過(guò)程控制系統(tǒng)課件

過(guò)程控制系統(tǒng)

第一章

緒論

2

3

4

5

6

第二章

被控過(guò)程的數(shù)學(xué)模型

2

3

第三章

單回路控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

2

3

4

5

第四章

串級(jí)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(shí)間滯後控制系統(tǒng)

23

第七章

其他過(guò)程控制系統(tǒng)23

4

第八章

過(guò)程控制中的電腦應(yīng)用2

3

4

§1-1課程的性質(zhì)和教學(xué)安排

凡是採(cǎi)用數(shù)字或模擬控制方式對(duì)生產(chǎn)過(guò)程的某一或某些物理參數(shù)進(jìn)行的自動(dòng)控制通稱為過(guò)程控制。(另有電力拖動(dòng)控制方向)

1、過(guò)程控制的概念2、過(guò)程控制是自動(dòng)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(xué)安排4、主要參考書

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

機(jī)械工業(yè)出版社(3)、微型電腦控制技術(shù)，於海生，清華大學(xué)出版社(1)、學(xué)時(shí)、實(shí)驗(yàn)情況(2)、內(nèi)容安排(2)、從實(shí)際應(yīng)用看(1)、從專業(yè)特點(diǎn)看返回生產(chǎn)過(guò)程自動(dòng)化是保持生產(chǎn)穩(wěn)定、降低消耗、減少成本、改善勞動(dòng)條件、保證安全和提高勞動(dòng)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(gè)方面：

1、初期階段(30～40年代)

2、簡(jiǎn)單儀錶化階段(40～60年代)

3、綜合自動(dòng)化階段(60～70年代中期)

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

及電腦的作用

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

2、對(duì)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(yùn)動(dòng)等。5、電腦在過(guò)程控制中的地位和作用

電腦的應(yīng)用不僅促進(jìn)了現(xiàn)代控制理論的發(fā)展，而且也推動(dòng)了自動(dòng)化向深度與廣度進(jìn)軍，使生產(chǎn)自動(dòng)化提高到更高的水準(zhǔn)。甚至在向智能化的方向大步邁進(jìn)。微型電腦控制生產(chǎn)過(guò)程，按不同的控制目的，可分為兩類：一是數(shù)據(jù)檢測(cè)處理，二是形成微機(jī)控制系統(tǒng)。微機(jī)控制在提高產(chǎn)品品質(zhì)、保證安全運(yùn)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(zhǔn)方面正在並將發(fā)揮越來(lái)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(guò)程控制的組成及術(shù)語(yǔ)1、控制原理(如下圖)以液體儲(chǔ)槽的水位控制為例進(jìn)行說(shuō)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(duì)象：生產(chǎn)過(guò)程中被控制的工藝設(shè)備或裝置。

(2)、檢測(cè)變送單元：儀錶課中已做介紹。

(3)、控制器：即時(shí)地對(duì)被控系統(tǒng)施加控制作用。

(4)、執(zhí)行器：將控制信號(hào)進(jìn)行放大以驅(qū)動(dòng)控制閥。常見(jiàn)的有氣動(dòng)和電動(dòng)兩種。

(5)、控制閥：控制進(jìn)料量。有氣開(kāi)式和氣關(guān)式之別。

1、被控對(duì)象

(簡(jiǎn)稱對(duì)象或過(guò)程)：前已述及。

2、被控參數(shù)：按照生產(chǎn)過(guò)程要求，某些變數(shù)應(yīng)該維持在穩(wěn)定的變化範(fàn)圍內(nèi)，如果對(duì)其施加控制作用，就稱二、常用術(shù)語(yǔ)

：

凡是影響被控量的各種作用均叫做干擾或擾動(dòng)。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(chǔ)水槽液位控制系統(tǒng)的給水量。

5、測(cè)量值：被控變數(shù)經(jīng)檢測(cè)變送後即是測(cè)量值。

6、給定值：即被控變數(shù)的設(shè)定值。

7、偏差值：準(zhǔn)確地說(shuō)，應(yīng)是被控量的給定值與實(shí)際值之差。但能夠直接得到的信號(hào)是被控量的測(cè)量值，故通常把給定值與測(cè)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(wù)分類：有比例控制、均勻控制、前饋控制等。3、按自動(dòng)化裝置的不同分類：§1-5過(guò)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(guò)程中應(yīng)用最大的一種過(guò)程控制系統(tǒng)。在運(yùn)行時(shí)，系統(tǒng)被控量的給定值是不變的。有時(shí)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(fàn)圍附近波動(dòng)。

二、按設(shè)定值形式分類4、按控制器的動(dòng)作分類：有1、定值控制系統(tǒng)PPIPID位式開(kāi)環(huán)閉環(huán)、。2、隨動(dòng)控制系統(tǒng)其給定值按預(yù)定的時(shí)間程式來(lái)變化。如機(jī)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(yīng)用定值控制系統(tǒng)的也很多，如電腦控制的洗衣機(jī)、電飯煲等。是一種被控量的給定值隨時(shí)間任意變化的控制系統(tǒng)。它的主要作用是克服一切擾動(dòng)，使被控量隨時(shí)跟蹤給定值。3、程式控制系統(tǒng)

1、遞減比見(jiàn)圖一般認(rèn)為，n:1=4:1時(shí)穩(wěn)定性好，但溫度等慢變化過(guò)程約取10:1為好，應(yīng)根據(jù)實(shí)際情況靈活處理。

2、衰減率

是衡量過(guò)度過(guò)程穩(wěn)定性的一個(gè)動(dòng)態(tài)指標(biāo)(於遞減比含義相同).一般取=0.75～0.9。§1-6控制系統(tǒng)的品質(zhì)指標(biāo)見(jiàn)圖3、動(dòng)態(tài)偏差（亦即超調(diào)量）

為被控量偏離穩(wěn)定值或設(shè)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(shí)間、靜態(tài)偏差（即餘差）

見(jiàn)以下兩圖中的C。返回1。數(shù)學(xué)模型的有關(guān)概念§2-1概述 數(shù)學(xué)模型:指過(guò)程在各輸入量的作用下，其相應(yīng)輸出量變化的函數(shù)關(guān)係數(shù)學(xué)運(yùn)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(hào)聯(lián)繫。第二章被控過(guò)程

