《单回路控制系统的工程设计方案4238.pptx》由会员分享，可在线阅读，更多相关《单回路控制系统的工程设计方案4238.pptx（142页珍藏版）》请在taowenge.com淘文阁网|工程机械CAD图纸|机械工程制图|CAD装配图下载|SolidWorks_CaTia_CAD_UG_PROE_设计图分享下载上搜索。
1、第三章第三章 简单过程控制系统简单过程控制系统-单回路控制系统的工程设计单回路控制系统的工程设计 过程控制系统工程设计概述过程控制系统工程设计概述 控制方案设计控制方案设计 检测、变送器选择检测、变送器选择 执行器执行器(调节阀调节阀)选择选择 控制器控制器(调节器调节器)选择选择 过程计算机控制系统的设计过程计算机控制系统的设计 过程控制系统的投运和控制器参数整定过程控制系统的投运和控制器参数整定单回路控制系统的设计举例单回路控制系统的设计举例单单回回路路过过程程控控制制系系统统亦亦称称单单回回路路调调节节系系统统，简简称称单单回回路路系系统统，一一般般是是指指针针对对一一个个被被控控过过程
2、程(调调节节对对象象)，采采用用一一个个测测量量变变送送器器监监测测被被控控过过程程，采采用用一一个个控控制制(调调节节)器器来来保保持持一一个个被被控控参参数数恒恒定定(或或在在很很小小范范围围内内变变化化)，其其输输出出也也只只控控制制一一个个执执行机构行机构(调节阀调节阀)。Single-Loop control system特点特点：结构简单，投资少，易于调整和投：结构简单，投资少，易于调整和投运，尤其适用于运，尤其适用于被控过程的纯滞后和惯性被控过程的纯滞后和惯性小、负荷和扰动变化比较平缓小、负荷和扰动变化比较平缓，或者，或者对被对被控变量要求不高控变量要求不高的场合，约占目前工业控
3、的场合，约占目前工业控制系统的制系统的80%以上。以上。其分析、设计方法是其它各种复杂过程控其分析、设计方法是其它各种复杂过程控制系统分析、设计的基础。制系统分析、设计的基础。第一节第一节 过程控制系统工程设计概述过程控制系统工程设计概述要分析、设计和应用好一个过程控制系统：要分析、设计和应用好一个过程控制系统：首首先先应应对对被被控控过过程程做做全全面面了了解解，对对工工艺过程、设备等做深入的分析；艺过程、设备等做深入的分析；然然后后应应用用自自动动控控制制原原理理与与技技术术，拟拟定定一一个个合合理理正正确确的的控控制制方方案案，选选择择合合适适的的检检测测变变送送器器、控控制制(调调节节
4、)器器、执执行行器器，从从而而达达到到保保证证产产品品质质量量、提提高高产产品品产产量量、降降耗耗节能、保护环境和提高管理水平等目的。节能、保护环境和提高管理水平等目的。本本节节介介绍绍过过程程控控制制系系统统设设计计中中的的一一些些共共性性的原则。的原则。一、对过程控制系统设计的一般要求一、对过程控制系统设计的一般要求 安安全全性性：最最重重要要也也是是最最基基本本的的要要求求。通通常常采采用用参参数数越越限限报报警警、事事故故报报警警、联联锁保护等措施加以保证。锁保护等措施加以保证。稳稳定定性性：绝绝对对稳稳定定、稳稳定定裕裕量量、良良好好的的动动态态响响应应特特性性(过过渡渡过过程程时时
5、间间短短，稳稳态误差小等态误差小等)。经经济济性性：提提高高产产品品质质量量、产产量量的的同同时时，降降耗耗节节能能，提提高高经经济济效效益益与与社社会会效效益。采用先进的控制手段，优化控制。益。采用先进的控制手段，优化控制。在在工工程程上上，以以上上要要求求往往往往相相互互矛矛盾盾。因因此此在在设设计计时时，应应根根据据实实际际情情况况，分分清清主主次次，以以保保证证满满足足最最重重要要的的质质量量、指指标标要求并留有余地。要求并留有余地。过过程程控控制制系系统统的的品品质质由由组组成成系系统统的的结结构构和和各各个个环环节节的的特特性性所所决决定定。因因此此对对于于过过程程控控制制系系统统
6、设设计计者者来来说说除除了了掌掌握握自自动动控控制制理理论论、计计算算机机、仪仪器器、仪仪表表知知识识外外，还还要要十十分分熟熟悉悉生生产产过过程程的的工工艺艺流流程程，从从控控制制的的角角度度理理解解它它的的静静态态与与动动态态特特性性，并并能能针针对对不不同同被被控控过过程程、不不同同的的生生产产工工艺艺控制要求，控制要求，设计设计不同的控制系不同的控制系统统。例：例：热热交交换过换过程：程：过过程特性复程特性复杂杂，时时延明延明显显 液位液位过过程：程：时间时间常数有大有小常数有大有小 燃燃烧过烧过程：程：燃料不一（煤、油、气等）燃料不一（煤、油、气等）二、过程控制系统设计步骤二、过程控
