过程控制工程 - 单回路控制系统

《过程控制工程》课程组


绪论现代工业生产过程，随着生产规模的不断扩大，生产过程的强

化，对产品质量的严格要求，以及各公司之间的激烈竞争，人工操作与控制已不能满足现代化生产的要求，工业过程控制系统已成为工业生产过程必不可少的设备，因为，它是保证现代企业安全，优化，低消耗和高效益生产的主要技术手段。


什么叫工业生产过程？

通常把原材料转变成产品并具有一定生产规模的过程叫工业生产过程。

能源

原料

公用工程

生产过程（连续或间歇）

付产品

产品废物

（气、液、固）

市场


过程控制的认识

过程控制 ——一般是指工业生产中连续的或按一定程序周期进行的生产过程的自

动控制。被控参数种类被控参数种类主要针对所谓六大参数温度压力流量液位 ( 或物位 ) 成分物性（粘度，干点，冰点等）（粘度，干点，冰点等）


过程控制的认识

过程控制领域过程控制领域 ◎ ◎ 石油化工：输油，炼油，乙烯，合成橡胶，合成氨石油化工：输油，炼油，乙烯，合成橡胶，合成氨 ◎ ◎ 电力：火电厂电力：火电厂 ◎ ◎ 冶金：炼钢，炼铁，铝厂冶金：炼钢，炼铁，铝厂 ◎ ◎ 生化：啤酒，制药生化：啤酒，制药 ◎ ◎ 轻工：食品，漂染轻工：食品，漂染 ◎ ◎ 环境：水处理，大气监测环境：水处理，大气监测 ◎ ◎ 其它：农业，养殖业其它：农业，养殖业


过程控制的特点

被控过程的多样性 ——工业生产过程涉及到各种工业部门，其物料加工成的产品是多样的。 ——生产工艺各不相同，这些过程的机理不同，执行机构也不同。被控过程属慢过程，且多属参数控制 ——连续工业生产过程大惯性和大滞后的特点决定了被控过程为慢过程。 ——被控过程是物流变化的过程，伴随物流变化的信息（物性、成分、温度、压力、流

量、液位或物位）表征为被控过程状态的参数，也是过程控制系统的被控变量。控制方案的多样性 ——传统的模拟式过程检测控制仪表已经不能满足控制要求，因而采用计算机作为控制

器组成计算机过程控制系统。） ——从控制方法的角度看，有单变量过程控制系统，也有多变量过程控制系统。 ——控制算法多种多样，有 PID控制、复杂控制，也有包括智能控制的先进控制方法等

等。


过程控制系统的分类

按被控参数分类：温度、压力、流量过程控制系统等按被控变量数分类：单变量和多变量过程控制系统按设定值分类：定值过程控制系统、随动（伺服）过程控制系统、程序过程控制系统按参数性质分类：集中参数和分布参数过程控制系统按控制算法分类：简单、复杂、先进（高级）过程控制系统按控制器形式分类：常规仪表和计算机控制系统按系统结构特点分类：反馈控制、前馈控制和复合控制


过程控制系统的分类——反馈控制

以偏差为依据，以减少或消除偏差为目的。在扰动未引起被控量变化前，无控制作用，使控制不及时。！！闭环


过程控制系统的分类——前馈控制

扰动作为依据，以减少扰动对被控量的影响。无法消除偏差。！！开环


过程控制系统的分类——复合控制

前馈能及时克服主要扰动的影响，反馈能检查控制效果，提高控制质量


工业生产过程控制系统发展过程

自 19世纪世界工业革命以后，工业生产过程由简单到复杂，规模由小到大。至今，已有各种各样的工业生产过程，生产出多种多样的产品满足人们的生活需要。作为工业生产过程一部分的工业生产过程控制系统也在不断发展和提高。现就工业自动化仪表和计算机控制技术应用两方面介绍工业生产过程控制系统发展过程。


自动化仪表技术的发展

年代工业发展状况仪表技术

20世纪 50年代化工钢铁纺织造纸电子管时代

•仪表信号传输标准•（ 0.2~1.0kgf/cm2气动信号•采用真空电子管•记录仪表为自动平衡型•气动仪表控制器

20世纪 60年代•半导体技术（分立元件）•石油化工•计算机•大型电站•过程工业大型化

•电动仪表开始应用 (II)•仪表控制室•模拟流程图•DDC

规模较小


20世纪 70年代

•集成电路技术•微处理器•能源危机•工业现代化•微机广泛应用

•电动仪表 (III)•CAD•自动机械工具•机器人•DCS， PLC

20世纪 80年代

•办公自动化•数字化技术•通讯，网络技术•对环境的重视

•数字化仪表，各种通信协议，如 RS-232•智能化仪表，危机化仪表•先进控制软件•DCS功能扩展

20世纪 90年代 •智能控制•工业控制高要求

•现场总线•分析仪器的在线作用•优化控制



微机化的记录、控制仪表（智能化仪表）

微机化的记录、控制仪表（智能化仪表）

我国首创的无纸无笔记录仪

我国首创的无纸无笔记录仪



计算机控制技术应用的发展

年代计算机应用技术20世纪 60年代计算机控制时代开始

主要用于直接数字控制（ DDC）

20世纪 70年代微型计算机的产生微处理机技术用于工业控制集散型计算机控制系统产生（ DCS）小型机开始在企业管理中应用

20世纪 80年代微机广泛在工厂管理信息系统中应用（ MIS）DCS大量在工业控制中应用先进控制技术在工业上的应用

20世纪 90年代工业生产过程自动化（ PA），工厂自动化（ FA）计算机集成制造技术（ CIMS， CIPS）企业资源规划（ ERP）现场总线控制技术发展（ Field Bus）


DCS CONTROL SYSTEM

DCS CONTROL SYSTEM


工业生产过程自动化

为了使一个工业生产过程或一个企业良好、高效地运行，都离不开对整个生产过程物料、能源、人力等的管理、组织和运作。要达到此目的，必须对工业生产过程的信息、数据进行及时的检测和控制。因此，生产计划、生产调度、安全稳定地生产与操作等，都离不开自动化技术。一个企业生产过程管理与控制的递阶（分层）结构如下图所示。


企业生产过程管理与控制的递阶结构

决策调度

优化监控

先进控制

常规控制生产过程


过程控制与其它相关学科

控制工程

控制原理与方法

最优化方法与技术

化工原理与对象机理

测量与控制仪表

计算机与网络技术

系统仿真技术


数学应用数学控制论

过程控制理论

控制工程

控制论与应用的关系


课程的知识模块

理论 1.常规单回路控制系统 2.提高响应曲线性能指标的控制系统主要包括：串级、前馈、大纯滞后控制、解耦控制 3.按某些特定要求而开发的控制系统主要包括：比值、均匀、分程、选择控制 4.流体输送设备控制 5.传热设备控制 6.精镏塔控制 7.反应器控制