的數(shù)學(xué)模型

2.2

2.3擾動(dòng)通道--擾動(dòng)作用與被控量間的信號(hào)聯(lián)繫。

2。研究並建立數(shù)學(xué)模型的目的 (1)、設(shè)計(jì)過(guò)程控制系統(tǒng)、整定調(diào)節(jié)器參數(shù)。 (2)、指導(dǎo)生產(chǎn)工藝設(shè)備的設(shè)計(jì)。 (3)、進(jìn)行仿真實(shí)驗(yàn)研究。(4)、培訓(xùn)運(yùn)行操作人員。3。單輸入-單輸出過(guò)程的常見(jiàn)模型 (1)、線性時(shí)間連續(xù)模型

(2)、線性時(shí)間離散模型4。有/無(wú)平衡能力的概念(參見(jiàn)圖

1

2)控制通道--控制作用與被控量間的信號(hào)聯(lián)繫；一。自衡過(guò)程的數(shù)學(xué)模型自衡的定義：對(duì)象受到干擾作用後，平衡狀態(tài)被破壞，無(wú)須外加任何控制作用，依靠對(duì)象本身自動(dòng)平衡的傾向，逐漸地達(dá)到新的平衡狀態(tài)的性質(zhì)，稱為平衡能力。(一)、單容過(guò)程的數(shù)學(xué)模型1、單容過(guò)程的定義：只有一個(gè)儲(chǔ)蓄容量的過(guò)程。如下頁(yè)圖所示?！?-2機(jī)理分析法建模過(guò)程演示2-1返回討論：(1)、靜態(tài)時(shí)，q1=q2=dh/dt=0;(2)、當(dāng)q1變化時(shí)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(guān)係分析3、建立數(shù)學(xué)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(shè)備和傳輸管路都具有一定的儲(chǔ)蓄物質(zhì)或能量的能力。被控對(duì)象儲(chǔ)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(shí)，被控過(guò)程儲(chǔ)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(yè)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(zhuǎn)移，都要克服阻力，阻力的大小決定於不同的勢(shì)頭和流率。種類：電阻、熱阻、氣阻、流(液)阻。2、數(shù)學(xué)模型(二)、具有純滯後單容過(guò)程的數(shù)學(xué)模型純滯後單容過(guò)程及其回應(yīng)曲線2-3無(wú)純滯後有純滯後(三)、多容過(guò)程的數(shù)學(xué)模型

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

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

1、參量關(guān)係分析

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

2、傳遞函數(shù)二容、三容過(guò)程形式：如圖2-9、圖2-10所示。(二)、多容過(guò)程的數(shù)學(xué)模型2-10對(duì)正常生產(chǎn)影響小。轉(zhuǎn)換成階躍回應(yīng)的方法如下圖。一、回應(yīng)曲線法

問(wèn)題的提出：大多數(shù)工業(yè)過(guò)程的機(jī)理模型是很難建立的，只有採(cǎi)用實(shí)驗(yàn)建模。是一種時(shí)域法辨識(shí)對(duì)象的動(dòng)態(tài)特的方法。(一)、階躍擾動(dòng)法測(cè)定對(duì)象的回應(yīng)曲線實(shí)驗(yàn)時(shí)往往會(huì)對(duì)正常生產(chǎn)造成影響。(二)、矩形脈衝法測(cè)定對(duì)象的回應(yīng)曲線§2-3試驗(yàn)法建模

---過(guò)程辨識(shí)2-11將矩形脈衝看成正負(fù)兩個(gè)等幅的階躍信號(hào)，據(jù)此而得到輸出的階躍回應(yīng)。即轉(zhuǎn)換的思路是：

x(t)=x1(t)+

x2(t)(見(jiàn)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(jìn)行轉(zhuǎn)換的過(guò)程如圖2-11中部(有自衡過(guò)程)和下部(無(wú)自衡過(guò)程)。

(三)、由階躍回應(yīng)曲線確定過(guò)程的傳遞函數(shù)多數(shù)過(guò)程的數(shù)學(xué)模型運(yùn)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(shí)間常數(shù)a、切線法：如右圖。

b、圖解法（半對(duì)數(shù)法）：P20-21及下圖圖2-12階躍回應(yīng)曲線通過(guò)P20-21的分析，得斜率為：圖2-132、確定有時(shí)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(yàn)公式為式(2-36)(詳見(jiàn)塗植英教材)。2-153、二階慣性環(huán)節(jié)的參數(shù)回應(yīng)曲線如圖2-15所示。(1).形式:（假設(shè)K=1)則其單位階躍回應(yīng)特性方程為

(2).求解由拐點(diǎn)處，得由圖可見(jiàn)拐點(diǎn)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(guān)計(jì)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(shè)計(jì)

1、典型例子：見(jiàn)下圖一、系統(tǒng)的基本結(jié)構(gòu)

單回路控制系統(tǒng)又稱為簡(jiǎn)單控制系統(tǒng)。雖然簡(jiǎn)單，但應(yīng)用較廣；過(guò)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(wú)疑是重點(diǎn)之一?！?-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(diǎn)最簡(jiǎn)單、最基本；應(yīng)用最廣泛、最成熟。是各種複雜控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)和參數(shù)整定的基礎(chǔ)。適用於被控對(duì)象滯後時(shí)間較小，負(fù)載和干擾不大，控制品質(zhì)要求不很高的場(chǎng)合。二、過(guò)程控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)的要求1、安全性2、穩(wěn)定性3、經(jīng)濟(jì)性三、過(guò)程控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)步驟1、建立被控過(guò)程的數(shù)學(xué)模型2、選擇控制方案3、選擇控制設(shè)備型號(hào)規(guī)格4、實(shí)驗(yàn)（與仿真）四、控制系統(tǒng)的工程考慮包括儀錶（微機(jī)）選型、控制室和儀錶盤設(shè)計(jì)、供水供電供氣設(shè)計(jì)、信號(hào)系統(tǒng)設(shè)計(jì)、安全防暴設(shè)計(jì)等。(2)、對(duì)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(shè)計(jì)

