过程控制(第二版)第三章
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被控参数的选择一般有两种方法 直接参数：选择对产品的产量和质量、安全生产、 经济运行和环境保护具有决定性作用的、可直 接测量的工艺参数为被控参数。 间接参数：当不能用直接参数作为被控参数时， 应当选择一个与直接参数有单值函数关系的间 接参数作为被控参数。 间接参数必须具有足够高的灵敏度，同时必须 考虑工艺过程的合理性和所选仪表的性能。
由于系统是稳定的，在阶跃扰动作用下，系统稳态值为
(T0 s 1) K f lim s y (t ) lim s y ( ) t s 0 s[( T s 1)( T s 1) K K (T s 1)] 0 f 0 c f Kf 1 K0 K c
由此可见，过程静态特性对控制质量好坏有很大影响。
其它系统安全保护对策：特殊生产环境采取特
殊对策。如高温、高压、易燃、易爆等危险环境，应 采用可靠性设计，采用本质安全防爆的仪器与装臵。
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第二节 控制方案设计
控制方案的设计是过程控制系统工程设 计与应用的核心 控制方案设计包括：合理选择系统的性 能指标、合理选择被控参数和控制参数， 合理设计控制规律、兼顾被控参数的测 量与变送、控制执行器的选择 根据实际生产过程，选择合适的控制系 统结构。
第三章 单回路控制系统的工程设计
第一节 过程控制系统工程设计概述 第二节 控制方案设计 第三节 检测、变送器的选择 第四节 执行器（调节阀）选择 第五节 控制器（调节器）选择 第六节 过程计算机控制系统的设计 第七节 过程控制系统的投运和控制器参数的整定 第八节 单回路控制系统工程设计实例 思考题与习题
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一、对过程控制系统设计的一般要求
安全性：在整个生产过程中，要确保人员设备的安全，
这是最基本和最重要的要求。通常采用参数超限报警、 事故报警和联锁保护等措施加以保证。 稳定性：系统在一定的外界扰动下，在系统参数、工 艺条件一定的变化范围内能长期稳定的运行。同时还 必须具有适当的稳定裕量和良好的动态响应特性。
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根据过程特性来选择控制器的控制规律
稳定下来，但有余差。适用于控制通道滞后较小、负 荷变化不大、控制要求不高、被控参数允许在一定范 围内有余差的场合。 比例积分控制规律 积分能消除余差，它适用于控 制通道滞后较小、负荷变化不大、被控参数不允许有 余差的场合。 比例微分控制规律 微分具有超前作用，对于具有容 量滞后的控制通道，引入微分控制规律对于改善系统 的动态性能指标，有显著的效果。适用于控制通道的 时间常数或容量滞后较大的场合。 比例积分微分控制规律 是一种较理想的控制规 律，在比例的基础上引入积分，可以消除余差，再加 入微分，又能提高系统的稳定性。适用于控制通道时 间常数或容量滞后较大，控制要求较高的场合。
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一、过程控制系统的性能指标
被控过程在运行中，在外界干扰作用下，经 常处于动态过渡过程。设臵控制系统的目的 是希望被控参数能迅速、准确且平稳的稳定 在新的给定值或附近。这种从一个稳态到达 另一个稳态的历程称为过渡过程。 性能指标是评价过程控制系统动态性能的重 要参数。 通常使用两种时域形式的性能指标：系统阶 跃响应性能指标和偏差积分性能指标。
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第四节 执行器（调节阀）的选择
选择合适的调节工作区间 在正常情况下，调节 阀的开度处于15% ~ 85% 之间。
选择合适的流量特性 过程特性为线性时，应选 择线性流量特性的调节阀；若过程特性为非线性， 应选择对数流量特性的调节阀。 选择合适的调节阀开、关形式 应充分考虑事故 状态时，人身、工艺设备的安全；减少经济损失、 保证产品质量；考虑介质性质。
