第五章 简单控制系统
现代控制系统课件第5章
*
n1
n1
1*
* 0
i1
式中 i* (i 1, 2, n) 为期望的闭环极点（实数极点或共
轭复数极点）。
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1)若∑0完全能控，必存在非奇异变换：
x Tc1x
能将∑0化成能控标准I型： x Ax bu yc x
式中
0 1 0
A
T 1 c1
ATc1
0 0
0
0
a0 a1 a2
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5.1.5 闭环系统的能控性与能观性
定理5.1.1 状态反馈不改变受控系统 o (A, B,C)
的能控性。但不保证系统的能观性不变。
实际上，受控系统 o (A, B,C, D) 的传递函数为：
Wo (s) c[sI A]1b d
将∑0的能控标准I型代入上式，可知，引入状态反馈后 传递函数的分子多项式不变，即零点保持不变。但分母
馈来实现闭环系统极点的任意配置。
证明 对单输入一单输出反馈系统
h ((Abhc),b,c)
闭环传递函数为：
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式中 Wo (s) c(sI A)1b
为受控系统的传递函数。 由闭环系统特征方程可得闭环根轨迹方程：
hWo (s) 1
当 Wo (s) 已知时，以 h(0 ) 为参变量，可求
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29
5.2.3 采用从输出到 x 反馈
定理5.2.4 对系统 o (A,b,c) 采用从输出
到 x的线性反馈实现闭环极点任意配置的充要条件
是∑0完全能观。
证明 根据对偶原理，如果 o (A,b,c) 能观。
~
则 0 (AT , cT ,bT )必能控，因而可以任意配置
控制工程基础：第五章 控制系统稳定性分析
时，系统闭环后稳定。
2
Nyquist 稳定性判据2
1、若开环传递函数在s右半平面无极点时，当从0变化
时，如果Nyquist曲线不包围临界点(-1, j0)，则系统稳定。
如果Nyquist曲线包围临界点(-1, j0)，则系统不稳定。
❖ 系统稳定性定义：
❖
控制系统处于某一平衡状态下受到扰动作用而偏离了 原来的平衡状态，在干扰消失后系统又能够回到原来的平衡 状态或者回到原平衡点附近，则称该系统是稳定的，否则， 该系统就是不稳定的。
❖
稳定性是系统的一种固有特性，它只取决于系统本身的 结构和参数，而与初始状态和外作用无关。
m
F
F
单摆系统稳定
p(s)
p(s) DK (s)
系统稳定的充要条件:特征方程的根全部具有负实部
（闭环极点均在s平面的左半平面）。
即系统稳定的充要条件为：F(s)的零点都位于s平面 的左半平面。
GB(s)
F(s)
Gk(s)
零点
极点
零点
极点
极点
零点
1、若开环极点均在s平面左半面，则根据米哈伊洛夫定理推论：
arg[
DK
两种特殊情况
1、劳斯阵列表某一行中的第一列元素等于零，但其余各项不 等于零或不全为零 处理方法：
用一个很小的正数 代替该行第一列的零，并据此计算出
阵列中的其余各项。然后令 0 ，按第一列系数进行
判别。
如果零上下两项的符号相同，则系统存在一对虚根，处于临 界稳定状态：如果零上下两项的符号不同，则表明有一个符 号变化，系统不稳定。
0
1
c1
1
b1
a1 b1
a3 110 (7)5 6.43
串级控制cascade
T 1T 2s 2 + (T 1 + T 2 + K T 2K v K m 2K 2T 1 )s +
(1 + K T 2K v K m 2K 2 + K T 1K T 2K v K m 1K 1K 2 ) = 0
s 2 + 2xw0s + w02 = 0
阻尼系数 自然频率
四.串级控制系统中的量纲
d2 r – WT 1 – WT 2 Wv Wm2 Wm1 Wp 2 2 d1 Wp1
1
副回路
W ( s)
' p2
WT 2 (s)Wv (s)Wp 2 (s) 1 WT 2 (s)Wv (s)Wp 2 (s)Wm 2 (s)
' p2
WT 2 (s) K p 2 (1
或 T1 = (3~10) T2
很小，副回路 包括的干扰因素越少，副回路克服干扰 能力 强的优点未能充分利用。
当 T 1
/ T2 > 10 时，表示T2
/ T2 < 3 时，表明T2 过大，副回路