1、方案設(shè)計(jì)是整個(gè)控制工程設(shè)計(jì)中最重要的一步，應(yīng)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(shè)計(jì)的一個(gè)至關(guān)重要的問(wèn)題。恰當(dāng)?shù)倪x擇對(duì)於穩(wěn)定生產(chǎn)、提高產(chǎn)品產(chǎn)量和品質(zhì)、改善勞動(dòng)條件有很大的作用。若選擇不當(dāng)，則不論組成什麼樣的控制系統(tǒng)，選擇多麼先進(jìn)的過(guò)程檢測(cè)控制儀錶，都不能達(dá)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(guò)程，才能選擇出合適、可測(cè)的工藝參數(shù)。2.選擇方法

(2).選間接參數(shù)當(dāng)選直接參數(shù)有困難時(shí)採(cǎi)用。(如用反應(yīng)釜的溫度控制間接實(shí)現(xiàn)化學(xué)反應(yīng)的品質(zhì)控制。)(1).選直接參數(shù)即能直接發(fā)映生產(chǎn)過(guò)程產(chǎn)品產(chǎn)量和品質(zhì)，以及安全運(yùn)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(yīng)與直接參數(shù)有某種單值函數(shù)關(guān)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(dāng)生產(chǎn)過(guò)程中有多個(gè)因素能影響被控參數(shù)(量)變化時(shí)，應(yīng)分析過(guò)程擾動(dòng)通道特性與控制通道特性對(duì)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(dòng)的能力要強(qiáng)，動(dòng)態(tài)回應(yīng)應(yīng)比擾動(dòng)通道快。圖3-3(一)、過(guò)程靜態(tài)參數(shù)對(duì)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(jiǎn)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(duì)干擾的閉環(huán)傳遞函數(shù)為設(shè)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(dòng)下的餘差為過(guò)程穩(wěn)態(tài)特性對(duì)控制品質(zhì)有很大影響，這是選擇操縱參數(shù)的一個(gè)重要依據(jù)。應(yīng)使Kf越小越好，以減弱擾動(dòng)對(duì)控制參數(shù)的影響。4.討論1.時(shí)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(guò)程中，KcK0應(yīng)為一常數(shù)，K0大小可通過(guò)Kc來(lái)調(diào)節(jié)。在控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)時(shí)，控制通道的K0擬適當(dāng)選大一些。(二).干擾通道動(dòng)態(tài)特性

對(duì)控制品質(zhì)的影響2.滯後時(shí)間的影響

Tf變大或個(gè)數(shù)增多，均對(duì)干擾起到了一種濾波作用。干擾通道的純滯後時(shí)間僅使被控參數(shù)對(duì)其反應(yīng)在時(shí)間上平移了一段時(shí)間，理論上無(wú)影響。干擾通道的容量滯後會(huì)使干擾信號(hào)變得緩和一些，對(duì)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(dòng)態(tài)特性對(duì)控制品質(zhì)的影響在系統(tǒng)設(shè)計(jì)時(shí)，應(yīng)使擾動(dòng)作用點(diǎn)位置遠(yuǎn)離被控量。

(1).T太大

特點(diǎn)：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(cǎi)用前饋或複雜控制.

(2).結(jié)論1.時(shí)間常數(shù)的影響(2).T過(guò)小特點(diǎn)：控制作用增強(qiáng)，但系統(tǒng)容易振盪。措施：選擇快速監(jiān)測(cè)、控制、執(zhí)行器件；設(shè)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(yīng)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(shí)間的影響

1.控制通道的放大係數(shù)K0要適當(dāng)選大一些；時(shí)間常數(shù)T0要適當(dāng)小一些；純滯後時(shí)間

0越小越好，0與T0之比應(yīng)小於1.

2.擾動(dòng)通道的放大係數(shù)Kf應(yīng)盡可能??；時(shí)間常數(shù)Tf要大；擾動(dòng)引入系統(tǒng)的位置要遠(yuǎn)離控制過(guò)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(jì)性。(五).實(shí)例討論

例1：噴霧式乳粉乾燥設(shè)備的控制（P171)。

1.工藝流程：參見(jiàn)教材P172圖3-28。

2.控制要求：乾燥後的產(chǎn)品含水量波動(dòng)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(fēng)量作控制參數(shù)為最佳選擇。例2儲(chǔ)槽液位控制(P173)

在自動(dòng)控制系統(tǒng)中，接受調(diào)節(jié)器的指令；

經(jīng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)將其轉(zhuǎn)換為相應(yīng)的角位移或直線位移；

去操縱調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)，改變被控對(duì)象進(jìn)、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(dòng)薄膜控制閥的工作原理(一)、氣動(dòng)薄膜執(zhí)行機(jī)構(gòu)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(shí)，其開(kāi)度增加。反作用--控制氣壓增加時(shí)，其開(kāi)度減小。3、作用原理

PPAe=kll=AeP/k

(二)、控制閥體

1、作用：是一個(gè)局部阻力可以變化的節(jié)流元件。

2、流量方程

當(dāng)口徑A和差壓(P1-P2)一定時(shí)，流量Q僅隨阻尼的變化而變化。改變閥門的開(kāi)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(shí)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(duì)流量預(yù)相對(duì)開(kāi)度成直線關(guān)係，即(2)、特性方程

2、其他流量特性

(3)、特點(diǎn)：適於在較大開(kāi)度下使用。(注：國(guó)產(chǎn)閥，可控比R=30)

對(duì)數(shù)特性：小流量時(shí)，控制作用平緩；大流量時(shí)，控制作用靈敏有效，克服了直流特性的不足?？扉_(kāi)特性：適於要求快速開(kāi)、閉的控制系統(tǒng)。拋物線特性：介於直線特性與對(duì)數(shù)特性之間，彌補(bǔ)了直線特性小開(kāi)度時(shí)控制性能差的缺點(diǎn)。(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(shè)

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(duì)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(jì)算法和經(jīng)驗(yàn)法兩大類。

由對(duì)象特性選工作特性推理想特性查廠家手冊(cè)。

三、控制閥作用方式的選擇

選氣開(kāi)還是氣關(guān)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(dòng)力的損耗考慮4、從介質(zhì)特點(diǎn)考

