過程控制系統(tǒng)課件

過程控制系統(tǒng)

第一章

緒論

2

3

4

5

6

第二章

被控過程的數(shù)學模型

2

3

第三章

單回路控制系統(tǒng)設計

2

3

4

5

第四章

串級控制系統(tǒng)

2

3

4

5

第五章

前饋及複合控制系統(tǒng)2

第六章

時間滯後控制系統(tǒng)

23

第七章

其他過程控制系統(tǒng)23

4

第八章

過程控制中的電腦應用2

3

4

§1-1課程的性質(zhì)和教學安排

凡是採用數(shù)字或模擬控制方式對生產(chǎn)過程的某一或某些物理參數(shù)進行的自動控制通稱為過程控制。(另有電力拖動控制方向)

1、過程控制的概念2、過程控制是自動化專業(yè)的主要內(nèi)容之一第一章緒論1.2

1.3

1.4

1.5

1.63、教學安排4、主要參考書

(1)、過程控制工程，馮品如，輕工業(yè)出版社(2)、過程控制與自動化儀錶，侯志林，

機械工業(yè)出版社(3)、微型電腦控制技術，於海生，清華大學出版社(1)、學時、實驗情況(2)、內(nèi)容安排(2)、從實際應用看(1)、從專業(yè)特點看返回生產(chǎn)過程自動化是保持生產(chǎn)穩(wěn)定、降低消耗、減少成本、改善勞動條件、保證安全和提高勞動生產(chǎn)率重要手段，一直起著極其重要的作用。其發(fā)展經(jīng)歷了以下幾個方面：

1、初期階段(30～40年代)

2、簡單儀錶化階段(40～60年代)

3、綜合自動化階段(60～70年代中期)

4、全盤自動化(及智能化)階段(70年代中期自今)§1-2過程控制的發(fā)展概況§1-3過程控制的特點

及電腦的作用

過程控制的目的：保持過程中的有關參數(shù)為一定值或按一定規(guī)律變化。1、被空對象的多樣性

2、對象特性的難辨性

白色系統(tǒng)、黑色系統(tǒng)、灰色系統(tǒng)的概念

3、普遍存在滯後

4、特性往往具有非線性：

如間歇式加溫、齒輪運動等。5、電腦在過程控制中的地位和作用

電腦的應用不僅促進了現(xiàn)代控制理論的發(fā)展，而且也推動了自動化向深度與廣度進軍，使生產(chǎn)自動化提高到更高的水準。甚至在向智能化的方向大步邁進。微型電腦控制生產(chǎn)過程，按不同的控制目的，可分為兩類：一是數(shù)據(jù)檢測處理，二是形成微機控制系統(tǒng)。微機控制在提高產(chǎn)品品質(zhì)、保證安全運行、減少原料和能量消耗、控制和減少環(huán)境污染、提高企業(yè)的管理水準方面正在並將發(fā)揮越來越重要的作用。1-1典型單回路控制系統(tǒng)一、系統(tǒng)組成§1-4過程控制的組成及術語1、控制原理(如下圖)以液體儲槽的水位控制為例進行說明。液位變送器液位控制器執(zhí)行器2、系統(tǒng)方塊圖3、主要組成部分

(1)、被控對象：生產(chǎn)過程中被控制的工藝設備或裝置。

(2)、檢測變送單元：儀錶課中已做介紹。

(3)、控制器：即時地對被控系統(tǒng)施加控制作用。

(4)、執(zhí)行器：將控制信號進行放大以驅動控制閥。常見的有氣動和電動兩種。

(5)、控制閥：控制進料量。有氣開式和氣關式之別。

1、被控對象

(簡稱對象或過程)：前已述及。

2、被控參數(shù)：按照生產(chǎn)過程要求，某些變數(shù)應該維持在穩(wěn)定的變化範圍內(nèi)，如果對其施加控制作用，就稱二、常用術語

：

凡是影響被控量的各種作用均叫做干擾或擾動。分內(nèi)干擾和外干擾。(內(nèi)干擾如原料成分變化等。)

4、控制參數(shù)：即調(diào)節(jié)介質(zhì)。如儲水槽液位控制系統(tǒng)的給水量。

5、測量值：被控變數(shù)經(jīng)檢測變送後即是測量值。

6、給定值：即被控變數(shù)的設定值。

7、偏差值：準確地說，應是被控量的給定值與實際值之差。但能夠直接得到的信號是被控量的測量值，故通常把給定值與測量值之差稱作為偏差。

8、調(diào)節(jié)器輸出：根據(jù)偏差值、經(jīng)一定演算法得到的輸出值。調(diào)節(jié)器輸出亦稱控制作用。3、干擾:

其為被控參數(shù)。如溫度、壓力、流量、液位、成分等。有常規(guī)控制系統(tǒng)、電腦控制系統(tǒng)。一、一般分類1、按工藝參數(shù)分類：有溫度控制系統(tǒng)、壓力控制系統(tǒng)、流量控制系統(tǒng)、成分控制系統(tǒng)、物位控制系統(tǒng)等。2、按系統(tǒng)的任務分類：有比例控制、均勻控制、前饋控制等。3、按自動化裝置的不同分類：§1-5過程控制系統(tǒng)的分類5、按是否形成閉合回路分類：是工業(yè)生產(chǎn)過程中應用最大的一種過程控制系統(tǒng)。在運行時，系統(tǒng)被控量的給定值是不變的。有時根據(jù)生產(chǎn)工藝要求，被控量的給定值保持在規(guī)定的小範圍附近波動。

二、按設定值形式分類4、按控制器的動作分類：有1、定值控制系統(tǒng)PPIPID位式開環(huán)閉環(huán)、。2、隨動控制系統(tǒng)其給定值按預定的時間程式來變化。如機械工業(yè)中的退火爐的溫度控制系統(tǒng)，其給定值是按升溫、保溫、逐次降溫等程式變化的。家用電器中應用定值控制系統(tǒng)的也很多，如電腦控制的洗衣機、電飯煲等。是一種被控量的給定值隨時間任意變化的控制系統(tǒng)。它的主要作用是克服一切擾動，使被控量隨時跟蹤給定值。3、程式控制系統(tǒng)

1、遞減比見圖一般認為，n:1=4:1時穩(wěn)定性好，但溫度等慢變化過程約取10:1為好，應根據(jù)實際情況靈活處理。

2、衰減率

是衡量過度過程穩(wěn)定性的一個動態(tài)指標(於遞減比含義相同).一般取=0.75～0.9?！?-6控制系統(tǒng)的品質(zhì)指標見圖3、動態(tài)偏差（亦即超調(diào)量）

為被控量偏離穩(wěn)定值或設定值的最大偏差值。其他課程已做介紹，不再詳述。4、調(diào)節(jié)時間、靜態(tài)偏差（即餘差）

見以下兩圖中的C。返回1。數(shù)學模型的有關概念§2-1概述 數(shù)學模型:指過程在各輸入量的作用下，其相應輸出量變化的函數(shù)關係數(shù)學運算式。 干擾:內(nèi)干擾---調(diào)節(jié)器的輸出量u(t)；

