冶金過程控制基礎(chǔ)及應(yīng)用第二章

第二章

過程裝備控制基礎(chǔ)內(nèi)容簡單過程控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)。工業(yè)常用復(fù)雜控制系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)、特點(diǎn)及應(yīng)用。它們中的多數(shù)系統(tǒng)仍只有一個(gè)(或一個(gè)主要的)被控變量，仍參照簡單控制系統(tǒng)的基本原理來分析和設(shè)計(jì)，仍是經(jīng)典控制理論發(fā)展的產(chǎn)物。第二章

過程裝備控制基礎(chǔ)設(shè)計(jì)一個(gè)控制系統(tǒng)步驟：對(duì)被控對(duì)象作全面了解。解決控制方案和調(diào)節(jié)器參數(shù)的整定。系統(tǒng)投運(yùn)。設(shè)計(jì)一個(gè)控制系統(tǒng)

第二章

過程裝備控制基礎(chǔ)第一節(jié)被控對(duì)象的特性

控制系統(tǒng)控制質(zhì)量的優(yōu)劣——過程控制中最重要的問題，取決于自動(dòng)控制系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)及其各個(gè)環(huán)節(jié)的特性。被控對(duì)象的特性——由生產(chǎn)工藝過程和工藝設(shè)備決定，在控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)中無法改變。只有深刻了解被控對(duì)象的特性，才能得到良好的控制質(zhì)量。第二章

過程裝備控制基礎(chǔ)第一節(jié)被控對(duì)象的特性

概念1：被控對(duì)象的特性：是指當(dāng)被控對(duì)象的輸入變量發(fā)生變化時(shí)，其輸出變量隨時(shí)間的變化規(guī)律(包括變化的大小、速度等)。通常所講的對(duì)象特性是指控制通道的對(duì)象特性。對(duì)一個(gè)被控對(duì)象來說，其輸出變量就是控制系統(tǒng)的被控變量，而其輸入變量則是控制系統(tǒng)的操縱變量和干擾作用。第二章

過程裝備控制基礎(chǔ)第一節(jié)被控對(duì)象的特性

概念2：通道：被控對(duì)象輸入變量與輸出變量之間的聯(lián)系。概念3：控制通道：操縱變量與被控變量之間的聯(lián)系。第二章

過程裝備控制基礎(chǔ)第一節(jié)被控對(duì)象的特性

概念4：干擾通道：干擾作用與被控變量之間的聯(lián)系。第二章

過程裝備控制基礎(chǔ)2.1.1被控對(duì)象的數(shù)學(xué)描述：以工業(yè)過程中最簡單的水槽液位對(duì)象為例分析推導(dǎo)。在連續(xù)生產(chǎn)過程中，最基本的關(guān)系是物料平衡和能量平衡。第二章

過程裝備控制基礎(chǔ)第一節(jié)被控對(duì)象的特性

在靜態(tài)條件下，單位時(shí)間流入對(duì)象的物料(或能量)等于從系統(tǒng)中流出的物料(或能量)；在動(dòng)態(tài)條件下，單位時(shí)間流入對(duì)象的物料(或能量)與單位時(shí)間從系統(tǒng)中流出的物料(或能量)之差等于系統(tǒng)內(nèi)物料(或能量)貯存量的變化率。被控對(duì)象的數(shù)學(xué)描述就是由這兩種關(guān)系推導(dǎo)出來的微分方程式。第二章

過程裝備控制基礎(chǔ)第一節(jié)被控對(duì)象的特性

水槽液位對(duì)象：（1）單容液位對(duì)象有自衡特性的單容對(duì)象無自衡特性的單容對(duì)象（2）雙容液位對(duì)象第二章

過程裝備控制基礎(chǔ)第一節(jié)被控對(duì)象的特性

有自衡特性的單容對(duì)象第二章

過程裝備控制基礎(chǔ)圖2-1有自衡單容液位對(duì)象H：液位，輸出變量qv1，qv2：體積流量Rs1，Rs2：閥門第一節(jié)被控對(duì)象的特性

顯然，在任何時(shí)刻水位的變化均滿足下面的物料平衡關(guān)系：（2-1）

V－水槽內(nèi)液體的貯存量(液體體積)；

t－時(shí)間；

dV/dt－貯存量的變化率。第二章

過程裝備控制基礎(chǔ)第一節(jié)被控對(duì)象的特性

設(shè)水槽的橫截面積為A，是一個(gè)常數(shù)，則因?yàn)椋?-2）所以（2-3）第二章

過程裝備控制基礎(chǔ)第一節(jié)被控對(duì)象的特性

靜態(tài)情況時(shí)：

dV/dt=0qv1=qv2qv1變化液位H變化水槽出口處靜壓液變化qv2變化。第二章

過程裝備控制基礎(chǔ)第一節(jié)被控對(duì)象的特性

假設(shè)qv1變化量很小，可近似認(rèn)為流出量取qv2與液位H成正比關(guān)系，與出水閥的水阻Rs成反比關(guān)系，即(2-4)

第二章

過程裝備控制基礎(chǔ)第一節(jié)被控對(duì)象的特性

在討論被控對(duì)象的特性時(shí)，所研究的是未受任何人為控制的被控對(duì)象，因而出水閥的開度不變，阻力Rs為常數(shù)。第二章

過程裝備控制基礎(chǔ)第一節(jié)被控對(duì)象的特性

將式(2-2)和式(2-3)代入式(2-1)，整理得(2-5)

令T=ARs，K=Rs，代入(2-5)，得(2-6)第二章

過程裝備控制基礎(chǔ)第一節(jié)被控對(duì)象的特性

式(2-6)是用來描述單容水槽被控對(duì)象的微分方程式，它是一個(gè)一階常系數(shù)微分方程式。因此，通常將這樣的被控對(duì)象叫做一階被控對(duì)象。式(2-6)中的T稱為時(shí)間常數(shù)，K稱為被控對(duì)象的放大系數(shù)，它們反映了被控對(duì)象的特性(將在下一節(jié)中詳述)。第二章

過程裝備控制基礎(chǔ)第一節(jié)被控對(duì)象的特性

圖2-l所示的水槽液位被控對(duì)象,在初始平衡狀態(tài)時(shí)，流入水槽的流量qv1等于流出水槽的流量qv2，因此，液位穩(wěn)定在某一數(shù)值H0上，處于平衡狀態(tài)。在t0時(shí)刻，若流人量qv1突然有一階躍變化量qv1，則可由式(2-5)求出相應(yīng)的液體變化量第二章

過程裝備控制基礎(chǔ)第一節(jié)被控對(duì)象的特性

(2-7)

根據(jù)式(2-7)畫出圖2-l水槽液位被控對(duì)象在階躍輸入作用下的特性曲線如圖2-2所示。第二章

過程裝備控制基礎(chǔ)第一節(jié)被控對(duì)象的特性

圖2-2單容自衡特性曲線第二章

過程裝備控制基礎(chǔ)第一節(jié)被控對(duì)象的特性

從圖(2-2)曲線可以看出，在初始階段，由于qv1突然增加而流出量qv2還沒有變化，因此液位H上升速度很快；隨著液位的上升，水槽出口處的靜壓增大，因此qv2隨之增加，qv1與qv2之間的差值就越來越小，液位H的上升速度就越來越慢。第二章

過程裝備控制基礎(chǔ)第一節(jié)被控對(duì)象的特性

(2-8)K為常數(shù)，若qv1為常數(shù)，液位又重新回到平衡狀態(tài)，此時(shí)qv1=qv2

這就是被控對(duì)象的自衡特性。第二章

過程裝備控制基礎(chǔ)第一節(jié)被控對(duì)象的特性

由式(2-7)和圖2-2可以看出，當(dāng)t時(shí)定義：被控對(duì)象的自衡特性輸入變量發(fā)生變化破壞了被控對(duì)象的平衡而引起輸出變量變化時(shí)，在沒有人為干預(yù)的情況下，被控對(duì)象自身能重新恢復(fù)平衡的特性。第二章

過程裝備控制基礎(chǔ)第一節(jié)被控對(duì)象的特性

自衡持性有利于控制，在某些情況下，使用簡單的控制系統(tǒng)就能得到良好的控制質(zhì)量，甚至有時(shí)可以不用設(shè)置控制系統(tǒng)。第二章

過程裝備控制基礎(chǔ)第一節(jié)被控對(duì)象的特性

無自衡特性的單容對(duì)象第二章

過程裝備控制基礎(chǔ)圖2-3無自衡單容液位對(duì)象第一節(jié)被控對(duì)象的特性

在此類被控對(duì)象中，泵的出口流量qv2不隨液位變化而變化，因此對(duì)象的動(dòng)態(tài)方程記為(2-9)第二章

過程裝備控制基礎(chǔ)第一節(jié)被控對(duì)象的特性

在t0時(shí)刻之前，被控對(duì)象處于平衡狀態(tài)，qv1=qv2。假定在t0時(shí)刻，水槽的流入量突然有一個(gè)階躍變化qv1，由式(2-9)可得(2-10)第二章

過程裝備控制基礎(chǔ)第一節(jié)被控對(duì)象的特性

其特性曲線如圖2-4所示。圖2-4無自衡特性曲線第二章

過程裝備控制基礎(chǔ)第一節(jié)被控對(duì)象的特性

由于水槽的流出量不變，所以當(dāng)流入量突然增加qv1時(shí)，液位H將隨時(shí)間t的推移恒速上升，不會(huì)重新穩(wěn)定下來，直至水槽頂部溢出，這就是無自衡特性。第二章

