通道的时间常数越大，干扰对被控参数的动态影响就越小，因而越有利于系统控制质量的提高。小，因而越有利于系统控制质量的提高。f(3)(3)干扰通道干扰通道 的影响的影响f由式由式3可知，可知，的存在，仅仅使干扰引起的输出推迟了一段时间的存在，仅仅使干扰引起的输出推迟了一段时间 f因此，因此，f的存在并不影响系统的控制质量。的存在并不影响系统的控制质量。(1)(1)干扰通道干扰通道 的影响的影响fK10将式将式4与式与式2相比，多了一个滤波项。这表明干扰多经过一次滤波才对被控参数相比，
9、多了一个滤波项。这表明干扰多经过一次滤波才对被控参数产生动态影响。从动态看，这对提高系统的抗干扰性能是有利的。因此干扰进产生动态影响。从动态看，这对提高系统的抗干扰性能是有利的。因此干扰进入系统的位置越远离被控参数，对系统的动态控制质量越有利。但从静态看，入系统的位置越远离被控参数，对系统的动态控制质量越有利。但从静态看，这会使干扰引起被控参数偏离给定值的偏差相对增大，这对系统的控制品质又这会使干扰引起被控参数偏离给定值的偏差相对增大，这对系统的控制品质又是不利的。因此需要权衡它们的利弊。是不利的。因此需要权衡它们的利弊。)(sF假定假定不是在不是在 之后，而是在之后，而是在 之前进入系统，则
10、有之前进入系统，则有(4)(4)干扰进入系统位置的影响干扰进入系统位置的影响(式式4)112.控制通道特性控制通道特性对控制质量的影响对控制质量的影响 122.控制通道特性控制通道特性对控制质量的影响对控制质量的影响 0K(1)控制通道控制通道 的影响的影响 在调节器增益在调节器增益 cK一定的条件下，当控制通道静态增益一定的条件下，当控制通道静态增益 0K越大时，则控制作用越大时，则控制作用越强，克服干扰的能力也越强，系统的稳态误差就越小；与此同时，当越强，克服干扰的能力也越强，系统的稳态误差就越小；与此同时，当 0K，被控参数对控制作用的反应就越灵敏，响应越迅速。但是，当调节器静态增，被控
11、参数对控制作用的反应就越灵敏，响应越迅速。但是，当调节器静态增越大越大益益 cK一定一定0K越大时，系统的开环增益也越大，这对系统的闭环稳定性是不利越大时，系统的开环增益也越大，这对系统的闭环稳定性是不利的。因此，在系统设计时，应综合考虑系统的的。因此，在系统设计时，应综合考虑系统的稳定性、快速性和稳态误差稳定性、快速性和稳态误差三方三方面的要求。面的要求。(2)控制通道控制通道 0T的影响的影响 如果控制通道的时间常数如果控制通道的时间常数 太大，则调节器对被控参数变化的调节作用就不够及太大，则调节器对被控参数变化的调节作用就不够及时，系统的过渡过程时间就会延长，最终导致控制质量下降；但当时
12、，系统的过渡过程时间就会延长，最终导致控制质量下降；但当 太小，则调太小，则调节过程又过于灵敏，容易引起振荡，同样难以保证控制质量。在系统设计时，应节过程又过于灵敏，容易引起振荡，同样难以保证控制质量。在系统设计时，应使控制通道的时间常数使控制通道的时间常数 既不能太大也不能太小。既不能太大也不能太小。0T0T0T130(3)控制通道纯滞后时间控制通道纯滞后时间的影响的影响 控制通道的纯滞后，都会使系统的控制通道的纯滞后，都会使系统的动态偏差增大动态偏差增大，超调量增加超调量增加，最，最终导致控制质量下降。终导致控制质量下降。从系统的从系统的频率特性频率特性分析，控制通道纯滞后的存在，会增加分
13、析，控制通道纯滞后的存在，会增加开环频率开环频率特性的相角滞后特性的相角滞后，导致系统的，导致系统的稳定性降低稳定性降低。因此，应减小控制通道的纯滞后，以利于提高系统的控制质量。因此，应减小控制通道的纯滞后，以利于提高系统的控制质量。造成系统滞后的主要原因有：造成系统滞后的主要原因有：v 被测对象滞后被测对象滞后：测量点不能及时反映参数的变化。存在容积滞后和：测量点不能及时反映参数的变化。存在容积滞后和/或或传递滞后。传递滞后。v 检测元件滞后检测元件滞后：因热容、热阻等惯性因素的影响，导致检测仪表的输出：因热容、热阻等惯性因素的影响，导致检测仪表的输出不能及时反映参数的变化。不能及时反映参数
