第一章 热工过程自动控制系统组成

图1-7 典型过渡过程曲线
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稳定程度可以用衰减率这个指标来衡量
ψ= y m1 − y m 3 y = 1 − m3 ym1 y m1
式中 :
ym 1
y m3
被控参数从新稳定值算起的第一波峰值。 被控参数从新稳定值算起的第三波峰值。
比例线性关系
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三、调 节 器 接受被调量信号和给定值比较后的偏差信号，输 出一定规律的控制指令给执行器。 1、比例调节 指调节器输出的控制作用 u（ t）与其偏差输入信号 ｅ（ｔ ）之间成比例关系，即 比例增益 u (t ) = K p e(t ) 比例调节器的传递函数：
U (s ) WP (s ) = = KP E (s )
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工程中，常用比例带 δ来描述其控制作用的强弱，即 1 δ= Kp 其物理意义是在调节机构的位移改变时，被调量应有的 改变量。 比例调节规律的特点： （１）动作快，调节及时、迅速； （２ ）对干扰 有很强的抑制作用；（３）调节过程结束，被调量偏 差仍存在，存在静态偏差，称为有差调节。
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五、系统评价指标 1. 静态和动态 静态：被控参数不随时间而变化的平衡状态叫静态或 稳态。 动态：被控参数随时间而变化的不平衡状态叫动态。 2. 控制系统在受到干扰作用时的过渡过程 控制的过 程就是克服干 扰的过程。一 个系统的优劣 图 １－６ 典型的过渡过程形式 ６ 典型的过渡过程形式 在稳态下难以 判别，只有在 过渡过程中才 能得以鉴别。
−1
或
K G3 ( s ) = e −τ s (1 + Ts ) n
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热工对象具有以下特点： （１）被调量的变化大多是不振荡的。 （２）被调量在干扰发生的开始阶段有迟延和惯性。 （３）在响应曲线的最后阶段，被调量可能达到一个新 的平衡状态（对象有自平衡能力），也可能不断变化 而无法进入平衡状态（对象无自平衡能力）。 （４）描述对象动态特性的特征参数有：放大系数 、 时间常数、迟延时间。
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2、积分调节 积分调节规律是调节器输出控制作用ｕ（ｔ）与其 偏差输入信号ｅ（ｔ ）随时间的积累值成正比，即
1 u(t ) = u (0) + ∫ e(t )dt Ti
传递函数：WI (s ) = 特点：
积分时间
1 Ti s
积分作用曲线
综上所述： 比例调节作用是最基本的调节作用，而积分和微 分作用为辅助调节作用。比例作用贯彻于整个调节过 程之中； 积分作用则体现在调节过节过程的后期，用以消 除静态偏差； 微分作用则体现在调节过程的初期。 实际应用中应根据具体情况选择调节规律，同时 设置适当的比例带、积分时间、微分时间，才能收到 满意的调节效果。
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一、测量变送器 用来测量被调量，并把被调量转换为与之成比例 的某种便于传递和综合的信号。 如：把一个４００－６００？ Ｃ温度信号Ｔ转换为４－２０ｍＡ 信号Ｉ，其变换关系为 I −4 T − 400 20 − 4 I= = (T − 400 ) + 4 600 − 400 20 − 4 600 − 400 调整变送器零点，可得其特性为：
衰减率和系统稳定性之间的关系
ψ =1
过渡过程为非周期过程
ψ = 0 过渡过程为等幅振荡 过程 0 < ψ < 1过渡过程为衰减振荡 过程
ψ < 0 过渡过程为渐扩振荡 过程
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(2)准确性 指被控参数的实际值与给定值之间的动态偏差和静态 偏差。最大动态偏差是指整个过渡过程中被控参数偏离给 定值的最大差值；静态偏差是过渡过程结束后被控参数与 给定值之间的差值。 现场中希望两个偏差越小越好。 (3)快速性 指过渡过程的持续时间，即从干扰发生起至被控参数 又建立新的平衡状态为止的过渡时间。一般认为被控参数 进入偏离给定值范围内就基本稳定了。当然，过渡时间越 短，控制过程进行的就越快，系统品质也就越好。 以上三方面的品质指标有时往往是相互矛盾的，在实 际调试过程中应统筹兼顾！