過程裝備控制基礎(chǔ)第一節(jié)被控對(duì)象的特性

無自衡特性的被控對(duì)象在受到擾動(dòng)作用后不能重新恢復(fù)平衡，因此控制要求較高。對(duì)這類被控對(duì)象除必須施加控制外，還常常設(shè)有自動(dòng)報(bào)警系統(tǒng)。第二章

過程裝備控制基礎(chǔ)第一節(jié)被控對(duì)象的特性

雙容液位對(duì)象第二章

過程裝備控制基礎(chǔ)圖2-5雙容液位對(duì)象（雙容水槽）第一節(jié)被控對(duì)象的特性

它有兩個(gè)串聯(lián)在一起的水槽，它們之間的連通管具有阻力，因此兩者的液位是不同的。來水qvl首先進(jìn)入水槽1，然后再通過水槽2流出。水流入量qv1由閥1控制，流出量qv決定于閥2的開度(根據(jù)用戶的需要改變)，被控變量是水槽2的液位h2。下面分析h2在閥l開度擾動(dòng)下的動(dòng)態(tài)特性。第二章

過程裝備控制基礎(chǔ)第一節(jié)被控對(duì)象的特性

根據(jù)物料平衡方程可以寫出兩個(gè)關(guān)系式。水槽1的動(dòng)態(tài)平衡關(guān)系為：(2-11)

水槽2的動(dòng)態(tài)平衡關(guān)系為：(2-12)第二章

過程裝備控制基礎(chǔ)第一節(jié)

被控對(duì)象的特性

式(2-11)與式(2-12)相加得(2-13)

第二章

過程裝備控制基礎(chǔ)第一節(jié)被控對(duì)象的特性

同理，在qv2、qv3變化量極小時(shí)，水流出量與液位的關(guān)系近似為(2-14)(2-15)第二章

過程裝備控制基礎(chǔ)第一節(jié)被控對(duì)象的特性

將式(2-14)和式(2-15)代入式(2-12)并求微分后，經(jīng)整理得(2-16)

第二章

過程裝備控制基礎(chǔ)第一節(jié)

被控對(duì)象的特性

再將式(2-15)和式(2-16)代入式(2-13)，經(jīng)整理得(2-17)A1、A2－分別為水槽1、2的橫截面積；

Rs1、Rs2－分別為水槽1、2的出水閥阻力系數(shù)。第二章

過程裝備控制基礎(chǔ)第一節(jié)

被控對(duì)象的特性

令則(2-18)第二章

過程裝備控制基礎(chǔ)第一節(jié)

被控對(duì)象的特性

式(2-18)就是描述圖2-5所示雙容水槽被控對(duì)象的二階微分方程式。通常，這樣的被控對(duì)象叫做二階被控對(duì)象。式中的Tl為水槽1的時(shí)間常數(shù)，T2為水槽2的時(shí)間常數(shù)，K為被控對(duì)象的放大倍數(shù)。圖2-6顯示了雙容水槽在階躍輸入作用下的響應(yīng)曲線。第二章

過程裝備控制基礎(chǔ)第一節(jié)

被控對(duì)象的特性

圖2-6二階對(duì)象特性曲線第二章

過程裝備控制基礎(chǔ)第一節(jié)被控對(duì)象的特性

以上是液位被控對(duì)象的數(shù)學(xué)描述形式的推導(dǎo)，即數(shù)學(xué)模型的建立。對(duì)于其他類型比較簡單的被控對(duì)象，如壓力罐的壓力被控對(duì)象、熱交換器的溫度被控對(duì)象等等，都可用該方法建立其數(shù)學(xué)模型。對(duì)于復(fù)雜的被控對(duì)象，直第二章

過程裝備控制基礎(chǔ)第一節(jié)被控對(duì)象的特性

接用數(shù)學(xué)方法建立模型比較因難。數(shù)學(xué)模型除了用方程式表示外，還可以用圖形、表格等形式來表示。第二章

過程裝備控制基礎(chǔ)第一節(jié)被控對(duì)象的特性

不同反應(yīng)溫度下物相混合情況時(shí)間（s）30105090130200400600

由于其表觀活化能為11.84kJ/mol，表觀反應(yīng)級(jí)數(shù)0.92133。lgk與1000/T關(guān)系圖反應(yīng)速率常數(shù)與各因素的關(guān)系：釩渣粒度反應(yīng)溫度攪拌轉(zhuǎn)速氧氣分壓2.1.2被控對(duì)象的特性參數(shù)：描述被控對(duì)象特性的參數(shù)有放大系數(shù)K、時(shí)間常數(shù)T、滯后時(shí)間。第二章

過程裝備控制基礎(chǔ)第一節(jié)被控對(duì)象的特性

放大系數(shù)式(2-6)以及式(2-18)中的K就是對(duì)象的放大系數(shù)，又稱靜態(tài)增益，是被控對(duì)象重新達(dá)到平衡狀態(tài)時(shí)的輸出變化量與輸入變化量之比。第二章

過程裝備控制基礎(chǔ)第一節(jié)被控對(duì)象的特性

如圖2-2所示，水槽液位在階躍干擾作用下產(chǎn)生變化，當(dāng)它重新達(dá)到平衡狀態(tài)時(shí)，液位H穩(wěn)定在一個(gè)新的數(shù)值上。此時(shí)，輸出變化量H與輸入變化量qv有式(2-8)所示的對(duì)應(yīng)關(guān)系。第二章

過程裝備控制基礎(chǔ)第一節(jié)被控對(duì)象的特性

由上述結(jié)果可歸納出有關(guān)放大系數(shù)的幾個(gè)一般性結(jié)論。放大系數(shù)K表達(dá)了被控對(duì)象在干擾作用下重新達(dá)到平衡狀態(tài)的性能，是不隨時(shí)間變化的參數(shù)。所以K是被控對(duì)象的靜態(tài)特性參數(shù)。第二章

過程裝備控制基礎(chǔ)第一節(jié)被控對(duì)象的特性

在相同的輸入變化量作用下，被控對(duì)象的K越大，輸出變化量就越大，即輸入對(duì)輸出的影響越大，被控對(duì)象的自身穩(wěn)定性越差；反之，K越小，被控對(duì)象的穩(wěn)定性越好。第二章

過程裝備控制基礎(chǔ)第一節(jié)

被控對(duì)象的特性

線性對(duì)象：K在任何輸入變化情況下都是常數(shù)的被控對(duì)象。非線性對(duì)象：輸入不同的變化量其放大系數(shù)不為常數(shù)的被控對(duì)象。非線性對(duì)象是比較難控制的。第二章

過程裝備控制基礎(chǔ)第一節(jié)被控對(duì)象的特性

處于不同通道的放大系數(shù)K對(duì)控制質(zhì)量的影響是不一樣的。對(duì)控制通道而言，如果K值大，則即使調(diào)節(jié)器的輸出變化不大，對(duì)被控變量的影響也會(huì)很大，控制很靈敏。對(duì)于這種對(duì)象其控制作用的變化應(yīng)相應(yīng)地和緩一些，否則被控變量波動(dòng)較大，不易穩(wěn)定。第二章

過程裝備控制基礎(chǔ)第一節(jié)被控對(duì)象的特性

反之，K小，會(huì)使被控變量變化遲緩。對(duì)干擾通道而言，如果K較小，即使干擾幅度很大，也不會(huì)對(duì)被控變量產(chǎn)生很大的影響。若K很大，則當(dāng)干擾幅度較大而又頻繁出現(xiàn)時(shí)，系統(tǒng)就很難穩(wěn)定，除非設(shè)法排除于擾或者采用較為復(fù)雜的控制系統(tǒng)，否則很難保證控制質(zhì)量。第二章

過程裝備控制基礎(chǔ)第一節(jié)被控對(duì)象的特性

時(shí)間常數(shù)式(2-6)以及式(2-18)中的T、T1、T2都叫做時(shí)間常數(shù)，它反映被控對(duì)象受到輸入作用后，輸出變量達(dá)到新穩(wěn)態(tài)值的快慢，它決定了整個(gè)動(dòng)態(tài)過程的長短。因此，它是被控對(duì)象的動(dòng)態(tài)特性參數(shù)。第二章

過程裝備控制基礎(chǔ)第一節(jié)被控對(duì)象的特性

圖2-7顯示了不同時(shí)間常數(shù)下單容對(duì)象的響應(yīng)曲線。隨著時(shí)間常數(shù)T的增加，輸出量到達(dá)新穩(wěn)態(tài)值的時(shí)間也變長。第二章

過程裝備控制基礎(chǔ)第一節(jié)被控對(duì)象的特性

處于不同通道的時(shí)間常數(shù)對(duì)控制系統(tǒng)的影響不一樣。

對(duì)于控制通道，若時(shí)間常數(shù)T大，則被控變量的變化較緩和，一般來講，這種對(duì)象比較穩(wěn)定，容易控制，但缺點(diǎn)是控制過于緩慢；若時(shí)間常數(shù)T小，則被控變量的變化速度快，不易控制。因此，時(shí)間常數(shù)太大或太小，對(duì)過程控制都不利。第二章

過程裝備控制基礎(chǔ)第一節(jié)被控對(duì)象的特性

而對(duì)于干擾通道，時(shí)間常數(shù)大則有明顯的好處，此時(shí)階躍干擾對(duì)系統(tǒng)的影響會(huì)變得比較緩和，被控變量的變化平穩(wěn)，對(duì)象容易控制。第二章