外干擾---其餘非控制的輸入量。 通道:輸入量與輸出量間的信號聯(lián)繫。第二章被控過程

的數(shù)學模型

2.2

2.3擾動通道--擾動作用與被控量間的信號聯(lián)繫。

2。研究並建立數(shù)學模型的目的 (1)、設計過程控制系統(tǒng)、整定調(diào)節(jié)器參數(shù)。 (2)、指導生產(chǎn)工藝設備的設計。 (3)、進行仿真實驗研究。(4)、培訓運行操作人員。3。單輸入-單輸出過程的常見模型 (1)、線性時間連續(xù)模型

(2)、線性時間離散模型4。有/無平衡能力的概念(參見圖

1

2)控制通道--控制作用與被控量間的信號聯(lián)繫；一。自衡過程的數(shù)學模型自衡的定義：對象受到干擾作用後，平衡狀態(tài)被破壞，無須外加任何控制作用，依靠對象本身自動平衡的傾向，逐漸地達到新的平衡狀態(tài)的性質(zhì)，稱為平衡能力。(一)、單容過程的數(shù)學模型1、單容過程的定義：只有一個儲蓄容量的過程。如下頁圖所示?！?-2機理分析法建模過程演示2-1返回討論：(1)、靜態(tài)時，q1=q2=dh/dt=0;(2)、當q1變化時h變化q2變化。經(jīng)線性化處理，有其中，R2為閥門2的阻力，稱為液阻或流阻。2、參量關係分析3、建立數(shù)學模型由式(*)可畫出框圖如圖所示。即

AsR2H(s)+H(s)=R2Q1(s),故式中，TO=AR2=R2C

,C為容量係數(shù)(或容量)。由式(2-6)和式(2-7)，有2-2

(1)、容量C含義：生產(chǎn)設備和傳輸管路都具有一定的儲蓄物質(zhì)或能量的能力。被控對象儲存能力的大小，稱為容量或容量係數(shù)，其意義是：引起單位被控量變化時，被控過程儲存量變化量。4、容量和阻力的概念返回1、純滯後的概念純滯後是普遍存在的，如下頁圖所示。種類：有電容、熱容、氣容、液容等等。(2)、阻力概念：凡是物質(zhì)或能量的轉移，都要克服阻力，阻力的大小決定於不同的勢頭和流率。種類：電阻、熱阻、氣阻、流(液)阻。2、數(shù)學模型(二)、具有純滯後單容過程的數(shù)學模型純滯後單容過程及其回應曲線2-3無純滯後有純滯後(三)、多容過程的數(shù)學模型

1、多容過程是工業(yè)生產(chǎn)中常見的，如下兩圖。2-52、三容過程的微分方程模型:

如式(2-10)3、三容過程的方框圖由式(2-10)的拉氏變換，可得圖2-6。4、三容過程的數(shù)學模型由圖2-6，應用自控理論即可獲得其模型。二、無自衡過程的數(shù)學模型無自衡過程的概念：如下圖。(一)、單容過程的數(shù)學模型

1、參量關係分析

在自衡過程(圖2-7)下，有圖2-8返回而在無自衡過程(圖2-8)下，因q2=0，故

2、傳遞函數(shù)二容、三容過程形式：如圖2-9、圖2-10所示。(二)、多容過程的數(shù)學模型2-10對正常生產(chǎn)影響小。轉換成階躍回應的方法如下圖。一、回應曲線法

問題的提出：大多數(shù)工業(yè)過程的機理模型是很難建立的，只有採用實驗建模。是一種時域法辨識對象的動態(tài)特的方法。(一)、階躍擾動法測定對象的回應曲線實驗時往往會對正常生產(chǎn)造成影響。(二)、矩形脈衝法測定對象的回應曲線§2-3試驗法建模

---過程辨識2-11將矩形脈衝看成正負兩個等幅的階躍信號，據(jù)此而得到輸出的階躍回應。即轉換的思路是：

x(t)=x1(t)+

x2(t)(見圖2-11上)=x1(t)-

x1(t-a)(2-20)則

y*(t)=y(t)-y(t-a)或

y(t)=y*(t)＋y(t-a)(2-21)

用式(2-21)進行轉換的過程如圖2-11中部(有自衡過程)和下部(無自衡過程)。

(三)、由階躍回應曲線確定過程的傳遞函數(shù)多數(shù)過程的數(shù)學模型運算式如P19所示。1、確定一階慣性環(huán)節(jié)的參數(shù)(1)、放大係數(shù)(2)、時間常數(shù)a、切線法：如右圖。

b、圖解法（半對數(shù)法）：P20-21及下圖圖2-12階躍回應曲線通過P20-21的分析，得斜率為：圖2-132、確定有時滯的一階慣性環(huán)節(jié)的參數(shù)圖2-14(2)、圖解法：如下圖2-14b)。(1)、切線法：如下圖2-14a)。

0和T0的經(jīng)驗公式為式(2-36)(詳見塗植英教材)。2-153、二階慣性環(huán)節(jié)的參數(shù)回應曲線如圖2-15所示。(1).形式:（假設K=1)則其單位階躍回應特性方程為

(2).求解由拐點處，得由圖可見拐點A處的斜率為BC=T2-T1,A’E=f(T2/T1)由圖還有：整理後可得有關計算表格(P23表2-2)。第三章單回路3.2

3.3

3.4

3.5

控制系統(tǒng)設計

1、典型例子：見下圖一、系統(tǒng)的基本結構

單回路控制系統(tǒng)又稱為簡單控制系統(tǒng)。雖然簡單，但應用較廣；過程控制的基本概念主要是在本章建立的。因此，本章內(nèi)容無疑是重點之一。§3-1概述液位變送器液位控制器執(zhí)行器

2、系統(tǒng)方框圖3、特點最簡單、最基本；應用最廣泛、最成熟。是各種複雜控制系統(tǒng)設計和參數(shù)整定的基礎。適用於被控對象滯後時間較小，負載和干擾不大，控制品質(zhì)要求不很高的場合。二、過程控制系統(tǒng)設計的要求1、安全性2、穩(wěn)定性3、經(jīng)濟性三、過程控制系統(tǒng)的設計步驟1、建立被控過程的數(shù)學模型2、選擇控制方案3、選擇控制設備型號規(guī)格4、實驗（與仿真）四、控制系統(tǒng)的工程考慮包括儀錶（微機）選型、控制室和儀錶盤設計、供水供電供氣設計、信號系統(tǒng)設計、安全防暴設計等。(2)、對象資訊的獲取和變送(3)、執(zhí)行器的選擇(4)、控制器的選擇3、工程安裝4、儀錶調(diào)試

5、參數(shù)整定2、工程設計

1、方案設計是整個控制工程設計中最重要的一步，應注意：(1)、合理選擇被控量(被控參數(shù))和操縱量(控制參數(shù))是控制系統(tǒng)方案設計的一個至關重要的問題。恰當?shù)倪x擇對於穩(wěn)定生產(chǎn)、提高產(chǎn)品產(chǎn)量和品質(zhì)、改善勞動條件有很大的作用。若選擇不當，則不論組成什麼樣的控制系統(tǒng)，選擇多麼先進的過程檢測控制儀錶，都不能達到良好的控制效果。