(一)、氣開(kāi)氣關(guān)方式的選擇

執(zhí)行機(jī)構(gòu)與閥體部件的配用有表可查。先選氣開(kāi)、氣關(guān)方式，再選執(zhí)行機(jī)構(gòu)。

(二)、執(zhí)行機(jī)構(gòu)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(hào)通道在被控參數(shù)和控制參數(shù)確定之後就定下來(lái)了。根據(jù)對(duì)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(duì)控制品質(zhì)的影響一、比例控制作用對(duì)控制品質(zhì)的影響三、微分控制作用對(duì)控制品質(zhì)的影響

(1)、特點(diǎn)：抗干擾能力強(qiáng)，過(guò)渡過(guò)程時(shí)間短，但有餘差。

(2)、適用：控制通道滯後較小，負(fù)荷變化不大，允許被控量在一定範(fàn)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(qiáng)，會(huì)引起控制閥時(shí)而全開(kāi)、時(shí)而全關(guān)。四、控制器的選型應(yīng)由對(duì)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(diǎn)：對(duì)克服對(duì)象的容量滯後有顯著的效果。 (2)、適用：負(fù)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(diǎn)：過(guò)渡過(guò)程結(jié)束時(shí)無(wú)餘差，但系統(tǒng)的穩(wěn)定性降低。(2)、適用：滯後較小，負(fù)荷變化不大，被控量不允許有餘差的控制系統(tǒng)。負(fù)荷變化大，純滯後大，採(cǎi)用PID達(dá)不到要求時(shí)採(cǎi)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(gè)單回路構(gòu)成負(fù)回饋系統(tǒng)---乘積為負(fù)。1、控制閥：氣開(kāi)式為“＋”，氣關(guān)式為“-”；

2、控制器：正作用為“＋”，反作用為“-”；3、被控對(duì)象：物料或能量增加時(shí)，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(duì)象“±”)=“-”如果控制方案已經(jīng)確定，則過(guò)程各通道的靜態(tài)和動(dòng)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(gè)參數(shù)值的設(shè)置?？刂破鞯膮?shù)整定，就是確定最佳過(guò)渡過(guò)程中控制器的比例度δ、積分時(shí)間TI、微分時(shí)間TD的具體數(shù)值。所謂最佳過(guò)渡過(guò)程，就是在某種品質(zhì)指標(biāo)下，系統(tǒng)達(dá)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(duì)數(shù)頻率特性法、根軌跡法等。(2)、工程整定法：經(jīng)驗(yàn)湊試法、衰減曲線法、臨界比例度法、回應(yīng)曲線法等。

(1)、理論整定法

對(duì)於單元組合儀錶，

比例度的概念：對(duì)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(chǎng)經(jīng)驗(yàn)湊試法1、常用的參數(shù)經(jīng)驗(yàn)範(fàn)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(yùn)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(guò)渡過(guò)程曲線。(2)、引入積分作用

(此時(shí)應(yīng)將上述加大1.2倍)

將積分時(shí)間TI由大到小進(jìn)行整定；若曲線波動(dòng)較大，則應(yīng)增大TI；

若曲線偏離給定值後長(zhǎng)時(shí)間回不來(lái)，則需減少TI，以求得較好的過(guò)渡過(guò)程曲線。

(3)、若需引入微分作用 1、特點(diǎn):是目前工程上應(yīng)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(dāng)；平穩(wěn)操作一段時(shí)間，把系統(tǒng)投入自動(dòng)運(yùn)行。

將TD按經(jīng)驗(yàn)值或按TD=(1/3～1/4)TI設(shè)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(yīng)減小TD；

觀察曲線，再適當(dāng)調(diào)節(jié)和TI，反復(fù)調(diào)試直到獲得滿意的過(guò)渡過(guò)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(guò)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(cǎi)用表3-2中的經(jīng)驗(yàn)公式，計(jì)算、TI、TD的值。

用臨界比例度法整定某過(guò)程控制系統(tǒng)所得的比例度

K=20%,臨界振盪週期TK=1min，當(dāng)控制器分別採(cǎi)用比例作用、比例積分作用、比例積分微分作用時(shí)，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(jì)算值上。

觀察其運(yùn)行曲線，若不夠滿意，再做進(jìn)一步調(diào)整。解：應(yīng)用表3-2經(jīng)驗(yàn)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(yīng)用臨界比例度法的幾點(diǎn)注意事項(xiàng)見(jiàn)P155。三、阻尼振盪法（衰減曲線法）

(1)、實(shí)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(yùn)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(guò)程曲線；此時(shí)的4：1衰減比例度為S，4：1衰減振盪週期為TS。運(yùn)行效果如下圖。

1、特點(diǎn)：是在總結(jié)穩(wěn)定邊界法的基礎(chǔ)上，經(jīng)過(guò)反復(fù)實(shí)驗(yàn)提出來(lái)的。

2、整定步驟：對(duì)於要求系統(tǒng)過(guò)渡過(guò)程達(dá)到4：1衰減的步驟如下。返回

(3)、進(jìn)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(shè)置在控制器上；

(2)、計(jì)算參數(shù)

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

S=20%，TS=10分，當(dāng)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(shí)，試求其整定參數(shù)值。例3-2

解

應(yīng)用表3-8中的經(jīng)驗(yàn)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(yīng)曲線法（動(dòng)態(tài)特性參數(shù)法）

2、整定步驟

(1)、用P17-18”實(shí)驗(yàn)法建?！爸兴榻B的方法獲取對(duì)象的回應(yīng)曲線，如下圖所示。

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

ΔX---控制器輸出的變化量；

ymax-ymin---測(cè)量?jī)x錶的刻度範(fàn)圍；

Xmax-Xmin---控制器輸出變化範(fàn)圍。

(3)、根據(jù)對(duì)象的K0、T0、

0，按下表3-4所給公式求出4：1衰減過(guò)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(dāng)電動(dòng)單元組合控制器的輸出從6mA改變到7mA時(shí)，溫度記錄儀的指針從85℃升到87.8℃，從原來(lái)的穩(wěn)定狀態(tài)達(dá)到新的穩(wěn)定狀態(tài)。儀錶的刻度為50100℃，並測(cè)出O=1.2min,TO=2.5min。如採(cǎi)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(shí)：

