比值控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)與仿真畢業(yè)設(shè)計(jì)說(shuō)明書(shū)

1、畢業(yè)設(shè)計(jì)說(shuō)明書(shū)比值控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)與仿真引 言配料系統(tǒng)是許多工業(yè)生產(chǎn)過(guò)程的重要組成部分，其配料過(guò)程是否按照規(guī)定的配比進(jìn)行是衡量產(chǎn)品質(zhì)量的關(guān)鍵。工業(yè)生產(chǎn)中，常用比值控制策略來(lái)實(shí)現(xiàn)各種物料的配比控制。 在水泥、冶金、醫(yī)藥、玻璃、建材、化工等流程工業(yè)中，配料是生產(chǎn)過(guò)程的重要組成部分，其配料過(guò)程是否按照規(guī)定的配比(組成產(chǎn)品的各種原料的比例)進(jìn)行是衡量企業(yè)產(chǎn)品質(zhì)量的關(guān)鍵，如果配料的質(zhì)量達(dá)不到要求，輕則造成原料、能源的浪費(fèi)，重則影響產(chǎn)品的質(zhì)量和產(chǎn)率，有些重要生產(chǎn)崗位的配料失誤甚至?xí)o整個(gè)生產(chǎn)釀成事故。配料在工業(yè)過(guò)程中廣泛存在，如水泥配料、煤氣混合、油品調(diào)合、配煤、燒結(jié)法煉鋼及氧化鋁、自來(lái)水加氯消毒等。石油煉制

2、生產(chǎn)過(guò)程中，把兩種或兩種以上基礎(chǔ)組分油與各種添加劑按一定比例均勻混合，從而成為一種新產(chǎn)品的過(guò)程稱(chēng)為調(diào)合。油品調(diào)合主要是指汽油、柴油、潤(rùn)滑以及原油等的調(diào)合。汽油調(diào)合是煉廠利用生產(chǎn)的各種汽油組分，按某種比例配方和添劑均勻混合，得到符合質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)的汽油產(chǎn)品的過(guò)程。它是汽油成品出廠的最后一道工和煉廠生產(chǎn)成品油的最后一個(gè)環(huán)節(jié)，也是保證汽油質(zhì)量指標(biāo)滿足環(huán)保和質(zhì)量規(guī)格要求重要手段，調(diào)合效益在生產(chǎn)企業(yè)的經(jīng)濟(jì)效益中占有舉足輕重的地位。通過(guò)以上分析可見(jiàn)，在配料過(guò)程中對(duì)生產(chǎn)產(chǎn)品的各種原料的比值進(jìn)行控制顯得尤為重要，常用比值控制來(lái)解決此類(lèi)問(wèn)題。比值控制的目的就是為了實(shí)現(xiàn)使幾種物料混合符合一定比例關(guān)系，使生產(chǎn)能安全正常進(jìn)

3、行。配料精度的高低制約著整個(gè)生產(chǎn)的產(chǎn)品質(zhì)量和產(chǎn)量，所以應(yīng)對(duì)配料過(guò)程的控制給予足夠重視。下面我們就具體介紹比值控制系統(tǒng)。第一章 比值控制系統(tǒng)概述在各種生產(chǎn)過(guò)程中，經(jīng)常遇到生產(chǎn)工藝要求兩個(gè)或兩個(gè)以上參數(shù)成一定的比例關(guān)系，一旦比例失調(diào)，就會(huì)影響生產(chǎn)的正常運(yùn)行。例如在鍋爐的燃燒系統(tǒng)中，要保持送進(jìn)爐膛的風(fēng)量和燃料成一定的比例，以保證燃燒的經(jīng)濟(jì)性。為此，我們引入比值控制系統(tǒng)。本章主要介紹單閉環(huán)比值、雙閉環(huán)比值、串級(jí)比值及變比值的比值控制系統(tǒng)。1.1 比值控制系統(tǒng)定義工業(yè)中存在著大量按原料配比進(jìn)行生產(chǎn)的過(guò)程，要求將原料配比進(jìn)行控制，然而配比的變化往往意味著產(chǎn)品產(chǎn)量下降、質(zhì)量下降、能量浪費(fèi)、物料浪費(fèi)、成本提高

4、、環(huán)境污染、甚至安全事故。在化工、煉油及其他工業(yè)生產(chǎn)過(guò)程中，工藝上常需要兩種或兩種以上的物料保持一定的比例關(guān)系，比例一旦失調(diào)，將影響生產(chǎn)或造成事故。例如，在煤氣燃燒過(guò)程中，要求煤氣與助燃空氣按一定配比（最佳為1：1.05）供入燃燒室。若助燃空氣輸入不足，煤氣得不到充分燃燒，降低了燃燒效率，造成能源浪費(fèi)，環(huán)境污染，還有可能導(dǎo)致環(huán)境中大量煤氣積存而成為事故隱患；若阻燃空氣過(guò)量，過(guò)?？諝庥謱⒋罅繜崃恳詮U氣形式排放，造成熱能的大量浪費(fèi)。為此，我們引入比值控制系統(tǒng)。在過(guò)程控制中，實(shí)現(xiàn)兩個(gè)或兩個(gè)以上參數(shù)符合一定比例關(guān)系的控制系統(tǒng)，稱(chēng)為比值控制系統(tǒng)。通常以保持兩種或幾種物料的流量為一定比例關(guān)系的系統(tǒng)，稱(chēng)之流

5、量比值控制系統(tǒng)。這種控制方式在化工、制藥領(lǐng)域中大量存在。1.2 比值控制原理在煉油、化工、制藥等許多生產(chǎn)過(guò)程中，經(jīng)常需要兩種物料或兩種以上的物料保持一定的比例關(guān)系。最常見(jiàn)的是燃燒過(guò)程，燃料與空氣要保持一定的比例關(guān)系，才能滿足生產(chǎn)和環(huán)保的要求；造紙過(guò)程中，濃紙漿與水要以一定的比例混合，才能制造出合格的紙漿，許多化學(xué)反應(yīng)的諸個(gè)進(jìn)料要保持一定的比例。 通常，在兩個(gè)需要保持一定比例關(guān)系的物料中，一個(gè)是主動(dòng)量或關(guān)鍵量，另一個(gè)是從動(dòng)量或輔助量。由于物料通常是液體，因此稱(chēng)主動(dòng)量為主流量q1從動(dòng)量為副流量q2。q1與q2之間的關(guān)系為 q2kq1 （1-1）式中，k為比值系數(shù)。因此，只要主副流量的給定值保持比值

6、關(guān)系，或者副流量給定值隨主流量按一定比例關(guān)系而變化即可實(shí)現(xiàn)比值控制。1.3 比值控制系統(tǒng)特點(diǎn) 比值控制系統(tǒng)的特征: 是實(shí)現(xiàn)兩個(gè)或兩個(gè)以上物料保持一定比例關(guān)系。1.主物料，也稱(chēng)為主動(dòng)量: 在要保持一定比例關(guān)系的物料中，把起主導(dǎo)作用的物料，稱(chēng)為主物料（主動(dòng)量），因?yàn)樵谶^(guò)程控制中經(jīng)常保持比例的參數(shù)是流量，故常用q1表示。2.從物料，也稱(chēng)為從動(dòng)量: 另一種隨主物料的變化而成比例地變化的物料稱(chēng)為從物料（從動(dòng)量），常用q2表示。3.比值系數(shù)：若兩物料的比值系數(shù)設(shè)定為k，則有：（1-2）1.4 比值控制系統(tǒng)的類(lèi)型根據(jù)生產(chǎn)過(guò)程中工藝容許的負(fù)荷、干擾、產(chǎn)品質(zhì)量等要求不同，實(shí)際采用的比值控制方案也不同。比值控制系

7、統(tǒng)按比值的特點(diǎn)可分為定比值和變比值控制系統(tǒng)。兩個(gè)或兩個(gè)以上參數(shù)之間的比值是通過(guò)改變比值器的比值系數(shù)來(lái)實(shí)現(xiàn)的，一旦比值系數(shù)確定，系統(tǒng)投入運(yùn)行后，此比值系數(shù)將保持不變（為常數(shù)），具有這種特點(diǎn)的系統(tǒng)稱(chēng)為定比值控制系統(tǒng)。如果生產(chǎn)上因某種需要對(duì)參數(shù)間的比值進(jìn)行修正時(shí)，需要人工重新設(shè)置新的比值系數(shù)，這種系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)一般比較簡(jiǎn)單。兩個(gè)或兩個(gè)以上參數(shù)之間的比值不是一個(gè)常數(shù)，而是根據(jù)另一個(gè)參數(shù)的變化而不斷的修正，具有這種特點(diǎn)的系統(tǒng)稱(chēng)為變比值控制系統(tǒng)，這種系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)一般比較復(fù)雜。比值控制系統(tǒng)按結(jié)構(gòu)特點(diǎn)可分為簡(jiǎn)單比值和復(fù)雜比值控制系統(tǒng)。凡構(gòu)成一個(gè)閉環(huán)以下的比值控制系統(tǒng)稱(chēng)為簡(jiǎn)單比值控制系統(tǒng)；凡構(gòu)成兩個(gè)閉環(huán)以上的比值控制

