过程控制系统与仪表：第6章 简单控制系统的设计与参数整定

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1、过程控制系统与仪表过程控制系统与仪表 第第6章章6.1简单控制系统的结构与组成简单控制系统的结构与组成指指由由一一个个测测量量变变送送器器、一一个个控控制制器器、一一个个控控制制阀和一个对象所构成的单闭环控制系统。阀和一个对象所构成的单闭环控制系统。 第第6 6章章 简单控制系统简单控制系统的设计与参数整定的设计与参数整定TC206后续字母表示仪表功能后续字母表示仪表功能第第1位数字表示工段号位数字表示工段号后续数字表示仪表序号后续数字表示仪表序号第第1位字母表示被控参数位字母表示被控参数 LC LT仪表符号标准仪表符号标准过程控制系统与仪表过程控制系统与仪表 第第6章章l说明：l常规仪表图形

2、符号是直径为常规仪表图形符号是直径为12mm(或或10mm)的细实线圆圈的细实线圆圈l上下有分隔直线的表示控制室仪表（集中盘面安装）上下有分隔直线的表示控制室仪表（集中盘面安装） l中间无分隔直线的为现场仪表（就地安装）中间无分隔直线的为现场仪表（就地安装） l 后续字母表示仪表功能后续字母表示仪表功能第第1位数字表示工段号位数字表示工段号TC206后续数字表示仪表序号后续数字表示仪表序号第第1位字母表示被控参数位字母表示被控参数TC206过程控制系统与仪表过程控制系统与仪表 第第6章章控制系统原理方框图控制系统原理方框图给定值给定值测量变送器测量变送器控制器控制器执行器执行器对象对象操作量操

3、作量被控变量被控变量干扰干扰热物料热物料载热介质载热介质冷物料冷物料热交换器热交换器 TT TC控制系统工艺流程图控制系统工艺流程图过程控制系统与仪表过程控制系统与仪表 第第6章章6.2简单控制系统设计简单控制系统设计1.1.过程控制系统方案设计的基本要求过程控制系统方案设计的基本要求2.2. 生产过程对过程控制系统的要求可简要归生产过程对过程控制系统的要求可简要归纳为纳为安全性、稳定性和经济性安全性、稳定性和经济性三个方面。三个方面。 安全性：整个生产过程中，确保人员设备的安全。安全性：整个生产过程中，确保人员设备的安全。稳定性：指系统在一定外界干扰下，在系统参数、稳定性：指系统在一定外界干

4、扰下，在系统参数、工艺条件一定的变化范围内能长期稳定运行的能工艺条件一定的变化范围内能长期稳定运行的能力。力。经济性经济性：指提高产品质量、产量的同时，降耗节能，指提高产品质量、产量的同时，降耗节能，提高经济效益与社会效益。提高经济效益与社会效益。过程控制系统与仪表过程控制系统与仪表 第第6章章 2. 过程控制系统设计的主要内容过程控制系统设计的主要内容 方案设计：是系统设计的核心方案设计：是系统设计的核心 工程设计：是在控制方案正确设计的基础上进行工程设计：是在控制方案正确设计的基础上进行工程安装：是保证系统正常运行的前提工程安装：是保证系统正常运行的前提仪表调校、调节器参数整定：是系统运行

5、在最佳状仪表调校、调节器参数整定：是系统运行在最佳状态的重要保证态的重要保证 过程控制系统与仪表过程控制系统与仪表 第第6章章3. 过程控制系统设计的步骤过程控制系统设计的步骤1）掌握生产工艺对控制系统的技术要求）掌握生产工艺对控制系统的技术要求2）建立被控过程的数学模型）建立被控过程的数学模型 传统的基于模型的控制，首先解决数学建模的传统的基于模型的控制，首先解决数学建模的问题：包括机理法建模和测试法建模。问题：包括机理法建模和测试法建模。 有一些情况下，由于被控过程的复杂性，实施有一些情况下，由于被控过程的复杂性，实施起来有一定的难度。起来有一定的难度。 无模型控制技术正在成为研究热点。无

6、模型控制技术正在成为研究热点。过程控制系统与仪表过程控制系统与仪表 第第6章章3）确定控制方案：）确定控制方案： 包括控制方式和系统组成结构包括控制方式和系统组成结构的确定，是系统设计的关键步骤。必须深入了解生的确定，是系统设计的关键步骤。必须深入了解生产工艺情况，结合控制要求，根据过程特性、扰动产工艺情况，结合控制要求，根据过程特性、扰动情况以及限制条件等运用控制理论和控制技术才能情况以及限制条件等运用控制理论和控制技术才能设计一个工艺上合理的正确控制方案。设计一个工艺上合理的正确控制方案。 4）控制设备选型（选择传感器、变送器、控制器）控制设备选型（选择传感器、变送器、控制器与执行器）与执

7、行器）5）实验（或仿真）验证：）实验（或仿真）验证：过程控制系统与仪表过程控制系统与仪表 第第6章章6.2.2被控参数与控制变量的选择被控参数与控制变量的选择6.2.2.1被控参数的选择被控参数的选择被被控控变变量量生生产产过过程程中中希希望望借借助助自自动动控控制制保保持恒定值（或按一定规律变化）的变量。持恒定值（或按一定规律变化）的变量。合合理理选选择择被被控控变变量量，关关系系到到生生产产工工艺艺能能否否达达到稳定操作、保证质量、保证安全等目的。到稳定操作、保证质量、保证安全等目的。被控变量的选择依据：被控变量的选择依据：1 1、根根据据生生产产工工艺艺的的要要求求，找找出出影影响响生生

8、产产的的关关键变量作为被控变量键变量作为被控变量过程控制系统与仪表过程控制系统与仪表 第第6章章例例1 储槽液位控制系统储槽液位控制系统工工艺艺要要求求储储槽槽液液位位稳稳定定。那那么么设设计计的的控控制制系系统统就应以储槽液位为被控变量。就应以储槽液位为被控变量。 LC TTh过程控制系统与仪表过程控制系统与仪表 第第6章章例例2 换热器出口温度控制系统换热器出口温度控制系统工工艺艺要要求求出出口口温温度度为为定定值值。那那么么设设计计的的控控制制系系统就应以出口温度为被控变量。统就应以出口温度为被控变量。热物料热物料载热介质载热介质冷物料冷物料热交换器热交换器 TT TC过程控制系统与仪表

9、过程控制系统与仪表 第第6章章2、当当不不能能用用直直接接工工艺艺参参数数作作为为被被控控变变量量时时，应应选选择择与与直直接接工工艺艺参参数数有有单单值值函函数数关关系系的的间间接接工工艺艺参数作为被控变量。参数作为被控变量。例例3 化化工工的的精精馏馏物物纯纯度控制系统度控制系统精精馏馏工工艺艺是是利利用用被被分分离离物物中中各各组组分分的的挥挥发发温温度度不同，将各组分分离。不同，将各组分分离。如如图图将将苯苯甲甲苯苯混混合合液进行分离。液进行分离。苯苯甲苯甲苯苯苯甲苯甲苯 过程控制系统与仪表过程控制系统与仪表 第第6章章 该该精精馏馏塔塔的的工工艺艺要要求求是是要要使使塔塔顶顶（或或塔

10、塔底底）馏馏出出物物达达到到规规定定的的纯纯度度。按按照照被被控控变变量量的的选选择择原原则则1，塔塔顶顶（或或塔塔底底）馏馏出出物物的的组组分分应应作为被控变量。作为被控变量。但但是是，没没有有合合适适的的仪仪表表在在线线检检测测馏馏出出物物的的纯纯度度，则则不不能能直直接接作作为被控变量。为被控变量。苯苯甲苯甲苯 苯苯甲苯甲苯过程控制系统与仪表过程控制系统与仪表 第第6章章只好在与馏出物的只好在与馏出物的纯度有单值关系的工艺纯度有单值关系的工艺参数中，找出合适的变参数中，找出合适的变量作为被控变量，进行量作为被控变量，进行间接参数控制。间接参数控制。经工艺分析发现，经工艺分析发现，塔内压力

11、和塔内温度都塔内压力和塔内温度都对馏出物纯度有影响。对馏出物纯度有影响。需要对二者进行比较试需要对二者进行比较试验，选出一个合适的变验，选出一个合适的变量。量。苯苯甲苯甲苯 苯苯甲苯甲苯过程控制系统与仪表过程控制系统与仪表 第第6章章间接控制参数的确定间接控制参数的确定经经试试验验得得出出，塔塔顶顶馏馏出出物物苯苯的的浓浓度度分分别别与与压压力力和和温温度度有有单单值值对对应应关关系系。（塔塔底底馏馏出出物物甲甲苯苯也也一一样样）从工艺合理性考虑，选择温度作为被控变量。从工艺合理性考虑，选择温度作为被控变量。 过程控制系统与仪表过程控制系统与仪表 第第6章章3 3、被控变量必须有足够大的灵敏度

