单回路控制系统.ppt

第三章第三章 单回路控制系统设计单回路控制系统设计1 1。数学模型的有关概念。数学模型的有关概念数学模型数学模型数学模型数学模型:指过程在各输入量的作用下，其指过程在各输入量的作用下，其指过程在各输入量的作用下，其指过程在各输入量的作用下，其相应输出量变化的函数关系数学表达式。相应输出量变化的函数关系数学表达式。相应输出量变化的函数关系数学表达式。相应输出量变化的函数关系数学表达式。干扰干扰干扰干扰:内干扰内干扰内干扰内干扰-调节器的输出量调节器的输出量调节器的输出量调节器的输出量u(t)u(t)u(t)u(t)；外外外外干扰干扰干扰干扰-其余非控制的输入量。其余非控制的输入量。其余非控制的输入量。其余非控制的输入量。通道通道通道通道:输入量与输出量间的信号联系。输入量与输出量间的信号联系。输入量与输出量间的信号联系。输入量与输出量间的信号联系。扰动通道扰动通道扰动通道扰动通道-扰动作用与被控量间的信号联系。扰动作用与被控量间的信号联系。扰动作用与被控量间的信号联系。扰动作用与被控量间的信号联系。2 2。研究并建立数学模型的目的。研究并建立数学模型的目的(1)(1)(1)(1)、设计过程控制系统、整定调节器参数。、设计过程控制系统、整定调节器参数。、设计过程控制系统、整定调节器参数。、设计过程控制系统、整定调节器参数。(2)(2)(2)(2)、指导生产工艺设备的设计。、指导生产工艺设备的设计。、指导生产工艺设备的设计。、指导生产工艺设备的设计。(3)(3)(3)(3)、进行仿真实验研究。、进行仿真实验研究。、进行仿真实验研究。、进行仿真实验研究。(4)(4)(4)(4)、培训运行操作人员。、培训运行操作人员。、培训运行操作人员。、培训运行操作人员。3 3。单输入。单输入-单输出过程的常见模型单输出过程的常见模型(1)(1)(1)(1)、线性时间连续模型、线性时间连续模型、线性时间连续模型、线性时间连续模型(2)(2)(2)(2)、线性时间离散模型线性时间离散模型线性时间离散模型线性时间离散模型控制通道控制通道控制通道控制通道-控制作用与被控量间的信号联系；控制作用与被控量间的信号联系；控制作用与被控量间的信号联系；控制作用与被控量间的信号联系；一。有自衡过程的数学模型一。有自衡过程的数学模型 有自衡的定义有自衡的定义有自衡的定义有自衡的定义：对象受到干扰作用后，平衡状对象受到干扰作用后，平衡状对象受到干扰作用后，平衡状对象受到干扰作用后，平衡状态被破坏态被破坏态被破坏态被破坏 ，无须外加任何控制作用，依靠对象本身自，无须外加任何控制作用，依靠对象本身自，无须外加任何控制作用，依靠对象本身自，无须外加任何控制作用，依靠对象本身自动平衡的倾向，逐渐地达到新的平衡状态的性质，称动平衡的倾向，逐渐地达到新的平衡状态的性质，称动平衡的倾向，逐渐地达到新的平衡状态的性质，称动平衡的倾向，逐渐地达到新的平衡状态的性质，称为平衡能力。为平衡能力。为平衡能力。为平衡能力。(一一一一)、单容过程的数学模型、单容过程的数学模型、单容过程的数学模型、单容过程的数学模型 1 1 1 1、单容过程的定义、单容过程的定义、单容过程的定义、单容过程的定义：只有一个储蓄容量的过程。只有一个储蓄容量的过程。只有一个储蓄容量的过程。只有一个储蓄容量的过程。如下页图所示。如下页图所示。如下页图所示。如下页图所示。返回 讨论：讨论：讨论：讨论：(1)(1)(1)(1)、静态时，、静态时，、静态时，、静态时，q q q q1 1 1 1=q=q=q=q2 2 2 2=dh/=dh/=dh/=dh/dtdtdtdt=0;=0;=0;=0;(2)(2)(2)(2)、当当当当q q q q1 1 1 1变化时变化时变化时变化时h h h h变化变化变化变化 q q q q2 2 2 2变化。变化。变化。变化。经线性化处理，有经线性化处理，有经线性化处理，有经线性化处理，有其中，其中，其中，其中，R R R R2 2 2 2为阀门为阀门为阀门为阀门2 2 2 2的阻力，称为液阻或流阻。的阻力，称为液阻或流阻。的阻力，称为液阻或流阻。的阻力，称为液阻或流阻。2 2 2 2、参量关系分析、参量关系分析、参量关系分析、参量关系分析3 3 3 3、建立数学模型、建立数学模型、建立数学模型、建立数学模型(二二二二)、有自衡多容过程的数学模型（无相互影响）、有自衡多容过程的数学模型（无相互影响）、有自衡多容过程的数学模型（无相互影响）、有自衡多容过程的数学模型（无相互影响）1 1、多容过程、多容过程是工业生产中常见的，如下图。