8、系統(tǒng)稱(chēng)為復(fù)雜比值控制系統(tǒng)。比值控制系統(tǒng)可籠統(tǒng)分為：開(kāi)環(huán)比值控制系統(tǒng)、單閉環(huán)比值控制系統(tǒng)、雙閉環(huán)比值控制系統(tǒng)、串級(jí)比值及變比值控制系統(tǒng)等。下面我們一一簡(jiǎn)單介紹這五種控制系統(tǒng)。1.4.1 開(kāi)環(huán)比值控制系統(tǒng)開(kāi)環(huán)比值控制系統(tǒng)是結(jié)構(gòu)最簡(jiǎn)單的比值控制系統(tǒng)，其工藝流程圖和原理方塊圖如圖1-1所示。其中ft為檢測(cè)變送器，fc為比值控制器。（1）工藝流程圖 （2）原理方框圖 圖1-1 開(kāi)環(huán)比值控制系統(tǒng)由原理方塊圖我們可以總結(jié)開(kāi)環(huán)比值控制系統(tǒng)的特點(diǎn)如下：1）當(dāng)系統(tǒng)處于穩(wěn)定工作狀態(tài)時(shí)，兩物料的流量滿足比值關(guān)系。2）當(dāng)主動(dòng)量受到干擾而發(fā)生變化時(shí)，系統(tǒng)通過(guò)比值器及設(shè)定值按比例去改變控制閥的開(kāi)度，調(diào)節(jié)從動(dòng)量使之與主動(dòng)量仍

9、保持原有的比例關(guān)系。3）當(dāng)從動(dòng)量受到外界干擾（如溫度、壓力擾動(dòng)）波動(dòng)時(shí)，由于是開(kāi)環(huán)控制，沒(méi)有調(diào)節(jié)從動(dòng)量自身波動(dòng)的環(huán)節(jié)，也沒(méi)有調(diào)整主動(dòng)量的環(huán)節(jié)，故兩種物料的比值關(guān)系很難保持不變，系統(tǒng)對(duì)此無(wú)能為力。開(kāi)環(huán)比值控制是理解比例控制工作機(jī)理的基礎(chǔ)，在實(shí)際工程上很少應(yīng)用。 1.4.2 單閉環(huán)比值控制系統(tǒng)單閉環(huán)比值控制系統(tǒng)是在開(kāi)環(huán)比值控制系統(tǒng)上增加對(duì)副物料的閉環(huán)控制回路，用以實(shí)現(xiàn)主、副物料的比值保持不變。工藝流程圖及原理框圖如圖1-2所示。（1）工藝流程圖 （2）原理方框圖圖1-2 單閉環(huán)比值控制系統(tǒng)1. 單閉環(huán)比值控制系統(tǒng)原理單閉環(huán)比值控制系統(tǒng)是由兩個(gè)信號(hào)即主流量、副流量，兩個(gè)變送器、調(diào)節(jié)器、執(zhí)行機(jī)構(gòu)和一個(gè)

10、以作為反饋信號(hào)的閉環(huán)回路組成。在穩(wěn)定時(shí)，能實(shí)現(xiàn)主、副流量的工藝比值的要求，即 (k為常數(shù))。系統(tǒng)原理框圖如圖1-3所示。當(dāng)主流量不變、而副流量受到擾動(dòng)時(shí)，則可通過(guò)副流量的閉合回路進(jìn)行定值控制。主流量調(diào)節(jié)器的輸出作為副流量的給定值。當(dāng)主流量受到擾動(dòng)時(shí)，則按預(yù)先設(shè)置好的比值使其輸出成比例變化，即改變的給定值。根據(jù)給定值的變化，發(fā)出控制命令以改變調(diào)節(jié)閥的開(kāi)度，使副流量跟隨主流量而變化，從而保證原設(shè)定的比值不變。當(dāng)主副流量同時(shí)受到擾動(dòng)時(shí)，調(diào)節(jié)器在克服副流量擾動(dòng)的同時(shí)，又根據(jù)新的給定值，改變調(diào)節(jié)閥的開(kāi)度，使主、副流量在新的流量數(shù)值的基礎(chǔ)上，保持其原設(shè)定值的比值關(guān)系。它不但可以實(shí)現(xiàn)副流量跟隨主流量的變化而

11、變化，而且還可以克服副流量本身干擾對(duì)比值的影響?？梢?jiàn)，該系統(tǒng)能確保主、副兩個(gè)流量的比值不變，同時(shí)，系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)又較簡(jiǎn)單，方案實(shí)現(xiàn)起來(lái)方便,僅用一臺(tái)比值器或比例調(diào)節(jié)器即可，因而在工業(yè)過(guò)程自動(dòng)化中廣泛應(yīng)用。2.單閉環(huán)比值控制系統(tǒng)的四種工作情況：（1）當(dāng)系統(tǒng)處于穩(wěn)定工作狀態(tài)時(shí)，主、副物料流量的比值恒定。 如圖1-3單閉環(huán)比值控制系統(tǒng)的原理框圖，由圖可知：穩(wěn)態(tài)時(shí)： 圖1-3 單閉環(huán)比值控制系統(tǒng)的原理框圖當(dāng)不變，受到擾動(dòng)時(shí)，閉合回路進(jìn)行定值控制。當(dāng)受到擾動(dòng)時(shí)，輸出變化，跟隨變化，保證原設(shè)定的比值不變。單閉環(huán)比值控制系統(tǒng)適用于負(fù)荷變化不大，主流量不可控制，兩種物料間的比值要求較精確的生產(chǎn)過(guò)程。（2）當(dāng)主物料

12、流量不變，副物料流量受到擾動(dòng)變化時(shí)，可通過(guò)副流量的閉合回路調(diào)整副物料流量使之恢復(fù)到原設(shè)定值，保證主、副物料流量比值一定。（3）當(dāng)主物料流量受到擾動(dòng)變化，而副物料不變時(shí)，則按預(yù)先設(shè)置好的比值使比值器輸出成比例變化，即改變給定值，根據(jù)給定值的變化，發(fā)出控制命令，以改變調(diào)節(jié)閥的開(kāi)度，使副流量跟隨主流量而變化，從而保證原設(shè)定的比值不變。（4）當(dāng)主、副物料流量同時(shí)受到擾動(dòng)變化時(shí)，調(diào)節(jié)器在調(diào)整副物料流量使之維持原設(shè)定值的同時(shí)，系統(tǒng)又根據(jù)主物料流量產(chǎn)生新的給定值，改變調(diào)節(jié)閥的開(kāi)度，使主、副物料流量在新的流量數(shù)值的基礎(chǔ)上，保持原設(shè)定值的比值關(guān)系不變?？傊? 單閉環(huán)比值控制系統(tǒng)雖然能保持主、副物料流量比值不變，

13、但是無(wú)法控制主物料的流量不變，因此，對(duì)生產(chǎn)過(guò)程的生產(chǎn)能力沒(méi)有進(jìn)行控制。該控制系統(tǒng)能保證主、副物料的流量比值不變，同時(shí)，系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，因此在工業(yè)生產(chǎn)過(guò)程自動(dòng)化中應(yīng)用較廣?！纠?-1】利用單閉環(huán)比值隨動(dòng)控制實(shí)現(xiàn)水泥生產(chǎn)中螢石自動(dòng)配料。水泥生產(chǎn)中，為了降低水泥中fcao（游離氧化鈣，又稱(chēng)游離鈣）含量，提高水泥熟料質(zhì)量，要求在石灰石中按一定比例自動(dòng)連續(xù)地?fù)郊游炇?。利用如圖1-4所示的單閉環(huán)比值控制的方式可以實(shí)現(xiàn)螢石與石灰石比例的恒定，達(dá)到了提高水泥質(zhì)量的目的。圖1-4 螢石單閉環(huán)比值控制自動(dòng)配料系統(tǒng)框圖圖中粗線代表物料運(yùn)送，細(xì)線代表控制線路。其中，控制中以石灰石為主動(dòng)量，螢石為從動(dòng)量。比值系數(shù)為兩物料