14、的变化。v 信号传递滞后信号传递滞后：主要是气动信号传递较慢导致系统反映滞后。：主要是气动信号传递较慢导致系统反映滞后。14(4)控制通道时间常数匹配的影响控制通道时间常数匹配的影响 实际生产过程中，广义被控过程可近似看成由几个一阶惯性环节串联而成。实际生产过程中，广义被控过程可近似看成由几个一阶惯性环节串联而成。以三阶为例以三阶为例)1)(1)(1()(32100sTsTsTKsG相应的临界稳定增益相应的临界稳定增益 KK为为3113122332212TTTTTTTTTTTTKK的大小完全取决于的大小完全取决于 KK1T2T3T三个时间常数的相对比值三个时间常数的相对比值 可以证明：可以证明
15、：时间常数相差越大，临界稳定的增益则越大，这对系统时间常数相差越大，临界稳定的增益则越大，这对系统的稳定性是有利的。的稳定性是有利的。也就是说：也就是说：在保持稳定性相同的情况下，时间常数错开得越多，系在保持稳定性相同的情况下，时间常数错开得越多，系统开环增益就允许增大得越多，因而对系统的控制质量就越有利。统开环增益就允许增大得越多，因而对系统的控制质量就越有利。系统传函为：系统传函为：15控制参数的确定控制参数的确定 简单控制系统简单控制系统控制参数控制参数选择的选择的一般性原则一般性原则如下：如下：1)选择结果应使选择结果应使控制通道的静态增益控制通道的静态增益 0K尽可能大，时间常数尽可
16、能大，时间常数 0T选择适当。选择适当。2)控制通道的控制通道的纯时延时间纯时延时间 0应尽可能小应尽可能小,0T0和和的比值一般应小于的比值一般应小于0.3。3)干扰通道的静态增益干扰通道的静态增益 fK应尽可能小；时间常数应尽可能小；时间常数 fT应尽可能大，其个数应尽可能大，其个数尽可能多；扰动进入系统的位置应尽可能远离被控参数而靠近调节阀。尽可能多；扰动进入系统的位置应尽可能远离被控参数而靠近调节阀。这样选择对抑制扰动对被控参数的影响均有利。这样选择对抑制扰动对被控参数的影响均有利。4)当广义被控过程由几个一阶惯性环节串联而成时，应尽量设法使几个当广义被控过程由几个一阶惯性环节串联而成
17、时，应尽量设法使几个时间时间常数常数中的最大与最小的比值尽可能大，以便尽可能提高系统的可控性。中的最大与最小的比值尽可能大，以便尽可能提高系统的可控性。5)在确定控制参数时，还应考虑工艺操作的合理性、可行性与经济性等因素在确定控制参数时，还应考虑工艺操作的合理性、可行性与经济性等因素 16 调节规律对调节质量的影响及其选择调节规律对调节质量的影响及其选择 17 调节规律对调节质量的影响及其选择调节规律对调节质量的影响及其选择 调节规律对调节质量的影响调节规律对调节质量的影响 1比例（比例（P）调节规律的影响）调节规律的影响 调节器的输出信号调节器的输出信号u与输入偏差信号与输入偏差信号e成比例
18、关系：成比例关系：eKuC其中，其中，u为调节器的输出，为调节器的输出，e为调节器的输入，为调节器的输入，CK为比例增益。为比例增益。在电动单元组合仪表中，习惯用比例增益的倒数表示调节器输在电动单元组合仪表中，习惯用比例增益的倒数表示调节器输入与输出之间入与输出之间的比例关系的比例关系eu11100%CK称比例带称比例带 当被控对象为惯性特性时，单纯比例调节有如下结论：当被控对象为惯性特性时，单纯比例调节有如下结论：1)比例调节是一种比例调节是一种有差有差调节。调节。2)比例调节系统的比例调节系统的稳态误差稳态误差随比例带的增大而增大，若要减随比例带的增大而增大，若要减小误差，则要减小误差，则