=1.127%=30%

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

TD=0.51.2=0.6min解畢。

1、試說(shuō)明單回路控制系統(tǒng)的構(gòu)成、主要特點(diǎn)及其應(yīng)用場(chǎng)合。並說(shuō)明系統(tǒng)設(shè)計(jì)的主要內(nèi)容。2、過(guò)程控制系統(tǒng)方案設(shè)計(jì)應(yīng)包含哪些主要內(nèi)容？3、選擇被控參數(shù)時(shí)應(yīng)遵循哪些基本原則？4、在選擇控制參數(shù)時(shí)，為什麼取過(guò)程控制通道的靜態(tài)放大係數(shù)K0應(yīng)適當(dāng)大一些，而時(shí)間常數(shù)T0應(yīng)適當(dāng)小一些？5、在設(shè)計(jì)過(guò)程控制系統(tǒng)時(shí)，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(kāi)、氣關(guān)形式？思考題第四章串級(jí)控制系統(tǒng)§4-1概述

單回路控制系統(tǒng)：結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，但難於適應(yīng)工藝參數(shù)間關(guān)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(gè)以上的檢測(cè)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(wù)

串級(jí)控制系統(tǒng)：對(duì)改善控制品質(zhì)有獨(dú)到之處，故而在過(guò)程控制系統(tǒng)中應(yīng)用很廣泛。4.2

4.3

4.4

4.5一.串級(jí)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(cǎi)用直接控制方案：如圖4-1所示。優(yōu)點(diǎn)：所有對(duì)溫度的干擾都包括在控制回路之中。缺點(diǎn)：對(duì)燃油流量變化等干擾控制不及時(shí)，總滯後較大。(2)、採(cǎi)用間接控制方案：如圖4-2所示。優(yōu)點(diǎn)：能及時(shí)而有效地克服來(lái)自燃料油壓力方面的干擾。缺點(diǎn)：燃料油控制只起輔助作用；放棄爐出口溫度控制將無(wú)法克服來(lái)自原料流量和溫度、爐膛壓力變化等方面的干擾。1、問(wèn)題的提出

(1)、結(jié)構(gòu)圖：將圖4-1、圖4-2方案綜合起來(lái)，即得串級(jí)控制系統(tǒng)如圖4-4所示。

2、系統(tǒng)組成

加熱流量測(cè)量溫度測(cè)量(2)、方框圖：如圖4-3所示。(3)、特徵：兩臺(tái)控制器串聯(lián)在一起，控制一個(gè)調(diào)節(jié)閥。(4)、另一實(shí)例(5)、常見(jiàn)名詞術(shù)語(yǔ):主、副變數(shù)，主、副控制器，主、副對(duì)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(duì)象上的干擾分別為一、二次干擾。圖4-5為串級(jí)控制系統(tǒng)的通用方框圖。三、串級(jí)控制系統(tǒng)的工作過(guò)程仍以管式加熱爐出口溫度控制為例，分析克服幹?jǐn)_的過(guò)程。1、干擾來(lái)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(shí)，溫度控制器不斷改變著流量控制器的設(shè)定值。2、干擾來(lái)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(xì)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(shè)定值。3、一、二次干擾同時(shí)出現(xiàn)燃料油流量為適應(yīng)溫度控制的需要而不斷變化?！?-2串級(jí)控制系統(tǒng)的特點(diǎn)一、時(shí)間常數(shù)

串級(jí)控制系統(tǒng)能使等效副對(duì)象的時(shí)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(gè)副回路看成一個(gè)副對(duì)象，則簡(jiǎn)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(shí)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(guò)對(duì)串級(jí)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(shè)干擾從閥前進(jìn)入。進(jìn)一步等效,圖4-6。分析可得式:

K1*K2越大，抗干擾能力越強(qiáng)。進(jìn)一步分析可知單回路比串級(jí)抗干擾能力差。四、有一定的自適應(yīng)能力 單回路控制系統(tǒng)只有一個(gè)控制器，設(shè)定值一般不變，難以適應(yīng)負(fù)荷非線性的變化。 串級(jí)控制系統(tǒng)中，副回路是一個(gè)隨動(dòng)系統(tǒng)，設(shè)定值隨主控制器的輸出而變化，適應(yīng)負(fù)荷變化的能力較強(qiáng)。 由式(5-22)(P172)可知，K02變化對(duì)等效K‘02影響很小，亦可說(shuō)明副回路能自動(dòng)地克服對(duì)象非線性特性的影響?！?-3串級(jí)控制系統(tǒng)的工業(yè)應(yīng)用當(dāng)被控對(duì)象純滯後時(shí)間較長(zhǎng)時(shí)，在離控制閥較近、純滯後時(shí)間較小的地方選擇一個(gè)副變數(shù)，把干擾拉入副回路。利用副回路的超前作用來(lái)克服對(duì)象的純滯後僅僅是對(duì)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(jiān)持一個(gè)設(shè)計(jì)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(jí)控制系統(tǒng)。一、用於克服對(duì)象的純滯後副變數(shù)：過(guò)熱蒸汽溫度，位於滯後較小的B點(diǎn)。被控參數(shù)：A點(diǎn)溫度控制參數(shù)：減溫水流量主要干擾：減溫水壓力波動(dòng)。二、用於克服對(duì)象的容量滯後 容量滯後會(huì)使被控對(duì)象反應(yīng)遲鈍，超調(diào)大，過(guò)渡過(guò)程長(zhǎng)。 以溫度或品質(zhì)作為被控量的控制對(duì)象，其容量滯後往往比較大，致使控制品質(zhì)變差。 對(duì)象容量滯後大、干擾複雜的情況下，串級(jí)控制系統(tǒng)的使用最為普遍，效果較好。 此時(shí)應(yīng)選擇一個(gè)滯後較小的輔助變數(shù)組成副回路。 副環(huán)的時(shí)間常數(shù)不能過(guò)大，以防共振；也不能過(guò)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(yīng)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(jí)控制系統(tǒng)對(duì)二次干擾具有很強(qiáng)的克服能力。

設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)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(yīng)大些，會(huì)使抗干擾能力大大提高。

例如下圖4-13，脫氣塔的壓力對(duì)主控指標(biāo)(液位)影響很大，甚至造成溢出或打幹的事故，是主幹?jǐn)_，串級(jí)控制後效果很好。四、用於克服對(duì)象的非線性負(fù)荷變化會(huì)引起工作點(diǎn)的移動(dòng)。當(dāng)負(fù)荷變化大且頻繁時(shí)，只有高級(jí)控制系統(tǒng)才有重整參數(shù)以適應(yīng)控制要求的能力。

