计算机过程控制
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对象构成一个闭合回路。在连接成闭合 回路
时，可能出现两种情况：正反馈和负反 馈。
正反馈作用：加剧被控对象流入量流出 量的不平衡，从而导致控制系统不稳定；
负反馈作用：则是缓解对象中的不平衡， 这样才能正确地达间自动控制的目的。
3
GP(S)是包括调节阀、被控对象和回量
变送元件在内的广义被控对象的传递函数；
9
调节器的比例带δ习惯用它相对于被调 量测量仪表的量程的百分数表示。例如， 若测量仪表的量程为1000C，则δ ＝50%就 表示被调量需要改变500C才能使调节阀从 全关到全开。
根据P调节器的输入输出测试数据，很 容易确定它的比例带的大小。
10
二、比例调节的特点:有差调节
工业过程在运行中经常会发生负荷变化。 负荷：指物料流或能量流的大小。被控过程
7
§2-2比例调节(P调节)
一、比例调节的动作规律，比例带
在P调节中，调节器的输出信号u与偏差信号e
成比例，
KC称为比例增益（可为
正或负）。
调节器输出u实际上是对其起始值u0的增量。
当偏差e为零因而u=0时，并不意味着调节器没 有输出，它只说明此时有u=u0。u0的大小通过调 整调节器的工作点加以改变。
PID控制优点： （1）原理简单，使用方便。参数整定易。
（2）适应性强，广泛应用于化工、热工、冶金、 炼油以及造纸、建材等各种生产部门。PID自动 调节器早已商品化。机械式、液动式、气动式、 电子式。过程控制计算机的基本控制功能是PID 控制。 （3）鲁棒性强，即其控制品质对被控对象特性 的变化不大敏感。在模型失配，环境变化时系 统能够保持良好的稳定性与控制性能的目的。
5
举例1：被控对象是一个加热过程，如果蒸汽调节阀的开度随着控制信号U 的加大而加大，温度y将会随着信号u的加大而升高。如果介质温度y降低了， 自动调节器就应加大其输出信号U才能正确地起负反馈控制作用，因此调 节器应置于反作用方式下。
举例2：如果被控对象是一个冷却过程，并假定冷却剂调节阀 的开度随着U信号的加大而加大，那么被冷却介质温度将随着 信号U的加大而降低。在这个应用中，调节器应置于正作用方 式下。
虚线框内部分是调节器GC(S)。r为设定值，
y为被调量的实测值。
4
实现负反馈控制的需要：工业调节器都设 置有正、反作用开关，以便根据需要将调 节器置于正作用或者反作用方式。
正作用方式：是指调节器的输出信号U随 着被调量y的增大而增大，此时称整个调节 器的增益为“十”。
反作用方式下：u随着被调量y的增大而减 小，调节器的增益为“一”。
6
用控制系统方框图确定调节器的正、反作用： 负 反馈闭合回路上所有串联环节（包括调节器的运算部 分在内）的增益之乘积是正数。 K、Kv和Km分别代表被控过程、调节阀和测量变送 装置的增益， Kc代表调节器运算部分的增益， µ为调节阀的开度, Ym为被调量y的测量值。调节器 置于正作用方式时Kc 为负，反之Kc为正。在该例子中， K、Kv和Km都是正数，因此负反馈要求KC为正，即要 求调节器置于反作用方式。
1
首先想到PID控制。大型的现代化生产 装置的很多控制回路绝大部分都采用PID控 制。
例外：被控对象易于控制而控制要求又 不高的，可以采用更简单的开关控制方式； 被控对象特别难以控制而控制要求又特别 高的情况，可能采用更先进的控制方法。
2
PID控制是一种负反馈控制 在反馈控制系统中，自动调节器和被控
在进入稳态后，流入量=流出量，达到平衡的。 根据调节阀的开度来衡量负荷的大小。
采用比例调节时，则在负荷扰动下的调节过程 结束后，被调量不可能与设定值wk.baidu.com确相等，一 定有残差。
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例：一个水加热器的出口水温控制系 统。
水温度θ是由传感器θT获取信 号并送到调节器θ C的，调节器控制加 热蒸汽的调节阀开度以保持出口水温 恒定，加热器的热负荷既决定于热水 流量Q也决于热水温度θ 。假定现在采 用比例调节器，并将调节阀开度u。直 接视为调节器的输出。图中的直线l是 比例调节器的静特性，即调节阀开度 随水温变化的情况。水温愈高，调节 器应把调节阀开得愈小，因此它在图 中是左高右低的直线，比例带愈大则 u直线的斜率愈大。
13
不难看出，残差既随着流量变化幅度也随着比例 带的加大而加大。比例调节虽然不能准确保持 被调量恒定，但效果还是比不加自动控制好。 在图2，4中可见，从运行点O开始，如果不进 行自动控制，那么热水流量减小为Q1后，水温 将根据其自平衡特性一直上升到θB为止。
14
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蒸汽带入的热量是流入量，热水带走的热量是 流出量。 在稳态下，流出量=流入量。热水流量还是 热水温度的改变，都意味着流出量的改变，此 时必须相应地改变流入量才能重建平衡关系。 因此，蒸汽调节阀开度必须有相应的改变。从 比例调节器看，这就要求水温必须有残差。