7、制系统设计步骤 过程控制系统的设计，从任务的提出过程控制系统的设计，从任务的提出到系统投入运行，是一个从理论设计到实到系统投入运行，是一个从理论设计到实践，再从实践到理论设计的多次反复的过践，再从实践到理论设计的多次反复的过程，往往要多次用试探法和综合法并借助程，往往要多次用试探法和综合法并借助计算机来模拟仿真。计算机来模拟仿真。1建立被控过程的数学模型建立被控过程的数学模型 只只有有掌掌握握了了(深深入入了了解解了了)过过程程的的数数学学模模型型，才才能能深深入入分分析析过过程程的的特特性性和和选选择择正正确的控制方案。确的控制方案。2选择控制方案选择控制方案 根根据据设设计计任任务务和和技
8、技术术指指标标要要求求，经经过过调调查查研研究究，综综合合考考虑虑安安全全性性、稳稳定定性性、经经济济性性和和技技求求实实施施的的可可行行性性、简简单单性性，进进行行反复比较，选择合理的控制方案。反复比较，选择合理的控制方案。过过程程方方案案初初步步确确定定后后，应应用用控控制制理理论论并并借借助助计计算算机机辅辅助助分分析析进进行行系系统统静静态态、动动态态持持性性分分析析计计算算，判判定定系系统统的的稳稳定定性性、过过渡渡过过程程等等特特性性是是否否满满足足系系统统的的品品质质指指标要求。标要求。3.控制设备选型控制设备选型 根根据据控控制制方方案案和和过过程程特特性性、工工艺艺要要求求，
9、选选择择合合适适的的测测量量、变变送送器器、控控制制器器(控制规律控制规律)、执行器、执行器(调节阀调节阀)等。等。4.实验实验(和仿真和仿真)有有些些在在系系统统设设计计过过程程中中难难以以考考虑虑的的因因素素，可可以以在在实实验验中中考考虑虑，同同时时通通过过实实验验可可以以检检验验系系统统设设计计的的正正确确性性，以以及及系系统的性能。统的性能。控制方案设计控制方案设计：系统设计的核心系统设计的核心。若控制。若控制方案设计不正确，则无论选用何种先进的方案设计不正确，则无论选用何种先进的过程控制仪表或计算机系统，其安装如何过程控制仪表或计算机系统，其安装如何细心，都不可能使系统在工业生产过
10、程中细心，都不可能使系统在工业生产过程中发挥良好的作用，甚至系统不能运行。发挥良好的作用，甚至系统不能运行。工程设计工程设计：包括仪表或计算机系统选型、：包括仪表或计算机系统选型、控制室操作台和仪表盘设计、供电供气系控制室操作台和仪表盘设计、供电供气系统设计、信号及联锁保护系统设计等。统设计、信号及联锁保护系统设计等。工程安装和仪表调校工程安装和仪表调校调节器参数整定调节器参数整定三、过程系统设计的主要内容三、过程系统设计的主要内容四、系统设计中的若干问题四、系统设计中的若干问题1越限报警与联锁保护越限报警与联锁保护 例例：加加热热炉炉热热油油出出口口温温度度的的设设定定值值为为300，工工艺
11、艺要要求求其其高高、低低限限分分别别为为305和和295。例例：加加热热炉炉运运行行中中出出现现严严重重故故障障必必须须紧紧急急停停止止运运行行时时，应应立立即即先先停停燃燃油油泵泵，然然后后关关掉掉燃燃油油阀阀，经经过过一一定定时时间间后后，停停止止引引风机，最后再切断热油阀。风机，最后再切断热油阀。2其它系统安全保护对策其它系统安全保护对策 危危险险环环境境条条件件(如如高高温温、高高压压、易易燃燃、易易爆爆、强强腐腐蚀蚀等等)下下，还还必必须须采采取取相相应应的的安安全全保保护护对对策策，如如采采用用系系统统可可靠靠性性设设计计，选选用用本本质质安安全全防防爆爆防防腐腐、防防爆爆结结构构
12、材材料料)的仪器仪表及装置等。的仪器仪表及装置等。第二节第二节 控制方案设计控制方案设计 单回路系统单回路系统(图图31)控制方案设计包括：控制方案设计包括：合理选择系统合理选择系统性能指标性能指标合理选择合理选择被控参数被控参数Y(s)和控制参数和控制参数Q(s)合理设计合理设计(选择选择)控制控制(调节调节)规律规律Wc(s)被被控控参参数数的的测测量量与与变变送送Wm(s)、执执行行器器(调调节阀节阀)Wv(s)的选择的选择 被被控控过过程程总总是是不不时时受受到到各各种种外外来来干干扰扰的的影影响响，即即系系统统经经常常处处于于动动态态过过渡渡过过程程，因因而而评评价价一一个个过过程程