過程裝備控制基礎(chǔ)第一節(jié)被控對(duì)象的特性

滯后時(shí)間有不少化工對(duì)象，在受到輸入變量的作用后，其被控變量并不立即發(fā)生變化，而是過一段時(shí)間才發(fā)生變化，這種現(xiàn)象稱為滯后現(xiàn)象；滯后時(shí)間是描述對(duì)象滯后現(xiàn)象的動(dòng)態(tài)參數(shù)。第二章

過程裝備控制基礎(chǔ)第一節(jié)被控對(duì)象的特性

根據(jù)滯后性質(zhì)的不同，滯后時(shí)間可分為兩種：

1)傳遞滯后

2)容量滯后第二章

過程裝備控制基礎(chǔ)第一節(jié)被控對(duì)象的特性

1)

傳遞滯后0

又叫純滯后，是由于信號(hào)的傳輸、介質(zhì)的輸送或熱的傳遞要經(jīng)過一段時(shí)間而產(chǎn)生的，常用0來表示。如圖2-8(a)所示的溶解槽。第二章

過程裝備控制基礎(chǔ)第一節(jié)被控對(duì)象的特性

圖2-8(a)溶解槽第二章

過程裝備控制基礎(chǔ)第一節(jié)被控對(duì)象的特性

圖2-8(a)中，料斗中的固體用皮帶輸送機(jī)送至溶解槽。在料斗加大送料量后(即階躍輸入)，固體溶質(zhì)需等輸送機(jī)將其送到加料口并落入槽中后，才會(huì)影響溶解槽內(nèi)溶液的濃度。若以料斗的加料量作為對(duì)象的輸入，以溶液濃度作為對(duì)象的輸出，則其響應(yīng)曲線如圖2-8(b)。第二章

過程裝備控制基礎(chǔ)第一節(jié)被控對(duì)象的特性

圖2-8(b)溶解槽的階躍響應(yīng)曲線第二章

過程裝備控制基礎(chǔ)第一節(jié)被控對(duì)象的特性

顯然純滯后0與皮帶輸送機(jī)傳送速度u和傳遞距離L有如下關(guān)系(2-19)第二章

過程裝備控制基礎(chǔ)第一節(jié)被控對(duì)象的特性

2)容量滯后c

一般是由于物料或能量的傳遞過程中受到一定的阻力而引起的，或者說是由于容量數(shù)目多而產(chǎn)生的。一般用容量滯后時(shí)間c來表征其滯后的程度，其主要特征是當(dāng)輸入階躍作用后，被控對(duì)象的輸出變量開始變化很慢，然后逐漸加快，接著又變慢，直至逐漸接近穩(wěn)定值。第二章

過程裝備控制基礎(chǔ)第一節(jié)

被控對(duì)象的特性

如圖2-5所示的雙容液位對(duì)象，從其響應(yīng)曲線圖2-6可以看出上述變化趨勢(shì)。容量滯后時(shí)間c就是在響應(yīng)曲線的拐點(diǎn)處作切線，切線與時(shí)間軸的交點(diǎn)與被控變量開始變化的起點(diǎn)之間的時(shí)間間隔就是容量滯后時(shí)間c

。第二章

過程裝備控制基礎(chǔ)第一節(jié)被控對(duì)象的特性

從原理上講，傳遞滯后和容量滯后的本質(zhì)是不向的，但實(shí)際上很難嚴(yán)格區(qū)分。當(dāng)兩者同時(shí)存在時(shí)，通常把這兩種滯后時(shí)間加在一起，統(tǒng)稱為滯后時(shí)間，用來表示，即=0

+

c

第二章

過程裝備控制基礎(chǔ)第一節(jié)被控對(duì)象的特性

在控制系統(tǒng)中，滯后的影響與其所在的通道有關(guān)。對(duì)控制通道來講，滯后的存在不利于控制。例如，調(diào)節(jié)間距對(duì)象較遠(yuǎn)，控制作用的效果要隔一段時(shí)間才能顯現(xiàn)出來，這將使控制不夠及時(shí)，在干擾出現(xiàn)后不能迅速調(diào)節(jié)，嚴(yán)重影響控制質(zhì)量；第二章

過程裝備控制基礎(chǔ)第一節(jié)被控對(duì)象的特性

對(duì)于干擾通道，純滯后只是推遲了干擾作用的時(shí)間，因此對(duì)控制質(zhì)量沒有影響；而容量滯后則可以緩和干擾對(duì)被控變量的影響，因而對(duì)控制系統(tǒng)是有利的。第二章

過程裝備控制基礎(chǔ)第一節(jié)被控對(duì)象的特性

2.1.3對(duì)象特性的實(shí)驗(yàn)測定：對(duì)象特性的求取方法通常有兩種：

1)數(shù)學(xué)方法

2)實(shí)驗(yàn)測定法第二章

過程裝備控制基礎(chǔ)第一節(jié)

被控對(duì)象的特性

數(shù)學(xué)方法：從工藝過程的變化機(jī)理出發(fā)，寫出各種有關(guān)的平衡方程(如物料平衡方程、能量平衡方程等)，進(jìn)而推導(dǎo)出被控對(duì)象的數(shù)學(xué)模型，得出其特性參數(shù)，再結(jié)合實(shí)際進(jìn)行理論分析。第二章

過程裝備控制基礎(chǔ)第一節(jié)被控對(duì)象的特性

實(shí)驗(yàn)測定法：是通過對(duì)被控對(duì)象的實(shí)驗(yàn)測試求出其特性參數(shù)。在工程上常常用實(shí)驗(yàn)方法測定對(duì)象的動(dòng)態(tài)特性，原因有三：第二章

過程裝備控制基礎(chǔ)第一節(jié)被控對(duì)象的特性

①對(duì)象的動(dòng)態(tài)特性雖可運(yùn)用流動(dòng)、蒸發(fā)、化學(xué)反應(yīng)、傳熱、吸收等物理化學(xué)基礎(chǔ)理論來推導(dǎo)求解，但由于具體對(duì)象的物理化學(xué)過程是復(fù)雜的，在數(shù)學(xué)推導(dǎo)過程中必須作許多假設(shè)和簡化，推導(dǎo)的結(jié)果尚需實(shí)驗(yàn)測試來驗(yàn)證；第二章

過程裝備控制基礎(chǔ)第一節(jié)被控對(duì)象的特性

②實(shí)際工業(yè)對(duì)象的機(jī)理很復(fù)雜，有時(shí)甚至很難用數(shù)學(xué)方法推導(dǎo)，這時(shí)只能用實(shí)驗(yàn)方法來測定；第二章

過程裝備控制基礎(chǔ)第一節(jié)被控對(duì)象的特性

③有許多被控對(duì)象的特性在運(yùn)行過程中會(huì)隨工況變化而改變，或隨其他因素而改變，為了提高控制系統(tǒng)的品質(zhì)，有時(shí)需要采用自整定控制或自適應(yīng)控制，這種系統(tǒng)就非得在運(yùn)行過程中用實(shí)驗(yàn)方法測定對(duì)象的動(dòng)態(tài)特性不可。第二章

過程裝備控制基礎(chǔ)第一節(jié)

被控對(duì)象的特性

被控對(duì)象的實(shí)驗(yàn)測定法，就是給所要研究的對(duì)象人為地輸入一個(gè)擾動(dòng)信號(hào)，然后測取被控對(duì)象輸出變量隨時(shí)間的變化規(guī)律，得出一系列的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)或曲線，這些數(shù)據(jù)和曲線就表征了一定的被控對(duì)象特性。第二章

過程裝備控制基礎(chǔ)第一節(jié)被控對(duì)象的特性

被控對(duì)象的實(shí)驗(yàn)測定方法有多種，它們主要區(qū)別于所加入的輸入變量的信號(hào)形式。下面介紹兩種常用的方法。

1)響應(yīng)曲線法

2)脈沖響應(yīng)法第二章

過程裝備控制基礎(chǔ)第一節(jié)

被控對(duì)象的特性

響應(yīng)曲線法：是用實(shí)驗(yàn)的方法測定對(duì)象在階躍輸入作用下，其輸出量隨時(shí)間的變化規(guī)律。例如要測定圖2-l所示的單容水槽液位對(duì)象的動(dòng)態(tài)特性，具體做法是：假定在時(shí)間t=t0前，對(duì)象處于穩(wěn)定狀態(tài)，流入水槽第二章

過程裝備控制基礎(chǔ)第一節(jié)被控對(duì)象的特性

的流量等于流出水槽的流量，即qv1=qv2=qv0，液位H保持不變；在t0時(shí)刻，突然開大進(jìn)水聞l，使對(duì)象的輸入量qv1增加qv1并一直保持不變，即加入一階躍輸入；測出對(duì)象輸出量H從t0時(shí)刻起隨時(shí)間t的變化規(guī)律，就得到水槽液位對(duì)象的特性曲線，如圖2-9所示。第二章

過程裝備控制基礎(chǔ)第一節(jié)被控對(duì)象的特性

圖2-9響應(yīng)曲線法第二章

過程裝備控制基礎(chǔ)第一節(jié)被控對(duì)象的特性

將測得的反應(yīng)曲線轉(zhuǎn)化成近似的數(shù)學(xué)表達(dá)式有三個(gè)步驟。

①求純滯后時(shí)間：從t0時(shí)刻起到輸出開始變化的這段時(shí)間，即輸入變化而輸出不發(fā)生變化的這段時(shí)間為純滯后時(shí)間。第二章

