第二章过程装备控制基础课件.ppt

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1、第二章过程装备控制基础第1页，此课件共90页哦2.1 被控对象的特性被控对象的特性本节主要内容本节主要内容:2.1.1 被控对象的特性及其描述方法被控对象的特性及其描述方法 2.1.2 被控对象的三大特性参数被控对象的三大特性参数放大系数放大系数K、时间常数时间常数T、滞后时间、滞后时间本节学习要点本节学习要点本节思考题及作业本节思考题及作业第2页，此课件共90页哦引言影响自动控制系统控制质量的因素有：被控对象的特性 自动控制装置的特性组成的自动控制系统控制规律检测仪表与传感器控制器执行器被控变量干扰作用 y给定值控制器执行器对 象f测量元件与变送器xe=xzumz偏差第3页，此课件共90页哦

2、2.1.1 2.1.1 被控对象的特性及其描述方法被控对象的特性及其描述方法被控对象的特性及其描述方法被控对象的特性及其描述方法y被控变量m操纵变量f干扰量通道通道被控对象的输入变量至输出变量之间的信号联系信号联系控制通道：控制通道：m y干扰通道：干扰通道：f ymyf被控对象图1 对象的输入、输出量一一 通道的含义通道的含义被控对象的特性：被控对象的特性：是指被控对象输入变量输入变量与输出变量输出变量之间的关系。即被控对象的输入量发生变化时，对象的输出量随时间的变化规律。静态特性、动态特性静态特性、动态特性第4页，此课件共90页哦 为要研究被控对象的特性为要研究被控对象的特性 在生产过程中

3、，存在各种各样的被控对象。这些对象的特性各不相同。有的较易操作，工艺变量能够控制得比较平稳；有的却和很难操作，工艺变量容易产生大幅度波动，只要稍不谨慎就回超出工艺允许的范围，轻则影响生产，重则造成事故。只有充分了解和熟悉对象特性，才能使工艺生只有充分了解和熟悉对象特性，才能使工艺生产在最佳状态下运行。产在最佳状态下运行。因此，在控制系统设计时，先必须充分了解被控对象的特性，掌握它们的内在规律，才能选择合适的被控变量、操纵变量、合适的测量元件和控制器，选择合理的控制器参数，设计合乎工艺要求的控制系统。第5页，此课件共90页哦二二二二 被控对象特性的描述方法被控对象特性的描述方法被控对象特性的描述

4、方法被控对象特性的描述方法1 理论数学模型法理论数学模型法用定量地表达对象输入、输出关系的数学表达式（微分方程式、偏微分方程式、状态方程等）来表达。2 实验输出曲线或数据表格实验输出曲线或数据表格用对象在一定形式输入作用下的输出曲线或数据表格来表示。根据输入形式的不同，有阶跃反应曲线、脉冲反应曲线、矩形脉冲反应曲线、频率特性曲线等。返回首页第6页，此课件共90页哦1 机理建模机理建模 是通过对对象内部的运动机理分析，根据对象中物理或化学变化规是通过对对象内部的运动机理分析，根据对象中物理或化学变化规律（如律（如质量守恒定律、能量守恒定律等质量守恒定律、能量守恒定律等），在忽略一些次要因素或做出

5、一些近），在忽略一些次要因素或做出一些近似处理后推导出的对象特性方程。通过这种方法得到的数学模型叫机理模型。机似处理后推导出的对象特性方程。通过这种方法得到的数学模型叫机理模型。机理模型常表现为理模型常表现为微分方程式、偏微分方程式、状态方程等）。微分方程式、偏微分方程式、状态方程等）。下面以一阶对象、二阶对象、积分对象为例讨论机理建模的方法下面以一阶对象、二阶对象、积分对象为例讨论机理建模的方法：HQ1Q2列平衡方程列平衡方程单位时间内单位时间内流入流入对象的物料（能量）对象的物料（能量）单单位时间内位时间内流出流出对象的物料（能量）对象的物料（能量）=对象中储对象中储存量的变化率存量的变化

6、率（1）一阶对象（有自衡特性）一阶对象（有自衡特性）-对象在受到干扰时，自身能重新对象在受到干扰时，自身能重新 恢复平衡的特性。恢复平衡的特性。A面积图2-1 有自衡单容液位对象第7页，此课件共90页哦 把输入变量放在右边，输出变量放在左边，写成方程的形式把输入变量放在右边，输出变量放在左边，写成方程的形式找出中间变量，消去中间变量，找出输入与输出变量之间的关系找出中间变量，消去中间变量，找出输入与输出变量之间的关系Q2 中间变量中间变量R s出口阀的阻力系数出口阀的阻力系数第8页，此课件共90页哦(2)二阶对象二阶对象h1Q1R1Q12h2R2Q2图2-5 串联水槽对象经过以上步骤的推导：P