14、重量之比。1.4.3 雙閉環(huán)比值控制系統(tǒng)為了克服單閉環(huán)比值控制系統(tǒng)中主動(dòng)量不受控制而產(chǎn)生的系統(tǒng)生產(chǎn)能力“失控”狀況，在單閉環(huán)比值控制的基礎(chǔ)上，對(duì)主動(dòng)量也設(shè)置了一個(gè)閉環(huán)回路，構(gòu)成對(duì)主、副物料流量都進(jìn)行控制的雙閉環(huán)比值控制系統(tǒng)。其工藝流程圖和原理方框圖如圖1-5所示。雙閉環(huán)比值控制系統(tǒng)是由一個(gè)定值控制的主流量回路和一個(gè)跟隨主流量變化的副流量控制回路組成的。主流量控制回路能克服主流量擾動(dòng)，實(shí)現(xiàn)定值控制；副流量控制回路能抑制作用于副回路中的擾動(dòng)，使副流量與主流量成比值關(guān)系。當(dāng)擾動(dòng)消除后，主、副流量都恢復(fù)到原設(shè)定值上，其比值不變，并且主、副流量變化平穩(wěn)。當(dāng)系統(tǒng)需要升降負(fù)荷時(shí)，只要改變主流量的設(shè)定值，主、

15、副流量就會(huì)按比例同時(shí)增加或減小，從而克服上述單閉環(huán)比值系統(tǒng)的缺點(diǎn)。（1）工藝流程圖 （2）原理方框圖圖1-5 雙閉環(huán)比值控制系統(tǒng)在雙閉環(huán)比值控制系統(tǒng)工作時(shí)，若主動(dòng)量受到干擾發(fā)生波動(dòng)，則主動(dòng)量回路對(duì)其進(jìn)行定值控制，使主動(dòng)量始終穩(wěn)定在給定值附近，同時(shí)從動(dòng)量控制回路也會(huì)隨主動(dòng)量的波動(dòng)進(jìn)行調(diào)整；當(dāng)從動(dòng)量受到擾動(dòng)發(fā)生波動(dòng)時(shí)，從動(dòng)量控制回路對(duì)其進(jìn)行定值控制，使從動(dòng)量始終穩(wěn)定在定值附近，而主動(dòng)控制回路不受從動(dòng)量波動(dòng)的影響。因此，因擾動(dòng)而發(fā)生的主動(dòng)量和從動(dòng)量波動(dòng)利用各自控制回路分別實(shí)現(xiàn)實(shí)際值與給定值吻合，從而保證主、副物料流量的比值恒定。當(dāng)調(diào)節(jié)主動(dòng)量給定值時(shí)，主動(dòng)量控制回路調(diào)節(jié)主動(dòng)量實(shí)際值和給定值吻合；同時(shí)，

16、根據(jù)主動(dòng)量與從動(dòng)量的比值及新的主動(dòng)量給定值，系統(tǒng)給出從動(dòng)量控制回路的輸入值。通過(guò)從動(dòng)控制回路的調(diào)節(jié)控制使從動(dòng)量的實(shí)際值與該輸入值吻合，即從動(dòng)控制量的實(shí)際值與主動(dòng)量變動(dòng)后的數(shù)值相對(duì)應(yīng)，保持主動(dòng)量和從動(dòng)量的比值不變。如圖1-6所示雙閉環(huán)比值控制系統(tǒng)原理框圖。其中，主流量回路：克服主流量擾動(dòng)，實(shí)現(xiàn)其定值控制。副流量回路：抑制副回路中的擾動(dòng)，使副流量與主流量成比值關(guān)系。 擾動(dòng)消除后，=r， 升降負(fù)荷時(shí)，可改變r(jià)(s) 圖1-6 雙閉環(huán)比值控制系統(tǒng)原理框圖在現(xiàn)代工業(yè)生產(chǎn)過(guò)程中，對(duì)自動(dòng)化的要求較高。就比值控制而言，不僅要求靜態(tài)比值恒定，在擾動(dòng)作用下，要求主、副流量接近同步變化，即要求靜態(tài)與動(dòng)態(tài)時(shí)物料量保持

17、一定比值。如圖1-7所示為引入“動(dòng)態(tài)補(bǔ)償環(huán)節(jié)”的雙閉環(huán)比值控制， 由于副流量滯后于主流量，則動(dòng)態(tài)補(bǔ)償環(huán)節(jié)應(yīng)具有超前特性。從原理上分析，就可以實(shí)現(xiàn)動(dòng)態(tài)比值一定。圖1-7 具有動(dòng)態(tài)補(bǔ)償環(huán)節(jié)的雙閉環(huán)比值控制由以上分析可見(jiàn)雙閉環(huán)控制中，主動(dòng)量控制回路是一定值控制系統(tǒng)，而從動(dòng)量控制回路是一個(gè)隨動(dòng)控制系統(tǒng)。和單閉環(huán)比值控制系統(tǒng)相比，雙閉環(huán)比值控制系統(tǒng)的突出優(yōu)點(diǎn)如下：（1）控制系統(tǒng)更為穩(wěn)定對(duì)主動(dòng)量的定值控制克服了干擾對(duì)主動(dòng)量的影響，因此主動(dòng)量變化平穩(wěn)，從動(dòng)量也將平穩(wěn)，進(jìn)而系統(tǒng)的總物料流量穩(wěn)定，更好地滿足了生產(chǎn)工藝要求。（2）系統(tǒng)更易于調(diào)節(jié)當(dāng)需要改變主動(dòng)量的設(shè)定值時(shí)，主動(dòng)量控制回路通過(guò)調(diào)節(jié)控制使主動(dòng)量的輸出值

18、改變?yōu)樾略O(shè)定值，同時(shí)從動(dòng)量也將隨主動(dòng)量按給定比值變化。因此，當(dāng)需要調(diào)整負(fù)荷時(shí)，只要改變主動(dòng)量回路控制器的給定值，就可同步調(diào)整主動(dòng)量和從動(dòng)量，并保持主動(dòng)量和從動(dòng)量的比值不變。雙閉環(huán)比值控制系統(tǒng)適用于主副流量擾動(dòng)頻繁，負(fù)荷變化較大，同時(shí)保證主、副物料總量恒定的生產(chǎn)過(guò)程。如果沒(méi)有這個(gè)要求，兩個(gè)單獨(dú)的閉環(huán)控制系統(tǒng)也能使兩個(gè)流量保持比例關(guān)系，僅僅在動(dòng)態(tài)過(guò)程中，比例關(guān)系不能保證。1.4.4 串級(jí)比值控制系統(tǒng)單閉環(huán)比值控制和雙閉環(huán)比值控制是實(shí)現(xiàn)兩種物料流量間的定比值控制，在系統(tǒng)運(yùn)行過(guò)程中其比值系數(shù)是不變的。在有些生產(chǎn)過(guò)程中，要求兩種物料流量的比值隨第三個(gè)參數(shù)的需要而變化，為此可以設(shè)計(jì)成串級(jí)比值控制系統(tǒng)，串級(jí)

19、比值控制系統(tǒng)方塊圖如圖1-8所示。圖1-8 串級(jí)比值控制從圖1-8可以看出，它的副回路是一個(gè)閉環(huán)比值系統(tǒng)，其比值由除法器來(lái)實(shí)現(xiàn)，兩個(gè)流量比稱(chēng)為副參數(shù)。它的主回路也是一個(gè)閉環(huán)系統(tǒng)，由的反饋構(gòu)成，為變比值信號(hào)，即單閉環(huán)比值系統(tǒng)的給定值。稱(chēng)為第三個(gè)參數(shù)或主參數(shù)（質(zhì)量指標(biāo)）。這是按一定的工藝指標(biāo)自動(dòng)修正比值系數(shù)的系統(tǒng)，即變比值控制系統(tǒng)。串級(jí)比值控制系統(tǒng)在穩(wěn)態(tài)時(shí)，主、副流量恒定，分別將測(cè)量變送器后送至除法器，其輸出即為比值，作為的測(cè)量信號(hào)，此時(shí)主參數(shù)也恒定。輸出信號(hào)穩(wěn)定，且，輸出穩(wěn)定，調(diào)節(jié)閥開(kāi)度一定，所以主參數(shù)符合工藝要求，產(chǎn)品質(zhì)量合格。當(dāng)、出現(xiàn)擾動(dòng)時(shí)，副回路可以很快動(dòng)作，使兩者的比例維持常數(shù)，即保持比

