简单过程控制系统单回路控制系统的工程设计

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1、第三章第三章 简单过程控制系统简单过程控制系统- 单回路控制系统的工程设计单回路控制系统的工程设计 过程控制系统工程设计概述过程控制系统工程设计概述 控制方案设计控制方案设计 检测、变送器选择检测、变送器选择 执行器执行器(调节阀调节阀)选择选择 控制器控制器(调节器调节器)选择选择 过程计算机控制系统的设计过程计算机控制系统的设计 过程控制系统的投运和控制器参数整定过程控制系统的投运和控制器参数整定单回路控制系统的设计举例单回路控制系统的设计举例2021/6/71单单回回路路过过程程控控制制系系统统亦亦称称单单回回路路调调节节系系统统，简简称称单单回回路路系系统统，一一般般是是指指针针对对一

2、一个个被被控控过过程程(调调节节对对象象)，采采用用一一个个测测量量变变送送器器监监测测被被控控过过程程，采采用用一一个个控控制制(调调节节)器器来来保保持持一一个个被被控控参参数数恒恒定定(或或在在很很小小范范围围内内变变化化)，其其输输出出也也只只控控制制一一个个执执行行机机构构(调节阀调节阀)。Single-Loop control system2021/6/72特点特点：结构简单，投资少，易于调整和投：结构简单，投资少，易于调整和投运，尤其适用于运，尤其适用于被控过程的纯滞后和惯性被控过程的纯滞后和惯性小、负荷和扰动变化比较平缓小、负荷和扰动变化比较平缓，或者，或者对被对被控变量要求不

3、高控变量要求不高的场合，约占目前工业控的场合，约占目前工业控制系统的制系统的80%以上。以上。 其分析、设计方法是其它各种复杂过程控其分析、设计方法是其它各种复杂过程控制系统分析、设计的基础。制系统分析、设计的基础。2021/6/73第一节第一节 过程控制系统工程设计概述过程控制系统工程设计概述要分析、设计和应用好一个过程控制系统：要分析、设计和应用好一个过程控制系统： 首首先先应应对对被被控控过过程程做做全全面面了了解解，对对工工艺过程、设备等做深入的分析；艺过程、设备等做深入的分析； 然然后后应应用用自自动动控控制制原原理理与与技技术术，拟拟定定一一个个合合理理正正确确的的控控制制方方案案

4、，选选择择合合适适的的检检测测变变送送器器、控控制制(调调节节)器器、执执行行器器，从从而而达达到到保保证证产产品品质质量量、提提高高产产品品产产量量、降降耗耗节能、保护环境和提高管理水平等目的。节能、保护环境和提高管理水平等目的。本本节节介介绍绍过过程程控控制制系系统统设设计计中中的的一一些些共共性性的原则。的原则。2021/6/74一、对过程控制系统设计的一般要求一、对过程控制系统设计的一般要求 安安全全性性：最最重重要要也也是是最最基基本本的的要要求求。通通常常采采用用参参数数越越限限报报警警、事事故故报报警警、联联锁保护等措施加以保证。锁保护等措施加以保证。 稳稳定定性性：绝绝对对稳稳

5、定定、稳稳定定裕裕量量、良良好好的的动动态态响响应应特特性性(过过渡渡过过程程时时间间短短，稳稳态误差小等态误差小等)。 经经济济性性：提提高高产产品品质质量量、产产量量的的同同时时，降降耗耗节节能能，提提高高经经济济效效益益与与社社会会效效益。采用先进的控制手段，优化控制。益。采用先进的控制手段，优化控制。 在在工工程程上上，以以上上要要求求往往往往相相互互矛矛盾盾。因因此此在在设设计计时时，应应根根据据实实际际情情况况，分分清清主主次次，以以保保证证满满足足最最重重要要的的质质量量、指指标标要求并留有余地。要求并留有余地。2021/6/75过过程程控控制制系系统统的的品品质质由由组组成成系

6、系统统的的结结构构和和各各个个环环节节的的特特性性所所决决定定。因因此此对对于于过过程程控控制制系系统统设设计计者者来来说说除除了了掌掌握握自自动动控控制制理理论论、计计算算机机、仪仪器器、仪仪表表知知识识外外，还还要要十十分分熟熟悉悉生生产产过过程程的的工工艺艺流流程程，从从控控制制的的角角度度理理解解它它的的静静态态与与动动态态特特性性，并并能能针针对对不不同同被被控控过过程程、不不同同的的生生产产工工艺控制要求，设计不同的控制系统。艺控制要求，设计不同的控制系统。 例：例：热交换过程：热交换过程：过程特性复杂，时延明显过程特性复杂，时延明显 液位过程：液位过程：时间常数有大有小时间常数有

7、大有小 燃烧过程：燃烧过程：燃料不一（煤、油、气等）燃料不一（煤、油、气等）2021/6/76二、过程控制系统设计步骤二、过程控制系统设计步骤 过程控制系统的设计，从任务的提出过程控制系统的设计，从任务的提出到系统投入运行，是一个从理论设计到实到系统投入运行，是一个从理论设计到实践，再从实践到理论设计的多次反复的过践，再从实践到理论设计的多次反复的过程，往往要多次用试探法和综合法并借助程，往往要多次用试探法和综合法并借助计算机来模拟仿真。计算机来模拟仿真。1建立被控过程的数学模型建立被控过程的数学模型 只只有有掌掌握握了了(深深入入了了解解了了)过过程程的的数数学学模模型型，才才能能深深入入分

8、分析析过过程程的的特特性性和和选选择择正正确的控制方案。确的控制方案。2选择控制方案选择控制方案 根根据据设设计计任任务务和和技技术术指指标标要要求求，经经过过调调查查研研究究，综综合合考考虑虑安安全全性性、稳稳定定性性、经经济济性性和和技技求求实实施施的的可可行行性性、简简单单性性，进进行行反复比较，选择合理的控制方案。反复比较，选择合理的控制方案。2021/6/77 过过程程方方案案初初步步确确定定后后，应应用用控控制制理理论论并并借借助助计计算算机机辅辅助助分分析析进进行行系系统统静静态态、动动态态持持性性分分析析计计算算，判判定定系系统统的的稳稳定定性性、过过渡渡过过程程等等特特性性是

9、是否否满满足足系系统统的的品品质质指指标要求。标要求。3.控制设备选型控制设备选型 根根据据控控制制方方案案和和过过程程特特性性、工工艺艺要要求求，选选择择合合适适的的测测量量、变变送送器器、控控制制器器(控制规律控制规律)、执行器、执行器(调节阀调节阀)等。等。4.实验实验(和仿真和仿真) 有有些些在在系系统统设设计计过过程程中中难难以以考考虑虑的的因因素素，可可以以在在实实验验中中考考虑虑，同同时时通通过过实实验验可可以以检检验验系系统统设设计计的的正正确确性性，以以及及系系统的性能。统的性能。2021/6/78控制方案设计控制方案设计：系统设计的核心系统设计的核心。若控制。若控制方案设计

10、不正确，则无论选用何种先进的方案设计不正确，则无论选用何种先进的过程控制仪表或计算机系统，其安装如何过程控制仪表或计算机系统，其安装如何细心，都不可能使系统在工业生产过程中细心，都不可能使系统在工业生产过程中发挥良好的作用，甚至系统不能运行。发挥良好的作用，甚至系统不能运行。工程设计工程设计：包括仪表或计算机系统选型、：包括仪表或计算机系统选型、控制室操作台和仪表盘设计、供电供气系控制室操作台和仪表盘设计、供电供气系统设计、信号及联锁保护系统设计等。统设计、信号及联锁保护系统设计等。工程安装和仪表调校工程安装和仪表调校调节器参数整定调节器参数整定三、过程系统设计的主要内容三、过程系统设计的主要

11、内容2021/6/79四、系统设计中的若干问题四、系统设计中的若干问题1越限报警与联锁保护越限报警与联锁保护 例例：加加热热炉炉热热油油出出口口温温度度的的设设定定值值为为300，工工艺艺要要求求其其高高、低低限限分分别别为为305和和295。 例例：加加热热炉炉运运行行中中出出现现严严重重故故障障必必须须紧紧急急停停止止运运行行时时，应应立立即即先先停停燃燃油油泵泵，然然后后关关掉掉燃燃油油阀阀，经经过过一一定定时时间间后后，停停止止引引风机，最后再切断热油阀。风机，最后再切断热油阀。2其它系统安全保护对策其它系统安全保护对策 危危险险环环境境条条件件(如如高高温温、高高压压、易易燃燃、易易

12、爆爆、强强腐腐蚀蚀等等)下下，还还必必须须采采取取相相应应的的安安全全保保护护对对策策，如如采采用用系系统统可可靠靠性性设设计计，选选用用本本质质安安全全防防爆爆防防腐腐、防防爆爆结结构构材材料料)的的仪器仪表及装置等。仪器仪表及装置等。2021/6/710第二节第二节 控制方案设计控制方案设计 单回路系统单回路系统(图图31)控制方案设计包括：控制方案设计包括：合理选择系统合理选择系统性能指标性能指标合理选择合理选择被控参数被控参数Y(s)和控制参数和控制参数Q(s)合理设计合理设计(选择选择)控制控制(调节调节)规律规律Wc(s)被被控控参参数数的的测测量量与与变变送送Wm(s)、执执行行

13、器器(调调节阀节阀)Wv(s)的选择的选择2021/6/711 被被控控过过程程总总是是不不时时受受到到各各种种外外来来干干扰扰的的影影响响，即即系系统统经经常常处处于于动动态态过过渡渡过过程程，因因而而评评价价一一个个过过程程控控制制系系统统的的性性能能、质质量量，主主要要看看它它在在受受到到外外来来扰扰动动作作用用或或给给定定值值发发生生变变化化后后，能能否否迅迅速速地地、准准确确地地且且平平稳稳地地(而而不不是是剧剧烈烈振振荡荡地地)回回复复(或或趋趋近近)到到原原(或或新新)给定值上。给定值上。 (一一)系统阶跃响应性能指标系统阶跃响应性能指标 1余差余差(静态偏差静态偏差)C (静态

14、指标静态指标) 指指系系统统过过渡渡过过程程终终了了时时，给给定定值值与与稳稳态态值值之之差差。一一般般要要求求余余差差为为零零或或不不超超过过预预定值。定值。一、过程控制系统的性能指标一、过程控制系统的性能指标2021/6/7122021/6/7132衰减率衰减率： (动态指标动态指标) 反映系统的稳定程度，应根据生产过反映系统的稳定程度，应根据生产过程的特点来确定适宜的程的特点来确定适宜的值，一般取值，一般取0.750.9。（衰减比。（衰减比4:110:1）3最大偏差最大偏差A(或超调量或超调量) 定值系统的最大偏差是指被控参数第定值系统的最大偏差是指被控参数第一个波峰值与给定值的差；随动

15、系统通常一个波峰值与给定值的差；随动系统通常采用超调量指标，即采用超调量指标，即4过渡过程时间过渡过程时间ts 指系统从受扰动作用时起，到被控参指系统从受扰动作用时起，到被控参数进入新的稳态值数进入新的稳态值5%(2%)的范围内所的范围内所经历的时间。经历的时间。(快速性指标快速性指标)2021/6/714 上述有的性能指标之间是相互矛盾的，应上述有的性能指标之间是相互矛盾的，应根据工艺生产的具体要求，分清主次，统筹兼根据工艺生产的具体要求，分清主次，统筹兼顾。顾。(二二)偏差积分性能指标偏差积分性能指标 以目标函数形式表示，属于综合指标。以目标函数形式表示，属于综合指标。 1.偏差绝对值积分

16、偏差绝对值积分(IAE-Integral of Absolute Error) 适用于衰减和无静差系统。适用于衰减和无静差系统。 2.偏差绝对值与时间乘积的积分偏差绝对值与时间乘积的积分(ITAE)2021/6/7153偏差平方值积分偏差平方值积分(ISE)4时间乘偏差平方积分时间乘偏差平方积分(ITSE) 不不同同的的积积分分性性能能指指标标对对动动态态过过渡渡过过程程的的要要求求侧侧重重点点不不同同。例例如如ISE着着重重于于抑抑制制过过渡渡过过程程中中的的大大误误差差，而而ITAE和和ITSE则则着着重重惩惩罚罚过过渡渡过过程程时时间间拖拖得得太太长长，被被广广泛泛应应用用于于最最优优化