7、g19机理建模的优点：机理建模的优点：理论逻辑性强缺点：缺点：对于复杂的对象，机理分析法很困难；另外，由于作了假设，有时理论与实际不相符。第9页，此课件共90页哦2 2 实验测取法实验测取法实验测取法实验测取法（黑匣子法）黑匣子法）是在所要研究的对象上，人为施加一定的输入作用，然后、用仪是在所要研究的对象上，人为施加一定的输入作用，然后、用仪表测取并记录表征对象特性的物理量随时间变化规律，即得到一系列表测取并记录表征对象特性的物理量随时间变化规律，即得到一系列实验数据或实验曲线。然后对这些实验数据或曲线进行必要的数据处实验数据或实验曲线。然后对这些实验数据或曲线进行必要的数据处理，求取对象的特

8、性参数，进而得到对象的数学模型理，求取对象的特性参数，进而得到对象的数学模型。（1）阶跃反应曲线法阶跃反应曲线法 是当对象处于稳定状态时，在对象是当对象处于稳定状态时，在对象 的输入端施加一个幅值已知的阶的输入端施加一个幅值已知的阶跃扰动，然后测量和记录输出变量跃扰动，然后测量和记录输出变量 的数值，就可以画出输出变量随时间的数值，就可以画出输出变量随时间变化的曲线。经过一定的处理，就可以变化的曲线。经过一定的处理，就可以得到描述对象特性的几个参数（放得到描述对象特性的几个参数（放大倍数大倍数K、时间常数、时间常数T、滞后时间、滞后时间）。hQ1Q2Q1tt0Att0h图2-9 水槽的阶跃反应

9、曲线优点：优点：简单简单缺点：缺点：精度较差精度较差第10页，此课件共90页哦（2 2）矩形脉冲法）矩形脉冲法 是当对象处于稳定状态时，在时间是当对象处于稳定状态时，在时间t0突然加一个幅值为突然加一个幅值为A的阶跃扰的阶跃扰动，到时间动，到时间t1时突然除去，这时测得输出变量随时间变化的曲线为矩形脉时突然除去，这时测得输出变量随时间变化的曲线为矩形脉冲法曲线。冲法曲线。图2-10 矩形脉冲特性曲线矩形脉冲特性曲线优点：优点：由于加在对象上的干扰经过一段时间由于加在对象上的干扰经过一段时间后除去，所以干扰的幅值可以取得较大，后除去，所以干扰的幅值可以取得较大，故故精度较高。最常用。精度较高。最

10、常用。xtt0Att0yt1第11页，此课件共90页哦2.1.2 被控对象的特性参数被控对象的特性参数 对象的特性可通过数学模型来描述，也可通过以下三个物理量对象的特性可通过数学模型来描述，也可通过以下三个物理量来描述来描述：放大系数放大系数K、时间常数、时间常数T、滞后时间滞后时间 1 放大系数放大系数K（静态增益）（静态增益）数值上等于对象处于稳定状态时数值上等于对象处于稳定状态时输出的变化量输出的变化量与与输入的变化量之比。输入的变化量之比。即：即：K=输出变化量输出变化量输入变化量输入变化量=hQ1反映的是对象处于稳定状态下输出和反映的是对象处于稳定状态下输出和 输入之间的关系，所以放

11、大输入之间的关系，所以放大系数系数K是描述对象静态特性的参数。是描述对象静态特性的参数。不同通道的放大系数对控制系统的影响不同通道的放大系数对控制系统的影响 对于控制通道：对于控制通道：K大，控制作用强，控制灵敏；大，控制作用强，控制灵敏；K小，控制作用弱。小，控制作用弱。一一般希望控制通道般希望控制通道K大一些好，大一些好，但但K不能太大，否则会使系统的稳定性下降。不能太大，否则会使系统的稳定性下降。对于干扰通道：对于干扰通道：K大对控制不利。大对控制不利。一般希望干扰通道一般希望干扰通道K小一些好，小一些好，第12页，此课件共90页哦 当对象受到阶跃输入作用后，被控变量如果保持初始速度变化

12、，达到新的稳当对象受到阶跃输入作用后，被控变量如果保持初始速度变化，达到新的稳态值所需的时间。或当对象受到阶跃输入作用后被控变量达到新的稳态值的态值所需的时间。或当对象受到阶跃输入作用后被控变量达到新的稳态值的63.2%所需的时间。所需的时间。是反映被控变量变化快慢的参数，因此是反映被控变量变化快慢的参数，因此T是反映对象动态特性的参数。是反映对象动态特性的参数。2 2 时间常数时间常数时间常数时间常数T Tth（）T1 T2 T3 T4 0.632h（）0图2-7 不同 时间常数的比较对于控制通道：对于控制通道：T大，被控变量的变大，被控变量的变化比较缓慢，对象比较平稳，容易进行化比较缓慢，