（三）根据过程特选择控制参数的一般原则
控制通道的放大系统要适当大一些；时间常数 要适当小一些；纯滞后愈小愈好， 扰动通道的放大系数尽可能小；时间常数要大； 引入位臵要靠近调节阀。 当过程存在多个时间常数时，在选择控制参数 时，应尽量设法把几个时间常数错开，使其中 一个时间常数比其他时间常数大，同时注意减 小第二、第三个时间常数。
经济性：应采用一定的先进控制手段，对生产过程
进行优化控制，在提高产品产量和质量的同时，降耗 节能，提高经济效益和社会效益。
技术的先进性：采用先进的控制手段对生产过程进
行优化控制，满足工业生产对经济性不断高涨的要求。
注意各性能指标的统筹兼顾
二、过程控制系统的设计步骤
建立被控过程的数学模型：要用恰当的数学表达式 （数学模型）来描述被控过程的特性，以利于深入 分析过程特性和选择正确的控制方案。
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第一节 过程控制系统工程设计概述
单回路控制系统设计的特点：
主要针对一个被控过程（单输入、单输出过程） 采用一个测量变送器监控被控过程，采用一个控 制器来保持被控参数恒定的单闭环控制系统 结构简单，投资少，易于调整和投运，满足不少 工业生产过程的控制要求，应用广泛。 是其他各种复杂控制系统的分析、设计基础
分析：扰动通道是惯性环节，使过渡过程的时间加长，
过渡过程的幅值减小，超调量减小。
结论：扰动通道的时间常数 T f 愈大，容积愈多，则扰动
通道对被控参数的影响也愈小，控制质量也愈好
（2）时延τf 的影响
有纯滞后时系统对扰动的闭环传递函数为
Y ( s) F ( s ) 1 Wc ( s )W0 ( s)
三、过程系统设计的主要内容
方案设计：是系统设计的核心，应选择合适的
控制方案，使控制系统发挥良好的作用。
工程设计：控制仪表的选型、操作台设计、供
电供气系统设计和联锁保护系统的设计。
工程安装：对系统中各设备进行正确安装，对
各仪表进行校验，对控制回路进行校验。
调节器参数整定：用计算法或工程整定法对
根据拉氏变换的平移定理，被控量的时间响应为
W f ( s )e
f s
y(t ) y(t f )
由此可见：干扰通道存在纯滞后时，理论上不影响控制 质量，仅使被控参数对于干扰的响应在时间上推迟了τf 值。 （3）扰动作用点位臵的影响 扰动引入系统的位臵不 同，对被控参数的影响也不同。其位臵离被控参数愈近时， 则其影响愈大；当位臵离被控参数愈远时，则对其影响愈 小。
（2）时延τ0的影响
控制通道的时间滞后包括纯滞后和容滞后两种，他们对 控制质量的影响不利，尤其是纯滞后影响最坏。 由频率特性分析可知，纯滞后越大，系统不稳定的可能 性就越大。 当控制通道存在纯滞后时，控制 器的校正作用将滞后一个纯滞后 时间τ0 ，使被控参数的超调量增加， 偏差增大，动态指标下降。控制 通道存在容滞后时，同样会造成 控制不及时，但其影响比纯滞后 要缓和，可引入微分作用，有明 显的改善作用。
（一）系统阶跃响应性能指标
（二）偏差积分性能指标
偏差绝对值积分（IAT）
J et dt min
0
偏差绝对值与时间积分（ITAE）
J t et dt min
0
偏差平方值积分（ISE）
J e2dt min
0
时间乘偏差平方积分（ITSE）
J te dt min
W0 ( s Wc ( s )) KKs 1 T
0
W f ( s)
Tf s 1
（一）过程静态特性分析
被控量Y (s)对扰动量F (s)的传递函数为
(T0 s 1) K f Y ( s) F ( s) (T0 s 1)(T f s 1) K0 Kc (T f s 1)
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第五节 控制器（调节器）的选择
1 选择控制器的控制规律 依据τ0 / T0 比值来选择调节器的控制规律
0.2时，选用比例或比例积分控制规律
当
0
T0
当0.2 当
0
T0
1.0时，选用比例积分或比例积分微分控制规律
0
பைடு நூலகம்T0
1.0时，采用单回路控制系统不能满足工艺要求
调节器参数进行整定，使系统运行在最佳状态。