13、控控制制系系统统的的性性能能、质质量量，主主要要看看它它在在受受到到外外来来扰扰动动作作用用或或给给定定值值发发生生变变化化后后，能能否否迅迅速速地地、准准确确地地且且平平稳稳地地(而而不不是是剧剧烈烈振振荡荡地地)回回复复(或或趋趋近近)到到原原(或或新新)给定值上。给定值上。(一一)系统阶跃响应性能指标系统阶跃响应性能指标 1余差余差(静态偏差静态偏差)C (静态指标静态指标)指指系系统统过过渡渡过过程程终终了了时时，给给定定值值与与稳稳态态值值之之差差。一一般般要要求求余余差差为为零零或或不不超超过过预预定值。定值。一、过程控制系统的性能指标一、过程控制系统的性能指标2衰减率衰减率：(动
14、态指标动态指标)反映系统的稳定程度，应根据生产过反映系统的稳定程度，应根据生产过程的特点来确定适宜的程的特点来确定适宜的值，一般取值，一般取0.750.9。（衰减比。（衰减比4:110:1）3最大偏差最大偏差A(或超调量或超调量)定值系统的最大偏差是指被控参数第定值系统的最大偏差是指被控参数第一个波峰值与给定值的差；随动系统通常一个波峰值与给定值的差；随动系统通常采用超调量指标，即采用超调量指标，即4过渡过程时间过渡过程时间ts 指系统从受扰动作用时起，到被控参指系统从受扰动作用时起，到被控参数进入新的稳态值数进入新的稳态值5%(2%)的范围内所的范围内所经历的时间。经历的时间。(快速性指标快
15、速性指标)上述有的性能指标之间是相互矛盾的，应上述有的性能指标之间是相互矛盾的，应根据工艺生产的具体要求，分清主次，统筹兼根据工艺生产的具体要求，分清主次，统筹兼顾。顾。(二二)偏差积分性能指标偏差积分性能指标 以目标函数形式表示，属于综合指标。以目标函数形式表示，属于综合指标。1.偏差绝对值积分偏差绝对值积分(IAE-Integral of Absolute Error)适用于衰减和无静差系统。适用于衰减和无静差系统。2.偏差绝对值与时间乘积的积分偏差绝对值与时间乘积的积分(ITAE)3偏差平方值积分偏差平方值积分(ISE)4时间乘偏差平方积分时间乘偏差平方积分(ITSE)不不同同的的积积分
16、分性性能能指指标标对对动动态态过过渡渡过过程程的的要要求求侧侧重重点点不不同同。例例如如ISE着着重重于于抑抑制制过过渡渡过过程程中中的的大大误误差差，而而ITAE和和ITSE则则着着重重惩惩罚罚过过渡渡过过程程时时间间拖拖得得太太长长，被被广广泛泛应应用用于于最最优优化化分分析析和和设设计计中中，其其中中ITSE兼兼顾顾抑抑制过程中的大误差。制过程中的大误差。二、被控参数二、被控参数(被控变量、被控量被控变量、被控量)的选的选择择 对对于于一一个个生生产产过过程程，影影响响操操作作的的因因素素很很多多，但但并并非非对对所所有有影影响响因因素素都都需需加加以以控控制制。而而必必须须根根据据工工
17、艺艺要要求求，深深入入分分析析工工艺艺过过程程，找找出出对对产产品品的的产产量量和和质质量量、安安全全生生产产、经经济济运运行行、环环境境保保护护等等具具有有决决定定性性作作用用，能能较较好好反反映映工工艺艺生生产产状状态态变变化化的的参参数数(这这些些参参数数又又是是人人工工控控制制难难以以满满足足要要求求，或或操操作作十十分分紧紧张张、劳劳动动强强度度很很大大，客客观观上上要要求求进进行行自自动动控控制制的的参参数数)作为被控参数。作为被控参数。当当选选择择直直接接参参数数有有困困难难时时(如如直直接接参参数数检检测测很很困困难难或或根根本本无无法法进进行行检检测测)，可可以以选选择择间间
18、接接参参数数(能能间间接接反反映映产产品品产产量量和和质质量量，与与直直接接参参数数有有单单值值对对应应关系，易于测量关系，易于测量)。例例如如，精精馏馏塔塔：塔塔顶顶馏馏出出物物(或或塔塔底底残残液液)的的浓浓度度应应选选作作被被控控参参数数，因因为为它它最最直直接接地地反反映映产产品品的的质质量量。但但目目前前对对成成分分的的测测量量尚尚有有一一定定的的困困难难，于于是是一一般般采采用用塔塔顶顶(或或塔塔底底)温温度度代代替替浓浓度度作为被控参数。作为被控参数。注注意意：间间接接参参数数必必须须与与直直接接参参数数有有单单值值函函数数关关系系，而而且且要要有有足足够够的的灵灵敏敏度度，同时
