第一章单回路反馈控制系统.ppt

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1、第1章 单回路反馈控制系统过程控制系统及工程单回路反馈控制系统单回路反馈控制系统1.11.1单回路系统的结构组成单回路系统的结构组成单回路系统的结构组成单回路系统的结构组成1.21.2被控变量的选择被控变量的选择被控变量的选择被控变量的选择1.31.3对象特性对控制质量的影响及操纵变量的选择对象特性对控制质量的影响及操纵变量的选择对象特性对控制质量的影响及操纵变量的选择对象特性对控制质量的影响及操纵变量的选择1.41.4控制阀的选择控制阀的选择控制阀的选择控制阀的选择1.51.5测量、传送滞后对控制质量的影响及其克服办法测量、传送滞后对控制质量的影响及其克服办法测量、传送滞后对控制质量的影响及

2、其克服办法测量、传送滞后对控制质量的影响及其克服办法1.61.6控制器参数对系统控制质量的影响及控制规律的选择控制器参数对系统控制质量的影响及控制规律的选择控制器参数对系统控制质量的影响及控制规律的选择控制器参数对系统控制质量的影响及控制规律的选择1.71.7系统的关联及其消除方法系统的关联及其消除方法系统的关联及其消除方法系统的关联及其消除方法1.81.8单回路系统的投运和整定单回路系统的投运和整定单回路系统的投运和整定单回路系统的投运和整定第第1章章第1章 单回路反馈控制系统过程控制系统及工程1.11.1单回路系统的结构组成单回路系统的结构组成单回路系统的结构组成单回路系统的结构组成四个基

3、本环节：四个基本环节：被控对象、测量变送装置、控制器和控制阀被控对象、测量变送装置、控制器和控制阀-反馈控制中的最基本系统反馈控制中的最基本系统特点：特点：简单、有效、简单、有效、应用最成熟、最普遍应用最成熟、最普遍-占占70%以上以上第1章 单回路反馈控制系统过程控制系统及工程1.11.1单回路系统的结构组成单回路系统的结构组成单回路系统的结构组成单回路系统的结构组成温度控制系统液位控制系统第1章 单回路反馈控制系统过程控制系统及工程例例例例1 1：水槽液位控制系统水槽液位控制系统水槽液位控制系统水槽液位控制系统1.11.1单回路系统的结构组成单回路系统的结构组成单回路系统的结构组成单回路系

4、统的结构组成F F1 1增加增加增加增加L L增加增加增加增加变送器输出信号增加变送器输出信号增加变送器输出信号增加变送器输出信号增加偏差（测量值偏差（测量值偏差（测量值偏差（测量值-设定值）为设定值）为设定值）为设定值）为正、增加正、增加正、增加正、增加控制器输出控制阀开度增加控制器输出控制阀开度增加控制器输出控制阀开度增加控制器输出控制阀开度增加F F2 2增加增加增加增加L L降低；降低；降低；降低；工作过程：工作过程：F F1 1F F2 2LCLCF F1 1F F2 2第1章 单回路反馈控制系统过程控制系统及工程1.11.1单回路系统的结构组成单回路系统的结构组成单回路系统的结构组

5、成单回路系统的结构组成控制器控制器控制阀控制阀被控被控对象对象测量测量变送变送偏差偏差给定给定 测量测量 液位液位 给定量位于系统的输入端，称为给定量位于系统的输入端，称为系统输入量系统输入量。也称为参考输入量（信号）。也称为参考输入量（信号）。被控制量位于系统的输出端，称为被控制量位于系统的输出端，称为系统输出量系统输出量。输输出出量量（全全部部或或一一部部分分）通通过过测测量量装装置置返返回回系系统统的的输输入入端端，使使之之与与输输入入量量进进行行比比较较，产产生生偏偏差差（给给定定信信号号与与返返回回的的输输出出信信号号之之差差）信信号号。输输出出量量的的返返回过程称为回过程称为反馈反

6、馈。返回的全部或部分输出信号称为。返回的全部或部分输出信号称为反馈信号反馈信号。第1章 单回路反馈控制系统过程控制系统及工程单回路控制系统的特点：单回路控制系统的特点：一个单回路控制系统是由一个测量变送装置、一个控制器、一一个单回路控制系统是由一个测量变送装置、一个控制器、一个控制阀和相应的被控对象所组成。个控制阀和相应的被控对象所组成。系统中存在着一条从系统的输出端引向输入端的反馈路线，即系统中存在着一条从系统的输出端引向输入端的反馈路线，即控制器是根据被控量的测量值与给定值的偏差来进行控制的。控制器是根据被控量的测量值与给定值的偏差来进行控制的。单回路控制系统结构比较简单，所需自动化控制工