是工业生产中常见的，如下图。是工业生产中常见的，如下图。是工业生产中常见的，如下图。2 2 2 2、三容过程的方框图、三容过程的方框图、三容过程的方框图、三容过程的方框图(三三三三)、有自衡多容过程的数学模型（有相互影响）、有自衡多容过程的数学模型（有相互影响）、有自衡多容过程的数学模型（有相互影响）、有自衡多容过程的数学模型（有相互影响）作业：画出方框图，并推导出该系统的传递函数作业：画出方框图，并推导出该系统的传递函数作业：画出方框图，并推导出该系统的传递函数作业：画出方框图，并推导出该系统的传递函数二、无自衡过程的数学模型二、无自衡过程的数学模型 无自衡过程的概念：如下图。无自衡过程的概念：如下图。无自衡过程的概念：如下图。无自衡过程的概念：如下图。(一一一一)、单容过程的数学模型、单容过程的数学模型、单容过程的数学模型、单容过程的数学模型 1 1 1 1、参量关系分析、参量关系分析、参量关系分析、参量关系分析 返回而在无自衡过程，因而在无自衡过程，因而在无自衡过程，因而在无自衡过程，因q q q q2 2 2 2=0=0=0=0，故，故，故，故 2 2 2 2、传递函数、传递函数、传递函数、传递函数 单回路控制系统又称为简单控制系统。虽然简单，单回路控制系统又称为简单控制系统。虽然简单，单回路控制系统又称为简单控制系统。虽然简单，单回路控制系统又称为简单控制系统。虽然简单，但应用较广；过程控制的基本概念主要是在本章建立但应用较广；过程控制的基本概念主要是在本章建立但应用较广；过程控制的基本概念主要是在本章建立但应用较广；过程控制的基本概念主要是在本章建立的。因此，本章内容无疑是重点之一。的。因此，本章内容无疑是重点之一。的。因此，本章内容无疑是重点之一。的。因此，本章内容无疑是重点之一。特点特点 最简单、最基本；应用最广泛、最成熟。是各最简单、最基本；应用最广泛、最成熟。是各种复杂控制系统设计和参数整定的基础。适用于被种复杂控制系统设计和参数整定的基础。适用于被控对象滞后时间较小，负载和干扰不大，控制质量控对象滞后时间较小，负载和干扰不大，控制质量要求不很高的场合。要求不很高的场合。过程控制系统设计的要求过程控制系统设计的要求1 1、安全性、安全性2 2、稳定性、稳定性3 3、经济性、经济性过程控制系统的设计步骤过程控制系统的设计步骤1 1、建立被控过程的数学模型、建立被控过程的数学模型2 2、选择控制方案、选择控制方案3 3、选择控制设备型号规格、选择控制设备型号规格4 4、实验（与仿真）、实验（与仿真）控制系统的工程考虑控制系统的工程考虑 包括仪表（微机）选型、控制室和仪表盘设计、供水包括仪表（微机）选型、控制室和仪表盘设计、供水包括仪表（微机）选型、控制室和仪表盘设计、供水包括仪表（微机）选型、控制室和仪表盘设计、供水供电供气设计、信号系统设计、安全防暴设计等。供电供气设计、信号系统设计、安全防暴设计等。供电供气设计、信号系统设计、安全防暴设计等。供电供气设计、信号系统设计、安全防暴设计等。(2)(2)(2)(2)、对象信息的获取和变送、对象信息的获取和变送、对象信息的获取和变送、对象信息的获取和变送(3)(3)(3)(3)、执行器的选择、执行器的选择、执行器的选择、执行器的选择(4)(4)(4)(4)、控制器的选择、控制器的选择、控制器的选择、控制器的选择3 3、工程安装、工程安装4 4、仪表调试、仪表调试 5 5、参数整定、参数整定2 2、工程设计、工程设计 1 1、方案设计、方案设计 是整个控制工程设计中最重要的一步，应注意：是整个控制工程设计中最重要的一步，应注意：是整个控制工程设计中最重要的一步，应注意：是整个控制工程设计中最重要的一步，应注意：(1)(1)(1)(1)、合理选择被控量、合理选择被控量、合理选择被控量、合理选择被控量(被控参数被控参数被控参数被控参数)和操纵量和操纵量和操纵量和操纵量(控制参数控制参数控制参数控制参数)一、单回路控制系统一、单回路控制系统一、单回路控制系统一、单回路控制系统单回路控制系统可实现：单回路控制系统可实现：单回路控制系统可实现：单回路控制系统可实现：定值控制、程序控制、随动控制定值控制、程序控制、随动控制定值控制、程序控制、随动控制定值控制、程序控制、随动控制等等等等例：液位定值控制系统例：液位定值控制系统例：液位定值控制系统例：液位定值控制系统其结构图如下：其结构图如下：其结构图如下：其结构图如下：定义：定义：定义：定义：是指由一个测量变送器、一个调节器、一个执行器连同是指由一个测量变送器、一个调节器、一个执行器连同是指由一个测量变送器、一个调节器、一个执行器连同是指由一个测量变送器、一个调节器、一个执行器连同 被控过程组成的、对一个被控参数进行控制的反馈控制系统。