19、还应考虑到同时还应考虑到工艺的合理性工艺的合理性等。等。直直接接参参数数或或间间接接参参数数的的选选择择并并不不是是唯唯一一的的(更更不不是是随随意意的的)，要要通通过过对对过过程程特性的深入分析，才能作出正确的选择。特性的深入分析，才能作出正确的选择。归纳：选取被控参数的一般原则归纳：选取被控参数的一般原则 1)选选择择对对产产品品的的产产量量和和质质量量、安安全全生生产产、经经济济运运行行和和环环境境保保护护具具有有决决定定性性作作用用的的、可可直直接接测测量量的的工工艺艺参参数数为为被被控控参数。参数。2)当当不不能能用用直直接接参参数数时时，应应选选择择一一个个与与直直接接参参数数有有
20、单单值值函函数数关关系系的的参参数数作作为被控参数。为被控参数。3)必须具有足够高的灵敏度。必须具有足够高的灵敏度。4)必必须须考考虑虑工工艺艺过过程程的的合合理理性性和和所所用仪表的性能。用仪表的性能。三、控制参数三、控制参数(控制变量控制变量)的选择的选择 在有的生产过程中，控制参数的选择在有的生产过程中，控制参数的选择是很明显的是很明显的(唯一确定的唯一确定的)，如锅炉水位控，如锅炉水位控制系统，控制参数只能选给水量。制系统，控制参数只能选给水量。但是在有的生产过程中，可能有几个但是在有的生产过程中，可能有几个控制参数可供选择，这就要通过控制参数可供选择，这就要通过分析比较分析比较不同的
21、控制通道和不同的扰动通道对控制不同的控制通道和不同的扰动通道对控制质量的影响质量的影响而作出合理的选择。所以正确而作出合理的选择。所以正确选择控制参数，就是正确选择控制通道的选择控制参数，就是正确选择控制通道的问题。问题。讨论选择控制参数的一般原则，可从讨论选择控制参数的一般原则，可从过程特性对控制质量的影响过程特性对控制质量的影响入手。入手。()过程静态特性的分析过程静态特性的分析 设单回路控制系统如图设单回路控制系统如图34a。Wc(s)为控制为控制(调节调节)器与执行机构的传递器与执行机构的传递函数；函数；Wo(s)为控制通道的传递函数；为控制通道的传递函数；Wf(s)为扰动通道的传递函
22、数。并设为扰动通道的传递函数。并设 被控量被控量Y(s)对扰动对扰动F(s)的闭环传递函数为的闭环传递函数为 单位阶跃扰动作用下系统稳态值可用终值定理求得单位阶跃扰动作用下系统稳态值可用终值定理求得 可见，可见，扰动通道静态放大系数扰动通道静态放大系数Kf愈大，则愈大，则系统的稳态误差也愈大。系统的稳态误差也愈大。控制通道的静态放大系控制通道的静态放大系数数Ko愈大，表示控制作用愈灵敏，克服扰动的愈大，表示控制作用愈灵敏，克服扰动的能力愈强，控制效果愈显著。因此，确定控制参能力愈强，控制效果愈显著。因此，确定控制参数时，应使数时，应使Ko大于大于Kf。当这一要求不能满足时，。当这一要求不能满足
23、时，可通过调节可通过调节Kc来补偿，使来补偿，使KcKo远大于远大于Kf。(二二)过程动态特性的分析过程动态特性的分析1.扰动通道动态特性对控制质量的影响扰动通道动态特性对控制质量的影响 (1)扰动通道时间常数扰动通道时间常数Tf的影响的影响 图图34所示单回路控制系统所示单回路控制系统:，设，设 系统特征方程式系统特征方程式中增加了一个极点（中增加了一个极点（-1/Tf）。）。如如图图35。随随着着时时间间常常数数Tf的的增增大大，极极点点a将将向向jw轴轴靠靠近近，从从而而过过渡渡过过程程时时间间加加长长（作作用用较较平平缓缓）。由由于于过过渡渡过过程程乘乘了了一一个个1/Tf(见见式式(
24、3-11)，使使整整个个过过渡渡过过程程的的幅幅值值减减小小Tf倍倍，从从而而使使其其超调量随着超调量随着Tf的增大而减小的增大而减小。因因为为Wf(s)为为惯惯性性环环节节，它它对对扰扰动动F(s)起起着着滤滤波波作作用用，抑抑制制扰扰动动对对被被控控参参数数的的影影响响。所所以以扰扰动动通通道道的的时时间间常常数数Tf愈愈大大，容容积积愈愈多多，则则扰扰动动对对被被控控参参数数的的影影响响也也愈愈小小，控控制质量也愈好。制质量也愈好。(2)扰扰动动通通道道时时延延(纯纯滞滞后后)f的的影影响响 如如图图36，当当扰扰动动通通道道有有纯纯滞滞后后时时，系系统统对对扰扰动动的的闭闭环环传传递函
25、数为递函数为 根据拉氏变换的平移定理，可得到图根据拉氏变换的平移定理，可得到图3-4与与图图3-6系统在单位阶跃干扰作用下，被控量的时系统在单位阶跃干扰作用下，被控量的时间响应间响应y(t)与与y(t)间的关系为间的关系为 y(t)y(t-)可可见见，干干扰扰通通道道存存在在纯纯时时间间滞滞后后时时，理理论论上上不不影影响响控控制制质质量量，仅仅使使被被控控参参数数对对干干扰扰的的响响应应在在时时间间上上比比无无滞滞后后存存在在时时推迟了推迟了f值。值。(3)扰动作用点位置扰动作用点位置 扰扰动动引引入入系系统统的的位位置置不不同同，对对被被控控参数的影响也不同参数的影响也不同(图图37)。设