一、被控參數(shù)(即被控量)的選擇1.選擇的意義§3-2被控參數(shù)和控制參數(shù)的選擇影響正常操作的因素很多，但並非都需加以控制。只有根據(jù)工藝要求，深入分析工藝過程，才能選擇出合適、可測的工藝參數(shù)。2.選擇方法

(2).選間接參數(shù)當選直接參數(shù)有困難時採用。(如用反應釜的溫度控制間接實現(xiàn)化學反應的品質(zhì)控制。)(1).選直接參數(shù)即能直接發(fā)映生產(chǎn)過程產(chǎn)品產(chǎn)量和品質(zhì)，以及安全運行的參數(shù)。(如鍋爐鍋筒的水位控制。)3.選間接參數(shù)的原則

必須考慮工藝生產(chǎn)的合理性和儀錶的現(xiàn)狀。

間接參數(shù)應與直接參數(shù)有某種單值函數(shù)關係。

間接參數(shù)要有足夠的靈敏度。

二、控制參數(shù)(即控制量)的選擇當生產(chǎn)過程中有多個因素能影響被控參數(shù)(量)變化時，應分析過程擾動通道特性與控制通道特性對控制品質(zhì)的影響，正確地選擇可控性良好的變數(shù)作為操縱(控制)量。一般希望控制通道克服擾動的能力要強，動態(tài)回應應比擾動通道快。圖3-3(一)、過程靜態(tài)參數(shù)對控制品質(zhì)的影響

(1).基本形式：如圖3-3所示選擇控制參數(shù)的一般原則如下：1.系統(tǒng)的簡化方框圖

(2).突出干擾作用:

框圖如下圖所示

2.傳遞函數(shù)

則在定值控制下輸出對干擾的閉環(huán)傳遞函數(shù)為設傳遞函數(shù)分別為3.穩(wěn)態(tài)餘差

由於系統(tǒng)本質(zhì)是穩(wěn)定的，則在單位階躍擾動下的餘差為過程穩(wěn)態(tài)特性對控制品質(zhì)有很大影響，這是選擇操縱參數(shù)的一個重要依據(jù)。應使Kf越小越好，以減弱擾動對控制參數(shù)的影響。4.討論1.時間常數(shù)的影響由P145、6的分析及右圖可知：系統(tǒng)的超調(diào)量隨Tf的增大而減少，控制品質(zhì)得到提高。最佳控制過程中，KcK0應為一常數(shù)，K0大小可通過Kc來調(diào)節(jié)。在控制系統(tǒng)設計時，控制通道的K0擬適當選大一些。(二).干擾通道動態(tài)特性

對控制品質(zhì)的影響2.滯後時間的影響

Tf變大或個數(shù)增多，均對干擾起到了一種濾波作用。干擾通道的純滯後時間僅使被控參數(shù)對其反應在時間上平移了一段時間，理論上無影響。干擾通道的容量滯後會使干擾信號變得緩和一些，對克服干擾有利。3.干擾作用位置的影響

(1).分析：

如以下兩圖。(三).控制通道動態(tài)特性對控制品質(zhì)的影響在系統(tǒng)設計時，應使擾動作用點位置遠離被控量。

(1).T太大

特點：使控制作用變?nèi)?，控制品質(zhì)變壞。措施：合理選擇執(zhí)行器位置；採用前饋或複雜控制.

(2).結論1.時間常數(shù)的影響(2).T過小特點：控制作用增強，但系統(tǒng)容易振盪。措施：選擇快速監(jiān)測、控制、執(zhí)行器件；設法降低控制通道的靈敏度；改革工藝以使T增大。(1).純滯後0的影響較大,如圖所示。應從工藝著手改善。(2).容量滯後c比較緩和，引入微分作用可有效克服。(四).選擇控制參數(shù)的一般原則2.滯後時間的影響

1.控制通道的放大係數(shù)K0要適當選大一些；時間常數(shù)T0要適當小一些；純滯後時間

0越小越好，0與T0之比應小於1.

2.擾動通道的放大係數(shù)Kf應盡可能小；時間常數(shù)Tf要大；擾動引入系統(tǒng)的位置要遠離控制過程(即靠近調(diào)節(jié)閥)；容量滯後愈大，愈有利於控制。

3.注意工藝操作的合理性、經(jīng)濟性。(五).實例討論

例1：噴霧式乳粉乾燥設備的控制（P171)。

1.工藝流程：參見教材P172圖3-28。

2.控制要求：乾燥後的產(chǎn)品含水量波動要小。

3.被控參數(shù)選擇：乾燥器裏的溫度

4.控制參數(shù)的選擇

(三種方案如圖所示)

討論後知，以風量作控制參數(shù)為最佳選擇。例2儲槽液位控制(P173)

在自動控制系統(tǒng)中，接受調(diào)節(jié)器的指令；

經(jīng)執(zhí)行機構將其轉換為相應的角位移或直線位移；

去操縱調(diào)節(jié)機構，改變被控對象進、出的能量或物料。0、概述

1.作用2.組成§3-3執(zhí)行器選擇3.類型

由兩部分組成，如右圖所示。一、氣動薄膜控制閥的工作原理(一)、氣動薄膜執(zhí)行機構1、組成：由膜片、推桿、彈簧等組成。2、作用方式正作用—控制氣壓增加時，其開度增加。反作用--控制氣壓增加時，其開度減小。3、作用原理

PPAe=kll=AeP/k

(二)、控制閥體

1、作用：是一個局部阻力可以變化的節(jié)流元件。

2、流量方程

當口徑A和差壓(P1-P2)一定時，流量Q僅隨阻尼的變化而變化。改變閥門的開啟程度，可改變流通阻力而控制介質(zhì)流量。3、調(diào)節(jié)原理二、控制閥的流量特性

1、概念

理想(固有)流量特性--假定閥前後差壓不變。工作(實際)流量特性.2、類型(一)、理想流量特性

取決於閥芯曲面的形狀。

1、直線流量特性(1)、定義：控制閥的相對流量預相對開度成直線關係，即(2)、特性方程

2、其他流量特性

(3)、特點：適於在較大開度下使用。(注：國產(chǎn)閥，可控比R=30)

對數(shù)特性：小流量時，控制作用平緩；大流量時，控制作用靈敏有效，克服了直流特性的不足。快開特性：適於要求快速開、閉的控制系統(tǒng)。拋物線特性：介於直線特性與對數(shù)特性之間，彌補了直線特性小開度時控制性能差的缺點。(二)、工作流量特性(1)、閥上的差壓：如圖3-10所示。1、串聯(lián)管道中的特性(2)、流量特性(1)、並聯(lián)的目的：冗餘措施；增大產(chǎn)量(流量)(2)、可調(diào)比：在下圖中，設

Q1--調(diào)節(jié)閥流量；Q2--旁路閥流量;

Q---總管流量;2、並聯(lián)管道的流量特性可控比並聯(lián)管道的工作流量圖(3)、流量特性選擇原則是廣義對象具有線性特性，即總放大係數(shù)為常數(shù)。

