第二章术语和指标

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1、第二章 术语和指标第一节 名词术语一、“调节”与“控制” 目前对“调节”与“控制”这两个术语的涵义有三种 不同的理解：第一种理解认为，“控制”的范围较广，已经包含了“调节”的 意思，因而没有必要再引用一个“调节”的概念。第二种理解认为两者是一回事，既可以称为“调节”，也可以称 为“控制”。在翻译英语control这个词时，既可以翻译为“控制”, 也可以翻译为“调节”，但翻译为“控制”的占多数。第三种理 解认为两 者是有 区别的，在概念上应分开为好。图2-1为调节回路。调节是一种过程，在这个过程中对 某一 个量（例如y）不断地进行检测并使之保持所希望的值（如给定 值） 。这里就产生了一个闭环系统

2、，其作用路线是从检测某一量开 始，而后又通过这一过程影响它本身。如果这一过程中没有人去参 与，就称之为自动 调节。反之，如果人作为回路中的某个环 节起作用， 则称为手动调节。图2-2为控制回路。“控制”是不能和“调节”混淆的，从根本上讲，“调节”和“控制”的区别在于它们的作用路线，调节作用形成一个闭环，而控制则是开环的，同时控制作用并不是根据被控量的测量产生的。由于本书将频繁接触“调节”和“控制”这两个名词，在没有权 威性定义的情况下，必须做出选择，所以，本书以第二种理解为准。二、变送器变送器指通过检测元件 （传感器 ）接受被测变量 （参数）信号 并将它转换成通用的标准输出信号的仪表。变送器与

3、传感器的主 要区别是变送器输出的是标准信号，而传感器输出的信号则不一 定是标准的。通用的标准输出信号为420mA直流电流信号或20lOOkPa气压信号或现场总线数字通信信号（如 HART, FF, PROFIBUS 等）。三、被调对象和被调参数工业生产用到的各种设备，多半有物质或能量进出。例如，水箱 就是有物质进出的设备，电动机就是有能量进出的设备，热交换器就 是既有物质又有能量进出的设备。为了保证这些设备工作在安全经济 状态，必须对其中的某个参数进行调节，如水箱里的液位、电动机的 转速、热交换器的出口温度等。这些参数就是“被调参数”，或称为 “被调变量”、“被控变量”，有关的设备就是“被调对

4、象”或“被 控对象”。四、设定值设定值也叫给定值，是为了达到安全高效生产的目标，希望被调 参数保持的数值。如果实际被调参数偏离了这个值就需要进行调节， 而调节的最终结果应该将它调回到这个目标值上来。如果设定值是恒 定不变的，希望自动调节系统把被调参数维持在恒定的数值上，这样 的自动调节称为“定值调节”。如果设定值随时间连续变化，希望被 调参数靠自动调节系统跟着设定值一起改变，这样的自动调节就称为 “随动调节”。五、扰动如果被调对象和外界没有物质或能量的进出，或者虽有进出却处 于稳定的平衡状态，就没必要进行调节。例如，当水箱没有液体进出 时，其液位永远不会改变。即使有进有出，但是进出平衡时，液位

5、也 不会改变。电动机的电源和负载都稳定时，其转速不会改变。热交换 器的进口流量、温度、出口流量都不变时，出口温度也不会变化。但 实际运行中的生产设备总免不了受到各种各样的干扰。例如，负载的 变化、电源电压的波动、原料质量或数量的变化，甚至环境条件的改 变等，归根到底是物质流或能量流的波动，这些都会破坏被调参数的 稳定。所有这一切对稳定不利的消极因素统称为“扰动”。如果扰动 产生在系统的内部，称为内部扰动；反之，当扰动产生在系统的外部 时，则称为外部扰动。外部扰动是系统的输入量。六、偏差出现扰动的结果是使被调参数偏离设定值。偏离的程度用“偏 差”的大小来衡量，偏差的方向用偏差的符号来表示。例如，