7、具少，投资比较低，操作维护比较方便，一般情况下都能满足控制质量的要求，因此被广泛应用。1.11.1单回路系统的结构组成单回路系统的结构组成单回路系统的结构组成单回路系统的结构组成第1章 单回路反馈控制系统过程控制系统及工程单回路控制系统的设计单回路控制系统的设计正确的选择被控变量和操纵变量正确的选择被控变量和操纵变量正确的选择控制阀的开闭形式及流量特性正确的选择控制阀的开闭形式及流量特性正确的选择控制器的类型及其正反作用正确的选择控制器的类型及其正反作用正确的选择测量变送装置正确的选择测量变送装置为了设计好一个单回路控制系统，并使该系统在运行时达到规定的质量指标要求，就要很好的了解具体的生产工

8、艺，掌握生产过程的规律性，以便确定合理的控制方案。设计的主要工作包括：设计的主要工作包括：设计的主要工作包括：设计的主要工作包括：第1章 单回路反馈控制系统过程控制系统及工程单回路反馈控制系统单回路反馈控制系统1.1单回路系统的结构组成单回路系统的结构组成1.2被控变量的选择被控变量的选择1.3对象特性对控制质量的影响及操纵变量的选择对象特性对控制质量的影响及操纵变量的选择1.4控制阀的选择控制阀的选择1.5测量、传送滞后对控制质量的影响及其克服办法测量、传送滞后对控制质量的影响及其克服办法1.6控制器参数对系统控制质量的影响及控制规律的选择控制器参数对系统控制质量的影响及控制规律的选择1.7

9、系统的关联及其消除方法系统的关联及其消除方法1.8单回路系统的投运和整定单回路系统的投运和整定第第1章章第1章 单回路反馈控制系统过程控制系统及工程控制系统的设计目标控制系统的设计目标1.2被控变量的选择被控变量的选择即，要控制什么即，要控制什么基于工艺要求，选择的结果直接影响基于工艺要求，选择的结果直接影响生产（产品产量、质量、生产安全）生产（产品产量、质量、生产安全）第1章 单回路反馈控制系统过程控制系统及工程分类分类分类分类1.2被控变量的选择被控变量的选择直接控制直接控制直接控制直接控制最基本的热工参数，一般是可以直最基本的热工参数，一般是可以直接进行测量和控制的参数接进行测量和控制的

10、参数 温度、压力、液位、流量温度、压力、液位、流量间接控制间接控制间接控制间接控制一一些些特特殊殊的的参参数数成成份份、物物性性参参数数等等，在在一一般般条条件件下下，无无法法直直接接测测量量和和控控制制 应根据工艺参数的关系，用可应根据工艺参数的关系，用可测的参数，间接进行控制测的参数，间接进行控制第1章 单回路反馈控制系统过程控制系统及工程1.2被控变量的选择被控变量的选择例例例例1 1：苯、甲苯二元精馏系统苯、甲苯二元精馏系统质量指标：质量指标：塔顶产品的纯度塔顶产品的纯度 x xD D 1 1、直接测量：、直接测量：选择合适的成分分析仪表选择合适的成分分析仪表 2 2、间接测量：间接测

11、量：用间接控制参数进行控制用间接控制参数进行控制 原因：（原因：（1 1）没有合适的仪表）没有合适的仪表 （2 2）测量滞后打，控制效果差，达不到质量要求）测量滞后打，控制效果差，达不到质量要求050100%苯、甲苯百分含量（苯、甲苯百分含量（苯、甲苯百分含量（苯、甲苯百分含量（%）050100%T TP一定T一定一定P P第1章 单回路反馈控制系统石油化工仪表及自动化从工艺合理性考虑，常常选择从工艺合理性考虑，常常选择从工艺合理性考虑，常常选择从工艺合理性考虑，常常选择温度温度温度温度作为被控变量。作为被控变量。作为被控变量。作为被控变量。原因原因原因原因 在精馏塔操作中，压力往往需要固定。

12、只有将塔操作在规定的压力下，才易于保证塔的分离纯度，保证塔的效率和经济性。在塔压固定的情况下，精馏塔各层塔板上的压力基本上是不变的，这样各层塔板上的温度与组分之间就有一定的单值对应关系。所选变量有足够的灵敏度。第1章 单回路反馈控制系统过程控制系统及工程1.2被控变量的选择被控变量的选择选择被控变量的原则选择被控变量的原则选择被控变量的原则选择被控变量的原则（1 1 1 1）尽可能选择直接质量指标参数；）尽可能选择直接质量指标参数；）尽可能选择直接质量指标参数；）尽可能选择直接质量指标参数；（2 2 2 2）必须选择间接量指标参数时，应当选择对一个与质）必须选择间接量指标参数时，应当选择对一个

13、与质）必须选择间接量指标参数时，应当选择对一个与质）必须选择间接量指标参数时，应当选择对一个与质量指标有单值对应关系；量指标有单值对应关系；量指标有单值对应关系；量指标有单值对应关系；（3 3 3 3）间接指标应当有足够大的灵敏度，以便反映产品质）间接指标应当有足够大的灵敏度，以便反映产品质）间接指标应当有足够大的灵敏度，以便反映产品质）间接指标应当有足够大的灵敏度，以便反映产品质量变化，易于控制；量变化，易于控制；量变化，易于控制；量变化，易于控制；（4 4 4 4）考虑工艺的合理性和国内外仪表生产的现状。）考虑工艺的合理性和国内外仪表生产的现状。）考虑工艺的合理性和国内外仪表生产的现状。）

