第6章 简单控制系统
计控第6章计算机控制系统的控制规律(1)
稳态能的影响
被控对象用传递函数来表征时，其特性可以用放大系数K、 时间常数T和纯滞后时间τ来描述。针对控制通道的被控对象特
性对控制系统性能的影响进行描述：
1. 放大系数K对控制性能的影响 控制通道的放大系数K越大， 系统调节时间越短， 稳态误 差eSS越小， 但K偏小时对系统的性能没有影响， 因为K完全可
以由调节器D(s)的比例系数KP来补偿。
2. 惯性时间常数T对控制性能的影响 控制通道惯性时间常数T越小，系统反应越灵敏，控制越及
时，控制性能越好，但T过小会导致系统的稳定性下降。
3. 对象纯滞后时间对控制性能的影响 控制通道纯滞后时间τ的存在，使被控量不能及时反映系统所 承受的扰动。因此这样的系统必然会产生较明显的超调量σ， 使超
积分项改进 1. 抑制积分饱和的PID算法 （1）积分饱和的原因及影响 在一个实际的控制系统中，因受电路或执行元件 的物理和机械性能的约束(如放大器的饱和、电机的最 大转速、阀门的最大开度等)，控制量及其变化率往往
被限制在一个有限的范围内。当计算机输出的控制量 或其变化率在这个范围内时，控制则可按预期的结果 进行，一旦超出限制范围，则实际执行的控制量就不 再是计算值，而是系统执行机构的饱和临界值，从而 引起不希望的效应。
式（6-4）不仅计算繁琐，而且为保存E(j)要占用很多内存。因此， 用该式直接进行控制很不方便。做如下改动，根据递推原理，可写出(k-1) 次的PID输出表达式：
T U (k 1) K P {E (k 1) TI
TD E ( j ) [ E (k 1) E (k 2)]} T j 0
6.3.1 PID控制器的数字化实现
1、模拟PID算法表达式 在模拟控制系统中， PID 控制算法的模拟表达式为：
第6章出入口控制系统
第6章：出入口控制系统本章知识要点：1．出入口控制系统基本组成、工作原理、特点、功能与网络结构。
2．出入口控制系统身份识别的分类和读取设备。
3．出入口控制系统门禁控制主机的组成、功能。
4．出入口控制系统电控锁的种类、使用与安全形态。
5．电子巡查系统的构成、功能要求。
6．停车（库）场管理系统的基本功能、基本组成、主要设备、特点与应用。
出入口控制系统（access control system ，ACS）是利用自定义符识别或／和模式识别技术对出入口目标进行识别并控制出入口执行机构启闭的电子系统或网络。
出入口控制系统采用主动的方法，从加强日常事务管理入手，对出入口实现自动控制与管理，并能快速进行判断。
对符合条件的出入请求予以放行，对不符合条件的出入请求予以拒绝，并发出报警信息。
同时它还能全方位地记录出入及报警信息。
6．1出入口控制系统原理与功能出入口控制系统采用主动的方法，从加强日常事务管理入手，对出入口实现自动控制与管理，并能快速进行判断。
对符合条件的出入请求予以放行，对不符合条件的出入请求予以拒绝，并发出报警信息。
同时它还能全方位地记录出入及报警信息。
6．1．1系统原理出入口控制就是对出入口的管理，该系统控制各类人员的出入以及他们在相关区域的行动，通常也被称作出入口控制系统。
其控制的原理是：按照人的活动范围，预先制作出各种层次的卡，或预定密码。
在相关的大门出入口、金库门、档案室门、电梯门等处安装识别设备，用户持有效卡或密码方能通过或进人。
由识别设备接收人员信息，经解码后送控制器判断，如果符合，门锁被开启，否则报警（图6－1）。
图6-1出入口控制系统的基本组成结构出入口控制是一个系统概念，整个出入口控制系统由卡片、读卡器、控制器、锁具（磁力锁、电插锁、阴极锁等）、按钮、电源、线缆、控制软件及门磁开关等设备组成。
在出入口控制系统的硬件中，读卡器和控制器是关键设备。
针对不同的设备，按不同的依据选择。
出入口控制系统包括三个层次的设备。
化工仪表第6章简单控制系统
目录
• 简单控制系统概述 • 控制器与执行器 • 控制阀与控制方式 • 控制系统设计与实施 • 简单控制系统的应用实例 • 简单控制系统的未来发展与挑战
01 简单控制系统概述
定义与特点
定义
简单控制系统是由一个或多个控 制回路组成的控制系统，用于保 持被控变量的稳定。
特点
定义
01
执行器是简单控制系统中接收控制信号并驱动被控对象工作的
元件。
类型
02
执行器分为气动执行器和电动执行器两类，根据被控对象的性
质和工艺要求选择合适的类型。
维护与保养
03
执行器在使用过程中需要进行定期维护和保养，以确保其正常
工作并延长使用寿命。
控制器与执行器的选择与校验
选择原则
根据工艺要求、控制精度、安全可靠性等因素选择合适的控制器 和执行器。
