第一章_单回路反馈控制系统

1、 单回路反馈控制系统单回路反馈控制系统 工作过程：工作过程：A.CA.C 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。 输出量（全部或一部分）通过测量装置返回系输出量（全部或一部分）通过测量装置返回系 统的输入端，使之与输入统的输入端，使之与输入量进行比较，产生量进行比较，产生偏差偏差（给定信号与返回的输出信号之差）信号。输出量的（给定信

2、号与返回的输出信号之差）信号。输出量的返回过程称为返回过程称为反馈反馈。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。 维持被控参数保持在设定值上，偏差越小越好维持被控参数保持在设定值上，偏差越小越好偏差控制：纠正偏差偏差控制：纠正偏差 过程工业中，此类系统占大多数过程工业中，此类系统占大多数按被控参数分类：按被控参数分类： 温度控制回路、压力控制回路、温度控制回路、压力控制回路、 流量控制回路、物位（液位）控制回路流量控制回路、物位（液位）控制回路单回路控制系统的特点单回路控制系统的特点v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

3、对象所组成v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。单回路控制系统结构比较简单，所需自动化控制工具少，投资单回路控制系统结构比较简单，所需自动化控制工具少，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。要求，因此被广泛应用。单回路控制系统的设计单回路控制系统的设计v正确的选择被控变量和选择变量v正确的选择控制阀的开闭形式及流量特性v正确的选择控制器的类型及其正反作用v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，并使该系统在运为了设计

4、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，就要很好的行时达到规定的质量指标要求，就要很好的了解具体的了解具体的生产工艺生产工艺，掌握生产过程的规律性掌握生产过程的规律性，以便确定合理的控，以便确定合理的控制方案制方案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

5、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 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）1.2 被控变量的选择被控变量的选择 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参数 温度、压力、液位、流量温度、压力、液位、流量 质量

6、指标，以及一些特殊的参数质量指标，以及一些特殊的参数成份、物性参数等，在一般条件下，成份、物性参数等，在一般条件下，无法直接测量和控制无法直接测量和控制 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1.2 被控变量的选择被控变量的选择苯、甲苯二元精馏系统苯、甲苯二元精馏系统 质量指标是最重要的控制参数质量指标是最重要的控制参数 如塔顶产品的纯度如塔顶产品的纯度 x xD D 但但 x xD D 目前无法直接测量，因此，只能用间接控制参数进行控制。目前无法直接测量，因此，只能用间接控制参数进行控制。 根据精馏原理，根据精馏原理，x xD D =

7、 f (T = f (TD D, p), , p), 即与温度和压力成非线性函数即与温度和压力成非线性函数关系。关系。 理论上，固定一项，就可用另一项控制理论上，固定一项，就可用另一项控制x xD D 。 一般的，实际中都采用恒定一般的，实际中都采用恒定p p，通过控制塔顶温度来控制塔顶成分，通过控制塔顶温度来控制塔顶成分。 1.2 被控变量的选择被控变量的选择选择原则：选择原则： （1 1） 测量滞后测量滞后 P P （2 2） 工艺合理性工艺合理性 T T工艺合理性：工艺合理性：规定塔压稳定，保证分离度，保证效率规定塔压稳定，保证分离度，保证效率 各块塔板压力恒定，各块塔板压力恒定，X X

8、D D与与T T有对应关系有对应关系选择选择X XD D=F=F（T T）PTfXD,0 50 100%0 50 100%DXP一定T一定一定DX1.2 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精馏塔精馏塔: : F1F2FnY1.3 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 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用操纵量克服干扰量对被控变量的影响用操

9、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(s) +GPD2(s) F2 (s)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1.2.1有自平衡能力对象有自平衡能力对象（1 1）动态特性：）动态特性：（以单容水槽为例）sRhQ 2可以近似认为Q2与h 成正比将上式代入（1-1）式，移项1QRhdtdhAR

10、ssssRKART,1KQhdtdhT令令则则AdhdtQQ21（1-1）时间常数放大系数水槽面积阀门阻力1.2.1有自平衡能力对象有自平衡能力对象v放大系数放大系数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1QhKs1QKhs或K在数值数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

11、越大越大，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。举例举例以合成氨的转换炉为例，说明各个量的变化对被以合成氨的转换炉为例，说明各个量的变化对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 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

12、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v时间常数时间常数T 从大量的生产实践中发现，有的对象受到干扰后，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1-11 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。 举例举例