過程裝備控制基礎(chǔ)第一節(jié)被控對(duì)象的特性

②求靜態(tài)放大倍數(shù)：(2-20)第二章

過程裝備控制基礎(chǔ)第一節(jié)

被控對(duì)象的特性

③求時(shí)間常數(shù)T：在反應(yīng)曲線上找到輸出量變化至終值63.2％時(shí)的坐標(biāo)點(diǎn)，它所對(duì)應(yīng)的時(shí)刻與輸出量開始變化時(shí)的時(shí)刻之差就是時(shí)間常數(shù)T。第二章

過程裝備控制基礎(chǔ)第一節(jié)被控對(duì)象的特性

響應(yīng)曲線法是一種比較簡單的對(duì)象特性實(shí)驗(yàn)測定方法，但由于實(shí)際生產(chǎn)過程中的干擾因素較多，而且一般不允許輸入量變化太大，通常為額定值的5％-10％，因此這種方法的精度較差。第二章

過程裝備控制基礎(chǔ)第一節(jié)被控對(duì)象的特性

脈沖響應(yīng)法：是用實(shí)驗(yàn)的方法測取對(duì)象在矩形脈沖輸入信號(hào)作用下，其輸出量隨時(shí)間的變化規(guī)律。當(dāng)對(duì)象處于穩(wěn)定工況下，在時(shí)刻t0突然加入一階躍輸入量，作用一段時(shí)間后，在t1時(shí)刻再突然撤除該階躍信號(hào)，測第二章

過程裝備控制基礎(chǔ)第一節(jié)被控對(duì)象的特性

出輸出量從t0時(shí)刻起隨時(shí)間的變化規(guī)律，如圖2-10所示。第二章

過程裝備控制基礎(chǔ)圖2-10脈沖響應(yīng)法第一節(jié)被控對(duì)象的特性

矩形脈沖響應(yīng)曲線與階躍響應(yīng)曲線有著密切的關(guān)系?？梢詫⒕匦蚊}沖看作是t0時(shí)刻的正向階躍信號(hào)x0與t1時(shí)刻的反向階躍信號(hào)-x0的組合信號(hào)，那么其響應(yīng)曲線也就是這兩條階躍響應(yīng)曲線的合成曲線，即第二章

過程裝備控制基礎(chǔ)第一節(jié)被控對(duì)象的特性

y(t)=yl(t)-yl(t-t)，其中t=t1-t0。根據(jù)這個(gè)關(guān)系，可以很容易地得到完整的脈沖響應(yīng)曲線，從而求得對(duì)象的特性參數(shù)。第二章

過程裝備控制基礎(chǔ)第一節(jié)被控對(duì)象的特性

用矩形脈沖干擾來測取對(duì)象特性時(shí)，由于加在對(duì)象上的干擾經(jīng)過一段時(shí)間即被除去，因此干擾的幅度可取的較大，以提高實(shí)驗(yàn)的精度；同時(shí)，對(duì)象輸出量又不至于長時(shí)間地偏離給定值，因而對(duì)正常生產(chǎn)影響較小。所以，這種方法是測定對(duì)象特性常用的方法之一。第二章

過程裝備控制基礎(chǔ)第一節(jié)被控對(duì)象的特性

除上述方法外，還可采用不同頻率的正弦波和矩形波信號(hào)作為對(duì)象的輸人信號(hào)來測取對(duì)象的動(dòng)態(tài)特性，即頻域方法；或直接利用對(duì)象正常運(yùn)行狀態(tài)下的數(shù)據(jù)或?qū)ο笤谔厥庑盘?hào)(如偽隨機(jī)倍導(dǎo))作用下的響應(yīng)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析統(tǒng)計(jì)獲得對(duì)象的動(dòng)態(tài)特性，即統(tǒng)計(jì)方法。第二章

過程裝備控制基礎(chǔ)第一節(jié)被控對(duì)象的特性

單回路控制系統(tǒng)：又稱簡單控制系統(tǒng)，是指由一個(gè)被控對(duì)象、一個(gè)檢測元件及變送器、一個(gè)調(diào)節(jié)器和一個(gè)執(zhí)行器所構(gòu)成的閉合系統(tǒng)，其方框圖如圖1-2所示。第二節(jié)

單回路控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)第二章

過程裝備控制基礎(chǔ)簡單回路控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡單、易于分析設(shè)計(jì)，投資少、便于施工，并能滿足一般生產(chǎn)過程的控制要求，因此，在生產(chǎn)過程中得到廣泛應(yīng)用。第二節(jié)

單回路控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)第二章

過程裝備控制基礎(chǔ)2.1.1單回路控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)首先應(yīng)對(duì)被控對(duì)象做全面的了解，包括其動(dòng)靜態(tài)特性；對(duì)工藝過程、設(shè)備等進(jìn)行深入了解；第二章

過程裝備控制基礎(chǔ)第二節(jié)

單回路控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)確定正確的控制方案，包括合理地選擇被控變量與操縱變量，選擇合適的檢測變送元件及檢測位置，選用恰當(dāng)?shù)膱?zhí)行器、調(diào)節(jié)器以及調(diào)節(jié)器控制規(guī)律等；將調(diào)節(jié)器的參數(shù)整定到最佳值。第二章

過程裝備控制基礎(chǔ)第二節(jié)

單回路控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)(1)被控變量的選擇被控變量是生產(chǎn)過程中希望保持在定值的過程參數(shù)。影響一個(gè)生產(chǎn)過程正常操作的因素很多，但并非所有的影響因素都要進(jìn)行控制，而且也不可能都加以控制。第二章

過程裝備控制基礎(chǔ)第二節(jié)

單回路控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)作為被控變量，它應(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。因此，需要在了解工藝過程、控制要求的基礎(chǔ)上，分析各變量間的關(guān)系，合理選擇被控變量。第二章

過程裝備控制基礎(chǔ)第二節(jié)

單回路控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)選擇被控變量的基本原則：作為被控變量，其信號(hào)最好能夠直接測量獲得，并且測量和變送環(huán)節(jié)的滯后也要比較小。若被控變量信號(hào)無法直接獲取，可選擇與之有單值函數(shù)關(guān)系的間接參數(shù)作為被控變量。第二章

過程裝備控制基礎(chǔ)第二節(jié)

單回路控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)作為被控變量，必須是獨(dú)立變量。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。作為被控變量，必須考慮工藝合理性，以及目前儀表的現(xiàn)狀能否滿足要求。第二章

過程裝備控制基礎(chǔ)第二節(jié)

單回路控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)綜上所述，合理選擇被控變量是單回路控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)的第一步，同時(shí)也是關(guān)系到控制方案成敗的關(guān)鍵。如果被控變量選擇不當(dāng)，則不管組成什么形式的控制系統(tǒng)，也不管配備多么精良的自動(dòng)化設(shè)備，都不能達(dá)到預(yù)期的控制效果。第二章

過程裝備控制基礎(chǔ)第二節(jié)

單回路控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

(2)操縱變量的選擇在控制系統(tǒng)中，用來克服干擾對(duì)被控變量的影響，控制作用的變量就是操縱變量。在化工和煉油生產(chǎn)過程中，最常見的操縱變量是流量，也有電壓、轉(zhuǎn)速等。第二章

過程裝備控制基礎(chǔ)第二節(jié)

單回路控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)如圖2-11所示的換熱器，已知被控變量是被加熱介質(zhì)的溫度，那么，是選擇載熱體流量作為操縱變量，還是選擇被加熱介質(zhì)的流量作為操縱變量呢？這主要應(yīng)從工藝合理性以及被控對(duì)象的特性方面考慮。第二章

過程裝備控制基礎(chǔ)第二節(jié)

單回路控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)圖2-11換熱器示意圖第二章

過程裝備控制基礎(chǔ)第二節(jié)

單回路控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)考慮工藝合理性：對(duì)于圖2-ll所示的換熱器，無論哪一個(gè)流量發(fā)生變化，都會(huì)使被控變量(溫度)發(fā)生變化。從工藝合理性考慮，應(yīng)選擇載熱體流量作為操縱變量。第二章

過程裝備控制基礎(chǔ)第二節(jié)

單回路控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)因?yàn)?，被加熱介質(zhì)一般為生產(chǎn)過程中需要使用的物料，用它的變化來克服干擾因素的影響，達(dá)到溫度控制的目的，勢(shì)必會(huì)影響生產(chǎn)工藝過程中的負(fù)荷，甚至影響正常的生產(chǎn)。而載熱體是用來加熱介質(zhì)的，它不直接影響生產(chǎn)所需物料量。第二章

過程裝備控制基礎(chǔ)第二節(jié)

單回路控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)圖2-12所示為某物料濃度的控制系統(tǒng)。應(yīng)選擇稀釋水流量作為操縱變量，而應(yīng)盡量避免選用主物料流量作為操縱變量。第二章

過程裝備控制基礎(chǔ)第二節(jié)

單回路控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)圖2-12濃度控制系統(tǒng)第二章

過程裝備控制基礎(chǔ)第二節(jié)

單回路控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)考慮被控對(duì)象特性：操縱變量選擇的一般原則為：(1)

使被控對(duì)象控制通道的放大系數(shù)較大，時(shí)間常數(shù)較小，純滯后時(shí)間越小越好；(2)

使被控對(duì)象干擾通道的放大系數(shù)盡可能小，時(shí)間常數(shù)越大越好。第二章

過程裝備控制基礎(chǔ)第二節(jié)