20、值一定，從而不影響主參數(shù)，或大大減小擾動(dòng)對(duì)主參數(shù)的影響。若主參數(shù)受某種干擾偏離給定值時(shí)，主調(diào)節(jié)器將會(huì)改變副調(diào)節(jié)器的的輸出信號(hào)產(chǎn)生變化，修正了的給定值即修正了兩個(gè)流量的比值，使系統(tǒng)在新的比值上重新穩(wěn)定。應(yīng)當(dāng)指出，在串級(jí)比值控制系統(tǒng)中流量比值是用第三個(gè)參數(shù)來(lái)自動(dòng)校正的。流量比值只是一個(gè)控制手段，不是最終目的。主參數(shù)往往是衡量質(zhì)量的最終指標(biāo)，因此這種系統(tǒng)對(duì)比值的要求大為降低，具有按主參數(shù)反饋?zhàn)詣?dòng)校正比值系數(shù)的優(yōu)點(diǎn)。1.4.5 變比值控制系統(tǒng)單閉環(huán)比值控制系統(tǒng)和雙閉環(huán)比值控制系統(tǒng)有一個(gè)共同的特點(diǎn)：通過(guò)控制系統(tǒng)維持物料的供應(yīng)比值恒定，保證生產(chǎn)過(guò)程的正常進(jìn)行。實(shí)際生產(chǎn)過(guò)程中，物料按比例輸入并不是最終目的，

21、一般最終目的是生產(chǎn)過(guò)程的結(jié)果，如發(fā)電系統(tǒng)產(chǎn)生的電能，自來(lái)水氯氣消毒系統(tǒng)輸出水的質(zhì)量與流量等。 因此，在生產(chǎn)過(guò)程中，往往要對(duì)除了輸入物料以外的第三參量進(jìn)行控制。當(dāng)?shù)谌齾⒘侩S輸入物料的配比不同變化時(shí)，對(duì)第三參量的控制問(wèn)題，變成了調(diào)節(jié)物料配比問(wèn)題，這就是變比值控制，其控制的工藝圖和控制方框圖分別如圖1-9，1-10所示?？梢?jiàn)，變比值控制是一種內(nèi)外環(huán)嵌套的復(fù)合控制，內(nèi)環(huán)控制從物料的變化，外環(huán)控制第三參量的變化。通過(guò)第三參量的變化實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的變比值控制。主動(dòng)量和從動(dòng)量經(jīng)檢測(cè)、變送后送入除法器相除，除法器的輸出即為它們的比值，同時(shí)又是比值控制器的測(cè)量值。系統(tǒng)在穩(wěn)定工作狀態(tài)下，主被控變量（即第三參量）穩(wěn)定，主

22、控制器的輸出也穩(wěn)定不變并和比值控制器信號(hào)相等，從物料量控制閥門(mén)穩(wěn)定于某一開(kāi)度，控制器的比值恒定。（1）當(dāng)主物料量受到干擾發(fā)生波動(dòng)時(shí)，除法器輸出要發(fā)生改變，從物料控制系統(tǒng)調(diào)節(jié)從物料控制閥門(mén)開(kāi)度，使從動(dòng)量也發(fā)生變化，保證主物料量和從物料量比值不變。（2）當(dāng)從物料量受到干擾發(fā)生波動(dòng)時(shí)，和單閉環(huán)比值控制系統(tǒng)及雙閉環(huán)比值控制系統(tǒng)一樣，調(diào)節(jié)從物料流量，保證主物料量和從物料量比值不變。 圖1-9 變比值控制系統(tǒng)工藝圖（3）當(dāng)主被控對(duì)象（即第三參量）受到干擾引起被控發(fā)生變化時(shí)，主控制器的輸出將發(fā)生變化，也就是改變了比值控制器的設(shè)定值，即改變了主、從物料的比值。 圖1-10 變比值控制系統(tǒng)控制方框圖第二章 比值

23、控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)本章主要介紹比值控制系統(tǒng)中的比值控制方式的選擇原則、主從物料的選擇原則、比值系數(shù)的計(jì)算及調(diào)節(jié)器控制規(guī)律的確定。2.1 系統(tǒng)選用原則比值控制有多種控制方案，具體選用適應(yīng)分析各種方案的特點(diǎn)，根據(jù)不同的工藝情況、負(fù)荷變化、擾動(dòng)性質(zhì)、控制要求等進(jìn)行合理選擇。（1）單閉環(huán)比值控制的選用 當(dāng)要求兩種物料比值精確、恒定；外干擾引起的主流量波動(dòng)變化可以容忍；只有一種物料可控，其它物料不可控制；對(duì)由主流量波動(dòng)引起的副流量波動(dòng)和總生產(chǎn)能力變化沒(méi)有限制時(shí)，可選用此方案。該方案實(shí)現(xiàn)起來(lái)方便，僅用一只比值器或比例調(diào)節(jié)器即可。（2）雙閉環(huán)比值控制選用 當(dāng)要求兩種物料比值精確、恒定；擾動(dòng)引起的主、副流量變化較大

24、；不適用于只有一種物料可控，其它物料不可控制情況；要求總生產(chǎn)能力或主、副物料總量恒定；經(jīng)常需要升降負(fù)荷時(shí)，可選用雙閉環(huán)比值控制方案。（3）變比值控制選用 當(dāng)兩種物料流量的比值與主被控制量（主動(dòng)量和從動(dòng)量之外的第三參量）有內(nèi)在關(guān)系，需要根據(jù)主動(dòng)量的測(cè)得值和主被控制量的給定值調(diào)整主從物料流量的比值實(shí)現(xiàn)對(duì)主被控制量給定值的跟蹤控制（或定值控制）時(shí)，應(yīng)選用變比值控制方案。2.2 主從物料的選擇在比值控制中，主從物料的選擇影響系統(tǒng)的控制方向、產(chǎn)品質(zhì)量、經(jīng)濟(jì)性及安全性。主從物料的確定是控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)的首要一步，主要依循以下原則：（1）貴重原則 對(duì)有顯著貴賤區(qū)別的物料，應(yīng)選擇貴重物料為主物料。實(shí)現(xiàn)以貴重物料為

25、主進(jìn)行控制，其他非貴重物料根據(jù)控制過(guò)程需要增減變化。這樣可以充分利用貴重物料以合理成本完成生產(chǎn)過(guò)程。（2）不可控原則 某物料不可控制時(shí)，該物料選為主物料，其它為從物料。不可控物料不能利用物料量調(diào)節(jié)構(gòu)成反饋控制閉環(huán)，所以不宜選為從物料。（3）主導(dǎo)作用原則 在多物料參與生產(chǎn)的過(guò)程中，如化工或制藥工業(yè)中，經(jīng)常將物料分成主料和輔料，生產(chǎn)圍繞主料進(jìn)行，輔料作為控制過(guò)程的調(diào)節(jié)物料。此類(lèi)在諸物料中起主導(dǎo)作用的物料應(yīng)選擇為主物料，其它物料選為從物料。（4）流量大小原則 選擇流量較小的物料作從物料，這樣控制過(guò)程中控制閥的開(kāi)度較小，系統(tǒng)控制靈敏，當(dāng)然系統(tǒng)結(jié)構(gòu)可能也會(huì)小些。（5）工藝需要原則 生產(chǎn)控制過(guò)程必須按相應(yīng)

26、的工藝過(guò)程進(jìn)行，主從物料的選擇也必須符合生產(chǎn)工藝的要求。2.3 比值系數(shù)計(jì)算比值控制系統(tǒng)的控制過(guò)程是通過(guò)對(duì)主、從動(dòng)量以及第三參量的檢測(cè)與控制實(shí)現(xiàn)的。一個(gè)物理量通常有多種檢測(cè)方式，不同檢測(cè)方式的比值系數(shù)計(jì)算方法也有相應(yīng)的差別。常見(jiàn)的流量檢測(cè)有：l 差壓式流量計(jì)通過(guò)測(cè)量流動(dòng)過(guò)程中兩點(diǎn)的壓力差，然后根據(jù)壓力差與流量關(guān)系實(shí)現(xiàn)流量檢測(cè)；l 靶式流量計(jì)通過(guò)測(cè)量流動(dòng)過(guò)程中某一點(diǎn)的靶面壓力，然后根據(jù)靶面壓力與流量關(guān)系實(shí)現(xiàn)流量檢測(cè)；l 浮子流量計(jì)通過(guò)將流動(dòng)過(guò)程中某一點(diǎn)處流體引入浮子流量計(jì)，測(cè)量浮子懸浮的高度，然后根據(jù)懸浮高度與流量關(guān)系實(shí)現(xiàn)流量檢測(cè)；橢圓齒輪式容積流量計(jì)、渦輪流量計(jì)、渦計(jì)流量計(jì)是將該流量計(jì)引入流動(dòng)

27、過(guò)程中某一點(diǎn)，測(cè)量旋轉(zhuǎn)體的轉(zhuǎn)速，然后根據(jù)轉(zhuǎn)速與流量關(guān)系實(shí)現(xiàn)流量檢測(cè)； l 電磁流量計(jì)則用于測(cè)量導(dǎo)電液體，根據(jù)電磁感應(yīng)原理，利用感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)測(cè)量流量。綜合分析各種檢測(cè)方式，可把檢測(cè)方法分為線性檢測(cè)和非線性檢測(cè)兩種：1線性檢測(cè)法的比值系數(shù)計(jì)算流量的線性檢測(cè)一次儀表有浮子流量計(jì)、橢圓齒輪式容積流量計(jì)、渦輪流量計(jì)、渦計(jì)流量計(jì)等。該類(lèi)儀表的流量測(cè)量原理可概括為： （2-1）式中，q表示流量；c表示比例系數(shù)；w表示直接測(cè)量值，如轉(zhuǎn)速、高度等。按比值系數(shù)公式得： （2-2）若對(duì)應(yīng)變送器的測(cè)量范圍（或稱(chēng)比值控制器輸入端的主、從物料信號(hào)范圍）分別為：0q1max和0q2max則折算成比值控制器的比值系數(shù)為：（2-