四、系统设计中的若干问题
超限报警与联锁保护：对于生产过程中的关键
参数，应根据工艺要求设臵高、低限报警值，当参数 超过报警值时，立即进行越限报警，提醒操作人员密 切注意监视生产状况。采取措施，避免事故。联锁保 护适当生产出现异常时，各个设备按一定次序紧急停 止运转。
2 控制通道动态特性对控制系统的影响
（1）时间常数 T0的影响 若控制通道时间 常数T0 太大，则控制作用太弱，被控参数变化 缓慢，控制不及时，系统过渡时间长，控制质 量下降。若控制通道时间常数T0太小，则控制 作用强，克服扰动影响快，控制及时，系统过 渡时间短，但易引起系统振荡，不能保证控制 质量。所以在系统设计时要求控制通道时间常 数适当小一点，时其校正及时，又能获得较好 的控制质量
设单回路控制系统的框图如图所示。
（一）过程静态特性分析
设：单回路系统传递函数：
W c (s)为控制器它与执行机构的传递函数：
Wc ( s ) K
W0(s)为控制通道的传递函数： Wc ( s ) K K
T0 s K 1 K W0 ( s )) W f (s T s 1 W f (s)扰动通道的传递函数：1 0 TKs f W f ( s) T f sK 1 W0 ( s )
二、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
（1）时间常数 Tf 的影响 系统对扰动的传递函数为：
W f ( s) Y ( s) F ( s ) 1 Wc ( s )W0 ( s )
Kf W f ( s) T f s 1
Y ( s) K f 1 F ( s) T f ( s 1 )[1 W ( s)W ( s)] c 0 Tf
（一）系统阶跃响应性能指标
余差（静态偏差）C： C y() y(0)
衰减率ψ：
B1 B2 B 1 2 B1 B1
最大偏差A（或超调量σ）
y(t p ) y() y() 100%
过渡过程时间 ts ：系统从受扰动作用时起，
到被控参数进入新的稳定值±5%的范围内所经历 的时间。
三、控制参数的选择
控制参数又称为控制变量或控制量。 在生产过程中，可能有几个控制量可供 选择来影响被控参数。选择不同的控制 参数就有不同的控制通道和扰动通道。 不同的控制通道和扰动通道的控制质量 是不相同的。因此应选择较优的控制参 数，即正确选择控制通道。
三、控制参数的选择
（一）过程静态特性分析
2 0
二、被控参数的选择
合理选择被控参数使控制方案设计中的 重要一环，对于稳定生产、提高产品的 产量和质量、改善劳动条件、保护环境 等具有决定性意义。 必须根据工艺要求，分析生产过程，能 较好的反映工艺生产状态变化的参数 （人控制难以满足要求，客观上要求自 动控制的参数）作为被控参数。
二、被控参数的选择
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第三节 检测、变送器选择
尽可能选择测量误差小的测量元件 系统稳态误差 取决于反馈通道的测量误差。 尽可能选择快速响应的测量元件和变送设备 应保 持测量值的无滞后，有效发挥系统的控制校正作 用。 正确采用微分超前补偿 串入微分环节消除测量滞 后的影响 合理选择测量点并正确安装 减小滞后，安装方便 对测量信号作必要的处理 补偿校正、噪音抑制、 线性化处理。
选择控制方案：根据设计任务和技术性能指标，进 行协调可行性分析，选择合理的控制方案。同时还 应进行协调的静态、动态特性分析，判断系统特性 是否满足系统的品质指标要求。 控制设备选型：根据控制方案、控制特性和工艺要 求，选择合适的测量变送器、控制器与执行器。 实验（仿真）：检验系统设计的正确性，以及系 统的性能指标是否满足要求。
（一）过程静态特性分析
过程静态特性是选择控制参数的重要依据。 结论：扰动通道静态放大系数Kf 越大，则系 统的稳态误差越大，降低了控制质量。控制通 道的静态放大系数K0越大，表示控制作用越灵 敏，克服扰动的能力越强。 因此确定控制参数时，使K0大于Kf是合理的。 这一要求不能满足时，调节Kc的值来补偿，使 K0 Kc值远大于Kf 。
（3）时间常数分配的影响