26、设三三只只水水箱箱均均为为一一阶阶惯惯性性环环节节，它它对对扰扰动动f起起着着滤滤波波作作用用，所所以以当当扰扰动动引引入入系系统统的的位位置置离离被被控控参参数数愈愈近近时时，则则对对其其影影响响愈愈大大；相相反反，当当扰扰动动离离被被控控参参数数愈愈远远(如如f1要要通通过过3个个串串联联的的一一阶阶惯惯性性环环节节)时，则对其影响愈小。时，则对其影响愈小。图图3-7 扰动引入系统的位置对被控参数的影响扰动引入系统的位置对被控参数的影响 2控制通道动态特性对控制系统的影响控制通道动态特性对控制系统的影响 设设控控制制系系统统的的临临界界放放大大系系数数为为Kmax，临临界界振振荡荡频频率率
27、为为c。Kmax与与c以以及及Kmaxc 一一定定程程度度上上代代表表了了被被控控过过程程的的控控制制性性能能(Kmax越越大大，可可选选放放大大系系数数K越越大大，系系统统稳稳态态误误差差越越小小；c越越大大，可可选选系系统统工工作作频频率率越越大大，过过渡渡过过程程越越快快)，并并为为研研究究控控制制通通道道动动态态特特性性(即即时时间间常常数数和和时时延延)对对系系统统控制质量的影响提供了方便。控制质量的影响提供了方便。由由表表3-l可可知知，控控制制通通道道中中时时间间常常数数大大、阶阶数数高高、有有纯纯滞滞后后环环节节都都将将使使过过程程的的Kmax与与c值值变变小小，从从而而使使控
28、控制制性性能能变变差差。可可见见应应选选择择时时间间常常数数较较小小、纯滞后小的通道作为控制通道纯滞后小的通道作为控制通道。(1)时间常数时间常数T0的影响的影响 控控制制通通道道时时间间常常数数T0的的大大小小反反映映了了控控制制作作用用的的强强弱弱，反反映映了了控控制制器器的的校校正正作作用用克克服服扰扰动动对被控参数影响的快慢。对被控参数影响的快慢。若若T0太太大大，则则控控制制作作用用太太弱弱，被被控控参参数数变变化化缓缓慢慢，控控制制不不及及时时，系系统统过过渡渡过过程程时时间间长长，控制质量下降。控制质量下降。若若T0太太小小，虽虽然然控控制制作作用用强强，控控制制及及时时，克克服
29、服扰扰动动影影响响快快，过过渡渡过过程程时时间间短短，但但易易引引起起系系统统振振荡荡，使使系系统统稳稳定定性性下下降降，亦亦不不能能保保证证控控制质量。制质量。所所以以在在系系统统设设计计时时，要要求求控控制制通通道道时时间间常常数数T0适适当当小小一一点点，使使其其校校正正及及时时，又又能能获获得得较较好的控制质量。好的控制质量。(2)时时间间滞滞后后的的影影响响 控控制制通通道道的的时时间间滞滞后后包包括括纯纯滞滞后后o和和容容量量滞滞后后c两两种种。它它们们对对控控制制质质量量的的影响不利，尤其是影响不利，尤其是o影响最坏。影响最坏。无纯滞后时系统开环传递函数：无纯滞后时系统开环传递函
30、数：有纯滞后时系统开环传递函数：有纯滞后时系统开环传递函数：由由于于存存在在o，将将使使相相角角滞滞后后增增加加o 弧弧度度(图图39)。由由图图可可知知，当当o0时时，随随KcKo的的增增大大，有有可可能能包包围围(-1，j0)点点。当当o值值愈愈大大时时，这这种种可可能能将将愈愈大大。可可见见，纯纯滞滞后后o的的存存在在将将降降低低系系统统的的稳定性。稳定性。当当控控制制通通道道存存在在纯纯滞滞后后时时，控控制制器器的的校校正正作作用用将将要要滞滞后后一一个个时时间间o，从从而而使使超超调调量量增增加加，使使被被控控参参数数的的最最大大偏偏差差增增大大，引引起起系系统统动动态态指指标标下下
31、降。降。控控制制通通道道的的容容量量滞滞后后c同同样样会会造造成成控控制制作作用用不不及及时时，使使控控制制质质量量下下降降。但但是是c的的影影响响比比纯纯滞滞后后o对对系系统统的的影影响响缓缓和和。另另外外，若若引引入入微微分分作作用用，对对于于克克服服c对对控控制制质质量量的的影影响响有有显显著著的效果。的效果。(3)时间常数分配的影响时间常数分配的影响 如某系统如某系统(图图3l)开环传递函数：开环传递函数：其其中中T110s，T2=5s，T32s。若若每每次次改改变变其其中中一一个个或或两两个个时时间间常常数数，可可求求得得一一组组Kmax，c和和Kmaxc值，如表值，如表32所示。所