包括的干扰多， 控制作用不及时。
设对象是惯性环节，其它均为比例环节，即
ü ï ï W p 2 (s ) = ,W p1 (s ) = ï ï T 2s + 1 T 1s + 1 ï ï W T 1 (s ) = K T 1 ,W T 2 (s ) = K T 2 ,W v (s ) = K v ï ý ï ï ï W m 1 (s ) = K m 1 ,W m 2 (s ) = K m 2 ï ï ï ï þ K2 K1
Wp2(s) Y2(s)
Wp1(s)
Y1(s)
第五章5 分程控制控制系统
图1
分程控制系统方框图
分程控制系统中控制器输出信号的分段一般是由附设在控制阀上的阀门定
位器来实现的。阀门定位器相当于一台可变放大系数，且零点可以调整的放
大器。 阀门定位器可以将控制器的输出压力分成几段信号区间。不同段内的压力
有相应的阀门定位器转化为0.02~0.1MPa信号压力，使控制阀全程动作。
例如：A和B两个控制阀 要求：A阀在控制器输出信号压力为0.02~0.06MPa信号压力，使控制 阀全程动作。 A阀上的阀门定位器对应的输出压力为0.02MPa~0.1MPa，B阀上则在控制 器输出压力为0.06MPa~0.1MPa时通过附设在上面的阀门定位器使之也刚好走 完全程。 即，当控制其输出信号小于0.06MPa时，A阀动作，B阀不动作； 当信号大于0.06MPa时，A阀已动至极限，B阀开始动作。
一类是两个控制阀异向动作: 即随着控制器输出信号的增大成减小，一个控制阀开大，另 一个控制阀则关小，如图8—37所示，其中图(a)是A为气关阀、B 为气开阀的情况。图(b)是A为气开阀、B为气关阀的情况。
分程阀同向或异向动作的选择问题，要根据生产工艺的实际需要 来确定。
二、分程控制的应用场合
1．用于扩大控制阀的可调范围，改善控制品质
TCபைடு நூலகம்冷水
A B 蒸汽
FVA：气闭
FVB：气开
TC：反作用
1.反应开始前升温阶段→T测<给定值→TC↑→A阀↓ →（ A阀 全关时）B阀↑ →蒸汽加热， T↑→ 达到反应温度时，反应开 始； 2.反应开始后T↑ → T测.>给定值→TC↓ →B阀↓（B阀全关时） A阀↑→ T↓，冷却水把反应热带走，使反应釜温度恒定，反 应继续进行。
5.5
分程控制系统
第五章-串级控制系统
过程控制
3、主、副调节器的选择
控制规律的选择
在串级控制系统中，主、副调节器所起的作用是不同的。主调 节器起定值控制作用，副调节器起随动控制作用，这是选择控 制规律的出发点。 主参数是工艺操作的主要指标，允许波动的范围比较小，一般 要求无余差。因此，主调节器应选PI或PID控制规律。 副参数的设置是为了保证主参数的控制质量，可以在一定范围 内变化，允许有余差，因此副调节器只要选P控制规律。 引入积分控制规律，会延长控制过程，减弱副回路的快速作用 引入微分作用，因副回路本身起着快速作用，再引入微分作用 会使调节阀动作过大，对控制不利。
定量分析：
D2
R1 + Gd2(s) Gv(s) Gp2(s)
过程控制
D1
Gd1(s)
Gc1(s)
R2
Gc2(s)
+ Gp1(s)
Y2
Y1
－
Ym1
－
Ym2
Gm2(s)
Gm1(s)
串级控制系统方框图
Y1 ( s) D2 ( s )
Gd 2 ( s)G p1 ( s) 1 Gc 2 ( s)Gv ( s)G p 2 ( s)Gm 2 ( s ) Gc1 ( s )Gc 2 ( s)Gv ( s)G p 2 ( s)G p1 ( s)Gm1 ( s )
主调节器、副调节器；
主给定值、副给定值；
主对象、副对象；
一次扰动、二次扰动。
三、串级控制系统的组成原理
1）将原被控对象分解为两个串联的被控对象；
过程控制
2）以连接分解后的两个被控对象的中间变量为副被控量， 构成一个简单控制系统，称为副调节系统或副环 3）以原对象的输出信号为主被控量，即分解后的第二个 被控对象的输出信号，构成一个调节系统，称为主调 节系统或主环。 4）主调节系统中调节器的输出作为副调节器的给定值， 副调节器的输出信号作为主被控对象的输入信号。
《自动控制原理》教学大纲
自动控制原理》教学大纲一、课程的性质、地位与任务本课程是电力系统自动化技术专业的基础课程。
通过本课程的学习，使学生掌握自动控制的基础理论，并具有对简单连续系统进行定性分析、定量估算和初步设计的能力，学生将掌握自动控制系统分析与设计等方面的基本方法，如控制系统的时域分析法、根轨迹分析法、频域分析法、状态空间分析法、采样控制系统的分析等基本方本课程系统地阐述了自动控制科学和技术领域的基本概念和基本规律，介绍了自动控制技术从建模分析到应用设计的各种思想和方法，内容十分丰富。