结构简单，易于实现，在工业生 产中应用广泛。
简单控制系统的组成
被控对象
需要控制的设备或工艺过程。
测量元件
用于检测被控变量的变化。
控制阀
用于调节进入被控对象的控制 流量或控制压力。
控制器
用于接收测量元件的信号，并根据 设定值与实际值的偏差来控制控制 阀的开度，以调节被控变量的值。
简单控制系统的基本原理
新技术与新材料的引入
引入新型传感器和执行器
随着科技的发展，新型传感器和执行器不断涌现，能够提高控制 系统的精度和可靠性。
引入新材料
新材料的应用可以提高控制系统的耐腐蚀、耐高温等性能，扩展其 应用范围。
引入新技术
如人工智能、物联网等新兴技术，可以提升简单控制系统的智能化 和远程控制能力。
智能化与自动化的发展趋势
第6章-串级控制系统讲解全文编辑修改
D1
烧成带 θ1
副测量变送器
主测量变送器 根据副控制器的“反”作用，其输出将减小，“气开”式的控制阀门将 被关小，燃料流量将被调节回稳定状态时的大小。
6.1 串级控制系统的基本概念
串级控制系统的工作过程
(2)只存在一次干扰
θ1r
主控制器
副控制器 调节阀
D2 燃烧室 θ2
隔焰板
D1
烧成带 θ1
副测量变送器
主参数设定
－
主调 节器
－
副调 节器
调节 阀
二次扰动
副对象
一次扰动 主参数
主对象
副变送器
副参数
定值控 制系统
主变送器
主回路
图6-6 串级控制系统标准方框图
1) 在结构上，串级控制系统由两个闭环组成．副回路 起“粗调”作用，主回路起“细调”作用。
2) 每个闭环都有各自的调节对象，调节器和变送器 3) 调节阀由副调节器直接控制
－
－
Gm2(s)
Y2(s)
Gm1(s)
y2,sp
＋ －
Gc2 ym2
Gv Gm2
＋ ＋
GGpo22
D2 y2
D2(s)
1 + Gc G 2Gv op22Gm2
y2,sp
Gc2GvGGop2
1 + Gc G 2Gv op22Gm2
＋ D2' (s)
＋
y2(s)
Go2’(s)
6.2 串级控制系统的分析
6.2 串级控制系统的分析
串级控制特点总结：
1) 在系统结构上, 它是由两个串接工作的控制器构成的双闭环 控制系统。其中主回路是定值控制，副回路是随动控制；
自动控制6第六章控制系统的综合与校正
复合校正
同时采用串联校正和反馈校正的方法，对系 统进行综合校正，以获得更好的性能。
数字校正
利用数字技术对控制系统进行校正，具有灵 活性和高精度等优点。
02 控制系统性能指标及评价
控制系统性能指标概述
稳定性
准确性
系统受到扰动后，能否恢复到原来的 平衡状态或达到新的平衡状态的能力。
系统稳态误差的大小，反映了系统的 控制精度。
针对生产线上的各种工 艺要求，设计相应的控 制策略，如顺序控制、 过程控制等。
系统校正方法
根据生产效率和产品质 量要求，采用适当的校 正方法，如PID参数整定、 自适应控制等。
仿真与实验验证
通过仿真和实验手段， 验证综合与校正后的工 业自动化生产线控制系 统的稳定性和效率。
控制系统综合与校正的注
06 意事项与常见问题解决方 案
仿真与实验验证
通过仿真和实验手段，验证综合与校正后 的导弹制导控制系统的精确性和可靠性。
系统校正方法
针对导弹制导控制系统的性能要求，采用 适当的校正方法，如串联校正、反馈校正 等。
实例三
01
02
03
04
控制系统结构
分析工业自动化生产线 控制系统的组成结构， 包括传感器、执行机构、 PLC等部分。
控制策略设计
考虑多变量解耦控制
对于多变量控制系统，可以考虑采 用解耦控制策略，降低各变量之间 的相互影响，提高系统控制精度。
加强系统鲁棒性设计
考虑系统不确定性因素，加强 系统鲁棒性设计，提高系统对 各种干扰和变化的适应能力。
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控制系统综合与校正的注意事项
明确系统性能指标
第六章控制系统的校正
（1）根据给定系统的稳态性能或其他指标求出原系 统的开环增益K
33
一、超前校正 34
一、超前校正
（7）画出超前校正后系统的Bode图，验证系统的相 角裕量是否满足要求。
35
超前校正
例6-1 已知负反馈系统开环传递函数
G0 (s)
k s(s 1)
若要求系统在 r(t ) t 时，ess 0.083, 400 ,
27
第二节频率响应法校正
1.校正作用
曲线Ⅰ: K小,稳态性能不好.暂态性能满足,稳定性好. 曲线Ⅱ: K大,稳态性能好.暂态性能不满足,稳态性能差. 曲线Ⅲ: 加校正后,稳态、暂态稳定性均满足要求。
2.频率特性法校正的指标
闭环： r，M r， B
3.频率特性的分段讨论
初频段： 反映稳态特性.