17、化分分析析和和设设计计中中，其其中中ITSE兼兼顾顾抑抑制过程中的大误差。制过程中的大误差。2021/6/716二、被控参数二、被控参数(被控变量、被控量被控变量、被控量)的选择的选择 对对于于一一个个生生产产过过程程，影影响响操操作作的的因因素素很很多多，但但并并非非对对所所有有影影响响因因素素都都需需加加以以控控制制。而而必必须须根根据据工工艺艺要要求求，深深入入分分析析工工艺艺过过程程，找找出出对对产产品品的的产产量量和和质质量量、安安全全生生产产、经经济济运运行行、环环境境保保护护等等具具有有决决定定性性作作用用，能能较较好好反反映映工工艺艺生生产产状状态态变变化化的的参参数数(这这些

18、些参参数数又又是是人人工工控控制制难难以以满满足足要要求求，或或操操作作十十分分紧紧张张、劳劳动动强强度度很很大大，客客观观上上要要求求进进行行自自动动控控制制的的参参数数)作为被控参数。作为被控参数。2021/6/717 当当选选择择直直接接参参数数有有困困难难时时(如如直直接接参参数数检检测测很很困困难难或或根根本本无无法法进进行行检检测测)，可可以以选选择择间间接接参参数数(能能间间接接反反映映产产品品产产量量和和质质量量，与与直直接接参参数数有有单单值值对对应应关系，易于测量关系，易于测量)。 例例如如，精精馏馏塔塔：塔塔顶顶馏馏出出物物(或或塔塔底底残残液液)的的浓浓度度应应选选作作

19、被被控控参参数数，因因为为它它最最直直接接地地反反映映产产品品的的质质量量。但但目目前前对对成成分分的的测测量量尚尚有有一一定定的的困困难难，于于是是一一般般采采用用塔塔顶顶(或或塔塔底底)温温度度代代替替浓浓度度作作为被控参数。为被控参数。2021/6/718 注注意意：间间接接参参数数必必须须与与直直接接参参数数有有单单值值函函数数关关系系，而而且且要要有有足足够够的的灵灵敏敏度度，同时还应考虑到同时还应考虑到工艺的合理性工艺的合理性等。等。 直直接接参参数数或或间间接接参参数数的的选选择择并并不不是是唯唯一一的的(更更不不是是随随意意的的)，要要通通过过对对过过程程特性的深入分析，才能作

20、出正确的选择。特性的深入分析，才能作出正确的选择。2021/6/719归纳：选取被控参数的一般原则归纳：选取被控参数的一般原则 1)选选择择对对产产品品的的产产量量和和质质量量、安安全全生生产产、经经济济运运行行和和环环境境保保护护具具有有决决定定性性作作用用的的、可可直直接接测测量量的的工工艺艺参参数数为为被被控控参数。参数。 2)当当不不能能用用直直接接参参数数时时，应应选选择择一一个个与与直直接接参参数数有有单单值值函函数数关关系系的的参参数数作作为被控参数。为被控参数。 3) 必须具有足够高的灵敏度。必须具有足够高的灵敏度。 4)必必须须考考虑虑工工艺艺过过程程的的合合理理性性和和所所

21、用仪表的性能。用仪表的性能。2021/6/720三、控制参数三、控制参数(控制变量控制变量)的选择的选择 在有的生产过程中，控制参数的选择在有的生产过程中，控制参数的选择是很明显的是很明显的(唯一确定的唯一确定的)，如锅炉水位控，如锅炉水位控制系统，控制参数只能选给水量。制系统，控制参数只能选给水量。 但是在有的生产过程中，可能有几个但是在有的生产过程中，可能有几个控制参数可供选择，这就要通过控制参数可供选择，这就要通过分析比较分析比较不同的控制通道和不同的扰动通道对控制不同的控制通道和不同的扰动通道对控制质量的影响质量的影响而作出合理的选择。所以正确而作出合理的选择。所以正确选择控制参数，就

22、是正确选择控制通道的选择控制参数，就是正确选择控制通道的问题。问题。 讨论选择控制参数的一般原则，可从讨论选择控制参数的一般原则，可从过程特性对控制质量的影响过程特性对控制质量的影响入手。入手。2021/6/721()过程静态特性的分析过程静态特性的分析 设单回路控制系统如图设单回路控制系统如图34a。 Wc(s)为控制为控制(调节调节)器与执行机构的传递函器与执行机构的传递函数；数；Wo(s)为控制通道的传递函数；为控制通道的传递函数；Wf(s)为扰为扰动通道的传递函数。并设动通道的传递函数。并设2021/6/722 被控量被控量Y(s)对扰动对扰动F(s)的闭环传递函数为的闭环传递函数为

23、单位阶跃扰动作用下系统稳态值可用终值定理求得单位阶跃扰动作用下系统稳态值可用终值定理求得 可见，可见，扰动通道静态放大系数扰动通道静态放大系数Kf愈大，则系愈大，则系统的稳态误差也愈大。统的稳态误差也愈大。控制通道的静态放大系数控制通道的静态放大系数Ko愈大，表示控制作用愈灵敏，克服扰动的能愈大，表示控制作用愈灵敏，克服扰动的能力愈强，控制效果愈显著。因此，确定控制参数力愈强，控制效果愈显著。因此，确定控制参数时，应使时，应使Ko大于大于Kf。当这一要求不能满足时，。当这一要求不能满足时，可通过调节可通过调节Kc来补偿，使来补偿，使KcKo远大于远大于Kf 。2021/6/723(二二)过程动

24、态特性的分析过程动态特性的分析1.扰动通道动态特性对控制质量的影响扰动通道动态特性对控制质量的影响 (1)扰动通道时间常数扰动通道时间常数Tf的影响的影响 图图34所示单回路控制系统所示单回路控制系统: ，设，设 系统特征方程式系统特征方程式中增加了一个极点（中增加了一个极点（-1/Tf）。）。2021/6/724 如如图图35。随随着着时时间间常常数数Tf的的增增大大，极极点点a将将向向jw轴轴靠靠近近，从从而而过过渡渡过过程程时时间间加加长长（作作用用较较平平缓缓）。由由于于过过渡渡过过程程乘乘了了一一个个1/Tf (见见式式(3-11)，使使整整个个过过渡渡过过程程的的幅幅值值减减小小T

25、f倍倍，从从而而使使其其超超调量随着调量随着Tf的增大而减小的增大而减小。 因因为为Wf(s)为为惯惯性性环环节节，它它对对扰扰动动F(s)起起着着滤滤波波作作用用，抑抑制制扰扰动动对对被被控控参参数数的的影影响响。所所以以扰扰动动通通道道的的时时间间常常数数Tf愈愈大大，容容积积愈愈多多，则则扰扰动动对对被被控控参参数数的的影影响响也也愈愈小小，控控制质量也愈好。制质量也愈好。2021/6/725(2)扰扰动动通通道道时时延延(纯纯滞滞后后)f的的影影响响 如如图图36，当当扰扰动动通通道道有有纯纯滞滞后后时时，系系统统对对扰扰动动的的闭闭环环传传递递函数为函数为 根据拉氏变换的平移定理，可

26、得到图根据拉氏变换的平移定理，可得到图3-4与与图图3-6系统在单位阶跃干扰作用下，被控量的时系统在单位阶跃干扰作用下，被控量的时间响应间响应y(t)与与y(t)间的关系为间的关系为 y(t) y(t -) 2021/6/726 可可见见，干干扰扰通通道道存存在在纯纯时时间间滞滞后后时时，理理论论上上不不影影响响控控制制质质量量，仅仅使使被被控控参参数数对对干干扰扰的的响响应应在在时时间间上上比比无无滞滞后后存存在在时时推迟了推迟了f值。值。(3)扰动作用点位置扰动作用点位置 扰扰动动引引入入系系统统的的位位置置不不同同，对对被被控控参数的影响也不同参数的影响也不同(图图37)。 设设三三只只

27、水水箱箱均均为为一一阶阶惯惯性性环环节节，它它对对扰扰动动f起起着着滤滤波波作作用用，所所以以当当扰扰动动引引入入系系统统的的位位置置离离被被控控参参数数愈愈近近时时，则则对对其其影影响响愈愈大大；相相反反，当当扰扰动动离离被被控控参参数数愈愈远远(如如f1要要通通过过3个个串串联联的的一一阶阶惯惯性性环环节节)时，则对其影响愈小。时，则对其影响愈小。2021/6/727图图3-7 扰动引入系统的位置对被控参数的影响扰动引入系统的位置对被控参数的影响2021/6/728 2控制通道动态特性对控制系统的影响控制通道动态特性对控制系统的影响 设设控控制制系系统统的的临临界界放放大大系系数数为为Km

28、ax，临临界界振振荡荡频频率率为为c。Kmax与与c以以及及Kmaxc 一一定定程程度度上上代代表表了了被被控控过过程程的的控控制制性性能能(Kmax越越大大，可可选选放放大大系系数数K越越大大，系系统统稳稳态态误误差差越越小小；c越越大大，可可选选系系统统工工作作频频率率越越大大，过过渡渡过过程程越越快快)，并并为为研研究究控控制制通通道道动动态态特特性性(即即时时间间常常数数和和时时延延)对对系系统统控控制质量的影响提供了方便。制质量的影响提供了方便。 2021/6/729 由由表表3-l可可知知，控控制制通通道道中中时时间间常常数数大大、阶阶数数高高、有有纯纯滞滞后后环环节节都都将将使使

29、过过程程的的Kmax与与c值值变变小小，从从而而使使控控制制性性能能变变差差。可可见见应应选选择择时时间间常常数数较较小小、纯滞后小的通道作为控制通道纯滞后小的通道作为控制通道。2021/6/730(1)时间常数时间常数T0的影响的影响 控控制制通通道道时时间间常常数数T0的的大大小小反反映映了了控控制制作作用用的的强强弱弱，反反映映了了控控制制器器的的校校正正作作用用克克服服扰扰动动对被控参数影响的快慢。对被控参数影响的快慢。 若若T0太太大大，则则控控制制作作用用太太弱弱，被被控控参参数数变变化化缓缓慢慢，控控制制不不及及时时，系系统统过过渡渡过过程程时时间间长长，控制质量下降。控制质量下

30、降。 若若T0太太小小，虽虽然然控控制制作作用用强强，控控制制及及时时，克克服服扰扰动动影影响响快快，过过渡渡过过程程时时间间短短，但但易易引引起起系系统统振振荡荡，使使系系统统稳稳定定性性下下降降，亦亦不不能能保保证证控控制质量。制质量。 所所以以在在系系统统设设计计时时，要要求求控控制制通通道道时时间间常常数数T0适适当当小小一一点点，使使其其校校正正及及时时，又又能能获获得得较较好的控制质量。好的控制质量。2021/6/731(2)时时间间滞滞后后的的影影响响 控控制制通通道道的的时时间间滞滞后后包包括括纯纯滞滞后后o和和容容量量滞滞后后c两两种种。它它们们对对控控制制质质量量的的影响不

31、利，尤其是影响不利，尤其是o影响最坏。影响最坏。 无纯滞后时系统开环传递函数：无纯滞后时系统开环传递函数： 有纯滞后时系统开环传递函数：有纯滞后时系统开环传递函数：2021/6/732 由由于于存存在在o ，将将使使相相角角滞滞后后增增加加o 弧弧度度 (图图39)。由由图图可可知知，当当o0时时，随随KcKo的的增增大大， 有有可可能能包包围围(-1，j0)点点。当当o值值愈愈大大时时，这这种种可可能能将将愈愈大大。可可见见，纯纯滞滞后后o的的存存在在将将降降低低系系统统的的稳稳定性。定性。 当当控控制制通通道道存存在在纯纯滞滞后后时时，控控制制器器的的校校正正作作用用将将要要滞滞后后一一个

32、个时时间间o ，从从而而使使超超调调量量增增加加，使使被被控控参参数数的的最最大大偏偏差差增增大大，引引起起系系统统动动态态指指标标下下降。降。2021/6/733 控控制制通通道道的的容容量量滞滞后后c同同样样会会造造成成控控制制作作用用不不及及时时，使使控控制制质质量量下下降降。但但是是c的的影影响响比比纯纯滞滞后后o对对系系统统的的影影响响缓缓和和。另另外外，若若引引入入微微分分作作用用，对对于于克克服服c对对控控制制质质量量的的影影响响有有显显著著的效果。的效果。(3)时间常数分配的影响时间常数分配的影响 如某系统如某系统(图图3l)开环传递函数：开环传递函数： 其其中中T110s，T