單回路控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)2-13煉油和化工生產(chǎn)中最常見的精餾過程示意圖第二章

過程裝備控制基礎(chǔ)第二節(jié)

單回路控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)根據(jù)工藝需要，選擇提餾段某板(一般為溫度變化最靈敏的板——靈敏板)的溫度作為被控變量，那么，控制系統(tǒng)的任務(wù)就是維持靈敏板溫度的恒定，使塔底產(chǎn)品的成分滿足工藝要求。第二章

過程裝備控制基礎(chǔ)第二節(jié)

單回路控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)在這個(gè)過程中，影響提餾段靈敏板溫度的因素有：進(jìn)料流量qv、進(jìn)料成分X、進(jìn)料溫度T、回流流量qv、回流溫度T、加熱蒸汽流量qv、冷凝器冷卻溫度以及塔壓p等等。從工藝角度分析可以知道，除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。第二章

過程裝備控制基礎(chǔ)第二節(jié)

單回路控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)根據(jù)對(duì)象特性對(duì)控制質(zhì)量的影響，在回流量與加熱蒸汽量兩者之間，選擇加熱蒸汽量作為操縱變量更為恰當(dāng)。因?yàn)榛亓髁颗c提餾段溫度之間的控制通道時(shí)間常數(shù)太大，而加熱蒸汽且與提餾段溫度之間的控制通道時(shí)間常數(shù)小，滯后小，這樣構(gòu)成的控制系統(tǒng)克服干擾能力強(qiáng)，可以獲得良好的控制質(zhì)量。第二章

過程裝備控制基礎(chǔ)第二節(jié)

單回路控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

(3)檢測變送環(huán)節(jié)的影響檢測變送環(huán)節(jié)在控制系統(tǒng)中起著獲取信息和傳送信息的作用。一個(gè)控制系統(tǒng)如不能正確及時(shí)地獲取被控變量變化的信息，并把這一信息及時(shí)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，甚至?xí)a(chǎn)生誤調(diào)、失調(diào)等危及生產(chǎn)安全的問題。第二章

過程裝備控制基礎(chǔ)第二節(jié)

單回路控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)純滯后在過程控制中，由于檢測元件安裝位置的不適當(dāng)將會(huì)產(chǎn)生純滯后。如圖2-14所示為一pH控制系統(tǒng)，由于檢測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的測量引入純滯后0。第二章

過程裝備控制基礎(chǔ)第二節(jié)

單回路控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)圖2-14pH控制系統(tǒng)第二章

過程裝備控制基礎(chǔ)第二節(jié)

單回路控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)(2-21)l1、l2——主管道、支管道的長度；u1、u2——主管道、支管道內(nèi)流體的速度。第二章

過程裝備控制基礎(chǔ)第二節(jié)

單回路控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)圖2-15蒸汽直接加熱系統(tǒng)第二章

過程裝備控制基礎(chǔ)第二節(jié)

單回路控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)圖2-15所示是一個(gè)用蒸汽來控制水溫的系統(tǒng)，蒸汽量的變化一定要經(jīng)過長度為L的路程以后才能反映出來，這是由于蒸汽作用點(diǎn)與被控變量的測量點(diǎn)間相隔一定距離所致。如果水的流速為V，則蒸汽量變化引起的溫度變化需經(jīng)過一段時(shí)間=L/V才表現(xiàn)出來，就是純滯后時(shí)間。第二章

過程裝備控制基礎(chǔ)第二節(jié)

單回路控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)純滯后使測量信號(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。由檢測元件安裝位置所引入的純滯后是不可避免的，因此，在設(shè)計(jì)控制系統(tǒng)時(shí)，只能盡可能地減小純滯后時(shí)間，唯第二章

過程裝備控制基礎(chǔ)第二節(jié)

單回路控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)一的方法就是正確選擇安裝檢測點(diǎn)位置，使檢測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)間太大時(shí)，就必須考慮使用復(fù)雜控制方案。第二章

過程裝備控制基礎(chǔ)第二節(jié)

單回路控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)測量滯后是指由測量元件本身特性所引起的動(dòng)態(tài)誤差。當(dāng)測量元件感受被控變量的變化時(shí)，要經(jīng)過一個(gè)變化過程，才能反映被控變量的實(shí)際值，這時(shí)測量元件本身就構(gòu)成了一個(gè)具有一定時(shí)間常數(shù)的慣性環(huán)節(jié)。第二章

過程裝備控制基礎(chǔ)第二節(jié)

單回路控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)例如，測溫元件測量溫度時(shí)，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，因而測溫元件的輸出總是滯后于被控變量的變化。如果把這種測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。第二章

過程裝備控制基礎(chǔ)第二節(jié)

單回路控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

克服測量滯后的方法，通常有兩種：

(1)

盡量選用快速測量元件，以測量元件的時(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；第二章

過程裝備控制基礎(chǔ)第二節(jié)

單回路控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

(2)

在測量元件之后引入微分作用。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，根據(jù)偏差的變化趨勢(shì)發(fā)出相應(yīng)的控制信號(hào)。采用這種超前補(bǔ)償作用來克服測量滯后，如果應(yīng)用適當(dāng)，可以大大改善控制質(zhì)量。第二章

過程裝備控制基礎(chǔ)第二節(jié)

單回路控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)傳遞滯后即信號(hào)傳輸滯后，主要是由于氣壓信號(hào)在管路傳送過程中引起的滯后(電信號(hào)的傳遞滯后可以忽略不計(jì))。第二章

過程裝備控制基礎(chǔ)第二節(jié)

單回路控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)在采用氣動(dòng)儀表實(shí)現(xiàn)集中控制的場合，調(diào)節(jié)器和顯示器均集中安裝在中心控制室，而檢測變送器和執(zhí)行器安裝在現(xiàn)場。在由測量變送器至調(diào)節(jié)器和由調(diào)節(jié)器至執(zhí)行器的信號(hào)傳遞中，由于管第二章

過程裝備控制基礎(chǔ)第二節(jié)

單回路控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)線過長就形成了傳遞滯后。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。第二章

過程裝備控制基礎(chǔ)第二節(jié)

單回路控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)傳遞滯后總是存在的，克服或減小信號(hào)傳遞滯后的方法有：

(1)盡量縮短氣壓信號(hào)管線的長度，一般不超過300m；第二章

過程裝備控制基礎(chǔ)第二節(jié)

單回路控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

(2)

改用電信號(hào)傳遞，即先用氣電轉(zhuǎn)換器把調(diào)節(jié)器輸出的氣壓信號(hào)變成電信號(hào)，送到現(xiàn)場后，再用電氣轉(zhuǎn)換器變換成氣壓信號(hào)送到執(zhí)行器上；第二章

過程裝備控制基礎(chǔ)第二節(jié)

單回路控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

(3)

在氣壓管線上加氣動(dòng)繼動(dòng)器，或在執(zhí)行器上加氣動(dòng)閥門定位器，以增大輸出功率，減少傳遞滯后的影響；第二章

過程裝備控制基礎(chǔ)第二節(jié)

單回路控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

(4)

如果變送器和調(diào)節(jié)器都是電動(dòng)的，而執(zhí)行器采用的是氣動(dòng)執(zhí)行器，則可將電氣轉(zhuǎn)換器靠近執(zhí)行器或采用電氣閥門定位器；

(5)

按實(shí)際情況采用基地式儀表，以消除信號(hào)傳遞上的滯后。第二章

過程裝備控制基礎(chǔ)第二節(jié)

單回路控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

(4)執(zhí)行器的影響執(zhí)行器是過程控制系統(tǒng)中的一個(gè)重要環(huán)節(jié)，其作用是接受調(diào)節(jié)器送來的控制信號(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。第二章

過程裝備控制基礎(chǔ)第二節(jié)

單回路控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)由于調(diào)節(jié)閥直接與介質(zhì)接觸，當(dāng)在高溫、高壓、深冷、強(qiáng)腐蝕、高粘度、易結(jié)晶、閃蒸、氣蝕等各種惡劣條件下工作時(shí)，其重要性更為突出。如果執(zhí)行器選擇不當(dāng)或維護(hù)不善，常常會(huì)使整個(gè)系統(tǒng)不能可靠工作，或嚴(yán)重影響控制系統(tǒng)的質(zhì)量。第二章

過程裝備控制基礎(chǔ)第二節(jié)

單回路控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)在設(shè)計(jì)控制系統(tǒng)時(shí)，

(1)

按照生產(chǎn)過程的特點(diǎn)、安全運(yùn)行和推動(dòng)力等來選用氣動(dòng)、電動(dòng)或液動(dòng)執(zhí)行器(化工過程控制中用得最多的是氣動(dòng)薄膜調(diào)節(jié)閥)；

(2)

根據(jù)被控變量的大小選擇調(diào)節(jié)閥的流通能力；第二章

過程裝備控制基礎(chǔ)第二節(jié)

單回路控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

(3)

從生產(chǎn)安全的角度選取調(diào)節(jié)閥的氣開或氣關(guān)形式；

(4)

從被控對(duì)象的特性、負(fù)荷的變化倩況等選擇調(diào)節(jié)閥的流量特性等(詳見第4章中的有關(guān)內(nèi)容)。第二章

過程裝備控制基礎(chǔ)第二節(jié)