中频段: 反映暂态特性, c附近.
t 0
u1
t
dt
K pTd
du1 t
dt
Gs K p
KI d
KDs
()
L()/dB
-20dB/dec
90
20lgKp
20dB/dec
0
0
90
26
第三节 频率响应法校正
用频率响应法对系统进行校正，就是把设计的校正装置串 接到原系统中，使校正后的系统具有满意的开环频率特性和闭 环频率特性。
未校正系统的开环传递函数G（s） H(s)，在K较小时，闭环系统稳定，而且 有良好的暂态性能，但稳态性能却不能 满足设计要求（如曲线I）。在K较大时。 虽然稳态性能满足要求，但闭环系统却 不稳定（如曲线II）。可见调整K还不能 使闭环系统有满足的性能，还需要加入 串联校正装置使校正后系统的性能如曲 线Ⅲ。该曲线不仅具有稳定性，而且有 良好的暂态性能。
第6章 控制系统的校正及综合
(s ) =
100 s + 1 s 10
A(ω c ) ≈
100
ωc
ωc
10
=1
ω c = 31.6
31.6 γ (ω c ) = 180° + − 90° − arctan = 17.5° 10
6.2 串联校正
Bode图如下图所示 图如下图所示
6.2 串联校正
γd
γd
频率特性为
jω T + 1 Wc ( jω ) = ⋅ γ d jω T + 1 1
γd
6.2 串联校正
校正电路的Bode图如下：
ω 2 = γ d ω1
ωmax = ω1 ⋅ ω2，ϕ max γ d −1 = arcsin γ d +1
6.2 串联校正
引前校正的设计步骤：
（1）根据稳态误差的要求确定系统开环放大系数，绘制 Bode图，计算出未校正系统的相位裕量和增益裕量。 （2）根据给定相位裕量，估计需要附加的相角位移。 （3）根据要求的附加相角位移确定γd。 （4）确定1/Td 和γd/Td ，使校正后中频段（穿过零分贝线） 斜率为－20dB／十倍频，并且使校正装置的最大移相角 出现在穿越频率的位置上。 （5）计算校正后频率特性的相位裕量是否满足给定要求， 如不满足须重新计算。 （6）计算校正装置参数。
6.2 串联校正
校正电路的Bode图：
6.2 串联校正
例6-3 一系统的开环传递函数为
K W (s ) = s (s + 1 )(s + 2 )
试确定滞后-引前校正装置， 试确定滞后-引前校正装置，使系统满足 下列指标： 下列指标：速度误差系数 K v = 10，相位裕 量 γ (ωc ) = 50°，增益裕量 GM ≥10dB 。
《过程控制与自动化仪表(第2版)》课后答案
V / cm3
P / ( Pa / cm2 )
54.3 61.2
61.8 49.5
72.4 37.6
88.7 28.4
118.6 19.2
194.0 10.1
试用最小二乘一次完成算法确定参数 α 和 β 。要求： （1） 写出系统得最小二乘格式。 P / ( Pa / cm 2 ) （2） 编写一次完成算法得 MATLAB 程序并仿真。 解： （1） 因为 PV
（2）该过程的框图如下：
−
−
Q1 (s )
−
1 C1S
H 1 (s )
1 R12
Q12 (s )
−
1 C2S
H 2 (s )
Q2 (s )
1 R2
Q3 (s )
1 R3
（3）过程传函： 在（1）中消去中间变量 ∆q2 、 ∆q3 、 ∆q12 有：
∆h1 ∆h1 ∆h2 d∆h1 ⎧ ⎪ ∆q1 − R − R + R = C1 dt (1) ⎪ 2 12 12 ⎨ ⎪ ∆h1 − ∆h2 − ∆h2 = C d∆h2 (2) 2 ⎪ R3 dt ⎩ R12 R12
H (s )
Q1 (s )
。
R1 q1 h
R2
q2
R3
q3
解：假设容器 1 和 2 中的高度分别为 h1 、 h2 ， 根据动态平衡关系，可得如下方程组：
d ∆h1 ⎧ (1) ⎪∆q1 − ∆q2 = C dt ⎪ ⎪∆q − ∆q = C d ∆h2 ( 2 ) 3 ⎪ 2 dt ⎪ ∆h ⎪ ( 3) ⎨∆q2 = R2 ⎪ ⎪ ∆h (4) ⎪∆q3 = 2 R3 ⎪ ⎪∆h = ∆h − ∆h (5) 1 2 ⎪ ⎩
过程控制复习题
过程控制复习题第一章绪论一、填空题1、过程控制是指生产过程的自动控制，主要被控参数有；2、传统的简单过程控制系统由和两部分组成。
3、检测控制仪表包括、和。
二、简答题1、过程控制有哪些特点？2、什么是过程控制系统？典型过程控制系统由哪几部分组成？3、什么是定值控制系统？4、按照设定值形式不同，过程控制系统分哪些类？5、过程控制阶跃响应的单项性能指标有哪些？综合性能指标有哪些三、分析计算题1、会计算性能指标，书后P12 1-10题四、综合题第二章检测仪表一、填空题1、某压力表的测量范围为0-10MPa，精度等级为1.0级。
则该压力表允许的最大绝对误差是。
若用标准压力计来校验该压力表，在校验点为5MPa时，标准压力计上读数为5.08MPa，则该点的绝对误差为，试问被校压力表在这一点（是/否）符合1级精度。