6、被调对 象是过热器，被调参数是温度，设定值是540C,实际温度是535C, 偏差就是一5C。反之为+5C。由此可见，偏差的定义是：偏差=实际被调参数设定值(2-1)偏差=设定值实际被调参数(2-2)如果是人工调节，首先应该判断被调参数是否合适，才能决定要 不要加以调节，往哪个方向调节，调节多少。实际上就是根据偏差指 导人的调节行为，从而及时有效地抑制扰动，使被调参数恢复正常。 自动调节也是如此，只不过是用检测仪表代替人的观察，用自动调节 器里的运算代替人的判断和决策，用执行器代替人手操作。总之，偏 差是调节动作的依据。偏差的有无决定要不要调节，偏差的正负决定 往哪个方向调节，偏差的大小决定调节

7、多少。绝大多数自动调节任务 实质上就是要使偏差自动减少甚至消除。经过自动调节，如果仍没有 把偏差完全消除，则其剩余部分叫做“残余偏差”，也叫“余差”或 “静差”。七、PID控制PID控制表示比例(P)-积分-微分(D)控制，理想PID控制的 数学表示式为：u(t) = K e(t) + 丄f e(t)dt + T 血(2-3)CTD dtI0式中：u(t)为控制器输出；e(t)为控制器输入(测量值与设定值的差值, 即偏差)；k为控制器比例增益；T为积分时间；T为微分时间。CIDDCS 和现场总线仪表都是内装微处理机的仪表，微处理机内只能 直接按差分方程运算，所以要先把微分方程改写成差分方程，这

8、只要把式(2-3)中的积分项f e(t)dt用tY e(i)代替，微分项de(t)用dt0i=01 le(n) - e(n -1)代替e(t)用e(n)代替，u(t)用u(n)代替，就可以得到离散形式的 PID 算法公式：(2-4)u(n) = K e(n) +e(i) + de(h) e(n 1)式中：T为采样周期;、I i=0丿e(n)为第n次釆样的偏差值(n=1, 2, 3); e(n-1)为第n 1次采样的偏差值；u(n)为第n次采样的控制器输出。目前的内装微处理机仪表的采样周期为0.1s02s,现场总线 仪表的宏周期(在一个仪表内调度的一次循环称为宏周期，它等于总 线调度通信时间与总

9、线非调度通信时间之和) 为几百毫秒，由于它们 比被控对象的时间常数小得多，因此控制效果非常接近于模拟调节器,使用中可以和模拟仪表一样对待。PID 调节器有三个整定参数,了解这三个整定参数对控制性能的 影响是非常重要的。(1) 增益 K 。比例调节依据偏差的大小来动作,其输出与输入偏C 差的大小成正比。比例调节及时、有力,但通常会有余差。可以用增 益 K 来衡量其作用的强弱, K 愈大,调节作用愈强。 所谓增益,是CC指调节器的输出相对变化量与相应输入的相对变化量之比。如控制器 的增益为 5,意味着控制器输入变化 10(相对于测量范围而言) ,将 会导致控制器的输出变化 50(相对于输出的全范围

10、而言) 。加大比 例控制增益,使系统动作灵敏,速度加快,但增益偏大,振荡次数增 加,调节时间加长。过大的增益会引起振荡,过小的增益会使调节过程变得太慢。有时也用比例度或比例带或表示比例作用的强弱，比例带等于增益的倒数乘以100% (8 =丄X100% )。KC(2) 积分时间T。积分调节依据偏差是否存在来动作，它的输出I与偏差对时间的积分成比例，只有当偏差消失时，积分作用才会停止 (抗积分饱和时除外)。积分的作用是消除余差，但积分作用使最大动 态偏差增大(因为纯积分控制器作用的相位滞后为 90)，延长了调 节时间。积分作用用积分时间T来表示其作用的强弱，单位为分钟或I秒。积分时间的定义是当PI

11、调节器的输入变量为阶跃变化时，自阶 跃起始到输出变量达到施加阶跃时刻输出值的两倍时为止的时间。也 可以理解为：在偏差阶跃输入作用下，调节器的输出达到比例输出两 倍时所经历的时间，即为积分时间。积分时间越小，表明积分作用越 强。积分作用太强也会引起振荡。积分时间的选择是与控制过程的时 间常数密切相关的。一般而言，控制过程的时间常数越短，选择的积 分时间越小。积分控制通常与比例控制或微分控制联合作用，构成PI 或 PID 控制。积分控制能消除系统的稳态误差，提高控制系统的 控制精度。但积分控制通常使系统的稳定性下降。 T 太小，系统将I不稳定； T 偏小，振荡次数较多； T 太大，对系统性能的影响