33、2=5s，T32s。若若每每次次改改变变其其中中一一个个或或两两个个时时间间常常数数，可可求求得得一一组组Kmax，c和和Kmaxc值，如表值，如表32所示。所示。2021/6/7342021/6/735 由由表表32可可知知，减减小小过过程程中中最最大大的的时时间间常常数数T1，反反而而引引起起控控制制质质量量下下降降；相相反反增增大大最最大大时时间间常常数数T1，虽虽c略略有有下下降降，但但Kmax增增长长，有有助助于于提提高高控控制制指指标标；而而减减小小T2或或T3都都能能提提高高控控制制性性能能指指标标，若若同同时时减减小小T2、T3，则提高性能指标的效果更好。，则提高性能指标的效果

34、更好。 因因此此，在在选选择择控控制制通通道道以以及及选选择择调调节节阀阀、测测量量变变送送器器和和设设计计控控制制(调调节节)器器时时，使使开开环环传传递递函函数数中中(包包括括控控制制器器、调调节节阀阀、被被控控过过程程以以及及测测量量变变送送器器)的的几几个个时时间间常常数数数数值值错错开开，减减小小中中间间的的时时间间常常数数，可可提提高高系系统统的的工工作作频频率率，减减小小过过渡渡过过程程时时间间和和最最大大偏差等，改善控制质量。偏差等，改善控制质量。2021/6/736 在在实实际际生生产产过过程程中中，若若过过程程本本身身存存在在多多个个时时间间常常数数，则则最最大大的的时时间

35、间常常数数往往往往涉涉及及生生产产设设备备的的核核心心，不不能能轻轻易易改改动动，但但减减小第二、三个时间常数较易实现。小第二、三个时间常数较易实现。 (三三)根据过程特性选择控制参数的一般原则根据过程特性选择控制参数的一般原则1)控控制制通通道道的的放放大大系系数数Ko要要适适当当大大一一些些；时时间间常常数数To要要适适当当小小一一些些；纯纯滞滞后后o愈愈小小愈愈好好，在在有有纯纯滞滞后后o的的情情况况下下，o和和To之之比比应应小小一一些些(小小于于1)，若若其其比比值值过过大大，则则不不利利于控制。于控制。2021/6/737 2)扰扰动动通通道道的的放放大大系系数数Kf应应尽尽可可能

36、能小小；时时间间常常数数Tf要要大大；扰扰动动引引入入系系统统的的位位置置(指框图中的位置指框图中的位置)要靠近调节阀。要靠近调节阀。 3)当当过过程程本本身身存存在在多多个个时时间间常常数数，在在选选择择控控制制参参数数时时，应应尽尽量量设设法法把把几几个个时时间间常常数数错错开开，使使其其中中一一个个时时间间常常数数比比其其它它时时间间常常数数大大得得多多，同同时时注注意意减减小小第第二二、第第三三个时间常数。个时间常数。 这这一一原原则则同同样样适适用用于于控控制制(调调节节)器器、调调节节阀阀和和测测量量变变送送器器时时间间常常数数的的选选择择，控控制制器器、调调节节阀阀和和测测量量变

37、变送送器器(均均为为系系统统开开环环传传递递函函数数中中的的环环节节)的的时时间间常常数数应应远远小小于于被控过程被控过程中最大的时间常数。中最大的时间常数。2021/6/738第三节第三节 检测、变送器选择检测、变送器选择对被控参数迅速、准确地测量对被控参数迅速、准确地测量(准确准确地反映实际变化情况地反映实际变化情况)是是实现高性能实现高性能控制的重要前提控制的重要前提。检测与变送设备主要根据检测与变送设备主要根据被检测参被检测参数的性质数的性质与与系统设计的总体考虑系统设计的总体考虑来来决定。决定。2021/6/7391尽可能选择测量误差小的测量元件尽可能选择测量误差小的测量元件 设控制

38、器与执行机构设控制器与执行机构 ，过程，过程 测量变送器测量变送器 ，则，则 当当Kc很大时，很大时，2021/6/740 当当Kc很大时，很大时， 可可见见，对对单单回回路路定定值值控控制制系系统统这这样样的的定定值值闭闭环环反反馈馈控控制制系系统统，当当控控制制器器放放大大倍倍数数Kc较较大大(或或含含有有积积分分因因子子)时时，其其稳稳态态误误差差(设设扰扰动动不不变变)取取决决于于反反馈馈通通道道误误差差即即测测量误差的大小。量误差的大小。 当当 存存 在在 测测 量量 误误 差差 ， 即即 当当 KmKm0+Km (Km0为为测测量量元元件件的的标标称称放放大大系系数数)时时，被被控

39、控参参数数与与给给定定值值间间不不再再只只有有固固定定的的对对应应关关系系(差差一一个个系系数数)，而而将将随随测测量量误差误差Km的值而变动。的值而变动。高质量的控制离不开高质量的测量。高质量的控制离不开高质量的测量。2021/6/7412.尽可能选择快速响应的测量元件与变送设备尽可能选择快速响应的测量元件与变送设备 检检测测与与变变送送器器都都有有一一定定的的时时间间常常数数，造成所谓的造成所谓的测量滞后测量滞后与与信号传送滞后信号传送滞后。 如如热热电电偶偶温温度度检检测测需需要要建建立立热热平平衡衡，因因而而响响应应较较慢慢产产生生测测量量滞滞后后；又又如如气气动动组组合合仪仪表表中中

40、，现现场场测测量量元元件件与与控控制制室室调调节节器器间的信号通过管道传输则产生传送滞后。间的信号通过管道传输则产生传送滞后。 为为克克服服其其不不良良影影响响，在在系系统统设设计计中中，应应尽尽可可能能选选用用快快速速测测量量元元件件并并尽尽量量减减小小信信号号传传送送时时间间(如如缩缩短短气气动动传传输输管管道道)，一一般般选选其其时时间间常常数数为为控控制制通通道道时时间间常常数数的的l10以以下为宜。下为宜。2021/6/7423.正确采用微分超前补偿正确采用微分超前补偿 当当系系统统中中存存在在较较大大的的测测量量滞滞后后(如如温温度度与与蒸蒸汽汽压压力力测测量量，存存在在相相当当大

41、大的的容容量量滞滞后后)，为为了了获获得得真真实实的的参参数数值值，可可在在变变送送器器输输出出端端串串一一微微分分环节环节(图图311)：输出与输入间的关系为输出与输入间的关系为若能使若能使TD= Tm，则，则P(s)=KmT(s)，输出与输入呈简单，输出与输入呈简单的正比关系，消除了测量滞后产生的动态误差。的正比关系，消除了测量滞后产生的动态误差。2021/6/743但微分超前控制的使用要慎重，因为但微分超前控制的使用要慎重，因为 （1）要使）要使TD= Tm极为困难。极为困难。 （2）微分作用将放大测量、变送）微分作用将放大测量、变送回路中的高频噪声干扰，使系统变得回路中的高频噪声干扰，

42、使系统变得不稳定。不稳定。 （3）微分作用对于纯滞后是无能）微分作用对于纯滞后是无能为力的。为力的。2021/6/7444合理选择测量点位置并正确安装合理选择测量点位置并正确安装测量点位置的选择，主要着眼于尽可能减小测量点位置的选择，主要着眼于尽可能减小参数测量滞后与传送滞后，同时也要考虑安参数测量滞后与传送滞后，同时也要考虑安装方便。装方便。 (1)测测量量信信号号校校正正 在在检检测测某某些些过过程程参参数数时时，测测量量值值往往往往要要受受到到其其它它一一些些参参数数的的影影响响，例例如如发发电电厂厂过过热热蒸蒸汽汽流流量量测测量量，通通常常用用标标准准节节流流元元件件。在在设设计计参参

43、数数下下运运行行时时，这这种种节节流流装装置置的的测测量量精精度度较较高高，当当参参数数偏偏离离给给定定值值时时，测测量量误误差差较较大大，其其主主要要原原因因是是蒸蒸汽汽密密度度受受压压力力和和温温度度的的影影响响较较大大。为为此此，必必须须对对其其测测量量信号进行压力和温度校正信号进行压力和温度校正(补偿补偿)。5. 对测量信号作必要的处理对测量信号作必要的处理2021/6/745(2)测量信号噪声测量信号噪声(扰动扰动)的抑制的抑制 在在测测量量某某些些参参数数时时，由由于于其其物物理理或或化化学学特特点点，常常常常产产生生具具有有随随机机波波动动特特性性的的过过程程噪噪声声。若若测测量

44、量变变送送器器的的阻阻尼尼较较小小，其其噪噪声声会会叠叠加加于于测测量量信信号号之之中中影影响响系系统统的的控控制制质质量量，所所以以应应考考虑虑对对其其加加以以抑抑制制。例例如如测测量量流流量量时时，常常伴伴有有噪噪声声，故故常常常常引引入入阻阻尼尼器器来加以抑制。来加以抑制。 有有些些测测量量元元件件本本身身具具有有一一定定的的阻阻尼尼作作用用，测测量量信信号号的的噪噪声声基基本本上上被被抑抑制制，如如用用热热电电偶偶或或热热电电阻阻测测温温时时，由由于于其其本本身身的的惯惯性作用，测量信号无噪声。性作用，测量信号无噪声。2021/6/746 (3)对测量信号进行线性化处理对测量信号进行线

45、性化处理 在在检检测测某某些些过过程程参参数数时时，测测量量信信号号与与被被测测参参数数之之间间成成某某种种非非线线性性关关系系。这这种种非非线线性性特性，一般由测量元件所致。特性，一般由测量元件所致。 通通常常线线性性化化措措施施在在仪仪表表内内考考虑虑或或测测量量信信号送入计算机后通过数字运算来线性化。号送入计算机后通过数字运算来线性化。 如如热热电电偶偶测测温温时时，热热电电动动势势与与温温度度是是非非线线性性的的，当当配配用用DDZIII型型温温度度变变送送器器时时，其其输输出出的的测测量量信信号号就就已已线线性性化化了了，即即变变送送器器的输出电流与温度成线性关系。的输出电流与温度成

46、线性关系。 因因此此是是否否要要进进行行线线性性化化处处理理，具具体体问问题题要作具体分析。要作具体分析。2021/6/747第四节第四节 执行器执行器(调节阀调节阀)选择选择 在在过过程程控控制制中中，执执行行器器(亦亦称称执执行行机机构构)大大多多采采用用阀阀的的形形式式，控控制制各各种种气气体体或或液液体体的的流流量量与与流流速速，其其特特性性好好坏坏对对控控制制质质量量的的影响很大。影响很大。 实实践践证证明明，若若调调节节阀阀特特性性选选用用不不当当，阀阀门门动动作作不不灵灵活活，口口径径大大小小不不合合适适，都都会会严重影响控制质量。严重影响控制质量。 所所以以，应应根根据据生生产

47、产过过程程的的特特点点、被被控控介介质质的的情情况况(尤尤其其关关注注高高温温、高高压压、剧剧毒毒、易易燃燃易易爆爆、易易结结晶晶、强强腐腐蚀蚀、高高粘粘度度等等介介质质)和和安安全全运运行行的的需需要要，并并从从系系统统设设计计的的总总体考虑，选用合适的执行器。体考虑，选用合适的执行器。2021/6/748 在过程控制中，在过程控制中，使用最多的是气动执行器使用最多的是气动执行器，其，其次是电动执行器，较少采用液动执行器。（次是电动执行器，较少采用液动执行器。（表表3-3）2021/6/7491选择合适的调节工作区间选择合适的调节工作区间 调调节节阀阀的的Dg、dg必必须须很很好好选选择择，

48、在在正正常常工工况况下下要要求求调调节节阀阀开开度度处处于于1585之间。之间。 若若调调节节阀阀口口径径选选得得过过小小，当当系系统统受受到到较较大大扰扰动动时时，调调节节阀阀可可能能运运行行在在全全开开或或接接近近全全开开的的非非线线性性饱饱和和工工作作状状态态，使使系系统统暂暂时失控；时失控； 若若调调节节阀阀口口径径选选得得过过大大，系系统统运运行行中中阀阀门门会会经经常常处处于于小小开开度度的的工工作作状状态态，不不但但调调节节不不灵灵敏敏，而而且且易易造造成成流流体体对对阀阀芯芯、阀阀座座的的严严重重冲冲蚀蚀，在在不不平平衡衡力力作作用用下下产产生生振振荡现象，甚至引起调节阀失灵。