通过自动控制理论的教学，应使学生全面系统地掌握自动控制技术领域的基本概念、基本规律和基本分析与设计方法，以便将来胜任实际工作，具有从事相关工程和技术工作的基本素质，同时具有一定的分析和解决有关自动控制实际问题的能力。
二、教学基本要求了解自动控制的概念、基本控制方式及特点、对控制系统性能的基本要求。
理解典型环节的传递函数、结构图化简或梅森公式以及控制系统传递函数的建立和表示方法，初步掌握小偏差线性化方法和通过机理分析建立数学模型的方法，以串联校正为主的根轨迹综合法，掌握常用校正装置及其作用。
熟悉暂态性能指标、劳思判据、稳态误差、终值定理和稳定性的概念以及利用这些概念对二阶系统性能的分析，初步了解高阶系统分析方法、主导极点的概念，能利用根轨迹对系统性能进行分析，熟悉偶极子的概念以及添加零极点对系统性能的影响。
频率特性的概念、开环系统频率特性Nyquist图和Bode图的画法和奈氏判据，了解绝对稳定系统、条件稳定系统、最小相位系统、非最小相位系统、稳定裕量、频指标的概念，以及频率特性与系统性能的关系。
基本校正方式和反馈校正的作用，掌握复合校正的概念和以串联校正为主的频率响应综合法。
三、教学学时分配表四、教学内容与学时安排第一章自动控制系统的基本知识……4学时本章教学目的和要求：掌握自动控制系统组成结构和基本要素，理解自动控制的基本控制方式和对系统的性能要求，了解一些实际自动控制系统的控制原理。
第5章 简单控制系统的设计及参数调整方法
第五章 简单控制系统的设计
2. 控制参数的选择（重要选择）
依据过程特性对控制质量的影响，不难归纳选择控制参数的 一般原则：
K P越大越好 ， TP 适当小一些 ； （a）
（b） P 越小越好 ， P
/ TP 0.3
(c)K f 尽可能小， T f 尽可能大，尽可能多，尽可能将大的纯滞 后置于干扰通道，干扰进入系统的位置尽可能远离被控参数。
由此可见，时间常数越错开，K 0 越大，对系统稳定性越有 利，在保持一定稳定性的条件下，对保持质量越有利。
小结
控制通道的K P 越大越好，TP适当减小， P 越小越好，多个 时间常数的大小越错开越好。
第五章 简单控制系统的设计
（三）控制方案的确定
1、系统被控参数选取的一般原则 （a）应选取对产品的产量、质量、安全生产、经济运行、环 境保护有决定性作用、又可直接进行测量的工艺参数作为被 控参数（直接参数）； （b）选取与上述直接参数有单值对应关系的间接参数作为被 控参数； （c）间接参数对产品质量应有足够的灵敏性； （d）应考虑工艺的合理性及仪表的性能价格比等； 特别说明：被控参数一般由工艺工程师确定，控制工程师无 多大选择余地。
第五章 简单控制系统的设计
c）按下表计算出P、I、D调节器的参数
（2）优缺点：
a）该法可直接在闭环状态下进行，且无需测试过程的动态特性； b）方法简单，使用方便；
第五章 简单控制系统的设计
第五章 简单控制系统的设计
（2）P调节对系统质量的影响：
a）比例调节是一种有差调节？ b）比例调节系统的静差随比例带的增大而增大？比例带 的减少，意味着系统稳定性降低？ c）比例调节不适合给定值随时间变化的情况；
d）增大 K C（即减小比例带），可以减少系统的静差，加 快系统的响应速度？这是因为： KP KC KC K P TP s 1 C (s) K KP R( s) TP s 1 K C K P Ts 1 1 KC TP s 1 KC K P TP K ,T (惯性减小） 1 KC K P 1 KC K P
过程控制系统及仪表智慧树知到答案章节测试2023年青岛大学
第一章测试1.过程控制针对生产过程的主要参数包括：A:压力B:流量C:物位D:温度答案:ABCD2.过程控制技术的发展中，控制策略与算法也经历了由简单控制到复杂控制、先进控制的发展历程。
A:对B:错答案:A3.过程控制系统按照设定值的形式不同划分为：A:随动控制系统B:定值控制系统C:随机控制系统D:程序控制系统答案:ABD4.过程控制系统按照系统结构特点分为：A:前馈控制系统B:反馈控制系统C:复合控制系统D:微分控制系统答案:ABC5.稳定系统的过渡过程包括：A:单调衰减过程B:振荡衰减过程C:等幅振荡过程D:振荡发散过程答案:AB6.衰减比和衰减率是衡量过渡过程稳定程度的动态指标。
A:对B:错答案:A7.最大动态偏差和超调量是衡量过渡过程稳定程度的动态指标。
A:错B:对答案:B8.偏差积分性能指标是系统阶跃响应的综合性能指标。