32、示。由由表表32可可知知，减减小小过过程程中中最最大大的的时时间间常常数数T1，反反而而引引起起控控制制质质量量下下降降；相相反反增增大大最最大大时时间间常常数数T1，虽虽c略略有有下下降降，但但Kmax增增长长，有有助助于于提提高高控控制制指指标标；而而减减小小T2或或T3都都能能提提高高控控制制性性能能指指标标，若若同同时时减减小小T2、T3，则提高性能指标的效果更好。，则提高性能指标的效果更好。因因此此，在在选选择择控控制制通通道道以以及及选选择择调调节节阀阀、测测量量变变送送器器和和设设计计控控制制(调调节节)器器时时，使使开开环环传传递递函函数数中中(包包括括控控制制器器、调调节节阀
33、阀、被被控控过过程程以以及及测测量量变变送送器器)的的几几个个时时间间常常数数数数值值错错开开，减减小小中中间间的的时时间间常常数数，可可提提高高系系统统的的工工作作频频率率，减减小小过过渡渡过过程程时时间间和和最最大偏差等，改善控制质量。大偏差等，改善控制质量。在在实实际际生生产产过过程程中中，若若过过程程本本身身存存在在多多个个时时间间常常数数，则则最最大大的的时时间间常常数数往往往往涉涉及及生生产产设设备备的的核核心心，不不能能轻轻易易改改动动，但但减减小第二、三个时间常数较易实现。小第二、三个时间常数较易实现。(三三)根据过程特性选择控制参数的一般原则根据过程特性选择控制参数的一般原则
34、1)控控制制通通道道的的放放大大系系数数Ko要要适适当当大大一一些些；时时间间常常数数To要要适适当当小小一一些些；纯纯滞滞后后o愈愈小小愈愈好好，在在有有纯纯滞滞后后o的的情情况况下下，o和和To之之比比应应小小一一些些(小小于于1)，若若其其比比值值过过大大，则则不不利于控制。利于控制。2)扰扰动动通通道道的的放放大大系系数数Kf应应尽尽可可能能小小；时时间间常常数数Tf要要大大；扰扰动动引引入入系系统统的的位位置置(指框图中的位置指框图中的位置)要靠近调节阀。要靠近调节阀。3)当当过过程程本本身身存存在在多多个个时时间间常常数数，在在选选择择控控制制参参数数时时，应应尽尽量量设设法法把把
35、几几个个时时间间常常数数错错开开，使使其其中中一一个个时时间间常常数数比比其其它它时时间间常常数数大大得得多多，同同时时注注意意减减小小第第二二、第第三三个时间常数。个时间常数。这这一一原原则则同同样样适适用用于于控控制制(调调节节)器器、调调节节阀阀和和测测量量变变送送器器时时间间常常数数的的选选择择，控控制制器器、调调节节阀阀和和测测量量变变送送器器(均均为为系系统统开开环环传传递递函函数数中中的的环环节节)的的时时间间常常数数应应远远小小于于被控过程被控过程中最大的时间常数。中最大的时间常数。第三节第三节 检测、变送器选择检测、变送器选择对被控参数迅速、准确地测量对被控参数迅速、准确地测
36、量(准准确地反映实际变化情况确地反映实际变化情况)是是实现高实现高性能控制的重要前提性能控制的重要前提。检测与变送设备主要根据检测与变送设备主要根据被检测参被检测参数的性质数的性质与与系统设计的总体考虑系统设计的总体考虑来来决定。决定。1尽可能选择测量误差小的测量元件尽可能选择测量误差小的测量元件 设控制器与执行机构设控制器与执行机构 ，过程，过程 测量变送器测量变送器 ，则，则 当当Kc很大时，很大时，当当Kc很大时，很大时，可可见见，对对单单回回路路定定值值控控制制系系统统这这样样的的定定值值闭闭环环反反馈馈控控制制系系统统，当当控控制制器器放放大大倍倍数数Kc较较大大(或或含含有有积积分
37、分因因子子)时时，其其稳稳态态误误差差(设设扰扰动动不不变变)取取决决于于反反馈馈通通道道误误差差即即测测量误差的大小。量误差的大小。当当 存存 在在 测测 量量 误误 差差，即即 当当 KmKm0+Km(Km0为为测测量量元元件件的的标标称称放放大大系系数数)时时，被被控控参参数数与与给给定定值值间间不不再再只只有有固固定定的的对对应应关关系系(差差一一个个系系数数)，而而将将随随测测量量误误差差Km的值而变动。的值而变动。高质量的控制离不开高质量的测量。高质量的控制离不开高质量的测量。2.尽可能选择快速响应的测量元件与变送设备尽可能选择快速响应的测量元件与变送设备 检检测测与与变变送送器器