控制系统的组成

主要内容 1.控制系统的由来 2.简单控制系统的组成 3.控制系统的一些术语和目标

通过这讲的学习，我们可以得到以下收获：通过这讲的学习，我们可以得到以下收获：


控制系统的组成——控制系统的由来

人工控制系统（ 1 ）检测用眼睛观察液位计（测量元件）实际液位

的指示值（ 2 ）运算（思考）大脑根据眼睛观测到的实际液位

值与给定值进行比较，得出偏差的大小和方向，然后根据操作经验，经思考、决策后发出命令。

（ 3 ）执行根据大脑发出的命令，通过手去改变阀门开度，以改变出口流量 Qo，从而使液位保持在所需高度上。

◇局限性：控制速度和精度上都满足不了大型现代化生产的需要。

眼看

脑想

手动

oQ

iQ


控制系统的组成——控制系统的由来

液位自动控制系统（ 1 ）检测用眼睛观察测量元件（ 2 ）运算（思考）大脑液位控制器（ 3 ）执行通过手去改变阀

门开度控制阀 LCh hsp

Qi

Qo

眼脑

手控制在日常生活中无处不在！


系统控制组成

被控对象、测量变送器、执行器、控制器

LC

u(t)

y(t)

TC蒸汽

凝液

FV ,HV

F, cp, T2 F, T1

TC

进料出料

燃料油

y(t)

u(t)




被控对象（也称被控过程）是指被控制的生产设备或装置。测量变送器用于测量被控变量，并按一定规律将其转换为标准信号作为

输出。例如，用热电阻或热电偶测量温度，并用温度变送器转换为统一气压信号（ 0.02～ 0.1MPa）或直流电流信号（ 0～ 10mA或 4～ 20mA）。

控制器 (也称调节器 ) 将被控变量的测量值与设定值进行比较，得出偏差信号，并按一定的规律给出控制信号。

执行器接收控制器送来的命令信号，相应地去改变控制阀的开度。最常用的执行器是气动薄膜控制阀，在采用电动控制器的场合，控制器的输出还需要经电—气转换器将统一的电流信号转换成统一的气压信号。


控制系统的组成——方块图

控制器Gc (s)

执行器Gv (s

控制通道Gp (s)

测量变送Gm (s)

设定值ysp 偏差 e

+_

控制变量u

操纵变量q

被控变量y

测量值ym

扰动 D干扰通道

GD (s)

++

被控对象


方块图说明

（ 1 ）每个方块代表控制系统的一个环节（ 2 ）方块图中连线为信号线，不是物料线。（ 3 ）箭头代表信号作用方向（ 4 ）控制系统具有单向性，输入影响输出（ 5 ）信号沿箭头方向前进又回到原起点――闭环

特点：自控系统具有被控变量负反馈的闭合回路


过程控制的术语

被控变量：过程内要求保持设定值的物理量

操纵变量：使被控变量保持在设定值的物料量或能量

设定值：被控变量要求达到的预定值

干扰变量：引起被控变量变化的一切外界因素

控制通道干扰通道


过程控制的术语

问题：控制变量？操纵变量？被控变量？干扰？

TC蒸汽

凝液

FV ,HV

F, cp, T2 F, T1


过程控制的目标

过程控制的目标：通过调节操纵变量，以克服各种扰动的影响，使被控变量保持在设定值应用过程控制系统的主要原因：（ 1 ）安全性：确保生产过程中人身与设备的安全，保护或减少生产过程对环境的影响；（ 2 ）稳定性：确保产品质量与产量的长期稳定，以抑制各种外部干扰；（ 3 ）经济性：实现效益最大化或成本最小化。

L1

A1

P1

T6

F1

T1

F2

T4

T2

F3

T3

T5

进料：甲烷

乙烷 (LK)丙烷丁烷戊烷

过程流体

蒸汽

汽相产品

液相产品

L. Key

P ≈ 1000 kPa

T ≈ 298 K



举例：闪蒸分离过程

L1

A1

P1

T6

F1

T1

F2

T4

T2

F3

T3

T5

进料：甲烷


过程流体

蒸汽

汽相产品

液相产品

L. Key

PCS-14

S-15

安全性环保设备保护稳定性产品质量利润

分离器中过高的压力非常危险



安全性环保设备保护稳定性产品质量利润 L1

A1

P1

T6

F1

T1

F2

T4

T2

F3

T3

T5

进料：甲烷


过程流体

蒸汽

汽相产品

液相产品

L. Key

燃烧不能将碳氢化合物释放到空气中




没有流体将会损坏泵

L1

A1

P1

T6

F1

T1

F2

T4

T2

F3

T3

T5

进料：甲烷


过程流体

蒸汽

汽相产品

液相产品

L. Key

LC




使物料的流速保持平稳

L1

A1

P1

T6

F1

T1

F2

T4

T2

F3

T3

T5

进料：甲烷


过程流体

蒸汽

汽相产品

液相产品

L. Key

FC

S-19




通过调节解热量来保证关键组分的含量

L1

A1

P1

T6

F1

T1

F2

T4

T2

F3

T3

T5

进料：甲烷


过程流体

蒸汽

汽相产品

液相产品

L. KeyAC




节约热能

L1

A1

P1

T6

F1

T1

F2

T4

T2

F3

T3

T5

进料：甲烷


过程流体

蒸汽

汽相产品

液相产品

L. KeyAC

S-22


控制系统的性能指标

控制系统的过渡过程稳态：受控变量不随时间变化的平衡状态受控变量不随时间变化的平衡状态动态：受控变量随时间变化的不平衡状态过渡过程：自动控制系统在动态阶段中，受控变量从一个稳自动控制系统在动态阶段中，受控变量从一个稳

态到另一个稳态随时间变化的过程态到另一个稳态随时间变化的过程


控制系统的性能指标（续）

影响过渡过程的因素影响过渡过程的因素与干扰类型、幅值有关，与组成自动控制系统各个与干扰类型、幅值有关，与组成自动控制系统各个环节特性有关环节特性有关

过渡过程的基本类型非周期过程和振荡过程非周期过程和振荡过程



性能良好的过程控制系统，在受到外来扰动作用或给定值发生变化后，应平稳、准确、迅速地回复（或趋近）到给定值上。

生产过程对控制系统的要求可概括为：系统必须是稳定的；（稳定性）→ 最基本的要求系统应能提供尽可能好的稳态调节；（准确性）系统应能提供尽可能快的过渡过程。（快速性）



性能指标定义：评价控制系统性能优劣的指标出发点：对控制系统的基本要求分类：

（（ 11 ）以阶跃响应曲线的几个特征参数作为性能指标）以阶跃响应曲线的几个特征参数作为性能指标

（（ 22 ）偏差积分性能指标）偏差积分性能指标


以阶跃响应曲线特征参数作为性能指标以阶跃响应曲线特征参数作为性能指标

初始条件初始条件 ① ①系统处于平稳状态系统处于平稳状态

（稳态）（稳态） ② ②加阶跃干扰加阶跃干扰以衰减震荡过程为例

：在单位阶跃输入情况下，对于定值系统典型过程曲线如下：


以阶跃响应曲线特征参数作为性能指标以阶跃响应曲线特征参数作为性能指标

11 ）衰减比）衰减比 NN ① ①定义：第一个波峰与第二个波峰之比定义：第一个波峰与第二个波峰之比

N=B/B’N=B/B’ ② ②工程意义：反映过程稳定性一个指标工程意义：反映过程稳定性一个指标 N>1 N>1 衰减振荡衰减振荡 N=1 N=1 等幅振荡等幅振荡

