宋彤《過程控制工程》2單回路控制系統(tǒng)

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1、第 2章 單 回 路 控 制 系 統(tǒng) 單 回 路 反 饋 控 制 系 統(tǒng) （ 簡 單 控 制 系 統(tǒng) ） 由 一 個(gè) 測 量 變 送 器 、 一 個(gè) 控 制 器 、 一 個(gè) 執(zhí) 行 器 和一 個(gè) 被 控 對 象 組 成 的 單 回 路 閉 環(huán) 負(fù) 反 饋 控 制 系 統(tǒng) 。本 章 主 要 內(nèi) 容單 回 路 控 制 系 統(tǒng) 結(jié) 構(gòu) 及 設(shè) 計(jì) 問 題被 控 變 量 選 擇操 縱 變 量 選 擇調(diào) 節(jié) 閥 選 擇控 制 器 選 擇控 制 器 參 數(shù) 整 定 2.1 控 制 系 統(tǒng) 結(jié) 構(gòu) 及 設(shè) 計(jì) 問 題1） 單 回 路 控 制 系 統(tǒng) 構(gòu) 成工 藝 控 制 流 程 圖單 回 路 控 制 系 統(tǒng)

2、 方 框 圖 信 號 變 量 ：被 控 變 量 (Y)、測 量 變 量 (z)、設(shè) 定 值 (r)、偏 差 (e)、控 制 變 量 (u)、操 縱 變 量 (q)、 擾 動(dòng) 變 量 (f) 2） 簡 單 （ 單 回 路 ） 控 制 系 統(tǒng) 特 點(diǎn) ： 結(jié) 構(gòu) 簡 單 、 工 作 可 靠 ； 所 需 自 動(dòng) 化 工 具 少 、 投 資 成 本 低 ； 便 于 操 作 和 維 護(hù) ； 控 制 能 力 較 弱 ； 適 用 于 控 制 精 度 要 求 不 高 、 干擾 平 緩 且 幅 值 較 小 、 不 存 在 大 滯 后 的 系 統(tǒng) 操 作控 制 。 單 回 路 控 制 系 統(tǒng) 是 目 前 應(yīng) 用

3、最 多 也 是 最 為 成 熟 的 過程 控 制 系 統(tǒng) 。 控 制 系 統(tǒng) 設(shè) 計(jì) 主 要 需 確 定 的 問 題 ：被 控 變 量操 作 變 量執(zhí) 行 器 類 型 及 操 作 方 式控 制 器 控 制 規(guī) 律 及 動(dòng) 作 方 式測 量 變 送 方 式 及 儀 表3） 簡 單 （ 單 回 路 ） 控 制 系 統(tǒng) 設(shè) 計(jì) 4） 影 響 通 道 及 參 數(shù) ： 對 象 特 性 通 道 ： 控 制 通 道 ： 控 制 作 用 到 被 控 變 量 間 的 信 號 連 接關(guān) 系 干 擾 通 道 : 干 擾 到 被 控 變 量 間 的 信 號 連 接 關(guān) 系 通 道 特 性 參 數(shù) ： 靜 態(tài) 放 大

4、倍 數(shù) ， K p 時(shí) 間 常 數(shù) ， T 滯 后 時(shí) 間 ， 由 控 制 理 論 可 知 ， 閉 環(huán) 系 統(tǒng) 的 輸 出 與 輸 入 的 關(guān) 系 式 為 ： ( )( ) ( ) ( )( ) ( ) ( )1 ( ) ( ) ( ) ( ) 1 ( ) ( ) ( ) ( )fc v Pc v P m c v P mG sG s G s G sY s R s F sG s G s G s G s G s G s G s G s 其 中 ： 第 一 項(xiàng) 為 設(shè) 定 值 變 化 對 被 控 量 的 影 響 ； 第 二 項(xiàng) 為 擾 動(dòng) 對 被 控 量 的 影 響 。 控 制 系 統(tǒng) 設(shè) 計(jì) ：

5、通 過 選 擇 控 制 環(huán) 節(jié) 的 特 性 及 功 能 ， 使 被 控 變 量 能 準(zhǔn)確 跟 蹤 設(shè) 定 值 的 變 化 及 盡 可 能 減 小 擾 動(dòng) 對 被 控 量 的 影 響 。 2.2 被 控 變 量 的 選 擇控 制 系 統(tǒng) 方 框 圖 ：過 程 工 業(yè) 被 控 參 數(shù) ： 溫 度 、 壓 力 、 流 量 、 液 位 及 成 分 等被 控 變 量 分 類 ：直 接 參 數(shù) ： 工 藝 要 求 的 控 制 參 數(shù) 作 為 被 控 變 量間 接 參 數(shù) ： 與 工 藝 要 求 的 控 制 參 數(shù) 有 關(guān) 聯(lián) 的 其 他 參 數(shù) 。 選 擇 直 接 參 數(shù) 作 為 被 控 變 量 直 接