12、、被控变量必须有足够大的灵敏度被控变量必须灵敏，容易被测量。被控变量必须灵敏，容易被测量。4、选择被控变量时，必须考虑工艺合理性选择被控变量时，必须考虑工艺合理性上上例例中中，选选择择塔塔内内温温度度作作被被控控变变量量，就就是是考考虑虑了了工工艺艺上上，塔塔内内压压力力是是最最佳佳分分离离效效率率控控制制系系统统的的被被控变量，要求保持恒定。控变量，要求保持恒定。上上例例中中，若若塔塔顶顶、塔塔底底的的产产品品纯纯度度都都分分别别设设置置温温控控系系统统，会会相相互互干干扰扰，存存在在关关联联。因因此此，若若采采用用简简单单控控制制系系统统，只只能能设设置置一一个个温温控控系系统统，保保证证

13、塔塔顶顶或塔底一端的产品质量。或塔底一端的产品质量。过程控制系统与仪表过程控制系统与仪表 第第6章章l补充原则：选取独立变量补充原则：选取独立变量l例例1：对锅炉产生的：对锅炉产生的饱和蒸汽饱和蒸汽质量进行控制，提出质量进行控制，提出了三种方案：了三种方案：l（1）压力）压力P与温度与温度T皆为被控变量皆为被控变量l（2）温度）温度T为被控变量为被控变量l（3）压力）压力P为被控变量为被控变量l原则：遵循相律关系，原则：遵循相律关系，F=C-P+2,l其中其中F自由度自由度,C为组分数为组分数,P为相数为相数lF=1-2+2=1,表示独立变量只有一个，选取压表示独立变量只有一个，选取压力或温度

14、即可力或温度即可l（一般选择压力，考虑测量元件时间常数，简单，可靠）（一般选择压力，考虑测量元件时间常数，简单，可靠）l思考：思考：若是过热蒸汽？若是过热蒸汽？过程控制系统与仪表过程控制系统与仪表 第第6章章6.2.2.2控制变量选择控制变量选择把把用用来来克克服服干干扰扰对对被被控控变变量量的的影影响响，实实现现控控制制作作用用的的变变量量称称为为控控制制变变量量或或操操纵纵变变量量。最最常常见见的的操操纵纵变变量量是是介介质质的的流流量量，也也有有以以转转速速、电电压压等等作作为为操操纵变量的。纵变量的。 LC TTh过程控制系统与仪表过程控制系统与仪表 第第6章章控制变量的确定控制变量的

15、确定被被控控变变量量选选定定以以后后，应应对对工工艺艺进进行行分分析析，找找出出所所有有影影响响被被控控变变量量的的因因素素。在在这这些些变变量量中中，有有些些是是可控的，有些是不可控的。可控的，有些是不可控的。q在在诸诸多多影影响响被被控控变变量量的的因因素素中中选选择择一一个个对对被被控控变量影响显著且便于控制的变量，作为控制变量；变量影响显著且便于控制的变量，作为控制变量；q其它未被选中的因素则视为系统的干扰。其它未被选中的因素则视为系统的干扰。被控变量被控变量影响变量影响变量过程控制系统与仪表过程控制系统与仪表 第第6章章对象特性对控制品质影响的分析：对象特性对控制品质影响的分析：1过

16、程（通道）静态特性对控制品质的影响过程（通道）静态特性对控制品质的影响如图所示为单回路控制系统的等效框图。如图所示为单回路控制系统的等效框图。Gc(s) 控制器的传递函数；控制器的传递函数；Go(s) 广义控制通道（包括执行器和变送器）的传递函数；广义控制通道（包括执行器和变送器）的传递函数；Gf(s) 扰动通道的传递函数。扰动通道的传递函数。 Gc(s) Gf(s) Go(s)X(s)Y(s)F(s) 过程控制系统与仪表过程控制系统与仪表 第第6章章 被控参数被控参数y(t)受到设定信号受到设定信号x(t)和干扰信号和干扰信号f(t)的的共同影响：共同影响：干扰通道干扰通道控制通道控制通道

17、Gc(s) Gf(s) Go(s)X(s)Y(s)F(s) 过程控制系统与仪表过程控制系统与仪表 第第6章章代入系统偏差公式中：代入系统偏差公式中：将将 可见，控制通道偏差和干扰通道偏差的传函可见，控制通道偏差和干扰通道偏差的传函分母是一样的。将分母是一样的。将Gc(s)、 Go(s)代入：代入：过程控制系统与仪表过程控制系统与仪表 第第6章章vK0越大，控制作用越强，稳态误差越小；越大，控制作用越强，稳态误差越小；vK0越大，被调参数对控制作用的反应越灵敏。越大，被调参数对控制作用的反应越灵敏。vKf越大，干扰作用越强，稳态误差越大。越大，干扰作用越强，稳态误差越大。一一般般K0Kf, 应应

18、选选放放大大系系数数大大的的变变量量作作为为控控制制变变量。若不能满足时，可调节量。若不能满足时，可调节Kc来补偿，使来补偿，使K0 Kc Kf过程控制系统与仪表过程控制系统与仪表 第第6章章2过程（通道）动态特性对控制品质的影响过程（通道）动态特性对控制品质的影响1）干扰通道动态特性对控制品质的影响）干扰通道动态特性对控制品质的影响 干干扰扰通通道道的的惯惯性性因因子子1/1/（Tf s+1）对对扰扰动动起起到到滤波的作用，使干扰作用滤波的作用，使干扰作用的影响缓慢的影响缓慢. .vTf 越越大大，容容积积越越多多，干干扰扰对对被被控控变变量量的的影影响响越越缓慢，越有利于控制。缓慢，越有利

19、于控制。 v干干扰扰进进入入系系统统的的位位置置离离被被控控变变量量检检测测点点越越远远，则则Tf 越大，控制时最大偏差越小。越大，控制时最大偏差越小。过程控制系统与仪表过程控制系统与仪表 第第6章章例例：某某控控制制系系统统中中，干干扰扰f1、f2、f3分分别别在在三三个个位位置置进进入入系系统统。干干扰扰离离被被控控变变量量检检测测点点越越远远，则则干干扰通道的时间常数越大，对被控变量的影响越慢。扰通道的时间常数越大，对被控变量的影响越慢。过程控制系统与仪表过程控制系统与仪表 第第6章章 f1(t)通道惯性小，受干扰后被调参数变化速度通道惯性小，受干扰后被调参数变化速度快；当控制作用见效时

20、，被调参数已经变化较大快；当控制作用见效时，被调参数已经变化较大造成动态偏差较大。造成动态偏差较大。 所以扰动进入系统的位置离被控参数检测点越所以扰动进入系统的位置离被控参数检测点越远，干扰对被控参数影响越小。远，干扰对被控参数影响越小。 y(t)yk(t)tyyk(t)yy(t)tyk(t)yy(t)t过程控制系统与仪表过程控制系统与仪表 第第6章章 因为，因为， f 使干扰对被使干扰对被控变量的影响推迟了控变量的影响推迟了f 时间时间，则控制作用也推迟则控制作用也推迟f 时间时间 ，整个过渡过程曲线也推迟整个过渡过程曲线也推迟时间时间f ，但控制品质未变。但控制品质未变。v干扰通道纯滞后干

21、扰通道纯滞后f不影响控制质量。不影响控制质量。含有含有e f s过程控制系统与仪表过程控制系统与仪表 第第6章章 设控制系统的临界放大系数为设控制系统的临界放大系数为Kmax，临界振荡频率为，临界振荡频率为c 可控性指标：可控性指标： 在一定程度上代表了被控过程的控在一定程度上代表了被控过程的控制性能：制性能： Kmax越大，表示可选放大系数越大，表示可选放大系数K越大，从而稳态越大，从而稳态误差越小；误差越小； c越大，表示系统可选工作频率越大，过渡越大，表示系统可选工作频率越大，过渡过程越快。过程越快。 一般，控制通道时间常数大、阶数高、有纯滞后环节都将一般，控制通道时间常数大、阶数高、有

22、纯滞后环节都将使过程的使过程的Kmax与与c值变小，从而使控制性能小，从而使控制性能变差。差。 2）控制通道动态特性对控制品质的影响）控制通道动态特性对控制品质的影响l 系统控制性能评价系统控制性能评价过程控制系统与仪表过程控制系统与仪表 第第6章章GCGVGO2GFGmfreGO1yv控制通道时间常数控制通道时间常数T0太大，使控制速度变太大，使控制速度变慢，动态偏差变大，系统过渡时间变长。慢，动态偏差变大，系统过渡时间变长。v控制通道控制通道G01的时间常数的时间常数T01增大，使控增大，使控制速度变慢，最大偏差增大；制速度变慢，最大偏差增大；G02是控制、干是控制、干扰共用通道，扰共用通

23、道，T02不影响最大偏差不影响最大偏差l控制通道时间常数控制通道时间常数To对控制品质的影响对控制品质的影响过程控制系统与仪表过程控制系统与仪表 第第6章章l控制通道时间常数控制通道时间常数T0的大小反映了控制作用的强的大小反映了控制作用的强弱，反映了控制器的校正作用克服扰动对被控参弱，反映了控制器的校正作用克服扰动对被控参数影响的快慢。数影响的快慢。l若若T0太大太大，控制作用太弱，被控参数变化缓慢，控制作用太弱，被控参数变化缓慢，控制不及时，系统过渡时间长，控制质量下降。控制不及时，系统过渡时间长，控制质量下降。l若若T0太小太小，易引起系统振荡，使系统稳定性下降。，易引起系统振荡，使系统