13、对象比较平稳，容易进行控制，但过渡时间长；控制，但过渡时间长；T小，被控变量小，被控变量的变化快，不易控制。的变化快，不易控制。T太大、太小太大、太小都不利都不利对于干扰通道：对于干扰通道：T大、扰动作用比较平缓，被控变量变化较平稳，对象容易控制。一般希望干扰通道一般希望干扰通道T大一大一些好，些好，时间常数的实验求法：如图时间常数的实验求法：如图2-7第13页，此课件共90页哦（=0+C）传递时间传递时间 0：是输出变量的变化落后于输入变量变化的时间。一般由介是输出变量的变化落后于输入变量变化的时间。一般由介质的输送或热的传递需要一段时间引起的。例如图质的输送或热的传递需要一段时间引起的。例

14、如图2-8的溶解糟。的溶解糟。容量滞后容量滞后 C 是因为物料或能量的传递需要通过一定的阻力引起的。是因为物料或能量的传递需要通过一定的阻力引起的。3 3 滞后时间滞后时间滞后时间滞后时间 yy（t）y （t）xt图图 2-8 有、无纯滞后的一阶阶跃响应曲线有、无纯滞后的一阶阶跃响应曲线对于控制通道：对于控制通道：应尽量减小 对于干扰通道：对于干扰通道：大对控制有利t0yt图图 2-6 具有容量滞后对象的反应曲线具有容量滞后对象的反应曲线 C第14页，此课件共90页哦本节学习要点1 了解化工对象的特点及其描述方法了解化工对象的特点及其描述方法2 掌握对象动态特性的通道含义掌握对象动态特性的通道

15、含义3了解对象数学模型的建立了解对象数学模型的建立4 掌握表征被控对象特性的三大参数掌握表征被控对象特性的三大参数放大系数放大系数K、时间、时间常数常数T、滞后时间、滞后时间的物理意义及其对控制质量的影响的物理意义及其对控制质量的影响5 掌握被控对象特性的实验测定方法掌握被控对象特性的实验测定方法本节思考题：本节思考题：Pg63：5本节作业：补充题本节作业：补充题2 第15页，此课件共90页哦补充作业题补充作业题2 2：为了测定某重油预热炉的对象特性，在某瞬间（假定为了测定某重油预热炉的对象特性，在某瞬间（假定t0=0）突然将燃）突然将燃气量从气量从2.5t/h增加到增加到3.0 t/h，重油

16、出口温度记录仪得到的阶跃反映曲线如图所，重油出口温度记录仪得到的阶跃反映曲线如图所示。假定对象为一阶对象，试描述该重油预热炉特性方程式（分别以温度变化示。假定对象为一阶对象，试描述该重油预热炉特性方程式（分别以温度变化量与燃气变化量为输出量与输入量），并解出燃料量变化量为单位阶跃变化量量与燃气变化量为输出量与输入量），并解出燃料量变化量为单位阶跃变化量时温度变化量的函数表达式。时温度变化量的函数表达式。燃料量（t/h）t/min3.02.5温度/15012014528t/min重油预热炉的阶跃反应曲线第16页，此课件共90页哦2.2 2.2 单回路（简单）控制系统单回路（简单）控制系统本节主要

17、内容本节主要内容:2.2.1 单回路控制系统控制方案的设计单回路控制系统控制方案的设计一一 被控变量的选择被控变量的选择 二二 操纵变量的选择操纵变量的选择三三 测量元件的选择测量元件的选择 四四 执行器的选择执行器的选择 五五 控制器的选择控制器的选择2.2.2 控制器的控制规律及正、反方向控制器的控制规律及正、反方向2.2.3 控制器控制参数的工程整定控制器控制参数的工程整定第17页，此课件共90页哦1 何为单回路控制系统何为单回路控制系统？一一 单回路（简单）控制系统的结构组成与设计思路单回路（简单）控制系统的结构组成与设计思路给定值xx0偏差e控制器执行器对象干扰检测变送装置被控变量y

18、z控制信号u操纵变量m图1-2 简单控制系统的方块图 是指由是指由一个一个被控对象、被控对象、一个一个检测元件及变送器、检测元件及变送器、一个一个控制器和控制器和一一个个执行器所构成的单闭环控制系统。执行器所构成的单闭环控制系统。2 单回路控制系统如何表示？单回路控制系统如何表示？用带控制点的工艺流程图表示。如图用方块图来表示。第18页，此课件共90页哦3 3 单回路控制系统的设计思路单回路控制系统的设计思路单回路控制系统的设计思路单回路控制系统的设计思路 被控变量的选择被控变量的选择 操纵变量的选择操纵变量的选择 检测变送元件及检测位置的选检测变送元件及检测位置的选择择 执行器的选择执行器的

19、选择 控制器及控制规律的选择控制器及控制规律的选择对控制器的参数进行工程整定对控制器的参数进行工程整定了解被控对象了解被控对象了解被控对象了解被控对象确定控制方案确定控制方案确定控制方案确定控制方案给给定值定值xx0偏差偏差e控制器控制器执行器执行器对象对象干扰干扰检测变送装置检测变送装置被控变量被控变量yz控制信号控制信号u操纵变量操纵变量m第19页，此课件共90页哦1 被控变量被控变量:生产过程中希望借助控制系统生产过程中希望借助控制系统保持恒定值的工艺参数。保持恒定值的工艺参数。被控变量的正确选择是关系到被控系统能否达到预期控制效果的重要因被控变量的正确选择是关系到被控系统能否达到预期控