6、參 數(shù) ： 直 接 反 映 生 產(chǎn) 過 程 產(chǎn) 量 和 質(zhì) 量 的 工 藝 參 數(shù) 主 要 直 接 參 數(shù) 控 制 :溫 度 、 液 位 、 流 量 、 壓 力 等例 如 ： 特 點(diǎn) ： 選 取 直 接 變 量 參 數(shù) 作 為 被 控 變 量 無 中 間 轉(zhuǎn) 換 環(huán) 節(jié) ，可 以 直 接 、 快 速 、 準(zhǔn) 確 地 獲 取 被 控 變 量 參 數(shù) 的 變 化 并 實(shí)施 控 制 。 選 擇 間 接 參 數(shù) 作 為 被 控 變 量 間 接 參 數(shù) ： 與 欲 控 （ 直 接 ） 參 數(shù) 間 存 在 緊 密 關(guān) 系 ， 可 通 過對 它 的 調(diào) 節(jié) 而 間 接 控 制 直 接 工 藝 指 標(biāo) 的 變

7、 量 。 主 要 應(yīng) 用 ： 成 分 控 制 、 質(zhì) 量 控 制例 ：注 意 ： 當(dāng) 選 用 間 接 參 數(shù) 作 為 被 控 變 量 時(shí) ， 應(yīng) 選 用 與 直 接 參 數(shù)具 有 單 值 關(guān) 系 ， 且 具 有 足 夠 靈 敏 度 ， 易 于 快 速 、 可 靠 測 量 的 間 接 參 數(shù) 作 為 間 接 被 控 變 量 。 被 控 變 量 選 擇 原 則 ：1) 盡 可 能 選 用 直 接 參 數(shù) 作 為 被 控 變 量 。2) 選 用 與 直 接 參 數(shù) 具 有 單 值 關(guān) 系 、 具 有 足 夠 靈 敏 度 ，易 于 快 速 、 可 靠 測 量 的 間 接 參 數(shù) 作 為 被 控 變 量

8、 。3) 所 選 用 的 被 控 變 量 應(yīng) 是 獨(dú) 立 變 量 。 獨(dú) 立 變 量 判 斷 ： 自 由 度 F = C P + 2 F： 自 由 度 ， C： 組 分 數(shù) ， P： 相 數(shù) 例 ： 飽 和 蒸 汽 系 統(tǒng) 自 由 度 ： F = C P + 2 = 1 2 + 2 = 1 過 熱 蒸 汽 系 統(tǒng) 自 由 度 ： F = C P + 2 = 1 1 + 2 = 24) 應(yīng) 注 意 選 用 的 被 控 變 量 與 可 能 的 操 作 變 量 之 間 的動(dòng) 、 靜 態(tài) 影 響 關(guān) 系 特 性 。5) 要 考 慮 工 藝 合 理 性 以 及 控 制 儀 表 生 產(chǎn) 水 平 。 2.3

9、 操 縱 變 量 的 選 擇操 縱 變 量 ： 執(zhí) 行 機(jī) 構(gòu) （ 閥 門 ） 直 接 控 制 的 變 量例 ： 操 縱 變 量 ： 儲 罐 輸 出 流 量 操 縱 變 量 ： 蒸 汽 輸 入 流 量 選 擇 操 縱 變 量 的 目 的 ：保 證 控 制 質(zhì) 量使 控 制 過 程 快 速 、 平 穩(wěn) 注 意 ： 操 縱 變 量 的 選 擇 直 接 影 響 到 控 制 通 道 特 性 ； 操 縱 變 量 選 擇 目 的 是 通 過 它 克 服 干 擾 對 工 藝 操作 的 影 響 ， 因 此 ， 它 的 選 擇 應(yīng) 考 慮 控 制 通 道 與干 擾 通 道 間 的 參 數(shù) 關(guān) 系 。通 道 及

10、參 數(shù) ： 通 道 參 數(shù) ： 靜 態(tài) 放 大 倍 數(shù) ， K 時(shí) 間 常 數(shù) ， T 滯 后 時(shí) 間 ， 2.3.1 干 擾 通 道 對 控 制 質(zhì) 量 的 影 響系 統(tǒng) 方 框 圖( ) 1 fPD fKG s T s 01 2 1( ) , ( ) , ( )(1 )(1 )PC C CC CKG s G s K F sT s T s s 1） 靜 態(tài) 放 大 倍 數(shù) Kf的 影 響相 應(yīng) 于 干 擾 的 傳 遞 函 數(shù) 1 211 1 1 1/( )( )( )( ) ( ) ( ) /( )( )f fPDC PC C O O OK T SG DY SF S G S G S K K

11、T s T s 0 1 211 1 1 11 /( )( ) lim /( )( )f fs C O O OfC O K T Sy s s K K T s T sKK K 2） 時(shí) 間 常 數(shù) Tf 的 影 響 傳 遞 函 數(shù) 1 ( )( )( ) ( ) ( )PDC PCG sY sF s G s G s1 1 1 11 1 1 fc pc f f c pc/( T s)Y(s)F(s) G (s)G (s) T (s / T ) G (s)G (s) g1 1 0c pcf(s ) G (s )G (s )T 被 控 變 量 相 對 于 干 擾 的 變 化 與 干 擾 通 道 時(shí) 間