49、荡现象，甚至引起调节阀失灵。2021/6/7502选择合适的流量特性选择合适的流量特性 首首先先根根据据过过程程控控制制系系统统的的要要求求，确确定定工工作作流流量量特特性性，然然后后根根据据流流量量特特性性曲曲线线的的畸畸变变程程度度，确确定定理理想想流流量特性。量特性。 在在具具体体选选择择调调节节阀阀的的流流量量特特性性时时，根根据据被被控控过过程程特特性性来来选选择择调调节节阀阀的的工工作作流流量量特特性性，若若过过程程特特性性为为线线性性时时，可可选选用用线线性性流流量量特特性性的的调调节节阀阀；若若过过程程特特性性为为非非线线性性，应应选选用用对数对数流量特性的调节阀。流量特性的调

50、节阀。2021/6/751当当阻阻力力比比S确确定定后后，可可从从工工作作流流量量特性出发，决定理想流量特性。特性出发，决定理想流量特性。 当当S10. 6时时，理理想想流流量量特特性与工作流量特性几乎相同；性与工作流量特性几乎相同； 当当S0.30.6时时，调调节节阀阀流流量量特特性性无无论论是是线线性性的的或或对对数数的的，均均应应选择对数的理想流量特性；选择对数的理想流量特性； 当当S0.3时时，一一般般已已不不宜宜用用于于自动控制。自动控制。2021/6/752 3选择合适的调节阀气开、气关形式选择合适的调节阀气开、气关形式 主要是考虑在不同工艺条件下主要是考虑在不同工艺条件下安全生安

51、全生产产的需要。选用气动调节阀应考虑以下情的需要。选用气动调节阀应考虑以下情况：况： 1)考虑事故状态时人身、工艺设备的安全。考虑事故状态时人身、工艺设备的安全。 当过程控制系统发生故障当过程控制系统发生故障(如气源中断、如气源中断、控制器损坏或调节阀坏了控制器损坏或调节阀坏了)时，调节阀所处时，调节阀所处的状态不致影响人身和工艺设备的安全。的状态不致影响人身和工艺设备的安全。 例：例：锅炉供水调节阀锅炉供水调节阀 进加热炉的燃料气进加热炉的燃料气(油油)的调节阀的调节阀2021/6/7532)考虑事故状态下减少经济损失，保证考虑事故状态下减少经济损失，保证产品质量。产品质量。 例：例：精馏塔

52、进料调节阀精馏塔进料调节阀 精馏塔回流量调节阀精馏塔回流量调节阀3)考虑介质的性质。考虑介质的性质。 例：例：装有易结晶、易凝固物料的装有易结晶、易凝固物料的装置的流量调节阀装置的流量调节阀2021/6/754第四节第四节 控制器控制器(调节器调节器)的选择的选择在在过过程程控控制制中中，控控制制器器常常称称为为调调节节器器(控制控制常称为常称为调节调节)。控控制制器器的的选选型型与与控控制制规规律律的的确确定定是是系系统设计中统设计中最重要最重要的环节。的环节。控控制制器器的的选选型型主主要要根根据据被被控控过过程程的的特特性性、工工艺艺对对控控制制品品质质的的要要求求、系系统统的的总体设计

53、总体设计(包括经济性包括经济性)来综合考虑。来综合考虑。本节讨论控制器选择中的共性问题。本节讨论控制器选择中的共性问题。2021/6/7551选择控制器的控制规律选择控制器的控制规律 (1)根据根据0T0比值来选择：比值来选择： 当已知过程数学模型当已知过程数学模型 0T0 0.2时，选用时，选用P或或PI控制规律；控制规律； 0.20T0 1.0 时，单回路反馈控制系统已不能满时，单回路反馈控制系统已不能满足控制要求，应根据具体情况，采用其他控制足控制要求，应根据具体情况，采用其他控制方式。方式。2021/6/756(2)根据过程特性选择控制规律：根据过程特性选择控制规律： 若若过过程程的的

54、数数学学模模型型比比较较复复杂杂或或无无法法准准确确建建模模时时，可可根根据据何何种种控控制制规规律律适适用用于何种过程特性与工艺要求来选择。于何种过程特性与工艺要求来选择。1)比比例例(P) ：P控控制制规规律律能能较较快快地地克克服服扰扰动动的的影影响响，使使系系统统稳稳定定下下来来，但但有有余余差差。适适用用于于控控制制通通道道滞滞后后较较小小，负负荷荷变变化化不不大大，控控制制要要求求不不高高，时时间间常常数数不不太太大大，扰扰动动幅幅度度较较小小，被被控控参参数数允允许许在在一一定定范范围围内内有有余余差差的的场场合合。如如储储槽槽液液位位控控制制、压压缩缩机机储储气气罐罐的的压压力

55、力控控制制、塔塔釜釜液液位位控控制和不太重要的蒸汽压力控制等。制和不太重要的蒸汽压力控制等。2021/6/7572)比比例例积积分分(PI) ：工工程程上上应应用用最最广广泛泛。积积分分能能消消除除余余差差，它它适适用用于于控控制制通通道道滞滞后后较较小小、负负荷荷变变化化不不大大、被被控控参参数数不不允允许许有有余余差差的的场场合合。如如某某些些流流量量、液液位位要要求求无无余余差差的的控控制系统。制系统。3)比比例例微微分分(PD)：微微分分具具有有超超前前作作用用，对对于于具具有有容容量量滞滞后后的的控控制制通通道道，引引入入微微分分控控制制规规律律(微微分分时时间间设设置置得得当当)对

56、对于于改改善善系系统统的的动动态态性性能能指指标标，有有显显著著的的效效果果。适适用用于于控控制制通通道道的的时时间间常常数数或或容容量量滞滞后后较较大大的的场场合合，如如温温度度或或成成分分控控制制。但但对对于于纯纯滞滞后后较较大大、测测量量信信号号有有噪噪声声或或周周期期性性扰扰动动的的系系统统，则则不宜采用微分控制。不宜采用微分控制。2021/6/7584)比比例例积积分分微微分分 (PlD)：是是一一种种较较理理想想的的控控制制规规律律，可可消消除除余余差差，又又能能提提高高系系统统的的稳稳定定性性。适适用用于于控控制制通通道道时时间间常常数数或或容容量量滞滞后后较较大大、控控制制要要

57、求求较较高高的的场场合合。如某些温度控制、成分控制等。如某些温度控制、成分控制等。控控制制规规律律要要根根据据过过程程特特性性和和工工艺艺要要求求来来选选取取，决决不不是是说说PID控控制制规规律律具具有有较较好好的的控控制制性性能能就就不不分分场场合合地地选选用用，否否则则会会给给其其它它工工作作增增加加复复杂杂性性，并并带带来来参参数数整整定定的困难。的困难。当当采采用用PID控控制制器器还还达达不不到到工工艺艺要要求求的的控控制制品品质质时时，则则需需要要考考虑虑其其它它的的控控制制方方案案(第四章第四章)。2021/6/7592.确定控确定控制制(调节调节)器器的正、反作用方式的正、反

58、作用方式正正作作用用方方式式-调调节节器器的的输输出出随随着着正正偏偏差差(指指测测量量值值大大于于设设定定值值)的的增增加加而而增增加加，即即调节器的输出随测量值的增大而增大。调节器的输出随测量值的增大而增大。反反作作用用方方式式-调调节节器器的的输输出出随随着着正正偏偏差差的的增增加加而而减减小小，即即调调节节器器的的输输出出随随测测量量值值的增大而减小。的增大而减小。调节器正、反作用方式的确定原则：调节器正、反作用方式的确定原则： 应应根根据据被被控控过过程程的的特特性性及及调调节节阀阀的的气气开开、气气关关形形式式来来选选择择，以以使使系系统统成成为为一一个个负负反反馈馈闭闭环环系系统

59、统。即即如如果果被被控控变变量量偏偏高高，控控制制作作用用应应使使之之降降低低；相相反反，如如果果被被控控变变量偏低，控制作用应使之升高。量偏低，控制作用应使之升高。2021/6/760被控过程的特性，被控过程的特性，分为正、反两种：分为正、反两种： 正正作作用用特特性性：当当被被控控过过程程的的输输入入(通通过过调调节节阀阀的的物物料料或或能能量量)增增加加(或或减减小小)时时，其其输输出出(被被控控参参数数)亦亦增增加加(或或减小减小) 。 反作用特性：反作用特性：反之为反作用特性。反之为反作用特性。调节阀的气开、气关形式调节阀的气开、气关形式2021/6/761组成过程控制系统各环节极性

60、规定组成过程控制系统各环节极性规定 ： 气开式调节阀：气开式调节阀：其静态放大系数其静态放大系数Kv取正；取正； 气关式调节阀：气关式调节阀：其静态放大系数其静态放大系数Kv取负；取负； 正作用被控过程：正作用被控过程：其静态放大系数其静态放大系数Ko取正；取正； 反作用被控过程：反作用被控过程：其静态放大系数其静态放大系数Ko取负。取负。 正正作作用用调调节节器器：即即当当系系统统的的测测量量值值增增加加时时，调调节节器的输出亦增加，其静态放大系数器的输出亦增加，其静态放大系数Kc取负取负； 反反作作用用调调节节器器：即即当当系系统统的的测测量量值值增增加加时时，调调节节器的输出减小，其静态

61、放大系数器的输出减小，其静态放大系数Kc取正取正；2021/6/762过过程程控控制制系系统统要要能能正正常常工工作作，则则该该系系统统各各环环节节的的极极性性(可可用用其其静静态态放放大大系系数数表表示示)相相乘乘必必须须为为正。正。测测量量变变送送器器的的静静态态放放大大系系数数Km通通常常为为正正极极性性，故故只只需需调调节节器器Kc、调调节节阀阀Kv和和过过程程Ko的的极极性性相乘必须为正即可。相乘必须为正即可。 Kc Kv Ko 02021/6/763确定调节器正、反作用的次序过程：确定调节器正、反作用的次序过程：首首先先根根据据生生产产工工艺艺安安全全等等原原则则确确定定调调节节阀

62、的气开气关形式；阀的气开气关形式；然然后后按按被被控控过过程程特特性性，确确定定其其正正、反反作作用特性；用特性；最最后后根根据据上上述述组组成成该该系系统统的的开开环环传传递递函函数数各各环环节节的的静静态态放放大大系系数数极极性性相相乘乘必必须须为为正正的的原原则则来来确确定定调调节节器器的的正正、反反作作用用方式。方式。例：贮槽液位控制（例：贮槽液位控制（P173）2021/6/764第六节第六节 过程计算机控制系统的设计过程计算机控制系统的设计以以微微处处理理器器、单单片片微微处处理理器器为为核核心心的的工工业业控控制制计计算算机机与与数数字字调调节节器器过过程程计计算算机机控控制制设

63、设备备已已成成为为过过程程控控制制领领域域中中不不可可缺缺少少的的强强有有力力的的工工具具，正正在在逐逐步步取取代代模模拟拟调调节节器器，并并且且自自身身还还在在不不断断发发展展，用用新新的的功功能能更更强强大大或或价价格格更更便便宜宜的的新新过过程程计计算算机控制设备来装备现代过程工业。机控制设备来装备现代过程工业。2021/6/765过过程程计计算算机机控控制制系系统统按按规规模模、系系统统结结构构的的不同，大致可分为四类：不同，大致可分为四类： (1)单单机机控控制制系系统统：一一般般由由微微机机或或单单片片机机系系统统组组成成，结结构构简简单单、价价格格低低廉廉，适适用用于于小小规规模

64、模的的装装置置，如如工工业业锅锅炉炉、玻玻璃璃窑窑炉炉、换热器等的控制。换热器等的控制。 (2)两两级级计计算算机机控控制制系系统统：由由监监控控机机(上上位位机机)、通通信信系系统统和和若若干干个个下下位位机机(工工业业控控制制计计算算机机，简简称称工工控控机机)组组成成。不不同同装装置置配配有有各各自自单单独独的的工工业业控控制制机机，监监视视和和控控制制整整个个生生产产过过程程，适适合合于于几几个个至至几几十十个个生生产产设设备备连连接接在在一一起起的的中中规规模模的的生生产产过过程程，如如聚聚合釜、精馏塔、发酵罐等。合釜、精馏塔、发酵罐等。2021/6/766 (3)分分 布布 式式