14、考虑工艺的合理性和国内外仪表生产的现状。第1章 单回路反馈控制系统过程控制系统及工程单回路反馈控制系统单回路反馈控制系统1.11.1单回路系统的结构组成单回路系统的结构组成单回路系统的结构组成单回路系统的结构组成1.21.2被控变量的选择被控变量的选择被控变量的选择被控变量的选择1.31.3对象特性对控制质量的影响及操纵变量的选择对象特性对控制质量的影响及操纵变量的选择对象特性对控制质量的影响及操纵变量的选择对象特性对控制质量的影响及操纵变量的选择1.41.4控制阀的选择控制阀的选择控制阀的选择控制阀的选择1.51.5测量、传送滞后对控制质量的影响及其克服办法测量、传送滞后对控制质量的影响及其

15、克服办法测量、传送滞后对控制质量的影响及其克服办法测量、传送滞后对控制质量的影响及其克服办法1.61.6控制器参数对系统控制质量的影响及控制规律的选择控制器参数对系统控制质量的影响及控制规律的选择控制器参数对系统控制质量的影响及控制规律的选择控制器参数对系统控制质量的影响及控制规律的选择1.71.7系统的关联及其消除方法系统的关联及其消除方法系统的关联及其消除方法系统的关联及其消除方法1.81.8单回路系统的投运和整定单回路系统的投运和整定单回路系统的投运和整定单回路系统的投运和整定第第1章章第1章 单回路反馈控制系统过程控制系统及工程1.3对象特性对控制质量的影响及操纵变量的选择对象特性对控

16、制质量的影响及操纵变量的选择对象特性分析对象特性分析对象特性分析对象特性分析精馏塔精馏塔:影响塔顶成分的有：温度、压力、影响塔顶成分的有：温度、压力、影响塔顶成分的有：温度、压力、影响塔顶成分的有：温度、压力、进料流量、进料成分等进料流量、进料成分等进料流量、进料成分等进料流量、进料成分等 对于实际过程，影响输出的因素一般不只一个，对于实际过程，影响输出的因素一般不只一个，对于实际过程，影响输出的因素一般不只一个，对于实际过程，影响输出的因素一般不只一个，因此，实际上都是多输入系统（因此，实际上都是多输入系统（因此，实际上都是多输入系统（因此，实际上都是多输入系统（MIMO)MIMO)F1F2

17、FnY第1章 单回路反馈控制系统过程控制系统及工程1.3对象特性对控制质量的影响及操纵变量的选择对象特性对控制质量的影响及操纵变量的选择设计单回路控制系统设计单回路控制系统设计单回路控制系统设计单回路控制系统:必须从影响被控量的诸多影响参数中必须从影响被控量的诸多影响参数中 选择一个，作为选择一个，作为操纵变量操纵变量 其它影响量则只能视作其它影响量则只能视作干扰量干扰量了了控制：控制：控制：控制：用操纵量克服干扰量对被控变量的影响用操纵量克服干扰量对被控变量的影响F F1 1(s)(s)F F2 2(s)(s)U(s)U(s)Y(s)Y(s)Y(s)=GPC(s)U(s)+GPD1(s)F1

18、(s)+GPD2(s)F2(s)第1章 单回路反馈控制系统过程控制系统及工程1.3对象特性对控制质量的影响及操纵变量的选择对象特性对控制质量的影响及操纵变量的选择操纵量操纵量操纵量操纵量输出：控制通道输出：控制通道输出：控制通道输出：控制通道干扰量干扰量干扰量干扰量输出：干扰通道输出：干扰通道输出：干扰通道输出：干扰通道干扰作用与控制作用相互对立而存在干扰作用与控制作用相互对立而存在干扰作用与控制作用相互对立而存在干扰作用与控制作用相互对立而存在问题：如何选择一个良好的操纵变量。问题：如何选择一个良好的操纵变量。问题：如何选择一个良好的操纵变量。问题：如何选择一个良好的操纵变量。分析对象特性分

19、析对象特性分析对象特性分析对象特性通道的概念：通道就是某个参数影响另外一个参数的通路通道的概念：通道就是某个参数影响另外一个参数的通路通道的概念：通道就是某个参数影响另外一个参数的通路通道的概念：通道就是某个参数影响另外一个参数的通路第1章 单回路反馈控制系统石油化工仪表及自动化对象物料蓄存量的变化率对象物料蓄存量的变化率单位时间流入对象的物料单位时间流出对象的物单位时间流入对象的物料单位时间流出对象的物料料有自平衡能力对象特性有自平衡能力对象特性（1 1）动态特性：）动态特性：（以单容水槽为例）可以近似认为Q2与h 成正比将上式代入（1-1）式，移项令令则则（1-1）时间常数放大系数水槽面积