24、稳定性下降。l所以，所以， T0应适当小一点。应适当小一点。过程控制系统与仪表过程控制系统与仪表 第第6章章 3）控制通道多个时间常数关系对控制品质的影响控制通道多个时间常数关系对控制品质的影响例：系统的开环传递函数为：例：系统的开环传递函数为：T1 T2 T3KmaxcKmaxc原始数据10 5 212.60.415.2减小T15 5 29.80.494.8减小T210 2.5 213.50.547.3减小T310 5 119.80.5711.2增大T120 5 219.20.377.1减小T2、T310 2.5 119.30.7414.2过程控制系统与仪表过程控制系统与仪表 第第6章章控制

25、通道多个时间常数匹配问题控制通道多个时间常数匹配问题控制通道多个时间常数匹配问题控制通道多个时间常数匹配问题l从表中可以看出，控制通道的时间常数数值错开，从表中可以看出，控制通道的时间常数数值错开，减小中间的时间常数，可提高系统的工作频率，减小中间的时间常数，可提高系统的工作频率，减小过渡过程时间和最大偏差，改善控制质量。减小过渡过程时间和最大偏差，改善控制质量。l在实际生产过程中，若过程本身存在多个时间常在实际生产过程中，若过程本身存在多个时间常数，则最大的时间常数往往涉及生产设备的核心，数，则最大的时间常数往往涉及生产设备的核心，不能轻易改动，但是减小第二、三个时间常数比不能轻易改动，但是

26、减小第二、三个时间常数比较容易实现。较容易实现。过程控制系统与仪表过程控制系统与仪表 第第6章章4 4）控制通道滞后时间对控制品质的影响）控制通道滞后时间对控制品质的影响）控制通道滞后时间对控制品质的影响）控制通道滞后时间对控制品质的影响GCGVGO2GFGmfreGO1y控制通道的时间滞后包括纯滞后控制通道的时间滞后包括纯滞后 和容量和容量滞后滞后 ，它们对控制质量的影响不利，尤其是，它们对控制质量的影响不利，尤其是 影响最坏。影响最坏。过程控制系统与仪表过程控制系统与仪表 第第6章章y2(t)yk(t)tyy1(t)01v控制通道控制通道G01的纯滞后的纯滞后 ，使控制作用滞后使控制作用滞

27、后01到达，造到达，造成控制偏差增大。成控制偏差增大。vG02是控制、干扰共用通道，是控制、干扰共用通道， 干扰作用滞后干扰作用滞后02产生，但控产生，但控制作用再滞后制作用再滞后02到达，同样造到达，同样造成控制偏差增大。成控制偏差增大。y2(t)yk(t)tyy1(t)220202过程控制系统与仪表过程控制系统与仪表 第第6章章控制通道纯滞后控制通道纯滞后0越小越好。越小越好。 0会使控制时间延长、会使控制时间延长、最大偏差增大。最大偏差增大。 控制变量的选择原则：控制变量的选择原则： 1、控制变量应是工艺上允许控制的变量，并且、控制变量应是工艺上允许控制的变量，并且要考虑工艺的合理性与生

28、产的经济性。要考虑工艺的合理性与生产的经济性。 2、控制通道应当放大系数大、时间常数小、纯、控制通道应当放大系数大、时间常数小、纯滞后时间越小越好。滞后时间越小越好。 3、干扰通道的放大系数尽可能小，时间常数尽、干扰通道的放大系数尽可能小，时间常数尽可能大，扰动引入位置要远离被控参数，尽可能靠可能大，扰动引入位置要远离被控参数，尽可能靠近调节阀。近调节阀。 4、多个时间常数错开。、多个时间常数错开。过程控制系统与仪表过程控制系统与仪表 第第6章章例例1中中，影影响响储储槽槽液液位位的的主主要要因因素素有有：液液体体流流入入量量和和流流出出量量。这这两两个个变变量量影影响响力力相相当当，显显然然

29、，液液体体流出量可控。故选液体流出量作为控制变量。流出量可控。故选液体流出量作为控制变量。 LC TThQiQo过程控制系统与仪表过程控制系统与仪表 第第6章章例例2中中，影影响响出出口口温温度度的的主主要要因因素素有有：载载热热介介质质温温度度、载载热热介介质质流流量量、冷冷物物料料温温度度、冷冷物物料料流流量量等等。显显然然，载载热热介介质质流流量量影影响响力力最最大大且且可可控控。故故选选载载热热介质流量作为控制变量。介质流量作为控制变量。热物料热物料载热介质载热介质冷物料冷物料热交换器热交换器 TT TCQrQiTiTr过程控制系统与仪表过程控制系统与仪表 第第6章章例例3中中，若若选

30、选择择提提馏馏段段某某块块塔塔板板（灵灵敏敏板板）的的温温度度作作为为被被控控变变量量。那那么么，影影响响灵灵敏敏板板温温度度T灵灵的的因因素主要有：素主要有： TT进料的流量（进料的流量（Q入入）、）、进料的成分（进料的成分（ x入入）、）、进料的温度（进料的温度（T入入），），回流的流量（回流的流量（Q回回）、）、回流的温度（回流的温度（T回回），），加热蒸汽流量（加热蒸汽流量（Q蒸蒸）、）、冷凝器冷却温度等。冷凝器冷却温度等。过程控制系统与仪表过程控制系统与仪表 第第6章章 这些影响因素分为可控的和不可控的两大类：这些影响因素分为可控的和不可控的两大类：回流量和蒸汽流量为可控因素回流量和

31、蒸汽流量为可控因素其它基本为不可控因素其它基本为不可控因素 TT过程控制系统与仪表过程控制系统与仪表 第第6章章1、蒸蒸汽汽流流量量对对提提馏馏段段温温度度影影响响比比回回流流量量对对提提馏馏段段温温度度影影响响更更迅速、更显著。迅速、更显著。2、从从节节能能角角度度来来讲讲，控控制制蒸蒸汽汽流流量量比比控控制制回回流流量量消消耗耗的的能能量量要要小。小。 在两个可控因素中，选蒸汽流量为操纵变量。在两个可控因素中，选蒸汽流量为操纵变量。因为：因为： TT过程控制系统与仪表过程控制系统与仪表 第第6章章6.2.3检测环节、执行器及调节器正负作用选择检测环节、执行器及调节器正负作用选择 6.2.3

32、.1传感器、变送器选择传感器、变送器选择1按照生产过程的工艺要求，首先确定传感器与变送器合按照生产过程的工艺要求，首先确定传感器与变送器合适的测量范围（量程）与精度等级。适的测量范围（量程）与精度等级。检测仪表的精度反映测量值接近真实值的准确程度，一般用检测仪表的精度反映测量值接近真实值的准确程度，一般用一系列误差来衡量。一系列误差来衡量。绝对误差绝对误差 指仪表指示值与被测参数真值之间的差值指仪表指示值与被测参数真值之间的差值 引用误差引用误差 把绝对误差折合成标尺范围的百分数表示，即把绝对误差折合成标尺范围的百分数表示，即 过程控制系统与仪表过程控制系统与仪表 第第6章章精度等级精度等级

33、按仪表工业规定，去掉最大引用误差的按仪表工业规定，去掉最大引用误差的“”号和号和“%”号，称为仪表的精度等级，目前已号，称为仪表的精度等级，目前已系列化。只能从下列数系中选取最接近的合适数值系列化。只能从下列数系中选取最接近的合适数值作为精度等级，即作为精度等级，即0.005，0.02，0.05，0.1，0.2，0.4，0.5，1.0，1.5，2.5，4.0等。等。注意：在确定一个仪表的精度等级时，要求仪表的注意：在确定一个仪表的精度等级时，要求仪表的允许误差应该大于或等于仪表校验时所得到的最大允许误差应该大于或等于仪表校验时所得到的最大引用误差；而根据工艺要求来选择仪表的精度等级引用误差；而

34、根据工艺要求来选择仪表的精度等级时，仪表的允许误差应该小于或等于工艺上所允许时，仪表的允许误差应该小于或等于工艺上所允许的最大引用误差。这一点在实际工作中要特别注意。的最大引用误差。这一点在实际工作中要特别注意。过程控制系统与仪表过程控制系统与仪表 第第6章章2测量仪表反应慢，会造成测量失真。应尽可能选测量仪表反应慢，会造成测量失真。应尽可能选择时间常数小的传感器、变送器。择时间常数小的传感器、变送器。减小减小减小减小T Tmm和和和和 mm均对提高系统的控制质量有利。若均对提高系统的控制质量有利。若均对提高系统的控制质量有利。若均对提高系统的控制质量有利。若T Tmm较较较较大，则会使记录曲

35、线与实际参数之间产生较大的动大，则会使记录曲线与实际参数之间产生较大的动大，则会使记录曲线与实际参数之间产生较大的动大，则会使记录曲线与实际参数之间产生较大的动态误差。态误差。态误差。态误差。 最好选用惰性小的快速测量元件，一般选其时最好选用惰性小的快速测量元件，一般选其时最好选用惰性小的快速测量元件，一般选其时最好选用惰性小的快速测量元件，一般选其时间常数为控制通道时间常数的间常数为控制通道时间常数的间常数为控制通道时间常数的间常数为控制通道时间常数的1/101/10以下为宜。以下为宜。以下为宜。以下为宜。 OtOtTmTmx(t)y(t)x(t)y(t)过程控制系统与仪表过程控制系统与仪表