19、要减小比例带，即需要增大调节器的放大倍数小比例带，即需要增大调节器的放大倍数CK这样往往会降低系统稳定性这样往往会降低系统稳定性。183)3)对于惯性过程，对于惯性过程，当给定值不变时，采用比例调节，只能使被控参数对给定值实现有当给定值不变时，采用比例调节，只能使被控参数对给定值实现有差跟踪；差跟踪；当给定值随时间变化时，其跟误差将会随时间的增大而增大。因此，当给定值随时间变化时，其跟误差将会随时间的增大而增大。因此，比例调节不适用于给定值随时间变化的系统。比例调节不适用于给定值随时间变化的系统。4)4)增大比例调节的增益增大比例调节的增益 不仅可以减小系统稳态误差，而且还不仅可以减小系统稳态
20、误差，而且还可以加快系统的响应速度可以加快系统的响应速度CK对下图的比例调节作用于一阶惯性过程进行分析：对下图的比例调节作用于一阶惯性过程进行分析：比例（比例（P）调节规律的影响）调节规律的影响19111)1()()(0000TsKsKKTKKKKsRsCCCC系统传函系统传函CCCKKTTKKKKK00001,1这里这里T与与0T相比，减小了相比，减小了 0(1)CK K倍，倍，CK越大，越大，减小得越多，说明过程的惯性越小，因而响应速度加快。但减小得越多，说明过程的惯性越小，因而响应速度加快。但 的增大则的增大则CK会使系统的稳定性下降。会使系统的稳定性下降。202.积分（积分（I）调节规
21、律的影响）调节规律的影响在积分调节中，调节器的输出信号在积分调节中，调节器的输出信号u与输入偏差信号与输入偏差信号e的积分成的积分成正比关系正比关系:tIedtSu0积分调节可得如下结论：积分调节可得如下结论：1)采用积分调节可以提高系统的无差度，也即提高系统的稳态控制精度。采用积分调节可以提高系统的无差度，也即提高系统的稳态控制精度。2)与比例调节相比，积分调节的过渡过程变化相对缓慢，系统的稳定性变差。与比例调节相比，积分调节的过渡过程变化相对缓慢，系统的稳定性变差。实际应用中，通常将积分调节和比例调节二者结合起来，实际应用中，通常将积分调节和比例调节二者结合起来，组成所谓的组成所谓的PI调
22、节器。调节器。PI调节器的传递函数为调节器的传递函数为)11(1)()()(sTsEsUsGICPI调节器的阶跃响应曲线如右图调节器的阶跃响应曲线如右图21 PIPI调节是将比例调节的快速反应与积分调节的消除稳态误调节是将比例调节的快速反应与积分调节的消除稳态误差功能相结合，从而能收到比较好的控制效果。差功能相结合，从而能收到比较好的控制效果。由于由于PIPI调节给系统增加了调节给系统增加了相位滞后相位滞后，与单纯比例调节相比，与单纯比例调节相比，PIPI调节的稳定性相对变差。另外一个缺点，即只要偏差不为零，调节调节的稳定性相对变差。另外一个缺点，即只要偏差不为零，调节器就会不停地积分使输出增
23、加（或减小），从而导致调节器输出器就会不停地积分使输出增加（或减小），从而导致调节器输出进入深度进入深度饱和饱和，调节器失去调节作用。因此，采用积分规律的，调节器失去调节作用。因此，采用积分规律的调节器一定要防止积分饱和。调节器一定要防止积分饱和。3.微分（微分（D）调节规律的影响）调节规律的影响微分调节可以预测偏差的变化趋势，微分调节器的输入微分调节可以预测偏差的变化趋势，微分调节器的输入/输输出关系为出关系为 dtdeSuD22但微分时间的选择，对系统质量的影响具有但微分时间的选择，对系统质量的影响具有两面性。两面性。当当微分时间较小微分时间较小时，增加微分时间可以减小偏差，缩短响应时时，