20、阀门阻力第1章 单回路反馈控制系统过程控制系统及工程放大系数K 对于前面介绍的水槽对象，当流入流量Q1有一定的阶跃变化后，液位h也会有相应的变化，但最后会稳定在某一数值上。如果我们将流量Q1的变化Q1看作对象的输入，而液位h的变化h看作对象的输出，那么在稳定状态时，对象一定的输入就对应着一定的输出，这种特性称为对象的静态特性。（2 2）描述对象特性的参数）描述对象特性的参数图1-10 水槽液位的变化曲线第1章 单回路反馈控制系统石油化工仪表及自动化 对对于于简简单单水水槽槽对对象象，K=RS，即即放放大大系系数数只只与与出出水水阀阀的的阻阻力有关，当阀的开度一定时，放大系数就是一个常数。力有关

21、，当阀的开度一定时，放大系数就是一个常数。从上页图反应曲线可以看出，对象受到阶跃作用后，被控变量就发生变化，当t时，被控变量不再变化而达到了新的稳态值h（），这时上式可得：或或（1-10）第1章 单回路反馈控制系统过程控制系统及工程或K在数数值值上等于对象重新稳定后的输出变化量与输入变化量之比。K越越大大，就表示对象的输入量有一定变化时，对输出量的影响越大，即被控变量对这个量的变化越越灵敏灵敏。第1章 单回路反馈控制系统过程控制系统及工程举例举例以以合合成成氨氨的的转转换换炉炉为为例例，说说明明各各个个量量的的变变化化对对被被控变量的影响控变量的影响 生产过程要求一氧化碳的转化率要高，蒸汽消耗

22、量要少，触媒寿命要长。通常用变换炉一段反应温度作为被控变量，来间接地控制转换率和其他指标。一氧化碳变换过程示意图不同输入作用时的被控变量变化曲线第1章 单回路反馈控制系统过程控制系统及工程 影响变换炉一段反应温度的因素主要有冷激流量、蒸汽流量和半水煤气流量。改变阀门1、2、3的开度就可以分别改变冷激量、蒸汽量和半水煤气量的大小。从右上图看出，冷激量对温度的相对放大系数最大；蒸汽量对温度的相对放大系数次之；半水煤气量对温度的相对放大系数最小。一氧化碳变换过程示意图不同输入作用时的被控变量变化曲线冷激量蒸汽煤气第1章 单回路反馈控制系统过程控制系统及工程时间常数T 从大量的生产实践中发现，有的对象

23、受到干扰后，被控变量变化很快，较迅速地达到了稳定值；有的对象在受到干扰后，惯性很大，被控变量要经过很长时间才能达到新的稳态值。图图 不同时间常数对象的反应曲线不同时间常数对象的反应曲线第1章 单回路反馈控制系统过程控制系统及工程如何定量地表示对象受如何定量地表示对象受干扰后的这种特性呢？干扰后的这种特性呢？在自动化领域中，往往用时间常数T来表示。时间常数越大，表示对象受到干扰作用后，被控变量变化得越慢，到达新的稳定值所需的时间越长。第1章 单回路反馈控制系统石油化工仪表及自动化举例举例简单水槽为例简单水槽为例由前面的推导可知假定Q1为阶跃作用，t0或t=0时Q1为一常数，如左图。则函数表达式为

24、（1-9）图1-12 反应曲线第1章 单回路反馈控制系统石油化工仪表及自动化将 t=T 代入式（1-9），得（1-11）将式（1-10）代入式（1-11），得（1-12）当对象受到阶跃输入后，被控变量达到新的稳态值的63.2所需的时间，就是时间常数T，实际工作中，常用这种方法求取时间常数。显然，时间常数越大，被控变量的变化也越慢，达到新的稳定值所需的时间也越大。第1章 单回路反馈控制系统过程控制系统及工程不同时间常数对象的反应曲线不同时间常数对象的反应曲线T1T2T3T4时间常数大的对象（如时间常数大的对象（如T4)对输入的反应较慢，对输入的反应较慢，一般认为惯性较大。一般认为惯性较大。第1章

25、 单回路反馈控制系统过程控制系统及工程滞后时间分类定义 对象在受到输入作用后，被控变量却不能立即而迅速地变化，这种现象称为滞后现象。滞后性质传递滞后（时滞）容量滞后 时滞又叫纯滞后，一般用0表示。0的产生一般是由于介质的输送需要一段时间而引起的。对象在受到阶跃输入作用x后，被控变量y开始变化很慢，后来才逐渐加快，最后又变慢直至逐渐接近稳定值。第1章 单回路反馈控制系统过程控制系统及工程 1.1.传递滞后传递滞后 有的对象或过程有的对象或过程,在受到输入作用后在受到输入作用后,输出变量要输出变量要隔上一段时间才有响应隔上一段时间才有响应,这种对象称为具有时滞特性的这种对象称为具有时滞特性的对象对