2、有两块直流电流表，他们的精度和量程分别为1）1.0级，0-250mA2）2.5级，0-75mA第一块表的最大绝对误差为；第二块表的最大绝对误差为；若要测量50mA 的直流电流，从准确性、经济性考虑应选择第块表。
3、某台测温仪表的测温范围-100—700C，检验该表时测得全量程内最大绝对误差为+5C，则该仪表的量程D为，该表的基本误差为，该仪表的精度等级为。
4、检测仪表的基本技术指标有哪些5、热电偶的基本定律有6、热电偶冷端温度补偿措施有、、、和。
7、常用弹性元件的形状有二、简答题1、热电偶测温原理是什么？2、椭圆齿轮流量计对介质有什么要求？3、热电阻测温有什么特点？为什么热电阻测温采用三线制接法？4、工业上常用的测温热电偶有哪几种？热电偶和仪表之间的接线，为什么要用补偿导线？三、分析计算题1、习题P70 2-52、习题P70 2-73、习题P70 2-11四、综合题第三章控制仪表一、填空题1、过程控制的基本控制有位式控制、P控制、、，在实际的比例控制器中，习惯上使用表示比例控制强弱。
2、用户根据控制需要，将程序模块用指令连接起来，就完成了编程，在数字控制系统中，这种利用标准功能模块组成系统的工作称为。
《电气控制与PLC应用技术》教学课件 第6章 PLC控制系统的设计与应用
2020/10/23
12
6.2 PLC在工业控制中的应用举例
6.2.1 多台电动机的顺序启、停控制
现有四台电动机M1、M2、M3、M4，要求四台电动 机顺序启动和顺序停车。顺序启动的时间间隔为30s， 顺序停车的时间间隔为10s。选用S7-200（CPU224）做 控制。对电动机顺序启、停控制有很多种方法，本部 分给出其中一种：利用顺序控制和时间继电器指令设 计程序。
第6章 PLC控制系统的设计与应用
PLC作为通用工业控制计算机，正在成为 工业控制领域的主流控制设备，在世界工业 控制中发挥着越来越大的作用。在实际的工 业控制应用过程中，PLC控制系统设计方法 的优劣起着重要的作用。PLC控制系统的设 计方法并不是固定不变，而是多种多样，要 靠广大的设计人员在具体设计工作中去积累 和总结。
（1）分析生产工艺过程； （2）根据控制要求确定所需的用户输入、输出设备 ，分配I/O；
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PLC控制系统设计步骤图
（3）选择PLC； （4）设计PLC接线图以及 电气施工图； （5）程序设计和控制柜接 线施工； （6）调试程序,直至满足 要求为止； （7）设计控制柜，编写系 统交付使用的技术文件， 说明书、电气图、电气元 件明细表； （8）验收、交付使用。
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6.2.1 多台电动机的顺序启、停控制
1. 过程分析：四台电动机M1、M2、M3、M4， 实现四台电动机顺序启动和顺序停车。启、停的 顺序均为M1→M2→M3→M4。顺序启动时的时间 间隔为30s，顺序停车的时间间隔为10s。
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6.2.1 多台电动机的顺序启、停控制
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第6章自动控制系统的校正
比例，积分、微分(PID)调节器（相位滞后-超前校正）
PID调节器
R(s)
E (s)
Kp
KI
M (s)
G0 (s)
C (s)
s
KDs
PID调节器的运动方程为：
de(t) m(t) K p e(t) K I e(t)dt K D dt
写成传递函数形式
K Ds 2 K ps K I KI M(s) G e (s) Kp K Ds E(s) s s
式中 KC=R1/R0 ——比例放大倍数 T1=R1C1——积分时间常数
PI调节器的Bode图
其Bode图如图所示。从图可见， PI 调节器提供了负的相位角，所 以 PI 校正也称为滞后校正。并且 PI 调节器的对数渐近幅频特性在 低频段的斜率为-20dB/dec。因而 将它的频率特性和系统固有部分 的频率特性相加，可以提高系统 的型别，即提高系统的 稳态精度 。
6.1.2 有源校正装置 有源校正装置是由运算放大器组成的调节器。有 源校正装置本身有增益，且输入阻抗高，输出阻抗低， 所以目前较多采用有源校正装置。缺点是需另供电源。
有源校正装置
6.2 串联校正 6.2.1 比例(P)校正
RS
比例校正GC(S) 系统固有部分G1(S)
35 s0.3s 10.01s 1
第6章 自动控制系统的校正
一、校正的概念
当控制系统的稳态、静态性能不能满足实 际工程中所要求的性能指标时，首先可以考虑 调整系统中可以调整的参数；若通过调整参数 仍无法满足要求时，则可以在原有系统中增添 一些装置和元件，人为改变系统的结构和性能， 使之满足要求的性能指标，我们把这种方法称 为校正。增添的装置和元件称为校正装置和校 正元件。系统中除校正装置以外的部分，组成 了系统的不可变部分，我们称为固有部分。
自动控制原理(第三版)第6章 控制系统的校正