13、简单水槽为例简单水槽为例1KQhdtdhT由前面的推导可知由前面的推导可知 TteKQth11假定假定Q1 1为阶跃作用，为阶跃作用，t000或或t=0=0时时Q1 1为一常数，如左图。为一常数，如左图。则函数表达式为则函数表达式为（1-9）反应曲线 对于简单水槽对象，对于简单水槽对象，K= =RS，即放大系数只与出水阀的阻，即放大系数只与出水阀的阻力有关，当阀的开度一定时，放大系数就是一个常数。力有关，当阀的开度一定时，放大系数就是一个常数。 1KQh 1QhK 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：

14、 或或（1-10） 111632.01KQeKQTh将 t=T 代入式（1-9），得（1-11） hTh632.0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。 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。v滞后时间滞后时间分类定义 对象在受到输入作用后，被

15、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。 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

16、介质的输送需要一段时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。间而引起的。 显然显然，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： vL0（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。 安装成分分析仪器时，取样管线太长，取样点安装离设安装成分分析仪器时，取样管线太长，取样点安装

17、离设备太远，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。 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 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，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结论：结论： 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分析过程：分析过程：1.3

18、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 结论：结论：越大，个数越多，干扰对被控变量的影响越小，系统越大，个数越多，干扰对被控变量的影响越小，系统的动态偏差越小，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 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( )()y ty t1.3 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干扰通道特性对控制质量的影

19、响特性参数静态质量的影响动态质量的影响Kf增加余差增加无影响Tf增加无影响过渡过程时间减小，振荡幅值减小f增加无影响无影响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1.3 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，越小

20、，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，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

21、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 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 结论：结论：纯滞后纯滞后 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

22、，会严重影响控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。 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 兼顾考虑工艺的合理性，工艺上不易频繁改变的量也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。不宜作为操纵变量。 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

23、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）选择通道时间常数相对小的（干扰通道时间常数大些）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对静态质量的影响对动态质量的影响K0增加余差减小（稳定前提下）系统趋向于振荡T0增加无影响过渡过程时间增加，系统频率变慢0增加无影响稳定程度大大降低 是指被控介质流过阀门的相对是指被控介质流过阀门的相对流量与阀门

24、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 LlfQQmax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。 在不考虑控制阀前后压差变化时在不考虑控制阀前后压差变化时得到的流量特性称为理想流量特性。得到的流量特性称为理想流量特性。它取决于阀芯的形状它取决于阀芯的形状 图

25、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 串联管道的情形 在实际生产中，控制阀前后压差总是变化的，这时的在实际生产中，控制阀前后压差总是变化的，这时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。管道串联时控制阀的工作流量特性 一般的，生产负荷变化一般的，生产负荷变化对象特性发生变化对象特性发生变化 如，热交换器：如，热交换器： 负荷（被加热的流体）增大：负荷（被加热的流体）增大： 通过热交换器的时间缩短，通过热交换器的时间缩短， 纯滞后减小；纯滞后减小； 特性

26、改变特性改变 流速增大，传热效果变好流速增大，传热效果变好 控制系统投运时，已经整定好了控制系统投运时，已经整定好了PIDPID参数，一旦对象参数，一旦对象特性发生变化时，原来好的特性发生变化时，原来好的PIDPID参数就变得不好了参数就变得不好了（1 1）选择自整定调节器，代价大）选择自整定调节器，代价大（2 2）通过控制阀的特性选择进行弥补）通过控制阀的特性选择进行弥补P15 P15 表表1-1 1-1 控制阀流量特性的选择控制阀流量特性的选择 课本课本P15P15分析的例子分析的例子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解决办法：解决办法：先按控

27、制系统的特点来选择阀的希望流量特性，然后再考虑工艺配管情先按控制系统的特点来选择阀的希望流量特性，然后再考虑工艺配管情况来选择相应的理想流量特性。况来选择相应的理想流量特性。直通单座、直通双座、角阀、高压阀、直通单座、直通双座、角阀、高压阀、蝶阀、蝶阀、隔膜阀、三通阀隔膜阀、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 主要根据工艺条件，如温度、压力及介质的物主要根据工艺条件，如温度、压力及介质的物理、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。 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

28、：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； 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 气动执行器执行结构执行结构控制阀控制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