26、象,而这段时间就称为时滞而这段时间就称为时滞0 0(或纯滞后或纯滞后)。时滞的产生一般是由于介质的输送需要一段时间时滞的产生一般是由于介质的输送需要一段时间而引起的。而引起的。第1章 单回路反馈控制系统石油化工仪表及自动化显显然然，纯滞后时间0与皮带输送机的传送速度v和传送距离L有如下关系：（1-13）溶解槽及其反应曲线纯滞后时间举例举例 1.1.传递滞后传递滞后第1章 单回路反馈控制系统过程控制系统及工程从测量方面来说，由于测量点选择不当、测量元件安装不合适等原因也会造成传递滞后。图1-15 蒸汽直接加热器 当加热蒸汽量增大时，槽内温度升高，然而槽内溶液流到管道测温点处还要经过一段时间0。所

27、以，相对于蒸汽流量变化的时刻，实际测得的溶液温度T要经过时间0后才开始变化。注注注注意意意意：安安装装成成分分分分析析仪仪器器时时，取取样样管管线线太太长长，取取样样点点安安装装离离设设备太远，都会引起较大的纯滞后时间，工作中要尽量避免。备太远，都会引起较大的纯滞后时间，工作中要尽量避免。第1章 单回路反馈控制系统过程控制系统及工程2.2.容量滞后容量滞后 具有容量滞后对象串联水槽的反应曲线图解近似方法串联水槽第1章 单回路反馈控制系统过程控制系统及工程 在容量滞后与纯滞后同时存在时，常常把两者合起来统称滞后时间，即0h。自动控制系统中，滞后的存在是不利于控制的。所以，在设计和安装控制系统时，

28、都应当尽量把滞后时间减到最小。结论图1-18 滞后时间示意图第1章 单回路反馈控制系统过程控制系统及工程1.3对象特性对控制质量的影响及操纵变量的选择对象特性对控制质量的影响及操纵变量的选择（1 1）放大倍数放大倍数放大倍数放大倍数KKf f的影响的影响的影响的影响结论：结论：KKf f越大，系统的余差也越大，越大，系统的余差也越大，控制质量越差控制质量越差干扰通道特性分析干扰通道特性分析第1章 单回路反馈控制系统过程控制系统及工程1.3对象特性对控制质量的影响及操纵变量的选择对象特性对控制质量的影响及操纵变量的选择（2 2）时间常数时间常数时间常数时间常数T Tf f的影响的影响的影响的影响

29、 结结论论：Tf越越大大，个个数数越越多多，干干扰扰对对被被控控变变量量的的影影响响越越小小，系系统统的动态偏差越小，的动态偏差越小，控制质量提高控制质量提高 干扰进入系统的位置：越离被控变量近的干扰，对被控变干扰进入系统的位置：越离被控变量近的干扰，对被控变量的影响也越大量的影响也越大 第1章 单回路反馈控制系统过程控制系统及工程1.3对象特性对控制质量的影响及操纵变量的选择对象特性对控制质量的影响及操纵变量的选择（3 3）纯滞后纯滞后纯滞后纯滞后 f f的影响的影响的影响的影响 结论：结论：干干扰通道的纯滞后对控制系统质量没有影响，扰通道的纯滞后对控制系统质量没有影响，只是滞后了干扰对控制

30、的影响只是滞后了干扰对控制的影响 第1章 单回路反馈控制系统过程控制系统及工程1.3 对象特性对控制质量的影响及操纵变量的选择干扰通道特性对控制质量的影响特性参数特性参数静态质量的影响静态质量的影响动态质量的影响动态质量的影响K Kf f增加增加余差增加余差增加无影响无影响T Tf f增加增加无影响无影响过渡过程时间减小，振荡幅过渡过程时间减小，振荡幅值减小值减小 f f增加增加无影响无影响无影响无影响第1章 单回路反馈控制系统过程控制系统及工程1.3对象特性对控制质量的影响及操纵变量的选择对象特性对控制质量的影响及操纵变量的选择（1 1）放大倍数放大倍数放大倍数放大倍数KK0 0的影响的影响

31、的影响的影响静态静态：控制通道放大倍数控制通道放大倍数K K0 0大，控制系统稳态余差小，见式（大，控制系统稳态余差小，见式（1-71-7）动态动态：控制系统衰减比控制系统衰减比n n与与Kc Kc 与与K K0 0的乘积有关，见式（的乘积有关，见式（1-181-18），且），且 Kc KKc K0 0越大，越大，n n越小，稳定性差，因此，要保证越小，稳定性差，因此，要保证Kc KKc K0 0=常数。常数。在在Kc KKc K0 0=常数情况下，控制系统稳态余差不变。常数情况下，控制系统稳态余差不变。从控制角度看，从控制角度看，K K0 0大些，说明控制通道对系统的影响大，易于调节，大些，

