经典过程控制技术
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参数
原始数据 减小T1 减小T2 减小T3 加大T1 减小T2T3
T1
10 5 10 10 20 10
T2
5 5 2.5 2.5 5 2.5
T3
2 2 2 1 2 1
Kmax
12.6 9.8 13.5 19.8 19.2 19.3
ωo
0.41 0.49 0.54 0.57 0.37 0.74
Kmaxωo
现代过程控制基础
3 经典过程控制技术
信息学院
二○一七年十月
1
本章内容：
单回路控制系统 单回路控制系统的组成与设计 PID参数的整定 串级控制系统 前馈控制系统 大时滞过程控制系统
2
3.1 单回路控制系统
在所有反馈控制系统中，单回路反馈控制系 统是最基本、结构最简单的一种。 在生产过程控制中应用得最为广泛的、并能 解决大量控制问题的系统（70%）。 研究单回路系统的分析和设计方法，是研究 复杂控制系统的基础。
19
3.1.3 PID参数的整定
评价控制性能指标要根据生产过程对控制的要求来制定，可概括为稳定性 、准确性和快速性，这三方面的要求在时域上体现为若干性能指标。 下图是闭环控制系统在设定值扰动下的被控量阶跃响应，该曲线的形态可 以用一系列指标描述，它们是衰减率、超调量、残余偏差、调节时间、振荡频 率等。
喷雾式干燥设备控制系统设计
过滤器 A 高位槽 B
1
干燥器 2 风管 换热器 3 蒸汽 产品
• 乳液由高位槽输出，流经过滤器进入 干燥器顶部，从喷嘴喷出。 • 冷空气由鼓风机引入并分成两路，一 路送至换热器（用蒸汽加热）后与另 一路混合，经风管进入干燥器。 • 热空气蒸发乳液中的水分，成为奶粉， 并随湿空气一起由底部送出进行分离。
鼓风机
干燥后产品的水分含量不能波动太大！
牛奶类乳化物干燥过程中的 喷雾式干燥工艺流程图
17
• • • •
被控变量和操作变量选择谁？ 控制阀如何选择？ 如何进行控制？ 测量变送装置如何选择？
3.1.2 控制方案设计——工程设计实例
过滤器 A 高位槽 B 干燥器 2 风管 换热器 3 蒸汽 产品 1
T乳液恒定
单回路控制系统方框图
4
3.1.1 单回路控制系统组成结构
F(S) R(S) + E(S) X(S) Gc(s) U(S) Gv(s) Gm(s) Q(S) Gf(s) Go(s) + + Y(S)
各环节的增益有正、负之别： 控制器：正作用时（系统测量值增加时输出也增加）增益为“负” 反作用时（系统测量值增加时输出减小）增益为“正” 控制阀：气开阀增益为“正”，气闭阀增益为“负” 变送器：一般为“正” 控制对象：根据操纵变量Q(S)的变化引起被控变量Y(S)的变化来确定 Q(S) Y(S) 增益为“正”,反之为“负”
深入研究其特性对系统控制质量的影响情况 的重要性
8
3.1.2 控制方案设计——被控参数的选择
一、被控参数的选择
1、直接指标控制
选择易于测量，且能直接反映生产过程中质量、产量、安全性 的物理量。对于以温度、压力、流量、液位为操作指标的生产 过程，一般就选择温度、压力、流量、液位为被控变量。 2、间接指标控制 对于选择质量指标作为被控变量，若存在仪表无法测量产品成 分或物性参数（密度、粘度等）时，可选择一种间接的指标、 作为被控变量。该间接指标必须与直接指标存在单值的对应关 系，并具有一定的变化灵敏度。
整个系统必须是一个负反馈系统，因此自R(S)至X(S)的各个环节增益的乘积 必须是正值。
5
3.1.1 单回路控制系统组成结构
控制阀开、闭形式： 控制阀流量特性：
气关 控制阀
气开
6
3.1.2 控制方案设计
喷雾式干燥设备控制系统设计
过滤器 A 高位槽 B 干燥器 2 风管 换热器 3 蒸汽 产品