24、增加微分时间可以减小偏差，缩短响应时间，减小振荡程度，从而能改善系统的质量间，减小振荡程度，从而能改善系统的质量；当当微分时间较大微分时间较大时，一方面有可能将测量噪声放大，时，一方面有可能将测量噪声放大，另一方面也可能使系统响应产生振荡。另一方面也可能使系统响应产生振荡。还要说明的是：还要说明的是：单纯的微分调节器是不能工作的。单纯的微分调节器是不能工作的。微分调节器的输出与系统被调量偏差的变化率成正比。微分调节器的输出与系统被调量偏差的变化率成正比。由于变化率能反映系统被调量的变化趋势，因此，微分调由于变化率能反映系统被调量的变化趋势，因此，微分调节不是等被调量出现偏差之后才动作，而是根据
25、变化趋势节不是等被调量出现偏差之后才动作，而是根据变化趋势提前动作。提前动作。234.PD调节规律的影响调节规律的影响 PD调节器的调节规律为调节器的调节规律为:)1(1dtdeTuDCK1DT微分时间微分时间运用控制理论的知识分析运用控制理论的知识分析PD调节规律，可以得出以下结论：调节规律，可以得出以下结论：1）PD调节也是有差调节。这是因为在稳态情况下，调节也是有差调节。这是因为在稳态情况下，dtde为零，微分部分不为零，微分部分不起作用，起作用，PD调节变成了调节变成了P调节。调节。2）PD调节能提高系统的稳定性、抑制过渡过程的动态偏差（或超调）。调节能提高系统的稳定性、抑制过渡过程的
26、动态偏差（或超调）。3）PD调节有利于减小系统静差（稳态误差）、提高系统的响应速度。调节有利于减小系统静差（稳态误差）、提高系统的响应速度。4）PD调节的调节的不足不足：首先，：首先，PD调节一般只适用于时间常数较大或多容过调节一般只适用于时间常数较大或多容过程；不适用于流量、压力等一些变化剧烈的过程。其次，当微分作用太强程；不适用于流量、压力等一些变化剧烈的过程。其次，当微分作用太强较大时，会导致系统中调节阀的频繁开启，容易造成系统振荡。较大时，会导致系统中调节阀的频繁开启，容易造成系统振荡。245.PID调节规律的影响调节规律的影响 PID调节器的调节规律为调节器的调节规律为:011()t
27、DIdeueedtTTdt其相应的传递函数为其相应的传递函数为:)11(1)(sTsTsGDICPID是比例、积分、微分调节规律的线性组合是比例、积分、微分调节规律的线性组合，它吸取了比例调节，它吸取了比例调节的快速反应功能、积分调节的消除误差功能以及微分调节的预测功的快速反应功能、积分调节的消除误差功能以及微分调节的预测功能等优点而弥补了三者的足，是一种比较理想的复合调节规律。从能等优点而弥补了三者的足，是一种比较理想的复合调节规律。从控制理论的观点分析可知，与控制理论的观点分析可知，与PD相比，相比，PID提高了系统的无差度；提高了系统的无差度；与与PI相比，相比，PID多了一个零点，为动
28、态性能的改善提供了可能。因多了一个零点，为动态性能的改善提供了可能。因此，此，PID兼顾了静态和动态两方面的控制要求，因而能取得较为满兼顾了静态和动态两方面的控制要求，因而能取得较为满意的调节效果。意的调节效果。25控制系统在不同调节作用下的典型响应如下：控制系统在不同调节作用下的典型响应如下：可以看到，可以看到，如果不加控制，过程将缓慢地到达一个新的稳态值；当如果不加控制，过程将缓慢地到达一个新的稳态值；当采用比例控制后，则加快了过程的响应，并减小了稳态误差；当加采用比例控制后，则加快了过程的响应，并减小了稳态误差；当加入积分控制作用后，则消除了稳态误差，但却容易使过程产生振荡入积分控制作用
29、后，则消除了稳态误差，但却容易使过程产生振荡；在增加微分作用以后则可以减小振荡的程度和响应时间。；在增加微分作用以后则可以减小振荡的程度和响应时间。虽然虽然PID调节器的调节效果比较理想，但是调节器的调节效果比较理想，但是PID调节器要整定调节器要整定三个参数才能使系统整定得最佳。三个参数才能使系统整定得最佳。ITDT26调节规律的选择调节规律的选择 1)当广义过程控制通道时间常数较大或容积迟延较大时，应引入微分调节；当当广义过程控制通道时间常数较大或容积迟延较大时，应引入微分调节；当工艺容许有静差时，应选用工艺容许有静差时，应选用PD调节；当工艺要求无静差时，应选用调节；当工艺要求无静差时，