20、制效果的重要因素。影响生产过程的因素很多，素。影响生产过程的因素很多，只有影响生产的关键变量才能作为被控变只有影响生产的关键变量才能作为被控变量。所谓量。所谓“关键关键”变量：变量：就是它们对产品质量以及安全具有决定性的作用，就是它们对产品质量以及安全具有决定性的作用，而人工操作又难以满足要求的；或者人工操作虽然可以满足要求，但是这种操而人工操作又难以满足要求的；或者人工操作虽然可以满足要求，但是这种操作是既紧张而又频繁的。作是既紧张而又频繁的。二二二二 单回路控制系统的设计单回路控制系统的设计单回路控制系统的设计单回路控制系统的设计（一）被控变量（一）被控变量（一）被控变量（一）被控变量y

21、y如何选择如何选择？例如：塔设备的精馏过程例如：塔设备的精馏过程控制目标：控制目标：使塔顶（塔底）馏出物达到规定纯度使塔顶（塔底）馏出物达到规定纯度被控变量的选择方案：被控变量的选择方案：组分是工艺上的质量指标，直接选馏出物的组分。组分是工艺上的质量指标，直接选馏出物的组分。选间接指标：选间接指标：x（组分浓度）、（组分浓度）、T（温度）、（温度）、P（压力）三（压力）三者之间有者之间有一定的关系一定的关系，从工艺的合理性考虑，选温度作为被，从工艺的合理性考虑，选温度作为被控变量控变量，另外从灵敏度方面考虑，温度的变化灵敏。，另外从灵敏度方面考虑，温度的变化灵敏。第20页，此课件共90页哦第2

22、1页，此课件共90页哦 被控变量应能被测量出来，并具有足够大的灵敏度被控变量应能被测量出来，并具有足够大的灵敏度.被控变量应是独立可控的。被控变量应是独立可控的。应考虑工艺合理性和国内仪表产品现状。应考虑工艺合理性和国内仪表产品现状。2 被控变量选择原则被控变量选择原则 被控变量应能代表一定的工艺操作指标或能反映工艺操作状态被控变量应能代表一定的工艺操作指标或能反映工艺操作状态,一般都一般都是工艺过程中比较重要的变量是工艺过程中比较重要的变量.被控变量在工艺操作过程中经常要受到一些干扰影响而变化，因而需要被控变量在工艺操作过程中经常要受到一些干扰影响而变化，因而需要频繁加以控制的变量。频繁加以

23、控制的变量。尽量采用直接指标作为被控变量，当无法获得直接控制指标信号，或尽量采用直接指标作为被控变量，当无法获得直接控制指标信号，或其测量、传送其测量、传送 滞后很大时，可选择与直接控制指标有单值对应关系的间滞后很大时，可选择与直接控制指标有单值对应关系的间接控制变量。接控制变量。第22页，此课件共90页哦1 操纵变量：操纵变量：把用来克服干扰对被控变量的影响，实现控制作用的把用来克服干扰对被控变量的影响，实现控制作用的 变量变量 称为操纵变量（称为操纵变量（一般为介质的流量）一般为介质的流量）.补充图补充图 影响提馏段温度的各种因素示意图影响提馏段温度的各种因素示意图可控因可控因素素不可控不

24、可控因素因素 可控因素中可控因素中Q蒸蒸比比Q回回 对提馏段温度的对提馏段温度的影响更及时、更显著；另外，从节能的影响更及时、更显著；另外，从节能的角度方面，控制角度方面，控制Q蒸蒸比控制比控制Q回回消耗的能量消耗的能量要小要小，所以选所以选Q蒸蒸为操纵变量为操纵变量（二）操纵变量（二）操纵变量（二）操纵变量（二）操纵变量mm如何选择如何选择如何选择如何选择？被控变量被控变量.Q入入T入入x入入Q蒸蒸Q回回T灵灵被控对象被控对象图图2-13 精馏过程示意图精馏过程示意图第23页，此课件共90页哦干扰变量干扰变量f操纵变量操纵变量m被控变量被控变量干扰通道（干扰通道（K0小小、T大、大、大大对对

25、 控制有利）控制有利）控制通道（控制通道（K0大、大、T小、小、小对控制有利）小对控制有利）干扰变量干扰变量f由干扰通道干扰通道施加在对象上，起着破坏作用破坏作用，使被控变量偏离给定值偏离给定值；操纵变量操纵变量m由控制通道控制通道施加在对象上，起着校正作用校正作用，使被控变量回复到给定值回复到给定值；干扰变量干扰变量f、操纵变量、操纵变量m对被控变量对被控变量y的影响规律与对象的特性有关的影响规律与对象的特性有关2 对象特性对操纵变量选择的影响对象特性对操纵变量选择的影响 放大系数放大系数K对于控制通道：对于控制通道：K0大，控制作用克服干扰的能力强；K小，控制作用弱。一般希望控制通道一般希