在研究系统校正装置时，为了方便，将系统 中除了校正装置以外的部分，包括被控对象及控 制器的基本组成部分一起称为“固有部分”。
因此控制系统的校正，就是按给定的固有部 分和性能指标，设计校正装置。
KPLeabharlann e(t) 1 TI
t
e(t)dt
0
TD
de(t) dt
u(t为) 控制器的输出； e(为t) 系统给定量与输出量的偏差
K为P 比例系数； T为I 积分时间常数； TD 为微分时间常数
相应的传递函数为
Gc
(s)
K
P
1
1 TI s
TD
s
KP
KI s
KDs
KP 为比例系数；K I为积分系数；KD 为微分系数。
(1) 原理简单，使用方便。
(2) 适应性强，可广泛应用于各种工业生产部 门，按PID控制规律进行工作的控制器早已商品化， 即使目前最新式的过程控制计算机，其基本控制 功能也仍然是PID控制。
(3) 鲁棒性强，即其控制品质对被控对象特性 的变化不太敏感。
自动控制原理
基本PID控制规律可以描述为
u(t)
自动控制原理
2. 频域性能指标
频域性能指标，包括开环频域指标和闭环频 域指标。 (1) 开环频域指标 一般要画出开环对数频率特性，并给出开环频域 指标如下：开环剪切频率c 、相位裕量 和幅值 裕量K g 。 (2) 闭环频域指标 一般给出闭环幅频特性曲线，并给出闭环频域指 标如下：谐振频率 r 、谐振峰值 M r 和频带宽度b 。
第六章计算机控制系统
⊥ a2
an ⊥
Uo
+
倒R-2R型
早期的D/A集成芯片
只具有从数字量 到模拟电流输出量转 换的功能。
使用时必须在外 电路中加数字输入锁 存器（I/O或扩展I/O 口、参考电压源以及 输出电压转换电路
中期的D/A集成芯片 近期的D/A集成芯片
增加了一些与 计算机接口相关的 电路及引脚，具有 数字输入所存功能 电路，能和CPU数 据总线直接相连。
脉冲个数的检测 脉冲频率与周期的检测 脉冲宽度的检测
测频法原理
(a)
(b)
(c)
被测信号fx
脉冲形 成电路
脉冲信号
闸门
(e)
T
fx
N T
门控 电路
(d)
时基信号 发生器
测周法原理
计数器 振荡器
脉冲 形成电路
闸门
被测信号fx
脉冲
形成电路
门控 电路
计数器
6.4.4 计算机测试系统的设计
主机选型
设计任务 输入通道结构
多
电信号经过处理并转换成计算机能
工 业
。 。
道 开 关
识别的数字量，输入计算机中。
对 象
计算机将采集来的数字量根据
需要进行不同的判识、预算，得出
所需要的结果。
A/D
显示
计
算
打印
机
采
样
报警
控
制
直接数字控制系统
分时地对被控对象的状态参数进行测试，根据测试的结果与给定值
的差值，按照预先制定的控制算法进行数学分析、运算后，控制量输出
企业级经营管理计算机
到其他工厂的生 产数据运输指令
工业级集中监督计算机
第六章 控制
第六章控制职能一、控制的含义与前提1．控制的含义一般来说，一个组织中管理过程的第一步是制定计划，然后是组织和领导计划的实施。
但计划实施的结果如何，计划目标是否得以顺利实现，甚至计划本身制定得是否科学?有效的控制工作即可以揭示这些问题。
作为一项管理职能，控制是指按照计划标准，衡量计划的完成情况并纠正计划执行中的偏差，以确保计划目标的实现。
当计划付诸实施后，控制工作对于衡量计划的进度，发现计划执行中的偏差和确定要采取的措施等是十分必要的，同时，在必要的时候，控制能随时确立新的计划和目标，使之更符合组织自身的资源条件和环境的变化。
2．控制的前提组织内任何形式的控制都要有一定的前提条件。
控制的前提条件主要包括三个方面：(1) 控制要有计划。
控制的任务即是保证计划和目标的实现，控制是以预先制定的计划和目标为依据的，计划制定得越是明确、全面和完整，控制的效果也就越好。
计划和控制是相互依存的，计划是控制的前提和依据，控制是计划实现的保证。
(2)控制要有明确的组织机构。
控制主要是根据各种信息，发现并纠正计划执行中的偏差，以确保组织目标的实现。
在控制过程中一旦出现偏离计划的情况，管理人员就必须知道问题出在哪里，应当由谁负责并采取纠偏措施。
因此组织中应当有专司控制职能的组织机构，并建立和健全相应的规章制度。
(3)控制要有信息反馈。
如果没有将计划执行后的信息进行反馈，管理者就无法对预期目标与实际完成情况进行比较，也就无法控制。
信息反馈的速度和准确性，会直接影响到控制的效果。
因而组织中必须设计并维护通畅的信息反馈渠道，以保证控制的有效实施。
二、控制的重要性组织中的控制之所以重要，主要有以下几个方面的原因：1．组织活动的复杂性现代各种组织的规模和内部结构日益庞大和复杂，每一个组织要实现预期的目标，都必须从事一系列复杂的活动。
大型的、多元化的、跨地域的组织等都要求持续和适当地应用控制系统来衡量效果，以保证各项工作紧紧围绕目标进行。
自动控制理论第六章控制系统的校正与设计
第一节 系统校正的一般方法
幅相频率特性曲线：
Im
Gc(s)=
1+aTs 1+Ts
令
dφ(ω) dω
=0
得
ωm=
1 Ta
=
1 T
·aT1
0
φm 1ω=0 α+1