30、应选用PID调节；调节；2)当广义过程控制通道时间常数较小、负荷变化不大、且工艺要求允许有静差当广义过程控制通道时间常数较小、负荷变化不大、且工艺要求允许有静差时，应选用时，应选用P调节。调节。储罐压力，液位储罐压力，液位3)当广义过程控制通道时间常数较小，负荷变化不大，但工艺要求无静差时，当广义过程控制通道时间常数较小，负荷变化不大，但工艺要求无静差时，应选用应选用PI调节。调节。管道压力和流量管道压力和流量274)4)当广义过程控制通道时间常数很大、且纯滞后也较大、负荷变当广义过程控制通道时间常数很大、且纯滞后也较大、负荷变化剧烈时，简单控制系统则难以满足工艺要求，应采用其他控制化剧烈时，
31、简单控制系统则难以满足工艺要求，应采用其他控制方案；方案；5)若将广义过程的传递函数表示为若将广义过程的传递函数表示为 1)(0000sTeKsGs时，时，00T的比值来的比值来 选择调节规律：选择调节规律：2.000T时，可选用时，可选用P或或PI调节规律；调节规律；0.12.000T时，可选用时，可选用PID调节规律；调节规律；0.100T时，应采用其他控制方式。时，应采用其他控制方式。串级、前馈加反馈串级、前馈加反馈。调节规律的选择调节规律的选择 n则可根据则可根据当当n当当n当当28执行器的选择执行器的选择 1.执行器的选型执行器的选型：使用最多的是使用最多的是气动执行器气动执行器，其
32、次是，其次是电动执行器电动执行器2.气动执行器气开、气关的选择气动执行器气开、气关的选择 气动执行器分气动执行器分气开、气关气开、气关两种形式，它的选择首先应根据调两种形式，它的选择首先应根据调节器输出信号为零（气源中断）时使生产处于安全状态的原节器输出信号为零（气源中断）时使生产处于安全状态的原则确定，同时考虑节能、操作性。则确定，同时考虑节能、操作性。如阀门在如阀门在信号中断后信号中断后处于处于打开位置打开位置，流体不中断，流体不中断最安全最安全，则选用，则选用气气关阀关阀；如果阀门在信号；如果阀门在信号压力中断后压力中断后处于处于关闭位置关闭位置，流体不通过最，流体不通过最安安全全，则选
33、用，则选用气开阀气开阀。例如，加热炉的燃料气或燃料油管路上的调节阀，应选用气开阀，例如，加热炉的燃料气或燃料油管路上的调节阀，应选用气开阀，当信号中断后，阀自动关闭，燃料被切断，以免炉温过高而发生事当信号中断后，阀自动关闭，燃料被切断，以免炉温过高而发生事故；又例如锅炉进水管路上的调节阀，应选用气关阀，当信号中断故；又例如锅炉进水管路上的调节阀，应选用气关阀，当信号中断后，阀自动打开，仍然向锅炉内送水，可避免锅炉烧坏。后，阀自动打开，仍然向锅炉内送水，可避免锅炉烧坏。29执行器的选择执行器的选择 3.调节阀尺寸的选择调节阀尺寸的选择 调节阀的尺寸主要指调节阀的开度和口径，调节阀的尺寸主要指调节
34、阀的开度和口径，在正常工况下一般要求在正常工况下一般要求调节阀开度应处于调节阀开度应处于15%-85%之间。之间。4.调节阀流量特性的选择调节阀流量特性的选择 通过选择调节阀的非线性流量特性来补偿被控过程的非线性通过选择调节阀的非线性流量特性来补偿被控过程的非线性特性，以达到系统总的放大倍数特性，以达到系统总的放大倍数近似线性近似线性的目的的目的 30调节器正调节器正/反作用方式的选择反作用方式的选择把被控过程和调节器分为正作用与反作用两种类型把被控过程和调节器分为正作用与反作用两种类型 名称正负正作用被控过程的静态增益正正作用调节器的静态增益 负气开式调节阀的静态增益正测量变送环节的静态增益