12、常 數(shù) 存在 1 / Tf倍 關(guān) 系 。 Tf大 則 干 擾 對 被 控 變 量 影 響 減 小 。 結(jié) 論 2： 干 擾 通 道 時(shí) 間 常 數(shù) 大 一 些 有 利 于 系 統(tǒng) 的 穩(wěn) 定 性 增 加 。 同 樣 ， 若 干 擾 通 道 為 高 階 過 程 ， 將 增 加 多 個(gè) 負(fù) 極 點(diǎn) ，可 推 得 同 樣 的 結(jié) 論 。 (階 次 每 增 加 1， 則 根 平 面 的 負(fù)實(shí) 軸 上 增 加 一 個(gè) 附 加 極 點(diǎn) 1 / Tfi1 1 1 11 1 1fc pc f f c pc/( T s )Y(s )F(s ) G (s )G (s ) T (s / T ) G (s )G (s

13、 ) g 3） 純 滯 后 的 影 響 具 有 純 滯 后 的 干 擾 通 道 傳 遞 函 數(shù)結(jié) 論 3 ： 干 擾 通 道 純 滯 后 對 控 制 質(zhì) 量 無 影 響 /( ) ( ) sPD PDG s G s e /( )( ) ( ) ( )1 ( ) ( ) sPDC PCG s eY s y t y tG s G s 2.3.2 控 制 通 道 特 性 的 影 響 (克 服 干 擾 能 力 )控 制 通 道 ： 控 制 信 號 到 被 控 變 量 的 信 號 通 道1 ） 靜 態(tài) 放 大 倍 數(shù) 的 影 響 1 21 1 1f oPD PC C Cf o oK KG s G s G

14、 s KT s T s T s ( ) , ( ) , ( ) 1 21 21 11 1 1f o of o o C oK T s T sY sF s T s T s T s K K ( )( ) 0 01 1 fs CKF(s ) , lim sY(s )s K K 注 意 ： 1 21 21 11 1 1( )( ) f o of o o C oK T s T sY sF s T s T s T s K K 1 22 1 21 2 1 21 1 1 01 0f o o C oo o C oo o o oT s T s T s K KT T K Ks sT T T T 2 22 0o os

15、s 1 2 1 21 2 1 22 2 1( )o o o oo o o o o c oT T T TT T T T K K ： 衰 減 系 數(shù)0： 自 然 震 蕩 頻 率 結(jié) 合 系 統(tǒng) 余 差 ：結(jié) 論 4： 系 統(tǒng) 穩(wěn) 定 度 不 變 前 提 下 ， 控 制 通 道 靜 態(tài) 放 大 倍 數(shù)K0不 影 響 系 統(tǒng) 余 差 。注 意 ： 由 于 KCK0=常 數(shù) ， K0增 大 ， 則 KC減 小 ， 而 KC小 有 利于 參 數(shù) 調(diào) 整 。 因 此 ， 從 控 制 角 度 ， 希 望 K0大 一 些 。 且 有 K0 Kf 01 ( ) fCKY K K1 21 22 (1 )o o C

16、Oo o c oT T K K constT T K K 不 變 2） 控 制 通 道 時(shí) 間 常 數(shù) T0的 影 響由 式 ： 控 制 通 道 時(shí) 間 常 數(shù) T 01或 T02小 一 些 ， 則 可 以 提 高 系 統(tǒng)工 作 頻 率 ， 能 及 時(shí) 克 服 干 擾 ，結(jié) 論 5： 適 當(dāng) 減 小 控 制 通 道 時(shí) 間 常 數(shù) ， 則 系 統(tǒng) 工 作 頻 率 加 大 ，有 利 于 提 高 控 制 質(zhì) 量 。o o C o o oo o o oT T K Ks s s sT T T T 2 2 21 21 2 1 21 0 2 020 00 001 02 01 021 11C CK K K

17、KT T T T ， ， 控 制控 制 通 道 傳 遞 函 數(shù) Tf T0： G PD(s) / GPC(s) 相 當(dāng) 于 濾 波 器 ， 使 過 度 過 程 平 穩(wěn) Tf T0： GPD(s) / GPC(s) 相 當(dāng) 于 微 分 器 ， 使 過 度 過 程 波 形 陡 峭結(jié) 論 6 ： 干 擾 通 道 時(shí) 間 常 數(shù) 應(yīng) 大 于 控 制 通 道 時(shí) 間 常 數(shù)1 ( )( )( ) ( ) ( )PCC PCG sY sU s G s G s 1 1 ( )( ) ( ) ( )( ) ( )( ) ( ) ( ) ( ) ( ) ( ) ( ) ( )PCPD PD PDC PC C P

18、C PC PCG sG s G s G sY s Y sF s G s G s G s G s G s U s G s 3） 純 滯 后 的 影 響 純 滯 后 時(shí) 間 0 可 以 認(rèn) 為是 系 統(tǒng) 的 失 控 時(shí) 間 ， 將引 起 偏 差 增 大 ， 系 統(tǒng) 的控 制 質(zhì) 量 及 穩(wěn) 定 性 變 差 。 參 考 標(biāo) 準(zhǔn) ： 0/T0 0.3 難 于 控 制 選 擇 操 縱 變 量 的 原 則 ：1) 選 擇 的 操 縱 變 量 必 須 是 可 控 制 的2) 操 縱 變 量 一 般 應(yīng) 比 其 他 干 擾 對 被 控 變 量 的 影 響更 加 靈 敏 。 控 制 通 道 放 大 倍 數(shù) 應(yīng)