1
• 乳液由高位槽输出，流经过滤器进入 干燥器顶部，从喷嘴喷出。 • 冷空气由鼓风机引入并分成两路，一 路送至换热器（用蒸汽加热）后与另 一路混合，经风管进入干燥器。 • 热空气蒸发雾态乳液中的水分，成为 奶粉，并随湿空气一起送出进行分离。
5.2 4.8 7.3 11.2 7.1 14.2
13
3.1.2 控制方案设计——控制变量的选择
考虑3：注意扰动通道动态特性对控制系统的影响。
1. 扰动通道时间常数的影响:时间常数尽可能大一些。
F (s)
被控量对扰动的闭环传递函数为
Wf s Y s F s 1 Wc s W 0 s
9
3.1.2 控制方案设计——控制变量的选择
二、控制变量（或称操纵变量）的选择
（1）具有可控性、可操作性和经济性。一般选择物料流或能量流。 （2）综合考虑控制通道和干扰通道对控制质量的影响。
F (s)
W f (s)
X (s)
W ( s)
W0 ( s )
Y ( s)
10
3.1.2 控制方案设计——控制变量的选择
1 KC 式中 K C ——比例增益， ； T ； K I KC K I ——积分增益， TI
de t 1 u t K C e t e t dt TD T dt I
de t e k e k 1 dt T
e t dt Te j
j 0
k
数字PID控制算式（位置型）：
3
3.1.1 单回路控制系统组成结构
干扰 给定 + 偏差 控制器 测 量 控制阀 控制对象 被控量
变送器
R(S)：给定值 F(S) R(S) + E(S) X(S) Gc(s) U(S) Gv(s) Gm(s) Q(S)
X(S)：测量值
Gf(s) Go(s) + + Y(S) E(S)：偏差 U(S)：控制信号 Q(S)：操纵变量 Y(S)：被控变量 F(S)：扰动信号
奶粉水 份含量
（旁路空气-蒸汽热交换）
（旁路空气-热空气热交换）
18
3.1.2 控制方案设计——工程设计实例
2．过程检测、控制设备的选用
（1）测温元件及变送器 被控温度在600℃以下，选用Pt100热电阻温度计。为提高检测精度 ，应用三线制接法。 （2）调节阀 • 根据生产工艺安全原则及被控介质特点，选气关形式。 • 根据过程特性与控制要求选用等百分比流量特性的调节阀。 （3）调节器 • 根据生产工艺要求，选用带热电阻三线制输入的数字式调节器。 • 根据过程特性与工艺要求，可选用PI或PID控制规律。 • 基于负反馈原则，由于选用调节阀为气关式，故Kv为负；当给被控 过程输入的空气量增加时，干燥器的温度降低，故K0为负；测量变 送器的Km通常为正。为使整个系统中各环节静态放大系数的乘积为 正，则调节器的Kc应为正，故选用反作用调节器。
Wf ( s )
WO ( s )
X (s)
Wc ( s)
Y (s)
设扰动通道为一个单容过程，其传递函数为 W f s
Y s K f F s Tf 1 s T f 1 1 Wc s W0 s
Kf Tf s 1
考虑1：控制通道的放大系数要大一些，扰动通道放大系数尽量小。
F (s)
W f (s)
W0 ( s)
Y ( s)
K0 T0 s 1
Kf Tf s 1
X (s)
W ( s)
W0 ( s )
W f ( s)
W ( s) Kc
被控量Y(s)对F(s)的闭环控制传递为：
(T0 s 1) K f Y ( s) F (s) (T0 s 1)(Tf s 1) K0 Kc (T f s 1)
1.被控量与控制量选择
• 1）被控量选择 根据生产工艺， 水分含量与干燥温度密切相关。考虑 到水分测量困难，故选用干燥温度为 被控参数，它与水分一一对应，将温 度控制在一定数值上。 • 2）控制量选择 综合考虑控制系统 稳态和动态品质，选择旁路空气量为 控制量
鼓风机
Qheat 恒定