35、 正oKCKvKmK各类增益符号的选择：各类增益符号的选择：首先根据生产工艺要求及安全等原则确定调节阀的气开、气关形式，以确定首先根据生产工艺要求及安全等原则确定调节阀的气开、气关形式，以确定 调节器正反作用类型的确定方法：调节器正反作用类型的确定方法：vK的正负；的正负；然后根据被控过程特性确定其属于正、反类型，确定然后根据被控过程特性确定其属于正、反类型，确定 的正负；的正负；最后根据系统开环传递函数中各环节静态增益的乘积必须为正这一原则确定最后根据系统开环传递函数中各环节静态增益的乘积必须为正这一原则确定调节器调节器 CK正负，进而确定调节器的正反作用类型。正负，进而确定调节器的正反作用
36、类型。pk确定各调节器正负的基本原则确定各调节器正负的基本原则构成系统开环传递函数静态增构成系统开环传递函数静态增益的乘积必须为正益的乘积必须为正 vomck k kk31调节器的参数整定调节器的参数整定调节器参数整定的任务是调节器参数整定的任务是根据被控过程的特性，确定根据被控过程的特性，确定PID调调节器的比例度节器的比例度、积分时间、积分时间 IT以及微分时间以及微分时间 DT的大小。的大小。在简单过程控制系统中，调节器的参数整定通常以系统瞬态在简单过程控制系统中，调节器的参数整定通常以系统瞬态响应的响应的衰减率衰减率 9.075.0有一定的稳定裕量。另外还应满足有一定的稳定裕量。另外还
37、应满足 偏差（或超调量）和过渡过程时间等其它指标。偏差（或超调量）和过渡过程时间等其它指标。参数整定的方法可以分为三类，即理论计算整定法、工程整参数整定的方法可以分为三类，即理论计算整定法、工程整定法和自整定法定法和自整定法为主要指标，以保证系统具为主要指标，以保证系统具系统稳态误差、最大动态系统稳态误差、最大动态32 理论计算整定法理论计算整定法主要是依据系统的数学模型，采用控制主要是依据系统的数学模型，采用控制理论中的根轨迹法、频率特性法、对数频率特性法、扩充频理论中的根轨迹法、频率特性法、对数频率特性法、扩充频率特性法等，经过理论计算确定调节器参数的数值。率特性法等，经过理论计算确定调节
38、器参数的数值。这种方这种方法只有理论指导意义。法只有理论指导意义。工程整定法工程整定法主要是依靠工程经验，直接在过程控制系统主要是依靠工程经验，直接在过程控制系统的实际运行中进行。的实际运行中进行。自整定法自整定法是对一个正在运行中的控制系统特别是设定值是对一个正在运行中的控制系统特别是设定值改变的控制系统改变的控制系统,进行自动整定控制回路中的进行自动整定控制回路中的PID参数。参数。33 调节器参数整定的理论基础调节器参数整定的理论基础 1.控制系统的稳定性与衰减指数控制系统的稳定性与衰减指数 简单控制系统，在干扰简单控制系统，在干扰)(sF作用下，闭环控制系统的传递函数为作用下，闭环控制
39、系统的传递函数为()()()()1()()()()1()ffcvokGsGsG sF sG sG sG sH sG s闭环系统特征方程闭环系统特征方程 0)(1sGk一般形式为一般形式为 00111asasaSnnn各系数各系数ia由广义对象的特性和调节器的整定参数所确定。由广义对象的特性和调节器的整定参数所确定。调节器参数整定的实质就是调节器参数整定的实质就是选择合适的调节器参数，使其闭环选择合适的调节器参数，使其闭环控制系统的特征方程的每一个根都能满足稳定性的要求控制系统的特征方程的每一个根都能满足稳定性的要求。34 调节器参数整定的理论基础调节器参数整定的理论基础 1.控制系统的稳定性与