A:错B:对答案:B9.采用不同的偏差积分性能指标意味着对过渡过程评价的侧重点不同。
A:错B:对答案:B10.过程控制系统中性能指标要求越高越好。
A:对B:错答案:B第二章测试1.数字仪表的分辨率用来表征仪表的灵敏程度。
A:对B:错答案:A2.温度不能直接测量，只能间接测量，其测量方法可以归结为两类：A:接触式测量方法B:红外感应式测量方法C:膨胀式测量方法D:非接触式测量方法答案:AD3.热电偶使用时需要进行冷端温度补偿。
A:对B:错答案:A4.金属热电阻测温精度高，测温范围宽，在工业温度测量中得到了广泛应用。
A:对B:错答案:A5.弹性式压力计的测压敏感元件是：A:记录机构B:电气变换装置C:控制元件D:弹性元件答案:D6.差压式流量计是基于流体流动的节流原理，利用流体流经节流装置时产生的压力差而实现流量测量的。
A:错B:对答案:B7.电气式物位测量是利用敏感元件将物位的变化转换为电量参数的变化，通过测出电量的变化而得知物位的。
A:错B:对答案:B8.超声波液位计的测量精度不高，要提高其测量精度，必须采取措施消除声速变化的影响。
《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 ⎪ ⎩
过程控制知识点整理
第一章1、自动化仪表：是实现工业生产过程自动化的重要工具，它被广泛地应用于石油、化工等各工业部门。
在自动控制系统中，自动化仪表将被控变量转换成电信号或气压信号后，除了送至显示仪表进行指示和记录外，还需送到控制仪表进行自动控制，从而实现生产过程的自动化，使被控变量达到预期的要求。
2、过程控制仪表包括：检测仪表、调节仪表（也叫控制器）、执行器，以及可编程调节器等各种新型控制仪表及装置。
3、过程控制系统的主要任务是：对生产过程中的重要参数（温度、压力、流量、物位、成分、湿度等）进行控制，使其保持恒定或按一定规律变化。
4、标准信号制度：国际电工委员会规定：过程控制系统的模拟标准信号为直流电流4-20mA ，直流电压1-5V 。
我国DDZ 型仪表采用的标准信号：DDZ- Ⅰ型和DDZ- Ⅱ型仪表：0-10mA 。
DDZ- Ⅲ型仪表：4-20mA 。
5、我国的DDZ 型仪表采用的是直流电流信号作为标准信号。
6、采用电流信号的优点：电流不受传输线及负载电阻变化的影响，适于远距离传输。
动单元组合仪表很多是采用力平衡原理构成，使用电流信号可直接与磁场作用产生正比于信号的机械力。
对于要求电压输入的受信仪表和元件，只要在回路中串联电阻便可得到电压信号。
7、采用直流信号的优点：a.直流信号传输过程中易于和交流感应干扰相区别，且不存在移相问题；b.直流信号不受传输线中电感、电容和负载性质的限制。
8、热电偶是以热电效应为原理的测温元件，能将温度信号转换成电势信号（mV ）。
特点：结构简单、测温准确可靠、信号便于远传。
一般用于测量500～1600℃之间的温度。
9、热电偶的测温原理：将两种不同的导体或半导体连接成闭合回路，若两个连接点温度不同，回路中会产生电势。
此电势称为热电势，并产生电流。
10、对于确定的热电偶，热电势只与热端和冷端温度有关。
11、热电偶的基本定律:均质导体定律、中间导体定律、中间温度定律。
12、热电阻：对于500℃以下的中、低温，热电偶输出的热电势很小，容易受到干扰而测不准。
过程控制系统教学大纲精选全文完整版
可编辑修改精选全文完整版教学大纲英文课程名称：Process Control课程编号：0201508总学时：48 （其中理论课学时：44 实验学时：4）总学分：3先修课程：微机原理与接口技术、自动控制理论Ⅰ、检测仪表及检测技术适用专业：自动化开课单位：电子信息与控制工程学院自动化教研室执笔人：张新荣审校人：刘星萍一、课程教学内容第一章绪论第一节过程控制系统的组成及其分类简单控制系统的组成；控制系统按照给定信号分类；按照控制结构分类。
第二节过程控制系统的特点第三节过程控制系统的质量指标第四节过程控制系统的发展概况自动化控制系统的几个发展时期的时间。
第二章被控过程的数学模型第一节概述建立被控过程数学模型的目的；被控过程数学模型的类型。
第二节解析法建立过程的数学模型单容水槽过程、双容水槽过程数学模型机理建模方法；液阻、液容的概念；阶跃响应曲线特点；有时延单容水槽过程、有时延双容水槽过程数学模型；多容过程数学模型。
第三节响应曲线辨识过程的数学模型由对象阶跃响应曲线用作图法及两点法确定对象的传递函数。
第三章变送单元第一节概述变送的基本概念。
各种差压变送器结构、原理、特点。