32、说明控制通道对系统的影响大，易于调节，因此，一般希望因此，一般希望K K0 0大些好大些好 控制通道特性分析控制通道特性分析控制通道特性分析控制通道特性分析第1章 单回路反馈控制系统过程控制系统及工程1.3对象特性对控制质量的影响及操纵变量的选择对象特性对控制质量的影响及操纵变量的选择（2 2）时间常数时间常数T T0 0的影响的影响从控制系统传递函数推导进行分析从控制系统传递函数推导进行分析 结论：结论：控制通道的时间常数大，经过的容量数多，系统的工作控制通道的时间常数大，经过的容量数多，系统的工作 频率低，控制不及时、系统控制质量差，如温度系统。频率低，控制不及时、系统控制质量差，如温度系

33、统。一般希望控制通道时间常数小些好。一般希望控制通道时间常数小些好。但控制通道时间常数过小，将使得系统过于灵敏，也会使稳定性但控制通道时间常数过小，将使得系统过于灵敏，也会使稳定性变差，如流量系统变差，如流量系统 第1章 单回路反馈控制系统过程控制系统及工程1.3对象特性对控制质量的影响及操纵变量的选择对象特性对控制质量的影响及操纵变量的选择（3 3）纯滞后纯滞后 0 0的影响的影响 结论：结论：纯滞后纯滞后0 0的存在，使得控制不及时，增加动态偏差，的存在，使得控制不及时，增加动态偏差，降低稳定性。降低稳定性。控制通道纯滞后是控制系统非常不利的因素，会严重影响控控制通道纯滞后是控制系统非常不

34、利的因素，会严重影响控制系统品质，以至于使控制系统发散，造成严重后果，因此，制系统品质，以至于使控制系统发散，造成严重后果，因此，实际工程中，必须重视。实际工程中，必须重视。第1章 单回路反馈控制系统过程控制系统及工程1.3对象特性对控制质量的影响及操纵变量的选择对象特性对控制质量的影响及操纵变量的选择操纵变量的选择操纵变量的选择操纵变量的选择操纵变量的选择 （6 6）兼顾考虑工艺的合理性，工艺上不易频繁改变的量也不宜）兼顾考虑工艺的合理性，工艺上不易频繁改变的量也不宜作为操纵变量。作为操纵变量。实质上是决定了控制通道的选择。实质上是决定了控制通道的选择。原则：原则：（1 1）操纵变量必须可控

35、操纵变量必须可控（2 2）选择通道放大倍数相对大的选择通道放大倍数相对大的（3 3）选择通道时间常数相对小的（干扰通道时间常数大些）选择通道时间常数相对小的（干扰通道时间常数大些）（4 4）选择通道的纯滞后尽量小）选择通道的纯滞后尽量小（5 5）选择使干扰点远离被控变量而靠近控制阀）选择使干扰点远离被控变量而靠近控制阀第1章 单回路反馈控制系统过程控制系统及工程1.3对象特性对控制质量的影响及操纵变量的选择对象特性对控制质量的影响及操纵变量的选择控制通道特性对控制质量的影响特性参数特性参数对静态质量的影响对静态质量的影响对动态质量的影响对动态质量的影响K K0 0增加增加余差减小（稳定前提下）

36、余差减小（稳定前提下）系统趋向于振荡系统趋向于振荡T T0 0增加增加无影响无影响过渡过程时间增加，系统频率变过渡过程时间增加，系统频率变慢慢 0 0增加增加无影响无影响稳定程度大大降低稳定程度大大降低第1章 单回路反馈控制系统过程控制系统及工程单回路反馈控制系统单回路反馈控制系统1.11.1单回路系统的结构组成单回路系统的结构组成单回路系统的结构组成单回路系统的结构组成1.21.2被控变量的选择被控变量的选择被控变量的选择被控变量的选择1.31.3对象特性对控制质量的影响及操纵变量的选择对象特性对控制质量的影响及操纵变量的选择对象特性对控制质量的影响及操纵变量的选择对象特性对控制质量的影响及

37、操纵变量的选择1.41.4控制阀的选择控制阀的选择控制阀的选择控制阀的选择1.51.5测量、传送滞后对控制质量的影响及其克服办法测量、传送滞后对控制质量的影响及其克服办法测量、传送滞后对控制质量的影响及其克服办法测量、传送滞后对控制质量的影响及其克服办法1.61.6控制器参数对系统控制质量的影响及控制规律的选择控制器参数对系统控制质量的影响及控制规律的选择控制器参数对系统控制质量的影响及控制规律的选择控制器参数对系统控制质量的影响及控制规律的选择1.71.7系统的关联及其消除方法系统的关联及其消除方法系统的关联及其消除方法系统的关联及其消除方法1.81.8单回路系统的投运和整定单回路系统的投运

38、和整定单回路系统的投运和整定单回路系统的投运和整定第第1章章第1章 单回路反馈控制系统过程控制系统及工程1.41.4控制阀的选择控制阀的选择控制阀的选择控制阀的选择控制系统的执行部件控制系统的执行部件控制系统的执行部件控制系统的执行部件接受控制器的命令执行控制任务。接受控制器的命令执行控制任务。接受控制器的命令执行控制任务。接受控制器的命令执行控制任务。选择内容：选择内容：选择内容：选择内容：口径大小、开闭形式、流量特性、结构形式口径大小、开闭形式、流量特性、结构形式口径大小、开闭形式、流量特性、结构形式口径大小、开闭形式、流量特性、结构形式第1章 单回路反馈控制系统过程控制系统及工程口径大小