被控过程组成的、对一个被控参数进行控制的反馈控制系统。被控过程组成的、对一个被控参数进行控制的反馈控制系统。被控过程组成的、对一个被控参数进行控制的反馈控制系统。液位检测变送器液位控制器设定值执行阀 从结构图我们可以看出：单回路控制系统是最简单、最从结构图我们可以看出：单回路控制系统是最简单、最从结构图我们可以看出：单回路控制系统是最简单、最从结构图我们可以看出：单回路控制系统是最简单、最基本、最成熟的一种控制方式。基本、最成熟的一种控制方式。基本、最成熟的一种控制方式。基本、最成熟的一种控制方式。单回路控制系统根据被控量的类型可分为：温度单回路单回路控制系统根据被控量的类型可分为：温度单回路单回路控制系统根据被控量的类型可分为：温度单回路单回路控制系统根据被控量的类型可分为：温度单回路控制系统、压力单回路控制系统、流量单回路控制系统等。控制系统、压力单回路控制系统、流量单回路控制系统等。控制系统、压力单回路控制系统、流量单回路控制系统等。控制系统、压力单回路控制系统、流量单回路控制系统等。单回路控制系统方框图的单回路控制系统方框图的单回路控制系统方框图的单回路控制系统方框图的一般形式一般形式一般形式一般形式如下：如下：如下：如下：根据控制论可知：对于反馈控制系统，要使系统能够稳定根据控制论可知：对于反馈控制系统，要使系统能够稳定根据控制论可知：对于反馈控制系统，要使系统能够稳定根据控制论可知：对于反馈控制系统，要使系统能够稳定地工作，必须要构成负反馈。地工作，必须要构成负反馈。地工作，必须要构成负反馈。地工作，必须要构成负反馈。正作用：正作用：正作用：正作用：输出信号随输入信号的增大而增大；（放大倍数为正）输出信号随输入信号的增大而增大；（放大倍数为正）输出信号随输入信号的增大而增大；（放大倍数为正）输出信号随输入信号的增大而增大；（放大倍数为正）反作用：反作用：反作用：反作用：输出信号随输入信号的增大而减小；（放大倍数为负）输出信号随输入信号的增大而减小；（放大倍数为负）输出信号随输入信号的增大而减小；（放大倍数为负）输出信号随输入信号的增大而减小；（放大倍数为负）二、正作用、反作用二、正作用、反作用二、正作用、反作用二、正作用、反作用调节器的正作用：调节器的正作用：调节器的正作用：调节器的正作用：输出信号输出信号输出信号输出信号u u u u随着被控量随着被控量随着被控量随着被控量y y y y的增大而增大；的增大而增大；的增大而增大；的增大而增大；调节器的反作用：调节器的反作用：调节器的反作用：调节器的反作用：输出信号输出信号输出信号输出信号u u u u随着被控量随着被控量随着被控量随着被控量y y y y的增大而减小；的增大而减小；的增大而减小；的增大而减小；执行器执行器执行器执行器+液位过程液位过程液位过程液位过程+检测变送检测变送检测变送检测变送+则则则则 调节器调节器调节器调节器-气关式气关式气关式气关式-+气开式气开式气开式气开式对上例进行改动对上例进行改动对上例进行改动对上例进行改动其结构图如下：其结构图如下：其结构图如下：其结构图如下：上例中：上例中：上例中：上例中：执行器执行器执行器执行器+液位过程液位过程液位过程液位过程-检测变送检测变送检测变送检测变送+则则则则 调节器调节器调节器调节器+气关式气关式气关式气关式-+-气开式气开式气开式气开式返回三、被控参数和控制参数的选择三、被控参数和控制参数的选择（一）被控参数（被控变量）的选择（一）被控参数（被控变量）的选择（一）被控参数（被控变量）的选择（一）被控参数（被控变量）的选择 是控制系统设计的一个重要内容。是控制系统设计的一个重要内容。是控制系统设计的一个重要内容。是控制系统设计的一个重要内容。恰当的选择对于稳定生产、提高产品产量和质量、节能、恰当的选择对于稳定生产、提高产品产量和质量、节能、恰当的选择对于稳定生产、提高产品产量和质量、节能、恰当的选择对于稳定生产、提高产品产量和质量、节能、改善劳动条件保护环境卫生等具有决定性意义。