36、 第第6章章l必要时在测量元件之后引入微分环节，利用超必要时在测量元件之后引入微分环节，利用超前作用来补偿测量元件引起的动态误差。从减前作用来补偿测量元件引起的动态误差。从减小测量变送环节误差角度考虑，应减少仪表的小测量变送环节误差角度考虑，应减少仪表的量程，即增大量程，即增大Km。l信号传递时延将降低控制质量，可采取以下改信号传递时延将降低控制质量，可采取以下改善措施：善措施：（1）若测量信号为电信号，可将转换器安装在仪表盘附近，）若测量信号为电信号，可将转换器安装在仪表盘附近，以缩短气压信号的传送距离以缩短气压信号的传送距离（2）若调节器输出为气压信号，可在）若调节器输出为气压信号，可在5

37、060 m距离间，装距离间，装一继动器，提高气压信号的传输功率，减小传递时间。一继动器，提高气压信号的传输功率，减小传递时间。（3）若调节器输出为电信号，应将转换器安装在调节阀附）若调节器输出为电信号，应将转换器安装在调节阀附近，或采用电气阀门定位器。近，或采用电气阀门定位器。过程控制系统与仪表过程控制系统与仪表 第第6章章3合理选择检测点，避免测量造成对象纯滞后合理选择检测点，避免测量造成对象纯滞后0图图6.15 pH值控制系统图值控制系统图 pHT LT LC pHC中和槽中和槽贮酸槽贮酸槽l04测量信号的处理测量信号的处理 测量信号的校正与补偿、测量噪声的抑制、测量测量信号的校正与补偿、

38、测量噪声的抑制、测量信号的线性化处理。信号的线性化处理。过程控制系统与仪表过程控制系统与仪表 第第6章章6.2.3.2执行器的选择执行器的选择l一、概述一、概述l执行器组成：执行器组成：执行机构和调节机构执行机构和调节机构。调节机构又称调节阀。调节机构又称调节阀。l执行器作用：接受控制器输出的控制信号，并将其转换为执行器作用：接受控制器输出的控制信号，并将其转换为直线位移和角位移，操纵调节机构，自动改变操作变量，直线位移和角位移，操纵调节机构，自动改变操作变量，从而实现对过程变量的自动控制。从而实现对过程变量的自动控制。l根据执行机构所使用能源的不同，执行器可以分为气动、根据执行机构所使用能源

39、的不同，执行器可以分为气动、电动、液动三大类。电动、液动三大类。l执行器的选择和使用将直接影响过程控制系统的安全性和执行器的选择和使用将直接影响过程控制系统的安全性和可靠性。可靠性。过程控制系统与仪表过程控制系统与仪表 第第6章章l二、气动执行器二、气动执行器l1气动执行器的结构和原理气动执行器的结构和原理l气动执行器接受气动执行器接受0.21051.0105a的标准气压信号，的标准气压信号， 气气动执行机构和调节机构两个部分组成。动执行机构和调节机构两个部分组成。l按执行机构的差别可分为薄膜式和活塞式两种。气动活塞式按执行机构的差别可分为薄膜式和活塞式两种。气动活塞式执行结构主要适用于大口径

40、、高压降控制阀或蝶阀的推动装执行结构主要适用于大口径、高压降控制阀或蝶阀的推动装置，工业上薄膜式应用最多。置，工业上薄膜式应用最多。l气动薄膜执行机构主要由弹性薄膜平衡弹簧和推杆组成。执气动薄膜执行机构主要由弹性薄膜平衡弹簧和推杆组成。执行机构是执行器的推动装置，即它接受标准气压信号后，经行机构是执行器的推动装置，即它接受标准气压信号后，经膜片转换成推力，使推杆产生位移，同时带动阀芯动作，使膜片转换成推力，使推杆产生位移，同时带动阀芯动作，使阀芯产生相应位移，改变阀的开度。阀芯产生相应位移，改变阀的开度。过程控制系统与仪表过程控制系统与仪表 第第6章章l气动执行机构按推杆位移的方向有：气动执行

41、机构按推杆位移的方向有：l正作用形式正作用形式：如果当输入气压信号增加时，推杆向下移动：如果当输入气压信号增加时，推杆向下移动l反作用形式反作用形式：当输入气压信号增加时，推杆向上移动：当输入气压信号增加时，推杆向上移动l调节机构实际上就是阀门，直接与介质接触，其结构、材料、调节机构实际上就是阀门，直接与介质接触，其结构、材料、和性能将直接影响过程控制系统的安全性、可靠性和系统的和性能将直接影响过程控制系统的安全性、可靠性和系统的控制质量。控制质量。根据流体力学的观点，控制阀是一个局部阻力可根据流体力学的观点，控制阀是一个局部阻力可变的节流元件。变的节流元件。通过改变阀芯的行程而改变控制阀的阻

42、力系通过改变阀芯的行程而改变控制阀的阻力系数，以达到控制流量的目的。数，以达到控制流量的目的。l根据不同的使用要求，控制阀有直通双座控制阀、直通单座根据不同的使用要求，控制阀有直通双座控制阀、直通单座控制阀、蝶阀、三通阀、高压阀、角形阀、隔膜阀等多种结控制阀、蝶阀、三通阀、高压阀、角形阀、隔膜阀等多种结构形式。构形式。过程控制系统与仪表过程控制系统与仪表 第第6章章l2控制阀的流量特性控制阀的流量特性l控制阀的流量特性是指介质流过控制阀阀门的相对流量与相控制阀的流量特性是指介质流过控制阀阀门的相对流量与相对开度（即阀的相对位移）之间的关系。其数学表达式为：对开度（即阀的相对位移）之间的关系。其

43、数学表达式为：l从过程控制的角度看，流量特性是控制阀最重要的特性，它从过程控制的角度看，流量特性是控制阀最重要的特性，它对整个过程控制系统的品质有很大影响。一般来说，通过改对整个过程控制系统的品质有很大影响。一般来说，通过改变控制阀阀芯与阀座间的流通截面积，便可实现对流量的控变控制阀阀芯与阀座间的流通截面积，便可实现对流量的控制。制。l 理想流量特性理想流量特性l当控制阀阀前后压差固定不变时得到的流量特性就叫做理想当控制阀阀前后压差固定不变时得到的流量特性就叫做理想流量特性。流量特性。过程控制系统与仪表过程控制系统与仪表 第第6章章l理想流量特性取决于阀芯的形状，不同的阀芯曲面得到的理想流量特

44、性取决于阀芯的形状，不同的阀芯曲面得到的理想特性是不同的。理想流量特性主要有直线、对数、抛理想特性是不同的。理想流量特性主要有直线、对数、抛物线和快开四种。物线和快开四种。l直线流量特性直线流量特性l控制阀的相对流量与阀芯的相对开度成直线关系。控制阀的相对流量与阀芯的相对开度成直线关系。l从流量特性上来看，直线阀的放大系数在任何一点都是相从流量特性上来看，直线阀的放大系数在任何一点都是相同的，但其对流量的控制力（即流量变化的相对值）在每同的，但其对流量的控制力（即流量变化的相对值）在每点都不同。直线流量特性小开度时，流量相对变化量大，点都不同。直线流量特性小开度时，流量相对变化量大，在大开度时

45、，流量相对变化量小。在大开度时，流量相对变化量小。这就说明，直线阀在小这就说明，直线阀在小开度时，控制作用太强，易产生振荡；大开度时，控制作开度时，控制作用太强，易产生振荡；大开度时，控制作用太弱，调节缓慢，不够及时。用太弱，调节缓慢，不够及时。过程控制系统与仪表过程控制系统与仪表 第第6章章l 对数（等百分比）流量特性对数（等百分比）流量特性l阀杆的相对位移变化所引起的相对流量变化与该点的相对流量阀杆的相对位移变化所引起的相对流量变化与该点的相对流量成正比，即控制阀的放大系数随相对流量的增加而增大。成正比，即控制阀的放大系数随相对流量的增加而增大。l对数流量特性的曲率是随着流量的增大而增大的

46、，但是相对行对数流量特性的曲率是随着流量的增大而增大的，但是相对行程变化引起的流量相对变化值是相等的。程变化引起的流量相对变化值是相等的。l 由于对具有对数流量特性的控制阀而言，小开度由于对具有对数流量特性的控制阀而言，小开度时，放大系数较小，控制平稳缓和，大开度时，放大时，放大系数较小，控制平稳缓和，大开度时，放大系数较大，控制及时有效，因此，从过程控制看，利系数较大，控制及时有效，因此，从过程控制看，利用对数流量特性是有利的。用对数流量特性是有利的。 过程控制系统与仪表过程控制系统与仪表 第第6章章l抛物线流量特性抛物线流量特性l相对流量与阀杆的相对开度成抛物线关系，即平方关系。相对流量与

47、阀杆的相对开度成抛物线关系，即平方关系。l l 快开流量特性快开流量特性l在小开度时流量就比较大，随着开度的增大，流量很快达在小开度时流量就比较大，随着开度的增大，流量很快达到最大。到最大。l工作流量特性工作流量特性l实际应用中，控制阀与其他设备串联或并联安装在管道中，实际应用中，控制阀与其他设备串联或并联安装在管道中，其前后的压差是变化的，此时的流量特性称为工作特性。其前后的压差是变化的，此时的流量特性称为工作特性。理想流量特性会因控制阀前后压差遭受阻力损失而畸变成理想流量特性会因控制阀前后压差遭受阻力损失而畸变成工作流量特性。工作流量特性。lS:畸变系数畸变系数过程控制系统与仪表过程控制系