一般控制系統(tǒng)中，有效辦法是採(cǎi)用串級(jí)控制。

例在圖4-14中，其中部溫度要嚴(yán)控，則將具有非線性特性的換熱器包含在副回路。§4-4串級(jí)控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

主變數(shù)(操縱量)的選擇原則主要有：(1)、條件允許時(shí)選品質(zhì)指標(biāo)作為主變數(shù)。正確合理地設(shè)計(jì)，才能使串級(jí)控制系統(tǒng)發(fā)揮其特點(diǎn)。設(shè)計(jì)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(gè)定值控制系統(tǒng)，可以按單回路控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)原則進(jìn)行。(二)、副回路應(yīng)包括盡可能多的擾動(dòng)。前已述及，應(yīng)將變化最劇烈、幅度最大、最頻繁的擾動(dòng)包括在副回路中。研究系統(tǒng)的干擾來(lái)源是十分重要的。如前述的管式加熱爐，主擾動(dòng)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(guān)係的參數(shù)作為主變數(shù)。(3)、所選主變數(shù)應(yīng)有足夠的靈敏度，且工藝合理、易實(shí)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(huì)越靠近主變數(shù)，靈敏度會(huì)降低。前已分析得到串與單的關(guān)係如P182所示。繪出分析曲線，如右圖所示。(三)、主、副對(duì)象的時(shí)間常數(shù)要匹配。分析可知(1)、當(dāng)T01/T02>10時(shí)，則T02很小，副回路包括的干擾很少，作用未發(fā)揮。(2)、當(dāng)T01/T02<3時(shí)，說(shuō)明T02過(guò)大，副回路的控制作用不及時(shí)。(3)、當(dāng)T01/T021時(shí)，主、副回路易出現(xiàn)“共振效應(yīng)”。

一般認(rèn)為：T01/T02=310較合適。究竟T02取多大為好，應(yīng)按具體情況確定。若欲快速克服主幹?jǐn)_，則小一點(diǎn)為好；若欲克服對(duì)象的大滯後，可取大點(diǎn)；若欲克服對(duì)象的非線性，則T01/T02宜取大一些。(四)、選副回路應(yīng)考慮工藝上的合理性只有滿足工藝要求，才具有實(shí)用性。先考慮工藝要求，再考慮其他要求。(五)、副回路設(shè)計(jì)應(yīng)考慮經(jīng)濟(jì)性原則技術(shù)與經(jīng)濟(jì)指標(biāo)應(yīng)綜合考慮，如下兩圖。1、對(duì)主變數(shù)控制品質(zhì)要求高主變數(shù)宜採(cǎi)用PI規(guī)律；欲克服容量滯後，應(yīng)引進(jìn)微分作用，採(cǎi)用PID規(guī)律。副變數(shù)一般採(cǎi)用P規(guī)律就可以了。2、對(duì)副變數(shù)控制要求也較高主、副變數(shù)均採(cǎi)用PI控制規(guī)律。3、對(duì)主變數(shù)控制要求不高，甚至允許小波動(dòng)主變數(shù)採(cǎi)用P規(guī)律，副回路對(duì)主回路的跟隨要求快而準(zhǔn)時(shí)採(cǎi)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(jiàn)P154。

主控制器按下式確定:(二)、正、反作用方式的選擇

4、對(duì)主、副變數(shù)控制要求均不高可均採(cǎi)用P規(guī)律；必要時(shí)對(duì)主變數(shù)控制引進(jìn)微分作用。(主控制器+/-)(副對(duì)象+/-)(主對(duì)象+/-)=(-)

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

控制器參數(shù)的整定所謂投運(yùn)，就是通過(guò)適當(dāng)?shù)牟襟E，使主、副控制器從手動(dòng)工作狀態(tài)轉(zhuǎn)到自動(dòng)工作狀態(tài)。兩種投運(yùn)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(jí)控制系統(tǒng)的投運(yùn)二、串級(jí)控制系統(tǒng)控制器參數(shù)的整定

串級(jí)控制系統(tǒng)的方案正確設(shè)計(jì)後，為了使系統(tǒng)運(yùn)行在最佳狀態(tài)，按照自控理論，必須對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行校正，這在過(guò)程控制中稱為參數(shù)整定。在工程實(shí)踐中，串級(jí)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(kāi)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(dá)到控制要求，再調(diào)整主控制器參數(shù)。以上步驟迴圈進(jìn)行，直到滿足(逼近)控制指標(biāo)為止。對(duì)於不同的控制系統(tǒng)和不同的品質(zhì)指標(biāo)要求，逐步逼近法逼近的迴圈次數(shù)是不同的，所以往往費(fèi)時(shí)較多。(二)、兩步整定法(應(yīng)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(jiàn)教材P186。

應(yīng)用舉例

在硝酸生產(chǎn)過(guò)程中，有一個(gè)氧化爐溫度與氨氣流量的串級(jí)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(guò)5℃，氨氣流量為副參數(shù)，允許在一定範(fàn)圍內(nèi)變化，要求不高。系統(tǒng)控制器參數(shù)採(cǎi)用兩步整定法，過(guò)程如下。①、在系統(tǒng)設(shè)計(jì)時(shí)，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(jiàn)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(yùn)用4：1衰減曲線法整定計(jì)算公式(見(jiàn)上表4-1)，計(jì)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(shí)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(jì)算的參數(shù)，按先P後I的次序，分別設(shè)置在主、副控制器上，並使串級(jí)控制系統(tǒng)在該參數(shù)下運(yùn)行。實(shí)際運(yùn)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(jí)控制系統(tǒng)有哪些主要特點(diǎn)？2、為什麼說(shuō)串級(jí)控制系統(tǒng)具有改善過(guò)程動(dòng)態(tài)特性的特點(diǎn)？T’02和K’02減小與提高控制品質(zhì)有何關(guān)係？3、為什麼提高系統(tǒng)工作頻率也算是串級(jí)控制系統(tǒng)的一大特點(diǎn)？思考題下一章