38、都都有有一一定定的的时时间间常常数数，造成所谓的造成所谓的测量滞后测量滞后与与信号传送滞后信号传送滞后。如如热热电电偶偶温温度度检检测测需需要要建建立立热热平平衡衡，因因而而响响应应较较慢慢产产生生测测量量滞滞后后；又又如如气气动动组组合合仪仪表表中中，现现场场测测量量元元件件与与控控制制室室调调节节器器间的信号通过管道传输则产生传送滞后。间的信号通过管道传输则产生传送滞后。为为克克服服其其不不良良影影响响，在在系系统统设设计计中中，应应尽尽可可能能选选用用快快速速测测量量元元件件并并尽尽量量减减小小信信号号传传送送时时间间(如如缩缩短短气气动动传传输输管管道道)，一一般般选选其其时时间间常常
39、数数为为控控制制通通道道时时间间常常数数的的l10以下为宜。以下为宜。3.正确采用微分超前补偿正确采用微分超前补偿 当当系系统统中中存存在在较较大大的的测测量量滞滞后后(如如温温度度与与蒸蒸汽汽压压力力测测量量，存存在在相相当当大大的的容容量量滞滞后后)，为为了了获获得得真真实实的的参参数数值值，可可在在变变送送器器输输出出端端串串一一微分环节微分环节(图图311)：输出与输入间的关系为输出与输入间的关系为若能使若能使TD=Tm，则P(s)=KmT(s)，输出与出与输入呈入呈简单的正比关系，消除了的正比关系，消除了测量滞后量滞后产生的生的动态误差。差。但微分超前控制的使用要慎重，因为但微分超前
40、控制的使用要慎重，因为 （1）要使）要使TD=Tm极为困难。极为困难。（2）微分作用将放大测量、变送）微分作用将放大测量、变送回路中的高频噪声干扰，使系统变得回路中的高频噪声干扰，使系统变得不稳定。不稳定。（3）微分作用对于纯滞后是无能）微分作用对于纯滞后是无能为力的。为力的。4合理选择测量点位置并正确安装合理选择测量点位置并正确安装测量点位置的选择，主要着眼于尽可能减小测量点位置的选择，主要着眼于尽可能减小参数测量滞后与传送滞后，同时也要考虑安参数测量滞后与传送滞后，同时也要考虑安装方便。装方便。(1)测测量量信信号号校校正正 在在检检测测某某些些过过程程参参数数时时，测测量量值值往往往往要
41、要受受到到其其它它一一些些参参数数的的影影响响，例例如如发发电电厂厂过过热热蒸蒸汽汽流流量量测测量量，通通常常用用标标准准节节流流元元件件。在在设设计计参参数数下下运运行行时时，这这种种节节流流装装置置的的测测量量精精度度较较高高，当当参参数数偏偏离离给给定定值值时时，测测量量误误差差较较大大，其其主主要要原原因因是是蒸蒸汽汽密密度度受受压压力力和和温温度度的的影影响响较较大大。为为此此，必必须须对对其其测测量量信号进行压力和温度校正信号进行压力和温度校正(补偿补偿)。5.对测量信号作必要的处理对测量信号作必要的处理(2)测量信号噪声测量信号噪声(扰动扰动)的抑制的抑制 在在测测量量某某些些参
42、参数数时时，由由于于其其物物理理或或化化学学特特点点，常常常常产产生生具具有有随随机机波波动动特特性性的的过过程程噪噪声声。若若测测量量变变送送器器的的阻阻尼尼较较小小，其其噪噪声声会会叠叠加加于于测测量量信信号号之之中中影影响响系系统统的的控控制制质质量量，所所以以应应考考虑虑对对其其加加以以抑抑制制。例例如如测测量量流流量量时时，常常伴伴有有噪噪声声，故故常常常常引引入入阻阻尼尼器器来加以抑制。来加以抑制。有有些些测测量量元元件件本本身身具具有有一一定定的的阻阻尼尼作作用用，测测量量信信号号的的噪噪声声基基本本上上被被抑抑制制，如如用用热热电电偶偶或或热热电电阻阻测测温温时时，由由于于其其
43、本本身身的的惯惯性作用，测量信号无噪声。性作用，测量信号无噪声。(3)对测量信号进行线性化处理对测量信号进行线性化处理 在在检检测测某某些些过过程程参参数数时时，测测量量信信号号与与被被测测参参数数之之间间成成某某种种非非线线性性关关系系。这这种种非非线线性性特性，一般由测量元件所致。特性，一般由测量元件所致。通通常常线线性性化化措措施施在在仪仪表表内内考考虑虑或或测测量量信信号送入计算机后通过数字运算来线性化。号送入计算机后通过数字运算来线性化。如如热热电电偶偶测测温温时时，热热电电动动势势与与温温度度是是非非线线性性的的，当当配配用用DDZIII型型温温度度变变送送器器时时，其其输输出出的
44、的测测量量信信号号就就已已线线性性化化了了，即即变变送送器器的输出电流与温度成线性关系。的输出电流与温度成线性关系。因因此此是是否否要要进进行行线线性性化化处处理理，具具体体问问题题要作具体分析。要作具体分析。第四节第四节 执行器执行器(调节阀调节阀)选择选择 在在过过程程控控制制中中，执执行行器器(亦亦称称执执行行机机构构)大大多多采采用用阀阀的的形形式式，控控制制各各种种气气体体或或液液体体的的流流量量与与流流速速，其其特特性性好好坏坏对对控控制制质质量量的的影响很大。影响很大。实实践践证证明明，若若调调节节阀阀特特性性选选用用不不当当，阀阀门门动动作作不不灵灵活活，口口径径大大小小不不合