48、统与仪表 第第6章章 三、调节阀的选择三、调节阀的选择 1调节阀工作区间的选择调节阀工作区间的选择 正常工况下，调节阀的开度应在正常工况下，调节阀的开度应在15%85%区间。据此区间。据此原则计算、确定控制阀的口径尺寸。原则计算、确定控制阀的口径尺寸。2调节阀的流量特性选择调节阀的流量特性选择 一般分两步进行选择：首先按照过程控制系统的要求，一般分两步进行选择：首先按照过程控制系统的要求，确定工作流量特性，再根据流量特性曲线的畸变程度以及工确定工作流量特性，再根据流量特性曲线的畸变程度以及工艺要求和工艺配管情况，确定理想流量特性。艺要求和工艺配管情况，确定理想流量特性。 一般由数学分析和经验法

49、两种，目前较多采用经验法。一般由数学分析和经验法两种，目前较多采用经验法。过程控制系统与仪表过程控制系统与仪表 第第6章章l3调节阀的气开、气关作用方式选择调节阀的气开、气关作用方式选择l气开调节阀：随着控制信号的增加而开度加大，无控制信号气开调节阀：随着控制信号的增加而开度加大，无控制信号时，阀门处于全开状态；时，阀门处于全开状态；l气关调节阀：随着信号压力的增加，阀门逐渐关小，无信号气关调节阀：随着信号压力的增加，阀门逐渐关小，无信号时，阀门处于全开状态。时，阀门处于全开状态。l选择原则选择原则：l人身安全、系统与设备安全人身安全、系统与设备安全（首要原则）（首要原则）l保证产品质量原则保

50、证产品质量原则(如：全回流，不出废品）如：全回流，不出废品）l减少原料和动力浪费（停止进料）减少原料和动力浪费（停止进料）l基于介质特点的工艺设备安全原则（将物料放空）基于介质特点的工艺设备安全原则（将物料放空）l举例举例过程控制系统与仪表过程控制系统与仪表 第第6章章6.2.3.3调节器正反作用的选择调节器正反作用的选择负负反反馈馈控控制制系系统统的的控控制制作作用用对对被被控控变变量量的的影影响响应应与与干干扰扰作作用用对对被被控控变变量量的的影影响响相相反反，才才能能使使被被控控变变量量值值回回复复到到给给定定值值。为为了了保保证证负负反反馈馈，必必须须正正确确选择调节器的正反作用。选择

51、调节器的正反作用。给定值给定值测量变送器测量变送器控制器控制器执行器执行器对象对象操作量操作量被控变量被控变量干扰干扰过程控制系统与仪表过程控制系统与仪表 第第6章章为了说明选择方法，先定义作用方向：为了说明选择方法，先定义作用方向：当当某某个个环环节节的的输输入入增增加加时时，其其输输出出也也增增加加，称称该该环节为环节为“正作用正作用”；反之，称为；反之，称为“反作用反作用” 。按此按此定义：定义：q变送器都是正作用变送器都是正作用q气开阀是正作用，气关阀是反作用气开阀是正作用，气关阀是反作用q被控对象有的正作用，有的反作用被控对象有的正作用，有的反作用q控制器作用方向以测量输入与输出的关

52、系定义：控制器作用方向以测量输入与输出的关系定义：正作用：测量值正作用：测量值给定值给定值反作用：给定值反作用：给定值测量值测量值 过程控制系统与仪表过程控制系统与仪表 第第6章章控控制制系系统统中中，各各个个环环节节的的作作用用方方向向组组合合不不当当的的话话，会会使使系系统统构构成成正正反反馈馈，不不但但不不能能起起控控制制作作用用，反而会破坏生产过程的稳定。反而会破坏生产过程的稳定。 因为执行器和对象有正、反作用，为了保证控因为执行器和对象有正、反作用，为了保证控制系统负反馈，调节器必须有正、反作用之调整。制系统负反馈，调节器必须有正、反作用之调整。偏差偏差控制器控制器执行器执行器对象对

53、象变送器变送器给定值给定值被调参数被调参数干扰干扰测测量量值值正作用正作用反作用反作用正作用正作用正作用正作用过程控制系统与仪表过程控制系统与仪表 第第6章章 调节器正反作用的确定原调节器正反作用的确定原则：则：保证系统构成负反馈保证系统构成负反馈 简单的判定方法：简单的判定方法：闭合回闭合回路中有奇数个反作用环节。路中有奇数个反作用环节。偏差偏差控制器控制器执行器执行器对象对象变送器变送器给定值给定值被调参数被调参数干扰干扰测测量量值值反作用反作用正作用正作用正作用正作用正作用正作用过程控制系统与仪表过程控制系统与仪表 第第6章章例例1：加热炉出口温度控制系统：加热炉出口温度控制系统负反馈验

54、证：负反馈验证：设某时刻燃料压力设某时刻燃料压力燃料流量燃料流量炉温炉温出料温度出料温度TC输入输入 TC输出输出阀关小阀关小炉温炉温出料温度出料温度TTTC反反正正正正正正燃料燃料出料出料过程控制系统与仪表过程控制系统与仪表 第第6章章例例2：储槽液位控制系统：储槽液位控制系统LTLCM正正正正正正反反出料负反馈验证：负反馈验证：设某时刻进料量设某时刻进料量液位液位LC输入输入LC输出输出阀开大阀开大出料量出料量液位液位过程控制系统与仪表过程控制系统与仪表 第第6章章6.3调节规律对控制品质的影响与调节规律选择调节规律对控制品质的影响与调节规律选择 确定调节系统的方案时，要确定调节系统的方案

55、时，要根据对象的特性和工根据对象的特性和工艺要求，艺要求，选择合适的调节规律，使组成的调节系统满选择合适的调节规律，使组成的调节系统满足预期的品质指标。足预期的品质指标。 调调节节器器的的调调节节规规律律，即即它它的的输输出出量量与与输输入入量量（偏偏差值）之间的函数关系。差值）之间的函数关系。P = f ( e )调节调节器的作用是根据偏差，按规定的器的作用是根据偏差，按规定的调节规律调节规律产产生输出信号，推动执行机构，对生产过程进行调节。生输出信号，推动执行机构，对生产过程进行调节。过程控制系统与仪表过程控制系统与仪表 第第6章章6.3.1调节规律对控制品质影响的分析调节规律对控制品质影

56、响的分析 要正确地选择调节规律，首先必须理解各要正确地选择调节规律，首先必须理解各种调节规律对控制品质的影响。种调节规律对控制品质的影响。最简单的最简单的调节规律调节规律是位式是位式调节规律调节规律。根据偏差根据偏差 e 的正、负，的正、负，调节器调节器输出只有两个位输出只有两个位置：置：0或或100%。0 e100%调节器输出调节器输出两位式调节的特性两位式调节的特性位式调节下，被控参数不位式调节下，被控参数不能稳定在给定值上。要获得平能稳定在给定值上。要获得平稳的高精度的调节，必须采用稳的高精度的调节，必须采用连续调节规律。连续调节规律。过程控制系统与仪表过程控制系统与仪表 第第6章章要要

57、使使控控制制过过程程平平稳稳准准确确，必必须须使使用用输输出出值值能能连连续续变变化化的的调调节节器器，采采用用比比例例，微微分分、积积分分等等算算法法进进行调节。行调节。6.3.1.1比例（比例（P）调节对系统控制品质的影响）调节对系统控制品质的影响比比例例调调节节器器输输出出变变化化u (t) 随随输输入入偏偏差差e (t)成成比比例关系：例关系： P比例度。比例度。 过程控制系统与仪表过程控制系统与仪表 第第6章章例例 自力式水位比例控制系统自力式水位比例控制系统浮浮球球为为水水位位传传感感器器，杠杠杆杆为为控控制制器器，活活塞塞阀阀为为执执行行器器。如如果果某某时时刻刻Q2加加大大，造

58、造成成水水位位下下降降，则则浮浮球带动活塞提高，使球带动活塞提高，使Q1加大阻止水位下降。加大阻止水位下降。杠杆杠杆a、b之比例关系，决定调节作用强弱。之比例关系，决定调节作用强弱。 如果如果e = 0，则活塞无，则活塞无法提高，法提高，Q1无法加大，调无法加大，调节无法进行。节无法进行。u过程控制系统与仪表过程控制系统与仪表 第第6章章比例带的物理意义：比例带的物理意义：比比例例带带P是是放放大大倍倍数数KC的的倒倒数数，其其大大小小决决定定比比例例控制作用的强弱。控制作用的强弱。P越越小小，控控制制作作用用越越强强、系系统统调调节节越越快快、系系统统稳稳定性越小。定性越小。P越小，控制余差

59、越小。越小，控制余差越小。q比例带比例带P对控制过程的影响对控制过程的影响过程控制系统与仪表过程控制系统与仪表 第第6章章 振振荡荡逐逐渐渐加加剧剧PPPPPuuuuu P越越小小，控控制制过过程程曲曲线线越振荡，周期缩短。越振荡，周期缩短。 P越越大大，控控制制过过程程曲曲线线越越平平稳稳，但但控控制制过过程程时时间越长，余差也越大。间越长，余差也越大。出现等幅振荡，这时的出现等幅振荡，这时的比例度称为临界比例度比例度称为临界比例度Pmin ，振荡频率称为临，振荡频率称为临界振荡频率界振荡频率M过程控制系统与仪表过程控制系统与仪表 第第6章章 q系统调节性能指标（又称可控性指标）系统调节性能