19、大 于 干 擾 通 道 放 大 倍 數(shù) 控 制 通 道 時(shí) 間 常 數(shù) 應(yīng) 適 當(dāng) 小 一 些 ， 干 擾 通 道時(shí) 間 常 數(shù) 應(yīng) 大 一 些 控 制 通 道 純 滯 后 時(shí) 間 應(yīng) 盡 可 能 小3) 應(yīng) 保 證 工 藝 的 合 理 性 ， 一 般 不 選 擇 生 產(chǎn) 負(fù) 荷 作為 操 縱 變 量 2.4 執(zhí) 行 器 選 擇a. 口 徑 ： 正 常 工 作 閥 開 度 15%-85% 控 制 閥 兩 端 壓 力 降 應(yīng) 在 整 個(gè) 管 線 壓 力 降 中 占 較 大比 例 。 （ 可 控 范 圍 的 寬 窄 ）調(diào) 節(jié) 閥 選 擇 內(nèi) 容 ：口 徑 、 流 量 特 性 、 結(jié) 構(gòu) 形 式 、

20、 開 關(guān) 形 式 b.流 量 特 性 ： 線 性 、 拋 物 線 、 等 百 分 比 、 快 開 流 量 特 性 選 擇 參 考 表 c. 結(jié) 構(gòu) 形 式 ： 單 座 直 通 、 雙 座 直 通 、 角 閥 、 蝶 閥 、 隔 膜 閥 、 高 溫 、 低 溫 閥 d. 開 關(guān) 形 式 ：調(diào) 節(jié) 閥 門 具 有 氣 (電 )開 和 氣 (電 )關(guān) 兩 種 工 作 方 式 。開 關(guān) 形 式 描 述 氣 （ 電 ） 開 式 調(diào) 節(jié) 閥 控 制 信 號 增 加 時(shí) ， 調(diào) 節(jié) 閥 開 度 加 大 。 氣 （ 電 ） 關(guān) 式 調(diào) 節(jié) 閥 控 制 信 號 增 加 時(shí) ， 調(diào) 節(jié) 閥 開 度 減 小 。在

21、控 制 系 統(tǒng) 中 ， 選 用 氣 (電 )開 式 還 是 氣 (電 )關(guān) 式 ，由 具 體 的 生 產(chǎn) 工 藝 來 決 定 。 開 關(guān) 形 式 實(shí) 現(xiàn) （ 四 種 組 合 ）反作用反作用正作用正作用氣關(guān)式氣關(guān)式氣開式氣開式 反裝閥反裝閥正裝閥正裝閥P入P入 P入 P入Q Q Q Q 調(diào) 節(jié) 閥 開 關(guān) 形 式 選 擇 原 則 主 要 考 慮 在 控 制 信 號 故 障 時(shí) 選 用 何 種 開 關(guān) 形 式 的調(diào) 節(jié) 閥 有 利 于 系 統(tǒng) 安 全 及 生 產(chǎn) 過 程 的 穩(wěn) 定 。具 體 原 則 如 下 ：保 證 生 產(chǎn) 過 程 及 設(shè) 備 安 全保 證 產(chǎn) 品 質(zhì) 量保 證 介 質(zhì) 的 工

22、作 狀 態(tài)降 低 物 料 、 能 量 損 耗 符 合 工 藝 要 求 選 擇 例 ： 保 證 生 產(chǎn) 過 程 及 設(shè) 備 安 全 控 制 信 號 故 障 時(shí) 閥 門 的 動(dòng) 作 方 向 應(yīng) 能 保 證 生 產(chǎn) 設(shè) 備的 安 全 。 氣 關(guān) 閥氣 開 閥例 :右 圖 系 統(tǒng) 控 制 信 號 被 切 斷 燃 料 閥 門 關(guān) 閉 可 以 保 證 鍋爐 不 被 燒 塌 ， 給 水 閥 門 打 開 可 以 保 證 鍋爐 的 安 全 保 證 產(chǎn) 品 質(zhì) 量 控 制 信 號 被 切 斷 時(shí) 閥 門 的 動(dòng) 作 方 向保 證 產(chǎn) 品 質(zhì) 量 不 受 影 響 。例 如 ： 塔 頂 產(chǎn) 品 全 回 流 可 以 保

23、 證 塔 頂 產(chǎn) 品的 質(zhì) 量 氣 關(guān) 閥 保 證 介 質(zhì) 的 工 作 狀 態(tài) 控 制 信 號 被 切 斷 時(shí) 閥 門 的 動(dòng) 作 方 向 保 證 工 作 介 質(zhì) 不 發(fā)生 相 變 例 如 ： 氣 關(guān)閥 溫 度 低 將 產(chǎn) 生 液 體 的 結(jié)晶 ， 因 此 ， 操 作 中 蒸 汽閥 門 不 能 關(guān) 閉 。 降 低 物 料 、 能 量 損 耗 符 合 工 藝 要 求 由 于 工 藝 要 求 不 同 ， 同 一 個(gè) 執(zhí) 行器 可 以 有 兩 種 不 同 的 選 擇 結(jié) 果 。例 如 圖 示 鍋 爐 操 作 系 統(tǒng) 給 水 閥a.從 鍋 爐 安 全 考 慮 ， 防 止 因 斷 水 導(dǎo) 致鍋 爐 燒