2
ω=∞
α Re
两个转折频率的几何中点。
最大超前相角：
sinφm=1+(a(a––11)/)2/2
=
a–1 a+1
φm=sin-1
a–1 a+1
滞后校正部分：
(1+ T1S) (1+αT1S)
超前校正部分：
(1+ T2S)
(1+
T2 α
S)
L(ω)/dB
1
1
0 α T1
T1
-20dB/dec
φ(ω)
0
1α
T2
T2
ω
+20dB/dec
ω
第一节 系统校正的一般方法
(2) 有源滞后—超前
R2
校正装置 传递函数为:
ur R1
GGcc(式(ss))中==K:(K1(cc1(+(1+1aK+T+TTcT01=S1S1S)SR)()()12(1R(+1+1+1+RT+TaT33T2S2S2S)S))) T1=
a=
1+sinφm 1–sinφm
第一节 系统校正的一般方法
(2) 有源超前校正装置
R2 C
R3
Gc(s)=
R3[1+(R1+R2)Cs] R1(1+R2Cs)
6-1简单控制系统概述
控制变量
冷物料
热交换器
热物料
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简单控制系统示例 ──水泵压力控制系统
被控参数 水泵出口压力 控制变量 回流量
设定值 PC PT
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简单控制系统示例 ──贮罐液位控制系统
被控参数 贮罐液位 控制变量 出口流量
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简单控制系统示例
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一个简单 控制系统 开发设计 的全过程 如右图所 示
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设计中需要注意的有关问题
1．认真熟悉过程特性
深入了解被控过程的工艺特点及其要求是控制方案确 定的基本依据之一 。
2．明确各生产环节之间的约束关系
生产过程是由各个生产环节和工艺设备构成的，各个 生产环节和工艺设备之间通常都存在相互制约、相互 影响的关系。 在控制系统设计中，测量信号的正确与否直接影响系 统的控制质量。尽量减少由不可避免的随即干扰而产 生的系统误差。
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六、控制系统正常运行的重要准则
控制系统正常运行的重要准则有负反馈 准则和稳定运行准则。 负反馈准则
控制系统成为负反馈的条件是该控制系统 各开环增益之积为正。 在扰动或设定变化时，控制系统静态稳定 运行条件是控制系统各环节增益之积基本 不变；控制系统动态稳定运行条件是控制 系统总开环传递函数的模基本不变。
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二、对过程控制系统设计的一般要求
要分析、设计和应用好一个过程控制系 统，首先应对被控过程做全面了解，对 工艺过程、设备等做深入的分析，然后 应用自动控制原理与技术，拟定一个合 理正确的控制方案，选择合适的检测变 送器、控制器、执行器（调节阀），从 而达到保证产品质量、提高产品产量、 降耗节能、保护环境和提高管理水平等 目的。
何道清《仪表与自动化》第二版 课后答案
《仪表与自动化》第二版第1章自动控制系统基本概念1-3自动控制系统主要由哪些环节组成？解自动控制系统主要由检测变送器、控制器、执行器和被控对象等四个环节组成。
1-5题1-5图为某列管式蒸汽加热器控制流程图。
试分别说明图中PI-307、TRC-303、FRC-305所代表的意义。
题1-5图加热器控制流程图解PI-307表示就地安装的压力指示仪表，工段号为3，仪表序号为07；TRC-303表示集中仪表盘安装的，具有指示记录功能的温度控制仪表；工段号为3，仪表序号为03；FRC-305表示集中仪表盘安装的，具有指示记录功能的流量控制仪表；工段号为3，仪表序号为05。
1-7 在自动控制系统中，测量变送装置、控制器、执行器各起什么作用？解测量变送装置的功能是测量被控变量的大小并转化为一种特定的、统一的输出信号（如气压信号或电压、电流信号等）送往控制器；控制器接受测量变送器送来的信号，与工艺上需要保持的被控变量的设定值相比较得出偏差，并按某种运算规律算出结果，然后将此结果用特定信号（气压或电流）发送出去执行器即控制阀，它能自动地根据控制器送来的信号值来改变阀门的开启度，从而改变操纵变量的大小。
1-8．试分别说明什么是被控对象、被控变量、给定值、操纵变量、操纵介质？解：被控对象（对象）——自动控制系统中，工艺参数需要控制的生产过程、生产设备或机器。
被控变量——被控对象内要求保持设定值的工艺参数。
控系统通常用该变量的名称来称呼，如温度控制系统，压力制系统等。
给定值（或设定值或期望值）——人们希望控制系统实现的目标，即被控变量的期望值。