60、指标（又称可控性指标）调节过程的概貌主要由四个品质指标来衡量：调节过程的概貌主要由四个品质指标来衡量： 1.1.衰减率：反映系统的稳定性衰减率：反映系统的稳定性2.2.振荡频率：反映调节速度振荡频率：反映调节速度3.3.余差：反映稳态精度余差：反映稳态精度4.4.最大动态偏差：反映动态精度最大动态偏差：反映动态精度5.5.上上述述指指标标的的提提高高是是有有限限度度的的，受受制制于于控控制制系系统统的的临界比例度临界比例度Pmin 和临界振荡频率和临界振荡频率M6.6.而而被被控控对对象象的的特特性性决决定定了了控控制制系系统统Pmin 和和M 的大小。的大小。过程控制系统与仪表过程控制系统与

61、仪表 第第6章章临界比例度临界比例度Pmin的倒数是临界放大倍数的倒数是临界放大倍数KmaxKmax与与M的的乘乘积积KmaxM在在一一定定程程度度上上代代表表了了被控过程的控制性能。被控过程的控制性能。KmaxM越大，意味着：越大，意味着：1.控控制制器器放放大大系系数数Kc的的可可选选上上限限越越大大（P的的下下限限越越小），则系统稳态误差越小。小），则系统稳态误差越小。2.控控制制系系统统可可选选的的工工作作频频率率c越越大大，则则过过渡渡过过程程越快。越快。3.因因此此，KmaxM作作为为调调节节性性能能指指标标，越越大大表表明明系系统的控制性能越好。统的控制性能越好。 可可用于工程上

62、的简便判断。用于工程上的简便判断。过程控制系统与仪表过程控制系统与仪表 第第6章章v 比例控制的特点比例控制的特点q控控制制及及时时、适适当当。只只要要有有偏偏差差，输输出出立立刻刻成成比比例地变化，偏差越大，输出的控制作用越强。例地变化，偏差越大，输出的控制作用越强。q控控制制结结果果存存在在余余差差。如如果果被被调调量量偏偏差差为为零零，调调节器的输出也就为零节器的输出也就为零 u = e/P即即调调节节作作用用是是以以偏偏差差存存在在为为前前提提条条件件，不不可可能能做到无静差调节。做到无静差调节。过程控制系统与仪表过程控制系统与仪表 第第6章章6.3.1.2积积分分（I）调调节节与与比

63、比例例积积分分（PI）调调节节对对系系统控制质量的影响统控制质量的影响1 积分控制积分控制（I）输出变化量输出变化量p与输入偏差与输入偏差e的积分成正比的积分成正比当输入偏差当输入偏差e是幅值为是幅值为e 的阶跃时：的阶跃时：TI 积分时间积分时间tu过程控制系统与仪表过程控制系统与仪表 第第6章章 2 比例积分控制（比例积分控制（PI） 将比例与积分组合起来，这样既控制及时，又将比例与积分组合起来，这样既控制及时，又能消除余差，可以用于控制精度要求高的场合。能消除余差，可以用于控制精度要求高的场合。若偏差是幅值为若偏差是幅值为e 的阶跃干扰的阶跃干扰ee ttu过程控制系统与仪表过程控制系统

64、与仪表 第第6章章积分时间的物理意义：积分时间的物理意义：若偏差是幅值为若偏差是幅值为e的阶跃的阶跃:当当 t = TI 时时:q积分时间积分时间TI对控制过程的影响对控制过程的影响e e/P2e/PuttTIe过程控制系统与仪表过程控制系统与仪表 第第6章章1.TI越越大大，积积分分作作用用越越弱弱， TI = ，积积分分作作用用为为零零。TI减减小小，积积分分作作用用增增强强，系系统统振振荡荡加加剧剧，稳稳定定性性下下降降。因因此此，加加积积分分后后，比比例例带带要适当加大。要适当加大。2.如如果果T1适适当当，系系统统能很快消除余差。能很快消除余差。 积分时间积分时间TI 对过渡过程的影

65、响对过渡过程的影响uuuu过程控制系统与仪表过程控制系统与仪表 第第6章章q积分控制可以消除余差。积分控制可以消除余差。v 积分控制的特点积分控制的特点有有偏偏差差时时，积积分分输输出出随随时时间间增增大大（或或减减小小）；当偏差消失时，输出保持在某一值上。当偏差消失时，输出保持在某一值上。ee ttuq积积分分输输出出信信号号是是随随时时间间逐逐渐渐增增强强的的，控控制制作作用用缓缓慢慢，故故一一般般积积分分作作用用不不单独使用。单独使用。过程控制系统与仪表过程控制系统与仪表 第第6章章 6.3.1.3比例微分（比例微分（PD）调节对系统控制品质的影响）调节对系统控制品质的影响 对对于于惯惯

66、性性较较大大的的对对象象，常常常常希希望望能能加加快快控控制制速速度度，此时可增加微分作用。此时可增加微分作用。式中：式中：TD 微分时间微分时间 偏差变化速度偏差变化速度 理想微分理想微分1 微分控制（微分控制（D）ee ttu过程控制系统与仪表过程控制系统与仪表 第第6章章q 微微分分控控制制能能在在偏偏差差出出现现或或变变化化的的瞬瞬间间，立立即即根根据据变变化化的的趋趋势势，产产生生强强烈烈的的调调节节作作用用，使使偏偏差差尽尽快快地地消消除除于于萌芽状态之中。萌芽状态之中。q当当偏偏差差存存在在，但但不不变变化化时时，微微分分输输出出为为零零，对对静静态态偏偏差差毫毫无无抑抑制制能能

67、力力。因因此此不不能能单单独独使使用用，总总要要和和比比例例或或比比例例积积分分调调节节规规律律结结合合起起来来，组组成成PD调调节节器或器或PID调节器。调节器。v 微分控制的特点微分控制的特点eettu过程控制系统与仪表过程控制系统与仪表 第第6章章2 比例微分控制（比例微分控制（PD） 理想的比例微分控制理想的比例微分控制eettutu 理想的微分作用持续时理想的微分作用持续时间太短，执行器来不及响应。间太短，执行器来不及响应。一般使用实际的比例微分作一般使用实际的比例微分作用。用。过程控制系统与仪表过程控制系统与仪表 第第6章章微分时间的物理意义微分时间的物理意义 若若偏偏差差是是系系

68、数数为为a的的斜坡信号斜坡信号:当当 t = TD 时时:q微分时间微分时间TD对控制过程的影响对控制过程的影响euttTD2aTD/PaTD/Pa过程控制系统与仪表过程控制系统与仪表 第第6章章uuutttut TD较较小，控制小，控制速度稍有加快速度稍有加快 TD=0，纯纯比比例控制过程例控制过程TD太大，太大，出现出现等幅振荡等幅振荡 TD合适合适，控制，控制速度明显加快速度明显加快 微分时间微分时间TD 对过渡过程的影响对过渡过程的影响过程控制系统与仪表过程控制系统与仪表 第第6章章v微分控制的微分控制的优点：优点：能加快系统的控制速度能加快系统的控制速度。缺点：缺点：偏差存在但不变化

69、时，无控制作用。偏差存在但不变化时，无控制作用。q 将将比比例例、积积分分、微微分分三三种种调调节节规规律律结结合合在在一一起起，只只要要三三项项作作用用的的强强度度配配合合适适当当，既既能能快快速速调调节节，又又能消除余差，可得到满意的控制效果。能消除余差，可得到满意的控制效果。过程控制系统与仪表过程控制系统与仪表 第第6章章uq 在在PID调节中，比调节中，比例作用是基础；微分例作用是基础；微分作用可以加快系统控作用可以加快系统控制速度，减小超调；制速度，减小超调；积分作用可以消除静积分作用可以消除静差。但不是任何对象差。但不是任何对象都是用都是用PID 控制最好。控制最好。过程控制系统与

70、仪表过程控制系统与仪表 第第6章章对某一对象，用不同控制规律时阶跃干扰过程比较被被控控变变量量t无控制作用无控制作用PPDPIDPI6.3.1.4 （PID）调节对系统控制品质的影响）调节对系统控制品质的影响过程控制系统与仪表过程控制系统与仪表 第第6章章6.3.2调节规律的选择调节规律的选择1、比例控制（、比例控制（P）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、工艺上没有提出无差要求的系统，工艺上没有提出无差要求的系统，2、比例积分控制（、比例积分控制（PI） 适用于控制通道滞后较小、负荷变化不适用于控制通道滞后较小、负荷变化不大、工艺参数不允许有余差的系统。大

71、、工艺参数不允许有余差的系统。3、比例微分控制（、比例微分控制（PD）适用于控制通道滞后较大的系统。例如加热适用于控制通道滞后较大的系统。例如加热较慢的温度控制系统。较慢的温度控制系统。过程控制系统与仪表过程控制系统与仪表 第第6章章4、比例积分微分控制（、比例积分微分控制（PID）适适用用于于容容量量滞滞后后较较大大、负负荷荷变变化化大大、控控制制质质量量要要求求较较高高的的系系统统，应应用用最最普普遍遍的的是是温温度度控控制制系系统统与与成分控制系统。成分控制系统。 TTTC 也可根据也可根据0/T0来选择调节来选择调节器的调节规律：器的调节规律： 0/T00.2，用，用P或或PI 0.2