24、毀 ， 應(yīng) 選 擇 氣 關(guān) 式 閥 門 。b.若 考 慮 鍋 爐 后 續(xù) 透 平 設(shè) 備 的 安 全 ，防 止 蒸 汽 帶 液 ， 應(yīng) 選 氣 開 式 閥 門 。例 如 圖 示 裝 車 轉(zhuǎn) 運(yùn) 環(huán) 節(jié) ：控 制 信 號 切 斷 時(shí) 停 止 物 料 的 排出 。 選 用 氣 開 式 閥 門 。 氣 開 閥注 意 ： 按 照 上 述 原 則 選 擇 開 閉 形 式 可 能 會 得 出 相 互 矛 盾 的 結(jié) 果 。在 這 種 情 況 下 ， 首 先 考 慮 生 產(chǎn) 的 安 全 性 。 氣 開 /氣 關(guān) 閥 ？ 2.5 控 制 器 選 擇選 擇 內(nèi) 容 ：控 制 規(guī) 律 選 擇作 用 形 式 選 擇

25、 1） 控 制 規(guī) 律 的 選 擇 比 例 控 制 規(guī) 律 (P) 具 有 比 例 控 制 規(guī) 律 的 控 制 器 稱 為 比 例 控 制 器 。 u： 輸 出 變 化 量 ， e： 輸 入 變 化 量 , K c： 比 例 放 大 系 數(shù) 。比 例 控 制 適 用 范 圍 ： 低 階 過 程 ， 調(diào) 節(jié) 通 道 滯 后 較 小 、 負(fù) 荷 變 化 不 大 ， 控制 要 求 不 高 ， 允 許 存 在 余 差 等 不 太 重 要 的 參 數(shù) 控 制 。（ 如 液 位 控 制 ， 熱 量 回 收 預(yù) 熱 系 統(tǒng) 等 ）cu K e 比 例 積 分 控 制 規(guī) 律 (PI) 1( ) C iu e

26、 edtK T控 制 特 點(diǎn) ： 消 除 余 差 ， 對 高 噪 聲 有 一 定 克 服 能 力 ； 積 分 作 用 的 引 入 將 降 低 系 統(tǒng) 的 穩(wěn) 定 性 。比 例 積 分 控 制 規(guī) 律 是 一 種 應(yīng) 用 最 為 廣 泛 的 控 制 規(guī) 律 。適 用 范 圍 通 道 滯 后 較 小 、 負(fù) 荷 變 化 不 大 、 控 制 精 度 要 求 較 高 ，對 余 差 控 制 較 嚴(yán) 的 場 合 。 一 般 適 用 于 流 量 、 壓 力 系 統(tǒng) 控 制 比 例 微 分 控 制控 制 特 點(diǎn) ： 對 慣 性 較 大 的 控 制 對 象 具 有 “ 超 前 ” 調(diào) 節(jié) 作 用TD的 影 響

27、： 微 分 時(shí) 間 調(diào) 整 適 當(dāng) ， 可 以 使 過 渡 過 程 縮 短 ， 增 加 系統(tǒng) 的 穩(wěn) 定 性 ， 減 少 系 統(tǒng) 的 動(dòng) 態(tài) 誤 差 。 微 分 時(shí) 間 過 大 ， 系 統(tǒng) 會 變 得 非 常 敏 感 ， 將 導(dǎo) 致 控 制質(zhì) 量 變 差 ， 甚 至 會 導(dǎo) 致 系 統(tǒng) 不 穩(wěn) 定 。 0( )( ) ( )C D de tu t K e t T udt 應(yīng) 用 場 合 ： 含 有 較 大 容 量 滯 后 ， 不 允 許 動(dòng) 態(tài) 偏 差 大 的 場 合 如 ： 溫 度 控 制 、 大 容 量 液 位 控 制注 意 ： 對 于 純 滯 后 對 象 無 “ 超 前 ” 調(diào) 節(jié) 作

28、用 。 比 例 積 分 微 分 控 制 規(guī) 律 （ PID）1( ) dC i deu e edt T dtK T 控 制 能 力 最 強(qiáng) 的 控 制 規(guī) 律 。適 用 范 圍 被 控 對 象 容 量 滯 后 較 大 、 負(fù) 荷 變 化 大 、 對 控 制 質(zhì)量 要 求 較 高 且 希 望 動(dòng) 態(tài) 偏 差 較 小 的 重 要 控 制 場 合 。 2） 控 制 器 作 用 方 式 選 擇 a. 控 制 器 作 用 方 式 正 作 用 ： 偏 差 信 號 （ e=測 量 - 給 定 ） 增 大 時(shí) ，控 制 器 輸 出 信 號 隨 之 增 大 。 反 作 用 ： 偏 差 信 號 （ e=測 量 -