旁路空气流量
换热器
根据终值定理，在阶跃干扰引起的系统余差为
e() lim s
s 0
控制通道的放大系数K0要 大些，但K0过大易使系统 不稳定。 干扰通道放大系数Kf 越小 越好。
(T0 s 1) K f
s[(T0 s 1)(Tf s 1) K0 Kc (T f s 1)] 1 K0 Kc
衰减率
y (t )
B1 B2
5%
B1 B2 B 1 2 B1 B1
y t p y y
x (t ) y ( )
超调量
y (t p )
100%
0
tp
tsFra Baidu bibliotek
20
t
3.1.3 PID参数的整定
PID控制一直是应用最为广泛的控制规律。虽然近30年来随着计算机应用的 普及，一批复杂的只有计算机才能完成的控制算法在过程控制系统中得以推广 应用，但PID仍然是应用最广泛的控制算法。 模拟PID控制算式：
，则有
过渡过程的幅值减小Tf 倍，从而使其 超调量减小。扰动通道的时间常数越 大，则扰动对被控量的影响也越小， 控制质量也越好。
14
3.1.2 控制方案设计——控制变量的选择
考虑3：注意扰动通道动态特性对控制系统的影响。
2. 扰动作用点位置的影响:扰动引入系统的位置尽可能远离被控量。
f1
1#
LC
f2
蒸汽流量 热空气 温度
f 2 (t )
K2
风管 +
乳液流量
混合空 气温度
f1 (t )
干燥器
K1
K1
+
f3 (t )
K3 3s 1
干燥温度
Thot (t )
K2
1 Theat (t ) 2s 1
1 T (t ) 1s 1
(气-液热交换)
K s 1
(水分蒸发过程)
C (t )
2# f3
LT
设三个水箱均为一阶惯性环 节，它对扰动f起着滤波作 用，所以扰动引入系统的位 置离被控量越近，则对其影 响越大；相反，扰动离被控 量越远（如f1要通过三个串 联的一阶惯性环节）时，则 对其影响越小。
3#
15
3.1.2 控制方案设计——控制变量的选择
16
3.1.2 控制方案设计——工程设计实例
11
Kf
3.1.2 控制方案设计——控制变量的选择
考虑2：注意控制通道动态特性对控制系统的影响。 1.控制通道时间常数的影响： 控制通道时间常数的大小反映了控制作用的强弱，反映了调节器 的校正作用克服扰动对被控量影响的快慢：
• 时间常数越大，控制器对被控量的作用越弱，控制越不及时；
• 时间常数过小，调节过于灵敏，调节阀频繁开大关小，容易引 起振荡。
T u k K C e k TI
TD e j e k e k 1 T j 0
k
21
3.1.3 PID参数的整定
数字PID控制算式（增量型）：
TD T u k K C e k e k 1 e k e k 2e k 1 e k 2 T T I KC e k e k 1 KI e k KD e k 2e k 1 e k 2
所以在系统设计时，要求控制通道时间常数适当小一点，使其校
正及时，又能获得较好的控制影响。
12
3.1.2 控制方案设计——控制变量的选择
考虑2：注意控制通道动态特性对控制系统的影响。
2. 多容广义对象时间常数匹配的影响:广义被控过程中的几个时间常 数尽可能错开，可提高系统的工作频率，减小过渡时间和最大偏差。 Kc K0 K m Kv Wc s W0 s Wm s Wv s T1s 1T2 s 1T3s 1
鼓风机
干燥后产品的水分含量不能波动太大！
牛奶类乳化物干燥过程中的 喷雾式干燥工艺流程图
7
• • • •
被控变量和操作变量选择谁？ 控制阀如何选择？ 如何进行控制？ 测量变送装置如何选择？
3.1.2 控制方案设计
基本原则: 安全性、稳定性、经济性
前提：充分了解具体的生产工艺过程和控制要求 • • • • 正确选择被控变量和操作变量 正确选择控制阀的开闭型式及其流量特性 正确选择控制器的类型及其正反作用 正确选择测量变送装置