72、0/T00.1，用，用PD或或PID 0/T00.1，用简单控制系统效，用简单控制系统效果不好。果不好。过程控制系统与仪表过程控制系统与仪表 第第6章章调节规律调节规律优优 点点缺缺 点点应应 用用P灵灵敏敏、简简单单，只只有有一一个整定参数；个整定参数；存在静差存在静差负负荷荷变变化化不不显显著著，工工艺艺指指标标要要求不高的对象。求不高的对象。PI能能消消除除静静差差，又又控控制制灵敏灵敏对对于于滞滞后后较较大大的的对对象象，比比例例积积分分调调节节太太慢慢，效效果不好。果不好。应应用用于于调调节节通通道道容容量量滞滞后后较较小小、负负荷荷变变化化不不大大、精精度度要要求求高高的的调调节节

73、系系统统。例例如如，流流量量调调节节系系统。统。PD增增进进调调节节系系统统的的稳稳定定度度，可可调调小小比比例例度度，而而加加快快调调节节过过程程，减减小动态偏差和静差小动态偏差和静差系系统统对对高高频频干干扰扰特特别别敏敏感感，系系统统输输出出易易夹夹杂杂高高频干扰。频干扰。应应用用于于调调节节通通道道容容量量滞滞后后较较大大，但调节精度要求不高的对象。但调节精度要求不高的对象。PID综综合合了了各各类类调调节节作作用用的的优优点点，所所以以有有更更高高的调节质量。的调节质量。对对于于滞滞后后很很大大，负负荷荷变变化化很很大大的的对对象象，PID调调节节也也无无法法满满足足要要求求，应应设

74、计复杂调节系统设计复杂调节系统应应用用于于调调节节通通道道容容量量滞滞后后较较大大、负负荷荷变变化化较较大大、精精度度要要求求高高的的对象。对象。过程控制系统与仪表过程控制系统与仪表 第第6章章6.4调节器参数的工程整定方法调节器参数的工程整定方法在在控控制制系系统统设设计计或或安安装装完完毕毕后后，被被控控对对象象、测测量量变变送送器器和和执执行行器器这这三三部部分分的的特特性性就就完完全全确确定定了了，不不能能任任意意改改变变。只只能能通通过过控控制制器器参参数数的的工工程程整整定定，来调整控制系统的稳定性和控制质量。，来调整控制系统的稳定性和控制质量。控控制制器器参参数数的的整整定定，就

75、就是是按按照照已已定定的的控控制制方方案案，求求取取使使控控制制质质量量最最好好的的控控制制器器参参数数值值。具具体体来来说说，就就是是确确定定最最合合适适的的控控制制器器比比例例度度P、积积分分时时间间TI，和微分时间和微分时间TD。过程控制系统与仪表过程控制系统与仪表 第第6章章控控制制器器参参数数整整定定的的方方法法很很多多，主主要要有有两两大大类类，一类是理论计算的方法，另一类是工程整定法。一类是理论计算的方法，另一类是工程整定法。q理理论论计计算算的的方方法法是是根根据据已已知知的的各各环环节节特特性性及及控控制制质质量量的的要要求求，通通过过理理论论计计算算出出控控制制器器的的最最

76、佳佳参参数数。这这种种方方法法由由于于比比较较繁繁琐琐、工工作作量量大大，计计算算结结果果有有时时与与实实际际情情况况不不甚甚符符合合，故故在在工工程程实实践践中中长长期期没没有有得得到推广和应用。到推广和应用。q工工程程整整定定法法是是在在已已经经投投运运的的实实际际控控制制系系统统中中，通通过过试试验验或或探探索索，来来确确定定控控制制器器的的最最佳佳参参数数。这这种种方法是工艺技术人员在现场经常使用的。方法是工艺技术人员在现场经常使用的。过程控制系统与仪表过程控制系统与仪表 第第6章章6.4.1稳定边界法（临界比例度法）稳定边界法（临界比例度法） 属属于于闭闭环环整整定定方方法法，根根据

77、据纯纯比比例例控控制制系系统统临临界界振振荡荡试试验验所所得得数数据据（临临界界比比例例度度Pm和和振振荡荡周周期期Tm），按经验公式求出调节器的整定参数。按经验公式求出调节器的整定参数。（1 1） 置置调调节节器器Ti ， Td=0，比比例例度度P 较较大值，将系统投入运行。大值，将系统投入运行。（2 2） 逐逐渐渐减减小小P ，加加干干扰扰观观察察，直直到到出出现现等等幅幅减减振振荡荡为为止止。记记录录此此时时的的临临界界值值Pm和和Tm。y(t)Tm 系统临界振荡曲线系统临界振荡曲线t过程控制系统与仪表过程控制系统与仪表 第第6章章v经经验验公公式式虽虽然然是是在在实实验验基基础础上上归

78、归纳纳出出来来的的，但但它它有有一一定定的的理理论论依依据据。就就以以表表中中PI调调节节器器整整定定数数值值为为例例，可可以以看看出出PI调调节节器器的的比比例例度度较较纯纯比比例例调调节节时时增增大大，这这是是因因为为积积分分作作用用产产生生一一滞滞后后相相位位，降降低低了了系统的稳定度的缘故。系统的稳定度的缘故。根据根据Pm和和Tm，按经验公式计按经验公式计算出控制器的算出控制器的参数整定值。参数整定值。 整定参数整定参数调节规律调节规律 P（%） Ti Td P 2Pm PI 2.2Pm 0.85 Tm PID 1.7Pm 0.50 Tm 0.125 Tm 表表6.1 稳定边界法整定参

79、数计算表稳定边界法整定参数计算表过程控制系统与仪表过程控制系统与仪表 第第6章章q 稳定边界方法在下面两种情况下不宜采用：稳定边界方法在下面两种情况下不宜采用： 临临界界比比例例度度过过小小时时，调调节节阀阀容容易易游游移移于于全全开开或或全全关关位位置置，对对生生产产工工艺艺不不利利或或不不容容许许。例例如如，一一个个用用燃燃料料油油加加热热的的炉炉子子，如如果果阀阀门门发发生生全全关关状状态态就就要要熄火。熄火。 工工艺艺上上的的约约束束条条件件严严格格时时，等等幅幅振振荡荡将将影影响响生生产的安全。产的安全。 6.4.2衰减曲线法衰减曲线法 也也属属于于闭闭环环整整定定方方法法，但但不不

80、需需要要寻寻找找等等幅幅振振荡荡状态，只需寻找最佳衰减振荡状态即可。状态，只需寻找最佳衰减振荡状态即可。过程控制系统与仪表过程控制系统与仪表 第第6章章方法：方法：（1 1）把把调调节节器器设设成成比比例例作作用用（T Ti i=，T Td d=0=0），置于较大比例度，投入自动运行。置于较大比例度，投入自动运行。（2 2）在在稳稳定定状状态态下下，阶阶跃跃改改变变给给定定值值（通通常常以以5%5%左右为宜），观察调节过程曲线。左右为宜），观察调节过程曲线。（3 3）适适当当改改变变比比例例度度，重重复复上上述述实实验验，到到出出现现满意的衰减曲线为止。满意的衰减曲线为止。记下此时的比例度记下

81、此时的比例度Ps及周期及周期Ts。n=10:1时，记时，记Ps及及TsTsTr过程控制系统与仪表过程控制系统与仪表 第第6章章（4 4）按按表表6-2（n=4:1）或或按按表表6-3（n=10:1）求求得各种调节规律时的整定参数。得各种调节规律时的整定参数。表表6.2 衰减比为衰减比为4:1时，时，整定参数计算表整定参数计算表表表6.3 衰减比为衰减比为10:1时，时，整定参数计算表整定参数计算表0.1Ts0.3 Ts0.8PsPID 0. 5 Ts1.2PsPIPsPTdTiP（%） 整定参数整定参数调节规律律0.4Ts1.2Tr0.8PsPID 2Tr1.2PsPIPsPTdTiP（%）

82、整定参数整定参数调节规律律过程控制系统与仪表过程控制系统与仪表 第第6章章6.4.3响应曲线法响应曲线法属属于于开开环环整整定定方方法法。以以被被控控对对象象控控制制通通道道的的阶阶跃跃响响应应为为依依据据，通通过过经经验验公公式式求求取取调调节节器器的的最最佳佳参参数数整定值。整定值。方法：不加控制作用，作控制通道特性曲线。方法：不加控制作用，作控制通道特性曲线。给定值给定值测量变送器测量变送器控制器控制器执行器执行器对象对象被控变量被控变量过程控制系统与仪表过程控制系统与仪表 第第6章章根根据据实实验验所所得得响响应应曲曲线线，找找出出广广义义对对象象的的特特性性参参数数K0、T0、0，用