單回路控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)從廣義對(duì)象的角度考慮，執(zhí)行器可以看作是被控對(duì)象的一部分，其動(dòng)態(tài)特性相當(dāng)于在被控對(duì)象中增加了一個(gè)容量滯后環(huán)節(jié)。當(dāng)執(zhí)行器的時(shí)間常數(shù)TV與被控對(duì)象的時(shí)間常數(shù)接近時(shí)，將會(huì)使廣義對(duì)象的容量滯后顯著增大，這對(duì)于控制是非常不利的。第二章

過程裝備控制基礎(chǔ)第二節(jié)

單回路控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)2.2.2調(diào)節(jié)器的調(diào)節(jié)規(guī)律調(diào)節(jié)器是控制系統(tǒng)的心臟。作用：將測量變送信號(hào)與給定值相比較產(chǎn)生偏差信號(hào)，然后按一定的運(yùn)算規(guī)律產(chǎn)生輸出信號(hào)，推動(dòng)執(zhí)行器，實(shí)現(xiàn)對(duì)生產(chǎn)過程的自動(dòng)控制。調(diào)節(jié)規(guī)律：指調(diào)節(jié)器的輸出信號(hào)隨輸入信號(hào)變化的規(guī)律。第二章

過程裝備控制基礎(chǔ)第二節(jié)

單回路控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)第二章

過程裝備控制基礎(chǔ)第二節(jié)

單回路控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)調(diào)節(jié)器基本的調(diào)節(jié)規(guī)律：（四種）位式（斷續(xù)調(diào)節(jié)）比例（連續(xù)調(diào)節(jié)）積分（連續(xù)調(diào)節(jié)）微分（連續(xù)調(diào)節(jié)）如何正確地選用適當(dāng)?shù)恼{(diào)節(jié)規(guī)律不同的調(diào)節(jié)規(guī)律適應(yīng)不同的生產(chǎn)要求，在了解常見的基本調(diào)節(jié)規(guī)律的持點(diǎn)及適用條件的基礎(chǔ)上，根據(jù)過渡過程的品質(zhì)指標(biāo)要求，結(jié)合被控對(duì)象的特性，才能正確地選用適當(dāng)?shù)恼{(diào)節(jié)規(guī)律。第二章

過程裝備控制基礎(chǔ)第二節(jié)

單回路控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)（1）位式調(diào)節(jié)規(guī)律雙位調(diào)節(jié)是位式調(diào)節(jié)規(guī)律中最簡單的形式。理想的雙位調(diào)節(jié)規(guī)律的數(shù)學(xué)表達(dá)式：第二章

過程裝備控制基礎(chǔ)第二節(jié)

單回路控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)相應(yīng)調(diào)節(jié)器的輸出特性曲線見下圖。第二章

過程裝備控制基礎(chǔ)第二節(jié)

單回路控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)雙位調(diào)節(jié)規(guī)律是一種典型的非線性調(diào)節(jié)規(guī)律，當(dāng)測量值大于或小于給定值時(shí)，調(diào)節(jié)器的輸出達(dá)到最大或最小兩個(gè)極限位置。與調(diào)節(jié)器相連的執(zhí)行器相應(yīng)也只有“開”和“關(guān)”兩個(gè)極限工作狀態(tài)。第二章

過程裝備控制基礎(chǔ)第二節(jié)

單回路控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)圖2-17為一個(gè)最簡單的溫度雙位控制系統(tǒng)。其中，加熱爐1——被控對(duì)象，爐溫是被控變量；熱電偶2——檢測元件；

3——雙位調(diào)節(jié)器；繼電器4——執(zhí)行機(jī)構(gòu)；電熱器5——將電能轉(zhuǎn)化為熱能的加熱裝置。第二章

過程裝備控制基礎(chǔ)第二節(jié)

單回路控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)第二章

過程裝備控制基礎(chǔ)第二節(jié)

單回路控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)溫度的給定值用雙位調(diào)節(jié)器上的給定值指針由人工設(shè)置，爐溫由熱電偶測量并送至雙位調(diào)節(jié)器。雙位調(diào)節(jié)器根據(jù)溫度測量值與給定值的偏差大小發(fā)出使繼電器通、斷電的控制信號(hào)，從而控制加熱爐內(nèi)部的溫度。第二章

過程裝備控制基礎(chǔ)第二節(jié)

單回路控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

理想的情況是：當(dāng)被控變量的測量值低于給定值時(shí)，調(diào)節(jié)器輸出的極限狀態(tài)使繼電器閉合給加熱器供電，被控溫度上升；而當(dāng)測量值一旦高于給定值時(shí)，調(diào)節(jié)器立刻輸出另一極限狀態(tài)使繼電器斷開而停止給加熱器供電，被控溫度下降。第二章

過程裝備控制基礎(chǔ)第二節(jié)

單回路控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)如此反復(fù)進(jìn)行，使溫度維持征給定值附近很小的范圍內(nèi)被動(dòng)。第二章

過程裝備控制基礎(chǔ)第二節(jié)

單回路控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)位式調(diào)節(jié)優(yōu)點(diǎn)：結(jié)構(gòu)簡單、成本較低、使用方便、對(duì)配用的調(diào)節(jié)閥無任何特殊的要求，一般帶有上下限發(fā)信裝置的檢測儀表，如壓力表、水銀溫度計(jì)、雙金屬片溫度計(jì)、電子電位差計(jì)、自動(dòng)平衡電橋等都可以方便地實(shí)現(xiàn)位式調(diào)節(jié)。第二章

過程裝備控制基礎(chǔ)第二節(jié)

單回路控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)主要缺點(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合，不宜使用。第二章

過程裝備控制基礎(chǔ)第二節(jié)

單回路控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

在圖2-17所示的理想雙位控制系統(tǒng)中，調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)(繼電器)的啟停過于頻繁，系統(tǒng)中的運(yùn)動(dòng)部件(繼電器觸頭)容易損壞，這樣就很難保證控制系統(tǒng)安全可靠地運(yùn)行。因此，實(shí)際應(yīng)用的雙位調(diào)節(jié)器都有一個(gè)中間區(qū)域。具有中間區(qū)的雙位調(diào)節(jié)規(guī)律如圖2-18所示。第二章

過程裝備控制基礎(chǔ)第二節(jié)

單回路控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)第二章

過程裝備控制基礎(chǔ)第二節(jié)

單回路控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)在圖2-18中，只有當(dāng)偏差達(dá)到一定數(shù)值(emin或emax)時(shí)，調(diào)節(jié)器的輸出才會(huì)變化，而在中間區(qū)內(nèi)調(diào)節(jié)器的輸出將取決于它原來所處的狀態(tài)。第二章

過程裝備控制基礎(chǔ)第二節(jié)

單回路控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

中間區(qū)的出現(xiàn)還有另外兩個(gè)原因：（1）執(zhí)行機(jī)構(gòu)都有不靈敏區(qū)，這時(shí)理想雙位調(diào)節(jié)實(shí)際上是具有中間區(qū)的雙位調(diào)節(jié)；（2）采用雙位調(diào)節(jié)的系統(tǒng)本身的要求就不高，只要求被控變量在兩個(gè)極限值之間，這就是可用中間區(qū)的雙位調(diào)節(jié)方案。第二章

過程裝備控制基礎(chǔ)第二節(jié)

單回路控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

采用具有中間區(qū)雙位調(diào)節(jié)器的控制系統(tǒng)的過渡過程曲線如圖2-19所示。第二章

過程裝備控制基礎(chǔ)第二節(jié)

單回路控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)從圖2-19中可以看出,該過程是一種斷續(xù)作用下的等幅振蕩過程。對(duì)于雙位控制的質(zhì)量不能用連續(xù)控制作用下的衰減振蕩過程的性能指標(biāo)來衡量,而是用振幅和周期作為其品質(zhì)指標(biāo)。第二章

過程裝備控制基礎(chǔ)第二節(jié)

單回路控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)在圖2-19中,振幅為上-s，周期為T。顯然，振幅小、周期長，控制品質(zhì)就高。然而，對(duì)同一個(gè)雙位控制系統(tǒng)來說，若要振幅小，其周期必然短；若要周期長，則振幅必然大。只有通過合理地選擇中間區(qū)，才能使振幅在限制的范圍之內(nèi)，同時(shí)又可以盡可能地獲得較長的周期。第二章

過程裝備控制基礎(chǔ)第二節(jié)

單回路控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)此外，振幅的大小還與對(duì)象的滯后時(shí)間有關(guān)，越大，振幅也越大。在位式調(diào)節(jié)中，除了雙位調(diào)節(jié)外，還有三位或更多位的控制。第二章

過程裝備控制基礎(chǔ)第二節(jié)

單回路控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)（2）比例調(diào)節(jié)規(guī)律（P）

第二章

過程裝備控制基礎(chǔ)第二節(jié)

單回路控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)比例放大倍數(shù)（K）

（2-22）

KP——比例增益或比例放大倍數(shù)，在調(diào)節(jié)器中可改變。在階躍輸入作用下，比例調(diào)節(jié)規(guī)律的輸出特性如圖2-20所示。第二章

過程裝備控制基礎(chǔ)第二節(jié)

單回路控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)第二章

過程裝備控制基礎(chǔ)第二節(jié)

單回路控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)第二章

過程裝備控制基礎(chǔ)第二節(jié)

單回路控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)第二章

過程裝備控制基礎(chǔ)第二節(jié)