第三节温度变送器温度变送器组成、工作原理及线性化原理。
第七节微型化、数字化和智能化变送器变送器的发展趋势；各种微型化、数字化和智能化变送器的结构、原理。
第四章调节单元概述调节器基本概念；PID控制规律；各控制规律的特点；参数改变对控制质量的影响。
第一节 DDZ—Ⅲ型调节器DDZ-Ⅲ型调节器输入部分；PI部分；PD部分；硬手动；软手动电路；输出部分工作原理。
第二节改进型调节器抗积分饱和调节器；微分先行PID调节器；比例微分先行PID调节器。
第三节数字式调节器数字式调节器组成、特点、应用。
第五章执行单元第一节概述执行器的作用；执行器的分类。
第二节电动执行机构电动执行机构结构、工作原理。
第三节气动执行机构气动执行机构结构、工作原理、作用形式。
第四节气动薄膜调节阀调节阀的工作原理；调节阀的分类；调节阀的选择。
第五章简单控制系统
现场工程整定法——条件：在工艺过程手操稳定的基础上进行。
1）经验法
2）衰减曲线法
3）临界比例度法 4）响应曲线法
控制器参数的工程整定
方法一：经验法 （长期的生产实践中总结出来的一种整定方法）
系统
温度 流量 压力 液面
δ(%)
20～60 40～100 30～70 20～80
参数
TI ( min) 3 ～10 0.1～1 0.4～3
简单控制系统的设计原则
被控变量的选择
方法一：选择能直接反映生产过程中产品产量和质量又易于 测量的参数作为被控变量，称为直接参数法。例如 温度、压力、液位、流量反映等生产工艺状态的参 数。
方法二：选择那些能间接反映产品产量和质量又与直接参数 有单值对应关系、易于测量的参数作为被控变量， 称为间接参数法。例如组分（某物质含量）、转化 率等。
选择操纵变量 加压空气流量f1(t) 浆液流量f2(t) 旁路空气流量f3(t) 烟道气流量f4(t)
加压空气
3
1
干
2
燥
浆液
塔
4
烟道气
空气
单回路控制系统工程设计实例
加压空气
1
FC
2 浆液
TC
3
干
燥
塔
空气
4
烟道气
温度控制系统 测温元件---热电阻温度计 变送器----温度变送器 控制阀----气关形式（对数流量特性） 控制器----PID控制 规律，反作用
2. 当不能用直接参数作为被控变量时，可选择一个与直接参数有 单值函数关系并满足如下条件的间接参数为被控变量。 ⑴ 满足工艺的合理性 ⑵ 具有尽可能大的灵敏度且线形好 ⑶ 测量变送装置的滞后小。
控制系统的频域分析法
(5-
53)
(554)
图5－9不稳定惯性环节的频率特性
图5-4 惯性环节的频率响应
不稳定环节的频率特性如图5-9。比较图5-4可知，它与惯性 环节的频率特性相比，是以平面的虚轴为对称的。
26
（八）滞后环节的传递函数
滞后环节的传递函数为: 其对应的频率特性是:
幅频特性和相频特性分别为:
如图5-10所示，滞后环节的 频率特性在平面上是一个顺 时针旋转的单位圆。
频率ω无关且平行于横轴的直线，其纵坐标为20lgK。
当有n个放大环节串联时，即:
(5-62)
幅值的总分贝数为:
(5-63)
放大环节的相频特性是:
(5-64)
如图5-11所示，它是一条与角频率ω无 关且与ω轴重合的直线。
34
（二）积分环节 积分环节的频率特性是: 其幅频特性为:
对数幅频特性是:
(5-65) (5-66)
(547) (548)
(549) (550)
24
二阶微分环节频率特性曲线如图5-8所示， 它是一个相位超前环节，最大超前相角为 。
图5-8 二阶微分环节频率特性
（七）不稳定图环节
不稳定环节的传递函数为:
不稳定环节有一个正实极点 ， 对应的频率特性是:
(551)
(5-
52)
25
幅频特性和相频特性分别为:
(5-67)
35
设
，则有:
可见，其对数幅频特性是一条
在ω=1（弧度/秒）处穿过零分贝 线（ω轴），且以每增加十倍频率
降低20分贝的速度（-20dB/dec） 变化的直线。
积分环节的相频特性是:
(5-69)
是一条与ω无关，值为-900 且平行于ω轴的直线。积分环
第5章简单控制系统
G p ( s) Gv ( s)G0 ( s)Gm ( s)
图5-6 由控制器和广义被控对象组成的简单控制系统
12
5.2 简单控制系统的设计
过程控制系统设计是过程工艺、仪表或计算 机和控制理论等多学科的综合。
13
在简单控制系统设计中的主要任务是： ——被控变量和操作（或控制）变量的选择 ——建立被控对象的数学模型 ——控制器的设计 ——测量变送装置的选型 ——执行器的选型
水位过低：则会影响产汽量，且锅炉易烧干而发生 事故； 水位过高：生产的蒸汽含水量高， 会影响蒸汽质量。 锅炉汽包液位是一个 重要的工艺参数。