改善劳动条件保护环境卫生等具有决定性意义。改善劳动条件保护环境卫生等具有决定性意义。改善劳动条件保护环境卫生等具有决定性意义。若选择不当，则无论组成什么样的控制系统，选择多么先若选择不当，则无论组成什么样的控制系统，选择多么先若选择不当，则无论组成什么样的控制系统，选择多么先若选择不当，则无论组成什么样的控制系统，选择多么先进的过程检测控制仪表，都不能达到预期的控制效果进的过程检测控制仪表，都不能达到预期的控制效果进的过程检测控制仪表，都不能达到预期的控制效果进的过程检测控制仪表，都不能达到预期的控制效果。1 1 1 1、选择的意义、选择的意义、选择的意义、选择的意义2 2、选择的方法、选择的方法、选择的方法、选择的方法 (1)(1)(1)(1)选直接参数选直接参数选直接参数选直接参数 即能直接发映生产过程产品质量和产量，以及安全运行即能直接发映生产过程产品质量和产量，以及安全运行即能直接发映生产过程产品质量和产量，以及安全运行即能直接发映生产过程产品质量和产量，以及安全运行的参数。的参数。的参数。的参数。(如锅炉的水位、蒸汽的温度等。如锅炉的水位、蒸汽的温度等。如锅炉的水位、蒸汽的温度等。如锅炉的水位、蒸汽的温度等。)(2).(2).(2).(2).选间接参数选间接参数选间接参数选间接参数例：在化工生产中常用精馏塔将混合物分离为较纯组成的例：在化工生产中常用精馏塔将混合物分离为较纯组成的例：在化工生产中常用精馏塔将混合物分离为较纯组成的例：在化工生产中常用精馏塔将混合物分离为较纯组成的产品或中间产品产品或中间产品产品或中间产品产品或中间产品控制目标（直接参数）：控制目标（直接参数）：控制目标（直接参数）：控制目标（直接参数）：纯度纯度纯度纯度 或或或或 浓度浓度浓度浓度浓度浓度浓度浓度温度温度温度温度压力压力压力压力 由于压力由于压力由于压力由于压力P P P P不仅与不仅与不仅与不仅与分离纯度分离纯度分离纯度分离纯度有关，而且影响塔的有关，而且影响塔的有关，而且影响塔的有关，而且影响塔的工作工作工作工作效率效率效率效率以及以及以及以及经济性经济性经济性经济性，因而选择温度为间接参数。，因而选择温度为间接参数。，因而选择温度为间接参数。，因而选择温度为间接参数。当选直接参数有困难时采用。当选直接参数有困难时采用。当选直接参数有困难时采用。当选直接参数有困难时采用。间接参数的选择原则间接参数的选择原则间接参数的选择原则间接参数的选择原则 必须考虑工艺生产的合理性和仪表的现状。必须考虑工艺生产的合理性和仪表的现状。必须考虑工艺生产的合理性和仪表的现状。必须考虑工艺生产的合理性和仪表的现状。间接参数应与直接参数有某种单值函数关系。间接参数应与直接参数有某种单值函数关系。间接参数应与直接参数有某种单值函数关系。间接参数应与直接参数有某种单值函数关系。间接参数要有足够的灵敏度。间接参数要有足够的灵敏度。间接参数要有足够的灵敏度。间接参数要有足够的灵敏度。3 3、选择被控参数的一般原则、选择被控参数的一般原则、选择被控参数的一般原则、选择被控参数的一般原则 选选选选择择择择对对对对产产产产品品品品的的的的产产产产量量量量和和和和质质质质量量量量、安安安安全全全全生生生生产产产产、经经经经济济济济运运运运行行行行和和和和环环环环境境境境保护具有决定作用的、可直接测量的工艺参数为被控量保护具有决定作用的、可直接测量的工艺参数为被控量保护具有决定作用的、可直接测量的工艺参数为被控量保护具有决定作用的、可直接测量的工艺参数为被控量。当不能用直接参数作为被控量时，应选择一个与直接参当不能用直接参数作为被控量时，应选择一个与直接参当不能用直接参数作为被控量时，应选择一个与直接参当不能用直接参数作为被控量时，应选择一个与直接参数有单值函数关系的间接参数作为被控参数。数有单值函数关系的间接参数作为被控参数。数有单值函数关系的间接参数作为被控参数。数有单值函数关系的间接参数作为被控参数。被控参数必须具有足够大的灵敏度。被控参数必须具有足够大的灵敏度。被控参数必须具有足够大的灵敏度。被控参数必须具有足够大的灵敏度。被控参数的选取，必须考虑工艺过程的合理性和所用仪被控参数的选取，必须考虑工艺过程的合理性和所用仪被控参数的选取，必须考虑工艺过程的合理性和所用仪被控参数的选取，必须考虑工艺过程的合理性和所用仪表的性能。表的性能。表的性能。表的性能。