45、合适适，都都会会严重影响控制质量。严重影响控制质量。所所以以，应应根根据据生生产产过过程程的的特特点点、被被控控介介质质的的情情况况(尤尤其其关关注注高高温温、高高压压、剧剧毒毒、易易燃燃易易爆爆、易易结结晶晶、强强腐腐蚀蚀、高高粘粘度度等等介介质质)和和安安全全运运行行的的需需要要，并并从从系系统统设设计计的的总总体考虑，选用合适的执行器。体考虑，选用合适的执行器。在过程控制中，在过程控制中，使用最多的是气动执行器使用最多的是气动执行器，其，其次是电动执行器，较少采用液动执行器。（次是电动执行器，较少采用液动执行器。（表表3-3）1选择合适的调节工作区间选择合适的调节工作区间 调调节节阀阀的
46、的Dg、dg必必须须很很好好选选择择，在在正正常常工工况况下下要要求求调调节节阀阀开开度度处处于于1585之间。之间。若若调调节节阀阀口口径径选选得得过过小小，当当系系统统受受到到较较大大扰扰动动时时，调调节节阀阀可可能能运运行行在在全全开开或或接接近近全全开开的的非非线线性性饱饱和和工工作作状状态态，使使系系统统暂暂时失控；时失控；若若调调节节阀阀口口径径选选得得过过大大，系系统统运运行行中中阀阀门门会会经经常常处处于于小小开开度度的的工工作作状状态态，不不但但调调节节不不灵灵敏敏，而而且且易易造造成成流流体体对对阀阀芯芯、阀阀座座的的严严重重冲冲蚀蚀，在在不不平平衡衡力力作作用用下下产产生
47、生振振荡现象，甚至引起调节阀失灵。荡现象，甚至引起调节阀失灵。2选择合适的流量特性选择合适的流量特性 首首先先根根据据过过程程控控制制系系统统的的要要求求，确确定定工工作作流流量量特特性性，然然后后根根据据流流量量特特性性曲曲线线的的畸畸变变程程度度，确确定定理理想想流流量特性。量特性。在在具具体体选选择择调调节节阀阀的的流流量量特特性性时时，根根据据被被控控过过程程特特性性来来选选择择调调节节阀阀的的工工作作流流量量特特性性，若若过过程程特特性性为为线线性性时时，可可选选用用线线性性流流量量特特性性的的调调节节阀阀；若若过过程程特特性性为为非非线线性性，应应选选用用对数对数流量特性的调节阀。
48、流量特性的调节阀。当当阻阻力力比比S确确定定后后，可可从从工工作作流流量量特性出发，决定理想流量特性。特性出发，决定理想流量特性。当当S10.6时时，理理想想流流量量特特性与工作流量特性几乎相同；性与工作流量特性几乎相同；当当S0.30.6时时，调调节节阀阀流流量量特特性性无无论论是是线线性性的的或或对对数数的的，均均应应选择对数的理想流量特性；选择对数的理想流量特性；当当S0.3时时，一一般般已已不不宜宜用用于于自动控制。自动控制。3选择合适的调节阀气开、气关形式选择合适的调节阀气开、气关形式 主要是考虑在不同工艺条件下主要是考虑在不同工艺条件下安全生安全生产产的需要。选用气动调节阀应考虑以
49、下情的需要。选用气动调节阀应考虑以下情况：况：1)考虑事故状态时人身、工艺设备的安全。考虑事故状态时人身、工艺设备的安全。当过程控制系统发生故障当过程控制系统发生故障(如气源中断、如气源中断、控制器损坏或调节阀坏了控制器损坏或调节阀坏了)时，调节阀所处时，调节阀所处的状态不致影响人身和工艺设备的安全。的状态不致影响人身和工艺设备的安全。例：例：锅炉供水调节阀锅炉供水调节阀 进加热炉的燃料气进加热炉的燃料气(油油)的调节阀的调节阀2)考虑事故状态下减少经济损失，保证考虑事故状态下减少经济损失，保证产品质量。产品质量。例：例：精馏塔进料调节阀精馏塔进料调节阀 精馏塔回流量调节阀精馏塔回流量调节阀3
50、)考虑介质的性质。考虑介质的性质。例：例：装有易结晶、易凝固物料的装有易结晶、易凝固物料的装置的流量调节阀装置的流量调节阀第四节第四节 控制器控制器(调节器调节器)的选择的选择在在过过程程控控制制中中，控控制制器器常常称称为为调调节节器器(控制控制常称为常称为调节调节)。控控制制器器的的选选型型与与控控制制规规律律的的确确定定是是系系统设计中统设计中最重要最重要的环节。的环节。控控制制器器的的选选型型主主要要根根据据被被控控过过程程的的特特性性、工工艺艺对对控控制制品品质质的的要要求求、系系统统的的总体设计总体设计(包括经济性包括经济性)来综合考虑。来综合考虑。本节讨论控制器选择中的共性问题。