選擇方法可分為理論計算法和經(jīng)驗法兩大類。

由對象特性選工作特性推理想特性查廠家手冊。

三、控制閥作用方式的選擇

選氣開還是氣關式，由生產(chǎn)工藝的要求決定。1、從生產(chǎn)的安全出發(fā)2、從保證產(chǎn)品品質(zhì)考慮3、從降低原料和動力的損耗考慮4、從介質(zhì)特點考

(一)、氣開氣關方式的選擇

執(zhí)行機構與閥體部件的配用有表可查。先選氣開、氣關方式，再選執(zhí)行機構。

(二)、執(zhí)行機構正、反作用方式的選擇

§3-4控制器的選型積分控制作用能消除餘差，但降低了系統(tǒng)的穩(wěn)定性。

TI愈小，穩(wěn)定性愈差。信號通道在被控參數(shù)和控制參數(shù)確定之後就定下來了。根據(jù)對象特性和控制品質(zhì)要求選擇控制器的控制作用確定控制器的類型。

隨著控制器放大係數(shù)Kc的增大，控制系統(tǒng)的穩(wěn)定性降低。(與自控理論的分析一致。)

隨著Kc的增大，餘差將減少，但不能消除。二、積分控制作用對控制品質(zhì)的影響一、比例控制作用對控制品質(zhì)的影響三、微分控制作用對控制品質(zhì)的影響

(1)、特點：抗干擾能力強，過渡過程時間短，但有餘差。

(2)、適用：控制通道滯後較小，負荷變化不大，允許被控量在一定範圍內(nèi)變化的系統(tǒng)。引入微分控制作用後，控制品質(zhì)將全面提高。微分作用太強，會引起控制閥時而全開、時而全關。四、控制器的選型應由對象的特性和工藝要求確定

1、P控制器的選擇

2、PI控制器的選擇

(1)、特點：對克服對象的容量滯後有顯著的效果。 (2)、適用：負荷變化大，容量滯後大，控制品質(zhì)要求很高的系統(tǒng)。

(1)、特點：過渡過程結束時無餘差，但系統(tǒng)的穩(wěn)定性降低。(2)、適用：滯後較小，負荷變化不大，被控量不允許有餘差的控制系統(tǒng)。負荷變化大，純滯後大，採用PID達不到要求時採用。

4、複雜控制系統(tǒng)3、PID控制器的選擇五、控制器正、反作用的選擇

原則：使整個單回路構成負回饋系統(tǒng)---乘積為負。1、控制閥：氣開式為“＋”，氣關式為“-”；

2、控制器：正作用為“＋”，反作用為“-”；3、被控對象：物料或能量增加時，被控參數(shù)隨之增加為“＋”，隨之減少為“-”；4、變送器：一般為“＋”；

控制器正、反作用選擇的判別式：

(控制器“±”)(控制閥“±”)(對象“±”)=“-”如果控制方案已經(jīng)確定，則過程各通道的靜態(tài)和動態(tài)特性就已確定，系統(tǒng)的控制品質(zhì)就取決於控制器各個參數(shù)值的設置?？刂破鞯膮?shù)整定，就是確定最佳過渡過程中控制器的比例度δ、積分時間TI、微分時間TD的具體數(shù)值。所謂最佳過渡過程，就是在某種品質(zhì)指標下，系統(tǒng)達到最佳調(diào)整狀態(tài)。4：1遞減比為最佳參數(shù)整定的常用依據(jù)。4:1參數(shù)整定的方法:0、概述§3-5控制器的參數(shù)整定：對數(shù)頻率特性法、根軌跡法等。(2)、工程整定法：經(jīng)驗湊試法、衰減曲線法、臨界比例度法、回應曲線法等。

(1)、理論整定法

對於單元組合儀錶，

比例度的概念：對於比例作用大小，工業(yè)控制器常用δ表示，其義為：一、現(xiàn)場經(jīng)驗湊試法1、常用的參數(shù)經(jīng)驗範圍：如表3-1所示2、整定步驟

(1)、在純比例作用下(TI=、TD=0)

在比例度按表3-1的取值下，將系統(tǒng)投入運行； 若曲線振盪頻繁，則加大比例度； 若超調(diào)量大，且趨於非週期，則減少，求得滿意的4：1過渡過程曲線。(2)、引入積分作用

(此時應將上述加大1.2倍)

將積分時間TI由大到小進行整定；若曲線波動較大，則應增大TI；

若曲線偏離給定值後長時間回不來，則需減少TI，以求得較好的過渡過程曲線。

(3)、若需引入微分作用 1、特點:是目前工程上應用較廣泛的一種控制器參數(shù)的整定方法。 2、整定步驟

(1)、在純比例作用下投入(TI=,TD=0),比例度適當；平穩(wěn)操作一段時間，把系統(tǒng)投入自動運行。

將TD按經(jīng)驗值或按TD=(1/3～1/4)TI設置，並由小到大加入；若曲線超調(diào)量大而衰減慢，則需增大TD；

若曲線振盪厲害，則應減小TD；

觀察曲線，再適當調(diào)節(jié)和TI，反復調(diào)試直到獲得滿意的過渡過程曲線。二、穩(wěn)定邊界法（臨界比例度法）圖3-12 ，得到圖3-12所示等幅振盪過程記下臨界比例度K和臨界振盪週期TK值。(2)、將逐漸減小(3)、根據(jù)

K和TK值，採用表3-2中的經(jīng)驗公式，計算、TI、TD的值。

用臨界比例度法整定某過程控制系統(tǒng)所得的比例度

K=20%,臨界振盪週期TK=1min，當控制器分別採用比例作用、比例積分作用、比例積分微分作用時，求其最佳整定參數(shù)值。

例3-1(4)、按“先P後I最後D”的操作程式，將控制器整定參數(shù)調(diào)整到計算值上。

觀察其運行曲線，若不夠滿意，再做進一步調(diào)整。解：應用表3-2經(jīng)驗公式，可得

(1).比例控制器=2K=2×20%=40%

(2).比例積分控制器

=2.2K=2.2×20%=44%TI=TK/1.2=1/1.2=0.83min

(3).比例積分微分控制器

=1.6K=1.620%=32%TI=0.5TK=0.51=0.5minTD=0.25TI=0.250.5=0.125min

應用臨界比例度法的幾點注意事項見P155。三、阻尼振盪法（衰減曲線法）

(1)、實現(xiàn)4：1衰減比先把參數(shù)置成純比例作用(TI=,TD=0)，使系統(tǒng)投入運行；再把從大逐漸調(diào)小，直到出現(xiàn)右圖所示的4：1衰減過程曲線；此時的4：1衰減比例度為S，4：1衰減振盪週期為TS。運行效果如下圖。

1、特點：是在總結穩(wěn)定邊界法的基礎上，經(jīng)過反復實驗提出來的。

2、整定步驟：對於要求系統(tǒng)過渡過程達到4：1衰減的步驟如下。返回

(3)、進一步調(diào)整 按“先P後I最後D”的操作程式，將求得的參數(shù)設置在控制器上；

(2)、計算參數(shù)

再觀察運行曲線，若不太理想，可做適當調(diào)整。根據(jù)S和TS，使用表3-8計算出控制器的各個整定參數(shù)值。某溫度控制系統(tǒng)，採用4：1衰減曲線法整定控制器參數(shù)，得