加熱溫度測(cè)量返回

加熱流量測(cè)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(diǎn)：無(wú)法將干擾克服在被控制量偏離設(shè)計(jì)值之前。被控對(duì)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?！?-1基本概念

1、問(wèn)題的提出5.22、技術(shù)思路直接按擾動(dòng)而不是按偏差進(jìn)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(duì)干擾的克服要比回饋控制系統(tǒng)及時(shí)得多。3、工作原理用右圖針對(duì)回饋控制做比較說(shuō)明。其中Ma為擾動(dòng)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(bǔ)償過(guò)程如下圖所示?？蓪?shí)現(xiàn)對(duì)擾動(dòng)的完全補(bǔ)償，使被控量成為對(duì)擾動(dòng)絕對(duì)不靈敏的系統(tǒng)。（不變性原理）4、前饋與回饋的比較(1)、檢測(cè)：前饋控制測(cè)干擾；回饋控制測(cè)被控量。(2)、效果：克服干擾，前饋控制及時(shí)，理論上可實(shí)現(xiàn)完全補(bǔ)償；回饋控制不及時(shí)。(3)、經(jīng)濟(jì)性：克服干擾，前饋控制只能一對(duì)一，不如回饋控制經(jīng)濟(jì)。(4)、穩(wěn)定性：前饋為開(kāi)環(huán)，不存在此問(wèn)題；回饋則不同，穩(wěn)定性與控制精度是矛盾的。§5-2前饋控制系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)形式控制器的輸出僅僅是輸入F的函數(shù)，與時(shí)間t無(wú)關(guān)。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(dòng)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(dòng)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(dòng)態(tài)偏差。1、問(wèn)題及辦法2、原理：如右圖，其中Wm(S)非純比例環(huán)節(jié)。動(dòng)態(tài)前饋控制能顯著提高系統(tǒng)的控制品質(zhì)，但結(jié)構(gòu)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(shí)。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(duì)補(bǔ)償結(jié)果無(wú)法檢測(cè)；②難以對(duì)每個(gè)干擾均設(shè)計(jì)一套前饋控制裝置；③一個(gè)固定的前饋模型難以獲得良好的控制品質(zhì)。3、特點(diǎn)及適用性

複合控制的好處：既發(fā)揮了前饋校正及時(shí)的優(yōu)點(diǎn)，又保持了回饋控制能抑制多個(gè)干擾並對(duì)被控量始終給予檢驗(yàn)的長(zhǎng)處。2、組成原理及結(jié)構(gòu)圖:當(dāng)負(fù)荷變化時(shí)……對(duì)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(jìn)口溫度、蒸汽壓力等)……

3、特點(diǎn)①實(shí)現(xiàn)前饋控制作用的完全補(bǔ)償?shù)臈l件不變。（令Y(s)/F(s)=0即可。）②不會(huì)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(diǎn)①只需對(duì)主要的干擾採(cǎi)用前饋補(bǔ)償，大大簡(jiǎn)化了原來(lái)的純前饋控制系統(tǒng)。②降低了對(duì)前饋控制精度的要求，為工程上實(shí)現(xiàn)簡(jiǎn)單的前饋補(bǔ)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(diǎn)。因而是前饋控制中廣泛應(yīng)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(cǎi)用串級(jí)控制系統(tǒng)可滿足以上要求。

四、前饋--串級(jí)控制系統(tǒng)1、方法的提出2、原理與結(jié)構(gòu)圖3、應(yīng)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(diǎn)？3、為什麼一般不單獨(dú)使用前饋控制方案？1、預(yù)估補(bǔ)償：原理上能消除純滯後對(duì)控制系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)影響，但需被控過(guò)程的精確模型，工程上往往難以實(shí)現(xiàn)。第六章大滯後補(bǔ)償控制6.2

6.3§6-1克服純滯後的幾種常見(jiàn)方案2、採(cǎi)樣控制：成本較低，但干擾加入的時(shí)刻對(duì)控制效果影響較大。3、改進(jìn)型常規(guī)控制：具有通用性廣等特點(diǎn)，目前較常用。4、其他：大林演算法、卡爾曼預(yù)估算法、灰色預(yù)測(cè)控制等。是一種比較簡(jiǎn)單、工程上易實(shí)現(xiàn)、又能滿足一定控制品質(zhì)要求的控制方案。對(duì)降低超調(diào)量更有顯著的效果?！?-2改進(jìn)型常規(guī)控制方案一、微分先行控制方案1、特點(diǎn)2、組成結(jié)構(gòu)一般常規(guī)PID控制方案：見(jiàn)下張圖6-1。微分先行控制方案：見(jiàn)下張圖6-2。3、傳遞函數(shù)（隨動(dòng)特性與抗擾動(dòng)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(gè)零點(diǎn)Z=1/TD,

故超調(diào)量要小一些。

4、過(guò)渡過(guò)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(diǎn)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(dú)立的，能及時(shí)起校正作用。1、特點(diǎn)2、原理方案3、控制效果：與一般常規(guī)控制對(duì)比：（1）、在給定值變化時(shí)，無(wú)論是微分先行方案，或中間回饋控制方案，其控制過(guò)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(dòng)作用下，其控制品質(zhì)與常規(guī)PID相差不大。§6-3預(yù)估控制方案在PID控制回路上再並聯(lián)一個(gè)補(bǔ)償回路，以抵消對(duì)象的純滯後因素。1、特點(diǎn)2、原理結(jié)構(gòu)單回路控制系統(tǒng)：史密斯補(bǔ)償原理：如下圖所示。3、控制效果：控制器接受的測(cè)量信號(hào)比實(shí)際檢測(cè)到的被控量提前了時(shí)間，是一個(gè)對(duì)被控量的預(yù)估器。如下圖所示。Smith預(yù)估補(bǔ)償環(huán)節(jié)的等效圖4、工業(yè)應(yīng)用舉例：加熱爐溫度預(yù)估補(bǔ)償控制1、生產(chǎn)過(guò)程中的時(shí)間滯後是怎麼引起的？2、試舉一生產(chǎn)過(guò)程實(shí)例，簡(jiǎn)述當(dāng)其擾動(dòng)通道及控制通道存在純滯後因素時(shí)，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(shí)現(xiàn)特殊要求2