N<1 N<1 发散振荡发散振荡 N>>1 N>>1 非周期非周期

＊工程上希望＊工程上希望 4:1--10:14:1--10:1

22 ）超调量）超调量 ① ①超调量：第一个波峰与稳态值之差超调量：第一个波峰与稳态值之差除以稳态值的百分比除以稳态值的百分比

② ②工程意义：反映过程稳定性一个指工程意义：反映过程稳定性一个指标标

y

A

B

C

t

100%B

C 超调量：

衰减比：B

NB


以阶跃响应曲线特征参数作为性能指标以阶跃响应曲线特征参数作为性能指标 (( 续续 ))

33 ）最大偏差）最大偏差 AA ① ①最大偏差：单位阶跃扰动下，最大振最大偏差：单位阶跃扰动下，最大振幅幅 BB 与稳态值与稳态值 CC 之和的绝对值之和的绝对值

② ②工程意义：表示偏离设定值的程度工程意义：表示偏离设定值的程度

ii ）偏差愈大，时间域长，离生产状态）偏差愈大，时间域长，离生产状态愈远。愈远。

iiii ）工艺不希望，甚至引起生产事故。）工艺不希望，甚至引起生产事故。 44 ）余差）余差

① ①余差：过渡过程终了时的残余偏差余差：过渡过程终了时的残余偏差 ② ②工程意义：反映控制准确性的重要指标工程意义：反映控制准确性的重要指标生产中一般希望愈小愈好（不超生产中一般希望愈小愈好（不超

过某一个预定范围）过某一个预定范围） * * 一般由工艺人员提出受控变量的波动一般由工艺人员提出受控变量的波动范围所规定范围所规定

y

A

B

C

t

余差：

最大偏差： A B C

( ) ( )e r y r C ( )e

( )e


以阶跃响应曲线特征参数作为性能指以阶跃响应曲线特征参数作为性能指标标 (( 续续 ))

55 ）调节时间（恢复时间））调节时间（恢复时间） TsTs ①①定义：从系统受扰后至受控变量又建立新的平衡的最短时间为止，定义：从系统受扰后至受控变量又建立新的平衡的最短时间为止，

一般规定进入稳态值一般规定进入稳态值 ±5% ±5% 或或 ±2%±2% 范围内经历的时间。范围内经历的时间。 ② ②工程意义：反映过程快慢、长短标志（快速性指标）工程意义：反映过程快慢、长短标志（快速性指标）在在 NN 一定相同情况下，一定相同情况下， TsTs愈短，过程愈快，适应性愈强，质量愈愈短，过程愈快，适应性愈强，质量愈好。好。 y

A

B

C

t

±5%

Ts


以阶跃响应曲线特征参数作为性能指以阶跃响应曲线特征参数作为性能指标标 (( 续续 ))

66 ）振荡周期）振荡周期 TT ① ①定义：从第一个波峰到第二个波峰的时间定义：从第一个波峰到第二个波峰的时间周期倒数为振荡频率周期倒数为振荡频率 ② ②工程意义：在工程意义：在 NN 一定情况下周期愈短，频率愈高一定情况下周期愈短，频率愈高 ,, 反映过程快慢的反映过程快慢的标志标志

y

A

B

C

t

±5%

T


以阶跃响应曲线特征参数作为性能指以阶跃响应曲线特征参数作为性能指标标(( 续续 ))

各指标之间关系 :有些是相互矛盾的（如超调量与过渡过程时间）对于不同的控制系统，这些性能指标各有其重要性。应根据工艺生产的具体要求，分清主次，统筹兼顾，保证优先

满足主要的品质指标要求。


偏差积分性能指标引入原因引入原因 ① ① 阶跃响应品质指标阶跃响应品质指标 ii ）初始条件为零）初始条件为零 iiii ）加阶跃（干扰）输入）加阶跃（干扰）输入 ② ② 控制系统输入信号非单一的，对于其它干扰情况下需控制系统输入信号非单一的，对于其它干扰情况下需建立一个广义的评价函数建立一个广义的评价函数————偏差积分评价指标偏差积分评价指标偏差积分性能指标偏差积分性能指标它是以控制系统瞬时误差函数它是以控制系统瞬时误差函数 e(t)e(t) 为泛函数的积分评价系统的为泛函数的积分评价系统的

系统品质指标。它是用一个数（最小）来衡量一个系统的优劣是系统品质指标。它是用一个数（最小）来衡量一个系统的优劣是否处于最佳状态的一种方法。否处于最佳状态的一种方法。

0( , )J f e t dt


偏差积分性能指标（续）

常用的误差性能评价指标 ① ① 偏差积分偏差积分 IEIE

② ② 平方偏差积分平方偏差积分 ISEISE

③ ③ 绝对偏差积分绝对偏差积分 IAEIAE

④ ④ 时间绝对值偏差积分时间绝对值偏差积分 ITAEITAE

dtteJ

0

2

0J e t dt

dttetJ

0

dtteJ

0

)(

不能保证控制系统具有合适的衰减比

侧重于抑制过程中的大偏差

具有较快的过渡过程和不大的超调量

对初始偏差不敏感，对后期偏差敏感


典型被控过程

纯滞后过程 1 、纯滞后 — 输入变化后，输出量并不立即改变，而经过一段时间后才反映出来，这段时间称为纯滞后。

22 、化工对象引入纯滞后的原因、化工对象引入纯滞后的原因 1) 1) 物料（能量）的传输物料（能量）的传输 2) 2) 温度及特性参数温度及特性参数

3) 3) 元件本身特性（成分仪表）元件本身特性（成分仪表） 4) 4) 安装位置安装位置

sesG )(


单容过程 1 、单容过程：只有一个容积，一个容量系数和一个时间常数

2 、几个概念自衡特性：对象在扰动作用下，其平衡受到破坏，在没有操作人员或控制器的干预下

，过程自动恢复平衡状态的特性

H

Qi

Qo

A a) 自衡过程反应曲线

(1) (1) 出水阀静压变化出水阀静压变化排出流量排出流量 QQ00 变化变化

0QQdt

dHA i

1)(

)()(

Ts

K

sQ

sHsG

iHkQ 0

Qi

Qo

H(t)

1)(

Ts

KesG

s


0QQdt

dHA i

无自衡特性：对象在扰动作用下，其平衡受到破坏，在没有操作人员或控制器的干预下，无法自行重建平衡无法自行重建平衡

(2)(2)泵转速不变泵转速不变排出流量排出流量 QQ00恒定恒定 Ts

K

sQ

sHsG

i

)(

)()(

Q

H

i

Qo

A

Qi

Qo

H(t)