39、口径大小口径大小口径大小 直接决定介质流过的能力直接决定介质流过的能力直接决定介质流过的能力直接决定介质流过的能力1.41.4控制阀的选择控制阀的选择控制阀的选择控制阀的选择 通过计算阀的流通能力，并且保证具有一定的余量，具有通过计算阀的流通能力，并且保证具有一定的余量，具有通过计算阀的流通能力，并且保证具有一定的余量，具有通过计算阀的流通能力，并且保证具有一定的余量，具有较宽的可控范围。较宽的可控范围。较宽的可控范围。较宽的可控范围。口径过大，正常流量时阀门处于小的开度，阀的特性不好；口径过大，正常流量时阀门处于小的开度，阀的特性不好；口径过大，正常流量时阀门处于小的开度，阀的特性不好；口径

40、过大，正常流量时阀门处于小的开度，阀的特性不好；口径过小，正常流量时阀门处于大的开度，阀的特性也不好。口径过小，正常流量时阀门处于大的开度，阀的特性也不好。口径过小，正常流量时阀门处于大的开度，阀的特性也不好。口径过小，正常流量时阀门处于大的开度，阀的特性也不好。阀的流通能力根据阀所在管线的最大流量和控制阀两端的阀的流通能力根据阀所在管线的最大流量和控制阀两端的阀的流通能力根据阀所在管线的最大流量和控制阀两端的阀的流通能力根据阀所在管线的最大流量和控制阀两端的压降来计算。压降来计算。压降来计算。压降来计算。第1章 单回路反馈控制系统过程控制系统及工程开闭形式开闭形式开闭形式开闭形式 气动控制阀

41、：气动控制阀：气动控制阀：气动控制阀：1.41.4控制阀的选择控制阀的选择控制阀的选择控制阀的选择气开式气开式气开式气开式输入气压信号（来自控制器）增大，输入气压信号（来自控制器）增大，输入气压信号（来自控制器）增大，输入气压信号（来自控制器）增大，阀的开度增大；阀的开度增大；阀的开度增大；阀的开度增大；气闭式气闭式气闭式气闭式输入气压信号（来自控制器）增大，输入气压信号（来自控制器）增大，输入气压信号（来自控制器）增大，输入气压信号（来自控制器）增大，阀的开度减小；阀的开度减小；阀的开度减小；阀的开度减小；第1章 单回路反馈控制系统过程控制系统及工程控制阀的气开、闭形式的选择原则：控制阀的气

42、开、闭形式的选择原则：控制阀的气开、闭形式的选择原则：控制阀的气开、闭形式的选择原则：1.41.4控制阀的选择控制阀的选择控制阀的选择控制阀的选择（1 1）安全角度：）安全角度：）安全角度：）安全角度：即当出现意外事故时，如气源中断，或电源中断，此时输入即当出现意外事故时，如气源中断，或电源中断，此时输入即当出现意外事故时，如气源中断，或电源中断，此时输入即当出现意外事故时，如气源中断，或电源中断，此时输入控制阀的气压信号最小，这时，考虑到工艺设备的安全性，必须控制阀的气压信号最小，这时，考虑到工艺设备的安全性，必须控制阀的气压信号最小，这时，考虑到工艺设备的安全性，必须控制阀的气压信号最小，

43、这时，考虑到工艺设备的安全性，必须使阀门全闭（气开式）或阀门全开（气闭式）使阀门全闭（气开式）或阀门全开（气闭式）使阀门全闭（气开式）或阀门全开（气闭式）使阀门全闭（气开式）或阀门全开（气闭式）如：锅炉燃气控制阀如：锅炉燃气控制阀如：锅炉燃气控制阀如：锅炉燃气控制阀气开式气开式气开式气开式（2 2）质量角度：出现以外事故，考虑产品质量）质量角度：出现以外事故，考虑产品质量）质量角度：出现以外事故，考虑产品质量）质量角度：出现以外事故，考虑产品质量（3 3）消耗角度：原料、成品及动力消耗）消耗角度：原料、成品及动力消耗）消耗角度：原料、成品及动力消耗）消耗角度：原料、成品及动力消耗（4 4）介质

44、特点：特殊介质，考虑气结晶、蒸发等因素）介质特点：特殊介质，考虑气结晶、蒸发等因素）介质特点：特殊介质，考虑气结晶、蒸发等因素）介质特点：特殊介质，考虑气结晶、蒸发等因素具体工艺过程，对控制阀开闭有要求的场合，要具体工艺过程，对控制阀开闭有要求的场合，要具体工艺过程，对控制阀开闭有要求的场合，要具体工艺过程，对控制阀开闭有要求的场合，要区分主次因素（安全第一），对控制阀开闭没有要区分主次因素（安全第一），对控制阀开闭没有要区分主次因素（安全第一），对控制阀开闭没有要区分主次因素（安全第一），对控制阀开闭没有要求时，可以任选求时，可以任选求时，可以任选求时，可以任选第1章 单回路反馈控制系统过程