它可以是恒定的，也可以是能按程序变化的。
操纵变量（调节变量）——对被控变量具有较强的直接影响且便于调节（操纵）的变量。
或实现控制作用的变量。
操纵介质(操纵剂)——用来实现控制作用的物料。
1-11题l-11图所示为一反应器温度控制系统示意图。
A、B两种物料进入反应器进行反应，通过改变进入夹套的冷却水流量来控制反应器内的温度不变。
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图7-14 简单控制系统 简化方块图
第三个问题：以什么方式控制？
答：根据被控对象选择合适的控制规律
最常用的控制规律：
位式控制、P、PI、PD、PID （需要充分理解各种控制规律的特点和适用场合）
后续问题：如何整定PID参数？
答：① 临界比例度法＋经验 ② 衰减曲线法＋经验 ③ 经验凑试法
最好的方法就是“经验”
第一节 简单控制系统的机构与组成
简单控制系统通常是指由一个测量元件、变送器、一个 控制器、一个控制阀和一个对象所构成的单闭环控制系统。 也称为单回路控制系统。
图6-1 液位控制系统
图6-2 温度控制系统
说明
在本课件以后的控制系统图中，也将不再画出测量、 变送环节，但要注意在实际的系统中总是存在这一环节， 只是在画图时被省略罢了。
第一节 简单控制系统的机构与组成
（2）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。为维持其恒定，需要较频繁的调节。
（ 3 ）尽量采用直接指标作为被控变量。当无法获得 直接指标信号，或其测量和变送信号滞后很大时，可 选择与直接指标有单值对应关系的间接指标作为被控 变量。
第二节 简单控制系统的设计
（ 4 ）被控变量应能被测量出来，并具有足够大 的灵敏度。 （5 ）选择被控变量时，必须考虑工艺合理性和 国内仪表产品现状。 （6）被控变量应是独立可控的。
28
选择操纵变量
处理测量信号
选择调节阀
选择控制规律
系统投运 参数整定
第二节 简单控制系统的设计
四、控制器控制规律的选择
1.控制器控制规律的确定 （1）比例控制器 比例控制器是具有比 例控制规律的控制器。 对于单元组合仪表 1 100% KP
x(t) +_ e(t)
K
p K Pe
p(t)
② 工艺要求的指标不可以直接在线测量
寻找一个与工艺指标有明显对应关系，且可以测量的另一个间接指标进行 控制（间接指标控制）。
例如：精馏塔的组分是不能直接在线测量的！ 压力恒定时，组分 <---> 温度 温度恒定时，组分 <---> 压力
第二个问题：拿什么控制？ 答：拿一个对被控变量影响较显著的变量来控。
超调量
超调量
图6-10 纯滞后τ0对 控制质量的影响
第二节 简单控制系统的设计
③ 干扰通道时间常数的影响 干扰通道的时间常数 Tf 越大， 表示干扰对被控变量的影响越 缓慢，越有利于控制。 ④ 干扰通道纯滞后τf的影响 如果干扰通道存在纯滞后 τf ， 控制作用也推迟了时间 τf ，使 整个过渡过程曲线推迟了时间 τf ，只要控制通道不存在纯滞 后，通常是不会影响控制质量 的，如图6-11所示。
从图可以看出 系统有一个被控变量:换热器出口温度T。 一个被控对象：换热器 一个操纵变量（控制变量）：载热体流量 对被控变量有影响作用的其他因素都看作干扰，即干扰也 是对象的输入。 操纵变量是对象的输入，被控变量是对象的输出。
f 干扰作用
给定值 X 偏差 控制器 e 控制器 输出 p 控制阀 操纵 变量 q 测量值 z 测量元件 变送器 7 对象 被控变量y
第二节 简单控制系统的设计
二、操纵变量的选择
1.操纵变量 在自动控制系统中，把用来克服干扰对被控变量 的影响，实现控制作用的变量称为操纵变量。 最常见的操纵变量是介质的流量。 操作变量 通过工艺分析
确定
系统的干扰
例：精馏塔系统的操纵变量选择 如果根据工艺要求，选择提馏段某块塔板（一般为灵敏板） 的温度作为被控变量。 影响T 的因素
化工仪表及自动化
第六章 简单控制系统 黄文焕
第七章 简单控制系统
f
① ② ③ ④ ⑤ ⑥ ⑦
进料口 简单控制系统的结构与组成
控制的目的、被控变量的选择
被控对 对象特性、操纵变量的选择 象
测量滞后、测量信号处理 控制规律的选择 负荷变化、控制阀选择 控制系统的投运与参数整定
执行器
这一章主要回答三个问题：
回流量对提馏段温度影响的通道长，时间常数大；
而加热蒸汽流量的通道短，T 小。 因此，选择蒸汽量作为被控变量是合理的。
第二节 简单控制系统的设计
② 控制通道纯滞后τ0的影响 控制通道的物料输送或能量传递 都需要一定的时间。这样造成的纯 滞后τO对控制质量是有影响的。 A: 无纯滞后时的校正作用 B: 有纯滞后时的校正作用 C: 无校正作用的输出曲线 D: 无纯滞后时的输出曲线 E: 有纯滞后时的输出曲线 在选择操纵变量构成控制系 统时，应使对象控制通道的纯 滞后时间τ0尽量小。
图6-11 干扰通道纯 滞后τf的影响
第二节 简单控制系统的设计