原始数据 减小T1 减小T2 减小T3 加大T1 减小T2T3
T1
10 5 10 10 20 10
T2
5 5 2.5 2.5 5 2.5
T3
2 2 2 1 2 1
Kmax
12.6 9.8 13.5 19.8 19.2 19.3
ωo
0.41 0.49 0.54 0.57 0.37 0.74
Kmaxωo
现代过程控制基础
3 经典过程控制技术
信息学院
二○一七年十月
1
本章内容：
单回路控制系统 单回路控制系统的组成与设计 PID参数的整定 串级控制系统 前馈控制系统 大时滞过程控制系统
2
3.1 单回路控制系统
在所有反馈控制系统中，单回路反馈控制系 统是最基本、结构最简单的一种。 在生产过程控制中应用得最为广泛的、并能 解决大量控制问题的系统（70%）。 研究单回路系统的分析和设计方法，是研究 复杂控制系统的基础。
19
3.1.3 PID参数的整定
评价控制性能指标要根据生产过程对控制的要求来制定，可概括为稳定性 、准确性和快速性，这三方面的要求在时域上体现为若干性能指标。 下图是闭环控制系统在设定值扰动下的被控量阶跃响应，该曲线的形态可 以用一系列指标描述，它们是衰减率、超调量、残余偏差、调节时间、振荡频 率等。
喷雾式干燥设备控制系统设计
过滤器 A 高位槽 B
1
干燥器 2 风管 换热器 3 蒸汽 产品
• 乳液由高位槽输出，流经过滤器进入 干燥器顶部，从喷嘴喷出。 • 冷空气由鼓风机引入并分成两路，一 路送至换热器（用蒸汽加热）后与另 一路混合，经风管进入干燥器。 • 热空气蒸发乳液中的水分，成为奶粉， 并随湿空气一起由底部送出进行分离。
鼓风机
干燥后产品的水分含量不能波动太大！
牛奶类乳化物干燥过程中的 喷雾式干燥工艺流程图
17
• • • •
被控变量和操作变量选择谁？ 控制阀如何选择？ 如何进行控制？ 测量变送装置如何选择？
3.1.2 控制方案设计——工程设计实例
过滤器 A 高位槽 B 干燥器 2 风管 换热器 3 蒸汽 产品 1
T乳液恒定
单回路控制系统方框图
4
3.1.1 单回路控制系统组成结构
F(S) R(S) + E(S) X(S) Gc(s) U(S) Gv(s) Gm(s) Q(S) Gf(s) Go(s) + + Y(S)
各环节的增益有正、负之别： 控制器：正作用时（系统测量值增加时输出也增加）增益为“负” 反作用时（系统测量值增加时输出减小）增益为“正” 控制阀：气开阀增益为“正”，气闭阀增益为“负” 变送器：一般为“正” 控制对象：根据操纵变量Q(S)的变化引起被控变量Y(S)的变化来确定 Q(S) Y(S) 增益为“正”,反之为“负”
深入研究其特性对系统控制质量的影响情况 的重要性
8
3.1.2 控制方案设计——被控参数的选择
一、被控参数的选择
1、直接指标控制
选择易于测量，且能直接反映生产过程中质量、产量、安全性 的物理量。对于以温度、压力、流量、液位为操作指标的生产 过程，一般就选择温度、压力、流量、液位为被控变量。 2、间接指标控制 对于选择质量指标作为被控变量，若存在仪表无法测量产品成 分或物性参数（密度、粘度等）时，可选择一种间接的指标、 作为被控变量。该间接指标必须与直接指标存在单值的对应关 系，并具有一定的变化灵敏度。
整个系统必须是一个负反馈系统，因此自R(S)至X(S)的各个环节增益的乘积 必须是正值。
5
3.1.1 单回路控制系统组成结构
控制阀开、闭形式： 控制阀流量特性：
气关 控制阀
气开
6
3.1.2 控制方案设计
喷雾式干燥设备控制系统设计
过滤器 A 高位槽 B 干燥器 2 风管 换热器 3 蒸汽 产品
1