0QQdt

dHA i

seTs

KsG )(


多容过程有多个容积，多个容量系数和多个时间常数

H1

Qi

Q1

A1

H2 Q2

A2

212

211

1 , QQdt

dHAQQ

dt

dHA i

222111 , HkQHkQ

物料平衡方程：

流体运动方程：

22112

2

111

1 ,

HkHkdt

dHA

HkQdt

dHA i

)1)(1()(

21

sTsT

KesG

s


具有反向特性的过程

定义：某些过程其阶跃响应初始情况与响应最终情况相反

下降管

上升管

蒸汽过热器

省煤器炉膛辐射热

蒸汽

汽包

给水阀

给水W

H

D

P

1)(

1

11

sT

KsG（ 1 ）冷水增加，气泡减少，水位下降

（ 2 ）蒸汽量恒定，液位随进水量增加而增加

s

KsG 2

2 )(

G

H

H

H 1

t

tτy1(t)

1

t

2

y(t)

y2(t)

y


（ 3 ）两种作用的结果，总特性为

)1(

)(

1)(

1

2112

1

12

sTs

KsKTK

sT

K

S

KsG

方块图

当 K2T1<K1时，响应初期，占主导地位，过程出现反向响应。当 K2T1<K1时，过程出现一个正的零点 0

112

2

KTK

Ks

小结： ①反向响应过程，其传函总具有一个正的零点。 ②传递函数有正实部零点的过程，称为非最小相位过程。


被控变量（参数）的选择

被控参数选择的意义控制系统设计的一个重要内容。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、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。



被控变量的选择原则 1. 直接质量指标，做为受控变量。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。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。 (( 如锅如锅

炉的水位、蒸汽的温度等。炉的水位、蒸汽的温度等。 ))

　　　

LC

蒸汽

汽包

省煤器

给水

TC

液氨

氨气工艺介质

出料

进料

冷却剂

TC



2. 间接指标：直接质量指标难测量，或滞后太大，或者信号微弱，选择间接参数作为被控变量。

注意：间接被控变量与直接质量成单值函数关系，最好是线性的。如果是非线性时，要注意出现正反馈造成系统不稳定。

当选直接参数有困难时采用当选直接参数有困难时采用



以苯、甲苯二元系统的精馏为例。常用精馏塔将混合物分离为较纯组常用精馏塔将混合物分离为较纯组成的产品或中间产品。成的产品或中间产品。

控制目标（直接参数）：控制目标（直接参数）：纯度纯度或或浓度，气液两项并存时，浓度，气液两项并存时，

)( PTfx DD ，回流泵

原料

塔顶产品

塔底产品

精馏塔

再沸器

冷凝器

回流罐

浓度浓度温度温度压力压力

若有成分分析仪表，可组成组分若有成分分析仪表，可组成组分控制系统控制系统很难实现很难实现



当塔压恒定，浓度与温度之间是单值对应关系。塔顶温度越高，对应塔顶易挥发组分的浓度越低。当塔顶温度恒定，塔顶组分与塔压也存在单值对应关系。压力越高，塔顶易挥发组分的浓度越大。

因此，塔顶温度或塔顶压力都可以选择作为被控变量。

塔顶温度

0 20 40 60 80 10070

80

90

100

110

120

苯、甲苯含量（%）

P 固定不变℃

由于压力由于压力 PP 不仅与不仅与分离纯度分离纯度有关，而且影响塔的有关，而且影响塔的工作效工作效率率以及以及经济性经济性，因而选择温，因而选择温

度为间接参数。度为间接参数。 0

020 40 60 80 100

200

400

600

800

1000

塔压

P 固定不变

苯、甲苯含量（%）

TD = 90℃

mm H2 O

1 mm H2 O = 9.8 Pa

TTDD



3. 被控变量要求足够的灵敏度，易于测量，否则不能保证控制精度。

蒸汽压力要比蒸汽温度反应快，更灵敏，且易于测量，可保证控制精度，因此，可选蒸汽压力作为被控变量。



4. 反映质量指标独立变量数 n ，设置 n 个回路。可用物理化学中的相律关系，确定独立变量数。

F=C-P+2 F：自由度， C ：组分数， P ：相数。


例 1 锅炉饱和蒸汽质量控制蒸汽（饱和蒸汽）压力蒸汽（饱和蒸汽）压力 PP 和温度和温度 TT P 0.95 1.0 1.1 1.51 2.0P 0.95 1.0 1.1 1.51 2.0T 97.66 99.09 101.76 110.79 119.79T 97.66 99.09 101.76 110.79 119.79

①①用物理化学中相律关系（自由度即独立变量）用物理化学中相律关系（自由度即独立变量）对于饱和蒸汽：对于饱和蒸汽： P=2P=2 （液、气）（液、气） C=1C=1 （组分水）（组分水）∴ ∴ F=1-2+2=1 F=1-2+2=1 即可选一个变量为受控变量即可选一个变量为受控变量确定选一个变量为受控变量后应考虑：确定选一个变量为受控变量后应考虑：②②测量滞后考虑测量滞后考虑滞后小，动态跟踪快滞后小，动态跟踪快③③实施考虑实施考虑简单可靠，易行简单可靠，易行



例 2 锅炉过热蒸汽质量控制如过热蒸汽：如过热蒸汽： P P 一个大气压：一个大气压： T T 可有可有120Cº120Cº，， 140Cº… 560Cº, 140Cº… 560Cº, 也就是也就是说蒸汽在过热状态只存在一个气相，所以说蒸汽在过热状态只存在一个气相，所以根据自由度：根据自由度： F=C-P+2=1-1+2=2F=C-P+2=1-1+2=2 。。因此因此 ,2,2个独立变量全部控制：过热蒸汽个独立变量全部控制：过热蒸汽压力压力 PP ，过热温度，过热温度 TT 。。

5. 一个系统设备或装置，设计两个以上单回路时，注意是否相互关联。

6. 考虑工艺合理，硬设备可实现。



影响被控变量的因素似乎都可以作为操纵变量，但是操纵变量一经确定，则控制通道的特性就决定了。系统的稳定性和控制质量指标就确定（可控程度确立）。所以应慎重考虑，否则可能造成整个系统的失败。确立了操纵变量同时也就确定了干扰变量，那么这两个环节在系统中对控制质量将有什么样的影响，再由这些影响的程度回头来指导我们来确定操纵变量。

▲ 操纵变量和干扰变量的关系

操纵变量（参数）的选择



当生产过程中有多个因素能影响被控参数 ( 量 ) 变化时，应分析过程扰动通道特性与控制通道特性对控制质量的影响，正确地选择可控性良好的变量作为操纵 ( 控制 ) 量。

一般希望控制通道克服扰动的能力要强，动态响应应比扰动通道快。两条通道的过程参数不一定相

同，其对系统的影响也不一样。



干扰通道特性对控制质量的影响 F(s) → Y(s)