28、3）2. 非線性檢測(cè)法的比值系數(shù)計(jì)算非線性檢測(cè)法的比值系數(shù)計(jì)算較為復(fù)雜，應(yīng)根據(jù)具體情況具體分析。流量的非線性檢測(cè)一次儀表有差壓式流量計(jì)、靶式流量計(jì)等。該類(lèi)流量計(jì)利用壓力測(cè)量流量。流量和壓力的關(guān)系可概括為： （2-4） 式中，c為差壓式流量計(jì)的比例系數(shù)，為壓力或壓差。按比值系數(shù)公式得： （2-5）若對(duì)應(yīng)變送器的測(cè)量范圍（或稱(chēng)比值控制器輸入端的主、從物料信號(hào)范圍）分別為：0q1max和0q2max則折算成比值控制器的比值系數(shù)為： （2-6）2.4 pid控制器參數(shù)的調(diào)節(jié)及其對(duì)控制性能的影響無(wú)論哪種過(guò)程控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)時(shí)都需要選擇調(diào)節(jié)器，下面我們一一介紹幾種常用的調(diào)節(jié)器。2.4.1 比例控制對(duì)控制性能的

29、影響所謂比例調(diào)節(jié)規(guī)律，是指調(diào)節(jié)器輸出的控制作用u(t)與其偏差輸入信號(hào)e(t)之間成比例關(guān)系， （2-7）其中，-比例增益。比例調(diào)節(jié)器的傳遞函數(shù)： （2-8）工程中，常用比例帶來(lái)描述其控制作用的強(qiáng)弱，即 （2-9）其物理意義是在調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)的位移改變100%時(shí)，被調(diào)量應(yīng)有的改變量。如=20%，則表明調(diào)節(jié)器輸出變化100%時(shí)，需要其輸入信號(hào)變化20%。比例調(diào)節(jié)器的階躍響應(yīng)曲線如下圖2-1所示。由圖可以看出，在t時(shí)刻前，系統(tǒng)處于穩(wěn)定狀態(tài)；t時(shí)刻偏差信號(hào)e(t)發(fā)生階躍變化，對(duì)于定值控制系統(tǒng)，即被調(diào)量產(chǎn)生階躍變化，調(diào)節(jié)輸出控制作用u(t)將成比例的變化，而且?guī)缀跏峭瑫r(shí)產(chǎn)生的?？刂谱饔玫淖兓康氖钦{(diào)節(jié)進(jìn)入

30、對(duì)象的流入量，消除不平衡流量，是被調(diào)量回到原來(lái)的值上。從這一點(diǎn)看，比例調(diào)節(jié)規(guī)律的特點(diǎn)之一就是調(diào)節(jié)及時(shí)、迅速。圖2-1 比例調(diào)節(jié)規(guī)律由上圖還可看出，在t時(shí)調(diào)節(jié)過(guò)程結(jié)束，但偏差信號(hào)e(t)仍存在；換言之，調(diào)節(jié)過(guò)程結(jié)束被調(diào)量的偏差仍未完全消除。因?yàn)椴捎帽壤{(diào)節(jié)規(guī)律的調(diào)節(jié)器，其輸出的控制作用大小與偏差大小成比例關(guān)系，一定大小的控制作用是抵消擾動(dòng)的影響、使系統(tǒng)重新穩(wěn)定下來(lái)的保證。在系統(tǒng)受到擾動(dòng)后，被調(diào)量偏離了其給定值，而出現(xiàn)偏差，調(diào)節(jié)器的調(diào)節(jié)使系統(tǒng)再次進(jìn)入穩(wěn)定狀態(tài)，但偏差或大或小還要存在，否則偏差為零，控制作用也隨之消失，干擾信號(hào)的存在就不可能使系統(tǒng)穩(wěn)定下來(lái)。調(diào)節(jié)過(guò)程結(jié)束，被調(diào)量偏差仍存在稱(chēng)為有差調(diào)節(jié)，

31、這是比例調(diào)節(jié)規(guī)律的又一特點(diǎn)。2.4.2 積分控制對(duì)控制性能的影響比例調(diào)節(jié)規(guī)律的特點(diǎn)是控制及時(shí)，控制作用貫穿整個(gè)調(diào)節(jié)過(guò)程，因此它是基本的調(diào)節(jié)作用。然而比例調(diào)節(jié)不能保證系統(tǒng)無(wú)差，因此對(duì)于一些要求較高的控制（定值調(diào)節(jié)）還需引入積分調(diào)節(jié)規(guī)律，實(shí)現(xiàn)無(wú)差調(diào)節(jié)。積分調(diào)節(jié)規(guī)律是調(diào)節(jié)器輸出控制作用u(t)與其偏差輸入信號(hào)e(t)隨時(shí)間的積累值成正比，即 （2-10）其傳遞函數(shù)形式： （2-11）式中-積分時(shí)間。積分調(diào)節(jié)器的階躍響應(yīng)如圖2-2所示。由圖可以看出，當(dāng)被調(diào)量出現(xiàn)偏差并成階躍形式變化時(shí)，積分調(diào)節(jié)器輸出的控制作用并不立即變化，而是由零開(kāi)始線性增長(zhǎng)。從這一點(diǎn)看，積分調(diào)節(jié)作用是不及時(shí)的。只要偏差信號(hào)存在，調(diào)節(jié)

32、器輸出旨在消除對(duì)系統(tǒng)影響的控制作用就一直增加，且其增長(zhǎng)的速度始終為初始速度。由下式可知： （2-12）上式表明，控制作用在積分時(shí)間ti越小時(shí)越強(qiáng)。從響應(yīng)曲線看，只要偏差存在，積分控制作用一直增加；換言之，只有偏差為零時(shí)，積分作用才停止變化。這表明系統(tǒng)達(dá)到再次穩(wěn)定狀態(tài)時(shí)，被調(diào)量的偏差必然為零。積分調(diào)節(jié)規(guī)律的另一特點(diǎn)就是消除穩(wěn)態(tài)偏差，實(shí)現(xiàn)無(wú)差調(diào)節(jié)，其控制作用體現(xiàn)在調(diào)節(jié)過(guò)程的后期。不過(guò)在現(xiàn)實(shí)中，積分調(diào)節(jié)規(guī)律很少單獨(dú)使用，它總是與比例調(diào)節(jié)規(guī)律結(jié)合成為比例積分調(diào)節(jié)規(guī)律，以發(fā)揚(yáng)各自的特長(zhǎng)，彌補(bǔ)對(duì)方的不足。描述比例積分調(diào)節(jié)規(guī)律的動(dòng)態(tài)方程是： （2-13）式中-比例增益；-積分時(shí)間圖2-2 積分作用曲線比例積

33、分調(diào)節(jié)器的傳遞函數(shù)為： （2-14）綜上分析，當(dāng)被調(diào)量一旦偏離給定值出現(xiàn)偏差時(shí)，調(diào)節(jié)器立即輸出一個(gè)與偏差成比例的控制作用，這是比例作用的結(jié)果；隨著時(shí)間的增長(zhǎng)，控制作用線性增加，積分作用表現(xiàn)出來(lái)；只要偏差存在，控制作用就一直增長(zhǎng)下去，直至消除偏差時(shí)，控制作用才停止變化。由此可見(jiàn)，比例積分調(diào)節(jié)作用具有比例作用及時(shí)和積分作用消除偏差的優(yōu)點(diǎn)，從而克服了單純比例作用時(shí)不能消除偏差的缺點(diǎn)和單純積分作用控制不及時(shí)的缺點(diǎn)。2.4.3 微分控制對(duì)控制性能的影響微分調(diào)節(jié)規(guī)律是是調(diào)節(jié)器輸出的控制作用與其偏差輸入信號(hào)的變化速度成正比。對(duì)于定值控制系統(tǒng)，偏差信號(hào)的變化速度就是被調(diào)量的變化速度，即 （2-15）式中td-