• 乳液由高位槽输出，流经过滤器进入 干燥器顶部，从喷嘴喷出。 • 冷空气由鼓风机引入并分成两路，一 路送至换热器（用蒸汽加热）后与另 一路混合，经风管进入干燥器。 • 热空气蒸发雾态乳液中的水分，成为 奶粉，并随湿空气一起送出进行分离。
5.2 4.8 7.3 11.2 7.1 14.2
13
3.1.2 控制方案设计——控制变量的选择
考虑3：注意扰动通道动态特性对控制系统的影响。
1. 扰动通道时间常数的影响:时间常数尽可能大一些。
F (s)
被控量对扰动的闭环传递函数为
Wf s Y s F s 1 Wc s W 0 s
9
3.1.2 控制方案设计——控制变量的选择
二、控制变量（或称操纵变量）的选择
（1）具有可控性、可操作性和经济性。一般选择物料流或能量流。 （2）综合考虑控制通道和干扰通道对控制质量的影响。
F (s)
W f (s)
X (s)
W ( s)
W0 ( s )
Y ( s)
10
3.1.2 控制方案设计——控制变量的选择
1 KC 式中 K C ——比例增益， ； T ； K I KC K I ——积分增益， TI
de t 1 u t K C e t e t dt TD T dt I
de t e k e k 1 dt T
e t dt Te j
j 0
k
数字PID控制算式（位置型）：
3
3.1.1 单回路控制系统组成结构
干扰 给定 + 偏差 控制器 测 量 控制阀 控制对象 被控量
变送器
R(S)：给定值 F(S) R(S) + E(S) X(S) Gc(s) U(S) Gv(s) Gm(s) Q(S)
X(S)：测量值
Gf(s) Go(s) + + Y(S) E(S)：偏差 U(S)：控制信号 Q(S)：操纵变量 Y(S)：被控变量 F(S)：扰动信号
奶粉水 份含量
（旁路空气-蒸汽热交换）
（旁路空气-热空气热交换）
18
3.1.2 控制方案设计——工程设计实例
2．过程检测、控制设备的选用
（1）测温元件及变送器 被控温度在600℃以下，选用Pt100热电阻温度计。为提高检测精度 ，应用三线制接法。 （2）调节阀 • 根据生产工艺安全原则及被控介质特点，选气关形式。 • 根据过程特性与控制要求选用等百分比流量特性的调节阀。 （3）调节器 • 根据生产工艺要求，选用带热电阻三线制输入的数字式调节器。 • 根据过程特性与工艺要求，可选用PI或PID控制规律。 • 基于负反馈原则，由于选用调节阀为气关式，故Kv为负；当给被控 过程输入的空气量增加时，干燥器的温度降低，故K0为负；测量变 送器的Km通常为正。为使整个系统中各环节静态放大系数的乘积为 正，则调节器的Kc应为正，故选用反作用调节器。
Wf ( s )
WO ( s )
X (s)
Wc ( s)
Y (s)
设扰动通道为一个单容过程，其传递函数为 W f s
Y s K f F s Tf 1 s T f 1 1 Wc s W0 s
Kf Tf s 1
考虑1：控制通道的放大系数要大一些，扰动通道放大系数尽量小。
F (s)
W f (s)
W0 ( s)
Y ( s)
K0 T0 s 1
Kf Tf s 1
X (s)
W ( s)
W0 ( s )
W f ( s)
W ( s) Kc
被控量Y(s)对F(s)的闭环控制传递为：
(T0 s 1) K f Y ( s) F (s) (T0 s 1)(Tf s 1) K0 Kc (T f s 1)
1.被控量与控制量选择
• 1）被控量选择 根据生产工艺， 水分含量与干燥温度密切相关。考虑 到水分测量困难，故选用干燥温度为 被控参数，它与水分一一对应，将温 度控制在一定数值上。 • 2）控制量选择 综合考虑控制系统 稳态和动态品质，选择旁路空气量为 控制量
鼓风机
Qheat 恒定
旁路空气流量
换热器
根据终值定理，在阶跃干扰引起的系统余差为