主要讨论放大倍数 Kf、时间常数 Tf 和纯滞后的影响

sY

sF

sE

sR sG

C

sGPD

sGPC

f

1PD

c PC

G sY s F s

G S G s

1

fPD

f

KG s

T s

0

01 02(1 )(1 )PC

KG s

T s T s

c cG s K


干扰通道特性对控制质量的影响

放大倍数 Kf 的影响

假定 f(t) 为单位阶跃干扰，则，将各环节传递函数代入式，并运用终值定理可得

sY

sF

sE

sR sG

C

sGPD

sGPC

0 0

0 0

01 02

11lim lim

111 1

f

f f

s sc

c

K

T s Ky sY s s

Ks K KKT s T s

结论：干扰通道放大倍数 Kf越大，系统的输出影响也越大，即控制质量越差。



时间常数 Tf的影响令图中的各环节放大倍数均为 1 ，这样系统在干扰作用下的闭环传递函数应为：

sY

sF

sE

sR

sGC

sGPD

sGPC

1

1 1 1

1 11

f

c PC f

c PCf

T sY s

F s G s G s Ts G s G s

T

11 0c PC

f

s G s G sT

系统的特征方程

**小结：当干扰通道为一阶惯性环节时，系统在根平面负实轴上增加了一个极点。使过渡过程时间减小，过渡过程的幅值缩小了 Tf倍，对提高系统的品质是有利的。而且，随着 Tf

的增大，控制过程的品质亦会提高。

1

f

sT



时间常数 Tf的影响如果干扰通道阶次增加，例如干扰通道传递函数为两阶的，那么，就有两个时间常数

及。则系统将增加两个附加极点及，这样过渡过程的幅值将缩小

倍。因此，控制质量将进一步获得提高。 1fT

11/ fT2fT 21/ fT 1 2f fT T

干扰通道的阶数愈高，就相当于串入多个的滤波器，对干扰起到滤波作用，阶数高好。



扰动点位置的影响

sR

sGm

sY sGo1

sGo2 sG

o3 sG

v sGc

sF1

sF2

sF3 sG

o1

sGo1

sGo1

sGo2

sGo2 sG

o3

F1(s)F3(s)

Gp3(s) Gp1(s)



扰动点位置的影响**小结当扰动 F 的幅值和形式相同时：进入系统的位置越远离被控变量或越靠近操纵变量，扰动对控制系统被控变量的影响越小。因扰动进入位置越远离被控变量，相当于等效时间常数越大或扰动通道的滤波环节越多，扰动对被控变量的影响越小。当等效扰动通道增益 Kf 增大时，应根据KfF 确定扰动的影响。

结论：干扰通道时间常数 Tf 越大，个数越多，干扰进入系统的位置越远离被控变量而靠近控制阀，干扰对被控变量的影响就越小，系统的控制质量则越高。



纯滞后的影响设 Gf(s) 具有纯滞后环节，则

f f s

PD PDG s G s e

f

1

sPD

c PC

G s eY s F s

G s G s

求拉氏反变换，有 fy t y t

﹡结论：干扰通道出现纯滞后的结果，并不影响控制质量，只是使调解过程沿时间轴平移一个 τ 的距离


控制通道特性对控制质量的影响

（ 1 ）可控性指标决定系统控制特性的因素为系统增益和振荡频率；决定上述两个因素的基本因素是系统的最大增益和临界频率。可控性指标。

K

maxK c

max cK



放大倍数 K0的影响

1PD

c PC

G sY s F s

G S G s

0

01 02(1 )(1 )PC

KG s

T s T s

c cG s K

1

fPD

f

KG s

T s

sY

sF

sE

sR sG

C

sGPD

sGPC

0 0

0 0

01 02

11lim lim

111 1

f

f f

s sc

c

K

T s Ky sY s s

Ks K KKT s T s




0 0

0 0

01 02

11lim lim

1 111 1

f

f f f

s sc

c

K

T s K Ky sY s s

Ks K K KKT s T s

控制通道的放大系数 Kc·K0 是一种互补关系，如果 Kc 保持不变， K0 增大时控制系统的稳定性裕度下降，被调量的动态偏差增大，控制系统的过渡过程的时间将加长

0 ConcK K




结论 : 控制通道的放大系数 K0 越大，系统余差越小，克服扰动通道的效果越好；由于，则控制器增益和控制对象的增益有一定的关系。

cKKK 0



广义对象时间常数 T 的影响

设一三阶过程

111

1

321

STSTSTGH

321 TTT

结论 : 如果有两个以上的时间常数，则最大的时间常数决定过程的快慢，而 T2/T1 等因素只影响系统易控的程度， T2 与 T1 拉得愈开，即 T2/T1 愈小，则愈接近一阶环节，系统愈易稳定。设法减小T2/T1 往往是提高系统调节品质的一条可行性途径，这在选择设备设计与检测组件时是很值得考虑的。



nn 阶惯性对象对控制质量的影响阶惯性对象对控制质量的影响

控制通道的时间常数 T 如果增大 , 系统的反应速度慢 , 工作频率将下降 , 系统的过渡过程的时间将加长，减小控制通道的时

间常数，能提高控制系统的控制质量。

控制通道的时间常数 T 如果增大 , 系统的反应速度慢 , 工作频率将下降 , 系统的过渡过程的时间将加长，减小控制通道的时

间常数，能提高控制系统的控制质量。

惯性对象阶次 n 越大对被调量的影响越慢，调节的也越慢，使控制系统的动态偏差、控制过程的时间增大，稳定性裕度减小。

惯性对象阶次 n 越大对被调量的影响越慢，调节的也越慢，使控制系统的动态偏差、控制过程的时间增大，稳定性裕度减小。

讨论时间常数 T 和阶次 n



nn 阶惯性对象对控制质量的影响阶惯性对象对控制质量的影响


广义对象纯滞后 τ对可控性的影响

分析：两个广义对象

seS

110

1 seS

2

110

1

① ②

当 τ=1 时 1.16062.0

11max K

当 τ=2 时 1.911.0

12max K

由于 Kmax1>Kmax2, wc1>wc2

***结论 : 广义对象中存在纯滞后总是使 Kmax wc 减小。



过程特性对控制品质的影响 -总结

控制通道 : 放大系数放大系数 KK00 要适当选大一些；时间常数要适当选大一些；时间常数 TT 要适当小一些；纯要适当小一些；纯滞后时间滞后时间越小越好，在有纯延时越小越好，在有纯延时的情况下，的情况下，与与 TT 之比应小于之比应小于 11 。。

扰动通道 : 放大系数放大系数 KKff应尽可能小；时间常数应尽可能小；时间常数 TTff 要大；扰动引入系统的要大；扰动引入系统的位置要远离控制过程位置要远离控制过程 (( 即靠近调节阀即靠近调节阀 )) ；容量滞后愈大，愈有利于控制；容量滞后愈大，愈有利于控制。。

广义过程（包括调节阀和测量变送器）由几个一阶环节组成，在选择控制广义过程（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，使其中一个时间常数比其它时参数时，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，同时注意减小其它时间常数。间常数大得多，同时注意减小其它时间常数。

注意工艺操作的合理性、经济性。工艺操作的合理性、经济性。


操纵变量的选择

选择对被控变量影响大的输入变量，即控制通道增益比较大；选择对被控变量作用效应快的输入变量，即控制通道的时间常

数比较小；选择输入变量中变化范围较大的，可使被控变量较易控制；使 /T/T尽量减小。尽量减小。


关于测量变送环节

测量变送环节的任务是对被控变量或其他有关参数进行正确测量，并将其转换成统一的信号，如风压 0.02-0.1mpa，电信号 4-20mA等等。测量环节在控制系统中起着举足轻重的作用，它包含在闭环中。