（二）控制参数（操纵变量）的选择（二）控制参数（操纵变量）的选择（二）控制参数（操纵变量）的选择（二）控制参数（操纵变量）的选择设单回路控制系统的框图如下图所示：设单回路控制系统的框图如下图所示：设单回路控制系统的框图如下图所示：设单回路控制系统的框图如下图所示：以控制质量为依据，以控制质量为依据，以控制质量为依据，以控制质量为依据，通过对过程静态特性、动态特性通过对过程静态特性、动态特性通过对过程静态特性、动态特性通过对过程静态特性、动态特性的分析，讨论控制参数选择的一般原则。的分析，讨论控制参数选择的一般原则。的分析，讨论控制参数选择的一般原则。的分析，讨论控制参数选择的一般原则。1 1、过程静态特性的分析、过程静态特性的分析、过程静态特性的分析、过程静态特性的分析控制通道克服扰动的能力强，动态响应比扰动通道快控制通道克服扰动的能力强，动态响应比扰动通道快控制通道克服扰动的能力强，动态响应比扰动通道快控制通道克服扰动的能力强，动态响应比扰动通道快。则被控量对扰动的闭环传递函数为：则被控量对扰动的闭环传递函数为：则被控量对扰动的闭环传递函数为：则被控量对扰动的闭环传递函数为：设传递函数分别为：设传递函数分别为：设传递函数分别为：设传递函数分别为：由于系统是稳定的，则在单位阶跃扰动下系统的稳态值为：由于系统是稳定的，则在单位阶跃扰动下系统的稳态值为：由于系统是稳定的，则在单位阶跃扰动下系统的稳态值为：由于系统是稳定的，则在单位阶跃扰动下系统的稳态值为：结论：结论：结论：结论：2 2 2 2、根据过程特性选择操纵变量的一般原则、根据过程特性选择操纵变量的一般原则、根据过程特性选择操纵变量的一般原则、根据过程特性选择操纵变量的一般原则 控制通道控制通道的放大系数的放大系数的放大系数的放大系数K K K K0 0 0 0要适当选大一些；时间常数要适当选大一些；时间常数要适当选大一些；时间常数要适当选大一些；时间常数T T T T0 0 0 0要要要要适当小一些；纯滞后时间适当小一些；纯滞后时间适当小一些；纯滞后时间适当小一些；纯滞后时间 0 0 0 0越小越好，越小越好，越小越好，越小越好，在有纯延时在有纯延时在有纯延时在有纯延时 0 0 0 0的的的的情况情况情况情况下，下，下，下，0 0 0 0与与与与T T T T0 0 0 0之比应小于之比应小于之比应小于之比应小于1 1 1 1。扰动通道扰动通道的放大系数的放大系数的放大系数的放大系数K K K Kf f f f应尽可能小；时间常数应尽可能小；时间常数应尽可能小；时间常数应尽可能小；时间常数T T T Tf f f f要大；要大；要大；要大；扰动引入系统的位置要远离控制过程扰动引入系统的位置要远离控制过程扰动引入系统的位置要远离控制过程扰动引入系统的位置要远离控制过程(即靠近调节阀即靠近调节阀即靠近调节阀即靠近调节阀)；容量；容量；容量；容量滞后愈大，愈有利于控制。滞后愈大，愈有利于控制。滞后愈大，愈有利于控制。滞后愈大，愈有利于控制。广义过程（包括调节阀和测量变送器）由几个一阶环节广义过程（包括调节阀和测量变送器）由几个一阶环节广义过程（包括调节阀和测量变送器）由几个一阶环节广义过程（包括调节阀和测量变送器）由几个一阶环节组成，在选择控制参数时，应尽量将几个时间常数数值错开，组成，在选择控制参数时，应尽量将几个时间常数数值错开，组成，在选择控制参数时，应尽量将几个时间常数数值错开，组成，在选择控制参数时，应尽量将几个时间常数数值错开，使其中一个时间常数比其它时间常数大得多，同时注意减小使其中一个时间常数比其它时间常数大得多，同时注意减小使其中一个时间常数比其它时间常数大得多，同时注意减小使其中一个时间常数比其它时间常数大得多，同时注意减小其它时间常数。其它时间常数。其它时间常数。其它时间常数。注意注意工艺操作的合理性、经济性。工艺操作的合理性、经济性。工艺操作的合理性、经济性。工艺操作的合理性、经济性。返回(五五五五).).).).实例讨论实例讨论实例讨论实例讨论 例例例例1 1 1 1：喷雾式乳粉干：喷雾式乳粉干：喷雾式乳粉干：喷雾式乳粉干燥设备的控制。燥设备的控制。燥设备的控制。燥设备的控制。1.1.工艺流程：工艺流程：参见图参见图参见图参见图3 3 3 3-28282828。2.2.控制要求：控制要求：干燥后干燥后干燥后干燥后的产品含水量波动要小。的产品含水量波动要小。的产品含水量波动要小。的产品含水量波动要小。3.3.被控参数选择：被控参数选择：干干干干燥器里的温度燥器里的温度燥器里的温度燥器里的温度 4.4.