e() lim s
s 0
控制通道的放大系数K0要 大些，但K0过大易使系统 不稳定。 干扰通道放大系数Kf 越小 越好。
(T0 s 1) K f
s[(T0 s 1)(Tf s 1) K0 Kc (T f s 1)] 1 K0 Kc
衰减率
y (t )
B1 B2
5%
B1 B2 B 1 2 B1 B1
y t p y y
x (t ) y ( )
超调量
y (t p )
100%
0
tp
tsFra Baidu bibliotek
20
t
3.1.3 PID参数的整定
PID控制一直是应用最为广泛的控制规律。虽然近30年来随着计算机应用的 普及，一批复杂的只有计算机才能完成的控制算法在过程控制系统中得以推广 应用，但PID仍然是应用最广泛的控制算法。 模拟PID控制算式：
，则有
过渡过程的幅值减小Tf 倍，从而使其 超调量减小。扰动通道的时间常数越 大，则扰动对被控量的影响也越小， 控制质量也越好。
14
3.1.2 控制方案设计——控制变量的选择
考虑3：注意扰动通道动态特性对控制系统的影响。
2. 扰动作用点位置的影响:扰动引入系统的位置尽可能远离被控量。
f1
1#
LC
f2
蒸汽流量 热空气 温度
f 2 (t )
K2
风管 +
乳液流量
混合空 气温度
f1 (t )
干燥器
K1
K1
+
f3 (t )
K3 3s 1
干燥温度
Thot (t )
K2
1 Theat (t ) 2s 1
1 T (t ) 1s 1
(气-液热交换)
K s 1
(水分蒸发过程)
C (t )
2# f3
LT
设三个水箱均为一阶惯性环 节，它对扰动f起着滤波作 用，所以扰动引入系统的位 置离被控量越近，则对其影 响越大；相反，扰动离被控 量越远（如f1要通过三个串 联的一阶惯性环节）时，则 对其影响越小。
3#
15
3.1.2 控制方案设计——控制变量的选择
16
3.1.2 控制方案设计——工程设计实例
11
Kf
3.1.2 控制方案设计——控制变量的选择
考虑2：注意控制通道动态特性对控制系统的影响。 1.控制通道时间常数的影响： 控制通道时间常数的大小反映了控制作用的强弱，反映了调节器 的校正作用克服扰动对被控量影响的快慢：
• 时间常数越大，控制器对被控量的作用越弱，控制越不及时；
• 时间常数过小，调节过于灵敏，调节阀频繁开大关小，容易引 起振荡。
T u k K C e k TI
TD e j e k e k 1 T j 0
k
21
3.1.3 PID参数的整定
数字PID控制算式（增量型）：
TD T u k K C e k e k 1 e k e k 2e k 1 e k 2 T T I KC e k e k 1 KI e k KD e k 2e k 1 e k 2
所以在系统设计时，要求控制通道时间常数适当小一点，使其校
正及时，又能获得较好的控制影响。
12
3.1.2 控制方案设计——控制变量的选择
考虑2：注意控制通道动态特性对控制系统的影响。
2. 多容广义对象时间常数匹配的影响:广义被控过程中的几个时间常 数尽可能错开，可提高系统的工作频率，减小过渡时间和最大偏差。 Kc K0 K m Kv Wc s W0 s Wm s Wv s T1s 1T2 s 1T3s 1
鼓风机
干燥后产品的水分含量不能波动太大！
牛奶类乳化物干燥过程中的 喷雾式干燥工艺流程图
7
• • • •
被控变量和操作变量选择谁？ 控制阀如何选择？ 如何进行控制？ 测量变送装置如何选择？
3.1.2 控制方案设计
基本原则: 安全性、稳定性、经济性
前提：充分了解具体的生产工艺过程和控制要求 • • • • 正确选择被控变量和操作变量 正确选择控制阀的开闭型式及其流量特性 正确选择控制器的类型及其正反作用 正确选择测量变送装置