典型的测量变送器结构



测量环节一般可描述成

( )=1

m smm

m

KG s e

T S

Km ：表征仪表的放大系数。Tm ：惯性时间，愈小愈好， Tm 大，测量失真，相当于给滤波了。：纯滞后时间，显然是小好。m



测量变送器的作用把工艺生产过程的变量（流量、压力、温度、液位和成分等）及检测、转换单元转换成标准的电或气信号。

变送器输出是被控变量的测量值，它被送到显示和控制装置，用于显示和控制。测量变送器的基本要求正确性：正确反映被控变量，误差小。快速性：及时反映被控变量的变化。可靠性：长期稳定运行。


测量误差 1.仪表本身的误差，精度等级与量程有关在仪表精度一定情况下：在仪表精度一定情况下： 11 ）仪表量程越宽，绝对误差越大，仪表选型时尽量选量程窄一些）仪表量程越宽，绝对误差越大，仪表选型时尽量选量程窄一些 22 ）量程窄时，静态）量程窄时，静态 KmKm增加，减少测量误差增加，减少测量误差 3 ） Km增大，对调节质量影响不大，因为保证一定稳态， Kc必须减少

2.安装不当引入误差，如安装位置不正确，孔板安装“反” 等 3.测量的动态误差，指或引入的误差 ,Tm 大，使测量失真，大，

现在时间测的值是时间前的值。

mT m mm



测量信号的处理1.对周期性脉动干扰的处理对周期性脉动干扰信号，串入 RC低通滤波器，滤掉高频信号，如泵流量的周期振动产生的干扰。

3. 线性化处理对非线性测量信号，指输入和输出，进行线性化处理，如差压与流量

4. 对大容量滞后的测量仪表，加微分单元进行补偿

11

md

m

KY S T S X S

T S

mY S K X S

例

调节 Td ，使 Td＝ Tm ，则


2. 测量噪声需进行滤波



测量变送器的选用原则在环境工况条件下应能长期稳定运行仪表精度和量程的选择：选用仪表的精度要合适：应符合工艺检测要求。仪表测量误差：仪表本身误差、环境工况引入的误差和动态误差量程选择：量程的改变会引起最大读数误差变化和增益的变化被测对象或介质的特性。如，气、液、固，腐蚀性等检测采用的形式要求。如，侵入或非侵入被测信号的性质及频率范围仪表的构造材料，安装结构对环境、安全的保证成本等


关于控制阀

控制阀的基本概念：执行机构，执行器，调节阀控制阀代替手动操作，是构成自动控制系统不可缺少的重要部分。其作用是接受控制器

的输出信号，直接控制被控介质的的输送量，达到控制温度、压力、流量、液位等工艺参数的目的，从而将被控变量维持在工艺指标要求的数值上。

结构类型执行机构：把控制器的输出信号转换为位移信号。调节机构：把位移信号转换成流通截面积的变化。执行机构有气动、电动和液动之分。调节机构有单座、双座、偏心旋转、套筒、蝶阀等。


关于控制阀

控制阀的口径选择调节阀口径大小通过计算调节阀流通能力的大小来决定。调节阀流通能力必须满足生产控制的要求并留有一定的余地。在正常工况下要求调节阀开度处于 15-85%之间。

Ｃ值的定义阀前后压差为 0.1Ｍ pa，介质密度为１ g/cm

3 时，每小时通过阀门的流体的重量流量 t/h

执

行

机

构

阀体

..............

pc


定义　气开阀：没有输入信号时，阀全关，随着输入信号增大，阀开大。“有气则开，无气则关”　气关阀：没有输入信号时，阀全开，随着输入信号增大，阀关小。“有气则关，无气则开”确定原则　（ 1 ）阀在没有输入信号时，（通常指意外情况－停电，停气等），阀所在的位置（开度）对工艺（工厂）造成的损失是最小的。 “安全角度”

控制阀气开，气关方式的定义及确定※


例１：加热炉

气开还是气关？

在断气源时，阀处在什么状态影响最小？

气开阀


TC

进料出料

燃料油

y(t)

u(t)


气开还是气关？出料

进料

冷却剂

TC

例２：化学反应器放热反应，不能及时带走热量 , 发生爆炸。

气关阀




确定原则（ 2 ）从保证产品质量出发。（ 3 ）从降低原料、成品、动力损耗来考虑。

（ 4 ）从介质的特点考虑。 D

LC

TC

F

B

LC

FC

FC

气关阀气开阀

气开阀

气关阀


控制阀的传递函数

传函由两部分串联组成

GV1(s): 输入风压与阀芯位移，一般 11

1

1

ST

KSG

V

VV

Gv1(s) Gv2(s)U(s) l(s) Q(s)

GV2(s)：阀芯位移与流量，流量特性。 GV2(s) 的形式决定了流量特性。

执

行

机

构

阀体

..............

pc

关于控制阀


控制阀（调节阀）的流量特性

控制阀的流量特性是指被控介质流过阀门的相对流量与阀门的相对开度（相对位移）之间的关系，即：

L

lf

Q

Q

max

：相对流量；：相对开度。可调比：maxQ

Q

L

l

min

max

Q

QR

流过控制阀的流量主要取决于执行机构的行程。也就是说，取决于阀芯与阀座之间的节流面积。但是实际上，还要受多种因素的影响，比如在节流面积改变的同时，还会引起阀前后压差变化，而压差的变化又会引起流量的变化。所以在分析控制阀流量特性时，有理想特性与工作特性之分。


△PV= 常数， ~ 的关系。阀前后差压不变的情况下，有四种：

Ⅰ 线性 (线 1) Ⅱ 等百分比 (线 2) Ⅲ 快开 (线 3) Ⅳ 抛物线 (线 4)

maxQ

Q

L

l

注意： KV2 不一定是常数线性： KV2 为常数，直线。其它时， KV2 不是常数，即随阀门所工作的位置不同而不同。

L

lfKV 2

控制阀的理想流量特性

0 20 40 60 80 1003.310

20

30

40

50

60

70

8090

100

%m

axQ

Q

%Ll

1

2

3

4



线性流量特性 max( / )

( / )

d Q QK

d l L 常数

max

11 1

Q lR

Q R L

max min

maxVK

Q QK

Q

max minR Q Q

max

Q lK C

Q L

线性特性：

线性流量特性：

放大系数 K 是常数，不随 Q 的变化而变化； R称为可调比，国产阀的可调比为 30 。

0 20 40 60 80 1003.310

20

30

40

50

60

70

8090

100

%m

axQ

Q

%Ll

1

2

3

4



对数流量特性对数特性：

对数流量特性：

放大系数与流量成正比，随 Q 的增加，放大系数增大；

流量的对数 lnQ 与行程 l 成正比，故称为对数特性；

行程增加相同的间隔，流量增加相同的百分比，故称为等百分比特性。

max

max

( / )