29、 給 定 ） 增 大 時(shí) ，控 制 器 輸 出 信 號 隨 之 減 小 。b. 選 擇 原 則 通 過 控 制 器 作 用 方 式 的 選 擇 使 控 制 回 路 構(gòu) 成 負(fù)反 饋 控 制 。 c. 選 擇 方 法 選 擇 依 據(jù) 公 式 ：（ 控 制 器 ） （ 執(zhí) 行 器 ） （ 對 象 特 性 ） （ 測 量 變 送 ）=（ ）對 象 作 用 方 式 ： 正 作 用 ： 操 縱 變 量 （ q） 值 增 加 時(shí) 被 控 變 量 值 隨 著 增 加 反 作 用 ： 操 縱 變 量 （ q） 值 增 加 時(shí) 被 控 變 量 值 隨 著 減 小執(zhí) 行 器 作 用 方 式 正 作 用 ： 控 制

30、 信 號 增 大 時(shí) 閥 門 流 通 面 積 增 大 （ 氣 開 閥 ） 反 作 用 ： 控 制 信 號 增 大 時(shí) 閥 門 流 通 面 積 減 小 （ 氣 關(guān) 閥 ）測 量 變 送 單 元 的 作 用 方 式 一 般 為 正 作 用 例 ： 換 熱 過 程 溫 度 控 制 器 作 用 方 式 選 擇閥 門 作 用 方 式 ：介 質(zhì) 易 結(jié) 晶 ， 控 制 閥 選 擇 氣關(guān) 式 控 制 閥 ， 符 號 為 “ -” 被 控 對 象 作 用 方 式 ：操 縱 變 量 （ 蒸 汽 流 量 ） 增 加則 出 口 溫 度 升 高 。 作 用 方 式為 正 ， 符 號 為 “ +” 測 量 變 送 單

31、元 ： 默 認(rèn) 作 用 方 式 ， 符 號 為 “ +” 根 據(jù) ： 有 （ ？ ） =（ +） 控 制 器 作 用 方 式 ： 正 作 用 控 制 器 控 制 閥 被 控 對 象 測 量 變 送 控 制 回 路（ ？ ） （ -） （ +） （ +） （ -） 正作用 a.執(zhí) 行 器 為 保 證 加 熱 爐 的 安 全 ， 選 用 氣 開 式 ， 其 符 號 為“ +” 。b.對 象 出 口 溫 度 隨 燃 料 的 增 加 而 升 高 ， 符 號 為 “ +” 。c.變 送 器 輸 出 信 號 隨 溫 度 的 升 高 增 加 ， 符 號 為 “ +” 。 為 了 使 各 環(huán) 節(jié) 的 總 乘

32、積 為 負(fù) ， 控 制 器 的 符 號 必 須 為 “ ” ，所 以 應(yīng) 該 選 擇 反 作 用 控 制 器 。例 2： 圖 示 控 制 系 統(tǒng)請 問 ：a. 從 加 熱 爐 安 全 考 慮 ， 防 止?fàn)t 內(nèi) 管 線 燒 裂 ， 選 擇 氣 開 ，氣 關(guān) 閥 ？b. 欲 構(gòu) 成 負(fù) 反 饋 控 制 ， 選 擇控 制 器 正 反 作 用 形 式 。 2.6 測 量 儀 表 選 擇 、 安 裝關(guān) 鍵 問 題 ： 測 量 變 送 中 的 滯 后 問 題 （ 純 滯 后 、 容 量 滯 后 ）造 成 測 量 滯 后 的 主 要 原 因 ：1） 測 量 元 件 安 裝 位 置 不 當(dāng) ， 遠(yuǎn) 離 被 控

33、 變 量 的 靈 敏 變 化 區(qū) ； 2） 受 到 工 藝 條 件 的 限 制 ， 無 法 將 測 量 元 件 安 裝 在 理 想 的 測 量點(diǎn) ； 3） 測 量 儀 表 本 身 存 在 嚴(yán) 重 的 純 滯 后 或 較 大 的 容 量 滯 后 （ 如 成分 、 物 性 測 量 ） ； 4） 測 量 信 號 的 傳 輸 線 路 長 造 成 的 傳 遞 滯 后 ； 5） 測 量 儀 表 的 不 靈 敏 也 可 能 引 起 滯 后 問 題 。 克 服 測 量 變 送 問 題 的 措 施1） 選 擇 快 速 測 量 元 件例 ： 某 化 工 廠 有 一 反 應(yīng) 器 ，如 圖 6-8 所 示 。 工 藝

34、 要 求 反應(yīng) 溫 度 在 給 定 值 的 3 以內(nèi) ， 產(chǎn) 品 質(zhì) 量 符 合 要 求 。用 時(shí) 間 常 數(shù) 100 秒 傳 感 器測 溫 ， 反 應(yīng) 溫 度 在 2 之內(nèi) ， 產(chǎn) 品 總 不 合 格 ， 說 明 實(shí)際 溫 度 波 動(dòng) 已 超 出 工 藝 范 圍 。改 用 時(shí) 間 常 數(shù) 為 5 秒 熱 電 偶 測 溫 ， 反 應(yīng) 溫 度 波 動(dòng) 仍 在 2 之 內(nèi) ， 但 產(chǎn) 品 質(zhì) 量 符 合 要 求 。 2） 選 好 檢 測 點(diǎn) 位 置 檢 測 點(diǎn) 應(yīng) 選 對 被 控 變 量 變 化 感 受 最 為 靈 敏 且 最 有代 表 性 的 位 置 。 3） 正 確 使 用 微 分 單 元 若