S=20%，TS=10分，當控制器分別為比例作用、比例積分作用、比例積分微分作用時，試求其整定參數(shù)值。例3-2

解

應用表3-8中的經(jīng)驗公式，可得(1)、比例控制器

=S=20%(2)、比例積分控制器

=1.2S=1.220%=24%TI=0.5TS=0.510=5min(3)、比例積分微分控制器

=0.8S=0.820%=16%TI=0.3TS=0.310=3minTD=0.1TS=0.110=1min

四、回應曲線法（動態(tài)特性參數(shù)法）

2、整定步驟

(1)、用P17-18”實驗法建?！爸兴榻B的方法獲取對象的回應曲線，如下圖所示。

1、特點：依據(jù)對象的回應曲線---飛升特性整定參數(shù)，精度更高。(2)、求取廣義對象的放大係數(shù)Ko式中Δy---被控參數(shù)測量值的變化量；

ΔX---控制器輸出的變化量；

ymax-ymin---測量儀錶的刻度範圍；

Xmax-Xmin---控制器輸出變化範圍。

(3)、根據(jù)對象的K0、T0、

0，按下表3-4所給公式求出4：1衰減過程控制器的參數(shù)、TI和TD。

在某一蒸汽加熱器的控制系統(tǒng)中，當電動單元組合控制器的輸出從6mA改變到7mA時，溫度記錄儀的指針從85℃升到87.8℃，從原來的穩(wěn)定狀態(tài)達到新的穩(wěn)定狀態(tài)。儀錶的刻度為50100℃，並測出O=1.2min,TO=2.5min。如採用PI和PID控制規(guī)律，試確定出整定參數(shù)。例3-3本例中，

X=7-6=1mA

Xmax-Xmin=10-0=10mA

y=87.8-85.0=2.8℃

ymax-ymin=100-50=50℃

所以解：因此，在PI控制器時：

=1.127%=30%

TI=3.31.2=4min在PID控制器時：=0.8527%=23%TI=21.2=2.4min

TD=0.51.2=0.6min解畢。

1、試說明單回路控制系統(tǒng)的構成、主要特點及其應用場合。並說明系統(tǒng)設計的主要內(nèi)容。2、過程控制系統(tǒng)方案設計應包含哪些主要內(nèi)容？3、選擇被控參數(shù)時應遵循哪些基本原則？4、在選擇控制參數(shù)時，為什麼取過程控制通道的靜態(tài)放大係數(shù)K0應適當大一些，而時間常數(shù)T0應適當小一些？5、在設計過程控制系統(tǒng)時，怎樣選擇調(diào)節(jié)器的控制規(guī)律？怎樣確定調(diào)節(jié)器的正、反作用方式和調(diào)節(jié)閥氣開、氣關形式？思考題第四章串級控制系統(tǒng)§4-1概述

單回路控制系統(tǒng)：結構簡單，但難於適應工藝參數(shù)間關係比較複雜的控制，特別是現(xiàn)代大規(guī)模工業(yè)生產(chǎn)。

複雜控制系統(tǒng)：具有兩個以上的檢測變送單元、或控制器、或執(zhí)行器，能完成一些複雜或特殊的任務

串級控制系統(tǒng)：對改善控制品質(zhì)有獨到之處，故而在過程控制系統(tǒng)中應用很廣泛。4.2

4.3

4.4

4.5一.串級控制系統(tǒng)的組成

以煉油廠管式加熱爐的出口溫度控制為例。(1)、採用直接控制方案：如圖4-1所示。優(yōu)點：所有對溫度的干擾都包括在控制回路之中。缺點：對燃油流量變化等干擾控制不及時，總滯後較大。(2)、採用間接控制方案：如圖4-2所示。優(yōu)點：能及時而有效地克服來自燃料油壓力方面的干擾。缺點：燃料油控制只起輔助作用；放棄爐出口溫度控制將無法克服來自原料流量和溫度、爐膛壓力變化等方面的干擾。1、問題的提出

(1)、結構圖：將圖4-1、圖4-2方案綜合起來，即得串級控制系統(tǒng)如圖4-4所示。

2、系統(tǒng)組成

加熱流量測量溫度測量(2)、方框圖：如圖4-3所示。(3)、特徵：兩臺控制器串聯(lián)在一起，控制一個調(diào)節(jié)閥。(4)、另一實例(5)、常見名詞術語:主、副變數(shù)，主、副控制器，主、副對象，主、副變送器，主、副回路等，如圖4-5.4-5二、二次干擾作用在主、副對象上的干擾分別為一、二次干擾。圖4-5為串級控制系統(tǒng)的通用方框圖。三、串級控制系統(tǒng)的工作過程仍以管式加熱爐出口溫度控制為例，分析克服幹擾的過程。1、干擾來自燃料油流量初始階段，出口溫度不變，溫度控制器的輸出不變。出口溫度變化時，溫度控制器不斷改變著流量控制器的設定值。2、干擾來自原料油(1)、使主、副變數(shù)同向變化(2)、使主、副變數(shù)反向變化

分析可知：副控制器具有“粗調(diào)”作用，主控制器具有“細調(diào)”作用；兩者配合，控制品質(zhì)必高於單回路控制系統(tǒng)。出口溫度溫度控制器輸出流量控制器設定值。3、一、二次干擾同時出現(xiàn)燃料油流量為適應溫度控制的需要而不斷變化?！?-2串級控制系統(tǒng)的特點一、時間常數(shù)

串級控制系統(tǒng)能使等效副對象的時間常數(shù)變小，放大係數(shù)增大，從而顯著提高控制品質(zhì)。將整個副回路看成一個副對象，則簡化圖如圖4-5所示（或下張兩圖）。由P181分析，可得式(4-3)

T‘02<T02意味著控制通道的縮短。由於等效副回路時間常數(shù)的縮短，系統(tǒng)的工作頻率提高了（可使振盪週期縮短）。通過對串級和單回路控制系統(tǒng)特徵方程的分析(P181～2)，可知:

串>單。二、工作頻率三、抗干擾能力設干擾從閥前進入。進一步等效,圖4-6。分析可得式:

K1*K2越大，抗干擾能力越強。進一步分析可知單回路比串級抗干擾能力差。四、有一定的自適應能力 單回路控制系統(tǒng)只有一個控制器，設定值一般不變，難以適應負荷非線性的變化。 串級控制系統(tǒng)中，副回路是一個隨動系統(tǒng)，設定值隨主控制器的輸出而變化，適應負荷變化的能力較強。 由式(5-22)(P172)可知，K02變化對等效K‘02影響很小，亦可說明副回路能自動地克服對象非線性特性的影響?！?-3串級控制系統(tǒng)的工業(yè)應用當被控對象純滯後時間較長時，在離控制閥較近、純滯後時間較小的地方選擇一個副變數(shù)，把干擾拉入副回路。利用副回路的超前作用來克服對象的純滯後僅僅是對二次干擾而言的，一次干擾不直接影響副變數(shù)。例如下圖所示：堅持一個設計原則：凡是用單回路控制系統(tǒng)能滿足控制要求的，就不再用串級控制系統(tǒng)。一、用於克服對象的純滯後副變數(shù)：過熱蒸汽溫度，位於滯後較小的B點。被控參數(shù)：A點溫度控制參數(shù)：減溫水流量主要干擾：減溫水壓力波動。二、用於克服對象的容量滯後 容量滯後會使被控對象反應遲鈍，超調(diào)大，過渡過程長。 以溫度或品質(zhì)作為被控量的控制對象，其容量滯後往往比較大，致使控制品質(zhì)變差。 對象容量滯後大、干擾複雜的情況下，串級控制系統(tǒng)的使用最為普遍，效果較好。 此時應選擇一個滯後較小的輔助變數(shù)組成副回路。 副環(huán)的時間常數(shù)不能過大，以防共振；也不能過小，力求多包含一些干擾。