3

4

的過(guò)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(guò)程中，要求兩種或多種物料流量成一定比例關(guān)係；一旦比例失調(diào)，會(huì)影響生產(chǎn)的正常進(jìn)行，影響產(chǎn)品品質(zhì)，浪費(fèi)動(dòng)力，造成環(huán)境污染，甚至產(chǎn)生生產(chǎn)事故。如：燃燒過(guò)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(gè)或多個(gè)變數(shù)自動(dòng)維持一定比值關(guān)係的過(guò)程控制系統(tǒng)，統(tǒng)稱為比值控制系統(tǒng)。3、變數(shù)及關(guān)係主動(dòng)量---起主導(dǎo)作用而又不可控的物料流量；從動(dòng)量---跟隨主動(dòng)量而變化的物料流量；比例係數(shù):K=Q1/

Q2造紙過(guò)程中為保證紙漿濃度，要求自動(dòng)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(kāi)環(huán)比值控制(二)、單閉環(huán)比值控制

簡(jiǎn)單、成本低；

只有當(dāng)Q1變化時(shí)才起控制作用；

Q2變化時(shí)Q1不會(huì)回應(yīng)，比例關(guān)係被破壞。

3、適用場(chǎng)合副流量沒(méi)有干擾的情況。

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

7-3丁烯洗滌塔進(jìn)料量與洗滌水量的比值控制系統(tǒng)

如右圖所示。4、應(yīng)用實(shí)例:優(yōu)點(diǎn)：不但能實(shí)現(xiàn)流量的副量跟主量變化，而且能克服流量干擾等。缺點(diǎn)：主流量不受控。6、應(yīng)用場(chǎng)合在負(fù)荷變化不太大的場(chǎng)合得到廣泛應(yīng)用。5、優(yōu)缺點(diǎn)能克服單閉環(huán)主流量不受控的不足。1、特點(diǎn)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(dòng)值)設(shè)定值(定值)常用在主流量干擾頻繁或工藝上不允許負(fù)荷有較大的波動(dòng)，或工藝上經(jīng)常需要升降負(fù)荷的場(chǎng)合。3、另一優(yōu)點(diǎn)：升降負(fù)荷比較方便。4、適用場(chǎng)合5、應(yīng)用實(shí)例：如圖。設(shè)定值

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)變數(shù)的變化而變化。

為了滿足上述生產(chǎn)工藝要求，開(kāi)發(fā)並應(yīng)用變比值控制。(四)、變比值控制1、方法的產(chǎn)生2、系統(tǒng)結(jié)構(gòu)：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(biāo)。變比值控制系統(tǒng)是一個(gè)以第三個(gè)變數(shù)為主變數(shù)(品質(zhì)指標(biāo))、以兩個(gè)流量比為副變數(shù)的串級(jí)控制系統(tǒng)。4、工作過(guò)程系統(tǒng)穩(wěn)定時(shí)……當(dāng)Q1、Q2出現(xiàn)擾動(dòng)時(shí)……當(dāng)出現(xiàn)其他擾動(dòng)(如溫度、壓力、成分等變化)時(shí)……5、該法特點(diǎn)7-7氧化爐溫度與氨氣/空氣串級(jí)比值控制系統(tǒng)6、應(yīng)用實(shí)例：見(jiàn)以下兩圖?！?-2均勻控制系統(tǒng)在連續(xù)生產(chǎn)過(guò)程中，一個(gè)裝置或設(shè)備往往與前後的裝置或設(shè)備緊密地聯(lián)想著，前一裝置或設(shè)備的出料量是後一裝置或設(shè)備的進(jìn)料量，而後一裝置或設(shè)備的出料量又輸送給其他的裝置或設(shè)備。例如石油裂解氣分離工藝，前後共串聯(lián)了八個(gè)塔。前後有物料聯(lián)繫的精餾塔，前塔的液位與後塔的進(jìn)料量的穩(wěn)定要求會(huì)發(fā)生矛盾，如下圖所示。

一、均勻控制的用途及特點(diǎn)1、問(wèn)題的提出

是指兩個(gè)工藝參數(shù)在規(guī)定範(fàn)圍內(nèi)能緩慢地、均勻地變化，使前後設(shè)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(shè)緩衝器(不適宜)。採(cǎi)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(diǎn)表徵前後供求矛盾的兩個(gè)參數(shù)都是變化的，變化是緩慢的，是在允許範(fàn)圍內(nèi)波動(dòng)的。參見(jiàn)下圖。前塔的液位變化不能超過(guò)規(guī)定的上、下限。後塔的進(jìn)料量也不能超過(guò)最大和最小處理量。非均勻控制二、均勻控制系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)方案

1、方案示例：如下圖(一)、簡(jiǎn)單均勻控制去下一精餾塔5、適用場(chǎng)合

2、與液位定值控制相比通常適用於擾動(dòng)較小、對(duì)流量的均勻程度要求較低的場(chǎng)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(jié)構(gòu)和所使用的儀錶是完全一樣的，但控制目的不同。3、對(duì)控制參數(shù)應(yīng)做適當(dāng)選擇4、特點(diǎn)簡(jiǎn)單均勻控制系統(tǒng)的最大優(yōu)點(diǎn)是結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、操作方便、成本低；但控制效果差。(二)、串級(jí)

均勻控制

1、組成結(jié)構(gòu)：

為了克服調(diào)節(jié)閥前後壓力波動(dòng)和被控過(guò)程的自衡特性對(duì)流量的影響，設(shè)計(jì)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(jí)的異同

不能加微分作用；液位宜採(cǎi)用PI規(guī)律；流量一般用P規(guī)律。

串級(jí)均勻控制系統(tǒng)能克服控制閥前後壓力較大的擾動(dòng)，使主、副變數(shù)變化均勻緩慢平穩(wěn)，控制品質(zhì)較高。結(jié)構(gòu)方案相同，目的不同；均勻串級(jí)控制的目的是使液位與流量均勻協(xié)調(diào)。3、控制過(guò)程設(shè)干擾使1#塔液位上升…設(shè)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(diǎn)(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(gè)變數(shù)的測(cè)量信號(hào)通過(guò)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(yīng)用示例：見(jiàn)下圖。3、一般方塊圖：如下圖所示。1、問(wèn)題的提出

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

2、對(duì)選擇性控制