單回路控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)圖2-21中，被控變量是水槽液位，O為杠桿的支點(diǎn)，杠桿的一瑞固定著浮球，另一端與調(diào)節(jié)閥的執(zhí)行機(jī)構(gòu)相連。通過浮球和杠桿的作用，調(diào)整閥門開度使液位保持在適當(dāng)?shù)母叨壬?。?dāng)進(jìn)水量大于出水量時(shí)，水槽的液位將升高，浮球也隨第二章

過程裝備控制基礎(chǔ)第二節(jié)

單回路控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)之升高，通過杠桿的作用使進(jìn)水閥關(guān)??；反之，當(dāng)液位降低，浮球通過杠桿使進(jìn)水閥開大；當(dāng)進(jìn)水量與出水量相等時(shí)，浮球停在某一位置，閥門開度不變，液位保持穩(wěn)定。在這里，浮球是測量元件，杠桿是一個(gè)具有比例作用的簡單調(diào)節(jié)第二章

過程裝備控制基礎(chǔ)第二節(jié)

單回路控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)器。從靜態(tài)看，閥門開度與液位偏差成正比；從動(dòng)蒼態(tài)看，閥門的動(dòng)作與液位的變化是同步的，沒有時(shí)間上的遲延。第二章

過程裝備控制基礎(chǔ)第二節(jié)

單回路控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)圖2-21中，虛線位置代表新的平衡狀態(tài)，則調(diào)節(jié)器輸出變化量u(t)（即閥門開度）與輸入變化量e(t)（即液位偏差）之間的關(guān)系，可由相似三角形關(guān)系得到第二章

過程裝備控制基礎(chǔ)第二節(jié)

單回路控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)（2-23）式中，b/a——比例放大倍數(shù)，改變杠桿支點(diǎn)O的位置即可改變?cè)撜{(diào)節(jié)器的放大倍數(shù)。第二章

過程裝備控制基礎(chǔ)第二節(jié)

單回路控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)結(jié)論：比例調(diào)節(jié)器的輸出變量與輸入偏差具有一一對(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)。第二章

過程裝備控制基礎(chǔ)第二節(jié)

單回路控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)在系統(tǒng)的平衡遭到破壞后，要改變進(jìn)入水槽的物料建立起新的平衡，這就要求調(diào)節(jié)器有輸出作用。而要使調(diào)節(jié)器有輸出，就必須要有偏差存在[即e(t)0]，因此比例控制必然有余差存在。第二章

過程裝備控制基礎(chǔ)第二節(jié)

單回路控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)比例度：表示比例作用的強(qiáng)弱定義：指調(diào)節(jié)器的輸入相對(duì)變化量與相應(yīng)輸出的相對(duì)變化量之比的百分?jǐn)?shù)，用下式表示（2-24）第二章

過程裝備控制基礎(chǔ)第二節(jié)

單回路控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

e——調(diào)節(jié)器輸入信號(hào)的變化量u——調(diào)節(jié)器輸出信號(hào)的變化量

emax-emin——調(diào)節(jié)器輸入信號(hào)的變化范圍

umax-umin——調(diào)節(jié)器輸入出信號(hào)的變化范圍第二章

過程裝備控制基礎(chǔ)第二節(jié)

單回路控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

調(diào)節(jié)器的比例度可理解為：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。第二章

過程裝備控制基礎(chǔ)第二節(jié)

單回路控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)如果把比例度的數(shù)學(xué)表達(dá)式改寫為（2-26）第二章

過程裝備控制基礎(chǔ)第二節(jié)

單回路控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)由上式可以看出：對(duì)于輸入輸出信號(hào)都是統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)信號(hào)的調(diào)節(jié)器（如單元組合儀表系列），比例度與比例放大倍數(shù)互為倒數(shù)關(guān)系，即調(diào)節(jié)器的比例度越小，則比例放大倍數(shù)越大，比例控制作用越強(qiáng)。第二章

過程裝備控制基礎(chǔ)第二節(jié)

單回路控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)比例度對(duì)過渡過程的影響第二章

過程裝備控制基礎(chǔ)第二節(jié)

單回路控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)比例度對(duì)余差的影響：比例度越大，放大倍數(shù)越小，由于C=KPe(t)，要獲得同樣大小的C變化量所需的偏差就越大，因此在相同的干擾作用下，系統(tǒng)再次平衡時(shí)的余差就越大。反之，比例度越小，系統(tǒng)的余差也隨之減小。第二章

過程裝備控制基礎(chǔ)第二節(jié)

單回路控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)比例度對(duì)最大偏差、振蕩周期的影響：在相同大小的干擾下，調(diào)節(jié)器的比例度越小，則比例作用越強(qiáng)，調(diào)節(jié)器的輸出越大，使被控變量偏離給定值越小，被控變量被拉回到紿定值所需的時(shí)間越短。第二章

過程裝備控制基礎(chǔ)第二節(jié)

單回路控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)所以，比例度趣小，最大偏差越小，振蕩周期也越短，工作頻率提高。第二章

過程裝備控制基礎(chǔ)第二節(jié)

單回路控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)比例度對(duì)系統(tǒng)穩(wěn)定性的影響：比例度越大，則調(diào)節(jié)器的輸出變化越小，被控變量變化越緩慢，過渡過程越平穩(wěn)。隨著比例度的減小，系統(tǒng)的穩(wěn)定程度降低，其過渡過程逐漸從衰減振蕩走同臨界振蕩直至發(fā)散振蕩。第二章

過程裝備控制基礎(chǔ)第二節(jié)

單回路控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)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。比例控制作用通常適用于干擾少、擾動(dòng)幅度小、負(fù)荷變化不大、滯后較小或第二章

過程裝備控制基礎(chǔ)第二節(jié)

單回路控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)者控制精度要求不高的場合。當(dāng)單純的比例控制作用不能滿足工業(yè)過程的控制要求時(shí)，則需要在比例控制的基礎(chǔ)上適當(dāng)引入積分控制作用和微分控制作用。第二章

過程裝備控制基礎(chǔ)第二節(jié)

單回路控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)（3）比例積分調(diào)節(jié)規(guī)律（PI）積分調(diào)節(jié)規(guī)律（I）在積分調(diào)節(jié)規(guī)律中，調(diào)節(jié)器輸出信號(hào)的變化量與輸入偏差的積分成正比。其數(shù)學(xué)表達(dá)式為第二章

過程裝備控制基礎(chǔ)第二節(jié)

單回路控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

（2-27）

KI——積分速度

TI——積分時(shí)間第二章

過程裝備控制基礎(chǔ)第二節(jié)

單回路控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)對(duì)積分調(diào)節(jié)器而言，其輸出信號(hào)的大小不僅與輸入偏差信號(hào)的大小有關(guān)，而且還取決于偏差存在時(shí)間的長短。主要有偏差，調(diào)節(jié)器的輸出就不斷變化。偏差存在的時(shí)間越長，輸出信號(hào)的變化量也越大。第二章

過程裝備控制基礎(chǔ)第二節(jié)

單回路控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)只有在偏差等于零的情況下，積分調(diào)節(jié)器的輸出信號(hào)才能相對(duì)穩(wěn)定。因此可認(rèn)為，積分控制作用是力圖消除余差。第二章

過程裝備控制基礎(chǔ)第二節(jié)

單回路控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)在幅值為A的階躍偏差輸入作用下，積分調(diào)節(jié)器的開環(huán)輸出特性如圖2-23所示。第二章

過程裝備控制基礎(chǔ)第二節(jié)

單回路控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)第二章

過程裝備控制基礎(chǔ)第二節(jié)

單回路控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)將e(t)=A代入式（2-27），可得（2-28）該式所描述的是一條斜率為定值的直線，其斜率正比于調(diào)節(jié)器的積分速度。KI越大（即TI越小），直線越陡峭，積分作用越強(qiáng)。第二章

過程裝備控制基礎(chǔ)第二節(jié)

單回路控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

純積分控制的缺點(diǎn)：它不像比例控制那樣輸出U與輸入e保持同步、反應(yīng)較快，而是其輸出變化總要滯后于偏差的變化。這樣就不能及時(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。第二章

過程裝備控制基礎(chǔ)第二節(jié)

單回路控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)因此，在工業(yè)過程控制中，通常不單獨(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)律來應(yīng)用。第二章

過程裝備控制基礎(chǔ)第二節(jié)

單回路控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)比例積分控制規(guī)律（PI）是比例與積分兩種控制規(guī)律的組合，其數(shù)學(xué)表達(dá)式為

（2-29）第二章

過程裝備控制基礎(chǔ)第二節(jié)

單回路控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

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)中得到廣泛應(yīng)用。第二章

過程裝備控制基礎(chǔ)第二節(jié)

單回路控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)在幅值為A的階躍偏差輸入作用下，比例積分調(diào)節(jié)器的開環(huán)輸出特性如圖2-24。第二章

過程裝備控制基礎(chǔ)第二節(jié)

單回路控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)第二章

過程裝備控制基礎(chǔ)第二節(jié)

單回路控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)開始時(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)間線性增加。數(shù)學(xué)表達(dá)式為（2-30）第二章

過程裝備控制基礎(chǔ)第二節(jié)

單回路控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)顯然，在T=TI時(shí)刻，有輸出u(t)=2KPA。因而可將積分時(shí)間TI定義為：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。第二章

過程裝備控制基礎(chǔ)第二節(jié)

單回路控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)積分時(shí)間表征出積分作用的強(qiáng)弱。TI越小，則積分速度越大，積分控制作用越強(qiáng)；反之，TI越大，積分作用越弱。若積分時(shí)間無窮大，則表示沒有積分作用，調(diào)節(jié)器特性就變成了純比例特性。工業(yè)用調(diào)節(jié)器中都有改變積分時(shí)間的旋鈕。第二章