控制系统的开环传递函数大多是多个一阶环节 的串联，在选择控制通道时，应将开环传递函 数中的几个时间常数数值错开，减小中间的时 间常数。可提高系统的工作频率，减少过渡过 程时间和最大偏差等，改善控制质量。 系统中最大的时间常数往往涉及生产设备的核 心，不能轻易改动。可减小其它的时间常数， 且将其错开。
由于系统是稳定的，在阶跃扰动作用下，系统稳态值为
(T0 s 1) K f lim s y (t ) lim s y ( ) t s 0 s[( T s 1)( T s 1) K K (T s 1)] 0 f 0 c f Kf 1 K0 K c
由此可见，过程静态特性对控制质量好坏有很大影响。
其它系统安全保护对策：特殊生产环境采取特
殊对策。如高温、高压、易燃、易爆等危险环境，应 采用可靠性设计，采用本质安全防爆的仪器与装臵。
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第二节 控制方案设计
控制方案的设计是过程控制系统工程设 计与应用的核心 控制方案设计包括：合理选择系统的性 能指标、合理选择被控参数和控制参数， 合理设计控制规律、兼顾被控参数的测 量与变送、控制执行器的选择 根据实际生产过程，选择合适的控制系 统结构。
第三章 单回路控制系统的工程设计
第一节 过程控制系统工程设计概述 第二节 控制方案设计 第三节 检测、变送器的选择 第四节 执行器（调节阀）选择 第五节 控制器（调节器）选择 第六节 过程计算机控制系统的设计 第七节 过程控制系统的投运和控制器参数的整定 第八节 单回路控制系统工程设计实例 思考题与习题
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一、对过程控制系统设计的一般要求
安全性：在整个生产过程中，要确保人员设备的安全，
这是最基本和最重要的要求。通常采用参数超限报警、 事故报警和联锁保护等措施加以保证。 稳定性：系统在一定的外界扰动下，在系统参数、工 艺条件一定的变化范围内能长期稳定的运行。同时还 必须具有适当的稳定裕量和良好的动态响应特性。
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根据过程特性来选择控制器的控制规律
稳定下来，但有余差。适用于控制通道滞后较小、负 荷变化不大、控制要求不高、被控参数允许在一定范 围内有余差的场合。 比例积分控制规律 积分能消除余差，它适用于控 制通道滞后较小、负荷变化不大、被控参数不允许有 余差的场合。 比例微分控制规律 微分具有超前作用，对于具有容 量滞后的控制通道，引入微分控制规律对于改善系统 的动态性能指标，有显著的效果。适用于控制通道的 时间常数或容量滞后较大的场合。 比例积分微分控制规律 是一种较理想的控制规 律，在比例的基础上引入积分，可以消除余差，再加 入微分，又能提高系统的稳定性。适用于控制通道时 间常数或容量滞后较大，控制要求较高的场合。
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一、过程控制系统的性能指标
被控过程在运行中，在外界干扰作用下，经 常处于动态过渡过程。设臵控制系统的目的 是希望被控参数能迅速、准确且平稳的稳定 在新的给定值或附近。这种从一个稳态到达 另一个稳态的历程称为过渡过程。 性能指标是评价过程控制系统动态性能的重 要参数。 通常使用两种时域形式的性能指标：系统阶 跃响应性能指标和偏差积分性能指标。
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第四节 执行器（调节阀）的选择
选择合适的调节工作区间 在正常情况下，调节 阀的开度处于15% ~ 85% 之间。
选择合适的流量特性 过程特性为线性时，应选 择线性流量特性的调节阀；若过程特性为非线性， 应选择对数流量特性的调节阀。 选择合适的调节阀开、关形式 应充分考虑事故 状态时，人身、工艺设备的安全；减少经济损失、 保证产品质量；考虑介质性质。
（三）根据过程特选择控制参数的一般原则
控制通道的放大系统要适当大一些；时间常数 要适当小一些；纯滞后愈小愈好， 扰动通道的放大系数尽可能小；时间常数要大； 引入位臵要靠近调节阀。 当过程存在多个时间常数时，在选择控制参数 时，应尽量设法把几个时间常数错开，使其中 一个时间常数比其他时间常数大，同时注意减 小第二、第三个时间常数。