40、衰减指数控制系统的稳定性与衰减指数)(sF作用下，闭环控制系统的传递函数为作用下，闭环控制系统的传递函数为()()()()1()()()()1()ffcvokGsGsG sF sG sG sG sH sG s具体分析如下具体分析如下 如果特征方程有一个如果特征方程有一个实根实根(s)，其通解，其通解 tAe为非周期变化过程，为非周期变化过程，0时，其幅值越来越小，最终趋于时，其幅值越来越小，最终趋于0；0时，其幅值越来越大时，其幅值越来越大,系统不稳定。系统不稳定。如果特征方程有一对如果特征方程有一对共轭复根共轭复根(jS2,1)，则通解，则通解)cos(tAet为振荡为振荡过程，过程，当当0
41、时时,呈发散振荡呈发散振荡,系统不稳定；系统不稳定；0时时,呈等幅振荡。呈等幅振荡。当当当当当当35对于稳定的振荡分量对于稳定的振荡分量)0)(cos()(tAetyt，假定在，假定在 0tt 时到达时到达第一个峰值经过一个振荡周期，第一个峰值经过一个振荡周期，20 tt时，又到达第二个峰值。时，又到达第二个峰值。由衰减率定义可知由衰减率定义可知mtttmmmeeAeAeAeyyy22)2(13111其中衰减指数为其中衰减指数为为为 与与之比之比 如图如图36mtttmmmeeAeAeAeyyy22)2(13111其中衰减指数为其中衰减指数为与与之比之比 衰减指数与衰减率的关系如下表衰减指数与
42、衰减率的关系如下表00.1500.3000.4500.6000.7500.9000.95000.0260.0570.0950.1450.2210.3660.478m总之，调节器的参数整定，就是总之，调节器的参数整定，就是通过选择调节器的参数比例度通过选择调节器的参数比例度、积分时间、积分时间 IT以及微分时间以及微分时间 DT的大小，使特征方程所有实根与所有复根的实数部分均为的大小，使特征方程所有实根与所有复根的实数部分均为负数，从而保证系统是稳定的；另外还要满足衰减指数负数，从而保证系统是稳定的；另外还要满足衰减指数m在在0.221-0.366之间，之间，以满足衰减率在以满足衰减率在0.75
43、-0.9的要求的要求。37.控制系统的稳定裕量控制系统的稳定裕量稳定裕量可以用衰减率稳定裕量可以用衰减率 或衰减指数或衰减指数m的大小来表征。它们和阻尼系数的大小来表征。它们和阻尼系数 有一一对应的关系：有一一对应的关系：2121e21m通过上式可以得出以下结论：通过上式可以得出以下结论：为了保证系统的过渡过程具有一定的稳定裕量，就要使闭环系统的特征根具有为了保证系统的过渡过程具有一定的稳定裕量，就要使闭环系统的特征根具有一定的衰减指数一定的衰减指数 当复根的实部当复根的实部相同时，即系统到达稳定状态所需的过渡时间也相同。相同时，即系统到达稳定状态所需的过渡时间也相同。系统过渡过程时间为系统过
44、渡过程时间为/3st系统的最大动态偏差也与衰减指数系统的最大动态偏差也与衰减指数m有关有关 综上所述，无论是控制系统的稳定性、稳定裕量，还是控制系统的快速性、准综上所述，无论是控制系统的稳定性、稳定裕量，还是控制系统的快速性、准确性均与确性均与系统的衰减率或衰减指数有关系统的衰减率或衰减指数有关。所以，调节器参数整定的实质就是通。所以，调节器参数整定的实质就是通过选择合适的调节器参数，以达到规定的衰减率或衰减指数，从而最终保证系过选择合适的调节器参数，以达到规定的衰减率或衰减指数，从而最终保证系统的控制质量。统的控制质量。38调节器参数的工程整定调节器参数的工程整定 临界比例度法临界比例度法：
45、是直接在闭环系统中进行，不需要测试过程的动态特性：是直接在闭环系统中进行，不需要测试过程的动态特性 具体步骤具体步骤：1.调节器的积分时间置最大，微分时间置零，比例度置较大数值调节器的积分时间置最大，微分时间置零，比例度置较大数值 2.等系统运行稳定后，对设定值施加一个阶跃变化，并减小等系统运行稳定后，对设定值施加一个阶跃变化，并减小 直到出现下图所直到出现下图所示的等幅振荡曲线为止。记录下此时的临界比例度示的等幅振荡曲线为止。记录下此时的临界比例度K和等幅振荡周期和等幅振荡周期 KT3.按下表的经验公式计算出调节器的按下表的经验公式计算出调节器的 ITDT392衰减曲线法衰减曲线法 衰减曲线