83、表，用表6-4的经验公式求整定参数。的经验公式求整定参数。T00此方法在不加控制作用的状态下进行，对于不允此方法在不加控制作用的状态下进行，对于不允许工艺失控的生产过程，不能使用。许工艺失控的生产过程，不能使用。 表表6.4 响应曲线法整定参数的公式响应曲线法整定参数的公式0.5020PID3.30PIPTdTiP（%） 整定参数整定参数调节规律律过程控制系统与仪表过程控制系统与仪表 第第6章章6.4.4 经验法经验法 凭经验凑试。凭经验凑试。 其关键是其关键是“看曲线，调参数看曲线，调参数”。在在闭闭环环的的控控制制系系统统中中，凭凭经经验验先先将将控控制制器器参参数数放放在在一一个个数数值

84、值上上，通通过过改改变变给给定定值值施施加加干干扰扰，在在记记录录仪仪上上观观察察过过渡渡过过程程曲曲线线，根根据据P、 TI 、 TD对对过过渡渡过过程程的的影影响响为为指指导导，对对比比例例度度P 、积积分分时时间间TI和和微微分时间分时间TD逐个整定，直到获得满意的曲线为止。逐个整定，直到获得满意的曲线为止。v经经验验法法的的方方法法简简单单，但但必必须须清清楚楚控控制制器器参参数数变变化化对对过过渡渡过过程程曲曲线线的的影影响响关关系系。在在缺缺乏乏实实际际经经验验或或过渡过程本身较慢时，往往较为费时。过渡过程本身较慢时，往往较为费时。过程控制系统与仪表过程控制系统与仪表 第第6章章控

85、制器参数对控制过程的影响：控制器参数对控制过程的影响：比比例例度度逐逐渐渐减减小小积积分分时时间间逐逐渐渐减减小小微微分分时时间间逐逐渐渐增增大大过程控制系统与仪表过程控制系统与仪表 第第6章章6.4.5 6.4.5 几种整定方法的比较几种整定方法的比较整定方法整定方法优优 点点缺缺 点点反应曲线法反应曲线法方法简单方法简单系系统统开开环环，被被调调量量变变化化较大，影响生产较大，影响生产稳定边界法稳定边界法系统闭环系统闭环会出现被调量等幅振荡会出现被调量等幅振荡衰减曲线法衰减曲线法系统闭环，安全系统闭环，安全实验费时实验费时经验法经验法系统闭环，不需计算系统闭环，不需计算需要经验需要经验过程

86、控制系统与仪表过程控制系统与仪表 第第6章章q注意：注意：同同一一个个系系统统，最最佳佳整整定定参参数数可可能能不不是是唯唯一一的的。不不同同的的PID参参数数组组合合，有有时时会会得得到到极极为为相相近近的的控控制制结果。结果。例例如如某某初初馏馏塔塔塔塔顶顶温温度度控控制制系系统统，控控制制器器采采用用以下两组参数时：以下两组参数时： P 15 TI 7.5min P 35 TI 3 min系系统统都都得得到到10:1的的衰衰减减曲曲线线，超超调调量量和和过过渡渡时时间基本相同。间基本相同。 过程控制系统与仪表过程控制系统与仪表 第第6章章6.5 简单控制系统设计实例简单控制系统设计实例

87、如如图图是是奶奶粉粉生生产产工工艺艺中中的的喷喷雾雾式式干干燥燥设设备备。此此工艺要求保证奶粉含水量在工艺要求保证奶粉含水量在2%2.5%。6.5.1 生产过程概述生产过程概述已已浓浓缩缩的的奶奶液液从从储储槽槽流流下下，经经过过滤滤后后从从干干燥燥器器顶顶部部喷喷出出。干干燥燥空空气气被被加加热热后后经经风风管管吹吹入入干干燥燥器器。滴滴状状奶奶液液在在热热风风中中干干燥燥成成奶奶粉粉，并并被被气气流流带带出出干干燥燥器。器。过程控制系统与仪表过程控制系统与仪表 第第6章章6.5.2 控制方案设计控制方案设计6.5.2.1 被控参数选择被控参数选择按按工工艺艺要要求求应应首首选选奶奶粉粉含含

88、水水量量为为被被控控变变量量，但但此类在线测量仪表精度低、速度慢。此类在线测量仪表精度低、速度慢。试试验验发发现现，奶奶粉粉含含水水量量与与干干燥燥器器出出口口温温度度之之间间存存在在单单值值关关系系。出出口口温温度度稳稳定定在在1502，则则奶奶粉粉含含水水量量符符合合2%2.5% 。因因此此选选干干燥燥器器出出口口流流体体温温度度为被控变量。为被控变量。过程控制系统与仪表过程控制系统与仪表 第第6章章6.5.2.2 控制变量选择控制变量选择影影响响干干燥燥器器出出口口奶奶粉粉流流体体温温度度的的主主要要可可控控因因素素有：有：乳液流量变化乳液流量变化 f1 旁路空气流量变化旁路空气流量变化

89、 f2 加热蒸汽流量变化加热蒸汽流量变化 f3 若若分分别别以以这这三三个个变变量量为为控控制制变变量量，可可以以得得到到三三个不同的控制方案。个不同的控制方案。 f2 f1 f3 过程控制系统与仪表过程控制系统与仪表 第第6章章影响量作用的位置不同：影响量作用的位置不同：f3蒸气流量蒸气流量f2旁路冷风流量旁路冷风流量f1乳液流量乳液流量 热交换器热交换器T=100, T=100送风管道送风管道 =3干燥器干燥器 Go f2 f1 f3 乳乳液液流流量量变变化化f1的的作作用用通通道道最最短短；旁旁路路空空气气流流量量变变化化f2的的作作用用通通道道增增加加了了3秒秒的的滞滞后后；加加热热蒸

90、蒸汽汽流流量量变变化化f3的的作作用用通通道道又又增增加加了了两个两个100秒的双容滞后。秒的双容滞后。过程控制系统与仪表过程控制系统与仪表 第第6章章q调节方案：调节方案：方方案案1：取取乳乳液液流流量量为控制变量（调节阀为控制变量（调节阀1） v控制通道最短控制通道最短f3f2f1 热交换器热交换器送风管道送风管道干燥器干燥器调节阀调节阀1调节器调节器变送器变送器ry过程控制系统与仪表过程控制系统与仪表 第第6章章方方案案2：取取旁旁通通冷冷风风流流量为控制变量（调节阀量为控制变量（调节阀2）v由由于于有有送送风风管管路路的的传传递递滞滞后后存存在在，较较方方案案1多多一一个纯滞后环节个纯

91、滞后环节=3sf3f2f1 热交换器热交换器风管风管干燥器干燥器调节阀调节阀2调节器调节器变送器变送器ry过程控制系统与仪表过程控制系统与仪表 第第6章章v热热交交换换器器为为双双容容特特性性，因因而而调调节节通通道道又又多多了了两两个个容容量量滞滞后后，时时间间常常数数都是都是T = 100秒。秒。 方方案案3：取取蒸蒸汽汽流流量量为控制变量（调节阀为控制变量（调节阀3）f3f2f1加热器加热器风管风管干燥器干燥器调节阀调节阀3调节器调节器变送器变送器ry过程控制系统与仪表过程控制系统与仪表 第第6章章q 控制方案的判别：控制方案的判别： 从从控控制制效效果果考考虑虑，方方案案1的的调调节节

92、通通道道最最短短，控控制制性性能能最最佳佳；方方案案2次次之之，方方案案3最最差差。但但从从工工艺艺合合理理性性考虑，方案考虑，方案1并不合适。并不合适。因因为为乳乳液液量量应应按按该该装装置置的的最最大大生生产产能能力力控控制制，且且在在浓浓缩缩乳乳液液管管道道上上装装调调节节阀阀，容容易易使使调调节节阀阀堵堵塞塞而而影影响响控控制制效效果果。因因此此，选选择择方方案案2比比较较合合适适。即即：将将调调节阀装在旁通冷风管道上。节阀装在旁通冷风管道上。过程控制系统与仪表过程控制系统与仪表 第第6章章6.5.1.3检测仪表、调节阀及调节器调节规律选择检测仪表、调节阀及调节器调节规律选择温度传感器

93、及变送器温度传感器及变送器选用热电阻温度传感器。为了减少测量滞后，温度选用热电阻温度传感器。为了减少测量滞后，温度传感器应安装在干燥器出口附近。传感器应安装在干燥器出口附近。调节阀调节阀选择气关型调节风阀。其流量特性近似线性。选择气关型调节风阀。其流量特性近似线性。调节器调节器可选模拟式或数字式调节器。根据控制精度要求可选模拟式或数字式调节器。根据控制精度要求（偏差（偏差2），采用），采用PI或或PID调节规律；根据构成调节规律；根据构成控制系统负反馈的原则，采用正作用方式。控制系统负反馈的原则，采用正作用方式。过程控制系统与仪表过程控制系统与仪表 第第6章章调节阀调节阀热交换器热交换器鼓风机鼓风机产品产品干燥器干燥器蒸汽蒸汽乳液乳液TCTT6.5.1.4绘制控制系统图绘制控制系统图过程控制系统与仪表过程控制系统与仪表 第第6章章本章小结本章小结简单控制系简单控制系统的结构统的结构 四个环节组成四个环节组成被控变量的选择被控变量的选择控制变量的选择控制变量的选择控制参数的整定控制参数的整定简单控制系简单控制系统的设计统的设计 闭环负反馈闭环负反馈控制规律的选择控制规律的选择