( / )

d Q Q QK

d l L Q

max

lnQ l

K CQ L

1

max

l

LQR

Q

max

lnV RKQ

Q

max

ln ( 1) lnQ l

RQ L

max minR Q Q

两边积分，得：

0 20 40 60 80 1003.310

20

30

40

50

60

70

8090

100

%m

axQ

Q

%Ll

1

2

3

4



快开流量特性

快开特性：

快开流量特性：

KV 与 Q 成反比， Q增加，放大系数减小；Q减小时，放大系数增大，上升快。因此，称为快开特性。

1max

max

( / )( )

( / )

d Q Q QK

d l L Q

2

max

11 1

Q lR

Q R L

2 2max min

max

1

2V

Q

QK

Q

Q

0 20 40 60 80 1003.310

20

30

40

50

60

70

8090

100

%m

axQ

Q

%Ll

1

2

3

4



抛物线流量特性

抛物线特性：

抛物线流量特性：

放大系数 KV 随 Q 的增大而增大；流量 Q 与放大系数 KV 的平方成正比，故称为抛物线特性；国内目前尚未生产，其特性介于线性和对数特性之间。

max

max

( / )

( / )

d Q Q QK

d l L Q

2

max

11 1

Q lR

Q R L

max

max

2 1VK Q

R Q

Q R

0 20 40 60 80 1003.310

2030

40

50

60

70

8090

100

%m

axQ

Q

%Ll

1

2

3

4


实际工作时，阀的前后差压很难恒定。定义 S 系数（畸变系数）

pSD

epD Δ pV

V pSDpD

epD

0 Q

pD

V

V

V

系统恒定的总压差

ePS

DDD

V

V

P

P阀全开时

控制阀的工作流量特性


S=1时，流量特性为理想特性。S<1时，特性发生畸变。（如图）S 愈小，畸变愈严重，总是向曲线的左上方畸变。＊＊实际时，用线性，选等百分比。

ePS

DDD

V

V

P

P阀全开时

控制阀的工作流量特性

100

80

60

40

20

0 20 40 60 80 100

3.3

q ×100

l ×100

S100= 1

0.75

0.50

0.20

100

80

60

40

20

0 20 40 60 80 100

3.3

q ×100

l ×100

S100= 1

0.80

0.50

0.20线性阀等百分比阀


负荷 ( 工作点 ) 变化对控制系统的影响

Ｈ

水槽的工作点由２ m 变化到３ m

Ｇ 0Q

管道的工作点由 12T/h变化到 24T/h

Qin

Qout

对一个系统工作点，从一个平衡点到了另一个平衡点，负荷发生了变化，这时，对象的特性可能发生变化。在一个工作点是稳定的，整定好参数，到另一个工作点，稳定性发生了变化。※ 为了保持稳定，怎么办？

控制阀流量特性的选择


,180GH

已知一个系统开环传函：

由系统稳定的条件 : |GH|=1, 临界状态 .

由得到临界频率 wc.

例 : 当 |GH|=0.5 时 , 闭环系统为 4:1 衰减过程。即，使系统总能保持 4:1 衰减过渡过程，则上式恒成立。如果负荷发生变化，发生变化，则上式被破坏，不是4:1 过程，这就是为什么当负荷变化时，使系统稳定性受到了破坏的原因。补偿原理：使开环特性总保持不变，即常数。

办法：通过选择 KV 来补偿其它参数的变化，使常数。

SGSGSGSGKKKKGH PMVCPMVC

,180GH

5.0 CPCmCvCCPMVC jwGjwGjwGjwGKKKK

PCP KjwG

| |GH

| |GH

控制阀流量特性的选择 --特性补偿原理


阀流量特性的选择　　　　　

CPPV jwGKK GH

)(

1

jwppV GK

K

例：已知一个流量系统，QKp Q

Gc

jwp1

)( ，确定阀的流量特性

解：Q

GQKc

jwpp1

, )(

一般情况下，中， = 常数，其它不变，则　　　　　，这就是阀特性选择原则。

而)(

1

jwppV GK

K

∴ KV与 Q无关。即 KV 为常数。 ∴ 选线性阀。


例：已知一个流量系统，　Q

Kp1

)(c

jwpG 与 Q无关，选择阀的流量特性。解：

∴ 选等百分比或抛物线型阀

QKV

∵ = 常数，且与 Q无关，

∴ ，又∵ ，∴

即 Q↑→KV↑ 。

PV K

K1

CPPV jwGKK )(c

jwpG

QKp

1

阀流量特性的选择　　　　　


工业常用控制规律

控制器控制器 PID PID 控制：控制：是上世纪是上世纪 4040年代以年代以前除开关控制外的唯一控制方式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，也是目前应用最广泛、最简单、最基本的控制方式。、最基本的控制方式。使用比例使用比例：： 80% 80% ～～ 90%90% 。

控制规律比例控制（ P ）比例积分控制（ PI）比例积分微分控制（ PID）



比例控制（ P ）

0)()( uteKtu c 0u cK工作点值仪表上常用比例度来表示

%1001

cK

比例增益

其传递函数表示为： ( )c cG s K (j )c cG K 或



比例控制（ P ）对控制品质的影响

sR sE

sZ

cK

sD

sY 11 21

0

sTsT

K+

-

闭环特征方程：

1 22

0 1 2 1 2 0

1 2

( 1)( 1)( ) 1

( ) ( ) (1 )1( 1)( 1)

c c

T s T sY sK KD s T T s T T s K K

T s T s

21 2 1 2 0( ) (1 ) 0cT T s T T s K K

21 2 1 2 1 2 0

1,21 2

( ) ( ) 4 (1 )

2cT T T T T T K K

sT T

闭环特征根：

注意！



比例控制（ P ）对控制品质的影响 2

1 2 1 2 0( ) 4 (1 )cB T T T T K K

(1) Kc很小，Ｂ＞０，负实根，系统不振荡(2) Kc增大，Ｂ＝０，相等的负实根，振与不振之间(3) Kc增大，Ｂ＜０，负实部的复根，开始振荡

21 2 1 2 1 2 0

1,21 2

( ) ( ) 4 (1 )

2cT T T T T T K K

sT T

令



比例控制（ P ）对控制品质的影响

( )A

D ss

,由终值定理得：设阶跃干扰，则

1 22

01 2 1 2 0

( 1)( 1))( ) lim ( ) lim

1[ ( ) (1 )]t scc

A T s T s Ay y t s

K Ks T T s T T s K K

y

t

很小CK

大增CK

﹡结论：随 Kc增大，系统振荡开始加强，调节作用加强，振荡加剧，系统稳定性下降，系统的余差减小，但不能消除余差。



比例积分控制（ PI）

比例积分控制（ PI）对控制品质的影响

0 0

1( )t

ci

u K e edt uT

11c c

i

G KT s

2

1

1I

I C I C

Y s T s Ts

D s T Ts K K T s K K

如果干扰为阶跃，幅值 A 则

2

1

[ 1 ]I

I C I C

AT s TsY s

s T Ts K K T s K K

0lim

0

ssYy

s

结论： Ti 可以消除系统的余差！




设广义对

象， T1=1， T2=0.1，取

Ti1=10， Ti2=1， Ti3=0.1。作开环频特图，曲线

0 未加入 Gc， 1 ， 2 ， 3 加入 Gc，由图可看，串入 Gc 后，可知：

11 21

STST

KSG P

P

321 ccc www

321,321 iii TTTGGG

结论： Ti↓→ wci↓， Gi↑，稳定性下降。




结论： Ti↓ →积分作用强，稳定性变差 , 控制精度提高

注意：要保持原来的稳定性，必须用Kc 的减小来补偿。 Kc↓ ，系统控制精度↓ 。

应用场合：1 、要求系统余差较小， ( 无余差 ) 。2 、对象动态特性较快 , ， (Tp小 ) 。3 、对于大惯性系统，注意积分作用不能太强。



比例积分微分控制（ PID）

00

1( )