65、控控 制制 系系 统统 (Distributed Control Systems，DCS)，又又称称集集散散控控制制系系统统，采采用用控控制制分分散散和和管管理理集集中中相相结结合合的的原原则则，可可对对大大规规模模的的生生产产过过程程(涉涉及及几几百百上上千千个个参参数数的的数数据据采采集集和和控控制制)进进行行高高可可靠靠性性的的控控制制和和有有效效的的管管理理。其其研研究究开开发发与与应用已基本成熟（第九章）。应用已基本成熟（第九章）。 (4)计计 算算 机机 集集 成成 过过 程程 控控 制制 系系 统统(Computer Integrated Process System，CIPS)

66、：一一种种以以全全局局最最优优为为目目标标，包包含含了了从从原原材材料料采采购购到到产产品品销销售售在在内内的的整整个个决决策策过过程程、管管理理过过程程和和生生产产过过程程相相结结合合的的计计算算机机系系统统，是是一一种种全全新新的的过过程程控控制制系系统统。目目的还处于研发阶段。的还处于研发阶段。2021/6/767不不同同结结构构的的计计算算机机控控制制系系统统虽虽然然简简、繁繁相相差差很很大大，但但都都包包含含了了最最本本质质最最核核心心亦亦是是最最低低层层部部分分-过过程程控控制制，完完成成最最基基本本的的控控制制任任务务。这这一一控控制制功功能能常常称称之之为为直直接接数数字字控控

67、制制(Direct Digital Control，简简称称DDC)，其其含含意意是是直直接接面面向向生生产产过过程程，采采用用数数字字计算机，对被控参数进行控制。计算机，对被控参数进行控制。2021/6/768直接数字控制系统直接数字控制系统或子系统或子系统(简称简称DDC系统系统)是是过程计算机控制系统中的基本部分，由被控对过程计算机控制系统中的基本部分，由被控对象象(过程或装置过程或装置)、检测变送器、执行器和工业、检测变送器、执行器和工业控制机等四部分组成控制机等四部分组成 (图图313) 。2021/6/769DDC系统本质上可看作是一台工控机系统本质上可看作是一台工控机取代一台或多

68、台常规调节仪表而构成取代一台或多台常规调节仪表而构成的过程控制系统，因而的过程控制系统，因而DDC系统的设系统的设计是过程计算机控制系统设计中的最计是过程计算机控制系统设计中的最基本内容。基本内容。2021/6/770一、过程计算机控制系统的组成与特点一、过程计算机控制系统的组成与特点(一一)计算机控制的一般概念计算机控制的一般概念 将模拟过程控制系统中的控制器的功将模拟过程控制系统中的控制器的功能用计算机来实现，就组成了一个典型的能用计算机来实现，就组成了一个典型的过程计算机控制系统，如图过程计算机控制系统，如图314。2021/6/771(二二)过程计算机控制系统的组成过程计算机控制系统的

69、组成(图图315)2021/6/772 (三三)过程计算机控制系统的特点过程计算机控制系统的特点1)模模拟拟和和数数字字部部件件的的混混合合系系统统：除除检检测测、变变送送装装置置、执执行行机机构构等等常常用用模模拟拟部部件件之之外外，其其执执行行控控制制功功能能的的核核心心部部件件是是数数字字计算机。计算机。2)需需采采用用专专门门的的理理论论来来分分析析和和设设计计：系系统统除了包含连续信号外，还包含数字信号。除了包含连续信号外，还包含数字信号。3)便便于于实实现现复复杂杂的的控控制制规规律律：连连续续控控制制系系统统若若要要修修改改控控制制规规律律，一一般般须须改改变变硬硬件件结结构构。

70、而而计计算算机机控控制制系系统统只只需需修修改改软软件件，一一般般不不需需改改变变硬硬件件结结构构，使使系系统统具具有有很很大的灵活性和适应性。大的灵活性和适应性。2021/6/7734)多多路路分分时时控控制制：在在连连续续控控制制系系统统中中，一一般般是是一一个个控控制制器器控控制制一一个个回回路路，而而计计算算机机控控制制系系统统中中，由由于于计计算算机机具具有有高高速速的的运运算算处处理理能能力力，一一个个控控制制器器(计计算算机机)经经常常可可采用分时控制的方式同时控制多个回路。采用分时控制的方式同时控制多个回路。5)管管控控一一体体化化：采采用用计计算算机机控控制制，可可实实现现如

71、如分分级级计计算算机机控控制制、分分布布式式控控制制等等，从从而而实实现现控控制制与与管管理理一一体体化化，使使工工业业企企业业的的自动化程度进一步提高。自动化程度进一步提高。2021/6/774 二、数字控制器的模拟化设计二、数字控制器的模拟化设计图图316为常见的过程计算机控制为常见的过程计算机控制系统的原理图。系统的原理图。2021/6/775数字控制器的两种设计方法：数字控制器的两种设计方法： (1)模模拟拟化化设设计计方方法法(间间接接设设计计法法):在在一一定定条条件件下下，把把过过程程计计算算机机控控制制系系统统近近似似地地看看成成模模拟拟系系统统，用用连连续续系系统统的的理理论

72、论来来进进行行动动态态分分析析和和设设计计，再再将将设设计计结结果转变成数字计算机。果转变成数字计算机。 (2)离离散散化化设设计计方方法法(直直接接设设计计法法):把把过过程程计计算算机机控控制制系系统统经经过过适适当当变变换换，变变成成纯纯粹粹的的离离散散系系统统，用用z变变换换等等工工具具进行分析设计，直接设计出控制算法。进行分析设计，直接设计出控制算法。2021/6/776模拟化设计方法的基本思路：模拟化设计方法的基本思路： 当当系系统统的的采采样样频频率率足足够够高高时时，采采样样系系统统的的特特性性接接近近于于连连续续变变化化的的模模拟拟系系统统，因因而而可可忽忽略略采采样样开开关

73、关和和保保持持器器，将将整整个个系统看成是连续变化的模拟系统。系统看成是连续变化的模拟系统。设设计计的的基基本本步步骤骤：根根据据系系统统已已有有的的连连续续模模型型，按按连连续续系系统统理理论论设设计计模模拟拟调调节节器器，然然后后按按照照一一定定的的对对应应关关系系将将模模拟拟调调节节器器离离散散化化，得得到到等等价价的的数数字字控控制制器器，从从而而确定计算机的控制算法。确定计算机的控制算法。设设计计的的实实质质：将将模模拟拟调调节节器器离离散散化化，用用数字控制器取代模拟调节器。数字控制器取代模拟调节器。2021/6/777 (一一)离散化方法离散化方法 1差分变换法差分变换法 首首先

74、先把把原原始始的的连连续续传传递递函函数数Wc(s)转转换换成成微微分分方方程程，再再用用差差分分方方程程近近似似该该微微分分方方程程。常常用用的的差差分分近近似似方方法法有有后后向向差差向向和和前前向向差差分分。为为便便于于编编程程，离离散散化化只只采用后向差分法。采用后向差分法。 (1)一一阶阶后后向向差差分分 一一阶阶导导数数采采用用如如下下近似式近似式(T为采样周期为采样周期)2021/6/778(2)二阶后向差分二阶后向差分 二阶导数采用近似式二阶导数采用近似式例例3-1 求求 的差分方程。（略）的差分方程。（略）2021/6/7792零阶保持器法（阶跃响应不变法）零阶保持器法（阶跃

75、响应不变法） P160图图3-17 基基本本思思想想：离离散散近近似似后后的的数数字字控控制制器器的的阶阶跃跃响响应应序序列列与与模模拟拟调调节节器器的的阶阶跃跃响响应应的的采采样样值值相相等等，即即 或或 例例32 用用零零阶阶保保持持器器法法求求 的的差差分分方程。（略）方程。（略）2021/6/780(二二)数字数字PID控制算法控制算法 P1601.位位置置型型PID算算式式：数数字字PID控控制制器器的的输输出出u(k)和阀位对应和阀位对应 计计算算机机实实现现位位置置型型算算式式不不够够方方便便，这这是是因因为为要要累累加加偏偏差差e(j)，不不仅仅要要占占用用较较多多的的存储单元

76、，而且不便于编程。存储单元，而且不便于编程。2增量型增量型PID算式算式2021/6/781u(k)对对应应于于第第k时时刻刻阀阀位位的的增增量量，故故称称此此式式为为增量型增量型PID算式。算式。第第k时刻的实际控制器输出时刻的实际控制器输出计计算算u(k)和和u(k)要要用用到到也也仅仅需需用用到到第第(k-1)、(k-2)时时刻刻的的历历史史数数据据e(k-1)、e(k-2)和和u(k-1)，这这三三个个历历史史数数据据需需存存于于内内存存储储器器。可可见见，采采用用增增量量型型计计算算式式的的优优点点是是：编编程程序序简简单单，占占用用存存储单元少，运算速度快。储单元少，运算速度快。2

77、021/6/782为了编程序方便，也可将式(331)整理成如下形式：2021/6/783 (三三)数字数字PID控制算法的改进控制算法的改进 用计算机实现用计算机实现PID控制，不仅能实现模拟控制，不仅能实现模拟PID控制规律，而且能进一步与计算机的逻辑控制规律，而且能进一步与计算机的逻辑判断功能结合起来，对判断功能结合起来，对PID控制算法作改进，控制算法作改进，使使PID控制更加灵活多样完善。控制更加灵活多样完善。1积分项的改进积分项的改进(1)积分分离积分分离 在一般的在一般的PID控制中当有较大的扰控制中当有较大的扰动或大幅度改变给定值时，由于此时有较大的动或大幅度改变给定值时，由于此

78、时有较大的偏差，以及系统有惯性和滞后，故在积分项的偏差，以及系统有惯性和滞后，故在积分项的作用下，往往会产生较大的超调和长时间的波作用下，往往会产生较大的超调和长时间的波动。特别对于温度、成分等变化缓慢的过程，动。特别对于温度、成分等变化缓慢的过程，这一现象更为严重。为此，可采用积分分离措这一现象更为严重。为此，可采用积分分离措施。即施。即当当|e(k)|时，用时，用PD控制；控制； 当当|e(k)|时，用时，用PID控制。控制。2021/6/784(2)抗抗积积分分饱饱和和 由由于于长长期期存存在在偏偏差差或或偏偏差差较较大大，计计算算出出的的控控制制量量有有可可能能溢溢出出或或小小于于零零

79、。所所渭渭溢溢出出就就是是计计算算机机运运算算出出的的控控制制量量u(k)超超出出DA所所能能表表示示的的数数值值范范围围。例例如如8位位DA的的数数值值范范围围为为00H至至FFH。一一般般执执行行机机构构有有两两个个极极限限位位置置，如如调调节节阀阀全全开开或或全全关关。设设u(k)为为FFH时时调调节节阀阀全全开开；u(k)为为00H时时调调节节阀阀全全关关。当当执执行行机机构构已已到到极极限限位位置置仍仍不不能能消消除除偏偏差差时时，由由于于积积分分作作用用，PID差差分分方方程程式式所所得得的的运运算算结结果果将将继继续续增增大大或或减减小，这就称为小，这就称为积分饱和积分饱和。 作

80、作为为防防止止积积分分饱饱和和的的办办法法之之，可可对对运运算算出的控制量出的控制量u(k)进行限幅。以进行限幅。以8位位DA为例：为例： 当当u(k) 0时，则取时，则取u(k)=0 ； 当当u(k) FFH时，则取时，则取u(k)FFH。2021/6/785(3)消消除除积积分分不不灵灵敏敏区区 PID数数字字控控制制器器的的增增量型算式中积分作用的输出量型算式中积分作用的输出 由由于于计计算算机机字字长长的的限限制制，当当运运算算结结果果小小于于字字长长所所能能表表示示数数的的精精度度，计计算算机机就就作作为为“零零”将将此此数数丢丢掉掉，从从上上式式可可知知，当当计计算算机机的的运运算