26、望控制通道K0大一些好大一些好，但K不能太大，否则会使系统的稳定性下降。对于干扰通道：对于干扰通道：K f大对控制不利。一般希望干扰通道一般希望干扰通道K f小一些好小一些好第24页，此课件共90页哦3 3 操纵变量的选择原则操纵变量的选择原则操纵变量的选择原则操纵变量的选择原则 操纵变量应是可控的，即工艺上允许调节的变量。操纵变量应是可控的，即工艺上允许调节的变量。操纵变量一般应比其他干扰对被控变量的影响更加灵敏。操纵变量一般应比其他干扰对被控变量的影响更加灵敏。在选择操纵变量时，除了从自动化角度考虑外，还要考虑工艺的合理性与在选择操纵变量时，除了从自动化角度考虑外，还要考虑工艺的合理性与生

27、产的经济性。生产的经济性。时间常数的影响时间常数的影响对于控制通道：希望时间常数对于控制通道：希望时间常数T小一些好，控制及时。小一些好，控制及时。对于干扰通道：一般希望干扰通道对于干扰通道：一般希望干扰通道T大一些好，大一些好，T大表示干扰对被控变量的影响缓慢，有利于控制。滞后时间滞后时间的影响的影响对于控制通道：对于控制通道：小对控制有利。小对控制有利。对于干扰通道：对于干扰通道：大对控制有利大对控制有利第25页，此课件共90页哦参数yz(a)tyzt(b)yz(c)t若被控变量若被控变量y作阶跃变化时作阶跃变化时,测测量值量值z慢慢靠近慢慢靠近y,显然显然,前一前一段两者差距很大段两者差

28、距很大若若y作递增变化作递增变化,而而z则则一直跟不上去一直跟不上去,总存总存在着偏差在着偏差若若y作周期性变化作周期性变化,z的振荡的振荡幅值将比幅值将比y减小减小,而且落后而且落后一个相位一个相位给定值给定值x0偏差偏差e控制器控制器执行器执行器对象对象干扰干扰f检测变送装置检测变送装置被控变量被控变量yz控制信号控制信号u操纵变量操纵变量m1 要考虑测量元件时间常数的影响：要考虑测量元件时间常数的影响：T大，对控制不利大，对控制不利（三）检测变送元件及检测位置如何选择？（三）检测变送元件及检测位置如何选择？要选要选T小的测量元件，最好选惰性小的快速测量元件小的测量元件，最好选惰性小的快速

29、测量元件 在控制器中引入微分作用，进行超前补偿来克服测量滞后。在控制器中引入微分作用，进行超前补偿来克服测量滞后。测量、变送装置的作用：测量、变送装置的作用：是控制系统中获取信息和传递信息的装置，也是系统进行控制的是控制系统中获取信息和传递信息的装置，也是系统进行控制的依依 据。据。要求：要求：准确、及时反映被控变量的状况。准确、及时反映被控变量的状况。第26页，此课件共90页哦2 要注意测量元件的安装，尽量减少测量元件纯滞后的影响要注意测量元件的安装，尽量减少测量元件纯滞后的影响 电极所测得的信号与中和槽内溶液的电极所测得的信号与中和槽内溶液的pH值在时间上就延迟了一段时间值在时间上就延迟了

30、一段时间 0,主管道内流体的流速副管道内流体的流速主管道长度副管道长度图2-14 中和罐内PH值的控制系统例:酸槽LCACl2电极l1中和槽ATPH第27页，此课件共90页哦3 要尽量减少测量信号和控制信号的传送滞后要尽量减少测量信号和控制信号的传送滞后测量信号传送滞后：测量信号传送滞后：是指由现场测量变送装置的信号传送到控制室的是指由现场测量变送装置的信号传送到控制室的控制器所引起的滞后。电信号可忽略，气信号则滞后较大，控制器所引起的滞后。电信号可忽略，气信号则滞后较大，一般气压信号管路一般气压信号管路300 m，直径，直径6mm。否则，要改为电信号。否则，要改为电信号。控制信号传送滞后控制

31、信号传送滞后：是指由控制室内控制器的输出控制信号传送到现场执行是指由控制室内控制器的输出控制信号传送到现场执行器所引起的滞后。一般现场与控制室之间都采用电信号，减少传送滞后。对于气器所引起的滞后。一般现场与控制室之间都采用电信号，减少传送滞后。对于气动薄膜控制阀，则要加电动薄膜控制阀，则要加电气转换器，将电信号转换信号，以控制气动控气转换器，将电信号转换信号，以控制气动控制阀。制阀。给定值给定值x0偏差偏差e控制器控制器执行器执行器对象对象干扰干扰f检测变送装置检测变送装置被控变量被控变量yz控制信号控制信号u操纵变量操纵变量m小结：小结：测量元件要正确选用、合理安装、及时维修，以保证测量元件