過程裝備控制基礎(chǔ)第二節(jié)

單回路控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)積分時(shí)間對(duì)系統(tǒng)過渡過程的影響在比例積分控制系統(tǒng)中，若保持調(diào)節(jié)器的比例度不變，則積分時(shí)間對(duì)過渡過程的影響如圖2-25所示。第二章

過程裝備控制基礎(chǔ)第二節(jié)

單回路控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)第二章

過程裝備控制基礎(chǔ)第二節(jié)

單回路控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)由圖可見，積分時(shí)間對(duì)過渡過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)，在相同的擾動(dòng)作用下，調(diào)節(jié)器的輸出增大，最大偏差減小，余差消除加快，但同時(shí)系統(tǒng)的振蕩加劇，穩(wěn)定性下降，TI過小，還可能導(dǎo)致系統(tǒng)的不穩(wěn)定。在比例控制系統(tǒng)中，由于加入積分作用將會(huì)使系統(tǒng)的穩(wěn)定性有所下降，因此若要保持原有的隱定性，則必須根據(jù)積分時(shí)間的大小，適當(dāng)?shù)卦黾颖壤?，這樣就會(huì)使系第二章

過程裝備控制基礎(chǔ)第二節(jié)

單回路控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)統(tǒng)的振蕩周期增大，調(diào)節(jié)時(shí)間增加，最大偏差增加。即，積分作用的引入，一方面消除了系統(tǒng)的余差，而另一萬面卻降低了系統(tǒng)的其他品質(zhì)指標(biāo)。第二章

過程裝備控制基礎(chǔ)第二節(jié)

單回路控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)比例積分調(diào)節(jié)規(guī)律的適用性很強(qiáng)，在多數(shù)場合下均可采用。只是當(dāng)被控對(duì)象的滯后很大時(shí)，可能PI調(diào)節(jié)的時(shí)間較長；或者當(dāng)負(fù)荷追化特別劇烈時(shí)，PI調(diào)節(jié)不夠及時(shí)。在這種情況下，可再增加微分作用。第二章

過程裝備控制基礎(chǔ)第二節(jié)

單回路控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)第二章

過程裝備控制基礎(chǔ)第二節(jié)

單回路控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)（4）比例積分微分調(diào)節(jié)規(guī)律（PID）對(duì)于慣性較大的被控對(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)較大偏第二章

過程裝備控制基礎(chǔ)第二節(jié)

單回路控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)差后才開始動(dòng)作，那么調(diào)節(jié)的效果將會(huì)更好，等于賦予了調(diào)節(jié)器以某種程度的預(yù)見性，這種調(diào)節(jié)規(guī)律就是微分調(diào)節(jié)規(guī)律。第二章

過程裝備控制基礎(chǔ)第二節(jié)

單回路控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)微分調(diào)節(jié)規(guī)律（D）在微分調(diào)節(jié)中，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。其數(shù)學(xué)表達(dá)式為（2-31）

TD——微分時(shí)間第二章

過程裝備控制基礎(chǔ)第二節(jié)

單回路控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

由式（2-31）可知，若在某一時(shí)刻T=T0輸入一個(gè)階躍變化的偏差信號(hào)e(t)=A，則在該時(shí)刻調(diào)節(jié)器的輸出為無窮大，其余時(shí)間輸出為零，其特性曲線如圖2-26所示。顯然這種特性沒有實(shí)用價(jià)值，稱為理想微分作用特性。第二章

過程裝備控制基礎(chǔ)第二節(jié)

單回路控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)第二章

過程裝備控制基礎(chǔ)第二節(jié)

單回路控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

從圖2-26中還可看出，微分調(diào)節(jié)器的輸出只與偏差的變化速度有關(guān)，而與偏差的存在與否無關(guān)。即微分作用對(duì)恒定不變的偏差是沒有克眼能力的。因此，微分調(diào)節(jié)不能單獨(dú)使用。實(shí)際上，微分控制總是與比例控制或比例積分控制組合使用的。第二章

過程裝備控制基礎(chǔ)第二節(jié)

單回路控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)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。其數(shù)學(xué)表達(dá)式為

（2-32）第二章

過程裝備控制基礎(chǔ)第二節(jié)

單回路控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)在階躍偏差輸入下，其開環(huán)輸出特性如圖2-27所示。第二章

過程裝備控制基礎(chǔ)第二節(jié)

單回路控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)但嚴(yán)格按式(2-32)動(dòng)作的調(diào)節(jié)器在物理上是不能實(shí)現(xiàn)的。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e(t)的幅值為A的階躍信號(hào)時(shí)，比例微分的輸出特性曲線如圖2-28所示第二章

過程裝備控制基礎(chǔ)第二節(jié)

單回路控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)第二章

過程裝備控制基礎(chǔ)第二節(jié)

單回路控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)（2-33）式中，KD稱為微分增益。工業(yè)調(diào)節(jié)器的微分增益一般在5-10范圍內(nèi)。由式(2-33)，當(dāng)t=TD/KD時(shí)，有其數(shù)學(xué)表達(dá)式如下第二章

過程裝備控制基礎(chǔ)第二節(jié)

單回路控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)（2-34）第二章

過程裝備控制基礎(chǔ)第二節(jié)

單回路控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)即在時(shí)刻t=TD/KD，PD調(diào)節(jié)器的輸出從躍變脈沖的頂點(diǎn)下降了微分作用部分最大輸出的63.2％。令t=TD/KD，則t的KD倍就是微分時(shí)間TD。利用這個(gè)關(guān)系，可通過實(shí)驗(yàn)來測定微分時(shí)間TD。第二章

過程裝備控制基礎(chǔ)第二節(jié)

單回路控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

由于微分作用總是力圖阻止被控變量的任何變化，所以適當(dāng)?shù)奈⒎肿饔糜幸种普袷幍男Ч?。若微分作用選擇適當(dāng)，特有利于提高系統(tǒng)的穩(wěn)定性；若微分作用過強(qiáng)，即微分時(shí)間TD過大，反而不利于系第二章

過程裝備控制基礎(chǔ)第二節(jié)

單回路控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)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3s一10min)進(jìn)行調(diào)整。第二章

過程裝備控制基礎(chǔ)第二節(jié)

單回路控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)微分時(shí)間對(duì)過渡過程的影響在比例微分控制系統(tǒng)中，若保持調(diào)節(jié)器的比例度不變，微分時(shí)間對(duì)過渡過程的影響如圖2-29所示。從圖中可以看出，微分時(shí)間TD太小，對(duì)系統(tǒng)的品質(zhì)指標(biāo)影響甚微，如圖中的曲線1，隨著微分時(shí)間的第二章

過程裝備控制基礎(chǔ)第二節(jié)

單回路控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)增加，微分作用增強(qiáng)；當(dāng)TD適當(dāng)時(shí)，控制系統(tǒng)的品質(zhì)指標(biāo)將得到全面的改善，如圖中的曲線2；但若微分作用太強(qiáng)，反而會(huì)引起系統(tǒng)振蕩，如圖中的曲線3。第二章

過程裝備控制基礎(chǔ)第二節(jié)

單回路控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)比例積分微分控制規(guī)律（PID）理想的FID調(diào)節(jié)規(guī)律的數(shù)學(xué)表達(dá)式為（2-35）第二章

過程裝備控制基礎(chǔ)第二節(jié)

單回路控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)不難看出，由上式所描述的調(diào)節(jié)器在物理上也是無法實(shí)現(xiàn)的。工業(yè)上實(shí)際采用的PID調(diào)節(jié)器如DDZ型調(diào)節(jié)器，其傳遞函數(shù)為第二章

過程裝備控制基礎(chǔ)第二節(jié)

單回路控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)（2-35）其中第二章

過程裝備控制基礎(chǔ)第二節(jié)

單回路控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)式中帶*的量為調(diào)節(jié)器參數(shù)的實(shí)際值，不帶*的值為各參數(shù)的刻度值。F為相互干擾系數(shù)；KI為積分增益。圖2-30給出了工業(yè)用PID調(diào)節(jié)器的階躍響應(yīng)曲線。第二章

過程裝備控制基礎(chǔ)第二節(jié)

單回路控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)第二章

過程裝備控制基礎(chǔ)第二節(jié)

單回路控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)在PID調(diào)節(jié)器中，比例、積分和微分作用取長補(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)，就可以獲得較高的控制質(zhì)量。因此，PID調(diào)節(jié)器的適應(yīng)性較強(qiáng)，應(yīng)用也較為普遍。第二章

過程裝備控制基礎(chǔ)第二節(jié)

單回路控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)（5）調(diào)節(jié)規(guī)律的選取為了對(duì)各種調(diào)節(jié)規(guī)律進(jìn)行比較，圖2-31表示了同一對(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。第二章

過程裝備控制基礎(chǔ)第二節(jié)

單回路控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)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)2－積分調(diào)節(jié)3－比例積分調(diào)節(jié)4－比例微分調(diào)節(jié)5－比例微分積分調(diào)節(jié)第二章

過程裝備控制基礎(chǔ)第二節(jié)

單回路控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)顯然，PID調(diào)節(jié)的控制作用最佳，但這并不意味著在任何情況下采用PID規(guī)律都是合理的。在PID調(diào)節(jié)器中有三個(gè)參數(shù)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。第二章