81、算字字长长较较短短、采采样样周周期期T也也短短、而而积积分分时时间间TI又又较较长长时时，uI(k)容容易易出出现现小小于于字字长长的的精精度度而而丢丢数数，此此时时也也就就无无积积分分作作用。这就称为积分不灵敏区。用。这就称为积分不灵敏区。2021/6/786 常采用以下措施消除积分不灵敏区：常采用以下措施消除积分不灵敏区： 1)增增加加DA转转换换位位数数，加加长长运运算算字字长长，可提高运算精度。可提高运算精度。 2)当当积积分分项项uI(k) 连连续续出出现现小小于于输输出出精精度度的的情情况况时时，不不要要把把它它们们作作为为“零零”丢丢掉掉，而而是是把把它它们们一一次次次次累累加加

82、起起来来，直直到到累加值累加值Si大于大于时才输出时才输出Si。2021/6/787(4)带带积积分分不不灵灵敏敏区区 与与消消除除积积分分不不灵灵敏敏区区恰恰好好相相反反，对对那那些些不不要要求求准准确确控控制制(容容许许在在设设定定值值的的较较大大范范围围内内变变化化)的的过过程程，如如液液位位控控制制，为为了了避避免免控控制制阀阀频频繁繁动动作作反反而而引引起起系系统统振振荡荡，可可采采取取带带不灵敏区的算式，即不灵敏区的算式，即2021/6/7882微分项的改进微分项的改进 微微分分项项是是PID数数字字控控制制器器响响应应最最敏敏感感的的一一项项，应应尽尽量量减减少少数数据据误误差差

83、和和噪噪声声，以以消消除除不不必必要要的的扰动。扰动。(1)偏差平均偏差平均(偏差滤波偏差滤波) 平平均均项项数数m的的选选取取、取取决决于于被被控控制制对对象象的的特特性性。一一般般流流量量信信号号取取10项项，压压力力信信号号取取5项项，温度、成分等缓慢变化的信号取温度、成分等缓慢变化的信号取2项或不平均。项或不平均。(2)测量值微分测量值微分(微分先行微分先行) 当当系系统统给给定定值值发发生生阶阶跃跃变变化化时时，微微分分动动作作将将导导致致控控制制输输出出u(k)大大幅幅度度变变化化，不不利利于于生生产产的的稳稳定定操操作作。由由此此在在微微分分项项中中不不考考虑虑给给定定值值微微分

84、，只对测量值分，只对测量值(即被控参数即被控参数)进行微分。进行微分。2021/6/789(四四)数字数字PID控制器的工程实现控制器的工程实现 从工程应用角度采用计算机实现数字从工程应用角度采用计算机实现数字PID控控制，仅仅完成上面介绍的数字制，仅仅完成上面介绍的数字PID 运算运算(及其改及其改进运算进运算)是不够的，还必须考虑其它工程实际问是不够的，还必须考虑其它工程实际问题。题。2021/6/790 (1)给给定定值值处处理理 通通常常包包括括给给定定值值选选择择(内内给给定定还还是是外外给给定定，外外给给定定中中又又分分来来自自上上位位计计算算机机还还是是来来自自其其它它运运算算模

85、模块块)与与给给定定值值变变化化率率限限制制(防防止止比比例例、微微分饱和分饱和)等。等。 (2)被被控控量量处处理理(检检测测量量处处理理) 通通常常包包括括数数字字滤滤波波、数数据据处处理理(包包括括非非线线性性补偿，以及高、低限报警等。补偿，以及高、低限报警等。 (3)偏偏差差处处理理 通通常常包包括括数数据据处处理理、输输入入补补偿偿(非非线线性性补补偿偿或或设设置置非非线线性性特特性如带死区、带饱和性如带死区、带饱和)与上限报警等。与上限报警等。2021/6/791 (4)控控制制量量处处理理 通通常常包包括括输输出出补补偿偿(扩扩大大PID功功能能，实实现现复复杂杂控控制制)、输输

86、出出保保持持与与安安全全输输出出限限制制(包包括括输输出出幅幅值值限限制制、变化率限制、事故状态输出变化率限制、事故状态输出)等。等。 (5)自自动动、手手动动切切换换 正正常常运运行行时时，系系统统处处于于自自动动状状态态，在在调调试试阶阶段段或或出出现现故故障障时时，系系统统处处于于手手动动状状态态。要要求求尽尽量量做做到到无无平平衡衡无无扰扰动动切切换换，即即在在进进行行手手动动到到自自动动或或自自动动到到手手动动切切换换之之前前，无无须须由由人人工工进进行行手手动动输输出出控控制制信信号号与与自自动动控控制制信信号号之之间间的的对对位位平平衡衡操操作作，保保证证切切换换时时不不对对执执

87、行行机机构构的现有位置产生扰动。的现有位置产生扰动。2021/6/792 (五五)采样周期的选取采样周期的选取 数数字字控控制制器器采采用用模模拟拟器器设设计计方方法法的的前前提提是是采采样样频频率率足足够够高高，即即采采样样周周期期足足够够短短。但但过过短短的的采采样样周周期期不不仅仅使使计计算算机机的的硬硬件件开开销销(AD、DA的的转转换换速速度度与与CPU的的运运算算速速度度)增增加加、而而且且由由于于执执行行机机构构(如如气气动动调调节节阀阀)的的响响应应速速度度较较低低，并并不不能能提提高高系系统统的的动动态态特特性性，因因此此必必须须从从技技术术和和经经济济两两方面综合考虑采样频

88、率的选取。方面综合考虑采样频率的选取。2021/6/793选取采样周期时，一般应考虑下列几个因素：选取采样周期时，一般应考虑下列几个因素： 1)采样周期应远小于对象的扰动周期。采样周期应远小于对象的扰动周期。 2)采采样样周周期期应应比比对对象象的的时时间间常常数数小小得得多多，否否则则采样值无法反映瞬变过程。采样值无法反映瞬变过程。 3)考考虑虑执执行行器器的的响响应应速速度度。如如果果执执行行器器的的响响应应速度比较慢，那么过短的采样周期将失去意义。速度比较慢，那么过短的采样周期将失去意义。 4)对对象象所所要要求求的的调调节节品品质质。在在计计算算机机速速度度允允许许的情况下，采样周期短

89、，调节品质好。的情况下，采样周期短，调节品质好。 5)性性价价比比。从从控控制制性性能能来来考考虑虑，希希望望采采样样周周期期短短。但但计计算算机机运运算算速速度度以以及及A/D和和D/A的的转转换换速速度度要相应地提高，导致计算机的费用增加。要相应地提高，导致计算机的费用增加。 6)计计算算机机所所承承担担的的工工作作量量。如如果果控控制制的的回回路路数数多多，计计算算量量大大，则则采采样样周周期期要要加加长长，反反之之可可以以缩缩短。短。2021/6/794可可见见，采采样样周周期期受受各各种种因因素素的的影影响响，有有些些是是相相互互矛矛盾盾的的，必必须须视视具具体体情情况况和和主主要要

90、的的要要求求作作出出折折衷衷的的选选择择。在在具具体体选选择择采采样样周周期期时时，可可参参照照表表34所所示示的的经经验验数数据据，再再通通过过现现场场试验最后确定合适的采样周期。试验最后确定合适的采样周期。随着计算机技术随着计算机技术的进步及其成本的进步及其成本的下降，一般可的下降，一般可以选取较短的采以选取较短的采样周期，使数字样周期，使数字控制系统更接近控制系统更接近连续控制系统。连续控制系统。2021/6/795 三、过程计算机控制系统设计方法三、过程计算机控制系统设计方法 过过程程计计算算机机控控制制系系统统设设计计与与常常规规仪仪表表控控制制系系统统设设计计的的主主要要不不同同之

91、之处处就就在在于于计计算算机机系系统统的的选选择择(设设计计)与数字控制器的设计与数字控制器的设计。过程计算机控制系统的设计原则：过程计算机控制系统的设计原则： (1)可可靠靠性性高高 首首先先需需采采用用高高性性能能的的工工控控机机，保保证证在在恶恶劣劣的的工工业业环环境境下下仍仍能能正正常常运运行行。其其次次是是要要设设计计可可靠靠的的控控制制方方案案(类类同同于于常常规规控控制制仪仪表表的的控控制制方方案案设设计计)，并并具具有有各各种种安安全全保保护护措措施施，如如报报警警、事故预测、事故处理、不间断电源等。事故预测、事故处理、不间断电源等。 为为预预防防计计算算机机发发生生故故障障，

92、往往往往还还需需设设计计后后备备装装置置以以防防不不测测。对对于于一一般般的的控控制制回回路路、选选用用手手动动操操作作器器作作为为后后备备；对对于于重重要要的的控控制制回回路路，选选用用常常规规控控制制仪仪表表作作为为后后备备；对对于于特特殊殊的的控控制制对对象象，则则设计两台计算机，互为备用地执行控制任务。设计两台计算机，互为备用地执行控制任务。2021/6/796 (2)实实时时性性强强 一一台台过过程程控控制制计计算算机机常常常常要要控控制制几几个个乃乃至至几几十十个个回回路路，要要求求计计算算机机不不仅仅能能在在设设计计的的控控制制周周期期内内完完成成全全部部的的数数据据采采集集、运

93、运算算和和控控制制任任务务，还还要要能能对对事事故故、报报警警等等随随机机事事件件作作出出及及时时处理。处理。 (3)通通用用性性好好 过过程程控控制制计计算算机机的的通通用用灵灵活活体体现现在在两两方方面面，一一是是硬硬件件模模板板设设计计采采用用标标准准总总线线结结构构，配配置置各各种种通通用用的的功功能能模模板板；二二是是软软件件模模块块或或控控制制算算法法采采用用标标准准模模块块结结构构，用用户户使使用用时时不不需需二二次次开开发，只需灵活地进行控制系统组态。发，只需灵活地进行控制系统组态。 (4)操操作作性性好好 操操作作性性好好表表现现在在两两方方面面，一一是是使使用方便，二是维修

94、容易。用方便，二是维修容易。 (5)经经济济效效益益高高 表表现现在在两两方方面面，一一是是系系统统的的性性能能价价格格比比，二二是是投投入入产产出出比比，包包括括降降耗耗节节能能，消消除环境污染，改善劳动条件等因素。除环境污染，改善劳动条件等因素。2021/6/797在在控控制制方方案案确确定定之之后后，主主要要的的任任务务是是选选择择合合适适的的计计算算机机(系系统统)。计计算算机机的的选选择择方方案通常有以下几种：案通常有以下几种： (1)选选用用标标准准功功能能模模块块 为为了了适适应应计计算算机机应应用用的的通通用用性性和和灵灵活活性性，各各计计算算机机制制造造厂厂按按照照统统一一标

95、标准准总总线线(如如STD，PCI)生生产产出出各各种种各各样样的的功功能能模模板板，设设计计人人员员按按照照需需要要选选用用功功能能模模板板构构成成系系统统(图图319)。这这种种模模块块化化结结构构的的优优点点是是系系统统配配置置灵灵活活、扩扩充充方方便便、维维修修简简单单。缩缩短短了了硬硬件件设设计计周周期期，缺缺点点是是商商品品软软件件较较少少，需需用用户户自自行开发。行开发。2021/6/798 (2)选选用用通通用用的的控控制制计计算算机机 计计算算机机制制造造厂厂推推出出的的工工业业控控制制计计算算机机，不不仅仅配配有有系系统统软软件件，而而且且配配有有丰丰富富的的应应用用软软件

96、件，用用户户可可以以灵灵活活地地进进行行控控制制系系统统的的组组态态，解解除除了了用用户户编编应应用用程程序序的的负负担担，缺缺点点是是价格较高。价格较高。 (3)设设计计专专用用计计算算机机 用用户户根根据据自自己己的的需需要要，设设计计专专用用的的计计算算机机或或设设计计几几块块特特殊殊的的功功能能模模板板。优优点点是是系系统统针针对对性性强强，灵灵活活方方便便，缺缺点点是是设设计计周周期期长长，设设计计者者需具备较深的计算机硬件知识。需具备较深的计算机硬件知识。2021/6/799在在计计算算机机(系系统统)选选择择中中，要要十十分分注注意意与与选选择择的的检检测测、变变送送器器与与执执