t

c di

deu K e edt T u

T dt

1( ) (1 ) ( )c d

i

U s K T s E sT s

理想微分作用 Td S 在物理上不能实现，所以一般用超前 - 滞后环节近似。

1

1

ST

STSG

d

d

：在工业仪表中取 1/6-1/20， Td ：微分时间，表征微分作用强弱的量。频率特性：

提供了超前相位，使相频右移， wc 增加，幅频增加。

超前 - 滞后环节 11

( ) (1 )( )1

dc c

i d

T sG s K

T s T s



比例积分微分控制（ PID）对控制品质的影响

1 dT

| ( ) |cG j 当相频超前占主导地位时，稳定性提高。当幅频增加占主导地位时，稳定性变坏。高频段，相频超前小，幅频增加大，稳定性变坏。低频段，相频超前占主导时，稳定性提高。 Td 大→此点左移，高频段范围增加。 Td 大→微分作用强。 Td 过大，稳定性变坏，振荡。

dT 无 dT 大低频段稳定性好稳定性坏

最好

1/Ti 1/Td

Kc

-90°

+90°

0°



实际的 PID调节规律

1

1)

11()(

sT

sT

sTKsG

d

d

i

cc 对微分作用的讨论

Ⅰ. 由实际微分分式看出，开环增加一个零点 s ＝ -1/Td，如果这个零点等于闭环的第二大时间常数对应的极点，对消。第三大时间对应的极点变成第二大时间常数，即相当于最小时间常数减小，则系统的可控程度提高。

Ⅱ. 微分作用适当，随频率的提高，相位超前减小，幅值增加稳定性下降。Ⅲ. 高频段有较大的幅值比，对高频信号有较大的波动，使阀动作频繁，不利，除非对高频

信号先进行滤波。所以存在高频噪声时，不宜加微分。Ⅳ. 对纯滞后，由于滞后阶段，，微分作用为零，所以微分作用对纯滞后不起作用。0

dt

de



v PID应用场合：

（ 1 ）对于负荷变化不大，工艺要求不高，自平衡能力强的系统可以采用比例规律 (P)，如贮罐。

（ 2 ）负荷变化不大，对象容量滞后较小，但不允许有余差的控制系统，采用 PI，如：压力，流量。

（ 3 ）负荷变化大，容量滞后大，控制质量要求高，采用 PID。

（ 4 ）负荷变化大，纯滞后较大， PID达不到要求时，采用复杂控制。


确定原则：使整个单回路构成负反馈系统，即：( 控制器“ ±”)×(广义对象“ ±”)=“－”

正反作用的定义：外部特性信号的方向上定义正反作用。 *** 正作用：测量信号增加，输出信号增加。反作用：测量信号增加，输出信号减小。正反作用的确定： ① 单回路系统结合对象和控制阀使偏差减小的方向调节。 ② 先确定控制阀，再确定控制器。

控制器正反作用的确定


例例 11 ：加热炉温度控制系统和化学反应温度系统如图所示，：加热炉温度控制系统和化学反应温度系统如图所示，试分别确定阀的气开气关形式，调节器的正反作用试分别确定阀的气开气关形式，调节器的正反作用。。

出料

进料

冷却剂

TC

气开，反作用气开，反作用气关，反作用气关，反作用


TC

进料

出料

燃料

T

Tm

Tsp

Rf

u


例 2 ：先确定阀，工艺没有给出控制条件，用什么方式的阀都可以。（ 1 ）现在选气关阀．假设Ｈ（Ｈ＞Ｈ 0 ）　　进水量　又因为是气关阀，则阀的输入应气关阀输入即是（控制器的输出）　所以应选择

（ 2 ）如果选用气开阀，阀输入　，控制器输出　，这时应选择

＊调节器的正反作用与阀有关！正作用

反作用



由手动切换自动，叫投运

１．投运前的准备工作 (1) 对投运过程中可能出现的意外情况有所估计。 (2) 各个仪表环节校验准确。 (3) 充分了解控制意图。２．投运 (1) 控制仪表置手动状态，设置好初始参数 PID，正反作用。 (2) 各仪表加电，手操控制器的输出，使受控制变量达到设定值。 (3) 置手动状态至自动状态。

手动平稳，过渡

过程中自动！投运原则：无扰动切换

控制系统的投运


能否达到预期目标？取决于控制器参数的选择。

参数整定：寻找一组 PID控制器参数，，，以达到预期控制指标要求。

iT dT

控制器参数整定

控制器参数整定，就是确定控制器参数。控制器参数的整定方法有理论计算整定法【通过理论计算 ( 微分方程、频率特性、根轨迹法等 ) 求取控制器参数】和工程整定法【从工程的实际出发，直接在控制系统中进行整定】两种。

工程上大量采用工程整定法。


整定步骤(1) 按对象经验，设置规律．初始参数(2) 加干扰，看控制曲线(3) 由曲线形状，参考 Kc 、 Ti 、 Td 对过渡过程的影响，修改相应的一个参

数，重复 (2)，直到得到满意的过渡过程曲线。

控制器参数整定—经验法


方法：控制器先取纯比例作用。改变 δ值，找到临界状态。步骤： (1)δ由小变大，加干扰，看曲线。 (2) 修正 δ，直到等幅振荡。记下，振荡时的 δn 和 Tn 。 (3) 按如下表修改参数，可得到 4 ： 1 的衰减过渡过程。

控制器参数整定—临界比例度法

f

0 t

y

t

kT

0


控制器纯比例， δ由小变大，加干扰，看曲线。找 4 ： 1 过程。到 4 ：1 时，记下 δs 和 Ts ，按下表修改参数，得 4 ： 1 过程。

控制器参数整定—衰减曲线法

y

tsT0

B

B

4:1


方法① 调节器“手动”，人为使控制器输出阶跃变化，记录过程的响应曲线，并得到， pT

1

ST

eKSG

P

sP

P

minmax

minmax

UU

UZZ

Z

K P

D

D

一般对象可近似为

控制器参数整定—响应曲线法

u

0

0

zt

t

C

A

B

TP

uD

zD


② 按下表的规律修改参数，得到 4:1 过渡过程．

控制器参数整定—响应曲线法


方法比较经验法：最基本，常用的．临界比例度法：等幅振荡受工艺条件限制．衰减曲线法： 4:1曲线很难准确，得到的参数有误差（通常和经验法结合使用）响应曲线法：实用，参数自整定（自动整定 PID参数）

控制器参数整定

过程控制工程 - 单回路控制系统

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