46、法的做法与临界比例法类似。不同的是在改变比例度，观察衰减比。衰减曲线法的做法与临界比例法类似。不同的是在改变比例度，观察衰减比。当衰减比为当衰减比为4:1的振荡过程，或的振荡过程，或10:1的振荡过程，如下图。记录下此时的的振荡过程，如下图。记录下此时的及衰减振荡周期或者输出响应的上升时间。然后对比下表经验公式计算：及衰减振荡周期或者输出响应的上升时间。然后对比下表经验公式计算：以以衰减曲线法对多数过程都衰减曲线法对多数过程都适用。适用。缺点：缺点：较难准确确较难准确确定定4:1（或（或10:1）的衰减）的衰减程度程度。对于一些干扰比较频繁、对于一些干扰比较频繁、过程变化较快的控制系统过程变化
47、较快的控制系统，如，如管道动、流量管道动、流量等控制系统不宜采用此法等控制系统不宜采用此法。403反应曲线法（动态特性参数法）反应曲线法（动态特性参数法）反应曲线法是利用系统广义过程的阶跃响应曲线对调节器参数进行整定。反应曲线法是利用系统广义过程的阶跃响应曲线对调节器参数进行整定。具体做法先使系统具体做法先使系统处于开环处于开环状态状态，在输入端，在输入端 施加一个阶跃信施加一个阶跃信号，号，记录记录下测量变送环节的输出下测量变送环节的输出响应曲线响应曲线 )(sGv1）对于无自衡能力的广义被控过程，传递函数可写为）对于无自衡能力的广义被控过程，传递函数可写为sessG)(0单位阶跃响应，系统
48、中各参数的意义如右图单位阶跃响应，系统中各参数的意义如右图根据阶跃响应曲线求得广义被控过程的传递函数后根据阶跃响应曲线求得广义被控过程的传递函数后根据下表的经验公式根据下表的经验公式 计算调节器的参数。计算调节器的参数。41）对于有自衡能力的广义被控）对于有自衡能力的广义被控过程，传递函数可写为过程，传递函数可写为若是单位阶跃响应，系统中各参数的意义如下图若是单位阶跃响应，系统中各参数的意义如下图根据阶跃响应曲线求得广义被控过程的传递函数后根据阶跃响应曲线求得广义被控过程的传递函数后据下表经验公式计算调节器的参数。据下表经验公式计算调节器的参数。ssesTesTKsG0000111)(4三种工
49、程整定方法的比较三种工程整定方法的比较42 单回路控制系统设计实例单回路控制系统设计实例 干燥过程的控制系统设计干燥过程的控制系统设计 乳化物干燥过程示意图乳化物干燥过程示意图 工艺要求：工艺要求：由于乳化物属于胶体物质，激烈搅拌易固化，也不能用由于乳化物属于胶体物质，激烈搅拌易固化，也不能用泵抽送，因而采用泵抽送，因而采用高位槽高位槽的办法的办法 由于需要蒸发掉乳液中的水分，使由于需要蒸发掉乳液中的水分，使之成为粉状物，并随湿空气一起送之成为粉状物，并随湿空气一起送出进行分离。生产工艺对干燥后的出进行分离。生产工艺对干燥后的产品质量要求很高，水分含量不能产品质量要求很高，水分含量不能波动太大
50、，因而需要对波动太大，因而需要对干燥的温度干燥的温度进行严格控制。试验证明，若温度进行严格控制。试验证明，若温度波动在波动在22以内，则产品质量符以内，则产品质量符合要求。合要求。43方案设计与参数整定方案设计与参数整定 1.被控参数与控制参数的选择被控参数与控制参数的选择 1）被控参数的选择）被控参数的选择 根据生产工艺，水分含量与干燥温度密切相关。选用干燥的温度为被控参数，根据生产工艺，水分含量与干燥温度密切相关。选用干燥的温度为被控参数，水分与温度一一对应。将温度控制在一定数值上。水分与温度一一对应。将温度控制在一定数值上。2）控制参数的选择）控制参数的选择 经过对装置的分析，可知经过对