曲线2和3分别代表加热器在不 同的热水流量下的静特性。它们表示 加热器在没有调节器控制时，在不同 的热水流量下的稳态出口水温与调节 阀开度之间的关系，
12
直线1与曲线2的交点O代表在热 水流量为Q。，业已投入自动控 制并假定控制系统是稳定的情况 下，最终要达到的稳态运行点， 那时的出口水温为θ0 ，调节阀 开度为µ0。如果假定θ0就是水 温的设定值（这可以通过调整调 节器的工作点做到），从这个运 行点开始，如果热水流量减小为 Q1，那么在调节过程结束后， 新的稳态运行点将移到直线1与 曲线3的交点A。这就出现了被 调量残差θA-θ0，它是比例调节 规律所决定的。
16
加热器是具有自衡特性的工业过程，另有一类 过程则不具有自衡特性，工业锅炉的水位控制 就是一个典型例子。 这种非自衡过程本身没有所谓的静特性，但 仍可以根据流入、流出量的平衡关系进行有无 残差的分析。为了保持水位稳定，给水量必须 与蒸汽负荷取得平衡。一旦失去平衡关系，水 位就会一直变化下去。因此当蒸汽负荷改变后， 给水调节阀开度必须有相应的改变，才能保持 水位稳定。如果采用比例调节器，这就意味着 在新的稳态下，水位必须有残差。还可以注意 到，水位设定值的改变不会影响锅炉的蒸汽负 荷，因此在这种情况下水位也不会有残差。 (p19)
8
δ称为比例带：
如果u直接代表调节阀开度的变化量， δ就代表使调节阀开度改变100％即从全关 到全开时所需要的被调量的变化范围。只 有当被调量（ y ）处在这个范围以内，调 节阀的开度（变化）才与偏差成比例。超 出“比例带”以外，调节阀已处于全关或 全开的状态，此时调节器的输入与输出已 不再保持比例关系，而调节器至少也暂时 失去其控制作用了。
时，可能出现两种情况：正反馈和负反 馈。
正反馈作用：加剧被控对象流入量流出 量的不平衡，从而导致控制系统不稳定；
负反馈作用：则是缓解对象中的不平衡， 这样才能正确地达间自动控制的目的。
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GP(S)是包括调节阀、被控对象和回量
变送元件在内的广义被控对象的传递函数；
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调节器的比例带δ习惯用它相对于被调 量测量仪表的量程的百分数表示。例如， 若测量仪表的量程为1000C，则δ ＝50%就 表示被调量需要改变500C才能使调节阀从 全关到全开。
根据P调节器的输入输出测试数据，很 容易确定它的比例带的大小。
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二、比例调节的特点:有差调节
工业过程在运行中经常会发生负荷变化。 负荷：指物料流或能量流的大小。被控过程
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§2-2比例调节(P调节)
一、比例调节的动作规律，比例带
在P调节中，调节器的输出信号u与偏差信号e
成比例，
KC称为比例增益（可为
正或负）。
调节器输出u实际上是对其起始值u0的增量。
当偏差e为零因而u=0时，并不意味着调节器没 有输出，它只说明此时有u=u0。u0的大小通过调 整调节器的工作点加以改变。
PID控制优点： （1）原理简单，使用方便。参数整定易。
（2）适应性强，广泛应用于化工、热工、冶金、 炼油以及造纸、建材等各种生产部门。PID自动 调节器早已商品化。机械式、液动式、气动式、 电子式。过程控制计算机的基本控制功能是PID 控制。 （3）鲁棒性强，即其控制品质对被控对象特性 的变化不大敏感。在模型失配，环境变化时系 统能够保持良好的稳定性与控制性能的目的。
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举例1：被控对象是一个加热过程，如果蒸汽调节阀的开度随着控制信号U 的加大而加大，温度y将会随着信号u的加大而升高。如果介质温度y降低了， 自动调节器就应加大其输出信号U才能正确地起负反馈控制作用，因此调 节器应置于反作用方式下。
举例2：如果被控对象是一个冷却过程，并假定冷却剂调节阀 的开度随着U信号的加大而加大，那么被冷却介质温度将随着 信号U的加大而降低。在这个应用中，调节器应置于正作用方 式下。
虚线框内部分是调节器GC(S)。r为设定值，
y为被调量的实测值。
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实现负反馈控制的需要：工业调节器都设 置有正、反作用开关，以便根据需要将调 节器置于正作用或者反作用方式。
正作用方式：是指调节器的输出信号U随 着被调量y的增大而增大，此时称整个调节 器的增益为“十”。