经济性：应采用一定的先进控制手段，对生产过程
进行优化控制，在提高产品产量和质量的同时，降耗 节能，提高经济效益和社会效益。
技术的先进性：采用先进的控制手段对生产过程进
行优化控制，满足工业生产对经济性不断高涨的要求。
注意各性能指标的统筹兼顾
二、过程控制系统的设计步骤
建立被控过程的数学模型：要用恰当的数学表达式 （数学模型）来描述被控过程的特性，以利于深入 分析过程特性和选择正确的控制方案。
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第一节 过程控制系统工程设计概述
单回路控制系统设计的特点：
主要针对一个被控过程（单输入、单输出过程） 采用一个测量变送器监控被控过程，采用一个控 制器来保持被控参数恒定的单闭环控制系统 结构简单，投资少，易于调整和投运，满足不少 工业生产过程的控制要求，应用广泛。 是其他各种复杂控制系统的分析、设计基础
分析：扰动通道是惯性环节，使过渡过程的时间加长，
过渡过程的幅值减小，超调量减小。
结论：扰动通道的时间常数 T f 愈大，容积愈多，则扰动
通道对被控参数的影响也愈小，控制质量也愈好
（2）时延τf 的影响
有纯滞后时系统对扰动的闭环传递函数为
Y ( s) F ( s ) 1 Wc ( s )W0 ( s)
三、过程系统设计的主要内容
方案设计：是系统设计的核心，应选择合适的
控制方案，使控制系统发挥良好的作用。
工程设计：控制仪表的选型、操作台设计、供
电供气系统设计和联锁保护系统的设计。
工程安装：对系统中各设备进行正确安装，对
各仪表进行校验，对控制回路进行校验。
调节器参数整定：用计算法或工程整定法对
根据拉氏变换的平移定理，被控量的时间响应为
W f ( s )e
f s
y(t ) y(t f )
由此可见：干扰通道存在纯滞后时，理论上不影响控制 质量，仅使被控参数对于干扰的响应在时间上推迟了τf 值。 （3）扰动作用点位臵的影响 扰动引入系统的位臵不 同，对被控参数的影响也不同。其位臵离被控参数愈近时， 则其影响愈大；当位臵离被控参数愈远时，则对其影响愈 小。
（2）时延τ0的影响
控制通道的时间滞后包括纯滞后和容滞后两种，他们对 控制质量的影响不利，尤其是纯滞后影响最坏。 由频率特性分析可知，纯滞后越大，系统不稳定的可能 性就越大。 当控制通道存在纯滞后时，控制 器的校正作用将滞后一个纯滞后 时间τ0 ，使被控参数的超调量增加， 偏差增大，动态指标下降。控制 通道存在容滞后时，同样会造成 控制不及时，但其影响比纯滞后 要缓和，可引入微分作用，有明 显的改善作用。
（一）系统阶跃响应性能指标
（二）偏差积分性能指标
偏差绝对值积分（IAT）
J et dt min
0
偏差绝对值与时间积分（ITAE）
J t et dt min
0
偏差平方值积分（ISE）
J e2dt min
0
时间乘偏差平方积分（ITSE）
J te dt min
W0 ( s Wc ( s )) KKs 1 T
0
W f ( s)
Tf s 1
（一）过程静态特性分析
被控量Y (s)对扰动量F (s)的传递函数为
(T0 s 1) K f Y ( s) F ( s) (T0 s 1)(T f s 1) K0 Kc (T f s 1)
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第五节 控制器（调节器）的选择
1 选择控制器的控制规律 依据τ0 / T0 比值来选择调节器的控制规律
0.2时，选用比例或比例积分控制规律
当
0
T0
当0.2 当
0
T0
1.0时，选用比例积分或比例积分微分控制规律
0
பைடு நூலகம்T0
1.0时，采用单回路控制系统不能满足工艺要求
调节器参数进行整定，使系统运行在最佳状态。
四、系统设计中的若干问题
超限报警与联锁保护：对于生产过程中的关键
参数，应根据工艺要求设臵高、低限报警值，当参数 超过报警值时，立即进行越限报警，提醒操作人员密 切注意监视生产状况。采取措施，避免事故。联锁保 护适当生产出现异常时，各个设备按一定次序紧急停 止运转。