32、有足够测量元件要正确选用、合理安装、及时维修，以保证测量元件有足够的测量精度、较小的时间常数、尽量减小纯滞后和信号传递滞后的测量精度、较小的时间常数、尽量减小纯滞后和信号传递滞后测量信号测量信号传送滞后传送滞后控制信号传送滞后控制信号传送滞后第28页，此课件共90页哦（四）执行器的选择（四）执行器的选择（四）执行器的选择（四）执行器的选择给定值给定值x0偏差偏差e控制器控制器执行器执行器对象对象干扰干扰f检测变送装置检测变送装置被控变量被控变量yz控制信号控制信号u操纵变量操纵变量m执行器（控制阀）的作用：执行器（控制阀）的作用：接受控制器送来的信号，自动地改变阀门的开度（即改变操纵接受控制器

33、送来的信号，自动地改变阀门的开度（即改变操纵变量），克服扰动的影响，从而实现生产过程的自动控制。常见的有：变量），克服扰动的影响，从而实现生产过程的自动控制。常见的有：气动薄膜，电动、液气动薄膜，电动、液动执行器动执行器执行器如何选择？执行器如何选择？按照按照生产过程的特点、安全运行和推动力生产过程的特点、安全运行和推动力等选择阀的类型：气动薄膜，等选择阀的类型：气动薄膜，电动、液动执行器电动、液动执行器 根据根据被控变量的大小被控变量的大小选择阀的流通能力；选择阀的流通能力；从生产从生产安全的角度安全的角度选择阀的气开或气关形式；选择阀的气开或气关形式；从从被控对象的特性、负荷的变化情况被控

34、对象的特性、负荷的变化情况等选择阀的流量特性。等选择阀的流量特性。第29页，此课件共90页哦（五）（五）（五）（五）控制器如何选择？控制器如何选择？控制器如何选择？控制器如何选择？给定值给定值x0偏差偏差e控制器控制器执行器执行器对象对象干扰干扰f检测变送装置检测变送装置被控变量被控变量yz控制信号控制信号u操纵变量操纵变量m控制（调节）器的作用：控制（调节）器的作用：将检测变送信号与工艺上需要保持的设定值进将检测变送信号与工艺上需要保持的设定值进行比较，得出偏差的大小，根据偏差的大小及变化趋势，按照预先设定行比较，得出偏差的大小，根据偏差的大小及变化趋势，按照预先设定好的控制规律进行运算后，

35、将运算结果用特定的信号发送给执行器（控好的控制规律进行运算后，将运算结果用特定的信号发送给执行器（控制阀），实现对生产过程的自动控制。制阀），实现对生产过程的自动控制。l控制器的选择包括两方面的内容：控制器的选择包括两方面的内容：1 控制规律的选择控制规律的选择2 正、反作用的确定正、反作用的确定第30页，此课件共90页哦即：即：u=f(e)=f（zx）常见的控制规律有常见的控制规律有：控制规律控制规律指的是控制器的输出信号（指的是控制器的输出信号（u）与输入信号（）与输入信号（e=zx）之间的关系）之间的关系位式位式比例（比例（P）proportion积分（积分（I）integral微分（微

36、分（D）differential组合（组合（PI、PD、PID）2.2 控制规律和正、反作用的选择控制规律和正、反作用的选择2.2.1 控制规律的选择控制规律的选择 要根据要根据广义对象广义对象的特性和工艺要求来决定的特性和工艺要求来决定第31页，此课件共90页哦广义对象广义对象给定给定值值x0偏差偏差e控制器控制器执行器执行器对象对象干扰干扰f检测变送装置检测变送装置被控变量被控变量yz控制信号控制信号u 操纵变量操纵变量m控制器控制器广义对象广义对象干扰干扰给定值给定值 简单控制系统简化方块图简单控制系统简化方块图被控变量测量值被控变量测量值第32页，此课件共90页哦一一一一 位式控制位式

37、控制位式控制位式控制就是控制器的输出只有数个特定的数值，或它的执行机构只有数个就是控制器的输出只有数个特定的数值，或它的执行机构只有数个特定的位置特定的位置 位式控制规律（开关控制）：位式控制规律（开关控制）：其输出只有两个数值（最大或最小），相应的其输出只有两个数值（最大或最小），相应的控制机构只有开和关两个极限位置。控制机构只有开和关两个极限位置。u maxu minue图图2-16 理想的双理想的双位控制规律位控制规律u（t）=u max e0或或 e0u min e0 或或e0理想的双位控制器理想的双位控制器 控制规律表达式：控制规律表达式：例例P29：图：图2-17：利用双位控制器控