操纵变量的选择操纵变量的选择 讨论后知，以风量作控制参数为最佳选择。讨论后知，以风量作控制参数为最佳选择。讨论后知，以风量作控制参数为最佳选择。讨论后知，以风量作控制参数为最佳选择。例例例例2 2 2 2储槽液位控制储槽液位控制储槽液位控制储槽液位控制四、执行器作用：作用：作用：作用：接受调节器输出的控制信号，经执行机构将其转换接受调节器输出的控制信号，经执行机构将其转换接受调节器输出的控制信号，经执行机构将其转换接受调节器输出的控制信号，经执行机构将其转换 为相应的角位移或直线位移，来改变调节机构（调为相应的角位移或直线位移，来改变调节机构（调为相应的角位移或直线位移，来改变调节机构（调为相应的角位移或直线位移，来改变调节机构（调 节阀）的流通截面积，以控制流入或流出被控过程节阀）的流通截面积，以控制流入或流出被控过程节阀）的流通截面积，以控制流入或流出被控过程节阀）的流通截面积，以控制流入或流出被控过程 的物料或能量，从而实现对过程参数的自动控制。的物料或能量，从而实现对过程参数的自动控制。的物料或能量，从而实现对过程参数的自动控制。的物料或能量，从而实现对过程参数的自动控制。执行器执行器执行器执行器执行机构执行机构执行机构执行机构调节机构（调节阀）调节机构（调节阀）调节机构（调节阀）调节机构（调节阀）组成：组成：组成：组成：气动执行器、电动执行器、液动执行器气动执行器、电动执行器、液动执行器气动执行器、电动执行器、液动执行器气动执行器、电动执行器、液动执行器（一）气动执行器（一）气动执行器（一）气动执行器（一）气动执行器1 1 1 1 气动执行机构气动执行机构气动执行机构气动执行机构1 1 1 1、上盖；、上盖；、上盖；、上盖；2 2 2 2、膜片；、膜片；、膜片；、膜片；3 3 3 3、平衡弹簧；、平衡弹簧；、平衡弹簧；、平衡弹簧；4 4 4 4、阀杆；、阀杆；、阀杆；、阀杆；5 5 5 5、阀体；、阀体；、阀体；、阀体；6 6 6 6、阀座；、阀座；、阀座；、阀座；7 7 7 7、阀芯；、阀芯；、阀芯；、阀芯；工作原理：阀杆的受力平衡工作原理：阀杆的受力平衡工作原理：阀杆的受力平衡工作原理：阀杆的受力平衡其中：其中：其中：其中：2 2 2 2 调节机构（调节阀）调节机构（调节阀）调节机构（调节阀）调节机构（调节阀）a a a a 分类分类分类分类局部阻力可变的节流元件局部阻力可变的节流元件局部阻力可变的节流元件局部阻力可变的节流元件 大口径的调节阀大口径的调节阀大口径的调节阀大口径的调节阀一般选用双座阀，其一般选用双座阀，其一般选用双座阀，其一般选用双座阀，其所需推力较小，动作所需推力较小，动作所需推力较小，动作所需推力较小，动作灵活，但泄漏较大。灵活，但泄漏较大。灵活，但泄漏较大。灵活，但泄漏较大。小口径的调节阀小口径的调节阀小口径的调节阀小口径的调节阀一般选用单座阀，其一般选用单座阀，其一般选用单座阀，其一般选用单座阀，其泄漏较小。泄漏较小。泄漏较小。泄漏较小。b b b b 阀的气开、气关方式阀的气开、气关方式阀的气开、气关方式阀的气开、气关方式正装阀与反装阀正装阀与反装阀正装阀与反装阀正装阀与反装阀气开阀与气关阀气开阀与气关阀气开阀与气关阀气开阀与气关阀气开式：气开式：气开式：气开式：气关式：气关式：气关式：气关式：气开、气关方式的选择原则：气开、气关方式的选择原则：气开、气关方式的选择原则：气开、气关方式的选择原则：保证工艺生产的安全。保证工艺生产的安全。保证工艺生产的安全。保证工艺生产的安全。即：当气源一旦中断时，即：当气源一旦中断时，即：当气源一旦中断时，即：当气源一旦中断时，阀门处于全开还是全关状态，要依首先能够保证设备阀门处于全开还是全关状态，要依首先能够保证设备阀门处于全开还是全关状态，要依首先能够保证设备阀门处于全开还是全关状态，要依首先能够保证设备和人身安全的原则而定。和人身安全的原则而定。和人身安全的原则而定。和人身安全的原则而定。冷水阀：冷水阀：冷水阀：冷水阀：燃料阀：燃料阀：燃料阀：燃料阀：气关式气关式气关式气关式气开式气开式气开式气开式以加热炉为例（见右图以加热炉为例（见右图以加热炉为例（见右图以加热炉为例（见右图）实现调节阀气开、气关的四种方式：实现调节阀气开、气关的四种方式：实现调节阀气开、气关的四种方式：实现调节阀气开、气关的四种方式：（二）电动执行器（二）电动执行器（二）电动执行器（二）电动执行器使用电动机等电的动力来启闭调节阀使用电动机等电的动力来启闭调节阀使用电动机等电的动力来启闭调节阀使用电动机等电的动力来启闭调节阀1 1 1 1、电动执行机构、电动执行机构、电动执行机构、电动执行机构比例式电动执行器比例式电动执行器比例式电动执行器比例式电动执行器电磁阀电磁阀电磁阀电磁阀比例式电动执行机构：比例式电动执行机构：比例式电动执行机构：比例式电动执行机构：通常采用伺服系统的结构方案。