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（２）衰减曲线法 衰减曲线法是在总结临界比例带法基础上发展起来 的，它利用比例作用下产生的４： １衰减振荡（ Ψ＝０．７５ ） 过程时的调节器比例带δ s 及过程衰减周期Ts ，或１０：１ 衰 减振荡 （Ψ＝０．９ ）过程时调节器比例带 δ s 及过程上升时 间 t r ，据经验公式计算出调节器的各个参数。 （ 3）经验法 根据经验进行参数试凑的方法，首先根据经验设置 一组调节器参数，然后将系统投入闭环运行，待系统稳 定后作阶跃扰动试验，观察调节过程；如果过渡过程不 令人满意，则修改调节器参数，再作阶跃扰动试验，观 察调节过程；反复上述试验，直到调节过程满意为止。
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3. 控制系统的品质指标 稳定性、准确性、快速性 (1) 稳定性 指控制系统在受到干扰作用后，系统的平衡被破坏， 在控制设备的控制作用下，控制系统能恢复到一个新的 平衡状态，称为稳定的控制系统。稳定的控制系统的被 控参数和控制参数的过渡过程曲线最后趋于平衡；不稳 定的控制系统过渡过程曲线则是渐扩的，无法恢复平衡。 定的控制系统过渡过程曲线则是渐扩的，无法恢复平衡
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第二章 热工自动控制系统组成
把热工生产过程中的温度、压力、液位、浓度等状 态参数作为被控参数的控制系统叫热工自动控制系统。 热工自动控制系统
自动控制系统由测量变送器，调节器和执行器 （包括调节阀）及被控对象组成的闭环负反馈控制 系统。
实际的微分调节规律具有惯性，传递函数为下式：
KD KD WD ¢ (s ) = × Td s = × WD (s ) 1 + Td s 1 + Td s
微分增益
实际微分调节的阶跃响应
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结论： 微分作用的引入使系统控制过程的稳定性和准确 性都得以提高，可适当减小动态偏差，不影响静态偏 差，但它不能像积分作用那样消除稳态偏差。 调节过程开始时，被调量偏差小，但其变化速度 却较大，可使执行机构产生较大的位移。 当调节过程结束，执行机构位置最后总是回复到 原来的数值。
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４、调节器参数整定 （１）临界比例带法 临界比例带法又称边界稳定法，其要点是将调节器 设置成纯比例作用，将系统投入自动运行并将比例带由 大到小改变，直到系统产生等幅振荡为止。 这时控制系统处于边界稳定状态，记下此状态下的 比例带值 （即临界比例带）以及振荡周期 ，然后根 据经验公式计算出调节器的各个参数。 特点：临界比例带法无需知道对象的动态特性，直 接在闭环系统中进行参数整定。
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设定值 扰动下整定参数对调节过程的影响 整定参数 比例带 ↓ 性能指标 衰减率 超调量 静态偏差 振荡频率 ↓ ↑ ↓ ↑ 积分时间 ↓ ↓ ↑ — ↑ 微分时间 ↓ ↑ ↓ — ↓
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结论： 比例带大，则调节阀 动作幅度小，被调量变化 平稳，超调量小，但残差 较大，静态偏差随比例带 的加大而加大； 减小比例带导致系统 激烈振荡甚至不稳定，比 例带设置必须有一定的稳 定裕度。
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（ 4）动态参数法 动态参数法是在系统处于开环状态下，作对象的阶 跃扰动试验，根据记录下的阶跃响应曲线求取一组特征 参数 ε,τ （无自平衡能力对象）或ε , ρ ,τ （有自平衡能力 对象） ，再根据经验公式计算出调节器的各个参数。 四、热工被控对象 （１）有自平衡能力
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对象特性的获取： 由阶跃扰动作用下的对象的动态特性为阶跃响应 曲线，即飞升曲线。阶跃响应曲线能比较直观的反映 对象的动态特性；其次特征参数直接取自记录曲线而 无需经过中间转换，试验方法也很简单。 切线法、两点法、半对数法 面积法、曲线拟合法；
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３、微分调节 微分调节规律是调节器输出的控制作用与其偏差输 入信号的变化速度成正比。对于定值控制系统，偏差信 号的变化速度就是被调量的变化速度，即