2 控制通道动态特性对控制系统的影响
（1）时间常数 T0的影响 若控制通道时间 常数T0 太大，则控制作用太弱，被控参数变化 缓慢，控制不及时，系统过渡时间长，控制质 量下降。若控制通道时间常数T0太小，则控制 作用强，克服扰动影响快，控制及时，系统过 渡时间短，但易引起系统振荡，不能保证控制 质量。所以在系统设计时要求控制通道时间常 数适当小一点，时其校正及时，又能获得较好 的控制质量
设单回路控制系统的框图如图所示。
（一）过程静态特性分析
设：单回路系统传递函数：
W c (s)为控制器它与执行机构的传递函数：
Wc ( s ) K
W0(s)为控制通道的传递函数： Wc ( s ) K K
T0 s K 1 K W0 ( s )) W f (s T s 1 W f (s)扰动通道的传递函数：1 0 TKs f W f ( s) T f sK 1 W0 ( s )
二、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
（1）时间常数 Tf 的影响 系统对扰动的传递函数为：
W f ( s) Y ( s) F ( s ) 1 Wc ( s )W0 ( s )
Kf W f ( s) T f s 1
Y ( s) K f 1 F ( s) T f ( s 1 )[1 W ( s)W ( s)] c 0 Tf
（一）系统阶跃响应性能指标
余差（静态偏差）C： C y() y(0)
衰减率ψ：
B1 B2 B 1 2 B1 B1
最大偏差A（或超调量σ）
y(t p ) y() y() 100%
过渡过程时间 ts ：系统从受扰动作用时起，
到被控参数进入新的稳定值±5%的范围内所经历 的时间。
三、控制参数的选择
控制参数又称为控制变量或控制量。 在生产过程中，可能有几个控制量可供 选择来影响被控参数。选择不同的控制 参数就有不同的控制通道和扰动通道。 不同的控制通道和扰动通道的控制质量 是不相同的。因此应选择较优的控制参 数，即正确选择控制通道。
三、控制参数的选择
（一）过程静态特性分析
2 0
二、被控参数的选择
合理选择被控参数使控制方案设计中的 重要一环，对于稳定生产、提高产品的 产量和质量、改善劳动条件、保护环境 等具有决定性意义。 必须根据工艺要求，分析生产过程，能 较好的反映工艺生产状态变化的参数 （人控制难以满足要求，客观上要求自 动控制的参数）作为被控参数。
二、被控参数的选择
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第三节 检测、变送器选择
尽可能选择测量误差小的测量元件 系统稳态误差 取决于反馈通道的测量误差。 尽可能选择快速响应的测量元件和变送设备 应保 持测量值的无滞后，有效发挥系统的控制校正作 用。 正确采用微分超前补偿 串入微分环节消除测量滞 后的影响 合理选择测量点并正确安装 减小滞后，安装方便 对测量信号作必要的处理 补偿校正、噪音抑制、 线性化处理。
选择控制方案：根据设计任务和技术性能指标，进 行协调可行性分析，选择合理的控制方案。同时还 应进行协调的静态、动态特性分析，判断系统特性 是否满足系统的品质指标要求。 控制设备选型：根据控制方案、控制特性和工艺要 求，选择合适的测量变送器、控制器与执行器。 实验（仿真）：检验系统设计的正确性，以及系 统的性能指标是否满足要求。
（一）过程静态特性分析
过程静态特性是选择控制参数的重要依据。 结论：扰动通道静态放大系数Kf 越大，则系 统的稳态误差越大，降低了控制质量。控制通 道的静态放大系数K0越大，表示控制作用越灵 敏，克服扰动的能力越强。 因此确定控制参数时，使K0大于Kf是合理的。 这一要求不能满足时，调节Kc的值来补偿，使 K0 Kc值远大于Kf 。
（3）时间常数分配的影响
控制系统的开环传递函数大多是多个一阶环节 的串联，在选择控制通道时，应将开环传递函 数中的几个时间常数数值错开，减小中间的时 间常数。可提高系统的工作频率，减少过渡过 程时间和最大偏差等，改善控制质量。 系统中最大的时间常数往往涉及生产设备的核 心，不能轻易改动。可减小其它的时间常数， 且将其错开。