4
为了保持液位为定值，手动控制时主要有三步： ① 观察被控变量的数值——汽包的液位； ② 把观察到的被控变量的值与设定值加以比较，根 据两者的偏差大小或随时间变化的情况，做出判断； ③ 操作给水阀，改变进水量，使液位回到设定值。
Gc ( s)Gv ( s)G0 ( s) Gd ( s ) Y ( s) R( s ) D( s ) 1 Gc ( s)Gv ( s)G0 ( s)Gm ( s) 1 Gc ( s)Gv ( s)G0 ( s)Gm ( s)
Gc ( s)Gv ( s)G0 ( s) Y (s) R( s) 1 Gc ( s)Gv ( s)G0 ( s)Gm ( s)
42
●控制器的正反作用的确定
（实际控制器）×（执行器）×（被控对象）× （测量变送单元）=（-）
简化为：
(实际控制器)×(执行器)×(被控对象)=（-）
43
逻辑推理法和判别式法
(1) 逻辑推理法
44
45
控制信号u↑→蒸汽调节阀的开度↑→介质出 口温度 y↑ 如果介质出口温度 y升高了， 自动控制器就应减小其输出信号u 才能正确地起负反馈控制作用。 控制器应置于反作用方式下。
第五章 控制
制定控制标准的方法：
统计计算法 经验估计法 工程法
①统计计算法（统计标准）。 • 根据企业的历史数字记录或是对比同类企业的水平，运用 统计学方法确定企业经营各方面工作的标准。 • 利用统计方法来确定预期结果。数据可能来自本企业和其 他企业。 • 用历史性统计资料作为某项工作确定标准具有简便易行的 好处，但是据此制定的工作标准可能低于同行业的卓越水 平，甚至是平均水平； • 因此在根据历史性统计数据制定未来工作标准时，应考虑 到行业的平均水平，并研究竞争企业的经验。
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2）现场控制（同步或同期控制）：
– 工作进行中所实施的控制（如管理者亲临现场），主 要有监督和指导两项职能： • ①监督： 按预定标准检查工作； • ②指导： 针对工作中出现的问题，根据自己经验指导下属改 进工作，或与下属共同商讨矫正偏差的措施。 – 优点： • 有指导职能，有助于提高工作人员的工作能力及 自我控制能力； – 缺点： • ①受管理者时间、精力、业务水平的制约； • ②现场控制的应用范围较窄； 8 • ③容易在控制者和被控制者之间形成对立情绪。
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三、知识点小结
– 1）企业员工的工作质量和数量是决定经营成果的 重要因素，因此，必须使企业员工的活动符合计划 和预期的结果的要求。为此，必须建立员工的工作 规范，以便对他们的活动进行控制。
第五章
控
制
课程内容精讲
控制目标与类型 制定控制标准 衡量实际工作 鉴定偏差并采取矫正措施
1
1. 控制的含义：
– 是监视组织各方面的活动，保证组织计划和实际运行状 况动态适应的管理职能。
– 计划和控制密不可分，计划越是明确、全面和完 整，控制的效果越好； – 控制工作越是科学、有效，计划越容易得到实施。 狭义的控制：按照计划标准衡量计划完成情况， 针对出现的偏差采取纠正措施。 – 广义的控制：还包括在必要时修改计划标准，以 使计划更适合于实际情况。
《过程控制与自动化仪表(第2版)》课后答案2
稳态误差 e(∞) = r − y(∞) = 800℃-810℃= −10 ℃
衰减比： n = B1 = 40 = 4 :1 B2 10
最大超调量： δ
=
y(t p ) −
y (∞ ) ⋅100% =
850 − 810 ⋅100% =
4.938%
y(∞)
810
过渡过程时间 ts ：大概在 17min 左右
⋅10 s
= 12.5s3
79.92 + 2.5s +11.96s
经过反拉氏变换之后可得出：系统干扰响应
TF (t) = −6.682 ⋅ e−0.1t ⋅ cos(0.9730t ) − 0.6867⋅e−0.1t ⋅ sin(0.9730t )+ 6.682 b) 同理可得出当 ∆F = 10 ， Kc = 0.48 时，则（1）式为：
， HL
=
(− lnV
⎢ ln 19.2 ⎥
⎢
⎥
⎢⎣ ln10.1⎥⎦
⎡ − ln 54.3 1⎤
⎢ ⎢
−
ln
61.8
1⎥⎥
1)
=
⎢ ⎢ ⎢
− −
ln ln
72.4 88.7
1⎥ 1⎥⎥
，θ
=
⎡α ⎢⎣ln β
⎤ ⎥ ⎦