通常采用伺服系统的结构方案。通常采用伺服系统的结构方案。通常采用伺服系统的结构方案。返回3-4 3-4 PIDPID调节器调节器调节器（控制器）：调节器（控制器）：调节器（控制器）：调节器（控制器）：将被控变量的测量值与给定值进行比较，将被控变量的测量值与给定值进行比较，将被控变量的测量值与给定值进行比较，将被控变量的测量值与给定值进行比较，得到偏差信号，然后对得到的偏差信号进得到偏差信号，然后对得到的偏差信号进得到偏差信号，然后对得到的偏差信号进得到偏差信号，然后对得到的偏差信号进 行比例、积分、微分等运算，并将运算结行比例、积分、微分等运算，并将运算结行比例、积分、微分等运算，并将运算结行比例、积分、微分等运算，并将运算结 果以一定的信号形式送到执行器，进而实果以一定的信号形式送到执行器，进而实果以一定的信号形式送到执行器，进而实果以一定的信号形式送到执行器，进而实 现对被控变量的自动控制。现对被控变量的自动控制。现对被控变量的自动控制。现对被控变量的自动控制。PID PID PID PID 控制：控制：控制：控制：是上世纪是上世纪是上世纪是上世纪40404040年代以前除开关控制外的唯一控制方年代以前除开关控制外的唯一控制方年代以前除开关控制外的唯一控制方年代以前除开关控制外的唯一控制方 式，也是目前应用最广泛、最简单、最基本的控式，也是目前应用最广泛、最简单、最基本的控式，也是目前应用最广泛、最简单、最基本的控式，也是目前应用最广泛、最简单、最基本的控 制方式。制方式。制方式。制方式。使用比例：使用比例：使用比例：使用比例：80%80%80%80%90%90%90%90%控制器的输入：控制器的输入：输出：输出：控制器的控制规律就是控制器的控制规律就是u(t)与与e(t)之间的关之间的关系，是在人工经验的基础上总结并发展的。系，是在人工经验的基础上总结并发展的。控制器的基本控制规律有：比例、积分和控制器的基本控制规律有：比例、积分和微分，此外还有如继电器特性的位式控制规律微分，此外还有如继电器特性的位式控制规律等。等。反应器的温度控制人工操作过程分析人工操作过程分析以蒸汽加热反应釜为例：以蒸汽加热反应釜为例：设反应温度：设反应温度：85度，轻微放热反应度，轻微放热反应 操纵变量：蒸汽流量操纵变量：蒸汽流量 被控变量：反应温度被控变量：反应温度 干扰：蒸汽压力、进料流量等干扰：蒸汽压力、进料流量等人工操作（人工操作（1 1）：开关控制）：开关控制u 若温度低于若温度低于85度，蒸汽阀门全开度，蒸汽阀门全开u 若温度高于若温度高于85度，蒸汽阀门全关度，蒸汽阀门全关现象：温度持续波动，过程处于振荡中。现象：温度持续波动，过程处于振荡中。结果：双位控制规律控制品质差，满足不结果：双位控制规律控制品质差，满足不了生产要求。了生产要求。u 温度为温度为85度，蒸汽阀门开度是度，蒸汽阀门开度是3圈圈u 若温度高于若温度高于85度，每高度，每高5度就关一圈阀门度就关一圈阀门u 若温度低于若温度低于85度，每低度，每低5度就开一圈阀门度就开一圈阀门即开启圈数即开启圈数相应控制规律可写为：相应控制规律可写为：u(0)：偏差为：偏差为0时控制器输出时控制器输出Kc：控制器比例放大倍数：控制器比例放大倍数人工操作（人工操作（2 2）：比例控制）：比例控制现象：温度控制得比较平稳现象：温度控制得比较平稳结果：控制品质有一定改善，但负荷变化结果：控制品质有一定改善，但负荷变化时，会有余差。如工况有变动，当阀门开时，会有余差。如工况有变动，当阀门开3圈时，温度不再保持在圈时，温度不再保持在85度。度。人工操作（人工操作（3 3）：增加积分作用）：增加积分作用首先按照比例控制操作，然后不断观察首先按照比例控制操作，然后不断观察u 若温度低于若温度低于85度，慢慢地持续开大阀门度，慢慢地持续开大阀门u 若温度高于若温度高于85度，慢慢地持续开小阀门度，慢慢地持续开小阀门直到温度回到直到温度回到85度度即控制器输出变化的速度与偏差成正比：即控制器输出变化的速度与偏差成正比：K KI I：积分速度：积分速度现象：只要有偏差，控制器输出就不断变化。