97、行行器器的的配配合合，尤尤其其要要注注意意计计算算机机的的输输入入、输输出出信信号号要要统统一采用标准的一采用标准的DC 010mA或或DC 420mA。为为了了便便于于人人机机联联系系，需需要要精精心心设设计计一一个个供供现现场场操操作作人人员员使使用用的的控控制制台台。注注意意，这这个个控控制制台台一一般般不不能能用用计计算算机机键键盘盘简简单单代替。代替。2021/6/7100第七节第七节 过程控制系统的投运过程控制系统的投运和控制器参数整定和控制器参数整定在在过过程程控控制制系系统统方方案案设设计计、设设备备选选型型、安安装装调调校校就就绪绪后后，下下一一步步要要进进行行的的就就是是系

98、系统统的投运与调整、整定。的投运与调整、整定。若若一一切切顺顺利利则则系系统统可可投投入入正正常常生生产产，若若品品质质指指标标达达不不到到要要求求，则则需需按按照照“再再次次整整定定控控制制器器参参数数修修改改控控制制规规律律检检查查设设备备选选型型是是否否符符合合要要求求修修改改控控制制方方案案”的的顺顺序序反反复复进进行行，直直到到找找出出原原因因与与解解决决办办法法使使系系统满足生产要求。统满足生产要求。2021/6/7101一、控制系统投运一、控制系统投运 在在新新控控制制系系统统安安装装就就绪绪后后，或或者者老老系系统统经经过过改改造造或或经经过过停停车车检检修修之之后后，再再将将

99、其其逐逐步步投投入入生生产产的的过过程程就就称称为为系系统统的的投运。投运。 为为了了保保证证过过程程控控制制系系统统顺顺利利投投运运，要要求求操操作作人人员员在在系系统统投投运运之之前前，必必须须对对构构成成系系统统的的各各种种仪仪表表设设备备(控控制制器器、调调节节阀阀、测测量量变变送送器器等等)、联联接接管管线线、供供电电、供气情况等进行全面检查和调校。供气情况等进行全面检查和调校。2021/6/7102过过程程控控制制系系统统的的各各个个组组成成部部分分投投运运的的一一般般程序如下：程序如下： (1)检检测测系系统统投投入入运运行行：根根据据工工业业生生产产过过程程的的实实际际情情况况

100、，将将温温度度、压压力力、流流量量、液液位位等等检检测测系系统统投投入入运运行行，观观察察测测量量指指示示是否正确。是否正确。 (2)调调节节阀阀手手动动遥遥控控：在在手手动动遥遥控控时时应应事事先先了了解解调调节节阀阀在在正正常常工工况况下下的的开开度度，然然后后手手动动遥遥控控，使使系系统统的的被被控控参参数数在在给给定定值值附附近近稳稳定定下下来来，并并使使生生产产达达到到稳稳定定工工况况，为切换到自动控制作好准备。为切换到自动控制作好准备。2021/6/7103 (3)控控制制器器投投运运(手手动动自自动动) ：完完成成以以上上两两步步后后，就就满满足足了了工工艺艺开开车车的的需需要要

101、。待待工工况况稳稳定定后后，即即可可将将系系统统由由手手动动操操作作切切换换到到自自动动运运行行。为为此此，首首先先再再检检查查控控制制器器的的正正、反反作作用用开开关关等等位位置置是是否否正正确确，然然后后把把控控制制器器PID参参数数值值设设置置在在合合适适位位置置，当当被被控控参参数数与与给给定定值值一一致致(即即当当偏偏差差为为零零)时时，将将控控制制器器由由手手动动切切换换到到自自动动(无无扰扰动动切切换换)，实实现现自自动动控控制制。同同时时观观察察被被控控参参数数的的记记录录曲曲线线是是否否合合乎乎工工艺艺要要求求，若若还还不不够够理理想想则调整则调整PID参数，直到满意为止。参

102、数，直到满意为止。2021/6/7104当当系系统统正正确确投投运运、控控制制器器参参数数经经过过整整定定后后，若若其其品品质质指指标标一一直直达达不不到到要要求求，或或系系统统出出现现异异常常时时，需需将将系系统统由由自自动动切换到手动，再行研究解决。切换到手动，再行研究解决。2021/6/7105 二、控制器参数整定二、控制器参数整定过过程程控控制制采采用用的的控控制制器器(调调节节器器)通通常常都都有有一一个个或或多多个个需需要要调调整整的的参参数数和和调调整整这这些些参参数数的的相相应应机机构构(如如旋旋钮钮、开开关关等等)或或相相应应设设备备(如如计计算算机机控控制制系系统统中中的的

103、组组态态软软件件、可可编编程程控控制制器器中中的的编编程程器器)。通通过过调调整整这这些些参参数数使使控控制制器器特特性性与与被被控控过过程程特特性性配配合合好好，获获得得满满意意的的系系统统静静态态与与动动态态特特性性的过程称为的过程称为控制器参数整定控制器参数整定。2021/6/7106控制器参数的整定方法控制器参数的整定方法： 理理论论计计算算整整定定法法：在在已已知知过过程程数数学学模模型型的的基基础础上上，依依据据控控制制理理论论，通通过过理理论论计计算算来来求求取取“最最佳佳整整定定参参数数”。 (如如根根轨轨迹迹法法、频频率率特特性性法法等等)在在自自动动控控制制原原理理课课程程

104、中中己己作了较深入的讨论。作了较深入的讨论。 工工程程整整定定法法：根根据据工工程程经经验验，直直接接在在过过程程控控制制系系统统中中进进行行的的控控制制器器参参数数整整定定方方法。法。在实际工程中被广泛采用。在实际工程中被广泛采用。2021/6/7107因因为为无无论论是是用用解解析析法法或或实实验验测测定定法法求求取取的的过过程程数数学学模模型型都都只只能能近近似似反反映映过过程程的的动动态态特特性性，所所以以理理论论计计算算所所得得到到的的整整定定参参数数值值可可靠靠性性不不够够高高，在在现现场场使使用用中中还还需进行反复调整。需进行反复调整。工工程程整整定定法法虽虽未未必必能能达达到到

105、“最最佳佳整整定定参参数数”，但但由由于于其其不不需需知知道道过过程程的的完完整整数数学学模模型型，使使用用者者只只需需具具备备理理论论计计算算所所必必须须的的控控制制理理论论知知识识，因因而而简简便便、实实用用，易于被工程技术人员所接受并优先采用。易于被工程技术人员所接受并优先采用。2021/6/7108数数字字控控制制器器的的参参数数整整定定一一般般亦亦是是首首先先按按模模拟拟PID控控制制参参数数整整定定的的方方法法选选择择数数字字PID参参数数，然然后后再再作作适适当当调调整整，并并适适当当考考虑虑采采样样周周期期(采采样样周周期期远远小小于于时时间间常常数数)对对整整定定参数的影响。

106、参数的影响。本书仅介绍模拟控制器的参数整定方法。本书仅介绍模拟控制器的参数整定方法。2021/6/71091动态特性参数法动态特性参数法 根根据据系系统统开开环环广广义义过过程程(包包括括调调节节阀阀Wv(s)、被被控控对对象象Wo(s)和和测测量量变变送送器器Wm(s)阶阶跃跃响响应应特特性进行近似计算的方法性进行近似计算的方法(图图320 )。 在在调调节节阀阀Wv(s)的的输输入入端端加加一一阶阶跃跃信信号号，记记录录测测量量变变送送器器Wm(s)的的输输出出响响应应曲曲线线，根根据据该该曲曲线线求求出出代代表表广广义义过过程程的的动动态态特特性性参参数数(、T、)，然然后后根根据据这这

107、些些参参数数应应用用相相应应公公式式，计计算算出出调调节节器的整定参数值。器的整定参数值。2021/6/7110当当 广广 义义 过过程程 有有 自自 平平衡衡能能力力时时,其其 阶阶 跃跃 响响应应 曲曲 线线 如如图图 322所所示。示。2021/6/7111 其近似传递函数可表示为其近似传递函数可表示为(1) ，n33(2)(2)有明显纯滞后有明显纯滞后(包括包括/T0.2)时时 衰衰减减率率0.750.75时时，可可用用表表3636中中的整定计算公式。的整定计算公式。2021/6/7112P792021/6/7113当广义过程为当广义过程为无自平衡能力无自平衡能力时，其阶跃响应曲时，其

108、阶跃响应曲线如图线如图321。其近似传递函数可表示为。其近似传递函数可表示为 过程响过程响应速度。应速度。可用表可用表35中的整定计中的整定计算公式算公式(衰减率衰减率0.75)。2021/6/7114例例33 己知单回路控制系统的被控过程为己知单回路控制系统的被控过程为Wo(s)=1/(Ts+1)3，现采用动态特性参数法整定调节，现采用动态特性参数法整定调节器参数。测得滞后时间器参数。测得滞后时间21s(秒秒)，时间常数，时间常数T100s(秒秒)，自平衡率，自平衡率1，分别采用，分别采用P、PI、PID调调节器，试求节器，试求0.75时调节器的整定参数值。时调节器的整定参数值。2021/6

109、/7115 解：解：由于由于/T 0.21，故应用表，故应用表36中中0.2/T1.5时的公式计算。时的公式计算。2021/6/71162021/6/7117 2稳定边界法稳定边界法(临界比例度法临界比例度法) 目目前前应应用用较较广广。特特点点：直直接接在在闭闭合合的的控控制系统中进行整定。步骤：制系统中进行整定。步骤： 1)把把调调节节器器的的积积分分时时间间TI置置于于最最大大()，微微分分时时间间Td置置零零，比比例例度度置置较较大大数数值值，把把系系统统投投入入闭闭环环运运行行，然然后后将将由由大大逐逐渐渐减减小小，得得到到图图323所所示示的的临临界界振振荡荡过过程程。此此时时的的

110、比比例例度度叫叫做做临临界界比比例例度度k，振振荡荡的的两两个个波波峰峰之之间间的时间为的时间为临界振荡周期临界振荡周期Tk。2021/6/7118 2)根根据据k和和Tk，运运用用表表37中中的的经经验验公公式式，计算出调节器参数计算出调节器参数、TI和和Td。 3)根根据据上上述述计计算算结结果果设设置置调调节节器器的的参参数数值值。观观察察系系统统的的响响应应过过程程，若若曲曲线线不不符符合合要要求求，再再适当调整整定参数值。适当调整整定参数值。 稳稳 定定 边边 界界法法简简单单方方便便，容容易易掌掌握握和和判判断断。但但是是，若若生生产产过过程程不不允允许许反反复复振振荡荡，就就不不

111、能能应应用用这种方法。这种方法。2021/6/7119 整定参数整定参数调节规律调节规律(%)TITDP2c rPI2.2c r0.85Tc rPID1.67c r0.5Tc r0.125Tc r2021/6/7120 3阻尼振荡法阻尼振荡法(衰减曲线法衰减曲线法) 4：1衰减曲线法衰减曲线法： 1)在在闭闭合合系系统统中中，置置调调节节器器积积分分时时间间TI为为最最大大()，微微分分时时间间Td置置零零，比比例例度度取取较较大大数数值值，反反复复做做给给定定值值扰扰动动试试验验，并并逐逐渐渐减减小小比比例例度度，直直到到记记录录曲曲线线出出现现4：1的的衰衰减减为为止止(图图324)。此此

112、时时的的比比例例度度称称为为4：l衰衰减减比比例例度度s，两两个个相相邻邻波波峰峰间间的的距距离离称称为为4：l衰衰减减周期周期Ts。若响应振荡衰减太快，就减小比例度；反之，则增大比例度。若响应振荡衰减太快，就减小比例度；反之，则增大比例度。2021/6/7121 2)根根据据s和和Ts值值按按表表38中中的的经经验验公公式式，计算出调节器各个参数计算出调节器各个参数、TI和和Td的数值。的数值。 3)根根据据上上述述计计算算结结果果设设置置调调节节器器的的参参数数值值，观观察察系系统统的的响响应应过过程程。如如果果不不够够理理想想，再再适适当当调整参数值，直到控制质量符合要求。调整参数值，直

113、到控制质量符合要求。2021/6/7122 对对大大多多数数控控制制系系统统，4：1衰衰减减过过程程是是最最佳佳整整定定。但但在在有有些些过过程程中中，希希望望衰衰减减越越快快越越好好，则则可可采采用用10：1的的衰衰减减过过程程(图图325)。由由于于衰衰减减很很快快，第第二二个个波波峰峰常常常常不不易易分分辨辨，使使测测取取衰衰减减周周期期很很困困难难，此此时时可可测测取取从从施施加加给给定定值值扰扰动动开开始始至至达达到到第第一一个个波波峰峰的的时时间间Tr，然然后后根根据据s和和Tr，运运用用表表39的的经经验验公公式式计计算算调调节节器器参参数数、TI和和Td的值。的值。 整定步骤与