⎢− ln118.6 1⎥
⎢
⎥
⎢⎣− ln194.0 1⎥⎦
( ) 则由公式：θˆ =
r(t ) +
−
e(t ) 控制器PID
u(t) 气动执行器
测量变送TT
加热器
y
第四章 被控过程的数学模型
2-（1）如下图所示， q1 为过程的流入量， q2 为流出量， h 为液位高度， C 为容量系数。
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第五章简单控制系统教学要求：掌握简单控制系统的组成掌握被控变量的选择方法及原则掌握操纵变量的选择方法及原则，学会分析对象静态、动态特性对控制质量的影响。
了解系统设计中的测量变送问题掌握控制器控制规律的选择及控制器正反作用选择了解简单控制系统的投运过程及参数整定方法通过单回路控制系统的设计实例讲解，掌握单回路控制系统的设计重点：被控变量、操纵变量的选择控制器正反作用选择难点：操纵变量的选择控制器正反作用选择§5.1 简单控制系统设计原则简单控制系统（单回路控制系统）是指由一个受控对象、一个测量变送器、一个控制器和一个执行机构（控制阀）所组成的闭环控制系统。
一、被控变量的选择被控变量选择方法方法一：选择能直接反映生产过程中产品产量和质量又易于测量的参数作为被控变量，称为直接参数法。
方法二：选择那些能间接反映产品产量和质量又与直接参数有单值对应关系、易于测量的参数作为被控变量，称为间接参数法。
选择被控变量的原则1. 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变量。
2. 当不能用直接参数作为被控变量时，可选择一个与直接参数有单值函数关系并满足如下条件的间接参数为被控变量。
⑴满足工艺的合理性⑵具有尽可能大的灵敏度且线形好⑶测量变送装置的滞后小。
二、操纵变量的选择选择操纵变量，就是从诸多影响被控变量的输入参数中选择一个对被控变量影响显著而且可控性良好的输入参数，作为操纵变量，而其余未被选中的所有输入量则视为系统的干扰。
1. 对象静态特性对控制质量的影响应适当大些。
ＫＯ扰动通道放大倍数K f越小越好。
Ｋf小表示扰动对被控变量的影响小，系统可控性好。
小结：选择操纵变量构成控制系统时，从静态角度考虑，在工艺合理性的前提下，扰动希望适当大些，以使控制通道灵敏些。
通道的放大倍数Ｋf越小越好，控制通道放大倍数ＫＯ2. 对象动态特性的影响对象的动态特性一般可由时间常数Ｔ和纯滞后τ来描述。
设扰动通道时间常数为Ｔf，纯滞后为τf；控制通道的时间常数为Ｔo，纯滞后为τo。
下面我们分别进行讨论。
⑴对扰动通道特性的影响Ｔf对控制质量的影响纯滞后τf对控制质量的影响⑵对控制通道的影响在选择操纵变量构成控制系统时，应使对象控制通道中τ0适当小些，设法减小τ0。
3. 操纵变量的选择原则⑴要构成的控制系统，其控制通道特性应具有足够大的放大系数，比较小的时间常数及尽可能小的纯滞后时间。
⑵系统主要扰动通道特性应该具有尽可能大的时间常数和尽可能小的放大系数。
⑶考虑工艺上的合理性。
如生产负荷直接关系到产品的质量，就不宜选为操纵变量。
例：乳化物干燥塔操纵变量的选择三、系统设计中的测量变送问题1. 纯滞后2. 测量滞后3. 传送滞后传送滞后------信号传送过程中引起的滞后。
主要指的是气信号的传送，对于电信号这种传送滞后可以忽略不计。
四、控制器对控制规律及正反作用的选择1. 控制器对控制规律的选择复习基本控制规律对过渡过程的影响。
控制规律选择的原则是：1. 对于一些对象控制通道滞后较小，负荷变化不大，工艺要求又不太高的控制系统，可选用比例控制器。
象贮罐的液面，以及不太重要的蒸汽压力等控制系统。
2. 对象控制通道滞后较小，负荷变化不大，但不允许有余差的情况，可选用比例积分控制器。
例如流量、管道压力等控制系统往往采用ＰＩ控制器。
3. 当对象滞后较大，如温度、ＰＨ值等控制系统则需引入微分作用。
一般在对象滞后较大，负荷变化也较大，控制质量又要求较高时，可选用比例（P）积分（I）微分（D）控制器。
4. 当对象控制通道的滞后很小，采用反微分作用可以收到良好的效果。
5. 当对象滞后很大，负荷又变化很大时，PID作用控制器也不能解决问题，往往要设计某些复杂控制系统。
2. 控制器正反作用的选择控制器正反作用的确定有两种方法：逻辑推理方法：方块图法（符号法）：利用控制系统方块图中各环节的符号来确定控制器正、反作用定义环节正、负符号的定义：凡是输入增大导致输出也增大的为“＋”，反之为“－”。