35、 測 量 滯 后 大 ， 可 串 接 微 分 單 元 。4 ） 正 確 選 擇 、 安 裝 和 使 用 測 量 裝 置正 確 選 擇 、 安 裝 和 使 用 可 將 測 量 環(huán) 節(jié) 的 誤 差 減 小 到最 低 限 度 ， 有 利 于 提 高 控 制 精 度 和 質(zhì) 量 。 2.7 閉 環(huán) 負(fù) 反 饋 系 統(tǒng) 分 析 ：例 1： 畫 如 圖 控 制 系 統(tǒng) 的 方 塊 圖 。分 析 ： 當(dāng) 工 藝 冷 物 料 流 量 出 現(xiàn)增 量 擾 動(dòng) ， 控 制 系 統(tǒng) 如 何 動(dòng) 作 。 + +-物 料 量 物 料 溫 度 溫 度 變 送 器 輸 出 信 號 偏 差 信 號 控 制 器 輸 出 信 號

36、氣 開 閥 開 度 燃 料 氣 物 料 溫 度 分 析 ： 2.8 控 制 器 參 數(shù) 整 定 1） 參 數(shù) 整 定 目 的 ： 確 定 控 制 器 的 最 佳 參 數(shù) 值 ， 使 系 統(tǒng) 過 渡 過 程 達(dá) 到最 為 滿 意 的 質(zhì) 量 指 標(biāo) 要 求 。 2） 整 定 要 求 ： 不 同 的 系 統(tǒng) 具 有 不 同 的 整 定 要 求 。 一 般 系 統(tǒng) ： 衰 減 比 ： 4:1 10:1 隨 動(dòng) 系 統(tǒng) ： 振 蕩 與 不 震 蕩 邊 界 狀 態(tài) 均 勻 控 制 ： 要 求 參 數(shù) 在 一 定 范 圍 內(nèi) 作 緩 慢 振 蕩 過 程 此 處 說 明 一 般 系 統(tǒng) 的 參 數(shù) 整 定

37、方 法 3 ） 參 數(shù) 整 定 方 法 a. 理 論 計(jì) 算 法 ； b. 工 程 整 定 法a. 理 論 計(jì) 算 法 ： 根 據(jù) 確 定 的 質(zhì) 量 指 標(biāo) 及 對 象 特 性 ， 通 過 理 論 計(jì) 算方 法 （ 微 分 方 程 、 頻 率 法 、 根 軌 跡 法 等 ） 計(jì) 算 最 佳參 數(shù) 。 整 定 結(jié) 果 的 可 靠 性 及 適 用 性 依 賴 于 模 型 精 度 。b. 工 程 整 定 法 ： 不 需 要 對 象 特 性 ， 直 接 在 閉 合 控 制 回 路 中 對 控 制器 參 數(shù) 進(jìn) 行 整 定 。 具 有 簡 捷 、 實(shí) 用 和 易 于 掌 握 的 特點(diǎn) 。 工 程 整

38、定 方 法 在 實(shí) 際 中 得 到 了 廣 泛 的 應(yīng) 用 。 工 程 整 定 常 用 方 法 ： 經(jīng) 驗(yàn) 法 臨 界 比 例 度 法 衰 減 曲 線 法 反 應(yīng) 曲 線 法 經(jīng) 驗(yàn) 法 根 據(jù) 受 控 變 量 的 性 質(zhì) 及 操 作 經(jīng) 驗(yàn) 提 出 參 數(shù) 的 合適 范 圍 液 位 系 統(tǒng) 一 般 控 制 質(zhì) 量 的 要 求 較 低 ， 允 許 存 在 余 差 采 用 比 例 控 制 ， PB不 能 太 小 流 量 系 統(tǒng) 典 型 的 快 速 過 程 ， 往 往 具 有 噪 聲 采 用 比 例 積 分 控 制 ， PB較 大 ， Ti較 小 溫 度 系 統(tǒng) 容 量 滯 后 系 統(tǒng) 采 用 比

39、 例 積 分 微 分 控 制 壓 力 系 統(tǒng) 過 程 性 質(zhì) 依 實(shí) 際 系 統(tǒng) 而 異 一 般 采 用 比 例 積 分 控 制 經(jīng) 驗(yàn) 法 整 定 參 數(shù) 表 臨 界 比 例 度 法 根 據(jù) 系 統(tǒng) 閉 環(huán) 狀 態(tài) 的 臨 界 參 數(shù) 整 定 控 制 器 參 數(shù) ，應(yīng) 用 此 方 法 進(jìn) 行 參 數(shù) 整 定 的 大 多 數(shù) 控 制 回 路 具 有良 好 的 控 制 品 質(zhì) 。 方 法 ： 在 純 比 例 作 用 下 ， 調(diào) 整 比 例 度 使 系 統(tǒng) 達(dá) 到 臨 界 狀態(tài) ， 確 定 臨 界 比 例 度 PBK， 并 測 量 振 蕩 周 期 TK（ 如下 圖 ） ， 查 表 實(shí) 施 控 制