29、膜上的推力平衡为止。作用力与薄膜上的推力平衡为止。 气动执行器的结构气动执行器的结构v气动阀门定位器气动阀门定位器 气动阀门定位器与气动控制阀配套使用气动阀门定位器与气动控制阀配套使用, ,组成闭环系组成闭环系统统, ,利用反馈原理来改善控制阀的定位精度和提高灵敏度利用反馈原理来改善控制阀的定位精度和提高灵敏度, ,并能以较大功率克服阀杆的摩擦力、介质的不平衡力等影并能以较大功率克服阀杆的摩擦力、介质的不平衡力等影响响, ,从而使控制阀门位置能按控制仪表来的控制信号实现从而使控制阀门位置能按控制仪表来的控制信号实现正确定位。正确定位。组成及作用组成及作用v电-气阀门定位器 采用电-气阀门定位器

30、后，可用电动控制器输出的010 mA 或420 mA DC电流信号去操纵气动执行机构；把上述的电-气转换器与气动阀门定位器结合成一体，组成电-气阀门定位器。 使用微分控制作用，以克服测量环节的容量滞后。使用微分控制作用，以克服测量环节的容量滞后。但是，微分器对于克服纯滞后是无能为力的。因为但是，微分器对于克服纯滞后是无能为力的。因为在纯滞后时间里，参数变化速度等于零，因而微分在纯滞后时间里，参数变化速度等于零，因而微分器输出也等于零，微分器起不到超前作用。器输出也等于零，微分器起不到超前作用。 1 1）克服测量信号传送滞后的办法）克服测量信号传送滞后的办法 当变送器为电动仪表而控制器为气动仪表

31、时，应将电气转当变送器为电动仪表而控制器为气动仪表时，应将电气转换器尽量安置在仪表屏附近，以缩短气信号传送管线长度；换器尽量安置在仪表屏附近，以缩短气信号传送管线长度； 当变送器为气动仪表而控制器为电动仪表时，应在现场安当变送器为气动仪表而控制器为电动仪表时，应在现场安装气电转换器，将气信号转换成电信号后进行传送；装气电转换器，将气信号转换成电信号后进行传送； 当变送器、控制器均为气动仪表时，可在信号传送管线上当变送器、控制器均为气动仪表时，可在信号传送管线上加装气动继动器，以提高信号传送功率，减少滞后。加装气动继动器，以提高信号传送功率，减少滞后。 2 2）克服控制信号传送滞后的办法）克服控

32、制信号传送滞后的办法当控制器为电动仪表时，电气转换器应安装于现场控当控制器为电动仪表时，电气转换器应安装于现场控制阀附近，或在控制阀上安装电气阀门定位器；制阀附近，或在控制阀上安装电气阀门定位器； 当控制器为气动仪表时，应在气动信号传送管线上装当控制器为气动仪表时，应在气动信号传送管线上装设气动继动器，或者在控制阀上安装气动阀门定位器，设气动继动器，或者在控制阀上安装气动阀门定位器，以提高输出功率，减少滞后以提高输出功率，减少滞后。概论控制器的控制规律是指控制器的控制规律是指 控制器的输出信号与输入信号之间的关系。控制器的输出信号与输入信号之间的关系。 xzeefp即 经常是假定控制器的输入信

33、号e是一个阶跃信号，然后来研究控制器的输出信号p随时间的变化规律。 概论位式控制（其中以双位控制比较常用）比例控制（P）积分控制（I）微分控制（D） 位式控制位式控制v双位控制00,)0(0,minmaxeepeepp或或理想的双位控制器其输出理想的双位控制器其输出p p与输入偏差额与输入偏差额e e之间的关系为之间的关系为理想双位控制特性理想双位控制特性双位控制示例双位控制示例由于设置了中间区，当偏差在中间区内变化时，控制机构由于设置了中间区，当偏差在中间区内变化时，控制机构不会动作，因此可以使控制机构开关的频繁程度大为降低，不会动作，因此可以使控制机构开关的频繁程度大为降低，延长了控制器中

34、运动部件的使用寿命。延长了控制器中运动部件的使用寿命。 实际的双位控制规律v具有中间区的双位控制具有中间区的双位控制具有中间区的双位控制过程双位控制过程中一般采用振幅与周期作为品质指标 结论结论被控变量波动的上、下限在允许范围内，使周期长些比较有利。 双位控制器结构简单、成本较低、易于实现，因而应用很普遍。控制质量：控制质量：系统的稳定性系统的稳定性系统的静态误差系统的静态误差系统的动态误差系统的动态误差PID 三作用控制器三作用控制器PID：Proportional Integral DerivativePID控制对偏差信号对偏差信号 (t)进行比例、积分和微分进行比例、积分和微分运算变换后