114、整定步骤与4：1曲线法相同。曲线法相同。2021/6/7123 阻尼振荡法对多数系统均适用，但对于外阻尼振荡法对多数系统均适用，但对于外界扰动频繁，以及记录曲线不规则的情况，由界扰动频繁，以及记录曲线不规则的情况，由于不能得到正确的于不能得到正确的和和Ts或或Tr，故不能应用此，故不能应用此法。法。（10：1）2021/6/7124 4现场经验整定法现场经验整定法(凑试法凑试法) 在在现现场场应应用用中中，调调节节器器的的参参数数按按先先比比例例、后后积积分分、最最后后微微分分的的顺顺序序置置于于某某些些经经验验数数值值后后，把把系系统统闭闭合合起起来来，然然后后再再作作给给定定值值扰扰动动，

115、观观察察系系统统过过渡渡过过程程曲曲线线。若若曲曲线线还还不不够够理理想想，则则改改变变调调节节器器的的、TI和和Td，进进行行反反复复凑凑试试，直直到到控控制制质质量量符符合合要要求为止。求为止。 具具体体整整定定时时，先先令令PID调调节节器器的的TI，Td0，使使其其成成为为纯纯比比例例调调节节器器。比比例例度度按按经经验验数数据据设设置置，整整定定纯纯比比例例控控制制系系统统的的比比例例度度，使使系系统统达达到到4：1衰衰减减振振荡荡的的过渡过程曲线，然后再加积分作用。过渡过程曲线，然后再加积分作用。2021/6/7125 在在加加积积分分作作用用之之前前，应应将将比比例例度度加加大大

116、为为原原来来的的1.2倍倍，将将积积分分时时间间TI由由大大到到小小调调整整，直直到到系系统统得得到到4：1衰衰减减振振荡荡的的过渡过程曲线为止。过渡过程曲线为止。 若若系系统统需需引引入入微微分分作作用用，微微分分时时间间按按Td(1/31/4)TI计计算算，这这时时可可将将比比例例度度调调到到原原来来的的数数值值(或或更更小小一一些些)，再再将将微微分分时时间间由由小小到到大大调调整整，直直到到过过渡渡过过程程曲线达到满意为止。曲线达到满意为止。 在在凑凑试试过过程程中中，若若要要改改变变TI、Td时时，应保持应保持TD/TI的比值不变的比值不变。2021/6/71265.极限环自整定法极

117、限环自整定法 在在稳稳定定边边界界法法中中，将将控控制制器器在在纯纯比比例例作作用用下下工工作作，并并逐逐渐渐减减小小比比例例度度可可使使系系统统处处于于稳稳定定边边界界。但但在在实实际际整整定定中中，获获得得稳稳定定边边界界(等等幅幅振振荡荡)状状态态相相当当费费时时，若若用用一一滞滞环环宽宽度度为为h，幅幅值值为为d的的继继电电器器来来替替代代控控制制器，则比较容易获得极限环器，则比较容易获得极限环(图图326)。2021/6/7127整定步骤：整定步骤： 1)如如图图327，将将继继电电器器接接入入闭闭环环系系统统。先先通通过过人人工工控控制制使使系系统统进进入入稳稳定定状状态态。将将整

118、整定定开开关关S拨拨向向T接接通通继继电电器器，使使系系统统处处于于等幅振荡，获得极限环。等幅振荡，获得极限环。 2)测测出出极极限限环环的的幅幅值值a和和振振荡荡周周期期Tk，并根据并根据k=a/4d算出算出临界比例度临界比例度k。 3) 根根据据k与与Tk，运运用用表表37中中的的经经验验公式计算公式计算、TI和和Td 。2021/6/7128第八节第八节 单回路控制系统工程设计实例单回路控制系统工程设计实例二、贮槽液位控制系统设计二、贮槽液位控制系统设计 图图3-30所所示示的的液液体体贮贮槽槽，如如进进料料罐罐、成成品品罐罐、中中间间缓缓冲冲容容器器、水水箱箱等等应应用用十十分分普普遍

119、遍，为为保保证证生生产产正正常常进进行行，物物料料进进出出需需均衡，以保证过程的物料平衡。均衡，以保证过程的物料平衡。 工工艺艺要要求求贮贮槽槽内内的的液液位位需需维维持持在在某某给给定定值值上上下下，或或在在某某一一小小范范围围内内变变化化，并并保保证物料不产生溢出。证物料不产生溢出。2021/6/71291选选择择被被控控参参数数：根根据据工工艺艺可可知知，贮贮槽槽的的液液位位要要求求维维持持在在某某给给定定值值上上下下，所所以以直直接接选选取液位取液位h为被控参数为被控参数(直接参数直接参数)。2选选择择控控制制参参数数：影影响响液液位位的的有有流流入入贮贮槽槽的的流流量量q和和流流出出

120、贮贮槽槽的的流流量量q1。调调节节这这两两个个流流量量的的大大小小都都可可改改变变液液位位高高低低，所所以以构构成成液液位控制系统就有位控制系统就有两种控制方案两种控制方案(图图331)。2021/6/7130 两两种种方方案案具具有有相相同同的的框框图图结结构构(图图332)以以及及相相近近的的系系统统特特性性。但但当当在在突突然然停停电电、停停气气的的事事故故情情况况下下，因因331a控控制制方方案案最最多多流流光光贮贮槽槽中中的的液液体体，而而图图33lb控控制制方方案案将将形形成成长长流流水水的的情情况况，浪浪费费严严重重。因因而而选择流入量为控制参数更合理一些。选择流入量为控制参数更

121、合理一些。2021/6/71313选用过程检测控制设备选用过程检测控制设备 1)选选用用图图313所所示示的的DDC系系统统(仅仅一一个控制回路，可用单片机构成个控制回路，可用单片机构成)。 2)选选用用DDZIII型型差差压压变变送送器器来来实实现现贮槽液位的测量和变送。贮槽液位的测量和变送。 3)根据生产安全原则选择根据生产安全原则选择调节阀调节阀。 若若采采用用图图3-31a控控制制方方案案，为为保保证证不不引起物料量溢出，应选用引起物料量溢出，应选用气开式气开式调节阀；调节阀； 若若采采用用图图3-31b控控制制方方案案，为为保保证证不不产生物料量溢出，应选用产生物料量溢出，应选用气关

122、式气关式调节阀。调节阀。 由由第第二二章章可可知知，贮贮槽槽具具有有单单容容特特性性，所以选用所以选用对数流量特性对数流量特性的调节阀。的调节阀。2021/6/7132 4)控制规律控制规律选择。选择。 若若贮贮槽槽是是为为了了起起缓缓冲冲作作用用而而控控制制液液位位的的，则则对对液液位位控控制制要要求求不不太太高高，调调节节器器采采用宽比例度的比例作用即可；用宽比例度的比例作用即可； 若若贮贮槽槽作作为为计计量量槽槽使使用用时时，则则需需精精确确控控制制液液位位，为为了了消消除除余余差差，调调节节器器采采用用比比例积分作用。例积分作用。 5)调节器正反作用方式选择。调节器正反作用方式选择。2

123、021/6/7133一、喷雾式干燥设备控制一、喷雾式干燥设备控制系统设计系统设计 图图328所所示示为为牛牛奶奶类类乳乳化化物物干干燥燥过过程程中中的的喷喷雾雾式式干干燥燥工工艺艺设设备备。生生产产工工艺艺对对干干燥燥后后的的产产品品质质量量要要求求很很高高，水水分分含含量量不不能能波波动动大大大大，因因而而对对干干燥燥的的温温度度要要求求严严格格控控制制。试试验验表表明明，若若温温度度波波动动小小于于2，则产品符合质量要求。则产品符合质量要求。2021/6/71341.被控参数与控制参数选择被控参数与控制参数选择 (1)被被控控参参数数选选择择 由由于于产产品品水水分分含含量量测测量量十十分

124、分困困难难，而而根根据据生生产产工工艺艺，产产品品质质量量(水水分分含含量量)与与干干燥燥温温度度密密切切相相关关，因因而而选选干干燥器的温度为被控参数燥器的温度为被控参数(间接参数间接参数)。 (2)控控制制参参数数选选择择 影影响响干干燥燥器器温温度度的的因因素素有有乳乳液液流流量量f1(t)、旁旁路路空空气气量量f2(t)，热热蒸蒸汽汽量量f3(t)，因因而而有有三三个个变变量量可可作作为为控控制制参参数数。三三种种不不同同控控制制方方案案分分别别如如图图329a、b、c所所示示(注注：在在控控制制参参数数选选定定后后，只只用用一一个个调调节阀，控制一个量节阀，控制一个量)。2021/6

125、/71352021/6/71362021/6/7137 比比较较三三种种控控制制方方案案，采采用用乳乳液液流流量量作作控控制制参参数数(图图3-29a)，乳乳液液直直接接进进入入干干燥燥器器，控控制制通通道道滞滞后后最最小小，对对干干燥燥温温度度的的校校正正作作用用最最灵灵敏敏，而而且且扰扰动动通通道道不不仅仅时时延延大大而而且且位位置置最最靠靠近近调调节节阀阀。从从控控制制品品质质方方面面考考虑虑，应应当当选选该该方方案案。但但乳乳液液流流量量是是生生产产负负荷荷(亦亦是是产产量量)，若若作作为为控控制制参参数数，则则它它不不可可能能始始终终在在最最大大的的(而而且且是是稳稳定定的的)负负荷

126、荷点点工工作作，从从而而限限制制了了装装置置的的生生产产能能力力。此此外外在在乳乳液液管管线线安安装装了了调调节节阀阀，容容易易使使浓浓缩缩乳乳液液结结块块，降降低低产产品品质质量量。因因而而选选乳乳液液流流量量为为控控制制参参数数在在工工艺艺上上不不合合理理，一一般般不不采采用用此此控控制制方方案。案。2021/6/7138 比比较较分分析析图图329b与与c，在在这这两两种种控控制制方方案案中中，乳乳液液流流量量f1(t)作作为为扰扰动动量量，其其对对控控制制系系统统的的影影响响(扰扰动动通通道道)是是相相同同的的，差差别别在在于于控控制制通通道道与与另另一一扰扰动动通通道道不不同同。由由

127、于于换换热热器器为为一一双双容容对对象象，时时间间常常数数大大，因因而而采采用用风风量量为为控控制制参参数数时时，图图3-29b控控制制系系统统的的控控制制通通道道时时间间常常数数小小，扰扰动动通通道道时时间间常常数数则则大大；采采用用蒸蒸汽汽量量为为控控制制参参数数时时(见见图图3-29c)，控控制制通通道道时时间间常常数数大大、扰扰动动通通道道时时间间常常数数反反而而小小。此此外外采采用用风风量量为为控控制制参参数数时时，扰扰动动作作用用点点位位置置靠靠近近调调节节阀阀。根根据据本本章章第第二二节节分分析析的的被被控控参参数数选选择择原原则则，选选择择旁旁路路空空气气量量为为控控制制参参数

128、数的方案为最佳。的方案为最佳。2021/6/7139 2过程检测、控制设备的选用过程检测、控制设备的选用 根根据据生生产产工工艺艺和和用用户户需需求求，可可选选用用电电动单元组合动单元组合(DDZ)仪表。仪表。 (1)测测温温元元件件及及变变送送器器 被被控控温温度度在在600以以下下，选选用用热热电电阻阻温温度度计计，应应用用三三线线制接法，并配用温度变送器。制接法，并配用温度变送器。 (2)调调节节阀阀 根根据据生生产产工工艺艺安安全全原原则则及及被被控控介介质质特特点点，选选气气关关形形式式。根根据据过过程程特特性性与控制要求选用对数流量特性的调节阀。与控制要求选用对数流量特性的调节阀。 (3)调调节节器器 根根据据过过程程特特性性与与工工艺艺要要求求，可可选选用用PI或或PID控控制制规规律律。根根据据构构成成系系统统负负反馈的原则，确定调节器正、反作用方向。反馈的原则，确定调节器正、反作用方向。2021/6/7140本章结束！谢谢！谢谢！2021/6/7141部分资料从网络收集整理而来，供大家参考，感谢您的关注！