12、减小；II当T合适时，过渡过程特性比较理想。I(3) 微分时间t。微分控制依据偏差变化速度来动作，它的输出D与输入偏差变化的速度成比例，其作用是阻止被控变量的一切变化， 有超前调节的作用，对滞后大的对象有很好的效果。它可以克服被控 对象的惯性滞后(用对象时间常数T表示)，但不能克服调节对象的纯滞后T。因为在T时间内，被控参数的变化速度为零。某些控制过程00的时间常数较大，操纵变量的改变要经过较长的时间后才能反映到被 控变量上。过热器出口温度的控制就是一个典型例子。在适当引入超 前微分信号的作用后，可以明显地改善控制品质。当被控变量远离设 定点时，随着远离速度的增加，控制器的微分作用也随之增加。

13、这样 可以促使被控变量尽快回到设定点，又不至于引起过大的振荡。微分 作用使控制过程偏差减小，时间缩短，静态误差也减少，但不能消除。 它用微分时间 T 来表示其作用的强弱， T 越大表明微分作用越强，DD但T太大会引起振荡。D八、操纵变量操纵变量也称调节变量或操作量、控制变量、控制量。决定被控 变量的物理量称为操纵变量，或由控制（调节）作用改变去控制被控变 量的物理量称为操纵变量。操纵变量是调节器对生产设备施加影响以 抑制扰动的操纵信号。有相当多的调节器用于调节管路里的流体，其 操纵变量决定阀门的开度，这时的操纵变量也叫“阀位指令”。九、前馈调节与反馈调节 反馈调节是根据被控变量的偏差进行调节的

14、。当系统受到扰动后，只有等到被控变量变化并出现偏差时调节器才起作用，而被调对 象总是存在惯性和迟延的，所以从扰动出现到被控变量出现偏差要有 一定的时间，故调节作用落后于扰动，调节过程中必然会产生动态偏 差。前馈调节不是根据偏差而是根据扰动进行调节的，因此，前馈调 节就有可能及时地消除扰动的影响而使被控变量基本保持不变。直接 根据造成被控变量偏差的原因进行的调节称为前馈调节。前馈调节与反馈调节的差别如下：(1) 调节的依据不同。前馈调节根据扰动的大小和方向产生相应 的调节作用，反馈调节根据被控变量偏差大小和方向产生相应的调节 作用。(2) 调节的效果不同。前馈调节根据扰动进行凋节，所以调节快 速

15、及时，从理论上讲可实现完全补偿而使被控变量在调节过程中保持 不变；反馈调节根据被调量偏差进行调节，要实现调节结束的无差效 果，首先要有偏差才行。(3) 系统的结构不同。前馈调节为开环调节，不存在系统的稳定 性问题；反馈调节为闭环调节，必须考虑系统的稳定性，而系统的稳 定性和准确性两者之间又存在矛盾，所以反馈调节的精确度被稳定性 要求所限制。(4) 实现的经济性和可能性不同。前馈调节必须对每一个可能出 现的扰动单独构成一个相应的前馈调节系统，这样做既不经济也不现 实；反馈调节采用一个或两个闭合回路就可以克服多个扰动，易于实 现。前馈-反馈调节系统(或称复合调节系统)将前馈调节与反馈调节 互相结合，因而可以构成高品质的调节系统。十、正作用和反作用如果调节器的输出变量随被控变量的增大而增大，就叫做正作用。反之，若调节器的输出变量随被控变量的增大而减小，就叫做反 作用。设置调节器正反作用的目的是保证控制系统成为负反馈。负反 馈准则要求控制系统开环总增益为正，因为系统已设计为负反馈，所 以系统各环节放大倍数乘积（即开环系统放大倍数K）为正才能保证 负反馈。组成控制系统的各环节增益的正负由该环节输入输出之间的 关系确定。当该环节的输入增加时，其输出也增加，则该环节的增益 为正，反之为负。开环总增益是各组成环节的增益之积。十一、检定与校准运