3.操纵变量的选择原则 ① 操纵变量应是可控的，即工艺上允许调节的变量。 ② 操纵变量一般应比其他干扰对被控变量的影响更加灵敏。 为此，应通过合理选择操纵变量，使控制通道的K 适当大、T 适当小、τ0尽量小。应使干扰通道的K 尽可能小、T 尽可能 大。 ③ 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产的经济性。一般说来不宜选择 生产负荷作为操纵变量。
图6-9 干扰通道与控制通道的关系
控制质量: 系统的过渡过程形式：超调量、衰减比、 余差、 过渡时间、振荡周期
对象特性: ① 系统的输入输出关系； ② 分为对象静态性质和对象动态性质； ③ 考察对象特性影响，用以选择操纵变量。
第二节 简单控制系统的设计
（1）对象静态特性的影响
放大系数
绝对放大系数 相对放大系数
从上述例子可以看出： 简单控制系统是按负反馈的原理，根据偏差进行工 作的，组成自动化装置各环节的设备数量均为一个， 它们与被控对象有机地构成一个闭环系统。 简单控制系统特点：具有结构简单、工作可靠、所 需自动化工具少、投资成本低、便于操作和维护等优 点，是目前应用最多也是最为成熟的过程控制系统。
第二节 简单控制系统的设计
3.信号的传送滞后 测量信号传送滞后 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。 信号的传送滞后，应尽量减小。 气信号易产生传送滞后； 尽可能在现场和控制室之间使用电信号传送； 可用气-电转换器。 信号传送滞后 控制信号传送滞后 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。
8
第一节 简单控制系统的结构与组成
需解决的几个问题：
PID如何 选择？ 气开、气 如何选 如何选 关如何选 择？ 择？ 择？ 操纵 被控变量 变量 执行仪表 被控对象
设定值 —
控制仪表
测量仪表
如何构 成负反 馈？
9
测量仪 表如何 选择？
第二节 简单控制系统的设计
一、被控变量的选择
生产过程中希望借助自动控制保持恒定值（或按 一定规律变化）的变量称为被控变量。
第二节 简单控制系统的设计
举例
图6-4
精馏过程示意图
图6-5
1—精馏塔；2—蒸汽加热器
苯-甲苯溶液 的T-x图
图6-6 苯-甲苯溶液的 p -x 图
塔顶易挥发组分纯度XD、塔顶温度TD、塔顶压力P三者之间
的关系为： XD= f (TD，P)，两个独立变量。
第二节 简单控制系统的设计
从工艺合理性考虑，常常选择温度作为被控变量。
被控变量的界定
它们对产品的产量、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； 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。
第二节 简单控制系统的设计
被控变量的分类（按照与生产过程的关系）
直接指标控制：被控变量本身就是需要控制的工艺指标（温 度、压力、流量、液位、成分等）； 间接指标控制：被控变量难以检测或虽能检测，但信号很弱 或滞后很大，这时可选取与直接质量指标有单值对应关系而反 应又快的另一变量，如温度、压力等作为间接指标。
灵
进料流量Q入 进料成分X入 进料温度T入 回流流量F 回流温度TH 加热蒸汽流量QZ 冷凝器冷却温度
图6-7 精馏塔流程图
Hale Waihona Puke 不可控(可调节) 不可控 不可控 可控 不可控 可控 不可控 不可控(可调节)
塔压P
通过工艺分析，选择蒸汽流量作为操纵变量。
第二节 简单控制系统的设计
2.对象特性对选择操纵变量的影响 干扰变量由干扰通道施加 在对象上，起着破坏作用， 使被控变量偏离给定值； 操纵变量由控制通道施加 到对象上，使被控变量回复 到给定值，起着校正作用。
K 大一些，T 小一些，τ 最好为0
① 测量仪表的选用和安装：
量程、精度、材质等满足工艺要求； 测量仪表本身要反应快； 应选择有代表性位置进行安装； 仪表安装时所用的辅助装置不应带来较大的测量滞后。
② 执行器的选用和安装：
口径、材质、结构形式、正反作用、流量特性等满足要求； 本身反应快（气信号不要进行远传）； 阀门安装位置应靠近被控设备（中间不能有长的管路）。
第二节 简单控制系统的设计
三、测量元件特性的影响
测量、变送装置是控制系统中获取信息的装置，也是 系统进行控制的依据。要求它能正确地、及时地反映被控 变量的状况。 1.测量元件的时间常数 测量元件，特别是测温元件，由于存在热阻和热容， 它本身具有一定的时间常数，易造成测量滞后。
Y阶跃变化 Y递增 Y周期性变化
图6-12
测量元件时间常数的影响
第二节 简单控制系统的设计
选择被控变量
结论
测量元件的时间常数越大，测量滞后现象愈 加显著。控制系统中的测量元件时间常数不能太 大，最好选用惰性小的快速测量元件。必要时可 以在测量元件之后引入微分作用，利用它的超前 作用来补偿测量元件引起的动态误差。 当测量元件的时间常数Tm小于对象时间常数 的1／10时，对系统的控制质量影响不大。 测量元件安装是否正确，维护是否得当，也 会影响测量与控制。