现象：只要有偏差，控制器输出就不断变化。结果：输出稳定在设定的结果：输出稳定在设定的85度上，即消除了余度上，即消除了余差。差。人工操作（人工操作（4 4）：增加微分作用）：增加微分作用 由于温度过程容量滞后大，当出现偏差由于温度过程容量滞后大，当出现偏差时，其数值已经较大，因此，补充经验：根时，其数值已经较大，因此，补充经验：根据偏差变化的速度来开启阀门，从而抑制偏据偏差变化的速度来开启阀门，从而抑制偏差的幅度，使控制作用更加及时。差的幅度，使控制作用更加及时。时间连续时间连续PID控制规律控制规律理想理想PID控制器的运算规律数学表达式：控制器的运算规律数学表达式：其传递函数形式：其传递函数形式：一、连续一、连续PIDPID控制规律控制规律控制器运算规律通常用增量形式表示，若用控制器运算规律通常用增量形式表示，若用实际值表示，则为：实际值表示，则为：式中式中u(0)为控制器初始输出，即为控制器初始输出，即t0瞬间偏差为瞬间偏差为0时的输出。时的输出。1 1、比例控制（、比例控制（P P）分析分析（1）比例控制规律）比例控制规律控制器输出变化与输入偏差成正比。控制器输出变化与输入偏差成正比。在时间上没有延迟。在时间上没有延迟。在相同的偏差下，在相同的偏差下，Kc越大，输出也越大，越大，输出也越大，因此因此Kc是衡量比例作用强弱的参数。是衡量比例作用强弱的参数。工业上用比例度来表示比例作用的强弱。工业上用比例度来表示比例作用的强弱。传递函数形式：传递函数形式：阶跃偏差作用下比例控制器的开环输出特性(7-6)(2)(2)、比例度、比例度(7-7)（a）在扰动（或负荷）变化及设定值变化时有余差存在。因为在这几种情况下，控制器必有输出 以改变阀门开度，力图使过程的物料和能量能够达到新的平衡。但 又正比于偏差 e，因此此时控制器的输入信号必然不是0。当比例度较小时，对应同样的 变化的e较小；因此余差小。(3)(3)、比例度对系统过渡过程影响、比例度对系统过渡过程影响（b）比例度越大，过渡过程曲线越平稳；随着比例度减小，系统振荡程度加剧。当比例度减小到某数值 时，系统出现等幅振荡，再减小系统将发散。因此控制系统参数设置不当，也达不到控制系统设计的效果应该根据系统各个环节的特性，特别是过程特性选择合适的控制器参数 ，才能获得理想的控制指标。（c）最大偏差 在扰动作用下，越小，最大偏差越小。扰动作用下，不同比例度过渡过程（d）如果）如果 小，则振荡频率提高，因此把小，则振荡频率提高，因此把被控变量拉回到设定值所需的时间就短。被控变量拉回到设定值所需的时间就短。一般而言：一般而言：当广义对象的放大系数较小，时间常数较大、时当广义对象的放大系数较小，时间常数较大、时滞较小时，控制器的比例度可选较小，以提高系统滞较小时，控制器的比例度可选较小，以提高系统的灵敏度。的灵敏度。当广义对象的放大系数较大，时间常数较小而时当广义对象的放大系数较大，时间常数较小而时滞较大时，需要适当增大控制器的比例度，以增加滞较大时，需要适当增大控制器的比例度，以增加系统的稳定性。系统的稳定性。工业生产中定值控制系统通常要求控制系统具工业生产中定值控制系统通常要求控制系统具有振荡不太剧烈，余差不太大的过渡过程，衰减比有振荡不太剧烈，余差不太大的过渡过程，衰减比定在定在4:110:1,而随动系统一般衰减比在而随动系统一般衰减比在10:1以上。以上。比例控制小结：比例控制小结：比例控制是最基本、最主要也是应用最比例控制是最基本、最主要也是应用最普遍的控制规律，它能够迅速地克服扰动的普遍的控制规律，它能够迅速地克服扰动的影响，使系统很快地稳定下来。比例控制通影响，使系统很快地稳定下来。比例控制通常适用于扰动幅度小，负荷变化不大，过程常适用于扰动幅度小，负荷变化不大，过程时滞较小（时滞较小（）或者控制要求不高的情况）或者控制要求不高的情况下。下。2 2、比例积分控制（、比例积分控制（PIPI）分析分析（1）积分控制规律）积分控制规律KI表示积分速度。表示积分速度。控制器输出信号的大小，不仅与偏差大小控制器输出信号的大小，不仅与偏差大小有关，还取决于偏差存在的时间长短。有关，还取决于偏差存在的时间长短。只要有偏差存在，控制器的输出就不断变只要有偏差存在，控制器的输出就不断变化。偏差存在时间越长，输出信号的变化量化。偏差存在时间越长，输出信号的变化量越大，直到达到