测量变送环节：当被控变量增加时其输出量也是增加的，作用方向一般都是“＋”，控制阀环节：气开式，输入增大输出也增大，定义为“＋”；气关阀定义为“－”。
受控对象环节：只需考虑控制通道输出与输入信号的关系。
当操纵变量增加时，被控变量也增加的对象定义为“＋”；反之，被控变量减小的定义为“－”。
控制器环节：将其看成仅以测量值为输入（设定值不变）的环节，即输入（测量信号）增大，输出也增大为“＋”（正作用），反之，输入增大输出减小为“－”（反作用），。
这里讲的输入输出关系是指环节的静态关系。
确定控制器正、反作用次序一般为：首先根据生产工艺安全等原则确定控制阀的作用方的符号。
最后根据上述三个环节构成的开环系统各环节静态放大系数极性（符式，以确定ＫＶ号）相乘必须为负的原则来确定控制器的正、反作用方式。
下面通过一个例子加以说明。
§5.2 简单控制系统的投运及控制器参数的工程整定一、简单控制系统的投运经过控制系统设计、仪表调校、安装，接下去的工作是控制系统投运。
也就是将工艺生产从手操状态切入自动控制状态。
控制系统投运前应作好如下的准备工作：1. 详细了解工艺，对投运中可能出现的问题有所估计。
2. 吃透控制系统的设计意图。
3. 在现场，通过简单的操作对有关仪表（包括控制阀）的功能作出是否可靠且性能是否基本良好的判断。
4. 设置好控制器正反作用和Ｐ、Ｉ、Ｄ参数。
5. 按无扰动切换（指手、自动切换时阀上信号基本不变）的要求将控制器切入自动。
二、控制器参数的工程整定控制器参数整定的任务，是对已定的控制系统求取保证控制过程质量为最好的参数。
目前整定参数的方法有两大类。
一类是理论计算整定的方法，如频率特性法、根轨迹法等，这些方法都是要获取对象的动态特性，而且比较费时，因而在工程上多不采用。
一类是工程整定的方法，如经验法、临界比例度法和衰减曲线法等，它们都不需要获得对象的动态特性，而直接在闭合的控制回路中进行整定，因而简单、方便，适合在工程上实际应用。
1. 经验法它是根据经验先将控制器参数放在某些数值上，直接在闭合的控制系统中通过改变给定值以施加干扰，看输出曲线的形状，以δ%、T I、T D，对控制过程的规律为指导，调整相应的参数进行凑试，直到合适为止。
2. 临界比例度法将控制器的积分作用和微分作用除去，按比例度由大到小的变化规律，对应于某一δ％值作小幅度的设定值阶跃干扰，以获得临界情况下的临界振荡。
这时候的比例度叫做临界比例度δk，振荡的两个波峰之间的时间即为临界振荡周期T k。
然后可按表中所列经验算式，求取控制器参数的最初设定值。
观察系统的响应过程，若曲线不符合要求，再适当调整整定参数值。
3. 衰减曲线法这种方法是以得到具有通常所希望的衰减比（4:1）的过渡过程为整定要求。
其方法是：在纯比例作用下，由大到小调整比例度以得到具有衰减比的过渡过程，记下此时的比例度δS及振荡周期T S，根据经验公式表，求出相应的积分时间T I和微分时间T D。
4. 响应曲线法这是一种根据广义对象的时间特性来整定参数的方法。
5.3 单回路控制系统工程设计实例喷雾式干燥塔控制系统设计。
1. 被控变量与操纵变量的选择⑴被控变量的选择由于产品的湿度测量十分困难，所以不能取直接参数。
根据生产工艺分析，产品的湿度与塔出口的温度密切相关，若保证温度波动小于2～5℃，则符合质量要求。
因而选干燥塔出口温度为被控参数（间接参数）。
⑵操纵变量的选择影响干燥塔出口温度的主要因素有：加压空气流量f1(t)、浆液流量f2(t) 、旁路空气流量f3(t) 、烟道气流量f4(t)，因而有4个变量可作为操纵变量，在图中用控制阀1、2、3、4，分别控制这4个变量构成4种控制方案。
比较4种控制方案。
最后干燥塔总体控制方案，加压空气单独设计一流量控制系统，以排除其对干燥塔温度的影响，温度控制系统，取塔出口温度为被控制变量，旁路空气为操纵变量。
2. 过程检测、控制设备的选用根据生产工艺和用户要求，选用电动单元组合（DDZ）仪表。
a. 温度控制系统⑴测温元件及变送器被控温度在100℃以下，选用热电阻温度计。
为提高检测精度，应用三线制接法，并配用温度变送器。
⑵控制阀根据生产工艺安全原则及被控介质特点，选气关形式。
根据过程特点与控制要求选用对数流量的控制阀。
⑶控制器根据过程特点与工艺要求，选用PID控制规律。
根据构成系统负反馈的原则，确定控制器正、反作用方向。
b. 流量控制系统⑴检测仪表根据被控介质的特点，选用电磁流量表。
⑵控制阀根据生产工艺安全原则及被控介质特点，选气开形式，根据过程特点与控制要求选用线形流量特性的控制阀。
⑶控制器根据过程特点与工艺要求，选纯比例控制规律即可。