38、制炉温。利用双位控制器控制炉温。温度T0时，继电器断开温度T0时，继电器合上优点：优点：结构简单、成本较低、使用方便。结构简单、成本较低、使用方便。缺点缺点：执行器不断地开、关，不实用执行器不断地开、关，不实用第33页，此课件共90页哦 实际的双位控制器实际的双位控制器实际的双位控制器实际的双位控制器 特点：特点：具有开关特性，工作状态只有开、关两种状态。具有开关特性，工作状态只有开、关两种状态。其控制作用不是连续变化，是断、续控制。被控变量的变化是一个等幅其控制作用不是连续变化，是断、续控制。被控变量的变化是一个等幅震荡过程震荡过程 偏差在某一中间区域时，控制机构不动作。偏差在某一中间区域时

39、，控制机构不动作。如：家用冰箱、电饭锅如：家用冰箱、电饭锅（双（双金属温度计既是测温元件又是控制元件）。金属温度计既是测温元件又是控制元件）。uttyy Hy L图图2-19 具有中间区的双位控制过程具有中间区的双位控制过程 结构简单，成本低廉，易于实现。结构简单，成本低廉，易于实现。图图2-18 实际的双位控制规律实际的双位控制规律开 关umaxemaxeminumin第34页，此课件共90页哦二二二二 比例控制规律比例控制规律比例控制规律比例控制规律（ProportionProportion）指控制器的输出信号变化量指控制器的输出信号变化量u与输入偏差信号变化量与输入偏差信号变化量e之之间

40、成比例关系。间成比例关系。图图2-20 即：即：u（t）=K p e（t）比例放大系数比例放大系数K p（K p=u/e），有量纲。，有量纲。反映比例控制作反映比例控制作用的强弱。用的强弱。K p 大，比例控制作用强大，比例控制作用强 K p 小，比例控制作用弱小，比例控制作用弱第35页，此课件共90页哦二二二二 比例控制规律比例控制规律比例控制规律比例控制规律（ProportionProportion）比例度比例度：工业中常用比例度来表示比例控制作用的强弱。工业中常用比例度来表示比例控制作用的强弱。指控制器指控制器输入的变化相对值输入的变化相对值与相应的与相应的输出变化相对值之比输出变化相对

41、值之比的百分数。无量纲。的百分数。无量纲。第36页，此课件共90页哦 比例度与比例放大系数的关系比例度与比例放大系数的关系比例度与比例放大系数的关系比例度与比例放大系数的关系：都表示比例控制器控制作用的强弱。都表示比例控制器控制作用的强弱。比例度的物理意义比例度的物理意义：要使控制器的输出变化全量程时，相应的：要使控制器的输出变化全量程时，相应的 输入变化量占仪输入变化量占仪表量程的百分数。表量程的百分数。例：例：DDZ型比例作用温度控型比例作用温度控制器，温度刻度范围为制器，温度刻度范围为400800，控制器的输出工作范围为，控制器的输出工作范围为0 10mA。当指示指针从。当指示指针从60

42、0移到移到700，控制器相应的输出，控制器相应的输出从从4mA变为变为9mA，其比例度，其比例度 从上式可看出从上式可看出：与与KP成反比，成反比，K p 比例控制作用比例控制作用 ，K p 比例控制作用比例控制作用 而而 比例控制作用比例控制作用 ，比例控制作用比例控制作用u minu max0100%=50%=100%=200%e/（e maxe min）第37页，此课件共90页哦 比例控制规律对系统过渡过程的影响比例控制规律对系统过渡过程的影响比例控制规律对系统过渡过程的影响比例控制规律对系统过渡过程的影响a)有余差。例如：有余差。例如：杠杆浮球构成的比例液位控制系统：杠杆浮球构成的比例

43、液位控制系统：为什么为什么？当当Q1=Q2 时；杠杆为水平位置时；杠杆为水平位置当当Q2突然突然 增加时，阀增加时，阀1必须增大，使必须增大，使Q1=Q2 时，才能建立新的时，才能建立新的平衡，此时阀杆上移，浮球下移，浮球达到新的平衡位置比平衡，此时阀杆上移，浮球下移，浮球达到新的平衡位置比原来的平衡位置（给定值）低，其差值就是余差。原来的平衡位置（给定值）低，其差值就是余差。b)K p 大，比例控制作用强大，比例控制作用强；K p 小小，比例控制作用弱，比例控制作用弱 即即小，小，比例控制作用强；比例控制作用强；大，比例控制作用弱，大，比例控制作用弱，K p太大，太太大，太小对控制都不利，小

44、对控制都不利，K p太大，稳定性下降；太小，过渡平稳，太大，稳定性下降；太小，过渡平稳，但余但余差大。差大。如图如图2-22第38页，此课件共90页哦 图图图图2-22 2-22 不同不同不同不同 下的过渡过程下的过渡过程下的过渡过程下的过渡过程ytytyt小于临界值ty太大 偏小yt 偏大yt 适当 等于临界值第39页，此课件共90页哦 比例控制规律优缺点比例控制规律优缺点干扰少、扰动幅度小、负荷变化不大、滞后较小，控制要求不高、干扰少、扰动幅度小、负荷变化不大、滞后较小，控制要求不高、允许有余差存在。例如：塔釜的液位、贮槽的液位、冷凝器的液位允许有余差存在。例如：塔釜的液位、贮槽的液位、冷