34、微分時(shí)間。傳遞函數(shù)式為： （2-16）由于受控對(duì)象總存在一定的容量，調(diào)節(jié)器也存在一定的不靈敏區(qū)，因此使調(diào)節(jié)器動(dòng)作的偏差信號(hào)在實(shí)踐上肯定落后于偏差變化速度信號(hào)，被調(diào)量變化速度（即偏差變化速度）信號(hào)又稱(chēng)超前信號(hào)。被調(diào)量的變化速度往往反映了對(duì)象流入量與流出量之間的不平衡狀態(tài)，因此對(duì)慣性較大的對(duì)象，在調(diào)節(jié)器中加入微分調(diào)節(jié)作用實(shí)現(xiàn)超前調(diào)節(jié)，無(wú)疑將大大改善調(diào)節(jié)過(guò)程。微分調(diào)節(jié)作用的大小僅與偏差信號(hào)的變化速度有關(guān)，而與偏差值大小無(wú)關(guān)。因此對(duì)象在受到較小的擾動(dòng)后，被調(diào)量變化量及變化速度都將很小，微分作用調(diào)節(jié)器同時(shí)由于自身動(dòng)作的不靈敏區(qū)的存在而始終不動(dòng)作,這樣，經(jīng)過(guò)一段時(shí)間后，偏差將積累成一個(gè)較大的值。就是說(shuō)純微

35、分作用的調(diào)節(jié)器是不能單獨(dú)使用的，微分作用要與比例作用或比例積分作用相結(jié)合，形成比例微分調(diào)節(jié)規(guī)律或比例微分積分調(diào)節(jié)規(guī)律。式（2-16）是理論上的微分調(diào)節(jié)規(guī)律表達(dá)式，因?yàn)樵谄铍A躍變化時(shí)的瞬間，控制作用將為無(wú)窮大量，這是任何物理元件都不可能實(shí)現(xiàn)的。實(shí)際的微分調(diào)節(jié)規(guī)律具有慣性，傳遞函數(shù)為下式： （2-17）式中td-微分時(shí)間；kd-微分增益。由初值定理有： （2-18）由終值定理知： （2-19）如圖2-3所示，微分調(diào)節(jié)的階躍響應(yīng)曲線。 圖2-3 微分調(diào)節(jié)階躍響應(yīng)由圖2-3也可以看出，當(dāng)偏差信號(hào)做幅度為e的階躍變化時(shí)，微分作用將立即產(chǎn)生，其值為偏差的kd倍。從這一點(diǎn)上與比例作用相比，調(diào)節(jié)及時(shí)且作用強(qiáng)

36、。在時(shí)間較長(zhǎng)后，微分作用消失，直到為零?？梢?jiàn)微分作用要在調(diào)節(jié)過(guò)程的初期，和積分作用恰好相反。 第三章 控制系統(tǒng)的工程整定3.1 對(duì)控制系統(tǒng)性能的要求在控制過(guò)程中，一個(gè)理想的控制系統(tǒng)，始終應(yīng)使其被控量(輸出)等于給定值(輸入)。但是，由于機(jī)械部分質(zhì)量、慣量的存在，電路中儲(chǔ)能元件的存在以及能源功率的限制，使得運(yùn)動(dòng)部件的加速度受到限制，其速度和位置難以瞬時(shí)變化。所以，當(dāng)給定值變化時(shí)，被控量不可能立即等于給定值，而需要經(jīng)過(guò)一個(gè)過(guò)渡過(guò)程，即動(dòng)態(tài)過(guò)程。所謂動(dòng)態(tài)過(guò)程就是指系統(tǒng)受到外加信號(hào)(給定值或擾動(dòng))作用后，被控量隨時(shí)間變化的全過(guò)程。由動(dòng)態(tài)過(guò)程可以反映系統(tǒng)內(nèi)在性能的好壞，而常見(jiàn)的評(píng)價(jià)系統(tǒng)優(yōu)劣的性能指標(biāo)也是

37、從動(dòng)態(tài)過(guò)程中定義出來(lái)的。對(duì)系統(tǒng)性能的基本要求有三個(gè)方面。穩(wěn)定性是這樣來(lái)表述的：系統(tǒng)受到外作用后，其動(dòng)態(tài)過(guò)程的振蕩傾向和系統(tǒng)恢復(fù)平衡的能力。如果系統(tǒng)受外作用力后，經(jīng)過(guò)一段時(shí)間，其被控量可以達(dá)到某一穩(wěn)定狀態(tài)，則稱(chēng)系統(tǒng)是穩(wěn)定的。顯然，不穩(wěn)定的系統(tǒng)是無(wú)法正常工作的。一個(gè)能在生產(chǎn)實(shí)際中應(yīng)用的系統(tǒng)，不僅應(yīng)該是穩(wěn)定的，而且在動(dòng)態(tài)過(guò)程中的振蕩也不能太大，否則不能滿足生產(chǎn)實(shí)際的需要，甚至?xí)?dǎo)致系統(tǒng)部件的松動(dòng)和被破壞?？焖傩允峭ㄟ^(guò)動(dòng)態(tài)過(guò)程時(shí)間長(zhǎng)短來(lái)表征的，過(guò)程時(shí)間越短，表明快速性越好，反之亦然?？焖傩员砻髁讼到y(tǒng)輸出對(duì)輸入響應(yīng)的快慢程度。系統(tǒng)響應(yīng)越快，說(shuō)明系統(tǒng)的輸出復(fù)現(xiàn)輸入信號(hào)的能力越強(qiáng)。準(zhǔn)確性是由輸入給定值與輸出

38、響應(yīng)的終值之間的差值來(lái)表征的，它反映了系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)精度。若系統(tǒng)的最終誤差為零，則稱(chēng)為無(wú)差系統(tǒng),否則稱(chēng)為有差系統(tǒng)。穩(wěn)定性、快速性和準(zhǔn)確性往往是互相制約的。在設(shè)計(jì)與調(diào)試過(guò)程中，若過(guò)分強(qiáng)調(diào)系統(tǒng)的穩(wěn)定性，則可能會(huì)造成系統(tǒng)響應(yīng)遲緩和控制精度較低的后果；反之，若過(guò)分強(qiáng)調(diào)系統(tǒng)響應(yīng)的快速性，則又會(huì)使系統(tǒng)的振蕩加劇，甚至引起不穩(wěn)定。比值控制系統(tǒng)整定主要涉及的問(wèn)題是穩(wěn)定性、快速性、靜差和微分問(wèn)題。（1）穩(wěn)定問(wèn)題 穩(wěn)定性是控制系統(tǒng)正常工作的首要條件。對(duì)過(guò)程控制來(lái)說(shuō)，穩(wěn)定性問(wèn)題不但涉及穩(wěn)態(tài)情況，更涉及干擾擾動(dòng)問(wèn)題。干擾對(duì)過(guò)程控制的影響主要體現(xiàn)在：系統(tǒng)模型識(shí)別精確性降低、系統(tǒng)模型參數(shù)離散性變大、系統(tǒng)遠(yuǎn)離原模型靜態(tài)工作點(diǎn)、

39、系統(tǒng)工作進(jìn)入非線性區(qū)等。干擾的主要后果是使控制系統(tǒng)處于不穩(wěn)定，甚至使不安全工作狀態(tài)。因此，在干擾較大的場(chǎng)合，如工業(yè)過(guò)程的現(xiàn)場(chǎng)，控制系統(tǒng)應(yīng)有足夠的穩(wěn)定裕量。（2）快速性問(wèn)題應(yīng)保證系統(tǒng)響應(yīng)的快速性從而保證比值恒定。（3）靜差問(wèn)題在穩(wěn)態(tài)時(shí)，各比值控制的閉環(huán)均為定值控制，故系統(tǒng)跟蹤不應(yīng)存在靜差。（4）微分問(wèn)題比值控制系統(tǒng)的調(diào)節(jié)器不宜采用微分作用。因?yàn)楸戎悼刂葡到y(tǒng)對(duì)象一般都是流量對(duì)象，滯后時(shí)間都比較小。而且在管路中存在有很多不規(guī)則的干擾噪聲，因此在控制器都不宜采用微分作用。 3.2 調(diào)節(jié)器的參數(shù)整定法控制系統(tǒng)的整定是指在控制系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)已經(jīng)確定、控制儀表與控制對(duì)象等都處在正常狀態(tài)的情況下，適當(dāng)選擇調(diào)節(jié)器的