反作用方式下：u随着被调量y的增大而减 小，调节器的增益为“一”。
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用控制系统方框图确定调节器的正、反作用： 负 反馈闭合回路上所有串联环节（包括调节器的运算部 分在内）的增益之乘积是正数。 K、Kv和Km分别代表被控过程、调节阀和测量变送 装置的增益， Kc代表调节器运算部分的增益， µ为调节阀的开度, Ym为被调量y的测量值。调节器 置于正作用方式时Kc 为负，反之Kc为正。在该例子中， K、Kv和Km都是正数，因此负反馈要求KC为正，即要 求调节器置于反作用方式。
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首先想到PID控制。大型的现代化生产 装置的很多控制回路绝大部分都采用PID控 制。
例外：被控对象易于控制而控制要求又 不高的，可以采用更简单的开关控制方式； 被控对象特别难以控制而控制要求又特别 高的情况，可能采用更先进的控制方法。
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PID控制是一种负反馈控制 在反馈控制系统中，自动调节器和被控
在进入稳态后，流入量=流出量，达到平衡的。 根据调节阀的开度来衡量负荷的大小。
采用比例调节时，则在负荷扰动下的调节过程 结束后，被调量不可能与设定值wk.baidu.com确相等，一 定有残差。
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例：一个水加热器的出口水温控制系 统。
水温度θ是由传感器θT获取信 号并送到调节器θ C的，调节器控制加 热蒸汽的调节阀开度以保持出口水温 恒定，加热器的热负荷既决定于热水 流量Q也决于热水温度θ 。假定现在采 用比例调节器，并将调节阀开度u。直 接视为调节器的输出。图中的直线l是 比例调节器的静特性，即调节阀开度 随水温变化的情况。水温愈高，调节 器应把调节阀开得愈小，因此它在图 中是左高右低的直线，比例带愈大则 u直线的斜率愈大。
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不难看出，残差既随着流量变化幅度也随着比例 带的加大而加大。比例调节虽然不能准确保持 被调量恒定，但效果还是比不加自动控制好。 在图2，4中可见，从运行点O开始，如果不进 行自动控制，那么热水流量减小为Q1后，水温 将根据其自平衡特性一直上升到θB为止。
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蒸汽带入的热量是流入量，热水带走的热量是 流出量。 在稳态下，流出量=流入量。热水流量还是 热水温度的改变，都意味着流出量的改变，此 时必须相应地改变流入量才能重建平衡关系。 因此，蒸汽调节阀开度必须有相应的改变。从 比例调节器看，这就要求水温必须有残差。
曲线2和3分别代表加热器在不 同的热水流量下的静特性。它们表示 加热器在没有调节器控制时，在不同 的热水流量下的稳态出口水温与调节 阀开度之间的关系，
12
直线1与曲线2的交点O代表在热 水流量为Q。，业已投入自动控 制并假定控制系统是稳定的情况 下，最终要达到的稳态运行点， 那时的出口水温为θ0 ，调节阀 开度为µ0。如果假定θ0就是水 温的设定值（这可以通过调整调 节器的工作点做到），从这个运 行点开始，如果热水流量减小为 Q1，那么在调节过程结束后， 新的稳态运行点将移到直线1与 曲线3的交点A。这就出现了被 调量残差θA-θ0，它是比例调节 规律所决定的。
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加热器是具有自衡特性的工业过程，另有一类 过程则不具有自衡特性，工业锅炉的水位控制 就是一个典型例子。 这种非自衡过程本身没有所谓的静特性，但 仍可以根据流入、流出量的平衡关系进行有无 残差的分析。为了保持水位稳定，给水量必须 与蒸汽负荷取得平衡。一旦失去平衡关系，水 位就会一直变化下去。因此当蒸汽负荷改变后， 给水调节阀开度必须有相应的改变，才能保持 水位稳定。如果采用比例调节器，这就意味着 在新的稳态下，水位必须有残差。还可以注意 到，水位设定值的改变不会影响锅炉的蒸汽负 荷，因此在这种情况下水位也不会有残差。 (p19)
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δ称为比例带：
如果u直接代表调节阀开度的变化量， δ就代表使调节阀开度改变100％即从全关 到全开时所需要的被调量的变化范围。只 有当被调量（ y ）处在这个范围以内，调 节阀的开度（变化）才与偏差成比例。超 出“比例带”以外，调节阀已处于全关或 全开的状态，此时调节器的输入与输出已 不再保持比例关系，而调节器至少也暂时 失去其控制作用了。