例如下張圖：燃料油熱值變化後，爐膛反應滯後3分鐘，而出口溫度則需15分鐘。三、用於克服變化劇烈和幅值大的干擾

串級控制系統(tǒng)對二次干擾具有很強的克服能力。

設計時應把變化劇烈、幅值大的干擾包含在副回路中。

副回路放大係數(shù)應大些，會使抗干擾能力大大提高。

例如下圖4-13，脫氣塔的壓力對主控指標(液位)影響很大，甚至造成溢出或打幹的事故，是主幹擾，串級控制後效果很好。四、用於克服對象的非線性負荷變化會引起工作點的移動。當負荷變化大且頻繁時，只有高級控制系統(tǒng)才有重整參數(shù)以適應控制要求的能力。

一般控制系統(tǒng)中，有效辦法是採用串級控制。

例在圖4-14中，其中部溫度要嚴控，則將具有非線性特性的換熱器包含在副回路?！?-4串級控制系統(tǒng)的設計

主變數(shù)(操縱量)的選擇原則主要有：(1)、條件允許時選品質(zhì)指標作為主變數(shù)。正確合理地設計，才能使串級控制系統(tǒng)發(fā)揮其特點。設計包括主、副回路選擇，主、副控制器控制規(guī)律選型和正、反作用的確定。一、主、副回路的選擇(一)、主回路是一個定值控制系統(tǒng)，可以按單回路控制系統(tǒng)的設計原則進行。(二)、副回路應包括盡可能多的擾動。前已述及，應將變化最劇烈、幅度最大、最頻繁的擾動包括在副回路中。研究系統(tǒng)的干擾來源是十分重要的。如前述的管式加熱爐，主擾動為然油壓力還是然油熱值，則副回路的選擇大不相同。(2)、其次考慮選擇與品質(zhì)有單值關係的參數(shù)作為主變數(shù)。(3)、所選主變數(shù)應有足夠的靈敏度，且工藝合理、易實現(xiàn)。並非包括的干擾越大越好。干擾包括得越大，副變數(shù)的位置會越靠近主變數(shù)，靈敏度會降低。前已分析得到串與單的關係如P182所示。繪出分析曲線，如右圖所示。(三)、主、副對象的時間常數(shù)要匹配。分析可知(1)、當T01/T02>10時，則T02很小，副回路包括的干擾很少，作用未發(fā)揮。(2)、當T01/T02<3時，說明T02過大，副回路的控制作用不及時。(3)、當T01/T021時，主、副回路易出現(xiàn)“共振效應”。

一般認為：T01/T02=310較合適。究竟T02取多大為好，應按具體情況確定。若欲快速克服主幹擾，則小一點為好；若欲克服對象的大滯後，可取大點；若欲克服對象的非線性，則T01/T02宜取大一些。(四)、選副回路應考慮工藝上的合理性只有滿足工藝要求，才具有實用性。先考慮工藝要求，再考慮其他要求。(五)、副回路設計應考慮經(jīng)濟性原則技術與經(jīng)濟指標應綜合考慮，如下兩圖。1、對主變數(shù)控制品質(zhì)要求高主變數(shù)宜採用PI規(guī)律；欲克服容量滯後，應引進微分作用，採用PID規(guī)律。副變數(shù)一般採用P規(guī)律就可以了。2、對副變數(shù)控制要求也較高主、副變數(shù)均採用PI控制規(guī)律。3、對主變數(shù)控制要求不高，甚至允許小波動主變數(shù)採用P規(guī)律，副回路對主回路的跟隨要求快而準時採用PI控制規(guī)律。二、主、副控制器的選擇

(一)、控制規(guī)律的選擇副控制器按單回路方式選擇，具體見P154。

主控制器按下式確定:(二)、正、反作用方式的選擇

4、對主、副變數(shù)控制要求均不高可均採用P規(guī)律；必要時對主變數(shù)控制引進微分作用。(主控制器+/-)(副對象+/-)(主對象+/-)=(-)

主、副控制器正、反作用方式的確定是否正確，可進行驗證，如圖?！?-5串級控制系統(tǒng)

控制器參數(shù)的整定所謂投運，就是通過適當?shù)牟襟E，使主、副控制器從手動工作狀態(tài)轉到自動工作狀態(tài)。兩種投運方法：①、先投副環(huán)後投主環(huán)(常用)；②、先投主環(huán)後投副環(huán)(很少用)。一、串級控制系統(tǒng)的投運二、串級控制系統(tǒng)控制器參數(shù)的整定

串級控制系統(tǒng)的方案正確設計後，為了使系統(tǒng)運行在最佳狀態(tài)，按照自控理論，必須對系統(tǒng)進行校正，這在過程控制中稱為參數(shù)整定。在工程實踐中，串級控制系統(tǒng)中常用的整定方法有：逐步逼近法、兩步整定法、一步整定法等。(一)、逐步逼近法逐步逼近法是先副後主，逐步逼近。該方法較繁瑣。具體步驟為：先斷開主回路，整定副控制器。後閉合主回路，整定主控制器。重新調(diào)整副控制器參數(shù)。若未達到控制要求，再調(diào)整主控制器參數(shù)。以上步驟迴圈進行，直到滿足(逼近)控制指標為止。對於不同的控制系統(tǒng)和不同的品質(zhì)指標要求，逐步逼近法逼近的迴圈次數(shù)是不同的，所以往往費時較多。(二)、兩步整定法(應用最廣泛)第一步，整定副控制器；第二步，整定主控制器。具體步驟:見教材P186。

應用舉例

在硝酸生產(chǎn)過程中，有一個氧化爐溫度與氨氣流量的串級控制系統(tǒng)。溫度為主參數(shù)，工藝要求較高，溫度最大偏差不能超過5℃，氨氣流量為副參數(shù)，允許在一定範圍內(nèi)變化，要求不高。系統(tǒng)控制器參數(shù)採用兩步整定法，過程如下。①、在系統(tǒng)設計時，主控制器選用PI控制規(guī)律，副控制器選用P控制規(guī)律。在系統(tǒng)穩(wěn)定允許條件下，主、副控制器均置於純比例作用，主控制器的比例度置於100%，用4：1衰減曲線法(見右圖)整定副控制器的參數(shù)，得