40、參數(shù)()使控制儀表的特性和控制對(duì)象的特性配合，從而使控制系統(tǒng)的運(yùn)行達(dá)到最佳狀態(tài)，取得最好的控制效果。顯然，如果控制對(duì)象的運(yùn)行方式不當(dāng)，或者系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案不合理，測(cè)量?jī)x表和調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)選型不當(dāng)，安裝質(zhì)量不高等，則無(wú)論怎樣整定調(diào)節(jié)器的參數(shù)，也不能滿足調(diào)節(jié)質(zhì)量的要求。另一方面，在主設(shè)備完善、系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案合理、設(shè)備安裝等均已完善的條件下，只有經(jīng)過(guò)正確的整定，才能達(dá)到預(yù)期的控制質(zhì)量。從理論上看，通過(guò)計(jì)算來(lái)整定調(diào)節(jié)器的參數(shù)是可行的辦法。采用各種計(jì)算方法，求出閉環(huán)系統(tǒng)特征根的分布情況，對(duì)振蕩頻率、靜態(tài)偏差、動(dòng)態(tài)偏差、控制過(guò)程時(shí)間等有明確的結(jié)論，根據(jù)所得結(jié)論能夠比較在不同的調(diào)節(jié)規(guī)律、不同參數(shù)值的情況下過(guò)渡過(guò)程的品質(zhì)

41、和實(shí)現(xiàn)保證衰減率大于所規(guī)定的數(shù)值的要求。但問(wèn)題是計(jì)算方法要以控制對(duì)象的動(dòng)態(tài)特性為依據(jù)，而動(dòng)態(tài)特性測(cè)取時(shí)含有不精確性，更難以處理的是在工況變動(dòng)時(shí)，對(duì)象的動(dòng)態(tài)特性可能發(fā)生變化。另外，對(duì)控制系統(tǒng)中的一些非線性環(huán)節(jié)要近似為線性環(huán)節(jié)，甚至要對(duì)調(diào)節(jié)器本身在計(jì)算時(shí)也只能看作是線性的理想調(diào)節(jié)器。由于這些原因，各種計(jì)算結(jié)果只能是近似的，只宜作參考依據(jù)。在熱工生產(chǎn)過(guò)程中，比較實(shí)用的是現(xiàn)場(chǎng)整定方法，即通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)調(diào)試來(lái)選擇調(diào)節(jié)器的參數(shù)。但是現(xiàn)場(chǎng)整定也要在正確的理論指導(dǎo)下才能有效進(jìn)行并解決所能發(fā)現(xiàn)的問(wèn)題，若事先不經(jīng)過(guò)任何理論計(jì)算和分析，盲目地實(shí)踐可能會(huì)延誤時(shí)機(jī)，甚至帶來(lái)麻煩。因此，計(jì)算還是有必要的。不過(guò)計(jì)算分析不必要求達(dá)

42、到精確的結(jié)果，而是利用一些經(jīng)驗(yàn)性圖表，先估計(jì)調(diào)節(jié)器參數(shù)的取值范圍，從而給現(xiàn)場(chǎng)整定提供參考。1、臨界比例帶法臨界比例帶法又稱(chēng)邊界穩(wěn)定法，其要點(diǎn)是將調(diào)節(jié)器設(shè)置成純比例作用，將系統(tǒng)投入自動(dòng)運(yùn)行并將比例帶由大到小改變，直到系統(tǒng)產(chǎn)生等幅振蕩為止。這時(shí)控制系統(tǒng)處于邊界穩(wěn)定狀態(tài)，記下此狀態(tài)下的比例帶值，即臨界比例帶以及振蕩周期，然后根據(jù)經(jīng)驗(yàn)公式計(jì)算出調(diào)節(jié)器的各個(gè)參數(shù)，可以看出臨界比例帶法無(wú)須知道對(duì)象的動(dòng)態(tài)特性，直接在閉環(huán)系統(tǒng)中進(jìn)行參數(shù)整定。臨界比例帶的具體步驟是：1） 將調(diào)節(jié)器的積分時(shí)間置于最大，即；置微分時(shí)間；置比例帶于一個(gè)較大的值。2） 將系統(tǒng)投入閉環(huán)運(yùn)行，待系統(tǒng)穩(wěn)定后逐漸減小比例帶，直到進(jìn)入等幅振蕩狀

43、態(tài)。一般振蕩持續(xù)45個(gè)振幅即可，試驗(yàn)記錄曲線。3） 根據(jù)記錄曲線的振蕩周期此狀態(tài)下調(diào)節(jié)器比例帶為，然后按表3-1計(jì)算出調(diào)節(jié)器的各個(gè)參數(shù)。將計(jì)算好的參數(shù)值在調(diào)節(jié)器上設(shè)置好，作階躍響應(yīng)試驗(yàn)，觀察系統(tǒng)調(diào)節(jié)過(guò)程，適當(dāng)修改調(diào)節(jié)器的參數(shù)，直到調(diào)節(jié)器過(guò)程滿意為止。 表3-1 臨界比例帶法計(jì)算公式（）規(guī) 律ppipid臨界比例帶法在實(shí)際應(yīng)用中有一定的局限性，有些生產(chǎn)過(guò)程根本不允許產(chǎn)生等幅振蕩，如火力發(fā)電廠鍋爐汽包水位控制；此外，某些慣性較大的單容對(duì)象用比例調(diào)節(jié)器又很不容易產(chǎn)生等幅振蕩過(guò)程，得不到臨界狀態(tài)下的調(diào)節(jié)器比例帶即振蕩周期，則無(wú)法應(yīng)用臨界比例帶法。2、衰減曲線法衰減曲線法是在總結(jié)臨界比例帶法基礎(chǔ)上發(fā)展起

44、來(lái)的，它是利用比例作用下產(chǎn)生的4:1衰減振蕩（）過(guò)程時(shí)調(diào)節(jié)器比例帶即過(guò)程上升時(shí)間，據(jù)經(jīng)驗(yàn)公式計(jì)算出調(diào)節(jié)器的各個(gè)參數(shù)。衰減曲線法的具體步驟是：1） 置調(diào)節(jié)器的積分時(shí)間，微分時(shí)間，比例帶為稍大的值；將系統(tǒng)投入閉環(huán)運(yùn)行。2） 在系統(tǒng)處于穩(wěn)定狀態(tài)后作階躍擾動(dòng)試驗(yàn)，應(yīng)觀察控制過(guò)程。如果過(guò)渡過(guò)程衰減率大于0.75，應(yīng)逐步減小比例帶值，并再次試驗(yàn)，直到過(guò)渡過(guò)程曲線出現(xiàn)4:1的衰減過(guò)程，對(duì)于的調(diào)節(jié)過(guò)程也是一樣的做上述試驗(yàn)，直到出現(xiàn)10:1的衰減過(guò)程。記錄下4:1（或10:1）的衰減振蕩過(guò)程曲線。在曲線上求取時(shí)的振蕩周期或時(shí)的上升時(shí)間tr，按表3-2計(jì)算出調(diào)節(jié)器的各個(gè)參數(shù)。表3-2 衰減曲線法計(jì)算公式規(guī)律0.7

45、5ppipid 規(guī)律 0.9ppipid3）按計(jì)算結(jié)果設(shè)置好調(diào)節(jié)器的各個(gè)參數(shù)，作階躍擾動(dòng)試驗(yàn)，觀察調(diào)節(jié)過(guò)程，適當(dāng)修改調(diào)節(jié)器參數(shù)，到滿意為止。與臨界比例帶法一樣，衰減曲線法也是利用了比例作用下的調(diào)節(jié)過(guò)程。從表3-2可以發(fā)現(xiàn)，對(duì)于，采用比例積分調(diào)節(jié)規(guī)律時(shí)相對(duì)于采用比例調(diào)節(jié)規(guī)律是引入了積分作用，因此系統(tǒng)的穩(wěn)定性將下降，仍然能得到的衰減率，就須將放大1.2倍后作為比例積分調(diào)節(jié)器的比例帶值。對(duì)于三參數(shù)調(diào)節(jié)規(guī)律，由于微分作用的引入提高了系統(tǒng)的穩(wěn)定性和準(zhǔn)確性，因此可將減小至后作為調(diào)節(jié)器比例帶設(shè)定值，同時(shí)積分時(shí)間與無(wú)微分作用下相比也適當(dāng)減小了。3、經(jīng)驗(yàn)法如果調(diào)節(jié)系統(tǒng)在運(yùn)行中經(jīng)常受到擾動(dòng)影響，那么要得到閉環(huán)系統(tǒng)

46、確切的階躍響應(yīng)曲線就很困難，因此臨界比例帶法和衰減曲線法都不能得到滿意的結(jié)果。 通過(guò)長(zhǎng)期實(shí)踐，人們總結(jié)了一套參數(shù)整定的經(jīng)驗(yàn)，稱(chēng)之為經(jīng)驗(yàn)法。經(jīng)驗(yàn)法可以說(shuō)是根據(jù)經(jīng)驗(yàn)進(jìn)行參數(shù)試湊的方法，它首先根據(jù)經(jīng)驗(yàn)設(shè)置一組調(diào)節(jié)器參數(shù)，然后將系統(tǒng)投入閉環(huán)運(yùn)行，待系統(tǒng)穩(wěn)定后作階躍擾動(dòng)試驗(yàn)，觀察調(diào)節(jié)過(guò)程；如果過(guò)渡過(guò)程不令人滿意，則修改調(diào)節(jié)器參數(shù)，再作階躍擾動(dòng)試驗(yàn)，觀察調(diào)節(jié)過(guò)程；反復(fù)上述試驗(yàn)，直到調(diào)節(jié)過(guò)程滿意為止。 經(jīng)驗(yàn)法整定具體步驟：1） 將調(diào)節(jié)器的積分時(shí)間放到最大，微分時(shí)間置于最小。根據(jù)經(jīng)驗(yàn)設(shè)置比例帶值。將系統(tǒng)投入閉環(huán)運(yùn)行，穩(wěn)定后做階躍擾動(dòng)試驗(yàn)，觀察調(diào)節(jié)過(guò)程，若過(guò)渡過(guò)程有希望的衰減率（）則可，否則改變比例帶值，重復(fù)上