35、形成的一种控制规律。运算变换后形成的一种控制规律。 01tpdidu tKe tedTe tTdt其中： Kpe (t) 比例控制项，比例控制项， Kp 为比例系数为比例系数 积分控制项，积分控制项，T Ti 为积分时间常数为积分时间常数； 01tiedT 微分控制项，微分控制项， d 为微分时间常数为微分时间常数； ddTe tdtPIDPID控制的传递函数：控制的传递函数：( )1( )1( )cpdiU sG sKT sE sTsPID控制是控制工程中技术成熟、理论完善、应用最为广泛的一种控制策略，经过长期的工程实践，已形成了一套完整的控制方法和典型结构。在很多情形下，PID 控制并不一

36、定需要全部的三项控制作用，而是可以方便灵活地改变控制策略，实施P、PI、PD 或PID 控制。显然，比例控制部分是必不可少的。PID 不仅适用于数学模型已知的控制系统，而且对大多数数学模型难以确定的工业过程也可应用。PID 控制参数整定方便，结构灵活，在众多工业过程控制中取得了满意的应用效果。R(s)E(s)Gc(s)Go(s)F(s)F(s)Go(s)E(s)Gc(s)2222(1)(21)( )(1)(21)okllovijjKT sT sTsG ssTsT sT s( )1/F ss001lim ( )lim( )lim( )tssce tsE sG s终值定理：1( )11ccciii

37、KG sKTsTsTs结论结论： 当控制器为纯比例作用时，系统余差与放大倍当控制器为纯比例作用时，系统余差与放大倍数成反比，即与比例度成正比，比例度数成反比，即与比例度成正比，比例度越大，越大，余差越大；余差越大； 当控制器引入积分作用时，可消除余差；当控制器引入积分作用时，可消除余差； 微分作用对余差没有影响。微分作用对余差没有影响。 0cuK eu0ty(t)图简单水槽的比例控制过程液位开始下降作用在控制阀上的信号进水量增加偏差的变化曲线在t=t0时，系统外加一个干扰作用图 比例度对过渡过程的影响 01ciuKeedtuT0ty(t)P P、I I、D D三参数相互配合三参数相互配合控制器

38、参数整定控制器参数整定 0cDdeuKeTudtv微分控制规律及其特点 dddeuTdt理想微分控制器特性v实际的微分控制规律及微分时间在偏差存在但不变化时,微分作用都没有输出。 微分控制器不能单独使用。它常与比例或比例积分控微分控制器不能单独使用。它常与比例或比例积分控制器组成比例微分控制或比例积分微分控制。制器组成比例微分控制或比例积分微分控制。 图 实际微分器输出变化曲线当输入是一幅值为 A的阶跃信号时n比例微分控制系统比例微分控制系统( )( ) ( )pdde tu tKe tTdtn比例微分控制系统的过渡过程比例微分控制系统的过渡过程 比例微分控制器的输出比例微分控制器的输出u等于

39、比例作用的输出等于比例作用的输出uP与微分作用的输出与微分作用的输出uD之和。改变比例度之和。改变比例度(或或Kp) )和微分和微分时间时间 TD分别可以改变比例作用的强弱和微分作用的强弱。分别可以改变比例作用的强弱和微分作用的强弱。 说明：说明：图 微分时间对过渡过程的影响 微分作用具有抑制振荡的效果，可以提高系统的稳定性,减少被控变量的波动幅度,并降低余差。微分作用也不能加得过大。 微分控制具有“超前”控制作用。 v比例积分微分控制 同时具有比例、积分、微分三种控制作用的控制器称为。1( )()pdideu tKeedtTTdt图 PID控制器输出特性 比例度、积分时间 TI和微分时间 TD。三个可调参数适用场合 对象滞后较大、负荷变化较快、不允许有余差的情况。 控制规律 比例控制、积分控制、微分控制。 提馏段温度与塔底液位控制系统提馏段温度与塔底液位控制系统 TCLCGc1(s)Gcn(s)R1(s)nnRn(s)Y1(s)Yn(s)U1(s)Un(s)jiGc1(s)Gc2(s)R1(s)R2(s)Y1(s)Y2(s)U1(s)U2(s)Gc1(s)Gc2(s)R1(s)R2(s)Y1(s)Y2(s)U1(s)U2(s)uuy11yuy11相对增益的计算：相对增益的计算： 相互关联程度ijijijyuuyyuijijyuuyyuijij011，ijij11，ijij=