②將副控制器的比例度置於32%上，用相同的方法整定，將主控制器的比例度由大到小逐漸調(diào)節(jié)，取得主控制器的

1S=50%,T1S=7min。

2S=32%,T2S=15s。③根據(jù)上述求得的各參數(shù)，運用4：1衰減曲線法整定計算公式(見上表4-1)，計算主、副控制器的整定參數(shù)為：主控制器(溫度控制器)：比例度1=1.21S=60%，積分時間T1=0.5T1S=3.5min副控制器(流量控制器)：比例度2=2S=32%④把上述計算的參數(shù)，按先P後I的次序，分別設置在主、副控制器上，並使串級控制系統(tǒng)在該參數(shù)下運行。實際運行，氧化爐溫度穩(wěn)定，完全滿足生產(chǎn)工藝的要求。1、與單回路系統(tǒng)相比，串級控制系統(tǒng)有哪些主要特點？2、為什麼說串級控制系統(tǒng)具有改善過程動態(tài)特性的特點？T’02和K’02減小與提高控制品質(zhì)有何關係？3、為什麼提高系統(tǒng)工作頻率也算是串級控制系統(tǒng)的一大特點？思考題下一章

加熱溫度測量返回

加熱流量測量返回第五章前饋及複合控制系統(tǒng)

其他回饋控制的缺點：無法將干擾克服在被控制量偏離設計值之前。被控對象總是存在一定的純滯後和容量滯後，故限制了控制作用的充分發(fā)揮。§5-1基本概念

1、問題的提出5.22、技術思路直接按擾動而不是按偏差進行控制。干擾發(fā)生後，被控量還未顯現(xiàn)出變化之前，控制器就產(chǎn)生了控制作用。這種前饋控制系統(tǒng)對干擾的克服要比回饋控制系統(tǒng)及時得多。3、工作原理用右圖針對回饋控制做比較說明。其中Ma為擾動量，T2為出口溫度，WO(s)為控制通道的傳遞函數(shù),Wf(s)為前饋通道的傳遞函數(shù),Wd(s)為干擾通道的傳遞函數(shù)。補償過程如下圖所示?？蓪崿F(xiàn)對擾動的完全補償，使被控量成為對擾動絕對不靈敏的系統(tǒng)。（不變性原理）4、前饋與回饋的比較(1)、檢測：前饋控制測干擾；回饋控制測被控量。(2)、效果：克服干擾，前饋控制及時，理論上可實現(xiàn)完全補償；回饋控制不及時。(3)、經(jīng)濟性：克服干擾，前饋控制只能一對一，不如回饋控制經(jīng)濟。(4)、穩(wěn)定性：前饋為開環(huán)，不存在此問題；回饋則不同，穩(wěn)定性與控制精度是矛盾的?！?-2前饋控制系統(tǒng)的結構形式控制器的輸出僅僅是輸入F的函數(shù)，與時間t無關。在圖4-12中，令前饋控制器傳函滿足下式即可：一、靜態(tài)前饋控制靜態(tài)前饋的含義二、動態(tài)前饋控制

靜態(tài)前饋控制只能有效抑制靜態(tài)偏差；動態(tài)前饋控制不但能有效抑制靜態(tài)偏差；而且能有效抑制動態(tài)偏差。1、問題及辦法2、原理：如右圖，其中Wm(S)非純比例環(huán)節(jié)。動態(tài)前饋控制能顯著提高系統(tǒng)的控制品質(zhì)，但結構和參數(shù)整定均比較複雜。只適用於控制精度要求很高、回饋與靜態(tài)前饋難於滿足時。三、複合控制系統(tǒng)亦稱為前饋--回饋控制系統(tǒng)。1、方法的提出前饋控制是有局限性的：①對補償結果無法檢測；②難以對每個干擾均設計一套前饋控制裝置；③一個固定的前饋模型難以獲得良好的控制品質(zhì)。3、特點及適用性

複合控制的好處：既發(fā)揮了前饋校正及時的優(yōu)點，又保持了回饋控制能抑制多個干擾並對被控量始終給予檢驗的長處。2、組成原理及結構圖:當負荷變化時……對於前饋控制未能完全消除的偏差，以及未能引入前饋控制的其他干擾(如物料進口溫度、蒸汽壓力等)……

3、特點①實現(xiàn)前饋控制作用的完全補償?shù)臈l件不變。（令Y(s)/F(s)=0即可。）②不會因引入前饋控制而影響回饋控制的穩(wěn)定性。4、前饋--回饋控制的優(yōu)點①只需對主要的干擾採用前饋補償，大大簡化了原來的純前饋控制系統(tǒng)。②降低了對前饋控制精度的要求，為工程上實現(xiàn)簡單的前饋補償創(chuàng)造了條件。③比純回饋控制具有控制精度高、溫度速度快的特點。因而是前饋控制中廣泛應用的控制系統(tǒng)。為了保證前饋控制的精度，常希望控制閥靈敏、線性等；採用串級控制系統(tǒng)可滿足以上要求。

四、前饋--串級控制系統(tǒng)1、方法的提出2、原理與結構圖3、應用舉例：

思考題1、前饋控制有哪幾種主要型式？2、前饋控制與回饋控制各有什麼特點？3、為什麼一般不單獨使用前饋控制方案？1、預估補償：原理上能消除純滯後對控制系統(tǒng)的動態(tài)影響，但需被控過程的精確模型，工程上往往難以實現(xiàn)。第六章大滯後補償控制6.2

6.3§6-1克服純滯後的幾種常見方案2、採樣控制：成本較低，但干擾加入的時刻對控制效果影響較大。3、改進型常規(guī)控制：具有通用性廣等特點，目前較常用。4、其他：大林演算法、卡爾曼預估算法、灰色預測控制等。是一種比較簡單、工程上易實現(xiàn)、又能滿足一定控制品質(zhì)要求的控制方案。對降低超調(diào)量更有顯著的效果?！?-2改進型常規(guī)控制方案一、微分先行控制方案1、特點2、組成結構一般常規(guī)PID控制方案：見下張圖6-1。微分先行控制方案：見下張圖6-2。3、傳遞函數(shù)（隨動特性與抗擾動性能）

一般常規(guī)

PI＋D：式(1)、式(2)。

微分先行：式(3)、式(4)。：微分先行較常規(guī)PI＋D少了一個零點Z=1/TD,

故超調(diào)量要小一些。

4、過渡過程比較：區(qū)別二、中間回饋控制方案

使控制系統(tǒng)閉環(huán)傳遞函數(shù)極點位置發(fā)生變化，從而使超調(diào)量大大下降，控制品質(zhì)得到改善。微分作用是獨立的，能及時起校正作用。1、特點2、原理方案3、控制效果：與一般常規(guī)控制對比：（1）、在給定值變化時，無論是微分先行方案，或中間回饋控制方案，其控制過程的品質(zhì)均優(yōu)於常規(guī)PID，尤其在減小超調(diào)量方面效果更佳。。（2）、在擾動作用下，其控制品質(zhì)與常規(guī)PID相差不大?！?-3預估控制方案在PID控制回路上再並聯(lián)一個補償回路，以抵消對象的純滯後因素。1、特點2、原理結構單回路控制系統(tǒng)：史密斯補償原理：如下圖所示。3、控制效果：控制器接受的測量信號比實際檢測到的被控量提前了時間，是一個對被控量的預估器。如下圖所示。Smith預估補償環(huán)節(jié)的等效圖4、工業(yè)應用舉例：加熱爐溫度預估補償控制1、生產(chǎn)過程中的時間滯後是怎麼引起的？2、試舉一生產(chǎn)過程實例，簡述當其擾動通道及控制通道存在純滯後因素時，它們帶給被控參數(shù)的不利影響如何？3、微分先行控制方案與常規(guī)PID控制方案有何異同？思考題第七章實現(xiàn)特殊要求2