45、控制系统及工程 控控控控制制制制阀阀阀阀的的的的流流流流量量量量特特特特性性性性是是指指被被控控介介质质流流过过阀阀门门的的相相对对流量与阀门的相对开度（相对位移）间的关系，即流量与阀门的相对开度（相对位移）间的关系，即 通过控制阀的流量大小不仅与阀的开度有关，还和通过控制阀的流量大小不仅与阀的开度有关，还和阀前后阀前后的压差的压差高低有关。高低有关。为分析方便，在研究阀的特性时，先把阀前后压差固定为恒为分析方便，在研究阀的特性时，先把阀前后压差固定为恒值进行研究，然后再考虑阀在管路中的实际情况进行分析。值进行研究，然后再考虑阀在管路中的实际情况进行分析。1.41.4控制阀的选择控制阀的选择控

46、制阀的选择控制阀的选择流量特性流量特性流量特性流量特性第1章 单回路反馈控制系统过程控制系统及工程1.1.1.1.控制阀的理想流量特性控制阀的理想流量特性控制阀的理想流量特性控制阀的理想流量特性 在在不不考考虑虑控控制制阀阀前前后后压压差差变变化化时时得得到到的的流流量量特特性性称称为为理理想想流流量量特特性性。它取决于阀芯的形状它取决于阀芯的形状 （1 1 1 1）直线流量特性）直线流量特性）直线流量特性）直线流量特性图5 控制阀的理想流量特性 1直线；2等百分比(对数)；3快开；4抛物线在目前常用的控制阀中，有三种典型的在目前常用的控制阀中，有三种典型的理想流量特性理想流量特性 （2 2

47、2 2）对数特性）对数特性）对数特性）对数特性 （3 3 3 3）快开流量特性）快开流量特性）快开流量特性）快开流量特性 第1章 单回路反馈控制系统过程控制系统及工程串联管道的情形.工作流量特性工作流量特性工作流量特性工作流量特性 在在实实际际生生产产中中，控控制制阀阀前前后后压压差差总总是是变变化化的的，这这时时的的流量特性称为流量特性称为工作流量特性。工作流量特性。串联管道的工作流量特性串联管道的工作流量特性串联管道的工作流量特性串联管道的工作流量特性第1章 单回路反馈控制系统过程控制系统及工程管道串联时控制阀的工作流量特性第1章 单回路反馈控制系统过程控制系统及工程先先按按控控制制系系统

48、统的的特特点点来来选选择择阀阀的的希希望望流流量量特特性性，然后再考虑工艺配管情况来选择相应的理想流量特性。然后再考虑工艺配管情况来选择相应的理想流量特性。P16 P16 表表1-2 1-2 控制阀流量特性经验选择控制阀流量特性经验选择1.41.4控制阀的选择控制阀的选择控制阀的选择控制阀的选择流量特性流量特性流量特性流量特性 选择依据选择依据选择依据选择依据第1章 单回路反馈控制系统过程控制系统及工程1.41.4控制阀的选择控制阀的选择控制阀的选择控制阀的选择结构形式结构形式结构形式结构形式 直通单座、直通双座、角阀、高压阀、蝶阀、直通单座、直通双座、角阀、高压阀、蝶阀、隔膜阀、三通阀隔膜阀

49、、三通阀适用于不同工艺场合适用于不同工艺场合 表表1-41-4 主主要要根根据据工工艺艺条条件件，如如温温度度、压压力力及及介介质质的的物物理、化学特性（如腐蚀性、黏度等）来选择。理、化学特性（如腐蚀性、黏度等）来选择。结构形式选择结构形式选择结构形式选择结构形式选择第1章 单回路反馈控制系统过程控制系统及工程1.41.4控制阀的选择控制阀的选择控制阀的选择控制阀的选择阀门定位器阀门定位器阀门定位器阀门定位器 控制阀的辅助装置控制阀的辅助装置 接受控制器信号，输出控制控制阀接受控制器信号，输出控制控制阀 作用：作用：提高控制阀控制精度，准确定位；提高控制阀控制精度，准确定位；功率放大；功率放大

50、；可改变控制阀流量特性；可改变控制阀流量特性；可实现分程控制可实现分程控制 第1章 单回路反馈控制系统过程控制系统及工程气动执行器执执行行结结构构控控制制阀阀执行机构的特性执行机构的特性属于属于比例式比例式，即平衡，即平衡时推杆的位移与输入气压大小成比例时推杆的位移与输入气压大小成比例 当当20kPa20kPal00kPa l00kPa 的标准气压信的标准气压信号号P P 进入薄膜气室时，在膜片上进入薄膜气室时，在膜片上产生向下的推力，克服弹簧反力，产生向下的推力，克服弹簧反力，使推杆产生位移，直到弹簧的反使推杆产生位移，直到弹簧的反作用力与薄膜上的推力平衡为止。作用力与薄膜上的推力平衡为止。