45、凝器的液位等。等。结构简单、控制及时、参数整定方便。结构简单、控制及时、参数整定方便。控制结果控制结果有余差有余差。适应场合：适应场合：第40页，此课件共90页哦三三 积分控制规律（积分控制规律（I I）(integral)(integral)定义定义：是指控制器的输出变化量：是指控制器的输出变化量u与输入偏差与输入偏差e的积分成正比。的积分成正比。即即：阶跃响应曲线阶跃响应曲线当有偏差时，输出信号将随时间增大。当有偏差时，输出信号将随时间增大。当偏差为零时，输出停止变化而稳定在某当偏差为零时，输出停止变化而稳定在某一值上，因而用积分控制器组成控制系统一值上，因而用积分控制器组成控制系统可以达

46、到无余差。可以达到无余差。teutATI图2-23 积分调节的开环特性KI积分速度积分速度 TI积分时间常数积分时间常数积分作用为什么不单独使用？积分作用为什么不单独使用？开始为开始为0，随，随t u缓慢缓慢 即当即当e刚进入时，刚进入时，uI几乎为零，积分作用太微弱，控制不及时，即有几乎为零，积分作用太微弱，控制不及时，即有滞后。滞后。第41页，此课件共90页哦四四四四 比例积分控制（比例积分控制（比例积分控制（比例积分控制（PIPI）定义定义：在比例控制的基础上，再加上积分控制作用，便构成比例积分控制规律。：在比例控制的基础上，再加上积分控制作用，便构成比例积分控制规律。控制既及时，又能消

47、除余差。控制既及时，又能消除余差。数学表达式：数学表达式：如何求取比例放大系数如何求取比例放大系数KP及及积分时间常数积分时间常数TI（实验）（实验）利用利用当当t=TI 时，时，uPI=2KPA这一关系。这一关系。具体操作：具体操作：给比例积分控制器输入一个幅值给比例积分控制器输入一个幅值 为为A 的阶跃的阶跃变化，立即记下输出的跃变值并开动秒表变化，立即记下输出的跃变值并开动秒表记时，当记时，当uPI=2KPA时，此时的时间为时，此时的时间为TI；跃变值跃变值KPA除以阶跃输入幅值除以阶跃输入幅值A就是就是KPteutAKP A2KPA图图2-24 比例积分的开环特性比例积分的开环特性TI

48、第42页，此课件共90页哦积分时间积分时间积分时间积分时间T TI I对过渡过程的影响对过渡过程的影响对过渡过程的影响对过渡过程的影响如 TI ，KI 积分作用，积分作用，积分速度积分速度准确性准确性 ，C 0，但系统的稳定性，但系统的稳定性ytytytTI太小TI适当tyTI=TI太太图图2-25 积分时间积分时间I对过渡过程的影响对过渡过程的影响 比例积分控制的优缺点比例积分控制的优缺点 既控制及时、又能消除余差。既控制及时、又能消除余差。但但TI过小过小，会使系统的稳定性下降。会使系统的稳定性下降。适应场合：适应场合：广泛应于广泛应于压力、流量、液位和那些没有大的时压力、流量、液位和那些

49、没有大的时间滞后的具体对象间滞后的具体对象。如如 TI ，KI 积分作用积分作用 ，积分速度，积分速度 ，准确性准确性 ，但系统的稳定性，但系统的稳定性第43页，此课件共90页哦五五五五 比例微分控制规律（比例微分控制规律（比例微分控制规律（比例微分控制规律（PD）（）（）（）（differential)differential)1 理想微分控制规律（理想微分控制规律（D）定义：是指控制器的输出变化量定义：是指控制器的输出变化量u与输入偏差与输入偏差e的变化速度成正比。的变化速度成正比。表达式：表达式：u=TD de/dt TD为微分时间，表示微分作用的强弱。为微分时间，表示微分作用的强弱。d

50、e/dt 为偏差信号变化速度。为偏差信号变化速度。响应曲线：响应曲线：特点：特点：这种控制器用在系统中，即使偏差很这种控制器用在系统中，即使偏差很小，只要出现变化趋势，马上就进行控制，故有小，只要出现变化趋势，马上就进行控制，故有超前控制超前控制之称，这就它的优点，但它的输出不之称，这就它的优点，但它的输出不能反映偏差的大小，假如偏差固定，即使数值很能反映偏差的大小，假如偏差固定，即使数值很大，微分作用也没有输出，大，微分作用也没有输出，因而控制结果不能因而控制结果不能消除偏差消除偏差，不能单独使用。，不能单独使用。teutt0图2-26 理想微分控制器特性t00第44页，此课件共90页哦2