40、器 參 數(shù) 整 定 臨 界 比 例 度 法 參 數(shù) 整 定 表 注 意 事 項(xiàng) ： 由 于 積 分 作 用 的 引 入 不 利 于 系 統(tǒng) 穩(wěn) 定 性 ， 因 此 ，為 了 保 證 系 統(tǒng) 的 穩(wěn) 定 性 應(yīng) 適 當(dāng) 調(diào) 大 比 例 度 。 適 當(dāng) 的 微 分 作 用 有 利 于 系 統(tǒng) 的 穩(wěn) 定 ， 為 了 提 高控 制 作 用 ， 可 以 適 當(dāng) 調(diào) 小 比 例 度 和 積 分 時(shí) 間 。 要 保 證 在 等 幅 振 蕩 期 間 調(diào) 節(jié) 閥 不 能 運(yùn) 行 在 極 限 。 應(yīng) 該 注 意 工 藝 限 制 ， 是 否 允 許 等 幅 振 蕩 。 衰 減 曲 線 法 按 照 設(shè) 定 的 衰

41、減 曲 線 整 定 控 制 器 參 數(shù) ， 本 法 整定 質(zhì) 量 較 高 ， 較 可 靠 。 方 法 ： 在 純 比 例 作 用 下 ， 調(diào) 整 比 例 度 （ PBs） 達(dá) 到 設(shè) 定衰 減 振 蕩 曲 線 ， 測 量 振 蕩 周 期 （ Ts） （ 如 下圖 ） 。 然 后 查 表 實(shí) 現(xiàn) 控 制 器 參 數(shù) 整 定 。 Ts 衰 減 曲 線 t y PB S 衰 減 曲 線 法 控 制 參 數(shù) 整 定 表Ts衰 減 曲 線 ty PBS 注 意 ：時(shí) 間 常 數(shù) 小 的 對 象 系 統(tǒng)不 易 判 斷干 擾 頻 繁 的 對 象 系 統(tǒng) 不便 使 用 反 應(yīng) 曲 線 法 利 用 廣 義 對

42、象 的 階 躍 響 應(yīng) 特 性 整 定 控 制 器 參 數(shù)方 法 ：a. 對 系 統(tǒng) 施 加 一 階 躍 激 勵(lì) ， 畫 出 響 應(yīng) 曲 線 （ 下 圖 ） ，過 響 應(yīng) 曲 線 的 拐 點(diǎn) 作 曲 線 的 切 線 分 別 交 新 、 舊 平 衡線 于 C、 B兩 點(diǎn) 。 B CT0 P y DA階 躍 響 應(yīng) 曲 線 t tyP b. 測 取 純 滯 后 時(shí) 間 、 時(shí) 間 常 數(shù) T0以 及 穩(wěn) 態(tài) 增 量 y。c. 計(jì) 算 K0d. 查 表 實(shí) 現(xiàn) 控 制 器 參 數(shù) 整 定 。0 max minmax min/( )/( )y y yK P P P ymaxmin： 測 量 儀 表 上

43、 下 限Pmax/min： 控 制 儀 表 上 下 限 P： 階 躍 信 號 幅 值 反 應(yīng) 曲 線 法 控 制 器 參 數(shù) 整 定 表 注 意 事 項(xiàng) ： 有 些 工 藝 不 允 許 施 加 大 的 干 擾 ， 本 方 法 的 應(yīng) 用 有一 定 的 限 制 。 為 了 保 證 控 制 系 統(tǒng) 能 順 利 地 一 次 投 運(yùn) 成 功 ， 通 常 涉 及到 以 下 幾 個(gè) 步 驟 ： 1 作 好 準(zhǔn) 備 工 作 ； 2 線 路 和 管 路 的 核 查 ； 3 各 種 自 動(dòng) 化 儀 表 的 檢 查 ； 4 測 量 儀 表 和 執(zhí) 行 器 的 投 運(yùn) ； 5 手 動(dòng) 控 制 與 自 動(dòng) 控 制 的

44、 切 換 （ 無 擾 切 換 ） 。手 動(dòng) 操 作 使 系 統(tǒng) 正 常 運(yùn) 行 ， 調(diào) 整 給 定 值 等 于 測 量值 ， 由 手 動(dòng) 操 作 切 入 自 動(dòng) 操 作 。注 意 ： 控 制 器 由 手 動(dòng) 切 換 到 自 動(dòng) 后 ， 控 制 系 統(tǒng) 便 進(jìn) 入自 動(dòng) 控 制 狀 態(tài) 。 為 使 控 制 系 統(tǒng) 獲 得 最 佳 效 果 ， 需 對PID控 制 器 參 數(shù) 進(jìn) 行 微 調(diào) 整 定 。2.9 過 程 控 制 系 統(tǒng) 的 投 運(yùn) 課 程 小 結(jié)簡 單 控 制 系 統(tǒng) ： 理 解 簡 單 控 制 系 統(tǒng) 的 組 成 ； 掌 握 被 控 變 量 、 操 縱 變 量 的 選 擇 原 則 ； 能 依 據(jù) 過 程 安 全 原 則 ， 確 定 執(zhí) 行 器 的 氣 開 、 氣 關(guān)形 式 ； 能 依 據(jù) 過 程 負(fù) 反 饋 要 求 ， 確 定 控 制 器 的 正 、 反 作用 ； 了 解 控 制 器 的 參 數(shù) 整 定 和 控 制 系 統(tǒng) 的 投 運(yùn) 。