3

4

的過程控制系統(tǒng)§7-1比值控制系統(tǒng)

在現(xiàn)代工業(yè)生產(chǎn)過程中，要求兩種或多種物料流量成一定比例關係；一旦比例失調(diào)，會影響生產(chǎn)的正常進行，影響產(chǎn)品品質(zhì)，浪費動力，造成環(huán)境污染，甚至產(chǎn)生生產(chǎn)事故。如：燃燒過程中，往往要求燃料量與空氣量需按一定比例混合後送入爐膛。制藥生產(chǎn)中要求藥物和注入劑按比例混合。一、概述1、方法的產(chǎn)生2、比值控制的含義凡是兩個或多個變數(shù)自動維持一定比值關係的過程控制系統(tǒng)，統(tǒng)稱為比值控制系統(tǒng)。3、變數(shù)及關係主動量---起主導作用而又不可控的物料流量；從動量---跟隨主動量而變化的物料流量；比例係數(shù):K=Q1/

Q2造紙過程中為保證紙漿濃度，要求自動控制紙漿量和水量比例。

水泥配料系統(tǒng)……1、系統(tǒng)組成:如下圖所示。

二、比值控制系統(tǒng)的類型(一)、開環(huán)比值控制(二)、單閉環(huán)比值控制

簡單、成本低；

只有當Q1變化時才起控制作用；

Q2變化時Q1不會回應，比例關係被破壞。

3、適用場合副流量沒有干擾的情況。

2、系統(tǒng)組成：如下圖所示。1、特點:能克服開環(huán)比值方案的不足。2、特點3、工作過程穩(wěn)定狀態(tài)下……主流量變化時……副變數(shù)由於干擾而變化時……

7-3丁烯洗滌塔進料量與洗滌水量的比值控制系統(tǒng)

如右圖所示。4、應用實例:優(yōu)點：不但能實現(xiàn)流量的副量跟主量變化，而且能克服流量干擾等。缺點：主流量不受控。6、應用場合在負荷變化不太大的場合得到廣泛應用。5、優(yōu)缺點能克服單閉環(huán)主流量不受控的不足。1、特點2、系統(tǒng)組成：如下圖所示。(三)、雙閉環(huán)比值控制7-4a)雙閉環(huán)比值控制給定(隨動值)設定值(定值)常用在主流量干擾頻繁或工藝上不允許負荷有較大的波動，或工藝上經(jīng)常需要升降負荷的場合。3、另一優(yōu)點：升降負荷比較方便。4、適用場合5、應用實例：如圖。設定值

在有些生產(chǎn)過程中，要求兩種物料流量的比值隨第三個變數(shù)的變化而變化。

為了滿足上述生產(chǎn)工藝要求，開發(fā)並應用變比值控制。(四)、變比值控制1、方法的產(chǎn)生2、系統(tǒng)結構：如下圖所示。3、變比值控制的含義比值只是一種手段，不是最終目的，而第三變數(shù)Y(s)往往是產(chǎn)品品質(zhì)指標。變比值控制系統(tǒng)是一個以第三個變數(shù)為主變數(shù)(品質(zhì)指標)、以兩個流量比為副變數(shù)的串級控制系統(tǒng)。4、工作過程系統(tǒng)穩(wěn)定時……當Q1、Q2出現(xiàn)擾動時……當出現(xiàn)其他擾動(如溫度、壓力、成分等變化)時……5、該法特點7-7氧化爐溫度與氨氣/空氣串級比值控制系統(tǒng)6、應用實例：見以下兩圖。§7-2均勻控制系統(tǒng)在連續(xù)生產(chǎn)過程中，一個裝置或設備往往與前後的裝置或設備緊密地聯(lián)想著，前一裝置或設備的出料量是後一裝置或設備的進料量，而後一裝置或設備的出料量又輸送給其他的裝置或設備。例如石油裂解氣分離工藝，前後共串聯(lián)了八個塔。前後有物料聯(lián)繫的精餾塔，前塔的液位與後塔的進料量的穩(wěn)定要求會發(fā)生矛盾，如下圖所示。

一、均勻控制的用途及特點1、問題的提出

是指兩個工藝參數(shù)在規(guī)定範圍內(nèi)能緩慢地、均勻地變化，使前後設備在物料供求上相互兼顧、均勻協(xié)調(diào)的系統(tǒng)。兩塔之間增設緩衝器(不適宜)。採用均勻控制系統(tǒng)(上策)。3、均勻控制的含義2、解決辦法4、均勻控制的特點表徵前後供求矛盾的兩個參數(shù)都是變化的，變化是緩慢的，是在允許範圍內(nèi)波動的。參見下圖。前塔的液位變化不能超過規(guī)定的上、下限。後塔的進料量也不能超過最大和最小處理量。非均勻控制二、均勻控制系統(tǒng)的結構方案

1、方案示例：如下圖(一)、簡單均勻控制去下一精餾塔5、適用場合

2、與液位定值控制相比通常適用於擾動較小、對流量的均勻程度要求較低的場合。比例作用是基本的；不能引入微分；積分是否引入視情況而定。系統(tǒng)的結構和所使用的儀錶是完全一樣的，但控制目的不同。3、對控制參數(shù)應做適當選擇4、特點簡單均勻控制系統(tǒng)的最大優(yōu)點是結構簡單、操作方便、成本低；但控制效果差。(二)、串級

均勻控制

1、組成結構：

為了克服調(diào)節(jié)閥前後壓力波動和被控過程的自衡特性對流量的影響，設計以流量為副變數(shù)的流量控制副回路，如右圖所示。2、與典型串級的異同

不能加微分作用；液位宜採用PI規(guī)律；流量一般用P規(guī)律。

串級均勻控制系統(tǒng)能克服控制閥前後壓力較大的擾動，使主、副變數(shù)變化均勻緩慢平穩(wěn)，控制品質(zhì)較高。結構方案相同，目的不同；均勻串級控制的目的是使液位與流量均勻協(xié)調(diào)。3、控制過程設干擾使1#塔液位上升…設2#塔因塔壓變化使其入料量發(fā)生變化…4、控制作用選擇(十分重要)5、特點(三)、雙衝量均勻控制

所謂雙衝量均勻控制系統(tǒng)，就是將兩個變數(shù)的測量信號通過加法器後作為被控量的均勻控制系統(tǒng)。

圖中PO=PH-PQ+Pr+C

1、含義2、應用示例：見下圖。3、一般方塊圖：如下圖所示。1、問題的提出

控制中往往會出現(xiàn)一些隨機的特殊要求，如在故障情況下能保證安全生產(chǎn)；發(fā)出報警後改由人工操作或聯(lián)鎖保護不是最佳辦法。

2、對選擇性控制