47、述試驗(yàn)。2） 將調(diào)節(jié)器的積分時(shí)間由最大調(diào)整到某一值，由于積分時(shí)間的引入使系統(tǒng)的穩(wěn)定性下降，這時(shí)應(yīng)將比例帶值適當(dāng)增大，一般為純比例作用的1.2倍。做階躍擾動(dòng)試驗(yàn)，觀察調(diào)節(jié)過(guò)程，修改積分時(shí)間重復(fù)試驗(yàn)，直到滿意為止。3） 保持積分時(shí)間不變，改變比例帶，看調(diào)節(jié)過(guò)程有無(wú)改善，若有改善則繼續(xù)修改比例帶，如無(wú)改善則反方向修改比例帶，直到滿意為止。保持比例帶不變修改積分時(shí)間，同樣反復(fù)試湊直到滿意為止。如此反復(fù)試湊，直到有一組合適的積分時(shí)間和比例帶。4） 對(duì)于采用三參數(shù)的調(diào)節(jié)器，在進(jìn)行完上述調(diào)整試驗(yàn)后，將微分時(shí)間由小到大地調(diào)整，觀察每次試驗(yàn)過(guò)程，在感到滿意時(shí)便停止。3.3 比值控制系統(tǒng)調(diào)節(jié)器確定及工程整定 單閉

48、環(huán)控制系統(tǒng) 從動(dòng)量控制回路是跟隨主動(dòng)量而變化的隨動(dòng)系統(tǒng)。因此，要求反映快速、準(zhǔn)確。故應(yīng)采用pi控制方式，并將過(guò)渡過(guò)程整定成非周期臨界情況，這時(shí)過(guò)渡過(guò)程既不振蕩反應(yīng)又快?？刂破鲄?shù)的整定步驟可歸納如下： 根據(jù)工藝要求的流量比值k，求得比值系數(shù)。 將積分時(shí)間置于最大值，由大到小逐步改變比例度，直到在階躍干擾下過(guò)渡過(guò)程處于振蕩與不振蕩的臨界過(guò)程為止。 適當(dāng)放寬比例度（一般為20%）的情況下，逐步緩慢地減小積分時(shí)間，直到出現(xiàn)振蕩與不振蕩的臨界過(guò)程或稍有一點(diǎn)超調(diào)的情況為止。 雙閉環(huán)比值控制系統(tǒng)主流量控制環(huán)實(shí)現(xiàn)定值控制，從流量控制環(huán)實(shí)現(xiàn)自身的穩(wěn)定控制和對(duì)主流量變化的跟蹤，從而實(shí)現(xiàn)主、從流量的比值恒定。因此

49、，兩閉環(huán)調(diào)節(jié)器均應(yīng)選擇pi控制規(guī)律，而且應(yīng)使從流量控制環(huán)響應(yīng)較主流量控制環(huán)快，這樣從流量控制系統(tǒng)才有能跟上主流量的變化，保證主、從流量比值恒定。主、從控制回路都應(yīng)將過(guò)渡過(guò)程整定成非周期臨界情況。另外，這樣整定參數(shù)也防止了從動(dòng)量回路共振問(wèn)題。因?yàn)閺膭?dòng)量回路通過(guò)比值器和主動(dòng)量回路發(fā)生聯(lián)系。主動(dòng)量的變化必然引起從動(dòng)量回路控制器設(shè)定值的變化，如果主動(dòng)量的變化頻率接近從動(dòng)量回路的工作頻率時(shí)，則有可能引起從動(dòng)量回路的共振，以致系統(tǒng)的控制品質(zhì)變壞。因此，主動(dòng)量的過(guò)渡過(guò)程為非周期變化過(guò)程有效防止了這種可能性。 變比值控制系統(tǒng) 變比值控制系統(tǒng)，又可稱(chēng)為串級(jí)比值控制系統(tǒng)，它具有串級(jí)控制系統(tǒng)的一些特點(diǎn)，仿效串級(jí)控制

50、系統(tǒng)調(diào)節(jié)器控制規(guī)律的選擇原則，主調(diào)節(jié)器選擇pi或pid控制規(guī)律；副調(diào)節(jié)器（即從動(dòng)量調(diào)節(jié)器）可按單閉環(huán)控制系統(tǒng)進(jìn)行整定。 第四章 雙閉環(huán)比值控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與仿真4.1 matlab概述火電廠是高度重視安全生產(chǎn)的企業(yè)之一，控制系統(tǒng)一旦投入運(yùn)行，是不允許無(wú)關(guān)人員隨便亂動(dòng)的。因此，對(duì)控制系統(tǒng)的分析研究和自動(dòng)化人員生產(chǎn)技能的培訓(xùn)只能在仿真控制系統(tǒng)上進(jìn)行。以往的仿真控制系統(tǒng)主要是物理和半物理仿真，建立這樣的仿真控制系統(tǒng)投資大，安裝和維護(hù)費(fèi)用也大。尤其是自動(dòng)化儀表發(fā)展如此之快，使這些仿真控制系統(tǒng)不得不進(jìn)行設(shè)備的更新改造，其經(jīng)濟(jì)損失是顯而易見(jiàn)的。matlab是mathworks公司于1982年推出的一套高性能

51、的數(shù)值計(jì)算和可視化軟件，它集數(shù)值分析、矩陣運(yùn)算、信號(hào)處理和圖形顯示于一體，構(gòu)成了一個(gè)方便的、界面友好的用戶環(huán)境。利用matlab軟件中的simulink功能可對(duì)自動(dòng)控制系統(tǒng)進(jìn)行仿真研究，它的仿真結(jié)果將會(huì)對(duì)自動(dòng)控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)、安裝調(diào)試和運(yùn)行維護(hù)有著重要的指導(dǎo)意義。在火電廠中，deh(汽輪機(jī)數(shù)字電液控制系統(tǒng))是汽輪機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)的神經(jīng)中樞，該系統(tǒng)性能只能通過(guò)動(dòng)態(tài)過(guò)程才能反映出來(lái)。為此，利用matlab仿真工具和vb開(kāi)發(fā)界面，建立deh仿真平臺(tái)，在不干擾生產(chǎn)的情況下，對(duì)deh系統(tǒng)動(dòng)態(tài)過(guò)程進(jìn)行分析研究，從而避免了對(duì)系統(tǒng)參數(shù)調(diào)整的盲目性，使deh系統(tǒng)各部分的動(dòng)態(tài)過(guò)程完整地呈現(xiàn)出來(lái)。這對(duì)deh系統(tǒng)優(yōu)化運(yùn)行中參數(shù)的

52、整定、修改起到了預(yù)測(cè)和指導(dǎo)作用。實(shí)踐證明，利用matlab對(duì)自動(dòng)控制系統(tǒng)進(jìn)行仿真，具有安全、可靠、節(jié)省人力、物力和財(cái)力等優(yōu)點(diǎn)，它為加快大型火電機(jī)組熱工自動(dòng)控制系統(tǒng)的調(diào)試速度，提高火電廠熱工自動(dòng)控制系統(tǒng)的投入率，又提供了一個(gè)新的方法和手段。4.2 控制系統(tǒng)的性能分析頻域特性分析法是經(jīng)典控制理論中一種主要的分析方法。它是通過(guò)研究對(duì)系統(tǒng)正弦輸入信號(hào)下的穩(wěn)態(tài)和動(dòng)態(tài)響應(yīng)特性來(lái)分析系統(tǒng)的。頻域分析法是自動(dòng)控制中應(yīng)用的又一種數(shù)學(xué)模型頻域特性來(lái)研究系統(tǒng)控制過(guò)程性能（穩(wěn)定性、快速性及穩(wěn)態(tài)精度）的方法。這種方法不必直接求解系統(tǒng)的微分方程，而是間接的運(yùn)用系統(tǒng)的開(kāi)環(huán)頻率特性曲線，分析閉環(huán)系統(tǒng)的響應(yīng)。它是一種圖解的方法。頻域分析里主要用到三種曲線：bode圖，nyquist曲線，nichol